JP2000294659A - Manufacture of semiconductor nonvolatile memory - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、 Fowler-Nordheim
(F-N)トンネル電流を利用して情報の書き換えを行う、
2層ポリシリコンゲート電極構造FLOTOXタイプの半導体
不揮発性メモリに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a Fowler-Nordheim
(FN) Rewrite information using tunnel current,
The present invention relates to a FLOTOX type semiconductor nonvolatile memory having a two-layer polysilicon gate electrode structure.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来2層のポリシリコンゲート電極構造
で、半導体基板上に形成された8〜12nmのトンネル
絶縁膜にF-Nトンネル電流を流して、少なくとも電子の
注入、あるいは放出のいずれか一方を行い、電気的に情
報を書き換えを行う半導体不揮発性メモリにおいて、書
き換え回数の向上の1つの手段として上記トンネル絶縁
膜のアンモニア雰囲気中で急速ランプ熱窒化処理するこ
とが試みられている。これは熱窒化前のトンネル絶縁膜
と半導体基板界面に存在するシリコン(Si)またはシリコ
ン酸化物(SiO)の未結合手やこれらの歪んだ結合がこの
トンネル絶縁膜中に電子を通過させようとする際に電子
トラップとして働き、書き換え回数の増加に伴い一定
プログラム電圧で移動する電子の総量が減少し、メモリ
セルのしきい値変化の減少を引き起こし正しい情報を読
み出せなくなるメモリウィンドウの狭窄化(narrowin
g)、 電子あるいは正孔トラップ等の増加によるトン
ネル絶縁膜の経時破壊によるメモリセル破壊などが書き
換え回数の向上を阻害している。2. Description of the Related Art Conventionally, an FN tunnel current is applied to a tunnel insulating film having a thickness of 8 to 12 nm formed on a semiconductor substrate in a two-layer polysilicon gate electrode structure to at least inject or release electrons. As a means of improving the number of times of rewriting, in a semiconductor nonvolatile memory for electrically rewriting information, rapid lamp thermal nitriding in an ammonia atmosphere of the tunnel insulating film has been attempted. This is because uncombined hands of silicon (Si) or silicon oxide (SiO) existing at the interface between the tunnel insulating film and the semiconductor substrate before thermal nitridation and their distorted bonds try to allow electrons to pass through this tunnel insulating film. When the number of rewrites increases, the total amount of electrons that move at a constant program voltage decreases, causing a decrease in the threshold change of the memory cell and narrowing of the memory window where correct information cannot be read ( narrowin
g), memory cell destruction due to time-dependent destruction of the tunnel insulating film due to an increase in electron or hole traps, etc., hinders an increase in the number of rewrites.
【0003】上記の熱窒化処理はシリコン、シリコン酸
化物の未結合手やこれらの歪んだ結合に対して活性な窒
素原子を結合させることにより、未結合手の終結(termi
nation)や歪んだ結合を、窒素原子を含んだ新たな結合
に変換することにより応力緩和として働き、電子あるい
は正孔トラップを減少させるため、書き換え回数の向上
に対して効果が認められている。The above-mentioned thermal nitridation treatment terminates the dangling bonds by bonding nitrogen atoms active to dangling bonds of silicon and silicon oxide and their distorted bonds.
By converting a nation or a distorted bond into a new bond containing a nitrogen atom, it acts as stress relaxation and reduces electron or hole traps, so that an effect of improving the number of rewrites has been recognized.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】実際の2層ポリシリコ
ンゲート電極構造の半導体不揮発性メモリにおいては、
トンネル絶縁膜以外にもゲート絶縁膜が使用される場合
がほとんどであり、トンネル絶縁膜は半導体基板と第1
層ポリシリコンゲート電極の間に作製されるため、半導
体基板と第2層ポリシリコンゲート電極の間に作製され
る第2のゲート絶縁膜は熱窒化処理後、第1のゲート絶
縁膜をエッチング除去した後、熱酸化によって形成され
ることになる。この第2のゲート絶縁膜は製造工程数の
削減,高温熱処理回数の削減等の目的から第1層ポリシ
リコンゲート電極上のポリシリコン酸化膜としても用い
られる場合が多い。In an actual semiconductor nonvolatile memory having a two-layer polysilicon gate electrode structure,
In most cases, a gate insulating film is used in addition to the tunnel insulating film.
Since the second gate insulating film formed between the semiconductor substrate and the second-layer polysilicon gate electrode is thermally nitrided, the first gate insulating film is removed by etching since the first gate insulating film is formed between the layer polysilicon gate electrodes. After that, it is formed by thermal oxidation. This second gate insulating film is often used as a polysilicon oxide film on the first-layer polysilicon gate electrode for the purpose of reducing the number of manufacturing steps and the number of times of high-temperature heat treatment.
