JP2006148044A - フラッシュメモリ素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 素子量産能力を向上させることができ、E/Wサイクリング(Erase/Write cycling)及びベーク工程の際にしきい値電圧の過度なシフトを防止することができて素子の信頼性を向上させることが可能なフラッシュメモリ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 フラッシュメモリ素子の製造方法は、半導体基板上に酸化膜を形成する段階と、Nガス雰囲気でプレアニーリング工程を行う段階と、流量5〜15slmのNO雰囲気で10〜60分間メインアニーリング工程を行って前記酸化膜を窒化させ、窒化酸化膜を形成する段階と、Nガス雰囲気でポストアニーリング工程を行う段階とを含む。
【選択図】 図4

Description

本発明は、フラッシュメモリ素子の製造方法に係り、より詳しくは、素子量産能力とE/Wサイクリング(Erase/Writecycling)特性及びベークリテンション(bake retention)特性を向上させるためのフラッシュメモリ素子の製造方法に関する。
高集積化によりセルサイズが縮小し、動作電圧が減少するにつれて、フラッシュメモリ素子のセル特性を確保するためにはトンネル酸化膜のスケールダウン(scaledown)を行わざるを得なくなった。
しかしながら、データ保持信頼性(data retentionreliability)の問題もあり、トンネル酸化膜のスケールダウンには限界がある。かかる限界点を克服するために、シリコン酸化膜(SiO)の代わりに、同一の厚さでシリコン酸化膜に比べてより優れた特性を有する窒化酸化膜(NO)をトンネル酸化膜として使用することになった。
ところが、従来の技術を用いてトンネル酸化膜を製造する場合、トンネル酸化膜の工程が行われるバッチ(batch)内の一部領域では、信頼性に重要な影響を及ぼすトンネル酸化膜の厚さ及び窒素濃度のコントロールが難しくて、バッチ内の位置に応じてトンネル酸化膜の厚さ及びトンネル酸化膜の窒素濃度が変化する。その結果、セルのしきい値電圧及び特性の変化が発生し、満足すべきE/Wサイクリングとベークリテンション特性が得られない。
一方、均一な厚さ及び窒素濃度を有するトンネル酸化膜を形成するにはバッチ内の特定領域でのみトンネル酸化膜工程を行わなければならないため、最大5つのロット(lot)のプロセシング(processing)が可能なバッチで実際にプロセシングされるロットの数は2つに過ぎないので、量産能力が劣る。
次に、図1〜図3を参照して従来の技術の問題点をより具体的に説明する。
図1は、従来の技術により製造されたトンネル酸化膜の厚さ及び窒素濃度をバッチ別に示す表である。
図1によれば、バッチ内のU領域でのみトンネル酸化膜工程が行われており、C、L領域では工程が行われていない。これは、従来のトンネル酸化膜製造方法ではC、L領域でトンネル酸化膜の厚さ及び窒素濃度のコントロールが難しいためである。その結果、単一バッチ内でプロセシングが可能な最大ロット数は5つであるが、C、L領域を除いたU領域でのみ工程が行われるので、実際プロセシングされるロット数は2つに過ぎないため、量産能力が劣る。
周知のとおり、フラッシュメモリ素子では、FNトンネリング方法でフローティングゲートに対して電子を注入し或いは抜き出すことにより、セル内にデータの消去(Erase)または書き込み(Write)(「プログラム」ともいう)を行う。一方、データ読み出し(Read)の際にはフローティングゲートに対する電子の有無によってセル状態、すなわちプログラム及び消去状態を判断する。
このように、データをプログラムし消去する反復的なFNトンネリング過程でトンネル酸化膜内に電子がトラップされることによりセルしきい値電圧が変化し、読み出しの際にセルに格納されたデータが間違って認識されるという問題が発生するが、少なくとも10KのE/Wサイクリングの間にはデータ認識の誤りが発生してはならない。
図2は、従来の技術に係るフラッシュメモリ素子の10KのE/Wサイクリング特性を示すグラフである。
