JP2009141144A - Semiconductor memory device, and methods of manufacturing and driving the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体記憶装置及びその製造方法とデータ消去駆動方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device, a manufacturing method thereof, and a data erasure driving method.
MONOS(Metal‐Oxide‐Nitride‐Oxide‐Semiconductor)型記憶素子、フローティングゲート型記憶素子を始めとしたMIS(Metal‐Insulator‐Semiconductor)型電界効果トランジスタ構造を持つ記憶素子では、一般的にシングルドレイン構造が用いられ、ONO(Oxide‐Nitride‐Oxide)膜やフローティングゲートといった電荷保持膜中へのチャネルホットキャリア注入を用いたデータ書き込みが行われる。
シングルドレイン構造におけるソース領域およびドレイン領域は、ゲート電極をマスクとして、N型チャネル素子の場合はP、As、Sbのいずれかを、P型チャネル素子の場合はBを、高濃度にイオン注入した後、活性化アニールすることによって形成される。これによりソース領域およびドレイン領域は、ゲート電極に対して自己整合的な位置に形成することが出来るため、素子特性のばらつきを小さくすることが出来る。
MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) type memory elements, floating gate type memory elements and other memory elements having MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) type field effect transistor structures are generally single drain structures. Is used, and data writing is performed using channel hot carrier injection into a charge holding film such as an ONO (Oxide-Nitride-Oxide) film or a floating gate.
The source region and the drain region in the single drain structure are ion-implanted at a high concentration with any of P, As, and Sb in the case of an N-type channel device and B in the case of a P-type channel device, using a gate electrode as a mask. Thereafter, it is formed by activation annealing. Accordingly, since the source region and the drain region can be formed at positions that are self-aligned with respect to the gate electrode, variation in element characteristics can be reduced.
図8に、従来技術によって製造した半導体記憶装置の例を示す。図8に示した半導体記憶装置は、ガラス基板51上に保護絶縁膜52を介して多結晶シリコン53を形成し、この多結晶シリコン53の上にゲート絶縁膜54およびゲート電極55を積層し、ゲート電極55をマスクとして結晶シリコン53にBを注入し、活性化アニ−ルしてソース領域56、ドレイン領域57を形成したものである。この半導体記憶装置は、更に層間絶縁膜61、ソース電極62、ドレイン電極63が形成される。
FIG. 8 shows an example of a semiconductor memory device manufactured by the prior art. In the semiconductor memory device shown in FIG. 8, a
しかしながら、図9に示すように、前記シングルドレイン構造を用いたMIS型電界効果トランジスタ構造を持つ記憶素子では、ソース領域56及びドレイン領域57に対してゲート電極13がオーバーラップする長さTは600℃以下の活性化アニ−ルによるB(ボロン)の熱拡散よって形成される部分であるため小さい。そのため、チャネルホットキャリアに対する耐性が弱い。即ち、データ書き込み時のチャネルホットキャリアHがドレイン端近傍上の絶縁膜中に注入されるチャネルホットキャリアCにより、ドレイン端部が空乏化され、更には反転層が形成されることによって、ドレイン領域57がゲート電極55に対して容易にオフセットSを生じてしまう。特に、前記オフセットをソース側としてデータ読み出し動作を行う場合は、S値(サブスレッショルド係数)の劣化、オン電流が減少することによるオン電流の劣化等が顕著となり、良好なデータ保持特性が得られない。S値とは、サブスレッショルド領域において、ドレイン電流が1桁上昇するのに必要なゲート電圧増加を表す値である。即ち、S=1/(d(log10(Id))/dVg)(Idはドレイン電流)で表される。
However, as shown in FIG. 9, in the memory element having the MIS field effect transistor structure using the single drain structure, the length T at which the
また、低消費電力を実現する不揮発性メモリトランジスタが、例えば特許文献1に開示されている。特許文献1のメモリトランジスタは、半導体層上に、第1絶縁膜、フローティングゲート、第2絶縁膜、コントロール電極を積層し、このゲートの側方の半導体層にチタン、タングステン、コバルト、モリブデン等の金属をスパッタリング法により金属層を形成し、次に熱処理してシリサイド化することにより、ソース領域とドレイン領域を形成する構造である。この構成によりチャネル領域とソース領域、ドレイン領域の境界にショットキー接合を形成する。ショットキー接合の電位障壁は、pn接合の電位障壁に比して、小さいため、低い電圧を印加することで電流を流すことができ、従って低消費電力化が実現できるものである。
しかしながら、この構造のメモリトランジスタもチャネルホットキャリアに対する耐性が弱く、従って容易にオフセットを生じ、S値の劣化、オン電流の劣化等が顕著となる。
Further, for example,
However, the memory transistor with this structure also has low resistance to channel hot carriers, and therefore, an offset is easily generated, and the deterioration of the S value, the deterioration of the on-current, and the like become remarkable.
更に、例えば、ガラス基板上に形成した半導体よりなる素子、例えばGeを始めとする低融点無機半導体上に形成される素子、ゲート電極に金属等の比較的融点若しくは軟化点の低い材料が用いられる素子、電荷保持膜の一部に高誘電率膜(例えば、HfO2、ZrO2、Ta2O5等)が用いられる素子等のように、少なくともソース領域およびドレイン領域への不純物注入後のプロセスが、600℃程度以下の低温で行われる場合は、ソース領域およびドレイン領域における不純物の活性化率が低くなる。そのため、ソース領域およびドレイン領域のキャリア密度が十分に高濃度とならず、従って、ホットキャリアによる特性劣化は更に顕著となる。 Further, for example, an element made of a semiconductor formed on a glass substrate, for example, an element formed on a low melting point inorganic semiconductor such as Ge, or a material having a relatively low melting point or softening point such as metal is used for the gate electrode. Processes after implanting impurities into at least the source region and the drain region, such as devices and devices using a high dielectric constant film (for example, HfO 2 , ZrO 2 , Ta 2 O 5, etc.) as part of the charge retention film However, when it is performed at a low temperature of about 600 ° C. or lower, the activation rate of impurities in the source region and the drain region is low. For this reason, the carrier density of the source region and the drain region is not sufficiently high, and therefore the characteristic deterioration due to hot carriers becomes more remarkable.
また、データの書き込みは、チャネルホットキャリア、または基板からのFN(Fowler−Nordheim)型トンネリングを用いた、電荷保持膜中へのキャリア注入によって行われるのが一般的である。データの消去は、電荷保持膜のうち、データ書き込み動作によって電荷が捕獲された領域に、前記電荷とは逆極性の電荷をほぼ等量注入することによって行うのが理想的である。
しかしながら、データ消去は、基板からのFN型トンネリング注入、またはドレイン(またはソース)接合近傍でのバンド間トンネリングによって発生するホットキャリアを用いた電荷保持膜中へのキャリア注入よって行われるのが一般的であるが、電荷保持膜のうちデータ書き込み動作によって電荷が捕獲された領域に対してデータ消去時のキャリア注入位置を合わせ、前記電荷とは逆極性の電荷をほぼ等量注入することは容易ではない。従って、過消去が起こりやすく、素子特性の劣化を招きやすい。
Data is generally written by channel hot carriers or carrier injection into the charge holding film using FN (Fowler-Nordheim) type tunneling from the substrate. Ideally, the data is erased by injecting substantially the same amount of charge having a polarity opposite to that of the charge into a region of the charge holding film where the charge has been captured by the data write operation.
However, data erasure is generally performed by carrier injection into a charge holding film using hot carriers generated by FN type tunneling injection from the substrate or band-to-band tunneling in the vicinity of the drain (or source) junction. However, it is not easy to align the carrier injection position at the time of data erasing with respect to the region where the charge is captured by the data write operation in the charge holding film, and to inject substantially the same amount of charge having the opposite polarity to the charge. Absent. Therefore, over-erasure is likely to occur, and device characteristics are likely to be deteriorated.
