JP2009010166A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
近年、電気的な書き込み及び消去が可能な不揮発性半導体メモリ(EEPROM)に代表されるような半導体メモリ素子において、素子の微細化が急速に進められている。 2. Description of the Related Art In recent years, miniaturization of elements has been advanced rapidly in semiconductor memory elements represented by nonvolatile semiconductor memory (EEPROM) that can be electrically written and erased.
従来の浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリの場合、電荷を蓄積する浮遊ゲート電極は多結晶シリコンが使われてきている。つまり、素子に電界を印加することにより、トンネル絶縁膜を介して、シリコン基板から電子を浮遊ゲート電極へ注入し、セルの閾値を正方向へ変化させ(書込動作)、あるいは逆電界を印加することで、浮遊ゲート電極に蓄積されていた電子を基板側へ抜くことで、負方向へ閾値を変化させ(消去動作)、これによりメモリ効果を生み出していた。このとき多結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極は、基板上に形成されたトンネル絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成し、所望の大きさになるようにリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて加工をし、さらに加工時のダメージを回復させるなどの目的で、この加工された浮遊ゲート電極を酸化(後酸化工程)して形成される。 In the case of a conventional floating gate type nonvolatile semiconductor memory, polycrystalline silicon has been used as a floating gate electrode for accumulating charges. In other words, by applying an electric field to the element, electrons are injected from the silicon substrate to the floating gate electrode through the tunnel insulating film, and the threshold value of the cell is changed in the positive direction (writing operation), or a reverse electric field is applied. Thus, by extracting electrons accumulated in the floating gate electrode to the substrate side, the threshold value is changed in the negative direction (erase operation), thereby producing a memory effect. At this time, the floating gate electrode made of polycrystalline silicon is processed by using a lithography technique and an etching technique so that a polycrystalline silicon film is formed on the tunnel insulating film formed on the substrate and has a desired size. Further, the processed floating gate electrode is formed by oxidation (post-oxidation process) for the purpose of recovering damage during processing.
しかし、この場合、浮遊ゲート電極として多結晶シリコンが用いられているため、その端面は種々の結晶面方位が露出している。そして、酸化速度は面方位依存性を持つことが知られているので、この状態で酸化(後酸化工程)を行うと、露出した多結晶シリコンの面の酸化膜厚は結晶粒ごとに異なることになり、これにより酸化が不均一に進行する。結果として、浮遊ゲート電極の表面(側面)形状は凹凸が大きくなり、セル間での浮遊ゲート電極の面積のばらつきが増大する。特に次世代の微細セル構造からなるフラッシュメモリ素子の場合、この面積のばらつきは深刻な素子特性のばらつきの原因の一つとなる。同様のことは、浮遊ゲート電極のみならず、制御ゲートに関しても同様のことが言える。 However, in this case, since polycrystalline silicon is used as the floating gate electrode, various crystal plane orientations are exposed at the end face. And, it is known that the oxidation rate is dependent on the plane orientation, so if oxidation (post-oxidation process) is performed in this state, the oxide film thickness of the exposed polycrystalline silicon surface will be different for each crystal grain As a result, the oxidation proceeds non-uniformly. As a result, the surface (side surface) shape of the floating gate electrode becomes uneven, and the variation in the area of the floating gate electrode between cells increases. Particularly in the case of a flash memory device having a next-generation fine cell structure, this variation in area becomes one of the causes of serious variation in device characteristics. The same can be said for the control gate as well as the floating gate electrode.
これに対して、この浮遊ゲート電極を単結晶シリコンとする技術が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、および特許文献3参照)。これらの従来技術は、浮遊ゲート電極を単結晶化するために、素子部分に隣接するあるいは素子部分から離れた位置に、半導体基板の表面が露出した露出部を形成し、この露出部をシードとして非晶質シリコン膜を固相成長させている。しかし、この手法ではシードを形成するためのリソグラフィ工程が追加されること、あるいはシードを形成する領域が必要となるので、素子の微細化に不利であるという問題があった。
On the other hand, a technique of using the floating gate electrode as single crystal silicon has been proposed (see, for example,
一方、不揮発性半導体メモリの動作は、NOR型、NAND型いずれの場合も、先述のようにトンネル絶縁膜中を介して電子を浮遊ゲート電極へ出し入れするため、書込または消去時にはトンネル絶縁膜に大きなストレスが印加されることになる。これにより、トンネル絶縁膜中にトラップと呼ばれる欠陥が生成され、リーク電流(ストレス誘起リーク電流)が増加し、データ保持等に支障をきたす。特に、微細化が進む近年では、その劣化傾向が顕著であることが知られている。 On the other hand, in the operation of the nonvolatile semiconductor memory, in both the NOR type and the NAND type, electrons are taken into and out of the floating gate electrode through the tunnel insulating film as described above. A large stress is applied. As a result, defects called traps are generated in the tunnel insulating film, and the leakage current (stress-induced leakage current) increases, which hinders data retention and the like. In particular, it is known that the deterioration tendency is remarkable in recent years when miniaturization advances.
このリーク電流の起源となるトンネル絶縁膜中のトラップや欠陥は、電圧印加によりシリコン中の電子がトンネル絶縁膜の伝導帯へトンネルし、カソード側へ抜ける際に大きなエネルギーを有することが原因となっている。すなわち、印加される電圧に依存したエネルギーを有する電子がカソード側へ抜ける際に、カソード側でインパクトイオン化を起こすことによって高エネルギーを有する正孔が生成され、この正孔によってシリコン界面に存在する水素結合が切断される。これにより、トンネル絶縁膜中の弱い部分が破壊されて欠陥が生成され、リーク電流や絶縁破壊が生じると考えられている。 The traps and defects in the tunnel insulating film, which cause this leakage current, are caused by the fact that electrons in silicon tunnel to the conduction band of the tunnel insulating film due to voltage application and have large energy when they escape to the cathode side. ing. That is, when electrons having energy depending on the applied voltage escape to the cathode side, high-energy holes are generated by impact ionization on the cathode side, and hydrogen present at the silicon interface is generated by these holes. The bond is broken. As a result, it is considered that a weak portion in the tunnel insulating film is destroyed and a defect is generated, resulting in leakage current and dielectric breakdown.
このようなトンネル絶縁膜中の欠陥やトラップの起源となる絶縁膜中の弱い部分は、特にトンネル絶縁膜の端部に集中する。ここは、トンネル絶縁膜の形成後の酸化工程でトンネル絶縁膜が増膜した部分、いわゆるバーズビーク部分に対応した位置である。半導体基板と浮遊ゲート電極に挟まれたトンネル絶縁膜のワード線方向の端部には、特に浮遊ゲート電極側にトンネル絶縁膜が増膜する。この増膜したトンネル絶縁膜の端部に、書込/消去時の高電界ストレス印加により電子トラップ等の欠陥が生成される。さらに、増膜量が少ない膜中央部は端部に比べて薄いため、この部分に電界が集中し、トラップや欠陥生成を助長する。これにより、データ保持特性やディスターブ特性が著しく劣化する。 Such weak portions in the insulating film that cause defects and traps in the tunnel insulating film are concentrated particularly on the end of the tunnel insulating film. This is a position corresponding to a portion where the tunnel insulating film is increased in the oxidation step after forming the tunnel insulating film, that is, a so-called bird's beak portion. At the end of the tunnel insulating film sandwiched between the semiconductor substrate and the floating gate electrode in the word line direction, the tunnel insulating film is increased particularly on the floating gate electrode side. Defects such as electron traps are generated at the end of the increased tunnel insulating film by applying a high electric field stress during writing / erasing. Furthermore, since the central part of the film with a small amount of film increase is thinner than the end part, the electric field concentrates on this part, which promotes the generation of traps and defects. As a result, data retention characteristics and disturb characteristics are significantly deteriorated.
このバーズビーク部分が弱い部分となる理由は、その増膜する絶縁膜が、多結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極の酸化による酸化膜であることに起因する。従来の不揮発性メモリに用いられる浮遊ゲート電極は多結晶シリコン膜であり、バーズビーク部分は、その多結晶シリコン膜の酸化により形成されている。すなわち、種々の結晶方位からなる酸化膜となる。さらに、そのバーズビーク部分は、素子の微細化により、セル面積中で占める割合が増加する。
このように、EEPROMなどの不揮発性半導体メモリのトンネル絶縁膜に対しては、トンネル絶縁膜および浮遊ゲート電極形成後の後酸化工程において、次の3つの課題がある。
1)多結晶シリコン膜からなる浮遊ゲート電極の加工端面に大きな凹凸が形成されてしまい、素子特性のばらつきが増大する。
2)酸化時にトンネル絶縁膜と浮遊ゲート電極との界面の位置に酸化膜からなるバーズビークが形成され、そのバーズビークが多結晶シリコンの酸化によって形成されるため、信頼性の低い酸化膜がトンネル絶縁膜の端部に形成される。
3)端部にバーズビークが形成されるため、トンネル絶縁膜の中央部は端部よりも薄膜となり、電界集中が引き起こされ、書き込み/消去時の高電圧ストレス印加時にトンネル絶縁膜中にトラップや欠陥が形成され、それによるトンネルリーク電流が増加してしまう。
As described above, the tunnel insulating film of the nonvolatile semiconductor memory such as the EEPROM has the following three problems in the post-oxidation process after forming the tunnel insulating film and the floating gate electrode.
1) Large irregularities are formed on the processed end face of the floating gate electrode made of a polycrystalline silicon film, and the variation in element characteristics increases.
2) During oxidation, a bird's beak made of an oxide film is formed at the interface between the tunnel insulating film and the floating gate electrode, and the bird's beak is formed by oxidation of polycrystalline silicon. It is formed at the end.
3) Since a bird's beak is formed at the end portion, the central portion of the tunnel insulating film becomes thinner than the end portion, causing electric field concentration, and traps and defects are present in the tunnel insulating film when high voltage stress is applied during writing / erasing. As a result, the tunnel leakage current increases.
このため、今後、微細化が進行しセル面積のばらつきがセルのメモリ特性のばらつきに影響することになる世代では、浮遊ゲート電極の端面の凹凸が最小限に抑制され、またトンネル絶縁膜と浮遊ゲートの界面に形成されるバーズビークの膜中欠陥やそれによるストレス誘起リーク電流を抑制できるような、トンネル絶縁膜を実現できる浮遊ゲート材料が要求される。 For this reason, in the future generations in which miniaturization will progress and the variation in cell area will affect the variation in memory characteristics of the cell, the unevenness of the end face of the floating gate electrode will be minimized, and the tunnel insulating film and floating There is a demand for a floating gate material capable of realizing a tunnel insulating film that can suppress defects in the bird's beak formed at the gate interface and stress-induced leakage current caused thereby.
しかし、このような要求を満たすことは従来技術および従来ゲート構造では極めて困難であった。前述したように、浮遊ゲート電極を多結晶シリコンから単結晶シリコンにすることも提案されているが、リソグラフィ工程の増加や微細化に不利であるという点から実現が困難であった。 However, it has been extremely difficult to satisfy such a requirement with the prior art and the conventional gate structure. As described above, it has been proposed to change the floating gate electrode from polycrystalline silicon to single crystal silicon, but it has been difficult to realize it because it is disadvantageous for an increase in lithography process and miniaturization.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、浮遊ゲート電極または制御ゲート電極の特性ばらつきを可及的に抑制し、トンネル絶縁膜の信頼性の低下を防止し、ストレス誘起リーク電流を抑制することのできる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to suppress variations in characteristics of the floating gate electrode or the control gate electrode as much as possible, and to prevent a decrease in the reliability of the tunnel insulating film. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing stress-induced leakage current and a method for manufacturing the same.