図2によれば、10K E/Wサイクリング以後、プログラムのしきい値電圧Pは、0.2Vから1.2Vへと1.0V程度シフトし、消去のしきい値電圧Eは、−3.8から−1.8Vへと2V程度シフトした。過度なしきい値電圧シフトが発生したのである。このような過度なるしきい値電圧シフトは、10KのE/Wサイクリングの間、従来の技術によって製造されたトンネル酸化膜にトラップされる電荷(charge)量が多いため、トンネル酸化膜の膜質改善が要求される。
図3は、従来の技術に係るフラッシュメモリ素子の10KのE/Wサイクリング後のべークリテンション特定をテストした結果を示す図である。
使用していない初期状態でフラッシュメモリ素子のプログラムしきい値電圧と10KのE/Wサイクリング後のフラッシュメモリ素子のプログラムしきい値電圧は1.0〜3.0Vである。反面、10KのE/Wサイクリング以後、ベーク工程、例えば図3に示すように24時間または48時間を行うと、しきい値電圧の範囲が1.0V程度シフトしてプログラムしきい値電圧値が0.0〜1.5Vとなる。通常のNANDフラッシュメモリ素子でプログラム時のしきい値電圧の範囲が1.0〜3.0Vであることを考慮するとき、ベーク工程以後、しきい値電圧のマージンは0.5V程度にしかならないので、素子動作特性にフェールが発生する。
前記フェールの主要原因は、10KのE/Wサイクリングの間、トンネル酸化膜内にトラップされた電子がベーク工程後にデトラップ(de-trap)されてしきい値電圧が減少することにある。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、バッチ内の位置を問わずに、均一な厚さ及び窒素濃度を有するトンネル酸化膜の製造が可能なフラッシュメモリ素子の製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、量産能力を向上させることが可能なフラッシュメモリ素子の製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、しきい値電圧のシフト及び特性の変化を減らすことが可能なフラッシュメモリ素子の製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、E/Wサイクリング特性及びベークリテンション特性を向上させることが可能なフラッシュメモリ素子の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係るフラッシュメモリ素子の製造方法は、(a)半導体基板上に酸化膜を形成する段階と、(b)Nガス雰囲気でプレアニーリング工程を行う段階と、(c)流量5〜15slmのNO雰囲気で10〜60分間メインアニーリング工程を行って前記酸化膜を窒化させ、窒化酸化膜を形成する段階と、(d)Nガス雰囲気でポストアニーリング工程を行う段階とを含む。
好ましくは、前記(a)段階は、湿式酸化工程を行う段階と、Nガス雰囲気でアニーリングを行って前記酸化膜を形成する段階とからなることを特徴とする。
好ましくは、前記湿式酸化工程の温度は750〜850℃であることを特徴とする。
好ましくは、前記Nガス雰囲気のアニーリング工程を900〜910℃の温度で20〜30分間行うことを特徴とする。
好ましくは、前記酸化膜の厚さは60〜90Åであることを特徴とする。
好ましくは、前記プレアニーリング工程の温度は850〜950℃であり、工程時間は5〜30分であることを特徴とする。
好ましくは、前記メインアニーリング工程の温度は850〜950℃であることを特徴とする。
好ましくは、前記窒化酸化膜の厚さは70〜100Åであることを特徴とする。
好ましくは、前記ポストアニーリング工程の温度は950〜1000℃であり、工程時間は5〜30分であることを特徴とする。
本発明によれば、次のような効果がある。
第1に、バッチ内の位置を問わずにトンネル酸化膜の厚さ及び窒素濃度を均一に形成することができるので、単一バッチ内でプロセシングが可能なロット数が増加する。したがて、量産能力を向上させることができる。
第二に、反復的なプログラム/消去サイクリング及びベーク工程によるしきい値電圧のシフト値を減らすことができるので、E/Wサイクリング特性及びベークリテンション特性を向上させることができる。
