JP2004047889A - Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】メモリトランジスタとメモリ周辺回路を、構造において共通性を高め、製造コストを削減する。
【解決手段】メモリ周辺回路を構成する複数の絶縁ゲート型トランジスタおよびメモリトランジスタ(形成領域10c)が同一の半導体基板10に形成されている。メモリトランジスタが、半導体基板10とゲート電極25との間に形成され、情報を記憶または消去するときに電荷が注入される離散化された電荷蓄積手段(電荷トラップ)を内部に含む複数の積層膜(電荷蓄積膜14m)を有し、複数の絶縁ゲート型トランジスタのうち、少なくとも、メモリ周辺回路内で最も耐圧が高い高耐圧トランジスタ(形成領域10b)の、半導体基板10とゲート電極23又は24との間に形成されているゲート絶縁膜14が、電荷蓄積膜14mと同じ構造(3つの層14a〜14c)を有している。
【選択図】 図2A memory transistor and a memory peripheral circuit are improved in commonality in structure and reduced in manufacturing cost.
A plurality of insulated gate transistors and memory transistors (formation regions (10c)) constituting a memory peripheral circuit are formed on the same semiconductor substrate (10). A plurality of stacked films in which a memory transistor is formed between the semiconductor substrate 10 and the gate electrode 25 and includes therein discrete charge storage means (charge traps) into which charges are injected when information is stored or erased. The semiconductor substrate 10 and the gate electrode 23 or 24 of at least the high withstand voltage transistor (formation region 10b) having the highest withstand voltage in the memory peripheral circuit among the plurality of insulated gate transistors having the charge storage film 14m The gate insulating film 14 formed therebetween has the same structure (three layers 14a to 14c) as the charge storage film 14m.
[Selection] Fig. 2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板とゲート電極との間に、離散化された電荷蓄積手段を含む複数の積層膜を有しているメモリトランジスタを具備する不揮発性半導体メモリ装置と、その製造方法とに関する。
【0002】
【従来の技術】
不揮発性メモリトランジスタは、大きく分けて、スタンドアロン型と混載型が知られている。スタンドアロン型では、専用メモリICのメモリ素子として不揮発性メモリトランジスタが使用される。混載型では、システム・オン・チップのコアとしてメモリブロックと論理回路ブロックを有し、メモリブロックのメモリ素子として不揮発性メモリトランジスタが使用される。
混載型不揮発性メモリICにおいて、メモリブロックは、不揮発性メモリトランジスタを少なくとも1つ含むメモリセルが行列状に多数配置されているメモリセルアレイ、および、メモリセルアレイの動作を制御するメモリ周辺回路を有する。論理回路ブロックは、電源電圧で高速動作するロジックトランジスタで主に構成されている論理回路および制御回路を有する。
【0003】
不揮発性メモリトランジスタは、電荷蓄積手段が単一の導電層からなるFG(Floating Gate)型と、電荷蓄積手段が平面的に離散化された電荷トラップからなるMONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Semiconductor)型、MNOS(Metal−Nitride−Oxide−Nitride−Oxide)型などが知られている。
【0004】
FG型メモリトランジスタにおいて、チャネルが形成される半導体基板の表面領域(チャネル形成領域)の上に、第1の電位障壁層、周囲を絶縁膜に囲まれて電気的に浮遊状態とした導電膜(フローティングゲートFG)、第2の電位障壁層、ゲート電極(コントロールゲート)を積層させている。
MONOS型メモリトランジスタにおいて、チャネル形成領域とゲート電極との間の複数の積層膜が、いわゆるONO(Oxide−Nitride−Oxide)構造を有している。ONO膜では窒化膜中のバルクトラップあるいは窒化膜と酸化膜との界面近傍の界面トラップが離散化された電荷蓄積手段として機能し、これらのトラップに電荷が蓄積される。
【0005】
電荷トラップを含む複数の積層膜(ONO膜)あるいはフローティングゲートFGに対し、基板側から電荷を注入して書き込みを行う。消去では、蓄積された電荷を基板側に抜き取るか、蓄積された電荷を打ち消す逆極性の電荷を、電荷トラップを含む複数の上記積層膜に注入する。
電荷の注入法としては、積層膜内における電荷のトンネル現象(FNトンネリング、ダイレクトトンネリング)を利用する方法がある。また、いわゆるCHE(Channel−Hot−Electron)注入法など、ONO膜の最下層の酸化膜あるいはフローティングゲートFGの下の酸化膜(前記第1の電位障壁層)のエネルギー障壁高さを乗り越えられる程度にまで電荷をエネルギー的に励起したホットキャリアを用いる方法がある。
トンネル現象を用いる電荷注入方法は、データの書き込みまたは消去に必要とされる電流値が小さく、電荷がトンネルする酸化膜(トンネル酸化膜)のダメージが小さいという利点がある。その一方で、トンネル現象を用いる電荷注入方法においては、高い電圧が必要となり、低電圧化に不利である。
ホットキャリアを用いる電荷注入方法は、データの書き込みまたは消去に必要な印加電圧を、トンネル現象を用いる電荷注入方法の印加電圧より低くできる。また、ホットキャリアを用いる電荷注入方法は、ONO膜の最下層の酸化膜厚あるいはフローティングゲートFGの下の酸化膜厚(前記第1の電位障壁層の厚さ)を、トンネル酸化膜より厚くできるという利点がある。最下層の膜を厚くできれば、記憶保持特性が大きく改善される。一方で、ホットキャリア、特にホットホールを酸化膜に注入すると酸化膜が劣化することが知られている。このために、ホットキャリアを用いる電荷注入方法は、トンネル現象を用いる電荷注入方法に比べ、データの書き換え、消去の繰り返し特性の面で不利である。
【0006】
メモリ周辺回路内のトランジスタ、ロジックトランジスタは、半導体基板とゲート電極との間に形成されたゲート絶縁膜内で電荷の移動がない絶縁ゲート型トランジスタである。絶縁ゲート型トランジスタは、一般に、ゲート絶縁膜が単層の酸化シリコン膜からなるMOSトランジスタである。
【0007】
ロジック混載型の不揮発性メモリ装置の製造においては製造プロセスが複雑となり製造工程が多くなるため、論理回路ブロックの製造プロセスと、メモリ周辺回路を含むメモリブロックの製造プロセスとを共通性を如何に高めるかが重要である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来のFG型、MONOS型不揮発性メモリトランジスタに対しデータを書き込みまたは消去する際に、論理回路において必要とされる電圧よりも高い電圧を必要とする。この電圧は、上述した電荷注入方法に応じて電圧値に違いがあるが、外部から与えられる電源電圧より高い。不揮発性メモリ装置のメモリ周辺回路内に、特別に高い電圧を発生させる昇圧回路、発生させた高電圧をメモリセルに印加する回路が必要となる。
これら高電圧を扱う回路は、電源電圧の印加を前提としたロジックトランジスタより耐圧が高い高耐圧トランジスタを含む。高耐圧トランジスタは、ロジックトランジスタと比較すると、ゲート酸化膜厚が厚く、また、特にドレイン側の不純物濃度分布が電界を緩和できるように設計されている。このため、ロジック混載型の不揮発性メモリICの形成に必要なフォトマスクは、論理ICの形成に必要なフォトマスクに、不揮発性メモリトランジスタの形成のために2〜4枚のフォトマスクが追加され、さらに、高耐圧トランジスタの形成のために3〜7枚のフォトマスクが追加される。フォトマスク追加分のコスト増に加え、フォトマスク枚数にほぼ比例して工程数が増加する。また、一般的に、工程数が増加すると歩留まりが低下する。このため、混載型の不揮発性メモリICの製造コストが高く、このことが、混載型の不揮発性メモリ技術を普及させる上で大きな障害となっている。
【0009】
本発明の第1の目的は、離散化された電荷蓄積手段を半導体基板とゲート電極の間に有するメモリトランジスタと、メモリトランジスタの動作を制御するメモリ周辺回路とを有し、メモリトランジスタとメモリ周辺回路が構造において共通性が高い不揮発性半導体メモリ装置を提供することである。