本発明の第1の態様による半導体装置は、第1導電型の半導体層を有する基板と、前記半導体層に対向して設けられた一対の第2導電型のソース/ドレイン領域と、前記ソース/ドレイン領域間の前記半導体層上に設けられた第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に設けられ、前記ソース/ドレイン領域が対向する方向に沿って亜粒界が形成された単結晶の半導体を含む浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極上に設けられた第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に設けられた制御ゲート電極と、を有するメモリセルと、を備えたことを特徴とする。 A semiconductor device according to a first aspect of the present invention includes a substrate having a first conductivity type semiconductor layer, a pair of second conductivity type source / drain regions provided facing the semiconductor layer, and the source / drain regions. A first insulating film provided on the semiconductor layer between the drain regions, and a single insulating layer provided on the first insulating film, in which subgrain boundaries are formed along the direction in which the source / drain regions face each other. A memory cell having a floating gate electrode including a crystalline semiconductor, a second insulating film provided on the floating gate electrode, and a control gate electrode provided on the second insulating film. It is characterized by that.
また、本発明の第2の態様による半導体装置は、第1導電型の半導体層を有する基板と、前記半導体層に対向して設けられた一対の第2導電型のソース/ドレイン領域と、前記ソース/ドレイン領域間の前記半導体層上に設けられた第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に設けられた電荷蓄積膜と、前記電荷蓄積膜上に設けられた第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に設けられ、前記不純物領域が対向する方向と直交する方向に沿って亜粒界が形成された単結晶の半導体を含む制御ゲート電極と、を有するメモリセルと、を備えたことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a substrate having a first conductivity type semiconductor layer; a pair of second conductivity type source / drain regions provided opposite to the semiconductor layer; A first insulating film provided on the semiconductor layer between the source / drain regions, a charge storage film provided on the first insulating film, and a second insulation provided on the charge storage film And a control gate electrode including a single crystal semiconductor provided on the second insulating film and having a sub-grain boundary formed in a direction orthogonal to a direction in which the impurity regions are opposed to each other. And.
また、本発明の第3の態様による半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜上に第1の非晶質半導体膜を形成する工程と、前記第1の非晶質半導体膜上に第1のマスク用絶縁膜を形成する工程と、少なくとも前記半導体基板の表面が露出するまで、前記第1のマスク用絶縁膜、前記第1の非晶質半導体膜、および前記第1の絶縁膜からなる積層膜をパターニングする工程と、パターニングされた前記積層膜を覆うように、第2の非晶質半導体膜を形成する工程と、熱処理することによって、前記第2の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第1の単結晶膜とするとともに、前記第1の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第2の単結晶膜とする工程と、エッチングすることにより前記第1の単晶膜を除去する工程と、を備えたことを特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the third aspect of the present invention includes a step of forming a first insulating film on a semiconductor substrate, and forming a first amorphous semiconductor film on the first insulating film. A step of forming a first mask insulating film on the first amorphous semiconductor film, and at least until the surface of the semiconductor substrate is exposed, the first mask insulating film, A step of patterning a laminated film composed of one amorphous semiconductor film and the first insulating film, a step of forming a second amorphous semiconductor film so as to cover the patterned laminated film, By performing heat treatment, the second amorphous semiconductor film is monocrystallized by solid phase epitaxial growth to form a first single crystal film, and the first amorphous semiconductor film is monocrystallized by solid phase epitaxial growth. The second single crystal film Wherein the step, removing the first TanAkiramaku by etching, further comprising: a.
また、本発明の第4の態様による半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜上に第1の非晶質半導体膜を形成する工程と、前記第1の非晶質半導体膜上に第1のマスク用絶縁膜を形成する工程と、少なくとも前記半導体基板の表面が露出するまで、前記第1のマスク用絶縁膜、前記第1の非晶質半導体膜、および前記第1の絶縁膜からなる第1の積層膜をパターニングする工程と、パターニングされた前記第1の積層膜を覆うように、第2の非晶質半導体膜を形成する工程と、熱処理することによって、前記第2の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第1の単結晶膜とするとともに、前記第1の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第2の単結晶膜とする工程と、エッチングすることにより前記第1の単結晶膜を除去するとともに前記半導体基板の一部を除去させる工程と、全面に素子分離用絶縁膜を堆積し、この素子分離絶縁膜を平坦化することにより、前記第1のマスク用絶縁膜の上面を露出させる工程と、前記第1のマスク用絶縁膜を除去し、前記第2の単結晶膜の上面を露出させる工程と、前記第2の単結晶膜の上面を覆うように第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜上に第3の非晶質半導体膜を形成する工程と、前記第3の非晶質半導体膜上に第2のマスク用絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板の表面が露出するまで、前記第2のマスク用絶縁膜、前記第3の非晶質半導体膜、前記第2の絶縁膜、前記第2の単結晶膜、および前記第1の絶縁膜からなる第2の積層膜をゲート形状にパターニングする工程と、パターニングされた前記第2の積層膜を覆うように第4の非晶質半導体膜を形成する工程と、熱処理することによって、前記第4の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第3の単結晶膜とするとともに、前記第3の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第4の単結晶膜とする工程と、エッチングすることにより前記第3の単結晶膜を除去する工程と、を備えたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a first insulating film on a semiconductor substrate; and forming a first amorphous semiconductor film on the first insulating film. A step of forming a first mask insulating film on the first amorphous semiconductor film, and at least until the surface of the semiconductor substrate is exposed, the first mask insulating film, A step of patterning the first amorphous semiconductor film and the first laminated film made of the first insulating film, and a second amorphous semiconductor film so as to cover the patterned first laminated film And forming the first amorphous semiconductor film into a first single crystal film by solid-phase epitaxial growth to form a first single crystal film by heat treatment. Single crystallized by phase epitaxial growth and second A step of forming a crystal film; a step of removing the first single crystal film by etching and removing a part of the semiconductor substrate; and depositing an element isolation insulating film on the entire surface. Planarizing the first mask insulating film, exposing the upper surface of the first mask insulating film, removing the first mask insulating film and exposing the upper surface of the second single crystal film, Forming a second insulating film so as to cover an upper surface of the second single crystal film; forming a third amorphous semiconductor film on the second insulating film; and Forming a second mask insulating film on the amorphous semiconductor film; and until the surface of the semiconductor substrate is exposed, the second mask insulating film, the third amorphous semiconductor film, From the second insulating film, the second single crystal film, and the first insulating film Patterning the second laminated film into a gate shape, forming a fourth amorphous semiconductor film so as to cover the patterned second laminated film, and heat-treating the fourth laminated film. The amorphous semiconductor film is single crystallized by solid phase epitaxial growth to form a third single crystal film, and the third amorphous semiconductor film is single crystallized by solid phase epitaxial growth to obtain a fourth single crystal film. And a step of removing the third single crystal film by etching.
また、本発明の第5の態様による半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜上に電荷蓄積膜を形成する工程と、エッチングにより前記電荷蓄積膜および前記第1の絶縁膜からなる第1の積層膜をパターニングするとともに前記半導体基板の一部を除去する工程と、全面に素子分離用絶縁膜を堆積し、この素子分離絶縁膜を平坦化することにより、前記電荷蓄積の上面を露出させる工程と、前記電荷蓄積膜の上面を覆うように第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜上に第1の非晶質半導体膜を形成する工程と、前記第1の非晶質半導体膜上にマスク用絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板の表面が露出するまで、前記マスク用絶縁膜、前記第1の非晶質半導体膜、前記第2の絶縁膜、前記電荷蓄積膜、および前記第1の絶縁膜からなる第2の積層膜をゲート形状にパターニングする工程と、パターニングされた前記第2の積層膜を覆うように第2の非晶質半導体膜を形成する工程と、熱処理することによって、前記第2の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第1の単結晶膜とするとともに、前記第1の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第2の単結晶膜とする工程と、エッチングすることにより前記第1の単結晶膜を除去する工程と、を備えたことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising: forming a first insulating film on a semiconductor substrate; forming a charge storage film on the first insulating film; and etching. And patterning the first laminated film comprising the charge storage film and the first insulating film and removing a part of the semiconductor substrate, and depositing an element isolation insulating film on the entire surface, The step of exposing the upper surface of the charge storage by planarizing the film, the step of forming a second insulating film so as to cover the upper surface of the charge storage film, and the first on the second insulating film Forming the amorphous semiconductor film, forming the mask insulating film on the first amorphous semiconductor film, and until the surface of the semiconductor substrate is exposed, the mask insulating film, A first amorphous semiconductor film; A step of patterning a second laminated film comprising an edge film, the charge storage film, and the first insulating film into a gate shape; and a second amorphous film so as to cover the patterned second laminated film A step of forming a semiconductor film and a heat treatment make the second amorphous semiconductor film a single crystal by solid phase epitaxial growth to form a first single crystal film, and the first amorphous semiconductor film And a step of removing the first single crystal film by etching, and a step of removing the first single crystal film by etching.
本発明によれば、浮遊ゲート電極または制御ゲート電極の特性ばらつきを可及的に抑制し、トンネル絶縁膜の信頼性の低下を防止し、かつストレス誘起リーク電流を抑制することが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a semiconductor device capable of suppressing variations in characteristics of a floating gate electrode or a control gate electrode as much as possible, preventing a decrease in reliability of a tunnel insulating film, and suppressing stress-induced leakage current. And a method for manufacturing the same.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による不揮発性半導体メモリ装置を説明する。本実施形態の不揮発性半導体メモリ装置はNAND型である。すなわち、本実施形態の不揮発性半導体メモリ装置は、複数のメモリセルが直列に接続されたNANDセルを有している。本実施形態の不揮発性半導体メモリ装置の断面を図1、図2に示す。図1はビット線に平行な方向のNANDセルの断面図であり、図2は図1に示す切断線A−Aで切断した断面図、すなわちワード線に平行な方向の断面図を示している。
(First embodiment)
A nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention will be described. The nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment is a NAND type. That is, the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment has a NAND cell in which a plurality of memory cells are connected in series. A cross section of the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment is shown in FIGS. 1 is a cross-sectional view of the NAND cell in a direction parallel to the bit line, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the cutting line AA shown in FIG. 1, that is, a cross-sectional view in the direction parallel to the word line. .