【0005】ところが第2のゲート絶縁膜が形成される
部分では、トンネル絶縁膜よりも膜厚の厚い第1のゲー
ト絶縁膜が半導体基板表面に存在するにも関わらず、あ
る熱窒化処理条件と第1のゲート絶縁膜膜厚の組み合わ
せによっては、半導体基板表面上に熱窒化シリコン膜が
形成されてしまい、この熱窒化シリコン膜が耐酸化性の
マスク材として働き、ある第2のゲート絶縁膜の膜厚ま
たは酸化条件では、第2のゲート絶縁膜が半導体基板上
に成長しない、あるいは第2のゲート絶縁膜が成長した
としても絶縁耐圧特性が非常に悪いため集積回路として
動作しなくなるという課題があった。[0005] However, in the portion where the second gate insulating film is formed, despite the fact that the first gate insulating film thicker than the tunnel insulating film exists on the surface of the semiconductor substrate, certain thermal nitridation processing conditions are applied. Depending on the combination of the thicknesses of the first gate insulating film, a thermal silicon nitride film is formed on the surface of the semiconductor substrate, and this thermal silicon nitride film functions as an oxidation-resistant mask material, and a certain second gate insulating film Under the conditions of the film thickness or the oxidation conditions, the second gate insulating film does not grow on the semiconductor substrate, or even if the second gate insulating film grows, the withstand voltage characteristics are extremely poor, and the integrated circuit does not operate. was there.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】良質なトンネル絶縁膜を
形成するのに不可欠な熱窒化処理によって、次工程以後
にゲート絶縁膜が形成される部分の半導体基板表面に寄
生的に形成されてしまう熱窒化シリコン膜を選択的にエ
ッチング除去する工程を半導体不揮発性メモリの製造工
程に付加したことを特徴としている。SUMMARY OF THE INVENTION Due to the thermal nitridation process indispensable for forming a high-quality tunnel insulating film, a parasitic insulating film is formed on the surface of the semiconductor substrate where the gate insulating film is formed after the next step. The method is characterized in that a step of selectively removing the thermal silicon nitride film by etching is added to the manufacturing process of the semiconductor nonvolatile memory.
【0007】熱窒化シリコン膜の選択的なエッチング除
去する工程として、70〜100℃に加熱されたアンモ
ニアと過酸化水素水を含む水溶液中に5〜20分間浸す
方法を用いることを特徴といている。アンモニアと過酸
化水素水を含む水溶液中の耐エッチング膜として、第1
層ポリシリコンゲート電極の表面を、800〜1050
℃の窒素で希釈された酸素雰囲気で2〜3nm熱酸化を
行い、薄いIPO膜を形成することを特徴としている。As a step of selectively removing the thermal silicon nitride film by etching, a method of immersing the silicon nitride film in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide heated to 70 to 100 ° C. for 5 to 20 minutes is used. . As an etching resistant film in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide,
The surface of the layer polysilicon gate electrode is
A thin IPO film is formed by performing thermal oxidation in an oxygen atmosphere diluted with nitrogen at a temperature of 2 to 3 nm.
【0008】請求項4にかかわる半導体不揮発性メモリ
の製造方法では、請求項1にかかわる半導体不揮発性メ
モリの製造方法において、IPO膜の代わりに複合積層絶
縁膜であるONO膜を使用し、このONO膜の窒化シリコン膜
を形成する工程の後に半導体基板表面に寄生的に形成さ
れてしまう熱窒化シリコン膜を選択的にエッチング除去
する工程を行うことを特徴としている。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor nonvolatile memory according to the first aspect, wherein an ONO film which is a composite laminated insulating film is used instead of the IPO film. After the step of forming a silicon nitride film, a step of selectively etching away a thermal silicon nitride film which is parasitically formed on the surface of the semiconductor substrate is performed.
【0009】ONO膜の窒化シリコン膜の熱酸化工程と、
熱窒化工程以降にアンモニアと過酸化水素水を含む水溶
液中で熱窒化シリコン膜を選択的にエッチング除去され
た半導体基板表面上に形成されるゲート絶縁膜の熱酸化
工程を兼用することを特徴としている。熱窒化処理され
た第1のゲート絶縁膜を弗化水素(HF)あるいは弗化アン
モニウム(NH4F)を含む水溶液でエッチング除去して半導
体基板表面を露出させる。さらに半導体基板表面を2〜
5nm範囲でエッチングすることにより、半導体基板表
面に存在する熱窒化シリコン膜を完全に除去することが
可能であり、エッチングにより表面に露出する半導体基
板である単結晶シリコン基板面上で第2のゲート絶縁膜
を形成することで、良質な膜質の第2のゲート絶縁膜を
得ることができるようになる。A thermal oxidation step of a silicon nitride film of the ONO film;
It is also characterized in that the thermal oxidation process of the gate insulating film formed on the semiconductor substrate surface where the thermal silicon nitride film is selectively etched away in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide solution after the thermal nitriding process is also used. I have. The first gate insulating film subjected to the thermal nitriding treatment is etched and removed with an aqueous solution containing hydrogen fluoride (HF) or ammonium fluoride (NH 4 F) to expose the surface of the semiconductor substrate. Furthermore, the surface of the semiconductor substrate is
By etching in the range of 5 nm, the thermal silicon nitride film existing on the surface of the semiconductor substrate can be completely removed, and the second gate is formed on the surface of the single crystal silicon substrate which is a semiconductor substrate exposed on the surface by etching. By forming the insulating film, a high-quality second gate insulating film can be obtained.
【0010】半導体基板表面を2〜5nm範囲でエッチ
ングする工程として色々な工程が考えられるが、70〜
100℃に加熱されたアンモニアと過酸化水素水を含む
水溶液中に5〜20分間浸す方法を採用することによ
り、水溶液を用いた化学反応が選択性も高く、半導体基
板表面あるいは表面近傍にエッチングダメージを極力残
さない工程を選ぶことが可能になる。Various processes can be considered for etching the surface of the semiconductor substrate in the range of 2 to 5 nm.
By adopting a method of immersing in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide solution heated to 100 ° C. for 5 to 20 minutes, the chemical reaction using the aqueous solution has high selectivity and etching damage to the surface of the semiconductor substrate or in the vicinity of the surface. Can be selected as little as possible.