第三に、E/Wサイクリング特性及びベークリテンション特性が向上するので、信頼性の高いフラッシュメモリ素子の製造が可能になる。
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。ところが、これらの実施例は様々な形に変形できるが、本発明の範囲を限定するものではない。これらの実施例は本発明の開示を完全にし、当該技術分野で通常の知識を有する者に本発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって理解されるべきである。
図4及び図5は本発明の実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造工程断面図である。
本発明の実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造のためには、まず、高電圧素子領域とセル領域を含む半導体基板10の一定の領域にウェルイオンを注入してウェル領域(図示せず)を形成する。
例えば、前記半導体基板10がp型導電型の場合、p型導電型の半導体基板10の一定の領域にP31イオンを注入してトリプルnウェルを形成し、前記トリプルnウェル内にB11イオンを注入してpウェルを形成する。
前記nウェルを形成するためのP31イオン注入の際、イオン注入エネルギーは1.0〜2.0MeV、イオン注入濃度は1.0E12〜3.0E13ions/cmにする。
そして、前記Pウェルを形成するためのB11イオン注入工程は、イオン注入エネルギー及びイオン注入濃度を3段階に調節しながら実施する。すなわち、500〜600KeVのイオン注入エネルギー及び1.0E13〜3.0E13ions/cmのイオン注入濃度で1次イオン注入工程を行い、200〜300KeVのイオン注入エネルギー及び1.0E13〜3.0E13ions/cmのイオン注入濃度で2次イオン注入工程を行った後、50〜200keVのイオン注入エネルギー及び2.0E12〜7.0E12ions/cmのイオン注入濃度で3次イオン注入工程を行う。
前記それぞれのイオン注入工程の際にチルトイオン注入を行うことが好ましく、この傾斜注入を、ウェーハをツイスト(twist)しながら行うことが好ましい。この際、前記チルト角は0〜45°、ツイスト角は0〜270°にする。
その後、しきい値電圧調節用イオンを注入して前記半導体基板10の表面内にしきい値電圧イオン注入層(図示せず)を形成する。
例えば、前記pウェル内に30〜70KeVのイオン注入エネルギーで濃度5.0E11〜8.0E12のB11イオンを注入し、次に10〜30KeVのイオン注入エネルギーで濃度5.0E12〜8.0E14のB11イオンを注入して前記pウェルの形成された半導体基板10の表面内にしきい値電圧イオン注入層を形成する。前記イオン注入工程の際にチルトイオン注入を行うことが好ましく、この傾斜注入を、ウェーハをツイストしながら行うことが好ましい。この際、前記チルト角は0〜45°、ツイスト角は0〜270°にする。
その後、図4(a)に示すように、750〜850℃の温度で湿式酸化工程を行い、温度900〜910℃のNガス雰囲気で20〜30分間アニール工程を行うことにより、前記半導体基板10上に厚さ300〜400Åの第1酸化膜12を形成する。
その次、前記第1酸化膜12上に前記セル領域を露出させるマスク(図示せず)を形成し、マスクを用いたウェットエッチング工程で前記第1酸化膜12を一定の厚さ除去して前記セル領域に厚さ15〜45Åの第1酸化膜12を残留させる。前記ウェットエッチング工程の際、ウェットエッチング溶液としては300:1で希釈されたBOE+HSO+SC−1(NHOH/H/HO)を使用する。
その後、前記マスクを除去し、図4(b)に示すように、HFを用いたプレクリーニング(pre-cleaning)工程で、前記セル領域に残っている第1酸化膜12を完全に除去する。この際、前記高電圧素子領域の第1酸化膜12も一定の厚さ除去されて高電圧素子領域の第1酸化膜12の厚さが薄くなる。
前記プレクリーニング工程の際に、クリーニング溶液としては、50:1で希釈されたDHF+SC−1(NHOH/H/HO)を使用する。
