JP2005044844A - 不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】Si/Wの組成比が2.4以下のWSi又はWを用いて制御ゲート低抵抗化金属を形成した場合にも、十分抵抗が低くかつゲート間の耐圧を確保し、高い信頼性が得られる装置を提供する。
【解決手段】Si/Wの組成比が2.4以下のWSi又はWを用いて形成された制御ゲート低抵抗化金属膜25の側壁が、側壁絶縁膜31により覆われている。このため、ゲート側壁酸化工程において、制御ゲート低抵抗化金属膜25に異常酸化が発生せず、ゲート電極としての正常な形状及び寸法を保つことができ、制御ゲート低抵抗化金属膜25に含まれるWが、ゲート側壁酸化工程で酸化炉中に拡散して金属汚染を生じる可能性を低減し、また層間絶縁膜に空隙が形成されず良好な埋め込み特性を得ることができる。
【選択図】 図1
【解決手段】Si/Wの組成比が2.4以下のWSi又はWを用いて形成された制御ゲート低抵抗化金属膜25の側壁が、側壁絶縁膜31により覆われている。このため、ゲート側壁酸化工程において、制御ゲート低抵抗化金属膜25に異常酸化が発生せず、ゲート電極としての正常な形状及び寸法を保つことができ、制御ゲート低抵抗化金属膜25に含まれるWが、ゲート側壁酸化工程で酸化炉中に拡散して金属汚染を生じる可能性を低減し、また層間絶縁膜に空隙が形成されず良好な埋め込み特性を得ることができる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
チャネル領域からトンネル絶縁膜を介してトンネル電流によって電荷蓄積層に注入した電荷をディジタルビットの情報格納として用い、その電荷量に応じたMOSFETのコンダクタンス変化を測定することで、情報を読み出す不揮発性半導体記憶装置が開発されている。
【0003】
このような不揮発性半導体記憶装置では、Si/Wの組成比が2.4以上のタングステンシリサイド(WSi)から成る金属とポリシリコンとの積層構造が用いられている。
【0004】
制御ゲート電極の抵抗を下げてゲート遅延を短縮し、書き込み時間を削減するために、このWSiをより低抵抗な材料、即ちSi/Wの組成比が2.4以下のWSi、あるいはWにすると、セルの信頼性が悪化するという問題があった。
【0005】
このような現象について、従来の不揮発性半導体記憶装置における問題について、図29を用いて述べる。
【0006】
先ず、P型半導体基板10上に、トンネル酸化膜21として例えばシリコン酸化膜を形成し、その上に、浮遊ゲート電極22として例えばリンを導入したポリシリコン膜を形成する。
【0007】
その上に、インターポリ絶縁膜23を積層し、さらにその上に、制御ゲート電極24としてポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜上に、例えばWSi又はWから成る制御ゲート低抵抗化金属膜25を形成する。
【0008】
ここで、制御ゲート低抵抗化金属膜25として、Si/Wの組成比が2.4以下のWSiから成る金属又はWを使用し、さら成る低抵抗化を試みた場合を考える。
【0009】
制御ゲート低抵抗化金属膜25上に、ゲート電極加工の際のエッチングマスク材と成るマスク絶縁膜26として、例えばシリコン窒化膜を形成する。
【0010】
このようにして形成された積層構造に対し、例えばリソグラフィ後に異方性エッチングを行い、浮遊ゲート電極22と成るポリシリコン膜からマスク絶縁膜26と成るシリコン窒化膜までパターニングする。
【0011】
次いで、異方性エッチングによるダメージ回復、及び浮遊ゲート電極22と成るポリシリコン膜からゲート側壁を介したリーク電流を防止するために、例えば5〜20nmの範囲で浮遊ゲート電極22の側壁酸化を行う。
【0012】
この際に、制御ゲート低抵抗化金属膜25がWSiあるいはWから成る場合、通常のウェット酸化やドライ酸化、またはISSG酸化条件では、制御ゲート低抵抗化金属膜25の方が浮遊ゲート電極22のポリシリコン膜より多く酸化される。このため、図29に示されたように、制御ゲート低抵抗化金属膜25の側壁に形成された金属元素を含んだシリコン酸化膜43が、浮遊ゲート電極22のポリシリコン膜、制御ゲート電極24のポリシリコン膜の側面にそれぞれ形成されたシリコン酸化膜から成る側壁酸化膜41、42よりも膨らんだ形状と成る。
【0013】
特に、制御ゲート低抵抗化金属膜25が、Si/Wの組成比が2.4以下のWSiから成る場合、側壁酸化工程において、導電性があるタングステン酸化物61が異常成長する。
【0014】
一方、制御ゲート低抵抗化金属膜25がWから成る場合は、700℃以上の熱工程で容易に酸化され、導電性があるタングステン酸化物61が異常成長する。
【0015】
いずれにせよ、隣接する制御ゲートの制御ゲート低抵抗化金属膜25(WL1)と制御ゲート低抵抗化金属膜25(WL2)との間が、導電性を有するタングステン酸化膜61によって狭まるため、データ選択線WL1とWL2との間で耐圧不良を生じる。
【0016】
さらに、ゲート側壁酸化後に、通常はソースドレイン領域28を形成するためにリンまたは砒素等のN型不純物をイオン注入する。しかしながら、タングステン酸化膜61が形成されると、イオン注入に対してシャドウイング(shadowing)が生じるため、その下の半導体基板10にN型不純物が充分供給されなく成る。
【0017】
よって、図29に示されたように、ソース、ドレイン領域と成る不純物拡散層51が形成されない部分52が生じ、トランジスタとして動作しなく成る。
【0018】
この後、ゲート電極間に、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜から成る層間絶縁膜を埋め込んだ場合、タングステン酸化物61が膨らんで形成されているために埋め込み性が悪く、巣(seam)と称される空隙が生じる。また、タングステン酸化物61の存在によってシャドウイングが生じ、浮遊ゲートの側壁に層間絶縁膜が形成されない空隙が発生する。
【0019】
このように、電荷蓄積層の極近傍に形成された空隙が発生すると、空隙がない場合とで層間絶縁膜のエッチング深さが大幅に変わるので、その部分にコンタクトを後に形成する場合に、エッチング深さの制御性を極端に悪化させることに成る。
【0020】
さらに、図29の紙面に向かって垂直方向に隣接してメモリセルを形成した場合に、空隙に沿ってコンタクト電極形成用の導電体が入り込むため、隣接セル間にショートが生じるおそれもある。
【0021】
ところで、ポリシリコンとWとの選択酸化について、後述する非特許文献1が開示されている。
【0022】
この文献において、800℃から850℃での選択酸化によって、ポリシリコン側壁をWよりもより多く酸化する方法を開示している。
【0023】
しかしながらこの方法では、通常850℃以下の低温酸化であるが故に酸化膜の粘性が高く、側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点に位置する浮遊ゲート電極22において、図29に示されたように酸化後の形状が端部200において凸状態に尖ったものと成る。
【0024】
特に、浮遊ゲート電極22のポリシリコン中のリン濃度が高く、酸化速度が速い場合にこの形状はより顕著と成る。
【0025】
このため、不揮発性半導体記憶装置として用いた場合、その浮遊ゲート電極22から電子を引き抜く消去時において、凸状に尖った部分200で電界集中を生じ、平端な部分よりも凸状の部分から半導体基板10又は不純物拡散層51に放出されやすく成る。
【0026】
この結果、凸状の部分に集中的に電子が流れるため、フラッシュメモリとして書き込み及び消去を繰り返すとその部分の劣化が速く進み、信頼性を損うことと成る。
【0027】
また、本発明に関連する技術を開示するものとして、後述する特許文献1が存在する。
【0028】
この文献には、制御ゲートにタングステンを用いた不揮発性半導体記憶装置において、制御ゲートを窒化膜で覆うことによって、タングステンの異常酸化を防止する技術が開示されている。
【0029】
しかし、この技術には次のような問題があった。この文献の図9に示されたように、窒化膜49aが、制御ゲート用ポリシリコン層39の側壁を覆っているが、ONO膜37及びフローティングゲート用ポリシリコン層35の側壁は全く覆っていない。
【0030】
この文献では、後酸化によってフローティングゲート用ポリシリコン層35に形成される後酸化膜の形状が開示されてはいない。しかし、後酸化工程を経ると、ONO膜37の下部に位置するフローティングゲート用ポリシリコン層35の側壁が酸化されてバーズビークが形成され、ONO膜37の上部に位置する制御ゲート用ポリシリコン層39の側壁は全く酸化されないことになる。
【0031】
このために、ONO膜37上部のエッチングダメージの回復が不十分となり、耐圧不良及び信頼性不良の原因となっていた。
【0032】
ところで、不揮発性半導体記憶装置では、後酸化量を少なくしてONO膜37の側壁の上端及び下端に形成されるバーズビークを小さくすれば、ONO膜37の厚膜化を防止できる。これにより、CONO/(CONO+COX)で定義されるカップリング比が大きくなり、その結果データの書き込み特性(プログラム特性)が向上する。ここで、CONOはONO膜37の容量、COXはトンネル酸化膜33aの容量とする。
【0033】
しかし、この文献の図9に開示されたONO膜37の下部に位置するフローティングゲート用ポリシリコン層35の側壁にはバーズビークが形成される。このため、書き込み特性においても十分ではない。
【0034】
つまり、ONO膜37の側壁の上端、下端にバーズビークを形成するか否かによって、耐圧に関する信頼性とプログラム特性とがトレードオフの関係にある。この文献に開示された技術では、そのどちらも満足させることもできないという問題があった。
【0035】
【非特許文献1】
S.choi、”High Manufacturable Sub−100nm DRAM Integrated with Full Functionality”、IEDM2002
【特許文献1】
特開2003−31708号公報
【0036】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、Si/Wの組成比が2.4以下のWSiから成る金属またはWを用いて制御ゲート低抵抗化金属膜25を形成した場合、ゲート側壁酸化工程において、導電性があるタングステン酸化物61が異常成長し、制御ゲート間の耐圧劣化をもたらすという問題があった。
【0037】
また、側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点に位置する浮遊ゲート電極22が凸状に尖った形状となり、電界集中により劣化が進み信頼性の低下を招くという問題があった。
【0038】
さらに、制御ゲートにタングステンを用いる装置において、制御ゲートを窒化膜で覆ってタングステンの異常酸化を防止する従来技術も提案されているが、信頼性及びプログラム特性の点において問題があった。
【0039】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、Si/Wの組成比が2.4以下のWSiから成る金属又はWを用いて制御ゲート低抵抗化金属を形成した場合においても、十分抵抗が低く、かつゲート間の耐圧を確保して高い信頼性が得られ、またプログラム特性においても向上させることが可能な不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。
【0040】
【課題を解決するための手段】
本発明の不揮発性半導体記憶装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面部分に所定間隔を空けて形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域及びドレイン領域の間に位置するチャネル領域と、
前記チャネル領域上に、第1の絶縁膜を介して形成された浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に、第2の絶縁膜を介して形成された半導体層と、この半導体層上に形成された金属層とを含む制御ゲート電極と、
前記制御ゲート電極上に形成された耐酸化性を有する第3の絶縁膜とを有する、電気的に情報の書き込み及び消去が可能な不揮発性半導体記憶装置において、
少なくとも前記金属層の側壁を覆うように形成された耐酸化性を有する第4の絶縁膜をさらに備え、
前記第4の絶縁膜は、前記金属層の側壁から少なくとも前記制御ゲート電極の前記半導体層の側壁の一部に渡って形成されていることを特徴とする。
【0041】
ここで、前記第4の絶縁膜が、インターポリ絶縁膜の上部に配置されていてもよい。
【0042】
また本発明の不揮発性半導体記憶装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面部分に所定間隔を空けて形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域及びドレイン領域の間に位置するチャネル領域と、
前記チャネル領域上に、第1の絶縁膜を介して形成された浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に、第2の絶縁膜を介して形成された半導体層と、この半導体層上に形成された金属層とを含む制御ゲート電極と、
前記制御ゲート電極上に形成された耐酸化性を有する第3の絶縁膜と、
前記金属層の側壁及び前記制御ゲート電極の前記半導体層の側壁を覆うように形成された耐酸化性を有する第4の絶縁膜とを有するメモリセルを、少なくとも2個直列に接続された状態で備え、
さらに、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有する二つの選択トランジスタを、直列に接続された前記メモリセルのそれぞれ両端に接続された状態で備え、
前記メモリセル及び前記選択トランジスタは、同一導電型半導体領域に形成された電界効果トランジスタであることを特徴とする。
【0043】
あるいは本発明の不揮発性半導体記憶装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面部分に所定間隔を空けて形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域及びドレイン領域の間に位置するチャネル領域と、
前記チャネル領域上に、第1の絶縁膜を介して形成された浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に、第2の絶縁膜を介して形成された半導体層と、この半導体層上に形成された金属層とを含む制御ゲート電極と、
前記制御ゲート電極上に形成された耐酸化性を有する第3の絶縁膜とを有し、電気的に情報の書き込み及び消去が可能な不揮発性半導体記憶装置において、
前記金属層の側壁、前記制御ゲート電極の前記半導体層の側壁から前記浮遊ゲート電極の側壁の一部に渡って覆うように形成された耐酸化性を有する第4の絶縁膜をさらに備えることを特徴とする。
【0044】
ここで、前記浮遊ゲート電極の前記半導体層の側壁の少なくとも一部には、前記電荷蓄積電極が酸化されて形成された第5の絶縁膜が形成されており、
この第5の絶縁膜は、前記浮遊ゲート電極の側壁における前記第1の絶縁膜と接する箇所において、前記第1の絶縁膜あるいは前記第2の絶縁膜と接しない箇所より厚膜化されていてもよい。
【0045】
前記第5の絶縁膜は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜から成り、前記第4の絶縁膜より酸素組成が多いものであってもよい。
【0046】
前記金属層は、W又はWSi、あるいはSi/W比が2.2以下のWSiからなるものであってもよい。
【0047】
前記第4の絶縁膜は、シリコン窒化膜から成るものであってもよい。
【0048】
また本発明の不揮発性半導体記憶装置は、
前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有するメモリセルを、前記ソース領域又はドレイン領域を共有するように、少なくとも2個隣接した状態で備え、
隣接する前記メモリセルのそれぞれの前記制御ゲート電極間に、第6の絶縁膜が埋め込み形成されていることを特徴とする。
【0049】
あるいは本発明の不揮発性半導体記憶装置は、
前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有するメモリセルを、少なくとも2個直列に接続された状態で備え、
さらに、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第3の絶縁膜を有する二つの選択トランジスタを、直列に接続された前記メモリセルのそれぞれ両端に接続された状態で備え、
前記メモリセル及び前記選択トランジスタは、同一導電型半導体領域に形成された電界効果トランジスタであってもよい。
【0050】
本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、
半導体基板上に、第1の絶縁膜、浮遊ゲート電極となる導電膜、第2の絶縁膜、制御ゲート電極となる半導体層及び金属層、第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の途中の深さまで、ゲート電極の形状にパターニングする工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の表面上に第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の絶縁膜が、前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の側壁に残存し、前記半導体層の上面には残存しないように、前記第4の絶縁膜にエッチングを行う工程と、
前記第3の絶縁膜をマスクとして、前記半導体層、前記金属層、前記第2の絶縁膜及び前記導電膜にエッチングを行い、電極の形状にパターニングを行うことで、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体層の側壁のうち前記第4の絶縁膜で覆われていない部分、及び前記導電膜の側壁に、後酸化処理を行って側壁酸化膜を形成する工程と、
前記浮遊ゲート電極及び前記制御ゲート電極をマスクとして前記半導体基板の表面部分に不純物をイオン注入し、ソース領域及びドレイン領域を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【0051】
また本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、
半導体基板上に、第1の絶縁膜、浮遊ゲート電極となる導電膜、第2の絶縁膜、制御ゲート電極となる半導体層及び金属層、第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層をゲート電極の形状にパターニングする工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記第2の絶縁膜の表面上に第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の絶縁膜が、前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の側壁に残存し、前記第4の絶縁膜及び前記第2の絶縁膜が前記導電膜の上面には残存しないように、前記第4の絶縁膜及び前記第2の絶縁膜にエッチングを行う工程と、