【0011】アンモニアと過酸化水素水を含む水溶液を
用いて半導体基板表面を2〜5nm範囲でエッチングす
る工程にも問題がある場合がある。それはすでに第1の
ゲート絶縁膜上に第1層ポリシリコン電極が存在すると
きである。アンモニアと過酸化水素水を含む水溶液は、
半導体基板表面をエッチングすると同時に第1層ポリシ
リコン電極表面もエッチングするからである。エッチン
グされた第1層ポリシリコン電極の表面はデポジション
直後と比較して凹凸が大きくなっており、この表面を酸
化してIPO膜を作製した場合、凹凸の部分に電界が集中
して今度はIPO膜の膜質が悪くなることがある。There is also a problem in the step of etching the semiconductor substrate surface in the range of 2 to 5 nm using an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide solution. That is when the first-layer polysilicon electrode already exists on the first gate insulating film. The aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide solution
This is because the surface of the first-layer polysilicon electrode is etched simultaneously with the etching of the semiconductor substrate surface. The surface of the etched first-layer polysilicon electrode has larger irregularities than immediately after the deposition, and when this surface is oxidized to produce an IPO film, the electric field concentrates on the irregularities and this time, The quality of the IPO film may deteriorate.
【0012】この問題の解決方法としては、第1層ポリ
シリコンゲート電極の表面を、800〜1050℃の窒
素で希釈された酸素雰囲気で2〜3nm熱酸化を行い、
薄いIPO膜を形成してアンモニアと過酸化水素水を含む
水溶液に対する耐エッチング膜を形成する工程を付加す
ることで最終的に良好なIPO膜の膜質を得ることが可能
となる。エッチング前の半導体基板表面には熱窒化シリ
コン膜が耐酸化膜として存在するため、この前記の第1
層ポリシリコンゲート電極の熱酸化で半導体基板表面に
も熱酸化膜が成長して耐エッチング膜が形成されること
はない。As a method for solving this problem, the surface of the first-layer polysilicon gate electrode is thermally oxidized by a thickness of 2 to 3 nm in an oxygen atmosphere diluted with nitrogen at 800 to 1050 ° C.
By adding a step of forming a thin IPO film and forming an etching-resistant film with respect to an aqueous solution containing ammonia and aqueous hydrogen peroxide, it becomes possible to finally obtain good IPO film quality. Since the thermal silicon nitride film exists as an oxidation-resistant film on the surface of the semiconductor substrate before etching, the first
A thermal oxidation film does not grow on the surface of the semiconductor substrate due to thermal oxidation of the layer polysilicon gate electrode, and an etching resistant film is not formed.
【0013】メモリセルサイズを小さく、すなわち、微
細化する場合には一般に IPO膜のみの代わりに前記第1
層ポリシリコンゲート電極の表面を熱酸化してポリシリ
コン酸化膜を形成し、その上にCVD法によりシリコン窒
化膜を作製し、最後にこのシリコン窒化膜を熱酸化して
シリコン酸化膜を成長させたONO膜が第1、第2層ポリ
シリコン電極間の絶縁膜として使用されることも多い。In the case where the memory cell size is reduced, that is, miniaturized, the first cell is generally used instead of only the IPO film.
The surface of the layer polysilicon gate electrode is thermally oxidized to form a polysilicon oxide film, a silicon nitride film is formed thereon by a CVD method, and finally the silicon nitride film is thermally oxidized to grow a silicon oxide film. The formed ONO film is often used as an insulating film between the first and second polysilicon electrodes.
【0014】この場合では第1層ポリシリコン電極上に
シリコン窒化膜まで積層複合絶縁膜を形成し、アンモニ
アと過酸化水素水を含む水溶液を用いて半導体基板表面
をエッチングする工程時に第1層ポリシリコン電極がシ
リコン窒化膜に覆われていれば、ONO膜の膜質を劣化さ
せることなく、良質な膜質の第2のゲート絶縁膜を形成
することが可能である。留意する点としては、アンモニ
アと過酸化水素水を含む水溶液は、ONO膜を構成するシ
リコン窒化膜も半導体基板表面もほぼ同じ速度でエッチ
ングしてしまうのでシリコン窒化膜の膜減り分を見込ん
でデポジション時の膜厚を設定する必要がある。In this case, a laminated composite insulating film up to a silicon nitride film is formed on the first-layer polysilicon electrode, and the first-layer polysilicon is etched in a step of etching the surface of the semiconductor substrate using an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide. If the silicon electrode is covered with the silicon nitride film, it is possible to form the second gate insulating film having good quality without deteriorating the quality of the ONO film. It should be noted that an aqueous solution containing ammonia and aqueous hydrogen peroxide etches both the silicon nitride film and the semiconductor substrate surface of the ONO film at almost the same rate, so that the silicon nitride film is expected to be reduced in film thickness. It is necessary to set the film thickness at the position.
【0015】アンモニアと過酸化水素水を含む水溶液で
エッチングされたONO膜のシリコン窒化膜の熱酸化工程
と、アンモニアと過酸化水素水を含む水溶液でエッチン
グされた半導体基板表面上に第2のゲート絶縁膜の熱酸
化工程を兼用することにより、上記両者の膜質を最適化
しながら、全体工程を合理的に短縮することも可能とな
る。A step of thermally oxidizing a silicon nitride film of the ONO film etched with an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide solution, and a step of forming a second gate on the surface of the semiconductor substrate etched with the aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide solution By also using the thermal oxidation step of the insulating film, it is possible to rationally shorten the entire process while optimizing the film quality of the two.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】本発明にかかわる半導体不揮発性
メモリの製造方法を図面に基づいて以下に説明する。図
1は本発明にかかわる半導体不揮発性メモリの製造方法
の一実施例を説明するための工程断面図である。まず、
第1導電型の半導体不純物としてボロンが8〜30Ω・
cm程度添加されたP型半導体シリコン基板1にLOCOS法
で素子分離領域2を形成した後に、前記素子分離領域2
に隣接した活性領域の一部分に第2導電型である砒素の
不純物領域3をフォト及びイオン打ち込みエネルギー5
0〜110KeV、5E13〜4E14cm-2の濃度のイオンインプ
ラ工程で形成する(図1A)。この図には素子分離領域
2下に設けられる分離のための不純物領域は図示してい
ない。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A method for manufacturing a semiconductor nonvolatile memory according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a process sectional view for explaining one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor nonvolatile memory according to the present invention. First,
Boron is 8 to 30Ω as a semiconductor impurity of the first conductivity type.
