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JP2004247445A - Nonvolatile memory element and manufacturing method of semiconductor memory device as well as nonvolatile memory element - Google Patents

Nonvolatile memory element and manufacturing method of semiconductor memory device as well as nonvolatile memory element Download PDF

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JP2004247445A
JP2004247445A JP2003034521A JP2003034521A JP2004247445A JP 2004247445 A JP2004247445 A JP 2004247445A JP 2003034521 A JP2003034521 A JP 2003034521A JP 2003034521 A JP2003034521 A JP 2003034521A JP 2004247445 A JP2004247445 A JP 2004247445A
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nonvolatile memory
memory element
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barrier layer
nitrogen
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an MONOS type or an MNOS type nonvolatile memory element capable of arbitrarily setting the retaining characteristic of data with a high accuracy, and to provide the manufacturing method thereof. <P>SOLUTION: The nonvolatile memory element 3 is provided with a gate electrode 16 via an insulating film 15a in which a first potential barrier layer 12a, an electric charge accumulating layer 13 and a second potential barrier layer 14 are laminated sequentially on a semiconductor substrate 11 through a gate electrode 16. Nitrogen is contained in the potential barrier layer 12a and the data retaining time is arbitrarily set by the containing amount of the nitrogen. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は不揮発性記憶素子およびその製造方法に関し、特には設定された保持時間が経過した時点で記憶させたデータが消去される不揮発性記憶素子、およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
MONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Semiconductor)型またはMNOS(Metal−Nitride−Oxide−Semiconductor)型の不揮発性記憶素子は、フローティングゲートを設けた不揮発性記憶素子と比較して駆動電圧が低く、様々な電子機器への適用が期待されている。
【0003】
図8には、このような不揮発性記憶素子のうち、MONOS型の不揮発性記憶素子の断面構成図を示す。この図に示すように、MONOS型の不揮発性記憶素子1は、シリコンからなる半導体基板11上に、酸化シリコン(Oxide)からなる第1電位障壁層12、窒化シリコン(Nitride)からなる電荷蓄積層13および酸化シリコン(Oxide)からなる第2電位障壁層14をこの順に積層してなる絶縁膜15が設けられ、この上部にゲート電極16が設けられている。そして、ゲート電極16の両脇下方の半導体基板11表面層には、ゲート電極16側からLDD拡散層17およびソース・ドレイン拡散層18が設けられている。さらに、ゲート電極16の側壁でLDD拡散層17の上部には、LDD拡散層17の幅を決定する絶縁性のサイドウォール19が設けられ、MOSトランジスタとして構成されている。
【0004】
このように構成されたMONOS型の不揮発性記憶素子においては、ゲート電極16にワード線が接続され、またソース・ドレイン拡散層18にビット線が接続され、電荷蓄積層13の第2電位障壁層14側にデータとして電荷が蓄積される。そして、電荷蓄積層13中に存在する電荷の有無により、しきい値電圧をシフトさせ、そのシフト後のしきい値電圧の値を書き込み用及び読み出し用の信号に対応させている。
【0005】
例えばトランジスタ部分がNMOSであり、電荷蓄積層13に電子が蓄えられている場合には、しきい値電圧は正の方向にシフトしている。そして、読み出し時には、該当する素子にゲート電圧を印加するが、電荷蓄積層13に電子が蓄えられていることによりしきい値電圧が大きくなっているため、ソース・ドレイン拡散層18間に電流は流れない。逆に、電荷蓄積層13に正孔が蓄えられている場合には、しきい値電圧は負の方向にシフトしているため、読み出し時のゲート電圧でソース・ドレイン拡散層18間に電流が流れる。この、電流が流れる、流れないを“0”,“1”に対応させているのが不揮発性記憶素子の基本動作原理である。尚、MNOS型の不揮発性記憶素子は、電荷蓄積層13上に、直接ゲート電極16が設けられ、電荷蓄積層13の第1電位障壁層12側に電荷が蓄積される構成となっている。
【0006】
このような構成の不揮発性記憶素子においては、電荷保持特性の改善を目的として、窒化シリコンからなる電荷蓄積層13に換えて、酸化アルミニウムからなる電荷蓄積層を設ける構成が提案されている(例えば下記特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−368142号公報
【0008】
ところで、以上のような構成のMONOS型またはMNOS型の不揮発性記憶素子においては、データ保持時間およびデータ消去時間のような素子性能は、絶縁膜15を構成する各層の膜厚によって制御されている。図9には、一例として、MONOS型の不揮発性記憶素子についての、酸化シリコンからなる第1電位障壁層の膜厚(Tunnel Oxide thickness)に対しての、(a)データ保持時間(Retention time)および(b)データ消去時間(Erase time)を示す。これらの図に示すように、第1電位障壁層の膜厚が厚いほど、データ保持時間およびデータ消去時間が大きくなることがわかる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、半導体基板とゲート電極とに狭持された絶縁膜を構成する各層の膜厚による、MONOS型またはMNOS型の不揮発性記憶素子の性能の制御は、非常に不安定であった。つまり、このような制御を行う場合、絶縁膜を構成する各層を数nm〜十数nm程の薄い範囲で高精度に制御する必要があるため、安定した制御を行うことが困難なのである。
【0010】
さらに、絶縁膜を構成する各層の膜厚の変更する際には、絶縁膜を構成する全ての層の加工条件の変更を伴う。しかも、絶縁膜の膜厚の変更に伴い、LDD拡散層の幅を決定するサイドウォールの幅が変化するため、LDD拡散層の設計変更も必要となる。このため、不揮発性記憶素子の性能に対応した設計管理が複雑になり、製造現場での対応が困難であるという問題もあった。
【0011】