各メモリセル10は、図1に示すように、面方位が(100)のp型シリコン基板1上に離間して設けられたn型のソース/ドレイン領域12と、ソース領域とドレイン領域との間のシリコン基板1のチャネルとなる領域上に設けられたトンネル絶縁膜14と、トンネル絶縁膜14上に設けられた単結晶シリコンの浮遊ゲート電極16と、浮遊ゲート電極16上に設けられた電極間絶縁膜18と、電極間絶縁膜18上に設けられ多結晶シリコン膜20aおよびタングステンシリサイド膜20bの積層構造を有する制御ゲート電極20とを備えている。そして、NANDセル内の隣接するメモリセル10は、ソース領域またはドレイン領域を共有するように接続されている。なお、電極間絶縁膜18はシリコン酸化膜と、CVDシリコン窒化膜と、CVDシリコン酸化膜との積層構造であるONO膜構造を有している。また、各メモリセル10は、制御ゲート電極の上面および側面と、電極間絶縁膜18の側面と、浮遊ゲート電極16の側面と、トンネルゲート絶縁膜14の側面とに例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜24が形成されている。
As shown in FIG. 1, each
また、図2に示すように、ワード線に平行な方向のメモリセル10は、シリコン基板1に形成された素子分離領域3によって絶縁されている。ワード線方向のメモリセル10の電極間絶縁膜18、および制御ゲート電極20はそれぞれ共通となっている。
As shown in FIG. 2, the
また、本実施形態においては、単結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極16の中央部に、図2に示すように、ビット線に平行な方向、すなわちソース領域およびドレイン領域が対向する方向に沿って亜粒界(sub-grain boundary)17が形成されている。この亜粒界17は、固相成長面が接触し固相成長が止まった部分に形成される、格子の不整合からなる一種の粒界である。通常の結晶粒界と異なる点は、この亜粒界17を挟んだ両固相成長膜の面方位が一致している点である。
Further, in the present embodiment, the floating
本実施形態においては、浮遊ゲート電極16が単結晶化している。このため、後述の製造方法で説明する後酸化工程で、浮遊ゲート電極16の側面が均一に酸化され、浮遊ゲート電極16の側面の凹凸を抑制することが可能となり、メモリセル間の浮遊ゲート電極の面積のバラツキを小さくすることができる。さらに、トンネル絶縁膜14および浮遊ゲート電極16の形成後の後酸化工程で、トンネル絶縁膜14と浮遊ゲート電極16との間に図3に示すようにバーズビーク15が生成される。このバーズビーク15は単結晶シリコン膜の酸化によって成長する酸化膜であるため、従来のように浮遊ゲート電極が多結晶シリコンからなる場合とは異なり、均質なトンネル絶縁膜が形成できる。
In the present embodiment, the floating
これに対して、図4に示すように、従来のように浮遊ゲート電極が多結晶シリコンからなる場合は、その側面は種々の結晶面方位が露出しているので、後酸化工程を行うと、露出した多結晶シリコンの面の酸化膜厚は結晶粒ごとに異なり、これにより酸化が不均一に進行する。その結果として、浮遊ゲート電極の側面形状は凹凸が大きくなり、メモリセル間での浮遊ゲート電極の面積のばらつきが増大する。なお、図4は、浮遊ゲート電極が多結晶シリコンからなる場合の浮遊ゲート電極の後酸化工程後の基板面に平行な方向の断面図である。 On the other hand, as shown in FIG. 4, when the floating gate electrode is made of polycrystalline silicon as in the prior art, the side surface is exposed to various crystal plane orientations. The oxide film thickness on the exposed surface of the polycrystalline silicon is different for each crystal grain, and thus the oxidation proceeds non-uniformly. As a result, the side surface shape of the floating gate electrode becomes uneven, and the variation in the area of the floating gate electrode between memory cells increases. FIG. 4 is a cross-sectional view in a direction parallel to the substrate surface after the post-oxidation process of the floating gate electrode when the floating gate electrode is made of polycrystalline silicon.
また、本実施形態においては、単結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極16は、後述の製造方法で説明するように、シリコン基板1と同じ面方位(100)を有する。このため、後酸化工程で単結晶シリコンが酸化することによって形成されるバーズビークは、信頼性の高い酸化膜となり、書込/消去時の高電界ストレスに対するトラップや欠陥生成を抑制することが可能となり、ストレス誘起リーク電流を低減することができる。この理由を図5乃至図7を参照して説明する。
In the present embodiment, the floating
図5および図6は、面方位の異なるシリコン基板の表面上に形成されたシリコン酸化膜について、ストレス誘起リーク電流(SILC)および絶縁破壊寿命(50%QBD)を比較した結果を示す。ここで、ストレス誘起リーク電流(SILC)とは、ストレス印加前後の電流増加量を意味し、図7に示すようにストレス印加前の電流電圧特性において、ゲート電流密度が10−10A/cm2となる電圧を評価電圧Vgsとし、ストレス印加後の電流電圧特性において、上記の評価電圧Vgsでの電流増加分をSILCと定義している。また、QBDとは、絶縁破壊に至るまでにトンネル絶縁膜に注入される電子の総量を意味しており、ストレス印加試験中にゲート電流をモニタし、絶縁破壊が生じるまでの時間で積分した値と定義される。また、50%QBD値は上記QBDの測定結果において、累積不良率50%に相当するQBD値と定義される。これによると、SILCも絶縁破壊寿命も強い面方位依存性を有し、(100)面上に形成されたシリコン酸化膜がもっとも信頼性に優れ、その他の(110)面上や(111)面上に形成されたシリコン酸化膜は信頼性が低いことがわかる。なお、図5および図6において測定されたサンプルのゲート長Lは100μm、ゲート幅Wは200μmである。また、図5の横軸はストレスの印加時間を示し、図6の縦軸はシリコン酸化膜の膜厚toxを示す。また、図5および図6において、JG、Jg SLは、ストレスゲート電流密度を示す。 5 and 6, the silicon oxide film formed on the surface of different silicon substrate of plane orientation, show the results of a comparison stress induced leakage current (SILC) and dielectric breakdown lifetime (50% Q BD). Here, the stress-induced leakage current (SILC) means the amount of current increase before and after stress application, and the gate current density is 10 −10 A / cm 2 in the current-voltage characteristic before stress application as shown in FIG. The evaluation voltage Vgs is defined as a voltage, and in the current-voltage characteristics after the stress is applied, the increase in current at the evaluation voltage Vgs is defined as SILC. Further, the Q BD, it is meant the total amount of electrons injected into the tunnel insulating film up to the dielectric breakdown, to monitor the gate current during the stress application test, integrated over time until breakdown occurs Defined as a value. Moreover, 50% Q BD value in measurement results of the Q BD, is defined as Q BD value corresponding to the cumulative failure rate of 50%. According to this, the silicon oxide film formed on the (100) plane has the highest reliability, and both the SILC and the dielectric breakdown lifetime are strong. The other (110) plane and (111) plane are the most reliable. It can be seen that the silicon oxide film formed thereon has low reliability. The gate length L of the samples measured in FIGS. 5 and 6 is 100 μm, and the gate width W is 200 μm. Further, the horizontal axis in FIG. 5 indicates the stress application time, and the vertical axis in FIG. 6 indicates the thickness t ox of the silicon oxide film. In FIGS. 5 and 6, J G and J g SL indicate the stress gate current density.
したがって、本実施形態においては、浮遊ゲート電極16は面方位が(100)の単結晶シリコンからなっているので、バーズビーク15は信頼性の高い酸化膜となり、書込/消去時に印加される高電界ストレスに対するトラップや欠陥の生成が抑制され、ストレス誘起リーク電流を抑制することができる。さらに、浮遊ゲート電極が単結晶であるが故に、加工後の側面の形状も、従来のように多結晶シリコンからなる場合に比べ、ラフネスが小さく素子間ばらつきも抑制することが可能となる。
Therefore, in this embodiment, since the floating
これに対して、従来のように多結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極の場合では、(100)面と異なる(110)面や(111)面で成長したシリコン酸化膜も含み、セル全体としてのトンネル絶縁膜の信頼性は、これら(100)面以外の面方位の信頼性の低い酸化膜特性が強く影響するため、トラップや欠陥生成が顕著となり、データ保持特性やディスターブ特性の劣化を引き起こしている。 On the other hand, in the case of a floating gate electrode made of polycrystalline silicon as in the prior art, it includes a silicon oxide film grown on a (110) plane or a (111) plane different from the (100) plane, and the tunnel as a whole cell. The reliability of the insulating film is strongly influenced by the oxide film characteristics with low surface orientation other than these (100) planes, so that traps and defect generation become prominent, causing deterioration of data retention characteristics and disturb characteristics. .
なお、単結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極に関する技術としては、背景技術で説明したように、特願平07−273229号公報、特開2000−260889号公報、および特開平10−107165号公報に開示されている。これらの技術は、素子部分から離れた位置に半導体基板表面露出部を形成し、そこをシードとして非晶質シリコン膜を固相成長させている。したがって、これらの技術においては、半導体基板表面に露出部を形成するためのリソグラフィ工程が必要となること、また半導体基板表面の露出部を素子とは別に作らなければならないので、微細化に不利であること、また固相成長で単結晶化できるのは、面内方向で1ミクロン程度であるため、素子部より離れた位置にシードを形成すると、浮遊ゲート電極の単結晶化ができない部分ができてしまうことなどのデメリットがある。 As described in the background art, the technology relating to the floating gate electrode made of single crystal silicon is disclosed in Japanese Patent Application Nos. 07-273229, 2000-260889, and 10-107165. Has been. In these techniques, a semiconductor substrate surface exposed portion is formed at a position away from the element portion, and an amorphous silicon film is solid-phase grown using the exposed portion as a seed. Therefore, these techniques require a lithography process for forming an exposed portion on the surface of the semiconductor substrate, and the exposed portion on the surface of the semiconductor substrate must be formed separately from the elements, which is disadvantageous for miniaturization. In addition, since single crystal can be crystallized by solid phase growth in about 1 micron in the in-plane direction, if a seed is formed at a position distant from the element part, a portion where the floating gate electrode cannot be single crystallized is formed. There are disadvantages such as.
これに対して、後述する製造方法からわかるように、本実施形態ではトンネル絶縁膜、浮遊ゲート電極の隣接する位置にシード部を形成していることから、十分に浮遊ゲート電極を単結晶化できる位置にあり、またこのシード部はその後の工程で素子分離となる部分であるため、新たなリソグラフィ工程を必要としないことを特徴としているので、素子特性のばらつきや製造コストの面で、従来技術よりも優れている。 In contrast, as can be seen from the manufacturing method described later, in this embodiment, since the seed portion is formed at a position adjacent to the tunnel insulating film and the floating gate electrode, the floating gate electrode can be sufficiently single-crystallized. In addition, since this seed part is a part that will be element isolation in the subsequent process, it does not require a new lithography process, so in terms of variation in element characteristics and manufacturing cost, it is conventional technology Better than.
また、従来のように、浮遊ゲート電極が多結晶シリコンからなっている場合は、浮遊ゲート電極を介して、例えばフッ素や重水素などの高信頼化添加物の拡散を行うと、浮遊ゲート電極中に存在する結晶粒界により、これらの添加物が高速に、かつ多量に供給される。特にフッ素の場合は、適量の添加であればトンネル絶縁膜の信頼性を向上させるが、過剰な添加では逆に劣化が助長されることが知られている。このため、浮遊ゲート電極が多結晶シリコンからなる場合は、添加物導入の濃度制御が難しい。さらに、素子の微細化に伴い、1つのメモリセル中に含まれる結晶粒界の量にばらつきが生じ、添加元素の分布にもばらつきが生じ、信頼性上のばらつきが増大する。 In addition, when the floating gate electrode is made of polycrystalline silicon as in the prior art, if a highly reliable additive such as fluorine or deuterium is diffused through the floating gate electrode, the floating gate electrode These additives are supplied at high speed and in large quantities due to the grain boundaries present in the. In particular, in the case of fluorine, it is known that the addition of an appropriate amount improves the reliability of the tunnel insulating film, but excessive addition conversely promotes deterioration. For this reason, when the floating gate electrode is made of polycrystalline silicon, it is difficult to control the concentration of additive introduction. Further, with the miniaturization of elements, the amount of crystal grain boundaries contained in one memory cell varies, the distribution of additive elements also varies, and the variation in reliability increases.
これに対して、本実施形態では、亜粒界を介して添加物がその両側に位置する結晶中よりも高速に拡散するが、亜粒界がセル毎に同じであること、またその位置も、各メモリセルでほぼ一致するため、バーズビークによって電界集中するトンネル絶縁膜の中央部に効率よくかつメモリセル間で同様に添加物の供給が可能となり、信頼性の向上およびそのばらつきも抑制させることが可能となる。 On the other hand, in the present embodiment, the additive diffuses through the subgrain boundaries at a higher speed than in the crystals located on both sides thereof, but the subgrain boundaries are the same for each cell, and the positions thereof are also the same. Since each memory cell is almost the same, it is possible to efficiently supply an additive to the central portion of the tunnel insulating film where the electric field is concentrated by bird's beaks, and to improve the reliability and the variation thereof. Is possible.