また、特にSOI(Silicon−on−Insulator)基板やガラス基板上の薄膜半導体上等に素子を形成する場合は、ボディコンタクトがないため、FN型トンネリングによってチャネルキャリアとは逆極性のキャリアを半導体から電荷保持膜へ注入することや、バンド間トンネリングによって電荷保持膜へキャリア注入を行うことは出来ない。もしもボディコンタクトを設けるとしても、素子面積が非常に大きくなったり、ゲート電極が電荷保持膜を介して被覆する半導体領域が大きくなるため、ゲート電極‐半導体間の静電容量が大きくなり、読み出し速度の低下を招いたりする問題がある。
この発明は、前記課題を解決するものであり、その目的は、寄生抵抗の増大がなく、ホットキャリアによる特性劣化を抑制できる半導体記憶装置およびその製造方法を提供することと、ボディコンタクトを必要とせず、過消去を抑制したデータ消去駆動方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that can suppress deterioration of characteristics due to hot carriers without an increase in parasitic resistance and a manufacturing method thereof, and to require a body contact. It is another object of the present invention to provide a data erasure driving method that suppresses over-erasure.
前記目的を達成するため、本発明の第1の観点による半導体記憶装置は、半導体層と、前記半導体層上に形成した電荷保持膜と、前記電荷保持膜上に設けたゲート電極と、前記半導体層に前記ゲート電極とオーバーラップするように設けられた、半導体と金属の化合物からなるソース・ドレイン領域を有することを特徴としている。 In order to achieve the above object, a semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention includes a semiconductor layer, a charge holding film formed on the semiconductor layer, a gate electrode provided on the charge holding film, and the semiconductor The layer has a source / drain region made of a compound of a semiconductor and a metal, which is provided so as to overlap the gate electrode.
前記構成の半導体記憶装置によれば、半導体と金属の化合物からなるソース・ドレイン領域がゲート電極に対してオーバーラップしているため、データ書き込み時等に発生するチャネルホットキャリアが電荷保持膜やソース・ドレイン領域近傍の絶縁膜中等に捕獲されてソース・ドレイン領域が空乏化することがない。従って、ソース・ドレイン領域がゲート電極に対してオフセットすることを防ぐことが出来る。これにより、読み出し時のS値の劣化や、オン電流の劣化を防ぐことが出来る。
また、例えば、ドレイン領域近傍の電荷保持膜中にチャネルホットキャリアを注入した場合、キャリア注入領域下の半導体表面ではバンドが変調され、蓄積層が形成される。半導体層表面のバンドが変調されるため、半導体層とドレイン領域との間のショットキー障壁の幅は小さくなり、更に、鏡像効果によってショットキー障壁高さが小さくなる。従って、ドレイン領域と蓄積層は電気的に接続されるため、ドレイン領域とゲート電極間にバイアス電圧を印加することにより、蓄積層中キャリアのFN(Fowler−Nordheim)型トンネリングによるデータ消去が可能となる。従って、ボディコンタクトなしで、データ消去が可能である。
According to the semiconductor memory device having the above configuration, since the source / drain regions made of a compound of a semiconductor and a metal overlap with the gate electrode, channel hot carriers generated at the time of data writing or the like are generated in the charge retention film or the source. The source / drain region is not depleted by being trapped in an insulating film near the drain region. Therefore, the source / drain region can be prevented from being offset with respect to the gate electrode. Thereby, it is possible to prevent the deterioration of the S value during reading and the deterioration of the on-current.
For example, when channel hot carriers are injected into the charge holding film near the drain region, the band is modulated on the semiconductor surface under the carrier injection region, and an accumulation layer is formed. Since the band on the surface of the semiconductor layer is modulated, the width of the Schottky barrier between the semiconductor layer and the drain region is reduced, and the Schottky barrier height is reduced due to the mirror image effect. Accordingly, since the drain region and the storage layer are electrically connected, data can be erased by FN (Fowler-Nordheim) type tunneling of carriers in the storage layer by applying a bias voltage between the drain region and the gate electrode. Become. Therefore, data can be erased without body contact.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、前記オーバーラップの長さが2〜100nmであることを特徴としている。オーバーラップの長さを2nm以上とすることにより、ゲート電極への電圧印加によるショットキー障壁高さの変調効果を確実に得ることが出来る。オーバーラップの長さが2nmより小さい場合は、製造工程中の熱処理工程における雰囲気中の残留酸素等によって半導体と金属の化合物表面がわずかに酸化されることによって、良好なショットキー接合特性とショットキー障壁高さ変調効果が得られない場合がある。また、オーバーラップの長さが過剰に大きい場合、オーバーラップ容量の増加によるデータ読み出し速度の低下や、ゲート電極とソース・ドレイン領域との間のリーク電流の増加や短絡の原因になるため、100nm以下とするのが望ましい。従って、オーバーラップの長さは、2〜100nmが望ましいが、さらに好ましくは5〜30nmである。これにより、ショットキー障壁高さ変調のために十分なオーバーラップ長と、十分に小さいオーバーラップ容量を両立することが出来るため、データの読み出しや、チャネルホットキャリア注入によるデータの書き込みを高速に行うことが出来る。また、ゲート電極とソース・ドレイン領域との間のリーク電流の増加や短絡の確率が非常に小さくなるため、素子の信頼性が向上する。 In one embodiment, the overlap length is 2 to 100 nm. By setting the overlap length to 2 nm or more, a Schottky barrier height modulation effect by applying a voltage to the gate electrode can be reliably obtained. When the overlap length is smaller than 2 nm, the surface of the compound compound of the semiconductor and the metal is slightly oxidized by residual oxygen in the atmosphere in the heat treatment process during the manufacturing process. The barrier height modulation effect may not be obtained. Further, if the overlap length is excessively large, the data read speed is reduced due to the increase of the overlap capacitance, the leakage current between the gate electrode and the source / drain region is increased, and a short circuit is caused. The following is desirable. Therefore, the length of the overlap is desirably 2 to 100 nm, but more preferably 5 to 30 nm. This makes it possible to achieve both a sufficient overlap length for modulation of the Schottky barrier height and a sufficiently small overlap capacity, so that data reading and data writing by channel hot carrier injection are performed at high speed. I can do it. Further, the increase in leakage current between the gate electrode and the source / drain region and the probability of short circuit are very small, so that the reliability of the element is improved.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、前記半導体と金属の化合物が、前記半導体層を構成する半導体と、Ni、Co、Ti、Er、Yb、またはPtとの化合物であることを特徴としている。
前記金属は、Ni、Co、Ti、Er、Yb、またはPtであることが好ましい。例えば、半導体層がシリコンの場合、Ni、Co、Ti、Er、Yb、Ptは、600℃以下でシリコンと反応して金属シリサイドを形成するため、この金属シリサイドをソース・ドレインとすることが出来る。例えば、NiSiは320〜550℃程度、CoSiは400〜600℃程度、TiSiは500〜600℃程度、ErSix(典型的にはx=1.7)は400〜600℃程度、YbSix(x≒2)は600℃程度、PtSiは400〜600℃程度で形成可能である。尚、これら金属シリサイドの金属とシリコンの組成比は、典型的なものを示しているが、反応温度等のプロセス条件によって組成比は変化し得る。このような金属シリサイドは、不純物拡散層に比べて非常に低抵抗であるのに加え、金属シリサイド/シリコン界面が通常の金属/シリコン界面に比べて極めて安定で再現性の高い整流特性を示すため、良好なデバイス特性が得られやすい。更に、これらの金属シリサイドは自己整合シリサイド化プロセスによって形成可能であるため、簡単にソース・ドレイン領域を形成することが出来る。
In one embodiment of the semiconductor memory device, the compound of the semiconductor and the metal is a compound of a semiconductor constituting the semiconductor layer and Ni, Co, Ti, Er, Yb, or Pt. .
The metal is preferably Ni, Co, Ti, Er, Yb, or Pt. For example, when the semiconductor layer is silicon, Ni, Co, Ti, Er, Yb, and Pt react with silicon at 600 ° C. or lower to form a metal silicide, so that this metal silicide can be used as a source / drain. . For example, NiSi is about 320 to 550 ° C., CoSi is about 400 to 600 ° C., TiSi is about 500 to 600 ° C., ErSi x (typically x = 1.7) is about 400 to 600 ° C., YbSi x (x ≈2) can be formed at about 600 ° C., and PtSi can be formed at about 400 to 600 ° C. In addition, although the composition ratio of the metal of these metal silicides and a silicon | silicone has shown typical, the composition ratio can change with process conditions, such as reaction temperature. Such a metal silicide has a very low resistance compared to the impurity diffusion layer, and the metal silicide / silicon interface exhibits extremely stable and highly reproducible rectification characteristics compared to a normal metal / silicon interface. Good device characteristics can be easily obtained. Further, since these metal silicides can be formed by a self-aligned silicidation process, the source / drain regions can be easily formed.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、前記半導体層がシリコンであり、前記半導体と金属の化合物が、NiSiであることを特徴としている。
前記構成の半導体記憶装置によれば、NiSiはニッケルシリサイドの中でも最低抵抗相であり、600℃以下で形成可能な他の金属シリサイドに比べても低抵抗であるので、もっとも効果的に寄生抵抗を低減し、データ読み出し速度を向上することが出来る。また、NiSiは320〜550℃程度で形成可能であるため、600℃以下のプロセス温度で低抵抗ソース・ドレインを形成することが出来る。
In one embodiment, the semiconductor layer is silicon, and the compound of the semiconductor and the metal is NiSi.
