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Die vorliegende Erfindung betrifft eine nichtflüchtige
Halbleiterspeichereinrichtung und insbesondere einen EEPROM-
Speicher, mit dem sich elektrische Daten speichern lassen.
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Üblicherweise ist eine EEPROM-Speicher als eine
nichtflüchtige Halbleiterspeichereinrichtung bekannt, mit der
sich elektrische Daten löschen/schreiben lassen.
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Ein Merkmal des EEPROM-Speichers besteht in dem folgenden
Punkt. Der EEPROM-Speicher enthält einen Tunnelbereich zum
elektrischen Entfernen von Ladungen, die Speicherinformation
darstellen, und in einem floatenden Gate gespeichert sind.
Bei den neuesten EEPROM-Speicher wird eine Einfachschicht als
Siliziumoxidfilm mit einer geringen Dicke bei dein
Tunnelbereich gebildet. Ladungen, d.h. Elektronen,
durchtunneln die dünne Einfachschicht aus einem
Siliziumoxidfilm und werden in einen Bereich mit hohem
Potential übertragen. Beispielsweise tunneln dann, wenn eine
hohe Spannung an einem Drainbereich anliegt, in einer
Gateelektrode gespeicherte Elektronen durch die
Einfachschicht aus einem Siliziumoxidfilm und werden zu dem
Drainbereich übertragen.
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Der wichtigste Zuverlässigkeitsfaktor bei dem EEPROM-Speicher
ist die Beständigkeitseigenschaft des Tunnelisolierfilms
(Wiederholeigenschaft zum Löschen/Schreiben von Daten, die
dem wiederholten Betrieb zum Injizieren von Elektronen in ein
floatendes Gate und zum Entfernen der Elektronen aus dem
floatenden Gate entspricht).
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Die Beständigkeitseigenschaft hängt von der Qualität des
Tunnelisolierfilms ab. Wie oben beschrieben, wird eine
Einfachschicht aus einem Siliziumoxidfilm als
Tunnelisolierfilm eingesetzt. Momentan liegt die Grenze für
die Beständigkeitseigenschaft bei einer Zahl von
Wiederholungen von 10&sup4; bis 10&sup5; bei 64 Kbit EEPROM-Speichern.
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Eine aus EP-0086372 A2 bekannte Halbleitereinrichtung mit
Tunnelgate enthält Source- und Draingebiete, die in einem
Substrat gebildet sind, ein in einem ersten Gateisolierfilm
gebildetes floatendes Gate, und ein über dem floatenden Gate
durch einen zweiten Gateisolierfilm gebildetes Steuergate.
Eine Öffnung, die einen Tunnelbereich bestimmt, ist in dem
ersten Gateisolierfilm angeordnet. In dem Tunnelgebiet wird
das floatende Gate von dem Substrat durch eine
Tunnelisolierschicht getrennt, die eine Siliziumoxidschicht
mit einer Dicke von ungefähr 100 Å (10 Nanometer) oder eine
Siliziumnitridschicht enthält.
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Eine Halbleitereinrichtung, beispielsweise ein EEPROM-
Speicher, der in JP-A-61147576 beschrieben ist, enthält
Source- und Drainbereiche, die in einem Substrat gebildet
sind, ein in einem ersten Gateisolierfilm gebildetes
floatendes Gate und ein über dem floatenden Gate durch einen
zweiten Gateisolierfilm gebildetes Steuergate. Der erste
Gateisolierfilm enthält einen Tunnelbereich, der aus drei
Lagen besteht, und zwar einem Siliziumoxidfilm, einem
Siliziumnitridfilm und einem dünnen Siliziumoxidfilm. Die
Dicke des ersten Siliziumoxidfilms in dem Tunnelbereich
beträgt ungefähr 60 Å (6 Nanometer), die Dicke des
Siliziumnitridfilms beträgt ungefähr 80 Å (8 Nanometer), und
der dünne Siliziumoxidfilm weist eine Dicke auf, die
niedriger als 20 Å (2 Nanometer) ist.
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Eine andere aus JP-A-5 966 171 bekannte Halbleitereinrichtung
enthält Source- und Drainbereiche, die in einem Substrat
gebildet sind, ein über einem ersten Gateisolierfilm
gebildetes floatendes Gate, ein über dem floatenden Gate
durch einen zweiten Gateisolierfilm gebildetes Steuergate.
Der erste Gateisolierfilm ist mit einem Tunnelgebiet
ausgebildet, das aus einem Siliziumoxidfilm mit einer Dicke
von ungefähr 15 Å (1,5 Nanometer) und einem
Siliziumnitridfilm mit einer Dicke von ungefähr 60 Å (6
Nanometer) besteht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der
Schaffung einer nichtflüchtigen Halbleiterspeichereinrichtung
mit einern Tunnelisolierfilm mit einer verbesserten
Beständigkeitseigenschaft.