前記第3の絶縁膜をマスクとして、前記半導体層、前記金属層、前記第2の絶縁膜及び前記導電膜にエッチングを行い、電極の形状にパターニングを行うことで、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極を形成する工程と、
前記導電膜の側壁に、後酸化処理を行って側壁酸化膜を形成する工程と、
前記浮遊ゲート電極及び前記制御ゲート電極をマスクとして前記半導体基板の表面部分に不純物をイオン注入し、ソース領域及びドレイン領域を形成する工程とを備える製造方法を用いて、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有するメモリセルを、少なくとも2個直列に接続された状態で備え、
さらに、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第3の絶縁膜を有する二つの選択トランジスタを、直列に接続された前記メモリセルのそれぞれ両端に接続された状態で備える。
【0052】
あるいは本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、
半導体基板上に、第1の絶縁膜、浮遊ゲート電極となる導電膜、第2の絶縁膜、制御ゲート電極となる半導体層及び金属層、第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記導電膜の途中の深さまで、ゲート電極の形状にパターニングする工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記導電膜の表面上に第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の絶縁膜が、前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記導電膜の側壁に残存し、前記導電膜の上面には残存しないように、前記第4の絶縁膜にエッチングを行う工程と、
前記第3の絶縁膜をマスクとして、前記半導体層、前記金属層、前記第2の絶縁膜及び前記導電膜にエッチングを行い、電極の形状にパターニングを行うことで、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極を形成する工程と、
前記導電膜の側壁のうち前記第4の絶縁膜で覆われていない部分に、後酸化処理を行って側壁酸化膜を形成する工程と、
前記浮遊ゲート電極及び前記制御ゲート電極をマスクとして前記半導体基板の表面部分に不純物をイオン注入し、ソース領域及びドレイン領域を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【0053】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0054】
(A)第1の実施の形態
図1に、本発明の第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の素子の断面構造を示す。
【0055】
本実施の形態は、制御ゲート低抵抗化金属膜25の側壁の全て、及び制御電極24と成るポリシリコン膜の側壁の一部分が、耐酸化性を有する膜、例えばシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等から成る側壁絶縁膜によって覆われている点に特徴がある。
【0056】
図1において、例えばボロン又はインジウム不純物濃度が1014cm−3から1019cm−3の範囲のP型シリコン半導体基板10上に、例えば4〜20nmの厚さのシリコン酸化膜又はオキシナイトライド膜、又はシリコン窒化膜から成るトンネルゲート絶縁膜21を介して、例えばポリシリコンから成る浮遊ゲート電極22が、10nmから500nmの厚さで形成されている。
【0057】
この上に、例えばインターポリ絶縁膜23と成るONO膜(シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の多層膜)が、例えばそれぞれ2〜10nm、5〜15nm、2〜10nmの厚さの範囲で積層されている。
【0058】
このインターポリ絶縁膜23は、例えばAl2O3膜でも良いし、あるいは単層のシリコン酸化膜でも良く、その厚さは5nm以上30nm以下と成るようにする。
【0059】
その上に、例えば制御ゲート電極24(選択トランジスタ用の選択ゲート電極24(SG)、半導体記憶装置トランジスタ用のデータ選択線24(WL1)、データ選択線24(WL2))と成るポリシリコンが、10nmから500nmの厚さで形成されている。
【0060】
さらにその上に、制御ゲート低抵抗化金属膜25として、WSi又はWが厚さ10nmから500nmの厚さで積層されている。
【0061】
ここで、WSiを用いる場合には、従来用いていたSi/Wの組成比が2.4以上のWSiよりも、Si/Wの組成比が2.4以下のWSiから成る金属である方が、抵抗を下げることができるので望ましい。
【0062】
さらに、より具体的には、Si/Wの組成比を2.15以下2以上とすると、Si/Wの組成比が2.4以上のWSiにおける抵抗率の70%より小さくすることができる。これにより、1世代分(70〜80%)デザインルールを縮小した場合、即ちデータ制御線の長さを保持しつつ制御線幅を1世代分縮小した場合にも、抵抗を一定値以下に保つことができる。
【0063】
よって、データ制御線方向の長さを一定にしてセルアレイ規模を増やすことができるので、データ制御線方向のパッケージサイズに制約のあるNAND型不揮発性半導体記憶装置においては特に設計上望ましい。
【0064】
制御ゲート低抵抗化金属膜25上に、ゲート電極加工用のエッチングマスク材と成る、例えばシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜(SiON)から成るマスク絶縁膜26が、10nmから500nmの厚さの範囲で積層されている。この制御ゲート低抵抗化金属膜25は、例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜等の積層絶縁膜であってもよい。
【0065】
このマスク絶縁膜26は、側壁酸化時に酸化剤が上面から制御ゲート低抵抗化金属膜25を酸化しないようにするため、耐酸化性があることが必要である。
【0066】
さらに、制御ゲート低抵抗化金属膜25の側面と制御ゲート電極24と成るポリシリコン膜の側面の上部両側には、例えば2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31が形成されている。
【0067】
この側壁絶縁膜31は、側壁酸化時に酸化剤が上面から制御ゲート低抵抗化金属膜25を酸化しないように、耐酸化性があることが必要である。
【0068】
特に、側壁絶縁膜31は、ゲート後酸化工程よりも前に形成する必要がある。このため、ゲート後酸化による酸化剤が、側壁絶縁膜31と制御ゲート低抵抗化金属膜25との間から侵入するのを防ぐため、制御ゲート低抵抗化金属膜25に直接接した状態で形成されていることが望ましい。
【0069】
さらに、制御ゲート電極24の下部側壁には、例えば3nmから20nmの厚さのシリコン酸化膜から成る側壁酸化膜42が形成されている。
【0070】
また、浮遊ゲート電極22の側壁には、例えば3nmから20nmの厚さのシリコン酸化膜から成る側壁酸化膜41が形成されている。
【0071】
ここで、側壁酸化膜41は、浮遊ゲート電極22の酸化によって形成されており、酸素組成が側壁絶縁膜31よりも多いシリコン酸窒化膜(SiON)でもよい。尚、この側壁酸化膜42は、制御ゲート低抵抗化金属膜25と接しないように離れて形成されている。
【0072】
半導体基板10の表面部分に、ゲート電極をマスクとしてN型不純物がイオン注入されて、ソース、ドレイン領域と成るN型不純物拡散層51が形成されている。この二つのN型不純物拡散層51の間には、チャネル領域が位置する。
【0073】
このN型不純物拡散層51と、浮遊ゲート電極22、制御ゲート電極24により、浮遊ゲート型不揮発性EEPROMセルが構成され、浮遊ゲート電極22のゲート長は、0.01μm以上で0.5μm以下とする。
【0074】
これらソース、ドレイン領域としてのN型不純物拡散層51は、例えばリンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017cm−3から1021cm−3と成るように、半導体基板10の表面から深さ10nm〜500nmの範囲で形成されている。
【0075】
さらに、これらN型不純物拡散層51は隣接する半導体記憶装置同士で共有され、例えばNAND接続やNOR接続が実現されている。
【0076】
さらに、浮遊ゲート電極22間には、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜から成る層間絶縁膜71が埋め込まれるように形成されている。
【0077】
また、半導体基板10におけるソース、ドレイン領域としてのN型不純物拡散層51の間にはチャネル領域が形成されており、ゲート絶縁膜21を通じてその伝導キャリアの数を変化させることができるようになっている。
【0078】
次に、本実施の形態における製造工程について、図2〜図8を用いて説明する。
【0079】
例えば、ボロン又はインジウム不純物濃度が1014cm−3から1019cm−3の範囲にあるP型シリコン半導体基板10上に、例えば4〜20nmの厚さから成るシリコン酸化膜又はオキシナイトライド膜、又は窒化膜から成るトンネルゲート絶縁膜21を形成する。
【0080】
さらに、例えばポリシリコンから成る浮遊ゲート電極22を、10〜500nmの厚さでLPCVD法により形成する。
【0081】
この上に、例えばインターポリ絶縁膜23と成るONO膜(シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜から成る多層膜)を、例えばそれぞれ2〜10nm、5〜15nm、2〜10nmの厚さの範囲で積層する。このインターポリ絶縁膜23は、例えばAl2O3膜でも良いし、単層のシリコン酸化膜でも良い。
【0082】
さらにその上に、制御ゲート電極24(選択ゲート電極24(SG)、データ選択線24(WL1)、データ選択線24(WL2))と成るポリシリコンを10〜500nmの厚さで形成する。
【0083】
さらにその上に、制御ゲート低抵抗化金属膜25としてのWSi又はWを厚さ10〜500nmの厚さで積層する。
【0084】
さらに、これら電極の上に、ゲート加工のエッチングマスク材として、例えばシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜から成るマスク絶縁膜26を、50〜800nmの厚さの範囲で積層する。このマスク絶縁膜26は、上述したように例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜等の積層絶縁膜で積層してもよい。このようにして、図2に示された積層構造を得る。
【0085】
次に、リソグラフィによってパターニングされたレジスト膜をマスクとし、図3のように、反応性イオンエッチング(以下、RIEという)等のエッチング技術を用いてマスク絶縁膜26、制御ゲート低抵抗化金属膜25、及びポリシリコン膜等から成る制御ゲート電極24の一部をエッチング除去する。
【0086】
この制御ゲート電極24のエッチング深さとしては、図1における側壁酸化膜42の厚さをtox2とした場合に、4×tox2以上とするのが、側壁酸化膜42のバーズビークが制御ゲート低抵抗化金属膜25に達しないようにする上で望ましい。
【0087】
次に、2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31を図4に示されたように全面に堆積する。
【0088】
なお、シリコン窒化膜を形成する場合には、800℃以下の熱工程で形成する方が、後のゲート側壁酸化膜形成における熱工程よりも温度が低く成るため望ましく、ジクロロシラン系のシリコン窒化膜、テトラクロロシラン系、又はヘキサクロロジシラン系のシリコン窒化膜でもよい。
【0089】
次に、この側壁絶縁膜31が切り立ったゲート側壁上に残り、制御ゲート電極24のポリシリコン上面には残らないように、異方性エッチングを行って図5に示された形状を得る。
【0090】
さらに、マスク絶縁膜26をエッチングマスクとして、制御ゲート電極24、インターポリ絶縁膜23、及び浮遊ゲート電極22を異方性エッチングによって加工し、図6に示された形状を得る。
【0091】
次に、トンネル酸化膜21のエッチング加工ダメージを回復させるために、酸化雰囲気中でアニールする後酸化処理を行う。
【0092】
図7に示されるように、ゲート側壁後酸化処理を行うと、浮遊ゲート電極22、制御ゲート電極24の側壁には、酸化剤とポリシリコンとが反応した薄い側壁酸化膜41、42が形成される。
【0093】
この酸化条件は、従来の装置において上述した酸化膜の粘度の上昇を招くようなWの選択酸化条件を用いる必要はない。ISSG酸化や1000℃以上の高温酸化等、酸化膜の粘度が低い状態で、側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点において、浮遊ゲート電極22の形状が尖らないような酸化条件を選ぶことができる。
【0094】
この後、図8に示されたように、例えばリンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017cm−3から1021cm−3と成るように、例えばイオン注入法を用いて、ソース、ドレイン領域と成る不純物拡散層51を形成する。
【0095】
この際、制御ゲート電極24の金属は異常酸化されないので、制御ゲート間の耐圧は悪化せず、また不純物拡散層51もシャドウイングの影響なく均一に形成することができる。
【0096】
さらに、例えばTEOSやHTO、BSG、PSG、BPSG又はHDP等から成るシリコン酸化膜を層間絶縁膜71として、50nmから400nmの厚さでセル間が埋まるまで全面堆積し、異方性エッチングにより埋め込むことによって、図1の断面構造を得る。
【0097】
本実施の形態によれば、以下のような作用、効果が得られる。
【0098】
(1)ゲート側壁酸化工程において、制御ゲート低抵抗化金属膜25に酸化剤が達することがない。よって、図29に示された制御ゲート低抵抗化金属膜25の側壁に形成された酸化物61のような、制御ゲート低抵抗化金属膜25より下部に位置する制御ゲート電極24よりも厚い酸化膜が形成されることがなく、ゲート電極としての正常な形状及び寸法を保つことができる。
【0099】
これにより、制御ゲート低抵抗化金属膜25に含まれる金属が、ゲート側壁酸化工程で酸化炉中に拡散し、金属汚染を生じる可能性を低減することができる。従って、同一ウェーハにおける接合リーク特性を、従来よりも改善することができる。
【0100】
また、従来の装置のように層間絶縁膜に空隙が形成されず、良好な埋め込み特性を得ることができる。よって、図1における絶縁膜71にコンタクトを後に形成する場合にも、エッチング深さの制御性を向上させることができる。
【0101】
さらに、図1において紙面に垂直な方向に隣接して複数の半導体記憶装置を形成する場合にも、コンタクト電極形成用の導電体が入り込むことがなく、隣接半導体記憶装置間の絶縁性を良好に保つことができる。
【0102】
特に、側壁酸化膜41における浮遊ゲート電極22に接しない側の側面を、側壁絶縁膜31の側面で、制御ゲート低抵抗化金属膜25の側面に接しない側の側面よりも張り出す形状とすることで、従来と異なり、図1に示されたように、層間絶縁膜71を埋め込む際に順テーパ形状と成る。よって、従来発生していた空隙を生じることがなく、より信頼性を向上することができる。
【0103】
(2)ゲート側壁酸化工程において、インターポリ絶縁膜23の側壁の上側に接した制御ゲート電極24と、下側に接した浮遊ゲート電極22が共に酸化され、インターポリ絶縁膜23の側壁の上下にバーズビークが形成されて厚膜化する。
【0104】
よって、ゲート電極形成用のエッチング工程において、インターポリ絶縁膜23に欠陥が形成された場合にも、厚膜化した分だけ電界を緩和することができ、より信頼性が高い半導体記憶装置を実現することができる。
【0105】
特に、インターポリ絶縁膜23に接した浮遊ゲート電極22の側壁の下側が酸化されて、インターポリ絶縁膜23にバーズビークが形成されて、この部分のエッジが厚膜化する。よって、上記特許文献1に開示された技術と異なり、ゲート電極の形状にパターニングするためのエッチング工程において、インターポリ絶縁膜23に欠陥が形成された場合においてもダメージが回復し、またインターポリ絶縁膜23が厚膜化することによって電界集中が緩和されるため、より高い信頼性を実現することができる。
【0106】
(3)従来よりも制御ゲート低抵抗化金属膜25が異常酸化せず、側壁酸化膜41を厚膜化できるので、より浮遊ゲート電極22から電子が側壁酸化膜41を通って放出されることを防止できる。
【0107】
この結果、浮遊ゲート電極22に蓄積された電子の保持特性をより向上することができる。
【0108】
(4)上述したように、浮遊ゲート電極22が酸化工程後に凸状に尖る現象を防止できるので、浮遊ゲート電極22から電子を引き抜く消去時に尖った部分における電界集中の発生が防止される。このため、浮遊ゲート電極22から半導体基板10又は不純物拡散層51に対し、より均一に放出することができる。
【0109】
この結果、浮遊ゲート電極22のエッジ部とチャネル領域に、より均一に電子が放出されるため、フラッシュ半導体記憶装置として書き込み及び消去を繰り返しても劣化せず、信頼性を向上することができる。
【0110】
(5)ゲート側壁後酸化処理工程において、従来は制御ゲート低抵抗化金属膜25に直接酸化剤が接触し、制御ゲート低抵抗化金属膜25が異常酸化するという問題があった。本実施の形態では、制御ゲート低抵抗化金属膜25の側面が耐酸化性のある側壁絶縁膜31に覆われ、上面がマスク絶縁膜26により覆われているため、酸化剤が接触せず異常酸化の問題を回避することができる。
【0111】
また、浮遊ゲート電極22、トンネル絶縁膜21は、側壁絶縁膜31の厚さの2倍分ゲート長が長くなり、これによりショートチャネル効果を抑制できる。
【0112】
(6)本実施の形態では、制御ゲート電極24の下部と、インターポリ絶縁膜23及び浮遊ゲート電極22を一括加工するので、ゲート長方向の寸法差を小さくすることができる。
【0113】
よって、インターポリ絶縁膜23の容量とトンネル絶縁膜21の容量の比を大きく一定に保つことが可能である。
【0114】
(7)側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点における浮遊ゲート電極22の形状が凸状に尖らないような酸化条件を選ぶことができる。
【0115】
また、従来よりも異常酸化することなく側壁酸化膜41を厚膜化できるので、より浮遊ゲート電極22から電子が側壁酸化膜41を通って放出されにくくすることができる。この結果、浮遊ゲート電極22に蓄積された電子の保持特性を向上することができる。
【0116】
さらに、浮遊ゲート電極22が凸状に尖ることを防止できるので、浮遊ゲート電極22から電子を引き抜く消去時において、尖った部分に電界集中が発生することを防止でき、浮遊ゲート電極22から半導体基板10又は不純物拡散層51により均一に放出することができる。
【0117】
この結果、浮遊ゲート電極22のエッジ部とチャネル領域に、より均一に電子が放出されるため、フラッシュ半導体記憶装置として書き込み及び消去を繰り返しても劣化せず、信頼性を向上することができる。
【0118】
(B)第2の実施の形態
