JP2004241698A - Nonvolatile semiconductor memory device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上にトンネル絶縁膜、トラップ絶縁膜、ブロック絶縁膜で構成される積層ゲート絶縁膜を有する不揮発性半導体記憶装置に関し、特に、電荷を保持するトラップ絶縁膜に、アルミナ等の酸化アルミニウム系の絶縁膜を用いたMOAOS(Metal Oxide Aluminum Oxide Semiconductor)型の不揮発性半導体記憶装置とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
不揮発性の半導体メモリとして、フラッシュメモリが知られている。フラッシュメモリでは、任意の番地でのメモリ容量(電荷)の書き込み、消去に加え、一括消去も可能であり、電源を切ってもメモリの内容を維持することができる。
【0003】
フラッシュメモリの構造として、従来からコントロールゲートとフローティングゲートから成る二重ゲート構造が採用されていた。しかし、二重ゲート構造では微細化やロジックへの搭載が困難なため、ゲート絶縁膜中に電荷をトラップすることでデータを記憶する単ゲート型の不揮発性半導体メモリが提案されている(たとえば特許文献1参照)。
【0004】
単ゲート型の不揮発性半導体メモリは、コントロールゲート下でゲート絶縁膜を構成する積層の構造から、MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)型あるいはSONOS(poly−Silicon Oxide Nitride Oxide Semiconductor )型メモリと呼ばれている。
【0005】
図1(a)は、一般的なMONOSまたはSONOS型フラッシュメモリのメモリセル構成を示す。半導体基板110上に、シリコン酸化膜(SiO2)112a、シリコン窒化膜(SiN)112b、シリコン酸化膜(SiO2)112cから成るONO構造の積層ゲート絶縁膜112を有し、ONO構造の積層ゲート絶縁膜112上に、コントロールゲート電極113が位置する。
【0006】
SiN膜112bは電荷をトラップすることからトラップ層と呼ばれ、下方のSiO2 膜112aは、データのプログラム時および消去時に電子がトンネリングすることからトンネル絶縁膜と呼ばれる。上方のSiO2 膜112cは、SiNトラップ膜112bからゲート電極113への電子のリークや、ゲート電極113からSiNトラップ膜112bへの消去時以外のホールの注入を防止し、トップ絶縁膜あるいはブロック絶縁膜と呼ばれる。
【0007】
コントロールゲート電極113への書き込み電圧と第2拡散領域111bへの電圧パルスの印加、あるいはコントロールゲート電極113への書き込み電圧と第1拡散領域111aへの電圧パルスの印加を制御することによって、SiO2 膜112aと112cに挟まれたSiN膜112bの界面で、第2拡散領域111b側と第1拡散領域111a側のいずれかに、電荷が離散化してトラップされる。すなわち、1つのセルで2ビットのメモリ機能が実現される。
【0008】
また、上述したMONOS構造を基本として、ゲート絶縁膜112に離散的に蓄積される電荷のトラップ状態を変化させることによって、4値を超える多値書き込み可能のMONOS型不揮発性半導体メモリも提案されている(たとえば特許文献2参照)。
【0009】
しかし、シリコン窒化(SiN)膜の電荷保持能力は十分とはいえず、特に微細化が進むと、データの信頼性が十分に確保されるとは言い切れない。そこで、本件特許出願と同一出願人による特願2002−264252では、シリコン窒化膜に代えて酸化アルミニウム系の材料をトラップ絶縁膜として使用する手法が提案されている。
【0010】
図1(b)は、トラップ絶縁膜にアルミナ膜を使用したMOAOS型メモリセルの構成例を示す。シリコン基板140上に、シリコン酸化膜142、アルミナ膜143、シリコン酸化膜144で構成されるOAO構造の積層ゲート絶縁膜145が位置し、素子分離領域141で区画される領域において、積層ゲート絶縁膜145上にコントロールゲート電極として機能するワード線146が位置する。コントロールゲート電極(またはワード線)146の両側にはサイドウォール(側壁スペーサ)147が設けられている。
【0011】
アルミナ、あるいは酸化アルミニウム(Al2O3)は、従来のトラップ絶縁膜であるシリコン窒化(SiN)膜に比べて、電荷が深くトラップされ、記憶保持特性が高い。また、消去動作もシリコン窒化膜に比べて早いという特徴がある。
【0012】
【特許文献1】
特開2001−358237号公報
【0013】
【特許文献2】
特開2001−93995号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、酸化アルミニウム(Al2O3)は耐酸性が弱く、メモリセルの製造工程における酸性洗浄液によるウエット工程で、侵食されてしまうという問題がある。たとえば、図2(a)〜2(d)に示すように、シリコン酸化膜(SiO2)142、酸化アルミニウム(Al2O3)膜143、シリコン酸化膜(SiO2)膜144から構成されるOAO型積層ゲート絶縁膜145上に、コントロールゲート電極としてのワード線146をパターニングし、全体をSiO2 膜147aで被覆してからエッチバックしてサイドウォール147を形成する場合、積層ゲート絶縁膜145の最上層のシリコン酸化膜(トップ絶縁膜)もエッチングされ、酸化アルミニウム(Al2O3)表面が露出してしまう。
【0015】
通常、エッチバックによるサイドウォール147の形成後は、酸性洗浄液による洗浄が行われるが、このときに用いる酸性洗浄液によって、露出したAl2O3膜143がエッチングされてしまう。この結果、図2(d)に示すように、トラップ絶縁膜としてのAl2O3 膜143の両側が侵食されて、溝149が生じる。
【0016】
トラップ絶縁膜が両側から侵食されると、ソース側とドレイン側に離散トラップされるべき電荷が混在して多値メモリとして機能しないばかりか、記憶保持の信頼性自体も損なわれる。