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Diese Aufgabe wird durch eine nichtflüchtige
Halbleiterspeichereinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die neuen und unterscheidenden Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden in den nachfolgenden Patentansprüchen der
vorliegenden Patentanmeldung betont. Jedoch läßt sich die
Erfindung selbst zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen
am besten anhand der folgenden Beschreibung unter Bezug auf
die beiliegende Zeichnung verstehen; es zeigen:
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Fig. 1 eine Draufsicht zum Darstellen einer Speicherzelle
einer nichtflüchtigen Halbleiterspeichereinrichtung
gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht zum Darstellen der
Speicherzelle entlang einer in Fig. 1 gezeigten
Linie A-A';
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht zum Darstellen der
Speicherzelle entlang der in Fig. 1 gezeigten Linie
Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht zum Darstellen
der Speicherzelle gemäß dem in Fig. 2 gezeigten
Kreis C;
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Fig. 5A bis 5C Querschnittsansichten zum Darstellen eines
Verfahrens zum Darstellen einer Speicherzelle der
nichtflüchtigen Halbleiterspeichereinrichtung gemäß
der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 6 eine Querschnittsansicht zum Darstellen eines Teils
einer Speicherzelle einer nichtflüchtigen
Halbleiterspeichereinrichtung gemäß der zweiten
Ausführungsformn der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 7 eine Querschnittsansicht zum Darstellen eines Teils
einer Speicherzelle einer nichtflüchtigen
Halbleiterspeichereinrichtung gemäß einer dritten
Ausfühungsforin der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 8 eine Draufsicht zum Darstellen eines Teils einer
Speicherzelle einer nichtflüchtigen
Halbleiterspeichereinrichtung gemäß der vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 9 eine Querschnittsansicht zum Darstellen der
Speicherzelle entlang der in Fig. 9 gezeigten Linie
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Fig. 10 eine Querschnittsansicht zum Darstellen der
Speicherzelle entlang der in Fig. 9 gezeigten Linie
E-E';
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Fig. 11 eine Querschnittsansicht zum Darstellen eines Teils
einer Speicherzelle einer nichtflüchtigen
Halbleiterspeichereinrichtung gemäß der fünften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 12A bis 12E Querschnittsansichten zum Darstellen eines
Verfahrens zum Herstellen der Speicherzelle der
nichtflüchtigen Halbleiterspeichereinrichtung gemäß
der fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Halbleitereinrichtungen gemäß den Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezug auf die
beiliegende Zeichnung beschrieben.
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Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht, die insbesondere eine
Speicherzelle einer nichtflüchtigen
Halbleiterspeichereinrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die Fig. 2
zeigt eine Querschnittsansicht zum Darstellen der
Speicherzelle entlang der in Fig. 1 gezeigten Linie A-A', und
die Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht zum Darstellen der
Speicherzelle entlang der in Fig. 1 gezeigten Linie B-B' . Die
Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht zum Darstellen der
Speicherzelle in einem in Fig. 2 gezeigten Kreis C.
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Wie in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt ist, wird ein
Isolierungsgebiet 2 in einem Halbleitersubstrat 1 zum
Durchführen einer Elementisolierung durchgeführt.
Diffundierte Source/Draingebiete 3 (3&sub1;, 3&sub2;) von im Vergleich
zum Substrat entgegengesetztern Leitungstyp werden in einem
Elementgebiet ausgebildet, das durch die Elementisolierung
entsteht. Ein erster Gateisolierfilm 4 wird auf dem Substrat
zwischen den diffundierten Schichten gebildet. Ein Teil des
ersten Gateisolierfilms erstreckt sich zu dem Source- oder
Draingebiet 3&sub1;, und ein Tunnelgebiet 5 wird in dem ersten
Gateisolierfilm gebildet. Das Tunnelgebiet 5 ist ein
Tunnelisolierfilm, durch den Ladungen zwischen einem
floatenden Gate 6 und dem diffundierten Gebiet 3&sub1; übertragen
werden. Ein Steuergate 8 wird auf dem floatenden Gate 6 durch
einen zweiten Gateisolierfilm 7 gebildet und ist kapazitiv
mit dem floatenden Gate 6 gekoppelt.
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Das Merkmal der Speichereinrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß
ein Tunnelisolierfilm, der in dem Tunnelgebiet 5 vorgesehen
ist, mit einem Mehrfachfilm aufgebaut ist, der einen
Siliziumnitridfilm 10 und einen Siliziumoxidfilm 11 enthält.
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Wie oben beschrieben, kann aufgrund der Tatsache, daß der
Mehrfachfilm den Siliziumnitridfilm 10 und den
Siliziumoxidfilm 11 enthält, die Beständigkeitseigenschaft
zum Erhöhen der Lebensdauer der Halbleitereinrichtung
verbessert werden.
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Eine Beziehung zwischen dem Siliziumnitridfilm 10 und dem
Siliziumoxidfilm 11 in dem Mehrfachfilm wird nun beschrieben.
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Es wurde beschrieben, daß der Tunnelisolierfilm bei der
bekannten Struktur durch die Einfachschicht aus dem
Siliziumoxidfilm gebildet wird. In diesem Fall können bei
einem FN-(Fobler-Nordheim)-Tunnelvorgang von Elektronen, die
Elektronen in der Einfachschicht aus dem Siliziumoxidfilm
eingefangen werden, und dies ist ein Faktor, der zu einer
Verschlechterung der Beständigkeitseigenschaft des
Tunnelisolierfilms führt. Es ist bekannt, daß eine
durchschnittliche Elektroneneinfangdistanz in dem
Siliziumoxidfilm ungefähr 50 Å (1 Nanometer = 10 Å) beträgt.
