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JP2008112898A - Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2008112898A
JP2008112898A JP2006295696A JP2006295696A JP2008112898A JP 2008112898 A JP2008112898 A JP 2008112898A JP 2006295696 A JP2006295696 A JP 2006295696A JP 2006295696 A JP2006295696 A JP 2006295696A JP 2008112898 A JP2008112898 A JP 2008112898A
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Japan
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insulating film
gate
gate electrode
film
gate structure
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Application number
JP2006295696A
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Inventor
Keita Takahashi
桂太 高橋
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

【課題】電荷移動によるデータ状態の変化を防止し、且つ、微細化を実現できる電荷トラップ型の不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】メモリトランジスタ50は、半導体基板1におけるチャネル領域の中央部の上に順次積層されて形成された中央部ゲート絶縁膜11及び下部ゲート電極5からなる第1ゲート構造体51と、半導体基板1におけるチャネル領域の一端部の上で且つ第1ゲート構造体51の一側面上に順次積層されて形成された電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12からなる第2ゲート構造体52と、半導体基板1におけるチャネル領域の他端部の上で且つ第1ゲート構造体51の他側面上に順次積層されて形成された電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12からなる第3ゲート構造体53とを有している。中央部ゲート絶縁膜11は電荷トラップ性を有さず、電荷トラップ膜4は電荷トラップ性を有する。
【選択図】図2
There is provided a charge trap type nonvolatile semiconductor memory device capable of preventing change in data state due to charge transfer and realizing miniaturization.
A memory transistor includes a first gate structure including a central gate insulating film and a lower gate electrode, which are sequentially stacked on a central portion of a channel region in a semiconductor substrate, and a semiconductor. A second gate structure 52 comprising a charge trap film 4 and a sidewall gate electrode 12 which are sequentially stacked on one end of a channel region in the substrate 1 and on one side surface of the first gate structure 51; and a semiconductor A third gate structure 53 composed of the charge trap film 4 and the sidewall gate electrode 12 formed on the other end of the channel region in the substrate 1 and sequentially stacked on the other side surface of the first gate structure 51; Have. The central gate insulating film 11 does not have charge trapping properties, and the charge trapping film 4 has charge trapping properties.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法、特に電荷トラップ膜を有する不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device having a charge trap film and a manufacturing method thereof.

近年、不揮発性半導体記憶装置の高集積化及び低コスト化に伴い、バーチャルグラウンド型アレイを有し、電荷をゲート絶縁膜に局所的にトラップさせるMONOS(metal oxide nitride oxide semiconductor)型の不揮発性メモリ技術が注目されている。   In recent years, with high integration and low cost of non-volatile semiconductor memory devices, a MONOS (metal oxide nitride oxide semiconductor) type non-volatile memory having a virtual ground type array and locally trapping charges in a gate insulating film Technology is drawing attention.

以下、従来の局所トラップ型不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。   A conventional local trap type nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof will be described below with reference to the drawings.

まず、第1の従来例について図11〜図14を用いて説明する(例えば、特許文献1を参照。)。   First, a first conventional example will be described with reference to FIGS. 11 to 14 (see, for example, Patent Document 1).

図11は第1の従来例に係るメモリセルアレイの平面構成を示している。図11に示すように、半導体基板101の上部には、例えば、複数の拡散層ビット線102が列方向に形成され、半導体基板101の上には、複数のワード線電極103が行方向に形成されている。ここで、ワード線電極103はワード線として機能する。また、各メモリトランジスタは、1対の拡散層ビット線102に挟まれたワード線電極103の下方に形成される。   FIG. 11 shows a planar configuration of a memory cell array according to the first conventional example. As shown in FIG. 11, for example, a plurality of diffusion layer bit lines 102 are formed in the column direction on the semiconductor substrate 101, and a plurality of word line electrodes 103 are formed in the row direction on the semiconductor substrate 101. Has been. Here, the word line electrode 103 functions as a word line. Each memory transistor is formed below the word line electrode 103 sandwiched between a pair of diffusion layer bit lines 102.

図12(a)は図11のXIIa−XIIa線における断面構成を示している。図12(a)に示すように、半導体基板101の上部には、列方向に延伸する複数の拡散層ビット線102が互いに間隔をおいて形成されている。半導体基板101上の拡散層ビット線102同士に挟まれた領域には、ONO膜又は微細なシリコンからなる粒子を含むシリコン酸化膜である電荷トラップ膜104が形成されている。各電荷トラップ膜104の上には下部ゲート電極105が形成され、下部ゲート電極105同士の間には上面が下部ゲート電極105の上面と揃うように平坦化された埋め込み絶縁膜106が形成されている。また、下部ゲート電極105と埋め込み絶縁膜106との上には、行方向に延伸するワード線電極103が形成されている。ここで、ONO膜はシリコン酸化膜の間にシリコン窒化膜が挟まれてなる積層膜をいう。   FIG. 12A shows a cross-sectional configuration taken along line XIIa-XIIa in FIG. As shown in FIG. 12A, a plurality of diffusion layer bit lines 102 extending in the column direction are formed on the semiconductor substrate 101 at intervals. In a region sandwiched between the diffusion layer bit lines 102 on the semiconductor substrate 101, a charge trap film 104, which is an ONO film or a silicon oxide film containing fine silicon particles, is formed. A lower gate electrode 105 is formed on each charge trapping film 104, and a buried insulating film 106 is formed between the lower gate electrodes 105 so that the upper surface is aligned with the upper surface of the lower gate electrode 105. Yes. A word line electrode 103 extending in the row direction is formed on the lower gate electrode 105 and the buried insulating film 106. Here, the ONO film is a laminated film in which a silicon nitride film is sandwiched between silicon oxide films.

図12(b)、図12(c)及び図12(d)は、それぞれ図11のXIIb−XIIb線、XIIc−XIIc線及びXIId−XIId線における断面構成を示している。   FIGS. 12B, 12C, and 12D show cross-sectional structures taken along lines XIIb-XIIb, XIIc-XIIc, and XIId-XIId in FIG. 11, respectively.

以下、図11のXIIa−XIIa線における断面を用いて第1の従来例の製造方法を説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the first conventional example will be described using a cross section taken along line XIIa-XIIa in FIG.

まず、図13(a)に示すように、半導体基板101の主面上に、絶縁膜104A及び第1の導電膜105Aを順次堆積する。   First, as shown in FIG. 13A, an insulating film 104A and a first conductive film 105A are sequentially deposited on the main surface of the semiconductor substrate 101.

次に、図13(b)に示すように、下部ゲート加工マスクを用いて、第1の導電膜105A及び絶縁膜104Aに対して順次選択的にエッチングを行なって、第1の導電膜105Aから下部ゲート電極105を形成し、絶縁膜104Aから電荷トラップ膜104を形成する。続いて、イオン注入法により、下部ゲート加工マスクを用いて開口部から半導体基板101に、例えばn型ドーパントをイオン注入することにより、半導体基板101の上部に拡散層ビット線102を形成する。その後、下部ゲート加工マスクを除去する。   Next, as shown in FIG. 13B, the first conductive film 105A and the insulating film 104A are selectively etched sequentially using the lower gate processing mask, so that the first conductive film 105A A lower gate electrode 105 is formed, and a charge trap film 104 is formed from the insulating film 104A. Subsequently, a diffusion layer bit line 102 is formed on the semiconductor substrate 101 by ion implantation of, for example, n-type dopant into the semiconductor substrate 101 from the opening using the lower gate processing mask by ion implantation. Thereafter, the lower gate processing mask is removed.

次に、図13(c)に示すように、埋め込み絶縁膜6を半導体基板101の上に下部ゲート電極105を覆う共に、互いに隣接する下部ゲート電極105同士の間の領域を埋め込むように堆積する。   Next, as shown in FIG. 13C, the buried insulating film 6 is deposited on the semiconductor substrate 101 so as to cover the lower gate electrode 105 and to bury a region between the lower gate electrodes 105 adjacent to each other. .

次に、図14(a)に示すように、化学機械研磨(CMP)法又はエッチバック法等により、埋め込み絶縁膜6に対して下部ゲート電極105が露出するまで平坦化する。   Next, as shown in FIG. 14A, the buried insulating film 6 is planarized by the chemical mechanical polishing (CMP) method or the etch back method until the lower gate electrode 105 is exposed.

次に、図14(b)に示すように、下部ゲート電極105及び埋め込み絶縁膜106の上に、第2の導電膜103Aを堆積する。その後、堆積した第2の導電膜103A及び下部ゲート電極105をワード線加工マスクを用いてパターニングすることにより、図12(a)に示すように、第2の導電膜103Aからワード線電極103を形成する。このとき、各下部ゲート電極105は、半導体基板101におけるビット線拡散層102同士の間の領域上で且つワード線電極103の下側の領域に島状に形成される。その後は、配線工程等に移る。   Next, as illustrated in FIG. 14B, a second conductive film 103 </ b> A is deposited on the lower gate electrode 105 and the buried insulating film 106. Thereafter, the deposited second conductive film 103A and the lower gate electrode 105 are patterned using a word line processing mask, so that the word line electrode 103 is formed from the second conductive film 103A as shown in FIG. Form. At this time, each lower gate electrode 105 is formed in an island shape in a region on the semiconductor substrate 101 between the bit line diffusion layers 102 and in a region below the word line electrode 103. Thereafter, the process proceeds to a wiring process or the like.

このように、第1の従来例においては、列方向に延伸し且つ互いに隣接する拡散層ビット線102をソース及びドレインとし、互いに隣接する拡散層ビット線102同士の間に位置する、ほぼ均一の膜厚を有する電荷トラップ膜104をゲート絶縁膜とし、下部ゲート電極105をゲート電極とするメモリトランジスタを、行方向に延伸するワード線電極103により接続することによりメモリアレイを形成している。   As described above, in the first conventional example, the diffusion layer bit lines 102 extending in the column direction and adjacent to each other are used as the source and drain, and are located between the adjacent diffusion layer bit lines 102. A memory array is formed by connecting memory transistors having the charge trap film 104 having a thickness as a gate insulating film and the lower gate electrode 105 as a gate electrode by a word line electrode 103 extending in the row direction.

次に、第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置の基本動作を図面に基づいて説明する。   Next, the basic operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first conventional example will be described with reference to the drawings.

