JP2009170719A - Nonvolatile semiconductor memory device and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電荷蓄積層および制御ゲート電極層が絶縁膜を挟んで構成されたメモリセルを備えた不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device including a memory cell in which a charge storage layer and a control gate electrode layer are formed with an insulating film interposed therebetween, and a manufacturing method thereof.
不揮発性半導体記憶装置は、メモリセルがワード線方向およびビット線方向に多数配列されており、これにより高集積化が図られている。近年の高集積化の傾向に伴い、メモリセルの幅寸法や長さ寸法、隣接するメモリセル間の間隔が縮小化してきており隣接セル干渉が増大する。隣接セルの干渉が大きくなると、素子の誤動作、書込/消去動作スピードの低下などの問題を生じる。 In the nonvolatile semiconductor memory device, a large number of memory cells are arranged in the word line direction and the bit line direction, thereby achieving high integration. With the trend toward higher integration in recent years, the width and length dimensions of memory cells and the spacing between adjacent memory cells have been reduced, increasing adjacent cell interference. When interference between adjacent cells increases, problems such as device malfunctions and a decrease in write / erase operation speed occur.
隣接セルの干渉効果を低減するため、隣接セル間の寄生容量の低減、隣接セル間の対向面積を縮小化する必要があり、電荷蓄積層の高さを低くする必要がある。電荷蓄積層の高さを低くするとメモリセル特性の一指標であるカップリング比の値も低下してしまう。このため、電荷蓄積層を低く適度な高さに調整しながらゲート間絶縁膜(第2のゲート絶縁膜に相当)の電気的膜厚を薄くする必要がある。ゲート間絶縁膜の電気的膜厚を薄くすれば、電荷蓄積層および制御ゲート電極層間の容量値を増すことができ、カップリング比を所望の値に確保することができる(例えば、特許文献1参照)。 In order to reduce the interference effect of adjacent cells, it is necessary to reduce the parasitic capacitance between adjacent cells, to reduce the facing area between adjacent cells, and to reduce the height of the charge storage layer. When the height of the charge storage layer is lowered, the value of the coupling ratio, which is an index of memory cell characteristics, is also lowered. For this reason, it is necessary to reduce the electrical film thickness of the inter-gate insulating film (corresponding to the second gate insulating film) while adjusting the charge storage layer to a low and appropriate height. If the electrical film thickness of the inter-gate insulating film is reduced, the capacitance value between the charge storage layer and the control gate electrode layer can be increased, and the coupling ratio can be ensured to a desired value (for example, Patent Document 1). reference).
しかしながら、ゲート間絶縁膜の薄膜化の傾向に伴い、ゲート間絶縁膜に印加される電界が増加するため、書込または/および消去時に高電界を印加するときにゲート間絶縁膜のリーク電流がトンネル絶縁膜(第1のゲート絶縁膜に相当)のリーク電流とほぼ同等まで増加してしまい、書込または/および消去時に必要な高い所望のしきい値電圧を印加することができない虞がある。
本発明は、電荷蓄積層および制御ゲート電極層間に設けられる第2のゲート絶縁膜を通じて流れるリーク電流を抑制できるようにした不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を提供する。 The present invention provides a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, which can suppress a leakage current flowing through a second gate insulating film provided between a charge storage layer and a control gate electrode layer.
本発明の一態様は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に形成された制御ゲート電極層とを備え、前記第2のゲート絶縁膜は、前記電荷蓄積層と前記制御ゲート電極層との間に前記電荷蓄積層と前記制御ゲート電極層との間において、シリコン酸化膜と、シリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第1の高誘電体絶縁膜と、シリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第2の高誘電体絶縁膜との層構造を備え、前記第1および第2の高誘電体絶縁膜が前記シリコン酸化膜を挟んだ構造をなしていることを特徴としている。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor substrate, a first gate insulating film formed over the semiconductor substrate, a charge storage layer formed over the first gate insulating film, and the charge storage layer A second gate insulating film formed; and a control gate electrode layer formed on the second gate insulating film, wherein the second gate insulating film includes the charge storage layer and the control gate electrode layer. Between the charge storage layer and the control gate electrode layer, a silicon oxide film, a first high dielectric insulating film having a relative dielectric constant higher than that of the silicon nitride film, and silicon A structure having a layer structure with a second high dielectric insulating film having a relative dielectric constant higher than that of the nitride film, and the first and second high dielectric insulating films sandwiching the silicon oxide film It is characterized by that.
本発明の別の態様は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に形成された制御ゲート電極層とを備え、前記第2のゲート絶縁膜は、前記電荷蓄積層と前記制御ゲート電極層との間に前記電荷蓄積層側から前記制御ゲート電極層側にかけて、第1のシリコン窒化膜、第1のシリコン酸化膜、比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第1の高誘電体絶縁膜、第2のシリコン酸化膜、第2のシリコン窒化膜の積層構造を備えると共に、第1のシリコン窒化膜および第1のシリコン酸化膜間、または、第2のシリコン窒化膜および第2のシリコン酸化膜間の少なくとも何れか一方に比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第2の高誘電体絶縁膜を備えたことを特徴としている。 Another aspect of the present invention includes a semiconductor substrate, a first gate insulating film formed on the semiconductor substrate, a charge storage layer formed on the first gate insulating film, and the charge storage layer A second gate insulating film formed on the second gate insulating film and a control gate electrode layer formed on the second gate insulating film, wherein the second gate insulating film includes the charge storage layer and the control gate electrode. The relative dielectric constant of the first silicon nitride film, the first silicon oxide film, and the dielectric constant higher than that of the silicon nitride film from the charge storage layer side to the control gate electrode layer side between the layers A laminated structure of a first high-dielectric insulating film, a second silicon oxide film, and a second silicon nitride film, and between the first silicon nitride film and the first silicon oxide film, or second Silicon nitride film and second silicon oxide film Of it is characterized in that at least either one relative dielectric constant with a second high-dielectric insulating film having a dielectric constant higher than the dielectric constant of the silicon nitride film.
本発明の別の態様は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に形成された制御ゲート電極層とを備え、前記第2のゲート絶縁膜は、前記電荷蓄積層と前記制御電極層との間に前記電荷蓄積層側から前記制御ゲート電極層間において、第1ないし第3のシリコン酸化膜の3層シリコン酸化膜構造を備えると共に当該3層シリコン酸化膜構造と、比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第1の高誘電体絶縁膜と、比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第2の高誘電体絶縁膜とを備え、前記第1の高誘電体絶縁膜が前記3層シリコン酸化膜構造間に介在する2層のうちの何れか一方に形成されていると共に前記第2の高誘電体絶縁膜が前記3層シリコン酸化膜構造間に介在する2層のうちの他方に形成されていることを特徴としている。 Another aspect of the present invention includes a semiconductor substrate, a first gate insulating film formed on the semiconductor substrate, a charge storage layer formed on the first gate insulating film, and the charge storage layer And a control gate electrode layer formed on the second gate insulating film, wherein the second gate insulating film includes the charge storage layer and the control electrode layer. A three-layer silicon oxide film structure of first to third silicon oxide films between the charge storage layer side and the control gate electrode layer, and a relative dielectric constant of the three-layer silicon oxide film structure and silicon A first high-dielectric insulating film having a relative dielectric constant higher than that of the nitride film; and a second high-dielectric insulating film having a relative dielectric constant higher than that of the silicon nitride film. And the first high-dielectric insulating film is 3 The second high dielectric insulating film is formed on one of the two layers interposed between the silicon oxide film structures, and the second high dielectric insulating film is formed on the other of the two layers interposed between the three-layer silicon oxide film structures. It is characterized by being formed.
