JP2010147241A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 浮遊ゲート電極を含んでおり、メモリセルトランジスタの電気的特性劣化を防ぐことができる不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】 本発明では、半導体基板１上に形成されたトンネル絶縁膜と、トンネル絶縁膜上に形成された第１の浮遊ゲート電極と第１の浮遊ゲート電極上に形成された非縮退状態の半導体からなる第２の浮遊ゲート電極とを有する浮遊ゲート電極と、浮遊ゲート電極上に形成された電極間絶縁膜と、電極間絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを有する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上に形成されたトンネル絶縁膜と、トンネル絶縁膜上に形成された第１の浮遊ゲート電極と第１の浮遊ゲート電極上に形成された非縮退状態の半導体からなる第２の浮遊ゲート電極とを有する浮遊ゲート電極と、浮遊ゲート電極上に形成された電極間絶縁膜と、電極間絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを有する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に係わり、特に浮遊ゲート電極を有するメモリセルトランジスタ構造の改良をはかった不揮発性半導体記憶装置に関する。
不揮発性半導体記憶装置の一つとして、浮遊ゲート電極を用いた電気的に書き換え可能な不揮発性半導体メモリがある。この不揮発性半導体メモリの代表的なものとして、データ格納用のデバイスとして需要が増しているNAND型フラッシュメモリが知られている。ＮＡＮＤ型フラッシュメモリにおいて、メモリセルトランジスタの高密度化を目的として浮遊ゲート電極の下部の幅が下部以外の部分の幅よりも広いメモリセルトランジスタが開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
このようなメモリセルトランジスタでは、浮遊ゲート電極の上端部に最も高い電界が印加され、電極間絶縁膜のリーク電流が増加する。その結果メモリセルトランジスタの書き込み及び消去速度の低下や、蓄積電荷量の変動が生じるという問題があった。この問題は、浮遊ゲート電極の幅を縮小して、メモリセルトランジスタが高密度になるほど顕著になる。
特開２００６−９３３２７号公報
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、メモリセルトランジスタを高密度化しても、電極間絶縁膜のリーク電流の抑制が可能な不揮発性半導体記憶装置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トンネル絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜上に形成された第１の浮遊ゲート電極、及びその第１の浮遊ゲート電極上に形成された非縮退状態の半導体からなる第２の浮遊ゲート電極を有する浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極上に形成された電極間絶縁膜と、前記電極間絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを有していることを特徴とする。
本発明によれば、メモリセルトランジスタを高密度化しても、電極間絶縁膜のリーク電流の抑制が可能な不揮発性半導体記憶装置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。
（第１の実施形態）
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NAND型フラッシュメモリの等価回路図である。
