JP2002203917A - 不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法 - Google Patents
不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法Info
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Abstract
は高速化を図る。また、デバイス特性の経時変化を抑制
する。 【解決手段】電荷保持能力を有した電荷蓄積層CSを内
部に含み、半導体SUBの活性領域上に積層された複数
の誘電体膜と、複数の誘電体膜上の電極Gとを有してい
る。電荷蓄積層CSが、窒化珪素または酸化窒化珪素か
らなる第1の窒化膜CS1と、窒化珪素または酸化窒化
珪素からなり、第1の窒化膜CSより電荷トラップ密度
が高い第2の窒化膜CS2とを含む。
Description
ROM(Flash Electrically Erasable and Programmabl
e ROM)に代表される不揮発性半導体記憶装置の電荷蓄積
層の構造および作製法に関する。
ける情報の保持は、チャネルが形成される半導体活性領
域上で二酸化珪素に挟まれたポリシリコン、あるいは二
酸化珪素に挟まれた窒化珪素等の層(以下、電荷蓄積層
という)に電荷を蓄積することにより行われる。十分な
電荷保持時間の実現は、その半導体活性領域側の二酸化
珪素膜(ボトム誘電体膜)を厚くすることで可能にな
る。一般に、ポリシリコンを電荷蓄積層とするFG(Flo
ating Gate) 型におけるボトム誘電体膜は約10nm以
上、窒化珪素膜を電荷蓄積層とするMONOS(Metal-O
xide-Nitride-Oxide-Semiconductor) 型におけるボトム
誘電体膜は約3nm以上成膜することが必要である。ま
た、電荷蓄積層上の酸化珪素膜(トップ誘電体膜)は、
その上に積層されたゲート電極との間で電荷の移動を防
ぐのに必要な厚さが必要である。
ト電極に電圧を印加しボトム誘電体膜に高い電界を生じ
させる。一般に、この電界の強さおよびボトム誘電体膜
厚に応じて決まる電気伝導機構、すなわちダイレクトト
ンネリング現象あるいはFN(Fowler-Nordheim) トンネ
リング現象によりボトム誘電体膜内を電荷が伝導し、電
荷蓄積層に注入される。このトンネリング現象を用いた
電荷注入を、以下、“トンネル注入”という。トンネル
注入は、チャネル全面から行う場合と、ソースまたはド
レインの一方または双方から行う場合がある。
体活性領域でボトム誘電体膜の障壁高さを越えるまで電
荷をエネルギー的に励起する方法がある。最も一般的な
“チャネルホットキャリア(ホットエレクトロンまたは
ホットホール)注入”と呼ばれる方法では、ゲート電極
両サイドの半導体活性領域内に設けたソース領域とドレ
イン領域間に電圧を印加し、かつゲート電極に電圧を印
加してソースとドレイン間に反転層(チャネル)を形成
し、ソース側から供給されチャネル内を走行するキャリ
アを加速させる。このキャリアはチャネル方向に印加さ
れている電界からエネルギーを受けてドレイン端側でホ
ットキャリアとなり、その一部が、ボトム誘電体膜とシ
リコンとのエネルギー障壁高さを越えて上記した電荷蓄
積層に注入される。なお、チャネルを形成せずにソース
領域またはドレイン領域とゲート電極に高い電圧を印加
し、その領域の表面部を強制的に反転させてバンド−バ
ンド間トンネリングを発生させ、これにより発生した高
エネルギー電荷を電荷蓄積層に注入する方法も知られて
いる。
トンネル注入時とは逆方向の電界を印加し、電荷蓄積層
からチャネル側に電荷を強制的に引き抜くことで実現で
きる。また、蓄積された電荷と逆極性の電荷を電荷蓄積
層に注入することでも、電荷を引く抜く場合と同様な効
果が得られる。
は蓄積電荷量を検出する際には、ソースとドレイン間の
電圧およびゲート電圧を所定の値にする。このときのバ
イアス条件を最適化すると、電荷の有無または蓄積電荷
量に応じてチャネルの導電率が顕著に変化する。したが
って、電荷蓄積層内の電荷の有無または蓄積電荷量がチ
ャネル電流量またはドレイン電圧変化に効果的に変換さ
れ、これにより記憶情報の検出が可能となる。
化珪素膜または酸化窒化珪素膜からなる従来のMONO
S型メモリトランジスタでは、必要な電荷保持時間を確
保するためにボトム誘電体膜厚を3nm以下に薄膜化で
きないといった課題があった。また、半導体活性領域と
ゲート電極間の誘電体膜厚を二酸化珪素換算で薄くでき
ないため、低電圧化あるいは高速化が進まないという課
題があった。
スタでは、ゲート電極と電荷蓄積層(窒化珪素膜)との
間のトップ誘電体膜は二酸化珪素膜からなっていた。二
酸化珪素膜内では水素原子は拡散しやすいために、素子
作製直後に窒化珪素内に含まれる水素が二酸化珪素内を
拡散し窒化珪素膜から抜けてしまうことがある。窒化珪
素膜内で珪素と結合している水素の量は電荷トラップ量
と正の相関がある。このため、素子作製直後に窒化珪素
膜から水素が抜けると、窒化珪素内に存在する電荷トラ
ップ量が減少し、その結果、デバイス特性の経時変化が
生じている可能性があった。
積電荷の分布中心をチャネル側から出来るだけ離すこと
により電荷保持特性を改善し、あるいは必要な電荷保持
時間を維持しながらボトム誘電体膜を薄膜化して、結果
として低電圧化および/または高速化を達成できる電荷
蓄積層構造を有した不揮発性半導体記憶装置と、その製
造方法を提供することにある。本発明の第2の目的は、
水素を閉じ込めて電荷トラップ量を形成直後の状態から
減少させない電荷蓄積層構造を有し、デバイス特性の経
時変化を抑制した不揮発性半導体記憶装置と、その製造
方法を提供することにある。
る不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、上記第1の目
的を達成するものであり、電荷保持能力を有した電荷蓄
積層を含む複数の誘電体膜を半導体の活性領域上に形成
し、電極を上記複数の誘電体膜上に形成する不揮発性半
導体記憶装置の製造方法であって、上記複数の誘電体膜
の形成時に以下の諸工程、すなわち、クロルシランSi
HX1Cl4-X1 (x1=1,2) 、クロルジシランSi2 Hy1C
l6-y1(y1=1,2,3,4)または四塩化珪素SiCl4 からな
る塩素含有ガスと窒素含有ガスとを原料に用いた化学的
気相堆積により第1の窒化膜を形成する工程と、上記第
1の窒化膜の形成時に用いる上記塩素含有ガスより塩素
の組成比が低いクロルシランSiHX2Cl4-X2 (x2>x
1, x2=2,3) 、クロルジシランSi2 Hy2Cl6-y2 (y2
>y1, y2=2,3,4,5) 、モノシランSiH4 またはジシラ
ンSi2 H6 からなる塩素含有ガスと窒素含有ガスとを
原料に用いた化学的気相堆積により第2の窒化膜を形成
する工程とを含む。あるいは、上記複数の誘電体膜の形
成時に以下の諸工程、すなわち、ボトム誘電体膜を上記
半導体の活性領域上に形成する工程と、クロルシランS