まず、図15に第1の書き込み動作を示す。図15においては、図中の右側に位置するメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の左側端部に電子を注入している。具体的には、ワード線電極103に9Vの電圧を印加し、左側に位置する拡散層ビット線102をオープン(開放)状態とし、中央に位置する拡散層ビット線102に5Vの電圧を印加し、右側の拡散層ビット線102及び半導体基板101に0Vの電圧を印加する。これにより、右側に位置する拡散層ビット線102から中央の拡散層ビット線102に電子が流れ、中央の拡散層ビット線2の右側端部付近で電子がホットエレクトロン化する。これにより、右側のメモリトランジスタの電荷トラップ膜104の左側端部に電子を注入することができる。   First, FIG. 15 shows a first write operation. In FIG. 15, electrons are injected into the left end portion of the charge trapping film 104 in the memory transistor located on the right side in the drawing. Specifically, a voltage of 9V is applied to the word line electrode 103, the diffusion layer bit line 102 located on the left side is opened (opened), and a voltage of 5V is applied to the diffusion layer bit line 102 located in the center. A voltage of 0 V is applied to the right diffusion layer bit line 102 and the semiconductor substrate 101. As a result, electrons flow from the diffusion layer bit line 102 located on the right side to the central diffusion layer bit line 102, and electrons are converted into hot electrons near the right end of the central diffusion layer bit line 2. Thereby, electrons can be injected into the left end portion of the charge trap film 104 of the right memory transistor.

次に、第2の書き込み動作であって、図16の右側に位置するメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の右側端部に電子を注入する場合を示す。図15と異なるのは、中央の拡散層ビット線102に0Vを印加し、右側の拡散層ビット線102に5Vを印加する点である。   Next, a case of injecting electrons into the right end portion of the charge trap film 104 in the memory transistor located on the right side in FIG. 16 in the second write operation will be described. The difference from FIG. 15 is that 0 V is applied to the central diffusion layer bit line 102 and 5 V is applied to the right diffusion layer bit line 102.

次に、図17に消去動作を示す。図17に示すように、消去動作は、右側のメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の左側端部にホールを注入し、既に注入されている電子の電荷を中和することにより行なう。具体的には、ワード線電極103に−7Vの電圧を印加し、左右の拡散層ビット線102をオープン状態とし、中央の拡散層ビット線102に5Vの電圧を印加し、半導体基板101に0Vの電圧を印加する。これにより、中央の拡散層ビット線102に左右でバンド−バンド間トンネル電流によりホールが発生して、中央の拡散層ビット線102の右側端部付近でホットホール化する。これにより、右側に位置するメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の左側端部にホールを注入することができる。   Next, FIG. 17 shows an erase operation. As shown in FIG. 17, the erasing operation is performed by injecting holes into the left end portion of the charge trap film 104 in the right memory transistor and neutralizing the charge of the electrons already injected. Specifically, a voltage of −7 V is applied to the word line electrode 103, the left and right diffusion layer bit lines 102 are opened, a voltage of 5 V is applied to the central diffusion layer bit line 102, and 0 V is applied to the semiconductor substrate 101. Apply a voltage of. As a result, holes are generated in the central diffusion layer bit line 102 by the band-to-band tunnel current on the left and right, and become hot holes near the right end of the central diffusion layer bit line 102. Thereby, holes can be injected into the left end portion of the charge trapping film 104 in the memory transistor located on the right side.

次に、図18に読み出し動作を示す。図18は、読み出し動作として、右側のメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の右側端部の状態を読み出す場合を示している。具体的には、ワード線電極103に5Vの電圧を印加し、左側の拡散層ビット線102をオープン状態とし、中央の拡散層ビット線102に1Vの電圧を印加し、右側の拡散層ビット線102に0Vの電圧を印加し、半導体基板101に0Vの電圧を印加する。これにより、電荷トラップ膜104の右側端部に電子が蓄積されている場合には電流が流れず、逆に電荷トラップ膜104の右側端部に電子とホールとが蓄積されている場合には電流が流れる。このようにして、右側に位置するメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の右側端部の電荷の蓄積状態を読み出すことができる。   Next, FIG. 18 shows a read operation. FIG. 18 shows a case where the state of the right end portion of the charge trap film 104 in the right memory transistor is read as a read operation. Specifically, a voltage of 5V is applied to the word line electrode 103, the left diffusion layer bit line 102 is opened, a voltage of 1V is applied to the central diffusion layer bit line 102, and the right diffusion layer bit line is applied. A voltage of 0 V is applied to 102, and a voltage of 0 V is applied to the semiconductor substrate 101. As a result, when electrons are accumulated at the right end of the charge trapping film 104, no current flows. Conversely, when electrons and holes are accumulated at the right end of the charge trapping film 104, the current flows. Flows. In this manner, the charge accumulation state at the right end of the charge trap film 104 in the memory transistor located on the right side can be read.

しかしながら、第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置は、以上に説明した各動作を行なう場合に、図19に示すように、メモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の左側端部及び右側端部にそれぞれ注入された電子とホールとが、電荷トラップ膜104の内部を移動して電荷の状態が変化してしまう場合がある。特に、ホールは電子に比べて移動しやすく、この現象が顕著に現われる。   However, in the nonvolatile semiconductor memory device according to the first conventional example, when each operation described above is performed, as shown in FIG. 19, the nonvolatile semiconductor memory device is provided at the left end portion and the right end portion of the charge trap film 104 in the memory transistor. In some cases, the injected electrons and holes move inside the charge trapping film 104 to change the charge state. In particular, holes are easier to move than electrons, and this phenomenon appears remarkably.

このような第1の従来例に係る問題を解決するために、以下に示す第2の従来例が提案されている(例えば、特許文献2を参照。)。   In order to solve such a problem related to the first conventional example, a second conventional example shown below has been proposed (see, for example, Patent Document 2).

以下、第2の従来例について図20を用いて説明する。   Hereinafter, the second conventional example will be described with reference to FIG.

図20に示すように、半導体基板101の上部に、複数の拡散層ビット線102が互いに間隔をおいて形成され、半導体基板101上における各拡散層ビット線102に挟まれた領域には、電荷トラップ性を有さず且つ断面U字状の中央部ゲート絶縁膜111が形成され、該中央部ゲート絶縁膜111の両側には電荷トラップ膜104がそれぞれ形成されている。   As shown in FIG. 20, a plurality of diffusion layer bit lines 102 are formed on the semiconductor substrate 101 at intervals, and a region sandwiched between the diffusion layer bit lines 102 on the semiconductor substrate 101 has a charge. A central gate insulating film 111 having no trapping property and a U-shaped cross section is formed, and charge trap films 104 are formed on both sides of the central gate insulating film 111, respectively.

中央部ゲート絶縁膜111の内側には下部ゲート電極105が形成され、中央部ゲート絶縁膜111の外側で且つ電荷トラップ膜104の上側には側壁ゲート電極112が形成されている。下部ゲート電極105と側壁ゲート電極112とは、その上部でワード線電極103と電気的に接続されている。   A lower gate electrode 105 is formed inside the central gate insulating film 111, and a sidewall gate electrode 112 is formed outside the central gate insulating film 111 and above the charge trapping film 104. The lower gate electrode 105 and the sidewall gate electrode 112 are electrically connected to the word line electrode 103 at the upper part thereof.

なお、第2の従来例の場合は、メモリセルアレイはドレインコンタクトを用いる通常のNOR型アレイを想定している。   In the case of the second conventional example, the memory cell array is assumed to be a normal NOR type array using drain contacts.

このように、第2の従来例の場合は、メモリトランジスタの下部に形成された電荷トラップ膜104が断面U字状の中央部ゲート絶縁膜111によって左右に分割されているため、電子又はホールの移動による電荷状態の変化が生じにくい。また、中央部ゲート絶縁膜111を電荷トラップ膜104よりも薄膜化できるため、より微細なトランジスタを構成することができる。
米国特許第5168334号明細書 特開2004−312009号公報
As described above, in the case of the second conventional example, the charge trap film 104 formed under the memory transistor is divided into the left and right by the central gate insulating film 111 having a U-shaped cross section. Changes in the charge state due to movement are unlikely to occur. Further, since the central gate insulating film 111 can be made thinner than the charge trapping film 104, a finer transistor can be formed.
US Pat. No. 5,168,334 JP 2004-312009 A

しかしながら、前記第2の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置は、製造方法が複雑であり、また、第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置のアレイ構造のようにユニットセルサイズの縮小に適したバーチャルグラウンド型アレイ構造ではなく、ユニットセル当たり約0.5個のコンタクトを必要とするNOR型アレイ構造であるため、実用性に乏しいという問題がある。   However, the nonvolatile semiconductor memory device according to the second conventional example has a complicated manufacturing method, and the unit cell size can be reduced as in the array structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first conventional example. Since this is not a suitable virtual ground type array structure but a NOR type array structure that requires about 0.5 contacts per unit cell, there is a problem that it is not practical.

本発明は、前記従来の問題に鑑み、電荷移動によるデータ状態の変化を防止し、且つ半導体記憶装置の微細化を実現できるようにすることを目的とする。   In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to prevent a change in data state due to charge transfer and to realize miniaturization of a semiconductor memory device.

前記の目的を達成するため、本発明は、不揮発性半導体記憶装置を、側壁ゲート電極が下部ゲート電極の側面上にサイドウォール状に形成される構成とする。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a nonvolatile semiconductor memory device has a configuration in which a sidewall gate electrode is formed in a sidewall shape on a side surface of a lower gate electrode.

具体的に、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、それぞれが半導体基板に行列状に配置され、ゲート電極、ソース拡散層、ドレイン拡散層及び半導体基板におけるゲート電極の下側に形成されるチャネル領域を有する複数のメモリトランジスタと、複数のメモリトランジスタのうち、行方向に並ぶメモリトランジスタのゲート電極を共通に接続して延びる複数のワード線と、複数のメモリトランジスタのうち、列方向に並ぶメモリトランジスタのソース拡散層又はドレイン拡散層を共通に接続して延びるビット線とを備え、各メモリトランジスタは、半導体基板におけるチャネル領域の中央部の上に順次積層されて形成された第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極からなる第1ゲート構造体と、半導体基板におけるチャネル領域の一端部の上に順次積層されて形成された第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極からなる第2ゲート構造体と、半導体基板におけるチャネル領域の他端部の上に順次積層されて形成された第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極からなる第3ゲート構造体とを有し、ワード線は、第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極と共通に接続されてワード線電極を構成し、第1ゲート絶縁膜は、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜からなり、第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜は、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜を含むことを特徴とする。   Specifically, the non-volatile semiconductor memory device according to the present invention includes a gate electrode, a source diffusion layer, a drain diffusion layer, and a channel formed below the gate electrode in the semiconductor substrate, each arranged in a matrix on the semiconductor substrate. A plurality of memory transistors having a region, a plurality of word lines extending by connecting gate electrodes of memory transistors arranged in the row direction among the plurality of memory transistors, and a memory arranged in the column direction among the plurality of memory transistors And a bit line extending in common with the source diffusion layer or the drain diffusion layer of the transistors, and each memory transistor is formed by sequentially stacking on the central portion of the channel region in the semiconductor substrate. And a first gate structure comprising the first gate electrode and one end of the channel region in the semiconductor substrate A second gate structure composed of a second gate insulating film and a second gate electrode, which are sequentially stacked on top of each other, and a third gate formed by sequentially stacking on the other end of the channel region in the semiconductor substrate A third gate structure including an insulating film and a third gate electrode, and the word line is commonly connected to the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode to form a word line electrode; The first gate insulating film is made of a first insulating film having no charge trapping property, and the second gate insulating film and the third gate insulating film include a second insulating film having a charge trapping property. And

本発明の不揮発性半導体記憶装置によると、第1ゲート構造体の両側に形成された、トラップ性を有する第2の絶縁膜(第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜)は、トラップ性を有さない第1の絶縁膜(第1ゲート絶縁膜)を含む第1ゲート構造体の両側面上に形成されている。このため、第2ゲート構造体と第3ゲート構造体とが第1ゲート構造体により電気的に絶縁されるため、電荷の移動が防止されるので、データ保持特性が良好となる。その上、電荷トラップ膜(第2の絶縁膜)並びに第2及び第3ゲート電極をサイドウォール法等の、従来の半導体製造プロセスで形成できるため、容易に製造することが可能となる。   According to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the second insulating film having the trapping property (the second gate insulating film and the third gate insulating film) formed on both sides of the first gate structure has the trapping property. It is formed on both side surfaces of the first gate structure including the first insulating film (first gate insulating film) that does not have. For this reason, since the second gate structure and the third gate structure are electrically insulated by the first gate structure, the movement of electric charges is prevented, so that the data retention characteristic is improved. In addition, since the charge trapping film (second insulating film) and the second and third gate electrodes can be formed by a conventional semiconductor manufacturing process such as a sidewall method, it can be easily manufactured.