After an element isolation region 2 is formed by a LOCOS method on a P-type semiconductor silicon substrate 1 to which about
The arsenic impurity region 3 of the second conductivity type is formed in a part of the active region adjacent to the photo and ion implantation energy 5.
It is formed by an ion implantation process at a concentration of 0 to 110 KeV and 5E13 to 4E14 cm −2 (FIG. 1A). In this figure, an impurity region for isolation provided below the element isolation region 2 is not shown.
【0017】次にインプラマスクとして用いられたフォ
トレジストを剥離した後、前記P型半導体シリコン基板
1上に膜厚35〜65nmの第1のゲート絶縁膜4を熱
酸化法により形成する。その後、前記第2導電型の不純
物領域3上で且つ第1ゲート絶縁膜4の一部領域をフォ
ト及びエッチング工程で除去して窓部5を開け、前記第
2導電型の不純物領域3上に熱酸化法を用いて8〜12
nmのトンネル絶縁膜6を作製する。Next, after removing the photoresist used as the implantation mask, a first gate insulating film 4 having a thickness of 35 to 65 nm is formed on the P-type semiconductor silicon substrate 1 by a thermal oxidation method. Then, a window 5 is opened by removing a part of the first gate insulating film 4 on the second conductivity type impurity region 3 and a part of the first gate insulating film 4 by a photo-etching process. 8 to 12 using the thermal oxidation method
Next, a tunnel insulating film 6 having a thickness of 10 nm is formed.
【0018】上記トンネル絶縁膜6をアンモニア雰囲気
中で急速ランプ熱窒化処理を行った後、前記第1ゲート
絶縁膜4、トンネル絶縁膜6上に第1層目のポリシリコ
ン電極7をCVD(Chemical Vapor Deposition)法により1
50〜450nmの膜厚で形成し、リンのプリデポジシ
ョン法で20〜50Ω/□の不純物ドーピングを行い、
第1層ポリシリコン電極7をフォト、エッチング工程に
よりパターニングする(図1B)。After the tunnel insulating film 6 is subjected to rapid ramp thermal nitriding in an ammonia atmosphere, a first-layer polysilicon electrode 7 is formed on the first gate insulating film 4 and the tunnel insulating film 6 by CVD (Chemical). 1 by the Vapor Deposition method
It is formed to a thickness of 50 to 450 nm, and is doped with an impurity of 20 to 50 Ω / □ by a pre-deposition method of phosphorus.
The first-layer polysilicon electrode 7 is patterned by a photo-etching process (FIG. 1B).
【0019】次に、前記P型半導体シリコン基板1上で
前記第1層ポリシリコン電極7に重ならない部分の前記
第1ゲート絶縁膜4をフォト及びエッチング工程で除去
した後、前記P型半導体シリコン基板1表面に形成され
ている熱窒化シリコン膜8を70〜100℃に加熱され
たアンモニアと過酸化水素水を含む水溶液中に5〜20
分間浸すことにより、2〜5nmの範囲でエッチング除
去する。この熱窒化シリコン膜8は熱窒化直後からP型
半導体シリコン基板全面に存在していたものである(図
1C)。Next, after removing the portion of the first gate insulating film 4 on the P-type semiconductor silicon substrate 1 which does not overlap with the first-layer polysilicon electrode 7 by a photo-etching process, the P-type semiconductor silicon is removed. The thermal silicon nitride film 8 formed on the surface of the substrate 1 is placed in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide heated to 70 to 100 ° C. for 5 to 20 minutes.
By immersing for 2 minutes, etching removal is performed in the range of 2 to 5 nm. This thermal silicon nitride film 8 was present on the entire surface of the P-type semiconductor silicon substrate immediately after thermal nitriding (FIG. 1C).
【0020】前記エッチングされた半導体基板表面に熱
酸化法を用いて膜厚15〜35nmの第2のゲート絶縁
膜9を形成し、同時にこの第2ゲート絶縁膜形成の熱酸
化で前記第1層ポリシリコンゲート電極7上に膜厚30
〜55nmのIPO膜10も作製する。その後、前記第2
ゲート絶縁膜9上とIPO膜10上に第2層目のポリシリ
コン電極11をCVD法により250〜450nmの膜厚
で形成し、リンのプリデポジション法で20〜50Ω/
□の不純物ドーピングを行い、第2層ポリシリコン電極
11をフォト、エッチング工程によりパターニングする
(図1D)。A second gate insulating film 9 having a thickness of 15 to 35 nm is formed on the etched semiconductor substrate surface by a thermal oxidation method, and at the same time, the first layer is formed by the thermal oxidation for forming the second gate insulating film. A film thickness of 30 on the polysilicon gate electrode 7
An IPO film 10 of ~ 55 nm is also prepared. Then, the second
A second-layer polysilicon electrode 11 is formed on the gate insulating film 9 and the IPO film 10 to have a thickness of 250 to 450 nm by a CVD method, and is formed to a thickness of 20 to 50 Ω / cm by a phosphorus pre-deposition method.
