JP2010147103A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device superior in a charge deletion characteristic and a charge holding characteristic. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes a semiconductor region 101, a tunnel insulating film 102 formed on a surface of the semiconductor region, a charge accumulation insulating film 103 formed on a surface of the tunnel insulating film, a block insulating film 104 formed on a surface of the charge accumulation insulating film and a control gate electrode 105 formed on a surface of the block insulating film. The tunnel insulating film includes a first region 102a which is formed on the surface of the semiconductor region and contains silicon and oxygen, a second region 102b which is formed on the surface of the first region and contains silicon and nitrogen, a third region 102d which is formed on a rear face of the charge accumulation insulating film and contains silicon and oxygen, and a fourth region 102c which is formed between the second region and the third region, contains silicon, nitrogen and oxygen, has nitrogen concentration lower than that of the second region and has oxygen concentration lower than that of the third region. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

現在、電荷蓄積層に電荷トラップ用の電荷蓄積絶縁膜を用いた電荷トラップ型の不揮発性半導体記憶装置が開発されている(例えば、特許文献1を参照)。この電荷トラップ型の不揮発性半導体記憶装置では、トンネル絶縁膜を通して電荷蓄積絶縁膜に注入された電荷を、電荷蓄積絶縁膜中のトラップ準位にトラップさせることで、電荷蓄積絶縁膜に電荷が蓄積される。代表的な電荷トラップ型の不揮発性半導体記憶装置としては、MONOS型或いはSONOS型の不揮発性半導体記憶装置が知られており、電荷蓄積絶縁膜の材料としては、シリコン窒化膜等が用いられる。   Currently, a charge trapping nonvolatile semiconductor memory device using a charge trapping insulating film for charge trapping as a charge storage layer has been developed (see, for example, Patent Document 1). In this charge trap type nonvolatile semiconductor memory device, charges are accumulated in the charge storage insulating film by trapping the charge injected into the charge storage insulating film through the tunnel insulating film at the trap level in the charge storage insulating film. Is done. As a typical charge trapping type nonvolatile semiconductor memory device, a MONOS type or SONOS type nonvolatile semiconductor memory device is known, and a silicon nitride film or the like is used as a material of the charge storage insulating film.

上述した電荷トラップ型の不揮発性半導体記憶装置では、電荷消去速度の増加を目的とした、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜からなる積層構造(ONO構造)を有するトンネル絶縁膜が提案されている(例えば、特許文献2を参照)。しかし、電荷消去特性及び電荷保持特性が共に優れた不揮発性半導体記憶装置が必ずしも提案されているとは言えなかった。
特開2004−158810号公報 特開2006−216215号公報
In the above-described charge trap type nonvolatile semiconductor memory device, a tunnel insulating film having a laminated structure (ONO structure) composed of a silicon oxide film, a silicon nitride film and a silicon oxide film has been proposed for the purpose of increasing the charge erasing speed. (For example, refer to Patent Document 2). However, it has not been said that a nonvolatile semiconductor memory device excellent in both charge erasing characteristics and charge holding characteristics has been proposed.
JP 2004-158810 A JP 2006-216215 A

本発明は、電荷消去特性及び電荷保持特性に優れた半導体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。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device excellent in charge erasing characteristics and charge holding characteristics and a method for manufacturing the same.

本発明の第一の視点にかかる半導体装置は、半導体領域と、前記半導体領域の表面に形成されたトンネル絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜の表面に形成された電荷蓄積絶縁膜と、前記電荷蓄積絶縁膜の表面に形成されたブロック絶縁膜と、前記ブロック絶縁膜の表面に形成された制御ゲート電極と、を具備する半導体装置であって、前記トンネル絶縁膜は、前記半導体領域の表面に形成され、シリコン及び酸素を主成分として含有する第1の領域と、前記第1の領域の表面に形成され、シリコン及び窒素を主成分として含有する第2の領域と、前記電荷蓄積絶縁膜の裏面に形成され、シリコン及び酸素を主成分として含有する第3の領域と、前記第2の領域と前記第3の領域との間に形成され、シリコン、窒素及び酸素を含有し、前記第2の領域の窒素濃度よりも低い窒素濃度を有し、前記第3の領域の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する第4の領域と、を含むことを特徴とする。   A semiconductor device according to a first aspect of the present invention includes a semiconductor region, a tunnel insulating film formed on the surface of the semiconductor region, a charge storage insulating film formed on the surface of the tunnel insulating film, and the charge storage A semiconductor device comprising: a block insulating film formed on a surface of the insulating film; and a control gate electrode formed on the surface of the block insulating film, wherein the tunnel insulating film is formed on the surface of the semiconductor region A first region containing silicon and oxygen as main components, a second region formed on the surface of the first region and containing silicon and nitrogen as main components, and a back surface of the charge storage insulating film. Formed between the second region and the third region, containing silicon, nitrogen and oxygen, and the second region containing silicon and oxygen as main components. Territory Has a lower nitrogen concentration than the nitrogen concentration, characterized in that it comprises a fourth region having a lower oxygen concentration than the oxygen concentration in the third region.

本発明の第二の視点にかかる半導体装置の製造方法は、半導体領域と、前記半導体領域の表面に形成されたトンネル絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜の表面に形成された電荷蓄積絶縁膜と、前記電荷蓄積絶縁膜の表面に形成されたブロック絶縁膜と、前記ブロック絶縁膜の表面に形成された制御ゲート電極と、を具備し、前記トンネル絶縁膜が、前記半導体領域の表面に形成され、シリコン及び酸素を主成分として含有する第1の領域と、前記第1の領域の表面に形成され、シリコン及び窒素を主成分として含有する第2の領域と、前記電荷蓄積絶縁膜の裏面に形成され、シリコン及び酸素を主成分として含有する第3の領域と、前記第2の領域と前記第3の領域との間に形成され、シリコン、窒素及び酸素を含有し、前記第2の領域の窒素濃度よりも低い窒素濃度を有し、前記第3の領域の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する第4の領域と、を含む半導体装置の製造方法であって、前記第4の領域を形成する工程は、前記第2の領域を形成する工程と、第3の領域を形成する工程との間に第4の領域となる絶縁膜を堆積することで行われることを特徴とする。   A semiconductor device manufacturing method according to a second aspect of the present invention includes a semiconductor region, a tunnel insulating film formed on the surface of the semiconductor region, a charge storage insulating film formed on the surface of the tunnel insulating film, A block insulating film formed on the surface of the charge storage insulating film, and a control gate electrode formed on the surface of the block insulating film, the tunnel insulating film is formed on the surface of the semiconductor region, A first region containing silicon and oxygen as main components, a second region containing silicon and nitrogen as main components, and formed on the back surface of the charge storage insulating film. A third region containing silicon and oxygen as main components, and formed between the second region and the third region, containing silicon, nitrogen, and oxygen; Nitrogen concentration And a fourth region having an oxygen concentration lower than that of the third region and a step of forming the fourth region. Is performed by depositing an insulating film serving as a fourth region between the step of forming the second region and the step of forming the third region.

本発明によれば、電荷消去特性及び電荷保持特性に優れた半導体装置及びその製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having excellent charge erasing characteristics and charge holding characteristics and a method for manufacturing the same.

以下、本発明の実施形態に係る半導体装置(電荷蓄積層に電荷トラップ用の電荷蓄積絶縁膜を用いた電荷トラップ型の不揮発性半導体記憶装置)について説明する。   Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention (a charge trap type nonvolatile semiconductor memory device using a charge trapping charge storage insulating film as a charge storage layer) will be described.

(第1の実施形態)
図1〜図3を用いて、第1の実施形態に係る半導体装置の基本的な構成について概略的に説明する。
(First embodiment)
The basic configuration of the semiconductor device according to the first embodiment will be schematically described with reference to FIGS.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図であり、主としてメモリセルトランジスタの構成を示した図である。図1(a)はチャネル長方向(ビット線方向)に沿った断面図であり、図1(b)はチャネル幅方向(ワード線方向)に沿った断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and mainly shows the configuration of a memory cell transistor. 1A is a cross-sectional view along the channel length direction (bit line direction), and FIG. 1B is a cross-sectional view along the channel width direction (word line direction).