また、異なる性能を有する不揮発性記憶素子を、同一基板上に形成してなる半導体記憶装置を形成する場合、各不揮発性記憶素子における絶縁膜の膜厚が異なるため、性能の異なる不揮発性記憶素子毎にLDD拡散層を作り分ける必要も生じてくる。このため、製造工程数が増加し製品コストを上昇させる要因となる。
【0012】
そこで本発明は、データの保持特性を高精度で任意に設定することが可能な、MONOS型またはMNOS型の不揮発性記憶素子、これを用いた半導体記憶装置、およびこの不揮発性記憶素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明の不揮発性記憶素子は、半導体基板上に、電位障壁層および電荷蓄積層がこの順に積層された絶縁膜を介してゲート電極を設けてなる不揮発性記憶素子であり、電位障壁層中に窒素が含有され、当該窒素の含有量によってデータの保持時間が任意に制御されてなることを特徴としている。
【0014】
このような構成の不揮発性記憶素子では、電位障壁層中の窒素の含有量によってデータの保持時間が制御されている。ここで、不揮発性記憶素子におけるデータの保持時間は、電位障壁層中の窒素の含有量に対する依存性が良好であり、また電位障壁層中の窒素の含有量は非常に制御性が良好である。したがって、電位障壁層や電荷蓄積層などの各層の膜厚の調整によって素子性能が制御されている不揮発性記憶素子と比較して、データの保持時間が高精度に制御されたものとなる。
【0015】
また、本発明は、このような不揮発性記憶素子を複数設けてなる半導体記憶装置であり、少なくとも不揮発性記憶素子のうちの1つにおける電位障壁層中に窒素が含有され、電位障壁層中に窒素が含有された不揮発性記憶素子のデータの保持時間が窒素の含有量によってそれぞれ任意に設定されてなることを特徴としている。
【0016】
このような構成の半導体記憶装置では、上記不揮発性記憶素子を用いたことで、同一基板上に様々な素子性能を有する不揮発性記憶素子を設ける場合であっても、電位障壁層中の窒素の含有量によって素子性能(データの保持時間)を制御しているため、この電位障壁層を含む絶縁膜の膜厚は、不揮発性記憶素子の性能(データの保持時間)によらずに一定に保たれる。したがって、窒素含有量以外の他の設計値を共通にしつつも、性能の異なる不揮発性素子が同一基板上に設けられたものになる。
【0017】
また本発明は、上述した構成の不揮発性記憶素子の製造方法であり、予め設定されたデータの保持時間に基づいて前記電位障壁層中に導入する窒素の含有量を求めておき、電位障壁層を形成した直後に当該電位障壁層内に、求められた含有量の窒素を導入する工程を行うことを特徴としている。
【0018】
このような構成の製造方法では、電位障壁層中の窒素の含有量によってデータの保持時間を制御しているため、この電位障壁層を含む絶縁膜の膜厚は、不揮発性記憶素子の性能(データの保持時間)によらずに一定に保たれる。したがって、他の設計値を変更することなく、制御性の良好な窒素の含有量の調整のみによって素子性能(データの保持時間)が制御された不揮発性記憶素子を得ることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、MONOS型の不揮発性記憶素子を例にとり、この不揮発性記憶素子、この不揮発性記憶素子を用いた半導体記憶装置、さらにはこの不揮発性記憶素子の製造方法を適用した半導体記憶装置の製造方法の順に説明する。
【0020】
<不揮発性記憶素子>
図1には、実施形態の不揮発性記憶素子の概略断面図を示す。この図に示す実施形態の不揮発性記憶素子3と、図8を用いて説明した従来の不揮発性記憶素子との異なる点は第1電位障壁層12a、およびこの第1電位障壁層12aを含む絶縁膜15aの構成にあり、他の構成は同様であることとする。このため、以下においては従来と重複する説明は省略する。
【0021】
すなわち、不揮発性記憶素子3は、例えば単結晶シリコンからなる半導体基板11上に、第1電位障壁層12a、電荷蓄積層13、および第2電位障壁層14をこの順に積層してなる絶縁膜15aを介してゲート電極16が設けられている。
【0022】
このうち、第1電位障壁層12aは、所定の含有量で窒素を含有してなるもので、例えば予め成膜された酸化シリコン膜に対して窒素の導入処理を施した層であることとする。そして特に、第1電位障壁層12a中における窒素の含有量は、この不揮発性記憶素子3に要求されるデータの保持時間によって設定された量であることとする。
【0023】
また、電荷蓄積層13は、窒化シリコン系の材料からなり、具体的には窒化シリコン、窒化酸化シリコン、およびフッ化窒化シリコンのうちの少なくとも1つを用いて構成され、各材料からなる層の単層で構成されるか、またはこれらの層を適宜に積層させてなることとする。尚、この電荷蓄積層13が窒化酸化シリコンからなり、第1電位障壁層12aが酸化シリコン膜に窒素を導入してなる場合、これらの層の間には界面が存在するため、異なる層として分離される。
【0024】
そして、第2電位障壁層14は、例えば酸化シリコン膜からなることとする。
【0025】
ここで、第1電位障壁層12a中における窒素の含有量は、例えば図2のグラフに基づいて次のように設定されている。尚、図2は、第1電位障壁層12a中における窒素の含有量(atoms%であり、以下単に%で示す)のみをそれぞれの値に設定した各不揮発性記憶素子においての、しきい値電圧(Threshold Voltage)の径時変化を示すグラフである。また、この図2は、第1電位障壁層12aの膜厚が2.6nm、電荷地区性層13の膜厚が5nm、第2電位障壁層14の膜厚が4nmの場合の例である。
【0026】
このグラフの上方の各値は、電荷蓄積層13に電荷を蓄積させた時点からのしきい値電圧の径時変化を示しており、時間経過と共にしきい値電圧が4Vから徐々に低下する状態が示されている。そして、しきい値電圧が読み出し電圧(Deta Lsot)として設定されている2.5Vを上回っている場合には、ゲート電極に読み出し電圧を印加しても、ソース・ドレイン間に電流が流れず、これによってデータが保持されている状態となる。ところが、しきい値電圧が読み出し電圧(Deta Lsot)にまで低下した以降には、ゲート電極に読み出し電圧を印加することで、ソース・ドレイン間に電流が流れるため、データが消去された状態となる。
【0027】
そして、上述したようなデータが保持される時間、すなわちしきい値電圧が読み出し電圧(Deta Lsot)にまで低下する時間は、第1電位障壁層12a中における窒素の含有量が多いほど短くなることがわかる。
【0028】
そこで、例えば、この不揮発性記憶素子3に対して、10年に限定されたデータの保持時間が要求されている場合、第1電位障壁層12内の窒素の含有量は12%に設定されることとする。また、同様に4ヶ月(144日)に限定されている場合には23%、さらに約2ヶ月(58日)に限定されている場合には26%に設定されていることとする。100年以上のデータの保持時間が要求されている場合には、第1電位障壁層12内の窒素の含有量は10%以下に設定されることとする。尚、データの保持時間に対する窒素含有量は、第1電位障壁層12a、電荷蓄積層13,および第2電位障壁層の膜厚によって、10%〜26%の範囲で適宜選択される値となる。
【0029】
そして、電位障壁層12a中における窒素の含有量を10%〜26%に設定することで、不揮発性記憶素子3のデータの保持時間として限定された時間を設定することが可能になる。
【0030】
以上のような構成の不揮発性記憶素子3によれば、電位障壁層12a中の窒素の含有量によってデータの保持時間が制御されている。図2にも示したように、不揮発性記憶素子3におけるデータの保持時間は、電位障壁層12a中の窒素の含有量に対する依存性が良好であり、また電位障壁層12a中の窒素の含有量は非常に制御性が良好である。したがって、電位障壁層や電荷蓄積層などの各層の膜厚の調整によって素子性能が制御されている従来構成の不揮発性記憶素子と比較して、データの保持時間が高精度に制御された不揮発性記憶素子3を得ることができる。
【0031】
しかも、この電位障壁層12aを含む絶縁膜15aの膜厚は、不揮発性記憶素子3に対して設定されているデータの保持時間によらずに一定に保たれる。このように、絶縁膜15aの膜厚が一定に保たれることにより、この絶縁膜15aの側壁に自己整合的に設けられるサイドウォール19の幅も一定に保たれる。また、これによりサイドウォール19下のLDD拡散層17の幅も一定に保たれる。したがって、この不揮発性記憶素子3は、他の設計値を変更することなく、制御性の良好な窒素の含有量の調整のみによって、データの保持時間が高精度に制御され、製造現場における設計変更が容易なものとなる。
