JP2004235663A - 不揮発性半導体メモリ装置およびその製造方法 - Google Patents

不揮発性半導体メモリ装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 メモリセルの動作の際に高電圧がチップに印加されるEEPROM装置を提供する。
【解決手段】 P形半導体基板10上に、第1Nウェル11がセルアレー領域の基板の表面部分に形成され、第Nウェル12が周辺回路領域の基板の第3表面部分に形成される。EEPROMメモリセルが第1Pウェル13の上に形成され、第1NMOSトランジスタが第2Pウェル14上に形成される。また、第2NMOSトランジスタは周辺回路領域内のP形半導体基板10の第2表面部分に形成され、PMOSトランジスタは第2Nウェル12上に形成される。前記第1Pウェル13および第2Pウェル14の不純物の濃度は形成されるMOSトランジスタの特性により制御される。それに、高電圧に対し内圧を有する第2NMOSトランジスタがP形基板上に直接形成される。
【選択図】 図3

Description

本発明は不揮発性半導体メモリ装置である電気的にプログラム/消去可能なROM(Electrically Erasable & Programmable Read Only Memory, EEPROM )およびその製造方法に係り、特にメモリセル動作の際、高い電圧がチップ内で使用されるEEPROMおよびその製造方法に関する。
コンピューターシステムの進歩により、メモリカードのような大容量でありながら高速動作の可能な不揮発性メモリに対する需要が増加している。この中でも浮遊ゲートと制御ゲートから構成され、電気的にデータを消去しプログラムできるEEPROMの需要はさらに増大しており、これに従いより高集積、大容量化と高速動作を実現するための様々なセル構造のEEPROMが提案されてきた。
製造技術に圧迫を加えずセル面積を減少させるためにNAND構造のメモリセルが開発され、シロタ等は改良されたNAND構造のフラッシュ(flash )EEPROMを提示した(非特許文献1参照)。
図1は前記NAND形EEPROMを示す断面図であり次のように製造する。まず、N形半導体基板1の上部に第1Pウェル2(P-well)(セルアレー領域)および第2Pウェル3(周辺回路領域)を形成した後、第1Pウェル2にはEEPROMから構成されたセルアレー(Cell array)を形成し、第2Pウェル3には周辺回路のNMOSを形成し、第2Pウェル3の一部には周辺回路のPMOSの形成されるNウェル4を形成する。前記EEPROMを製造するためには、三つの不純物領域(または、バルク)すなわち、セルアレーの形成される第1Pウェル2、周辺回路のNMOSの形成される第2Pウェル3および周辺回路のPMOSの形成されるNウェル4を形成するためにイオンが3回注入される。
図2は前記従来のEEPROMセルを使用したEEPROM装置の一部等価回路図と消去および書き込み(プログラム)動作を示す。浮遊ゲート(Floating gate )内に電子を注入しセルのしきい電圧(threshold voltage )を(+)値に移動させる選択されたセルのプログラム動作は、セルアレーの選択されたビットラインBL1に0.3V、セルアレーの非選択ビットラインBL2にプログラム防止用電圧7Vを加え非選択制御ゲートに10V、選択制御ゲートに18Vをそれぞれ印加することによりなる。選択されたセルの制御ゲートに加えられた18Vの電圧がカップリング(Coupling)され浮遊ゲートに約10Vの電圧が誘導され選択されたセルのチャネルに0.3Vの電圧が伝達されるようになりチャネルと浮遊ゲートの間の約100Å位のトンネル酸化膜の両端間にかかる約10MeV位のフィールド(Field )により浮遊ゲート内にF−N(Fowler-Nordheim )トンネリング効果により電子が充填(charge)される。従って、データが選択されたメモリセルに書き込まれる。
反対に、浮遊ゲート内の電子を放出しセルのしきい電圧を(−)値に移動させる消去(Erase )動作は、セルアレーの形成されているPウェルに20Vの電圧を加えビットラインとソースラインは開放し、制御ゲートを接地させ遂行する。そうして、トンネル酸化膜の両端間のフィールドにより浮遊ゲート内の電子が放出される。この際、消去動作の中にセルアレーのPウェルに加えられた20V内外の電位(Potential )から、Vcc5Vに動作される周辺回路のトランジスタを保護するために、周辺回路のトランジスタはセルアレーのPウェルとは電気的に独立した他のPウェルに形成する。
セルの読み出し動作はデータ判断により遂行され、データは選択されたセルのしきい電圧が(+)あるいは(−)によりビットライン電流経路(Path)がオンおよびオフ状態を変動することにより判断される。
前記従来のNAND形EEPROMの製造においては、2回のバルク形成用すなわち、N形半導体基板に、セルアレーの形成される第1Pウェルと周辺回路のNMOSの形成される第2Pウェルおよび第2Pウェル内に位置する周辺回路のPMOSの形成されるNウェル形成のために2回のフォトリソグラフィー工程を遂行する。
"A 2.3μm2 Memory Cell Structure For NANDEEPROMs" by R.Shirota et al. IEDM, 1990, pp 103-106
しかしながら、前記従来技術のバルク形成方法は次のような短所を有する。第1に、セル消去の際セルアレーの存するPウェルに20Vを印加するとき、N形基板に同時に高圧がかかるのでN形基板の上には直接トランジスタを形成することができない。第2に、周辺回路のトランジスタがPウェルおよびPウェル内に形成されたNウェル上に形成されることによりバルク抵抗が増加しこれによりメモリ素子のラッチアップ(Latch up)および他の電気的特性が低下する。