図1(a)及び図1(b)に示すように、半導体基板(シリコン基板)101の表面にはトンネル絶縁膜102が形成され、トンネル絶縁膜102の表面には電荷蓄積絶縁膜103が形成されている。電荷蓄積絶縁膜103の表面にはブロック絶縁膜104が形成され、ブロック絶縁膜104の表面には制御ゲート電極105が形成されている。そして、メモリセルトランジスタを覆うように層間絶縁膜106が形成されている。また、隣接するメモリセルトランジスタ間には素子分離絶縁膜107が形成されている。   As shown in FIGS. 1A and 1B, a tunnel insulating film 102 is formed on the surface of a semiconductor substrate (silicon substrate) 101, and a charge storage insulating film 103 is formed on the surface of the tunnel insulating film 102. Has been. A block insulating film 104 is formed on the surface of the charge storage insulating film 103, and a control gate electrode 105 is formed on the surface of the block insulating film 104. An interlayer insulating film 106 is formed so as to cover the memory cell transistor. An element isolation insulating film 107 is formed between adjacent memory cell transistors.

また、トンネル絶縁膜102は、半導体基板101の表面に形成された酸化膜(第1の領域)102aと、酸化膜102aの表面に形成された窒化膜(第2の領域)102bと、窒化膜102bの表面に形成された酸窒化膜(第4の領域)102cと、酸窒化膜102cの表面に形成された酸化膜(第3の領域)102dと、を具備している。   The tunnel insulating film 102 includes an oxide film (first region) 102a formed on the surface of the semiconductor substrate 101, a nitride film (second region) 102b formed on the surface of the oxide film 102a, and a nitride film. An oxynitride film (fourth region) 102c formed on the surface of 102b and an oxide film (third region) 102d formed on the surface of the oxynitride film 102c are provided.

酸化膜102a及び酸化膜102dは、シリコン及び酸素を主成分として含有する例えばシリコン酸化膜である。窒化膜102bは、シリコン及び窒素を主成分として含有する例えばシリコン窒化膜である。酸窒化膜102cは、シリコン、窒素及び酸素を主成分として含有する例えばシリコン酸窒化膜である。   The oxide film 102a and the oxide film 102d are, for example, silicon oxide films containing silicon and oxygen as main components. The nitride film 102b is, for example, a silicon nitride film containing silicon and nitrogen as main components. The oxynitride film 102c is, for example, a silicon oxynitride film containing silicon, nitrogen, and oxygen as main components.

図2は、窒化膜102b及び酸窒化膜102cの深さ方向の窒素濃度分布を示している。図2(a)は、第1の実施形態のトンネル絶縁膜102の構成を概略的に示した断面図である。図2(b)は、窒化膜102b及び酸窒化膜102cにおける窒素濃度分布を示している。   FIG. 2 shows the nitrogen concentration distribution in the depth direction of the nitride film 102b and the oxynitride film 102c. FIG. 2A is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the tunnel insulating film 102 of the first embodiment. FIG. 2B shows the nitrogen concentration distribution in the nitride film 102b and the oxynitride film 102c.

図2に示すように、酸窒化膜102cの窒素濃度は、窒化膜102bと酸窒化膜102cとの境界から酸化膜102dと酸窒化膜102cとの境界に向かって減少している。酸素濃度は逆に、窒化膜102bと酸窒化膜102cとの境界から酸化膜102dと酸窒化膜102cとの境界に向かって増加している。また、(A)の窒素濃度分布は窒素濃度が一定の割合で減少している場合の分布であり、(B)の分布は(A)の分布の場合と比較して窒素が多く、酸素が少ない場合の分布である。また、(C)の分布は(A)の分布の場合と比較して窒素が少なく、酸素が多い場合である。   As shown in FIG. 2, the nitrogen concentration of the oxynitride film 102c decreases from the boundary between the nitride film 102b and the oxynitride film 102c toward the boundary between the oxide film 102d and the oxynitride film 102c. Conversely, the oxygen concentration increases from the boundary between the nitride film 102b and the oxynitride film 102c toward the boundary between the oxide film 102d and the oxynitride film 102c. Further, the nitrogen concentration distribution in (A) is a distribution when the nitrogen concentration decreases at a constant rate, and the distribution in (B) has more nitrogen and oxygen than the distribution in (A). The distribution is small. Further, the distribution of (C) is a case where there is less nitrogen and more oxygen than the distribution of (A).

図3は、メモリセルトランジスタの電荷消去動作時と電荷消去動作後について示したエネルギーバンド図である。図3(a)は比較例(トンネル絶縁膜がONO構造)の電荷消去動作時のエネルギーバンド図であり、図3(b)は、第1の実施形態のメモリセルトランジスタの電荷消去動作時のエネルギーバンド図であり、図3(c)は、第1の実施形態のメモリセルトランジスタの電荷消去後(電荷保持時)のエネルギーバンド図である。   FIG. 3 is an energy band diagram showing the charge erasing operation and after the charge erasing operation of the memory cell transistor. 3A is an energy band diagram at the time of charge erasing operation of the comparative example (the tunnel insulating film is ONO structure), and FIG. 3B is a diagram at the time of charge erasing operation of the memory cell transistor of the first embodiment. FIG. 3C is an energy band diagram after charge erasure (during charge retention) of the memory cell transistor of the first embodiment.

図3(a)に示すように、トンネル絶縁膜102が、酸化膜102a、窒化膜102b及び酸化膜102eのONO構造であった場合、窒化膜102bの価電子帯端よりも酸化膜102eの価電子帯端の方が正孔(ホール)に対するエネルギー障壁が高いため、電荷消去動作時(正孔注入時)には正孔に対する酸化膜102eの障壁によって電荷蓄積絶縁膜103への正孔の注入が妨げられる。そのため、窒化膜102bのポテンシャル井戸に正孔がトラップされる。   As shown in FIG. 3A, when the tunnel insulating film 102 has the ONO structure of the oxide film 102a, the nitride film 102b, and the oxide film 102e, the valence of the oxide film 102e is more than the valence band edge of the nitride film 102b. Since the electron band edge has a higher energy barrier against holes, holes are injected into the charge storage insulating film 103 by the barrier of the oxide film 102e against holes during the charge erasing operation (hole injection). Is disturbed. Therefore, holes are trapped in the potential well of the nitride film 102b.

本実施形態のトンネル絶縁膜102では、窒化膜102bと酸化膜102dとの間に酸窒化膜102cが形成されている。このため、図3(b)に示すように、正孔は障壁に遮られることなく電荷蓄積絶縁膜103に注入され、正孔がトンネル絶縁膜102内にトラップされることがなくなる。そのため、正孔トラップに起因する消去特性の飽和が抑制され、良好な消去特性を得ることができる。   In the tunnel insulating film 102 of the present embodiment, an oxynitride film 102c is formed between the nitride film 102b and the oxide film 102d. For this reason, as shown in FIG. 3B, holes are injected into the charge storage insulating film 103 without being blocked by a barrier, and holes are not trapped in the tunnel insulating film 102. For this reason, saturation of the erasing characteristics due to hole traps is suppressed, and good erasing characteristics can be obtained.

また本実施形態では、図3(c)に示すように、電荷保持時には酸窒化膜102c及び酸化膜102dが正孔に対して障壁として機能するため、電荷保持特性の劣化を抑制することが可能である。   In the present embodiment, as shown in FIG. 3C, the oxynitride film 102c and the oxide film 102d function as a barrier against holes during charge retention, so that deterioration of charge retention characteristics can be suppressed. It is.

その結果、本実施形態では良好な電荷消去特性及び電荷保持特性を有するメモリセルトランジスタを得ることが可能である。   As a result, in this embodiment, it is possible to obtain a memory cell transistor having good charge erasing characteristics and charge holding characteristics.

なお、図3(b)及び図3(c)に示すように、(B)(図2の(B)に対応)の場合、消去動作時に低電界側から正孔に対する障壁が小さくなることで、消去速度が向上する。また、(C)(図2の(C)に対応)の場合、電荷蓄積絶縁膜103に蓄積された正孔に対するトンネル絶縁膜102側のエネルギー障壁が高くなることで、消去時の電荷保持特性が向上する。   As shown in FIGS. 3B and 3C, in the case of (B) (corresponding to (B) of FIG. 2), the barrier against holes is reduced from the low electric field side during the erase operation. , Erase speed is improved. In the case of (C) (corresponding to (C) in FIG. 2), the energy barrier on the tunnel insulating film 102 side with respect to the holes accumulated in the charge storage insulating film 103 is increased, so that the charge retention characteristics at the time of erasing are increased. Will improve.