iHX1Cl 4-X1 (x1=1,2) 、クロルジシランSi2 Hy1
Cl6-y1(y1=1,2,3,4)または四塩化珪素SiCl4 から
なる塩素含有ガスと窒素含有ガスとを原料に用いた化学
的気相堆積により、第1の窒化膜を上記ボトム誘電体膜
上に形成する工程と、上記第1の窒化膜の形成時に用い
る上記塩素含有ガスより塩素の組成比が低いクロルシラ
ンSiHX2Cl4-X2 (x2>x1, x2=2,3) 、クロルジシラ
ンSi2 Hy2Cl6-y2(y2>y1, y2=2,3,4,5) 、モノシ
ランSiH4 またはジシランSi2 H6 からなる塩素含
有ガスと窒素含有ガスとを原料に用いた化学的気相堆積
により、第2の窒化膜を上記第1の窒化膜上に形成する
工程とを含む。
堆積時の上記塩素含有ガスとして四塩化珪素SiCl4
を用い、上記第2の窒化膜の化学的気相堆積時の上記塩
素含有ガスとして三塩化シランSiHCl3 ,ジクロル
シランSiH2 Cl2 またはモノシランSiH4 を用い
る。あるいは、上記第1の窒化膜の化学的気相堆積時の
上記塩素含有ガスとして三塩化シランSiHCl3 を用
い、上記第2の窒化膜の化学的気相堆積時の上記塩素含
有ガスとしてジクロルシランSiH2 Cl2 またはモノ
シランSiH4 を用いる。あるいは、上記第1の窒化膜
の化学的気相堆積時の上記塩素含有ガスとしてジクロル
シランSiH2 Cl2 を用い、上記第2の窒化膜の化学
的気相堆積時の上記塩素含有ガスとしてモノシランSi
H4 を用いる。
3 を用いる。あるいは、上記窒素含有ガスとして、窒素
により希釈したアンモニアNH3 を用いる。あるいは、
上記窒素含有ガスとして、周波数5〜500MHzの交
流電磁場により電離した窒素を用いる。
めに、好適に、上記複数の誘電体膜の形成時に以下の諸
工程、すなわち、上記第2の窒化膜の形成時に用いる上
記塩素含有ガスより塩素の組成比が高いクロルシランS
iHX3Cl4-X3 (x3<x2, x3=1,2) 、クロルジシランS
i2 Hy3Cl6-y3 (y3<y2, y3=1,2,3,4) または四塩化
珪素SiCl4 からなる塩素含有ガスと窒素含有ガスと
を原料に用いた化学的気相堆積により、第3の窒化膜を
上記第2の窒化膜上に形成する工程と、上記第3の窒化
膜上にトップ誘電体膜を形成する工程とをさらに含む。
上記第3の窒化膜の表面を熱酸化する。あるいは、上記
トップ誘電体膜の形成時に、ジクロルシランSiH2 C
l2 ,三塩化シランSiHCl3 または四塩化珪素Si
Cl4 と酸化二窒素N2 Oとを用いた化学的気相堆積に
より、二酸化珪素膜を上記第3の窒化膜上に形成する。
記憶装置は、前記した本発明の第1の目的を達成するた
めのものであり、電荷保持能力を有した電荷蓄積層を内
部に含み、半導体の活性領域上に積層された複数の誘電
体膜と、上記複数の誘電体膜上の電極とを有した不揮発
性半導体記憶装置であって、上記電荷蓄積層が、窒化珪
素または酸化窒化珪素からなる第1の窒化膜と、窒化珪
素または酸化窒化珪素からなり、上記第1の窒化膜より
電荷トラップ密度が高い第2の窒化膜とを含む。好適
に、ボトム誘電体膜が上記半導体の活性領域上に形成さ
れ、上記第1の窒化膜と上記第2の窒化膜が、この順で
上記ボトム誘電体膜上に積層され、トップ誘電体膜が上
記第2の窒化膜上に形成され、上記電極が上記トップ誘
電体膜上に形成されている。
りもシリコンダングリングボンド密度が高い。また、上
記第1の窒化膜のシリコンダングリングボンド密度は、
5×1016cm-3以下であり、上記第2の窒化膜のシリ
コンダングリングボンド密度は、7×1016cm-3以上
である。第2の窒化膜のシリコンダングリングボンド密
度の上限は、絶縁性を確保できる限りにおいて、特に上
限はない。第1の窒化膜のシリコンダングリングボンド
密度における上記の数値5×1016cm-3は、測定装置
の検出限界である。
めに、好適に、窒化珪素または酸化窒化珪素からなり上
記第2の窒化膜より電荷トラップ密度が低い第3の窒化
膜を、上記複数の誘電体膜内で上記第2の窒化膜と上記
電極との間に有している。好適に、ボトム誘電体膜が上
記半導体の活性領域上に形成され、上記第1の窒化膜,
上記第2の窒化膜および上記第3の窒化膜が、この順で
上記ボトム誘電体膜上に積層され、トップ誘電体膜が上
記第3の窒化膜上に形成され、上記電極が上記トップ誘
電体膜上に形成されている。
み、好適に、上記第1の窒化膜は上記第2の窒化膜より
塩素濃度が高い。上記第1,第2および第3の窒化膜は
塩素を含み、好適に、上記第1および第3の窒化膜は上
記第2の窒化膜より塩素濃度が高い。
素SiNX Oy ,酸化アルミニウムAl2 O3 ,酸化タ
ンタルTa2 O5 ,酸化ジルコニウムZrO2 ,酸化ハ
フニウムHfO2 のいずれかの材料からなるボトム誘電
体膜を、上記半導体の活性領域と上記電荷蓄積層との間
に有している。あるいは、2nm以下の二酸化珪素膜を
上記半導体の活性領域上に有し、酸化窒化珪素SiNX
Oy ,酸化アルミニウムAl2 O3 ,酸化タンタルTa
2 O5,酸化ジルコニウムZrO2 ,酸化ハフニウムH
fO2 のいずれかの材料からなるボトム誘電体膜を、上
記二酸化珪素膜と上記電荷蓄積層との間に有している。
iNX ,酸化窒化珪素SiNX Oy,酸化アルミニウム
Al2 O3 ,酸化タンタルTa2 O5 ,酸化ジルコニウ
ムZrO2 ,酸化ハフニウムHfO2 のいずれかの材料
からなるトップ誘電体膜を、上記複数の誘電体膜の最上
層に有している。
て、記憶素子としてnチャネル型のメモリトランジスタ
を有する場合を例に図面を参照しながら説明する。な
お、pチャネル型のメモリトランジスタは、以下の説明
で不純物導電型を逆にすることで実現される。
タの断面構造を示す。また、図2は、電荷蓄積層の構造
の詳細を示す図1の要部を拡大した図である。
シリコンウエハなどの半導体基板、半導体基板内表面に
形成されたpウエル、またはSOI型基板分離構造のp
型シリコン層(以下、単に基板SUBという)に形成さ
れている。基板SUBの表面に、必要に応じて、たとえ
ばLOCOS(Local Oxidation of Silicon)またはST
I(Shallow Trench Isolation)などにより形成された誘
電体分離層ISOが形成されている。この誘電体分離層
ISOが形成されていない基板表面部分が当該メモリト
ランジスタを含む素子が形成される活性領域となる。
荷蓄積膜CS、トップ誘電体膜TOP、およびゲート電
極Gが積層されている。このゲート電極G自身、あるい
は、ゲート電極Gに接続された図示しない上層配線層に
より、メモリセルアレイのワード線が構成される。
数nm程度の膜厚を有する二酸化珪素SiO2 の膜から
なる。電荷蓄積膜CSは、図2に示すように、主にポテ
ンシャルバリアとして機能する第1窒化膜CS1と、第
1窒化膜CS1上に形成され、主に電荷蓄積手段として
機能する第2窒化膜CS2とからなる。第1および第2
窒化膜CS1,CS2は、窒化珪素SiNX または酸化
