JP2005268402A - 不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ゲート間絶縁膜の絶縁耐圧を維持しつつ、微細化が可能なスタック型メモリセル構造の不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板1上に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜上に第1の不純物濃度の不純物を含む導電膜を形成する工程と、導電膜上に所定領域が開口されたマスクパターンを形成する工程と、マスクパターンの開口部から導電膜中に第2の不純物濃度の不純物を導入し、導電膜における開口部領域の不純物濃度を第1の不純物濃度よりも低くする工程と、マスクパターンを用いて導電膜および絶縁膜をパターニングし、第1のゲート電極7および第1のゲート絶縁膜6を形成する工程と、マスクパターンを除去する工程と、第1のゲート電極7上に第2のゲート絶縁膜9を形成する工程と、第2のゲート絶縁膜9の上から基板1上に第2のゲート電極10を形成する工程とを含む。
【選択図】 図1

Description

この発明は、不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法、特にスタック型メモリセル構造を有する不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法に関する。
近年、EEPROM等の2層ゲート電極構造の不揮発性半導体記憶装置において、微細化が進んでいる。また、微細化とともに、第1のゲート電極(フローティングゲート)と第2のゲート電極(コントロールゲート)の間にある絶縁膜が10nm程度に薄膜化する傾向にある。このように絶縁膜が薄くなると、第1のゲート電極に注入された電荷が抜けてデータが失われるという問題が発生する。特に、従来の第1のゲート電極のエッジ上部では、角がとがっているため、この箇所で電界集中が生じ、ゲート間絶縁膜の真性破壊耐圧を十分確保できなくなっている。従って、ゲート間絶縁膜の絶縁耐圧を向上させることは重要である。
従来の技術では、第1のゲート電極エッジ上部での電界集中を緩和させるために、第1のゲート電極の上端にリン注入を行い、増速酸化させることで角を丸めている(例えば特許文献1参照)。
以下、従来のメモリセル形成方法について説明する。
図6および図7は、従来のメモリセルの製造方法を説明する図である。
図6および図7において、1は半導体基板、2は保護酸化膜(SiO2)、3は窒化膜(Si34)、4は溝加工用マスク、5は溝型分離素子、6はゲート絶縁膜、7は第1のゲート電極、8は第1のゲート電極加工用マスク、10は第2のゲート電極、102はリン注入領域、103は熱酸化により形成したゲート間絶縁膜である。
まず図6(a)に示すように、半導体基板1上に保護酸化膜(SiO2)2を10nm及び窒化膜(Si34)3を200nm成長する。次に図6(b)に示すように、溝加工用マスク4をリソグラフィー技術により形成し、ドライエッチング技術により第1の溝を深さ180nmに加工する。その後、マスクを除去する。次に図6(c)に示すように、形成された溝をCVD(Chemical Vapor Deposition)技術を用いて、埋め込み酸化膜(SiO2)を600nm程度堆積して埋め込む。その後、CMP(Chemical Mechanical Planarization)技術により、窒化膜が露出するまで、基板表面を研磨し、その後、窒化膜を除去して溝型分離素子5を形成する。
次に図6(d)に示すように、必要なイオン種の注入を行い、ウェル形成を行った後、保護酸化膜2を除去し、ゲート絶縁膜6を熱酸化により形成する。次に図6(e)に示すように、第1のゲート電極7をCVD技術により堆積する。次に図7(a)に示すように、第1のゲート電極加工用マスク8をリソグラフィー技術により形成し、ドライエッチング技術により加工する。
次に図7(b)に示すように、エッチングにより露出した第1のゲート電極7の側面にリン等の酸化を加速する不純物などを3〜4×1020cm-3程度注入し、リン注入領域102を形成する。次に図7(c)に示すように、熱酸化技術により25nm程度のゲート間絶縁膜103を形成する。このとき、第1のゲート電極7の上端では不純物濃度が高いため、酸化速度が速くなり、ゲート間絶縁膜が厚くなり第1のゲート電極7の角が丸くなる。
次に図7(d)に示すように、CVD技術により第2のゲート電極10を堆積し、ドライエッチング技術によりコントロールゲートを形成し、メモリセルを得る。その後、これらを覆うように基板の表面側に1000nm程度の厚い絶縁用の酸化膜(SiO2)がCVD法により形成され、次いで、各素子の電極部の絶縁膜にコンタクトホールを開口し、トランジスタの電極部及び絶縁膜の表面に導電性金属による必要な電気配線を施すことにより半導体装置を得る。
特開平6−188426号公報
しかしながら、上記、従来の半導体装置の製造方法では、0.18μmレベルよりも微細なFlashメモリへの対応が困難であるという課題を有している。