本発明の目的はセルアレーおよびその周辺回路領域で使用されるバルクを独立的に制御し製造できる不揮発性メモリ装置を提供することである。本発明の他の目的は本発明による不揮発性半導体装置の製造に適した不揮発性半導体メモリ装置の製造方法を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明は、セルアレー領域および周辺回路に分けられた第1導電形の半導体基板と、前記セルアレー領域の半導体基板の表面部分に形成された第1導電形の第1不純物ドーピング領域と、前記セルアレー領域の半導体基板の表面部分に形成され前記第1不純物ドーピング領域を包む第2導電形の第2不純物ドーピング領域と、前記第1不純物ドーピング領域の表面部に形成された第4ソース領域および第4ドレイン領域と前記第1不純物ドーピング領域上に形成された浮遊ゲート電極と前記浮遊ゲート電極上に形成された制御ゲート電極とから構成されたメモリセルとを備えたことを特徴とする半導体メモリ装置を提供する。
前記半導体メモリ装置は、前記周辺回路領域の半導体基板の第1表面部分に形成された第1導電形の第3不純物ドーピング領域と、前記第3不純物ドーピング領域上に形成された第1ゲート電極と前記第3不純物ドーピング領域の表面部分に形成された第1ソース領域および第1ドレイン領域とより構成された第1MOSトランジスタと、前記周辺回路領域の半導体基板の第2表面部分に形成された第2ソース領域および第2ドレイン領域と前記半導体基板上に形成された第2ゲート電極とより構成された第2MOSトランジスタと、前記周辺回路領域の半導体基板の第3表面部分に形成された第2導電形の第4不純物ドーピング領域と、第4不純物ドーピング領域の表面部分に形成された第3ソース領域および第3ドレイン領域と前記第4不純物ドーピング領域上に形成された第3ゲート電極とより構成された第3MOSトランジスタとをさらに備えたことを特徴とする。
他の目的を達成するために、本発明は、セルアレー領域と周辺回路領域とに分けられたP形の半導体基板を提供する段階と、前記セルアレー領域の前記半導体基板の表面部分にN形の第2不純物ドーピング領域を形成する段階と、前記第2不純物ドーピング領域に取り囲まれるP形の第1不純物ドーピング領域を前記セルアレー領域の前記半導体基板の表面部分に形成する段階と、前記第1不純物ドーピング領域上にEEPROMセルを形成する段階と、前記周辺回路領域の前記半導体基板の第1表面部分にP形の第3不純物ドーピング領域を形成する段階と、前記第3不純物ドーピング領域上に第1ゲート電極とN形の第1ソース領域および第1ドレイン領域とを形成して第1NMOSトランジスタを形成する段階と、前記周辺回路領域の半導体基板の第2表面部分に第2ゲート電極とN形の第2ソース領域および第2ドレイン領域とを形成して高電圧用の第2NMOSトランジスタを形成する段階と、前記周辺回路領域の前記半導体基板の第3表面部分にN形の第4不純物ドーピング領域を形成する段階と、前記第4不純物ドーピング領域上に第3ゲート電極とP形の第1ソース領域および第1ドレイン領域とを形成してPMOSトランジスタを形成する段階と、を含むことを特徴とする半導体メモリ装置の製造方法を提供する。
本発明によるNAND構造EEPROMはポケットPウェルに形成されたEEPROMセルを備える。ポケットPウェルの不純物の濃度は周辺回路領域に形成されたPウェルとは独立的に調節され得る。よって、セルアレー領域と周辺回路領域に二つのPウェルを有し、その濃度は装置の特性により互いに独立的に形成できるEEPROM装置が得られる。
また、高電圧で動作する周辺回路領域のNMOSトランジスタはP形半導体基板に直接形成して高電圧に対する耐性を向上させる。反面、Vccの電圧で動作する周辺回路領域のNMOSトランジスタは周辺回路領域のPウェル上に形成しパンチスルー特性を向上させる。
以下、添付した図面に基づき本発明を詳細に説明する。
図3は本発明の一実施例によるNAND構造形のEEPROM装置の断面図である。
第1導電形(低濃度)の半導体基板、例えばP形半導体基板10に第2導電形不純物(イオン)が注入され複数の第2導電形不純物ドーピング領域、すなわち、Nウェルを形成する。このNウェルは、セルアレー領域内に形成された(第2導電形の)第2不純物ドーピング領域として第1Nウェル11と周辺回路領域のP形半導体基板10の第3表面部分に(第2導電形の)第4不純物ドーピング領域として第2Nウェル12とを含む。
第1導電形不純物がセルアレー領域の第1Nウェル11内に注入されセルアレー領域内に第1導電形の第1不純物ドーピング領域として第1Pウェル13を形成する。第1Pウェル13上に(第1Pウェル13の表面部分に形成された)、第4ソース領域および第4ドレイン領域を備え第1Pウェル13上に形成された浮遊ゲートと前記浮遊ゲート上に形成された制御ゲートを備えたEEPROM装置が形成されている。第1Nウェル11が第1Pウェル13を包んでいるので、前記第1Pウェル13は一般的にポケットPウェルという。
P形半導体基板10の(セルをもたず第2Nウェル12を含む)周辺回路領域に、セルアレーを動作させるため、第2Nウェル12の形成されている部分を除いたP形半導体基板10の周辺回路領域の第1表面部分に(P形半導体基板10のような導電形の)第1導電形の不純物を注入しP形半導体基板10の第1表面部分に第1導電形の第3不純物領域として第2Pウェル14を形成する。