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Beträgt die Dicke des Siliziumoxidfilms ungefähr 50 Å, so
tunneln die meisten Elektronen direkt durch den
Siliziumoxidfilm. Demnach nimmt die Zahl der Elektronen, die
sich durch ein Leitungsband des Siliziumoxidfilms bewegen,
ab, und dies bedeutet, daß die Wahrscheinlichkeit eines
Einfangens von Elektronen weiter abnimmt.
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Damit der Tunnelisolierfilm durch eine Einfachschicht aus
einem Siliziumoxidfilm gebildet werden kann, muß eine Dicke
des Siliziumoxidfilms mindestens 80 Å aufweisen, damit eine
ausreichende Zuverlässigkeit erreicht wird. Dies ist eine
allgemein bekannte Tatsache (Referenzdokument: Tech, Dig.
IEEE, IEDMP-424, 1988).
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Dies bedeutet, daß dann, wenn die Dicke des Siliziumoxidfilms
80 Å beträgt, sich die Wahrscheinlichkeit für das Einfangen
von Elektronen erheblich anheben läßt, und zwar in dem
verbleibenden Bereich mit einer Dicke von 30 Å, der durch
Wegnehmen eines Gebiets mit einer Dicke von 50 Å, durch die
Elektronen direkt tunneln können, von dem Gebiet mit der
Dicke von 80 Å erhalten wird. Im Ergebnis läßt sich die
Beständigkeitseigenschaft des Tunnelisolierfilms aufgrund des
Einfangens von Elektronen absenken.
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Demnach wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Dicke des
Siliziumoxidfilms 11 zu 50 Å oder weniger festgelegt, und das
Einfangen der Elektronen wird theoretisch ausgeschlossen.
Ferner wird die Verschlechterung der Zuverlässigkeit des
Tunnelisolierfilms aufgrund einer Abnahme der Dicke des
Siliziumoxidfilms durch Vorsehen des Siliziumnitridfilms in
dem Siliziumoxidfilm kompensiert.
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Das Einfangen von Elektronen in dem Siliziumnitridfilm 10
wird zu keinem entscheidenden Faktor im Hinblick auf die
Verschlechterung der Beständigkeitseigenschaft des
Tunnelisolierfilms, und zwar aus dem folgenden Grund.
Obgleich - wie der Siliziumoxidfilm 11 - der
Siliziumnitridfilm 10 einen tiefen Pegel aufweist, wenn ein
elektrisches Feld an den Siliziumnitridfilm angelegt wird,
können eingefangene Elektroden an die Außenseite des
Siliziumnitridfilms entweichen.
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Dies bedeutet, daß sich die in dem Siliziumoxidfilm 11 bei
dem niedrigen Pegel eingefangenen Elektroden nahezu
vollständig wiedergewinnen lassen, und daß sie als feste
Ladungen gespeichert werden können. Jedoch können aufgrund
der Tatsache, daß sich die bei dem niedrigen Pegel in dem
Siliziumnitridfilm 10 eingefangenen Elektronen wiedergewinnen
lassen, diese keine festen Ladungen werden. Selbst wenn die
Elektronen bei dem niedrigen Pegel in dem Siliziumnitridfilm
eingefangen werden, können sie mit Löchern rekombinieren, die
in den Film injiziiert werden, und verschwinden.
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Im Hinblick auf diesen Punkt ist das Einfangen von Elektronen
in dem Siliziumnitridfilm 10 recht wünschenswert.
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Beispielsweise läßt sich eine Ladungshalteeigenschaft, die
einen Faktor im Hinblick auf die Zuverlässigkeit von EEPROM-
Speichern darstellt, erwartungsgemäß verbessern. Dies
bedeutet, daß Elektronen, die dazu tendieren, von dem
floatenden Gate 6 zu dem Substrat 1 zu entweichen (in den
Fig. 1, 2 und 3 zu dem diffundierten Gebiet 3), bei niedrigem
Pegel in dem Siliziumnitridfilm 10 eingefangen werden, so daß
sie nur schwierig zu dem Substrat 1 entweichen können.
Demnach ist die Ladungshalteeigenschaft weiter verbessert.
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Beim Löschen von Daten lassen sich bei dem niedrigen Pegel in
dem Siliziumnitridfilm eingefangene Elektronen in das Gebiet
mit hohem Potential entfernen, zusammen mit den in dem
floatenden Gate 6 gespeicherten Elektronen. Demnach kann ein
unvollständiges Löschen nicht auftreten.
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Der Siliziumnitridfilm 11 wirkt auch als
Ladungsspeicherabschnitt. Hierbei ist der
Ladungsspeichereffekt gering im Vergleich zu dem
Speicherumfang des floatenden Gates 6, das als
Hauptladungsspeicherabschnitt dient. Jedoch läßt sich der
Ladungsspeichereffekt verbessern, da Technologien mit feinem
Muster verbessert werden.