Then, the second-layer polysilicon electrode 11 is patterned by a photo-etching process (FIG. 1D).
【0021】図2は本発明にかかわる半導体不揮発性メ
モリの製造方法の別の一実施例を説明するための工程断
面図である。前記の実施例と同様に第1導電型のP型半
導体シリコン基板1にLOCOS法で素子分離領域2を形成
した後に、前記素子分離領域2に隣接した活性領域の一
部分に第2導電型である砒素の不純物領域3をフォト及
びイオンインプラ工程で形成する(図2A)。この図に
も素子分離領域2下に設けられる分離のための不純物領
域は図示していない。FIG. 2 is a process sectional view for explaining another embodiment of the method of manufacturing a semiconductor nonvolatile memory according to the present invention. After forming the element isolation region 2 on the P-type semiconductor silicon substrate 1 of the first conductivity type by the LOCOS method in the same manner as in the above-described embodiment, a part of the active region adjacent to the element isolation region 2 is of the second conductivity type. The arsenic impurity region 3 is formed by a photo and ion implantation process (FIG. 2A). Also in this figure, an impurity region for isolation provided below the element isolation region 2 is not shown.
【0022】次にインプラマスクとして用いられたフォ
トレジストを剥離した後、前記P型半導体シリコン基板
1上に第1のゲート絶縁膜4を熱酸化法により形成す
る。その後、前記第2導電型の不純物領域3上で且つ第
1ゲート絶縁膜4の一部領域をフォト及びエッチング工
程で除去して窓部5を開け、前記第2導電型の不純物領
域3上にトンネル絶縁膜6を作製する。Next, after removing the photoresist used as the implantation mask, a first gate insulating film 4 is formed on the P-type semiconductor silicon substrate 1 by a thermal oxidation method. Then, a window 5 is opened by removing a part of the first gate insulating film 4 on the second conductivity type impurity region 3 and a part of the first gate insulating film 4 by a photo-etching process. The tunnel insulating film 6 is manufactured.
【0023】上記トンネル絶縁膜6をアンモニア雰囲気
中で急速ランプ熱窒化処理を行った後、前記第1ゲート
絶縁膜4、トンネル絶縁膜6上に第1層目のポリシリコ
ン電極7をCVD、フォト、エッチング工程によりパター
ニングして形成する(図2B)。次に、前記第1層ポリ
シリコンゲート電極の表面を、800〜1050℃の窒
素で希釈された酸素雰囲気で2〜3nm熱酸化を行い、
薄いIPO膜12を形成してアンモニアと過酸化水素水を
含む水溶液に対する耐エッチング膜を形成する。その
後、前記P型半導体シリコン基板1上で前記第1層ポリ
シリコン電極7に重ならない部分の前記第1ゲート絶縁
膜4をフォト及びエッチング工程で除去した後、前記P
型半導体シリコン基板1表面に形成されている熱窒化シ
リコン膜8をアンモニアと過酸化水素水を含む水溶液中
で2〜5nmの範囲でエッチング除去する。この熱窒化
シリコン膜8は熱窒化直後からP型半導体シリコン基板
全面に存在していたものである(図2C)。After performing a rapid ramp thermal nitridation process on the tunnel insulating film 6 in an ammonia atmosphere, a first-layer polysilicon electrode 7 is formed on the first gate insulating film 4 and the tunnel insulating film 6 by CVD and photolithography. Then, it is formed by patterning by an etching process (FIG. 2B). Next, the surface of the first-layer polysilicon gate electrode is thermally oxidized by 2 to 3 nm in an oxygen atmosphere diluted with nitrogen at 800 to 1050 ° C.
A thin IPO film 12 is formed to form an etching resistant film with respect to an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide solution. Then, a portion of the first gate insulating film 4 that does not overlap the first layer polysilicon electrode 7 on the P-type semiconductor silicon substrate 1 is removed by a photo and etching process.
The thermal silicon nitride film 8 formed on the surface of the type semiconductor silicon substrate 1 is etched away in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide in a range of 2 to 5 nm. This thermal silicon nitride film 8 was present on the entire surface of the P-type semiconductor silicon substrate immediately after thermal nitriding (FIG. 2C).
【0024】前記エッチングされた半導体基板表面に熱
酸化法を用いて膜厚15〜35nmの第2のゲート絶縁
膜9を形成し、同時にこの第2ゲート絶縁膜形成の熱酸
化で前記第1層ポリシリコンゲート電極7上に膜厚30
〜55nmのIPO膜10も作製する。その後、前記第2
ゲート絶縁膜9上とIPO膜10上に第2層目のポリシリ
コン電極11をCVD、フォト、エッチング工程によりパ
ターニングし形成する(図2D)。A second gate insulating film 9 having a thickness of 15 to 35 nm is formed on the etched semiconductor substrate surface by a thermal oxidation method, and at the same time, the first layer is formed by the thermal oxidation for forming the second gate insulating film. A film thickness of 30 on the polysilicon gate electrode 7
An IPO film 10 of ~ 55 nm is also prepared. Then, the second
A second-layer polysilicon electrode 11 is formed on the gate insulating film 9 and the IPO film 10 by patterning by CVD, photo, and etching steps (FIG. 2D).