なぜならば、従来の技術では、角に丸みをつけるために1000℃程度の熱酸化によりゲート間絶縁膜を25nm程度形成しなければならない。1000℃程度の熱処理で25nm程度の熱酸化工程を行うと微細な活性領域で結晶欠陥を誘発し、5%程度歩留を落としてしまう。さらに、熱酸化工程によりゲート間絶縁膜を形成しているため、微細化に伴うゲート絶縁膜の薄膜化による1nm以下の膜厚ばらつきの制御が厳しくなってくる。以上のことから、従来の技術は半導体装置の微細化に対して不利となる。
したがって、この発明の目的は、上記課題を解決するものであり、ゲート間絶縁膜の絶縁耐圧を維持しつつ、0.18μmレベルの微細化が可能なFlashメモリ等の不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を提供することである。
上記課題を解決するためにこの発明の請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板上に下方より順に積層された第1のゲート絶縁膜および所定濃度の不純物を含む第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜の上から前記基板上に積層された第2のゲート電極とを備えた2層ゲート電極構造の不揮発性半導体記憶装置であって、前記第1のゲート電極上面の端部が局所的に前記所定濃度よりも低い不純物濃度である。
請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に第1の不純物濃度の不純物を含む導電膜を形成する工程と、前記導電膜上に所定領域が開口されたマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンの開口部から前記導電膜中に第2の不純物濃度の不純物を導入し、前記導電膜における前記開口部領域および前記マスクパターン端部下の不純物濃度を前記第1の不純物濃度よりも低くする工程と、前記マスクパターンを用いて前記導電膜および絶縁膜をパターニングし、第1のゲート電極および第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記マスクパターンを除去する工程と、前記第1のゲート電極上に第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第2のゲート絶縁膜の上から前記基板上に第2のゲート電極を形成する工程とを含む。
請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に第1の不純物濃度の不純物を含む導電膜を形成する工程と、前記導電膜上に所定領域が開口されたマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンを用いて前記導電膜および絶縁膜をパターニングし、第1のゲート電極および第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記パターニングで露出した第1のゲート電極の側面領域に第2の不純物濃度の不純物を導入し、前記第1のゲート電極の側面領域の少なくとも上端部の不純物濃度を前記第1の不純物濃度よりも低くする工程と、前記マスクパターンを除去する工程と、前記第1のゲート電極上に第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第2のゲート絶縁膜の上から前記基板上に第2のゲート電極を形成する工程とを含む。
請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、請求項2または3記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記第2の不純物濃度の不純物を導入する工程と、前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程との間に、800度以上の熱処理を行う工程を含まない。
この発明の請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置によれば、第1のゲート電極上面の端部が局所的に所定濃度よりも低い不純物濃度であるので、第2のゲート電極に正の電圧を加えた際に、第1のゲート電極端の上部で電子の集中が抑制される。すなわち、第1のゲート電極端の上部は電界集中が緩和される構造となって耐圧を確保することができる。また、従来技術のような高温熱処理工程が不要となるため、熱酸化工程での影響による歩留り低下を抑制でき、半導体装置の微細化が可能となる。