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NAND型フラッシュメモリ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〜U３（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〜U３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〜Ｕ３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にそれぞれ接続されており、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にそれぞれ接続されている。また、各セルユニットＵ１〜Ｕ３の選択トランジスタＳ１の各々は、ビット線ＢＬ１〜ＢＬ３にそれぞれ接続されており、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３個の場合について示したが、３個に限定されるものではない。
図３は、本発明の第１の実施形態におけるメモリセルトランジスタの構造を示す断面図である。図３は図１のＡ１−Ａ２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、半導体基板１と、この半導体基板１上にトンネル絶縁膜２を介して設けられた浮遊ゲート電極３と、この浮遊ゲート電極３上に設けられた電極間絶縁膜５と、電極間絶縁膜５上に形成された制御ゲート電極６と、浮遊ゲート電極３の間に形成された素子分離絶縁膜４を有している。
そして、半導体基板１は、例えばシリコン結晶などからなる。トンネル絶縁膜２は例えばシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜などからなり、典型的には５〜１０ｎｍの厚さに形成されている。
浮遊ゲート電極３は、トンネル絶縁膜２を介して半導体基板１上に所定間隔を置いて配置されている。この浮遊ゲート電極３は、第１の浮遊ゲート電極３ａと、この第１の浮遊ゲート電極３ａ上に積層された第２の浮遊ゲート電極３ｂとを有する。
また、第１の浮遊ゲート電極３ａは、例えば、リンなどの導電型不純物を１Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の濃度で添加した多結晶シリコン膜からなり、第２の浮遊ゲート電極３ｂは、例えば、リンなどの導電型不純物を３Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の濃度で添加した多結晶シリコン膜からなり、いわゆる非縮退状態の半導体となっている。
ここで、非縮退状態とは、半導体の禁制帯内にフェルミ準位が位置する状態のことを指す。具体的には、シリコンからなる第２の浮遊ゲート電極３ｂの場合、第２の浮遊ゲート電極３ｂ中のｎ導電型不純物濃度が３Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下ならば、通常のメモリセルトランジスタの動作温度において非縮退状態となる。また、同様に、シリコンからなる第２の浮遊ゲート電極３ｂ中のｐ導電型不純物濃度が１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下ならば、通常のメモリセルトランジスタの動作温度において非縮退状態となる。
第２の浮遊ゲート電極３ｂが非縮退状態となっていると、メモリセルトランジスタの書き込み、消去、読み込み及び電荷保持の時のように、浮遊ゲート電極３と制御ゲート電極６との間に電界が生じた場合に、第２の浮遊ゲート電極３ｂで電位降下が起こる。つまり、電極間絶縁膜５にかかる電圧が第２の浮遊ゲート電極３ｂにおけるビルトインポテンシャル分、下がる。ｎ型半導体の場合の電位降下の量をΔＶｎ、ｐ型半導体の場合の電位降下の量をΔＶｐとすると、それぞれの理想値は以下のような式で表すことができる。
ΔＶｎ＝ｋ × T ／ ｑ ×ｌｎ（Ｎｃ ／Ｎｄ）・・・（１）
ΔＶｐ＝ｋ × T ／ ｑ ×ｌｎ（Ｎｖ ／Ｎａ）・・・（２）
ここでｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ｑは電子の電荷量、Ｎｃは伝導帯の有効状態密度、Ｎｄはドナー濃度、Ｎｖは荷電子帯の有効状態密度、Ｎａはアクセプタ濃度である。
ΔＶｐ＝ｋ × T ／ ｑ ×ｌｎ（Ｎｖ ／Ｎａ）・・・（２）
ここでｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ｑは電子の電荷量、Ｎｃは伝導帯の有効状態密度、Ｎｄはドナー濃度、Ｎｖは荷電子帯の有効状態密度、Ｎａはアクセプタ濃度である。