図1、図4〜図7を用いて、第1の実施形態に係る半導体装置の基本的な製造方法について概略的に説明する。   A basic manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment will be schematically described with reference to FIGS. 1 and 4 to 7.

図4〜図7は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した断面図である。図4(a)〜図7(a)はビット線方向に沿った断面図であり、図4(b)〜図7(b)はワード線方向に沿った断面図である。   4 to 7 are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 4A to 7A are cross-sectional views along the bit line direction, and FIGS. 4B to 7B are cross-sectional views along the word line direction.

まず、図4に示すように、所望の不純物をドーピングした半導体基板101の表面を700℃の酸素雰囲気に晒すことで、酸化膜(第1の領域)102aとして厚さ1.5nm程度のシリコン酸化膜を形成する。さらに、ALD(Atomic Layer Deposition)法を用いて厚さ3.5nm程度のシリコン窒化膜を堆積する。その後、基板温度700℃の酸素ラジカルを含む雰囲気で、シリコン窒化膜の少なくとも表面領域を酸化し、窒化膜(第2の領域)102b及び酸窒化膜(第4の領域)102cとして、図2(b)に示すような窒素濃度分布をもつシリコン窒化膜及びシリコン酸窒化膜を形成する。その後、ジクロロシランとオゾンガスを用いて、基板温度550℃でALD法を用いて、酸化膜(第3の領域)102dとして厚さ0.5nm程度のシリコン酸化膜を堆積する。これにより、厚さ6nm程度の酸化膜102a、窒化膜102b、酸窒化膜102c及び酸化膜102dからなる積層構造のトンネル絶縁膜102が形成される。   First, as shown in FIG. 4, by exposing the surface of a semiconductor substrate 101 doped with a desired impurity to an oxygen atmosphere at 700 ° C., silicon oxide having a thickness of about 1.5 nm is formed as an oxide film (first region) 102a. A film is formed. Further, a silicon nitride film having a thickness of about 3.5 nm is deposited using an ALD (Atomic Layer Deposition) method. Thereafter, at least the surface region of the silicon nitride film is oxidized in an atmosphere containing oxygen radicals at a substrate temperature of 700 ° C. to form a nitride film (second region) 102b and an oxynitride film (fourth region) 102c in FIG. A silicon nitride film and a silicon oxynitride film having a nitrogen concentration distribution as shown in b) are formed. Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of about 0.5 nm is deposited as an oxide film (third region) 102d by using ALD at a substrate temperature of 550 ° C. using dichlorosilane and ozone gas. As a result, a tunnel insulating film 102 having a stacked structure including the oxide film 102a, the nitride film 102b, the oxynitride film 102c, and the oxide film 102d having a thickness of about 6 nm is formed.

続いて、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて電荷蓄積絶縁膜103となる厚さ5nm程度のシリコン窒化膜を堆積し、さらに電荷蓄積絶縁膜103上にCVD法を用いて加工マスク材108を堆積する。   Subsequently, a silicon nitride film having a thickness of about 5 nm to be the charge storage insulating film 103 is deposited by using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and a processing mask material 108 is formed on the charge storage insulating film 103 by using the CVD method. accumulate.

次に、図5に示すように、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE(Reactive Ion Etching)法により、加工マスク材108、電荷蓄積絶縁膜103、トンネル絶縁膜102を順次エッチングし、さらに、露出した半導体基板を深さ100nm程度エッチングして、素子分離溝107aを形成する。   Next, as shown in FIG. 5, the processing mask material 108, the charge storage insulating film 103, and the tunnel insulating film 102 are sequentially etched by RIE (Reactive Ion Etching) using a resist mask (not shown). Then, the exposed semiconductor substrate is etched by a depth of about 100 nm to form an element isolation groove 107a.

次に、図6に示すように、塗布法によって、シリコン酸化膜を形成し、CMP(chemical mechanical polishing)法によって平坦化して素子分離絶縁膜107を形成する。その後、加工マスク材108を除去し、ALD法によってブロック絶縁膜104となる厚さ13nm程度のアルミナ膜を堆積する。次に、CVD法によって制御ゲート電極105となる不純物をドーピングした多結晶シリコンを堆積し、加工マスク材109を堆積する。   Next, as shown in FIG. 6, a silicon oxide film is formed by a coating method, and planarized by a CMP (chemical mechanical polishing) method to form an element isolation insulating film 107. Thereafter, the processing mask material 108 is removed, and an alumina film having a thickness of about 13 nm to be the block insulating film 104 is deposited by ALD. Next, polycrystalline silicon doped with impurities to be the control gate electrode 105 is deposited by CVD, and a processing mask material 109 is deposited.

次に、図7に示すように、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、加工マスク材109、制御ゲート電極膜105、ブロック絶縁膜104及び電荷蓄積絶縁膜103を順次エッチングして、幅および間隔が約20nm程度の複数のゲート構造を形成する。このとき、トンネル絶縁膜102の表面が露出する。続いて、イオン注入法と熱アニールによりソース/ドレイン用の不純物拡散層(図示せず)を形成する。   Next, as shown in FIG. 7, the processing mask material 109, the control gate electrode film 105, the block insulating film 104, and the charge storage insulating film 103 are sequentially etched by RIE using a resist mask (not shown). A plurality of gate structures having a width and interval of about 20 nm are formed. At this time, the surface of the tunnel insulating film 102 is exposed. Subsequently, an impurity diffusion layer (not shown) for source / drain is formed by ion implantation and thermal annealing.

次に、図1に示すように、加工マスク材109を除去し、塗布法を用いて層間絶縁膜106となるシリコン酸化膜を形成し、CMP法によって平坦化する。その後、周知の技術を用いて配線層等(図示せず)を形成して、不揮発性半導体記憶装置を完成させる。   Next, as shown in FIG. 1, the processing mask material 109 is removed, a silicon oxide film to be the interlayer insulating film 106 is formed by a coating method, and planarized by a CMP method. Thereafter, a wiring layer or the like (not shown) is formed using a well-known technique to complete the nonvolatile semiconductor memory device.

上記第1の実施形態によれば、酸化膜102a上に形成したシリコン窒化膜を酸化することで、所望の窒素濃度分布を持った酸窒化膜102cを形成することができる。   According to the first embodiment, an oxynitride film 102c having a desired nitrogen concentration distribution can be formed by oxidizing the silicon nitride film formed on the oxide film 102a.

その結果、本実施形態では良好な電荷消去特性及び電荷保持特性を有するメモリセルトランジスタを得ることが可能である。   As a result, in this embodiment, it is possible to obtain a memory cell transistor having good charge erasing characteristics and charge holding characteristics.

次に、図8〜図13を用いて、第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の基本的な構成について概略的に説明する。なお、各図中の(A)の窒素濃度分布は窒素濃度が一定の割合で減少している場合の分布であり、各図中の(B)の分布は(A)の分布の場合と比較して窒素が多く、酸素が少ない場合の分布である。また、各図中の(C)の分布は(A)の分布の場合と比較して窒素が少なく、酸素が多い場合である。   Next, a basic configuration of a semiconductor device according to a modification of the first embodiment will be schematically described with reference to FIGS. The nitrogen concentration distribution in (A) in each figure is a distribution when the nitrogen concentration decreases at a constant rate, and the distribution in (B) in each figure is compared with the distribution in (A). Thus, the distribution is when the amount of nitrogen is large and the amount of oxygen is small. Further, the distribution of (C) in each figure is a case where there is less nitrogen and more oxygen than the distribution of (A).

図9、図11、図13は、メモリセルトランジスタの電荷消去動作時と電荷消去動作後(電荷保持時)について示したエネルギーバンド図である。   FIGS. 9, 11 and 13 are energy band diagrams showing the charge erasing operation and after the charge erasing operation (when holding the charge) of the memory cell transistor.