【0017】
トップ絶縁膜をシリコン酸化膜ではなく、窒化膜系の薄膜に代替することも考えられるが、窒化膜系は、酸化膜系と比較して緻密度が低く、リークが懸念される。また、ソース・ドレイン形成のためのイオン注入時にゲート絶縁膜へのイオンの拡散を抑制するためにも、トップ絶縁膜は酸化膜系であることが望ましい。
【0018】
そこで、本発明は記憶保持能力の高い酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜を用いた不揮発性半導体メモリにおいて、OAO構造を前提としつつ、トラップ層縁膜(Al2O3 膜)に対するエッチングダメージと洗浄による侵食を回避し、高性能で信頼性の高い不揮発性半導体メモリを提供することを目的とする。また、このような不揮発性半導体メモリの製造方法を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、OAO構造を含む積層ゲート絶縁膜の最上層に、サイドウォール(側壁スペーサあるいは側壁絶縁膜)よりもエッチング選択比が低い第4のカバー絶縁膜を挿入することによって、側壁絶縁膜形成時のエッチングダメージと、後の洗浄による侵食から、酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜を確実に保護する。
【0020】
具体的には、本発明の第1の側面では、不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成された積層ゲート絶縁膜と、積層ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、半導体基板表面においてゲート電極を挟む位置に形成される一対の不純物拡散領域とを備え、積層ゲート絶縁膜は、半導体基板側から順に、トンネル絶縁膜と、酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜と、トップ絶縁膜と、酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜およびトップ絶縁膜を保護するカバー絶縁膜の4層構造を有する。
【0021】
この不揮発性半導体記憶装置は、ゲート電極の側壁に位置する側壁絶縁膜をさらに備え、カバー絶縁膜は、側壁絶縁膜に対してエッチングレートの小さい材料で形成される。
【0022】
サイドウォールは、緻密性や、ゲート電極のフリンジ容量増加防止の観点から、シリコン酸化膜であることが望ましい。第4のカバー絶縁膜は、シリコン酸化膜と比較してエッチングレートの低いシリコン窒化(SiN)膜とする。この場合、積層ゲート絶縁膜は、基板側から順に、シリコン酸化膜、酸化アルミニウム膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜の4層構造となる。
【0023】
本発明の第2の側面では、トラップ絶縁膜としての酸化アルミニウム系膜を工程ダメージから確実に保護することのできる不揮発性半導体装置の製造方法を提供する。この製造方法は、以下の工程を含む。
(a)シリコン基板上に、トンネル絶縁膜、酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜、トップ絶縁膜、カバー絶縁膜を順次形成して、4層構造の積層ゲート絶縁膜を形成する、
(b)積層ゲート絶縁膜上に、所定の形状のゲート電極を形成する、
(c)ゲート電極の両側に、カバー絶縁膜に対してエッチング選択比の大きい絶縁材料で側壁絶縁膜を形成する。
【0024】
ゲート電極の形成工程は、積層ゲート絶縁膜上にゲート電極材料を堆積し、このゲート電極材料を、カバー絶縁膜の表面が露出するまで加工する工程を含む。
【0025】
また、積層ゲート絶縁膜の形成工程は、前記トップ絶縁膜とカバー絶縁膜の少なくとも一方の形成温度が、前記酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜の形成温度よりも高いことが望ましい。この場合は、酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜形成後に個別のアニール処理を行わなくても、トップ絶縁膜あるいはカバー絶縁膜の形成温度で酸化アルミニウムが焼成され、工程数を低減することができる本発明のその他の構成、特徴については、以下で図面を参照して述べる詳細な説明によりいっそう明確になる。
【0026】
【発明の実施の形態】
図3は、本発明の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を構成するフラッシュメモリセルの構成を模式的に示す図である。
【0027】
このフラッシュメモリセルは、シリコン基板1上に、シリコン酸化膜(SiO2 )2、酸化アルミニウム膜(Al2O3 )3、シリコン酸化膜(SiO2 )4、およびシリコン窒化膜(SiN)5の4層で構成される積層ゲート絶縁膜7を有する。また、LOCOS酸化膜などの素子分離層9で区画された活性領域において、積層ゲート絶縁膜7上に、ワード線として機能するゲート電極6を有する。ゲート電極6の両側には、サイドウォール8が位置する。
【0028】
サイドウォール8は、図3の例ではたとえばシリコン酸化膜で構成され、積層ゲート絶縁膜7の第4の絶縁膜として、シリコン酸化膜に比較してエッチング選択比の低いシリコン窒化膜(SiN)5が選択されている。
【0029】
積層ゲート絶縁膜7のうち、シリコン基板1上に位置するシリコン酸化膜2はトンネル絶縁膜として機能し、メモリセルのプログラムおよび消去時に、印加電圧により電荷がトンネリングする。シリコン酸化膜2上の酸化アルミニウム膜3は、シリコン窒化膜に比べてトラップ順位が深いところにあり、トラップされた電荷の保持力が高い。酸化アルミニウム膜3上のシリコン酸化膜は、電子のリーク防止やホールの注入を防止するトップ絶縁膜である。
【0030】