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Wie oben beschrieben, beträgt die durchschnittliche
Elektroneneinfangdistanz in dem Siliziumnitridfilm ungefähr
35 Å (Referenzdokument: P.C. Arnett und B.H.Ynn,
Appl.Phys.Lett., Bd. 26, S. 94, 1975).
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Demnach muß der Siliziumnitridfilm zum wirksamen Einfangen
von Elektronen die Dicke von mindestens dem Zweifachen der
obigen durchschnittlichen Einfangdistanz aufweisen, d.h. 70 Å
oder mehr (Referenzdokument: Eiichi Suzuki "Untersuchung von
Verschlechterungsmechanismen und Niederspannungsbetrieb in
Speichereinrichtungen vom MNOS-Typ", offenbart in "RESEARCHES
OF THE ELECTROTECHNICAL LABORATORY", Nr. 844, Mai 1984, S.
110).
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Werden die obigen Elektroneneinfangvorgänge summiert, so ist
es ausreichend, daß die Dicke des Siliziumoxidfilms 11 so Å
oder weniger beträgt und daß die Dicke des
Siliziumnitridfilms 10 70 Å oder mehr beträgt.
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Nun wird das Einfangen von Löchern beschrieben, die als
andere Ladungsträger dienen.
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Werden Löchen in dem Tunneloxidfilm eingefangen, so
verschlechtert sich die Beständigkeitseigenschaft des Films.
Im Ergebnis wird der Isolierfilm selbst gebrochen
(Referenzdokument: IEDM, 1986, Oxiddurchbruch-Abhängigkeit
von der Dicke und erhöhte Zuverlässigkeit von außerordentlich
dünnen Oxiden bei Löcherstrom, I.C. Chen et al.)
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In einem Siliziumoxidfilm beträgt eine durchschnittliche
Löchereinfangdistanz ungefähr 10 Å (Referenzdokument: R.C.
Hughes und C.H. Seqger, IEEE TRANS. ES-30, Nr. 6, Dez. 1983).
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Um das Einfangen von Löchern in dem Siliziumoxidfilm
theoretisch zu vermeiden, muß die Dicke des Films zu 10 Å
oder weniger festgelegt werden.
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Jedoch ist es sehr schwierig, den Siliziumoxidfilm mit der
Dicke von 10 Å zu bilden. (Beispielsweise bildet sich ein
natürlicher Oxidfilm mit einer Dicke von ungefähr 20 Å auf
der Oberfläche von Silizium an der Luft.)
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Aus diesem Gesichtpunkt wird gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Siliziumoxidfilm mit der minimalen Dicke, beispielsweise
2 Å, gebildet, der sich durch den Einsatz der am weitesten
fortgeschrittenen Technik erhalten läßt, und die
Wahrscheinlichkeit des Einfangens von Löchern wird minimiert.
Durch die am weitesten fortgeschrittene Technik läßt sich ein
Siliziumoxidfilm mit einer Dicke von ungefähr 50 Å genau
bilden. Wird der Siliziumoxidfilm mit der Dicke von ungefähr
50 Å benützt, so ist die Zahl der eingefangenen Löcher bei
praktischem Einsatz vernachlässigkbar.
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Eine durchschnittliche Einfangdistanz für Löcher in einem
Siliziumnitridfilm ist relativ groß und beträgt ungefähr 155
Å. Dies resultiert aus der Tatsache, daß Löcher als
Hauptleitungsladungsträger in dem Siliziumnitridfilm
eingesetzt werden (Referenzdokument: H.E. Maes und R.J. Van.
Overstraeten, J. Appl. Phys., Bd. 47, S. 667, 1976).
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Demnach tritt dann, wenn der Siliziumnitridfilm mit der Dicke
von 155 Å oder weniger eingesetzt wird, das Einfangen von
Löchern theoretisch praktisch nicht mehr auf.
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Wird das obige Einfangen von Löchern als Ganzes betrachtet,
so ist es wirksam, daß die Dicke des Siliziumoxidfilms 11 50
Å oder weniger beträgt und daß die Dicke des
Siliziumnitridfilms 155 Å oder weniger beträgt.
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Bei dem in der Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung enthaltenen Mehrfachschicht-Tunnelisolierfilm ist
die folgende Beziehung zwischen den Dicken des
Siliziumnitridfilms 10 und des Siliziumoxidfilms 11
wünschenswert. Insbesondere sollte die Dicke des
Siliziumoxidfilms 11 so Å oder weniger betragen, und die
Dicke des Siliziumnitridfilms 10 sollte in einem Bereich
zwischen 70 Å und 155 Å liegen.
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Besteht ein Isolierfilm aus einer Mehrfachschichtstruktur mit
zumindest dem Siliziumnitridfilm 10 und dem Siliziumoxidfilm
11, so wird die Dicke des Siliziumnitridfilms 10 größer als
diejenige des Siliziumoxidfilms 11 festgelegt.
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Demnach läßt sich die Beständigkeitseigenschaft des
Tunnelisolierfilms weiter verbessern.
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Ein Verfahren zum Herstellen der Einrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug auflediglich
einen kennzeichnenden Abschnitt und unter Bezug auf die Fig.
5A bis 5C beschrieben.