(変形例1)
図8(a)は、トンネル絶縁膜102の構成を概略的に示した断面図である。図8(b)は、酸窒化膜102fにおける窒素濃度分布を示している。
(Modification 1)
FIG. 8A is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the tunnel insulating film 102. FIG. 8B shows a nitrogen concentration distribution in the oxynitride film 102f.

図8(a)に示すように、本変形例では、上述した実施形態と同様に酸化膜102a(第1の領域)及び酸化膜102d(第3の領域)を有しており、上述した実施形態で窒化膜102b及び酸窒化膜102cであった領域を酸窒化膜(シリコン酸窒化膜)102fとしている。その他の基本的な構成は上述した実施形態と同様である。   As shown in FIG. 8A, this modification has an oxide film 102a (first region) and an oxide film 102d (third region) as in the above-described embodiment. A region which is the nitride film 102b and the oxynitride film 102c in the form is an oxynitride film (silicon oxynitride film) 102f. Other basic configurations are the same as those of the above-described embodiment.

図8(b)に示すように、酸窒化膜102fの窒素濃度は、酸化膜102aと酸窒化膜102fとの境界から酸化膜102dと酸窒化膜102fとの境界に向かって減少している。酸素濃度は逆に、酸化膜102aと酸窒化膜102fとの境界から酸化膜102dと酸窒化膜102fとの境界に向かって増加している。なお、酸窒化膜102fが形成された領域は、仮想的に2つの領域からなり、窒素濃度が一定値以上(あるいは酸素濃度が一定値以下)の領域が第2の領域102f1に対応し、窒素濃度が一定値よりも低い(あるいは酸素濃度が一定値よりも高い)領域が第4の領域102f2に対応する。   As shown in FIG. 8B, the nitrogen concentration of the oxynitride film 102f decreases from the boundary between the oxide film 102a and the oxynitride film 102f toward the boundary between the oxide film 102d and the oxynitride film 102f. Conversely, the oxygen concentration increases from the boundary between the oxide film 102a and the oxynitride film 102f toward the boundary between the oxide film 102d and the oxynitride film 102f. Note that the region where the oxynitride film 102f is formed is virtually composed of two regions, and a region where the nitrogen concentration is equal to or higher than a certain value (or the oxygen concentration is equal to or less than a certain value) corresponds to the second region 102f1, and A region where the concentration is lower than a certain value (or the oxygen concentration is higher than a certain value) corresponds to the fourth region 102f2.

図9(a)は、本変形例のメモリセルトランジスタの電荷消去動作時のエネルギーバンド図であり、図9(b)は、本変形例のメモリセルトランジスタの電荷消去後(電荷保持時)のエネルギーバンド図である。   FIG. 9A is an energy band diagram at the time of charge erasing operation of the memory cell transistor of this modification, and FIG. 9B is a diagram after charge erasing of the memory cell transistor of this modification (at the time of charge holding). It is an energy band figure.

図9(a)に示すように、電荷消去動作時には、上述した実施形態と同様に、図3(a)に示すような障壁がなくなるため、正孔がポテンシャル井戸にトラップされることなく電荷蓄積絶縁膜103に注入される。これにより、第1の実施形態と同様、正孔トラップに起因する消去特性の飽和が抑制され、良好な消去特性を得ることができる。   As shown in FIG. 9A, during the charge erasing operation, as in the above-described embodiment, the barrier as shown in FIG. 3A is eliminated, so that the charge is stored without trapping holes in the potential well. It is injected into the insulating film 103. As a result, as in the first embodiment, saturation of the erasing characteristics due to hole traps is suppressed, and good erasing characteristics can be obtained.

また、図9(b)に示すように電荷保持時には、酸窒化膜102f及び酸化膜102dが正孔に対して障壁として機能するため、電荷保持特性の劣化を抑制することが可能である。   In addition, as shown in FIG. 9B, during charge retention, the oxynitride film 102f and the oxide film 102d function as a barrier against holes, so that deterioration of charge retention characteristics can be suppressed.

(変形例2)
図10(a)は、トンネル絶縁膜102の構成を概略的に示した断面図である。図10(b)は、窒化膜102b及び酸窒化膜102gにおける窒素濃度分布を示している。
(Modification 2)
FIG. 10A is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the tunnel insulating film 102. FIG. 10B shows the nitrogen concentration distribution in the nitride film 102b and the oxynitride film 102g.

図10(a)に示すように、本変形例では、上述した実施形態と同様に酸化膜102a(第1の領域)及び窒化膜102b(第2の領域)を有しており、上述した実施形態で酸窒化膜102c及び酸化膜102dであった領域を酸窒化膜(シリコン酸窒化膜)102gとしている。その他の基本的な構成は上述した実施形態と同様である。   As shown in FIG. 10A, the present modification example includes an oxide film 102a (first region) and a nitride film 102b (second region) as in the above-described embodiment. A region that is the oxynitride film 102c and the oxide film 102d in the form is an oxynitride film (silicon oxynitride film) 102g. Other basic configurations are the same as those of the above-described embodiment.

図10(b)に示すように、酸窒化膜102gの窒素濃度は、窒化膜102bと酸窒化膜102gとの境界から電荷蓄積絶縁膜103と酸窒化膜102gとの境界に向かって減少している。酸素濃度は逆に、窒化膜102bと酸窒化膜102gとの境界から電荷蓄積絶縁膜103と酸窒化膜102gとの境界に向かって増加している。なお、酸窒化膜102gが形成された領域は仮想的に2つの領域からなり、酸素濃度が一定値以上(あるいは窒素濃度が一定値以下)の領域が第3の領域102g1に対応し、酸素濃度が一定値よりも低い(あるいは窒素濃度が一定値よりも高い)領域が第4の領域102g2に対応する。   As shown in FIG. 10B, the nitrogen concentration of the oxynitride film 102g decreases from the boundary between the nitride film 102b and the oxynitride film 102g toward the boundary between the charge storage insulating film 103 and the oxynitride film 102g. Yes. Conversely, the oxygen concentration increases from the boundary between the nitride film 102b and the oxynitride film 102g toward the boundary between the charge storage insulating film 103 and the oxynitride film 102g. Note that the region where the oxynitride film 102g is formed is virtually composed of two regions, and a region where the oxygen concentration is equal to or higher than a certain value (or the nitrogen concentration is equal to or less than a certain value) corresponds to the third region 102g1, and the oxygen concentration The region where is lower than a certain value (or the nitrogen concentration is higher than the certain value) corresponds to the fourth region 102g2.

図11(a)は、本変形例のメモリセルトランジスタの電荷消去動作時のエネルギーバンド図であり、図11(b)は、本変形例のメモリセルトランジスタの電荷消去後(電荷保持時)のエネルギーバンド図である。   FIG. 11A is an energy band diagram at the time of charge erasing operation of the memory cell transistor of the present modification, and FIG. 11B is a diagram after charge erasing of the memory cell transistor of the present modification (at the time of charge holding). It is an energy band figure.

図11(a)に示すように、電荷消去動作時には、上述した実施形態と同様に、図3(a)に示すような障壁がなくなるため、正孔がポテンシャル井戸にトラップされることなく電荷蓄積絶縁膜103に注入される。これにより、第1の実施形態と同様、正孔トラップに起因する消去特性の飽和が抑制され、良好な消去特性を得ることができる。   As shown in FIG. 11A, during the charge erasing operation, the barrier as shown in FIG. 3A disappears as in the above-described embodiment, so that holes are not trapped in the potential well and accumulated. It is injected into the insulating film 103. As a result, as in the first embodiment, saturation of the erasing characteristics due to hole traps is suppressed, and good erasing characteristics can be obtained.

また、図11(b)に示すように電荷保持時には、酸窒化膜102gが正孔に対して障壁として機能するため、電荷保持特性の劣化を抑制することが可能である。   In addition, as shown in FIG. 11B, at the time of charge retention, the oxynitride film 102g functions as a barrier against holes, so that deterioration of charge retention characteristics can be suppressed.

(変形例3)
図12(a)は、トンネル絶縁膜102の構成を概略的に示した断面図である。図12(b)は、酸窒化膜102hにおける窒素濃度分布を示している。
(Modification 3)
FIG. 12A is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the tunnel insulating film 102. FIG. 12B shows a nitrogen concentration distribution in the oxynitride film 102h.