本発明の第2の目的は、上記不揮発性メモリ装置の製造工程において共通性を高め、製造において必要なフォトマスク枚数を減らし、製造工程数を減らし、歩留まりを向上させ、その結果、製造コストを削減させることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置は、上述した第1の目的を達成するためのものであり、不揮発性のメモリトランジスタと、前記メモリトランジスタに所定の電圧を印加して動作を制御するメモリ周辺回路と、を有し、前記メモリ周辺回路を構成する複数の絶縁ゲート型トランジスタおよび前記メモリトランジスタが同一の半導体基板に形成され、前記メモリトランジスタが、前記半導体基板とゲート電極との間に形成され、情報を記憶または消去するときに電荷が注入される離散化された電荷蓄積手段を内部に含む複数の積層膜を有し、複数の前記絶縁ゲート型トランジスタのうち、少なくとも、前記メモリ周辺回路内で最も耐圧が高い高耐圧トランジスタの、前記半導体基板とゲート電極との間に形成されているゲート絶縁膜が、複数の前記積層膜と同じ構造を有している。
【0011】
この不揮発性半導体メモリ装置において、メモリ周辺回路内で最も耐圧が高い高耐圧トランジスタのゲート絶縁膜が、メモリトランジスタの、半導体基板とゲート電極との層間に積層され内部に離散化された電荷蓄積手段を含む複数の積層膜と同じ構造を有している。
メモリ周辺回路がメモリトランジスタに電圧を印加するときに、記憶されるデータの論理に応じて複数の前記積層膜に電荷が注入される。ところが、同じ構造を有する、メモリ周辺回路内の高耐圧トランジスタにおいては、ゲート絶縁膜に電荷が注入されない。このため、メモリトランジスタの閾値は変化するが、高耐圧トランジスタの閾値は変化しない。
【0012】
本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置の製造方法は、情報を記憶または消去するときに電荷が注入される離散化された電荷蓄積手段を内部に含む複数の積層膜を半導体基板とゲート電極との間に有している不揮発性のメモリトランジスタと、前記メモリトランジスタに所定の電圧を印加して動作を制御するメモリ周辺回路内で最も耐圧が高い高耐圧トランジスタと、を同一の前記半導体基板に形成する不揮発性半導体メモリ装置の製造方法であって、前記半導体基板の、前記メモリトランジスタの形成領域、および、前記メモリ周辺回路の形成領域内の少なくとも前記高耐圧トランジスタの形成領域に、離散化された前記電荷蓄積手段を内部に含む複数の前記積層膜を形成する工程と、複数の前記積層膜の上に、前記絶縁ゲート型トランジスタのゲート電極のうち少なくとも前記高耐圧トランジスタのゲート電極と、前記メモリトランジスタのゲート電極と、を同時に形成する工程と、を含む。
【0013】
この製造方法においては、メモリトランジスタと高耐圧トランジスタとの形成において、離散化された電荷蓄積手段を含む複数の積層膜を半導体基板の上に形成する。形成した複数の積層膜の上に、高耐圧トランジスタのゲート電極とメモリトランジスタのゲート電極とを同時に形成する。これにより、メモリトランジスタにおいて、半導体基板の上に、電荷蓄積能力を有した複数の積層膜とゲート電極の積層体が形成される。同時に、高耐圧トランジスタにおいて、メモリトランジスタと同じ半導体基板の上に、複数の前記積層膜と同じ構造を有しているため電荷蓄積能力自体は有しているが実際に電荷が蓄積されないゲート絶縁膜とゲート電極の積層体が形成される。
【0014】
【発明の実施の形態】
[第1実施形態]
図1は、第1の実施形態におけるロジック混載型不揮発性メモリ装置のブロック図である。
図解した不揮発性メモリ装置1は、メモリブロック2および論理回路ブロック3を有する。
メモリブロック2は、メモリセルアレイ4、カラム動作回路5、ロウデコーダ6、コントロール回路7、昇圧回路8を具備する。カラム動作回路5は、カラムデコーダ、センスアンプ、データラッチ回路を含む。カラム動作回路5、ロウデコーダ6、コントロール回路7、および、昇圧回路8によって、本発明における“メモリ周辺回路”が構成されている。
【0015】
メモリセルアレイ4は、行列状に配置されている複数の不揮発性のメモリセルによって構成されている。ここで、メモリセルは、例えば、1つのメモリトランジスタから構成されている。メモリトランジスタの断面構造は後述する。
特に図解していないが、メモリセルアレイ4内において、同一行に配置されている複数のメモリトランジスタのゲートが同じワード線に接続され、ワード線の活性化によって、メモリセルが行ごとに選択可能な状態となる。同一列に配置されている複数のメモリトランジスタに対し、同じビット線によって書き込みデータが供給され、同じビット線から記憶データが読み出される。複数のワード線がロウデコーダ6に接続され、複数のビット線がカラム動作回路5内のカラムデコーダに接続されている。
【0016】
メモリ周辺回路の動作を簡単に述べれば、次の如くである。
カラムデコーダは、コントロール回路7から入力されるカラムアドレスに応じて、一本または複数本のビット線を選択する。データの読み出し時に、選択されたビット線を、カラム動作回路5内のセンスアンプに接続する。センスアンプが、選択されたビット線に接続されることによって、カラムアドレスに応じて選択されたメモリセルの記憶データを読み出す。データの書き込み時に、選択ビット線を、カラム動作回路5内のデータラッチに接続する。データラッチが、カラムアドレスに応じて予めラッチされていた書き込みデータを用いて、選択されたビット線の電圧を設定し、選択されたメモリセルに書き込みデータを書き込む。センスアンプは、書き込んだデータを検証する検証読み出し(ベリファイ)時において、読み出し時と同様に動作し、選択されたビット線の電位を検出し、検出した電位に応じて選択メモリセルの記憶データを読み出す。
ロウデコーダ6は、コントロール回路から入力されるロウアドレスに応じて1本または複数本のワード線を選択する。ロウデコーダはワード線駆動回路の機能を有し、データの書き込み、読み出しまたは消去動作のとき、ロウアドレスに応じて選択されたワード線にそれぞれ所定の電圧を印加する。
コントロール回路7は、外部から入力される制御信号に応じて、メモリブロック2の各構成を制御し、データの書き込み、読み出しおよび消去動作を所定のシーケンスに従って実行させる。
昇圧回路8は、コントロール回路7の制御を受けて、入力される電源電圧Vddより高い電圧(以下、高電圧という)を発生させる。高電圧はロウデコーダ6を介してワード線に供給される。昇圧回路8は、必要に応じてカラム動作回路5、あるいは図示を省略したウェル充放電回路に所定の電圧値と極性とを有する高電圧を供給する。
【0017】
論理回路ブロック3は、図示を省略したバスを介してコントロール回路7とデータをやり取り可能に接続されている。論理回路ブロック3は、当該混載型の不揮発性メモリ装置の用途に応じた所定の信号処理を行う回路、あるいはマイクロコンピュータなどの機能を有する。論理回路ブロック3は、電源電圧Vddにより高速動作する多数のロジックトランジスタを有する。ロジックトランジスタの耐圧は、電源電圧Vdd(例えば2.5V、3.3V、5V等)の使用を前提としているため、電源電圧に所定のマージンを加えた程度で足りる。
【0018】
不揮発性メモリトランジスタの動作に必要な電圧値の最大値は、一般に8V以上と、電源電圧Vddよりかなり高い。そのため、昇圧回路8内、および、カラムデコーダのワード線駆動回路等に、耐圧がロジックトランジスタより十分高いトランジスタ(以下、高耐圧トランジスタという)を有する。高耐圧トランジスタは、必要に応じて、ロウデコーダ6内、あるいは、図示を省略したウェル充放電回路等にも必要である。
【0019】
ロジックトランジスタを作るに必要なマスク枚数が通常25枚程度であるとすると、MONOSメモリトランジスタを作るために、一般に、2〜4枚程度のフォトマスクが追加される。高耐圧トランジスタが必要な場合、さらに3〜7枚のフォトマスクが追加される。高耐圧トランジスタを作るためには、(1)高電圧に耐え得る厚いゲート絶縁膜の形成、(2)電界が集中し難いソース・ドレイン接合が必要になるためである。
第1実施形態において、上記(1)の厚いゲート絶縁膜をMONOSメモリトランジスタで使用される電荷蓄積膜(ONO膜)と同じ構造とすることで、フォトマスク枚数を減らし、コスト削減を図る。
【0020】
図2(A)は、ロジックトランジスタ、高耐圧トランジスタ、メモリトランジスタが同一基板に形成された不揮発性メモリ装置の断面図である。図2(A)において、ロジックトランジスタ形成領域10a、高耐圧トランジスタ形成領域10bのそれぞれにP型とN型のトランジスタを示している。メモリトランジスタ形成領域10cにN型チャネルのメモリトランジスタを1つ示している。
半導体基板10のロジックトランジスタ形成領域10aに、P型の導電型を有するウェル(以下、Pウェルという)16、N型の導電型を有するウェル(以下、Nウェルという)17が形成されている。同様に、高耐圧トランジスタ形成領域10bに、Pウェル18とNウェル19が形成されている。メモリトランジスタ形成領域10cにPウェル13が形成されている。それぞれのウェル内の表面領域に素子分離絶縁層11が形成されている。素子分離絶縁層11の間のウェル領域に、ロジックトランジスタ、高耐圧トランジスタまたはメモリトランジスタが形成されている。
【0021】