According to the semiconductor memory device having the above-described configuration, NiSi is the lowest resistance phase among nickel silicides, and has a lower resistance than other metal silicides that can be formed at 600 ° C. or lower. The data reading speed can be improved. Since NiSi can be formed at about 320 to 550 ° C., a low resistance source / drain can be formed at a process temperature of 600 ° C. or less.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、前記半導体層は、前記ソース・ドレイン領域と接する領域に、前記半導体層とは導電型が逆の不純物を含む領域を有することを特徴としている。半導体の導電型はN型が好ましい。
前記構成の半導体記憶装置によれば、書き込み時に電圧を印加すると、前記半導体層と前記ソース・ドレイン領域間のショットキー障壁高さおよび幅が変調され、ゲート電極下のチャネルを通過するキャリアに対してはショットキー障壁高さが実効的に小さくなるので寄生抵抗が小さくなる。同時に、前記キャリアと逆極性のキャリアに対するショットキー障壁高さは大きくなるので、逆バイアス印加時の接合リーク電流を抑制することができる。本発明の半導体記憶装置はP型MOSであるので、低電圧で高速な書き込み動作、および消去動作が実現できる。
尚、前記半導体層とは導電型が逆の不純物を含む領域は、完全に空乏化されていてもよい。
In one embodiment, the semiconductor layer has a region containing an impurity having a conductivity type opposite to that of the semiconductor layer in a region in contact with the source / drain region. The conductivity type of the semiconductor is preferably N type.
According to the semiconductor memory device having the above configuration, when a voltage is applied at the time of writing, the height and width of the Schottky barrier between the semiconductor layer and the source / drain regions are modulated, and carriers passing through the channel under the gate electrode are modulated. As a result, the height of the Schottky barrier is effectively reduced, so that the parasitic resistance is reduced. At the same time, the height of the Schottky barrier with respect to the carrier having a polarity opposite to that of the carrier is increased, so that a junction leakage current when a reverse bias is applied can be suppressed. Since the semiconductor memory device of the present invention is a P-type MOS, a high-speed write operation and erase operation can be realized at a low voltage.
Note that a region containing an impurity having a conductivity type opposite to that of the semiconductor layer may be completely depleted.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、前記電荷保持膜が、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化シリコンの順に堆積された積層膜であることを特徴としている。
前記構成の半導体記憶装置によれば、MONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Semiconductor)型記憶素子を構成することが出来る。
In one embodiment, the charge retention film is a laminated film in which silicon oxide, silicon nitride, and silicon oxide are sequentially deposited.
According to the semiconductor memory device having the above-described configuration, a MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) type memory element can be configured.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、前記電荷保持膜が、酸化シリコン、導電性物質、酸化シリコンの順に堆積された積層膜、または、酸化シリコン、導電性物質、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化シリコンの順に堆積された積層膜であることを特徴としている。
前記構成の半導体記憶装置によれば、フローティングゲート型記憶素子を構成することができる。
In one embodiment, the charge retention film is a stacked film in which silicon oxide, a conductive material, and silicon oxide are sequentially deposited, or silicon oxide, a conductive material, silicon oxide, silicon nitride, and oxide. It is a laminated film deposited in the order of silicon.
According to the semiconductor memory device configured as described above, a floating gate type memory element can be configured.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、前記導電性物質が、Si、TiN、TaN、NiSi、Geのいずれかである。
前記構成の半導体記憶装置によれば、前記導電性物質として、Si、TiN、TaN、NiSi、Geいずれかを用いることにより、容易にフローティングゲート型記憶素子を構成することが出来る。また、Si、TiN、TaN、NiSi、Geのフェルミレベルは、酸化シリコンのバンドギャップの中央付近に位置するため、良好な記憶保持特性を得ることが出来る。またSi、TiN、TaN、NiSi、Geのフェルミレベルは、シリコンのバンドギャップ中央付近に位置するため、特に、前記半導体がシリコンの場合は、良好なデータ記憶特性が得られる。
In one embodiment, the conductive material is any one of Si, TiN, TaN, NiSi, and Ge.
According to the semiconductor memory device having the above configuration, a floating gate type memory element can be easily configured by using any one of Si, TiN, TaN, NiSi, and Ge as the conductive material. Further, since the Fermi level of Si, TiN, TaN, NiSi, and Ge is located near the center of the band gap of silicon oxide, good memory retention characteristics can be obtained. Further, since the Fermi level of Si, TiN, TaN, NiSi, and Ge is located near the center of the band gap of silicon, particularly when the semiconductor is silicon, good data storage characteristics can be obtained.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、前記半導体が、ガラス基板上に設けられていることを特徴としている。
前記構成の半導体記憶装置によれば、プロセス温度が600℃程度以下に制限される。一般的に用いられる高濃度不純物ドープによって形成されたソース・ドレイン領域が、十分な活性化率が得られないためにチャネルホットキャリアによるオフセットが起こりやすいのとは対照的に、前記構成の半導体記憶装置では、ソース・ドレイン領域が空乏化しないため、チャネルホットキャリアによる特性劣化がおこりにくい。
In one embodiment of the semiconductor memory device, the semiconductor is provided on a glass substrate.
According to the semiconductor memory device having the above configuration, the process temperature is limited to about 600 ° C. or less. In contrast to the commonly used source / drain regions formed by high-concentration impurity doping, offsets due to channel hot carriers are likely to occur because a sufficient activation rate cannot be obtained. In the device, since the source / drain regions are not depleted, characteristic deterioration due to channel hot carriers is unlikely to occur.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、前記半導体がGeまたはアモルファスシリコンである。
前記構成の半導体記憶装置によれば、プロセス温度が600℃程度以下に制限される。一般的に用いられる高濃度不純物ドープによって形成されたソース・ドレイン領域が、十分な活性化率が得られないためにチャネルホットキャリアによるオフセットが起こりやすいのとは対照的に、前記構成の半導体記憶装置では、ソース・ドレイン領域が空乏化しないため、チャネルホットキャリアによる特性劣化がおこりにくい。
In one embodiment, the semiconductor is Ge or amorphous silicon.
According to the semiconductor memory device having the above configuration, the process temperature is limited to about 600 ° C. or less. In contrast to the commonly used source / drain regions formed by high-concentration impurity doping, offsets due to channel hot carriers are likely to occur because a sufficient activation rate cannot be obtained. In the device, since the source / drain regions are not depleted, characteristic deterioration due to channel hot carriers is unlikely to occur.
また、本発明の第2の観点による半導体記憶装置の製造方法は、半導体層に、半導体と金属の化合物によってソース・ドレイン領域を形成する工程と、前記半導体層上に電荷保持膜を形成する工程と、前記ソース・ドレイン領域にオーバーラップするように、前記電荷保持膜上にゲート電極を形成する工程とを、この順に実施することを特徴としている。
前記半導体記憶装置の製造方法によれば、前記半導体記憶装置を容易に製造することが出来る。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to the second aspect of the present invention includes a step of forming a source / drain region with a compound of a semiconductor and a metal in a semiconductor layer, and a step of forming a charge retention film on the semiconductor layer. And a step of forming a gate electrode on the charge retention film so as to overlap the source / drain regions in this order.
According to the method for manufacturing a semiconductor memory device, the semiconductor memory device can be easily manufactured.
また、本発明の第3の観点による半導体記憶装置の製造方法は、半導体層上に電荷保持膜を形成する工程と、前記電荷保持膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極に対して自己整合的な位置に、半導体と金属との化学反応によってソース・ドレイン領域を形成する工程とを、この順に実施することを特徴としている。
前記構成の半導体記憶装置の製造方法によれば、ソース・ドレイン領域をゲート電極に対して自己整合的に形成することが出来るので、素子特性のばらつきを小さくすることができる。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor memory device, comprising: forming a charge holding film on a semiconductor layer; forming a gate electrode on the charge holding film; And a step of forming a source / drain region by a chemical reaction between a semiconductor and a metal in a self-aligned position in this order.