なお、本実施形態では、浮遊ゲート電極16として単結晶シリコン膜を用いたが、それ以外にGe単結晶膜、或いはSiにGeを添加した単結晶膜を用いることができる。
In this embodiment, a single crystal silicon film is used as the floating
また、本実施形態では、制御ゲート電極20として、多結晶シリコン膜20a上に積層された層20bにタングステンシリサイドを用いたが、それ以外にニッケルシリサイドやコバルトシリサイドといった低抵抗のシリサイド又は金属系導電材料を広く用いることができる。
In the present embodiment, tungsten silicide is used as the
また、本実施形態では、電極間絶縁膜18は、シリコン酸化膜と、CVDシリコン窒化膜と、CVDシリコン酸化膜との積層構造であるONO構造を有していたが、これに限定されるものではなく、アルミニウム酸化膜(Al2O3)やHfAlOxなど、高誘電率材料を用いても良い。さらには電極間絶縁膜の材料としてAl,Hf,La,Y,Ce,Ti,Zr,Si,Taから選ばれる少なくとも1つ以上の元素を含む酸化物、窒化物或いは酸窒化物を広く用いることができるし、それらの膜の積層物も使うことができる。さらに、これらの高誘電体絶縁膜とSi酸化膜、Si酸窒化膜或いは窒化膜を組み合わせた積層物を用いてもよい。
In this embodiment, the interelectrode insulating
次に、本実施形態の不揮発性半導体メモリ装置の製造方法を図8(a)乃至図15(b)を参照して説明する。図8(a)乃至図15(b)は、本実施形態の不揮発性半導体メモリ装置の製造工程を示す断面図であって、図8(a)、9(a)、10(a)、11(a)、12(a)、13(a)、14(a)、および15(a)はビット線に平行な方向の断面図であり、図8(b)、9(b)、10(b)、11(b)、12(b)、13(b)、14(b)、および15(b)はワード線に平行な方向の断面図である。なお、図8(a)、9(a)、10(a)、11(a)、12(a)、13(a)、14(a)、および15(a)は、それぞれ図8(b)、9(b)、10(b)、11(b)、12(b)、13(b)、14(b)、および15(b)に示す切断線B−Bで切断した断面図である。 Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIGS. 8A to 15B are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device of the present embodiment, and are FIGS. 8A, 9A, 10A, and 11. (A), 12 (a), 13 (a), 14 (a), and 15 (a) are cross-sectional views in the direction parallel to the bit line, and FIGS. 8 (b), 9 (b), 10 ( b), 11 (b), 12 (b), 13 (b), 14 (b), and 15 (b) are cross-sectional views in the direction parallel to the word lines. 8 (a), 9 (a), 10 (a), 11 (a), 12 (a), 13 (a), 14 (a), and 15 (a) are shown in FIG. ), 9 (b), 10 (b), 11 (b), 12 (b), 13 (b), 14 (b), and 15 (b) are sectional views cut along the cutting line BB shown in FIG. is there.
まず、図8(a)に示すように、所望の不純物をドーピングした、面方位が(100)であるp型シリコン基板1の表面に、トンネル絶縁膜となる厚さ約7nm乃至8nmのSiON膜14を熱酸化法および熱窒化法で形成後、浮遊ゲート電極となる厚さ60nmの、リンがドープされた非晶質シリコン膜31をCVD(chemical vapor deposition)法で堆積した。このときの温度は420℃とした。続いて、この非晶質シリコン膜31上にマスク材となるシリコン窒化膜32を堆積した。このとき、シリコン窒化膜32の堆積温度は非晶質シリコン膜31が結晶化をしない温度で行う必要があり、600℃以下、望ましくは500℃以下が好ましい。また、熱CVDの代わりに、例えばプラズマCVD等の、励起種を用いる堆積方法を用いてもよく、この場合は500℃以下で十分にシリコン窒化膜32を堆積することが可能である。その後、レジストマスク(図示せず)をシリコン窒化膜32上に形成し、反応性イオンエッチング(RIE、reactive ion etching)法により、シリコン窒化膜32、非晶質シリコン膜31、トンネル絶縁膜14をシリコン基板1の表面が露出するまで順次エッチング加工し、さらにシリコン基板1の表面が露出した領域をエッチングして、深さ100nmの素子分離溝33を形成した(図8(b)参照)。その後、上記レジストマスクを除去する。
First, as shown in FIG. 8A, a SiON film having a thickness of about 7 nm to 8 nm serving as a tunnel insulating film is formed on the surface of a p-
次に、図9(a)、9(b)に示すように、全面に非晶質シリコン膜34を再度堆積する。このときの温度は420℃とした。また、非晶質シリコン膜34の堆積前は、例えば希フッ酸処理を行うなどして、結晶成長(固相成長)のシードとなるシリコン基板1の露出した表面の自然酸化膜を除去している。さらに、このときのシードとなるシリコン基板1と非晶質シリコン膜34との界面35における酸素の面密度が1×1015atom/cm2以下であることが好ましい。この条件を満たせば、後述する固相エピタキシャル成長が可能となる。
Next, as shown in FIGS. 9A and 9B, an
次に、例えば550℃から700℃の間で熱処理を行う。すると、図10(a)、10(b)に示すように、上記シードとなる各シリコン基板1の表面35aから固相エピタキシャル成長が始まり、非晶質シリコン膜34が単結晶シリコン膜36になるとともに、浮遊ゲート電極16となる非晶質シリコン膜31も横方向へ固相エピタキシャル成長して単結晶化する。そして、隣り合うシードからの固相エピタキシャル成長の最前面がぶつかるところで固相成長が完了する。このとき、図10(b)に示されるように、固相エピタキシャル成長の最前面がぶつかる部分が、亜粒界17として浮遊ゲート電極16の中央部に形成される。
Next, for example, heat treatment is performed between 550 ° C. and 700 ° C. Then, as shown in FIGS. 10A and 10B, solid phase epitaxial growth starts from the
次に、図11(a)、11(b)に示すように、再度全面を反応性イオンエッチング法でエッチングする。このとき、浮遊ゲート電極16上に堆積されていたシリコン窒化膜32が再びマスク材として機能し、素子分離溝37が形成される。その後、エッチングによるダメージ回復等を目的として、厚さ5nm相当のシリコン酸化膜(図示せず)を熱酸化法により形成した。このとき、トンネル絶縁膜14にはバーズビークが生成される。しかしこのバーズビークは、浮遊ゲート電極16が単結晶シリコン膜であることから、素子間でばらつきが少なく、かつシリコン基板1の面方位である(100)面上の熱酸化膜と同様の酸化膜となり、電気的なストレスに対してトラップや欠陥を生成しにくい性質を有している。
Next, as shown in FIGS. 11A and 11B, the entire surface is etched again by the reactive ion etching method. At this time, the
次に、図12(a)、12(b)に示すように、全面に素子分離用のシリコン酸化膜3を堆積して、素子分離溝37を完全に埋め込んだ。その後、シリコン窒化膜32の上面が露出するまでシリコン酸化膜3をCMP(chemical mechanical polishing)法で除去して、シリコン酸化膜3の表面を平坦化した。
Next, as shown in FIGS. 12A and 12B, a
次に、図13(a)、13(b)に示すように、露出したシリコン窒化膜32を選択的にエッチング除去する。すると、シリコン酸化膜3の側面の一部が露出する。その後、シリコン酸化膜3の露出している上面および側面の一部を希フッ酸溶液等でエッチング除去し、単結晶からなる浮遊ゲート電極16の側面の一部を露出させた。続いて、全面に厚さ15nmのシリコン酸化膜とCVDシリコン窒化膜とCVDシリコン酸化膜からなるONO構造の電極間絶縁膜18を形成した。
Next, as shown in FIGS. 13A and 13B, the exposed
次いで、図14(a)、14(b)に示すように、制御ゲート電極としてCVD法でリンがドープされたn+型多結晶シリコン膜20aを620℃で堆積して形成し、その上にタングステンシリサイド(WSix)膜22bを形成することにより、WSix膜20b/多結晶Si膜20aからなる2層構造の厚さ100nmの導電層20を形成した。ここで、WSix膜20aは、W(CO)6を原料ガスとするCVD法を用いてWを堆積し、その後の熱工程で多結晶シリコン膜20aをWSixに変換することにより形成した。
Next, as shown in FIGS. 14A and 14B, an n + -type
なお、これらの膜の製造方法はここに示した方法に限らず、他の原料ガスを用いてもよい。また、ALD(Atomic Layer Deposition)、CVD法以外の例えばスパッタ法,蒸着法,レーザーアブレーション法,MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、またこれらの手法を組み合わせた成膜方法も可能である。 Note that the manufacturing method of these films is not limited to the method shown here, and other source gases may be used. In addition to ALD (Atomic Layer Deposition) and CVD methods, for example, sputtering, vapor deposition, laser ablation, MBE (Molecular Beam Epitaxy), and film formation methods combining these methods are also possible.
その後、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、WSix膜20b、多結晶シリコン膜20a、電極間絶縁膜18、単結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極16、トンネル絶縁膜14を順次エッチング加工して、ワード線に平行な方向に溝38を形成した。これにより、トンネル絶縁膜14、浮遊ゲート電極16、電極間絶縁膜18、および制御ゲート電極20の積層構造からなるゲート形状が画定される。
Thereafter, the
最後に、図15(a)、15(b)に示すように、ゲートの露出面に電極側壁酸化膜と呼ばれるシリコン酸化膜22を熱酸化法で形成し、その後、イオン注入法を用いてn+ 型のソース/ドレイン領域12を形成した。さらに、全面を覆うようにシリコン酸化膜などの層間絶縁膜24をCVD法で形成した。その後は、周知の方法で配線層等を形成して不揮発性半導体メモリ装置が完成する。
Finally, as shown in FIGS. 15A and 15B, a
このように本実施形態によって形成したメモリセルに定電流ストレスを印加したときのSILC、およびΔVgeを従来技術、すなわち浮遊ゲート電極を多結晶シリコン膜で形成した場合との比較を行った結果を図16に示す。なお、ここではそれぞれ従来のメモリセルの値を基準として規格化して図示する。さらに、ここで述べるΔVgeは図17に示すように、書込電圧相当の定電流ストレスを印加している際にゲート電圧が変動するが、このとき電子注入量が2C/cm2となる時間でのゲート電圧変化をΔVgeと定義している。つまり、ΔVgeは定電流ストレス時に膜中に形成されるトラップの量に関係する。図16からわかるように、SILCおよびΔVgeともに従来に比べ、本実施形態によるメモリセルのほうが低く抑えられている。前述のように、SILCおよびΔVgeの起源は、電気的ストレス印加によって、トンネル絶縁膜中の弱い構造部分がホットキャリアにより局所的に破壊され、これにより生成するトラップや欠陥である。 As described above, the results of comparison between SILC and ΔVge when a constant current stress is applied to the memory cell formed according to the present embodiment are compared with the conventional technique, that is, when the floating gate electrode is formed of a polycrystalline silicon film. 16 shows. Here, the values are standardized with reference to the values of the conventional memory cells. Further, as shown in FIG. 17, the ΔVge described here changes the gate voltage when a constant current stress corresponding to the write voltage is applied. At this time, the amount of electron injection is 2 C / cm 2. Is defined as ΔVge. That is, ΔVge is related to the amount of traps formed in the film at the time of constant current stress. As can be seen from FIG. 16, both the SILC and ΔVge are suppressed to be lower in the memory cell according to the present embodiment than in the prior art. As described above, the origins of SILC and ΔVge are traps and defects generated due to local breakdown of weak structural portions in the tunnel insulating film by hot carriers due to application of electrical stress.