本発明の不揮発性半導体記憶装置において、第2ゲート構造体における第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極は、チャネル領域の一端部の上で且つ第1ゲート構造体の一の側面上に積層されて形成されており、第3ゲート構造体における第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極は、チャネル領域の他端部の上で且つ第1ゲート構造体の他の側面上に積層されて形成されていることが好ましい。   In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the second gate insulating film and the second gate electrode in the second gate structure are stacked on one end of the channel region and on one side surface of the first gate structure. The third gate insulating film and the third gate electrode in the third gate structure are formed by being stacked on the other end of the channel region and on the other side surface of the first gate structure. It is preferable.

本発明の不揮発性半導体記憶装置において、ワード線の延伸方向における第2ゲート電極とワード線電極とが接触する長さ及びワード線の延伸方向における第3ゲート電極とワード線電極とが接触する長さは、ワード線の延伸方向における第2ゲート電極及び第3ゲート電極の各下端部における長さの2分の1以上であることが好ましい。   In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the length of contact between the second gate electrode and the word line electrode in the word line extending direction and the length of contact between the third gate electrode and the word line electrode in the word line extending direction. The length is preferably at least half of the length of each lower end portion of the second gate electrode and the third gate electrode in the extending direction of the word line.

本発明の不揮発性半導体記憶装置において、第2の絶縁膜は、半導体基板側から順次形成されたシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を含む積層構造を有していることが好ましい。   In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the second insulating film preferably has a stacked structure including a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film that are sequentially formed from the semiconductor substrate side.

本発明の不揮発性半導体記憶装置において、第2の絶縁膜は、シリコンからなる粒子と該粒子が混入されたシリコン酸化膜とを含むことが好ましい。   In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the second insulating film preferably includes particles made of silicon and a silicon oxide film mixed with the particles.

本発明の不揮発性半導体記憶装置において、ソース拡散層及びドレイン拡散層のうちの一方は半導体基板における第2ゲート構造体の第1ゲート構造体と反対側の領域に形成され、ソース拡散層及びドレイン拡散層のうちの他方は半導体基板における第3ゲート構造体の第1ゲート構造体と反対側の領域に形成されていることが好ましい。   In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, one of the source diffusion layer and the drain diffusion layer is formed in a region of the semiconductor substrate on the side opposite to the first gate structure, and the source diffusion layer and the drain are formed. The other of the diffusion layers is preferably formed in a region of the semiconductor substrate opposite to the first gate structure of the third gate structure.

本発明の第1の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板の上に行列状に配置された複数のメモリトランジスタと、該複数のメモリトランジスタのうち、行方向に並ぶメモリトランジスタのゲート電極同士を共通に接続して延びる複数のワード線と、列方向に並ぶメモリトランジスタのソース拡散層又はドレイン拡散層を共通に接続して延びる複数のビット線とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法を対象とし、半導体基板の上に、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜、及び第1の導電膜を順次形成する工程(a)と、第1の導電膜及び第1の絶縁膜を選択的にエッチングすることにより、各メモリトランジスタのチャネル領域の中央部の上に第1の絶縁膜から第1ゲート絶縁膜を形成すると共に第1の導電膜から第1ゲート電極を形成し、形成した第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極から第1ゲート構造体を形成する工程(b)と、半導体基板の上に第1ゲート構造体の上面及び側面を覆うように、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜、及び第2の導電膜を順次形成する工程(c)と、第2の導電膜及び第2の絶縁膜を選択的に且つ異方的にエッチングすることにより、第1ゲート構造体におけるチャネル領域のチャネル長方向の両側面上にそれぞれ、第2の絶縁膜から第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜を形成すると共に第2の導電膜から第2ゲート電極及び第3ゲート電極を形成し、形成した第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極から第2ゲート構造体並びに第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極から第3ゲート構造体を形成する工程(d)と、半導体基板における第1ゲート構造体に対する第2ゲート構造体の外側及び第3ゲート構造体の外側にそれぞれビット線となるソース拡散層及びドレイン拡散層を形成する工程(e)と、半導体基板の上に第1ゲート構造体、第2ゲート構造体及び第3ゲート構造体の上を覆うと共に、互いに隣接するメモリトランジスタ同士の間を埋め込む埋め込み絶縁膜を形成する工程(f)と、形成した埋め込み絶縁膜の上部をエッチングすることにより、第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極を露出すると共に、互いに隣接するメモリトランジスタ同士の間に埋め込み絶縁膜を残存させる工程(g)と、露出した第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極の上部と接触するように、半導体基板の上に第3の導電膜を形成する工程(h)と、第3の導電膜を選択的にエッチングすることにより、第3の導電膜からワード線電極を形成する工程(I)とを備えていることを特徴とする。   A first non-volatile semiconductor memory device manufacturing method according to the present invention includes a plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor substrate, and a gate electrode of memory transistors arranged in a row direction among the plurality of memory transistors. Manufacturing of non-volatile semiconductor memory device having a plurality of word lines extending commonly connected to each other and a plurality of bit lines extending commonly connecting source diffusion layers or drain diffusion layers of memory transistors arranged in the column direction (A) sequentially forming a first insulating film having no charge trapping property and a first conductive film on a semiconductor substrate, and the first conductive film and the first insulation. By selectively etching the film, the first gate insulating film is formed from the first insulating film on the central portion of the channel region of each memory transistor, and the first gate film is formed from the first conductive film. Forming a first electrode, forming a first gate structure from the formed first gate insulating film and the first gate electrode, and covering the upper surface and side surfaces of the first gate structure on the semiconductor substrate. And (c) sequentially forming a second insulating film having a charge trapping property and a second conductive film, and selectively and anisotropically etching the second conductive film and the second insulating film. Thus, the second gate insulating film and the third gate insulating film are formed from the second insulating film on both side surfaces in the channel length direction of the channel region in the first gate structure, respectively, and from the second conductive film. A second gate electrode and a third gate electrode are formed, a second gate structure is formed from the formed second gate insulating film and the second gate electrode, and a third gate structure is formed from the third gate insulating film and the third gate electrode. Step (d), and A step (e) of forming a source diffusion layer and a drain diffusion layer to be bit lines on the outer side of the second gate structure and the third gate structure with respect to the first gate structure on the conductor substrate, respectively; (F) forming a buried insulating film that covers the first gate structure, the second gate structure, and the third gate structure and that embeds between adjacent memory transistors, and the formed buried insulation. Etching the upper portion of the film to expose the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode, and leaving a buried insulating film between adjacent memory transistors; A process of forming a third conductive film on the semiconductor substrate so as to be in contact with the upper portions of the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode. (H) and a step (I) of forming a word line electrode from the third conductive film by selectively etching the third conductive film.

本発明に係る第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板の上に行列状に配置された複数のメモリトランジスタと、該複数のメモリトランジスタのうち、行方向に並ぶメモリトランジスタのゲート電極同士を共通に接続して延びる複数のワード線と、列方向に並ぶメモリトランジスタのソース拡散層又はドレイン拡散層を共通に接続して延びる複数のビット線とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法を対象とし、半導体基板の上に、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜、第1の導電膜及びエッチングストッパ膜を順次形成する工程(a)と、エッチングストッパ膜、第1の導電膜及び第1の絶縁膜を選択的にエッチングすることにより、各メモリトランジスタのチャネル領域の中央部の上に第1の絶縁膜から第1ゲート絶縁膜を形成すると共に第1の導電膜から第1ゲート電極を形成し、形成したエッチングストッパ膜、第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極から第1ゲート構造体を形成する工程(b)と、半導体基板の上に第1ゲート構造体の上面及び側面を覆うように、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜、及び第2の導電膜を順次形成する工程(c)と、第2の導電膜及び第2の絶縁膜を選択的に且つ異方的にエッチングすることにより、第1ゲート構造体におけるチャネル領域のチャネル長方向の両側面上にそれぞれ、第2の絶縁膜から第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜を形成すると共に第2の導電膜から第2ゲート電極及び第3ゲート電極を形成し、形成した第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極から第2ゲート構造体並びに第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極から第3ゲート構造体を形成する工程(d)と、半導体基板における第1ゲート構造体に対する第2ゲート構造体の外側及び第3ゲート構造体の外側にそれぞれビット線となるソース拡散層及びドレイン拡散層を形成する工程(e)と、半導体基板の上に第1ゲート構造体、第2ゲート構造体及び第3ゲート構造体の上を覆うと共に、互いに隣接するメモリトランジスタ同士の間を埋め込む埋め込み絶縁膜を形成する工程(f)と、形成した埋め込み絶縁膜の上部をエッチングすることにより、エッチングストッパ膜、第2ゲート電極及び第3ゲート電極を露出すると共に、互いに隣接するメモリトランジスタ同士の間に埋め込み絶縁膜を残存させる工程(g)と、第1ゲート構造体におけるエッチングストッパ膜を除去することにより、第1ゲート電極を露出する工程(h)と、露出した第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極の上部と接触するように、半導体基板の上に第3の導電膜を形成する工程(I)と、第3の導電膜を選択的にエッチングすることにより、第3の導電膜からワード線電極を形成する工程(J)とを備えていることを特徴とする。   A second non-volatile semiconductor memory device manufacturing method according to the present invention includes a plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor substrate, and gates of memory transistors arranged in a row direction among the plurality of memory transistors. A nonvolatile semiconductor memory device comprising: a plurality of word lines extending by connecting electrodes in common; and a plurality of bit lines extending by commonly connecting source diffusion layers or drain diffusion layers of memory transistors arranged in a column direction (A) sequentially forming a first insulating film having no charge trapping property, a first conductive film, and an etching stopper film on a semiconductor substrate, the etching stopper film, the first By selectively etching the conductive film and the first insulating film, the first gate electrode is formed from the first insulating film on the central portion of the channel region of each memory transistor. (B) forming an insulating film, forming a first gate electrode from the first conductive film, and forming a first gate structure from the formed etching stopper film, first gate insulating film, and first gate electrode; A step (c) of sequentially forming a second insulating film having a charge trapping property and a second conductive film on the semiconductor substrate so as to cover the upper surface and the side surface of the first gate structure; By selectively and anisotropically etching the conductive film and the second insulating film, the second insulating film to the second gate are respectively formed on both side surfaces in the channel length direction of the channel region of the first gate structure. Forming an insulating film and a third gate insulating film, forming a second gate electrode and a third gate electrode from the second conductive film, forming the second gate structure from the second gate insulating film and the second gate electrode, and 3rd gate A step (d) of forming a third gate structure from the edge film and the third gate electrode; and a bit line on the outside of the second gate structure and the outside of the third gate structure with respect to the first gate structure in the semiconductor substrate, respectively. A step (e) of forming a source diffusion layer and a drain diffusion layer, and a memory that covers the first gate structure, the second gate structure, and the third gate structure on the semiconductor substrate and is adjacent to each other The step (f) of forming a buried insulating film embedded between the transistors and etching the upper portion of the formed buried insulating film expose the etching stopper film, the second gate electrode, and the third gate electrode, and A step (g) of leaving a buried insulating film between adjacent memory transistors, and an etching stopper film in the first gate structure The step (h) of exposing the first gate electrode by removing the third gate electrode on the semiconductor substrate so as to be in contact with the exposed first gate electrode, second gate electrode, and third gate electrode. A step (I) of forming a conductive film; and a step (J) of forming a word line electrode from the third conductive film by selectively etching the third conductive film. To do.