【0032】
また、データの保持時間として、限定された時間を高精度に設定可能であるため、この半導体記憶素子を期間限定の認証手段として用いることも可能である。例えば、IDカード等に、所定の限定された時間をデータ保持時間として構成された複数の半導体記憶素子3を認証手段として設けておく。そして、これらの半導体記憶素子3にID情報を記憶させておくことで、上記データの保持時間に限ってIDカードの使用を可能とする形態のビジネスモデルの提供も可能になる。
【0033】
尚、図3には、上述した構成の不揮発性記憶素子3における第1電位障壁層12a中の窒素の含有量(Nitrogen Concentration)とデータの消去速度(Erase time)との関係を示すグラフである。このグラフに示すように、データの消去速度は、窒素の含有量の増加と共に速くなり、データの消去速度も窒素の含有量で制御可能である。したがって、任意の速度でデータの消去が行われるように、不揮発性記憶素子3における第1電位障壁層12a中の窒素の含有量を調整することもできる。
【0034】
<半導体記憶装置>
次に、このような構成の不揮発性記憶素子3を用いた半導体記憶装置の構成を説明する。半導体記憶装置は、半導体基板11上のメモリ領域に配置された複数の不揮発性記憶素子3と、これらの不揮発性記憶素子3のうちの任意の素子を選択して書き込み、消去し、読み出すための論理トランジスタ回路、さらには高電圧を供給する回路等の周辺回路から構成される。
【0035】
図4には、このような半導体記憶装置5の概略断面構成図を示す。
【0036】
図4に示すように、半導体基板11におけるメモリ領域aには、素子分離領域31で分離された活性領域毎に、上述した構成の不揮発性記憶素子3が設けられている。一方、同じ半導体基板11における周辺領域bには、素子分離領域31で分離された活性領域毎に、上述した周辺回路を構成するMOSトランジスタ3bが配置されている。
【0037】
このMOSトランジスタ3bは、半導体基板11上に、ゲート絶縁膜15bを介してゲート電極16bを設けてなる。また、ゲート電極16bの両脇下方の半導体基板11表面層には、ゲート電極16b側からLDD拡散層17bおよびソース・ドレイン拡散層18bが設けられている。さらに、ゲート電極16bの側壁でLDD拡散層17bの上部には、LDD拡散層17bの幅を決定する絶縁性のサイドウォール19bが設けられている。
【0038】
そして、不揮発性記憶素子3のソース・ドレイン拡散層18には、ビット線20が接続配線されており、MOSトランジスタ3bのソース・ドレイン拡散層18bにはソース・ドレイン電極20bが接続配線されている。
【0039】
このような構成の半導体記憶装置5においては、メモリ領域aに配置された複数の不揮発性記憶素子3のそれぞれに要求されるデータの保持時間に合わせて、それぞれ不揮発性記憶素子3に異なる含有量で窒素が導入されていても良い。
【0040】
また、図5には、このような半導体記憶装置において、メモリ領域にマトリックス状に配置された不揮発性記憶素子3をNOR型動作可能に接続したメモリセルアレイの等価回路図を示す。
【0041】
この図に示すように、行方向に配置された不揮発性記憶素子3のゲート電極は、それぞれ同一のワード線WL1,WL2,…に接続されている。また、列方向に配置された不揮発性記憶素子3における一方のソース・ドレイン拡散層は、それぞれ同一のビット線BL1a,BL2a,…に接続され、もう一方のソース・ドレイン拡散層はそれぞれ同一のBL1b,BL2b,…に接続されている。
【0042】
そして、例えば、不揮発性記憶素子3−1のデータを読む場合、ワード線WL1にアクセスし、ビット線BL1a−BL1b間に流れる電流を検知して、“1”または“0”を判定する。
【0043】
このような構成の図4を用いて説明した半導体記憶装置5においては、上述した構成の不揮発性記憶素子3を用いたことで、同一の半導体基板11上に様々な素子性能(データ保持時間)を有する不揮発性記憶素子3を設ける場合であっても、各不揮発性記憶素子3における絶縁膜15aの膜厚が一定に保たれる。したがって、窒素含有量以外の他の設計値を共通にしつつも、素子性能(データ保持時間)の異なる不揮発性素子3が同一の半導体基板11上に設けられたものになり、高機能化された半導体記憶装置の製造工程の簡素化を図ることができる。
【0044】
また、以上においては、NOR型の回路構成を例示して半導体記憶装置5の実施形態を説明した。しかし、本発明の半導体記憶装置5は、AND型、SSL型、NAND型等、いずれの回路構成にも適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【0045】
<不揮発性記憶素子の製造方法>
次に、上述した不揮発性記憶素子の製造方法を、この不揮発性記憶素子を有する半導体記憶装置の製造工程に適用した場合について、図6の断面工程図を用いて説明する。
【0046】
先ず、図6(a)に示すように、単結晶シリコンからなる半導体基板11の表面側に、例えばLOCOS法により酸化シリコンからなる素子分離層31を形成する。ここで、素子分離層31により分離された図面上左側を不揮発性記憶素子を形成するメモリ領域aとし、図面上右側を周辺回路トランジスタを形成する周辺領域bとする。また、この素子分離層31は、トレンチ素子分離であっても良い。
【0047】
次に、図6(b)に示すように、メモリ領域aのみにpウェル33を形成する。この際、周辺領域bをレジスト膜(図示量略)などで保護した状態で、イオン注入などの方法によって、メモリ領域aのみに不純物を導入する。ここでは、pウェルの形成とともに、にしきい値電圧調整のための不純物の導入も合わせて行う。
【0048】
その後、図6(c)に示すように、たとえば熱酸化法により、半導体基板11上の全面に酸化シリコンを0.5〜8.0nmの膜厚で形成し、第1電位障壁層12を形成する。
【0049】
次いで、図6(d)に示すように、第1電位障壁層12に対して窒化処理を施すことで、所定の含有量で窒素を含有する第1電位障壁層12aとする。この窒化処理は、熱処理、プラズマ処理など、どのような処理方法を用いても良いが、窒素の導入量の制御性がより良好な方法を採用することが好ましい。
【0050】
また、この第1電位障壁層12aの窒素の含有量は、予備実験を行うことで先の図2に示したようなデータを得ておき、このデータと、ここで形成する不揮発性記憶素子に要求されるデータ保持時間とから、窒素の含有量が求められる。そして、第1電位障壁層12a内に、求められた含有量の窒素が導入されるように、窒化処理の条件設定を行うこととする。
【0051】
次いで、図6(e)に示すように、第1電位障壁層12a上に、例えば窒化シリコンからなる電荷蓄積層13を2〜16nmの膜厚で形成する。この電荷蓄積層13の形成は、通常のCVD,スパッタリングによっても可能であるが、好ましくは、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition) 法により形成される。
【0052】
次に、図7(f)に示すように、たとえば熱酸化法により電荷蓄積層13の表面全域を熱酸化することで、酸化シリコンからなる第2電位障壁層14を、たとえば3nm〜5nm程度の膜厚で形成する。これにより、半導体基板11上に、第1電位障壁膜12a、窒素を含有する電荷蓄積層13、および第2電位障壁層14からなる絶縁膜15aを形成する。
【0053】
次に、図7(g)に示すように、メモリ領域aにおける絶縁膜15a上にゲート電極16を形成する。ここでは、先ず、たとえばCVD法により絶縁膜15a上にポリシリコン膜を堆積成膜し、フォトリソグラフィー工程によって形成したレジストパターンをマスクに用いてポリシリコン膜をエッチングすることで、ゲート電極16を形成する。この際、絶縁膜15aもゲート電極16と同じパターンにて加工する。また、これと同時に、周辺領域bに半導体基板11を露出させても良い。尚、周辺領域bにおける絶縁膜15aの除去は、別工程で行っても良い。
【0054】
以上の後、図7(h)に示すように、周辺領域bにpウェル33bを形成する。この際、メモリ領域aをレジスト膜(図示量略)などで保護した状態で、イオン注入などの方法によって、周辺領域bのみに不純物を導入する。ここでは、pウェル33bの形成とともに、にしきい値電圧調整のための不純物の導入も合わせて行う。
【0055】
その後、たとえば熱酸化法により全面に酸化シリコン膜を形成し、周辺回路トランジスタ用のゲート絶縁膜15bを形成する。このとき、メモリ領域aにおいても、ゲート電極16表面およびpウェル33表面に、酸化シリコン膜が形成される。
