JP2010123591A - 不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 電荷保持特性が良好な不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明では、半導体基板1の主面に形成された少なくとも窒素を含む第1の絶縁膜12a、第1の絶縁膜12a上に形成された少なくともシリコン及び酸素を含む第2の絶縁膜12b、第2の絶縁膜12b上に形成された少なくともシリコン及び窒素を含む第3の絶縁膜12e、及び第3の絶縁膜12e上に形成された少なくともシリコン及び酸素を含む第4の絶縁膜12dとを有するトンネル絶縁膜12と、トンネル絶縁膜12上に形成された電荷蓄積層13と、電荷蓄積層13上に形成されたブロック絶縁膜15と、ブロック絶縁膜15上に形成された制御ゲート16と、を具備し、第3の絶縁膜12e中の窒素濃度は第2の絶縁膜12bとの界面の窒素濃度よりも第4の絶縁膜12dとの界面の窒素濃度の方が低い不揮発性半導体記憶装置が得られる。
【選択図】 図3
【解決手段】 本発明では、半導体基板1の主面に形成された少なくとも窒素を含む第1の絶縁膜12a、第1の絶縁膜12a上に形成された少なくともシリコン及び酸素を含む第2の絶縁膜12b、第2の絶縁膜12b上に形成された少なくともシリコン及び窒素を含む第3の絶縁膜12e、及び第3の絶縁膜12e上に形成された少なくともシリコン及び酸素を含む第4の絶縁膜12dとを有するトンネル絶縁膜12と、トンネル絶縁膜12上に形成された電荷蓄積層13と、電荷蓄積層13上に形成されたブロック絶縁膜15と、ブロック絶縁膜15上に形成された制御ゲート16と、を具備し、第3の絶縁膜12e中の窒素濃度は第2の絶縁膜12bとの界面の窒素濃度よりも第4の絶縁膜12dとの界面の窒素濃度の方が低い不揮発性半導体記憶装置が得られる。
【選択図】 図3
Description
本発明は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に係わり、特にメモリセルトランジスタのトンネル絶縁膜構造の改良をはかった不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関する。
近年、不揮発性半導体記憶装置の一つとして、MONOS(Metal−Oxide−Nitride-Oxide−Semiconductor)セルが開発されている。このMONOSセルは一般に、半導体基板上にトンネル絶縁膜を介して、電荷蓄積層を形成し、電荷蓄積層上にブロック絶縁膜を形成し、その上に制御ゲートを形成することによって構成される。またMONOSセルの消去速度増大のために、トンネル絶縁膜として酸化膜、窒化膜および酸化膜の三層からなるONO(Oxide−Nitride−Oxide)構造が開発されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかし、トンネル絶縁膜がONO構造のMONOSセルにおいては、MONOSセルのゲート幅が100nm以下になると十分な電荷保持特性を有しているとは言えなかった。
特開2006−216215号公報
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、電荷保持特性が良好な不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を提供することを目的としている。
本発明の一態様に係わる不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された少なくとも窒素を含む第1の絶縁膜、前記第1の絶縁膜上に形成された少なくともシリコン及び酸素を含む第2の絶縁膜、前記第2の絶縁膜上に形成された少なくともシリコン及び窒素を含む第3の絶縁膜、及び前記第3の絶縁膜上に形成された少なくともシリコン及び酸素を含む第4の絶縁膜とを有するトンネル絶縁膜と、前記トンネル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ブロック絶縁膜と、前記ブロック絶縁膜上に形成された制御ゲートと、を具備し、前記第3の絶縁膜中の窒素濃度は前記第2の絶縁膜との界面の窒素濃度よりも前記第4の絶縁膜との界面の窒素濃度の方が低いことを特徴とする。