【0025】図3は本発明にかかわる半導体不揮発性メ
モリの製造方法のさらに別の一実施例を説明するための
工程断面図である。前記の実施例と同様に第1導電型の
P型半導体シリコン基板1にLOCOS法で素子分離領域2
を形成した後に、前記素子分離領域2に隣接した活性領
域の一部分に第2導電型である砒素の不純物領域3をフ
ォト及びイオンインプラ工程で形成する(図3A)。こ
の図にも素子分離領域2下に設けられる分離のための不
純物領域は図示していない。FIG. 3 is a process sectional view for explaining still another embodiment of the method for manufacturing a semiconductor nonvolatile memory according to the present invention. In the same manner as in the above embodiment, the element isolation region 2 is formed on the first conductivity type P-type
Is formed, an arsenic impurity region 3 of the second conductivity type is formed in a part of the active region adjacent to the element isolation region 2 by a photo and ion implantation process (FIG. 3A). Also in this figure, an impurity region for isolation provided below the element isolation region 2 is not shown.
【0026】次にインプラマスクとして用いられたフォ
トレジストを剥離した後、前記P型半導体シリコン基板
1上に第1のゲート絶縁膜4を熱酸化法により形成す
る。その後、前記第2導電型の不純物領域3上で且つ第
1ゲート絶縁膜4の一部領域をフォト及びエッチング工
程で除去して窓部5を開け、前記第2導電型の不純物領
域3上にトンネル絶縁膜6を作製する。Next, after removing the photoresist used as the implantation mask, a first gate insulating film 4 is formed on the P-type semiconductor silicon substrate 1 by a thermal oxidation method. Then, a window 5 is opened by removing a part of the first gate insulating film 4 on the second conductivity type impurity region 3 and a part of the first gate insulating film 4 by a photo-etching process. The tunnel insulating film 6 is manufactured.
【0027】上記トンネル絶縁膜6をアンモニア雰囲気
中で急速ランプ熱窒化処理を行った後、前記第1ゲート
絶縁膜4、トンネル絶縁膜6上に第1層目のポリシリコ
ン電極7をCVD、フォト、エッチング工程によりパター
ニングして形成する(図3B)。次に、前記第1層ポリ
シリコンゲート電極7の表面を、950〜1050℃の
窒素希釈された酸素雰囲気で膜厚10〜15nm程度の
熱酸化を行い、ONO膜16の下層ポリシリコン酸化膜1
3を形成する。さらに前記下層ポリシリコン酸化膜13
上に700〜800℃のアンモニアとシランガスのCVD
により膜厚10〜20nm程度の中層シリコン窒化膜1
4をデポジションする。その後、前記P型半導体シリコ
ン基板1上で前記第1層ポリシリコン電極7に重ならな
い部分の前記第1ゲート絶縁膜4と下層ポリシリコン酸
化膜13、中層シリコン窒化膜14をフォト及びエッチ
ング工程で除去した後、前記P型半導体シリコン基板1
表面に形成されている熱窒化シリコン膜8をアンモニア
と過酸化水素水を含む水溶液中で2〜5nmの範囲でエ
ッチング除去する。この熱窒化シリコン膜8は熱窒化直
後からP型半導体シリコン基板全面に存在していたもの
である(図3C)。After performing a rapid ramp thermal nitridation process on the tunnel insulating film 6 in an ammonia atmosphere, a first-layer polysilicon electrode 7 is formed on the first gate insulating film 4 and the tunnel insulating film 6 by CVD and photolithography. Then, it is formed by patterning through an etching process (FIG. 3B). Next, the surface of the first-layer polysilicon gate electrode 7 is thermally oxidized to a thickness of about 10 to 15 nm in an oxygen atmosphere diluted with nitrogen at 950 to 1050 ° C. to form a lower polysilicon oxide film 1 of the ONO film 16.
Form 3 Further, the lower polysilicon oxide film 13
CVD of ammonia and silane gas at 700-800 ℃
Middle silicon nitride film 1 having a thickness of about 10 to 20 nm
4 is deposited. Thereafter, portions of the first gate insulating film 4, the lower polysilicon oxide film 13, and the middle silicon nitride film 14 which do not overlap the first polysilicon electrode 7 on the P-type semiconductor silicon substrate 1 are subjected to photo and etching processes. After removal, the P-type semiconductor silicon substrate 1
The thermal silicon nitride film 8 formed on the surface is etched away in the range of 2 to 5 nm in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide solution. This thermal silicon nitride film 8 is present on the entire surface of the P-type semiconductor silicon substrate immediately after thermal nitriding (FIG. 3C).
【0028】前記エッチングされた半導体基板表面に熱
酸化法を用いて膜厚15〜35nmの第2のゲート絶縁
膜9を形成し、同時にこの第2ゲート絶縁膜形成の熱酸
化で前記第1層ポリシリコンゲート電極7上の中層シリ
コン窒化膜14を熱酸化して膜厚3〜5nm程度の上層
シリコン酸化膜15も作製する。その後、前記第2ゲー
ト絶縁膜9上と前記下層ポリシリコン酸化膜13、中層
シリコン窒化膜14、上層シリコン酸化膜15の三層の
積層複合絶縁膜であるONO膜16上に第2層目のポリシ
リコン電極11をCVD、フォト、エッチング工程により
パターニングする(図3D)。A second gate insulating film 9 having a thickness of 15 to 35 nm is formed on the etched semiconductor substrate surface by a thermal oxidation method, and at the same time, the first layer is formed by the thermal oxidation for forming the second gate insulating film. The middle silicon nitride film 14 on the polysilicon gate electrode 7 is thermally oxidized to form an upper silicon oxide film 15 having a thickness of about 3 to 5 nm. Then, a second layer is formed on the second gate insulating film 9 and the ONO film 16 which is a three-layer laminated composite insulating film of the lower polysilicon oxide film 13, the middle silicon nitride film 14, and the upper silicon oxide film 15. The polysilicon electrode 11 is patterned by a CVD, photo, and etching process (FIG. 3D).