この発明の請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法によれば、2層ゲート電極構造の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、マスクパターンの開口部から導電膜中に第2の不純物濃度の不純物を導入し、導電膜における開口部領域の不純物濃度を第1の不純物濃度よりも低くする工程を含むので、第2のゲート電極に正の電圧を加えた際に、第1のゲート電極端の上部では局所的に低濃度となっていることにより、電子の集中が抑制される。すなわち、第1のゲート電極端の上部は電界集中が緩和される構造となって耐圧を確保することができる。また、従来技術のように第1のゲート電極の角に丸みをつけるために高温で熱酸化により第2のゲート絶縁膜を厚く形成する高温熱処理工程が不要となるため、熱酸化工程での影響による歩留り低下を抑制できる。このため、ゲート絶縁膜の薄膜化による1nm以下の膜厚ぱらつきの制御ができ、半導体装置の微細化に対して有効である。
この発明の請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法によれば、2層ゲート電極構造の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、パターニングで露出した第1のゲート電極の側面領域に第2の不純物濃度の不純物を導入し、第1のゲート電極の側面領域の少なくとも上端部の不純物濃度を第1の不純物濃度よりも低くする工程を含むので、第2のゲート電極に正の電圧を加えた際に、第1のゲート電極端の上部では局所的に低濃度となっていることにより、電子の集中が抑制される。すなわち、第1のゲート電極端の上部は電界集中が緩和される構造となって耐圧を確保することができる。また、従来技術のように第1のゲート電極の角に丸みをつけるために高温で熱酸化により第2のゲート絶縁膜を厚く形成する高温熱処理工程が不要となるため、熱酸化工程での影響による歩留り低下を抑制できる。このため、ゲート絶縁膜の薄膜化による1nm以下の膜厚ぱらつきの制御ができ、半導体装置の微細化に対して有効である。
請求項4では、第2の不純物濃度の不純物を導入する工程と、第2のゲート絶縁膜を形成する工程との間に、800度以上の熱処理を行う工程を含まないので、微細な活性領域で結晶欠陥を誘発することを抑制できる。
この発明の第1の実施の形態を図1〜図3に基づいて説明する。図1は、本発明の実施形態による上端がP型にドープされた第1のゲート電極を備えた半導体装置の構造断面図である。
ここで、1は半導体基板、5は溝型分離素子、6はゲート絶縁膜(第1のゲート絶縁膜)、7は第1のゲート電極、8は第1のゲート電極加工用マスク、9はゲート間絶縁膜(第2のゲート絶縁膜)、10は第2のゲート電極、101はP型領域である。
図1に示すように、半導体基板1上に下方より順に第1のゲート絶縁膜6および所定濃度の不純物を含む第1のゲート電極7が積層されている。また、第1のゲート電極7上に第2のゲート絶縁膜9が形成され、第2のゲート絶縁膜9の上から基板1上に第2のゲート電極10が積層されている。この構成において、第1のゲート電極7上面の端部が局所的に所定濃度よりも低い不純物濃度である。
図2および図3は、本発明の第1の実施形態の製造方法を説明するプロセスフローの工程断面図である。
まず、図2(a)に示すように、半導体基板1上に保護酸化膜(SiO2)2を及び窒化膜(Si34)3を成長する。次に図2(b)に示すように、溝加工用マスク4をリソグラフィー技術により形成し、ドライエッチング技術により第1の溝を深さ180nmに加工する。その後、マスクを除去する。次に、図2(c)に示すように、形成された溝をCVD(Chemical Vapor Deposition)技術を用いて、埋め込み酸化膜(SiO2)を600nm程度堆積して埋め込む。その後、CMP(Chemical Mechanical Planarization)技術により、窒化膜が露出するまで、基板表面を研磨し、その後、窒化膜を除去して溝型分離素子5を形成する。
次に、図2(d)に示すように、必要なイオン種の注入を行い、ウェル形成を行った後、保護酸化膜2を除去し、11nm程度のゲート絶縁膜6を熱酸化により形成する。次に、図2(e)に示すように、第1のゲート電極7を200nm程度CVD技術により堆積する。ここで第1のゲート電極7は2E20cm-3程度にリンがドープされた材料である。
次に、図3(a)に示すように、第1のゲート電極加工用マスク8をリソグラフィー技術により形成し、まず、P型のイオン種、例えばボロン注入を注入技術により、ドーズ量2×10-14cm-2程度、注入エネルギー10keV程度、注入深さ50nm程度の条件で、第1のゲート電極7に注入し、P型領域101を形成する。このとき、ボロンイオンは第1のゲート電極加工用マスク8の端部とオーバーラップするように横方向に少し広がる。
次に、図3(b)に示すように、第1のゲート電極加工用マスク8をマスクにして、ドライエッチング技術により加工し、第1のゲート電極7を形成する。その後、マスクを除去する。これにより、第1のゲート電極7端の上部にはボロンイオンがイオン注入された領域が残る。