According to the manufacturing method of the semiconductor memory device having the above-described configuration, the source / drain regions can be formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode, so that variations in element characteristics can be reduced.
また、本発明の第4の観点による半導体記憶装置のデータ消去駆動方法は、前記ソース・ドレイン領域のうち、前記電荷保持膜中の電荷が捕獲されている領域に接する方の領域と、ゲート電極との間に、前記電荷の極性が正の場合は、ゲート電極の電位の方が高くなるように、または前記電荷の極性が負の場合には、ゲート電極の電位の方が低くなるように、電位勾配を与えることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a data erasing drive method for a semiconductor memory device, comprising: a gate electrode that is in contact with a region in the charge retention film in which charges are trapped; When the polarity of the charge is positive, the potential of the gate electrode is higher, or when the polarity of the charge is negative, the potential of the gate electrode is lower. , A potential gradient is provided.
前記構成の半導体記憶装置のデータ消去方法によれば、例えば、ドレイン領域近傍の電荷保持膜中にチャネルホットキャリアを注入した場合、キャリア注入領域下の半導体層表面ではバンドが変調され、蓄積層が形成される。半導体層表面のバンドが変調されるため、半導体層とドレイン領域との間のショットキー障壁の幅は小さくなり、更に、鏡像効果によってショットキー障壁高さが小さくなる。従って、ドレイン領域と蓄積層は電気的に接続されるため、ドレイン領域とゲート電極間にバイアス電圧を印加することにより、蓄積層中キャリアのFN(Fowler−Nordheim)型トンネリングによるデータ消去が可能となる。従って、ボディコンタクトなしで、データ消去が可能であるため、SOI基板やガラス基板上に成長した薄膜半導体層上に素子を形成する場合にも適用可能である。 According to the data erasing method of the semiconductor memory device having the above configuration, for example, when channel hot carriers are injected into the charge retention film in the vicinity of the drain region, the band is modulated on the surface of the semiconductor layer under the carrier injection region, and the storage layer is formed. It is formed. Since the band on the surface of the semiconductor layer is modulated, the width of the Schottky barrier between the semiconductor layer and the drain region is reduced, and the Schottky barrier height is reduced due to the mirror image effect. Accordingly, since the drain region and the storage layer are electrically connected, data can be erased by FN (Fowler-Nordheim) type tunneling of carriers in the storage layer by applying a bias voltage between the drain region and the gate electrode. Become. Therefore, since data can be erased without a body contact, the present invention can also be applied when an element is formed on a thin film semiconductor layer grown on an SOI substrate or a glass substrate.
また、前記FN型トンネリングは、電荷保持膜のうち、チャネルホットキャリアが注入されている領域において最も効率的に起こるため、チャネルホットキャリアが注入されている領域に選択的にチャネルホットキャリアとは逆極性のキャリアを注入し、データ消去を行うことが出来る。また、電荷保持膜中に捕獲されている正味の電荷量が小さくなるにつれて、前記ショットキー障壁高さおよび幅の変調量が小さくなるため、FN型トンネリングによるキャリア注入量は小さくなる。従って、過消去を抑制し、素子特性の劣化を防ぐことができる。 Further, the FN type tunneling occurs most efficiently in the region where the channel hot carriers are injected in the charge retention film. Therefore, the FN type tunneling is selectively opposite to the channel hot carriers in the region where the channel hot carriers are injected. Data can be erased by injecting polar carriers. Further, as the net amount of charge trapped in the charge retention film decreases, the amount of modulation of the Schottky barrier height and width decreases, so the amount of carrier injection by FN tunneling decreases. Therefore, over-erasure can be suppressed and deterioration of element characteristics can be prevented.
以上より明らかなように、この発明の半導体記憶装置およびその製造方法、データ消去駆動方法によれば、寄生抵抗の増大なく、ホットキャリアによる特性劣化を抑制できる半導体記憶装置およびその製造方法を提供することができ、更に、ボディコンタクトを必要とせず、過消去を抑制したデータ消去駆動方法が提供される。 As is apparent from the above, according to the semiconductor memory device, the manufacturing method thereof, and the data erasing driving method of the present invention, there are provided a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof capable of suppressing characteristic deterioration due to hot carriers without increasing parasitic resistance. Further, there is provided a data erasure driving method that does not require a body contact and suppresses over-erasure.
以下、この発明の半導体記憶装置およびその製造方法を図示の実施形態により詳細に説明する。
尚、各実施形態では、ガラス基板上に形成した多結晶シリコンを用いた場合を中心に説明するが、この発明に使用できる半導体は前記ガラス基板上に形成した多結晶シリコンには限定されず、半導体であれば何でも良い。
但し、例えば、ガラス基板上に形成した半導体よりなる素子、例えばGeを始めとする低融点無機半導体上に形成される素子、ゲート電極に金属等の融点若しくは軟化点の比較的低い材料が用いられる素子、電荷保持膜の一部に高誘電率膜(例えば、HfO2、ZrO2、Ta2O5等)が用いられる素子等のように、少なくともソース領域およびドレイン領域への不純物注入後のプロセスが600℃程度以下に制限される場合は、半導体中に不純物を高濃度にドープして形成されるソース領域およびドレイン領域中の不純物活性化率は低くなり、ホットキャリアによる特性劣化が大きくなるため、この発明による特性改善効果は特に大きくなる。
Hereinafter, a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to illustrated embodiments.
In addition, in each embodiment, although it demonstrates centering on the case where the polycrystalline silicon formed on the glass substrate is used, the semiconductor which can be used for this invention is not limited to the polycrystalline silicon formed on the said glass substrate, Any semiconductor can be used.
However, for example, an element made of a semiconductor formed on a glass substrate, for example, an element formed on a low melting point inorganic semiconductor such as Ge, or a material having a relatively low melting point or softening point such as a metal is used for the gate electrode. Processes after implanting impurities into at least the source region and the drain region, such as devices and devices using a high dielectric constant film (for example, HfO 2 , ZrO 2 , Ta 2 O 5, etc.) as part of the charge retention film Is limited to about 600 ° C. or less, the impurity activation rate in the source region and drain region formed by doping impurities in the semiconductor at a high concentration is lowered, and the characteristic deterioration due to hot carriers is increased. The effect of improving the characteristics according to the present invention is particularly great.
また、各実施形態では、P型チャネル素子を中心に説明するが、不純物の導電型を逆にし、正孔と電子を逆にすることによって、N型チャネル素子を形成することも出来る。無論、両型の素子が同一基板上に形成されてもよい。 In each embodiment, the description is focused on a P-type channel element. However, an N-type channel element can be formed by reversing the conductivity type of impurities and reversing holes and electrons. Of course, both types of elements may be formed on the same substrate.
(実施形態1)
本実施形態1の半導体記憶装置は、ガラス基板上に成長した多結晶シリコン上に、電荷保持膜としてONO膜を有するMIS(Metal−Insulator−Semiconductor)型電界効果トランジスタを構成し、そのソース領域及びドレイン領域はNiSiからなり、且つ、ゲート電極に対して一部分がオーバーラップするように配置されている。
(Embodiment 1)
The semiconductor memory device according to the first embodiment forms a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) type field effect transistor having an ONO film as a charge retention film on polycrystalline silicon grown on a glass substrate, the source region and The drain region is made of NiSi and is disposed so as to partially overlap the gate electrode.