Pウェル16に、Nチャネル型のロジックトランジスタが形成されている。より詳細には、Pウェル16の上に、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜20が形成され、ゲート絶縁膜20の上に、N型不純物がドープされたドープド多結晶珪素からなるゲート電極21が形成されている。ゲート電極21の両側のウェル表面領域に、N型不純物の濃度が他の領域より低いLDD領域26aを有するソース・ドレイン領域26が形成されている。ゲート電極21の側面に、断面が略1/4円状のサイドウォール絶縁層32が形成されている。ゲート電極21の上面、ソース・ドレイン領域26の表面に、高融点金属シリサイド層33が形成されている。
Nウェル17に、Pチャネル型のロジックトランジスタが形成されている。P型のロジックトランジスタは、上述したN型のロジックトランジスタと同様な構造を有している。但し、ゲート電極22、ソース・ドレイン領域27およびLDD領域27aは、上述したゲート電極21、ソース・ドレイン領域26およびLDD領域26aと逆の導電型を有する。
【0022】
Pウェル18に、Nチャネル型の高耐圧トランジスタが形成されている。より詳細には、Pウェル18の上に、3層の積層膜からなるゲート絶縁膜14が形成され、ゲート絶縁膜14の上に、N型不純物がドープされたドープド多結晶珪素からなるゲート電極23が形成されている。ゲート電極23の両側のウェル表面領域に、N型不純物の濃度が他の領域より低いLDD領域28aを有するソース・ドレイン領域28が形成されている。ソース・ドレイン領域28は、本発明における“第1の不純物領域”に該当し、LDD領域28aは、本発明における“第2の不純物領域”に該当する。ゲート電極23の側面に、断面が略1/4円状のサイドウォール絶縁層32が形成されている。ゲート電極23の上面、ソース・ドレイン領域28の表面に、高融点金属シリサイド層33が形成されている。Nウェル19に、Pチャネル型の高耐圧トランジスタが形成されている。P型の高耐圧トランジスタは、上述したN型の高耐圧トランジスタと同様な構造を有している。但し、ゲート電極24、ソース・ドレイン領域29およびLDD領域29aは、上述したゲート電極23、ソース・ドレイン領域28およびLDD領域28aと逆の導電型を有する。
【0023】
Pウェル13に、Nチャネル型のメモリトランジスタが形成されている。より詳細には、Pウェル13の上に、3層の積層膜からなり電荷蓄積能力を有する電荷蓄積膜14mが形成され、電荷蓄積膜14mの上に、N型不純物がドープされたドープド多結晶珪素からなるメモリゲート電極25が形成されている。
メモリゲート電極25の両側のウェル表面領域に、P型の導電型を有しP型不純物濃度が他のウェル領域より高い高濃度チャネル領域31が形成されている。メモリゲート電極25と素子分離絶縁層11との間のウェル表面領域に、N型の導電型を有したソース・ドレイン領域30が形成されている。高濃度チャネル領域31は、他のウェル表面領域より高濃度である。そのため、動作時にソース・ドレイン領域30と高濃度チャネル領域31との境界領域での電圧降下が大きくなる。高濃度チャネル領域31は、動作時にソース・ドレイン領域30と高濃度チャネル領域31との境界領域で電界の集中性を高める働きがある。メモリゲート電極25の側面に、断面が略1/4円状のサイドウォール絶縁層32が形成されている。メモリゲート電極25の上面、ソース・ドレイン領域30の表面に、高融点金属シリサイド層33が形成されている。
【0024】
図2(C)は、メモリトランジスタの一部を拡大した断面図である。
メモリトランジスタの電荷蓄積膜14mは、Pウェル13側から順に、第1の電位障壁層14a、主電荷蓄積層14b、第2の電位障壁層14cから構成されている。電荷蓄積膜14mがONO膜構造の場合、第1および第2の電位障壁層14a,14cが酸化シリコンまたは酸化窒化シリコン(silicon oxynitride)からなり、主電荷蓄積層14bが窒化シリコンまたは酸化窒化シリコンからなる。電荷蓄積膜14mは、主電荷蓄積層14bのバルク中の電荷トラップ(バルクトラップ)、主電荷蓄積層14bと第2の電位障壁層14cとの界面近傍に形成された深い電荷トラップ(界面トラップ)などに電荷を保持する機能を有する。電荷蓄積膜14m直下のウェル表面領域が、動作時にチャネルが形成される“チャネル形成領域”である。
【0025】
図2(B)は、高耐圧トランジスタの一部を拡大した断面図である。
高耐圧トランジスタのゲート絶縁膜14は、図2(C)に図解した電荷蓄積膜14mと同じ積層膜構造を有している。つまり、図2(B)に図解した高耐圧トランジスタのゲート絶縁膜14と図2(C)に図解した電荷蓄積膜14mでは、3つの層14a,14b,14cのそれぞれの材質と厚さが同じである。但し、高耐圧トランジスタのゲート絶縁膜14に対しては電荷の注入がされない。その理由は、次の動作において述べる。
【0026】
データの書き込み、消去、および読み出しの方法は任意であるが、本例では、以下の方法が採用できる。
データの書き込み、消去の少なくとも一方において、ホットキャリアを用いる。MONOSメモリトランジスタの場合、例えば、データの書き込みにチャネルホットエレクトロン注入を用いる。データの消去に、ドレイン端でのバンド間トンネルを引き金とするアバランシェブレークダウンによってホットホールを発生させ、発生したホットホールを注入する。バンド間のトンネル電流を効率よく発生させるには、ゲートに負電圧を加える必要がある。
チャネルホットエレクトロン注入を効率よく行うためには、ドレイン端に高い電界を集中させる構造が必要である。そのためには、高いチャネル不純物濃度、あるいはハローと呼ばれるドレイン端付近のチャネル濃度を局所的に高くしたチャネル不純物構造、そして急峻なソース・ドレイン不純物分布構造が必要である。そのことは、図2(A)において高濃度チャネル領域31の不純物濃度分布の最適化によって達成されている。
【0027】
高耐圧トランジスタにおいては、以下の理由により電荷の注入が生じない。
(1)チャネル領域にハロー構造あるいは高濃度チャネル領域31が存在せず、ソース・ドレイン構造がホットキャリア注入を防ぐために広く用いられているLDD構造を採用している。その結果、ドレイン端での電界集中が緩和され、チャネルエレクトロンのホット化が抑制されエレクトロンがほとんどゲート絶縁膜14に注入されない。
(2)高電圧を扱う回路動作においては、通常ゲートに負電圧を印加することはない。従って、ゲート絶縁膜14にホットホールが注入される心配はない。
(3)また、ホットキャリアを用いるMONOSメモリトランジスタの電荷蓄積膜14mは、FNトンネル電流では書き込まれないように設計されている。従って、電荷蓄積膜14mと同じ積層構造のゲート絶縁膜14においては、単に高い電圧が膜厚方向に印加されるだけでは電荷注入は容易に起こらない。なお、FNトンネル電流が容易に流れないようにするには、第1の電位障壁層14aを2nm以上とすることが望ましい。
以上の理由により、メモリトランジスタの電荷蓄積膜14mの積層構造と、高耐圧トランジスタのゲート絶縁膜14の積層構造を同じにすることが可能となった。
【0028】
MONOSメモリトランジスタの場合、ドレインとソースの印加電圧を切り換えて再度書き込みを行うと、ドレイン側とソース側にそれぞれ局所的に電荷を注入できる。このため、2ビット/セルのデータ記憶が可能となる。
データの読み出しにおいては、ソースとドレインの電圧の大小関係がデータ書き込み時と同じにして行うフォワードリード法と、当該関係をデータ書き込み時と逆にして行うリバースリード法のいずれかによってデータの読み出しを行う。
【0029】
図3(A)〜図7(B)は、第1実施形態における不揮発性メモリ装置の製造途中の断面図である。
図3(A)に示すように、P型シリコンウェハ等の半導体基板10の表面領域に、例えばSTI(shallow trench isolation)法により酸化シリコンからなる素子分離絶縁層11を形成する。素子分離絶縁層11は、ロジックトランジスタ形成領域10a、高耐圧トランジスタ形成領域10b、メモリトランジスタ形成領域10cそれぞれに形成される。それぞれの領域で、素子分離絶縁層11に挟まれたウェル領域が、トランジスタの活性領域となる。
【0030】
半導体基板10の上に酸化シリコンなどの保護膜12を形成する。メモリトランジスタ形成領域10cで開口するレジストを形成し、レジストをマスクにメモリトランジスタ形成領域10cにP型不純物イオンを選択的にイオン注入する。また、必要なら、メモリトランジスタの閾値電圧の調整のためのイオン注入を行う。レジストを除去し活性化アニールを行う。アニール後、高耐圧トランジスタ形成領域10bとメモリトランジスタ形成領域10cで開口するレジストを形成し、レジストをマスクとした酸化シリコンのエッチングを行う。
これにより、図3(B)に示すように、高耐圧トランジスタ形成領域10bとメモリトランジスタ形成領域10cで保護膜12が部分的に除去され、メモリトランジスタ形成領域10cにPウェル13が形成される。
【0031】
図4(A)に示すように、3つの領域10a〜10cに電荷蓄積膜(以下、ONO膜とも言う)14を形成する。ONO膜14の形成方法としては、次の方法が好適である。
第1の電位障壁層14aとして、熱酸化法により半導体基板10またはPウェル13の表面領域を熱酸化し、酸化シリコン膜を形成する。第1の電位障壁層14aの上に、主電荷蓄積層14bとして窒化シリコン膜をケミカルベーパーデポジション(CVD)法により堆積させる。主電荷蓄積層14bの上に、第2の電位障壁層14cとして酸化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜の形成では、主電荷蓄積層14bの表面を熱酸化する。熱酸化時に主電荷蓄積層14bと第2の電位障壁層14cとの界面近傍に深い電荷トラップが形成される。第2の電位障壁層14cの形成は、CVD法による酸化膜の堆積によっても可能である。前述したように、チャネルホットエレクトロンによる電荷注入を用いたデータ書き込みを前提とする場合、第1の電位障壁層14aの膜厚は2nm以上とすることが望ましい。