第2Pウェル14上には、第2Pウェル14上に形成された第1ゲート電極と、第2Pウェル14の表面部分に形成された第1ソース領域および第1ドレイン領域とから構成された第1MOSトランジスタ(すなわち、第1NMOSトランジスタ)が形成されている。
(第2Nウェル12と第2Pウェル14の形成されている部分を除いた)P形半導体基板10の周辺回路領域の第2表面部分に、高電圧に対する耐性を有する第2MOSトランジスタ(第2NMOSトランジスタ)が第2Nウェル12と第2Pウェル14の間に形成されている。第2MOSトランジスタは、P形半導体基板10の第2表面部分に形成された第2ソース領域および第2ドレイン領域とP形半導体基板10上に形成された第2ゲート電極とを含む。
第2Nウェル上12には、第2Nウェル12上に形成された第3ゲート電極と第2Nウェル12の表面部分に形成された第3ソース領域および第3ドレイン領域とを含む第3MOSトランジスタが形成されている。
第2NMOSトランジスタはP形半導体基板10上に直接形成されるので、NMOSトランジスタのN ドーピング領域と低不純物濃度を有するP形半導体基板10間の逆バイアス特性が改善される。第2NMOSトランジスタのゲート絶縁膜は第1NMOSトランジスタのゲート絶縁膜より厚い。また、低い不純物濃度を有するP形半導体基板10を使用することにより、ボディー効果(Body effect )特性を改善させる。高電圧に対する耐性を必要としない周辺回路のNMOSは第2Pウェル14に形成させショートチャネル(Short channel )のパンチスルー(Punchthrough)特性を改善させる。
周辺回路のPMOSの形成される第2Nウェル12の特性はPMOS特性およびアイソレーション(Isolation )特性に合うように調節されるべきである。第2Nウェル12は第1Pウェル13(ポケットPウェル)の形成される第1Nウェル11と同時に形成されるので、第2Nウェル12の特性変更は第1Nウェル11の特性変更を随伴しなければならないから第1Pウェル13も同様に変更する。第1Pウェル13および第2Pウェル14を同一のフォトマスクと同一のイオン注入工程とで形成する場合、第1Nウェル11の特性変更による第1Pウェル13の最適化のために第2Pウェル14の特性が望ましくないように変化する。この問題を解決するために、1回のフォトリソグラフィー工程を追加させ第1Pウェル13と第2Pウェル14を分離させ形成すべきであるが、これは好ましくない。
本発明では、フォトマスク工程の追加をせずに前記EEPROMを製造する方法が提供される。
以下、後述する各実施例により前記EEPROMを製造する方法を詳細に説明する。
(第1実施例)
図4〜図12は本発明の第1実施例によるNAND構造形EEPROM装置を製造する方法を説明するための断面図である。
図4はP形半導体基板20の表面部分に第2不純物ドーピング領域の第1Nウェル24と第4不純物ドーピング領域の第2Nウェル24Aを形成する段階を示す断面図である。具体的には、第1導電形の半導体基板、例えば18Ω・cmの抵抗をもち、<100>方向性のP形半導体基板20に通常のNウェル形成工程の場合のように第1酸化膜21を380Åの厚さで形成させる。次に、前記第1酸化膜21の上に窒化シリコンを通常の化学蒸着方法により2,000Åの厚さで沈積し酸化防止膜のシリコン窒化膜22を形成する。前記シリコン窒化膜22の上にフォトレジストを塗布しフォトレジスト膜(図示せず)を形成した後、これを第1Nウェル24および第2Nウェル24A形成用フォトマスクを使用して露光した後、現像して第1フォトレジストパターン(図示せず)を形成する。第1フォトレジストパターンをエッチングマスクに使用しシリコン窒化膜22の所定の部分を蝕刻しセルアレー領域の第1Nウェル24と周辺回路領域の第2Nウェル24Aの形成される部分のP形半導体基板20の表面部分を露出させる。次に、第2導電形不純物(N形不純物)として、例えば燐Pをドウス量1.7E13原子/cm 、加速電圧150KeVでイオン注入した後、前記第1フォトレジストパターンを取り除く。次いで1,150℃で17時間の間P形半導体基板20を熱処理し前記注入されたN形不純物を活性化させると同時にP形半導体基板20内に拡散させ、その結果セルアレー領域の第1Nウェル24と周辺回路領域の第2Nウェル24Aを形成する。
この際、熱処理過程の間、前記シリコン窒化膜22の蝕刻された部分にセルアレー領域および周辺回路領域の第2酸化膜23および23Aが4,500Åの厚さで成長する。
図5は第1不純物ドーピング領域の第1Pウェルおよび第3不純物ドーピング領域の第2Pウェル形成のための第2フォトレジストパターン26を形成した後、1次に第1導電形不純物を注入する段階を示す断面図である。図4の段階後、結果物上に第2フォトレジストを塗布し第2フォトレジスト膜を形成した後、第1および第2Pウェル形成のためのフォトマスクを使用して露光した後、現像してセルアレー領域の第2酸化膜23の(周辺部分を除いた)一部と第2Pウェルの形成されるシリコン窒化膜22の一部を露出させる第1および第2Pウェル形成用の第2フォトレジストパターンを形成する。次に、第1Nウェル上に形成されているセルアレー領域の第2酸化膜23の(周囲の周辺部を除いた)一部を酸化物蝕刻液を使用して湿式蝕刻し、第1Nウェルの形成されているP形半導体基板20の表面部分を露出させる。この際、シリコン窒化膜22は前記湿式蝕刻の中に用いられる酸化物蝕刻液に対して第2酸化膜23に比べ低い蝕刻選択比を有するので、シリコン窒化膜22の露出された部分は蝕刻されない。セルアレー領域のポケットPウェル形成のために第1導電形不純物(P形不純物)で、例えばボロン(Boron )をドウス量0.9E13原子/cm 、加速電圧50KeVで1次にイオン注入する。前記条件では、シリコン窒化膜22の露出された部分はイオンが半導体基板に注入されることを防止する。従って、P形半導体基板20の露出された表面部分を通じて第1Nウェル24の一部がP形不純物でドーピングされる。