本発明の別の態様は、半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第1のゲート絶縁膜上に電荷蓄積層を形成する工程と、前記電荷蓄積層上に第1のシリコン窒化膜を形成する工程と、前記第1のシリコン窒化膜上に第1のシリコン酸化膜を形成する工程と、前記第1のシリコン酸化膜上に比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第1の高誘電体絶縁膜を形成する工程と、前記第1の高誘電体絶縁膜上に第2のシリコン酸化膜を形成する工程と、前記第2のシリコン酸化膜上に比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第2の高誘電体絶縁膜を形成する工程と、前記第2の高誘電体絶縁膜上に第2のシリコン窒化膜を形成する工程と、前記第2のシリコン窒化膜上に制御ゲート電極層を形成する工程とを備えたことを特徴としている。 Another aspect of the present invention includes a step of forming a first gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a charge storage layer on the first gate insulating film, and a first on the charge storage layer. A step of forming a silicon nitride film, a step of forming a first silicon oxide film on the first silicon nitride film, and a relative dielectric constant of the silicon nitride film on the first silicon oxide film Forming a first high dielectric insulating film having a relative dielectric constant higher than a dielectric constant; forming a second silicon oxide film on the first high dielectric insulating film; and Forming a second high dielectric insulating film having a relative dielectric constant higher than that of the silicon nitride film on the silicon oxide film; and forming a second high dielectric insulating film on the second high dielectric insulating film. Forming a second silicon nitride film, and a control gate on the second silicon nitride film. It is characterized by comprising a step of forming an electrode layer.
本発明によれば、電荷蓄積層および制御ゲート電極層間に設けられる第2のゲート絶縁膜を通じて流れるリーク電流を抑制できる。 According to the present invention, the leakage current flowing through the second gate insulating film provided between the charge storage layer and the control gate electrode layer can be suppressed.
以下、本発明の不揮発性半導体記憶装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、以下に参照する図面内の記載において、同一または類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。 Hereinafter, an embodiment of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description in the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones.
図1は、不揮発性半導体記憶装置のメモリセル領域における平面図を示している。図1に示すように、メモリセル領域M内には、多数のメモリセルトランジスタTrmがワード線方向およびビット線方向にマトリクス状に配列されており、図示しない周辺回路がメモリセルトランジスタTrmに記憶保持されたデータを読出、書込、消去可能に構成されている。このようなメモリセル構造を有する不揮発性半導体記憶装置としては、2つの選択ゲートトランジスタ間に複数のメモリセルトランジスタを直列接続したセルユニット構造を備えたNAND型のフラッシュメモリ装置が挙げられる。 FIG. 1 is a plan view of a memory cell region of a nonvolatile semiconductor memory device. As shown in FIG. 1, in the memory cell region M, a large number of memory cell transistors Trm are arranged in a matrix in the word line direction and the bit line direction, and peripheral circuits (not shown) are stored in the memory cell transistors Trm. The read data can be read, written and erased. Examples of the nonvolatile semiconductor memory device having such a memory cell structure include a NAND flash memory device having a cell unit structure in which a plurality of memory cell transistors are connected in series between two select gate transistors.
図2Aは、各メモリセルのワード線方向(チャネル幅方向)に沿う断面図(図1のA−A線に沿う断面図)を示しており、図2Bは、図2AのB部分の拡大断面図を示している。また、図2Cは、各メモリセルのビット線方向(チャネル長方向)に沿う断面図(図1のC−C線に沿う断面図)を示している。図2Aに示すように、p型のシリコン基板2の上部にはNウェル2aが構成されており、当該Nウェル2aのさらに表層にはPウェル2bが構成されている。当該シリコン基板2のPウェル2bの表層には素子分離溝3が複数形成されている。これらの素子分離溝3は複数の活性領域Saを図2Aのワード線方向に分離する。
2A shows a cross-sectional view (cross-sectional view along the line AA in FIG. 1) along the word line direction (channel width direction) of each memory cell, and FIG. 2B is an enlarged cross-section of a portion B in FIG. 2A. The figure is shown. FIG. 2C shows a cross-sectional view (cross-sectional view along the line CC in FIG. 1) along the bit line direction (channel length direction) of each memory cell. As shown in FIG. 2A, an
素子分離溝3内には素子分離絶縁膜4が形成されており素子分離領域Sbを構成している。この素子分離絶縁膜4は、素子分離溝3内に埋め込まれた下部と、シリコン基板2の表面から上方に突出した上部とから構成されている。この素子分離絶縁膜4は、その上端がシリコン基板2の表面付近(シリコン基板2の表面上方)に位置して形成されている。素子分離絶縁膜4は、その上端がシリコン基板2の表面下方に位置して構成されていても良い。
An element
他方、素子分離領域Sbにより区画されたシリコン基板2の複数の活性領域Sa上のそれぞれには、ゲート絶縁膜5(第1のゲート絶縁膜に相当)が形成されている。ゲート絶縁膜5は、例えばシリコン酸化膜により形成されている。ゲート絶縁膜5は、その端部がそれぞれ素子分離絶縁膜4の上部側面の一部に接触して構成されている。これらのゲート絶縁膜5上には電荷蓄積層として浮遊ゲート電極FGが形成されている。
On the other hand, a gate insulating film 5 (corresponding to a first gate insulating film) is formed on each of the plurality of active regions Sa of the
この浮遊ゲート電極FGは例えばリン等の不純物がドープされた多結晶シリコン層6(導電層、半導体層)により構成されている。多結晶シリコン層6は、素子分離絶縁膜4の上部側面に接触する接触面となる下部側面と、当該素子分離絶縁膜4の上面4aより上方に突出した上部側面とを有する。シリコン基板2の表面から上方に突出した素子分離絶縁膜4の上部側面は、ゲート絶縁膜5の側面および多結晶シリコン層6の側面下部と面一に形成されている。素子分離絶縁膜4は例えばシリコン酸化膜により形成されている。