第1又は第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法によると、第2の導電膜及び第2の絶縁膜を選択的に且つ異方的にエッチングすることにより、第1ゲート構造体におけるチャネル領域のチャネル長方向の両側面上にそれぞれ、第2の絶縁膜から第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜を形成すると共に第2の導電膜から第2ゲート電極及び第3ゲート電極を形成し、形成した第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極から第2ゲート構造体並びに第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極から第3ゲート構造体を形成する。これにより、第2ゲート構造体と第3ゲート構造体とが第1ゲート構造体により電気的に絶縁されて電荷の移動が防止されるため、データ保持特性が良好となる。その上、電荷トラップ膜(第2の絶縁膜)並びに第2及び第3ゲート電極をサイドウォール法等の、従来の半導体製造プロセスで形成できるため、容易に製造することが可能となる。   According to the manufacturing method of the first or second nonvolatile semiconductor memory device, the channel region in the first gate structure is obtained by selectively and anisotropically etching the second conductive film and the second insulating film. The second gate insulating film and the third gate insulating film are formed from the second insulating film and the second gate electrode and the third gate electrode are formed from the second conductive film on both side surfaces in the channel length direction, respectively. The second gate structure is formed from the formed second gate insulating film and the second gate electrode, and the third gate structure is formed from the third gate insulating film and the third gate electrode. As a result, the second gate structure and the third gate structure are electrically insulated by the first gate structure and the movement of charges is prevented, so that the data retention characteristic is improved. In addition, since the charge trapping film (second insulating film) and the second and third gate electrodes can be formed by a conventional semiconductor manufacturing process such as a sidewall method, it can be easily manufactured.

第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、エッチングストッパ膜は、窒化シリコンを含むことが好ましい。   In the second method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, the etching stopper film preferably contains silicon nitride.

第1又は第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、工程(g)において、ワード線の延伸方向における第2ゲート電極とワード線電極とが接触する長さ及びワード線の延伸方向における第3ゲート電極とワード線電極とが接触する長さが、ワード線の延伸方向における第2ゲート電極及び第3ゲート電極の各下端部における長さの2分の1以上となるようにエッチングすることが好ましい。   In the manufacturing method of the first or second nonvolatile semiconductor memory device, in the step (g), the length in which the second gate electrode and the word line electrode are in contact with each other in the extending direction of the word line and the first extending direction in the extending direction of the word line. Etching so that the length of contact between the 3 gate electrode and the word line electrode is at least half of the length at the lower end of each of the second gate electrode and the third gate electrode in the extending direction of the word line. Is preferred.

第1又は第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、第2の絶縁膜は、半導体基板側から順次形成されたシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を含む積層構造を有していることが好ましい。   In the first or second nonvolatile semiconductor memory device manufacturing method, the second insulating film has a stacked structure including a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film sequentially formed from the semiconductor substrate side. Preferably it is.

第1又は第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、第2の絶縁膜は、シリコンからなる粒子と該粒子が混入されたシリコン酸化膜とを含むことが好ましい。   In the first or second nonvolatile semiconductor memory device manufacturing method, the second insulating film preferably includes particles made of silicon and a silicon oxide film mixed with the particles.

本発明に係る不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法によると、メモリトランジスタを構成する電荷トラップ膜をチャネル領域の両端部に分割して形成するため、電荷トラップ膜に注入された電荷の移動が防止されて、データ保持特性が良好となる。その上、従来の半導体製造プロセスを採用できるため、容易に且つ確実に製造することが可能となる。また、埋め込み拡散層を用いたバーチャルグラウンド型アレイを採用できるため、メモリセルサイズも小さくすることができる。   According to the nonvolatile semiconductor memory device and the method of manufacturing the same according to the present invention, the charge trap film constituting the memory transistor is divided and formed at both ends of the channel region, so that the movement of the charge injected into the charge trap film is prevented. As a result, the data retention characteristics are improved. In addition, since a conventional semiconductor manufacturing process can be employed, manufacturing can be performed easily and reliably. Further, since a virtual ground type array using a buried diffusion layer can be adopted, the memory cell size can be reduced.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の平面構成を示している。図1に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板1の上部には、例えば、複数の拡散層ビット線2が列方向に形成され、半導体基板1の上には、複数のワード線電極3が行方向に形成されている。ここで、ワード線電極3はワード線として機能する。また、各メモリトランジスタ50は、1対の拡散層ビット線2に挟まれたワード線電極3の下方に形成される。   FIG. 1 shows a planar configuration of a nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, for example, a plurality of diffusion layer bit lines 2 are formed in a column direction on a semiconductor substrate 1 made of, for example, silicon, and a plurality of word line electrodes 3 are formed on the semiconductor substrate 1. It is formed in the row direction. Here, the word line electrode 3 functions as a word line. Each memory transistor 50 is formed below the word line electrode 3 sandwiched between a pair of diffusion layer bit lines 2.

図2は図1のII−II線における断面構成を示している。図2に示すように、半導体基板1の上部には、列方向に延伸する複数の拡散層ビット線2が互いに間隔をおいて形成されている。半導体基板1上の拡散層ビット線2同士に挟まれた領域には、メモリトランジスタ50がそれぞれ形成されている。   FIG. 2 shows a cross-sectional configuration taken along line II-II in FIG. As shown in FIG. 2, a plurality of diffusion layer bit lines 2 extending in the column direction are formed on the semiconductor substrate 1 at intervals. Memory transistors 50 are respectively formed in regions sandwiched between the diffusion layer bit lines 2 on the semiconductor substrate 1.

メモリトランジスタ50は、半導体基板1における拡散層ビット線2同士に挟まれた領域上のほぼ中央部に形成された第1ゲート構造体51と、該第1ゲート構造体51の行方向側の両端部に形成された第2のゲート構造体52及び第3ゲート構造体53とにより構成されている。ここで、半導体基板1におけるメモリトランジスタ50の下側の領域、すなわち半導体基板1における拡散層ビット線2同士の間の領域がチャネル領域1aとなる。   The memory transistor 50 includes a first gate structure 51 formed at a substantially central portion on a region sandwiched between the diffusion layer bit lines 2 in the semiconductor substrate 1 and both ends of the first gate structure 51 on the row direction side. The second gate structure 52 and the third gate structure 53 are formed in the part. Here, a region below the memory transistor 50 in the semiconductor substrate 1, that is, a region between the diffusion layer bit lines 2 in the semiconductor substrate 1 is a channel region 1a.

第1ゲート構造体51は、半導体基板1上に形成された電荷トラップ性を有さない、例えば酸化シリコン等からなる中央部ゲート絶縁膜11とその上に形成された、例えば導電性ポリシリコンからなる下部ゲート電極5とにより構成されている。   The first gate structure 51 is made of, for example, conductive polysilicon formed on the central gate insulating film 11 made of, for example, silicon oxide and the like, which has no charge trapping property, formed on the semiconductor substrate 1. And the lower gate electrode 5.

第2ゲート構造体52及び第3ゲート構造体53は、半導体基板1上及び第1ゲート構造体51の各側面上にわたってそれぞれ形成された電荷トラップ性を有する、例えばONO膜である電荷トラップ膜4と該電荷トラップ膜4の上に形成された、例えば導電性ポリシリコンからなる側壁ゲート電極12とにより構成されている。   The second gate structure 52 and the third gate structure 53 are formed on the semiconductor substrate 1 and on each side surface of the first gate structure 51 and have charge trapping properties, for example, the charge trap film 4 which is an ONO film. And a sidewall gate electrode 12 made of, for example, conductive polysilicon, formed on the charge trap film 4.

半導体基板1上のメモリトランジスタ50同士の間には、例えば酸化シリコンからなる埋め込み絶縁膜6が形成されている。下部ゲート電極5と各側壁ゲート電極12との上で且つ平坦化された埋め込み絶縁膜6の上には、例えば導電性ポリシリコンからなり、行方向に延伸するワード線電極3が形成されている。ワード線電極3は、下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12の上部とそれぞれ電気的に接続されている。   A buried insulating film 6 made of, for example, silicon oxide is formed between the memory transistors 50 on the semiconductor substrate 1. A word line electrode 3 made of, for example, conductive polysilicon and extending in the row direction is formed on the lower gate electrode 5 and each sidewall gate electrode 12 and on the planarized buried insulating film 6. . The word line electrode 3 is electrically connected to the upper part of the lower gate electrode 5 and the sidewall gate electrode 12, respectively.

なお、図2において、下部ゲート電極5と側壁ゲート電極12とが対向する側面同士の間には、電荷トラップ膜4が形成されているが、この対向部分には電荷トラップ膜4が必ずしも設けられる必要はなく、シリコン酸化膜であってもよい。さらには、絶縁膜を設けずに、下部ゲート電極5と側壁ゲート電極12とが直接に接触していてもよい。これらの構造は、製造工程により変えることができる。   In FIG. 2, the charge trap film 4 is formed between the side surfaces where the lower gate electrode 5 and the side wall gate electrode 12 are opposed to each other. There is no need, and a silicon oxide film may be used. Furthermore, the lower gate electrode 5 and the sidewall gate electrode 12 may be in direct contact without providing an insulating film. These structures can be changed depending on the manufacturing process.