図6は第1導電形不純物を2次に注入し図7に示す第1Pウェル27および第2Pウェル27Aを形成する段階を示す断面図である。低エネルギーで第1導電形不純物をイオン注入した後、周辺回路領域の第2Pウェル27Aを形成するために前記第2フォトレジストパターン26の取り除かれない状態で(前記シリコン窒化膜22(厚さ2,000Å)が透過できるエネルギーの)、1次に注入された不純物のような不純物を130KeVで1.5E13原子/cm ドウス量で注入する。以後、フォトレジストパターン26を取り除き1,150℃で8時間の間ドライブイン(Drive-In)工程を行いセルアレー領域の第1(ポケット)Pウェル27(第1不純物ドーピング領域)と周辺回路領域の第2Pウェル27A(第3不純物ドーピング領域)を形成する。第2Pウェル27Aは周辺回路領域のP形半導体基板20の第1表面部分に形成される。
図7は多数のフィールド酸化膜28、周辺回路領域の第1ゲート酸化膜29、セルアレー領域のトンネル酸化膜30およびセルアレー領域のNAND構造のEEPROMセルの第1ポリシリコンパターン31を形成する段階を示す断面図である。具体的には、図6のドライブイン段階の後、シリコン窒化膜22、残留する第2酸化膜23、23Aおよび第1酸化膜を取り除いた後、通常のLOCOS工程を通じて多数の素子分離用のフィールド酸化膜28を形成し次いでフィールド酸化膜28の形成された部分を除いたP形半導体基板20の全面に、200Åの厚さで第1ゲート酸化膜29を形成する。次に、セルアレー領域に第1ゲート酸化膜29より薄いトンネル酸化膜を選択的に形成させるために、通常の写真蝕刻工程を通じてセルアレー領域の前記第1ゲート酸化膜29の一部を取り除き写真蝕刻工程の際使用されたフォトレジストパターンを取り除いた後セルアレー領域の第1Pウェル27上に100Åの厚さでトンネル酸化膜30を形成する。次いで、EEPROM装置の浮遊ゲート形成のための第1導電層として、第1多結晶シリコンを1,500Åの厚さで沈積させ第1ポリシリコン層を形成し、これを燐Pでドーピングし面抵抗100Ω/cm をもたせ浮遊ゲート電極を形成するための第1導電層を形成する。通常の写真蝕刻工程を通じて前記第1導電層をパタニングしてセルアレー領域に第1ポリシリコンパターン31を形成する。
図8は第1ポリシリコンパターン31を覆う絶縁膜パターン32を形成し、周辺回路領域のしきい電圧を調節するためにイオンを注入する段階を示す断面図である。図7の段階の後、前記結果物上に絶縁膜としてONO膜(Oxide/Nitride/Oxide:32)を160Å/200Å/30Åの厚さで形成した後、セルアレー領域を覆い、周辺回路領域を露出させる第3フォトレジストパターン33を形成する。第3フォトレジストパターン33を蝕刻マスクに使用して前記ONO膜をエッチングし第1ポリシリコンパターンを覆う絶縁膜パターン32を形成する。この際、周辺回路領域上に形成された第1ゲート酸化膜29も取り除かれ、周辺回路領域のP形半導体基板20を露出させる。
次に、第3フォトレジストパターン33を取り除かない状態で、周辺回路領域のしきい電圧を調節するために、ボロンのような第1導電形P形不純物をドウス量2.0E11原子/cm 、加速電圧50KeVでP形半導体基板20の露出された表面を通じてイオン注入した後、前記フォトレジストパターン33を取り除く。
次に、周辺回路のNMOSトランジスタのしきい電圧を差別化させるためのイオン注入工程を遂行する。具体的には、周辺回路のNMOSの形成される領域、すなわち、前記第2Pウェル27Aを第4フォトレジストパターン(図示せず)を形成して露出させ、次に露出された領域を通じて第1導電形P形不純物として、例えばボロンをドウス量6.0E11原子/cm、加速電圧50KeVでイオン注入した後、前記第4フォトレジストパターンを取り除く。
次いで、周辺回路が正常的に作動するNMOSを形成するために、第5フォトレジストパターン(図示せず)を形成し前記周辺回路領域の第2Pウェル27Aと第2Nウェル24Aの間のP形半導体基板20を露出させた後、露出された部分を通じて第2導電形N形不純物として、例えば砒素Asをドウス量2.2E12原子/cm 、加速電圧30KeVでイオン注入した後、前記第5フォトレジストパターンを取り除く。
図9は第2ゲート酸化膜34を形成し、第2Nウェル24Aおよび第2Pウェル27A上の第2ゲート酸化膜34を部分的に取り除く段階を示す断面図である。第5フォトレジストパターンを取り除いた後、絶縁膜パターン32の覆うセルアレー領域を除いた結果物の全面に熱酸化方法により第2ゲート酸化膜34を200Åの厚さで成長させる。次に、結果物上にフォトレジストを塗布しフォトレジスト膜を形成した後、これをフォトマスクを使用し露光した後、現像して第2Nウェル24Aおよび第2Pウェル27A上に形成された第2ゲート酸化膜34の一部を露出させる第6フォトレジストパターン35を形成する。第6フォトレジストパターン35をエッチングマスクに使用し第2Nウェル24Aおよび第2Pウェル27A上の第2ゲート酸化膜34の露出された部分(PMOSトランジスタと高電圧に対する耐性を有するNMOSトランジスタの形成される部分を除いた周辺回路領域に形成された部分)を通常のエッチング方法により取り除く。