また、本発明の他の態様に係わる不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に少なくともシリコン及び酸素を含む第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜上に少なくともシリコン及び窒素を含む第3の絶縁膜を形成する工程と、酸素ラジカルを含む雰囲気で前記第3の絶縁膜の少なくとも表層を酸化し前記第3の絶縁膜中の窒素濃度を前記第2の絶縁膜との界面から前記第3の絶縁膜表層に向かって減少させ、前記半導体基板と前記第2の絶縁膜との間に少なくとも窒素を含む第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第3の絶縁膜上に少なくともシリコン及び酸素を含む第4の絶縁膜を形成する工程と、前記第4の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ブロック絶縁膜を形成する工程と、前記ブロック絶縁膜上に制御ゲートを形成する工程と、を有していることを特徴とする。
本発明によれば、電荷保持特性が良好な不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置として、電気的に消去可能なNAND型フラッシュメモリを例に図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係るNAND型フラッシュメモリの概略構成を模式的に示した平面図である。図2は、図1に示した構成の等価回路図である。
図1及び図2に示すように、NAND型フラッシュメモリでは、複数のNANDセルユニットU1及びU2(以下、単にセルユニットと称する)が、行方向に互いに間隔を置いて配置されている。各セルユニットU1及びU2は、複数の選択トランジスタS1、S2と複数のメモリセルトランジスタM1〜M8とを有し、複数のメモリセルトランジスタM1〜M8は、列方向において、選択トランジスタS1及びS2間に配置されて直列接続されている。
各セルユニットU1及びU2の選択トランジスタS1及びS2は、行方向に設けられた選択ゲート線SG1及びSG2に接続されており、メモリセルトランジスタM1〜M8の各々は、行方向に設けられたコントロールゲート線(ワード線とも言う)CG1〜CG8に接続されている。また、各セルユニットU1及びU2の選択トランジスタS1の各々は、ビット線BL1、BL2に接続されており、選択トランジスタS2の各々は、Vss電源電圧が与えられるVss電源に接続されている。なお、ここではメモリセルトランジスタが8個の場合について示したが、メモリセルトランジスタの数は8個に限定されるものではない。また、セルユニットも2個の場合について示したが、2個に限定されるものではない。
図3は、本発明の実施形態に係わるNAND型フラッシュメモリのメモリセルトランジスタ構造を示す断面図である。図3(a)は図1のA1−A2線に沿う断面図であり、ビット線方向(チャネル長方向)の断面を示している。また、図3(b)は図1のB1−B2線に沿う断面図であり、ワード線方向(チャネル幅方向)の断面を示している。
図3に示すように、メモリセルトランジスタM1〜M8の各々は、シリコン基板11と、トンネル絶縁膜12と、電荷蓄積層13と、電荷ブロック層15と、制御ゲート16と、層間絶縁膜18と、ソース/ドレイン拡散層17とを具備する。トンネル絶縁膜12はさらに第1の絶縁膜であるシリコン窒化膜12a、第2の絶縁膜であるシリコン酸化膜12b、第3の絶縁膜であるシリコン窒化膜12e、第4の絶縁膜であるシリコン酸化膜12dから成る。本実施形態では、図4に示すように、シリコン窒化膜12e中の窒素濃度はシリコン酸化膜12bとの界面の濃度よりもシリコン酸化膜12dとの界面の濃度の方が低くなっている。しかも、シリコン窒化膜12eは、シリコン酸化膜12b側からシリコン酸化膜12d側に向って緩やかに減少するような窒素濃度分布に形成されている。ここでは、シリコン窒素化膜12e中の窒素含有量を、シリコン酸化膜12dとの界面から1nm離れた位置でシリコン酸化膜12b界面付近の60%以下としている。
そのため、一般に、図5(a)に示すように、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の界面には、膜密度の違いから生じるダングリングボンドが多数存在し、図5(b)に示すように、このダングリングボンドには電子が容易にトラップされる。それに対して、本実施形態のようにシリコン酸化膜12dとの界面におけるシリコン窒化膜12eの窒素濃度が低く、シリコン窒化膜12e側からシリコン酸化膜12d側に向って窒素濃度変化が緩やかになっている場合には、シリコン酸化膜12dとシリコン窒化膜12eとの界面におけるダングリングボンドが減少する。つまり、シリコン窒化膜12e中のダングリングボンドの量がシリコン酸化膜12b側からシリコン酸化膜12d側に向かって減少しているため、電子がトラップされ難い。