トラップ絶縁膜である酸化アルミニウム膜3を、シリコン酸化膜で挟み込むOAO構造は、酸化アルミニウムにトラップした電荷のリークを防止するために重要である。このOAO構造を保護するために、最上層のカバー絶縁膜としてのシリコン窒化膜5は、印加電圧の増大に著しい影響を与えず、かつ、下層のOAO構造を保護できる厚さであればよい。たとえば、トンネル絶縁膜としてのシリコン酸化膜2の膜厚を7nm、トラップ絶縁膜としての酸化アルミニウム膜3の膜厚を10nm、トップ絶縁膜としてのシリコン酸化膜4の膜厚を10nmとした場合、シリコン窒化膜5の膜厚は6nmとする。
【0031】
図4は、図3に示した4層構造のゲート絶縁膜を有するメモリセルを含むフラッシュメモリセルアレイの平面構成図であり、図5は、メモリセルアレイの等化回路図である。ワード線6とビット線11の交差領域にメモリセル領域20が位置し、メモリセルのソースおよびドレインは、隣り合う2本のビット線11にそれぞれ接続される。
【0032】
ビット線(BL1〜BL5)11は、センスアンプ31に接続され、ワード線(WL1〜WL8)はワード線ドライバ32に接続される。センスアンプ31およびワード線ドライバ32は、制御回路30によって制御され、制御回路によりワード線6およびビット線11を選択することによって、所望のメモリセルにアクセスする。制御回路30は外部のCPU33により制御される。CPU33にはRAM34が接続され、RAM34はメモリセルに書き込むべきデータを一時的に記憶する。
【0033】
図6〜図9はそれぞれ、図4の平面図におけるA−A’ライン、B−B’ライン、C−C’ライン、D−D’ラインで切った断面図である。図6のA−A’断面図は、活性領域において、2本の隣り合うビット線11の間に位置するコントロールゲート電極6および積層ゲート絶縁膜7の構造を示す。コントロールゲート電極6は、そのままワード線6となる。
【0034】
図7のB−B’断面図は、同じく活性領域において、ビット線11下に位置するワード線6と積層ゲート絶縁膜7構造を示す。ビット線11は、層間絶縁膜15を貫通するプラグ18を介して、一方の高濃度ソース・ドレイン領域16bに接続される。
【0035】
図8のC−C’断面図は、ビット線11に沿った方向に各メモリセルを分離独立させる不活性領域を示す。図9のD−D’断面図は、活性領域においてワード線6に沿った方向での断面構造を示す。
【0036】
このようなメモリセルの書き込み動作は、コントロールゲート電極6に書き込み電圧を印加し、一方のソース・ドレイン領域16にビット線11およびプラグ18を介して正電圧パルスを印加し、他方のソース・ドレイン領域16’を0Vとする。これにより、ソース・ドレイン領域16の近傍から電荷(ホットエレクトロン)がトンネル絶縁膜2にトンネリングして、コントロールゲート電極6下の酸化アルミニウム膜3のうち、領域16a側に離散的に電荷がトラップされる。
【0037】
また、コントロールゲート電極6に書き込み電圧を印加し、一方のソース・ドレイン領域16を0Vとし、他方のソース・ドレイン領域16’に正電圧パルスを印加することによって、酸化アルミニウム膜3において、領域16a’側に離散的に電荷がトラップされる。
【0038】
消去時は、酸化アルミニウム膜3に離散的にトラップされていた電荷をホールの注入により中和することで一括して行われる。すなわち、領域16a側にトラップされている電荷については、選択されたブロックのワード線すなわちコントロールゲート電極6のすべてと、一方のソース・ドレイン領域16のすべてに消去電圧を印加し、他方のソース・ドレイン領域16’をフローティングに設定することによって、ホットホールを発生させて、酸化アルミニウム膜3に注入する。領域16a’側にトラップされている電荷については、選択されたブロックのワード線すなわちコントロールゲート電極6のすべてと、他方のソース・ドレイン領域16’のすべてに消去電圧を印加し、一方のソース・ドレイン領域16をフローティングにすることによって、他方のソース・ドレイン16’側にホットホールを発生させることによって一括消去する。
【0039】
読み出し時には、選択されたメモリセルにつながるワード線(コントロールゲート電極)6に所定のゲート電圧を印加し、一方のソース・ドレイン領域16に、正の読み出し電圧を印加し、他方のソース・ドレイン16’領域を0Vとすることにより、メモリセルに流れる電流を基準電流と比較して、領域16a側での電荷の有無を判断する。また、選択されたワード線6に所定のゲート電圧を印加し、他方のソース・ドレイン領域16’に正の読み出し電圧を印加し、一方のソース・ドレイン16を0Vとすることによって、メモリセルに流れる電流を検出し、基準電流と比較して、領域16a’側における電荷の有無を判断する。
【0040】
図10は、本発明の実施形態に係る不揮発性半導体メモリの作成工程を示す。
【0041】
まず図10(a)に示すように、たとえばp型シリコン基板1上に局所的な素子分離領域9をたとえばLOCOS方法により形成し、活性領域を確定する。基板全面に、トンネル絶縁膜としてのシリコン酸化膜2と、トラップ絶縁膜としての酸化アルミニウム膜3と、トップ絶縁膜としてのシリコン酸化膜4と、カバー絶縁膜としてのシリコン窒化膜5とを順次形成する。これらの4層で、積層ゲート絶縁膜7を構成する。
【0042】
トンネル絶縁膜としてのシリコン酸化膜2は、たとえばシリコン基板1を1000℃程度の高温で酸化性雰囲気中にさらして、7nm程度の膜厚に形成する。トラップ絶縁膜としての酸化アルミニウム膜3は、たとえばALCVD(AtomicLayer Chemical Vapor Deposition)法により、約10nmの膜厚に形成する。原料ガスとして、Al(CH3)3 とオゾン(O3)とを交互に供給する。酸化アルミニウム膜はMOCVDやPVDにより形成することも可能である。
【0043】
トップ絶縁膜としてのシリコン酸化膜4は、たとえばLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)によりモノシラン(SiH4)とN2Oとを反応させて、約10nmの膜厚に形成する。トップ絶縁膜4は、TEOS原料を用いたCVD法、MOCVD法、プラズマCVD法により形成してもよい。シリコン酸化膜4は、酸化アルミニウム膜3にトラップされた電荷を絶縁する。
