[发明专利]非易失性半导体存储器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及非易失性半导体存储器件，尤其涉及对MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)型存储单元的高可靠度、高速动作有效的技术。

背景技术

作为集成于LSI中的集成半导体存储器之一有非易失性存储器。这种元件即使切断LSI的电源也能保留存储信息，其广泛用于各种应用当中，因此成为极为重要的元件。在非易失性存储器中能够利用各种方法存储信息，利用电子、空穴的电荷积蓄量来存储信息的方式的非易失性存储器，众所周知有在导电材料中积蓄电荷的所谓浮置栅极型、和在绝缘材料中积蓄电荷的所谓MONOS型。MONOS型存储单元除了栅极绝缘膜的结构以外为公知的MOS晶体管结构，因此一般公认能够与CMOS LSI工艺兼容性良好地形成存储器。

并且，作为使用了MONOS结构的存储单元的用途，已知用于例如结构为将NAND型闪存单元的浮置栅极替换为MONOS结构的大容量数据存储(专利文献1)，另外还已知用于结构为与由MONOS结构构成的存储栅极相邻而配置有选择栅极的可高速写入或删除的混装微机(专利文献2)。前者结构的各存储单元由1个晶体管构成，因此能够减小存储单元面积，后者结构利用与存储栅极相邻的选择栅极能使用高能电子或空穴那样的电荷，因此能够实现写入或删除的高速动作。本发明尤其涉及上述混装微机用的存储单元的高可靠度和高速动作。

作为混装微机用的存储单元的写入、删除动作，已知通过注入具有不同符号的电荷代替注入、放出相同符号的电荷，来进行存储信息的改写(专利文献2)。

图1示出专利文献2记载的存储单元的等效电路，图2和图3示出元件剖视结构。图2是存储单元的源极、漏极方向的剖视图，图3是图2的A-A’方向的剖视图，是存储栅极的延伸方向的剖视图。首先，对图2进行说明。在图2中，存储栅极00002的栅极绝缘膜的一部分为电荷积蓄膜00004，例如为氮化硅膜。在电荷积蓄膜的上层和下层配置有绝缘膜，例如使用氧化硅膜。这样，成为由氧化硅膜夹着氮化硅膜的所谓MONOS结构。接着，对图3进行说明。在图3的剖视图中，元件分离绝缘膜00006形成在半导体衬底00005上，防止相邻的存储单元之间的电流干扰，将元件彼此分离。并且，存在元件分离绝缘膜的区域成为元件分离区域。另外，元件分离绝缘膜之间成为元件形成区域。即不存在元件分离绝缘膜的区域成为元件形成区域。并且，从图3可知，在现有结构的存储单元中，具有在元件分离区域的元件分离绝缘膜上也存在作为电荷积蓄膜的氮化硅膜的结构。  接着，对存储单元的动作进行说明。作为该存储单元的基本动作，能想到(1)写入、(2)删除、(3)保持、(4)读出这四种状态。但是，这四种状态的叫法作为代表使用，对于写入和删除也可以取为相反的叫法。另外，动作操作也使用代表性的情况进行说明，但也可以考虑各种不同的操作法。这里，为了说明而对以n-MOS类型形成的存储单元进行描述，但用p-MOS类型在原理上也能够同样地形成。

(1)对写入时进行说明。写入时，对存储栅极侧扩散层00003提供正电位，对选择栅极侧扩散层00003提供与半导体衬底相同的接地电位。通过对存储栅极施加较高的栅极过驱动(overdrive)电压，使存储栅极下的沟道成为导通状态。此处，通过将选择栅极00001的电位取为比阈值高例如0.1～0.2V的值，成为导通状态。此时，在2个栅极的边界附近产生最强的电场，因此产生很多热电子，向存储栅极侧注入。这种现象已知源侧热电子注入(Source Side Injection：SSI)。作为这种写入方式中的热电子注入的优点在于，电场集中在选择栅极和存储栅极边界附近，因此在存储栅极的选择栅极侧端部集中地进行注入。另外，如浮置栅极型那样，电荷积蓄膜不是导电膜而是绝缘膜，所以被注入的电子不会在绝缘膜中自由移动，因此电子被保持在极狭小的区域内。

(2)对删除时进行说明。删除时，通过对存储栅极提供负电位、对存储栅极侧扩散层提供正电位，在扩散层端部的存储栅极和扩散层重叠的区域发生强反转，由此能够引起带间隧穿(Band to BandTunneling：BTBT)现象，生成空穴。在该存储单元中，产生的空穴被向沟道方向加速，被存储栅极的偏压吸引而被注入到ONO膜中，从而进行删除动作。即能够利用被注入的空穴的电荷降低因电子的电荷而上升的存储栅极的阈值。

(3)对保持时进行说明。电荷保持时，电荷作为被注入到作为绝缘膜的ONO膜中的载流子被保持。因为绝缘膜中的载流子移动极少并且慢，因此即使不对电极施加电压，也能良好地进行保持。