ｋ及びｑは定数であり、Ｔはメモリセルトランジスタの動作温度であり、Ｎｃ及びＮｖは浮遊ゲート電極３の材料（例えばシリコン）により決まる。また、第２の浮遊ゲート電極３ｂにｎ導電型不純物が添加されている場合、ｎ導電型不純物濃度が低くなるとＮｄが小さくなるため、上記式（１）よりΔＶｎが大きくなる。同様にして、第２の浮遊ゲート電極３ｂに、ｐ導電型不純物が添加されている場合、ｐ導電型不純物濃度が低くなるとＮａは大きくなるため、上記式（２）よりΔＶｐが大きくなる。
例えば、シリコンからなる第２の浮遊ゲート電極３ｂに、導電型不純物としてリンを添加し、ｎ型半導体とした場合のＴ＝３００ＫにおけるΔＶｎは、上記式（１）より、図４のように表すことができる。リン濃度が３Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下になるとΔＶｎが０より大きくなる、つまり電位降下が生じることが分かる。その電位降下により、第２の浮遊ゲート電極３ｂに接する部分の電極間絶縁膜５の電界が緩和される。一般に、浮遊ゲート電極３の上端部は、特に電界が高いため、図３に矢印で示したような電極間絶縁膜５のリーク電流が流れるが、本実施例のように、第２の浮遊ゲート電極３ｂを非縮退状態の半導体にすることにより、この電極間絶縁膜５のリーク電流を抑制できる。
なお、第１の浮遊ゲート電極３ａは導電体ならば他の材料でも良く、金属膜や金属シリケート膜などでも良い。また、第２の浮遊ゲート電極３ｂは、導電型不純物が添加されていないアンドープの多結晶シリコン膜でも良い。
素子分離絶縁膜４は、例えばシリコン酸化膜などからなり、浮遊ゲート電極３の両側、すなわち浮遊ゲート電極３の間に形成され、下端部が半導体基板１内に埋め込まれ、上端部が半導体基板１の上面と第１の浮遊ゲート電極３ａの上面との間に位置するように突出されている。ここでは、素子分離絶縁膜４の幅は、典型的には５０ｎｍ以下で、半導体基板１中に埋め込まれた素子分離絶縁膜の深さは、典型的には１００〜３００ｎｍである。
電極間絶縁膜５は、例えばシリコン酸化膜／シリコン窒化膜／シリコン酸化膜の積層構造からなり、典型的には１０〜２０ｎｍの厚さに形成されている。そして、電極間絶縁膜５は、浮遊ゲート電極３の上面及び側面と素子分離絶縁膜４の上面を連続して覆うように形成されている。
制御ゲート電極６は、例えばリンなどの導電型不純物を１Ｅ２０ｃｍ−３以上の濃度で添加した多結晶シリコン膜からなる。そして、電極間絶縁膜５を介して浮遊ゲート電極３の上面及び側面を覆うように形成されている。
なお、制御ゲート電極６は導電体ならば他の材料でも良く、金属膜や金属シリケート膜などでも良いし、これらの積層構造でも良い。
また、本実施形態では、第１の浮遊ゲート電極３ａの厚さ、第２の浮遊ゲート電極３ｂの厚さ、及び浮遊ゲート電極３の幅を調整して、第１の浮遊ゲート電極３ａと制御ゲート電極６との間の電気容量が第２の浮遊ゲート電極３ｂと制御ゲート電極６との間の電気容量よりも大きくなるように設定している。つまり、第１の浮遊ゲート電極３ａが制御ゲート電極６と対向している面積が、第２の浮遊ゲート電極３ｂが制御ゲート電極６と対向している面積よりも大きくなるように、第１の浮遊ゲート電極３ａ及び第２の浮遊ゲート電極３ｂの厚さ、さらに浮遊ゲート電極３の幅を設定している。
ここでは、浮遊ゲート電極３の下部領域の幅（チャネル幅）を典型的には５０ｎｍ以下、第１の浮遊ゲート電極３ａの上部領域の幅、および第２の浮遊ゲート電極３ｂの幅を典型的には４０ｎｍ以下にし、また、浮遊ゲート電極３の厚さを典型的には５０〜２００ｎｍ、第１の浮遊ゲート電極３ａの厚さを典型的には４０〜１９０ｎｍ、第２の浮遊ゲート電極３ｂの厚さを、典型的には１０ｎｍ以下にしている。これにより、第１の浮遊ゲート電極３ａの下部の幅を、それ以外の部分の幅よりも広い構造とし、第１の浮遊ゲート電極３ａの厚みを、第２の浮遊ゲート電極３ｂの厚みに比べて大きくして、第１の浮遊ゲート電極３ａが制御ゲート電極６と対向している面積を、第２の浮遊ゲート電極３ｂが制御ゲート電極６と対向している面積よりも大きくしている。
そのため、第２の浮遊ゲート電極３ｂに接した部分の電極間絶縁膜５にかかる電界の低下に伴い、第２の浮遊ゲート電極３ｂと制御ゲート電極６との間の電気容量が減少して、メモリセルトランジスタの書き込み及び消去速度が低下するのを防止できる。
なお、この第１の浮遊ゲート電極３ａの厚さ、第２の浮遊ゲート電極３ｂの厚さ、及び浮遊ゲート電極３の幅の調整は、第２の浮遊ゲート電極３ｂ中の導電型不純物濃度の影響は受けないため、独立して決めることができる。
次に図５（ａ）乃至図５（ｄ）を用いて、本実施形態のメモリセルトランジスタの製造方法を説明する。図５は図１のＡ１−Ａ２線に沿う断面図である。