図10は第3ゲート酸化膜を形成し、周辺回路トランジスタの第1ゲート電極39a、第2ゲート電極39bおよび第3ゲート電極39cとセルアレーEEPROMの制御ゲート電極形成のための複合導電性パターン39dを形成する段階を示す断面図である。図9の第6フォトレジストパターン35を取り除いた後、(前記第2ゲート酸化膜34の蝕刻された)第2Pウェル27Aおよび第2Nウェル24Aの表面領域に通常の熱酸化方法により、第3ゲート酸化膜36を180Åの厚さで成長させる。この際の前記第3ゲート酸化膜36を形成するための熱酸化工程で(前記図9で蝕刻されず、第2Pウェル27Aと第2Nウェル24Aとの間に形成された)、図9の第2ゲート酸化膜34は最初の厚さの200Å以上に成長した第2ゲート酸化膜34’になる。
次に、結果物の全面にセルアレーの制御ゲート電極と周辺回路のトランジスタのゲート電極形成のための第2導電層として、第2ポリシリコンを蒸着し1,500Å位の厚さの第2ポリシリコン層を形成した後、燐Pをドーピングし第2ポリシリコン層に100Ω/cm の面抵抗をもたせる。次に、第2ポリシリコン層の上に(WSiのような)耐火金属シリサイドを1,500Åの厚さで蒸着し耐火金属シリサイド層を形成する。次いで、第2ポリシリコン層と耐火金属シリサイド層より構成された複合層を第7フォトレジストパターン40を使用し写真蝕刻工程によりパタニングする。従って、第2ポリシリコン層の第1パターン37a、第2パターン37bおよび第3パターン37cと第1耐火金属シリサイドパターン38a、第2耐火金属シリサイドパターン38bおよび第3耐火金属シリサイドパターン38cとから構成された周辺回路の第1、第2および第3MOSトランジスタの第1ゲート電極39a、第2ゲート電極39bおよび第3ゲート電極39cを形成する。また、第2ポリシリコン層の第4パターン37dと第4耐火金属シリサイドパターン38dとからなるセルアレーの制御ゲート形成用の(絶縁膜パターン32を覆う)複合導電性パターン39dが形成される。
前記方法によれば、セルのプログラム/消去の際使用される20V内外の高い電圧で動作するP形半導体基板20上に直接形成されたNMOSトランジスタのゲートは厚く成長した第2ゲート酸化膜34′をゲート絶縁膜として使用することにより高電圧に対する耐性が強化する。一方、低電圧のVccで動作する第2Pウェル27A上に形成されたNMOSトランジスタは(P形半導体基板20上に直接形成されたNMOSトランジスタのゲート酸化膜に比べ薄い)第3ゲート酸化膜36をゲート絶縁膜として使用することによりNMOSトランジスタのパンチスルー特性が強化する。
図11はセルアレーの制御ゲート電極42と浮遊ゲート電極31Aを形成する段階を示す断面図である。図10の第6フォトレジストパターン40を取り除いた後、結果物上に再び周辺回路領域を覆うEEPROMの制御ゲートと浮遊ゲートを形成するための第7フォトレジストパターン43を形成する。第7フォトレジストパターン43を蝕刻マスクに使用し第4耐火金属シリサイドパターン38d、第2ポリシリコン層の第4パターン37d、絶縁膜パターン32および第1ポリシリコンパターン31を順にエッチングしセルアレーの浮遊ゲート電極31Aと(第5ポリシリコン層パターン37eおよび第5耐火金属シリサイドパターン38eから構成された)制御ゲート電極42を形成する。
図12はEEPROMセルと周辺回路の第1、第2および第3MOSトランジスタを完成する段階を示す断面図である。図10の第7フォトレジストパターン43を取り除いた後、通常のMOSトランジスタの形成工程により結果物にN形およびP形不純物をイオン注入し注入されたイオンの拡散と活性化のための熱処理工程を行う。従って、第1Pウェル27上に形成された浮遊ゲート電極31A、浮遊ゲート電極31A上に形成された制御ゲート電極42と44dの示す第4ソース領域および第4ドレイン領域とより構成されたEEPROMセルが形成される。周辺回路領域には、第2Pウェル27A上に形成された第1ゲート電極39aと第2Pウェル27Aの表面部分に形成された第1ソース領域および第1ドレイン領域とより構成された第1MOSトランジスタ(第1NMOSトランジスタ)が形成される。また、周辺回路領域のP形半導体基板20の第2部分には、第2ゲート電極39bと周辺回路領域のP形半導体基板20の第2表面部分に形成された第2ソース領域および第2ドレイン領域とから構成された第2MOSトランジスタ(第2NMOSトランジスタ)が形成される。第2Nウェル24A上には、第2Nウェル24A上に形成された第3ゲート電極39cと第2Nウェル24Aの表面部分に形成された第3ソース領域および第3ドレイン領域より構成された第3MOSトランジスタ(周辺回路のPMOSトランジスタ)が形成される。そうして周辺回路領域に周辺回路の二つのNMOSおよび一つのPMOSが形成される。
通常のメモリ装置の場合と同一の方法で金属工程、層間絶縁膜形成工程および平坦化工程のような以後の工程(図示せず)を遂行し本発明のEEPROM装置を完成する。従って、その説明は略する。
(第2実施例)
図13および図14は本発明の第2実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。
図13は第1導電形の不純物を1次に注入する段階を示す断面図である。第1実施例の図4に示した通り同一の手続きを遂行する。第1実施例の場合と同一の方法で第2フォトレジストパターン26を形成した後、第1酸化膜21および第2酸化膜23とシリコン窒化膜22とを透過できるエネルギー、例えば、加速電圧240KeVでドウス量1.5E13原子/cm でボロンをイオン注入する。