図1(a)〜(e)は本発明の実施形態1の半導体記憶装置の製造方法を説明するために工程順に示した半導体記憶装置の断面図であり、図2は本発明の実施形態1の半導体装置の断面図を示す。
図1(a)に示すように、ガラス基板1上に保護絶縁膜2を介して成長したN型多結晶シリコンを島状に形成した多結晶シリコン3上に、レジスト4を塗布し、リソグラフィー技術によって、ソース領域5およびドレイン領域6となるべき領域を開口する。多結晶シリコンは、CGシリコン(連続粒界シリコン)とするのが望ましい。島状に形成した多結晶シリコン3は、例えば液晶表示装置の1画素に対応して1つの島状多結晶シリコンを形成する。続いて、例えばスパッタリング法によってNi膜、続いてTiN膜を堆積し、TiN/Ni積層膜5を形成する。Ni膜の膜厚は、多結晶シリコン3の膜厚の1/4以上多結晶シリコン3の膜厚以下とするのが好ましく、多結晶シリコン3の膜厚の1/3以上2/3以下とするのがより望ましく、最も良好な特性を得ることが出来る。Ni膜の膜厚を多結晶シリコン3の膜厚の1/4以上とすることにより、後の工程で形成するニッケルシリサイドを保護絶縁膜2に接して形成することが出来るため、リーク電流を著しく低減することが出来る。また、Ni膜の膜厚を多結晶シリコン3の膜厚より大きくすると、過剰なシリサイド化反応起こり、ソース・ドレイン領域のゲート電極に対するオーバーラップが大きくなる、ゲート電極とソース・ドレイン領域の短絡の原因になる、等の問題が生じやすい。また、TiN膜は、10nm以上100nm以下とするのが好ましい。TiN膜は、シリサイド化反応時にNi等の金属、または、ニッケルシリサイド等の半導体と金属の化合物が酸化するのを防ぐ効果があるが、膜厚10nm以下では十分な効果を得ることが出来ない。また、TiN膜の膜厚が厚過ぎると、スパッタリング時間が長くなる、後の工程でTiN膜を除去するのにかかる時間が非常に長くなる、ゲート電極とソース・ドレイン領域の短絡の原因になる、等の問題が生じるため、膜厚は100nm以下とするのが好ましい。
Niの代わりに、Co、Ti、Er、Yb、または、Ptを用いても良い。
1A to 1E are cross-sectional views of a semiconductor memory device shown in the order of steps for explaining the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows the first embodiment of the present invention. Sectional drawing of the semiconductor device of this is shown.
As shown in FIG. 1A, a resist 4 is applied on a
Co, Ti, Er, Yb, or Pt may be used instead of Ni.
尚、ここでは半導体層にN型多結晶シリコンを用いたが、導電型はN型に限らず、完成したトランジスタがP型チャネル素子として動作可能である限り何でも良い。例えば、P型多結晶シリコンを用いて、多結晶シリコンに接して形成する絶縁膜中の固定電荷や、多結晶シリコンの粒界にある界面準位の効果によって、N型チャネル素子として動作させることも可能である。N型チャネル素子を形成する場合も同様に、N型チャネル素子として動作する導電型の多結晶シリコンを用いればよい。しかし、実施形態1では、P型チャネル素子の方がN型チャネル素子よりも低電圧で高速な書き込み動作、消去動作が実現され、メモリウインドウが大きくなる。
半導体層の厚さは、10〜100nmが望ましく、30〜60nmがより望ましい。トランジスタの閾値は半導体層の膜厚に依存するため、10nm以下では 半導体層の膜厚ばらつきに起因する閾値のばらつきが大きくなり、メモリウインドウを確保するのが困難になる。また、リーク電流を抑制するため、半導体層の膜厚は100nm以下が好ましい。半導体層の厚さが30〜60nmであれば、より顕著に本発明のメモリとしての効果を得ることができる。
Note that although N-type polycrystalline silicon is used for the semiconductor layer here, the conductivity type is not limited to N-type, and any type may be used as long as the completed transistor can operate as a P-type channel element. For example, P-type polycrystalline silicon is used to operate as an N-type channel element by the effect of fixed charges in an insulating film formed in contact with polycrystalline silicon or the interface state at the grain boundary of polycrystalline silicon. Is also possible. Similarly, when an N-type channel element is formed, conductive polycrystalline silicon that operates as an N-type channel element may be used. However, in the first embodiment, the P-type channel element achieves a faster write operation and erase operation at a lower voltage than the N-type channel element, and the memory window becomes larger.
The thickness of the semiconductor layer is desirably 10 to 100 nm, and more desirably 30 to 60 nm. Since the threshold value of the transistor depends on the thickness of the semiconductor layer, if the thickness is 10 nm or less, the variation in threshold value due to the variation in the thickness of the semiconductor layer increases, making it difficult to secure a memory window. In order to suppress leakage current, the thickness of the semiconductor layer is preferably 100 nm or less. If the thickness of the semiconductor layer is 30 to 60 nm, the effect of the memory of the present invention can be obtained more remarkably.
次に、図1(b)に示すように、レジスト剥離液中で超音波洗浄を行うことにより、レジスト上のTiN/Ni積層膜5をリフトオフする。その後、剥離したNiの再付着がないように、アセトン、IPA(イソプロピルアルコール)等の有機溶媒、及び、超純水にて十分に洗浄することが好ましい。
次に、図1(c)に示すように、450℃程度でRTA(Rapid Thermal Annealing)を行い、NiSi領域6を形成する。RTAの温度は320℃〜550℃程度でも良い。RTA時間は例えば、30秒〜10分とすればよい。その後、硫酸と過酸化水素水の混合液中にて、未反応のNiを除去する。NiSi領域6は、ソースおよびドレインとして機能する。
Niの代わりに、Co、Ti、Er、Yb、または、Ptを用いる場合のRTA温度はそれぞれ、400〜600℃程度、500〜600℃程度、400〜600℃程度、600℃程度、400〜600℃程度とすることにより、CoSi、TiSi、ErSix(典型的にはx=1.7)、YbSix(x≒2)、PtSiを形成することが出来る。尚、これらの金属シリサイドの金属とシリコンの組成比は典型的なものを示しているが、RTA温度等のプロセス条件により、組成比が変わることもある。
Next, as shown in FIG. 1B, the TiN / Ni laminated
Next, as shown in FIG. 1C, RTA (Rapid Thermal Annealing) is performed at about 450 ° C. to form the
RTA temperatures when Co, Ti, Er, Yb, or Pt is used instead of Ni are about 400 to 600 ° C., about 500 to 600 ° C., about 400 to 600 ° C., about 600 ° C., and 400 to 600, respectively. By setting the temperature to about 0 ° C., CoSi, TiSi, ErSi x (typically x = 1.7), YbSi x (x≈2), and PtSi can be formed. Although the composition ratio of metal to silicon in these metal silicides is typical, the composition ratio may vary depending on process conditions such as the RTA temperature.
ここで形成したNiSiはニッケルシリサイドの中でも最低抵抗相であり、最も好ましいが、320℃程度以下のRTAをおこなうことにより、NixSi(x≒2)を形成しても良いし、550〜600℃程度のRTAを行うことにより、NiSix(x≒2)を形成しても良い。単結晶シリコン基板やSOI(Silicon−on−Insulator)基板等の高温プロセスを適用可能な半導体基板を用いる場合は、550℃程度以上のRTAをおこなうことにより、NiSix(x≒2)を形成することも可能である。 NiSi formed here is the lowest resistance phase among nickel silicides and is most preferable. However, Ni x Si (x≈2) may be formed by performing RTA at about 320 ° C. or less, or 550 to 600. NiSi x (x≈2) may be formed by performing RTA at about 0 ° C. When using a semiconductor substrate to which a high temperature process such as a single crystal silicon substrate or an SOI (Silicon-on-Insulator) substrate is used, NiSi x (x≈2) is formed by performing RTA at about 550 ° C. or more. It is also possible.