【0044】
カバー絶縁膜としてのシリコン窒化膜5は、プラズマCVD、減圧CVD、MOCVDなどにより、純化アンモニアを反応ガスとして用いて約6nmの膜厚に形成する。このシリコン窒化膜5は、後工程でサイドウォールを形成した後の洗浄工程で、下層の酸化アルミニウム膜3が侵食されるのを防止する。
【0045】
トラップ絶縁膜としての酸化アルミニウム3をたとえば300℃〜500℃で形成した場合、その後のシリコン酸化膜4とシリコン窒化膜5を800℃程度で形成するのが望ましい。これにより、酸化アルミニウム3に対して単独のアニール処理を行わなくても、上層のトップ絶縁膜4およびカバー絶縁膜5の形成時に酸化アルミニウム膜3のアニール処理を兼ねることができる。
【0046】
また、酸化アルミニウム膜3の形成後に900℃程度でアニール処理を行った場合は、その後のシリコン酸化膜4とシリコン窒化膜5を、膜の緻密性を損なわない程度の低温、たとえば700℃程度で形成することができる。
【0047】
次に図10(b)に示すように、素子分離領域9で区画される活性領域に、ゲート電極としてのワード線6を形成する。全面にポリシリコンまたはアモルファスシリコンを堆積後、フォトリソグラフィにより所定のワード線形状にパターニングする。ワード線6を形成する際のドライエッチングで、ポリシリコンと選択比の大きいシリコン窒化膜5はストッパとして機能する。パターンニング後、ワード線(ゲート電極)6をマスクとして、セルフアラインで低濃度のn型不純物拡散領域16a、16a’を形成する。ドーパントとして、たとえばAsを用い、加速電圧約10KeV、ドーズ量1.5×1014cm−2に制御して、積層ゲート絶縁膜7を介して、シリコン基板1にドーパントを打ち込み、その後の熱処理で拡散させる。
【0048】
次に、図10(c)に示すように、ゲート電極(ワード線)6および基板全面を覆って、シリコン酸化膜8aを堆積する。
【0049】
次に、図10(d)に示すように、酸化膜8aをエッチバックして、ゲート電極(ワード線)6の両側にサイドウォール8を残す。ドライ処理で異方性エッチングをする際に、積層ゲート絶縁膜7の最上層に位置するシリコン窒化膜5は、シリコン酸化膜に比較してドライエッチング耐性が大きく、ハードマスクとして機能する。この結果、下層のシリコン酸化膜4および酸化アルミニウム膜3を露出することなくサイドウォール8を形成することができる。サイドウォール8の形成後、酸性洗浄液で基板を洗浄する。この洗浄工程においても、酸化アルミニウムが露出することなく保護されているので、侵食が防止される。したがって、電荷蓄積を担うトラップ絶縁膜としての信頼性を損なわない。
【0050】
さらに、サイドウォール8をマスクにして、加速電圧30KeV、ドーズ量1×1015cm−2に制御し、積層ゲート絶縁膜7を介してシリコン基板1にn型ドーパントを打ち込み、高濃度の不純物拡散領域16b、16b’を形成する。
【0051】
続いて、図示はしないが、ワード線6およびサイドウォール8を覆って前面に層間絶縁膜を堆積し、ソース・ドレイン領域に到達するホールを形成し、ホール内をTiNなどの密着層を介して導電性物質で埋め込む。その後、CMPなどにより表面を平坦化した後、全面を導電性素材で被覆し、フォトリソグラフィにより所定の形状にパターニングしてビット線11(図7参照)を形成する。
【0052】
このような製造工程によれば、トラップ絶縁膜としての酸化アルミニウム膜が露出することなく、エッチングダメージや、洗浄による浸食から保護することができる。結果として、ソース側およびドレイン側に電荷を確実に離散トラップすることができ、不揮発性メモリとしての動作の信頼性を確保するこができる。
【0053】
なお、実施形態では、カバー絶縁膜(第4の絶縁膜)としてシリコン窒化膜を用いたが、サイドウォールとのエッチング選択比が大きければこの例に限定されず、たとえば酸窒化膜を用いることも可能である。
【0054】
また、積層ゲート絶縁膜を構成する各膜の形成方法、膜厚等は実施形態で述べた例に限定されず、印加電圧の著しい増大を引き起こさない範囲内で適宜変更可能である。たとえば、カバー絶縁膜としてのシリコン窒化膜は、酸化アルミニウム系をエッチングダメージおよび洗浄ダメージから保護できる厚さであれば、下層の膜厚に応じて、2nm〜10nmの範囲で調整可能である。
【0055】
トラップ絶縁膜としての酸化アルミニウム系の絶縁膜は、アルミナ(Al2O3)に限定されず、たとえばAlHfO、AlZrO、AlTaO、ZrAlOなどを用いてもよい。
【0056】
最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
(付記1) 半導体基板と、半導体基板上に形成された積層ゲート絶縁膜と、積層ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、半導体基板表面においてゲート電極を挟む位置に形成される一対の不純物拡散領域とを備え、前記積層ゲート絶縁膜は、半導体基板側から順に、トンネル絶縁膜と、酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜と、トップ絶縁膜と、前記酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜およびトップ絶縁膜を保護するカバー絶縁膜の4層構造を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