図6(a)に本実施形態のメモリセルトランジスタM1〜M8の各々において、電荷蓄積層13に電子が存在する場合のトンネル絶縁膜12のバンド図をに示す。ただし、ここではシリコン窒化膜12aは省略している。また比較として、トンネル絶縁膜がシリコン酸化膜12b、シリコン窒化膜12c及びシリコン酸化膜12dの積層構造の場合のバンド図を図6(b)に示す。
電子の電荷蓄積層13からシリコン基板11方向への移動のし易さは、シリコン酸化膜12d中の電子のトンネリング距離の影響を受けると考えられる。一般に、図6(b)に示した電荷蓄積層13中の電子がシリコン窒化膜12cへ移動する場合の電子のトンネリング距離Dbはシリコン窒化膜12dの膜厚に相当する。一方、本実施形態では、図6(a)に示すように、電荷蓄積層13中の電子がシリコン窒化膜12eへ移動する場合では、シリコン窒化膜12eのシリコン酸化膜12d側のエネルギー障壁のため、トンネリング距離Daがシリコン窒化膜12dの膜厚より長くなっている。そのため、電荷蓄積層13からのシリコン基板11への電子の移動が抑制される。
また、シリコン基板11の表面には、シリコン窒化膜12aが存在している。このシリコン窒化膜12aが存在することで、その後の熱工程によるトンネル絶縁膜へのバーズビーク増加を抑制でき、消去速度の低下を防ぐことができる。一方、窒素濃度が高すぎるとメモリセルトランジスタの消去速度が低下することから、シリコン窒化膜12aは窒素の面密度で5E14atoms/cm2以上3E15atoms/cm2以下にしている。
以下、図7乃至図12を参照して、本実施形態に係るNAND型フラッシュメモリの製造方法を説明する。図7乃至図11において各図(a)はビット線方向(チャネル長方向)の断面を示しており、各図(b)はワード線方向(チャネル幅方向)の断面を示している。
まず、図7に示すように、所望の導電型不純物がドーピングされたシリコン基板11上に、厚さ3nmのシリコン酸化膜12bを形成する。具体的には、700℃の酸素雰囲気でシリコン酸化膜12bを形成する。続いて、シリコン酸化膜12bの表面を窒化することにより厚さ2nmのシリコン窒化膜12cを形成する。具体的には、シリコン基板温度が400℃で、希ガスとN2の混合ガスを用いたプラズマ窒化法により、シリコン窒化膜12cを形成する。
次に、700℃のシリコン基板11上で酸素ラジカルを発生させ、シリコン窒化膜12cの少なくとも表層部を酸化する。この酸化の際に、図12に示すように、シリコン窒化膜12cの表層の窒素原子Nが脱離し、図4(a)に示すように、シリコン窒化膜12c表層の窒素濃度がシリコン酸化膜12bとの界面よりも低いシリコン窒化膜12eとなる。また、シリコン窒化膜12eは、第2のシリコン酸化膜12b側の面から反対側の面に向かって緩やかに減少する窒素濃度分布を有する。さらに、脱離した窒素原子Nがシリコン基板11まで到達し、シリコン基板11の表面にシリコン窒化膜12aが形成される。
次に、シリコン窒化膜12e上に厚さ3nmのシリコン酸化膜12dをALD(atomic layer deposition)法によって形成する。以上の方法により図8に示すように、第1の絶縁膜であるシリコン窒化膜12a、第2の絶縁膜であるシリコン酸化膜12b、第3の絶縁膜であるシリコン窒化膜12e、第4の絶縁膜であるシリコン酸化膜12dから成るトンネル絶縁膜12が形成される。
次に、図9に示すように、トンネル絶縁膜12の最上層であるシリコン酸化膜12d上に電荷蓄積層13となる厚さ5nmのシリコン窒化膜をCVD(chemical vapor deposition)法で形成する。さらに、電荷蓄積層13上に、ビット線方向に延伸したマスクパターン(図示せず)を形成する。このマスクパターンをマスクとして用いて、電荷蓄積層13、トンネル絶縁膜12及びシリコン基板11を、RIE(reactive ion etching)法によってパターンニングする。これにより、素子分離溝14aに挟まれ、ビット線方向に延伸した構造が得られる。素子分離溝14aの幅は20nm程度、深さは100nm程度である。
さらに、図10に示すように、素子分離溝14aを埋めるようにシリコン基板11の全面に素子分離絶縁膜14bとしてのシリコン酸化膜を堆積する。続いて、CMP(chemical mechanical polishing)法によって素子分離絶縁膜14bを平坦化した後、マスクパターンをウエットエッチングで剥離する。この素子分離溝14aと素子分離絶縁膜14bとにより素子分離領域14が形成される。
次に、図11に示すように、電荷ブロック層15となる厚さ13nmのアルミナ膜をALD法で堆積する。続いて、電荷ブロック層15上に、制御ゲート16となる厚さ200nmの多結晶シリコン膜をCVD法によって形成する。さらに、制御ゲート16上に、RIE用のマスク膜としてシリコン窒化膜(図示せず)を形成する。