このように、NiSiは600℃程度以下で形成可能な低抵抗シリサイドであるので、例えば、ガラス基板上に成長した半導体上に形成される素子、例えばGeを始めとする低融点無機半導体上に形成される素子、ゲート電極に金属等の融点若しくは軟化点の比較的低い材料が用いられる素子、電荷保持膜の一部に高誘電率膜(例えば、HfO2、ZrO2、Ta2O5等)が用いられる素子等を製造する場合のように、少なくともソース領域およびドレイン領域形成工程及びそれ以降のプロセスが600℃程度以下に制限される場合は、特に有効である。また、TiN/Ni積層膜5の代わりにAu層を堆積し、金シリサイドを形成しても良い。
Thus, since NiSi is a low resistance silicide that can be formed at about 600 ° C. or lower, for example, it is formed on a low melting point inorganic semiconductor such as an element formed on a semiconductor grown on a glass substrate, for example, Ge. Device, a device using a material having a relatively low melting point or softening point such as a metal for the gate electrode, a high dielectric constant film (for example, HfO 2 , ZrO 2 , Ta 2 O 5, etc.) as part of the charge retention film This is particularly effective when at least the source region and drain region forming step and the subsequent processes are limited to about 600 ° C. or lower, as in the case of manufacturing an element or the like in which is used. Alternatively, an Au layer may be deposited instead of the TiN / Ni laminated
次に、図1(d)に示すように、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition;化学的気相成長)法によって第1の酸化シリコン膜を10nm、窒化シリコン膜を20nm、第2の酸化シリコン膜を20nm順次堆積することにより、ONO(Oxide−Nitride−Oxide)膜11を形成する。それぞれの膜厚は任意であるが、第2の酸化シリコン膜の膜厚は第1の酸化シリコン膜の膜厚より大きいことが好ましい。なぜなら、特にFN(Fowler‐Nordheim)型トンネルによるキャリア注入を行う場合、ゲート電極からのキャリア注入を抑制することができるからである。
Next, as shown in FIG. 1D, the first silicon oxide film is 10 nm, the silicon nitride film is 20 nm, and the second silicon oxide film is formed by, for example, CVD (Chemical Vapor Deposition). An ONO (Oxide-Nitride-Oxide)
また、ONO膜11の代わりに、酸化シリコン、シリコン、酸化シリコンの順に堆積した積層膜、酸化シリコン、多結晶シリコン、ONO膜の順に堆積した積層膜等を用いることにより、フローティングゲート型の記憶素子とすることもできる。尚、前記積層膜中のシリコンは単結晶シリコンに限らず、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンでもよい。
その後、ゲート用導電性膜12を堆積する。例えばスパッタリング法によって、TaN膜を50nm、W膜を150nm、順次堆積すれば良い。それぞれの膜厚は任意である。
Further, instead of the
Thereafter, a gate
次に、レジストを塗布し、リソグラフィー技術によってレジストをパターニングした後、例えばRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)により、ONO膜11、ゲート用導電性膜12をエッチングし、図1(e)に示すように、ゲート絶縁膜21、ゲート電極22を形成する。このとき、ゲート電極22の両端がNiSi領域6の上部に一部分がオーバーラップするようにパターニングする。ゲート電極22がNiSi領域6とオーバーラップするゲート長方向の長さTは、2〜100nmになるように形成される。更にオーバーラップする長さは5〜30nmが好ましい。
次に、図2に示すように、層間絶縁膜25、上部配線26,27を形成することにより、本発明の半導体記憶装置は完成する。
Next, after applying a resist and patterning the resist by a lithography technique, the
Next, as shown in FIG. 2, by forming the
本発明の半導体記憶装置は、ソース領域23およびドレイン領域24がNiSiで形成されているため、NiSiよりなるソース領域23およびドレイン領域24端部上の絶縁膜中にホットキャリアが注入されても空乏化することがない。そのため、ホットキャリアによる特性劣化を極めて抑制することができる。また、ソース領域23およびドレイン領域24は、ゲート電極22に対してオーバーラップするように形成しているので、ソース領域23およびドレイン領域24を形成するNiSi/多結晶シリコン間のショットキー障壁高さおよび幅はゲート電極13にバイアス電圧を印加することによって変調される。
In the semiconductor memory device according to the present invention, since the
次に、本発明の半導体記憶装置における記憶動作について、説明する。
以下、NiSiからなるソース領域23及びドレイン領域24の一方を第1の電極、他方を第2の電極と呼ぶ。
まず、データの書き込みは、ゲート電極22および第1の電極に正バイアスをかけることによって発生するチャネルホットキャリア(正孔)を第1の電極近傍の電荷保持膜21中へ注入することによって行う。例えば、ゲート電極22に10V、第1の電極に10V、第2の電極に0Vを印加する。
このとき、半導体と金属の化合物からなるソース領域23、ドレイン領域24がゲート電極22に対してオーバーラップしているため、データ書き込み時等に発生するチャネルホットキャリアが電荷保持膜21やソース領域23、ドレイン領域24近傍の絶縁膜中等に捕獲されることにより、ソース領域23、ドレイン領域24が空乏化し、ゲート電極22に対してオフセットすることを防ぐことが出来る。従って、読み出し時のS値の劣化や、オン電流の劣化を防ぐことが出来る。
Next, a memory operation in the semiconductor memory device of the present invention will be described.
Hereinafter, one of the
First, data writing is performed by injecting channel hot carriers (holes) generated by applying a positive bias to the
At this time, since the
データの読み出しは、例えば、ゲート電極22に5V、第1の電極に0V、第2の電極に書き込み時より低い正バイアス、例えば3Vを印加することによって行う。第1の電極近傍の電荷保持膜21に正孔が捕獲されている場合、閾値電圧が正にシフトし、第1の電極と第2の電極間の電流が減少するため、データを読み出しが可能となる。
For example, data is read by applying 5 V to the
データの消去ついて、図3を用いて説明する。図3は、図2の一部分のみを示し、かつデータ消去動作の説明に必要な部分を示している。
図3に示すように、第1の電極501近傍のONO膜100中に正孔504が捕獲されている場合、正孔が捕獲されているONO膜100下には電子の蓄積層503が誘起される。更に、捕獲された正孔504による電界によって、第1の電極501と蓄積層503との間のショットキー障壁の高さと幅が変調されるので、第1の電極501と蓄積層503との間の抵抗は小さくなる。捕獲された正孔504の密度が十分に高い場合は、第1の電極501と蓄積層503との間はオーミックに連結される。この場合、例えば、ゲート電極22に−40V、第1の電極501に0Vを印加し、第2の電極502はオープンとすると、FN型トンネリングにより、多結晶シリコン3からONO膜100への電子注入が起こる。
Data erasure will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows only a part of FIG. 2 and shows a part necessary for explaining the data erasing operation.
As shown in FIG. 3, when
このとき、ONO膜100の中でも、特に捕獲された正孔504と多結晶シリコン3との間の電界が最も大きくなるため、蓄積層503からONO膜100へのFN型トンネリングによる電子注入が最も効率よく起こり、従って、捕獲された正孔504を選択的に打ち消すことができる。
更に、電子注入によって捕獲された正孔504の正味の密度が小さくなると、FN型トンネリングによる電子注入の効率が落ちると共に、多結晶シリコン3と第1の電極501との間のショットキー障壁高さ及び幅の変調量が減少し、第1の電極501から多結晶シリコン3への電子供給の効率が落ちる。従って、捕獲された正孔504の正味の密度が減少するのと共に、FN型トンネリングによる電子注入は自動的に抑制され、過消去を抑制することができる。
尚、第1の電極と第2の電極の印加電圧を入れ替えることにより、第2の電極近傍のONO膜100中へのチャネルホットキャリア(正孔)注入によるデータの書き込み、データの読み出し、データの消去を行うこともできる。即ち、1素子あたり、2bitのデータ記憶が可能である。
At this time, since the electric field between the trapped
Further, if the net density of the
It should be noted that by switching the applied voltage of the first electrode and the second electrode, data writing, data reading, data reading by channel hot carrier (hole) injection into the
(実施形態2)
本実施形態2の半導体記憶装置は、実施形態1の半導体記憶装置同様に、ガラス基板上に成長した多結晶シリコン上に、電荷保持膜としてONO膜を有するMIS(Metal−Insulator−Semiconductor)型電界効果トランジスタを構成し、そのソース領域及びドレイン領域はNiSiからなり、且つ、ゲート電極に対してオーバーラップするように配置されている。更に、実施形態2の半導体記憶装置は、NiSiからの固層拡散により、ソース領域端部及びドレイン領域端部にはP型領域を形成することを特徴としている。
(Embodiment 2)
Similar to the semiconductor memory device of the first embodiment, the semiconductor memory device of the second embodiment is a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) type electric field having an ONO film as a charge retention film on polycrystalline silicon grown on a glass substrate. An effect transistor is formed, and its source region and drain region are made of NiSi and are arranged so as to overlap the gate electrode. Furthermore, the semiconductor memory device of
図4(f)〜(h)は本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法を説明するための、工程順に示した半導体装置の断面図である。
まず、前記実施形態1に示したように、図1(a)〜(e)の工程を行う。
次に、図4(f)に示すように、例えばCVD法によって、第3の酸化シリコン膜31を堆積する。ここで、第3の酸化シリコン膜31は、後述するB注入時の注入保護膜として働き、B注入時の汚染やダメージを抑制することができる。更に、後述するアニール工程において、Bが外方拡散することを防ぐことができるため、NiSiからなるソース領域5及びドレイン領域6から多結晶シリコン3への固相拡散が効率的に起こり、P型領域32のB濃度を高くすることができる。
4F to 4H are cross-sectional views of the semiconductor device shown in the order of steps for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
First, as shown in the first embodiment, the steps of FIGS. 1A to 1E are performed.