(付記2) 前記ゲート電極の側壁に位置する側壁絶縁膜をさらに備え、前記カバー絶縁膜は、前記側壁絶縁膜に対してエッチングレートの小さい材料で形成されることを特徴とする付記1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記3) 前記カバー絶縁膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする付記1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記4) 前記側壁はシリコン酸化膜であり、前記カバー絶縁膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする付記2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記5) 前記カバー絶縁膜の膜厚は2nm〜10nmであることを特徴とする付記1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記6) シリコン基板上に、トンネル絶縁膜、酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜、トップ絶縁膜、カバー絶縁膜を順次形成して、4層構造の積層ゲート絶縁膜を形成する工程と、
積層ゲート絶縁膜上に、所定の形状のゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側に、前記カバー絶縁膜に対してエッチング選択比の大きい絶縁材料で側壁絶縁膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
(付記7) 前記ゲート電極の形成工程は、前記積層ゲート絶縁膜上にゲート電極材料を堆積し、このゲート電極材料を、前記カバー絶縁膜の表面が露出するまで加工する工程を含むことを特徴する付記6に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
(付記8) 前記積層ゲート絶縁膜の形成工程は、前記トップ絶縁膜とカバー絶縁膜の少なくとも一方の形成温度が、前記酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜の形成温度よりも高いことを特徴とする請求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
(付記9) 前記カバー絶縁膜をシリコン窒化膜とし、前記側壁絶縁膜をシリコン酸化膜とすることを特徴とする付記6に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
【0057】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、酸化アルミニウム膜をトラップ絶縁膜に用いたOAO構造を含む不揮発性半導体メモリにおいて、酸化アルミニウム膜に対するダメージあるいは浸食を防止し、動作の信頼性を高く維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】単ゲート型の不揮発性メモリセルの構成例を示し、図1(a)は一般的なMONOS型メモリセルの構造を、図1(b)は新たに提案されているMOAOS型メモリセルの構造を示す図である。
【図2】図1(b)に示すMOAOS型メモリセルの製造工程を示す図である。
【図3】本発明の実施形態に係る、4層の積層ゲート絶縁膜構造を有するフラッシュメモリセルの構成例を示す図である。
【図4】図3の構成のフラッシュメモリセルを用いたメモリセルアレイの平面図である。
【図5】図4のフラッシュメモリセルアレイの等化回路図を含むブロック構成図である。
【図6】図4のA−A’ラインに沿った断面図である。
【図7】図4のB−B’ラインに沿った断面図である。
【図8】図4のC−C’ラインに沿った断面図である。
【図9】図4のD−D’ラインに沿った断面図である。
【図10】本発明の実施形態に係る4層の積層ゲート絶縁膜構造を有するフラッシュメモリの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体基板(シリコン基板)
2 トンネル絶縁膜(シリコン酸化膜)
3 トラップ絶縁膜(酸化アルミニウム膜)
4 トップ絶縁膜(シリコン酸化膜)
5 カバー絶縁膜(シリコン窒化膜)
6 ゲート電極(ワード線)
7 積層ゲート絶縁構造
8 サイドウォール(側壁絶縁膜)
9 素子分離領域
10 フラッシュメモリセルアレイ
11 ビット線
15 層間絶縁膜
16 ソース・ドレイン領域
16a 低濃度不純物拡散領域
16b 高濃度不純物拡散領域
18 プラグ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device having a stacked gate insulating film composed of a tunnel insulating film, a trap insulating film, and a block insulating film on a semiconductor substrate. The present invention relates to a MOAOS (Metal Oxide Aluminum Oxide Semiconductor) type nonvolatile semiconductor memory device using an aluminum oxide-based insulating film and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
A flash memory is known as a nonvolatile semiconductor memory. In a flash memory, in addition to writing and erasing a memory capacity (charge) at an arbitrary address, batch erasing is also possible, and the contents of the memory can be maintained even when the power is turned off.