その後、図4(c)に示すように、セル領域、高電圧素子領域及び低電圧素子領域を含む半導体基板10の全面に本発明の実施例に係るトンネル酸化膜工程を用いて窒化酸化膜14を形成する。その結果、前記高電圧素子領域には前記第1酸化膜12と前記窒化酸化膜14の積層膜からなる高電圧素子用ゲート酸化膜が形成され、前記セル領域には窒化酸化膜14からなるトンネル酸化膜が形成される。
次に、本発明の実施例に係るトンネル酸化膜の工程を説明する。
まず、湿式酸化工程を行った後、Nガス雰囲気でアニーリングを行って厚さ60〜90Åの純粋酸化膜を形成する。
前記湿式酸化工程の温度は750〜850℃であることが好ましく、前記アニーリング工程の温度は900〜910℃、アニーリング工程時間は20〜30分に設定することが好ましい。
その後、前記純粋酸化膜を窒化させるために、次の3段階のアニーリング工程を行う。
まず、Nガス雰囲気でプレアニーリング(pre-annealing)工程を行う。
前記プレアニーリング工程の温度は850〜950℃であり、工程時間は5〜30分にすることが好ましい。
次に、NOガス雰囲気でメインアニーリング(mainannealing)工程を行うが、トンネル酸化膜の厚さ及び窒素濃度の均一性を向上させるために、NOガスの流量は5〜15slm、工程時間は10〜60分、温度は850〜950℃に最適化させる。
その後、950〜1000℃の窒素(N)ガス雰囲気で5〜30分間ポストアニーリング(post annealing)工程を行う。
前記のような製造方法を用いて厚さは70〜100Åのトンネル酸化膜用窒化酸化膜14の形成を完了した後、図5(a)に示すように、半導体基板10の全面に第1ポリシリコン膜16を200〜800Åの厚さに形成し、前記第1ポリシリコン膜16上にパッド窒化膜(図示せず)を500Å以上の厚さに形成する。
前記第1ポリシリコン膜16は530〜680℃の温度、0.1〜3.0Torrの低圧力の下で蒸着して粒子サイズ(grain size)を最小化させることにより、電界集中現象を防止させる。
その後、図示してはいないが、前記半導体基板10をフィールド領域と活性領域に分離するために、フィールド領域の半導体基板10を露出させるマスクを形成し、前記マスクを用いて前記パッド窒化膜と第1ポリシリコン膜16と窒化酸化膜14と第1酸化膜12と半導体基板10をエッチングしてトレンチを形成する。次に、前記トレンチのエッチングによるダメージを補償するために、700〜1000℃の温度で乾式酸化工程を行って前記トレンチの表面に厚さ50〜150Åの側壁酸化膜を形成する。
次に、前記トレンチを含んだ全面にHDP(High DensityPlasma)酸化膜を蒸着し、前記パッド窒化膜をターゲットとしてCMP(Chemical Mechanical Polishing)工程を行って前記トレンチ内に素子分離膜を形成した後、リン酸(HPO)ディップ(dip)工程で前記パッド窒化膜を除去する。
その後、半導体基板10の全面に第2ポリシリコン膜18を1000〜2000Åの厚さに形成し、前記第2ポリシリコン膜18上に第2酸化膜と窒化膜と第3酸化膜を順次蒸着してONO膜20を形成する。
前記第2、3酸化膜は800〜850℃の温度でHTO(HighTemperature Oxide)膜を40〜60Åの厚さに蒸着して形成し、前記窒化膜は600〜700℃の温度で40〜80Åの厚さに形成する。
その次、フォトエッチング工程で、前記高電圧素子領域に形成されたONO膜20を除去する。
次に、全面に第3ポリシリコン膜22とタングステンシリサイド膜24とハードマスク膜26を順次形成する。
前記第3ポリシリコン膜22は、500〜550℃の温度で0.5E20〜5.0E20ions/cmのレベルでドープされたポリシリコン膜を500〜2000Åの厚さに蒸着して形成し、前記タングステンシリサイド膜24は、400〜500℃の温度で500〜2000Åの厚さに蒸着して形成する。そして、前記ハードマスク膜26は、厚さ800〜2000ÅのPETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyl Ortho Silicate)膜と厚さ300〜1500Åのアークオキシナイトライド(Arcoxynitride)を積層して形成する。