The floating gate electrode FG is composed of a polycrystalline silicon layer 6 (conductive layer, semiconductor layer) doped with an impurity such as phosphorus. The
ゲート間絶縁膜7は、素子分離絶縁膜4の上面、浮遊ゲート電極FGの上部側面、および、浮遊ゲート電極FGの上面に沿って形成されており、インターポリ絶縁膜、導電層間絶縁膜、電極間絶縁膜として機能する。
The inter-gate
図2Bに拡大図を示すように、このゲート間絶縁膜7は、下層側(素子分離絶縁膜4の上面側、浮遊ゲート電極FGの側面側および上面側)からその上層側にかけて、下層絶縁膜7a/高誘電体絶縁膜7b/上層絶縁膜7cの積層構造により構成されている。下層絶縁膜7aは、下層側から上層側にかけて、下層シリコン窒化膜7aa/高誘電体絶縁膜7ab/下層シリコン酸化膜7acの積層構造により構成されている。上層絶縁膜7cは、下層側から上層側にかけて、上層シリコン酸化膜7ca/上層シリコン窒化膜7cbの積層構造によって構成されている。
As shown in the enlarged view of FIG. 2B, the inter-gate
高誘電体絶縁膜7bは、アルミニウム酸化物(Al2O3)膜により中間絶縁膜として構成されている。このアルミニウム酸化物膜はONO膜(比誘電率:5程度)よりも比誘電率が大きい。このようなアルミニウム(Al)のような遷移金属以外の金属の酸化物を適用すると、トラップされた電荷の再放出を防止することができ閾値変動を抑制できる。
The high dielectric
また下層シリコン窒化膜7aaが設けられているため、高誘電体絶縁膜7bに含まれる金属元素やシリコン酸化膜7ac、7caの成膜時の酸化剤などがゲート絶縁膜5や素子分離絶縁膜4に拡散することを効果的に防止できる。また、上層シリコン窒化膜7cbが設けられているため、高誘電体絶縁膜7bに含まれる金属元素などがその上方に拡散することを効果的に防止できる。
Further, since the lower silicon nitride film 7aa is provided, the metal element contained in the high dielectric insulating
ゲート間絶縁膜7上にはワード線方向に沿って導電層8が形成されている。この導電層8は、個々のメモリセルトランジスタTrmの制御ゲート電極CGを連結するワード線WLとして機能する。導電層8は例えば多結晶シリコン層と当該多結晶シリコン層の直上に形成されたタングステン、コバルト、ニッケルなどの何れかの金属がシリサイド化されたシリサイド層とからなっている。このようにして、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGが、ゲート絶縁膜5上に浮遊ゲート電極FG、ゲート間絶縁膜7、制御ゲート電極CGの積層ゲート構造によって構成されている。
A
図2Cに示すように、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGは、ビット線方向に並設されており、各ゲート電極MGは分断領域GVにおいて電気的に分断されている。なお、図示しないが、分断領域GV内には層間絶縁膜などが成膜される。 As shown in FIG. 2C, the gate electrodes MG of the memory cell transistors Trm are juxtaposed in the bit line direction, and each gate electrode MG is electrically divided in the dividing region GV. Although not shown, an interlayer insulating film or the like is formed in the dividing region GV.
メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGの両脇にはシリコン基板2の表層に位置して拡散層(ソース/ドレイン領域)2cが形成されている。メモリセルトランジスタTrmが、ゲート絶縁膜5およびゲート電極MG並びにソース/ドレイン領域2cを含んで構成されている。
Diffusion layers (source / drain regions) 2c are formed on both sides of the gate electrode MG of the memory cell transistor Trm so as to be located on the surface layer of the
不揮発性半導体記憶装置1は、図示しない周辺回路からワード線WLおよびPウェル2b間に高電界を印加すると共に、各電気的要素(ソース/ドレイン)に適切な所定電圧を与えることによってメモリセルのデータを消去/書込可能に構成されている。尚、近年の要求に伴い1個のメモリセルに多値の情報を記憶する多値記憶技術も発達している。多値記憶は、各メモリセルトランジスタTrmのしきい値を例えば3または4以上の複数分布に制御することによって行われるが、ここでは説明の簡単化のため2値記憶の場合について説明する。
The nonvolatile
書込時には、周辺回路が書込選択のワード線WLに高電圧(例えば20V)を印加すると共にPウェル2b等に低電圧(例えば0V〜中間電圧10V)を印加する。するとFNトンネル電流がゲート絶縁膜5を通じて流れるため電子が浮遊ゲート電極(電荷蓄積層)FGに注入され、メモリセルトランジスタTrmのしきい値電圧が正方向にシフトする。
At the time of writing, the peripheral circuit applies a high voltage (for example, 20 V) to the word line WL selected for writing, and applies a low voltage (for example, 0 V to an intermediate voltage of 10 V) to the
また、消去時には、周辺回路が消去対象のワード線WLに低電圧(例えば0V〜2.5V)を印加すると共にPウェル2bに高電圧を印加する。すると、電子が浮遊ゲート電極FGからPウェル2bに抜けるため、メモリセルトランジスタTrmのしきい値電圧が負方向にシフトする。これによりデータを消去できる。
At the time of erasing, the peripheral circuit applies a low voltage (for example, 0 V to 2.5 V) to the word line WL to be erased and applies a high voltage to the
特に書込時にワード線WLに正の高電界を印加すると浮遊ゲート電極FGからゲート間絶縁膜7を通じてワード線WL側に電子が抜けることに起因したリーク電流が生じる。すると浮遊ゲート電極FGの電子の蓄積量が飽和し、メモリセルトランジスタTrmの書込時のしきい値電圧が飽和する。そこで、本実施形態では、上記したゲート間絶縁膜7の構造を採用している。
In particular, when a positive high electric field is applied to the word line WL at the time of writing, a leakage current is generated due to electrons being discharged from the floating gate electrode FG to the word line WL side through the inter-gate
図3は、書込時のしきい値電圧の時間依存性を示している。この図3に示すように、書込時間の増加に応じて各メモリセルトランジスタTrmのしきい値電圧が上昇する。発明者らは、高誘電体絶縁膜7abを設けることなくゲート間絶縁膜7の下層絶縁膜7aとしてシリコン窒化膜7aa/シリコン酸化膜7acの積層構造を採用した場合と、シリコン窒化膜7aa/シリコン酸化膜7ac間に高誘電体絶縁膜7abを設けた積層構造を採用した場合とを比較している。
FIG. 3 shows the time dependence of the threshold voltage during writing. As shown in FIG. 3, the threshold voltage of each memory cell transistor Trm increases as the write time increases. The inventors have adopted a laminated structure of a silicon nitride film 7aa / silicon oxide film 7ac as the lower insulating
この図3に示すように、高誘電体絶縁膜7abを設けていない場合には、書込時間を長くしても、しきい値電圧が飽和するが、高誘電体絶縁膜7abを設けた場合には、書込時間を長くすると、しきい値電圧の飽和状態を抑制し飽和電圧を上昇させることができることを見出している。 As shown in FIG. 3, in the case where the high dielectric insulating film 7ab is not provided, the threshold voltage is saturated even if the writing time is increased, but the case where the high dielectric insulating film 7ab is provided. Has found that increasing the writing time can suppress the saturation state of the threshold voltage and increase the saturation voltage.