【0032】
ロジックトランジスタ形成領域10aで開口するレジストを形成し、レジストをマスクにエッチングを行う。これにより、図4(B)に示すように、ロジックトランジスタ形成領域10aにおいて、ONO膜14と、その下の保護膜12が選択的に除去される。
【0033】
レジストを除去後、露出したシリコン面を熱酸化して、図5(A)に示すように、ロジックトランジスタ形成領域に、イオン注入時に基板表面を汚染から保護する保護膜15を形成する。
この状態で、ロジックトランジスタが形成されるPウェル16とNウェル17、高耐圧トランジスタが形成されるPウェル18とNウェル19を順次形成する。ウェルの形成順は任意である。それぞれのウェル形成において、ウェル形成部分を開口したレジストを形成し、形成しようとするウェルの仕様に応じた条件(エネルギーおよびドーズ)でN型またはP型の不純物イオンを半導体基板10に注入する。その後、レジストを除去する。このレジスト形成、イオン注入、レジスト除去を、レジストの開口部分およびイオン条件を変えながら4回繰り返す。
【0034】
ロジックトランジスタ形成領域10aで開口するレジストを形成し、レジストをマスクとしたエッチングを行う。これにより、図5(B)に示すように、イオン注入時の保護膜15が除去される。
【0035】
イオン注入時の保護膜15を除去した基板表面を再び熱酸化し、図6(A)に示すように、ロジックトランジスタのゲート絶縁膜20を形成する。
【0036】
ゲート絶縁膜20およびONO膜14の上に、ポリシリコンをCVD法により堆積する。必要なら、レジストをマスクとした選択的なイオン注入技術により、ポリシリコンにN型不純物とP型不純物をそれぞれ別々に導入し、必要な箇所でポリシリコンの基板に対する仕事関数差を変化させるとともに、ポリシリコンの導電率を向上させる。
ゲートパターンを有するレジストをポリシリコンの上に形成し、レジストをマスクにポリシリコンのエッチングを行う。これにより、図6(B)に示すように、ロジックトランジスタのゲート電極21と22、高耐圧トランジスタのゲート電極23と24、およびメモリゲート電極25が同時に形成される。なお、メモリゲート電極25はワード線のパターンとしてもよい。
【0037】
1種類のウェルを開口するレジストをマスクとした選択的なイオン注入技術を、最多でウェルの種類に応じた数、例えば図7(A)では5回、適用する。ウェルを開口したレジストを形成し、形成しようとするソース・ドレイン領域の低濃度不純物部分(LDD領域)、メモリトランジスタの高濃度チャネル領域31またはソース・ドレイン領域30の仕様に応じた条件(エネルギーおよびドーズ)でN型またはP型の不純物イオンを注入する。イオン注入時に、既に形成したゲート電極21〜25と素子分離絶縁層11が不純物イオン導入を阻止する自己整合マスク層として機能する。その結果、ゲート電極と素子分離絶縁層との間のウェル表面部分に選択的に不純物が導入される。その後、レジストを除去する。このレジスト形成、イオン注入、レジスト除去を、レジストの開口部分およびイオン条件を変えながら最多で5回繰り返す。
これにより、図7(A)に示すように、ロジックトランジスタ形成領域10aにおいてLDD領域26a,27aが形成され、高耐圧トランジスタ形成領域10bにおいてLDD領域28a,29aが形成される。これらLDD領域は、ウェルと逆の導電型を有する。高耐圧用LDD領域28a,29aは、ホットキャリアの生成を抑制するように最適化することが望ましい。
メモリトランジスタ形成領域10cにおいて、ウェルと同じ導電型でウェルより高濃度な高濃度チャネル領域31とソース・ドレイン領域30とが形成される。なお、高濃度チャネル領域31は、ソース・ドレイン領域30の端よりチャネル中央寄りの位置まで形成されている。このような不純物分布は、不純物の拡散速度の違いを利用し、あるいはイオン注入時の角度を調整することによって達成される。
【0038】
絶縁膜、例えば酸化シリコン膜をゲート電極が完全に覆われるように厚く堆積し、異方性エッチングを行う。このとき絶縁膜がエッチバックされ、図7(B)に示すように、ゲート電極のそれぞれの側面に、断面が略1/4円状のサイドウォール絶縁層32が形成される。
1種類のウェルを開口するレジストをマスクとした選択的なイオン注入技術を、例えば図7(B)では4回、適用する。例えばウェルを開口した時と同じパターンのレジストを形成し、形成しようとするソース・ドレイン領域に応じた条件(エネルギーおよびドーズ)でN型またはP型の不純物イオンを注入する。イオン注入時に、既に形成した素子分離絶縁層11、ゲート電極21〜25、およびサイドウォール絶縁層32が不純物イオン導入を阻止する自己整合マスク層として機能する。その結果、サイドウォール絶縁層32と素子分離絶縁層11との間のウェル表面部分に選択的にLDD領域より高い濃度の不純物が導入される。その後、レジストを除去する。このレジスト形成、イオン注入、レジスト除去を、レジストの開口部分およびイオン条件を変えながら4回繰り返す。これにより、図7(B)に示すように、ロジックトランジスタ形成領域10aにおいてソース・ドレイン領域26,27が形成され、高耐圧トランジスタ形成領域10bにおいてソース・ドレイン領域28,29が形成される。なお、メモリトランジスタ形成領域10cにおいてソース・ドレイン領域30に対し、ソース・ドレイン領域28の形成時のイオン注入が追加されるようにしてもよい。
上記選択的なイオン注入工程のそれぞれにおいて、イオン注入に使用したレジストを残こしたまま、ロジックトランジスタ形成領域10aのゲート絶縁膜20、高耐圧トランジスタ形成領域10b、またはメモリトランジスタ形成領域10cのONO膜14の不要な部分を除去するとよい。あるいは、ONO膜14と14mで一括して不要部分を除去し、これとは別にゲート絶縁膜20の不要部分を除去するようにしてもよい。なお、ONO膜14,14mおよびゲート絶縁膜20の不要部分は最後まで残しておくことも可能である。
【0039】
その後、良く知られたサリサイド法を用いて、ゲート電極21〜25の上面と、ソース・ドレイン領域26〜29の表面とに一括して、高融点金属シリサイドを形成すると、図2に図解した基本構造の形成が完了する。
【0040】
図8(A)〜図13(B)は、第1実施形態における不揮発性メモリ装置を従来の方法で製造したときの製造途中の断面図である。これらの図において、パターンおよび材質に変化がない構成は、図3(A)〜図7(B)に示す符号を用いて示している。
図8(A)において、図3(A)の工程と同様に、半導体基板10の表面領域に素子分離絶縁層11を形成する。半導体基板10の上に酸化シリコンなどの保護膜40を形成する。図3(B)の工程と同様に、レジストを用いた選択的なイオン注入技術を用いてメモリトランジスタ形成領域10cにウェルを形成し、メモリトランジスタの閾値電圧を調整するためのイオン注入を行う。イオン注入に用いたレジストをマスクとした酸化シリコンのエッチングを行う。レジストを除去し活性化アニールを行う。
これにより、図8(B)に示すように、メモリトランジスタ形成領域10cで保護膜40が部分的に除去され、その領域10cにPウェル13が形成される。
【0041】
図9(A)において、図4(A)の工程と同様な方法によって、3つの領域10a〜10cにONO膜14を形成する。
ロジックトランジスタ形成領域10aおよび高耐圧トランジスタ形成領域10bで開口するレジストを形成し、レジストをマスクにエッチングを行う。これにより、図9(B)に示すように、ロジックトランジスタ形成領域10aおよび高耐圧トランジスタ形成領域10bにおいて、ONO膜14と、その下の保護膜40が選択的に除去される。メモリトランジスタ形成領域10cに残ったONO膜を符号14’で表記する。
【0042】
レジストを除去後、露出したシリコン面を熱酸化して、図10(A)に示すように、ロジックトランジスタ形成領域10aおよび高耐圧トランジスタ形成領域10bに、イオン注入時に基板表面を汚染から保護する保護膜41を形成する。この状態で、ロジックトランジスタが形成されるPウェル16とNウェル17、高耐圧トランジスタが形成されるPウェル18とNウェル19を、図5(A)の工程と同様な方法を用いて順次形成する。
ロジックトランジスタ形成領域10aおよび高耐圧トランジスタ形成領域10bで開口するレジストを形成し、レジストをマスクとしたエッチングを行う。これにより、図10(B)に示すように、イオン注入時の保護膜41が除去される。
【0043】
レジストを除去後、イオン注入時の保護膜41を除去した基板表面を再び熱酸化し、酸化シリコンからなる高耐圧トランジスタ用の比較的厚いゲート絶縁膜(以下、高耐圧ゲート絶縁膜という)42を形成する。
高耐圧ゲート絶縁膜42の上に、ロジックトランジスタ形成領域10aで開口するレジストを形成し、レジストをマスクとした酸化シリコンのエッチングを行う。これにより、図11(A)に示すように、高耐圧ゲート絶縁膜42が、ロジックトランジスタ形成領域10aで選択的に除去される。レジストを除去後、図11(B)に示すように、高耐圧ゲート絶縁膜42を除去した基板表面を薄く熱酸化し、酸化シリコンからなるロジックトランジスタ用の比較的薄いゲート絶縁膜20を形成する。
【0044】
図6(B)の工程と同様な方法によりゲート電極21〜25を形成し(図12(A))、図7(A)の工程と同様な方法によりLDD領域26a〜29aおよび高濃度チャネル領域31を形成する(図12(B))。但し、図12(B)の高耐圧トランジスタ形成領域10bにおいて形成されるLDD領域28b,29bは、図7(A)の工程においてONO膜14との関係で不純物濃度分布が最適化されたLDD領域28a,29aとは濃度プロファイルが異なる。