Next, as shown in FIG. 4F, a third
次に、図4(g)に示すように、ゲート電極22をマスクとして、NiSi領域6中にBをイオン注入後、窒素雰囲気または不活性ガス雰囲気にて400℃程度のアニールを行う。アニール温度は、350〜550℃程度であれば良いが、NiSi領域6を形成した温度以下であることが好ましい。このアニールにより、BはNiSi領域6からの固相拡散によって、NiSi領域6/多結晶シリコン3界面付近に偏析し、ソース領域5及びドレイン領域6近傍の多結晶シリコン3中に比較的高濃度のP型領域32が形成される。
尚、P型領域32は完全に空乏化していてもよい。P型領域32によって、NiSi領域6/多結晶シリコン3間の正孔に対するショットキー障壁高さが実効的に小さくなるので、寄生抵抗を低減することができ、また電子に対するショットキー障壁高さが実効的に大きくなるので逆バイアス印加時の接合リークを抑制することができる。尚、Bの代わりにInを用いても良い。また、N型チャネル素子の場合は、Bの代わりにP、As、Sb、Sのいずれかを用いることにより同様の効果を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 4G, B is ion-implanted into the
The P-
尚、ONO膜21中へのホットキャリア注入によってP型領域32が空乏化しても、NiSi領域6はゲート電極22に対してオーバーラップするように形成しているので、S値の劣化等の特性劣化はほとんど起こらない。
次に、図4(h)に示すように、層間絶縁膜25、上部配線26,27を形成して、本発明の半導体記憶装置は完成する。
実施形態2の書き込み動作、読出し動作、消去動作は実施形態1と同じである。
Even if the P-
Next, as shown in FIG. 4H, the
The write operation, read operation, and erase operation of the second embodiment are the same as those of the first embodiment.
(実施形態3)
本実施形態3の半導体記憶装置は、実施形態1の半導体記憶装置同様に、ガラス基板上に成長した多結晶シリコン上に、電荷保持膜としてONO膜を有するMIS(Metal−Insulator−Semiconductor)型電界効果トランジスタを構成し、そのソース領域及びドレイン領域は自己整合シリサイドプロセスによって形成したNiSiからなり、且つ、ゲート電極に対してオーバーラップするように配置されている。
(Embodiment 3)
Similar to the semiconductor memory device of the first embodiment, the semiconductor memory device of the third embodiment is a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) type electric field having an ONO film as a charge retention film on polycrystalline silicon grown on a glass substrate. The effect transistor is configured, and the source region and the drain region are made of NiSi formed by a self-aligned silicide process, and are arranged so as to overlap the gate electrode.
図5(a)〜図6(f)は本発明の実施形態3の半導体装置の製造方法を説明するための、工程順に示した半導体装置の断面図である。
図5(a)に示すように、ガラス基板1上に保護絶縁膜2を介して成長したP型多結晶シリコンを島状に形成した多結晶シリコン3上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition;化学的気相成長)法によって第1の酸化シリコン膜を10nm、窒化シリコン膜を20nm、第2の酸化シリコン膜を20nm順次堆積してONO膜11を形成し、続いて、TaN膜を50nm、W膜12を150nm順次堆積し、ゲート用導電性膜12を形成する。
半導体層の厚さは、10〜100nmが望ましく、30〜60nmがより望ましい。トランジスタの閾値は半導体層の膜厚に依存するため、10nm以下では 半導体層の膜厚ばらつきに起因する閾値のばらつきが大きくなり、メモリウインドウを確保するのが困難になる。また、リーク電流を抑制するため、半導体層の膜厚は100nm以下が好ましい。半導体層の厚さが30〜60nmであれば、より顕著に本発明のメモリとしての効果を得ることができる。
FIG. 5A to FIG. 6F are cross-sectional views of the semiconductor device shown in the order of steps for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5A, on a
The thickness of the semiconductor layer is desirably 10 to 100 nm, and more desirably 30 to 60 nm. Since the threshold value of the transistor depends on the thickness of the semiconductor layer, if the thickness is 10 nm or less, the variation in threshold value due to the variation in the thickness of the semiconductor layer increases, making it difficult to secure a memory window. In order to suppress leakage current, the thickness of the semiconductor layer is preferably 100 nm or less. If the thickness of the semiconductor layer is 30 to 60 nm, the effect of the memory of the present invention can be obtained more remarkably.
ONO膜11の代わりに、酸化シリコン、シリコン、酸化シリコンの順に堆積した積層膜、酸化シリコン、シリコン、ONO膜の順に堆積した積層膜等を用いることにより、フローティングゲート型の記憶素子とすることもできる。尚、前記積層膜中のシリコンはアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンでもよい。また、前記積層膜中のシリコンの代わりに、TiN、TaN、Geを用いても良い。
Instead of the
次に、レジストを塗布し、リソグラフィー技術によってレジストをパターニングした後、例えばRIE(Reactive Ion Etching)により、ゲート用導電性膜11、ONO膜12をエッチングし、図5(b)に示すように、ゲート絶縁膜21とゲート電極22を形成する。その後、例えばCVD法にて第3の酸化シリコン膜35を10〜20nm程度堆積する。
次に、図5(c)に示すように、RIEによって第3の酸化シリコン膜35をエッチバックすることにより、ゲート側壁36を形成する。ゲート側壁36の厚さは、多結晶シリコン3の膜厚より小さいことが好ましい。これは、第3の酸化シリコン膜35の膜厚を多結晶シリコン3の膜厚より小さく設定することにより容易に実現される。ゲート側壁36の厚さを多結晶シリコン3の膜厚より小さくすることにより、後の工程で形成する金属シリサイド(例えば、NiSi)をゲート電極22に対してオーバーラップするように形成するのが容易となる。
Next, after applying a resist and patterning the resist by a lithography technique, the gate
Next, as shown in FIG. 5C, the
次に、図6(d)に示すように、例えばスパッタリング法によりNi膜、続いてTiN膜を堆積し、TiN/Ni積層膜5を形成する。Ni膜の膜厚は、多結晶シリコン3の膜厚の1/4以上多結晶シリコン3の膜厚以下とするのが好ましく、多結晶シリコン3の膜厚の1/3以上2/3以下とするのがより望ましく、最も良好な特性を得ることが出来る。Ni膜の膜厚を多結晶シリコン3の膜厚の1/4以上とすることにより、後の工程で形成するニッケルシリサイドを保護絶縁膜2に接して形成することが出来るため、リーク電流を著しく低減することが出来る。また、Ni膜の膜厚を多結晶シリコン3の膜厚より大きくすると、過剰なシリサイド化反応起こり、ソース・ドレイン領域のゲート電極に対するオーバーラップが大きくなる、ゲート電極とソース・ドレイン領域の短絡の原因になる、等の問題が生じやすい。また、TiN膜は、10nm以上100nm以下とするのが好ましい。TiN膜は、シリサイド化反応時にNi等の金属、または、ニッケルシリサイド等の半導体と金属の化合物が酸化するのを防ぐ効果があるが、膜厚10nm以下では十分な効果を得ることが出来ない。また、TiN膜の膜厚が厚過ぎると、スパッタリング時間が長くなる、後の工程でTiN膜を除去するのにかかる時間が非常に長くなる、ゲート電極とソース・ドレイン領域の短絡の原因になる、等の問題が生じるため、膜厚は100nm以下とするのが好ましい。
Niの代わりに、Co、Ti、Er、Yb、または、Ptを用いても良い。
Next, as shown in FIG. 6D, a Ni film and then a TiN film are deposited by sputtering, for example, to form a TiN / Ni laminated
Co, Ti, Er, Yb, or Pt may be used instead of Ni.