図12(a)に示すように、本変形例では、上述した実施形態と同様に酸化膜102aを有しており、上述した実施形態で窒化膜102b、酸窒化膜102c及び酸化膜102dであった領域を酸窒化膜(シリコン酸窒化膜)102hとしている。その他の基本的な構成は上述した実施形態と同様である。   As shown in FIG. 12A, this modification has an oxide film 102a as in the above-described embodiment. In the above-described embodiment, the nitride film 102b, the oxynitride film 102c, and the oxide film 102d are formed. This region is an oxynitride film (silicon oxynitride film) 102h. Other basic configurations are the same as those of the above-described embodiment.

図12(b)に示すように、酸窒化膜102hの窒素濃度は、酸化膜102aと酸窒化膜102hとの境界から電荷蓄積絶縁膜103と酸窒化膜102hとの境界に向かって減少している。酸素濃度は逆に、酸化膜102aと酸窒化膜102hとの境界から電荷蓄積絶縁膜103と酸窒化膜102hとの境界に向かって増加している。なお、酸窒化膜102hが形成された領域は仮想的に3つの領域からなり、窒素濃度が一定値以上(あるいは酸素濃度が一定値以下)の領域が第2の領域102h1に対応し、酸素濃度が一定値よりも高い(あるいは、窒素濃度が一定値よりも低い)領域が第3の領域102h2に対応し、第2の領域102h1と第3の領域102h2との間の領域が第4の領域102h3に対応する。   As shown in FIG. 12B, the nitrogen concentration of the oxynitride film 102h decreases from the boundary between the oxide film 102a and the oxynitride film 102h toward the boundary between the charge storage insulating film 103 and the oxynitride film 102h. Yes. Conversely, the oxygen concentration increases from the boundary between the oxide film 102a and the oxynitride film 102h toward the boundary between the charge storage insulating film 103 and the oxynitride film 102h. Note that the region where the oxynitride film 102h is formed is virtually composed of three regions, and a region where the nitrogen concentration is equal to or higher than a certain value (or the oxygen concentration is equal to or less than a certain value) corresponds to the second region 102h1, and the oxygen concentration Is higher than a certain value (or the nitrogen concentration is lower than a certain value) corresponds to the third region 102h2, and the region between the second region 102h1 and the third region 102h2 is the fourth region. Corresponds to 102h3.

図13(a)は、本変形例のメモリセルトランジスタの電荷消去動作時のエネルギーバンド図であり、図13(b)は、本変形例のメモリセルトランジスタの電荷消去後(電荷保持時)のエネルギーバンド図である。   FIG. 13A is an energy band diagram at the time of charge erasing operation of the memory cell transistor of this modification, and FIG. 13B is a diagram after charge erasing of the memory cell transistor of this modification (at the time of charge holding). It is an energy band figure.

図13(a)に示すように、電荷消去動作時には、上述した実施形態と同様に、図3(a)に示すような障壁がなくなるため、正孔がポテンシャル井戸にトラップされることなく電荷蓄積絶縁膜103に注入される。これにより、第1の実施形態と同様、正孔トラップに起因する消去特性の飽和が抑制され、良好な消去特性を得ることができる。   As shown in FIG. 13A, during the charge erasing operation, as in the above-described embodiment, the barrier as shown in FIG. 3A is eliminated, so that charges are accumulated without trapping holes in the potential well. It is injected into the insulating film 103. As a result, as in the first embodiment, saturation of the erasing characteristics due to hole traps is suppressed, and good erasing characteristics can be obtained.

また、図13(b)に示すように電荷保持時には、酸窒化膜102hが正孔に対して障壁として機能するため、電荷保持特性の劣化を抑制することが可能である。   Further, as shown in FIG. 13B, at the time of charge holding, the oxynitride film 102h functions as a barrier against holes, so that deterioration of charge holding characteristics can be suppressed.

なお、上述した各変形例では、酸化膜102a上に形成されたシリコン窒化膜を酸化量を制御して酸化することで、図8(b)、図10(b)及び図12(b)に示すような窒素濃度分布を有するシリコン酸窒化膜を形成するこが可能である。   In each of the above-described modified examples, the silicon nitride film formed on the oxide film 102a is oxidized by controlling the oxidation amount, so that FIG. 8B, FIG. 10B, and FIG. It is possible to form a silicon oxynitride film having a nitrogen concentration distribution as shown.

また、酸化膜102a上に形成されたシリコン窒化膜の酸化時における酸化温度を低温から高温(700度以上)へと制御することで、図2、図8、図10及び図12中の(B)、(A)または(C)に示す窒素濃度分布を有するシリコン酸窒化膜を形成することができる。   Further, by controlling the oxidation temperature at the time of oxidation of the silicon nitride film formed on the oxide film 102a from a low temperature to a high temperature (700 degrees or more), (B in FIG. 2, FIG. 8, FIG. 10 and FIG. 12). ), (A), or (C), a silicon oxynitride film having a nitrogen concentration distribution can be formed.

また、上述した実施形態では、窒化膜を酸化することで、所望の窒素濃度分布を有する酸窒化膜を形成した。しかし、ALD法を用いた製造方法でも所望の窒素濃度分布を有する酸窒化膜を形成することが可能である。以下に、形成方法の一例を説明する。   In the embodiment described above, the oxynitride film having a desired nitrogen concentration distribution is formed by oxidizing the nitride film. However, an oxynitride film having a desired nitrogen concentration distribution can be formed even by a manufacturing method using the ALD method. Below, an example of a formation method is demonstrated.

まず、Siソースガス(例えばSiHCl)を用い、1原子層分のシリコンを形成する。次に、活性酸素(例えばOラジカル、Oラジカル、O等)を流量xで供給し、シリコン層を酸化する。続いて、窒化系ガス(例えばNHラジカル、NH等)を流量yで供給し、シリコン酸化膜を窒化する。これにより、シリコン酸窒化膜が形成される。そして、該酸窒化膜上に1原子層分のシリコン層を形成し、流量x及び流量yを適宜変更することで、窒素濃度及び酸素濃度が変化した酸窒化膜が形成される。このようにして、所望の膜厚になるまで濃度に変化を与えた酸窒化膜を堆積することで、所望の窒素濃度分布及び酸素濃度分布を有する酸窒化膜を形成することが可能である。 First, silicon of one atomic layer is formed using a Si source gas (for example, SiH 2 Cl 2 ). Next, active oxygen (for example, O 2 radical, O radical, O 3, etc.) is supplied at a flow rate x to oxidize the silicon layer. Subsequently, a nitriding gas (for example, NH radical, NH 3 or the like) is supplied at a flow rate y to nitride the silicon oxide film. Thereby, a silicon oxynitride film is formed. Then, a silicon layer for one atomic layer is formed on the oxynitride film, and the flow rate x and the flow rate y are appropriately changed, thereby forming an oxynitride film in which the nitrogen concentration and the oxygen concentration are changed. In this manner, by depositing an oxynitride film having a changed concentration until a desired film thickness is obtained, an oxynitride film having a desired nitrogen concentration distribution and oxygen concentration distribution can be formed.

なお、上述した実施形態では、CVD法を用いて窒化膜102bを形成しているが、厚めに形成した酸化膜102aを直接アンモニアガス雰囲気で熱窒化することにより、窒化膜102bを形成してもよい。この場合には、窒化膜102b中に水素が含有されるため、正孔のトラップ密度が減少する。そのため消去飽和現象をさらに抑制できる。さらには、水素原子を含んだ窒素系ガス、例えばNHガスを用いたプラズマにより、厚めに形成した酸化膜102aを直接窒化することによって、窒化膜102bを形成しても良い。なお、希ガスと窒化系ガスの混合ガスを用いたプラズマによって酸化膜102aを窒化することで、窒化膜102bを形成してもよい。プラズマを用いた場合には、低温での窒化が可能となり、酸化膜102aへの窒素の拡散が抑制され、低電界リーク電流の増加を抑制することができる。 In the above-described embodiment, the nitride film 102b is formed using the CVD method. However, the nitride film 102b may be formed by directly thermally nitriding the thick oxide film 102a in an ammonia gas atmosphere. Good. In this case, since the nitride film 102b contains hydrogen, the hole trap density decreases. Therefore, the erase saturation phenomenon can be further suppressed. Further, the nitride film 102b may be formed by directly nitriding the thick oxide film 102a with a plasma using a nitrogen-based gas containing hydrogen atoms, for example, NH 3 gas. Note that the nitride film 102b may be formed by nitriding the oxide film 102a with plasma using a mixed gas of a rare gas and a nitriding gas. In the case of using plasma, nitridation at low temperature is possible, diffusion of nitrogen into the oxide film 102a is suppressed, and an increase in low electric field leakage current can be suppressed.