従来のメモリセルでは、図18に示すように、浮遊ゲート電極50が多結晶シリコン膜であるため、トンネル絶縁膜14に形成されるバーズビーク部分52は、様々な面方位の結晶粒の酸化により形成され、(100)面以外の不安定な弱い結合を多く含む酸化膜により増膜する。このため、電気的ストレス印加によるΔVgeやSILCの劣化が顕著である。
In the conventional memory cell, as shown in FIG. 18, since the floating
これに対し、本実施形態では先述のように、浮遊ゲート電極が単結晶シリコン膜であり、かつその面方位はシリコン基板のそれと同じであることから、トンネル絶縁膜の増膜部分(バーズビーク)は、より結合の強い酸化膜となる。このため電気的なストレス印加に対して、劣化を抑制することが可能となる。また、浮遊ゲート電極が単結晶シリコン膜であることから、浮遊ゲート電極の加工(パターニング)による寸法等のばらつきも抑制できるため、素子(メモリセル)間の特性のばらつき、および信頼性のばらつきも、従来のメモリセルよりも抑制することが可能となる。 On the other hand, in this embodiment, as described above, the floating gate electrode is a single crystal silicon film, and the plane orientation is the same as that of the silicon substrate. Therefore, the increased portion (bird's beak) of the tunnel insulating film is As a result, the oxide film has a stronger bond. For this reason, it becomes possible to suppress deterioration against electrical stress application. In addition, since the floating gate electrode is a single crystal silicon film, variations in dimensions and the like due to processing (patterning) of the floating gate electrode can be suppressed. Therefore, variations in characteristics and reliability among elements (memory cells) are also caused. Therefore, it is possible to suppress more than the conventional memory cell.
以上説明したように、本実施形態によれば、浮遊ゲート電極の特性ばらつきを最小限に抑制することができ、トンネル絶縁膜の信頼性の低下を防止することができ、ストレス誘起リーク電流を抑制することができる。 As described above, according to the present embodiment, variation in characteristics of the floating gate electrode can be suppressed to the minimum, deterioration of the reliability of the tunnel insulating film can be prevented, and stress-induced leakage current can be suppressed. can do.
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による不揮発性半導体メモリ装置の製造方法を図19(a)乃至図22(b)を参照して説明する。本実施形態の製造方法によって製造される不揮発性半導体メモリ装置は、図1および図2に示す第1実施形態の不揮発性半導体メモリ装置であって、その製造工程を図19(a)乃至図22(b)に示す。図19(a)、20(a)、21(a)、および22(a)はビット線に平行な方向の断面図であり、図19(b)、20(b)、21(b)、および22(b)はワード線に平行な方向の断面図である。なお、図19(a)、20(a)、21(a)、および22(a)は、それぞれ図19(b)、20(b)、21(b)、および22(b)に示す切断線B−Bで切断した断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The nonvolatile semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method of this embodiment is the nonvolatile semiconductor memory device of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, and the manufacturing process thereof is shown in FIGS. Shown in (b). 19 (a), 20 (a), 21 (a), and 22 (a) are cross-sectional views in the direction parallel to the bit line, and FIGS. 19 (b), 20 (b), 21 (b), And 22 (b) are sectional views in the direction parallel to the word lines. 19 (a), 20 (a), 21 (a), and 22 (a) are cuts shown in FIGS. 19 (b), 20 (b), 21 (b), and 22 (b), respectively. It is sectional drawing cut | disconnected by line BB.
まず、図19(a)、19(b)に示すように、所望の不純物をドーピングした、面方位が(100)であるp型シリコン基板1の表面に、トンネル絶縁膜となる厚さ約7nmから8nmのSiON膜14を熱酸化法および熱窒化法を用いて形成し、その後、浮遊ゲート電極となる厚さ60nmのリンがドープされた非晶質シリコン膜31をCVD法で堆積した。このときの温度は420℃とした。続いて、非晶質シリコン膜31上にマスク材となるシリコン窒化膜32を堆積した。このとき、シリコン窒化膜32の堆積温度は非晶質シリコン膜31が結晶化をしない温度で行う必要があり、600℃以下、望ましくは500℃以下で行うことが好ましい。また、熱CVDの代わりに、例えばプラズマCVD等の、励起種を用いる堆積方法を用いてもよく、この場合は500℃以下で十分にシリコン窒化膜を堆積することが可能である。その後、レジストマスク(図示せず)をシリコン窒化膜32上に形成し、RIE法により、シリコン窒化膜32、非晶質シリコン膜31、トンネル絶縁膜14をシリコン基板1の表面が露出するまで順次エッチング加工する。本実施形態の製造方法においては、第1実施形態で説明した製造方法とは異なり、シリコン基板1に溝33を形成せず、シリコン基板1の表面が露出したところで、エッチングを終了する。
First, as shown in FIGS. 19A and 19B, a thickness of about 7 nm serving as a tunnel insulating film is formed on the surface of a p-
次に、図20(a)、20(b)に示すように、全面に非晶質シリコン膜34を堆積する。このときの温度は420℃とした。なお、非晶質シリコン膜34の堆積前に、例えば希フッ酸処理を行うなどして、結晶成長(固相成長)のシードとなるシリコン基板1の表面の自然酸化膜を除去する。さらに、このときのシードとなるシリコン基板1と非晶質シリコン膜34との界面35における酸素の面密度が1×1015atom/cm2以下であることが好ましい。この条件を満たせば、後述する固相エピタキシャル成長が可能となる。
Next, as shown in FIGS. 20A and 20B, an
次に、例えば550℃から700℃の間で熱処理を行うと、図21(a)、21(b)に示すように、上記シードとなる各シリコン基板1の表面35aから固相エピタキシャル成長が始まり、非晶質シリコン膜34が単結晶シリコン膜36になるとともに、浮遊ゲート電極16となる非晶質シリコン膜31の部分も横方向へ固相エピタキシャル成長して結晶化する。そして、隣り合うシードからの固相エピタキシャル成長の最前面がぶつかるところで固相成長が完了する。このとき、図21(b)に示すように、第1実施形態と同様に、固相エピタキシャル成長の最前面がぶつかる部分が、亜粒界17として浮遊ゲート電極16の中央部に形成される。
Next, for example, when heat treatment is performed between 550 ° C. and 700 ° C., as shown in FIGS. 21A and 21B, solid phase epitaxial growth starts from the
次に、図22(a)、22(b)に示すように、再度全面を反応性イオンエッチング法でエッチングする。このとき、浮遊ゲート電極16上に堆積されていたシリコン窒化膜32が再びマスク材として機能し、単結晶シリコン層36およびシリコン基板1をエッチングして、深さ約100nmの素子分離溝37が形成される。その後、第1実施形態で説明したと同様に、エッチングによるダメージ回復等を目的として、厚さ5nm相当のシリコン酸化膜(図示せず)を熱酸化法により形成した。このとき、トンネル絶縁膜にはバーズビークが生成されるが、浮遊ゲート電極16が単結晶シリコン膜であることから、素子(メモリセル)間でばらつきが少なく、かつシリコン基板1の面方位である(100)面上の熱酸化膜と同様となるので、電気的なストレスに対してトラップや欠陥を生成しにくい酸化膜がバーズビークとして形成される。
Next, as shown in FIGS. 22A and 22B, the entire surface is etched again by the reactive ion etching method. At this time, the
その後は、第1実施形態の図12(a)、12(b)〜図15(a)、15(b)に示す工程を同様に行い、不揮発性半導体メモリ装置を完成する。 Thereafter, the steps shown in FIGS. 12A, 12B to 15A, 15B of the first embodiment are similarly performed to complete the nonvolatile semiconductor memory device.
本実施形態の製造方法は、第1実施形態で説明した製造方法とは異なり、単結晶化工程を行う前のシリコン基板1には溝が形成されていないので、単結晶化させたい浮遊ゲート電極と固相エピタキシャル成長の出発点となるシード部分が近くなる。すなわち、シード部分から浮遊ゲート電極16までの距離が短くなるため、固相エピタキシャル成長に要する時間(浮遊ゲート電極16の単結晶化に要する時間)を短時間化させることができるとともに、固相成長距離が短いが故に結晶欠陥の生成をより抑制することが可能となる。
Unlike the manufacturing method described in the first embodiment, the manufacturing method according to the present embodiment has no trench formed in the
本実施形態も第1実施形態と同様に、浮遊ゲート電極の特性ばらつきを最小限に抑制することができ、トンネル絶縁膜の信頼性の低下を防止することができ、ストレス誘起リーク電流を抑制することができる。 Similar to the first embodiment, this embodiment can also minimize the variation in characteristics of the floating gate electrode, can prevent a decrease in the reliability of the tunnel insulating film, and can suppress the stress-induced leakage current. be able to.
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による不揮発性半導体メモリ装置の製造方法を図23(a)乃至図28(b)を参照して説明する。本実施形態の製造方法によって製造される不揮発性半導体メモリ装置は、図1および図2に示す第1実施形態の不揮発性半導体メモリ装置であって、その製造工程を図23(a)乃至図28(b)に示す。図23(a)、24(a)、25(a)、26(a)、27(a)、および28(a)はビット線に平行な方向の断面図であり、図23(b)、24(b)、25(b)、26(b)、27(b)、および28(b)はワード線に平行な方向の断面図である。なお、図23(a)、24(a)、25(a)、26(a)、27(a)、および28(a)はそれぞれ、図23(b)、24(b)、25(b)、26(b)、27(b)、および28(b)に示す切断線B−Bで切断した断面図である。
(Third embodiment)
Next, a method for fabricating the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The nonvolatile semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method of this embodiment is the nonvolatile semiconductor memory device of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, and the manufacturing process thereof is shown in FIGS. Shown in (b). 23 (a), 24 (a), 25 (a), 26 (a), 27 (a), and 28 (a) are cross-sectional views in a direction parallel to the bit line, and FIG. Reference numerals 24 (b), 25 (b), 26 (b), 27 (b), and 28 (b) are cross-sectional views in the direction parallel to the word lines. 23 (a), 24 (a), 25 (a), 26 (a), 27 (a), and 28 (a) are respectively shown in FIGS. 23 (b), 24 (b), and 25 (b). ), 26 (b), 27 (b), and 28 (b) are cross-sectional views taken along the cutting line BB.