窒化珪素(silicon oxynitride)SiOX Ny (x,y>
0)からなる。トップ誘電体膜TPOは、たとえばCV
Dにより作製した二酸化珪素膜からなり、その膜厚は3
nm〜10nm程度である。ゲート電極Gは、CVD法
により形成し高濃度に不純物がドーピングされた多結晶
珪素、または、多結晶珪素と、その上に形成されたWS
i2 ,TiN,TaSi2 ,TiSi2 ,Ti,W,C
u,Al,Au等との蓄積膜からなる。
シリコン活性領域内表面に、いわゆるLDD(Lightly D
oped Drain) を有した2つのソース・ドレイン不純物領
域S/Dが互いに離れて形成されている。動作時の電圧
印加方向に応じて、この2つのソース・ドレイン不純物
領域S/Dの一方がソース、他方がドレインとして機能
する。また、ゲート積層構造の両側面には、いわゆるサ
イドウォールと称せられる絶縁層SWが形成されてい
る。サイドウォールSW直下に位置する活性領域に、n
型不純物が比較的低濃度で浅く導入されることにより、
ソース・ドレイン不純物領域S/Dのn- 不純物領域
(LDD)が形成されている。また、サイドウォールS
Wを自己整合マスクとして、その両外側にn型不純物を
比較的高濃度で深くまで導入することにより、ソース・
ドレイン不純物領域S/Dの主体をなすn+不純物領域
が形成されている。なお、2つのソース・ドレイン不純
物領域S/Dの間の活性領域部分が、当該メモリトラン
ジスタのチャネル形成領域CHである。
を、図面を参照しながら説明する。ここで、図3〜図1
0は、第1実施形態に係るメモリトランジスタの製造に
おける断面図である。図3に示すように、基板SUB上
にLOCOS法またはSTI法により誘電体分離層IS
Oを形成する。また、必要に応じて、メモリトランジス
タのしきい値電圧を調整するための不純物ドーピング
を、たとえばイオン注入法により行う。
UBの表面をO2 またはN2 Oに曝すことにより、1n
m程度の二酸化珪素膜を形成する。基板温度を800℃
から1000℃に保った状態で、二酸化珪素膜の表面を
アンモニアNH3 に数10分間曝し、二酸化珪素膜表面
を窒化する。この高温窒化処理は、つぎの窒化珪素膜の
堆積時のインキュベーション時間を低減するためであ
る。これにより、図4に示すように、約1nmのボトム
誘電体膜BTMが基板SUBのSi活性領域上に形成さ
れる。
に下げ、四塩化珪素(テトラクロルシラン)SiCl4
とアンモニアNH3 を、それぞれ10sccmから50
0sccmの範囲内の所定流量で、かつチャンバ内の圧
力が数100mTorrとなる条件で流し、窒化珪素の
CVDを行う。所定時間経過後にCVDを止めると、図
5に示すように、数nmの窒化珪素膜(第1窒化膜CS
1)がボトム誘電体膜BTM上に形成される。
2窒化膜CS2を形成する。すなわち、同じ基板温度を
保ったまま、あるいは600℃から800℃の範囲内で
基板温度を必要に応じて変え、ジクロルシランSiH2
Cl2 とアンモニアNH3 を、それぞれ10sccmか
ら500sccmの範囲内の所定流量で、かつチャンバ
内の圧力が数100mTorrとなる条件で流し、窒化
珪素のCVDを行う。所定時間経過後にCVDを止める
と、図6に示すように、数nmの窒化珪素膜(第2窒化
膜CS2)が第1窒化膜CS1上に形成される。
に変更してCVDし、トップ誘電体膜TOPを形成す
る。すなわち、同じ基板温度を保ったまま、あるいは6
00℃から800℃の範囲内で必要に応じて変え、ジク
ロルシランSiH2 Cl2 と酸化二窒素N2 Oを、それ
ぞれ数100sccmの所定流量で、かつチャンバ内の
圧力が数100mTorrとなる条件で流し、二酸化珪
素のCVDを行う。所定時間経過後にCVDを止める
と、図7に示すように、数nmの二酸化珪素膜(トップ
誘電体膜TOP)が第2窒化膜CS2上に形成される。
なお、このCVDに代えて、第2窒化膜CS2表面の熱
酸化により、あるいは熱酸化とCVDの組合せによりト
ップ誘電体膜TOPを形成してもよい。この熱酸化時の
第2窒化膜CS2の膜減りを考慮して、図6の工程で予
め、第2窒化膜CS2を最終膜厚より厚く堆積してお
く。
ングされた多結晶珪素を、トップ誘電体膜TOP上にC
VDする。この多結晶珪素の形成では、モノシラン(S
iH 4 ),ジクロルシラン(SiCl2 H2 ),テトラ
クロルシラン(SiCl4 )などの珪素原子を含むガス
を原料としたCVD法、または、多結晶珪素をターゲッ
トとしたスパッタリング法を用いる。ここでは、基板温
度650℃としたCVDにより多結晶珪素を堆積し、必
要に応じて、多結晶珪素上に、金属、高融点金属、その
金属シリサイドを含む合金などからなる低抵抗化層を形
成する。低抵抗化層の材料としては、銅(Cu),アル
ミニウム(Al),金(Au),タングステン(W),
チタン(Ti),タングステンシリサイド(WSi
2 ),タンタルシリサイド(TaSi2 ),チタンナイ
トライド(TiN)などを用いる。このように形成され
たゲート電極Gの厚さは、50nm〜200nm程度で
ある(図8)。
エッチング耐性の優れた誘電体膜のパターンを形成し、
この誘電体膜あるいはレジストをマスクとして異方性の
あるエッチング、たとえばRIE(Reactive Ion Etchin
g)を行う。これにより、図9に示すように、ゲート電極
G,トップ誘電体膜TOP,電荷蓄積膜CSがパターン
ニングされる。
しボトム誘電体膜BTMをスルー膜として、Si活性領
域の表面にn型不純物を低濃度でイオン注入し、n- 不
純物領域(LDD領域,図ではN- で示す)を形成す
る。このイオン注入では、たとえば砒素イオン(As
+ )を1〜5×1013cm-2ほどの密度でドーピングす
る。その後、全面にCVDによりSiO2 膜を100n
m〜200nm程度堆積し、これをRIE等の異方性エ
ッチングによりエッチバックする。これにより、図10
に示すように、ゲートの積層膜G,TOPおよびCSの
側面にサイドウォールSWが形成される。
i活性領域にn型不純物を高濃度でイオン注入し、ソー
ス・ドレイン不純物領域S/Dを形成する(図1)。こ
のイオン注入では、たとえば、ゲートの積層膜およびサ
イドウォールSWをマスクとして自己整合的にAs+ を
1〜5×1015cm-2ほどの密度でドーピングする。そ
の後、層間誘電体膜および配線層の形成を行って、当該
メモリトランジスタを完成させる。
ジスタの第1のバイアス設定例および動作を説明する。
書き込み時に、基板SUBの電位を基準として2つのソ
ース・ドレイン領域S/Dを0Vで保持し、ゲート電極
Gに正の電圧、たとえば10Vを印加する。このとき、
チャネル形成領域CHに電子が蓄積されて反転層が形成
され、その反転層内の電子の一部がボトム誘電体膜BT
Mおよび第1窒化膜CS1をトンネル効果により伝導
し、主に第2窒化膜CS2内に形成された電荷トラップ
に捕獲される。
してソース・ドレイン領域S/Dの一方に0Vを印加
し、他方にたとえば1.5Vを印加し、電荷蓄積膜CS
内の捕獲電子数をしきい値電圧に影響がでるまで変化さ