その後、図13(A)および図13(B)において、図7(B)および図2と同じ諸工程を経て、当該不揮発性メモリ装置の基本構造を完成させる。
【0045】
本実施形態における不揮発性メモリ装置を従来の方法により製造した場合、図11(A)の工程において、高耐圧ゲート絶縁膜42を形成し、高耐圧ゲート絶縁膜42をロジックトランジスタ形成領域10aで部分的に除去する工程が必要となる。
これに対し、本実施形態における製造方法においては、図5(A)に示すように高耐圧ゲート絶縁膜の代わりにONO膜14が使用されるため、図11(A)と比較すると、熱酸化工程、フォトリソグラフィ工程、およびエッチング工程が少ない。また、フォトマスクが1枚少なくて済む。その分、製造コストを安くできる。
【0046】
[第2実施形態]
図14(A)〜図15(B)は、第2実施形態における不揮発性半導体メモリ装置の製造途中の断面図である。これらの図において、パターンおよび材質に変化がない構成は、第1実施形態の図3(A)〜図7(B)に示す符号を用いて示している。
第2実施形態では、ウェルを、第1実施形態の製造方法におけるウェル形成の工程より早い段階の工程において形成する点で、第1実施形態と異なる。
【0047】
図14(A)に示すように、半導体基板10の表面領域に素子分離絶縁層11を形成し、図示を省略した保護膜を形成する。続いて、レジストを用いた選択的なイオン注入技術を、イオン注入条件を各ウェルに最適に変化させながら最多で5回繰り返す。これにより、メモリ用のPウェル13、ロジックトランジスタ用のPウェル16とNウェル17、および、高耐圧トランジスタ用のPウェル18とNウェル19を順次形成する。この形成方法自体は、第1実施形態の図5(A)の説明で述べた方法と同様である。
【0048】
図14(B)において、半導体基板10の上に保護膜12を形成する。高耐圧トランジスタ形成領域10bとメモリトランジスタ形成領域10cで開口するレジストを形成し、レジストをマスクとした酸化シリコンのエッチングを行う。その後、レジストを除去する。
【0049】
図15(A)において、図4(A)の工程と同様な方法によって、3つの領域10a〜10cにONO膜14を形成する。
【0050】
ロジックトランジスタ形成領域10aで開口するレジストを形成し、レジストをマスクにエッチングを行う。これにより、図15(B)に示すように、ロジックトランジスタ形成領域10aにおいて、ONO膜14と、その下の保護膜12が選択的に除去される。
【0051】
その後は、第1実施形態と同様な諸工程を経て、当該不揮発性メモリ装置の基本構成を完成させる。
具体的には、ロジックトランジスタのゲート絶縁膜20を形成し(図6(A))、ドープド多結晶珪素からなるゲート電極21〜25を形成し(図6(B))、LDD領域26a〜29a、高濃度チャネル領域31およびソース・ドレイン領域30を形成する(図7(A))。図7(B)の工程と同じ方法によって、サイドウォール絶縁層32の形成、ゲート絶縁膜20およびONO膜14の一部除去、ソース・ドレイン領域26〜29の形成を順次行う。最後に、高融点金属シリサイド層33の形成を行って、図2と同じ基本構造を完成させる。
【0052】
第2実施形態の製造方法では、先にウェルを形成し、ウェルの形成後にONO膜を形成する。したがって、第2実施形態の製造方法は、第1実施形態の製造方法に比べ、ウェル形成時のイオン注入のダメージがONO膜に残存しないという利点がある。その一方で、第1実施形態の製造方法は、ウェルが出来るだけ後の工程で形成されることから、トランジスタの特性に与える影響が大きなチャネル濃度が熱履歴で変動し難いという利点がある。
【0053】
第2実施形態の製造方法において、高耐圧トランジスタの厚いゲート絶縁膜を熱酸化により形成された単層のシリコン膜から形成する従来の製造方法と比較すると、熱酸化工程、フォトリソグラフィ工程、およびエッチング工程が少ない。また、フォトマスクが1枚少なくて済む。その分、製造コストを安くできる。
【0054】
【発明の効果】
本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置によれば、メモリトランジスタとメモリ周辺回路が構造において共通性が高くロジック混載に適した不揮発性半導体メモリ装置を提供することが可能となった。
本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置の製造方法によれば、不揮発性メモリ装置の製造工程においてメモリトランジスタの製造工程と周辺回路の製造工程との共通性を高め、製造において必要なフォトマスク枚数を減らし、製造工程数を減らし、歩留まりを向上させ、その結果、製造コストが低減された。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、第1の実施形態における混載型の不揮発性メモリ装置のブロック図である。
【図2】(A)は、ロジックトランジスタ、高耐圧トランジスタ、メモリトランジスタが同一基板に形成された、第1実施形態における不揮発性メモリ装置の断面図である。(B)は、高耐圧トランジスタの一部を拡大した断面図である。(C)は、メモリトランジスタの一部を拡大した断面図である。
【図3】(A)および(B)は、第1実施形態における不揮発性メモリ装置の製造において、メモリ用のウェル形成時の保護膜の一部除去工程までを示す断面図である。
【図4】(A)および(B)は、図3(B)に続く工程の断面図であり、ロジックトランジスタ形成領域におけるONO膜と保護膜の除去工程までを示す。
【図5】(A)および(B)は、図4(B)に続く工程の断面図であり、ロジックトランジスタ形成領域における他の保護膜の除去工程までを示す。
【図6】(A)および(B)は、図5(B)に続く工程の断面図であり、ゲート電極の形成工程までを示す。
【図7】(A)および(B)は、図6(B)に続く工程の断面図であり、ソース・ドレイン領域の形成工程までを示す。
【図8】(A)および(B)は、第1実施形態における不揮発性メモリ装置を従来の方法で製造したときの、メモリ用のウェル形成時の保護膜の一部除去工程までを示す断面図である。
【図9】(A)および(B)は、図8(B)に続く工程の断面図であり、ロジックトランジスタおよび高耐圧トランジスタの形成領域におけるONO膜と保護膜の除去工程までを示す。
【図10】(A)および(B)は、図9(B)に続く工程の断面図であり、ロジックトランジスタおよび高耐圧トランジスタの形成領域における他の保護膜の除去工程までを示す。
【図11】(A)および(B)は、図10(B)に続く工程の断面図であり、ロジックトランジスタ用のゲート絶縁膜の形成工程までを示す。
【図12】(A)および(B)は、図11(B)に続く工程の断面図であり、LDD領域および高濃度チャネル領域の形成工程までを示す。
【図13】(A)および(B)は、図12(B)に続く工程の断面図であり、高融点金属シリサイド層の形成工程までを示す。
【図14】(A)および(B)は、第2実施形態における不揮発性半導体メモリ装置の製造において、保護膜の一部除去工程までを示す断面図である。
【図15】(A)および(B)は、図14(B)に続く工程の断面図であり、ロジックトランジスタ形成領域におけるONO膜と保護膜の除去工程までを示す。
【符号の説明】
1…不揮発性メモリ装置、2…メモリブロック、3…論理回路ブロック、4…メモリセルアレイ、5…カラム動作回路、6…ロウデコーダ、7…コントロール回路、8…昇圧回路、10…半導体基板、10a…ロジックトランジスタ形成領域、10b…高耐圧トランジスタ形成領域、10c…メモリトランジスタ形成領域、11…素子分離絶縁層、12…保護膜、13…メモリ用Pウェル、14…ゲート絶縁膜、14b…主電荷蓄積層、14a…第1の電位障壁層、14c…第2の電位障壁層、14m…電荷蓄積膜、15…保護膜、16…ロジック用Pウェル、17…ロジック用Nウェル、18…高耐圧用Pウェル、19…高耐圧用Nウェル、20…ロジック用ゲート絶縁膜、21〜24…ゲート電極、25…メモリゲート電極、26〜30…ソース・ドレイン領域、26a〜29b…LDD領域、31…高濃度チャネル領域、32…サイドウォール絶縁層、33…高融点金属シリサイド層、40,41…保護膜、42…高耐圧ゲート絶縁膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device including a memory transistor having a plurality of stacked films including discrete charge storage means between a semiconductor substrate and a gate electrode, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Non-volatile memory transistors are roughly classified into a stand-alone type and a mixed type. In the stand-alone type, a nonvolatile memory transistor is used as a memory element of the dedicated memory IC. In the embedded type, a memory block and a logic circuit block are provided as a core of a system-on-chip, and a nonvolatile memory transistor is used as a memory element of the memory block.