その後、ゲートを形成するために、図5(b)に示すように、フォトエッチング工程で前記ハードマスク膜26、タングステンシリサイド膜24、第3ポリシリコン膜22、ONO膜20、第2ポリシリコン膜18、第1ポリシリコン膜16、窒化酸化膜14及び第1酸化膜12を選択的にエッチングする。その結果、前記高電圧素子領域の半導体基板10上には、第1酸化膜12、窒化酸化膜14からなる高電圧素子用ゲート酸化膜、第1ポリシリコン膜16と第2ポリシリコン膜18と第3ポリシリコン膜22とタングステンシリサイド膜24からなるゲート電極、及びハードマスク膜26の積層膜からなる高電圧素子用ゲート28aが形成され、前記セル領域の半導体基板10上には、窒化酸化膜14からなるトンネル酸化膜、前記第1ポリシリコン膜16と第2ポリシリコン膜18の積層膜からなるフローティングゲート、前記ONO膜20と前記第3ポリシリコン膜22とタングステンシリサイド膜24からなるコントロールゲート、及びハードマスク膜26の積層膜からなるセルゲート28bが形成される。
その後、前記ゲート28a、28bをマスクとして半導体基板10に不純物イオン、例えば2.0E12〜8.0E14ions/cmのドーピング濃度を有するP31イオンを注入して前記ゲート28a、28bの両側の半導体基板10内にソース及びドレイン接合30を形成する。前記P31イオン注入の際、イオン注入エネルギーは5〜30KeV、チルト角は0〜45°、ツイスト角は0〜270°にする。
これにより、本発明の実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造を完了する。
図6は本発明の実施例によって製造されたトンネル酸化膜の厚さ及び窒素濃度をバッチ別に示す表である。
図6によれば、バッチ内のU領域だけでなく、C、L領域でもトンネル酸化膜工程が行われる。これは、本発明の実施例のトンネル酸化膜製造方法を使用する場合、バッチ内の位置を問わずにトンネル酸化膜の厚さ及び窒素濃度を均一に製造することができて、従来トンネル酸化膜の厚さ及び窒素濃度のコントロールが難しくて工程進行が不可能であったC、L領域でもトンネル酸化膜の製造が可能であるためである。
その結果、単一バッチ内でプロセシングされるロット数は2つから5つに増加するので、量産能力が向上する。
図7は本発明の実施例に係るフラッシュメモリ素子の10KのE/Wサイクリング特性を示すグラフである。
図7によれば、本発明の実施例に係るフラッシュメモリ素子における10KのE/Wサイクリングの間、プログラムのしきい値電圧Pは0.4から1.0Vへと0.6V程度シフトし、消去しきい値電圧Eは−4.0V〜−2.5Vへと1.5V程度シフトした。しきい値電圧が緩やかなシフトを示す。
このように緩やかなしきい値電圧シフトを示す理由は、本発明の実施例を用いる場合、厚さ及び窒素濃度が均一なトンネル酸化膜の製造が可能であって、E/Wサイクリングの際にトンネル酸化膜内にトラップされる電荷量を減らすことができるため、セルしきい値電圧のシフト値を減らすことができるためである。
図8は、本発明の実施例に係るフラッシュメモリ素子の10KのE/Wサイクリング後のべークリテンション特性をテストしたを示す図である。
フラッシュメモリ素子は、プログラムの際に1.0〜2.2Vのしきい値電圧で動作が行われなければならないが、本発明の実施例に係るフラッシュメモリ素子では、10KのE/Wサイクリング以後、ベーク工程、たとえば図8に示すように24時間または48時間を行った結果、しきい値電圧の範囲がシフトする度合いが0.2Vであって、1.0Vのしきい値電圧のシフト値を示した既存の技術に比べてしきい値電圧のシフト値が減少した。E/Wサイクリングの際にトンネル酸化膜にトラップされる電荷が減少するにつれて、ベーク工程後にデトラップされる電荷量も減少してしきい値電圧のシフト値が減少したためである。
図7及び図8より、本発明の実施例に係るトンネル酸化膜の製造工程を使用する場合、10Kの E/Wサイクリング及び10Kのサイクリング後、ベーク工程によるしきい値電圧のシフト値が従来の技術に比べて減少することを確認することができた。フラッシュメモリ素子において、しきい値電圧のシフト値の減少は、フラッシュメモリ素子のE/Wサイクリング特性及びベークリテンション特性が改善されたことを意味する。