せない範囲の電圧、たとえば2.5Vをゲート電極Gに
印加する。このバイアス条件下、電荷蓄積膜CS内の捕
獲電子の有無または捕獲電子量に応じてチャネルの導電
率が顕著に変化する。すなわち、電荷蓄積膜CSに電子
が十分注入されている場合、電荷蓄積膜CSに電子が十
分注入されていない場合と比較して蓄積電子がチャネル
の電位を相対的に上昇させチャネル内の電子密度を減少
させるためソースとドレイン間の伝導度が小さい。逆
に、電荷蓄積膜CSに電子が十分注入されていない場合
は、チャネルの電位が相対的に低く、ソースとドレイン
間の伝導度が大きくなる。このチャネルの伝導度の差
は、チャネルの電流量またはドレイン電圧変化に効果的
に変換される。このチャネルの電流量またはドレイン電
圧変化を、たとえばセンスアンプなどの検出回路で増幅
し記憶情報として外部に読み出す。なお、この第1のバ
イアス設定例では、書き込みをチャネル全面で行ったた
め、ソースとドレインの電圧印加方向を上記と逆にして
も読み出しが可能である。
つのソース・ドレイン領域S/Dの双方に0Vを印加
し、ゲート電極Gに負の電圧、たとえば−10Vを印加
する。このとき、電荷蓄積膜CS内で保持されていた電
子がボトム誘電体膜BTMおよび第1窒化膜CS1をト
ンネルしてチャネル形成領域CHに強制的に引き抜かれ
る。これにより、メモリトランジスタは、その電荷蓄積
膜CS内の捕獲電子量が十分低い書き込み前の状態(消
去状態)に戻される。
ジスタの第2のバイアス設定例および動作を説明する。
書き込み時に、基板SUBの電位を基準として2つのソ
ース・ドレイン領域S/Dの一方に0V、他方に5Vを
印加し、ゲート電極Gに正の電圧、たとえば10Vを印
加する。このとき、チャネル形成領域CHに電子が蓄積
されて反転層が形成され、その反転層内にソースから供
給された電子がソースとドレイン間の電界により加速さ
れてドレイン端部側で高い運動エネルギーを得てホット
エレクトロンとなる。ホットエレクトロンの一部が、主
に第1窒化膜CS1で規定されるポテンシャル障壁高さ
より高いエネルギーを持つと、それらの電子は散乱過程
によってボトム誘電体膜BTMを透過しトンネル効果に
より第1窒化膜CS1のポテンシャル障壁を乗り越え、
主に第2窒化膜CS2内に形成された電荷トラップに捕
獲される。
に行う。ただし、第2のバイアス設定例では、書き込み
時に5Vを印加したドレイン側に電荷が蓄積されるた
め、読み出しでは、この電荷蓄積側がソースとなるよう
にソースとドレイン間に電圧を印加する必要がある。消
去時では、第1のバイアス設定時と同様にFNトンネリ
ングを用いるか、または、バンド−バンド間トンネリン
グを用いる。後者の方法では、基板電位を基準としてソ
ース・ドレイン領域S/Dの一方または双方に5Vを印
加し、5Vを印加しないソース・ドレイン領域S/Dは
0Vで保持し、ゲート電極Gに−5Vを印加する。5V
を印加したソース・ドレイン領域S/Dの表面が空乏化
し、その空乏層内が高電界となるためにバンド−バンド
間トンネル電流が発生する。バンド−バンド間トンネル
電流に起因した正孔は電界で加速されて高エネルギーを
得る。この高いエネルギーの正孔はゲート電圧に引きつ
けられて電荷蓄積膜CS内の電荷トラップに注入され
る。その結果、電荷蓄積膜内の蓄積電子は注入された正
孔により電荷が打ち消され、当該メモリトランジスタが
消去状態、すなわちしきい値電圧が低い状態に戻され
る。
ジスタの第3のバイアス設定例および動作を説明する。
バイアス設定の基本は第2のバイアス設定例と同様であ
るが、この第3のバイアス設定例では2ビットを1メモ
リトランジスタ内に記憶する動作を説明する。第1の情
報の書き込み時に、基板SUBの電位を基準として2つ
のソース・ドレイン領域S/Dの一方に0V、他方に5
Vを印加し、ゲート電極Gに正の電圧、たとえば10V
を印加する。このとき、チャネル形成領域CHに電子が
蓄積されて反転層が形成され、その反転層内にソースか
ら供給された電子がソースとドレイン間の電界により加
速されてドレイン端部側で高い運動エネルギーを得てホ
ットエレクトロンとなる。ホットエレクトロンの一部
が、主に第1窒化膜CS1で規定されるポテンシャル障
壁高さより高いエネルギーを持つと、それらの電子は散
乱過程によってボトム誘電体膜BTMを透過しトンネル
効果により第1窒化膜CS1のポテンシャル障壁を乗り
越え、主に第2窒化膜CS2内に形成された電荷トラッ
プに捕獲される。第2の情報の書き込み時に、2つのソ
ース・ドレイン領域S/Dの電圧を上記した第1の情報
の書き込み時と逆にする。上記した第1の情報の書き込
み時には、5Vを印加したソース・ドレイン領域S/D
側からチャネルホットエレクトロンが注入され、電荷蓄
積膜CSの他方端部を中心とした一部の領域に電子が捕
獲されている。これに対し、この第2の情報の書き込み
では、電荷蓄積膜CSの一方端部側に第1の情報とは独
立に2値情報(第2の情報)を書き込むために、2つの
ソース・ドレイン領域S/Dの他方に0Vを印加し、一
方に5Vを印加する。0Vを印加した他方のソース・ド
レイン領域S/Dから供給された電子は、5Vを印加し
た一方のソース・ドレイン領域S/D側でホットエレク
トロン化し、電荷蓄積膜の一方側の一部に注入される。
なお、この第3の動作例で2つの2ビット情報が互いに
重ならないように、電子の注入量およびメモリトランジ
スタのゲート長が決められる。
し対象の情報が書き込まれた側に近いほうのソース・ド
レイン領域S/Dがソースとなるように、ソースとドレ
イン間の電圧印加方向が決められる。第1の情報を読み
出す際には、第1の情報に近い他方のソース・ドレイン
領域S/Dに0Vを印加し、一方のソース・ドレイン領
域S/Dに1.5Vを印加し、電荷蓄積膜CS内の捕獲
電子数をしきい値電圧に影響がでるまで変化させない範
囲の電圧、たとえば2.5Vをゲート電極Gに印加す
る。このバイアス条件下、電荷蓄積膜CS内のソース側
端部に存在する捕獲電子の有無または捕獲電子量に応じ
てチャネルの導電率が顕著に変化する。すなわち、電荷
蓄積膜CSのソース側端部に電子が十分注入されている
場合、電荷蓄積膜CSのソース側端部に電子が十分注入
されていない場合と比較して蓄積電子がチャネルのソー
ス側部分の電位を相対的に上昇させチャネル内の電子密
度を減少させるためソースとドレイン間の伝導度が小さ
い。このとき、ドレイン側近傍ではドレイン電圧によっ
て電子に対するポテンシャルが、電荷蓄積膜CSのドレ
イン側端部の電子の有無にかかわらず低くなっている。
また、この読み出し時にドレイン端部がピンチオフ状態
となるため、電荷蓄積膜CSのドレイン側端部の電子の
有無がチャネルの伝導度に対する影響が小さくなる。す
なわち、トランジスタのしきい値電圧は、より低い電界
のソース側の捕獲電子の量を反映したものとなるため、
このバイアス条件下では第1の情報が検出回路によって
読み出される。一方、第2の情報を読み出す際には、第
2の情報に近い一方のソース・ドレイン領域S/Dに0
Vを印加し、他方のソース・ドレイン領域S/Dに1.