次に、マスク膜上に、ワード線方向に延伸したレジストパターン(図示せず)を形成する。このレジストパターンをマスクとして用いて、RIE法により、マスク膜、制御ゲート16、電荷ブロック層15及び電荷蓄積層13をパターニングする。これにより、ビット線方向の幅が20nm程度で、ワード線の幅が20nm程度のメモリセルトランジスタのゲート電極が得られる。
続いて、このゲート電極をマスクとして用いて、シリコン基板11に導電型不純物をイオン注入して、ソース/ドレイン拡散層17を形成する。さらにマスク膜を剥離してから、シリコン基板11の全面に層間絶縁膜18を形成することにより、図3に示すようなNAND型フラッシュメモリが形成される。
本実施形態では、プラズマ窒化法によりシリコン窒化膜12cを形成した後、酸素ラジカルを用いてシリコン窒化膜12cの少なくとも表層部を酸化してシリコン窒化膜12eを形成している。そのため、シリコン窒化膜12eは、図4(a)に示すように、シリコン酸化膜12bとの界面の濃度よりもシリコン酸化膜12dとの界面の濃度の方が低く、しかも、シリコン酸化膜12b側からシリコン酸化膜12d側に向って緩やかに減少するような窒素濃度分布を持つため、電荷保持特性が向上する。
電荷保持特性が向上する第1の理由は、トンネル絶縁膜の電子トラップが減少することである。つまり、シリコン酸化膜12dとシリコン窒化膜12eとの界面におけるダングリングボンドの量が減少するため、電荷蓄積層13中の電子がシリコン基板11方向へ移動する場合のシリコン窒化膜12eでの電子トラップ量を低減できる。よってメモリセルトランジスタの電荷保持特性が向上する。
また、電荷保持特性が向上する第2の理由は、電荷蓄積層13からの電荷抜け抑制効果である。図6に示したようにトンネリング距離Daをシリコン窒化膜12dの膜厚より長くすることができるため、電荷蓄積層13からのシリコン基板11への電子の移動を抑制することができる。
さらに、上述の酸素ラジカルを用いた酸化を行うとシリコン基板11の表面にシリコン窒化膜12aが形成される。このシリコン窒化膜12aによって、その後の熱工程によるトンネル絶縁膜へのバーズビーク増加を抑制でき、消去速度の低下を防ぐことができる。
なお、上述した実施形態では、シリコン窒化膜12cの表層から脱離した窒素原子Nによって、初めてシリコン窒化膜12aが形成されるが、シリコン基板11の表面にあらかじめシリコン窒化膜12aを形成しておいても良い。その場合には、あらかじめ形成しておいたシリコン窒化膜12aに、シリコン窒化膜12cの表層から脱離した窒素原子が追加されることになる。
また、上述した実施形態では、700℃のシリコン基板表面で酸素ラジカルを発生させ、シリコン窒化膜12cの少なくとも表層部を酸化することでシリコン窒化膜12eを形成しているが、シリコン基板表面温度は700℃以上でも良い。700℃以上の温度で酸化した場合、シリコン窒化膜12e中の窒素濃度は図4(b)のようになる。また、高温化することでシリコン窒化膜12e中のダングリングボンドが減少し、トンネル絶縁膜12への電荷トラップ量が減少するため、電荷保持特性をさらに向上させることができる。また、酸素ラジカルを用いた酸化の後に得られたシリコン窒化膜12eは酸素を含んだシリコン酸窒化膜であっても良い。
なお上述した実施形態では、700℃の酸素雰囲気で熱酸化膜法によりシリコン酸化膜12bを形成しているが、700℃以上の酸素雰囲気でも良い。この場合、シリコン酸化膜12bが高密度化し、固定電荷及び界面準位密度を低減することができる。その結果、メモリセルトランジスタの動作電圧上昇及びメモリセルトランジスタ信頼性の低下を抑制することができる。
さらに上述した実施形態では、シリコン基板温度が400℃で、希ガスとN2の混合ガスを用いたプラズマ窒化法によりシリコン窒化膜12cを形成しているが、400℃以上の基板温度でも良い。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。
11・・・ シリコン基板
12a・・・ シリコン窒化膜(第1の絶縁膜)
12b・・・ シリコン酸化膜(第2の絶縁膜)
12c・・・ シリコン窒化膜
12d・・・ シリコン酸化膜(第4の絶縁膜)
12e・・・ シリコン窒化膜(第3の絶縁膜)
12・・・ トンネル絶縁膜
13・・・ 電荷蓄積層
14・・・ 素子分離領域
14a・・・ 素子分離溝
14b・・・ 素子分離絶縁膜
15・・・ 電荷ブロック層
16・・・ 制御ゲート
17・・・ ソース/ドレイン拡散層
18・・・ 層間絶縁膜
12a・・・ シリコン窒化膜(第1の絶縁膜)