(第2の実施形態)
第2の実施形態は、3次元積層技術BiCS(Bit Cost Scalable)を用いた3次元構造を有する不揮発性半導体記憶装置である。
(Second Embodiment)
The second embodiment is a non-volatile semiconductor memory device having a three-dimensional structure using a three-dimensional stacking technology BiCS (Bit Cost Scalable).

図14及び図15を用いて、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の基本的な構成について概略的に説明する。   The basic configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be schematically described with reference to FIGS.

図14は、本発明の第2の実施形態に係るメモリセルトランジスタの構成を示した図である。図14(a)は、チャネル長方向に沿った断面図であり、図14(b)は、斜視図である。   FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a memory cell transistor according to the second embodiment of the present invention. FIG. 14A is a cross-sectional view along the channel length direction, and FIG. 14B is a perspective view.

図14に示すように、円柱状の半導体領域(シリコン領域)201の表面、すなわち周囲にはトンネル絶縁膜202が形成されている。トンネル絶縁膜202の表面には電荷蓄積絶縁膜203が形成され、電荷蓄積絶縁膜203の表面にはブロック絶縁膜204が形成されている。ブロック絶縁膜204の表面には制御ゲート電極205が形成され、ブロック絶縁膜204及び制御ゲート電極205は層間絶縁膜206に覆われている。   As shown in FIG. 14, a tunnel insulating film 202 is formed on the surface of a cylindrical semiconductor region (silicon region) 201, that is, around it. A charge storage insulating film 203 is formed on the surface of the tunnel insulating film 202, and a block insulating film 204 is formed on the surface of the charge storage insulating film 203. A control gate electrode 205 is formed on the surface of the block insulating film 204, and the block insulating film 204 and the control gate electrode 205 are covered with an interlayer insulating film 206.

また、トンネル絶縁膜202は、半導体領域201の表面に形成された酸化膜(第1の領域)202aと、酸化膜202aの表面に形成された窒化膜(第2の領域)202bと、窒化膜202bの表面に形成された酸窒化膜(第4の領域)202cと、酸窒化膜202cの表面に形成された酸化膜(第3の領域)202dと、を具備している。   The tunnel insulating film 202 includes an oxide film (first region) 202a formed on the surface of the semiconductor region 201, a nitride film (second region) 202b formed on the surface of the oxide film 202a, and a nitride film. An oxynitride film (fourth region) 202c formed on the surface of 202b and an oxide film (third region) 202d formed on the surface of the oxynitride film 202c are provided.

酸化膜202a及び酸化膜202dは、シリコン及び酸素を主成分として含有する例えばシリコン酸化膜である。窒化膜202bは、シリコン及び窒素を主成分として含有する例えばシリコン窒化膜である。酸窒化膜202cは、シリコン、窒素及び酸素を主成分として含有する例えばシリコン酸窒化膜である。   The oxide film 202a and the oxide film 202d are, for example, silicon oxide films containing silicon and oxygen as main components. The nitride film 202b is, for example, a silicon nitride film containing silicon and nitrogen as main components. The oxynitride film 202c is, for example, a silicon oxynitride film containing silicon, nitrogen, and oxygen as main components.

なお、メモリセルトランジスタの幅および隣接メモリセルトランジスタの間隔は、ともに50nm程度である。   The width of the memory cell transistor and the interval between adjacent memory cell transistors are both about 50 nm.

図15は、本発明の第2の実施形態に係るメモリセルトランジスタが縦方向(チャネル長線方向)に連続して設けられている構造を示している。図15(a)は、チャネル長方向に沿った断面図であり、図15(b)は、チャネル長方向に垂直な方向に沿った断面図である。   FIG. 15 shows a structure in which memory cell transistors according to the second embodiment of the present invention are continuously provided in the vertical direction (channel long line direction). FIG. 15A is a cross-sectional view along the channel length direction, and FIG. 15B is a cross-sectional view along the direction perpendicular to the channel length direction.

図15に示すように、図14で説明したメモリセルトランジスタが、半導体基板200上に連続して積層されている。   As shown in FIG. 15, the memory cell transistors described with reference to FIG. 14 are continuously stacked on a semiconductor substrate 200.

また、図15では、メモリセルトランジスタを2層形成している場合を示しているが、必要に応じて何層積層しても構わない。   FIG. 15 shows a case where two layers of memory cell transistors are formed, but any number of layers may be stacked as necessary.

上述した第1の実施形態と同様に、本実施形態のトンネル絶縁膜202では、窒化膜202bと酸化膜202dとの間に酸窒化膜202cが形成されている。このため、第1の実施形態と同様に、正孔は障壁に遮られることなく電荷蓄積絶縁膜203に注入され、正孔がトンネル絶縁膜202内にトラップされることがなくなる。そのため、正孔トラップに起因する、消去特性の飽和が抑制され、良好な消去特性を得ることができる。   Similar to the first embodiment described above, in the tunnel insulating film 202 of this embodiment, the oxynitride film 202c is formed between the nitride film 202b and the oxide film 202d. Therefore, as in the first embodiment, holes are injected into the charge storage insulating film 203 without being blocked by a barrier, and holes are not trapped in the tunnel insulating film 202. For this reason, saturation of the erasing characteristics due to hole traps is suppressed, and good erasing characteristics can be obtained.

また本実施形態では、第1の実施形態と同様に、電荷保持時には酸窒化膜202c及び酸化膜202dが正孔に対して障壁として機能するため、電荷保持特性の劣化を抑制することが可能である。   Further, in this embodiment, as in the first embodiment, the oxynitride film 202c and the oxide film 202d function as a barrier against holes during charge retention, so that deterioration of charge retention characteristics can be suppressed. is there.

その結果、本実施形態では第1の実施形態と同様に、良好な電荷消去特性及び電荷保持特性を有するメモリセルトランジスタを得ることが可能である。   As a result, in the present embodiment, it is possible to obtain a memory cell transistor having good charge erasing characteristics and charge holding characteristics, as in the first embodiment.

図15〜図18を用いて、第2の実施形態に係る半導体装置の基本的な製造方法について概略的に説明する。   A basic manufacturing method of the semiconductor device according to the second embodiment will be schematically described with reference to FIGS.

図15〜図18は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した断面図である。図15(a)〜図18(a)はチャネル長方向に沿った断面図であり、図15(b)〜図18(b)はチャネル長方向に垂直な方向に沿った断面図である。   15 to 18 are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIGS. 15A to 18A are cross-sectional views along the channel length direction, and FIGS. 15B to 18B are cross-sectional views along the direction perpendicular to the channel length direction.

まず、図16に示すように、半導体基板200の表面に、CVD法を用いて層間絶縁膜206となる厚さ50nm程度のシリコン酸化膜と、制御ゲート電極205となる厚さ50nm程度の不純物をドーピングしたシリコン膜とを所望の回数、交互に堆積する。なお、この制御ゲート電極205としては、例えば窒化タンタル等の金属材料を用いても良い。   First, as shown in FIG. 16, a silicon oxide film having a thickness of about 50 nm to be the interlayer insulating film 206 and an impurity having a thickness of about 50 nm to be the control gate electrode 205 are formed on the surface of the semiconductor substrate 200 using the CVD method. Doped silicon films are alternately deposited a desired number of times. As the control gate electrode 205, for example, a metal material such as tantalum nitride may be used.