また、図3(a)、図3(b)及び図3(c)は、それぞれ図1のIIIa−IIIa線、IIIb−IIIb線及びIIIc−IIIc線における断面構成を示している。   FIGS. 3A, 3B, and 3C show cross-sectional structures taken along lines IIIa-IIIa, IIIb-IIIb, and IIIc-IIIc in FIG. 1, respectively.

以下、前記のように構成された不揮発性半導体記憶装置の製造方法について図4(a)〜図4(c)、図5(a)〜図5(c)及び図6を参照しながら説明する。   Hereinafter, a method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device configured as described above will be described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (c), FIGS. 5 (a) to 5 (c), and FIG. .

まず、図4(a)に示すように、シリコンからなる半導体基板1の主面上に、熱酸化法又は化学的気相堆積(CVD)法により、第1の絶縁膜11Aを形成し、続いて、CVD法により、第1の絶縁膜11Aの上に第1の導電膜5Aを堆積する。   First, as shown in FIG. 4A, a first insulating film 11A is formed on a main surface of a semiconductor substrate 1 made of silicon by a thermal oxidation method or a chemical vapor deposition (CVD) method. Then, the first conductive film 5A is deposited on the first insulating film 11A by the CVD method.

次に、図4(b)に示すように、リソグラフィ法により、下部ゲート電極形成用の第1のマスクパターン(図示せず)を形成し、形成した第1のマスクパターンを用いて、エッチングにより、第1の導電膜5Aから下部ゲート電極5を形成し、第1の絶縁膜11Aから中央部ゲート絶縁膜11を形成する。その後、第1のマスクパターンを除去する。   Next, as shown in FIG. 4B, a first mask pattern (not shown) for forming the lower gate electrode is formed by lithography, and etching is performed using the formed first mask pattern. Then, the lower gate electrode 5 is formed from the first conductive film 5A, and the central gate insulating film 11 is formed from the first insulating film 11A. Thereafter, the first mask pattern is removed.

次に、図4(c)に示すように、半導体基板1の上に、第2の絶縁膜4A及び第2の導電膜12Aを、下部ゲート電極5及び中央部ゲート絶縁膜11を覆うように順次堆積する。   Next, as shown in FIG. 4C, the second insulating film 4 </ b> A and the second conductive film 12 </ b> A are covered on the semiconductor substrate 1 so as to cover the lower gate electrode 5 and the central gate insulating film 11. Deposit sequentially.

次に、図5(a)に示すように、堆積した第2の導電膜12Aに対して異方性エッチングを行なって、下部ゲート電極5の両側面上にサイドウォール状の側壁ゲート電極12を形成する。その後、第2の絶縁膜4Aの不要部分を選択的に除去することにより、側壁ゲート電極12と半導体基板1及び下部ゲート電極5との間に電荷トラップ膜4を形成する。続いて、イオン注入法により、下部ゲート電極5、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12をマスクとして、半導体基板1に対して、例えばn型ドーパントをイオン注入することにより、半導体基板の上部に拡散層ビット線2を自己整合的に形成する。   Next, as shown in FIG. 5A, anisotropic etching is performed on the deposited second conductive film 12 </ b> A to form sidewall-shaped sidewall gate electrodes 12 on both side surfaces of the lower gate electrode 5. Form. Thereafter, an unnecessary portion of the second insulating film 4A is selectively removed to form the charge trap film 4 between the sidewall gate electrode 12, the semiconductor substrate 1, and the lower gate electrode 5. Subsequently, for example, an n-type dopant is ion-implanted into the semiconductor substrate 1 by ion implantation using the lower gate electrode 5, the charge trap film 4 and the sidewall gate electrode 12 as a mask, thereby diffusing into the upper portion of the semiconductor substrate. Layer bit line 2 is formed in a self-aligning manner.

次に、図5(b)に示すように、半導体基板1の上に、埋め込み絶縁膜6を下部ゲート電極5、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12を覆うように堆積する。   Next, as shown in FIG. 5B, a buried insulating film 6 is deposited on the semiconductor substrate 1 so as to cover the lower gate electrode 5, the charge trap film 4 and the sidewall gate electrode 12.

次に、図5(c)に示すように、化学機械研磨(CMP)法又はエッチバック法等により、埋め込み絶縁膜6を平坦化して下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12を露出する。このとき、側壁ゲート電極12の上部が所定の幅で露出するように、過剰気味に研磨又はエッチバックを行なう。なお、エッチバックを行なう場合は、過剰気味のエッチバックを連続して行なう代わりに、別工程としてエッチングを行なってもよい。このように、側壁ゲート電極12の上部を十分に露出することにより、次工程で実施する側壁ゲート電極12とワード線電極3との電気的な接触を確実に行なえるため、側壁ゲート電極12とワード線電極3との間の電気的抵抗を低減することができる。   Next, as shown in FIG. 5C, the buried insulating film 6 is planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) method or an etch back method, and the lower gate electrode 5 and the sidewall gate electrode 12 are exposed. At this time, polishing or etchback is performed excessively so that the upper portion of the sidewall gate electrode 12 is exposed with a predetermined width. In the case of performing etch back, etching may be performed as a separate process instead of continuously performing excessive etch back. In this way, by sufficiently exposing the upper portion of the sidewall gate electrode 12, the electrical contact between the sidewall gate electrode 12 and the word line electrode 3 to be performed in the next process can be reliably performed. The electrical resistance between the word line electrode 3 can be reduced.

次に、図6に示すように、埋め込み絶縁膜6の上に、下部ゲート電極5、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12を覆うように第3の導電膜3Aを堆積する。その後、リソグラフィ法により、ワード線電極形成用の第2のマスクパターンを形成し、形成した第2のマスクパターンを用いて、図1に示すように、第3の導電膜3Aからワード線電極3を形成し、さらに下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12を島状にパターニングする。これ以降の配線工程等は省略する。   Next, as shown in FIG. 6, a third conductive film 3 </ b> A is deposited on the buried insulating film 6 so as to cover the lower gate electrode 5, the charge trap film 4 and the sidewall gate electrode 12. Thereafter, a second mask pattern for forming the word line electrode is formed by lithography, and the second mask pattern thus formed is used to form the word line electrode 3 from the third conductive film 3A as shown in FIG. Further, the lower gate electrode 5 and the sidewall gate electrode 12 are patterned in an island shape. Subsequent wiring steps and the like are omitted.

ここで、ワード線電極3、下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12を同時にパターニングする際に、側壁ゲート電極12の上部にある埋め込み絶縁膜6がマスクとなり、列方向の隣接セル同士の間に位置する側壁ゲート電極12がエッチングにより除去されずにショートの原因となるおそれがある。これを防止するには、側壁ゲート電極12の上部の露出幅(図5(c)に示す幅L1)を、少なくとも側壁ゲート電極12の下端部の幅(図5(c)に示す幅L2)の2分の1以上にしておく必要がある。   Here, when the word line electrode 3, the lower gate electrode 5 and the sidewall gate electrode 12 are simultaneously patterned, the buried insulating film 6 on the sidewall gate electrode 12 serves as a mask and is positioned between adjacent cells in the column direction. There is a possibility that the sidewall gate electrode 12 is not removed by etching and may cause a short circuit. In order to prevent this, the exposed width of the upper portion of the sidewall gate electrode 12 (width L1 shown in FIG. 5C) is set to at least the width of the lower end portion of the sidewall gate electrode 12 (width L2 shown in FIG. 5C). It is necessary to keep at least one half of.

例えば、側壁ゲート電極12の下端部の幅(L2)が20nmの場合に、その上部の露出幅(L2)を10nm程度としておくと、等方性エッチング及び洗浄等のウェットエッチングにより、列方向の隣接セル同士の間に位置する側壁ゲート電極12を確実に除去できるため、隣接セル同士の間のショートを回避することができる。   For example, when the width (L2) of the lower end portion of the sidewall gate electrode 12 is 20 nm, if the exposed width (L2) of the upper portion is set to about 10 nm, the column direction can be improved by isotropic etching and wet etching such as cleaning. Since the side wall gate electrode 12 positioned between adjacent cells can be reliably removed, a short circuit between adjacent cells can be avoided.

以上説明したように、第1の実施形態においては、図2に示すように、列方向に延伸し、隣接する拡散層ビット線2をソース及びドレインとし、隣接する拡散層ビット線2の間に形成されるメモリトランジスタ50を、第1ゲート構造体51、その両側に形成された第2ゲート構造体52及び第3ゲート構造体53により構成している。前述したように、第1ゲート構造体51は下部ゲート電極5及び中央部ゲート絶縁膜11からなり、第2ゲート構造体52及び第3ゲート構造体53は、それぞれ側壁ゲート電極12及び電荷トラップ膜4からなる。各メモリトランジスタ50は、行方向に延伸するワード線電極3により、下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12と電気的に接続されることにより、メモリアレイが形成される。   As described above, in the first embodiment, as shown in FIG. 2, extending in the column direction, the adjacent diffusion layer bit lines 2 are used as a source and a drain, and between adjacent diffusion layer bit lines 2. The formed memory transistor 50 includes a first gate structure 51, a second gate structure 52 and a third gate structure 53 formed on both sides thereof. As described above, the first gate structure 51 includes the lower gate electrode 5 and the central gate insulating film 11, and the second gate structure 52 and the third gate structure 53 include the sidewall gate electrode 12 and the charge trap film, respectively. It consists of four. Each memory transistor 50 is electrically connected to the lower gate electrode 5 and the sidewall gate electrode 12 by the word line electrode 3 extending in the row direction, thereby forming a memory array.

このように、第1の実施形態においては、メモリトランジスタのゲート絶縁膜として、その中央部に中央部ゲート絶縁膜11が配置され、該中央部ゲート絶縁膜11の両端部に電荷トラップ膜4が配置される構成を採るため、電荷トラップ膜4にトラップされた電荷が移動しにくく、電荷保持特性に優れる。   As described above, in the first embodiment, as the gate insulating film of the memory transistor, the central gate insulating film 11 is disposed at the central portion, and the charge trap film 4 is formed at both ends of the central gate insulating film 11. Since the arrangement is adopted, the charges trapped in the charge trap film 4 are difficult to move, and the charge retention characteristics are excellent.

その上、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12をサイドウォール法等の、従来の半導体製造プロセスで形成できるため、容易に製造することが可能となる。   In addition, since the charge trap film 4 and the sidewall gate electrode 12 can be formed by a conventional semiconductor manufacturing process such as a sidewall method, it can be easily manufactured.