次に、図3(c)に示すように、15nm程度のゲート間絶縁膜9を熱酸化技術、またはCVD技術により形成する。ここで、ゲート電極材料の注入工程からゲート間絶縁膜形成工程までの間では、800℃以上の熱処理工程を行わない。これは、ボロンのゲート電極材料における拡散速度が速いため、800℃以上の熱処理工程を行うと、第1のゲート電極7端の上部に注入したボロンが第1のゲート電極7の中央部に向かって必要以上に拡散してしまうためである。
次に、図3(d)に示すように、CVD技術により第2のゲート電極10を200nm程度堆積し、ドライエッチング技術によりコントロールゲートを形成し、メモリセルを得る。その後、これらを覆うように基板の表面側に1000nm程度の厚い絶縁用の酸化膜(SiO2)がCVD法により形成され、次いで、各素子の電極部の絶縁膜にコンタクトホールを開口し、トランジスタの電極部及び絶縁膜の表面に導電性金属による必要な電気配線を施すことにより半導体装置を得る。
本実施形態による不揮発性半導体記憶装置によれば、コントロールゲートに正の電圧を加えた際に、第1のゲート電極端の上部では、P型となり局所的に低濃度となっているため、電子の集中が抑制される。すなわち、電界集中が抑制される構造となり、耐圧を確保することができる。
また、従来の方法のような高温熱処理工程が不要となるため、熱酸化工程での影響による歩留低下を抑制でき、半導体装置の微細化が可能となり、0.18μmレベルFlashメモリの形成可能とする。
この発明の第2の実施の形態を図4および図5に基づいて説明する。本実施形態の最終構造は第1の実施形態とほぼ同様であるため、図1を用いて説明する。図1は、本発明による上端がP型にドープされた第1のゲート電極を備えた半導体装置の構造断面図である。ここで、1は半導体基板、5は溝型分離素子、6はゲート絶縁膜、7は第1のゲート電極、8は第1のゲート電極加工用マスク、9はゲート間絶縁膜、10は第2のゲート電極、101はP型領域である。
図4および図5は、本発明の第2の実施形態の製造方法を説明するプロセスフローの工程断面図である。
まず、図4(a)に示すように、半導体基板1上に保護酸化膜(SiO2)2を及び窒化膜(Si34)3を成長する。次に、図4(b)に示すように、溝加工用マスク4をリソグラフィー技術により形成し、ドライエッチング技術により第1の溝を深さ180nmに加工する。その後、マスクを除去する。次に、図4(c)に示すように、形成された溝をCVD(Chemical Vapor Deposition)技術を用いて、埋め込み酸化膜(SiO2)を600nm程度堆積して埋め込む。その後、CMP(Chemical Mechanical Planarization)技術により、窒化膜が露出するまで、基板表面を研磨し、その後、窒化膜を除去して溝型分離素子5を形成する。
次に、図4(d)に示すように、必要なイオン種の注入を行い、ウェル形成を行った後、保護酸化膜2を除去し、11nm程度のゲート絶縁膜6を熱酸化により形成する。次に、図4(e)に示すように、第1のゲート電極7を200nm程度CVD技術により堆積する。ここで第1のゲート電極7は2E20cm-3程度にリンがドープされた材料である。
次に、図5(a)に示すように、第1のゲート電極加工用マスク8をリソグラフィー技術により形成し、ドライエッチング技術により加工する。
次に、図5(b)に示すように、第1のゲート電極加工用マスク8をマスクにして、P型のイオン種、例えばボロン注入を注入技術により、ドーズ量2×10-14cm-2程度、注入エネルギー10keV程度、注入深さ50nm程度、注入角度7度程度の角度注入を少なくとも2方向から第1のゲート電極7にイオン注入する。これにより、ボロンイオンは第1のゲート電極7端の少なくとも上部にイオン注入され、P型領域101が形成される。その後、マスクを除去する。
次に、図5(c)に示すように、15nm程度のゲート間絶縁膜9を熱酸化技術、またはCVD技術により形成する。ここで、ゲート電極材料の注入工程からゲート間絶縁膜形成工程までの間では、800℃以上の熱処理工程を行わない。これは、ボロンのゲート電極材料における拡散速度が速いため、800℃以上の熱処理工程を行うと、第1のゲート電極7端の上部に注入したボロンが第1のゲート電極7の中央部に向かって必要以上に拡散してしまうためである。
次に、図5(d)に示すように、CVD技術により第2のゲート電極10を200nm程度堆積し、ドライエッチング技術によりコントロールゲートを形成し、メモリセルを得る。その後、これらを覆うように基板の表面側に1000nm程度の厚い絶縁用の酸化(SiO2)がCVD法により形成され、次いで、各素子の電極部の絶縁膜にコンタクトホールを開口し、トランジスタの電極部及び絶縁膜の表面に導電性金属による必要な電気配線を施すことにより半導体装置を得る。
本実施形態による不揮発性半導体記憶装置によれば、コントロールゲートに正の電圧を加えた際に、第1のゲート電極端の上部では、P型となり局所的に低濃度となっているため、電子の集中が抑制される。すなわち、電界集中が抑制される構造となり、耐圧を確保することができる。
また、従来の方法のような高温熱処理工程が不要となるため、熱酸化工程での影響による歩留低下を抑制でき、半導体装置の微細化が可能となり、0.18μmレベルFlashメモリの形成可能とする。