【0056】
次いで、たとえばCVD法によりポリシリコンを堆積させ、フォトリソグラフィー工程によりパターニングして、周辺領域bにMOSトランジスタ用のゲート電極16bを形成する。
【0057】
そしてさらに、図7(i)に示すように、ゲート電極16,16bをマスクとしたイオン注入を行い、n型不純物を低濃度に含有するLDD拡散層17、17bを形成する。次に、CVD法により酸化シリコンを堆積し、エッチバックしてゲート電極16,16bの側部に絶縁性のサイドウォール19,19bを形成する。このエッチバックによって、半導体基板11上の酸化シリコン膜が除去され、半導体基板11が露出される。
【0058】
その後、これらのゲート電極16,16bおよびサイドウォール19,19bをマスクにしたイオン注入を行い、n型の導電性不純物を高濃度に含有するソース・ドレイン拡散層18、18bを形成する。これにより、メモリ領域aに不揮発性記憶素子3が形成され、周辺領域bに周辺回路用のMOSトランジスタ3bが形成される。
【0059】
以上の後、先の図4に示したように、不揮発記憶素子3のソース・ドレイン18に接続されたビット線20、およびMOSトランジスタ3bのソース・ドレイン18bに接続されたソース・ドレイン電極20b形成する。この場合、ゲート電極16,16b上に、あらかじめオフセット絶縁膜35,35bが設けられている場合、このオフセット絶縁膜35,35bとサイドウォール19,19bによって、ゲート電極16,16bに対して自己整合的に絶縁された状態でソース・ドレイン拡散層18,18bに接続されたビット線20およびソース・ドレイン電極20bを形成する。尚、オフセット絶縁膜35,35bが設けられていない場合には、半導体基板11上の全面に酸化シリコンからなる層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜にソース・ドレイン拡散層18,18bに達するコンタクトホールを開口し、このコンタクトホールにおいてソース・ドレイン拡散層18,18bに接続されたビット線20およびソース・ドレイン電極20bを形成する。
【0060】
以上によって、上述した構成の半導体記憶素子3および、この半導体記憶素子3とともに周辺回路用のMOSトランジスタ3bを同一の半導体基板11上に設けてなる半導体記憶装置5を得ることができる。
【0061】
そして、このような製造方法によれば、他の設計値を変更することなく、制御性の良好な窒素の含有量の調整のみによって、不揮発性記憶素子の素子性能(データの保持時間)を制御しているため、素子性能が高精度に制御された不揮発性記憶素子を得るこことができる。しかも、絶縁膜15aの膜厚が一定に保たれることにより、この絶縁膜15aの側壁に自己整合的に設けられるサイドウォール19の幅も一定に保たれる。また、これによりサイドウォール19下のLDD拡散層17の幅も一定に保たれる。
【0062】
したがって、複数の不揮発性記憶素子3およびMOSトランジスタ5を構成する他の設計値を変更することなく、データの保持時間のみを高精度に制御した不揮発性記憶素子3が形成されることになり、不揮発性記憶素子3の性能変更に対して製造現場においての対応が容易になる。また、性能の異なる不揮発性記憶素子毎にLDD拡散層を作り分ける必要がないため、製造工程数および製造コストの上昇を抑えることができる。
【0063】
尚、以上の製造方法において、図6(d)に示した窒化処理を熱窒化処理によって行う場合、不揮発性記憶素子3の第1電位障壁層12a中における窒素の含有量を、20%以下の範囲で調整することが好ましい。
【0064】
これにより、上記熱窒化処理の影響を、周辺領域bにおける半導体基板11の表面に及ぼすことを防止し、第1電位障壁層12aを形成した後の工程で形成される、周辺回路用のMOSトランジスタ3bのトランジスタ性能を確保することが可能になる。つまり、図6(d)に示した窒化処理を熱窒化処理によって行う場合、窒素の含有量を20%以下にすることで、半導体基板11の表面の窒素濃度が抑えられ、後の酸化処理においての半導体基板11の酸化レートが確保されてゲート絶縁膜の膜厚が確保し易くなり、しかも半導体基板11中にキャリアの移動度が確保されてMOSトランジスタ3bの性能が維持可能となるのである。
【0065】
以上の各実施形態においては、不揮発性記憶素子3がMONOS型である場合を説明したが、この不揮発性記憶素子3がMNOS型の不揮発性記憶素子であっても、同様の効果を得ることができる。
【0066】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の不揮発性記憶素子によれば、電位障壁層中の窒素の含有量によってデータ保持時間が制御された構成とすることで、データの保持時間が高精度に制御されたものとすることができる。また、電位障壁層を含む絶縁膜の膜厚が、不揮発性記憶素子に対して設定されているデータの保持時間によらずに一定に保たれるため、性能(データ保持時間)の変更に対応する製造現場においての設計変更が容易になる。
【0067】
また、本発明の半導体記憶装置は、複数設けられた不揮発性記憶素子の少なくとも1つを上記構成の不揮発性記憶素子とし、データの保持時間が窒素の含有量によってそれぞれ任意に設定された構成とすることで、窒素含有量以外の他の設計値を共通にしつつも、性能(データ保持時間)の異なる不揮発性素子を同一基板上に設けたものとすることができる。これにより、高機能化された半導体記憶装置の設計が容易になる。
【0068】
また本発明は、上述した構成の不揮発性記憶素子の製造方法であり、予め設定されたデータの保持時間に基づいて電位障壁層中に導入する窒素の含有量を求めておき、電位障壁層を形成した直後に当該電位障壁層内に、求められた含有量の窒素を導入する構成としたことで、制御性の良好な窒素の含有量の調整のみによって素子性能(データの保持時間)が高精度に制御された不揮発性記憶素子を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の不揮発性記憶素子の概略断面構成図である。
【図2】不揮発性記憶素子におけるしきい値電圧(Threshold Voltage)の径時変化を示すグラフである。
【図3】不揮発性記憶素子における第1電位障壁層中の窒素濃度とデータ消去との関係を示すグラフである。
【図4】不揮発性記憶素子を用いた記憶装置の概略断面構成図である。
【図5】不揮発性記憶素子を用いた記憶装置におけるメモリ領域の等価回路図である。
【図6】実施形態における記憶装置の製造工程図(その1)である。
【図7】実施形態における記憶装置の製造工程図(その2)である。
【図8】従来の不揮発性記憶素子の概略断面構成図である。
【図9】(a)は不揮発性記憶素子における第1電位障壁層の膜厚とデータ保持時間との関係を示すグラフであり、(b)は不揮発性記憶素子における第1電位障壁層の膜厚とデータ消去時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
3…不揮発性記憶素子、11…半導体基板、12a…第1電位障壁層、13…電荷蓄積層、14…第2電位障壁層、15a…絶縁膜、16…ゲート電極
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonvolatile memory element and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a nonvolatile memory element in which stored data is erased when a set retention time has elapsed, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
A MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) type or MNOS (Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor) type nonvolatile memory element has a lower driving voltage than a nonvolatile memory element provided with a floating gate. Application to various electronic devices is expected.