ここで、中央部ゲート絶縁膜11は、酸化シリコンが好ましく、その膜厚は10nm程度が好適である。また、中央部ゲート絶縁膜11は部分的に窒化されていてもよい。   Here, the central gate insulating film 11 is preferably silicon oxide, and its film thickness is preferably about 10 nm. Further, the central gate insulating film 11 may be partially nitrided.

電荷トラップ膜4は、下から酸化シリコン、窒化シリコン及び酸化シリコンの3層からなり、総膜厚が20nm程度の、いわゆるONO絶縁膜による構成が好適である。また、電荷トラップ膜4は、粒径が1nm程度のシリコンからなる粒子を含み、膜厚が20nm程度のシリコン酸化膜により構成されていてもよい。   The charge trap film 4 is preferably composed of a so-called ONO insulating film having three layers of silicon oxide, silicon nitride and silicon oxide from the bottom and having a total film thickness of about 20 nm. Further, the charge trap film 4 may include a silicon oxide film having a film thickness of about 20 nm, including particles made of silicon having a particle diameter of about 1 nm.

また、下部ゲート電極5、側壁ゲート電極12及びワード線電極3は、キャリア濃度が1×1020cm−3程度の砒素(As)又は燐(P)を含むポリシリコンで構成されることが好適である。さらに、ワード線電極3は、その上部がニッケル(Ni)又はチタン(Ti)等により金属シリサイド化されていることが望ましい。 The lower gate electrode 5, the sidewall gate electrode 12, and the word line electrode 3 are preferably made of polysilicon containing arsenic (As) or phosphorus (P) having a carrier concentration of about 1 × 10 20 cm −3. It is. Furthermore, it is desirable that the upper portion of the word line electrode 3 is metal silicided with nickel (Ni) or titanium (Ti).

埋め込み絶縁膜6は、CVD法により堆積されるシリコン酸化膜で構成されることが好適である。例えば、図2において、下部ゲート電極5は45nm程度のゲート長を有し、側壁ゲート電極12は20nm程度のゲート長を有することが望ましい。また、図3(c)において、下部ゲート電極5及びワード線電極3は、45nm程度のライン幅とスペース幅とを持つ構成が好適である。   The buried insulating film 6 is preferably composed of a silicon oxide film deposited by a CVD method. For example, in FIG. 2, it is desirable that the lower gate electrode 5 has a gate length of about 45 nm and the sidewall gate electrode 12 has a gate length of about 20 nm. In FIG. 3C, the lower gate electrode 5 and the word line electrode 3 preferably have a line width and a space width of about 45 nm.

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
A nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図7は本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の断面構成を示している。第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の平面構成は図1の第1の実施形態と同等であり、図7は図1のII−II線における断面に相当する。ここで、図7において、図2に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 7 shows a cross-sectional configuration of a nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. The planar configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment of FIG. 1, and FIG. 7 corresponds to the cross section taken along the line II-II of FIG. Here, in FIG. 7, the same components as those shown in FIG.

図7に示すように、第2の実施形態と第1の実施形態との相違点は、下部ゲート電極5の高さが、側壁ゲート電極12の高さよりも低く形成されている点である。これは、次に述べる製造方法に起因する。   As shown in FIG. 7, the difference between the second embodiment and the first embodiment is that the height of the lower gate electrode 5 is formed lower than the height of the sidewall gate electrode 12. This is due to the manufacturing method described below.

以下、前記のように構成された不揮発性半導体記憶装置の製造方法について図8(a)〜図8(c)、図9(a)〜図9(c)、図10(a)及び図10(b)を参照しながら説明する。   8A to 8C, FIG. 9A to FIG. 9C, FIG. 10A, and FIG. 10 for the manufacturing method of the nonvolatile semiconductor memory device configured as described above. This will be described with reference to (b).

まず、図8(a)に示すように、シリコンからなる半導体基板1の主面上に、熱酸化法又はCVD法により、酸化シリコンからなる第1の絶縁膜11Aを形成し、続いて、CVD法により、第1の絶縁膜11Aの上に、砒素等がドープされたポリシリコンからなる第1の導電膜5Aと、第3の絶縁膜21Aとを順次堆積する。   First, as shown in FIG. 8A, a first insulating film 11A made of silicon oxide is formed on the main surface of a semiconductor substrate 1 made of silicon by a thermal oxidation method or a CVD method, and then CVD is performed. By the method, a first conductive film 5A made of polysilicon doped with arsenic or the like and a third insulating film 21A are sequentially deposited on the first insulating film 11A.

次に、図8(b)に示すように、リソグラフィ法により、下部ゲート電極形成用の第1のマスクパターン(図示せず)を形成し、形成した第1のマスクパターンを用いて、エッチングにより、第3の絶縁膜21Aからエッチングストッパ膜21を形成し、第1の導電膜5Aから下部ゲート電極5を形成し、第1の絶縁膜11Aから中央部ゲート絶縁膜11を形成する。その後、第1のマスクパターンを除去する。   Next, as shown in FIG. 8B, a first mask pattern (not shown) for forming the lower gate electrode is formed by lithography, and etching is performed using the formed first mask pattern. Then, the etching stopper film 21 is formed from the third insulating film 21A, the lower gate electrode 5 is formed from the first conductive film 5A, and the central gate insulating film 11 is formed from the first insulating film 11A. Thereafter, the first mask pattern is removed.

次に、図8(c)に示すように、半導体基板1の上に、第2の絶縁膜4A及び第2の導電膜12Aをエッチングストッパ膜21、下部ゲート電極5及び中央部ゲート絶縁膜11を覆うように順次堆積する。   Next, as shown in FIG. 8C, the second insulating film 4 </ b> A and the second conductive film 12 </ b> A are formed on the semiconductor substrate 1 by using the etching stopper film 21, the lower gate electrode 5, and the central gate insulating film 11. It deposits so that it may cover.

次に、図9(a)に示すように、堆積した第2の導電膜12Aに対して異方性エッチングを行なって、下部ゲート電極5の両側面上にサイドウォール状の側壁ゲート電極12を形成する。その後、第2の絶縁膜4Aの不要部分を選択的に除去することにより、側壁ゲート電極12と半導体基板1及び下部ゲート電極5との間に電荷トラップ膜4を形成する。続いて、イオン注入法により、エッチングストッパ膜21、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12をマスクとして、半導体基板1に対してイオン注入を行なって、半導体基板の上部に拡散層ビット線2を自己整合的に形成する。   Next, as shown in FIG. 9A, anisotropic etching is performed on the deposited second conductive film 12 </ b> A to form sidewall-shaped sidewall gate electrodes 12 on both side surfaces of the lower gate electrode 5. Form. Thereafter, an unnecessary portion of the second insulating film 4A is selectively removed to form the charge trap film 4 between the sidewall gate electrode 12, the semiconductor substrate 1, and the lower gate electrode 5. Subsequently, ion implantation is performed on the semiconductor substrate 1 using the etching stopper film 21, the charge trap film 4 and the sidewall gate electrode 12 as a mask by ion implantation, and the diffusion layer bit line 2 is formed on the semiconductor substrate. Form consistently.

次に、図9(b)に示すように、半導体基板1の上に、埋め込み絶縁膜6をエッチングストッパ膜21、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12を覆うように堆積する。   Next, as shown in FIG. 9B, a buried insulating film 6 is deposited on the semiconductor substrate 1 so as to cover the etching stopper film 21, the charge trap film 4, and the sidewall gate electrode 12.

次に、図9(c)に示すように、CMP法又はエッチバック法等により、埋め込み絶縁膜6を平坦化してエッチングストッパ膜21及び側壁ゲート電極12を露出する。このとき、側壁ゲート電極12の上部が所定の幅で露出するように、過剰気味に研磨又はエッチバックを行なう。なお、エッチバックを行なう場合は、過剰気味のエッチバックを連続して行なう代わりに、別工程としてエッチングを行なってもよい。   Next, as shown in FIG. 9C, the buried insulating film 6 is flattened by the CMP method or the etch back method, and the etching stopper film 21 and the sidewall gate electrode 12 are exposed. At this time, polishing or etchback is performed excessively so that the upper portion of the sidewall gate electrode 12 is exposed with a predetermined width. In the case of performing etch back, etching may be performed as a separate process instead of continuously performing excessive etch back.

次に、図10(a)に示すように、各下部ゲート電極5の上のエッチングストッパ膜21を選択的に除去する。このように、側壁ゲート電極12の上部を十分に露出することにより、次工程で実施する側壁ゲート電極12とワード線電極3との電気的な接触を確実に行なえるため、側壁ゲート電極12とワード線電極3との間の電気的抵抗を低減することができる。   Next, as shown in FIG. 10A, the etching stopper film 21 on each lower gate electrode 5 is selectively removed. In this way, by sufficiently exposing the upper portion of the sidewall gate electrode 12, the electrical contact between the sidewall gate electrode 12 and the word line electrode 3 to be performed in the next process can be reliably performed. The electrical resistance between the word line electrode 3 can be reduced.

次に、図10(b)に示すように、埋め込み絶縁膜6の上に、露出した下部ゲート電極5、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12を覆うように第3の導電膜3Aを堆積する。その後、リソグラフィ法により、ワード線電極形成用の第2のマスクパターンを形成し、形成した第2のマスクパターンを用いて、図1に示すように、第3の導電膜3Aからワード線電極3を形成し、さらに下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12を島状にパターニングする。これ以降の配線工程等は省略する。   Next, as shown in FIG. 10B, a third conductive film 3A is deposited on the buried insulating film 6 so as to cover the exposed lower gate electrode 5, charge trap film 4, and sidewall gate electrode 12. . Thereafter, a second mask pattern for forming the word line electrode is formed by lithography, and the second mask pattern thus formed is used to form the word line electrode 3 from the third conductive film 3A as shown in FIG. Further, the lower gate electrode 5 and the sidewall gate electrode 12 are patterned in an island shape. Subsequent wiring steps and the like are omitted.

ここで、ワード線電極3、下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12を同時にパターニングする際に、側壁ゲート電極12の上側に残存する埋め込み絶縁膜6がマスクとなって、列方向の隣接セル同士の間に位置する側壁ゲート電極12がエッチングにより除去されず、その結果ショートの原因となるおそれがある。これを防止するには、側壁ゲート電極12の上部の露出幅(図10(a)に示す幅L1)を、少なくとも側壁ゲート電極12の下端部の幅(図10(a)に示す幅L2)の2分の1以上にしておく必要がある。   Here, when the word line electrode 3, the lower gate electrode 5 and the sidewall gate electrode 12 are simultaneously patterned, the buried insulating film 6 remaining above the sidewall gate electrode 12 serves as a mask, and adjacent cells in the column direction are connected to each other. The sidewall gate electrode 12 located between them is not removed by etching, and as a result, there is a possibility of causing a short circuit. To prevent this, the exposed width of the upper portion of the sidewall gate electrode 12 (width L1 shown in FIG. 10A) is set to at least the width of the lower end portion of the sidewall gate electrode 12 (width L2 shown in FIG. 10A). It is necessary to keep at least one half of.