以上、本発明についてその具体的な実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明が属する分野における当業者であれば、本発明の技術的な思想を逸脱しない範囲内で各種の変形および変更が可能であるということは言うまでもない。よって、そのような変形や変更はいずれも本発明の特許請求の範囲に属すると言えるであろう。
従来の技術によって製造されたトンネル酸化膜の厚さ及び窒素濃度をバッチ(batch)別に示す表である。 従来の技術に係るフラッシュメモリ素子の10KのE/Wサイクリング特性を示すグラフである。 従来の技術に係るフラッシュメモリ素子の10KのE/Wサイクリング後のべークリテンション特性をテストした結果を示す図である。 本発明の実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造工程を示す断面図である。 本発明によって製造されたトンネル酸化膜の厚さ及び窒素濃度をバッチ別に示す表である。 本発明に係るフラッシュメモリ素子の10KのE/Wサイクリング特性を示すグラフである。 本発明に係るフラッシュメモリ素子の10KのE/Wサイクリング後のべークリテンション特性をテストした結果を示す図である。
符号の説明
10 半導体基板
12 第1酸化膜
14 窒化酸化膜
16 第1ポリシリコン膜
18 第2ポリシリコン膜
20 ONO膜
22 第3ポリシリコン膜
24 タングステン膜
26 ハードマスク膜
28a 高電圧素子用ゲート
28b セルゲート
30 ソース及びドレイン接合

Claims (9)

  1. (a)半導体基板上に酸化膜を形成する段階と、
    (b)Nガス雰囲気でプレアニーリング工程を行う段階と、
    (c)流量5〜15slmのNO雰囲気で10〜60分間メインアニーリング工程を行って前記酸化膜を窒化させ、窒化酸化膜を形成する段階と、
    (d)Nガス雰囲気でポストアニーリング工程を行う段階とを含むことを特徴とするフラッシュメモリ素子の製造方法。
  2. 前記(a)段階は、湿式酸化工程を行う段階と、
    ガス雰囲気でアニーリングを行って前記酸化膜を形成する段階とからなることを特徴とする請求項1に記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
  3. 前記湿式酸化工程の温度は750〜850℃であることを特徴とする請求項2に記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
  4. 前記Nガス雰囲気のアニーリング工程を900〜910℃の温度で20〜30分間行うことを特徴とする請求項2に記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
  5. 前記酸化膜の厚さは60〜90Åであることを特徴とする請求項1に記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
  6. 前記プレアニーリング工程の温度は850〜950℃であり、工程時間は5〜30分であることを特徴とする請求項1に記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
  7. 前記メインアニーリング工程の温度は850〜950℃であることを特徴とする請求項1に記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
  8. 前記窒化酸化膜の厚さは70〜100Åであることを特徴とする請求項1に記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
  9. 前記ポストアニーリング工程の温度は950〜1000℃であり、工程時間は5〜30分であることを特徴とする請求項1に記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
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