本発明にかかる不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法は、ゲート間絶縁膜の絶縁耐圧を維持しつつ、微細化されたFlashメモリを製造可能とするものであり、スタック型メモリセル構造を有する不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法等に有用である。
本発明の第1および第2の実施形態における構造断面図である。 (a)〜(e)は本発明の第1の実施形態における製造工程を示す工程断面図である。 (a)〜(d)は本発明の第1の実施形態における製造工程を示す工程断面図である。 (a)〜(e)は本発明の第2の実施形態における製造工程を示す工程断面図である。 (a)〜(d)は本発明の第2の実施形態における製造工程を示す工程断面図である。 (a)〜(e)は従来技術による半導体装置の製造工程を示す工程断面図である。 (a)〜(d)は従来技術による半導体装置の製造工程を示す工程断面図である。
符号の説明
1 半導体基板
2 保護酸化膜(SiO2
3 窒化膜(Si34
4 溝加工用マスク
5 溝型分離素子
6 ゲート絶縁膜
7 第1のゲート電極
8 第1のゲート電極加工用マスク
9 ゲート間絶縁膜
10 第2のゲート電極
101 P型領域
102 リン注入領域
103 熱酸化により形成したゲート間絶縁膜

Claims (4)

  1. 半導体基板上に下方より順に積層された第1のゲート絶縁膜および所定濃度の不純物を含む第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜の上から前記基板上に積層された第2のゲート電極とを備えた2層ゲート電極構造の不揮発性半導体記憶装置であって、
    前記第1のゲート電極上面の端部が局所的に前記所定濃度よりも低い不純物濃度であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  2. 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜上に第1の不純物濃度の不純物を含む導電膜を形成する工程と、
    前記導電膜上に所定領域が開口されたマスクパターンを形成する工程と、
    前記マスクパターンの開口部から前記導電膜中に第2の不純物濃度の不純物を導入し、前記導電膜における前記開口部領域および前記マスクパターン端部下の不純物濃度を前記第1の不純物濃度よりも低くする工程と、
    前記マスクパターンを用いて前記導電膜および絶縁膜をパターニングし、第1のゲート電極および第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記マスクパターンを除去する工程と、
    前記第1のゲート電極上に第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記第2のゲート絶縁膜の上から前記基板上に第2のゲート電極を形成する工程とを含む不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  3. 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜上に第1の不純物濃度の不純物を含む導電膜を形成する工程と、
    前記導電膜上に所定領域が開口されたマスクパターンを形成する工程と、
    前記マスクパターンを用いて前記導電膜および絶縁膜をパターニングし、第1のゲート電極および第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記パターニングで露出した第1のゲート電極の側面領域に第2の不純物濃度の不純物を導入し、前記第1のゲート電極の側面領域の少なくとも上端部の不純物濃度を前記第1の不純物濃度よりも低くする工程と、
    前記マスクパターンを除去する工程と、
    前記第1のゲート電極上に第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記第2のゲート絶縁膜の上から前記基板上に第2のゲート電極を形成する工程とを含む不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  4. 前記第2の不純物濃度の不純物を導入する工程と、前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程との間に、800度以上の熱処理を行う工程を含まないことを特徴とする請求項2または3記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010147241A (ja) * 2008-12-18 2010-07-01 Toshiba Corp 不揮発性半導体記憶装置

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