5Vを印加し、ゲート電極Gに2.5Vを印加する。こ
のバイアス条件下では、一方のソース・ドレイン領域S
/D側が低電界となるため、上記した第1の情報の読み
出し時と同様な原理で第2の情報が読み出される。
にFNトンネリングを用いるか、または、第2のバイア
ス設定時と同様にバンド−バンド間トンネリングを用い
る。
は、電荷蓄積膜CSを複数の窒化膜CS1,CS2によ
り構成したことに特徴を有する。第1および第2窒化膜
CS1,CS2をCVDにより形成する際に用いる塩素
含有ガスの種類が異なる。前記したように、第1窒化膜
CS1形成時の塩素含有ガスとして四塩化珪素(テトラ
クロルシラン)SiCl4 を用い、第2窒化膜CS2形
成時の塩素含有ガスとしてジクロルシランSiH2 Cl
2 を用いている。本願明細書において、塩素含有ガスと
して四塩化珪素(テトラクロルシラン:TCS)SiC
l4 を用いて作製した窒化膜をTCS−SiN膜と称
し、塩素含有ガスとしてジクロルシラン(DCS)Si
H2 Cl2 を用いて作製した窒化膜をDCS−SiN膜
と称する。
か、ジクロルシランSiH2 Cl2 であるかの違いによ
り、窒化膜中のシリコンダングリングボンド密度に差が
現れる。一般に、シリコンの4本の結合手のうち、未結
合手をシリコンダングリングボンドと呼ぶが、窒化膜中
のシリコンダングリングボンドは、自由電子の捕獲、電
気伝導度に影響する。シリコンダングリングボンド密度
が大きいほど、電荷トラップ密度が大きい膜、電気伝導
度の大きい膜となる。
(電子スピン共鳴)測定にて観測される量である。図1
1に、DCS−SiN膜とTCS−SiN膜のESR測
定における微分型の信号波形の一例を示す。図11
(a)は、シリコン基板に1nmの二酸化珪素膜と8n
mのDCS−SiN膜の積層膜を形成した試料の測定結
果を示し、図11(b)は、シリコン基板に1nmの二
酸化珪素膜と8nmのTCS−SiN膜の積層膜を形成
した試料の測定結果を示す。
S−SiN膜では観測されないピークAが現れているこ
とがわかる。すなわち、DCS−SiN膜には、TCS
−SiN膜には含まれないシリコンダングリングボンド
があることがわかる。なお、DCS−SiN膜とTCS
−SiN膜に共通のピークBは、シリコン基板のシリコ
ンダングリングボンドによるものであると考えられる。
から、積分型の信号波形を算出し、当該積分型の信号波
形の面積を算出することによりシリコンダングリングボ
ンド密度が算出される。図12に、DCS−SiN膜と
TCS−SiN膜のシリコンダングリングボンド密度の
算出結果の一例を示す。図12では、DCS−SiN膜
のシリコンダングリングボンド密度の算出結果について
は、DCS−SiN膜を成膜した同じ一つのウェーハか
ら切り出した異なる2つの試料を測定し、DCS−Si
N(1)、DCS−SiN(2)としている。
(1)および(2)のシリコンダングリングボンド密度
は、それぞれ1.74×1017cm-3および0.95×
1017cm-3であり、一方、TCS−SiN膜のシリコ
ンダングリングボンド密度は、検出限界の0.5×10
17cm-3以下である。複数の試料の測定結果から、DC
S−SiN膜のシリコンダングリングボンド密度は、原
料ガスの流量比や、CVD温度などの成膜条件などを変
えることによって、調節することができ、その範囲は、
略0.70×1017cm-3以上であった。
膜の電荷トラップ密度の違いが、図13に示すメモリヒ
ス特性から確認できる。この測定では、四塩化珪素Si
Cl4 を用いて作製した窒化珪素(TCS−SiN)を
単一の電荷保持膜として含むメモリトランジスタと、ジ
クロルシランSiH2 Cl2 を用いて作製した窒化珪素
(DCS−SiN)を単一の電荷保持膜として含むメモ
リトランジスタとを比較した。比較の結果、DCS−S
iNを有するメモリトランジスタの閾値ウインドウが、
TCS−SiNを有するメモリトランジスタの閾値ウイ
ンドウより約1.5Vほど大きいことが分った。この差
を電荷密度に換算すると、DCS−SiNは、その蓄積
電子密度がTCS−SiNより約40%大きく、蓄積正
孔密度が約70%大きい。なお、この電荷密度差は成膜
条件等を変えることで、さらに大きくすることが可能で
ある。
きる。すなわち、四塩化珪素SiCl4 はジクロルシラ
ンSiH2 Cl2 より塩素の組成比が大きいため、第1
窒化膜CS1は、第2窒化膜CS2より塩素の含有率が
高い。したがって、第1窒化膜CS1は、窒化珪素内に
珪素−水素結合基(Si−Hボンド)よりも結合エネル
ギーの大きく安定な珪素−塩素結合基(Si−Clボン
ド)が多く含まれることから、第1窒化膜CS1は、第
2窒化膜CS2に比べシリコンダングリングボンド密度
が低い。一方、成膜直後のDCS−SiN膜は、成膜直
後のTCS−SiN膜よりSi−Hボンドが多く含まれ
る。Si−Hボンドは水素が抜ける過程でシリコンダン
グリングボンドを発生させる可能性が高い。従って、ジ
クロルシランSiH2 Cl2 を用いて作製した窒化膜C
S2(DCS−SiN膜)のシリコンダングリングボン
ド密度は、四塩化珪素SiCl4 を用いて作製した窒化
膜CS1(TCS−SiN膜)のシリコンダングリング
ボンド密度より高くなり、Si−Hボンド密度と電荷ト
ラップ密度は正の相関があることから、電荷トラップ密
度もそれに応じて高くなる。
シリコンダングリングボンド密度が低いTCS−SiN
(またはTCS−SiON)を半導体基板SUB側に配
置することで、シリコンダングリングボンド密度が高い
DCS−SiN(またはDCS−SiON)を半導体基
板SUBから離している。したがって、電荷蓄積膜CS
の二酸化珪素膜換算での厚さを従来と同じとした場合、
チャネル形成領域CHと垂直な軸における電荷トラップ
の平均的位置が従来よりゲート電極G側に移動する。そ
の結果、保持電荷がチャネル側に抜けにくくなり、電荷
保持特性が向上する。また、従来と同じ電荷保持特性と
したときの電荷蓄積膜CS自体の厚さを薄くでき、その
分、ゲートに印加する電圧を低くでき、あるいは書き込
みまたは消去動作が速くなる。
る際に、珪素からなるチャネル形成領域内の電子に対す
る二酸化珪素(ボトム誘電体膜BTM)が作るポテンシ
ャル障壁高さ、すなわち、珪素の伝導帯端と二酸化珪素
の伝導帯端のエネルギー差は注入に必要なゲート電圧値
を決定するパラメータの一つとなる。従来構造、すなわ
ち電荷蓄積膜が単層膜の場合、チャネル内電子に対する
二酸化珪素のポテンシャル障壁高さは約3.2eVであ
った。このため、ボトム誘電体膜BTM内の電場をFN
トンネリングが起こる領域、すなわち膜厚方向の電界強
度で7MeV/cm以上に高めることが必要となる。ま
た、ホットエレクトロン注入書き込みを行う場合、チャ
ネル内電子のエネルギーをポテンシャル障壁高さ3.2
eV以上にまでホット化する電圧をソースとドレイン間
に印加しなければならない。これらは、動作電圧の低電
圧化を妨げる要因となっていた。
は、第1窒化膜CS1と第2窒化膜CS2間でシリコン
ダングリングボンド密度の差を十分大きくすると、第2
窒化膜CS2が主な電荷蓄積手段として機能し、第1窒
化膜CS1は電荷蓄積手段としては余り機能しない。そ
の結果、第2窒化膜CS2と半導体基板SUBとの間に
ある第1窒化膜CS1は、ポテンシャルバリアとしての
役割が増す。このことは、従来3nm程度が膜厚の限界
であったボトム誘電体膜BTMを1nm程度と薄くする
ことができる利点をもたらす。ボトム誘電体膜厚を1n
mまで薄くするとポテンシャルバリアとして殆ど働かな
いことから、その場合に必要なメモリトランジスタのポ
テンシャルバリアは、主に第1窒化膜CS1の存在によ
って確保されることとなる。上記したようにボトム誘電
体膜BTMとして従来用いられていた二酸化珪素膜のポ