しきい値電圧が飽和する理由は、制御ゲート電極CGに書込時の正の高電圧が与えられたときに、電子がゲート絶縁膜5を通じて浮遊ゲート電極FGに注入されるものの、飽和状態に達すると、電子がゲート間絶縁膜7を通じて制御ゲート電極CG側に抜けてしまい、ゲート絶縁膜5を通じて流れるトンネル電流とゲート間絶縁膜7を通じて流れるリーク電流とが釣り合うためであり、この場合、浮遊ゲート電極FGから制御ゲート電極CG側に抜ける電子のトンネル確率が上昇し、しきい値電圧が飽和する。
The threshold voltage is saturated because electrons are injected into the floating gate electrode FG through the
高誘電体絶縁膜7abを設けると、書込時間を長くしても、しきい値電圧の飽和現象を確認することはできない。この理由は、高誘電体絶縁膜7abを挿入することで、高誘電率化に伴い、高電界印加時の電界が高誘電体絶縁膜7ab領域で緩和されるためと推定されている。この場合、従来構造に比較して電子のトンネル距離を増加させることができ、電子のトンネル確率の低下、高電界印加時のリーク電流を低減することができる。 When the high dielectric insulating film 7ab is provided, the saturation phenomenon of the threshold voltage cannot be confirmed even if the writing time is increased. The reason for this is presumed that by inserting the high dielectric insulating film 7ab, the electric field when a high electric field is applied is relaxed in the region of the high dielectric insulating film 7ab as the dielectric constant increases. In this case, the electron tunneling distance can be increased as compared with the conventional structure, the electron tunneling probability can be lowered, and the leakage current when a high electric field is applied can be reduced.
図4は、ゲート間絶縁膜に流れるリーク電流の印加電界依存性を示している。この図4に示すように、低電界領域ではほぼ同等であったリーク電流値は、中電界領域からそれ以上の高電界領域にかけて、リーク電流に差が生じていることが判明している。 FIG. 4 shows the applied electric field dependence of the leakage current flowing in the inter-gate insulating film. As shown in FIG. 4, it has been found that the leakage current value that is substantially the same in the low electric field region has a difference in the leakage current from the middle electric field region to the higher electric field region.
これは、比誘電率の高い高誘電体絶縁膜7abを中間絶縁膜7bよりも浮遊ゲート電極FG側に設けることによって物理膜厚が増加し、電子が直接トンネルする距離が大きくなっているためである。この効果は、より比誘電率が高くかつバリアハイトの高い材料で高誘電体絶縁膜7abを構成することで、より顕著に現れることが確認されている。
This is because the physical film thickness is increased by providing the high dielectric insulating film 7ab having a high relative dielectric constant closer to the floating gate electrode FG than the intermediate
また、図5は、10[MV/cm]の電界をゲート間絶縁膜に印加したときのリーク電流値の膜厚依存性を示している。この図5に示すように、リーク電流値は、高誘電体絶縁膜7abの膜厚が0[nm]を超える膜厚で且つ3[nm]以下の所定膜厚に設定されている場合にはリーク電流が低減している。また、高誘電体絶縁膜7abが、5[nm]の膜厚に設定されている場合にはリーク電流が逆に上昇している。したがって、この図5に示すデータからは、リーク電流を低減するためには、高誘電体絶縁膜7abを3[nm]以下の数nmの所定膜厚で形成すると良い。 FIG. 5 shows the film thickness dependence of the leakage current value when an electric field of 10 [MV / cm] is applied to the inter-gate insulating film. As shown in FIG. 5, the leak current value is set when the thickness of the high dielectric insulating film 7ab is set to a thickness exceeding 0 [nm] and not exceeding 3 [nm]. Leakage current is reduced. On the other hand, when the high dielectric insulating film 7ab is set to a film thickness of 5 [nm], the leakage current rises conversely. Therefore, from the data shown in FIG. 5, in order to reduce the leakage current, it is preferable to form the high dielectric insulating film 7ab with a predetermined film thickness of several nm of 3 [nm] or less.
このように、リーク電流値が高誘電体絶縁膜7abの膜厚に依存して下限値を得る理由は、以下の理由によるものと推定されている。図6は、高電界印加時の禁制帯および導電帯付近のバンド構造を概略的に示している。ゲート間絶縁膜7が、浮遊ゲート電極FGから制御ゲート電極CG側にかけて、SiN(シリコン窒化膜7aa)、Al2O3膜(高誘電体絶縁膜7ab)、SiO2(シリコン酸化膜7ac)、…の順に形成されていると、バリアハイトの高さは、アルミニウム酸化物(Al2O3)膜の高さよりもシリコン酸化膜のほうが高く、図6(a)に示すように、高誘電体絶縁膜7abが適切な膜厚(例えば3〜4nm)に設定されていると、高誘電体絶縁膜7abの上層に成膜されたシリコン酸化膜7acもトンネル絶縁膜として機能する。したがって、ゲート間絶縁膜7は所定のトンネル膜厚D1の特性が得られる。
Thus, it is estimated that the reason why the leakage current value obtains the lower limit value depending on the film thickness of the high dielectric insulating film 7ab is as follows. FIG. 6 schematically shows a band structure near the forbidden band and the conductive band when a high electric field is applied. An inter-gate
しかし、図6(b)に示すように、高誘電体絶縁膜7abが所定膜厚(例えば3〜4[nm])を超える膜厚で形成されていると、高誘電体絶縁膜7abの上層のシリコン酸化膜7acがトンネル絶縁膜として機能しない。するとトンネル膜厚D2が前述のトンネル膜厚よりも薄くなってしまう。したがって、高誘電体絶縁膜7abは、リーク電流特性を考慮すると所定の下限値を得ると推定されている。 However, as shown in FIG. 6B, when the high dielectric insulating film 7ab is formed with a film thickness exceeding a predetermined film thickness (for example, 3 to 4 [nm]), the upper layer of the high dielectric insulating film 7ab is formed. The silicon oxide film 7ac does not function as a tunnel insulating film. Then, the tunnel film thickness D2 becomes thinner than the above-described tunnel film thickness. Therefore, it is estimated that the high dielectric insulating film 7ab obtains a predetermined lower limit value in consideration of leakage current characteristics.