[0003]
As a structure of the flash memory, a double gate structure including a control gate and a floating gate has been conventionally used. However, since it is difficult to achieve miniaturization and mounting on a logic with a double-gate structure, a single-gate nonvolatile semiconductor memory that stores data by trapping charges in a gate insulating film has been proposed (for example, see Patent Reference 1).
[0004]
A single-gate nonvolatile semiconductor memory is referred to as a MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor) type or a SONOS (Poly-Silicon Oxide Nitride Semiconductor type memory) from a stacked structure in which a gate insulating film is formed under a control gate. ing.
[0005]
FIG. 1A shows a memory cell configuration of a general MONOS or SONOS type flash memory. A silicon oxide film (SiO 2) is formed on the semiconductor substrate 110. 2 ) 112a, silicon nitride film (SiN) 112b, silicon oxide film (SiO 2 ) 112c, and the
[0006]
The SiN
[0007]
By controlling the writing voltage to the
[0008]
Further, based on the above-described MONOS structure, a MONOS-type nonvolatile semiconductor memory capable of multi-value writing exceeding four values has been proposed by changing the trapping state of charges discretely accumulated in the
[0009]
However, the charge holding ability of the silicon nitride (SiN) film cannot be said to be sufficient, and it cannot be said that data reliability is sufficiently ensured, especially when miniaturization proceeds. Therefore, Japanese Patent Application No. 2002-264252 filed by the same applicant as the present patent application proposes a method in which an aluminum oxide-based material is used as a trap insulating film instead of a silicon nitride film.
[0010]
FIG. 1B shows a configuration example of a MOAOS type memory cell using an alumina film as a trap insulating film. On the silicon substrate 140, a laminated gate insulating film 145 having an OAO structure composed of a
[0011]
Alumina or aluminum oxide (Al 2 O 3 In (2), electric charges are trapped deeper and the storage retention characteristics are higher than those of a silicon nitride (SiN) film which is a conventional trap insulating film. Also, the erasing operation is faster than that of the silicon nitride film.
[0012]
[Patent Document 1]
JP 2001-358237 A
[0013]
[Patent Document 2]
JP 2001-93995 A
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) Has poor acid resistance, and has a problem that it is eroded in a wet process using an acidic cleaning solution in a memory cell manufacturing process. For example, as shown in FIGS. 2A to 2D, a silicon oxide film (SiO 2 ) 142, aluminum oxide (Al 2 O 3 )
[0015]
Normally, after the formation of the
[0016]
When the trap insulating film is eroded from both sides, the charges to be discretely trapped on the source side and the drain side are mixed and do not function as a multi-valued memory, but also the reliability of storage retention is impaired.
[0017]
It is conceivable to replace the top insulating film with a nitride-based thin film instead of a silicon oxide film. However, the nitride-based film has a lower density than the oxide-based film, and there is a concern about leakage. Further, in order to suppress diffusion of ions into the gate insulating film at the time of ion implantation for forming the source / drain, it is preferable that the top insulating film is an oxide film type.
[0018]
Therefore, the present invention provides a nonvolatile semiconductor memory using an aluminum oxide-based trap insulating film having a high memory retention capability, based on an OAO structure and a trap layer edge film (Al). 2 O 3 It is an object of the present invention to provide a nonvolatile semiconductor memory having high performance and high reliability while avoiding etching damage to the film and erosion due to cleaning. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing such a nonvolatile semiconductor memory.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, a fourth cover insulating film having a lower etching selectivity than a sidewall (sidewall spacer or sidewall insulating film) is inserted into the uppermost layer of the stacked gate insulating film including the OAO structure. By doing so, the aluminum oxide-based trapping insulating film is reliably protected from etching damage at the time of forming the side wall insulating film and erosion due to subsequent cleaning.
[0020]
Specifically, according to the first aspect of the present invention, a nonvolatile semiconductor memory device includes a semiconductor substrate, a stacked gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and a gate electrode formed on the stacked gate insulating film. A pair of impurity diffusion regions formed at positions sandwiching the gate electrode on the surface of the semiconductor substrate, wherein the laminated gate insulating film includes, in order from the semiconductor substrate side, a tunnel insulating film, an aluminum oxide-based trap insulating film, It has a four-layer structure of an insulating film and a cover insulating film for protecting an aluminum oxide-based trap insulating film and a top insulating film.
[0021]
This nonvolatile semiconductor memory device further includes a side wall insulating film located on a side wall of the gate electrode, and the cover insulating film is formed of a material having a lower etching rate than the side wall insulating film.
