[发明专利]非易失性半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件及其制造技术，特别是涉及可有效适用于具有将氮化膜作为电荷存储层的MONOS(Metal Oxide Nitride OxideSemiconductor：金属氧化物氮化物氧化物半导体)存储单元或NROM存储单元的半导体器件的技术。

背景技术

通过将非易失性存储单元与逻辑用半导体器件混装在相同的硅衬底上，可实现高性能的半导体器件。这些作为内置式微型计算机而广泛应用于工业用机械、家电用品、汽车搭载装置等。通常，该微型计算机所需的程序被存储在混装后的非易失性存储器内，随时读出并使用。

在当前正处于实用化阶段的非易失性存储单元中，使用通过电荷的蓄积使阈值电压改变的存储用场效应型晶体管。在存储用场效应型晶体管的电荷保持方式中，有将电荷存储在电隔离的导电体内的浮置栅方式(例如参照专利文献1)和将电荷存储在像氮化硅膜那样的具有蓄积电荷的特性的绝缘体内的MONOS方式(例如参照专利文献2)。

浮置栅方式，广泛地应用于电荷保持特性良好、面向便携式电话机的程序存储用闪速存储器或数据存储用大容量闪速存储器等。但是，随着小型化而很难确保浮置栅的电位控制所需的电容耦合比，并使存储单元结构复杂化。另外，为了抑制保持电荷的漏泄需要使包围浮置栅的氧化膜的厚度为8nm以上，这已接近以高速化、高度集成化为目的小型化的极限。由于将电荷存储在导电体内，当浮置栅周围的氧化膜上即使在1个部位上存在成为漏泄通路的缺陷时，也会使电荷保持寿命急剧降低。

另一方面，对于MONOS方式，一般而言，电荷保持特性比浮置栅方式差，并存在阈值电压以时间对数不断降低的趋势。因此，尽管是很久以前就已众所周知的方式但也只停留在一部分产品被实用化。但是，由于是将电荷存储在绝缘体内的离散的存储方式，即使存在着几个漏泄通路也不会使保持电荷全部失去，具有能够耐受包围绝缘膜的氧化膜缺陷的优点。因此，由于即使是8nm以下的薄氧化膜也可以适用因而适合小型化、以低概率发生的缺陷不会使电荷保持寿命急剧地减低因而易于进行可靠性预测、存储单元的结构简单因而很容易与逻辑电路部混装等，近年来，随着小型化的进展这种方式再次受到关注。

在MONOS方式的存储单元中作为最简单的结构有NROM结构(例如参照专利文献3、专利文献4)。其结构为将场效应型晶体管的栅极绝缘膜置换为氧化膜/氮化膜/氧化膜的ONO膜结构，对写入采用CHE(Channal Hot Electron：沟道热电子)方式，对擦除采用基于带间隧道的BTBT(Band-To-Band Tunneling：带间隧道效应)方式。由于形成工艺简单，所以适于小型化或与逻辑电路部的混装。

作为另外一种适用于与逻辑电路部混装的存储单元，可以列举出由选择用场效应型晶体管和存储用场效应型晶体管构成的分裂栅(split gate)型存储单元。由于在这种存储单元中可采用注入效率良好的SSI(Source Side Injection：源极侧注入)方式因而能实现写入的高速化和电源部面积的减小、能用元件面积小的低压系列的晶体管构成选择该存储单元的晶体管和与其连接的晶体管因而能够减小周边电路的面积，因此适于混装用途。

特别是，作为适于小型化的分裂栅型存储单元，有利用自对准而在侧壁形成其中一个场效应型晶体管的结构的存储单元(例如参照专利文献1)。在这种情况下，由于不需要光刻法的位置对准余量、由自对准形成的场效应型晶体管的栅极长度可以在光刻法的最小析像尺寸以下，与分别由光掩模形成选择用场效应型晶体管和存储用场效应型晶体管的以往的存储单元相比，能够实现更小型的存储单元。

专利文献1：特开平5-121700号公报

专利文献2：特开平5-48113号公报

专利文献3：USP5768192号

专利文献4：特开2004-186452号公报

发明内容

本发明人为了实现分裂栅型存储单元的重写(写入/擦除)耐受性的提高和数据保持特性的提高等而研究了存储单元的结构。但是，关于分裂栅型存储单元的重写耐受性，存在以下说明的各种技术课题。

当在写入状态下使分裂栅型存储单元进行了高温保持时，存在存储单元的阈值电压随保持时间的推移而逐渐减低这样的问题。