図9に、本発明の第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成を示す。
【0119】
本実施の形態は、上記第1の実施の形態と比較し、側壁絶縁膜31をインターポリ絶縁膜23まで達するように形成している点が相違する。尚、第1の実施の形態と同一の部分には、同一符号をつけて説明を省略する。
【0120】
図10〜図15に、本実施の形態における製造工程別の素子断面を示す。
【0121】
先ず、上記第1の実施の形態と同様に、P型半導体基板10上に、トンネルゲート絶縁膜21、浮遊ゲート電極22、インターポリ絶縁膜23、制御ゲート電極24(選択ゲート電極24(SG)、データ選択線24(WL1)、制御ゲート低抵抗化金属膜25、マスク絶縁膜26を積層し、図2に示された構造を得る。
【0122】
次に、リソグラフィによりパターニングされたレジストをマスクとし、図10のように、RIE等のエッチング技術を用いてマスク絶縁膜26、制御ゲート低抵抗化金属膜25及び制御ゲート電極24を、インターポリ絶縁膜23に達するまでエッチングによりパターニングする。
【0123】
次に、2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31を、図11に示されたように全面に堆積する。
【0124】
尚、堆積するシリコン窒化膜の熱工程としては、800℃以下の熱工程で形成すると、後のゲート側壁酸化膜を形成するための最大熱工程よりも低く成るため望ましい。このシリコン窒化膜は、ジクロロシラン系のシリコン窒化膜でも良いし、あるいはテトラクロロシラン系又はヘキサクロロジシラン系のシリコン窒化膜でよい。
【0125】
次に、この側壁絶縁膜31が切り立ったゲート側壁上に残り、浮遊ゲート電極22の上面には残らないように異方性エッチングを行って、図12に示された形状を得る。
【0126】
この際に、ポリシリコンに対して選択比を有する絶縁膜エッチング条件を用いることにより、図12に示されたように、制御性良くインターポリ絶縁膜23と側壁絶縁膜31とをパターニング加工することができる。
【0127】
さらに、マスク絶縁膜26及び側壁絶縁膜31をエッチングマスクとして、浮遊ゲート電極22を異方性エッチングによってパターニング加工し、図13に示された形状を得る。
【0128】
ここで、トンネル酸化膜21のエッチング加工ダメージを回復させるために、酸化雰囲気中でアニールする後酸化処理を行う。
【0129】
また、図14に示されるように、ゲート側壁の後酸化処理を行った浮遊ゲート電極22の側壁には、酸化剤とポリシリコンとが反応して薄い側壁酸化膜41が形成される。
【0130】
このときの酸化条件は、上記第1の実施の形態と同様に、ISSG酸化や1000℃以上の高温酸化等、酸化膜の粘度が低い状態で、側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点において、浮遊ゲート電極22の形状が凸状に尖らないような酸化条件を選ぶことができる。
【0131】
ここで、側壁酸化膜41は浮遊ゲート電極22の酸化によって形成され、酸素組成が側壁絶縁膜31より多いシリコン酸窒化膜であってもよい。
【0132】
この後、例えばリンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017cm−3から1021cm−3の範囲と成るように、イオン注入を行ってソース、ドレイン領域と成る不純物拡散層51を形成し、図15の構造を得る。
【0133】
この際、制御ゲート低抵抗化金属膜25は異常酸化しないので、制御ゲート間の耐圧は悪化せず、また不純物拡散層51もシャドウイングの影響なく均一に形成することができる。
【0134】
さらに、例えばTEOS、HTO、BSG、PSG、BPSG又はHDPから成るシリコン酸化膜を、50nmから400nmの厚さでセル間が埋まるまで全面堆積し、異方性エッチングを行うことで、図9の断面構造を得る。
【0135】
本実施の形態は、上記第1の実施の形態における上記(1)、(3)〜(5)並びに(7)の特徴に加え、以下の特徴を有する。
【0136】
(8)図10に示されたエッチング工程において、インターポリ絶縁膜23に対して選択比を有するポリシリコンエッチング条件を用いることによって、インターポリ絶縁膜23においてエッチングが止まるように制御することができる。
【0137】
よって、その後の図13に示されたエッチング工程において、エッチング量を制御ゲート電極24の膜厚のばらつきに依らないようにすることができ、オーバエッチング現象を防止することができる。
【0138】
これにより、不純物拡散層51の深さをより一定にすることができ、より均一な半導体記憶装置を実現することができる。
【0139】
(9)制御ゲート電極24の側壁が酸化により厚膜化しないので、インターポリ絶縁膜23の部分においても層間絶縁膜71の埋め込み性が良好な形状を得ることができる。
【0140】
また本実施の形態は、上記第1の実施の形態における上記(2)に対し、以下のような特徴がある。
【0141】
(2’)ゲート側壁酸化工程において、インターポリ絶縁膜23の側壁に接した浮遊ゲート電極22が酸化され、インターポリ絶縁膜23の側壁における下側(浮遊ゲート電極22側)にバーズビークが形成されて厚膜化する。
【0142】
よって、インターポリ絶縁膜23の上下に共にバーズビークが形成される上記第1の実施の形態とは異成るが、下側のみ厚膜化した分だけ電界を緩和することができ、より信頼性が高い半導体記憶装置を実現することができる。
【0143】
また、上記第1の実施の形態よりはインターポリ絶縁膜23が厚膜化しないが、この膜厚は薄い方が書き込み特性の点では優れる。よって本実施の形態は、インターポリ絶縁膜23の側壁の下側のみ厚膜化することで、信頼性の向上と書き込み特性の確保を共に実現することができる。
【0144】
(C)第3の実施の形態
本発明の第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置について、以下に説明する。
【0145】
本実施の形態の構造は、図16に示されたように、上記第1、第2の実施の形態と比較して、浮遊ゲート電極22の途中まで達するように側壁絶縁膜31を形成している点が相違する。尚、上記第1、第2の実施の形態と同一の部分には、同一符号を付して説明を省略する。
【0146】
次に、本実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法について、図17〜図22を参照して説明する。
【0147】
先ず、上記第1、第2の実施の形態と同様に、P型半導体基板10上に、トンネルゲート絶縁膜21、浮遊ゲート電極22、インターポリ絶縁膜23、制御ゲート電極24(選択ゲート電極24(SG)、データ選択線24(WL1)、制御ゲート低抵抗化金属膜25、マスク絶縁膜26を積層し、図2に示された構造を得る。
【0148】
図17に示されたように、リソグラフィによりパターニングしたレジストをマスクとし、RIE等のエッチング技術を用いてマスク絶縁膜26、制御ゲート電極低抵抗化金属膜25、制御ゲート電極24、インターポリ絶縁膜23及び浮遊ゲート電極22の一部をエッチング除去する。
【0149】
ここで、浮遊ゲート電極22のエッチング深さは、例えば浮遊ゲート電極22の膜厚内に表面を持つように形成された図示されない素子分離膜、あるいは高電圧を印加できるように膜厚を厚くした周辺トランジスタの図示されないゲート酸化膜の上面でエッチングを止めるようにすることで、制御性よくエッチング深さを設定することができる。
【0150】
図18に示されたように、2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31を全面に堆積する。
【0151】
堆積するシリコン窒化膜の熱工程としては、上記第1、第2の実施の形態と同様に、800℃以下の熱工程で形成することが望ましい。この側壁絶縁膜31は、ジクロロシラン系のシリコン窒化膜でも良いし、テトラクロロシラン系又はヘキサクロロジシラン系のシリコン窒化膜でも良い。
【0152】
次に、この側壁絶縁膜31が切り立ったゲート側壁上に残り、浮遊ゲート電極22のポリシリコン上面には残らないように、異方性エッチングを行って図19に示された形状を得る。
【0153】
さらに、マスク絶縁膜26をエッチングマスクとして、浮遊ゲート電極22を異方性エッチングによって加工し、図20に示された形状を得る。トンネル酸化膜21のエッチング加工ダメージを回復させるため、酸化雰囲気中でアニールする後酸化処理を行う。
【0154】
また、図21に示されたように、後酸化処理を行うことで、浮遊ゲート電極22の側壁に酸化剤とポリシリコンとが反応した薄いシリコン酸化膜から成る側壁酸化膜41が形成される。
【0155】
この酸化条件は、上記第1、第2の実施の形態と同様に、ISSG酸化や1000℃以上の高温酸化等、酸化膜の粘度が低い状態で、側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点での浮遊ゲート電極22の形状が凸状に尖らない条件を選ぶことができる。
【0156】
ここで、この側壁酸化膜41は、浮遊ゲート電極22の酸化によって形成されており、酸素組成が側壁絶縁膜31よりも多いシリコン酸窒化膜でも良い。
【0157】
この後、例えばリンや砒素、アンチモン等の不純物を表面濃度が1017cm−3から1021cm−3と成るようにイオン注入を行うことにより、ソース、ドレイン領域と成るN型不純物拡散層51を形成し、図22の形状を得る。
【0158】
ここで、制御ゲート電極24の金属は異常酸化しないので、制御ゲート間の耐圧が悪化せず、また不純物拡散層51もシャドウイングの影響なく均一に形成することができる。
【0159】
さらに、例えばTEOS、HTO、BSG、PSG、BPSG又はHDPから成るシリコン酸化膜を50nmから400nmの厚さでセル間が埋まるまで全面堆積して埋め込み、異方性エッチングを行うことによって図16の断面構造を得る。
【0160】
本実施の形態は、上記第1の実施の形態の上記(1)、(3)〜(5)、(7)の特徴、及び第2の実施の形態の上記(9)の特徴に加えて、以下の特徴を有する。
【0161】
(10)インターポリ絶縁膜23の側壁が側壁絶縁膜31に覆われており、ゲート後酸化雰囲気に曝されることがなく、ヒドロニウムイオンや水素の透過を防ぐことができる。よって、上記特許文献1に開示された技術と異なり、例えばインターポリ絶縁膜23にSi膜が含まれる場合にもリーク電流の増大を防止することができ、またAl2O3等の高誘電体膜を用いた場合にもリーク電流が増大することなく良好な絶縁膜を形成することができる。
【0162】
また本実施の形態は、上記第1の実施の形態における上記(2)、上記第2の実施の形態における上記(2’)に対し、以下のような特徴がある。
【0163】
ゲート側壁酸化工程において、制御ゲート電極24及び浮遊ゲート電極22におけるインターポリ絶縁膜23の側壁に接した部分は、側壁絶縁膜31によって覆われているので共に酸化されない。
【0164】
このため、インターポリ絶縁膜23の側壁における上側と下側にはいずれもバーズビークが形成されず厚膜化されない。従って、上記第1、第2の実施の形態と異なり、インターポリ絶縁膜23が厚膜化しないため電界集中を緩和することはできない。
【0165】
しかし、インターポリ絶縁膜23が厚膜化しないため、本実施の形態によれば書き込み特性の点においてはより優れている。
【0166】
(11)インターポリ絶縁膜23の側壁が、ゲート電極の後酸化工程において酸化雰囲気に曝されることがないため、インターポリ絶縁膜23の側壁にバーズビークが形成されない。従って、C2/(C1+C2)で表される容量比が大きくなり、プログラム特性が向上する。ここで、C1はトンネル酸化膜21の容量、C2はインターポリ絶縁膜23の容量とする。
【0167】
(D)第4の実施の形態
図23に、本発明の第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の回路構成を示す。本実施の形態は、上記第1の実施の形態における半導体記憶装置構造を、NANDセルアレイに適用した場合に相当する。
【0168】
尚、上記第1の実施の形態における要素と同一の要素には、同一符号をつけて説明を省略する。
【0169】
図23にNANDセルブロックNA101の等価回路を示し、図24に素子の平面構成を示す。ここで、図24は、図23に示されたNANDセルブロックNA101を3つ並列した構造を示し、特にセル構造をわかりやすくするために、制御ゲート電極24よりも下の平面構成を示している。
【0170】
このNANDセルブロックNA101は、浮遊ゲート電極22を有するMOSトランジスタから成る不揮発性半導体記憶装置M0〜M15が直列に接続され、一端が選択トランジスタS1を介してデータ転送線BLに接続され、他一端が選択トランジスタS2を介して共通ソース線SLに接続されている。
【0171】
ここで、それぞれのトランジスタM0〜M15、S1、S2は、同一のP型半導体基板10(P型ウエル)上に形成されている。
【0172】
それぞれの半導体記憶装置M0〜M15の制御電極は、データ選択線WL0〜WL15に接続されている。
【0173】
また、データ転送線BLに沿って配置された複数のNAND半導体記憶装置ブロックNA101から1つの半導体記憶装置ブロックを選択してデータ転送線BLに接続するため、選択トランジスタS1の制御電極がブロック選択線SSLに接続されている。選択トランジスタS2の制御電極は、ブロック選択線GSLに接続されている。
【0174】
ここで、本実施の形態では、ブロック選択線SSL及びGSLが、半導体記憶装置M0〜M15のデータ選択線WL0〜WL15の浮遊ゲート電極22と同じ層の導電体層によって、紙面の左右方向に隣接する図示されていない他のセルとの間で接続されて形成されている。
【0175】
ここで、半導体記憶装置ブロックNA101には、ブロック選択線SSL、GSLは少なくとも1本以上あればよく、データ選択線WL0〜WL15と同一方向に形成されることが高密度化には望ましい。
【0176】
本実施の形態では、半導体記憶装置ブロックNA101に16=24個の半導体記憶装置が接続されている例を示したが、データ転送線BL及びデータ選択線WL0〜WL15に接続する半導体記憶装置の数は複数であればよく、2n個(nは正の整数)であることが、アドレスデコードをする上で望ましい。
【0177】
図24におけるB−B線に沿う縦断面構造を図25に、図24におけるA−A線に沿う縦断面構造を図26にそれぞれ示す。図25は、半導体記憶装置部の縦断面構造を示している。
【0178】
図24、図25及び図26において、例えばボロン不純物濃度が1014cm−3から1019cm−3の間のP型半導体基板13に、例えば4〜20nmの厚さから成るシリコン酸化膜又はオキシナイトライド膜で構成されたトンネルゲート絶縁膜21、21(SSL)、21(GSL)を介して、例えばリン又は砒素を1018cm−3から1021cm−3添加したポリシリコンから成る浮遊ゲート電極22、22(SSL)、22(GSL)が、10nmから500nmの厚さで形成されている。
【0179】
これらは、例えばシリコン酸化膜から成る素子分離絶縁膜110が形成されていない領域上に、P型半導体領域13と自己整合的に形成されている。
【0180】
例えば、半導体領域13にトンネルゲート絶縁膜21、浮遊ゲート電極22を全面堆積した後、パターニングして半導体領域13に達するまで、例えば0.05〜0.5μmの深さでエッチングし、絶縁膜を埋め込むことで素子分離絶縁膜110を形成することができる。
【0181】
このようにトンネルゲート絶縁膜21及び浮遊ゲート電極22を段差のない平面に全面形成できるので、より均一性が向上し特性に優れた成膜を行うことができる。
【0182】
この上に、例えば厚さ5nmから35nmの間のシリコン酸化膜、オキシナイトライド膜、又はシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜から成るインターポリ絶縁膜23を介して、例えばリン、砒素又はボロンを1017〜1021cm−3を不純物添加したポリシリコン、又はWSiとポリシリコンとの積層構造、又はWとポリシリコンの積層構造から成る制御ゲート電極24が10nmから500nmの厚さで形成されている。
【0183】
この制御ゲート電極24は、図24に示されたように、隣接する半導体記憶装置ブロック間で相互に接続されるように、紙面左右方向にブロック境界まで形成されており、データ選択線WL0〜WL15を構成している。
【0184】
尚、P型半導体領域13は、N型半導体領域12によってP型半導体基板11と独立に電圧印加ができるようになっていることが、消去時の昇圧回路負荷を減らして消費電力を抑えるために望ましい。
【0185】
本実施の形態のゲート形状では、P型半導体領域13の側壁が素子分離絶縁膜110で覆われているので、浮遊ゲート電極22を形成する前のエッチングで露出することがなく、浮遊ゲート電極22が半導体領域13よりも下に位置することを防ぐことができる。
【0186】
よって、半導体領域13と素子分離絶縁膜110との境界において、ゲート電界集中が発生したり、閾値が低下した寄生トランジスタが発生することを防止できる。
【0187】
さらに、電界集中に起因する書込み閾値の低下現象、いわゆるサイドウォーク(sidewalk)現象が生じにくく成るため、より信頼性の高いトランジスタを形成することができる。
【0188】
また、上記第1の実施の形態と同様に、図26に示されたように、マスク絶縁膜26、制御ゲート低抵抗化金属膜25及び制御ゲート電極24の途中までの側壁が、例えば2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31で覆われている。
【0189】
また、制御ゲート電極24の下部の側壁にはシリコン酸化膜から成る側壁絶縁膜42が形成され、浮遊ゲート電極22の側壁にはシリコン酸化膜から成る側壁絶縁膜41が形成され、ソース、ドレイン領域と成るN型不純物拡散層51が形成されている。
【0190】
これら不純物拡散層51、浮遊ゲート電極22、制御ゲート電極24により、浮遊ゲート電極22に蓄積された電荷量を情報量とする浮遊ゲート型EEPROMセルが形成されており、そのゲート長は0.5μm以下0.01μm以上とする。
【0191】
尚、この半導体記憶装置構造は、上記第1の実施の形態におけるものと同一であるため、説明を省略する。
【0192】
ここで、N型不純物拡散層51は、例えばリンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017cm−3から1021cm−3と成るように深さ10nmから500nmの間で形成されている。このN型不純物拡散層51は、隣接する半導体記憶装置同士で共有され、NAND接続が実現されている。
【0193】
また、浮遊ゲート電極22(SSL)、22(GSL)は、それぞれブロック選択線SSL、GSLに接続されたゲート電極であり、浮遊ゲート型EEPROMの浮遊ゲート電極と同層で形成されている。
【0194】
この浮遊ゲート電極22(SSL)、22(GSL)のゲート長は、半導体記憶装置ゲート電極のゲート長よりも長く、例えば1μm以下0.02μm以上で形成することにより、ブロック選択時と非選択時とのオン/オフ比を大きく確保でき、誤書き込みや誤読み出しを防止することができる。
【0195】
また、制御ゲート電極24(SSL)の片側に形成されたN型不純物拡散層51dは、例えばW、WSi、Ti、TiN、又はAlから成るデータ転送線104(BL)と、コンタクトホール101dに形成されたコンタクト102dを介して接続されている。
【0196】