【0029】[0029]
【発明の効果】半導体不揮発性メモリにおいて書き換え
特性改善のための熱窒化処理に伴うプロセスにおいて、
熱窒化処理後に形成するゲート絶縁膜膜質の劣化を、半
導体シリコン基板表面に寄生的に形成されてしまう熱窒
化シリコン膜を選択的にエッチングする工程を付加する
ことにより防止できる。In a process accompanying a thermal nitridation process for improving rewriting characteristics in a semiconductor nonvolatile memory,
Deterioration of the quality of the gate insulating film formed after the thermal nitriding treatment can be prevented by adding a step of selectively etching the thermal silicon nitride film which is formed parasitically on the surface of the semiconductor silicon substrate.
【図1】図1は、本発明にかかわる半導体不揮発性メモ
リの製造方法の一実施例を説明する工程断面図である。FIG. 1 is a process cross-sectional view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor nonvolatile memory according to the present invention.
【図2】図2は、本発明にかかわる半導体不揮発性メモ
リの製造方法の別の一実施例を説明する工程断面図であ
る。FIG. 2 is a process cross-sectional view for explaining another embodiment of the method for manufacturing a semiconductor nonvolatile memory according to the present invention.
【図3】図3は、本発明にかかわる半導体不揮発性メモ
リの製造方法の更に別の一実施例を説明する工程断面図
である。FIG. 3 is a process cross-sectional view for explaining still another embodiment of the method for manufacturing a semiconductor nonvolatile memory according to the present invention.
1 P型半導体シリコン基板 2 素子分離領域 3 不純物領域 4 第1のゲート絶縁膜 5 窓部 6 トンネル絶縁膜 7 第1層ポリシリコンゲート電極 8 熱窒化シリコン膜 9 第2のゲート絶縁膜 10 IPO膜 11 第2層ポリシリコン電極 12 薄いIPO膜 13 下層ポリシリコン酸化膜 14 中層シリコン窒化膜 15 上層シリコン酸化膜 16 ONO膜 Reference Signs List 1 P-type semiconductor silicon substrate 2 Element isolation region 3 Impurity region 4 First gate insulating film 5 Window 6 Tunnel insulating film 7 First-layer polysilicon gate electrode 8 Thermal nitride film 9 Second gate insulating film 10 IPO film 11 second layer polysilicon electrode 12 thin IPO film 13 lower layer polysilicon oxide film 14 middle layer silicon nitride film 15 upper layer silicon oxide film 16 ONO film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F001 AA09 AA21 AA25 AA33 AA43 AA61 AA63 AB02 AB07 AC02 AC20 AD12 AD41 AD62 AF07 AG02 AG12 AG23 AG29 AG40 5F083 EP02 EP14 EP15 EP27 EP55 ER03 ER05 ER06 ER14 ER15 ER16 ER21 GA21 GA24 JA04 JA05 PR05 PR12 PR16 PR43 PR53 ZA07 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F-term (reference) PR05 PR12 PR16 PR43 PR53 ZA07
Claims (5)
素子分離領域を形成した後に、前記素子分離領域に隣接
した活性領域の一部分に第2導電型の不純物領域をフォ
ト及びイオンインプラ工程で形成する工程と、インプラ
マスクとして用いられたフォトレジストを剥離した後、
前記半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を熱酸化法によ
り形成する工程と、前記第2導電型の不純物領域上で且
つ第1のゲート絶縁膜の一部領域をフォト及びエッチン
グ工程で除去する工程と、前記第2導電型の不純物領域
上に熱酸化法を用いてトンネル絶縁膜を形成する工程
と、前記トンネル絶縁膜をアンモニア雰囲気中で急速ラ
ンプ熱窒化処理を行う工程と、前記トンネル絶縁膜上に
第1層目のポリシリコン電極をCVD(Chemical VaporDepo
sition)法により形成する工程と、前記第1層ポリシリ
コンゲート電極をリンのプリデポジション法で不純物ド
ーピングを行う工程と、前記第1層ポリシリコン電極を
フォトエッチング工程によりパターニングする工程と、
前記半導体基板上で第2層目のポリシリコンゲート電極
と挟まれる領域で且つ前記第1層ポリシリコン電極に重
ならない部分の前記第1のゲート絶縁膜をフォト及びエ
ッチング工程で除去する工程と、前記半導体基板上で第
2層目のポリシリコンゲート電極と挟まれる領域で且つ
前記第1層ポリシリコン電極に重ならない部分の前記半
導体基板表面の一部分をエッチングで除去する工程と、
前記エッチングされた半導体基板表面に熱酸化法を用い
て第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第2のゲ
ート絶縁膜の熱酸化で前記第1層ポリシリコンゲート電
極上に形成されたIPO(Inter Poly Oxide)膜上と前記第
2のゲート絶縁膜上に第2層目のポリシリコン電極を形
成する工程と、前記第2層ポリシリコンゲート電極をリ
ンのプリデポジション法で不純物ドーピングを行う工程
と、前記第2層ポリシリコン電極をフォト、エッチング
工程によりパターニングする工程からなることを特徴と
する半導体不揮発性メモリの製造方法。An element isolation region is formed on a semiconductor substrate of a first conductivity type by a LOCOS method, and then an impurity region of a second conductivity type is formed in a part of an active region adjacent to the element isolation region by a photo and ion implantation process. After removing the photoresist used as the implantation mask,
Forming a first gate insulating film on the semiconductor substrate by a thermal oxidation method, and removing a partial region of the first gate insulating film on the impurity region of the second conductivity type by a photo and etching process Forming a tunnel insulating film on the impurity region of the second conductivity type using a thermal oxidation method; performing a rapid ramp thermal nitridation process on the tunnel insulating film in an ammonia atmosphere; A first layer polysilicon electrode is formed on the film by CVD (Chemical Vapor Depo).
forming the first-layer polysilicon gate electrode by an impurity doping method by phosphorus pre-deposition, and patterning the first-layer polysilicon electrode by a photo-etching step.