ONO構造の電極間絶縁膜18を形成する工程まで、第1実施形態と同様にして行う(図13(a)13(b)参照)。したがって、本実施形態も第1実施形態と同様に、浮遊ゲート電極の特性ばらつきを最小限に抑制することができ、トンネル絶縁膜の信頼性の低下を防止することができ、ストレス誘起リーク電流を抑制することができる。
The process up to the step of forming the interelectrode insulating
電極間絶縁膜18を形成した後、図23(a)、23(b)に示すように、制御ゲート電極として、CVD法でリンがドープされたn+型非晶質シリコン膜19を420℃で堆積して形成し、その上にタングステンシリサイド(WSix)膜20bを形成することにより、WSi膜20b/非晶質シリコン膜19の2層構造の厚さ100nmの電極層を形成した。ここで、WSi膜20bは、W(CO)6を原料ガスとするCVD法を用いてWを堆積し、その後の熱工程で非晶質シリコン膜19をWSixに変換することにより形成した。なお、これらの膜の製造方法はここに示した方法に限らず、他の原料ガスを用いてもよい。また、ALD,CVD法以外の例えばスパッタ法,蒸着法,レーザーアブレーション法,MBE法、またこれらの手法を組み合わせた成膜方法も可能である。続いて、WSix膜20b上にマスク材となるシリコン窒化膜21を堆積した。このとき、シリコン窒化膜21の堆積温度は非晶質シリコン膜19が結晶化をしない温度で行う必要があり、600℃以下、望ましくは500℃以下で堆積する。また、熱CVDの代わりに、例えばプラズマCVD等の励起種を用いる堆積方法を用いてもよく、この場合は500℃以下で十分にシリコン窒化膜を堆積することが可能である。
After the interelectrode insulating
次に、レジストマスク(図示せず)をシリコン窒化膜21上に形成し、RIE法により、シリコン窒化膜21、WSix膜20b、非晶質シリコン膜19、ONO構造の電極間絶縁膜18、単結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極16、トンネル絶縁膜14を順次エッチング加工して、図24(a)、24(b)に示すように、ワード線方向の溝38を形成した。
Next, a resist mask (not shown) is formed on the
次に、図25(a)、25(b)に示すように、全面に非晶質シリコン膜23を再度堆積する。このときの温度は420℃とした。なお、非晶質シリコン膜23の堆積前に、例えば希フッ酸処理を行うなどして、結晶成長(固相成長)のシードとなるシリコン基板1の表面の自然酸化膜を除去する。この場合の固相エピタキシャル成長のためのシード部は、後の工程でソース/ドレイン領域となる部分である。さらに、このときのシードとなるシリコン基板1と非晶質シリコン膜32との界面における酸素の面密度が1×1015atom/cm2以下であることが好ましい。この条件を満たせば、固相エピタキシャル成長が可能である。
Next, as shown in FIGS. 25A and 25B, an
次に、例えば550℃から700℃の間で熱処理を行う。すると、図26(a)、26(b)に示すように、シードとなる各シリコン基板1の表面35aから固相エピタキシャル成長が始まり、非晶質シリコン膜23が単結晶シリコン膜26になるとともに、制御ゲート電極となる非晶質シリコン膜19も横方向へ固相エピタキシャル成長して単結晶化する。そして、隣り合うシードからの固相エピタキシャル成長の最前面がぶつかるところで固相成長が完了する。このとき、固相エピタキシャル成長の最前面がぶつかる部分が、亜粒界27として制御ゲート電極20cの中央部でかつワード線方向に形成される。すなわち、浮遊ゲート電極16の中央部の亜粒界17と制御ゲート電極20cの中央部の亜粒界27はほぼ直交する配置となる。
Next, for example, heat treatment is performed between 550 ° C. and 700 ° C. Then, as shown in FIGS. 26 (a) and 26 (b), solid phase epitaxial growth starts from the
次いで、図27(a)、27(b)に示すように、再度全面を反応性イオンエッチング法でエッチングする。このとき、WSix膜20b上に堆積されていたシリコン窒化膜21が再びマスク材として機能し、WSix膜20b、単結晶シリコン膜20c、ONO構造の電極間絶縁膜18、単結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極16、トンネル絶縁膜14を順次エッチング加工して、図27(a)に示すように、ワード線方向の溝38が再度形成される。ここで、シリコン窒化膜21がマスクとして機能するため、リソグラフィ工程は追加されず、自己整合的に素子領域が形成される。これにより、トンネル絶縁膜14、浮遊ゲート電極16、電極間絶縁膜18、および制御ゲート電極20の積層構造からなるゲート形状が画定する。
Next, as shown in FIGS. 27A and 27B, the entire surface is etched again by the reactive ion etching method. At this time, the
最後に、図28(a)、28(b)に示すように、ゲートの露出面に電極側壁酸化膜と呼ばれるシリコン酸化膜22を熱酸化法で形成後、イオン注入法を用いてn+型のソース/ドレイン領域12を形成した。さらに、全面を覆うようにシリコン酸化膜などの層間絶縁膜24をCVD法で形成した。その後は、周知の方法で配線層等を形成して不揮発性半導体メモリセルが完成する。
Finally, as shown in FIGS. 28A and 28B, a
このように本実施形態によって形成したメモリセルにおいては、浮遊ゲート電極16のみならず制御ゲート電極20も単結晶化させることができるので、電極間絶縁膜18の膜質劣化を抑制し、書込/消去時の高電界印加に対して、特性劣化を抑制することが可能となる。さらに、浮遊ゲート電極16の単結晶化と同様に、制御ゲート電極20の加工後の側面の形状および後酸化工程後の側面の形状が多結晶シリコンの場合に比べ平滑となり、かつメモリセル間のばらつきも小さくすることができる。これにより、特にメモリセルの微細化が進んだ場合、制御ゲート電極20の面積のばらつきが抑制され、不揮発性半導体メモリ装置で重要となる電極間絶縁膜とトンネル絶縁膜のカップリング比のばらつきも抑制され、メモリセル特性の均質化が可能となる。
As described above, in the memory cell formed according to the present embodiment, not only the floating
また、本実施形態では電極間絶縁膜としてONO膜を用いて説明を行ったが、例えばHfO2やHfSiOのような、高誘電体を電極間絶縁膜材料として用いた場合、高誘電体膜中酸素がそれと接触するシリコンを容易に酸化し、界面層と呼ばれるシリコン酸化膜を主成分とする低誘電率層が形成される。 In the present embodiment, the ONO film is used as the interelectrode insulating film. However, when a high dielectric material such as HfO 2 or HfSiO is used as the interelectrode insulating film material, Oxygen easily oxidizes silicon that comes into contact with it, and a low dielectric constant layer called a interface layer composed mainly of a silicon oxide film is formed.
従来のように、浮遊ゲート電極および制御ゲート電極が多結晶シリコン膜を用いている場合、多結晶シリコン膜が故に成長する界面層の膜厚は、面方位によってまちまちとなり、特に端部で膜厚のばらつきを生じる。これにより、素子間の特性や信頼性にばらつきを生じる。 When the floating gate electrode and the control gate electrode are made of a polycrystalline silicon film as in the prior art, the thickness of the interface layer that grows because of the polycrystalline silicon film varies depending on the plane orientation, particularly at the edges. Cause variations. This causes variations in the characteristics and reliability between elements.
これに対し、本実施形態では浮遊ゲート電極および制御ゲート電極の両ゲート電極を単結晶化することで、またいずれもシリコン基板を固相エピタキシャル成長のシードとしていることから、両ゲート電極の面方位が一致しており、高誘電体膜上下の界面層の膜質や膜厚は均一化し、素子間の特性や信頼性のばらつきも抑制することが可能となる。 In contrast, in this embodiment, both the floating gate electrode and the control gate electrode are made into a single crystal, and since both use the silicon substrate as a seed for solid phase epitaxial growth, the plane orientation of both gate electrodes is The film quality and film thickness of the interface layer above and below the high dielectric film are made uniform, and variations in characteristics and reliability between elements can be suppressed.
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による不揮発性半導体メモリ装置を図29乃至図31を参照して説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a non-volatile semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention is described with reference to FIGS.
本実施形態の不揮発性半導体メモリ装置は、図1および図2に示す第1実施形態の不揮発性半導体メモリ装置において、トンネル絶縁膜14の高信頼化するために、ハロゲン元素、例えばフッ素をトンネル絶縁膜に導入した構成となっている。
The nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment is the same as the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, in order to make the
一般的に、トンネル絶縁膜の高信頼化を図るために、水素の同位体である重水素やハロゲン元素を導入する技術が知られている。例えば、特開平8−116059号公報に示すように、トンネル絶縁膜へフッ素を導入すると、フッ素がトンネル膜中に拡散する。しかし、図29に示すように、多結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極50の場合は、多結晶シリコンの結晶粒界を介したハロゲン元素の拡散が速いために、トンネル絶縁膜14中へ導入されるフッ素濃度の制御が難しい。さらに、メモリセルが微細化すると、メモリセルごとに結晶粒界の位置や量にばらつきが生じ、これに伴い、トンネル絶縁膜14へのフッ素の添加量もまちまちとなり、高信頼化の均一性を実現することが困難となる。
In general, a technique for introducing deuterium or a halogen element, which is an isotope of hydrogen, is known in order to improve the reliability of a tunnel insulating film. For example, as disclosed in JP-A-8-116059, when fluorine is introduced into the tunnel insulating film, the fluorine diffuses into the tunnel film. However, as shown in FIG. 29, the floating
これに対して、本実施形態の不揮発性半導体メモリ装置においては、浮遊ゲート電極16が単結晶シリコン膜であり、かつ浮遊ゲート電極16中の亜粒界17が浮遊ゲート電極16の中央にビット線に平行な方向に沿って位置しているので、亜粒開17の位置がメモリセル間で実質的に一致している。このため、トンネル絶縁膜14に重水素またはハロゲン元素を、浮遊ゲート電極16を通じて添加する場合には、結晶粒界を通じて過剰な添加元素の拡散を抑制することが可能となり、均一でかつ高信頼性のトンネル絶縁膜を得ることができる。
On the other hand, in the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment, the floating
また、浮遊ゲート電極16のほぼ中央部に亜粒界17が形成されるので、この亜粒界17を通じた添加元素の拡散によりトンネル絶縁膜14の中央部が添加元素の濃度のピークとなるように添加物が分布する。先述したように、トンネル絶縁膜の中央部はバーズビーク15の形成により端部よりも膜厚が薄く、このため電界集中する。それによりトンネル絶縁膜が局所的に劣化してしまうが、本実施形態では亜粒界17が浮遊ゲート電極16のほぼ中央部に形成されることから、その部分に効率よく添加物を導入することが可能となる。また、フッ素添加のタイミングによってトンネル絶縁膜14中の添加元素の分布を制御することが可能となる。例えば、浮遊ゲート電極16の加工前、例えば、第1実施形態における図11に示す工程を行う前に添加元素を導入すると、図30に示すように、トンネル絶縁膜14の中央部にピークを持つように分布する。この場合は電界集中するトンネル絶縁膜14の中央部のみ添加元素を導入し、高信頼化を図る場合に適している。
In addition, since the
また、ゲート電極16の加工後、例えば、第1実施形態における図11に示す工程を行った後にフッ素を導入すると、端部からもフッ素が導入されるので、図31に示すように、添加元素がW型に分布させることができる。この分布は、例えば加工ダメージが顕著に入ってしまうプロセス条件の場合にはダメージ回復のために強めの後酸化が実施されるが、このときに書込/消去時の高電界印加に対してトラップや欠陥を生成しやすいバーズビークとなる端部を改質すること適用することができる。また、バーズビークが形成されることによるトンネル絶縁膜14の中央部の電界集中部分も選択的に添加元素を効率よく導入することができ、この中央部分のトラップや欠陥生成も抑制することが可能となる。
Further, after the
実際に、SILCを評価し比較した結果を図32に示す。ここで、用いた信頼性向上のための添加元素はフッ素であり、またその導入はゲート電極中へイオン注入を行い、熱拡散によりトンネル絶縁膜へ導入する一般的な方法を用いている。また添加元素の濃度は、ゲート電極中へのイオン注入ドーズ量に比例するので、横軸は添加元素の注入ドーズ量としている。図32からわかるように、従来のようにゲート電極が多結晶である場合も、フッ素添加によりSILCが抑制されている。また、本実施形態によるゲート電極を単結晶化し、かつ中央部に亜粒界が形成されるような場合では、よりSILCが抑制されていることがわかる。これは、トンネル絶縁膜中において高電界ストレス印加時に主に欠陥やトラップが形成される部分に効率よくフッ素原子が導入されたためと考えられる。 FIG. 32 shows the result of actually evaluating and comparing SILC. Here, the additive element for improving reliability used is fluorine, and the introduction is performed by a general method in which ions are implanted into the gate electrode and introduced into the tunnel insulating film by thermal diffusion. Further, since the concentration of the additive element is proportional to the dose amount of ion implantation into the gate electrode, the horizontal axis represents the dose amount of additive element. As can be seen from FIG. 32, SILC is suppressed by addition of fluorine even when the gate electrode is polycrystalline as in the prior art. In addition, it can be seen that SILC is further suppressed when the gate electrode according to the present embodiment is single-crystallized and a sub-grain boundary is formed at the center. This is presumably because fluorine atoms were efficiently introduced into the tunnel insulating film where defects and traps were mainly formed when a high electric field stress was applied.