[0022]
The sidewall is desirably a silicon oxide film from the viewpoint of denseness and prevention of an increase in fringe capacitance of the gate electrode. The fourth cover insulating film is a silicon nitride (SiN) film having a lower etching rate than the silicon oxide film. In this case, the laminated gate insulating film has a four-layer structure of a silicon oxide film, an aluminum oxide film, a silicon oxide film, and a silicon nitride film in this order from the substrate side.
[0023]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor device capable of reliably protecting an aluminum oxide-based film as a trap insulating film from process damage. This manufacturing method includes the following steps.
(A) forming, on a silicon substrate, a tunnel insulating film, an aluminum oxide-based trap insulating film, a top insulating film, and a cover insulating film sequentially to form a four-layer laminated gate insulating film;
(B) forming a gate electrode of a predetermined shape on the laminated gate insulating film;
(C) A sidewall insulating film is formed on both sides of the gate electrode using an insulating material having a high etching selectivity with respect to the cover insulating film.
[0024]
The step of forming the gate electrode includes a step of depositing a gate electrode material on the laminated gate insulating film and processing the gate electrode material until the surface of the cover insulating film is exposed.
[0025]
In the step of forming the stacked gate insulating film, it is preferable that the forming temperature of at least one of the top insulating film and the cover insulating film is higher than the forming temperature of the aluminum oxide-based trap insulating film. In this case, even if individual annealing is not performed after the formation of the aluminum oxide-based trap insulating film, the aluminum oxide is baked at the formation temperature of the top insulating film or the cover insulating film, and the number of steps can be reduced. Other configurations and features of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the drawings.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a configuration of a flash memory cell included in the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention.
[0027]
In this flash memory cell, a silicon oxide film (
[0028]
In the example of FIG. 3, the sidewall 8 is made of, for example, a silicon oxide film. As a fourth insulating film of the laminated
[0029]
Among the stacked
[0030]
The OAO structure in which the
[0031]
FIG. 4 is a plan view of a flash memory cell array including a memory cell having the four-layered gate insulating film shown in FIG. 3, and FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the memory cell array. The memory cell region 20 is located at the intersection of the
[0032]
The bit lines (BL1 to BL5) 11 are connected to a
[0033]
6 to 9 are cross-sectional views taken along line AA ', line BB', line CC ', and line DD' in the plan view of FIG. 4, respectively. AA ′ cross-sectional view of FIG. 6 shows the structure of the
[0034]
A cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 7 shows the structure of the
[0035]
The cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 8 shows an inactive region that separates and independents each memory cell in a direction along the
[0036]
In such a memory cell write operation, a write voltage is applied to the
[0037]
Further, by applying a write voltage to the
[0038]
Erasing is performed collectively by neutralizing the charges discretely trapped in the
[0039]
At the time of reading, a predetermined gate voltage is applied to a word line (control gate electrode) 6 connected to the selected memory cell, a positive read voltage is applied to one source /
[0040]
FIG. 10 shows a process of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the embodiment of the present invention.
[0041]
First, as shown in FIG. 10A, a local
[0042]
The
[0043]
The
[0044]
The
[0045]
When
[0046]
When the annealing process is performed at about 900 ° C. after the formation of the
[0047]
Next, as shown in FIG. 10B, a
[0048]
Next, as shown in FIG. 10C, a
[0049]
Next, as shown in FIG. 10D, the
[0050]
Further, using the side wall 8 as a mask, an acceleration voltage of 30 KeV and a dose of 1 × 10 Fifteen cm -2 Then, an n-type dopant is implanted into the
[0051]
Subsequently, although not shown, an interlayer insulating film is deposited on the front surface to cover the
[0052]
According to such a manufacturing process, the aluminum oxide film serving as the trap insulating film can be protected from etching damage and erosion due to cleaning without exposing the aluminum oxide film. As a result, the charges can be reliably trapped discretely on the source side and the drain side, and the reliability of the operation as the nonvolatile memory can be ensured.
[0053]
In the embodiment, the silicon nitride film is used as the cover insulating film (the fourth insulating film). However, the present invention is not limited to this example as long as the etching selectivity with the sidewall is large. For example, an oxynitride film may be used. It is possible.
[0054]
Further, the forming method, film thickness, and the like of each film constituting the stacked gate insulating film are not limited to the examples described in the embodiment, and can be appropriately changed within a range that does not cause a significant increase in applied voltage. For example, the silicon nitride film as the cover insulating film can be adjusted in a range of 2 nm to 10 nm according to the thickness of the lower layer as long as the thickness can protect the aluminum oxide system from etching damage and cleaning damage.
[0055]
Aluminum oxide based insulating film as a trap insulating film is made of alumina (Al 2 O 3 However, for example, AlHfO, AlZrO, AlTaO, ZrAlO, etc. may be used.
[0056]
Finally, with regard to the above description, the following supplementary notes are disclosed.
(Supplementary Note 1) A semiconductor substrate, a stacked gate insulating film formed on the semiconductor substrate, a gate electrode formed on the stacked gate insulating film, and a pair of impurities formed at positions sandwiching the gate electrode on the surface of the semiconductor substrate. A diffusion region, and the laminated gate insulating film includes, in order from the semiconductor substrate side, a tunnel insulating film, an aluminum oxide-based trap insulating film, a top insulating film, and the aluminum oxide-based trap insulating film and a top insulating film. A nonvolatile semiconductor memory device having a four-layer structure of a cover insulating film for protecting the semiconductor device.