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Die Fig. 5A bis 5C zeigen vergrößerte Ansichten zum
Darstellen eines Herstellungsprozesses für den in Fig. 2
gezeigten Kreis (Abschnitt) C.
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Wie in Fig. 5A gezeigt ist, wird ein Diffusionsgebiet 3 von
einem im Vergleich zu einem Substrat entgegengesetzten
Substrat in dem (nicht gezeigten) Substrat gebildet. Ein
erster Gateoxidfilm 4 wird anschließend auf der Oberflcähe
des Gebiets gebildet, beispielsweise durch thermische
Oxidiertechniken. Nach dem Beschichten des Oxidfilms 4 mit
einer Fotoresistschicht 12, wird ein gewünschtes
Ööffnungsmuster für ein Tunnelgebiet hierin durch
Fotoätztechniken gebildet. Der erste Gateoxidfilm 4 wird
selektiv zum Bilden einer Öffnung 9 entfernt.
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Wie in Fig. 5B gezeigt ist, wird nach dem Entfernen der
Fotoresistschicht 12 der Siliziumnitridfilm 10 abgeschieden,
beispielsweise durch CVD-Techniken. Ein thermischer Oxidfilm
11 wird auf der Oberfläche des Siliziumnitridfilms 10
gebildet, beispielsweise durch eine Wasserstoffverbrennungs-
Oxidationstechnik, die eine der thermischen
Oxidationstechniken ist.
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In diesem Fall läßt sich der Siliziumnitridfilm 10 nicht nur
durch CVD-Techniken bilden, sondern beispielsweise durch
thermische Techniken in stickstoffhaltiger Atmosphäre
(thermal nitrogenation techniques), beispielsweise Silizium-
Direkt-Techniken in stickstoffhaltiger Atmosphäre (silicon
direct nitrogenation techniques).
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Wie in Fig. 5C gezeigt ist, wird eine Polysiliziumschicht 6
für ein floatendes Gate abgeschieden, beispielsweise durch
CVD-Techniken.
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Die Halbleitereinrichtung läßt sich gemäß bekannten EEPROM-
Herstellungsprozessen herstellen.
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Gemäß dem obigen Herstellungsprozeß läßt sich ein EEPROM-
Speicher schaffen, der Speicherzellen enthält, bei denen
jeweils der Tunnelisolierfilm 5 den Siliziumnitridfilm 10 und
den Siliziumoxidfilm 11 enthält.
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Die zweite und dritte Ausführungsform wird nun jeweils unter
Bezug auf die Fig. 6 und 7 beschrieben.
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Unter Bezug auf die Fig. 6 und 7 erfolgt bei den
Bezugszeichen, die denjenigen der Fig. 1 bis 3 entsprechen,
keine erneute Beschreibung. Die Fig. 6 und 7 entspricht der
vergrößerten Ansicht gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Kreis C.
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Die Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht zum Darstellen
eines Tunnelgebiets einer Einrichtung gemäß der zweiten
Ausführungsform.
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Ein in dem Tunnelgebiet 5 gebildeter Tunnelisolierfilm
besteht aus einer Vierlagenstruktur mit einem
Siliziumnitridfilm 14, einem Siliziumoxidfilm 15, einem
Siliziumnitridfilm 16 und einem Siliziumoxidfilm 17.
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In diesem Fall lassen sich dieselben Vorteile wie bei der
ersten Ausführungsform erhalten.
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Die Fig. 7 zeigt eine vergrößerte Ansicht zum Darstellen
eines Tunnelgebiets einer Einrichtung gemäß der dritten
Ausführungsform.
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Ein in einem Tunnelgebiet 5 gebildeter Tunnelisolierfilm
besteht aus einer Dreilagenstruktur mit einem
Siliziumoxidfilm 18, einem Siliziumnitridfilm 19 und einem
Siliziumoxidfilm 20.
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In diesem Fall lassen sich dieselben Vorteile wie bei der
ersten Ausführungsform erhalten.
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Bei der Ausführungsform ist der Siliziumoxidfilm 18 so
ausgebildet, daß er in Kontakt mit dem Substrat (dem
diffundierten Gebiet 3) ist, und der Siliziumoxidfilm ist 20
so ausgebildet, daß er in Kontakt mit einem floatenden Gate 6
steht. Aus diesem Grund steht der Siliziumnitridfilm 19 nicht
in Kontakt mit dem Substrat (dem diffundierten Gebiet 3) und
der Siliziumschicht des floatenden Gates 6. Dies ist momentan
die zum Unterbinden der Bildung des Oberflächenzustands am
besten geeignete Struktur.
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Es ist zu erwähnen, daß der Tunnelisolierfilm durch eine
Kombination von Siliziumnitrid- und -oxidfilmen gebildet
werden kann, die sich von der bei den ersten bis dritten
Ausführungsformen eingesetzten unterscheidet.
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Die im Zusammenhang mit der zweiten und dritten
Ausführungsform dargestellte Einrichtung läßt sich durch den
ähnlichen Prozeß herstellen, wie er für die erste
Ausführungsform beschrieben wurde. Beispielsweise kann die
Einrichtung hergestellt werden, indem beispielhaft eine
Abfolge der Bildung des Siliziumnitridfilms und des
Siliziumoxidfilms verändert wird.