ここで、データ転送線104(BL)は、図24には図示されていないが、隣接する半導体記憶装置ブロック間で接続されるように、図24の紙面の上下方向に沿ってブロック境界まで形成される。
【0197】
一方、制御ゲート電極24(GSL) の片側に形成されたN型不純物拡散層51Sは、コンタクトホール101Sに形成されたコンタクト102Sを介して、図示されていないソース線SLと接続されている。
【0198】
このソース線SLは、図24には図示されていないが、隣接する半導体記憶装置ブロック間で接続されるように、図24の紙面左右方向に沿ってブロック境界まで形成される。ここで、N型不純物拡散層51Sを、紙面左右方向にブロック境界まで形成することにより、ソース線SLとしてもよい。
【0199】
これらデータ転送線BL用のコンタクト102d、ソース線SL用のコンタクト102Sとしては、例えばN型又はP型にドープされたポリシリコンやW、WSi、Al、TiN、Ti等がコンタクトホール101d、101Sに充填されて、導電体領域となっている。これらソース線SL、データ転送BL、各トランジスタの間は、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等から成る層間絶縁膜105によって充填されている。
【0200】
データ転送線BLの上部には、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はポリイミド等から成る絶縁膜保護層106が形成され、また図示されていないが、例えばW、AlやCuから成る上部配線が形成されている。
【0201】
本実施の形態では、上記第1の実施の形態における特徴に加えて、以下の特徴を有する。
【0202】
(12)本実施の形態は、P型半導体領域13を共通として、この半導体領域13からトンネル注入によって複数セルを同時に消去することが可能である。このため、消去時の消費電力を抑制しつつ、多ビットを一括で高速消去することが可能である。
【0203】
また本実施の形態によれば、側壁絶縁膜31を形成することにより、浮遊ゲート電極22の電極幅を太くする効果がある。このことから、次のような効果を奏する。
【0204】
(13)図6、図14、図20に示すように、リソグラフィの精度により決定されるマスク絶縁膜26の加工寸法に対し、側壁絶縁膜31の膜厚の2倍だけ、浮遊ゲート電極22の幅を太くすることができる。
【0205】
特にNAND型EEPROMでは、一方の不純物拡散層がビット線BLに接続された選択トランジスタS1の他方の不純物拡散層と、一方の不純物拡散層がソース線SLに接続された選択トランジスタS2の他方の不純物拡散層との間に、メモリセルトランジスタM0〜M15の各不純物拡散層が共有された形で直列に接続されている。このため、拡散層抵抗が寄生抵抗として作用し、読み出し時のビット線BLの電流を減少させ、読み出し時間を増大させるという課題がある。
【0206】
本実施の形態によれば、ゲート電極の電極幅が太くなった分だけ不純物拡散層の長さが短くなり、不純物拡散層の寄生抵抗が減少する。その結果、読み出し電流が増大し、読み出し動作を高速化することができる。
【0207】
また、NAND型EEPROMにおいては、読み出し時において非選択のNANDブロックや非選択のメモリセルトランジスタ、あるいは書き込み状態にあるメモリセルトランジスタからのリーク電流が、誤読み出しの原因となる。このようなリーク電流は、選択トランジスタ及びメモリセルトランジスタのゲート長の微細化に伴って大きくなる。これは、ショートチャネル効果によってトランジスタのオフリーク電流が増大するためである。特に、選択トランジスタのカットオフ特性が重要なパラメータとなる。
【0208】
本実施の形態によれば、ゲート電極が太くなった分だけショートチャネル効果が改善し、リーク電流が減少するため、誤読み出しに対するマージンが向上する。特に、メモリセルトランジスタM0〜M15だけでなく、選択トランジスタS1、S2のゲート長を、NAND長、即ちソース線SLのコンタクトとビット線BLのコンタクトとの間の距離を変えることなく、長くすることができるので、半導体記憶装置の高密度化と読み出し特性の向上を両立させることが可能である。
【0209】
(E)第5の実施の形態
本発明の第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置について、以下に説明する。
【0210】
本実施の形態は、上記第2の実施の形態の半導体記憶装置構造を、NANDセルアレイに用いた場合に相当する。尚、上記第2の実施の形態における要素と同一の要素には、同一符号を付して説明を省略する。尚、等価回路構成及び平面構成は、図23、図24と同様であり、説明を省略する。
【0211】
図27に、図24におけるA−A線に沿う縦断面を示す。
【0212】
上記第2の実施の形態と同様に、マスク絶縁膜26、制御ゲート低抵抗化金属膜25、制御ゲート電極24の側壁が、例えば2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31で覆われている。
【0213】
浮遊ゲート電極22の側壁には、シリコン酸化膜から成る側壁絶縁膜41が形成され、またソース、ドレイン領域と成るN型不純物拡散層51が形成されている。
【0214】
これら不純物拡散層51、浮遊ゲート電極22、制御ゲート電極24により、浮遊ゲート電極22に蓄積された電荷量を情報量とする浮遊ゲート型EEPROMセルが形成されている。
【0215】
本実施の形態では、上記第2の実施の形態における特徴に加えて、上記第4の実施の形態において説明した(12)、(13)の特徴を有する。
【0216】
(F)第6の実施の形態
本発明の第6の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置について、以下に説明する。
【0217】
本実施の形態は、上記第3の実施の形態の半導体記憶装置構造を、NANDセルアレイに用いた場合に相当する。尚、上記第3の実施の形態における要素と同一の要素には、同一符号を付して説明を省略する。尚、等価回路構成及び平面構成は、図23、図24と同様であり、説明を省略する。
【0218】
図28に、図24におけるA−A線に沿う縦断面を示す。
【0219】
上記第3の実施の形態と同様に、マスク絶縁膜26、制御ゲート低抵抗化金属膜25、制御ゲート電極24、インターポリ絶縁膜23、浮遊ゲート電極22の途中までの側壁が、例えば2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31で覆われている。
【0220】
浮遊ゲート電極22の下部の側壁には、シリコン酸化膜から成る側壁絶縁膜41が形成され、またソース、ドレイン領域と成るN型不純物拡散層51が形成されている。
【0221】
これら不純物拡散層51、浮遊ゲート電極22、制御ゲート電極24により、浮遊ゲート電極22に蓄積された電荷量を情報量とする浮遊ゲート型EEPROMセルが形成されている。
【0222】
本実施の形態では、上記第3の実施の形態における特徴に加えて、上記第4、第5の実施の形態において説明した(12)、(13)の特徴を有する。
【0223】
上述した実施の形態はいずれも一例であって、本発明を限定するものではない。例えば、素子分離膜や絶縁膜の形成法は、シリコンをシリコン酸化膜やシリコン窒化膜に変換する上記実施の形態における方法以外に、例えば酸素イオンを堆積したシリコンに注入する方法や、堆積したシリコンを酸化する方法等を用いてもよい。
【0224】
また、インターポリ絶縁膜23は、TiO2膜、Al2O3膜、あるいはタンタル酸化膜、チタン酸ストロンチウム膜、チタン酸バリウム膜、チタン酸ジルコニウム鉛膜、ZrSiO膜、HFSiO膜、ZrSiON膜、又はHFSiON膜、又はいずれか少なくとも2層を有する積層膜を用いてもよい。
【0225】
また、側壁絶縁膜31やマスク絶縁膜26は、耐酸化性がある絶縁膜であればよく、例えばAl2O3、ZrSiO膜、HFSiO膜、ZrSiON膜、HFSiON膜、Si膜、SiON膜、又はいずれか少なくとも2層を有する積層膜でもよい。
【0226】
上記実施の形態では、半導体基板としてP型半導体基板を用いているが、替わりにN型半導体基板、SOI基板のSOIシリコン層、SiGe混晶層、SiGeC混晶層等、シリコンを含む単結晶半導体基板であればよい。
【0227】
さらに、P型半導体基板上にN型MOSFETを形成する場合について述べたが、N型半導体基板上にP型MOSFETを形成する場合に置き換えてもよく、その場合には、上述の実施の形態におけるN型をP型、P型をN型と読み替え、さらに、ドーピング不純物種のAs、P、SbをIN、Bのいずれかと読み替えればよい。
【0228】
また、制御ゲート電極として、Si半導体、 SiGe混晶、SiGeC混晶を用いることができ、またこれらの積層構造でもよい。
【0229】
また制御ゲート低抵抗化金属膜は、TiSi、NiSi、CoSi、TaSi、WSi、MOSi等のシリサイドやポリサイド、Ti、Al、Cu、TiN、W等の金属を用いることができる。
【0230】
また、上記実施の形態ではNAND型半導体記憶装置について示したが、NOR型や単体型の半導体記憶装置についても、上記第1〜第3の実施の形態を適用することができる。
【0231】
また、制御ゲート低抵抗化金属膜としてWを用いた場合には、制御ゲート低抵抗化金属膜と制御ゲート電極との間に、例えばWN又はWSiから成るバリアメタルを0.5〜10nmの厚さで形成することが、ゲート構造を積層した後の熱工程による界面での凸凹を防ぐために望ましい。
【0232】
その他、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲内で、様々に変形することができる。
【0233】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、制御ゲート電極を構成する金属層の側壁が側壁絶縁膜により覆われることで、ゲート側壁酸化工程においてこの金属層が異常酸化せず、ゲート電極としての正常な形状及び寸法を保つことができるので、この後ゲート電極をマスクとして不純物をイオン注入して不純物拡散層を形成する場合に正常に形成することができるので、歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の断面構成を示した縦断面図。
【図2】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図3】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図4】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図5】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図6】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図7】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図8】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図9】本発明の第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の断面構成を示した縦断面図。
【図10】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図11】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図12】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図13】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図14】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図15】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図16】本発明の第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の断面構成を示した縦断面図。
【図17】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図18】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図19】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図20】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図21】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図22】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図23】本発明の第4、第5、第6の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の回路構成を示した回路図。
【図24】本発明の第4、第5、第6の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の平面構成を示した平面図。
【図25】同第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置における図26のB−B線に沿う断面構成を示した縦断面図。
【図26】同第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置における図26のA−A線に沿う断面構成を示した縦断面図。
【図27】同第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置における図26のA−A線に沿う断面構成を示した縦断面図。
【図28】同第6の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置における図26のA−A線に沿う断面構成を示した縦断面図。
【図29】従来の不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【符号の説明】
10 半導体基板
21 トンネルゲート絶縁膜
22 浮遊ゲート電極
23 インターポリ絶縁膜
24 制御ゲート電極
25 制御ゲート低抵抗化金属膜
26 マスク絶縁膜
31 側壁絶縁膜
41、42 側壁酸化膜
51 不純物拡散層
71 層間絶縁膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
チャネル領域からトンネル絶縁膜を介してトンネル電流によって電荷蓄積層に注入した電荷をディジタルビットの情報格納として用い、その電荷量に応じたMOSFETのコンダクタンス変化を測定することで、情報を読み出す不揮発性半導体記憶装置が開発されている。
【0003】
このような不揮発性半導体記憶装置では、Si/Wの組成比が2.4以上のタングステンシリサイド(WSi)から成る金属とポリシリコンとの積層構造が用いられている。
【0004】
制御ゲート電極の抵抗を下げてゲート遅延を短縮し、書き込み時間を削減するために、このWSiをより低抵抗な材料、即ちSi/Wの組成比が2.4以下のWSi、あるいはWにすると、セルの信頼性が悪化するという問題があった。
【0005】
このような現象について、従来の不揮発性半導体記憶装置における問題について、図29を用いて述べる。
【0006】
先ず、P型半導体基板10上に、トンネル酸化膜21として例えばシリコン酸化膜を形成し、その上に、浮遊ゲート電極22として例えばリンを導入したポリシリコン膜を形成する。
【0007】
その上に、インターポリ絶縁膜23を積層し、さらにその上に、制御ゲート電極24としてポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜上に、例えばWSi又はWから成る制御ゲート低抵抗化金属膜25を形成する。
【0008】
ここで、制御ゲート低抵抗化金属膜25として、Si/Wの組成比が2.4以下のWSiから成る金属又はWを使用し、さら成る低抵抗化を試みた場合を考える。
【0009】
制御ゲート低抵抗化金属膜25上に、ゲート電極加工の際のエッチングマスク材と成るマスク絶縁膜26として、例えばシリコン窒化膜を形成する。
【0010】
このようにして形成された積層構造に対し、例えばリソグラフィ後に異方性エッチングを行い、浮遊ゲート電極22と成るポリシリコン膜からマスク絶縁膜26と成るシリコン窒化膜までパターニングする。
【0011】
次いで、異方性エッチングによるダメージ回復、及び浮遊ゲート電極22と成るポリシリコン膜からゲート側壁を介したリーク電流を防止するために、例えば5〜20nmの範囲で浮遊ゲート電極22の側壁酸化を行う。
【0012】
この際に、制御ゲート低抵抗化金属膜25がWSiあるいはWから成る場合、通常のウェット酸化やドライ酸化、またはISSG酸化条件では、制御ゲート低抵抗化金属膜25の方が浮遊ゲート電極22のポリシリコン膜より多く酸化される。このため、図29に示されたように、制御ゲート低抵抗化金属膜25の側壁に形成された金属元素を含んだシリコン酸化膜43が、浮遊ゲート電極22のポリシリコン膜、制御ゲート電極24のポリシリコン膜の側面にそれぞれ形成されたシリコン酸化膜から成る側壁酸化膜41、42よりも膨らんだ形状と成る。
【0013】
特に、制御ゲート低抵抗化金属膜25が、Si/Wの組成比が2.4以下のWSiから成る場合、側壁酸化工程において、導電性があるタングステン酸化物61が異常成長する。
【0014】
一方、制御ゲート低抵抗化金属膜25がWから成る場合は、700℃以上の熱工程で容易に酸化され、導電性があるタングステン酸化物61が異常成長する。
【0015】
いずれにせよ、隣接する制御ゲートの制御ゲート低抵抗化金属膜25(WL1)と制御ゲート低抵抗化金属膜25(WL2)との間が、導電性を有するタングステン酸化膜61によって狭まるため、データ選択線WL1とWL2との間で耐圧不良を生じる。
【0016】
さらに、ゲート側壁酸化後に、通常はソースドレイン領域28を形成するためにリンまたは砒素等のN型不純物をイオン注入する。しかしながら、タングステン酸化膜61が形成されると、イオン注入に対してシャドウイング(shadowing)が生じるため、その下の半導体基板10にN型不純物が充分供給されなく成る。
【0017】
よって、図29に示されたように、ソース、ドレイン領域と成る不純物拡散層51が形成されない部分52が生じ、トランジスタとして動作しなく成る。
【0018】
この後、ゲート電極間に、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜から成る層間絶縁膜を埋め込んだ場合、タングステン酸化物61が膨らんで形成されているために埋め込み性が悪く、巣(seam)と称される空隙が生じる。また、タングステン酸化物61の存在によってシャドウイングが生じ、浮遊ゲートの側壁に層間絶縁膜が形成されない空隙が発生する。
【0019】
このように、電荷蓄積層の極近傍に形成された空隙が発生すると、空隙がない場合とで層間絶縁膜のエッチング深さが大幅に変わるので、その部分にコンタクトを後に形成する場合に、エッチング深さの制御性を極端に悪化させることに成る。
【0020】