図14は第1導電形不純物を2次に注入する段階を示す断面図である。図13の段階後、ボロンが前記第2酸化膜23は透過せずシリコン窒化膜22は透過できるエネルギー、すなわち加速電圧130KeVで、ドウス量0.5E13原子/cm でボロンをイオン注入する。次に、実施例1の場合と同一の方法で、第2フォトレジストパターン26を取り除いた後、ドライブイン工程を遂行しセルアレー領域の第1(ポケット)Pウェル27と周辺回路領域の第2Pウェル27Aを形成する。
以後の工程は第1実施例の図7〜図12の工程と同一なので説明を略する。
(第3実施例)
図15は本発明の第3実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。
図15は第1導電形不純物を注入する段階を示す。第1実施例および第2実施例で、第1導電形不純物は2段階の注入工程で注入されたが、本実施例ではただ1回で第1導電形不純物を注入する。
第1実施例の場合と同一の方法で第2フォトレジストパターン26を形成し、露出された第2酸化膜23を取り除いた後、第1Pウェル27および第2Pウェル27Aを形成するために、ボロンが前記シリコン窒化膜22が透過できるエネルギー、例えば加速電圧240KeVで、ドウス量1.5E13原子/cm でボロンをイオン注入する。
前記シリコン窒化膜22の厚さを変化させることにより、前記第2Pウェル27Aを形成する不純物の注入量が調節できる。以後の工程は前記第1実施例の第7〜第12の工程と同一なので説明を略する。
(第4実施例)
図16および図17は本発明の第4実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。
図16は第1導電形不純物を1次に注入する段階を示す断面図である。第1実施例の図4の段階を遂行した後、第1実施例の場合と同一の方法で第2フォトレジストパターン26を形成する。次に、ボロンがシリコン酸化膜22は透過できるが第2酸化膜23は透過できないエネルギー、例えば240KeVの加速電圧で、ドウス量0.5E13原子/cm でボロンをイオン注入する。
図17は第1導電形不純物を2次に注入する段階を示す断面図である。図16の段階後、第2酸化膜23の露出された部分を湿式蝕刻により取り除いた後、ボロンがシリコン窒化膜22を通過できるエネルギー、例えば240KeVの加速電圧で、ドウス量1.0E13原子/cm でボロンをイオン注入し第1Pウェル27と第2Pウェル27Aを形成する。
以後の工程は前記第1実施例の図7〜図12の工程と同一なので説明を略する。
(第5実施例)
図18は本発明の第5実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。
本実施例では第1Pウェル27および第2Pウェル27Aの形成のための不純物の濃度を分離して独立的に調節することが不必要である。
図18は第1導電性不純物を注入する段階を示す。第1実施例の図4の段階を遂行した後、図4における(酸化防止膜に使用される)シリコン窒化膜22および第1酸化膜21を湿式蝕刻により取り除きP形半導体基板20の全面を露出させる。次に、通常の熱酸化法により酸化膜23Bを約500Åの厚さで成長させる。以後、第2フォトレジストパターン26を第1実施例の場合と同一の方法で形成し、第1Pウェル27および第2Pウェル27Aの形成される部分の酸化膜23Bの一部を露出させる。
次に、ボロンを1.5E13原子/cm のドウス量でボロンが酸化膜23Bを通過できる加速エネルギーで注入する。以後の工程は前記第1実施例の図7〜図12の工程と同一なので、詳細な説明は略する。
本発明によるNAND構造のEEPROM装置はポケットPウェルに形成されたEEPROMセルを備える。ポケットPウェルの不純物濃度は周辺回路領域に形成されるPウェルとは独立的に調節される。従って、装置の特性により互いに独立的にその濃度が調節できるセルアレー領域と周辺回路領域の二つのPウェルを有するEEPROM装置が得られる。
本発明の一実施例によれば、高電圧で動作する周辺回路領域のNMOSトランジスタはP形半導体基板上に直接形成される。従って、高電圧に対する耐性が強化する。また、Vccで動作する周辺回路領域のNMOSトランジスタはセルアレー領域のPウェルとはその特性を独立的に調節できるPウェル上に形成される。これはパンチスルー特性を向上させる。
また、本発明によるNAND形のEEPROMの製造方法においては、2回のバルク形成用のフォトリソグラフィー工程で独立的にセルアレー領域と周辺回路領域の特性調節が可能である。Pウェルの特性を差別化させこれにより形成される周辺回路のトランジスタの特性も差別化させ得る。
以上前述のように本発明によると、短縮された工程により特性の優れた不揮発性半導体メモリ装置が製造できる。
従来のNAND構造形のEEPROMセルを示す断面図である。 従来のNAND構造形のEEPROMを使用したEEPROM装置の等価回路図の一部と、その消去および記録(あるいはプログラム)を示す図面である。 本発明の一実施例によるNAND構造形のEEPROMの構造を示す断面図である。 