テンシャルバリア高さは3.2eVであるが、TCS−
SiNのポテンシャルバリア高さは最大でも2.1eV
と低い。このため、従来と同じ電荷保持特性が得られる
ように電荷蓄積膜CSの膜厚を設計した場合でも、電荷
蓄積膜CSキャリアの注入効率が向上し、動作電圧が低
くでき、あるいは高速に動作する。
した不揮発性メモリトランジスタの特性を図14および
図15に示す。図14の横軸は、ソース,ドレインおよ
び基板電位を0Vとしチャネル全面からFNトンネリン
グを用いて書き込みまたは消去する際のゲート電圧を示
す。図14の縦軸は、ゲート電圧印加後のメモリトラン
ジスタのしきい値電圧を示す。グラフ内の数値は、書き
込みまたは消去のためにゲートに印加したパルスの印加
時間である。このグラフから、消去時間は20msで十
分な閾値ウインドウが得られていることが分かる。
圧を0.1ms加え、消去時に−8.5Vのゲート電圧
を60ms加える動作を繰り返したときのしきい値電圧
の変化を示す。104 回までは大きなしきい値電圧変化
がなく、2V程度の閾値ウインドウが維持されているこ
とが分かる。窒化膜が単層のONO膜を有する従来のM
ONOS型メモリトランジスタでは、書き込み時に1m
s,消去時に100msを要していたが、本実施形態に
係るMONOS型メモリトランジスタでは、従来より短
い時間で書き込みおよび消去動作が可能なことが分か
る。
化膜CS2の形成ガスを変更した場合を説明する。これ
らの実施形態では、図1および図2の基本素子構造、お
よび図3〜図10の製造における断面図は、そのまま適
用される。
は、図3〜図5の第1窒化膜CS1の形成までは、第1
実施形態と同様に行う。
窒化膜CS1の形成時と同じ基板温度を保ったまま、あ
るいは600℃から800℃の範囲内で必要に応じて変
え、モノシランSiH4 とアンモニアNH3 を、それぞ
れ10sccmから500sccmの範囲内の所定流量
で、かつチャンバ内の圧力が数100mTorrとなる
条件で流し、窒化珪素のCVDを行う。所定時間経過後
にCVDを止めると、数nmの窒化珪素膜(第2窒化膜
CS2)が第1窒化膜CS1上に形成される。
って、トップ誘電体膜TOPの形成、ゲート電極Gの形
成、ゲート加工、LDDの形成、サイドウォールSWの
形成、ソース・ドレイン領域S/Dの形成等の諸工程を
行い、当該メモリトランジスタを完成させる。
は、図3〜図5の第1窒化膜CS1の形成までは、第1
実施形態と同様に行う。
窒化膜CS1の形成時と同じ基板温度を保ったまま、あ
るいは600℃から800℃の範囲内で必要に応じて変
え、三塩化シランSiHCl3 とアンモニアNH3 を、
それぞれ10sccmから500sccmの範囲内の所
定流量で、かつチャンバ内の圧力が数100mTorr
となる条件で流し、窒化珪素のCVDを行う。所定時間
経過後にCVDを止めると、数nmの窒化珪素膜(第2
窒化膜CS2)が第1窒化膜CS1上に形成される。
って、トップ誘電体膜TOPの形成、ゲート電極Gの形
成、ゲート加工、LDDの形成、サイドウォールSWの
形成、ソース・ドレイン領域S/Dの形成等の諸工程を
行い、当該メモリトランジスタを完成させる。
1と同様である。図16に、第4実施形態に係るメモリ
トランジスタの要部を拡大した断面図を示す。
形態と異なるのは、電荷蓄積層CSが3層構造となって
いる点にある。電荷蓄積層CSは、第1〜第3実施形態
と同様な第1および第2窒化膜CS1,CS2上に、さ
らに、第3窒化膜CS3を有する。他の構造、すなわち
基板SUB,ボトム誘電体膜BTM,トップ誘電体膜T
OPおよびゲート電極Gの構造,材料および形成方法
は、第1実施形態とほぼ同じである。第4実施形態にお
ける第3窒化膜CS3は四塩化珪素SiCl4 を用いて
作製した窒化膜からなり、その上のトップ誘電体膜TO
Pは、第3窒化膜CS3の表面をパイロジェニック酸化
して形成した二酸化珪素からなる。
実施形態と同様な方法によって、誘電体分離層ISO,
ボトム誘電体膜BTM,第1窒化膜CS1,第2窒化膜
CS2を形成する。
基板温度を600℃から800℃の範囲内に保ち、四塩
化珪素SiCl4 とアンモニアNH3 を、それぞれ10
sccmから500sccmの範囲内の所定流量で、か
つチャンバ内の圧力が数100mTorrとなる条件で
流し、窒化珪素のCVDを行う。これにより、最終膜厚
より厚い窒化珪素膜(第3窒化膜CS3)が第2窒化膜
CS2上に形成される。続いて、第3窒化膜CS3表面
をパイロジェニック酸化により酸化すると、第3窒化膜
CS3表面部の窒化珪素が二酸化珪素に変化し、これに
より、数nmのトップ誘電体膜TOPが形成される。こ
のとき、下地の第3窒化膜CS3の膜減りが生じ、第3
窒化膜CS3が所定の最終膜厚となる。
って、ゲート電極Gの形成、ゲート加工、LDDの形
成、サイドウォールSWの形成、ソース・ドレイン領域
S/Dの形成等の諸工程を行い、当該メモリトランジス
タを完成させる。
成に用いる塩素含有ガスは第1窒化膜CS1の形成に用
いる塩素含有ガスより塩素の組成比が小さいクロルシラ
ンガスを用いることができる。また、第3窒化膜CS3
の形成に用いる塩素含有ガスは、第2窒化膜CS2の形
成に用いる塩素含有ガスより塩素の組成比が大きなクロ
ルシランガスまたはモノシランを用いることができる。
その結果、第3窒化膜CS3は、主体的に電荷蓄積機能
を担う下地の第2窒化膜CS2より塩素の含有率が高
い。一般に、窒化珪素膜中では、二酸化珪素よりも原子
の拡散係数が小さく、特に塩素の含有量を多くした窒化
珪素膜では、Si−Hボンドよりも結合エネルギーの大
きいSi−Clボンドを多く含むため、より緻密な膜に
なっており原子の拡散係数はさらに小さい。このため、
電荷蓄積層としての第2窒化膜CS2内の水素の拡散を
第3窒化膜CS3が阻止し、これが最上層のトップ誘電
体膜TOPを構成している二酸化珪素膜に吸収されるこ
とがない。したがって、第4実施形態に係るメモリトラ
ンジスタでは、デバイス特性の経時変化が抑制され安定
したメモリ特性が得られるという利点がある。なお、第
4実施形態では、電荷保持を主体的に担う第2窒化膜C
S2上に第3窒化膜CS3を設けたことにより、トップ
誘電体膜TOPの膜厚を、第1〜第3実施形態の場合よ
り薄くすることができる。
の形成で、パイロジェニック酸化に代えてCVD法を用
いてもよい。この場合、基板温度を600℃から800
℃の範囲内で保ち、ジクロルシランSiH2 Cl2 ある
いは四塩化珪素SiCl4 と酸化二窒素N2 Oとを、そ
れぞれ数100sccmの所定流量で、かつチャンバ内
の圧力が数100mTorrとなる条件で流し、二酸化
珪素のCVDを行う。
ではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が
可能である。たとえば、電荷蓄積膜CSは4層以上であ
ってもよく、少なくとも塩素濃度が高い第1の窒化膜C
S1と、塩素濃度が低い第2の窒化膜CS2とを含む。
また、この電荷蓄積膜CSの形成時に、クロルシランS
iHX1Cl4-X1 (x1=1,2) 、クロルジシランSi2 Hy1
Cl6-y1(y1=1,2,3,4)または四塩化珪素SiCl4 から
なる塩素含有ガスと窒素含有ガスとを原料に用いた化学
的気相堆積により第1の窒化膜CS1を形成する工程
と、第1の窒化膜CS1の形成時に用いる塩素含有ガス
より塩素の組成比が低いクロルシランSiHX2Cl4-X2
(x2>x1, x2=2,3) 、クロルジシランSi2 Hy2Cl
6-y2 (y2>y1, y2=2,3,4,5) 、モノシランSiH4 また
はジシランSi2 H6 からなる塩素含有ガスと窒素含有
ガスとを原料に用いた化学的気相堆積により第2の窒化
膜CS2を形成する工程とを含む。したがって、塩素含
有ガスの選択は、この範囲において任意である。