なお、本実施形態においては、添加元素としてフッ素を用いたが、他のハロゲン元素または重水素を用いることができる。 In the present embodiment, fluorine is used as an additive element, but other halogen elements or deuterium can be used.
以上説明したように、本実施形態によれば、トンネル絶縁膜中において高電界ストレス印加時に主に欠陥やトラップが形成される部分に、高信頼化のための添加元素を効率よく導入することが可能となるので、信頼性の高いトンネル絶縁膜とすることができ、浮遊ゲート電極の特性ばらつきを最小限に抑制し、トンネル絶縁膜の信頼性の低下を防止し、かつストレス誘起リーク電流を抑制することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to efficiently introduce an additive element for high reliability into a portion where defects and traps are mainly formed in a tunnel insulating film when a high electric field stress is applied. Therefore, it is possible to make a tunnel insulating film with high reliability, minimizing variation in characteristics of the floating gate electrode, preventing deterioration of the reliability of the tunnel insulating film, and suppressing stress-induced leakage current It becomes possible to do.
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態による不揮発性半導体メモリ装置の製造方法を説明する。本実施形態に製造方法によって製造される不揮発性半導体メモリ装置は、SONOS型不揮発性半導体メモリ装置であって、その製造工程を図33(a)乃至図41(b)に示す。図33(a)、34(a)、35(a)、36(a)、37(a)、38(a)、39(a)、40(a)、および41(a)はビット線に平行な方向の断面図であり、図33(b)、34(b)、35(b)、36(b)、37(b)、38(b)、39(b)、40(b)、および41(b)はワード線に平行な方向の断面図である。なお、図33(a)、34(a)、35(a)、36(a)、37(a)、38(a)、39(a)、40(a)、および41(a)はそれぞれ、図33(b)、34(b)、35(b)、36(b)、37(b)、38(b)、39(b)、40(b)、および41(b)に示す切断線B−Bで切断した断面図である。
(Fifth embodiment)
Next, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the present invention will be described. The nonvolatile semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment is a SONOS type nonvolatile semiconductor memory device, and its manufacturing process is shown in FIGS. 33 (a) to 41 (b). 33 (a), 34 (a), 35 (a), 36 (a), 37 (a), 38 (a), 39 (a), 40 (a), and 41 (a) are bit lines. It is sectional drawing of a parallel direction, FIG. 33 (b), 34 (b), 35 (b), 36 (b), 37 (b), 38 (b), 39 (b), 40 (b), And 41 (b) are cross-sectional views in the direction parallel to the word lines. 33 (a), 34 (a), 35 (a), 36 (a), 37 (a), 38 (a), 39 (a), 40 (a), and 41 (a) are respectively shown in FIG. 33 (b), 34 (b), 35 (b), 36 (b), 37 (b), 38 (b), 39 (b), 40 (b), and 41 (b) shown in FIG. It is sectional drawing cut | disconnected by line BB.
まず、図33(a)、33(b)に示すように、所望の不純物がドーピングされた、面方位が(100)であるp型シリコン基板1の表面に、トンネル絶縁膜となる厚さ約4nmから5nmのSiON膜14を熱酸化法および熱窒化法で形成する。その後、電荷蓄積層となる厚さ60nmのシリコン窒化膜60をCVD法で堆積した。このとき使用するガスは、例えばジクロルシラン(SiH2Cl2)とアンモニア(NH3)、もしくはヘキサクロルジシラン(Si2Cl6)とアンモニア(NH3)を用いて行い、成膜温度は約450℃から800℃とした。続いて、レジストマスク(図示せず)をシリコン窒化膜60上に形成し、RIE法により、シリコン基板1の表面が露出するまで、シリコン窒化膜60、SiON膜14を順次エッチング加工し、さらにシリコン基板1の露出した領域をエッチングして、深さ100nmの素子分離溝62を形成した。その後、上記レジストマスクを除去する。
First, as shown in FIGS. 33 (a) and 33 (b), a thickness of about a tunnel insulating film is formed on the surface of a p-
次に、図34(a)、34(b)に示すように、全面に素子分離用のシリコン酸化膜3を堆積して、素子分離溝62を完全に埋め込んだ。その後、シリコン窒化膜60の上面が露出するまで、シリコン酸化膜3をCMP法で除去して、シリコン酸化膜3の表面を平坦化した。
Next, as shown in FIGS. 34A and 34B, a
次に、図35(a)、35(b)に示すように、シリコン酸化膜3の露出した表面を希フッ酸溶液でエッチング除去し、シリコン窒化膜60の側壁面を露出させた。その後、全面にブロック絶縁膜となる厚さ15nmのハフニウムアルミネート(HfAlOx)膜64を形成した。このHfAlOx膜64の形成は、Al(CH3)3、Hf[N(CH3)2]4とH2Oを原料とするALD法を用いて250℃の工程で行い、引き続いて1000℃、N2、1気圧の雰囲気でアニールを行った。ここで、本実施形態ではブロック絶縁膜64としてHfAlOx膜を例にとって説明したが、これに限定されるものではなく、例えばシリコン酸化膜、SiON膜、アルミナ(Al2O3)膜、ハフニア(HfO2)、ジルコニア(ZrO2)、ランタン酸化物(La2O3)、ランタンアルミネート(LaAlO3)、あるいはこれらのシリケート材や積層膜を用いても同様の効果が得られる。また、本実施形態では、素子分離用シリコン酸化膜3の表面を少しエッチングして、ブロック絶縁膜64に段差を持たせるような構造を用いているが、これに限定されるものではなく、ブロック絶縁膜64を平坦になるように構成しても良く、これはトンネル絶縁膜14および電荷蓄積層60との所望の容量比に応じて選択が可能である。
Next, as shown in FIGS. 35A and 35B, the exposed surface of the
次に、図36(a)、36(b)に示すように、制御ゲート電極としてCVD法でリンがドープされたn+型非晶質シリコン膜66を420℃で堆積して形成し、その上にWSix膜68を形成することにより、WSix膜68/非晶質シリコン膜66からなる2層構造の厚さ100nmの電極層を形成した。ここで、WSix膜68は、W(CO)6を原料ガスとするCVD法を用いてWを堆積し、その後の熱工程で非晶質シリコン膜66をWSixに変換することにより形成した。なお、これらの膜の製造方法はここに示した方法に限らず、他の原料ガスを用いてもよい。また、ALD、CVD法以外の例えばスパッタ法、蒸着法、レーザーアブレーション法、MBE法、またこれらの手法を組み合わせた成膜方法も可能である。続いて、制御ゲート電極となるWSix膜68上にマスク材となるシリコン窒化膜70を堆積した。このとき、シリコン窒化膜70の堆積温度は非晶質シリコン膜66が結晶化をしない温度で行う必要があり、600℃以下、望ましくは500℃以下で堆積する。また、熱CVDの代わりに例えばプラズマCVD等の励起種を用いる堆積方法を用いてもよく、この場合は500℃以下で十分にシリコン窒化膜70を堆積することが可能である。
Next, as shown in FIGS. 36A and 36B, an n + -type
次に、レジストマスク(図示せず)をシリコン窒化膜70、WSix膜68、非晶質シリコン膜66、HfAlOx膜64、電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜60、トンネル絶縁膜であるSiON膜14を順次エッチング加工して、ワード線方向の溝72を形成した(図37(a)、37(b)参照)。
Next, a resist mask (not shown) is used as a
次に、図38(a)、38(b)に示すように、全面に非晶質シリコン膜74を堆積する。このときの温度は420℃とした。また、非晶質シリコン膜74の堆積前に、例えば希フッ酸処理を行うなどして、結晶成長(固相成長)のシードとなるシリコン基板1の表面の自然酸化膜を除去する。なお、この場合の固相エピタキシャル成長のためのシード部は、後の工程でソース/ドレイン領域となる部分である。さらに、このときのシードとなるシリコン基板と非晶質シリコン膜との界面における酸素の面密度が1×1015atom/cm2以下であることが好ましい。この条件を満たせば、固相エピタキシャル成長が可能である。
Next, as shown in FIGS. 38A and 38B, an
次に、例えば550℃から700℃の間で熱処理を行う。すると、図39(a)、39(b)に示すように、シードとなる各シリコン基板1の表面35aから固相エピタキシャル成長が始まり、非晶質シリコン膜74が単結晶シリコン膜75になるとともに、制御ゲート電極となる非晶質シリコン膜66も横方向へ固相エピタキシャル成長して結晶化する。そして、隣り合うシードからの固相エピタキシャル成長の最前面がぶつかるところで固相成長が完了する。このとき、固相エピタキシャル成長の最前面がぶつかる部分が、亜粒界69として単結晶シリコン膜67の中央部でかつワード線に平行な方向、すなわち後述するソース領域およびドレイン領域80の対向する方向に直交する方向に沿って形成される。
Next, for example, heat treatment is performed between 550 ° C. and 700 ° C. Then, as shown in FIGS. 39 (a) and 39 (b), solid phase epitaxial growth starts from the
次に、図40(a)、40(b)に示すように、再度全面を反応性イオンエッチング法でエッチングする。このとき、シリコン窒化膜70が再びマスク材として機能し、WSix膜68および単結晶シリコン膜67からなる制御ゲート電極65、ブロック絶縁膜64、シリコン窒化膜60、トンネル絶縁膜14を順次エッチング加工して、図40(a)に示すように、ワード線方向の溝76が再度形成される。ここで、シリコン窒化膜70がマスクとして機能するため、リソグラフィ工程は追加されず、自己整合的に素子領域が形成される。これにより、ゲート絶縁膜14、電荷蓄積膜60、ブロック絶縁膜64、制御ゲート電極65の積層構造からなるゲート形状が画定する。
Next, as shown in FIGS. 40A and 40B, the entire surface is etched again by the reactive ion etching method. At this time, the
最後に、図41(a)、41(b)に示すように、ゲートの露出面に電極側壁酸化膜と呼ばれるシリコン酸化膜78を熱酸化法で形成後、イオン注入法を用いてn+型のソース/ドレイン領域80を形成した。さらに、全面を覆うようにシリコン酸化膜などの層間絶縁膜82をCVD法で形成した。その後は、周知の方法で配線層等を形成してSONOS型不揮発性半導体メモリ装置が完成する。
Finally, as shown in FIGS. 41A and 41B, a
このように本実施形態によれば、SONOS型不揮発性半導体メモリ装置の制御ゲート電極65を単結晶化することができるので、ゲート加工時の端部のラフネスを低減し、メモリセル間の特性ばらつきを抑制することが可能となる。また、本実施形態ではブロック絶縁膜64としてHfAlOxを用いたが、このような高誘電体をシリコン膜と接触させた場合、高温熱工程で高誘電体膜中の酸素がシリコン膜と反応し、容易に界面を酸化し、界面層と呼ばれるシリコン酸化膜を主成分とする低誘電率層が形成される。
As described above, according to the present embodiment, the
従来のように制御ゲート電極が多結晶シリコン膜の場合、多結晶シリコン膜が故に成長する界面層の膜厚は、面方位によってまちまちとなり、特に短部で膜厚のばらつきを生じる。これにより、素子間の特性や信頼性にばらつきを生じる。 When the control gate electrode is a polycrystalline silicon film as in the prior art, the film thickness of the interface layer grown due to the polycrystalline silicon film varies depending on the plane orientation, and the film thickness varies particularly in the short part. This causes variations in the characteristics and reliability between elements.
これに対し、本実施形態では制御ゲート電極を単結晶化することで、高誘電体膜上の界面層の膜質や膜厚は均一化し、メモリセル間の特性や信頼性のばらつきも抑制することが可能となる。 In contrast, in the present embodiment, the control gate electrode is made into a single crystal, so that the film quality and film thickness of the interface layer on the high dielectric film are made uniform, and variations in characteristics and reliability between memory cells are suppressed. Is possible.