[0003]
FIG. 8 shows a cross-sectional configuration diagram of a MONOS type nonvolatile memory element among such nonvolatile memory elements. As shown in this figure, a MONOS nonvolatile memory element 1 has a semiconductor substrate 11 made of silicon, a first potential barrier layer 12 made of silicon oxide (Oxide), and a charge storage layer made of silicon nitride (Nitride). An insulating film 15 is formed by laminating a second potential barrier layer 14 made of silicon oxide (Oxide) and a second potential barrier layer 13 in this order, and a gate electrode 16 is provided on the insulating film 15. The LDD diffusion layer 17 and the source / drain diffusion layer 18 are provided on the surface layer of the semiconductor substrate 11 below both sides of the gate electrode 16 from the gate electrode 16 side. Further, an insulating side wall 19 for determining the width of the LDD diffusion layer 17 is provided on the side wall of the gate electrode 16 and above the LDD diffusion layer 17 to constitute a MOS transistor.
[0004]
In the MONOS type nonvolatile memory element thus configured, the word line is connected to the gate electrode 16, the bit line is connected to the source / drain diffusion layer 18, and the second potential barrier layer of the charge storage layer 13 is formed. Charges are accumulated as data on the 14 side. Then, the threshold voltage is shifted according to the presence or absence of the charges existing in the charge storage layer 13, and the shifted threshold voltage value is made to correspond to the write and read signals.
[0005]
For example, when the transistor portion is an NMOS and electrons are stored in the charge storage layer 13, the threshold voltage has shifted in the positive direction. At the time of reading, a gate voltage is applied to the corresponding element. However, since electrons are stored in the charge storage layer 13 and the threshold voltage is increased, a current flows between the source and drain diffusion layers 18. Not flowing. Conversely, when holes are stored in the charge storage layer 13, the threshold voltage is shifted in the negative direction, so that a current flows between the source / drain diffusion layers 18 due to the gate voltage at the time of reading. Flows. It is the basic operation principle of the nonvolatile memory element that the current flows and does not flow correspond to "0" and "1". The MNOS nonvolatile memory element has a configuration in which a gate electrode 16 is provided directly on the charge storage layer 13 and charges are stored on the first potential barrier layer 12 side of the charge storage layer 13.
[0006]
In the nonvolatile memory element having such a configuration, a configuration in which a charge storage layer made of aluminum oxide is provided in place of the charge storage layer 13 made of silicon nitride for the purpose of improving the charge retention characteristics has been proposed (for example, See Patent Document 1 below).
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2002-368142 A
[0008]
By the way, in the MONOS type or MNOS type nonvolatile memory element having the above configuration, the element performance such as the data holding time and the data erasing time is controlled by the thickness of each layer constituting the insulating film 15. . FIG. 9 shows, as an example, (a) data retention time (Retention time) with respect to the thickness (Tunnel Oxide thickness) of the first potential barrier layer made of silicon oxide in the MONOS type nonvolatile memory element. And (b) Erase time. As shown in these figures, it is understood that the data retention time and the data erase time increase as the thickness of the first potential barrier layer increases.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, the control of the performance of the MONOS-type or MNOS-type nonvolatile memory element by the thickness of each layer constituting the insulating film sandwiched between the semiconductor substrate and the gate electrode is extremely unstable. there were. That is, when such control is performed, it is necessary to control each layer constituting the insulating film with high accuracy in a thin range of several nm to several tens of nm, so that it is difficult to perform stable control.
[0010]
Further, changing the film thickness of each layer forming the insulating film involves changing the processing conditions of all the layers forming the insulating film. In addition, since the width of the sidewall that determines the width of the LDD diffusion layer changes with the change in the thickness of the insulating film, the design of the LDD diffusion layer also needs to be changed. For this reason, there is a problem that the design management corresponding to the performance of the nonvolatile memory element becomes complicated, and it is difficult to cope with it at the manufacturing site.
[0011]
Further, in the case of forming a semiconductor memory device in which nonvolatile memory elements having different performances are formed over the same substrate, the nonvolatile memory elements having different performances have different thicknesses of insulating films in the respective nonvolatile memory elements. It becomes necessary to separately form LDD diffusion layers for each case. For this reason, the number of manufacturing steps is increased, which is a factor of increasing the product cost.
[0012]
Therefore, the present invention provides a MONOS-type or MNOS-type nonvolatile memory element capable of arbitrarily setting data holding characteristics with high accuracy, a semiconductor memory device using the same, and a method of manufacturing the nonvolatile memory element. The purpose is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A non-volatile memory element according to the present invention for achieving the above object is a non-volatile memory element comprising a gate electrode provided on a semiconductor substrate via an insulating film in which a potential barrier layer and a charge storage layer are stacked in this order. An element, characterized in that nitrogen is contained in the potential barrier layer, and the data retention time is arbitrarily controlled by the nitrogen content.
[0014]
In the nonvolatile memory element having such a configuration, the data retention time is controlled by the content of nitrogen in the potential barrier layer. Here, the retention time of data in the nonvolatile memory element has a good dependence on the nitrogen content in the potential barrier layer, and the nitrogen content in the potential barrier layer has very good controllability. . Therefore, the data retention time is controlled with higher precision than in a nonvolatile memory element whose element performance is controlled by adjusting the thickness of each layer such as a potential barrier layer and a charge storage layer.
[0015]
Further, the present invention is a semiconductor memory device provided with a plurality of such nonvolatile memory elements, wherein at least one of the nonvolatile memory elements contains nitrogen in a potential barrier layer, and includes The data retention time of the nonvolatile memory element containing nitrogen is arbitrarily set according to the content of nitrogen.
[0016]
In the semiconductor memory device having such a configuration, the use of the above-mentioned nonvolatile memory element allows the nitrogen barrier in the potential barrier layer to be provided even when nonvolatile memory elements having various element performances are provided on the same substrate. Since the element performance (data retention time) is controlled by the content, the thickness of the insulating film including the potential barrier layer is kept constant regardless of the performance (data retention time) of the nonvolatile memory element. Dripping. Therefore, non-volatile elements having different performances while providing other design values other than the nitrogen content in common are provided on the same substrate.
[0017]
The present invention also relates to a method for manufacturing a nonvolatile memory element having the above-described configuration, wherein the content of nitrogen introduced into the potential barrier layer is determined based on a preset data retention time, Immediately after the formation, the step of introducing the required content of nitrogen into the potential barrier layer is performed.
[0018]
In the manufacturing method having such a configuration, the data retention time is controlled by the content of nitrogen in the potential barrier layer. Therefore, the thickness of the insulating film including the potential barrier layer depends on the performance ( (Data retention time) and is kept constant. Therefore, it is possible to obtain a nonvolatile memory element whose element performance (data retention time) is controlled only by adjusting the nitrogen content with good controllability without changing other design values.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described with reference to a MONOS type nonvolatile memory element as an example, the nonvolatile memory element, a semiconductor memory device using the nonvolatile memory element, and a method of manufacturing the nonvolatile memory element. The manufacturing method of the applied semiconductor memory device will be described in order.
[0020]
<Non-volatile memory element>
FIG. 1 is a schematic sectional view of the nonvolatile memory element according to the embodiment. The difference between the nonvolatile memory element 3 of the embodiment shown in this figure and the conventional nonvolatile memory element described with reference to FIG. 8 is that the first potential barrier layer 12a and the insulation including the first potential barrier layer 12a are provided. The structure of the film 15a is the same, and the other structures are the same. For this reason, the description that overlaps with the related art will be omitted below.
[0021]
That is, the nonvolatile memory element 3 is an insulating film 15a formed by stacking a first potential barrier layer 12a, a charge storage layer 13, and a second potential barrier layer 14 in this order on a semiconductor substrate 11 made of, for example, single crystal silicon. The gate electrode 16 is provided through the gate electrode.