さらに、図29の紙面に向かって垂直方向に隣接してメモリセルを形成した場合に、空隙に沿ってコンタクト電極形成用の導電体が入り込むため、隣接セル間にショートが生じるおそれもある。
【0021】
ところで、ポリシリコンとWとの選択酸化について、後述する非特許文献1が開示されている。
【0022】
この文献において、800℃から850℃での選択酸化によって、ポリシリコン側壁をWよりもより多く酸化する方法を開示している。
【0023】
しかしながらこの方法では、通常850℃以下の低温酸化であるが故に酸化膜の粘性が高く、側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点に位置する浮遊ゲート電極22において、図29に示されたように酸化後の形状が端部200において凸状態に尖ったものと成る。
【0024】
特に、浮遊ゲート電極22のポリシリコン中のリン濃度が高く、酸化速度が速い場合にこの形状はより顕著と成る。
【0025】
このため、不揮発性半導体記憶装置として用いた場合、その浮遊ゲート電極22から電子を引き抜く消去時において、凸状に尖った部分200で電界集中を生じ、平端な部分よりも凸状の部分から半導体基板10又は不純物拡散層51に放出されやすく成る。
【0026】
この結果、凸状の部分に集中的に電子が流れるため、フラッシュメモリとして書き込み及び消去を繰り返すとその部分の劣化が速く進み、信頼性を損うことと成る。
【0027】
また、本発明に関連する技術を開示するものとして、後述する特許文献1が存在する。
【0028】
この文献には、制御ゲートにタングステンを用いた不揮発性半導体記憶装置において、制御ゲートを窒化膜で覆うことによって、タングステンの異常酸化を防止する技術が開示されている。
【0029】
しかし、この技術には次のような問題があった。この文献の図9に示されたように、窒化膜49aが、制御ゲート用ポリシリコン層39の側壁を覆っているが、ONO膜37及びフローティングゲート用ポリシリコン層35の側壁は全く覆っていない。
【0030】
この文献では、後酸化によってフローティングゲート用ポリシリコン層35に形成される後酸化膜の形状が開示されてはいない。しかし、後酸化工程を経ると、ONO膜37の下部に位置するフローティングゲート用ポリシリコン層35の側壁が酸化されてバーズビークが形成され、ONO膜37の上部に位置する制御ゲート用ポリシリコン層39の側壁は全く酸化されないことになる。
【0031】
このために、ONO膜37上部のエッチングダメージの回復が不十分となり、耐圧不良及び信頼性不良の原因となっていた。
【0032】
ところで、不揮発性半導体記憶装置では、後酸化量を少なくしてONO膜37の側壁の上端及び下端に形成されるバーズビークを小さくすれば、ONO膜37の厚膜化を防止できる。これにより、CONO/(CONO+COX)で定義されるカップリング比が大きくなり、その結果データの書き込み特性(プログラム特性)が向上する。ここで、CONOはONO膜37の容量、COXはトンネル酸化膜33aの容量とする。
【0033】
しかし、この文献の図9に開示されたONO膜37の下部に位置するフローティングゲート用ポリシリコン層35の側壁にはバーズビークが形成される。このため、書き込み特性においても十分ではない。
【0034】
つまり、ONO膜37の側壁の上端、下端にバーズビークを形成するか否かによって、耐圧に関する信頼性とプログラム特性とがトレードオフの関係にある。この文献に開示された技術では、そのどちらも満足させることもできないという問題があった。
【0035】
【非特許文献1】
S.choi、”High Manufacturable Sub−100nm DRAM Integrated with Full Functionality”、IEDM2002
【特許文献1】
特開2003−31708号公報
【0036】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、Si/Wの組成比が2.4以下のWSiから成る金属またはWを用いて制御ゲート低抵抗化金属膜25を形成した場合、ゲート側壁酸化工程において、導電性があるタングステン酸化物61が異常成長し、制御ゲート間の耐圧劣化をもたらすという問題があった。
【0037】
また、側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点に位置する浮遊ゲート電極22が凸状に尖った形状となり、電界集中により劣化が進み信頼性の低下を招くという問題があった。
【0038】
さらに、制御ゲートにタングステンを用いる装置において、制御ゲートを窒化膜で覆ってタングステンの異常酸化を防止する従来技術も提案されているが、信頼性及びプログラム特性の点において問題があった。
【0039】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、Si/Wの組成比が2.4以下のWSiから成る金属又はWを用いて制御ゲート低抵抗化金属を形成した場合においても、十分抵抗が低く、かつゲート間の耐圧を確保して高い信頼性が得られ、またプログラム特性においても向上させることが可能な不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。
【0040】
【課題を解決するための手段】
本発明の不揮発性半導体記憶装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面部分に所定間隔を空けて形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域及びドレイン領域の間に位置するチャネル領域と、
前記チャネル領域上に、第1の絶縁膜を介して形成された浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に、第2の絶縁膜を介して形成された半導体層と、この半導体層上に形成された金属層とを含む制御ゲート電極と、
前記制御ゲート電極上に形成された耐酸化性を有する第3の絶縁膜とを有する、電気的に情報の書き込み及び消去が可能な不揮発性半導体記憶装置において、
少なくとも前記金属層の側壁を覆うように形成された耐酸化性を有する第4の絶縁膜をさらに備え、
前記第4の絶縁膜は、前記金属層の側壁から少なくとも前記制御ゲート電極の前記半導体層の側壁の一部に渡って形成されていることを特徴とする。
【0041】
ここで、前記第4の絶縁膜が、インターポリ絶縁膜の上部に配置されていてもよい。
【0042】
また本発明の不揮発性半導体記憶装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面部分に所定間隔を空けて形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域及びドレイン領域の間に位置するチャネル領域と、
前記チャネル領域上に、第1の絶縁膜を介して形成された浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に、第2の絶縁膜を介して形成された半導体層と、この半導体層上に形成された金属層とを含む制御ゲート電極と、
前記制御ゲート電極上に形成された耐酸化性を有する第3の絶縁膜と、
前記金属層の側壁及び前記制御ゲート電極の前記半導体層の側壁を覆うように形成された耐酸化性を有する第4の絶縁膜とを有するメモリセルを、少なくとも2個直列に接続された状態で備え、
さらに、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有する二つの選択トランジスタを、直列に接続された前記メモリセルのそれぞれ両端に接続された状態で備え、
前記メモリセル及び前記選択トランジスタは、同一導電型半導体領域に形成された電界効果トランジスタであることを特徴とする。
【0043】
あるいは本発明の不揮発性半導体記憶装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面部分に所定間隔を空けて形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域及びドレイン領域の間に位置するチャネル領域と、
前記チャネル領域上に、第1の絶縁膜を介して形成された浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に、第2の絶縁膜を介して形成された半導体層と、この半導体層上に形成された金属層とを含む制御ゲート電極と、
前記制御ゲート電極上に形成された耐酸化性を有する第3の絶縁膜とを有し、電気的に情報の書き込み及び消去が可能な不揮発性半導体記憶装置において、
前記金属層の側壁、前記制御ゲート電極の前記半導体層の側壁から前記浮遊ゲート電極の側壁の一部に渡って覆うように形成された耐酸化性を有する第4の絶縁膜をさらに備えることを特徴とする。
【0044】
ここで、前記浮遊ゲート電極の前記半導体層の側壁の少なくとも一部には、前記電荷蓄積電極が酸化されて形成された第5の絶縁膜が形成されており、
この第5の絶縁膜は、前記浮遊ゲート電極の側壁における前記第1の絶縁膜と接する箇所において、前記第1の絶縁膜あるいは前記第2の絶縁膜と接しない箇所より厚膜化されていてもよい。
【0045】
前記第5の絶縁膜は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜から成り、前記第4の絶縁膜より酸素組成が多いものであってもよい。
【0046】
前記金属層は、W又はWSi、あるいはSi/W比が2.2以下のWSiからなるものであってもよい。
【0047】
前記第4の絶縁膜は、シリコン窒化膜から成るものであってもよい。
【0048】
また本発明の不揮発性半導体記憶装置は、
前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有するメモリセルを、前記ソース領域又はドレイン領域を共有するように、少なくとも2個隣接した状態で備え、
隣接する前記メモリセルのそれぞれの前記制御ゲート電極間に、第6の絶縁膜が埋め込み形成されていることを特徴とする。
【0049】
あるいは本発明の不揮発性半導体記憶装置は、
前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有するメモリセルを、少なくとも2個直列に接続された状態で備え、
さらに、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第3の絶縁膜を有する二つの選択トランジスタを、直列に接続された前記メモリセルのそれぞれ両端に接続された状態で備え、
前記メモリセル及び前記選択トランジスタは、同一導電型半導体領域に形成された電界効果トランジスタであってもよい。
【0050】
本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、
半導体基板上に、第1の絶縁膜、浮遊ゲート電極となる導電膜、第2の絶縁膜、制御ゲート電極となる半導体層及び金属層、第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の途中の深さまで、ゲート電極の形状にパターニングする工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の表面上に第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の絶縁膜が、前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の側壁に残存し、前記半導体層の上面には残存しないように、前記第4の絶縁膜にエッチングを行う工程と、
前記第3の絶縁膜をマスクとして、前記半導体層、前記金属層、前記第2の絶縁膜及び前記導電膜にエッチングを行い、電極の形状にパターニングを行うことで、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体層の側壁のうち前記第4の絶縁膜で覆われていない部分、及び前記導電膜の側壁に、後酸化処理を行って側壁酸化膜を形成する工程と、
前記浮遊ゲート電極及び前記制御ゲート電極をマスクとして前記半導体基板の表面部分に不純物をイオン注入し、ソース領域及びドレイン領域を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【0051】
また本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、
半導体基板上に、第1の絶縁膜、浮遊ゲート電極となる導電膜、第2の絶縁膜、制御ゲート電極となる半導体層及び金属層、第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層をゲート電極の形状にパターニングする工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記第2の絶縁膜の表面上に第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の絶縁膜が、前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の側壁に残存し、前記第4の絶縁膜及び前記第2の絶縁膜が前記導電膜の上面には残存しないように、前記第4の絶縁膜及び前記第2の絶縁膜にエッチングを行う工程と、
前記第3の絶縁膜をマスクとして、前記半導体層、前記金属層、前記第2の絶縁膜及び前記導電膜にエッチングを行い、電極の形状にパターニングを行うことで、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極を形成する工程と、
前記導電膜の側壁に、後酸化処理を行って側壁酸化膜を形成する工程と、
前記浮遊ゲート電極及び前記制御ゲート電極をマスクとして前記半導体基板の表面部分に不純物をイオン注入し、ソース領域及びドレイン領域を形成する工程とを備える製造方法を用いて、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有するメモリセルを、少なくとも2個直列に接続された状態で備え、
さらに、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第3の絶縁膜を有する二つの選択トランジスタを、直列に接続された前記メモリセルのそれぞれ両端に接続された状態で備える。
【0052】
あるいは本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、
半導体基板上に、第1の絶縁膜、浮遊ゲート電極となる導電膜、第2の絶縁膜、制御ゲート電極となる半導体層及び金属層、第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記導電膜の途中の深さまで、ゲート電極の形状にパターニングする工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記導電膜の表面上に第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の絶縁膜が、前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記導電膜の側壁に残存し、前記導電膜の上面には残存しないように、前記第4の絶縁膜にエッチングを行う工程と、
前記第3の絶縁膜をマスクとして、前記半導体層、前記金属層、前記第2の絶縁膜及び前記導電膜にエッチングを行い、電極の形状にパターニングを行うことで、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極を形成する工程と、
前記導電膜の側壁のうち前記第4の絶縁膜で覆われていない部分に、後酸化処理を行って側壁酸化膜を形成する工程と、
前記浮遊ゲート電極及び前記制御ゲート電極をマスクとして前記半導体基板の表面部分に不純物をイオン注入し、ソース領域及びドレイン領域を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【0053】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0054】
(A)第1の実施の形態
図1に、本発明の第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の素子の断面構造を示す。
【0055】
本実施の形態は、制御ゲート低抵抗化金属膜25の側壁の全て、及び制御電極24と成るポリシリコン膜の側壁の一部分が、耐酸化性を有する膜、例えばシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等から成る側壁絶縁膜によって覆われている点に特徴がある。
【0056】
図1において、例えばボロン又はインジウム不純物濃度が1014cm−3から1019cm−3の範囲のP型シリコン半導体基板10上に、例えば4〜20nmの厚さのシリコン酸化膜又はオキシナイトライド膜、又はシリコン窒化膜から成るトンネルゲート絶縁膜21を介して、例えばポリシリコンから成る浮遊ゲート電極22が、10nmから500nmの厚さで形成されている。
【0057】
この上に、例えばインターポリ絶縁膜23と成るONO膜(シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の多層膜)が、例えばそれぞれ2〜10nm、5〜15nm、2〜10nmの厚さの範囲で積層されている。
【0058】
このインターポリ絶縁膜23は、例えばAl2O3膜でも良いし、あるいは単層のシリコン酸化膜でも良く、その厚さは5nm以上30nm以下と成るようにする。
【0059】
その上に、例えば制御ゲート電極24(選択トランジスタ用の選択ゲート電極24(SG)、半導体記憶装置トランジスタ用のデータ選択線24(WL1)、データ選択線24(WL2))と成るポリシリコンが、10nmから500nmの厚さで形成されている。
【0060】
さらにその上に、制御ゲート低抵抗化金属膜25として、WSi又はWが厚さ10nmから500nmの厚さで積層されている。
【0061】
ここで、WSiを用いる場合には、従来用いていたSi/Wの組成比が2.4以上のWSiよりも、Si/Wの組成比が2.4以下のWSiから成る金属である方が、抵抗を下げることができるので望ましい。
【0062】
さらに、より具体的には、Si/Wの組成比を2.15以下2以上とすると、Si/Wの組成比が2.4以上のWSiにおける抵抗率の70%より小さくすることができる。これにより、1世代分(70〜80%)デザインルールを縮小した場合、即ちデータ制御線の長さを保持しつつ制御線幅を1世代分縮小した場合にも、抵抗を一定値以下に保つことができる。
【0063】
よって、データ制御線方向の長さを一定にしてセルアレイ規模を増やすことができるので、データ制御線方向のパッケージサイズに制約のあるNAND型不揮発性半導体記憶装置においては特に設計上望ましい。
【0064】
制御ゲート低抵抗化金属膜25上に、ゲート電極加工用のエッチングマスク材と成る、例えばシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜(SiON)から成るマスク絶縁膜26が、10nmから500nmの厚さの範囲で積層されている。この制御ゲート低抵抗化金属膜25は、例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜等の積層絶縁膜であってもよい。
【0065】
このマスク絶縁膜26は、側壁酸化時に酸化剤が上面から制御ゲート低抵抗化金属膜25を酸化しないようにするため、耐酸化性があることが必要である。
【0066】