In the embedded nonvolatile memory IC, the memory block includes a memory cell array in which a large number of memory cells each including at least one nonvolatile memory transistor are arranged in a matrix, and a memory peripheral circuit that controls the operation of the memory cell array. The logic circuit block has a logic circuit and a control circuit mainly including logic transistors that operate at high speed with a power supply voltage.
[0003]
The non-volatile memory transistor has an FG (Floating Gate) type in which the charge storage means is formed of a single conductive layer, and a MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-) in which the charge storage means is formed of a charge trap which is discretely planarized. Semiconductor type and MNOS (Metal-Nitride-Oxide-Nitride-Oxide) type are known.
[0004]
In the FG memory transistor, a first potential barrier layer is formed over a surface region (a channel formation region) of a semiconductor substrate where a channel is formed, and a conductive film which is surrounded by an insulating film and is in an electrically floating state ( A floating gate FG), a second potential barrier layer, and a gate electrode (control gate) are stacked.
In the MONOS memory transistor, a plurality of stacked films between a channel formation region and a gate electrode have a so-called ONO (Oxide-Nitride-Oxide) structure. In the ONO film, bulk traps in the nitride film or interface traps near the interface between the nitride film and the oxide film function as discretized charge storage means, and charges are stored in these traps.
[0005]
Writing is performed by injecting charges from the substrate side into a plurality of stacked films (ONO films) including a charge trap or the floating gate FG. In the erasing, the accumulated charge is extracted to the substrate side, or a charge of the opposite polarity for canceling the accumulated charge is injected into the plurality of stacked films including the charge trap.
As a method of injecting electric charge, there is a method utilizing a tunnel phenomenon of electric charge (FN tunneling, direct tunneling) in the laminated film. In addition, a degree that can overcome the energy barrier height of the oxide film at the bottom of the ONO film or the oxide film (the first potential barrier layer) under the floating gate FG, such as a so-called CHE (Channel-Hot-Electron) implantation method. There is a method using hot carriers that have excited the charge energetically.
The charge injection method using the tunnel phenomenon has an advantage that a current value required for writing or erasing data is small, and damage to an oxide film (a tunnel oxide film) through which charges tunnel is small. On the other hand, the charge injection method using the tunnel phenomenon requires a high voltage, which is disadvantageous for lowering the voltage.
In the charge injection method using hot carriers, an applied voltage required for writing or erasing data can be lower than the applied voltage in the charge injection method using a tunnel phenomenon. In the charge injection method using hot carriers, the oxide film thickness of the lowermost layer of the ONO film or the oxide film thickness under the floating gate FG (thickness of the first potential barrier layer) can be made larger than that of the tunnel oxide film. There is an advantage. If the lowermost layer can be made thicker, the memory retention characteristics are greatly improved. On the other hand, it is known that when hot carriers, particularly hot holes, are injected into an oxide film, the oxide film is deteriorated. For this reason, the charge injection method using hot carriers is disadvantageous in repetition characteristics of data rewriting and erasing as compared with the charge injection method using a tunnel phenomenon.
[0006]
A transistor and a logic transistor in a memory peripheral circuit are insulated gate transistors in which charge does not move in a gate insulating film formed between a semiconductor substrate and a gate electrode. Generally, an insulated gate transistor is a MOS transistor in which a gate insulating film is formed of a single-layer silicon oxide film.
[0007]
Since the manufacturing process becomes complicated and the number of manufacturing steps increases in the manufacture of the nonvolatile memory device of the logic mixed type, how to increase the commonality between the manufacturing process of the logic circuit block and the manufacturing process of the memory block including the memory peripheral circuit is improved. Is important.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
When writing or erasing data in a conventional FG type or MONOS type nonvolatile memory transistor, a voltage higher than a voltage required in a logic circuit is required. This voltage has a different voltage value depending on the above-described charge injection method, but is higher than a power supply voltage given from the outside. In a memory peripheral circuit of a nonvolatile memory device, a booster circuit for generating a particularly high voltage and a circuit for applying the generated high voltage to a memory cell are required.
These circuits that handle high voltages include high-withstand-voltage transistors that have higher withstand voltages than logic transistors on the assumption that a power supply voltage is applied. The high breakdown voltage transistor is designed such that the gate oxide film is thicker than the logic transistor, and the impurity concentration distribution particularly on the drain side can reduce the electric field. For this reason, the photomask required for forming the logic embedded nonvolatile memory IC is two to four photomasks for forming the nonvolatile memory transistor in addition to the photomask required for forming the logic IC. Further, three to seven photomasks are added for forming a high breakdown voltage transistor. In addition to the cost increase due to the additional photomask, the number of steps increases almost in proportion to the number of photomasks. In general, the yield decreases as the number of steps increases. For this reason, the manufacturing cost of the embedded nonvolatile memory IC is high, and this is a major obstacle in spreading the embedded nonvolatile memory technology.
[0009]
A first object of the present invention is to provide a memory transistor having discrete charge storage means between a semiconductor substrate and a gate electrode, and a memory peripheral circuit for controlling the operation of the memory transistor. An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device whose circuit has high commonality in structure.
A second object of the present invention is to increase the commonality in the manufacturing process of the nonvolatile memory device, reduce the number of photomasks required in the manufacturing, reduce the number of manufacturing processes, improve the yield, and thereby reduce the manufacturing cost. It is to reduce.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A non-volatile semiconductor memory device according to the present invention achieves the first object described above, and includes a non-volatile memory transistor and a memory peripheral that controls operation by applying a predetermined voltage to the memory transistor. A plurality of insulated gate transistors and the memory transistor constituting the memory peripheral circuit are formed on the same semiconductor substrate, and the memory transistor is formed between the semiconductor substrate and a gate electrode. A plurality of laminated films including therein a discretized charge storage means into which charges are injected when information is stored or erased, and at least one of the plurality of insulated gate transistors is provided in the memory peripheral circuit. The highest withstand voltage of the high withstand voltage transistor, the gate insulating film formed between the semiconductor substrate and the gate electrode, It has the same structure as the laminate film number.
[0011]
In this nonvolatile semiconductor memory device, the gate insulating film of the high withstand voltage transistor having the highest withstand voltage in the memory peripheral circuit is laminated between the semiconductor substrate and the gate electrode of the memory transistor, and the charge storage means is discretized inside. Has the same structure as a plurality of stacked films including.
When the memory peripheral circuit applies a voltage to the memory transistor, charges are injected into the plurality of stacked films according to the logic of the stored data. However, in the high breakdown voltage transistor in the memory peripheral circuit having the same structure, no charge is injected into the gate insulating film. Therefore, the threshold value of the memory transistor changes, but the threshold value of the high breakdown voltage transistor does not change.
[0012]
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising the steps of: forming a plurality of stacked films including discrete charge storage means into which charges are injected when information is stored or erased; A non-volatile memory transistor between the memory transistor and a high withstand voltage transistor having the highest withstand voltage in a memory peripheral circuit for controlling the operation by applying a predetermined voltage to the memory transistor is formed on the same semiconductor substrate. A non-volatile semiconductor memory device manufacturing method, wherein the semiconductor substrate is formed in a region where the memory transistor is formed, and in a region where the memory peripheral circuit is formed, at least in a region where the high breakdown voltage transistor is formed. Forming a plurality of the stacked films including the charge storage means therein; and forming the insulated gate transistor on the plurality of the stacked films. Comprising a gate electrode of at least the high-voltage transistor of the gate electrodes of the capacitor, and forming simultaneously a gate electrode, the said memory transistor.