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Die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nun unter Bezug auf die Fig. 8 bis 10 beschrieben.
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Bei dieser Ausführung wird ein Aufbau eines
Tunnelisolierfilms gemäß der vorliegenden Erfindung auf einen
EEPROM-Speicher vom Batch-Löschtyp angewandt.
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Die Fig. 8 zeigt eine Draufsicht zum Darstellen der
Einrichtung gemäß der vierten Ausführungsform und
insbesondere zum Darstellen einer Speicherzelle. Die Fig. 9
zeigt eine Querschnittsansicht zum Darstellen der Einrichtung
entlang der in Fig. 8 gezeigten Linie D - D', und die Fig. 10
zeigt eine Querschnittsansicht zum Darstellen der Einrichtung
entlang der in Fig. 8 gezeigten Linie E - E'.
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Wie in den Fig. 8 bis 10 gezeigt ist, wird ein Isoliergebiet
22 in einem Halbleitersubstrat 21 zum Durchführen einer
Elementisolierung gebildet. Diffundierte Drain/Source-Gebiete
23 (23&sub1;, 23&sub2;) mit einem im Vergleich zum Substrat
entgegengesetzten Leitungstyp werden in einem Elementgebiet
geformt, das durch die Elementisolierung erhalten wird.
Zwischen diesen Gebieten wird ein erster Gateisolierfilm 24
auf dem Substrat gebildet, und ein Siliziumnitridfilm 25 und
ein Siliziumoxidfilm 26 werden sequentiell hierauf gebildet.
Der Mehrschichtfilm erstreckt sich über das Sourcegebiet 232
über den Endabschnitt des ersten Gateisolierfilms 24. Das
sich erstreckende Gebiet bildet ein Tunnelgebiet, und der
Mehrschichtfilm dient als Tunnelisolierfilm 27. Ladungen
werden zwischen einem floatenden Gate 28 und dem Substrat 21
oder dem Sourcegebiet 232 durch den Tunnelisolierfilm 27
übertragen. Ein Steuergate 30 wird über dem floatenden Gate
28 durch einen zweiten Gateisolierfilm 29 gebildet. Ein
Zwischenebenenisolator 23 wird auf der gesamten Fläche der
sich ergebenden Struktur gebildet, damit die
unterschiedlichen leitenden Schichten gegeneinander isoliert
werden. Der Zwischenebenenisolator 23 enthält ein das
Draingebiet 231 erreichendes Kontaktloch, damit hierin eine
Bitleitung 33 gebildet wird.
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Gemäß der Ausführungsform läßt sich - wie bei den obigen
Ausführungsformen - die Beständigkeitseigenschaft des
Tunnelisolierfilms zum Erhöhen der Lebensdauer der
Einrichtung verbessern.
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In diesem Fall kann das Tunnelgebiet auf dem Draingebiet
(Bitleitungsseite) zusammen mit einer Vorspannung gebildet
werden.
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Bei der vierten ausführungsform wird der Mehrschichtfilm mit
dem Siliziumnitridfilm und dem Siliziumoxidfilm, die im
Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben
wurden, als Tunnelisolierfilm eingesetzt. Der
Tunnelisolierfilm mit der bei der dritten bis vierten
Ausführungsform beschriebenen Struktur kann als
Tunnelisolierfilm 27 eingesetzt werden.
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Zusätzlich läßt sich ein Tunnelisolierfilm einsetzen, der mit
einer unterschiedlichen Kombination von Siliziumnitrid- und
-oxidfilmen gebildet ist, im Vergleich zu dem bei der ersten
bis dritten Ausführungsform eingesetzten.
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Eine Einrichtung gemäß der fünften Ausführungsform und ein
Verfahren zum Herstellen desselben wird nun nachfolgend unter
Bezug auf die Fig. 11 und die Fig. 12A bis 12E beschrieben.
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Gemäß der Ausführungsform erstreckt sich ein
Tunnelisolierfilm gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem
Gateisolierfilm eines Auswahlgates eines EEPROM-Speichers zum
Erhöhen von dessen Durchbruchspannung.
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Die Fig. 11 zeigt eine Querschnittsansicht zum Darstellen
einer Einrichtung gemäß der fünften Ausführungsform und
insbesondere zum Darstellen einer Speicherzelle.
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Zunächst wird ein Speichertransistor der Speicherzelle
nachfolgend beschrieben.
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Wie in Fig. 11 gezeigt ist, wird ein (nicht gezeigtes)
Isoliergebiet in einem Halbleitersubstrat 41 zum Durchführen
einer Elementisolierung gebildet. Diffundierte
Source/Draingebiete 42 (42&sub1;, 42&sub2;, 42&sub3;) mit einem im Vergleich
zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp werden in einem
Elementgebiet gebildet, das durch die Elementisolierung
erhalten wird. Ein erster Gateisolierfilm 44 wird auf dem
Substrat zwischen den diffundierten Gebieten 42&sub1;, 42&sub2; und 42&sub3;
gebildet. Ein Teil des ersten Gateisolierfilms erstreckt sich
zu den diffundierten Gebieten 43&sub2;, und ein Tunnelgebiet 45
wird in dem ersten Gateisolierfilm gebildet. Das Tunnelgebiet
45 enthält einen Tunnelisolierfilm 48 mit einer
Mehrschichtstruktur, die einen Siliziumnitridfilm 46 und
einen Siliziumoxidfilm 47 enthält. Ladungen werden durch den
Tunnelisolierfilm 48 übertragen, zwischen einem floatenden
Gate 49 und dem diffundierten Gebiet 42&sub2;, das in dem Substrat
41 gebildet ist. Ein Steuergate 41 wird auf dem floatenden
Gate 49 durch einen zweiten Gateisolierfilm 50 gebildet.