さらに、制御ゲート低抵抗化金属膜25の側面と制御ゲート電極24と成るポリシリコン膜の側面の上部両側には、例えば2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31が形成されている。
【0067】
この側壁絶縁膜31は、側壁酸化時に酸化剤が上面から制御ゲート低抵抗化金属膜25を酸化しないように、耐酸化性があることが必要である。
【0068】
特に、側壁絶縁膜31は、ゲート後酸化工程よりも前に形成する必要がある。このため、ゲート後酸化による酸化剤が、側壁絶縁膜31と制御ゲート低抵抗化金属膜25との間から侵入するのを防ぐため、制御ゲート低抵抗化金属膜25に直接接した状態で形成されていることが望ましい。
【0069】
さらに、制御ゲート電極24の下部側壁には、例えば3nmから20nmの厚さのシリコン酸化膜から成る側壁酸化膜42が形成されている。
【0070】
また、浮遊ゲート電極22の側壁には、例えば3nmから20nmの厚さのシリコン酸化膜から成る側壁酸化膜41が形成されている。
【0071】
ここで、側壁酸化膜41は、浮遊ゲート電極22の酸化によって形成されており、酸素組成が側壁絶縁膜31よりも多いシリコン酸窒化膜(SiON)でもよい。尚、この側壁酸化膜42は、制御ゲート低抵抗化金属膜25と接しないように離れて形成されている。
【0072】
半導体基板10の表面部分に、ゲート電極をマスクとしてN型不純物がイオン注入されて、ソース、ドレイン領域と成るN型不純物拡散層51が形成されている。この二つのN型不純物拡散層51の間には、チャネル領域が位置する。
【0073】
このN型不純物拡散層51と、浮遊ゲート電極22、制御ゲート電極24により、浮遊ゲート型不揮発性EEPROMセルが構成され、浮遊ゲート電極22のゲート長は、0.01μm以上で0.5μm以下とする。
【0074】
これらソース、ドレイン領域としてのN型不純物拡散層51は、例えばリンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017cm−3から1021cm−3と成るように、半導体基板10の表面から深さ10nm〜500nmの範囲で形成されている。
【0075】
さらに、これらN型不純物拡散層51は隣接する半導体記憶装置同士で共有され、例えばNAND接続やNOR接続が実現されている。
【0076】
さらに、浮遊ゲート電極22間には、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜から成る層間絶縁膜71が埋め込まれるように形成されている。
【0077】
また、半導体基板10におけるソース、ドレイン領域としてのN型不純物拡散層51の間にはチャネル領域が形成されており、ゲート絶縁膜21を通じてその伝導キャリアの数を変化させることができるようになっている。
【0078】
次に、本実施の形態における製造工程について、図2〜図8を用いて説明する。
【0079】
例えば、ボロン又はインジウム不純物濃度が1014cm−3から1019cm−3の範囲にあるP型シリコン半導体基板10上に、例えば4〜20nmの厚さから成るシリコン酸化膜又はオキシナイトライド膜、又は窒化膜から成るトンネルゲート絶縁膜21を形成する。
【0080】
さらに、例えばポリシリコンから成る浮遊ゲート電極22を、10〜500nmの厚さでLPCVD法により形成する。
【0081】
この上に、例えばインターポリ絶縁膜23と成るONO膜(シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜から成る多層膜)を、例えばそれぞれ2〜10nm、5〜15nm、2〜10nmの厚さの範囲で積層する。このインターポリ絶縁膜23は、例えばAl2O3膜でも良いし、単層のシリコン酸化膜でも良い。
【0082】
さらにその上に、制御ゲート電極24(選択ゲート電極24(SG)、データ選択線24(WL1)、データ選択線24(WL2))と成るポリシリコンを10〜500nmの厚さで形成する。
【0083】
さらにその上に、制御ゲート低抵抗化金属膜25としてのWSi又はWを厚さ10〜500nmの厚さで積層する。
【0084】
さらに、これら電極の上に、ゲート加工のエッチングマスク材として、例えばシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜から成るマスク絶縁膜26を、50〜800nmの厚さの範囲で積層する。このマスク絶縁膜26は、上述したように例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜等の積層絶縁膜で積層してもよい。このようにして、図2に示された積層構造を得る。
【0085】
次に、リソグラフィによってパターニングされたレジスト膜をマスクとし、図3のように、反応性イオンエッチング(以下、RIEという)等のエッチング技術を用いてマスク絶縁膜26、制御ゲート低抵抗化金属膜25、及びポリシリコン膜等から成る制御ゲート電極24の一部をエッチング除去する。
【0086】
この制御ゲート電極24のエッチング深さとしては、図1における側壁酸化膜42の厚さをtox2とした場合に、4×tox2以上とするのが、側壁酸化膜42のバーズビークが制御ゲート低抵抗化金属膜25に達しないようにする上で望ましい。
【0087】
次に、2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31を図4に示されたように全面に堆積する。
【0088】
なお、シリコン窒化膜を形成する場合には、800℃以下の熱工程で形成する方が、後のゲート側壁酸化膜形成における熱工程よりも温度が低く成るため望ましく、ジクロロシラン系のシリコン窒化膜、テトラクロロシラン系、又はヘキサクロロジシラン系のシリコン窒化膜でもよい。
【0089】
次に、この側壁絶縁膜31が切り立ったゲート側壁上に残り、制御ゲート電極24のポリシリコン上面には残らないように、異方性エッチングを行って図5に示された形状を得る。
【0090】
さらに、マスク絶縁膜26をエッチングマスクとして、制御ゲート電極24、インターポリ絶縁膜23、及び浮遊ゲート電極22を異方性エッチングによって加工し、図6に示された形状を得る。
【0091】
次に、トンネル酸化膜21のエッチング加工ダメージを回復させるために、酸化雰囲気中でアニールする後酸化処理を行う。
【0092】
図7に示されるように、ゲート側壁後酸化処理を行うと、浮遊ゲート電極22、制御ゲート電極24の側壁には、酸化剤とポリシリコンとが反応した薄い側壁酸化膜41、42が形成される。
【0093】
この酸化条件は、従来の装置において上述した酸化膜の粘度の上昇を招くようなWの選択酸化条件を用いる必要はない。ISSG酸化や1000℃以上の高温酸化等、酸化膜の粘度が低い状態で、側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点において、浮遊ゲート電極22の形状が尖らないような酸化条件を選ぶことができる。
【0094】
この後、図8に示されたように、例えばリンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017cm−3から1021cm−3と成るように、例えばイオン注入法を用いて、ソース、ドレイン領域と成る不純物拡散層51を形成する。
【0095】
この際、制御ゲート電極24の金属は異常酸化されないので、制御ゲート間の耐圧は悪化せず、また不純物拡散層51もシャドウイングの影響なく均一に形成することができる。
【0096】
さらに、例えばTEOSやHTO、BSG、PSG、BPSG又はHDP等から成るシリコン酸化膜を層間絶縁膜71として、50nmから400nmの厚さでセル間が埋まるまで全面堆積し、異方性エッチングにより埋め込むことによって、図1の断面構造を得る。
【0097】
本実施の形態によれば、以下のような作用、効果が得られる。
【0098】
(1)ゲート側壁酸化工程において、制御ゲート低抵抗化金属膜25に酸化剤が達することがない。よって、図29に示された制御ゲート低抵抗化金属膜25の側壁に形成された酸化物61のような、制御ゲート低抵抗化金属膜25より下部に位置する制御ゲート電極24よりも厚い酸化膜が形成されることがなく、ゲート電極としての正常な形状及び寸法を保つことができる。
【0099】
これにより、制御ゲート低抵抗化金属膜25に含まれる金属が、ゲート側壁酸化工程で酸化炉中に拡散し、金属汚染を生じる可能性を低減することができる。従って、同一ウェーハにおける接合リーク特性を、従来よりも改善することができる。
【0100】
また、従来の装置のように層間絶縁膜に空隙が形成されず、良好な埋め込み特性を得ることができる。よって、図1における絶縁膜71にコンタクトを後に形成する場合にも、エッチング深さの制御性を向上させることができる。
【0101】
さらに、図1において紙面に垂直な方向に隣接して複数の半導体記憶装置を形成する場合にも、コンタクト電極形成用の導電体が入り込むことがなく、隣接半導体記憶装置間の絶縁性を良好に保つことができる。
【0102】
特に、側壁酸化膜41における浮遊ゲート電極22に接しない側の側面を、側壁絶縁膜31の側面で、制御ゲート低抵抗化金属膜25の側面に接しない側の側面よりも張り出す形状とすることで、従来と異なり、図1に示されたように、層間絶縁膜71を埋め込む際に順テーパ形状と成る。よって、従来発生していた空隙を生じることがなく、より信頼性を向上することができる。
【0103】
(2)ゲート側壁酸化工程において、インターポリ絶縁膜23の側壁の上側に接した制御ゲート電極24と、下側に接した浮遊ゲート電極22が共に酸化され、インターポリ絶縁膜23の側壁の上下にバーズビークが形成されて厚膜化する。
【0104】
よって、ゲート電極形成用のエッチング工程において、インターポリ絶縁膜23に欠陥が形成された場合にも、厚膜化した分だけ電界を緩和することができ、より信頼性が高い半導体記憶装置を実現することができる。
【0105】
特に、インターポリ絶縁膜23に接した浮遊ゲート電極22の側壁の下側が酸化されて、インターポリ絶縁膜23にバーズビークが形成されて、この部分のエッジが厚膜化する。よって、上記特許文献1に開示された技術と異なり、ゲート電極の形状にパターニングするためのエッチング工程において、インターポリ絶縁膜23に欠陥が形成された場合においてもダメージが回復し、またインターポリ絶縁膜23が厚膜化することによって電界集中が緩和されるため、より高い信頼性を実現することができる。
【0106】
(3)従来よりも制御ゲート低抵抗化金属膜25が異常酸化せず、側壁酸化膜41を厚膜化できるので、より浮遊ゲート電極22から電子が側壁酸化膜41を通って放出されることを防止できる。
【0107】
この結果、浮遊ゲート電極22に蓄積された電子の保持特性をより向上することができる。
【0108】
(4)上述したように、浮遊ゲート電極22が酸化工程後に凸状に尖る現象を防止できるので、浮遊ゲート電極22から電子を引き抜く消去時に尖った部分における電界集中の発生が防止される。このため、浮遊ゲート電極22から半導体基板10又は不純物拡散層51に対し、より均一に放出することができる。
【0109】
この結果、浮遊ゲート電極22のエッジ部とチャネル領域に、より均一に電子が放出されるため、フラッシュ半導体記憶装置として書き込み及び消去を繰り返しても劣化せず、信頼性を向上することができる。
【0110】
(5)ゲート側壁後酸化処理工程において、従来は制御ゲート低抵抗化金属膜25に直接酸化剤が接触し、制御ゲート低抵抗化金属膜25が異常酸化するという問題があった。本実施の形態では、制御ゲート低抵抗化金属膜25の側面が耐酸化性のある側壁絶縁膜31に覆われ、上面がマスク絶縁膜26により覆われているため、酸化剤が接触せず異常酸化の問題を回避することができる。
【0111】
また、浮遊ゲート電極22、トンネル絶縁膜21は、側壁絶縁膜31の厚さの2倍分ゲート長が長くなり、これによりショートチャネル効果を抑制できる。
【0112】
(6)本実施の形態では、制御ゲート電極24の下部と、インターポリ絶縁膜23及び浮遊ゲート電極22を一括加工するので、ゲート長方向の寸法差を小さくすることができる。
【0113】
よって、インターポリ絶縁膜23の容量とトンネル絶縁膜21の容量の比を大きく一定に保つことが可能である。
【0114】
(7)側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点における浮遊ゲート電極22の形状が凸状に尖らないような酸化条件を選ぶことができる。
【0115】
また、従来よりも異常酸化することなく側壁酸化膜41を厚膜化できるので、より浮遊ゲート電極22から電子が側壁酸化膜41を通って放出されにくくすることができる。この結果、浮遊ゲート電極22に蓄積された電子の保持特性を向上することができる。
【0116】
さらに、浮遊ゲート電極22が凸状に尖ることを防止できるので、浮遊ゲート電極22から電子を引き抜く消去時において、尖った部分に電界集中が発生することを防止でき、浮遊ゲート電極22から半導体基板10又は不純物拡散層51により均一に放出することができる。
【0117】
この結果、浮遊ゲート電極22のエッジ部とチャネル領域に、より均一に電子が放出されるため、フラッシュ半導体記憶装置として書き込み及び消去を繰り返しても劣化せず、信頼性を向上することができる。
【0118】
(B)第2の実施の形態
図9に、本発明の第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成を示す。
【0119】
本実施の形態は、上記第1の実施の形態と比較し、側壁絶縁膜31をインターポリ絶縁膜23まで達するように形成している点が相違する。尚、第1の実施の形態と同一の部分には、同一符号をつけて説明を省略する。
【0120】
図10〜図15に、本実施の形態における製造工程別の素子断面を示す。
【0121】
先ず、上記第1の実施の形態と同様に、P型半導体基板10上に、トンネルゲート絶縁膜21、浮遊ゲート電極22、インターポリ絶縁膜23、制御ゲート電極24(選択ゲート電極24(SG)、データ選択線24(WL1)、制御ゲート低抵抗化金属膜25、マスク絶縁膜26を積層し、図2に示された構造を得る。
【0122】
次に、リソグラフィによりパターニングされたレジストをマスクとし、図10のように、RIE等のエッチング技術を用いてマスク絶縁膜26、制御ゲート低抵抗化金属膜25及び制御ゲート電極24を、インターポリ絶縁膜23に達するまでエッチングによりパターニングする。
【0123】
次に、2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31を、図11に示されたように全面に堆積する。
【0124】
尚、堆積するシリコン窒化膜の熱工程としては、800℃以下の熱工程で形成すると、後のゲート側壁酸化膜を形成するための最大熱工程よりも低く成るため望ましい。このシリコン窒化膜は、ジクロロシラン系のシリコン窒化膜でも良いし、あるいはテトラクロロシラン系又はヘキサクロロジシラン系のシリコン窒化膜でよい。
【0125】
次に、この側壁絶縁膜31が切り立ったゲート側壁上に残り、浮遊ゲート電極22の上面には残らないように異方性エッチングを行って、図12に示された形状を得る。
【0126】
この際に、ポリシリコンに対して選択比を有する絶縁膜エッチング条件を用いることにより、図12に示されたように、制御性良くインターポリ絶縁膜23と側壁絶縁膜31とをパターニング加工することができる。
【0127】
さらに、マスク絶縁膜26及び側壁絶縁膜31をエッチングマスクとして、浮遊ゲート電極22を異方性エッチングによってパターニング加工し、図13に示された形状を得る。
【0128】
ここで、トンネル酸化膜21のエッチング加工ダメージを回復させるために、酸化雰囲気中でアニールする後酸化処理を行う。
【0129】
また、図14に示されるように、ゲート側壁の後酸化処理を行った浮遊ゲート電極22の側壁には、酸化剤とポリシリコンとが反応して薄い側壁酸化膜41が形成される。
【0130】
このときの酸化条件は、上記第1の実施の形態と同様に、ISSG酸化や1000℃以上の高温酸化等、酸化膜の粘度が低い状態で、側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点において、浮遊ゲート電極22の形状が凸状に尖らないような酸化条件を選ぶことができる。
【0131】
ここで、側壁酸化膜41は浮遊ゲート電極22の酸化によって形成され、酸素組成が側壁絶縁膜31より多いシリコン酸窒化膜であってもよい。
【0132】
この後、例えばリンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017cm−3から1021cm−3の範囲と成るように、イオン注入を行ってソース、ドレイン領域と成る不純物拡散層51を形成し、図15の構造を得る。
【0133】
この際、制御ゲート低抵抗化金属膜25は異常酸化しないので、制御ゲート間の耐圧は悪化せず、また不純物拡散層51もシャドウイングの影響なく均一に形成することができる。
【0134】
さらに、例えばTEOS、HTO、BSG、PSG、BPSG又はHDPから成るシリコン酸化膜を、50nmから400nmの厚さでセル間が埋まるまで全面堆積し、異方性エッチングを行うことで、図9の断面構造を得る。
【0135】
本実施の形態は、上記第1の実施の形態における上記(1)、(3)〜(5)並びに(7)の特徴に加え、以下の特徴を有する。
【0136】
(8)図10に示されたエッチング工程において、インターポリ絶縁膜23に対して選択比を有するポリシリコンエッチング条件を用いることによって、インターポリ絶縁膜23においてエッチングが止まるように制御することができる。
【0137】
よって、その後の図13に示されたエッチング工程において、エッチング量を制御ゲート電極24の膜厚のばらつきに依らないようにすることができ、オーバエッチング現象を防止することができる。
【0138】
これにより、不純物拡散層51の深さをより一定にすることができ、より均一な半導体記憶装置を実現することができる。
【0139】
(9)制御ゲート電極24の側壁が酸化により厚膜化しないので、インターポリ絶縁膜23の部分においても層間絶縁膜71の埋め込み性が良好な形状を得ることができる。
【0140】
また本実施の形態は、上記第1の実施の形態における上記(2)に対し、以下のような特徴がある。
【0141】
(2’)ゲート側壁酸化工程において、インターポリ絶縁膜23の側壁に接した浮遊ゲート電極22が酸化され、インターポリ絶縁膜23の側壁における下側(浮遊ゲート電極22側)にバーズビークが形成されて厚膜化する。
【0142】
よって、インターポリ絶縁膜23の上下に共にバーズビークが形成される上記第1の実施の形態とは異成るが、下側のみ厚膜化した分だけ電界を緩和することができ、より信頼性が高い半導体記憶装置を実現することができる。
【0143】
また、上記第1の実施の形態よりはインターポリ絶縁膜23が厚膜化しないが、この膜厚は薄い方が書き込み特性の点では優れる。よって本実施の形態は、インターポリ絶縁膜23の側壁の下側のみ厚膜化することで、信頼性の向上と書き込み特性の確保を共に実現することができる。
【0144】
(C)第3の実施の形態
本発明の第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置について、以下に説明する。
【0145】
本実施の形態の構造は、図16に示されたように、上記第1、第2の実施の形態と比較して、浮遊ゲート電極22の途中まで達するように側壁絶縁膜31を形成している点が相違する。尚、上記第1、第2の実施の形態と同一の部分には、同一符号を付して説明を省略する。
【0146】