[0013]
In this manufacturing method, in forming a memory transistor and a high breakdown voltage transistor, a plurality of laminated films including discrete charge storage means are formed on a semiconductor substrate. A gate electrode of a high breakdown voltage transistor and a gate electrode of a memory transistor are simultaneously formed on the formed stacked films. Thus, in the memory transistor, a stacked body of a plurality of stacked films having a charge storage ability and a gate electrode is formed on the semiconductor substrate. At the same time, in the high-breakdown-voltage transistor, a gate insulating film having the same structure as a plurality of the laminated films on the same semiconductor substrate as the memory transistor but having the charge storage capability itself but not actually storing charges. And a gate electrode laminate is formed.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram of a logic-mixed nonvolatile memory device according to the first embodiment.
The illustrated
The memory block 2 includes a memory cell array 4, a
[0015]
The memory cell array 4 includes a plurality of nonvolatile memory cells arranged in a matrix. Here, the memory cell includes, for example, one memory transistor. The cross-sectional structure of the memory transistor will be described later.
Although not specifically illustrated, in the memory cell array 4, the gates of a plurality of memory transistors arranged in the same row are connected to the same word line, and the memory cells can be selected for each row by activating the word line. State. Write data is supplied to the plurality of memory transistors arranged in the same column by the same bit line, and stored data is read from the same bit line. A plurality of word lines are connected to the row decoder 6, and a plurality of bit lines are connected to a column decoder in the
[0016]
The operation of the memory peripheral circuit is briefly described as follows.
The column decoder selects one or a plurality of bit lines according to a column address input from the control circuit 7. At the time of data reading, the selected bit line is connected to a sense amplifier in the
The row decoder 6 selects one or a plurality of word lines according to a row address input from the control circuit. The row decoder has a function of a word line driving circuit, and applies a predetermined voltage to a word line selected according to a row address at the time of data writing, reading, or erasing operation.
The control circuit 7 controls each configuration of the memory block 2 in accordance with a control signal input from the outside, and causes data write, read, and erase operations to be performed according to a predetermined sequence.
The
[0017]
The
[0018]
The maximum value of the voltage value required for the operation of the nonvolatile memory transistor is generally 8 V or more, which is considerably higher than the power supply voltage Vdd. For this reason, a transistor (hereinafter referred to as a high breakdown voltage transistor) having a withstand voltage sufficiently higher than that of the logic transistor is provided in the
[0019]
Assuming that the number of masks required to make a logic transistor is usually about 25, about 2 to 4 photomasks are generally added to make a MONOS memory transistor. If a high breakdown voltage transistor is required, three to seven more photomasks are added. In order to manufacture a high breakdown voltage transistor, (1) formation of a thick gate insulating film that can withstand a high voltage, and (2) source / drain junction where an electric field is hardly concentrated are required.
In the first embodiment, the number of photomasks is reduced by reducing the number of photomasks by reducing the thickness of the gate insulating film of (1) to have the same structure as the charge storage film (ONO film) used in the MONOS memory transistor.
[0020]
FIG. 2A is a cross-sectional view of a nonvolatile memory device in which a logic transistor, a high breakdown voltage transistor, and a memory transistor are formed over the same substrate. In FIG. 2A, P-type and N-type transistors are shown in the logic
In the logic
[0021]
In the P well 16, an N-channel type logic transistor is formed. More specifically, a
In the N well 17, a P-channel type logic transistor is formed. The P-type logic transistor has the same structure as the above-described N-type logic transistor. However, the
[0022]
An N-channel type high withstand voltage transistor is formed in the P well 18. More specifically, a
[0023]
In the P well 13, an N-channel type memory transistor is formed. More specifically, a
A high-
[0024]
FIG. 2C is an enlarged cross-sectional view of a part of the memory transistor.
The
[0025]
FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view of a part of the high withstand voltage transistor.
The
[0026]
Although the method of writing, erasing, and reading data is arbitrary, the following method can be adopted in this example.
A hot carrier is used in at least one of data writing and erasing. In the case of a MONOS memory transistor, for example, channel hot electron injection is used for writing data. To erase data, hot holes are generated by avalanche breakdown triggered by an interband tunnel at the drain end, and the generated hot holes are injected. In order to efficiently generate a tunnel current between bands, it is necessary to apply a negative voltage to the gate.
In order to perform channel hot electron injection efficiently, a structure for concentrating a high electric field at the drain end is required. To this end, a channel impurity structure having a high channel impurity concentration, a channel impurity near the drain end called halo, and a locally high channel impurity concentration, and a steep source / drain impurity distribution structure are required. This is achieved by optimizing the impurity concentration distribution of the high-
[0027]
In the high breakdown voltage transistor, charge injection does not occur for the following reasons.
(1) A halo structure or a high-
(2) In a circuit operation handling a high voltage, a negative voltage is not normally applied to the gate. Therefore, there is no need to worry about hot holes being injected into the
(3) The
For the above reasons, it is possible to make the laminated structure of the
[0028]
In the case of a MONOS memory transistor, when writing is performed again by switching the applied voltage between the drain and the source, charges can be locally injected into the drain and the source, respectively. Therefore, data can be stored at 2 bits / cell.
In data reading, data reading is performed by either a forward read method in which the magnitude relationship between the source and drain voltages is the same as that in data writing or a reverse read method in which the relationship is reversed in data writing. Do.
[0029]
FIGS. 3A to 7B are cross-sectional views of the nonvolatile memory device according to the first embodiment during manufacturing.
As shown in FIG. 3A, an element
[0030]
A
Thus, as shown in FIG. 3B, the
[0031]
As shown in FIG. 4A, a charge storage film (hereinafter, also referred to as an ONO film) 14 is formed in three
As the first potential barrier layer 14a, the surface region of the
[0032]
A resist opening in the logic
[0033]
After removing the resist, the exposed silicon surface is thermally oxidized to form a
In this state, a P well 16 and an N well 17 in which a logic transistor is formed, and a P well 18 and an N well 19 in which a high breakdown voltage transistor is formed are sequentially formed. The formation order of the wells is arbitrary. In each well formation, a resist having an opening in a well formation portion is formed, and N-type or P-type impurity ions are implanted into the
[0034]
A resist opening in the logic
[0035]
The substrate surface from which the
[0036]
Polysilicon is deposited on the
A resist having a gate pattern is formed on polysilicon, and the polysilicon is etched using the resist as a mask. Thereby, as shown in FIG. 6B, the
[0037]
A selective ion implantation technique using a resist that opens one type of well as a mask is applied at most, depending on the type of well, for example, five times in FIG. 7A. A resist having an open well is formed, and a low concentration impurity portion (LDD region) of a source / drain region to be formed, a high
Thereby, as shown in FIG. 7A,
In the memory
[0038]
An insulating film, for example, a silicon oxide film is thickly deposited so as to completely cover the gate electrode, and is subjected to anisotropic etching. At this time, the insulating film is etched back, and as shown in FIG. 7B, a side
A selective ion implantation technique using a resist opening one type of well as a mask is applied, for example, four times in FIG. 7B. For example, a resist having the same pattern as when the well is opened is formed, and N-type or P-type impurity ions are implanted under conditions (energy and dose) corresponding to the source / drain regions to be formed. At the time of ion implantation, the element
In each of the above-described selective ion implantation processes, the
[0039]
Then, using a well-known salicide method, a high-melting-point metal silicide is collectively formed on the upper surfaces of the
[0040]
FIGS. 8A to 13B are cross-sectional views of the non-volatile memory device according to the first embodiment in the process of being manufactured by a conventional method. In these figures, a configuration in which there is no change in the pattern and the material is indicated using the reference numerals shown in FIGS. 3 (A) to 7 (B).
8A, the element
As a result, as shown in FIG. 8B, the
[0041]
9A, an
A resist opening in the logic
[0042]
After removing the resist, the exposed silicon surface is thermally oxidized to protect the substrate surface from contamination during ion implantation into the logic
A resist opening in the logic
[0043]
After removing the resist, the surface of the substrate from which the
A resist opening in the logic
[0044]
Thereafter, in FIGS. 13A and 13B, through the same steps as in FIGS. 7B and 2, the basic structure of the nonvolatile memory device is completed.
[0045]
In the case where the nonvolatile memory device according to the present embodiment is manufactured by a conventional method, in the process of FIG. 11A, a high breakdown voltage
On the other hand, in the manufacturing method according to the present embodiment, the
[0046]
[Second embodiment]
FIGS. 14A to 15B are cross-sectional views of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment in the process of being manufactured. In these figures, configurations in which there is no change in the pattern and the material are indicated using the reference numerals shown in FIGS. 3A to 7B of the first embodiment.