[0022]
Among them, the first potential barrier layer 12a contains nitrogen at a predetermined content, and is, for example, a layer obtained by performing a nitrogen introduction process on a silicon oxide film formed in advance. . In particular, it is assumed that the content of nitrogen in the first potential barrier layer 12a is an amount set by the data retention time required for the nonvolatile memory element 3.
[0023]
The charge storage layer 13 is made of a silicon nitride-based material, specifically, is formed using at least one of silicon nitride, silicon nitride oxide, and silicon fluoronitride. It is configured as a single layer or these layers are appropriately laminated. When the charge storage layer 13 is made of silicon oxynitride and the first potential barrier layer 12a is formed by introducing nitrogen into a silicon oxide film, there is an interface between these layers, so that they are separated as different layers. Is done.
[0024]
The second potential barrier layer 14 is made of, for example, a silicon oxide film.
[0025]
Here, the content of nitrogen in the first potential barrier layer 12a is set as follows based on, for example, the graph of FIG. FIG. 2 shows the threshold voltage of each nonvolatile memory element in which only the content of nitrogen (atoms%, hereinafter simply indicated by%) in the first potential barrier layer 12a is set to each value. It is a graph which shows the time-dependent change of (Threshold Voltage). FIG. 2 shows an example in which the thickness of the first potential barrier layer 12a is 2.6 nm, the thickness of the charge localization layer 13 is 5 nm, and the thickness of the second potential barrier layer 14 is 4 nm.
[0026]
Each upper value in the graph indicates a time-dependent change in the threshold voltage from the time when the charge is stored in the charge storage layer 13, and the threshold voltage gradually decreases from 4 V with time. It is shown. When the threshold voltage is higher than the read voltage (Data Lsot) of 2.5 V, even if the read voltage is applied to the gate electrode, no current flows between the source and the drain. As a result, the data is held. However, after the threshold voltage has dropped to the read voltage (Data Lsot), a current flows between the source and the drain by applying the read voltage to the gate electrode, so that data is erased. .
[0027]
The time during which the data is held as described above, that is, the time during which the threshold voltage decreases to the read voltage (Data Lsot), becomes shorter as the content of nitrogen in the first potential barrier layer 12a increases. I understand.
[0028]
Therefore, for example, when a data retention time limited to 10 years is required for the nonvolatile memory element 3, the nitrogen content in the first potential barrier layer 12 is set to 12%. It shall be. Similarly, if it is limited to 4 months (144 days), it is set to 23%, and if it is limited to about 2 months (58 days), it is set to 26%. When a data retention time of 100 years or more is required, the content of nitrogen in the first potential barrier layer 12 is set to 10% or less. Note that the nitrogen content with respect to the data retention time is a value appropriately selected in the range of 10% to 26% depending on the thicknesses of the first potential barrier layer 12a, the charge storage layer 13, and the second potential barrier layer. .
[0029]
By setting the content of nitrogen in the potential barrier layer 12a to 10% to 26%, a limited time can be set as the data retention time of the nonvolatile memory element 3.
[0030]
According to the nonvolatile memory element 3 configured as described above, the data retention time is controlled by the nitrogen content in the potential barrier layer 12a. As shown in FIG. 2, the data retention time in the nonvolatile memory element 3 has a good dependence on the nitrogen content in the potential barrier layer 12a, and the nitrogen content in the potential barrier layer 12a. Has very good controllability. Therefore, as compared with a conventional nonvolatile memory element in which the element performance is controlled by adjusting the thickness of each layer such as a potential barrier layer and a charge storage layer, the data retention time is controlled with higher precision. The storage element 3 can be obtained.
[0031]
Moreover, the thickness of the insulating film 15a including the potential barrier layer 12a is kept constant irrespective of the data retention time set for the nonvolatile memory element 3. As described above, by keeping the thickness of the insulating film 15a constant, the width of the sidewall 19 provided in a self-aligned manner on the side wall of the insulating film 15a is also kept constant. This also keeps the width of the LDD diffusion layer 17 below the sidewall 19 constant. Therefore, the non-volatile memory element 3 can control the data retention time with high accuracy only by adjusting the nitrogen content with good controllability without changing other design values. Becomes easier.
[0032]
Since a limited time can be set with high precision as the data retention time, this semiconductor storage element can be used as an authentication means for a limited time. For example, an ID card or the like is provided with a plurality of semiconductor storage elements 3 configured with a predetermined limited time as a data holding time as an authentication unit. By storing the ID information in these semiconductor storage elements 3, it is also possible to provide a business model in which the ID card can be used only during the data holding time.
[0033]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the nitrogen content (Nitrogen Concentration) in the first potential barrier layer 12a and the data erase speed (Erase time) in the nonvolatile memory element 3 having the above-described configuration. . As shown in this graph, the data erasing speed increases as the nitrogen content increases, and the data erasing speed can be controlled by the nitrogen content. Therefore, the content of nitrogen in the first potential barrier layer 12a in the nonvolatile memory element 3 can be adjusted so that data is erased at an arbitrary speed.
[0034]
<Semiconductor storage device>
Next, a configuration of a semiconductor storage device using the nonvolatile storage element 3 having such a configuration will be described. The semiconductor memory device includes a plurality of nonvolatile memory elements 3 arranged in a memory area on a semiconductor substrate 11 and a memory for selecting, writing, erasing, and reading any one of the nonvolatile memory elements 3. It comprises a logic transistor circuit and a peripheral circuit such as a circuit for supplying a high voltage.
[0035]
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional configuration diagram of such a semiconductor storage device 5.
[0036]
As shown in FIG. 4, in the memory area a in the semiconductor substrate 11, the nonvolatile memory element 3 having the above-described configuration is provided for each active area separated by the element isolation area 31. On the other hand, in the peripheral region b of the same semiconductor substrate 11, the MOS transistor 3b constituting the above-described peripheral circuit is arranged for each active region separated by the element isolation region 31.
[0037]
The MOS transistor 3b includes a gate electrode 16b provided on a semiconductor substrate 11 with a gate insulating film 15b interposed therebetween. On the surface layer of the semiconductor substrate 11 on both sides below the gate electrode 16b, an LDD diffusion layer 17b and a source / drain diffusion layer 18b are provided from the gate electrode 16b side. Further, an insulating sidewall 19b that determines the width of the LDD diffusion layer 17b is provided on the side wall of the gate electrode 16b and above the LDD diffusion layer 17b.
[0038]
The bit line 20 is connected to the source / drain diffusion layer 18 of the nonvolatile memory element 3, and the source / drain electrode 20b is connected to the source / drain diffusion layer 18b of the MOS transistor 3b. .
[0039]
In the semiconductor memory device 5 having such a configuration, the nonvolatile memory elements 3 have different contents according to the data retention time required for each of the plurality of nonvolatile memory elements 3 arranged in the memory area a. May introduce nitrogen.
[0040]
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a memory cell array in which nonvolatile memory elements 3 arranged in a matrix in a memory area are operably connected in a NOR type in such a semiconductor memory device.
[0041]
As shown in this figure, the gate electrodes of the nonvolatile memory elements 3 arranged in the row direction are connected to the same word lines WL1, WL2,. In the nonvolatile memory element 3 arranged in the column direction, one source / drain diffusion layer is connected to the same bit line BL1a, BL2a,..., And the other source / drain diffusion layer is connected to the same BL1b. , BL2b,...