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Eine Struktur eines Auswahltransistors wird nachfolgend
beschrieben.
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Ein Gateisolierfilm 55 mit einer Mehrschichtstruktur wird auf
dem Substrat 41 zwischen den diffundierten Gebieten 421 und
422 gebildet. Der Gateisolierfilm 55 enthält einen
Isolierfilm 52, der durch den ersten Gateisolierfilm 44
gebildet ist, sowie einen Siliziumnitridfilm 53 und einen
Siliziumoxidfilm 54, die beide durch den Tunnelisolierfum 48
gebildet werden. Ein Auswahlgate 56 wird auf dem
Gateisolierfilm 55 gebildet.
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Gemäß der fünften Ausführungsform weist der Gateisolierfilm
für das Auswahlgate 56 eine Mehrschichtstruktur auf, die den
Isolierfilm enthält, der durch den Tunnelisolierfilm 48
gebildet wird, und den Isolierfilm, der durch den ersten
Gateisolierfilm 58 gebildet wird. Demnach läßt sich aufgrund
der Tatsache, daß der Gateisolierfilm 55 anstelle eines
Gateisolierfilms eingesetzt wird, der üblicherweise durch
lediglich den Isolierfilm 52 gebildet wird, ein wirksames
elektrisches Feld herabsetzen. Zusätzlich läßt sich das
Auftreten eines unerwünschten Fehlers bei dem Film durch die
Mehrschichtstruktur unter Einsatz des Nitridfilms reduzieren.
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Die obige Struktur ist zum Vermeiden unerwünschter
Zeilenfehler bei EEPROM-Speichern sehr wirksam.
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Ein Herstellungsverfahren der Einrichtung gemäß der fünften
Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezug auf die Fig. 12A
bis 12E beschrieben. Die in Fig. 12A bis 12E
übereinstimmenden Bezugszeichen kennzeichnen dieselben Teile
wie in Fig. 11.
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Wie in Fig. 12A gezeigt ist, wird eine Verunreinigung von im
Vergleich zum Substrat 41 entgegengesetztem Leitungstyp in
das Substrat 41 ionenimplantiert, um diffundierte Gebiete 57
57&sub1;, 57&sub2;) zu bilden.
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Wie in Fig. 12B gezeigt ist, wird ein erster thermischer
Oxidfilm 58 auf der Oberfläche des Substrats 41 gebildet,
beispielsweise durch thermische Oxidationstechniken. Nach dem
Beschichten der gesamten Oberfläche der sich ergebenden
Struktur mit einer Fotoresistschicht 59 wird ein
Öffnungsmuster gemäß einem Tunnelgebiet in der
Fotoresistschicht durch Fotoätztechniken gebildet. Dieses
Muster ist so ausgebildet, daß es auf der diffundierten
Schicht 57&sub1; angeordnet ist. Der thermische Oxidfilm 58 wird
unter Einsatz der Fotoresistschicht 59 als Maske geätzt, um
hierdurch eine Öffnung 60 in dieser zu bilden.
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Wie in der Fig. 12C gezeigt ist, wird ein Siliziumnitridfilm
61 aufgebracht, beispielsweise durch CVD-Techniken, und ein
zweiter Oxidfilm 62 wird auf der Oberfläche des
Siliziumnitridfilms 61 gebildet, beispielsweise durch
Wasserstoffverbrennungs-Oxidationstechniken.
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Wie in Fig. 12D gezeigt ist, wird beispielsweise eine erste
Polysiliziumschicht 63 auf der sich ergebenden Struktur durch
CVD-Techniken als eine leitende Schicht aufgebracht, die als
ein floatendes Gate und ein Auswahlgate dient.
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Wie in Fig. 12E gezeigt ist, wird ein zweiter Gateisolierfilm
50 gebildet, beispielsweise durch thermische
Oxidationstechniken, und eine zweite Polysiliziumschicht wird
durch CVD-Techniken als eine leitende Schicht aufgebracht,
die als ein Steuergate dient. Die zweite Polysiliziumschicht
wird zum Bilden des Steuergates strukturiert. Der zweite
Gateisolierfilm, die ersten Polysiliziumschicht 63 und der
Gateisolierfilm 55 werden aufeinanderfolgend durch Ätzen
entfernt, unter Einsatz der strukturierten
Polysiliziumschicht als Maske. Demnach wird ein
Speichertransistor gebildet, der den Gateisolierfilm 55
enthält, sowie das floatende Gate 49, den zweiten
Gateisolierfilm 50 und das Steuergate 51. In diesem Fall wird
das floatende Gate 49 so gebildet, daß es zumindest einen
Teil der diffundierten Gebiete 57&sub1; und 57&sub2; überlappt
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Bei dem Auswahltransistor ist der Gateisolierfilm 55 mit der
Mehrschichtstruktur, der den Isolierfilm 58 für den ersten
Gateisolierfilm, den Siliziumnitridfilm 61 und den
Siliziumoxidfilm 62 enthält, nahezu vollständig hergestellt.