The second embodiment is different from the first embodiment in that the well is formed in a step earlier than the well forming step in the manufacturing method of the first embodiment.
[0047]
As shown in FIG. 14A, an element
[0048]
In FIG. 14B, a
[0049]
In FIG. 15A, an
[0050]
A resist opening in the logic
[0051]
After that, through the same steps as in the first embodiment, the basic configuration of the nonvolatile memory device is completed.
Specifically, a
[0052]
In the manufacturing method of the second embodiment, a well is formed first, and an ONO film is formed after the formation of the well. Therefore, the manufacturing method of the second embodiment has an advantage that the damage of the ion implantation at the time of forming the well does not remain in the ONO film as compared with the manufacturing method of the first embodiment. On the other hand, the manufacturing method of the first embodiment has an advantage that the channel concentration, which has a large effect on the characteristics of the transistor, is unlikely to fluctuate due to the thermal history because the well is formed in a later process.
[0053]
In the manufacturing method of the second embodiment, a thermal oxidation step, a photolithography step, and an etching step are performed as compared with a conventional manufacturing method in which a thick gate insulating film of a high breakdown voltage transistor is formed from a single-layer silicon film formed by thermal oxidation. There are few processes. Also, one photomask is required. The production cost can be reduced accordingly.
[0054]
【The invention's effect】
According to the non-volatile semiconductor memory device according to the present invention, it is possible to provide a non-volatile semiconductor memory device which has high commonality in structure between a memory transistor and a memory peripheral circuit and is suitable for logic embedding.
According to the method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, in the manufacturing process of the nonvolatile memory device, the commonality between the manufacturing process of the memory transistor and the manufacturing process of the peripheral circuit is increased, and the number of photomasks required in the manufacturing is reduced. Reduction, reducing the number of manufacturing steps, and improving yield, resulting in reduced manufacturing costs.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an embedded nonvolatile memory device according to a first embodiment.
FIG. 2A is a cross-sectional view of the nonvolatile memory device according to the first embodiment, in which a logic transistor, a high breakdown voltage transistor, and a memory transistor are formed on the same substrate. FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view of a part of the high breakdown voltage transistor. (C) is an enlarged cross-sectional view of a part of the memory transistor.
FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views showing up to the step of partially removing a protective film when forming a memory well in the manufacture of the nonvolatile memory device according to the first embodiment;
FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views of a step following FIG. 3B, and show steps up to a step of removing an ONO film and a protective film in a logic transistor formation region.
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views of a step following FIG. 4B, and show steps up to a step of removing another protective film in a logic transistor formation region.
FIGS. 6A and 6B are cross-sectional views of a step following FIG. 5B, which show steps up to the step of forming a gate electrode.
FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views of a step following FIG. 6B, showing steps up to the step of forming source / drain regions.
FIGS. 8A and 8B are cross-sectional views showing steps up to the step of partially removing a protective film when forming a memory well when the nonvolatile memory device according to the first embodiment is manufactured by a conventional method. FIG.
FIGS. 9A and 9B are cross-sectional views of a step following FIG. 8B, and show up to a step of removing an ONO film and a protective film in a formation region of a logic transistor and a high breakdown voltage transistor.
FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views of a step following FIG. 9B, and show steps up to a step of removing another protective film in a formation region of a logic transistor and a high breakdown voltage transistor.
FIGS. 11A and 11B are cross-sectional views of a step following FIG. 10B, up to the step of forming a gate insulating film for a logic transistor.
FIGS. 12A and 12B are cross-sectional views of a step following FIG. 11B, showing steps up to the step of forming an LDD region and a high-concentration channel region;
13 (A) and 13 (B) are cross-sectional views of a step following FIG. 12 (B), up to a step of forming a refractory metal silicide layer.
FIGS. 14A and 14B are cross-sectional views showing up to a step of partially removing a protective film in the manufacture of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment.
FIGS. 15A and 15B are cross-sectional views of a step following FIG. 14B, and show steps up to the step of removing the ONO film and the protective film in the logic transistor formation region.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記メモリトランジスタに所定の電圧を印加して動作を制御するメモリ周辺回路と、を有し、
前記メモリ周辺回路を構成する複数の絶縁ゲート型トランジスタおよび前記メモリトランジスタが同一の半導体基板に形成され、
前記メモリトランジスタが、前記半導体基板とゲート電極との間に形成され、情報を記憶または消去するときに電荷が注入される離散化された電荷蓄積手段を内部に含む複数の積層膜を有し、
複数の前記絶縁ゲート型トランジスタのうち、少なくとも、前記メモリ周辺回路内で最も耐圧が高い高耐圧トランジスタの、前記半導体基板とゲート電極との間に形成されているゲート絶縁膜が、複数の前記積層膜と同じ構造を有している
不揮発性半導体メモリ装置。A non-volatile memory transistor;
A memory peripheral circuit that controls operation by applying a predetermined voltage to the memory transistor,
A plurality of insulated gate transistors and the memory transistor that constitute the memory peripheral circuit are formed on the same semiconductor substrate,
The memory transistor is formed between the semiconductor substrate and a gate electrode, and has a plurality of laminated films including therein discrete charge storage means into which charges are injected when storing or erasing information,
Of the plurality of insulated gate transistors, at least a gate insulating film formed between the semiconductor substrate and a gate electrode of the high withstand voltage transistor having the highest withstand voltage in the memory peripheral circuit has a plurality of stacked layers. A nonvolatile semiconductor memory device having the same structure as a film.
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。The memory peripheral circuit applies a voltage to each of a drain and a gate on the basis of a source potential of the memory transistor, accelerates electrons in a formed channel to generate hot electrons, and generates the generated hot electrons on a drain side. 2. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the charge is injected into the charge storage film.
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。The film on the semiconductor substrate side of the plurality of stacked films in the memory transistor and the film on the semiconductor substrate side of the gate insulating film in the insulated gate transistor have a thickness of 2 nm or more. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
第1導電型半導体からなるチャネル形成領域と、
前記チャネル形成領域の一方の側に接する第2導電型半導体からなる第1のソース・ドレイン領域と、
前記チャネル形成領域の他方の側に接する第2導電型半導体からなる第2のソース・ドレイン領域と、を有し、
前記第1および第2のソース・ドレイン領域のうち、少なくとも一方のソース・ドレイン領域が、
第1の不純物領域と、
前記第1の不純物領域と前記チャネル形成領域との間に位置し、前記第1の不純物領域より低濃度な第2の不純物領域と、含む
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。The high breakdown voltage transistor,
A channel formation region made of a first conductivity type semiconductor;
A first source / drain region made of a second conductivity type semiconductor in contact with one side of the channel formation region;
A second source / drain region made of a second conductivity type semiconductor in contact with the other side of the channel formation region;
At least one source / drain region of the first and second source / drain regions is:
A first impurity region;
The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising a second impurity region located between the first impurity region and the channel formation region and having a lower concentration than the first impurity region.
論理回路ブロックと、を有し、
前記メモリブロックが、前記メモリトランジスタを少なくとも1つ含むメモリセルを行列状に複数配置させてなるメモリセルアレイを有し、
前記論理回路ブロックが、前記高耐圧トランジスタより耐圧が低いロジックトランジスタを有している
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。A memory block,
And a logic circuit block,
The memory block has a memory cell array in which a plurality of memory cells including at least one of the memory transistors are arranged in a matrix.
2. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the logic circuit block includes a logic transistor having a lower withstand voltage than the high withstand voltage transistor.
前記半導体基板の、前記メモリトランジスタの形成領域、および、前記メモリ周辺回路の形成領域内の少なくとも前記高耐圧トランジスタの形成領域に、離散化された前記電荷蓄積手段を内部に含む複数の前記積層膜を形成する工程と、
複数の前記積層膜の上に、前記絶縁ゲート型トランジスタのゲート電極のうち少なくとも前記高耐圧トランジスタのゲート電極と、前記メモリトランジスタのゲート電極と、を同時に形成する工程と、
を含む不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。A non-volatile memory transistor having a plurality of stacked films between a semiconductor substrate and a gate electrode including therein a discretized charge storage means into which charges are injected when storing or erasing information; A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, wherein a high withstand voltage transistor having the highest withstand voltage in a memory peripheral circuit for controlling operation by applying a predetermined voltage to a memory transistor is formed on the same semiconductor substrate,
A plurality of the stacked films including the discretized charge storage means at least in the formation region of the memory transistor and the formation region of the high breakdown voltage transistor in the formation region of the memory peripheral circuit in the semiconductor substrate; Forming a;
Simultaneously forming at least a gate electrode of the high-breakdown-voltage transistor among the gate electrodes of the insulated gate transistor and a gate electrode of the memory transistor on a plurality of the stacked films;
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device including:
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- 2002-07-15 JP JP2002205714A patent/JP2004047889A/en active Pending
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