(Supplementary Note 2) The
(Supplementary Note 3) The nonvolatile semiconductor memory device according to
(Supplementary Note 4) The nonvolatile semiconductor memory device according to
(Supplementary Note 5) The nonvolatile semiconductor memory device according to
(Supplementary Note 6) A step of sequentially forming a tunnel insulating film, an aluminum oxide-based trap insulating film, a top insulating film, and a cover insulating film on a silicon substrate to form a four-layer laminated gate insulating film;
Forming a gate electrode of a predetermined shape on the laminated gate insulating film;
Forming a sidewall insulating film on both sides of the gate electrode with an insulating material having a large etching selectivity with respect to the cover insulating film;
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
(Supplementary Note 7) The step of forming the gate electrode includes a step of depositing a gate electrode material on the laminated gate insulating film and processing the gate electrode material until the surface of the cover insulating film is exposed. 7. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to
(Supplementary Note 8) In the step of forming the laminated gate insulating film, a forming temperature of at least one of the top insulating film and the cover insulating film is higher than a forming temperature of the aluminum oxide-based trap insulating film.
(Supplementary Note 9) The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to
[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a nonvolatile semiconductor memory including an OAO structure in which an aluminum oxide film is used as a trap insulating film, damage or erosion of the aluminum oxide film is prevented, and high reliability of operation is maintained. It becomes possible to do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a configuration example of a single-gate nonvolatile memory cell. FIG. 1A shows a structure of a general MONOS memory cell, and FIG. 1B shows a newly proposed MOAOS memory. It is a figure showing the structure of a cell.
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the MOAOS memory cell shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a flash memory cell having a four-layer stacked gate insulating film structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a plan view of a memory cell array using the flash memory cells having the configuration shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a block diagram including an equalization circuit diagram of the flash memory cell array of FIG. 4;
FIG. 6 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 4;
FIG. 7 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 4;
FIG. 8 is a sectional view taken along line CC ′ of FIG. 4;
FIG. 9 is a sectional view taken along line DD ′ of FIG. 4;
FIG. 10 is a diagram showing a manufacturing process of a flash memory having a four-layer laminated gate insulating film structure according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate (silicon substrate)
2 Tunnel insulating film (silicon oxide film)
3 Trap insulating film (aluminum oxide film)
4 Top insulating film (silicon oxide film)
5 Cover insulating film (silicon nitride film)
6 Gate electrode (word line)
7 Stacked gate insulation structure
8 Side wall (side wall insulating film)
9 Device isolation area
10 Flash memory cell array
11 bit line
15 Interlayer insulation film
16 Source / drain regions
16a Low concentration impurity diffusion region
16b High concentration impurity diffusion region
18 plug
Claims (5)
前記半導体基板上に形成された積層ゲート絶縁膜と、
前記積層ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記半導体基板表面において、前記ゲート電極を挟む位置に形成される一対の不純物拡散領域と
を備え、前記積層ゲート絶縁膜は、半導体基板側から順に、トンネル絶縁膜と、酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜と、トップ絶縁膜と、前記酸化アルミニウム系のトラップ絶縁膜およびトップ絶縁膜を保護するカバー絶縁膜の4層構造を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。A semiconductor substrate;
A stacked gate insulating film formed on the semiconductor substrate,
A gate electrode formed on the laminated gate insulating film;
A pair of impurity diffusion regions formed on the surface of the semiconductor substrate so as to sandwich the gate electrode, wherein the laminated gate insulating film includes, in order from the semiconductor substrate side, a tunnel insulating film and an aluminum oxide-based trap insulating film. A non-volatile semiconductor memory device having a four-layer structure of: a top insulating film; and a cover insulating film for protecting the aluminum oxide-based trap insulating film and the top insulating film.
前記積層ゲート絶縁膜上に、所定の形状のゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側に、前記カバー絶縁膜に対してエッチング選択比の大きい絶縁材料で側壁絶縁膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。Forming a tunnel insulating film, an aluminum oxide-based trap insulating film, a top insulating film, and a cover insulating film on a silicon substrate sequentially to form a four-layer laminated gate insulating film;
Forming a gate electrode of a predetermined shape on the laminated gate insulating film;
Forming a sidewall insulating film on both sides of the gate electrode with an insulating material having a large etching selectivity with respect to the cover insulating film;
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
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JP2007103764A (en) * | 2005-10-06 | 2007-04-19 | Sharp Corp | Semiconductor memory device and its manufacturing method |
JP2009076885A (en) * | 2007-08-31 | 2009-04-09 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Semiconductor device, and method for manufacturing same |
KR100894098B1 (en) | 2007-05-03 | 2009-04-20 | 주식회사 하이닉스반도체 | Nonvolatile memory device having fast erase speed and improoved retention charactericstics, and method of fabricating the same |
-
2003
- 2003-02-07 JP JP2003030977A patent/JP2004241698A/en active Pending
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