本発明の第1実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第1実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第1実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第1実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第1実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第1実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第1実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第1実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第1実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第2実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第2実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第3実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第4実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第4実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。 本発明の第5実施例によるNAND構造形のEEPROM装置を製造する方法を示す断面図である。
符号の説明
10 P形半導体基板(半導体基板)
11 第1Nウェル(第2不純物ドーピング領域)
12 第2Nウェル(第4不純物ドーピング領域)
13 第1Pウェル(第1不純物ドーピング領域)
14 第2Pウェル(第3不純物ドーピング領域)
24 第1Nウェル(第2不純物ドーピング領域)
24A 第2Nウェル(第4不純物ドーピング領域)
27 第1Pウェル(第1不純物ドーピング領域)
27A 第2Pウェル(第3不純物ドーピング領域)
31 第1ポリシリコンパターン(第1導電層パターン)
31A 浮遊ゲート電極(浮遊電極)
32 絶縁膜パターン(絶縁層パターン)
42 制御ゲート電極

Claims (12)

  1. セルアレー領域および周辺回路領域に分けられた第1導電形の半導体基板と、
    前記セルアレー領域の半導体基板の表面部分に形成された第1導電形の第1不純物ドーピング領域と、
    前記セルアレー領域の半導体基板の表面部分に形成され前記第1不純物ドーピング領域を包む第2導電形の第2不純物ドーピング領域と、
    前記第1不純物ドーピング領域の表面部に形成された第4ソース領域および第4ドレイン領域と前記第1不純物ドーピング領域上に形成された浮遊ゲート電極と前記浮遊ゲート電極上に形成された制御ゲート電極とから構成されたメモリセルと、
    前記周辺回路領域の半導体基板の第1表面部分に形成された第1導電形の第3不純物ドーピング領域と、
    前記第3不純物ドーピング領域上に形成された第1ゲート電極と前記第3不純物ドーピング領域の表面部分に形成された第1ソース領域および第1ドレイン領域より構成された第1MOSトランジスタと、
    前記周辺回路領域の半導体基板の第2表面部分に形成された第2ソース領域および第2ドレイン領域と前記半導体基板上に形成された第2ゲート電極とより構成された第2MOSトランジスタと、
    前記周辺回路領域の半導体基板の第3表面部分に形成された第2導電形の第4不純物ドーピング領域と、
    前記第4不純物ドーピング領域の表面部分に形成された第3ソース領域および第3ドレイン領域と前記第4不純物ドーピング領域上に形成された第3ゲート電極とより構成された第3MOSトランジスタと、
    を備えたことを特徴とする半導体メモリ装置。
  2. 前記第1MOSトランジスタおよび第2MOSトランジスタはNMOSトランジスタであり、前記第3MOSトランジスタはPMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。
  3. 前記第2MOSトランジスタのゲート絶縁膜は前記第1MOSトランジスタのゲート絶縁膜より厚いことを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。
  4. 前記第2MOSトランジスタのゲート絶縁膜は前記メモリセルのゲート絶縁膜より厚いことを特徴とする請求項3に記載の半導体メモリ装置。
  5. 前記第2MOSトランジスタは前記第1MOSトランジスタおよび前記第3MOSトランジスタの間に形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。
  6. 前記第1導電形はP形であり、前記第2導電形はN形であることを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。
  7. セルアレー領域と周辺回路領域に分けられるP形半導体基板と、
    前記セルアレー領域の前記P形半導体基板の表面部分に形成された第1Pウェルと、
    前記セルアレー領域の前記P形半導体基板の表面部分に形成され前記第1Pウェルを包む第1Nウェルと、
    前記第1Pウェルの表面部分に形成された第4ソース領域および第4ドレイン領域と前記第1Pウェル上に形成された浮遊ゲート電極および前記浮遊ゲート電極上に形成された制御ゲート電極より構成されたメモリセルと、
    前記周辺回路領域の前記P形半導体基板の第1表面部分に形成された第2Pウェルと、
    前記第2Pウェルの上に形成された第1ゲート電極および前記第2Pウェルの表面部分に形成された第1ソース領域および第1ドレイン領域より構成された第1NMOSトランジスタと、