例えば、側壁ゲート電極12の下端部の幅(L2)が20nmの場合に、その上部の露出幅(L2)を10nm程度としておくと、等方性エッチング及び洗浄等のウェットエッチングにより、列方向の隣接セル同士の間に位置する側壁ゲート電極12を確実に除去できるため、隣接セル同士の間のショートを回避することができる。   For example, when the width (L2) of the lower end portion of the sidewall gate electrode 12 is 20 nm, if the exposed width (L2) of the upper portion is set to about 10 nm, the column direction can be improved by isotropic etching and wet etching such as cleaning. Since the side wall gate electrode 12 positioned between adjacent cells can be reliably removed, a short circuit between adjacent cells can be avoided.

以上のように、第2の実施形態においては、エッチングストッパ膜21を各下部ゲート電極5の上に設けることにより、埋め込み絶縁膜6の平坦化をより確実に行なうことができる。   As described above, in the second embodiment, by providing the etching stopper film 21 on each lower gate electrode 5, the buried insulating film 6 can be more reliably planarized.

なお、エッチングストッパ膜21は、膜厚が10nm程度のシリコン酸化膜とその上に形成された膜厚が100nm程度のシリコン窒化膜とから構成されることが望ましい。また、この場合に、図10(a)に示す工程において、エッチングストッパ膜21を選択的に除去するには、まず、熱リン酸を用いる燐酸ボイルウェットエッチ法により、上部のシリコン窒化膜を除去し、続いて、フッ酸をエッチャントとするウェットエッチ法により、下部のシリコン酸化膜を除去することが望ましい。   The etching stopper film 21 is preferably composed of a silicon oxide film having a thickness of about 10 nm and a silicon nitride film having a thickness of about 100 nm formed thereon. In this case, in order to selectively remove the etching stopper film 21 in the step shown in FIG. 10A, first, the upper silicon nitride film is removed by a phosphoric acid boil wet etching method using hot phosphoric acid. Then, it is desirable to remove the lower silicon oxide film by wet etching using hydrofluoric acid as an etchant.

また、図9(c)に示す工程と図10(a)に示す工程との間で、露出した各側壁ゲート電極12の表面に熱酸化等によりシリコン酸化膜を成長させておくと、燐酸ボイルウェットエッチ法でエッチングストッパ膜21の上部のシリコン窒化膜を除去する際に、側壁ゲート電極12がエッチングされないため好ましい。   Further, when a silicon oxide film is grown on the exposed surface of each sidewall gate electrode 12 by thermal oxidation or the like between the step shown in FIG. 9C and the step shown in FIG. It is preferable that the sidewall gate electrode 12 is not etched when the silicon nitride film on the etching stopper film 21 is removed by the wet etching method.

本発明に係る不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法は、電荷保持特性に優れると共に製造プロセスが容易となり、その上微細化に対応できるという効果を有し、電荷トラップ膜を有し、バーチャルグラウンド型アレイを採用可能な不揮発性半導体記憶装置等に有用である。   The nonvolatile semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention have the effect of being excellent in charge retention characteristics, facilitating the manufacturing process, and being able to cope with miniaturization, having a charge trapping film, and having a virtual ground type This is useful for nonvolatile semiconductor memory devices that can employ arrays.

本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を示す平面図である。1 is a plan view showing a nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention. 図1のII−II線における断面図である。It is sectional drawing in the II-II line of FIG. (a)は図1のIIIa−IIIa線における断面図である。(b)は図1のIIIb−IIIb線における断面図である。(c)は図1のIIIc−IIIc線における断面図である。(A) is sectional drawing in the IIIa-IIIa line | wire of FIG. (B) is sectional drawing in the IIIb-IIIb line | wire of FIG. (C) is sectional drawing in the IIIc-IIIc line | wire of FIG. (a)〜(c)は本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程順の断面図である。(A)-(c) is sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)〜(c)は本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程順の断面図である。(A)-(c) is sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す一工程の断面図である。It is sectional drawing of 1 process which shows the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を示し、図1のII−II線に相当する断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a nonvolatile semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention and corresponding to the II-II line of FIG. 1. (a)〜(c)は本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程順の断面図である。(A)-(c) is sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. (a)〜(c)は本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程順の断面図である。(A)-(c) is sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. (a)及び(b)は本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程順の断面図である。(A) And (b) is sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device based on the 2nd Embodiment of this invention. 第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the non-volatile semiconductor memory device concerning a 1st prior art example. (a)は図11のXIIa−XIIa線における断面図である。(b)は図11のXIIb−XIIb線における断面図である。(c)は図11のXIIc−XIIc線における断面図である。(d)は図11のXIId−XIId線における断面図である。(A) is sectional drawing in the XIIa-XIIa line | wire of FIG. (B) is sectional drawing in the XIIb-XIIb line | wire of FIG. (C) is sectional drawing in the XIIc-XIIc line | wire of FIG. (D) is sectional drawing in the XIId-XIId line | wire of FIG. (a)〜(c)は第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程順の断面図である。(A)-(c) is sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device based on a 1st prior art example. (a)又は(b)は第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程順の断面図である。(A) or (b) is sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device concerning a 1st prior art example. 第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置第1の書き込み動作を説明するための模式的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining a first write operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first conventional example. 第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置の第2の書き込み動作を説明するための模式的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining a second write operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first conventional example. 第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置の消去動作を説明するための模式的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining an erasing operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first conventional example. 第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置の読み出し動作を説明するための模式的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining a read operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first conventional example. 第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置における電荷移動を説明するための模式的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining charge transfer in the nonvolatile semiconductor memory device according to the first conventional example. 第2の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the non-volatile semiconductor memory device concerning a 2nd prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
1a チャネル領域
2 拡散層ビット線
3 ワード線電極
3A 第3の導電膜
4 電荷トラップ膜
4A 第2の絶縁膜
5 下部ゲート電極
5A 第1の導電膜
6 埋め込み絶縁膜
11 中央部ゲート絶縁膜
11A 第1の絶縁膜
12 側壁ゲート電極
12A 第2の導電膜
21 エッチングストッパ膜
21A 第3の絶縁膜
50 メモリトランジスタ
51 第1ゲート構造体
52 第2ゲート構造体
53 第3ゲート構造体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 1a Channel region 2 Diffusion layer Bit line 3 Word line electrode 3A Third conductive film 4 Charge trap film 4A Second insulating film 5 Lower gate electrode 5A First conductive film 6 Buried insulating film 11 Central gate insulation Film 11A first insulating film 12 sidewall gate electrode 12A second conductive film 21 etching stopper film 21A third insulating film 50 memory transistor 51 first gate structure 52 second gate structure 53 third gate structure

Claims (12)