の形成時に用いる塩素含有ガスより塩素の組成比が高い
クロルシランSiHX3Cl4-X3 (x3<x2, x3=1,2) 、ク
ロルジシランSi2 Hy3Cl6-y3 (y3<y2, y3=1,2,3,
4) または四塩化珪素SiCl 4 からなる塩素含有ガス
と窒素含有ガスとを原料に用いた化学的気相堆積によ
り、第3の窒化膜CS3を形成する工程を含む。したが
って、第3の窒化膜CS3の形成時の塩素含有ガスの選
択は、この範囲において任意である。
膜TOPは、二酸化珪素に限定されず、たとえば、窒化
珪素SiNX ,酸化窒化珪素SiNX Oy ,酸化アルミ
ニウムAl2 O3 ,酸化タンタルTa2 O5 ,酸化ジル
コニウムZrO2 ,酸化ハフニウムHfO2 のいずれか
の材料から形成してもよい。
膜TOPの材料として酸化アルミニウムAl2 O3 が選
択された場合、その形成では、AlCl3 ,CO2 およ
びH 2 を形成ガスとしたCVD法、またはアルミニウム
アルコシド(Al(C2 H5O)3 ,Al(C3 H7
O)3 またはAl(C4 H9 O)3 など)の熱分解を用
いる。ボトム誘電体膜BMTまたはトップ誘電体膜TO
Pの材料として酸化タンタルTa2 O5 が選択された場
合、その形成では、TaCl5 ,CO2 およびH2 を形
成ガスとしたCVD法、または、TaCl2 (OC2 H
5 )2 C5 H7 O2 あるいはTa(OC2 H5 )5 など
の熱分解を用いる。ボトム誘電体膜BMTまたはトップ
誘電体膜TOPの材料として酸化ジルコニウムZrO2
が選択された場合、その形成では、Zrを酸素雰囲気中
でスパッタリングする方法を用いる。ボトム誘電体膜B
MTまたはトップ誘電体膜TOPの材料として酸化ハフ
ニウムHfO2 が選択された場合、その形成では、Hf
を酸素雰囲気中でスパッタリングする方法を用いる。
膜TOPの材料として酸化窒化珪素SiNX Oy が選択
された場合、前記した方法により形成した二酸化珪素
を、アンモニアNH3 に曝して酸化窒化する方法を用い
る。また、酸化窒化珪素SiN X Oy を形成する他の方
法として、基板温度を600℃から800℃の範囲内で
保ち、ジクロルシランSiH2 Cl2 あるいは四塩化珪
素SiCl4 と、酸化二窒素N2 Oと、アンモニアNH
3 とを、それぞれ10sccmから500sccmの範
囲内の所定流量で、かつチャンバ内の圧力が数100m
Torrとなる条件で流し、酸化窒化膜のCVDを行
う。なお、上記した何れの方法において、上記窒素含有
ガスとして、周波数5〜500MHzの交流電磁場によ
り電離した窒素を用いてもよい。
れかの製造方法により製造されたメモリトランジスタが
行列状に多数配置されてメモリセルアレイが構成される
が、そのセル方式に限定はない。NOR型では、ソース
線が分離された方式、ソース線およびビット線がワード
方向のセル間で共通化されたバーチャルグランドセル方
式の何れも採用できる。また、NOR型の一種である、
いわゆるAND型、HiCR型、DINOR型の何れで
もよい。さらに、NAND型の採用も可能である。
よび製造方法によれば、電荷蓄積層内で蓄積電荷の分布
中心をチャネル側から出来るだけ離すことにより電荷保
持特性を改善し、あるいは必要な電荷保持時間を維持し
ながらボトム誘電体膜を薄膜化して、結果として低電圧
化および/または高速化が達成された。また、水素を閉
じ込めて電荷トラップ量を形成直後の状態から減少させ
ない電荷蓄積層構造を有し、その結果、デバイス特性の
経時変化を抑制した。
断面構造を示す。
において、電荷蓄積層の構造の詳細を示す図1の要部を
拡大した図である。
いて、誘電体分離層の形成後の断面図である。
いて、ボトム誘電体膜の形成後の断面図である。
いて、第1窒化膜の形成後の断面図である。
いて、第2窒化膜の形成後の断面図である。
いて、トップ誘電体膜の形成後の断面図である。
いて、ゲート電極となる膜の形成後の断面図である。
いて、ゲート加工後の断面図である。
おいて、サイドウォール形成後の断面図である。
ESR測定結果を示す図である。
ダングリングボンド密度を示すグラフである。
モリヒステリシス特性を示すグラフである。
モリヒステリシス特性を示すグラフである。
ンデュランス特性を示すグラフである。
いて、電荷蓄積層の構造の詳細を示す図1の要部を拡大
した図である。
/D…ソース・ドレイン領域、ISO…誘電体分離層、
BTM…ボトム誘電体膜、CS…電荷蓄積膜、CS1…
第1窒化膜、CS2…第2窒化膜、CS3…第3窒化
膜、TOP…トップ誘電体膜、G…ゲート電極、SW…
サイドウォール。
Claims (29)
- 【請求項1】電荷保持能力を有した電荷蓄積層を含む複
数の誘電体膜を半導体の活性領域上に形成し、電極を上
記複数の誘電体膜上に形成する不揮発性半導体記憶装置
の製造方法であって、 上記複数の誘電体膜の形成時に以下の諸工程、すなわ
ち、 クロルシランSiHX1Cl4-X1 (x1=1,2) 、クロルジシ
ランSi2 Hy1Cl6- y1(y1=1,2,3,4)または四塩化珪素
SiCl4 からなる塩素含有ガスと窒素含有ガスとを原
料に用いた化学的気相堆積により第1の窒化膜を形成す
る工程と、 上記第1の窒化膜の形成時に用いる上記塩素含有ガスよ
り塩素の組成比が低いクロルシランSiHX2Cl4-X2
(x2>x1, x2=2,3) 、クロルジシランSi2 Hy2Cl
6-y2 (y2>y1, y2=2,3,4,5) 、モノシランSiH4 また
はジシランSi2 H 6 からなる塩素含有ガスと窒素含有
ガスとを原料に用いた化学的気相堆積により第2の窒化
膜を形成する工程とを含む不揮発性半導体記憶装置の製
造方法。 - 【請求項2】上記複数の誘電体膜の形成時に以下の諸工
程、すなわち、 ボトム誘電体膜を上記半導体の活性領域上に形成する工
程と、 クロルシランSiHX1Cl4-X1 (x1=1,2) 、クロルジシ
ランSi2 Hy1Cl6- y1(y1=1,2,3,4)または四塩化珪素
SiCl4 からなる塩素含有ガスと窒素含有ガスとを原
料に用いた化学的気相堆積により、第1の窒化膜を上記
ボトム誘電体膜上に形成する工程と、 上記第1の窒化膜の形成時に用いる上記塩素含有ガスよ
り塩素の組成比が低いクロルシランSiHX2Cl4-X2
(x2>x1, x2=2,3) 、クロルジシランSi2 Hy2Cl
6-y2 (y2>y1, y2=2,3,4,5) 、モノシランSiH4 また
はジシランSi2 H 6 からなる塩素含有ガスと窒素含有
ガスとを原料に用いた化学的気相堆積により、第2の窒
化膜を上記第1の窒化膜上に形成する工程とを含む請求
項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 【請求項3】上記第1の窒化膜の化学的気相堆積時の上
記塩素含有ガスとして四塩化珪素SiCl4 を用い、 上記第2の窒化膜の化学的気相堆積時の上記塩素含有ガ
スとして三塩化シランSiHCl3 ,ジクロルシランS
iH2 Cl2 またはモノシランSiH4 を用いる請求項
1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 【請求項4】上記第1の窒化膜の化学的気相堆積時の上
記塩素含有ガスとして三塩化シランSiHCl3 を用
い、 上記第2の窒化膜の化学的気相堆積時の上記塩素含有ガ
スとしてジクロルシランSiH2 Cl2 またはモノシラ
ンSiH4 を用いる請求項1記載の不揮発性半導体記憶
装置の製造方法。 - 【請求項5】上記第1の窒化膜の化学的気相堆積時の上
記塩素含有ガスとしてジクロルシランSiH2 Cl2 を
用い、 上記第2の窒化膜の化学的気相堆積時の上記塩素含有ガ
スとしてモノシランSiH4 を用いる請求項1記載の不
揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 【請求項6】上記窒素含有ガスとしてアンモニアNH3
を用いる請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造
方法。 - 【請求項7】上記窒素含有ガスとして、窒素により希釈
したアンモニアNH3 を用いる請求項1記載の不揮発性
半導体記憶装置の製造方法。 - 【請求項8】上記窒素含有ガスとして、周波数5〜50
0MHzの交流電磁場により電離した窒素を用いる請求
項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 【請求項9】上記複数の誘電体膜の形成時に以下の諸工
程、すなわち、 上記第2の窒化膜の形成時に用いる上記塩素含有ガスよ
り塩素の組成比が高いクロルシランSiHX3Cl4-X3
(x3<x2, x3=1,2) 、クロルジシランSi2 Hy3Cl
6-y3 (y3<y2, y3=1,2,3,4) または四塩化珪素SiCl
4 からなる塩素含有ガスと窒素含有ガスとを原料に用い
た化学的気相堆積により、第3の窒化膜を上記第2の窒
化膜上に形成する工程と、 上記第3の窒化膜上にトップ誘電体膜を形成する工程と
をさらに含む請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置の
製造方法。 - 【請求項10】上記第2の窒化膜の化学的気相堆積時の
上記塩素含有ガスとしてモノシランSiH4 を用い、 上記第3の窒化膜の化学的気相堆積時の上記塩素含有ガ
スとしてジクロルシランSiH2 Cl2 ,三塩化シラン
SiHCl3 または四塩化珪素SiCl4 を用いる請求
項9記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 【請求項11】上記第2の窒化膜の化学的気相堆積時の
上記塩素含有ガスとしてジクロルシランSiH2 Cl2
を用い、 上記第3の窒化膜の化学的気相堆積時の上記塩素含有ガ
スとして三塩化シランSiHCl3 または四塩化珪素S
iCl4 を用いる請求項9記載の不揮発性半導体記憶装
置の製造方法。 - 【請求項12】上記第2の窒化膜の化学的気相堆積時の
上記塩素含有ガスとして三塩化シランSiHCl3 を用
い、 上記第3の窒化膜の化学的気相堆積時の上記塩素含有ガ
スとして四塩化珪素SiCl4 を用いる請求項9記載の
不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 【請求項13】上記窒素含有ガスとしてアンモニアNH
3 を用いる請求項9記載の不揮発性半導体記憶装置の製
造方法。 - 【請求項14】上記窒素含有ガスとして、窒素により希
釈したアンモニアNH3 を用いる請求項9記載の不揮発
性半導体記憶装置の製造方法。 - 【請求項15】上記窒素含有ガスとして、周波数5〜5
00MHzの交流電磁場により電離した窒素を用いる請
求項9記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 【請求項16】上記トップ誘電体膜の形成時に上記第3
の窒化膜の表面を熱酸化する請求項9記載の不揮発性半
導体記憶装置の製造方法。 - 【請求項17】上記トップ誘電体膜の形成時に、ジクロ
ルシランSiH2 Cl2 ,三塩化シランSiHCl3 ま
たは四塩化珪素SiCl4 と酸化二窒素N2 Oとを用い
た化学的気相堆積により、二酸化珪素膜を上記第3の窒
化膜上に形成する請求項9記載の不揮発性半導体記憶装
置の製造方法。 - 【請求項18】電荷保持能力を有した電荷蓄積層を内部
に含み、半導体の活性領域上に積層された複数の誘電体
膜と、 上記複数の誘電体膜上の電極とを有した不揮発性半導体
記憶装置であって、 上記電荷蓄積層が、窒化珪素または酸化窒化珪素からな
る第1の窒化膜と、 窒化珪素または酸化窒化珪素からなり、上記第1の窒化
膜より電荷トラップ密度が高い第2の窒化膜とを含む不
揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項19】ボトム誘電体膜が上記半導体の活性領域
上に形成され、 上記第1の窒化膜と上記第2の窒化膜が、この順で上記
ボトム誘電体膜上に積層され、 トップ誘電体膜が上記第2の窒化膜上に形成され、 上記電極が上記トップ誘電体膜上に形成された請求項1
8記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項20】上記第2の窒化膜は、上記第1の窒化膜
よりもシリコンダングリングボンド密度が高い請求項1
8記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項21】上記第2の窒化膜のシリコンダングリン
グボンド密度は、7×1016cm-3以上である請求項2
0記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項22】上記第1の窒化膜のシリコンダングリン
グボンド密度は、5×1016cm-3以下であり、 上記第2の窒化膜のシリコンダングリングボンド密度
は、7×1016cm-3以上である請求項20記載の不揮
発性半導体記憶装置。 - 【請求項23】窒化珪素または酸化窒化珪素からなり上
記第2の窒化膜より電荷トラップ密度が低い第3の窒化
膜を、上記複数の誘電体膜内で上記第2の窒化膜と上記
電極との間に有した請求項18記載の不揮発性半導体記
憶装置。 - 【請求項24】ボトム誘電体膜が上記半導体の活性領域
上に形成され、 上記第1の窒化膜,上記第2の窒化膜および上記第3の
窒化膜が、この順で上記ボトム誘電体膜上に積層され、 トップ誘電体膜が上記第3の窒化膜上に形成され、 上記電極が上記トップ誘電体膜上に形成された請求項2
3記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項25】上記第1および第2の窒化膜は塩素を含
み、 上記第1の窒化膜は上記第2の窒化膜より塩素濃度が高
い請求項18記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項26】上記第1,第2および第3の窒化膜は塩
素を含み、 上記第1および第3の窒化膜は上記第2の窒化膜より塩
素濃度が高い請求項23記載の不揮発性半導体記憶装
置。 - 【請求項27】二酸化珪素SiO2 ,酸化窒化珪素Si
NX Oy ,酸化アルミニウムAl2 O3 ,酸化タンタル
Ta2 O5 ,酸化ジルコニウムZrO2 ,酸化ハフニウ
ムHfO2 のいずれかの材料からなるボトム誘電体膜
を、上記半導体の活性領域と上記電荷蓄積層との間に有
した請求項18記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項28】2nm以下の二酸化珪素膜を上記半導体
の活性領域上に有し、 酸化窒化珪素SiNX Oy ,酸化アルミニウムAl2 O
3 ,酸化タンタルTa2 O5 ,酸化ジルコニウムZrO
2 ,酸化ハフニウムHfO2 のいずれかの材料からなる
ボトム誘電体膜を、上記二酸化珪素膜と上記電荷蓄積層
との間に有した請求項18記載の不揮発性半導体記憶装
置。 - 【請求項29】二酸化珪素SiO2 ,窒化珪素SiN
X ,酸化窒化珪素SiNX Oy ,酸化アルミニウムAl
2 O3 ,酸化タンタルTa2 O5 ,酸化ジルコニウムZ
rO2 ,酸化ハフニウムHfO2 のいずれかの材料から
なるトップ誘電体膜を、上記複数の誘電体膜の最上層に
有した請求項18記載の不揮発性半導体記憶装置。
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