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Wie in Fig. 12E gezeigt ist, muß obgleich die zweite
Polysiliziumschicht von dem Auswahlgate 56 entfernt wird,
diese nicht notwendigerweise entfernt werden.
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Demnach läßt sich - obgleich nicht gezeigt - die Einrichtung
unter Einsatz eines gewöhnlichen Prozesses für die EEPROM-
Speicher herstellen.
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Gemäß dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren wird in
dem Schritt zum Bilden des Tunnelisolierfilms mit der
Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung die erste
Polysiliziumschicht 63 für das Auswahigate 56 abgeschieden,
während der Siliziumnitridfilm 61 bleibt. Demnach läßt sich
der Gateisolierfilm 55 für das Auswahlgate 56 bilden, ohne
daß die Zahl der Herstellungsschritte zunimmt, und dessen
Durchbruchsspannung läßt sich erhöhen.
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Im Ergebnis läßt sich mit der oben beschriebenen Struktur der
unerwünschte Fehler bei den Zeilen bei EEPROM-Speichern sehr
wirksam vermeiden, wodurch sich die Zuverlässigkeit merklich
erhöht. Zusätzlich läßt sich die Einrichtung ohne eine große
Zunahme der Herstellungskosten herstellen.
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Bei der fünften Ausführungsform läßt sich, obgleich die
Struktur des Tunnelisolierfilms, die bei der ersten
Ausführungsform benützt wird, auf den Gateisolierfilm des
floatenden Gates gestapelt wird, die Struktur des
Tunnelisolierfilms, der im Zusammenhang mit der zweiten bis
vierten Ausführungsform beschrieben wurde, hierauf stapeln.
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Der Tunnelisolierfilm kann durch eine unterschiedliche
Kombination von Siliziumnitrid- und -oxidfilmen gebildet
werden, die sich von denjenigen, die bei der ersten bis
vierten Ausführungsform eingesetzt werden, unterscheidet.
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Bei den EEPROM-Speichern gemäß der ersten bis fünften
Ausführungsform kann das Einfangen von Elektronen und das
Einfangen von Löchern, was das Problem im Zusammenhang mit
dem Einfachschicht-Siliziumoxidfilm darstellt, der als
Tunnelisolierfilm eingesetzt wird, verbessert werden.
Beispielsweise läßt sich bei den Schreib/Löschzyklen, die von
der Durchbruchspannung des Tunnelisolierfilms und dessen
Dauer abhängen, die Zahl der Schreibvorgänge um ungefähr das
Zehnfache bei 64-Kbit-EEPROM-Speichern erhöhen.
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Dies resultiert aus der Tatsache, daß die Lebensdauer
aufgrund einer konstanten Stromspannungsbeanspruchung
insbesondere in Beziehung zu der Durchbruchspannung des
Tunnelisolierfilms erhöht ist, und ein sogenannter
Einengungseffekt ist verbessert, d.h. die Veränderung des
Schwellwerts des Speichertransistors.
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Bei der fünften Ausführungsform läßt sich aufgrund der
Tatsache, daß der in dem Tunnelisolierfilm eingesetzte
Isolierfilm, insbesondere der Siliziumnitridfilm, auf dem
Gateisolierfilm des Auswahlgates gestapelt ist, das wirksame
elektrische Feld des Feldisolierfilms herabsetzen, wodurch
das Auftreten von Fehlern bei Zeilen in EEPROM-Speichern
erheblich reduziert wird.
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Gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform können obgleich
Polysiliziumfilme als Materialien für zahlreiche Gates
eingesetzt werden, Silizidfilme wie Molybdän-Silizid
eingesetzt werden. Selbst wenn die obigen Gatematerialien
eingesetzt werden, lassen sich die Vorteile der vorliegenden
Erfindung erzielen.
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Wie oben beschrieben, läßt sich bei der nichtflüchtigen
Halbleiterspeichervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgrund der Tatsache, daß der Siliziumnitridfilm
oder der Mehrschichtfilm mit zumindest dem Siliziumnitridfilm
und dem Siliziumoxidfilm als Tunnelisolierfilm eingesetzt
werden, die Beständigkeitseigenschaft verbessern, wodurch
sich die Lebensdauer der nichtflüchtigen
Halbleiterspeichereinrichtung erhöht.
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Für den mit dem Stand der Technik Vertrauten ist ferner zu
erkennen, daß es sich bei der obigen Beschreibung um
bevorzugte Ausführungsformen der offenbarten Einrichtung
handelt, und daß zahlreiche Veränderungen und Modifikationen
der Erfindung durchführbar sind, ohne von deren Schutzbereich
abzuweichen.
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Die Bezugszeichen in den Patentansprüchen dienen lediglich
einem besseren Verständnis und begrenzen nicht deren
Schutzbereich.