尚、高誘電体絶縁膜7abとしては、アルミニウム酸化物膜以外にもイットリウムまたはハフニウムなどの他の金属による酸化物膜を適用できるが、ゲート間絶縁膜7に印加される電界を10[MV/cm]としたときの最適な膜厚は、アルミニウム酸化物膜を適用した場合3[nm]程度の所定膜厚、イットリウム酸化物膜を適用した場合4[nm]程度の膜厚、ハフニウム酸化物膜を適用した場合8[nm]程度の膜厚となることが確認されている。
In addition to the aluminum oxide film, an oxide film made of another metal such as yttrium or hafnium can be used as the high dielectric insulating film 7ab, but the electric field applied to the inter-gate
上記構成の製造方法について説明する。
図7に示すように、p型の単結晶のシリコン基板2の表層にNウェル2aおよびPウェル2bを順に形成し、シリコン基板2上にゲート絶縁膜5(絶縁膜)を1〜15[nm]範囲の所定膜厚で形成する。次に、図8に示すように、ゲート絶縁膜5上に非晶質シリコンを化学気相成長法により10〜200[nm]範囲の所定膜厚で堆積する。この非晶質シリコンは後の熱処理によって多結晶化することで多結晶シリコンに変成され導電層6(浮遊ゲート電極FG)として構成される。次に、図9に示すように、化学気相成長法によってシリコン窒化膜9を50〜200[nm]範囲の所定膜厚で堆積し、次に、化学気相成長法によってシリコン酸化膜10をハードマスクとして50〜400[nm]範囲の所定膜厚で堆積する。
The manufacturing method of the said structure is demonstrated.
As shown in FIG. 7, an
次に、図10に示すように、フォトレジスト11を塗布した後、リソグラフィ技術によってパターンニングし、当該レジスト11をマスクとしてシリコン酸化膜10をRIE(Reactive Ion Etching)法により異方性エッチング処理する。次に、レジスト11をアッシングなどにより剥離する。次に、シリコン酸化膜10をマスクとしてシリコン窒化膜9をRIE法により異方性エッチングし、導電層6、ゲート絶縁膜5、シリコン基板2の上部をRIE法により異方性エッチング処理する。これにより、シリコン基板2の表層に素子分離溝3を形成する。
Next, as shown in FIG. 10, after applying a
次に、図11に示すように、塗布技術または/およびHDP−CVD(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)法などの絶縁膜成膜技術を用いて素子分離溝3内に絶縁膜としてシリコン酸化膜4を200〜1500[nm]範囲の所定膜厚で埋込む。このとき、シリコン酸化膜4の上面はシリコン酸化膜10の上面よりも上方に位置するように成膜される。このとき、塗布技術によりポリシラザン系溶剤を塗布して形成した場合には、当該ポリシラザン系溶剤を酸素雰囲気もしくは水蒸気雰囲気下で熱処理を行い高密度化することで塗布型絶縁膜に焼成することでシリコン酸化膜に転換し素子分離絶縁膜4として形成する。
Next, as shown in FIG. 11, a
次に、図12に示すように、化学的機械的研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法によりシリコン窒化膜9をストッパーとしてシリコン酸化膜4の上面を平坦化処理する。
Next, as shown in FIG. 12, the upper surface of the
次に、図13に示すように、シリコン窒化膜9との間で高選択性を有する条件において、水で希釈したフッ酸(HF)溶液によって処理することで、シリコン酸化膜4の上面をゲート絶縁膜5の上面より上方位置で且つ導電層6の上面より下方位置の所定の深さまでエッチバック処理して除去する。次に、図14に示すように、シリコン窒化膜9を化学薬液等によりエッチング除去して多結晶シリコン層6の上面を露出させる。
Next, as shown in FIG. 13, the upper surface of the
次に、図15に示すように、減圧化学気相成長法(LP−CVD法)により温度条件800℃程度でシリコン窒化膜7aaを1〜5[nm]の範囲の所定膜厚で成膜する。このシリコン窒化膜7aaは、シリコン酸化膜4の上面、多結晶シリコン層6の上部側面および上面に沿った領域に形成される。このシリコン窒化膜7aaはプラズマ窒化(ラジカル窒化)により形成しても良い。
Next, as shown in FIG. 15, a silicon nitride film 7aa is formed with a predetermined film thickness in the range of 1 to 5 [nm] under a temperature condition of about 800 ° C. by low pressure chemical vapor deposition (LP-CVD). . The silicon nitride film 7aa is formed on the upper surface of the
次に、図16に示すように、原子層成長法(ALD法)により高誘電体絶縁膜7abを前述の所定膜厚以下の膜厚(例えば3nm)で形成する。次に、図17に示すように、減圧化学気相成長法(LP−CVD法)によりジクロロシランと亜酸化窒素(N2O)を例えば800℃程度の温度で反応させてCVD法により高誘電体絶縁膜7abの上にシリコン酸化膜7acを例えば1〜10[nm]範囲の所定膜厚で堆積する。 Next, as shown in FIG. 16, the high dielectric insulating film 7ab is formed with a film thickness (for example, 3 nm) equal to or less than the predetermined film thickness by an atomic layer growth method (ALD method). Next, as shown in FIG. 17, dichlorosilane and nitrous oxide (N 2 O) are reacted at a temperature of, for example, about 800 ° C. by a low pressure chemical vapor deposition method (LP-CVD method) and a high dielectric constant is obtained by a CVD method. A silicon oxide film 7ac is deposited on the body insulating film 7ab with a predetermined film thickness in the range of 1 to 10 [nm], for example.
次に、図18に示すように、シリコン酸化膜7ac上に高誘電体絶縁膜7bをALD(Atomic Layer Deposition)法により1〜20nm範囲の所定膜厚で形成する。なお、ALD法のほか、CVD法またはスパッタリング法などの方法で形成しても良い。このアルミニウム酸化物膜7bは、シリコン窒化膜の比誘電率である約7よりも高い比誘電率特性を有している。
Next, as shown in FIG. 18, a high dielectric insulating
次に、図19に示すように、減圧化学気相成長法によりジクロロシランと亜酸化窒素(N2O)を800℃程度の温度で反応させることにより高誘電体絶縁膜7b上にシリコン酸化膜7caをCVD法により1〜10nm範囲の所定膜厚で堆積する。
Next, as shown in FIG. 19, by reacting dichlorosilane and nitrous oxide (N 2 O) at a temperature of about 800 ° C. by low pressure chemical vapor deposition, a silicon oxide film is formed on the high dielectric insulating
次に、図2Aおよび図2Bに示すように、減圧化学気相成長法により800℃の温度条件下でシリコン窒化膜7cbを1〜5nm範囲の所定膜厚で堆積し、次に、その上に導電層8を形成する。尚、シリコン窒化膜7cbは、プラズマ窒化(ラジカル窒化)処理によって形成しても良い。
Next, as shown in FIGS. 2A and 2B, a silicon nitride film 7cb is deposited with a predetermined film thickness in the range of 1 to 5 nm under a temperature condition of 800 ° C. by a low pressure chemical vapor deposition method.