Removing a portion of the first gate insulating film in a region on the semiconductor substrate which is sandwiched between a second-layer polysilicon gate electrode and the portion not overlapping the first-layer polysilicon electrode by a photo-etching process; Etching a portion of the semiconductor substrate surface in a region on the semiconductor substrate that is sandwiched between the second-layer polysilicon gate electrode and a portion that does not overlap the first-layer polysilicon electrode;
Forming a second gate insulating film on the etched semiconductor substrate surface by using a thermal oxidation method, and forming the second gate insulating film on the first layer polysilicon gate electrode by thermal oxidation. Forming a second-layer polysilicon electrode on the IPO (Inter Poly Oxide) film and on the second gate insulating film; and doping the second-layer polysilicon gate electrode with an impurity by a phosphorus pre-deposition method. And a step of patterning the second-layer polysilicon electrode by a photo-etching step.
シリンゲート電極と挟まれる領域で且つ前記第1層ポリ
シリコン電極に重ならない部分の前記半導体基板表面を
2〜5nm範囲でエッチングする工程として、70〜1
00℃に加熱されたアンモニアと過酸化水素水を含む水
溶液中に5〜20分間浸す請求項1に記載の半導体不揮
発性メモリの製造方法。2. A region of the semiconductor substrate between the second-layer polysilicon electrode and the portion not overlapping with the first-layer polysilicon electrode is etched in a range of 2 to 5 nm on the semiconductor substrate. As a process, 70-1
2. The method according to claim 1, wherein the semiconductor memory is immersed for 5 to 20 minutes in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide heated to 00C.
エッチングする工程の前にパターニングされた前記第1
層ポリシリコンゲート電極の表面を、800〜1050
℃の窒素で希釈された酸素雰囲気で2〜3nm熱酸化を
行い、IPO膜を形成して耐エッチング膜を形成する工程
を追加した請求項1に記載の半導体不揮発性メモリの製
造方法。3. The method according to claim 1, wherein the patterning is performed before the step of etching the semiconductor substrate surface in a range of 2 to 5 nm.
The surface of the layer polysilicon gate electrode is
2. The method for manufacturing a semiconductor nonvolatile memory according to claim 1, further comprising a step of performing thermal oxidation in an oxygen atmosphere diluted with nitrogen at a temperature of 2 [deg.] C. to form an IPO film and forming an etching resistant film.
リシリコンゲート電極の表面を熱酸化してポリシリコン
酸化膜を形成する工程と、前記ポリシリコン酸化膜上に
CVD法によりシリコン窒化膜を形成する工程と、前記ポ
リシリコン酸化膜とシリコン窒化膜からなる積層複合絶
縁膜が存在する領域で且つ前記半導体基板上で第2層目
のポリシリコンゲート電極と挟まれる領域で且つ前記第
1層ポリシリコン電極に重ならない部分の前記第1のゲ
ート絶縁膜をフォト及びエッチング工程で除去する工程
と、前記半導体基板上で第2層目のポリシリコンゲート
電極と挟まれる領域で且つ前記第1層ポリシリコン電極
に重ならない部分の前記半導体基板表面の一部分をエッ
チングで除去する工程と、前記エッチングされた半導体
基板表面に熱酸化法を用いて第2のゲート絶縁膜を形成
する工程からなる請求項1記載の半導体不揮発性メモリ
の製造方法。4. A step of forming a polysilicon oxide film by thermally oxidizing a surface of the first layer polysilicon gate electrode instead of only the IPO film, and forming a polysilicon oxide film on the polysilicon oxide film.
A step of forming a silicon nitride film by a CVD method, and a region in which a laminated composite insulating film composed of the polysilicon oxide film and the silicon nitride film is present and sandwiched between a second-layer polysilicon gate electrode on the semiconductor substrate Removing the first gate insulating film in a region that does not overlap with the first-layer polysilicon electrode by a photo-etching step; and sandwiching the second-layer polysilicon gate electrode on the semiconductor substrate. Etching away a portion of the semiconductor substrate surface in a region that does not overlap the first-layer polysilicon electrode; and forming a second gate insulating film on the etched semiconductor substrate surface using a thermal oxidation method. 2. The method according to claim 1, comprising the step of forming.
層複合絶縁膜のシリコン窒化膜の熱酸化工程も兼用した
工程であり、最終的な複合絶縁膜の構成がONO(Oxide-Ni
tride-Oxide)膜になる工程である請求項4に記載の半導
体不揮発性メモリの製造方法。5. The thermal oxidation of the second gate insulating film is a step also serving as a thermal oxidation step of a silicon nitride film of the laminated composite insulating film, and the final composite insulating film has a configuration of ONO (Oxide-Ni
5. The method for manufacturing a semiconductor nonvolatile memory according to claim 4, wherein the method is a step of forming a tride-oxide film.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2007027406A (en) * | 2005-07-15 | 2007-02-01 | Oki Electric Ind Co Ltd | Manufacturing method of semiconductor device |
CN100375269C (en) * | 2002-06-07 | 2008-03-12 | 株式会社日立制作所 | Semiconductor device and method for manufacturing thereof |
CN105097953A (en) * | 2014-05-13 | 2015-11-25 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Semi-floating gate transistor structure |
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1999
- 1999-04-06 JP JP11098734A patent/JP2000294659A/en active Pending
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