次に、図6(e)に示すように、450℃程度のRTAを行うことにより、NiSi領域38が自己整合的に形成される。このとき、NiSi領域38はゲート電極22に対してオーバーラップするように形成する。通常320℃〜550℃程度のRTAを行うことにより、最低抵抗相のNiSiが形成され、最も好ましいが、シリコンの過不足によりNiSiy(y≠1)となる場合もあり得る。その後、硫酸と過酸化水素水の混合液中にて、未反応のNiを除去する。NiSi領域38は、ソースおよびドレインとして機能する。NiSi領域38がゲート電極22に対してオーバーラップする距離は、Ni膜の膜厚を制御することにより、実施することができる。
ゲート電極22がNiSi領域38とオーバーラップするゲート長方向の長さTは、2〜100nmになるように形成される。オーバーラップの長さを2nm以上とすることにより、ゲート電極への電圧印加によるショットキー障壁高さの変調効果を確実に得ることが出来る。オーバーラップの長さが2nmより小さい場合は、製造工程中の熱処理工程における雰囲気中の残留酸素等によって半導体と金属の化合物表面がわずかに酸化されることによって、良好なショットキー接合特性とショットキー障壁高さ変調効果が得られない場合がある。また、オーバーラップの長さが過剰に大きい場合、オーバーラップ容量の増加によるデータ読み出し速度の低下や、ゲート電極とソース・ドレイン領域との間のリーク電流の増加や短絡の原因になるため、100nm以下とするのが望ましい。オーバーラップの長さは、2〜100nmが望ましいが、さらに好ましくは5〜30nmである。これにより、ショットキー障壁高さ変調のために十分なオーバーラップ長と、十分に小さいオーバーラップ容量を両立することが出来るため、データの読み出しや、チャネルホットキャリア注入によるデータの書き込みを高速に行うことが出来る。また、ゲート電極とソース・ドレイン領域との間のリーク電流の増加や短絡の確率が非常に小さくなるため、素子の信頼性が向上する。
Niの代わりに、Co、Ti、Er、Yb、または、Ptを用いる場合のRTA温度はそれぞれ、400〜600℃程度、500〜600℃程度、400〜600℃程度、600℃程度、400〜600℃程度とすることにより、CoSi、TiSi、ErSix(典型的にはx=1.7)、YbSix(x≒2)、PtSiを形成することが出来る。尚、これらの金属シリサイドの金属とシリコンの組成比は典型的なものを示しているが、RTA温度等のプロセス条件により、組成比が変わることもある。
Next, as shown in FIG. 6E, the
The length T in the gate length direction in which the
RTA temperatures when Co, Ti, Er, Yb, or Pt is used instead of Ni are about 400 to 600 ° C., about 500 to 600 ° C., about 400 to 600 ° C., about 600 ° C., and 400 to 600, respectively. By setting the temperature to about 0 ° C., CoSi, TiSi, ErSi x (typically x = 1.7), YbSi x (x≈2), and PtSi can be formed. Although the composition ratio of metal to silicon in these metal silicides is typical, the composition ratio may vary depending on process conditions such as the RTA temperature.
このように、NiSiは600℃程度以下で形成可能な低抵抗シリサイドであるので、例えば、ガラス基板上に成長した半導体上に形成される素子、Geを始めとする低融点無機半導体上に形成される素子、ゲート電極に金属等の融点若しくは軟化点の比較的低い材料が用いられる素子、電荷保持膜の一部に高誘電率膜(例えば、HfO2、ZrO2、Ta2O5等)が用いられる素子等を製造する場合のように、少なくとも少なくともソース領域およびドレイン領域形成工程およびそれ以降のプロセスが600℃程度以下に制限される場合は、特に有効である。
次に、図5(f)に示すように、層間絶縁膜25、上部配線26,27を形成することにより、本発明の半導体記憶装置は完成する。
実施形態3の書き込み動作、読出し動作、消去動作は実施形態1と同じである。
Thus, since NiSi is a low resistance silicide that can be formed at about 600 ° C. or lower, it is formed on a low melting point inorganic semiconductor such as an element formed on a semiconductor grown on a glass substrate, such as Ge. A device in which a material having a relatively low melting point or softening point such as a metal is used for the gate electrode, and a high dielectric constant film (for example, HfO 2 , ZrO 2 , Ta 2 O 5, etc.) in a part of the charge retention film. This is particularly effective when at least the source region and drain region forming steps and the subsequent processes are limited to about 600 ° C. or lower, as in the case of manufacturing elements used.
Next, as shown in FIG. 5F, by forming the
The write operation, read operation, and erase operation of the third embodiment are the same as those of the first embodiment.
(実施形態4)
本実施形態4の半導体記憶装置は、実施形態3の半導体記憶装置の構造において、NiSi領域38からの固層拡散により、ソース領域端部及びドレイン領域端部にP型領域を形成したものである。
図7(f)〜(h)は本発明の実施形態4の半導体装置の製造方法を説明するための、工程順に示した半導体装置の断面図である。
(Embodiment 4)
The semiconductor memory device according to the fourth embodiment has a structure of the semiconductor memory device according to the third embodiment in which P-type regions are formed at the source region end portion and the drain region end portion by solid layer diffusion from the
7F to 7H are cross-sectional views of the semiconductor device shown in the order of steps for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
まず、前記実施形態3に示したように、図5(a)〜図6(e)の工程を行う。
次に、図7(f)に示すように、第4の酸化シリコン膜41を10nm程度体積後、ゲート電極22およびゲート側壁36をマスクとして、多結晶シリコン3中にBをイオン注入する。
次に、図7(g)に示すように、窒素雰囲気または不活性ガス雰囲気にて400℃程度のアニールを行う。アニール温度は、350〜550℃程度であれば良いが、NiSi領域6を形成した温度以下であることが好ましい。このアニールにより、BはNiSi領域6/多結晶シリコン3界面付近に偏析し、NiSi領域6近傍の多結晶シリコン3中に比較的高濃度のP型領域42が形成される。尚、P型領域42は完全に空乏化していてもよい。これにより、NiSi領域6/多結晶シリコン3間の正孔に対するショットキー障壁高さが実効的に小さくなるので、寄生抵抗を低減することができ、また電子に対するショットキー障壁高さは実効的に大きくなるので接合リークを抑制することができる。尚、Bの代わりにInを用いても良い。また、N型チャネル素子の場合は、Bの変わりにP、As、Sb、Sのいずれかを用いることにより同様の効果を得ることができる。
次に、図7(h)に示すように、公知の方法により、層間絶縁膜25、上部配線26,27を形成することにより、本発明の半導体記憶装置は完成する。
実施形態4の書き込み動作、読出し動作、消去動作は実施形態1と同じである。
First, as shown in the third embodiment, the steps of FIGS. 5A to 6E are performed.
Next, as shown in FIG. 7F, after the volume of the fourth
Next, as shown in FIG. 7G, annealing is performed at about 400 ° C. in a nitrogen atmosphere or an inert gas atmosphere. The annealing temperature may be about 350 to 550 ° C., but is preferably equal to or lower than the temperature at which the
Next, as shown in FIG. 7H, the
The write operation, read operation, and erase operation of the fourth embodiment are the same as those of the first embodiment.
1 ガラス基板
3 多結晶シリコン
4 レジスト
5 TiN/Ni積層膜
6 NiSi領域
21 ONO膜
22 ゲート電極
26,27 上部電極
32,42 N型領域
31 第3の酸化シリコン膜
36 ゲート側壁
41 第4の酸化シリコン膜
100 ONO膜
101 ゲート用導電性膜
501 第1の電極
502 第2の電極
503 蓄積層
504 捕獲された正孔
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記半導体層上に形成した電荷保持膜と、
前記電荷保持膜上に設けたゲート電極と、
前記半導体層に前記ゲート電極と一部オーバーラップするように設けられた半導体と金属の化合物からなるソース・ドレイン領域
を有する半導体記憶装置。 A semiconductor layer;
A charge retention film formed on the semiconductor layer;
A gate electrode provided on the charge retention film;
A semiconductor memory device having a source / drain region made of a compound of a semiconductor and a metal provided on the semiconductor layer so as to partially overlap the gate electrode.
前記半導体層上に電荷保持膜を形成する工程と、
前記ソース・ドレイン領域にオーバーラップするように、前記電荷保持膜上にゲート電極を形成する工程と
を、この順に実施する半導体記憶装置の製造方法。 Forming a source / drain region with a compound of a semiconductor and a metal in the semiconductor layer;
Forming a charge retention film on the semiconductor layer;
And a step of forming a gate electrode on the charge retention film so as to overlap the source / drain regions in this order.
前記電荷保持膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極に対して自己整合的な位置に、半導体と金属との化学反応によってソース・ドレイン領域を形成する工程と
を、この順に実施する半導体記憶装置の製造方法。 Forming a charge retention film on the semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the charge retention film;
A method of manufacturing a semiconductor memory device, wherein a step of forming a source / drain region by a chemical reaction between a semiconductor and a metal at a position self-aligned with the gate electrode is performed in this order.
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