次に、本実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法について、図17〜図22を参照して説明する。
【0147】
先ず、上記第1、第2の実施の形態と同様に、P型半導体基板10上に、トンネルゲート絶縁膜21、浮遊ゲート電極22、インターポリ絶縁膜23、制御ゲート電極24(選択ゲート電極24(SG)、データ選択線24(WL1)、制御ゲート低抵抗化金属膜25、マスク絶縁膜26を積層し、図2に示された構造を得る。
【0148】
図17に示されたように、リソグラフィによりパターニングしたレジストをマスクとし、RIE等のエッチング技術を用いてマスク絶縁膜26、制御ゲート電極低抵抗化金属膜25、制御ゲート電極24、インターポリ絶縁膜23及び浮遊ゲート電極22の一部をエッチング除去する。
【0149】
ここで、浮遊ゲート電極22のエッチング深さは、例えば浮遊ゲート電極22の膜厚内に表面を持つように形成された図示されない素子分離膜、あるいは高電圧を印加できるように膜厚を厚くした周辺トランジスタの図示されないゲート酸化膜の上面でエッチングを止めるようにすることで、制御性よくエッチング深さを設定することができる。
【0150】
図18に示されたように、2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31を全面に堆積する。
【0151】
堆積するシリコン窒化膜の熱工程としては、上記第1、第2の実施の形態と同様に、800℃以下の熱工程で形成することが望ましい。この側壁絶縁膜31は、ジクロロシラン系のシリコン窒化膜でも良いし、テトラクロロシラン系又はヘキサクロロジシラン系のシリコン窒化膜でも良い。
【0152】
次に、この側壁絶縁膜31が切り立ったゲート側壁上に残り、浮遊ゲート電極22のポリシリコン上面には残らないように、異方性エッチングを行って図19に示された形状を得る。
【0153】
さらに、マスク絶縁膜26をエッチングマスクとして、浮遊ゲート電極22を異方性エッチングによって加工し、図20に示された形状を得る。トンネル酸化膜21のエッチング加工ダメージを回復させるため、酸化雰囲気中でアニールする後酸化処理を行う。
【0154】
また、図21に示されたように、後酸化処理を行うことで、浮遊ゲート電極22の側壁に酸化剤とポリシリコンとが反応した薄いシリコン酸化膜から成る側壁酸化膜41が形成される。
【0155】
この酸化条件は、上記第1、第2の実施の形態と同様に、ISSG酸化や1000℃以上の高温酸化等、酸化膜の粘度が低い状態で、側壁酸化膜41とトンネル酸化膜21との接点での浮遊ゲート電極22の形状が凸状に尖らない条件を選ぶことができる。
【0156】
ここで、この側壁酸化膜41は、浮遊ゲート電極22の酸化によって形成されており、酸素組成が側壁絶縁膜31よりも多いシリコン酸窒化膜でも良い。
【0157】
この後、例えばリンや砒素、アンチモン等の不純物を表面濃度が1017cm−3から1021cm−3と成るようにイオン注入を行うことにより、ソース、ドレイン領域と成るN型不純物拡散層51を形成し、図22の形状を得る。
【0158】
ここで、制御ゲート電極24の金属は異常酸化しないので、制御ゲート間の耐圧が悪化せず、また不純物拡散層51もシャドウイングの影響なく均一に形成することができる。
【0159】
さらに、例えばTEOS、HTO、BSG、PSG、BPSG又はHDPから成るシリコン酸化膜を50nmから400nmの厚さでセル間が埋まるまで全面堆積して埋め込み、異方性エッチングを行うことによって図16の断面構造を得る。
【0160】
本実施の形態は、上記第1の実施の形態の上記(1)、(3)〜(5)、(7)の特徴、及び第2の実施の形態の上記(9)の特徴に加えて、以下の特徴を有する。
【0161】
(10)インターポリ絶縁膜23の側壁が側壁絶縁膜31に覆われており、ゲート後酸化雰囲気に曝されることがなく、ヒドロニウムイオンや水素の透過を防ぐことができる。よって、上記特許文献1に開示された技術と異なり、例えばインターポリ絶縁膜23にSi膜が含まれる場合にもリーク電流の増大を防止することができ、またAl2O3等の高誘電体膜を用いた場合にもリーク電流が増大することなく良好な絶縁膜を形成することができる。
【0162】
また本実施の形態は、上記第1の実施の形態における上記(2)、上記第2の実施の形態における上記(2’)に対し、以下のような特徴がある。
【0163】
ゲート側壁酸化工程において、制御ゲート電極24及び浮遊ゲート電極22におけるインターポリ絶縁膜23の側壁に接した部分は、側壁絶縁膜31によって覆われているので共に酸化されない。
【0164】
このため、インターポリ絶縁膜23の側壁における上側と下側にはいずれもバーズビークが形成されず厚膜化されない。従って、上記第1、第2の実施の形態と異なり、インターポリ絶縁膜23が厚膜化しないため電界集中を緩和することはできない。
【0165】
しかし、インターポリ絶縁膜23が厚膜化しないため、本実施の形態によれば書き込み特性の点においてはより優れている。
【0166】
(11)インターポリ絶縁膜23の側壁が、ゲート電極の後酸化工程において酸化雰囲気に曝されることがないため、インターポリ絶縁膜23の側壁にバーズビークが形成されない。従って、C2/(C1+C2)で表される容量比が大きくなり、プログラム特性が向上する。ここで、C1はトンネル酸化膜21の容量、C2はインターポリ絶縁膜23の容量とする。
【0167】
(D)第4の実施の形態
図23に、本発明の第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の回路構成を示す。本実施の形態は、上記第1の実施の形態における半導体記憶装置構造を、NANDセルアレイに適用した場合に相当する。
【0168】
尚、上記第1の実施の形態における要素と同一の要素には、同一符号をつけて説明を省略する。
【0169】
図23にNANDセルブロックNA101の等価回路を示し、図24に素子の平面構成を示す。ここで、図24は、図23に示されたNANDセルブロックNA101を3つ並列した構造を示し、特にセル構造をわかりやすくするために、制御ゲート電極24よりも下の平面構成を示している。
【0170】
このNANDセルブロックNA101は、浮遊ゲート電極22を有するMOSトランジスタから成る不揮発性半導体記憶装置M0〜M15が直列に接続され、一端が選択トランジスタS1を介してデータ転送線BLに接続され、他一端が選択トランジスタS2を介して共通ソース線SLに接続されている。
【0171】
ここで、それぞれのトランジスタM0〜M15、S1、S2は、同一のP型半導体基板10(P型ウエル)上に形成されている。
【0172】
それぞれの半導体記憶装置M0〜M15の制御電極は、データ選択線WL0〜WL15に接続されている。
【0173】
また、データ転送線BLに沿って配置された複数のNAND半導体記憶装置ブロックNA101から1つの半導体記憶装置ブロックを選択してデータ転送線BLに接続するため、選択トランジスタS1の制御電極がブロック選択線SSLに接続されている。選択トランジスタS2の制御電極は、ブロック選択線GSLに接続されている。
【0174】
ここで、本実施の形態では、ブロック選択線SSL及びGSLが、半導体記憶装置M0〜M15のデータ選択線WL0〜WL15の浮遊ゲート電極22と同じ層の導電体層によって、紙面の左右方向に隣接する図示されていない他のセルとの間で接続されて形成されている。
【0175】
ここで、半導体記憶装置ブロックNA101には、ブロック選択線SSL、GSLは少なくとも1本以上あればよく、データ選択線WL0〜WL15と同一方向に形成されることが高密度化には望ましい。
【0176】
本実施の形態では、半導体記憶装置ブロックNA101に16=24個の半導体記憶装置が接続されている例を示したが、データ転送線BL及びデータ選択線WL0〜WL15に接続する半導体記憶装置の数は複数であればよく、2n個(nは正の整数)であることが、アドレスデコードをする上で望ましい。
【0177】
図24におけるB−B線に沿う縦断面構造を図25に、図24におけるA−A線に沿う縦断面構造を図26にそれぞれ示す。図25は、半導体記憶装置部の縦断面構造を示している。
【0178】
図24、図25及び図26において、例えばボロン不純物濃度が1014cm−3から1019cm−3の間のP型半導体基板13に、例えば4〜20nmの厚さから成るシリコン酸化膜又はオキシナイトライド膜で構成されたトンネルゲート絶縁膜21、21(SSL)、21(GSL)を介して、例えばリン又は砒素を1018cm−3から1021cm−3添加したポリシリコンから成る浮遊ゲート電極22、22(SSL)、22(GSL)が、10nmから500nmの厚さで形成されている。
【0179】
これらは、例えばシリコン酸化膜から成る素子分離絶縁膜110が形成されていない領域上に、P型半導体領域13と自己整合的に形成されている。
【0180】
例えば、半導体領域13にトンネルゲート絶縁膜21、浮遊ゲート電極22を全面堆積した後、パターニングして半導体領域13に達するまで、例えば0.05〜0.5μmの深さでエッチングし、絶縁膜を埋め込むことで素子分離絶縁膜110を形成することができる。
【0181】
このようにトンネルゲート絶縁膜21及び浮遊ゲート電極22を段差のない平面に全面形成できるので、より均一性が向上し特性に優れた成膜を行うことができる。
【0182】
この上に、例えば厚さ5nmから35nmの間のシリコン酸化膜、オキシナイトライド膜、又はシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜から成るインターポリ絶縁膜23を介して、例えばリン、砒素又はボロンを1017〜1021cm−3を不純物添加したポリシリコン、又はWSiとポリシリコンとの積層構造、又はWとポリシリコンの積層構造から成る制御ゲート電極24が10nmから500nmの厚さで形成されている。
【0183】
この制御ゲート電極24は、図24に示されたように、隣接する半導体記憶装置ブロック間で相互に接続されるように、紙面左右方向にブロック境界まで形成されており、データ選択線WL0〜WL15を構成している。
【0184】
尚、P型半導体領域13は、N型半導体領域12によってP型半導体基板11と独立に電圧印加ができるようになっていることが、消去時の昇圧回路負荷を減らして消費電力を抑えるために望ましい。
【0185】
本実施の形態のゲート形状では、P型半導体領域13の側壁が素子分離絶縁膜110で覆われているので、浮遊ゲート電極22を形成する前のエッチングで露出することがなく、浮遊ゲート電極22が半導体領域13よりも下に位置することを防ぐことができる。
【0186】
よって、半導体領域13と素子分離絶縁膜110との境界において、ゲート電界集中が発生したり、閾値が低下した寄生トランジスタが発生することを防止できる。
【0187】
さらに、電界集中に起因する書込み閾値の低下現象、いわゆるサイドウォーク(sidewalk)現象が生じにくく成るため、より信頼性の高いトランジスタを形成することができる。
【0188】
また、上記第1の実施の形態と同様に、図26に示されたように、マスク絶縁膜26、制御ゲート低抵抗化金属膜25及び制御ゲート電極24の途中までの側壁が、例えば2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31で覆われている。
【0189】
また、制御ゲート電極24の下部の側壁にはシリコン酸化膜から成る側壁絶縁膜42が形成され、浮遊ゲート電極22の側壁にはシリコン酸化膜から成る側壁絶縁膜41が形成され、ソース、ドレイン領域と成るN型不純物拡散層51が形成されている。
【0190】
これら不純物拡散層51、浮遊ゲート電極22、制御ゲート電極24により、浮遊ゲート電極22に蓄積された電荷量を情報量とする浮遊ゲート型EEPROMセルが形成されており、そのゲート長は0.5μm以下0.01μm以上とする。
【0191】
尚、この半導体記憶装置構造は、上記第1の実施の形態におけるものと同一であるため、説明を省略する。
【0192】
ここで、N型不純物拡散層51は、例えばリンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017cm−3から1021cm−3と成るように深さ10nmから500nmの間で形成されている。このN型不純物拡散層51は、隣接する半導体記憶装置同士で共有され、NAND接続が実現されている。
【0193】
また、浮遊ゲート電極22(SSL)、22(GSL)は、それぞれブロック選択線SSL、GSLに接続されたゲート電極であり、浮遊ゲート型EEPROMの浮遊ゲート電極と同層で形成されている。
【0194】
この浮遊ゲート電極22(SSL)、22(GSL)のゲート長は、半導体記憶装置ゲート電極のゲート長よりも長く、例えば1μm以下0.02μm以上で形成することにより、ブロック選択時と非選択時とのオン/オフ比を大きく確保でき、誤書き込みや誤読み出しを防止することができる。
【0195】
また、制御ゲート電極24(SSL)の片側に形成されたN型不純物拡散層51dは、例えばW、WSi、Ti、TiN、又はAlから成るデータ転送線104(BL)と、コンタクトホール101dに形成されたコンタクト102dを介して接続されている。
【0196】
ここで、データ転送線104(BL)は、図24には図示されていないが、隣接する半導体記憶装置ブロック間で接続されるように、図24の紙面の上下方向に沿ってブロック境界まで形成される。
【0197】
一方、制御ゲート電極24(GSL) の片側に形成されたN型不純物拡散層51Sは、コンタクトホール101Sに形成されたコンタクト102Sを介して、図示されていないソース線SLと接続されている。
【0198】
このソース線SLは、図24には図示されていないが、隣接する半導体記憶装置ブロック間で接続されるように、図24の紙面左右方向に沿ってブロック境界まで形成される。ここで、N型不純物拡散層51Sを、紙面左右方向にブロック境界まで形成することにより、ソース線SLとしてもよい。
【0199】
これらデータ転送線BL用のコンタクト102d、ソース線SL用のコンタクト102Sとしては、例えばN型又はP型にドープされたポリシリコンやW、WSi、Al、TiN、Ti等がコンタクトホール101d、101Sに充填されて、導電体領域となっている。これらソース線SL、データ転送BL、各トランジスタの間は、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等から成る層間絶縁膜105によって充填されている。
【0200】
データ転送線BLの上部には、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はポリイミド等から成る絶縁膜保護層106が形成され、また図示されていないが、例えばW、AlやCuから成る上部配線が形成されている。
【0201】
本実施の形態では、上記第1の実施の形態における特徴に加えて、以下の特徴を有する。
【0202】
(12)本実施の形態は、P型半導体領域13を共通として、この半導体領域13からトンネル注入によって複数セルを同時に消去することが可能である。このため、消去時の消費電力を抑制しつつ、多ビットを一括で高速消去することが可能である。
【0203】
また本実施の形態によれば、側壁絶縁膜31を形成することにより、浮遊ゲート電極22の電極幅を太くする効果がある。このことから、次のような効果を奏する。
【0204】
(13)図6、図14、図20に示すように、リソグラフィの精度により決定されるマスク絶縁膜26の加工寸法に対し、側壁絶縁膜31の膜厚の2倍だけ、浮遊ゲート電極22の幅を太くすることができる。
【0205】
特にNAND型EEPROMでは、一方の不純物拡散層がビット線BLに接続された選択トランジスタS1の他方の不純物拡散層と、一方の不純物拡散層がソース線SLに接続された選択トランジスタS2の他方の不純物拡散層との間に、メモリセルトランジスタM0〜M15の各不純物拡散層が共有された形で直列に接続されている。このため、拡散層抵抗が寄生抵抗として作用し、読み出し時のビット線BLの電流を減少させ、読み出し時間を増大させるという課題がある。
【0206】
本実施の形態によれば、ゲート電極の電極幅が太くなった分だけ不純物拡散層の長さが短くなり、不純物拡散層の寄生抵抗が減少する。その結果、読み出し電流が増大し、読み出し動作を高速化することができる。
【0207】
また、NAND型EEPROMにおいては、読み出し時において非選択のNANDブロックや非選択のメモリセルトランジスタ、あるいは書き込み状態にあるメモリセルトランジスタからのリーク電流が、誤読み出しの原因となる。このようなリーク電流は、選択トランジスタ及びメモリセルトランジスタのゲート長の微細化に伴って大きくなる。これは、ショートチャネル効果によってトランジスタのオフリーク電流が増大するためである。特に、選択トランジスタのカットオフ特性が重要なパラメータとなる。
【0208】
本実施の形態によれば、ゲート電極が太くなった分だけショートチャネル効果が改善し、リーク電流が減少するため、誤読み出しに対するマージンが向上する。特に、メモリセルトランジスタM0〜M15だけでなく、選択トランジスタS1、S2のゲート長を、NAND長、即ちソース線SLのコンタクトとビット線BLのコンタクトとの間の距離を変えることなく、長くすることができるので、半導体記憶装置の高密度化と読み出し特性の向上を両立させることが可能である。
【0209】
(E)第5の実施の形態
本発明の第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置について、以下に説明する。
【0210】
本実施の形態は、上記第2の実施の形態の半導体記憶装置構造を、NANDセルアレイに用いた場合に相当する。尚、上記第2の実施の形態における要素と同一の要素には、同一符号を付して説明を省略する。尚、等価回路構成及び平面構成は、図23、図24と同様であり、説明を省略する。
【0211】
図27に、図24におけるA−A線に沿う縦断面を示す。
【0212】
上記第2の実施の形態と同様に、マスク絶縁膜26、制御ゲート低抵抗化金属膜25、制御ゲート電極24の側壁が、例えば2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31で覆われている。
【0213】
浮遊ゲート電極22の側壁には、シリコン酸化膜から成る側壁絶縁膜41が形成され、またソース、ドレイン領域と成るN型不純物拡散層51が形成されている。
【0214】
これら不純物拡散層51、浮遊ゲート電極22、制御ゲート電極24により、浮遊ゲート電極22に蓄積された電荷量を情報量とする浮遊ゲート型EEPROMセルが形成されている。
【0215】
本実施の形態では、上記第2の実施の形態における特徴に加えて、上記第4の実施の形態において説明した(12)、(13)の特徴を有する。
【0216】
(F)第6の実施の形態
本発明の第6の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置について、以下に説明する。
【0217】
本実施の形態は、上記第3の実施の形態の半導体記憶装置構造を、NANDセルアレイに用いた場合に相当する。尚、上記第3の実施の形態における要素と同一の要素には、同一符号を付して説明を省略する。尚、等価回路構成及び平面構成は、図23、図24と同様であり、説明を省略する。
【0218】
図28に、図24におけるA−A線に沿う縦断面を示す。
【0219】