次に、導電層8の上にマスクパターン(図示せず)を形成し、積層膜5〜8のうち導電層8、ゲート間絶縁膜7、多結晶シリコン層6をRIE法などの異方性エッチング技術を用いて図2Aの掲載面に平行な方向に沿ってエッチング処理し図2Aの掲載面に対し垂直な方向に分断する。すると、図2Cに示すように、分断領域GVがゲート電極MGを分断するように形成される。
Next, a mask pattern (not shown) is formed on the
次に、図2Cに示すように、分断領域GVを通じてシリコン基板2の表層にソース/ドレイン領域2cを形成するための不純物をイオン注入する。この後、分断領域GV内に層間絶縁膜(図示せず)を堆積し、層間絶縁膜内に各種配線用のコンタクトを形成し、上層配線の形成工程に移行するが、本実施形態の特徴には直接関係しないため、その詳細説明を省略する。なお、導電層8は、シリコン層とその上部に形成される金属のシリサイドによって構成されるが、分断領域GVの形成前にシリコン層を堆積するものの、金属による上部シリサイド化工程は、適用する金属材料等に応じて各ゲート電極MGを分断領域GVで分断する前または後の何れのタイミングで行っても良い。
Next, as shown in FIG. 2C, an impurity for forming the source /
本実施形態によれば、ゲート間絶縁膜7が、浮遊ゲート電極FGと制御ゲート電極CGとの間に、浮遊ゲート電極FG側から制御ゲート電極CG側にかけて、シリコン窒化膜7aa/高誘電体絶縁膜7ab/シリコン酸化膜7ac/高誘電体絶縁膜7b/シリコン酸化膜7ca/シリコン窒化膜7cbによる積層構造により構成されているため、リーク電流を抑制できる。
高誘電体絶縁膜7abが非遷移金属元素(Al)の酸化膜により形成されているため、高誘電体絶縁膜7bにトラップされた電荷の再放出を防ぐことができ閾値変動を抑制させることができる。
According to the present embodiment, the inter-gate
Since the high dielectric insulating film 7ab is formed of an oxide film of a non-transition metal element (Al), it is possible to prevent re-release of charges trapped in the high dielectric insulating
高誘電体絶縁膜7abがシリコン窒化膜7aaとシリコン酸化膜7acとの間に形成されているため、特に書込時のリーク電流を抑制できる。
(第2の実施形態)
図20は、本発明の第2の実施形態を示すもので、前述実施形態と異なるところは、ゲート間絶縁膜の積層構造にある。前述実施形態と同一部分については同一符号を付して説明を省略し、以下、異なる部分についてのみ説明する。
Since the high dielectric insulating film 7ab is formed between the silicon nitride film 7aa and the silicon oxide film 7ac, it is possible to suppress a leakage current particularly during writing.
(Second Embodiment)
FIG. 20 shows a second embodiment of the present invention, which is different from the previous embodiment in the laminated structure of the intergate insulating film. The same parts as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted, and only different parts will be described below.
前述実施形態で説明したように、各メモリセルの消去時には、周辺回路が消去対象のワード線WLに低電圧(例えば0V〜2.5V)を印加すると共にPウェル2bに高電圧を印加する。すると、電子が電荷蓄積層FGからPウェル2bに抜けることによってデータが消去される。この場合、導電層8から電荷蓄積層FGに電子が注入されることになるため、メモリセルトランジスタTrmの消去時のしきい値電圧が飽和する虞がある。
As described in the above embodiment, at the time of erasing each memory cell, the peripheral circuit applies a low voltage (for example, 0 V to 2.5 V) to the word line WL to be erased and a high voltage to the
そこで本実施形態では、図20に示すゲート間絶縁膜17の層構造を採用している。図20は、図2Bに代わる断面図を模式的に示している。この図20に示すように、ゲート間絶縁膜7に代わるゲート間絶縁膜17は、下層絶縁膜7aに代わる下層絶縁膜17a/高誘電体絶縁膜7b/上層絶縁膜7cに代わる上層絶縁膜17cの積層構造により構成されている。
Therefore, in this embodiment, the layer structure of the intergate insulating
具体的には、ゲート間絶縁膜17は、シリコン窒化膜7aa/シリコン酸化膜7ac/高誘電体絶縁膜7b/シリコン酸化膜7ca/高誘電体絶縁膜7cc/シリコン窒化膜7cbの積層構造により構成されている。下層絶縁膜17aは、シリコン窒化膜7aa/シリコン酸化膜7acの積層構造により構成されており、高誘電体絶縁膜7abが形成されていない。
Specifically, the inter-gate insulating
上層絶縁膜17cは、シリコン酸化膜7ca/高誘電体絶縁膜7cc/シリコン窒化膜7cbの積層構造により構成されており、高誘電体絶縁膜7ccを備えている。すなわち、高誘電体絶縁膜7ccは、上層絶縁膜17cを構成するシリコン窒化膜7cbとシリコン酸化膜7caとの間に形成されている。高誘電体絶縁膜7ccは、前述実施形態の高誘電体絶縁膜7abと同様の構成となっており、例えばアルミニウム酸化物(Al2O3)膜などの非遷移元素の酸化物膜により形成されている。その他の構造については前述実施形態と同様となっている。
The upper insulating
このようなゲート間絶縁膜17を製造する場合には、シリコン窒化膜7aa/シリコン酸化膜7ac/高誘電体絶縁膜7b/シリコン酸化膜7ca/高誘電体絶縁膜7cc/シリコン窒化膜7cbを順に積層することによって前述実施形態で示した方法と同一方法および同一膜厚によって形成する。高誘電体絶縁膜7ccを形成するときには、ALD法により所定膜厚(例えば3nm以下)で形成すると良い。
When such an
本実施形態においては、ゲート間絶縁膜17が、浮遊ゲート電極FGと制御ゲート電極CGとの間に、浮遊ゲート電極FG側から制御ゲート電極CG側にかけて、シリコン窒化膜7aa/シリコン酸化膜7ac/高誘電体絶縁膜7b/シリコン酸化膜7ca/高誘電体絶縁膜7cc/シリコン窒化膜7cbによる積層構造により構成されているため、ゲート間絶縁膜17を介して流れるリーク電流を抑制することができる。
In the present embodiment, the inter-gate insulating
特に、高誘電体絶縁膜7ccがシリコン窒化膜7cbとシリコン酸化膜7caとの間に形成されているため、消去時にゲート間絶縁膜17を介して流れるリーク電流を抑制することができる。
In particular, since the high dielectric insulating film 7cc is formed between the silicon nitride film 7cb and the silicon oxide film 7ca, the leakage current flowing through the inter-gate insulating
高誘電体絶縁膜7ccが非遷移金属元素(Al)の酸化膜により形成されているため、高誘電体絶縁膜7bにトラップされた電荷の再放出を防ぐことができ閾値変動を抑制させることができる。
Since the high dielectric insulating film 7cc is formed of an oxide film of a non-transition metal element (Al), it is possible to prevent re-emission of charges trapped in the high dielectric insulating
(他の実施形態)
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
浮遊ゲート電極FG、ゲート間絶縁膜7、制御ゲート電極CGの積層構造を備えた不揮発性半導体記憶装置1に適用したが、その他のNOR型の不揮発性半導体記憶装置などにも適用できる。また、浮遊ゲート電極に代えて電荷トラップ層としてシリコン窒化膜を適用した電荷トラップ型のセル構造(MONOS、SONOSと称される)を具備した不揮発性半導体記憶装置においても同様に適用できる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified or expanded as follows.