12b・・・ シリコン酸化膜(第2の絶縁膜)
12c・・・ シリコン窒化膜
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17・・・ ソース/ドレイン拡散層
18・・・ 層間絶縁膜
Claims (5)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された少なくとも窒素を含む第1の絶縁膜、
前記第1の絶縁膜上に形成された少なくともシリコン及び酸素を含む第2の絶縁膜、前記第2の絶縁膜上に形成された少なくともシリコン及び窒素を含む第3の絶縁膜、及び前記第3の絶縁膜上に形成された少なくともシリコン及び酸素を含む第4の絶縁膜とを有するトンネル絶縁膜と、
前記トンネル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ブロック絶縁膜と、
前記ブロック絶縁膜上に形成された制御ゲートと、
を具備し、
前記第3の絶縁膜中の窒素濃度は前記第2の絶縁膜との界面の窒素濃度よりも前記第4の絶縁膜との界面の窒素濃度の方が低いことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第3の絶縁膜中の窒素濃度が前記第2の絶縁膜側から前記第4の絶縁膜側に向かって減少していることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第3の絶縁膜中のダングリングボンドの量が前記第2の絶縁膜側から前記第4の絶縁膜側に向かって減少していることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1の絶縁膜の窒素面密度が3E15atoms/cm2以下であることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 半導体基板上に少なくともシリコン及び酸素を含む第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上に少なくともシリコン及び窒素を含む第3の絶縁膜を形成する工程と、
酸素ラジカルを含む雰囲気で前記第3の絶縁膜の少なくとも表層を酸化し前記第3の絶縁膜中の窒素濃度を前記第2の絶縁膜との界面から前記第3の絶縁膜表層に向かって減少させ、前記半導体基板と前記第2の絶縁膜との間に少なくとも窒素を含む第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜上に少なくともシリコン及び酸素を含む第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の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ブロック絶縁膜を形成する工程と、
前記ブロック絶縁膜上に制御ゲートを形成する工程と、
を有していることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
Priority Applications (1)
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JP2008292980A JP2010123591A (ja) | 2008-11-17 | 2008-11-17 | 不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法 |
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JP2012084808A (ja) * | 2010-10-14 | 2012-04-26 | Toshiba Corp | 半導体装置の製造方法 |
CN111725224A (zh) * | 2019-03-18 | 2020-09-29 | 东芝存储器株式会社 | 半导体存储装置及其制造方法 |
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- 2008-11-17 JP JP2008292980A patent/JP2010123591A/ja active Pending
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JP2012084808A (ja) * | 2010-10-14 | 2012-04-26 | Toshiba Corp | 半導体装置の製造方法 |
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