上記第3の実施の形態と同様に、マスク絶縁膜26、制御ゲート低抵抗化金属膜25、制御ゲート電極24、インターポリ絶縁膜23、浮遊ゲート電極22の途中までの側壁が、例えば2nmから20nmの厚さのシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜から成る側壁絶縁膜31で覆われている。
【0220】
浮遊ゲート電極22の下部の側壁には、シリコン酸化膜から成る側壁絶縁膜41が形成され、またソース、ドレイン領域と成るN型不純物拡散層51が形成されている。
【0221】
これら不純物拡散層51、浮遊ゲート電極22、制御ゲート電極24により、浮遊ゲート電極22に蓄積された電荷量を情報量とする浮遊ゲート型EEPROMセルが形成されている。
【0222】
本実施の形態では、上記第3の実施の形態における特徴に加えて、上記第4、第5の実施の形態において説明した(12)、(13)の特徴を有する。
【0223】
上述した実施の形態はいずれも一例であって、本発明を限定するものではない。例えば、素子分離膜や絶縁膜の形成法は、シリコンをシリコン酸化膜やシリコン窒化膜に変換する上記実施の形態における方法以外に、例えば酸素イオンを堆積したシリコンに注入する方法や、堆積したシリコンを酸化する方法等を用いてもよい。
【0224】
また、インターポリ絶縁膜23は、TiO2膜、Al2O3膜、あるいはタンタル酸化膜、チタン酸ストロンチウム膜、チタン酸バリウム膜、チタン酸ジルコニウム鉛膜、ZrSiO膜、HFSiO膜、ZrSiON膜、又はHFSiON膜、又はいずれか少なくとも2層を有する積層膜を用いてもよい。
【0225】
また、側壁絶縁膜31やマスク絶縁膜26は、耐酸化性がある絶縁膜であればよく、例えばAl2O3、ZrSiO膜、HFSiO膜、ZrSiON膜、HFSiON膜、Si膜、SiON膜、又はいずれか少なくとも2層を有する積層膜でもよい。
【0226】
上記実施の形態では、半導体基板としてP型半導体基板を用いているが、替わりにN型半導体基板、SOI基板のSOIシリコン層、SiGe混晶層、SiGeC混晶層等、シリコンを含む単結晶半導体基板であればよい。
【0227】
さらに、P型半導体基板上にN型MOSFETを形成する場合について述べたが、N型半導体基板上にP型MOSFETを形成する場合に置き換えてもよく、その場合には、上述の実施の形態におけるN型をP型、P型をN型と読み替え、さらに、ドーピング不純物種のAs、P、SbをIN、Bのいずれかと読み替えればよい。
【0228】
また、制御ゲート電極として、Si半導体、 SiGe混晶、SiGeC混晶を用いることができ、またこれらの積層構造でもよい。
【0229】
また制御ゲート低抵抗化金属膜は、TiSi、NiSi、CoSi、TaSi、WSi、MOSi等のシリサイドやポリサイド、Ti、Al、Cu、TiN、W等の金属を用いることができる。
【0230】
また、上記実施の形態ではNAND型半導体記憶装置について示したが、NOR型や単体型の半導体記憶装置についても、上記第1〜第3の実施の形態を適用することができる。
【0231】
また、制御ゲート低抵抗化金属膜としてWを用いた場合には、制御ゲート低抵抗化金属膜と制御ゲート電極との間に、例えばWN又はWSiから成るバリアメタルを0.5〜10nmの厚さで形成することが、ゲート構造を積層した後の熱工程による界面での凸凹を防ぐために望ましい。
【0232】
その他、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲内で、様々に変形することができる。
【0233】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、制御ゲート電極を構成する金属層の側壁が側壁絶縁膜により覆われることで、ゲート側壁酸化工程においてこの金属層が異常酸化せず、ゲート電極としての正常な形状及び寸法を保つことができるので、この後ゲート電極をマスクとして不純物をイオン注入して不純物拡散層を形成する場合に正常に形成することができるので、歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の断面構成を示した縦断面図。
【図2】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図3】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図4】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図5】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図6】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図7】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図8】同第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図9】本発明の第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の断面構成を示した縦断面図。
【図10】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図11】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図12】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図13】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図14】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図15】同第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図16】本発明の第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の断面構成を示した縦断面図。
【図17】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図18】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図19】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図20】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図21】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図22】同第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【図23】本発明の第4、第5、第6の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の回路構成を示した回路図。
【図24】本発明の第4、第5、第6の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の平面構成を示した平面図。
【図25】同第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置における図26のB−B線に沿う断面構成を示した縦断面図。
【図26】同第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置における図26のA−A線に沿う断面構成を示した縦断面図。
【図27】同第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置における図26のA−A線に沿う断面構成を示した縦断面図。
【図28】同第6の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置における図26のA−A線に沿う断面構成を示した縦断面図。
【図29】従来の不揮発性半導体記憶装置の工程別素子断面を示した縦断面図。
【符号の説明】
10 半導体基板
21 トンネルゲート絶縁膜
22 浮遊ゲート電極
23 インターポリ絶縁膜
24 制御ゲート電極
25 制御ゲート低抵抗化金属膜
26 マスク絶縁膜
31 側壁絶縁膜
41、42 側壁酸化膜
51 不純物拡散層
71 層間絶縁膜
Claims (14)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の表面部分に所定間隔を空けて形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域及びドレイン領域の間に位置するチャネル領域と、
前記チャネル領域上に、第1の絶縁膜を介して形成された浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に、第2の絶縁膜を介して形成された半導体層と、この半導体層上に形成された金属層とを含む制御ゲート電極と、
前記制御ゲート電極上に形成された耐酸化性を有する第3の絶縁膜とを有する、電気的に情報の書き込み及び消去が可能な不揮発性半導体記憶装置において、
少なくとも前記金属層の側壁を覆うように形成された耐酸化性を有する第4の絶縁膜をさらに備え、
前記第4の絶縁膜は、前記金属層の側壁から少なくとも前記制御ゲート電極の前記半導体層の側壁の一部に渡って形成されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 半導体基板と、
前記半導体基板の表面部分に所定間隔を空けて形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域及びドレイン領域の間に位置するチャネル領域と、
前記チャネル領域上に、第1の絶縁膜を介して形成された浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に、第2の絶縁膜を介して形成された半導体層と、この半導体層上に形成された金属層とを含む制御ゲート電極と、
前記制御ゲート電極上に形成された耐酸化性を有する第3の絶縁膜と、
前記金属層の側壁及び前記制御ゲート電極の前記半導体層の側壁を覆うように形成された耐酸化性を有する第4の絶縁膜とを有するメモリセルを、少なくとも2個直列に接続された状態で備え、
さらに、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有する二つの選択トランジスタを、直列に接続された前記メモリセルのそれぞれ両端に接続された状態で備え、
前記メモリセル及び前記選択トランジスタは、同一導電型半導体領域に形成された電界効果トランジスタであることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 半導体基板と、
前記半導体基板の表面部分に所定間隔を空けて形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域及びドレイン領域の間に位置するチャネル領域と、
前記チャネル領域上に、第1の絶縁膜を介して形成された浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に、第2の絶縁膜を介して形成された半導体層と、この半導体層上に形成された金属層とを含む制御ゲート電極と、
前記制御ゲート電極上に形成された耐酸化性を有する第3の絶縁膜とを有し、電気的に情報の書き込み及び消去が可能な不揮発性半導体記憶装置において、
前記金属層の側壁、前記制御ゲート電極の前記半導体層の側壁から前記浮遊ゲート電極の側壁の一部に渡って覆うように形成された耐酸化性を有する第4の絶縁膜をさらに備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記浮遊ゲート電極の側壁の少なくとも一部には、前記電荷蓄積電極が酸化されて形成された第5の絶縁膜が形成されており、
この第5の絶縁膜は、前記浮遊ゲート電極の前記半導体層の側壁における前記第1の絶縁膜と接する箇所において、前記第1の絶縁膜あるいは前記第2の絶縁膜と接しない箇所より厚膜化されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第5の絶縁膜は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜から成り、前記第4の絶縁膜より酸素組成が多いことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記金属層は、W又はWSiから成ることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記金属層は、Si/W比が2.2以下のWSiからなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第4の絶縁膜は、シリコン窒化膜から成ることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有するメモリセルを、前記ソース領域又はドレイン領域を共有するように、少なくとも2個隣接した状態で備え、
隣接する前記メモリセルのそれぞれの前記制御ゲート電極間に、第6の絶縁膜が埋め込み形成されていることを特徴とする請求項1、3乃至8のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有するメモリセルを、少なくとも2個直列に接続された状態で備え、
さらに、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第3の絶縁膜を有する二つの選択トランジスタを、直列に接続された前記メモリセルのそれぞれ両端に接続された状態で備え、
前記メモリセル及び前記選択トランジスタは、同一導電型半導体領域に形成された電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1、3乃至8のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第4の絶縁膜が、インターポリ絶縁膜の上部に配置されていることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 半導体基板上に、第1の絶縁膜、浮遊ゲート電極となる導電膜、第2の絶縁膜、制御ゲート電極となる半導体層及び金属層、第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の途中の深さまで、ゲート電極の形状にパターニングする工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の表面上に第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の絶縁膜が、前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の側壁に残存し、前記半導体層の上面には残存しないように、前記第4の絶縁膜にエッチングを行う工程と、
前記第3の絶縁膜をマスクとして、前記半導体層、前記金属層、前記第2の絶縁膜及び前記導電膜にエッチングを行い、電極の形状にパターニングを行うことで、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体層の側壁のうち前記第4の絶縁膜で覆われていない部分、及び前記導電膜の側壁に、後酸化処理を行って側壁酸化膜を形成する工程と、
前記浮遊ゲート電極及び前記制御ゲート電極をマスクとして前記半導体基板の表面部分に不純物をイオン注入し、ソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、を備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 半導体基板上に、第1の絶縁膜、浮遊ゲート電極となる導電膜、第2の絶縁膜、制御ゲート電極となる半導体層及び金属層、第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層をゲート電極の形状にパターニングする工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記第2の絶縁膜の表面上に第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の絶縁膜が、前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層の側壁に残存し、前記第4の絶縁膜及び前記第2の絶縁膜が前記導電膜の上面には残存しないように、前記第4の絶縁膜及び前記第2の絶縁膜にエッチングを行う工程と、
前記第3の絶縁膜をマスクとして、前記半導体層、前記金属層、前記第2の絶縁膜及び前記導電膜にエッチングを行い、電極の形状にパターニングを行うことで、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極を形成する工程と、
前記導電膜の側壁に、後酸化処理を行って側壁酸化膜を形成する工程と、
前記浮遊ゲート電極及び前記制御ゲート電極をマスクとして前記半導体基板の表面部分に不純物をイオン注入し、ソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、を備える製造方法を用いて、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第1、第2、第3及び第4の絶縁膜を有するメモリセルを、少なくとも2個直列に接続された状態で備え、
さらに、前記ソース領域及びドレイン領域、前記チャネル領域、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極、前記第3の絶縁膜を有する二つの選択トランジスタを、直列に接続された前記メモリセルのそれぞれ両端に接続された状態で備える不揮発性半導体記憶装置を製造する方法。 - 半導体基板上に、第1の絶縁膜、浮遊ゲート電極となる導電膜、第2の絶縁膜、制御ゲート電極となる半導体層及び金属層、第3の絶縁膜を順に形成する工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記導電膜の途中の深さまで、ゲート電極の形状にパターニングする工程と、
前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記導電膜の表面上に第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の絶縁膜が、前記第3の絶縁膜、前記金属層、前記半導体層、前記導電膜の側壁に残存し、前記導電膜の上面には残存しないように、前記第4の絶縁膜にエッチングを行う工程と、
前記第3の絶縁膜をマスクとして、前記半導体層、前記金属層、前記第2の絶縁膜及び前記導電膜にエッチングを行い、電極の形状にパターニングを行うことで、前記浮遊ゲート電極、前記制御ゲート電極を形成する工程と、
前記導電膜の側壁のうち前記第4の絶縁膜で覆われていない部分に、後酸化処理を行って側壁酸化膜を形成する工程と、
前記浮遊ゲート電極及び前記制御ゲート電極をマスクとして前記半導体基板の表面部分に不純物をイオン注入し、ソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、を備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
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