[0042]
Then, for example, when reading the data of the nonvolatile memory element 3-1, the word line WL1 is accessed and the current flowing between the bit lines BL1a and BL1b is detected to determine "1" or "0".
[0043]
In the semiconductor memory device 5 described with reference to FIG. 4 having such a configuration, by using the nonvolatile memory element 3 having the above-described configuration, various element performances (data retention time) can be provided on the same semiconductor substrate 11. Is provided, the thickness of the insulating film 15a in each nonvolatile memory element 3 is kept constant. Therefore, the non-volatile elements 3 having different element performances (data retention times) are provided on the same semiconductor substrate 11 while sharing other design values other than the nitrogen content, and the functions are enhanced. The manufacturing process of the semiconductor memory device can be simplified.
[0044]
In the above, the embodiment of the semiconductor memory device 5 has been described by exemplifying a NOR type circuit configuration. However, the semiconductor memory device 5 of the present invention can be applied to any circuit configuration such as an AND type, an SSL type, and a NAND type, and the same effects can be obtained.
[0045]
<Method for manufacturing nonvolatile memory element>
Next, a case where the above-described method for manufacturing a nonvolatile memory element is applied to a manufacturing process of a semiconductor memory device having the nonvolatile memory element will be described with reference to a cross-sectional process diagram of FIG.
[0046]
First, as shown in FIG. 6A, an element isolation layer 31 made of silicon oxide is formed on the surface side of a semiconductor substrate 11 made of single crystal silicon by, for example, the LOCOS method. Here, the left side in the drawing separated by the element isolation layer 31 is a memory region a for forming a nonvolatile memory element, and the right side in the drawing is a peripheral region b for forming a peripheral circuit transistor. Further, the element isolation layer 31 may be a trench element isolation.
[0047]
Next, as shown in FIG. 6B, a p-well 33 is formed only in the memory area a. At this time, an impurity is introduced only into the memory region a by a method such as ion implantation while the peripheral region b is protected by a resist film (not shown). Here, an impurity for adjusting the threshold voltage is introduced together with the formation of the p-well.
[0048]
Thereafter, as shown in FIG. 6C, silicon oxide is formed to a thickness of 0.5 to 8.0 nm on the entire surface of the semiconductor substrate 11 by, for example, a thermal oxidation method, and the first potential barrier layer 12 is formed. I do.
[0049]
Next, as shown in FIG. 6D, the first potential barrier layer 12 is subjected to a nitriding treatment to obtain a first potential barrier layer 12a containing nitrogen at a predetermined content. For this nitriding treatment, any treatment method such as heat treatment or plasma treatment may be used, but it is preferable to adopt a method with better controllability of the introduced amount of nitrogen.
[0050]
In addition, the nitrogen content of the first potential barrier layer 12a is obtained by performing preliminary experiments to obtain data as shown in FIG. 2 above, and to store this data and the nonvolatile memory element formed here. From the required data retention time, the nitrogen content is determined. Then, the conditions of the nitriding treatment are set so that the obtained content of nitrogen is introduced into the first potential barrier layer 12a.
[0051]
Next, as shown in FIG. 6E, a charge storage layer 13 made of, for example, silicon nitride is formed on the first potential barrier layer 12a to a thickness of 2 to 16 nm. The charge storage layer 13 can be formed by ordinary CVD or sputtering, but is preferably formed by an atomic layer deposition (ALD) method.
[0052]
Next, as shown in FIG. 7F, by thermally oxidizing the entire surface of the charge storage layer 13 by, for example, a thermal oxidation method, the second potential barrier layer 14 made of silicon oxide is reduced to, for example, about 3 nm to 5 nm. It is formed with a film thickness. Thus, an insulating film 15a composed of the first potential barrier film 12a, the charge storage layer 13 containing nitrogen, and the second potential barrier layer 14 is formed on the semiconductor substrate 11.
[0053]
Next, as shown in FIG. 7G, a gate electrode 16 is formed on the insulating film 15a in the memory area a. Here, first, a gate electrode 16 is formed by depositing a polysilicon film on the insulating film 15a by, for example, a CVD method, and etching the polysilicon film using a resist pattern formed by a photolithography process as a mask. I do. At this time, the insulating film 15a is also processed in the same pattern as the gate electrode 16. At the same time, the semiconductor substrate 11 may be exposed in the peripheral region b. The removal of the insulating film 15a in the peripheral region b may be performed in another step.
[0054]
After the above, as shown in FIG. 7H, a p-well 33b is formed in the peripheral region b. At this time, an impurity is introduced only into the peripheral region b by a method such as ion implantation while the memory region a is protected by a resist film (not shown). Here, an impurity for adjusting the threshold voltage is introduced together with the formation of the p-well 33b.
[0055]
Thereafter, a silicon oxide film is formed on the entire surface by, for example, a thermal oxidation method, and a gate insulating film 15b for a peripheral circuit transistor is formed. At this time, also in the memory region a, a silicon oxide film is formed on the surface of the gate electrode 16 and the surface of the p-well 33.
[0056]
Next, polysilicon is deposited by, for example, a CVD method, and is patterned by a photolithography process to form a gate electrode 16b for a MOS transistor in the peripheral region b.
[0057]
Then, as shown in FIG. 7I, ion implantation is performed using the gate electrodes 16 and 16b as masks to form LDD diffusion layers 17 and 17b containing n-type impurities at a low concentration. Next, silicon oxide is deposited by a CVD method and etched back to form insulating sidewalls 19 and 19b on the side portions of the gate electrodes 16 and 16b. By this etch back, the silicon oxide film on the semiconductor substrate 11 is removed, and the semiconductor substrate 11 is exposed.
[0058]
Thereafter, ion implantation is performed using the gate electrodes 16 and 16b and the side walls 19 and 19b as masks to form source / drain diffusion layers 18 and 18b containing n-type conductive impurities at a high concentration. Thus, the nonvolatile memory element 3 is formed in the memory area a, and the MOS transistor 3b for the peripheral circuit is formed in the peripheral area b.
[0059]
Thereafter, as shown in FIG. 4, the bit line 20 connected to the source / drain 18 of the nonvolatile memory element 3 and the source / drain electrode 20b connected to the source / drain 18b of the MOS transistor 3b are formed. I do. In this case, when the offset insulating films 35, 35b are previously provided on the gate electrodes 16, 16b, the offset insulating films 35, 35b and the side walls 19, 19b are self-aligned with the gate electrodes 16, 16b. A bit line 20 connected to the source / drain diffusion layers 18 and 18b and a source / drain electrode 20b are formed in a state of being electrically insulated. When the offset insulating films 35 and 35b are not provided, an interlayer insulating film made of silicon oxide is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 11, and reaches the source / drain diffusion layers 18 and 18b in the interlayer insulating film. A contact hole is opened, and a bit line 20 and a source / drain electrode 20b connected to the source / drain diffusion layers 18 and 18b are formed in the contact hole.
[0060]
As described above, it is possible to obtain the semiconductor memory device 3 having the above-described configuration and the semiconductor memory device 5 including the MOS transistor 3b for the peripheral circuit provided on the same semiconductor substrate 11 together with the semiconductor memory device 3.
[0061]
According to such a manufacturing method, the element performance (data retention time) of the nonvolatile memory element is controlled only by adjusting the nitrogen content with good controllability without changing other design values. Therefore, a nonvolatile memory element whose element performance is controlled with high accuracy can be obtained. In addition, since the thickness of the insulating film 15a is kept constant, the width of the sidewall 19 provided in a self-aligned manner on the side wall of the insulating film 15a is also kept constant. This also keeps the width of the LDD diffusion layer 17 below the sidewall 19 constant.