上記第1乃至第5実施形態においては、メモリセルのソース/ドレイン領域はn型であったが、p型であってもよい。この場合は、半導体基板はn型となる。なお、ソース/ドレイン領域にNiまたはCoのシリサイド層が形成されていてもよい。 In the first to fifth embodiments, the source / drain regions of the memory cell are n-type, but may be p-type. In this case, the semiconductor substrate is n-type. A Ni or Co silicide layer may be formed in the source / drain regions.
また、上記第1乃至第5実施形態においては、半導体基板はバルク基板であったが、SOI(Silicon On Insulator)基板等の各種半導体基板を用いることができる。 In the first to fifth embodiments, the semiconductor substrate is a bulk substrate, but various semiconductor substrates such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate can be used.
また、上記第1乃至第5実施形態においては、NAND型の不揮発性半導体メモリ装置であったが、本発明は、NOR型の不揮発性半導体メモリ装置にも適用することができる。 In the first to fifth embodiments, the NAND type nonvolatile semiconductor memory device has been described. However, the present invention can also be applied to a NOR type nonvolatile semiconductor memory device.
また、本発明は、上記の実施形態にのみ限定されるものではなく、メモリ装置とロジック回路が混載されたシステムLSIの半導体装置等に、種々変形して実施することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented with various modifications to a system LSI semiconductor device in which a memory device and a logic circuit are mounted together.
1 シリコン基板
3 素子分離領域
12 ソース/ドレイン領域
14 トンネル絶縁膜
15 バーズビーク
16 浮遊ゲート電極
17 亜粒界
18 電極間絶縁膜
19 非晶質シリコン膜
20 制御ゲート電極
20a 多結晶シリコン膜
20b タングステンシリサイド膜
21 シリコン窒化膜
22 絶縁膜(電極側壁酸化膜)
23 非晶質シリコン膜
24 層間絶縁膜
31 非晶質シリコン膜
32 シリコン窒化膜
33 溝
34 非晶質シリコン膜
36 単結晶膜
37 溝
38 溝
50 多結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極
52 バーズビーク
60 電荷蓄積層
64 ブロック絶縁膜
65 制御ゲート電極
66 非晶質シリコン膜
67 単結晶シリコン膜
68 タングステンシリサイド膜
69 亜粒界
70 シリコン窒化膜
72 溝
74 非晶質シリコン膜
1 Silicon substrate
3
15 Bird's
23
60
Claims (12)
前記半導体層に対向して設けられた一対の第2導電型のソース/ドレイン領域と、
前記ソース/ドレイン領域間の前記半導体層上に設けられた第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に設けられ、前記ソース/ドレイン領域が対向する方向に沿って亜粒界が形成された単結晶の半導体を含む浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に設けられた第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上に設けられた制御ゲート電極と、
を有するメモリセルと、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 A substrate having a semiconductor layer of a first conductivity type;
A pair of second conductivity type source / drain regions provided facing the semiconductor layer;
A first insulating film provided on the semiconductor layer between the source / drain regions;
A floating gate electrode including a single crystal semiconductor provided on the first insulating film and having subgrain boundaries formed in a direction in which the source / drain regions face each other;
A second insulating film provided on the floating gate electrode;
A control gate electrode provided on the second insulating film;
A memory cell having
A semiconductor device comprising:
前記半導体層に対向して設けられた一対の第2導電型のソース/ドレイン領域と、
前記不純物領域間の前記半導体層上に設けられた第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に設けられた電荷蓄積膜と、
前記電荷蓄積膜上に設けられた第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上に設けられ、前記ソース/ドレイン領域が対向する方向と直交する方向に沿って亜粒界が形成された単結晶の半導体を含む制御ゲート電極と、
を有するメモリセルと、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 A substrate having a semiconductor layer of a first conductivity type;
A pair of second conductivity type source / drain regions provided facing the semiconductor layer;
A first insulating film provided on the semiconductor layer between the impurity regions;
A charge storage film provided on the first insulating film;
A second insulating film provided on the charge storage film;
A control gate electrode including a single crystal semiconductor provided on the second insulating film and having a subgrain boundary formed in a direction orthogonal to a direction in which the source / drain regions oppose each other;
A memory cell having
A semiconductor device comprising:
前記第1の絶縁膜上に第1の非晶質半導体膜を形成する工程と、
前記第1の非晶質半導体膜上に第1のマスク用絶縁膜を形成する工程と、
少なくとも前記半導体基板の表面が露出するまで、前記第1のマスク用絶縁膜、前記第1の非晶質半導体膜、および前記第1の絶縁膜からなる積層膜をパターニングする工程と、
パターニングされた前記積層膜を覆うように、第2の非晶質半導体膜を形成する工程と、
熱処理することによって、前記第2の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第1の単結晶膜とするとともに、前記第1の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第2の単結晶膜とする工程と、
エッチングすることにより前記第1の単晶膜を除去する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a first amorphous semiconductor film on the first insulating film;
Forming a first mask insulating film on the first amorphous semiconductor film;
Patterning a laminated film composed of the first mask insulating film, the first amorphous semiconductor film, and the first insulating film until at least the surface of the semiconductor substrate is exposed;
Forming a second amorphous semiconductor film so as to cover the patterned laminated film;
By performing heat treatment, the second amorphous semiconductor film is monocrystallized by solid phase epitaxial growth to form a first single crystal film, and the first amorphous semiconductor film is monocrystallized by solid phase epitaxial growth. And forming a second single crystal film;
Removing the first single crystal film by etching;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1の絶縁膜上に第1の非晶質半導体膜を形成する工程と、
前記第1の非晶質半導体膜上に第1のマスク用絶縁膜を形成する工程と、
少なくとも前記半導体基板の表面が露出するまで、前記第1のマスク用絶縁膜、前記第1の非晶質半導体膜、および前記第1の絶縁膜からなる第1の積層膜をパターニングする工程と、
パターニングされた前記第1の積層膜を覆うように、第2の非晶質半導体膜を形成する工程と、
熱処理することによって、前記第2の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第1の単結晶膜とするとともに、前記第1の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第2の単結晶膜とする工程と、
エッチングすることにより前記第1の単結晶膜を除去するとともに前記半導体基板の一部を除去させる工程と、
全面に素子分離用絶縁膜を堆積し、この素子分離絶縁膜を平坦化することにより、前記第1のマスク用絶縁膜の上面を露出させる工程と、
前記第1のマスク用絶縁膜を除去し、前記第2の単結晶膜の上面を露出させる工程と、
前記第2の単結晶膜の上面を覆うように第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上に第3の非晶質半導体膜を形成する工程と、
前記第3の非晶質半導体膜上に第2のマスク用絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板の表面が露出するまで、前記第2のマスク用絶縁膜、前記第3の非晶質半導体膜、前記第2の絶縁膜、前記第2の単結晶膜、および前記第1の絶縁膜からなる第2の積層膜をゲート形状にパターニングする工程と、
パターニングされた前記第2の積層膜を覆うように第4の非晶質半導体膜を形成する工程と、
熱処理することによって、前記第4の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第3の単結晶膜とするとともに、前記第3の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第4の単結晶膜とする工程と、
エッチングすることにより前記第3の単結晶膜を除去する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a first amorphous semiconductor film on the first insulating film;
Forming a first mask insulating film on the first amorphous semiconductor film;
Patterning the first laminated film including the first mask insulating film, the first amorphous semiconductor film, and the first insulating film until at least the surface of the semiconductor substrate is exposed;
Forming a second amorphous semiconductor film so as to cover the patterned first laminated film;
By performing heat treatment, the second amorphous semiconductor film is monocrystallized by solid phase epitaxial growth to form a first single crystal film, and the first amorphous semiconductor film is monocrystallized by solid phase epitaxial growth. And forming a second single crystal film;
Removing the first single crystal film by etching and removing a part of the semiconductor substrate; and
Depositing an element isolation insulating film on the entire surface, and planarizing the element isolation insulating film, thereby exposing an upper surface of the first mask insulating film;
Removing the first mask insulating film and exposing an upper surface of the second single crystal film;
Forming a second insulating film so as to cover an upper surface of the second single crystal film;
Forming a third amorphous semiconductor film on the second insulating film;
Forming a second mask insulating film on the third amorphous semiconductor film;
Until the surface of the semiconductor substrate is exposed, the second mask insulating film, the third amorphous semiconductor film, the second insulating film, the second single crystal film, and the first insulating film Patterning a second laminated film made of a film into a gate shape;
Forming a fourth amorphous semiconductor film so as to cover the patterned second laminated film;
By performing heat treatment, the fourth amorphous semiconductor film is monocrystallized by solid phase epitaxial growth to form a third single crystal film, and the third amorphous semiconductor film is monocrystallized by solid phase epitaxial growth. A fourth single crystal film,
Removing the third single crystal film by etching;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1の絶縁膜上に電荷蓄積膜を形成する工程と、
エッチングにより前記電荷蓄積膜および前記第1の絶縁膜からなる第1の積層膜をパターニングするとともに前記半導体基板の一部を除去する工程と、
全面に素子分離用絶縁膜を堆積し、この素子分離絶縁膜を平坦化することにより、前記電荷蓄積の上面を露出させる工程と、
前記電荷蓄積膜の上面を覆うように第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上に第1の非晶質半導体膜を形成する工程と、
前記第1の非晶質半導体膜上にマスク用絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板の表面が露出するまで、前記マスク用絶縁膜、前記第1の非晶質半導体膜、前記第2の絶縁膜、前記電荷蓄積膜、および前記第1の絶縁膜からなる第2の積層膜をゲート形状にパターニングする工程と、
パターニングされた前記第2の積層膜を覆うように第2の非晶質半導体膜を形成する工程と、
熱処理することによって、前記第2の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第1の単結晶膜とするとともに、前記第1の非晶質半導体膜を固相エピタキシャル成長により単結晶化して第2の単結晶膜とする工程と、
エッチングすることにより前記第1の単結晶膜を除去する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a charge storage film on the first insulating film;
Patterning the first stacked film comprising the charge storage film and the first insulating film by etching and removing a part of the semiconductor substrate;
Depositing an element isolation insulating film on the entire surface, and planarizing the element isolation insulating film, thereby exposing the upper surface of the charge accumulation;
Forming a second insulating film so as to cover the upper surface of the charge storage film;
Forming a first amorphous semiconductor film on the second insulating film;
Forming an insulating film for a mask on the first amorphous semiconductor film;
Until the surface of the semiconductor substrate is exposed, a second insulating film is formed of the mask insulating film, the first amorphous semiconductor film, the second insulating film, the charge storage film, and the first insulating film. Patterning the laminated film into a gate shape;
Forming a second amorphous semiconductor film so as to cover the patterned second laminated film;
By performing heat treatment, the second amorphous semiconductor film is monocrystallized by solid phase epitaxial growth to form a first single crystal film, and the first amorphous semiconductor film is monocrystallized by solid phase epitaxial growth. And forming a second single crystal film;
Removing the first single crystal film by etching;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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---|---|---|---|---|
JP2012109564A (en) * | 2010-11-08 | 2012-06-07 | Imec | Method of manufacturing floating gate memory structure |
US9935122B2 (en) | 2015-09-10 | 2018-04-03 | Toshiba Memory Corporation | Nonvolatile semiconductor memory device having electron scattering and electron accumulation capacities in charge accumulation layer |
US10153262B2 (en) | 2017-03-16 | 2018-12-11 | Toshiba Memory Corporation | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
-
2007
- 2007-06-28 JP JP2007170166A patent/JP2009010166A/en active Pending
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US9935122B2 (en) | 2015-09-10 | 2018-04-03 | Toshiba Memory Corporation | Nonvolatile semiconductor memory device having electron scattering and electron accumulation capacities in charge accumulation layer |
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