次に、図17に示すように、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、層間絶縁膜206と、制御ゲート電極205とを選択的にエッチング除去して、半導体基板200を露出させる。これにより、層間絶縁膜206及び制御ゲート電極205の積層構造に、直径60nm程度の円筒状の溝207が形成される。その後、溝207の内壁にCVD法を用いて、ブロック絶縁膜204となる厚さ10nm程度のアルミニウムと酸素を主成分として含有する例えばアルミナ膜を堆積する。また、このブロック絶縁膜204は、シリコン及び酸素を主成分として含有する例えばシリコン酸化膜でも良い。   Next, as shown in FIG. 17, the interlayer insulating film 206 and the control gate electrode 205 are selectively removed by RIE using a resist mask (not shown) to expose the semiconductor substrate 200. . As a result, a cylindrical groove 207 having a diameter of about 60 nm is formed in the laminated structure of the interlayer insulating film 206 and the control gate electrode 205. Thereafter, for example, an alumina film containing aluminum and oxygen having a thickness of about 10 nm to be the block insulating film 204 as main components is deposited on the inner wall of the groove 207 using the CVD method. The block insulating film 204 may be, for example, a silicon oxide film containing silicon and oxygen as main components.

次に、図18に示すように、ALD法を用いて電荷蓄積絶縁膜203となる厚さ5nm程度のシリコン窒化膜を堆積する。続いて、厚さ4nm程度のシリコン酸化膜を成膜し、NHガスを用いたプラズマにより、該シリコン酸化膜の表面を1.5nm程度窒化し、窒素濃度に分布をもつシリコン酸窒化膜を形成する。これにより、酸化膜202d及び酸窒化膜202cが形成される。その後、ALD法を用いて窒化膜202bとなる厚さ2nm程度のシリコン窒化膜形成し、ALD法を用いて酸化膜202aとなる厚さ1.5nm程度のシリコン酸化膜を形成する。これにより、酸化膜202a、窒化膜202b、酸窒化膜202c及び酸化膜202dからなる積層構造のトンネル絶縁膜202が形成される。 Next, as shown in FIG. 18, a silicon nitride film having a thickness of about 5 nm to be the charge storage insulating film 203 is deposited by using the ALD method. Subsequently, a silicon oxide film having a thickness of about 4 nm is formed, the surface of the silicon oxide film is nitrided by about 1.5 nm by plasma using NH 3 gas, and a silicon oxynitride film having a distribution in nitrogen concentration is formed. Form. Thereby, an oxide film 202d and an oxynitride film 202c are formed. Thereafter, a silicon nitride film having a thickness of about 2 nm is formed using the ALD method to form a nitride film 202b, and a silicon oxide film having a thickness of about 1.5 nm is formed using the ALD method to form the oxide film 202a. Thus, a tunnel insulating film 202 having a laminated structure including the oxide film 202a, the nitride film 202b, the oxynitride film 202c, and the oxide film 202d is formed.

次に、図15に示すように、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、溝207の底面部に形成されたブロック絶縁膜204、電荷蓄積絶縁膜203、トンネル絶縁膜202及び半導体基板200の表面を選択的にエッチング除去する。その後、CVD法を用いて、チャネル領域となる不純物をドーピングしたシリコン膜を堆積し、600℃程度の窒素雰囲気で熱処理を行うことで半導体領域201を形成する。その後、周知の技術を用いて配線層等(図示せず)を形成して、不揮発性半導体記憶装置を完成させる。   Next, as shown in FIG. 15, the block insulating film 204, the charge storage insulating film 203, the tunnel insulating film 202, and the semiconductor formed on the bottom surface of the trench 207 by RIE using a resist mask (not shown). The surface of the substrate 200 is selectively removed by etching. Thereafter, a silicon film doped with an impurity serving as a channel region is deposited by a CVD method, and the semiconductor region 201 is formed by performing heat treatment in a nitrogen atmosphere at about 600 ° C. Thereafter, a wiring layer or the like (not shown) is formed using a well-known technique to complete the nonvolatile semiconductor memory device.

上記第2の実施形態によれば、ブロック絶縁膜204の表面に形成したシリコン酸化膜を窒化することで、所望の窒素濃度分布を持った酸窒化膜202cを形成することができる。   According to the second embodiment, by nitriding the silicon oxide film formed on the surface of the block insulating film 204, the oxynitride film 202c having a desired nitrogen concentration distribution can be formed.

その結果、本実施形態では第1の実施形態と同様に、良好な電荷消去特性及び電荷保持特性を有するメモリセルトランジスタを得ることが可能である。   As a result, in the present embodiment, it is possible to obtain a memory cell transistor having good charge erasing characteristics and charge holding characteristics, as in the first embodiment.

なお、上述した第2の実施形態では、トンネル絶縁膜202が、酸化膜202a、窒化膜202b、酸窒化膜202c及び酸化膜202dからなる積層構造であった。しかし、第1の実施形態の各変形例と同様に、第2の実施形態においても同様の変形例を適用させることが可能である。   In the second embodiment described above, the tunnel insulating film 202 has a laminated structure including the oxide film 202a, the nitride film 202b, the oxynitride film 202c, and the oxide film 202d. However, similar to the modifications of the first embodiment, the same modification can be applied to the second embodiment.

なお、上述した実施形態では、酸化膜を窒化することで、所望の窒素濃度分布を有する酸窒化膜を形成した。しかし、ALD法を用いた製造方法でも所望の窒素濃度分布を有する酸窒化膜を形成することが可能である。以下に、形成方法の一例を説明する。   In the above-described embodiment, the oxynitride film having a desired nitrogen concentration distribution is formed by nitriding the oxide film. However, an oxynitride film having a desired nitrogen concentration distribution can be formed even by a manufacturing method using the ALD method. Below, an example of a formation method is demonstrated.

まず、Siソースガス(例えばSiHCl)を用い、1原子層分のシリコンを形成する。次に、活性酸素(例えばOラジカル、Oラジカル、O等)を流量xで供給し、シリコン層を酸化する。続いて、窒化系ガス(例えばNHラジカル、NH等)を流量yで供給し、シリコン酸化膜を窒化する。これにより、シリコン酸窒化膜が形成される。そして、該酸窒化膜上に1原子層分のシリコン層を形成し、流量x及び流量yを適宜変更することで、窒素濃度及び酸素濃度が変化した酸窒化膜が形成される。このようにして、所望の膜厚になるまで濃度に変化を与えた酸窒化膜を堆積することで、所望の窒素濃度分布及び酸素濃度分布を有する酸窒化膜を形成することが可能である。 First, silicon of one atomic layer is formed using a Si source gas (for example, SiH 2 Cl 2 ). Next, active oxygen (for example, O 2 radical, O radical, O 3, etc.) is supplied at a flow rate x to oxidize the silicon layer. Subsequently, a nitriding gas (for example, NH radical, NH 3 or the like) is supplied at a flow rate y to nitride the silicon oxide film. Thereby, a silicon oxynitride film is formed. Then, a silicon layer for one atomic layer is formed on the oxynitride film, and the flow rate x and the flow rate y are appropriately changed, thereby forming an oxynitride film in which the nitrogen concentration and the oxygen concentration are changed. In this manner, by depositing an oxynitride film having a changed concentration until a desired film thickness is obtained, an oxynitride film having a desired nitrogen concentration distribution and oxygen concentration distribution can be formed.

上述した第2の実施形態では、ブロック絶縁膜204の表面に形成した酸化膜をプラズマを用いて窒化することで、酸窒化膜202cを形成しているが、ALD法を用いて窒化膜202bを形成する際に、同時に酸窒化膜202cを形成しても良い。形成方法の例としては、窒化膜202bを形成する前に、例えばNH等の窒化系のガスを用いた、プラズマ窒化、または700度の熱による熱窒化等がある。この場合、酸窒化膜202c及び窒化膜202bを大気に触れることなく連続して形成することができるため、酸窒化膜202c及び窒化膜202bの間にシリコン酸化膜が形成されることがなくなり、正孔のエネルギー障壁が高くなることが防止される。そのため、消去飽和現象をさらに抑制することができる。 In the second embodiment described above, the oxide film formed on the surface of the block insulating film 204 is nitrided using plasma to form the oxynitride film 202c. However, the nitride film 202b is formed using the ALD method. At the time of formation, the oxynitride film 202c may be formed at the same time. Examples of the formation method include plasma nitridation using a nitriding gas such as NH 3 or thermal nitridation with heat of 700 ° C. before the nitride film 202b is formed. In this case, since the oxynitride film 202c and the nitride film 202b can be continuously formed without being exposed to the atmosphere, a silicon oxide film is not formed between the oxynitride film 202c and the nitride film 202b. An increase in the pore energy barrier is prevented. Therefore, the erase saturation phenomenon can be further suppressed.