Although applied to the nonvolatile
高誘電体絶縁膜7bとしてアルミニウム酸化物(Al2O3)膜を適用した実施形態を示したが、シリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を備えた絶縁膜を適用すると良い。例えば、ストロンチウム(Sr)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、スカンジウム(Sc)、ガドリニウム(Gd)、イットリウム(Y)、サマリウム(Sm)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、バリウム(Ba)、ビスマス(Bi)等の酸化物又は窒化物のいずれかの単層膜、若しくはこれらのいくつかを積層した複合膜を適用できる。例えば、比誘電率が7程度のシリコン窒化(Si3N4)膜、比誘電率が10程度のマグネシウム酸化物(MgO)膜、比誘電率が16程度のイットリウム酸化物(Y2O3)膜、比誘電率が22程度のハフニウム酸化物(HfO2)膜、ジルコニウム酸化物(ZrO2)膜、およびランタン酸化物(La2O3)などを適用できる。高誘電体絶縁膜7bとして、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、イットリウム(Y)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)の何れか1種の元素を少なくとも含む酸化物もしくは窒化物の膜を適用しても良い。
Although an embodiment in which an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film is applied as the high dielectric insulating
高誘電体絶縁膜7bとして、ハフニウム酸化物(HfO2)膜、ジルコニウム酸化物(ZrO2)膜や、ハフニウムまたはジルコニウムなどの遷移金属を含むハフニウムシリケート(HfSiO)膜、ハフニウムアルミネート(HfAlO)膜、ジルコニウムアルミネート(ZrAlO)、ジルコニウムシリケート(ZrSiO)のような三元系の化合物からなる電荷トラップを有する膜を適用しても良い。遷移金属を含む金属酸化物膜は電子トラップ量が多くトラップによる電界緩和効果が高いためであり、当該電界緩和効果の影響によってトンネル距離を増大させて高電界リーク電流を低減できるためである。
As the high dielectric insulating
また、高誘電体絶縁膜7abまたは7ccとしては、シリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を備えた絶縁膜を適用すると良い。例えば、マグネシウム(Mg)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、ビスマス(Bi)による非遷移金属の酸化物のいずれかの単層膜を適用すると良い。このような非遷移金属の酸化物の単層膜を適用すると、トラップ量を高誘電体絶縁膜7bよりも少なくできるため、高誘電体絶縁膜7bにトラップされた電荷の制御ゲート電極層CGまたは浮遊ゲート電極FGに対する再放出を防止することができ閾値変動を抑制できる。
As the high dielectric insulating film 7ab or 7cc, an insulating film having a relative dielectric constant higher than that of the silicon nitride film may be applied. For example, a single layer film of any of non-transition metal oxides of magnesium (Mg), strontium (Sr), barium (Ba), or bismuth (Bi) may be used. When such a single-layer film of a non-transition metal oxide is applied, the amount of traps can be smaller than that of the high dielectric insulating
ゲート間絶縁膜7、17の積層構造は次のような変形または拡張が可能である。例えば、第1の実施形態のシリコン窒化膜7aaに代えてシリコン酸化膜を適用すると共に、上層絶縁膜7c中のシリコン窒化膜7cbを設けることなく形成してもよい。すなわち、下層側から上層側にかけて、シリコン酸化膜/高誘電体絶縁膜7ab/シリコン酸化膜7ac/高誘電体絶縁膜7b/シリコン酸化膜7caによる積層構造を適用しても良い。
The laminated structure of the intergate insulating
また、高誘電体絶縁膜7ab/シリコン酸化膜7ac/高誘電体絶縁膜7b、高誘電体絶縁膜7b/シリコン酸化膜7ac/高誘電体絶縁膜7ab、による積層構造を適用しても良い。
Further, a laminated structure of high dielectric insulating film 7ab / silicon oxide film 7ac / high dielectric insulating
前述実施形態では、下層絶縁膜7a中のみ、上層絶縁膜17c中のみに、それぞれ、高誘電体絶縁膜7ab、7ccを設けた実施形態を示したが、下層絶縁膜7a、上層絶縁膜17cの構造をそれぞれ高誘電体絶縁膜7bの下層、上層の構造として組み合わせて高誘電体絶縁膜7bの上層および下層の何れにも高誘電体絶縁膜7ab、7ccを設けて構成しても良い。すなわち、シリコン窒化膜7aa/高誘電体絶縁膜7ab/シリコン酸化膜7ac/高誘電体絶縁膜7b/シリコン酸化膜7ca/高誘電体絶縁膜7cc/シリコン窒化膜7cbの積層構造を適用しても良い。また、必要に応じてシリコン窒化膜7aaの下層側の浮遊ゲート電極FGとの間にシリコン酸化膜を設けて構成しても良い。このような構成の場合、書込/消去特性の両特性を良化できる。
In the above-described embodiment, the high dielectric insulating films 7ab and 7cc are provided only in the lower insulating
また、下層側から上層側にかけて、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜7aa/高誘電体絶縁膜7ab/シリコン酸化膜7ac/高誘電体絶縁膜7b/シリコン酸化膜7ca/シリコン窒化膜7cb、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜7aa/シリコン酸化膜7ac/高誘電体絶縁膜7b/シリコン酸化膜7ca/高誘電体絶縁膜7cc/シリコン窒化膜7cbなどの積層構造を適用しても良い。すなわち、シリコン酸化膜を例えば1nm程度の膜厚でシリコン窒化膜7aaの下層側に設けた構造にも適用できる。
Further, from the lower layer side to the upper layer side, silicon oxide film / silicon nitride film 7aa / high dielectric insulating film 7ab / silicon oxide film 7ac / high dielectric insulating
この場合には、浮遊ゲート電極FG上に直接シリコン窒化膜7aaを形成すると固定電荷の増加に伴う閾値の変動や界面準位の増加などがデバイス上許容できない場合に特に有効な構成となる。すなわち、シリコン酸化膜をシリコン窒化膜7aaの下層側に設けることによって固定電荷の増加を抑制することができ、しきい値の変動を抑制できる。 In this case, when the silicon nitride film 7aa is formed directly on the floating gate electrode FG, the configuration is particularly effective when the variation of the threshold value or the increase of the interface state due to the increase of the fixed charge cannot be allowed in the device. That is, by providing the silicon oxide film on the lower layer side of the silicon nitride film 7aa, an increase in fixed charge can be suppressed, and fluctuations in threshold value can be suppressed.