[0062]
Therefore, the nonvolatile memory element 3 in which only the data retention time is controlled with high accuracy without changing other design values constituting the plurality of nonvolatile memory elements 3 and the MOS transistor 5 is formed. It is easy to respond to a change in the performance of the nonvolatile memory element 3 at the manufacturing site. Further, since it is not necessary to separately form an LDD diffusion layer for each of the nonvolatile memory elements having different performances, it is possible to suppress an increase in the number of manufacturing steps and manufacturing costs.
[0063]
In the above manufacturing method, when the nitriding process shown in FIG. 6D is performed by the thermal nitriding process, the content of nitrogen in the first potential barrier layer 12a of the nonvolatile memory element 3 is set to 20% or less. It is preferable to adjust within the range.
[0064]
This prevents the effect of the thermal nitridation process from affecting the surface of the semiconductor substrate 11 in the peripheral region b, and forms a MOS transistor for a peripheral circuit formed in a step after the formation of the first potential barrier layer 12a. 3b transistor performance can be ensured. That is, when the nitriding treatment shown in FIG. 6D is performed by a thermal nitriding treatment, the nitrogen concentration on the surface of the semiconductor substrate 11 is suppressed by setting the content of nitrogen to 20% or less, and in the subsequent oxidation treatment, Thus, the oxidation rate of the semiconductor substrate 11 is ensured, the thickness of the gate insulating film is easily ensured, and the mobility of carriers in the semiconductor substrate 11 is ensured, so that the performance of the MOS transistor 3b can be maintained.
[0065]
In each of the above embodiments, the case where the nonvolatile memory element 3 is of the MONOS type has been described. However, the same effect can be obtained even if this nonvolatile memory element 3 is of the MNOS type. it can.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the nonvolatile memory element of the present invention, the data retention time is controlled by the content of nitrogen in the potential barrier layer, so that the data retention time is controlled with high accuracy. It can be. In addition, since the thickness of the insulating film including the potential barrier layer is kept constant irrespective of the data retention time set for the nonvolatile memory element, it is possible to cope with a change in performance (data retention time). This makes it easy to change the design at the manufacturing site.
[0067]
Further, a semiconductor memory device of the present invention has a structure in which at least one of a plurality of nonvolatile memory elements is a nonvolatile memory element having the above structure, and a data retention time is arbitrarily set depending on a nitrogen content. By doing so, it is possible to provide non-volatile elements having different performances (data retention times) on the same substrate while sharing design values other than the nitrogen content. This facilitates the design of a highly functional semiconductor memory device.
[0068]
Further, the present invention is a method for manufacturing a nonvolatile memory element having the above-described configuration, wherein the content of nitrogen introduced into the potential barrier layer is determined based on a preset data retention time, and the potential barrier layer is formed. Immediately after the formation, the obtained content of nitrogen is introduced into the potential barrier layer, so that the element performance (data retention time) can be improved only by adjusting the nitrogen content with good controllability. It is possible to obtain a nonvolatile memory element controlled with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a nonvolatile memory element of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a change over time of a threshold voltage (Threshold Voltage) in a nonvolatile memory element.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a nitrogen concentration in a first potential barrier layer and data erasure in a nonvolatile memory element.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a storage device using a nonvolatile storage element.
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a memory area in a storage device using a nonvolatile storage element.
FIG. 6 is a manufacturing process diagram (part 1) of the storage device in the embodiment.
FIG. 7 is a manufacturing process diagram (part 2) of the storage device in the embodiment.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a conventional nonvolatile memory element.
9A is a graph showing a relationship between a film thickness of a first potential barrier layer and a data retention time in the nonvolatile memory element, and FIG. 9B is a graph showing a film of the first potential barrier layer in the nonvolatile memory element. 9 is a graph showing a relationship between a thickness and a data erasing time.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Nonvolatile memory element, 11 ... Semiconductor substrate, 12a ... 1st potential barrier layer, 13 ... Charge accumulation layer, 14 ... 2nd potential barrier layer, 15a ... Insulating film, 16 ... Gate electrode

Claims (6)

半導体基板上に、電位障壁層および電荷蓄積層がこの順に積層された絶縁膜を介してゲート電極を設けてなる不揮発性記憶素子であって、
前記電位障壁層中に窒素が含有され、当該窒素の含有量によってデータの保持時間が任意に設定されてなる
ことを特徴とする不揮発性記憶素子。
A nonvolatile memory element including a gate electrode provided on a semiconductor substrate via an insulating film in which a potential barrier layer and a charge storage layer are stacked in this order,
A nonvolatile memory element, wherein nitrogen is contained in the potential barrier layer, and a data retention time is arbitrarily set depending on the nitrogen content.
請求項1記載の不揮発性記憶素子において、
前記データの保持時間として、限定された時間が設定されている
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性記憶素子。
The nonvolatile memory element according to claim 1,
2. The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein a limited time is set as the data retention time.
請求項2記載の不揮発性記憶素子において、
前記電位障壁層中における窒素濃度は、10%〜26%である
ことを特徴とする不揮発性記憶素子。
The nonvolatile memory element according to claim 2,
The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein a nitrogen concentration in the potential barrier layer is 10% to 26%.
請求項1記載の不揮発性記憶素子において、
前記絶縁膜は、前記電荷蓄積層上にさらに電位障壁層を積層してなり、前記半導体基板側の電位障壁層内に前記所定の含有量で窒素が含有されている
ことを特徴とする不揮発性記憶素子。
The nonvolatile memory element according to claim 1,
The insulating film further includes a potential barrier layer laminated on the charge storage layer, and the predetermined amount of nitrogen is contained in the potential barrier layer on the semiconductor substrate side. Storage element.
半導体基板上に、電位障壁層および電荷蓄積層がこの順に積層された絶縁膜を介してゲート電極を設けてなる複数の不揮発性記憶素子を有し、
少なくとも前記不揮発性記憶素子のうちの1つにおける電位障壁層中に窒素が含有され、
前記電位障壁層中に窒素が含有された不揮発性記憶素子のデータの保持時間が、当該窒素の含有量によってそれぞれ任意に設定されてなる
ことを特徴とする半導体記憶装置。
On a semiconductor substrate, a potential barrier layer and a charge storage layer have a plurality of nonvolatile memory elements provided with a gate electrode through an insulating film stacked in this order,
Nitrogen is contained in a potential barrier layer of at least one of the nonvolatile memory elements;
A semiconductor memory device, wherein a data retention time of a nonvolatile memory element containing nitrogen in the potential barrier layer is arbitrarily set depending on the nitrogen content.
半導体基板上に電位障壁層および電荷蓄積層がこの順に積層された絶縁膜を形成し、当該絶縁膜上にゲート電極を形成する不揮発性記憶素子の製造方法であって、
予め設定されたデータの保持時間に基づいて前記電位障壁層中に導入する窒素の含有量を求めておき、前記電位障壁層を形成した直後に当該電位障壁層内に前記含有量の窒素を導入する工程を行う
ことを特徴とする不揮発性記憶素子の製造方法。
A method for manufacturing a nonvolatile memory element, wherein an insulating film in which a potential barrier layer and a charge storage layer are stacked in this order on a semiconductor substrate, and a gate electrode is formed on the insulating film,
The content of nitrogen to be introduced into the potential barrier layer is determined based on a preset data retention time, and the nitrogen having the content is introduced into the potential barrier layer immediately after forming the potential barrier layer. A method of manufacturing a nonvolatile memory element.
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