    前記周辺回路領域の前記P形半導体基板の第2表面部分に形成された第2ソース領域および第2ドレイン領域と前記P形半導体基板の上に形成された第2ゲート電極とより構成された第2NMOSトランジスタと、
    前記周辺回路領域の前記P形半導体基板の第3表面部分に形成された第2Nウェルと、
    前記第2Nウェルの表面部分に形成された第3ソース領域および第3ドレイン領域と前記第2Nウェル上に形成された第3ゲート電極とより構成されたPMOSトランジスタと、
    を備えたことを特徴とする半導体メモリ装置。
  8. 前記第2NMOSトランジスタはウェルを含まない前記P形半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項7に記載の半導体メモリ装置。
  9. セルアレー領域および周辺回路領域に分けられたP形の半導体基板と、
    前記セルアレー領域の半導体基板の表面部分に形成されたP形の第1不純物ドーピング領域と、
    前記セルアレー領域の半導体基板の表面部分に形成され、前記第1不純物ドーピング領域を包むN形の第2不純物ドーピング領域と、
    前記第1不純物ドーピング領域の表面部に形成されたN形の第4ソース領域および第4ドレイン領域と、前記第1不純物ドーピング領域上に形成された浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極上に形成された制御ゲート電極とで構成されたメモリセルと、
    前記周辺回路領域の半導体基板の第1表面部分に形成されたP形の第3不純物ドーピング領域と、
    前記第3不純物ドーピング領域上に形成された第1ゲート電極と、前記第3不純物ドーピング領域の表面部分に形成されたN形の第1ソース領域および第1ドレイン領域とで構成された第1NMOSトランジスタと、
    前記周辺回路領域の半導体基板の第2表面部分に形成されたN形の第2ソース領域および第2ドレイン領域と、前記半導体基板上に形成された第2ゲート電極とで構成された高電圧用の第2NMOSトランジスタと、
    前記周辺回路領域の半導体基板の第3表面部分に形成されたN形の第4不純物ドーピング領域と、
    前記第4不純物ドーピング領域の表面部分に形成されたP形の第3ソース領域および第3ドレイン領域と、前記第4不純物ドーピング領域上に形成された第3ゲート電極とで構成されたPMOSトランジスタと、
    を備えたことを特徴とする半導体メモリ装置。
  10. 前記高電圧用の第2NMOSトランジスタは前記第1NMOSトランジスタより高電圧で動作するトランジスタであることを特徴とする請求項9に記載の半導体メモリ装置。
  11. セルアレー領域と周辺回路領域とに分けられたP形の半導体基板を提供する段階と、
    前記セルアレー領域の前記半導体基板の表面部分にN形の第2不純物ドーピング領域を形成する段階と、
    前記第2不純物ドーピング領域に取り囲まれるP形の第1不純物ドーピング領域を前記セルアレー領域の前記半導体基板の表面部分に形成する段階と、
    前記第1不純物ドーピング領域上にEEPROMセルを形成する段階と、
    前記周辺回路領域の前記半導体基板の第1表面部分にP形の第3不純物ドーピング領域を形成する段階と、
    前記第3不純物ドーピング領域上に第1ゲート電極とN形の第1ソース領域および第1ドレイン領域とを形成して第1NMOSトランジスタを形成する段階と、
    前記周辺回路領域の半導体基板の第2表面部分に第2ゲート電極とN形の第2ソース領域および第2ドレイン領域とを形成して高電圧用の第2NMOSトランジスタを形成する段階と、
    前記周辺回路領域の前記半導体基板の第3表面部分にN形の第4不純物ドーピング領域を形成する段階と、
    前記第4不純物ドーピング領域上に第3ゲート電極とP形の第1ソース領域および第1ドレイン領域とを形成してPMOSトランジスタを形成する段階と、
    を含むことを特徴とする半導体メモリ装置の製造方法。
  12. セルアレー領域と周辺回路領域とに分けられたP形半導体基板を提供する段階と、
    前記セルアレー領域の前記P形半導体基板の表面部分に第1Nウェルを形成し、前記周辺回路領域の前記P形半導体基板の第1表面部分に第2Nウェルを形成する段階と、
    前記第1Nウェルおよび前記第2Nウェルの形成される部分を除いた前記P形半導体基板の一部分に第1酸化膜および酸化防止膜を形成する段階と、
    前記第1Nウェルおよび前記第2Nウェル上に前記第1酸化膜より厚い第2酸化膜を形成する段階と、
    前記酸化防止膜および前記第2酸化膜上に、前記酸化防止膜の一部および前記第2酸化膜の一部を露出させるフォトレジストパターンを形成する段階と、
    前記P形半導体基板内にP形不純物を注入する段階と、
    注入された不純物を活性化し前記第1Nウェルで取り囲まれた第1Pウェルおよび前記周辺回路領域の前記P形半導体基板の第3表面部分に第2Pウェルを形成する段階と、
    前記第1Pウェル上にEEPROMメモリセルを形成する段階と、
    前記第2Pウェル上に第1NMOSトランジスタを形成する段階と、
    前記周辺回路領域の前記P形半導体基板の第2表面部分に第2NMOSトランジスタを形成する段階と、
    前記第2Nウェル上にPMOSトランジスタを形成する段階と、
    を含み、
    前記第2NMOSトランジスタは、ウェルを含まない前記P形半導体基板上に形成されることを特徴とする半導体メモリ装置の製造方法。
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