図面中、2はシリコン基板(半導体基板)、5はゲート絶縁膜(第1のゲート絶縁膜)、6、FGは浮遊ゲート電極(電荷蓄積層)、7はゲート間絶縁膜(第2のゲート絶縁膜)、7aaはシリコン窒化膜、7abは高誘電体絶縁膜、7acはシリコン酸化膜、7bは高誘電体絶縁膜、7caはシリコン酸化膜、7cbはシリコン窒化膜、7aは下層絶縁膜、7cは上層絶縁膜、8は導電層(制御ゲート電極層)、CGは制御ゲート電極層を示す。 In the drawings, 2 is a silicon substrate (semiconductor substrate), 5 is a gate insulating film (first gate insulating film), 6, FG is a floating gate electrode (charge storage layer), and 7 is an inter-gate insulating film (second gate). Insulating film), 7aa is a silicon nitride film, 7ab is a high dielectric insulating film, 7ac is a silicon oxide film, 7b is a high dielectric insulating film, 7ca is a silicon oxide film, 7cb is a silicon nitride film, 7a is a lower insulating film, 7c is an upper insulating film, 8 is a conductive layer (control gate electrode layer), and CG is a control gate electrode layer.
Claims (5)
前記半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成された第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜上に形成された制御ゲート電極層とを備え、
前記第2のゲート絶縁膜は、前記電荷蓄積層と前記制御ゲート電極層との間に前記電荷蓄積層と前記制御ゲート電極層との間において、シリコン酸化膜と、シリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第1の高誘電体絶縁膜と、シリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第2の高誘電体絶縁膜との層構造を備え、前記第1および第2の高誘電体絶縁膜が前記シリコン酸化膜を挟んだ構造をなしていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A semiconductor substrate;
A first gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A charge storage layer formed on the first gate insulating film;
A second gate insulating film formed on the charge storage layer;
A control gate electrode layer formed on the second gate insulating film,
The second gate insulating film has a relative dielectric constant between a silicon oxide film and a silicon nitride film between the charge storage layer and the control gate electrode layer between the charge storage layer and the control gate electrode layer. A layer structure of a first high dielectric insulating film having a higher relative dielectric constant and a second high dielectric insulating film having a higher relative dielectric constant than that of the silicon nitride film, A nonvolatile semiconductor memory device, wherein the first and second high dielectric insulating films have a structure sandwiching the silicon oxide film.
前記半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成された第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜上に形成された制御ゲート電極層とを備え、
前記第2のゲート絶縁膜は、前記電荷蓄積層と前記制御ゲート電極層との間に前記電荷蓄積層側から前記制御ゲート電極層側にかけて、第1のシリコン窒化膜、第1のシリコン酸化膜、比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第1の高誘電体絶縁膜、第2のシリコン酸化膜、第2のシリコン窒化膜の積層構造を備えると共に、第1のシリコン窒化膜および第1のシリコン酸化膜間、または、第2のシリコン窒化膜および第2のシリコン酸化膜間の少なくとも何れか一方に比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第2の高誘電体絶縁膜を備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A semiconductor substrate;
A first gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A charge storage layer formed on the first gate insulating film;
A second gate insulating film formed on the charge storage layer;
A control gate electrode layer formed on the second gate insulating film,
The second gate insulating film includes a first silicon nitride film and a first silicon oxide film between the charge storage layer and the control gate electrode layer from the charge storage layer side to the control gate electrode layer side. And a laminated structure of a first high dielectric insulating film, a second silicon oxide film, and a second silicon nitride film having a relative dielectric constant higher than that of the silicon nitride film, The relative dielectric constant of at least one of the first silicon nitride film and the first silicon oxide film or between the second silicon nitride film and the second silicon oxide film is higher than the relative dielectric constant of the silicon nitride film. A non-volatile semiconductor memory device comprising a second high dielectric insulating film having a relative dielectric constant.
前記半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成された第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜上に形成された制御ゲート電極層とを備え、
前記第2のゲート絶縁膜は、前記電荷蓄積層と前記制御電極層との間に前記電荷蓄積層側から前記制御ゲート電極層間において、第1ないし第3のシリコン酸化膜の3層シリコン酸化膜構造を備えると共に当該3層シリコン酸化膜構造と、比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第1の高誘電体絶縁膜と、比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第2の高誘電体絶縁膜とを備え、前記第1の高誘電体絶縁膜が前記3層シリコン酸化膜構造間に介在する2層のうちの何れか一方に形成されていると共に前記第2の高誘電体絶縁膜が前記3層シリコン酸化膜構造間に介在する2層のうちの他方に形成されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A semiconductor substrate;
A first gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A charge storage layer formed on the first gate insulating film;
A second gate insulating film formed on the charge storage layer;
A control gate electrode layer formed on the second gate insulating film,
The second gate insulating film is a three-layer silicon oxide film of first to third silicon oxide films between the charge storage layer and the control electrode layer between the charge storage layer side and the control gate electrode layer. A three-layer silicon oxide film structure, a first high dielectric insulating film having a relative dielectric constant higher than that of the silicon nitride film, and a relative dielectric constant of the silicon nitride film. And a second high dielectric insulating film having a relative dielectric constant higher than the relative dielectric constant, and the first high dielectric insulating film is one of the two layers interposed between the three-layer silicon oxide film structures. And the second high dielectric insulating film is formed in the other of the two layers interposed between the three-layer silicon oxide film structures. .
前記第1のゲート絶縁膜上に電荷蓄積層を形成する工程と、
前記電荷蓄積層上に第1のシリコン窒化膜を形成する工程と、
前記第1のシリコン窒化膜上に第1のシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記第1のシリコン酸化膜上に比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第1の高誘電体絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の高誘電体絶縁膜上に第2のシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記第2のシリコン酸化膜上に比誘電率がシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する第2の高誘電体絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の高誘電体絶縁膜上に第2のシリコン窒化膜を形成する工程と、
前記第2のシリコン窒化膜上に制御ゲート電極層を形成する工程とを備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 Forming a first gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a charge storage layer on the first gate insulating film;
Forming a first silicon nitride film on the charge storage layer;
Forming a first silicon oxide film on the first silicon nitride film;
Forming a first high dielectric insulating film having a relative dielectric constant higher than that of the silicon nitride film on the first silicon oxide film;
Forming a second silicon oxide film on the first high dielectric insulating film;
Forming a second high dielectric insulating film having a relative dielectric constant higher than that of the silicon nitride film on the second silicon oxide film;
Forming a second silicon nitride film on the second high dielectric insulating film;
Forming a control gate electrode layer on the second silicon nitride film. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
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