それぞれが半導体基板に行列状に配置され、ゲート電極、ソース拡散層、ドレイン拡散層及び前記半導体基板における前記ゲート電極の下側に形成されるチャネル領域を有する複数のメモリトランジスタと、
前記複数のメモリトランジスタのうち、行方向に並ぶメモリトランジスタの前記ゲート電極を共通に接続して延びる複数のワード線と、
前記複数のメモリトランジスタのうち、列方向に並ぶメモリトランジスタの前記ソース拡散層又は前記ドレイン拡散層を共通に接続して延びるビット線とを備え、
前記各メモリトランジスタは、
前記半導体基板における前記チャネル領域の中央部の上に順次積層されて形成された第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極からなる第1ゲート構造体と、
前記半導体基板における前記チャネル領域の一端部の上に順次積層されて形成された第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極からなる第2ゲート構造体と、
前記半導体基板における前記チャネル領域の他端部の上に順次積層されて形成された第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極からなる第3ゲート構造体とを有し、
前記ワード線は、前記第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極と共通に接続されてワード線電極を構成し、
前記第1ゲート絶縁膜は、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜からなり、
前記第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜は、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of memory transistors, each of which is arranged in a matrix on a semiconductor substrate, and has a gate electrode, a source diffusion layer, a drain diffusion layer, and a channel region formed below the gate electrode in the semiconductor substrate;
Among the plurality of memory transistors, a plurality of word lines extending by commonly connecting the gate electrodes of the memory transistors arranged in a row direction;
A bit line extending commonly connected to the source diffusion layer or the drain diffusion layer of the memory transistors arranged in a column direction among the plurality of memory transistors;
Each of the memory transistors is
A first gate structure including a first gate insulating film and a first gate electrode, which are sequentially stacked on a central portion of the channel region in the semiconductor substrate;
A second gate structure including a second gate insulating film and a second gate electrode, which are sequentially stacked on one end of the channel region in the semiconductor substrate;
A third gate structure including a third gate insulating film and a third gate electrode, which are sequentially stacked on the other end of the channel region in the semiconductor substrate;
The word line is commonly connected to the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode to form a word line electrode,
The first gate insulating film is a first insulating film having no charge trapping property,
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the second gate insulating film and the third gate insulating film include a second insulating film having a charge trapping property.
前記第2ゲート構造体における前記第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極は、前記チャネル領域の一端部の上で且つ前記第1ゲート構造体の一の側面上に積層されて形成されており、
前記第3ゲート構造体における前記第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極は、前記チャネル領域の他端部の上で且つ前記第1ゲート構造体の他の側面上に積層されて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
The second gate insulating film and the second gate electrode in the second gate structure are formed by being laminated on one end of the channel region and on one side surface of the first gate structure,
The third gate insulating film and the third gate electrode in the third gate structure are formed by being stacked on the other end of the channel region and on the other side surface of the first gate structure. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
前記ワード線の延伸方向における前記第2ゲート電極と前記ワード線電極とが接触する長さ及び前記ワード線の延伸方向における前記第3ゲート電極と前記ワード線電極とが接触する長さは、前記ワード線の延伸方向における前記第2ゲート電極及び第3ゲート電極の各下端部における長さの2分の1以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装置。   The length of contact between the second gate electrode and the word line electrode in the extending direction of the word line and the length of contact between the third gate electrode and the word line electrode in the extending direction of the word line are 3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the nonvolatile semiconductor memory device has a length equal to or more than one half of a length of each lower end portion of the second gate electrode and the third gate electrode in a word line extending direction. 前記第2の絶縁膜は、前記半導体基板側から順次形成されたシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を含む積層構造を有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。   The second insulating film has a stacked structure including a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film sequentially formed from the semiconductor substrate side. 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to item 1. 前記第2の絶縁膜は、シリコンからなる粒子と該粒子が混入されたシリコン酸化膜とを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。   4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the second insulating film includes particles made of silicon and a silicon oxide film mixed with the particles. 5. 前記ソース拡散層及びドレイン拡散層のうちの一方は、前記半導体基板における前記第2ゲート構造体の前記第1ゲート構造体と反対側の領域に形成され、
前記ソース拡散層及びドレイン拡散層のうちの他方は、前記半導体基板における前記第3ゲート構造体の前記第1ゲート構造体と反対側の領域に形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
One of the source diffusion layer and the drain diffusion layer is formed in a region of the semiconductor substrate opposite to the first gate structure of the second gate structure,
The other of the source diffusion layer and the drain diffusion layer is formed in a region of the semiconductor substrate opposite to the first gate structure of the third gate structure. 6. The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of 5 above.
半導体基板の上に行列状に配置された複数のメモリトランジスタと、該複数のメモリトランジスタのうち、行方向に並ぶメモリトランジスタのゲート電極同士を共通に接続して延びる複数のワード線と、列方向に並ぶメモリトランジスタのソース拡散層又はドレイン拡散層を共通に接続して延びる複数のビット線とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、
前記半導体基板の上に、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜、及び第1の導電膜を順次形成する工程(a)と、
前記第1の導電膜及び第1の絶縁膜を選択的にエッチングすることにより、前記各メモリトランジスタのチャネル領域の中央部の上に前記第1の絶縁膜から第1ゲート絶縁膜を形成すると共に前記第1の導電膜から第1ゲート電極を形成し、形成した前記第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極から第1ゲート構造体を形成する工程(b)と、
前記半導体基板の上に前記第1ゲート構造体の上面及び側面を覆うように、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜、及び第2の導電膜を順次形成する工程(c)と、
前記第2の導電膜及び第2の絶縁膜を選択的に且つ異方的にエッチングすることにより、前記第1ゲート構造体における前記チャネル領域のチャネル長方向の両側面上にそれぞれ、前記第2の絶縁膜から第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜を形成すると共に前記第2の導電膜から第2ゲート電極及び第3ゲート電極を形成し、形成した前記第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極から第2ゲート構造体並びに前記第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極から第3ゲート構造体を形成する工程(d)と、
前記半導体基板における前記第1ゲート構造体に対する前記第2ゲート構造体の外側及び前記第3ゲート構造体の外側にそれぞれビット線となるソース拡散層及びドレイン拡散層を形成する工程(e)と、
前記半導体基板の上に前記第1ゲート構造体、第2ゲート構造体及び第3ゲート構造体の上を覆うと共に、互いに隣接する前記メモリトランジスタ同士の間を埋め込む埋め込み絶縁膜を形成する工程(f)と、
形成した前記埋め込み絶縁膜の上部をエッチングすることにより、前記第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極を露出すると共に、互いに隣接する前記メモリトランジスタ同士の間に前記埋め込み絶縁膜を残存させる工程(g)と、
露出した前記第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極の上部と接触するように、前記半導体基板の上に第3の導電膜を形成する工程(h)と、
前記第3の導電膜を選択的にエッチングすることにより、前記第3の導電膜からワード線電極を形成する工程(I)とを備えていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
A plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor substrate, a plurality of word lines extending by connecting gate electrodes of memory transistors arranged in a row direction among the plurality of memory transistors, and a column direction A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device comprising a plurality of bit lines extending commonly connected to source diffusion layers or drain diffusion layers of memory transistors arranged in a row,
(A) sequentially forming a first insulating film having no charge trapping property and a first conductive film on the semiconductor substrate;
By selectively etching the first conductive film and the first insulating film, a first gate insulating film is formed from the first insulating film on a central portion of the channel region of each memory transistor. Forming a first gate electrode from the first conductive film, and forming a first gate structure from the formed first gate insulating film and first gate electrode;
A step (c) of sequentially forming a second insulating film having a charge trapping property and a second conductive film on the semiconductor substrate so as to cover an upper surface and a side surface of the first gate structure;
By selectively and anisotropically etching the second conductive film and the second insulating film, the second conductive film and the second insulating film are respectively formed on both side surfaces in the channel length direction of the channel region in the first gate structure. A second gate insulating film and a third gate insulating film are formed from the second insulating film, and a second gate electrode and a third gate electrode are formed from the second conductive film. Forming a second gate structure from the gate electrode and a third gate structure from the third gate insulating film and the third gate electrode;
Forming a source diffusion layer and a drain diffusion layer to be bit lines on the outside of the second gate structure and the third gate structure with respect to the first gate structure in the semiconductor substrate, respectively (e);
Forming a buried insulating film on the semiconductor substrate so as to cover the first gate structure, the second gate structure, and the third gate structure, and fill the space between the adjacent memory transistors (f); )When,
The upper part of the formed buried insulating film is etched to expose the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode, and the buried insulating film remains between the memory transistors adjacent to each other. A step (g) of
Forming a third conductive film on the semiconductor substrate so as to be in contact with the exposed upper portions of the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode;
And (I) forming a word line electrode from the third conductive film by selectively etching the third conductive film. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device .
半導体基板の上に行列状に配置された複数のメモリトランジスタと、該複数のメモリトランジスタのうち、行方向に並ぶメモリトランジスタのゲート電極同士を共通に接続して延びる複数のワード線と、列方向に並ぶメモリトランジスタのソース拡散層又はドレイン拡散層を共通に接続して延びる複数のビット線とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、
前記半導体基板の上に、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜、第1の導電膜及びエッチングストッパ膜を順次形成する工程(a)と、
前記エッチングストッパ膜、第1の導電膜及び第1の絶縁膜を選択的にエッチングすることにより、前記各メモリトランジスタのチャネル領域の中央部の上に前記第1の絶縁膜から第1ゲート絶縁膜を形成すると共に前記第1の導電膜から第1ゲート電極を形成し、形成した前記エッチングストッパ膜、前記第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極から第1ゲート構造体を形成する工程(b)と、
前記半導体基板の上に前記第1ゲート構造体の上面及び側面を覆うように、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜、及び第2の導電膜を順次形成する工程(c)と、
前記第2の導電膜及び第2の絶縁膜を選択的に且つ異方的にエッチングすることにより、前記第1ゲート構造体における前記チャネル領域のチャネル長方向の両側面上にそれぞれ、前記第2の絶縁膜から第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜を形成すると共に前記第2の導電膜から第2ゲート電極及び第3ゲート電極を形成し、形成した前記第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極から第2ゲート構造体並びに前記第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極から第3ゲート構造体を形成する工程(d)と、
前記半導体基板における前記第1ゲート構造体に対する前記第2ゲート構造体の外側及び前記第3ゲート構造体の外側にそれぞれビット線となるソース拡散層及びドレイン拡散層を形成する工程(e)と、
前記半導体基板の上に前記第1ゲート構造体、第2ゲート構造体及び第3ゲート構造体の上を覆うと共に、互いに隣接する前記メモリトランジスタ同士の間を埋め込む埋め込み絶縁膜を形成する工程(f)と、
形成した前記埋め込み絶縁膜の上部をエッチングすることにより、前記エッチングストッパ膜、第2ゲート電極及び第3ゲート電極を露出すると共に、互いに隣接する前記メモリトランジスタ同士の間に前記埋め込み絶縁膜を残存させる工程(g)と、
前記第1ゲート構造体における前記エッチングストッパ膜を除去することにより、前記第1ゲート電極を露出する工程(h)と、
露出した前記第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極の上部と接触するように、前記半導体基板の上に第3の導電膜を形成する工程(I)と、
前記第3の導電膜を選択的にエッチングすることにより、前記第3の導電膜からワード線電極を形成する工程(J)とを備えていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
A plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor substrate, a plurality of word lines extending by connecting gate electrodes of memory transistors arranged in a row direction among the plurality of memory transistors, and a column direction A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device comprising a plurality of bit lines extending commonly connected to source diffusion layers or drain diffusion layers of memory transistors arranged in a row,
(A) sequentially forming a first insulating film having no charge trapping property, a first conductive film, and an etching stopper film on the semiconductor substrate;
By selectively etching the etching stopper film, the first conductive film, and the first insulating film, the first gate insulating film is formed from the first insulating film on the center portion of the channel region of each memory transistor. Forming a first gate electrode from the first conductive film, and forming a first gate structure from the formed etching stopper film, the first gate insulating film, and the first gate electrode (b) When,
A step (c) of sequentially forming a second insulating film having a charge trapping property and a second conductive film on the semiconductor substrate so as to cover an upper surface and a side surface of the first gate structure;
By selectively and anisotropically etching the second conductive film and the second insulating film, the second conductive film and the second insulating film are respectively formed on both side surfaces in the channel length direction of the channel region in the first gate structure. A second gate insulating film and a third gate insulating film are formed from the second insulating film, and a second gate electrode and a third gate electrode are formed from the second conductive film. Forming a second gate structure from the gate electrode and a third gate structure from the third gate insulating film and the third gate electrode;
Forming a source diffusion layer and a drain diffusion layer to be bit lines on the outside of the second gate structure and the third gate structure with respect to the first gate structure in the semiconductor substrate, respectively (e);
Forming a buried insulating film on the semiconductor substrate so as to cover the first gate structure, the second gate structure, and the third gate structure, and fill the space between the adjacent memory transistors (f); )When,
The upper portion of the formed buried insulating film is etched to expose the etching stopper film, the second gate electrode, and the third gate electrode, and leave the buried insulating film between the memory transistors adjacent to each other. Step (g);
(H) exposing the first gate electrode by removing the etching stopper film in the first gate structure;
Forming a third conductive film on the semiconductor substrate so as to be in contact with the exposed upper portions of the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode;
And a step (J) of forming a word line electrode from the third conductive film by selectively etching the third conductive film. .
前記エッチングストッパ膜は、窒化シリコンを含むことを特徴とする請求項8に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。   9. The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 8, wherein the etching stopper film contains silicon nitride. 前記工程(g)において、前記ワード線の延伸方向における前記第2ゲート電極と前記ワード線電極とが接触する長さ及び前記ワード線の延伸方向における前記第3ゲート電極と前記ワード線電極とが接触する長さが、前記ワード線の延伸方向における前記第2ゲート電極及び第3ゲート電極の各下端部における長さの2分の1以上となるようにエッチングすることを特徴とする請求項7又は8に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。   In the step (g), the length of contact between the second gate electrode and the word line electrode in the extending direction of the word line and the third gate electrode and the word line electrode in the extending direction of the word line are 8. The etching is performed so that a contact length becomes one half or more of a length at each lower end portion of the second gate electrode and the third gate electrode in the extending direction of the word line. Or a method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to 8. 前記第2の絶縁膜は、前記半導体基板側から順次形成されたシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を含む積層構造を有していることを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。   The said 2nd insulating film has a laminated structure containing the silicon oxide film, silicon nitride film, and silicon oxide film which were sequentially formed from the said semiconductor substrate side. 2. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to item 1. 前記第2の絶縁膜は、シリコンからなる粒子と該粒子が混入されたシリコン酸化膜とを含むことを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。   11. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 7, wherein the second insulating film includes particles made of silicon and a silicon oxide film mixed with the particles. Method.
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