なお、実際の不揮発性半導体記憶装置では、複数のメモリセルトランジスタがワード線方向及びビット線方向に配列されている。代表的には、上述した不揮発性半導体記憶装置として、直列接続された複数のメモリセルトランジスタをセレクトトランジスタ間に設けた構成を有するNAND型不揮発性メモリがあげられる。   In an actual nonvolatile semiconductor memory device, a plurality of memory cell transistors are arranged in the word line direction and the bit line direction. A typical example of the nonvolatile semiconductor memory device described above is a NAND nonvolatile memory having a configuration in which a plurality of memory cell transistors connected in series are provided between select transistors.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出される。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば、発明として抽出され得る。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Further, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining the disclosed constituent elements. For example, even if several constituent requirements are deleted from the disclosed constituent requirements, the invention can be extracted as long as a predetermined effect can be obtained.

本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係るトンネル絶縁膜の窒素濃度分布を示した図である。It is the figure which showed the nitrogen concentration distribution of the tunnel insulating film which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係るトンネル絶縁膜のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure of the tunnel insulating film which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically a part of manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically a part of manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically a part of manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically a part of manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例1に係るトンネル絶縁膜の窒素濃度分布を示した図である。It is the figure which showed nitrogen concentration distribution of the tunnel insulating film which concerns on the modification 1 of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例1に係るトンネル絶縁膜のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure of the tunnel insulating film which concerns on the modification 1 of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例2に係るトンネル絶縁膜の窒素濃度分布を示した図である。It is the figure which showed nitrogen concentration distribution of the tunnel insulating film which concerns on the modification 2 of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例2に係るトンネル絶縁膜のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure of the tunnel insulating film which concerns on the modification 2 of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例3に係るトンネル絶縁膜の窒素濃度分布を示した図である。It is the figure which showed nitrogen concentration distribution of the tunnel insulating film which concerns on the modification 3 of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例3に係るトンネル絶縁膜のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure of the tunnel insulating film which concerns on the modification 3 of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the structure of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the structure of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically a part of manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically a part of manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically a part of manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101…半導体基板
102…トンネル絶縁膜
102a…シリコン酸化膜
102b…シリコン窒化膜
102c…シリコン酸窒化膜
102d…シリコン酸化膜
103…電荷蓄積絶縁膜
104…ブロック絶縁膜
105…制御ゲート電極
106…層間絶縁膜
107…素子分離絶縁膜
200…半導体基板
201…半導体領域
202…トンネル絶縁膜
202a…シリコン酸化膜
202b…シリコン窒化膜
202c…シリコン酸窒化膜
202d…シリコン酸化膜
203…電荷蓄積絶縁膜
204…ブロック絶縁膜
205…制御ゲート電極
206…層間絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Semiconductor substrate 102 ... Tunnel insulating film 102a ... Silicon oxide film 102b ... Silicon nitride film 102c ... Silicon oxynitride film 102d ... Silicon oxide film 103 ... Charge storage insulating film 104 ... Block insulating film 105 ... Control gate electrode 106 ... Interlayer insulation Film 107 ... Isolation insulating film 200 ... Semiconductor substrate 201 ... Semiconductor region 202 ... Tunnel insulating film 202a ... Silicon oxide film 202b ... Silicon nitride film 202c ... Silicon oxynitride film 202d ... Silicon oxide film 203 ... Charge storage insulating film 204 ... Block Insulating film 205 ... Control gate electrode 206 ... Interlayer insulating film

Claims (5)

半導体領域と、前記半導体領域の表面に形成されたトンネル絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜の表面に形成された電荷蓄積絶縁膜と、前記電荷蓄積絶縁膜の表面に形成されたブロック絶縁膜と、前記ブロック絶縁膜の表面に形成された制御ゲート電極と、を具備する半導体装置であって、
前記トンネル絶縁膜は、前記半導体領域の表面に形成され、シリコン及び酸素を主成分として含有する第1の領域と、前記第1の領域の表面に形成され、シリコン及び窒素を主成分として含有する第2の領域と、前記電荷蓄積絶縁膜の裏面に形成され、シリコン及び酸素を主成分として含有する第3の領域と、前記第2の領域と前記第3の領域との間に形成され、シリコン、窒素及び酸素を含有し、前記第2の領域の窒素濃度よりも低い窒素濃度を有し、前記第3の領域の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する第4の領域と、を含むことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor region, a tunnel insulating film formed on the surface of the semiconductor region, a charge storage insulating film formed on the surface of the tunnel insulating film, a block insulating film formed on the surface of the charge storage insulating film, A control gate electrode formed on the surface of the block insulating film, and a semiconductor device comprising:
The tunnel insulating film is formed on the surface of the semiconductor region and includes a first region containing silicon and oxygen as main components, and is formed on the surface of the first region and contains silicon and nitrogen as main components. A second region, a third region formed on the back surface of the charge storage insulating film, containing silicon and oxygen as main components, and formed between the second region and the third region; And a fourth region containing silicon, nitrogen and oxygen, having a nitrogen concentration lower than the nitrogen concentration in the second region, and having an oxygen concentration lower than the oxygen concentration in the third region. A semiconductor device characterized by the above.
前記第4の領域の窒素濃度は、前記第2の領域と前記第4の領域との境界から前記第3の領域と前記第4の領域との境界に向かって減少することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The nitrogen concentration in the fourth region decreases from a boundary between the second region and the fourth region toward a boundary between the third region and the fourth region. Item 14. A semiconductor device according to Item 1. 前記第2の領域及び前記第4の領域の窒素濃度は、前記第1の領域と前記第2の領域との境界から前記第3の領域と前記第4の領域との境界に向かって減少することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The nitrogen concentration in the second region and the fourth region decreases from the boundary between the first region and the second region toward the boundary between the third region and the fourth region. The semiconductor device according to claim 1. 前記第4の領域及び前記第3の領域の酸素濃度は、前記第2の領域と前記第4の領域との境界から前記電荷蓄積絶縁膜と前記第3の領域との境界に向かって増加することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The oxygen concentration in the fourth region and the third region increases from the boundary between the second region and the fourth region toward the boundary between the charge storage insulating film and the third region. The semiconductor device according to claim 1. 半導体領域と、前記半導体領域の表面に形成されたトンネル絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜の表面に形成された電荷蓄積絶縁膜と、前記電荷蓄積絶縁膜の表面に形成されたブロック絶縁膜と、前記ブロック絶縁膜の表面に形成された制御ゲート電極と、を具備し、
前記トンネル絶縁膜が、前記半導体領域の表面に形成され、シリコン及び酸素を主成分として含有する第1の領域と、前記第1の領域の表面に形成され、シリコン及び窒素を主成分として含有する第2の領域と、前記電荷蓄積絶縁膜の裏面に形成され、シリコン及び酸素を主成分として含有する第3の領域と、前記第2の領域と前記第3の領域との間に形成され、シリコン、窒素及び酸素を含有し、前記第2の領域の窒素濃度よりも低い窒素濃度を有し、前記第3の領域の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する第4の領域と、を含む半導体装置の製造方法であって、
前記第4の領域を形成する工程は、前記第2の領域を形成する工程と、第3の領域を形成する工程との間に第4の領域となる絶縁膜を堆積することで行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A semiconductor region, a tunnel insulating film formed on the surface of the semiconductor region, a charge storage insulating film formed on the surface of the tunnel insulating film, a block insulating film formed on the surface of the charge storage insulating film, A control gate electrode formed on the surface of the block insulating film,
The tunnel insulating film is formed on the surface of the semiconductor region and includes a first region containing silicon and oxygen as main components, and is formed on the surface of the first region and contains silicon and nitrogen as main components. A second region, a third region formed on the back surface of the charge storage insulating film, containing silicon and oxygen as main components, and formed between the second region and the third region; A semiconductor containing silicon, nitrogen and oxygen, having a nitrogen concentration lower than the nitrogen concentration of the second region and having an oxygen concentration lower than the oxygen concentration of the third region; A device manufacturing method comprising:
The step of forming the fourth region is performed by depositing an insulating film to be the fourth region between the step of forming the second region and the step of forming the third region. A method for manufacturing a semiconductor device.
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