図５（ａ）に示すように、所望の導電型不純物がドーピングされた半導体基板１上に、厚さ１０ｎｍ程度のトンネル絶縁膜２を熱酸化法で形成する。次に、トンネル絶縁膜２上に、第１の浮遊ゲート電極３ａとなるリンを含む厚さ５０ｎｍ程度の多結晶シリコン膜をＳｉＨ４とＰＨ３の混合ガスを用いた減圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成する。ここで、第１の浮遊ゲート電極３ａのリン濃度は３Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度である。
続いて、第１の浮遊ゲート電極３ａ上に、第２の浮遊ゲート電極３ｂとなるリンを含む厚さ１０ｎｍ程度の多結晶シリコン膜をＳｉＨ４とＰＨ３の混合ガスを用いた減圧ＣＶＤ法で堆積する。ここで、第２の浮遊ゲート電極３ｂのリン濃度は３Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。この多結晶シリコン膜中のリン濃度は、例えば多結晶シリコン膜成膜時のＰＨ３ガスの流量を変化させるなどの方法で調整可能である。
その後、第２の浮遊ゲート電極３ｂ上に、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ）のストッパー膜８となるシリコン酸化膜を減圧ＣＶＤ法で堆積した後、レジストマスク（図示せず）を用いたＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により、ストッパー膜８を幅５０ｎｍ程度、間隔５０ｎｍ程度の繰り返しパターンに加工する。
次に図５（ｂ）に示すように、ストッパー膜８をマスクに、ＲＩＥ法を用いて、第２の浮遊ゲート電極３ｂ、第１の浮遊ゲート電極３ａ、トンネル絶縁膜２、及び半導体基板１を順次エッチングして、第１の浮遊ゲート電極３ａと第２の浮遊ゲート電極３ｂの積層構造の浮遊ゲート電極３を形成すると共に、浮遊ゲート電極３の両側に、深さ２００ｎｍ程度の素子分離溝を形成する。次に、全面に厚さ３００ｎｍの素子分離用のシリコン酸化膜をプラズマＣＶＤ法で堆積して素子分離溝に埋め込んだ後、ストッパー膜８が露出するまで、ＣＭＰ法でシリコン酸化膜を除去して表面を平坦化し、素子分離絶縁膜４とする。
次に、図５（ｃ）に示すように、露出したストッパー膜８を化学薬液でエッチング除去した後、素子分離絶縁膜４の露出表面部分を希フッ酸溶液でエッチング除去して、半導体基板１の上面と第１の浮遊ゲート電極３ａの上面との間の位置まで後退させる。
次に、図５（ｄ）に示すように、シリコン層を選択的にエッチング除去できるハロゲン系のエッチングガスを用いたＲＩＥ法によって、第１及び第２の浮遊ゲート電極３ａ、３ｂの素子分離絶縁膜４と接触していない露出表面部を５ｎｍ程度後退させる。これにより、素子分離絶縁膜４と接していない浮遊ゲート電極３の側面がエッチングされ後退し、第１の浮遊ゲート電極３ａの素子分離絶縁膜４と接触している下部の幅が、素子分離絶縁膜４と接触していない下部以外の浮遊ゲート電極３の部分の幅よりも広い構造となる。
次に、厚さ１５ｎｍ程度のシリコン酸化膜／シリコン窒化膜／シリコン酸化膜の積層構造からなる電極間絶縁膜５を減圧ＣＶＤ法で堆積し、電極間絶縁膜５により、素子分離絶縁膜４の上面、及び素子分離絶縁膜４と接触していない浮遊ゲート電極３の表面部分を連続して被覆する。続いて、制御ゲート電極６となる厚さ１００ｎｍのリンドープの多結晶シリコン膜を減圧ＣＶＤ法で、浮遊ゲート電極３上、及び隣接する浮遊ゲート電極３間の電極間絶縁膜５上に堆積する。これにより、図３に示すようなNAND型フラッシュメモリのメモリセルトランジスタを完成する。
本実施形態によれば、第２の浮遊ゲート電極３ｂは、ｎ導電型不純物であるリンが３Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の濃度に設けられ、いわゆる非縮退状態の半導体として機能する。したがって、メモリセルトランジスタの書き込み、消去、読み込み及び電荷保持の時、浮遊ゲート電極３と制御ゲート電極６との間に電界が生じた場合に、浮遊ゲート電極３の上端部における電極間絶縁膜５のリーク電流増大を抑制でき、メモリセルトランジスタの電気的特性劣化を防ぐことができる。
また、第１の浮遊ゲート電極３ａの下部の幅を、それ以外の部分の幅よりも広い構造とし、第１の浮遊ゲート電極３ａの厚みを、第２の浮遊ゲート電極３ｂの厚みに比べて大きくして、第１の浮遊ゲート電極３ａが制御ゲート電極６と対向している面積を、第２の浮遊ゲート電極３ｂが制御ゲート電極６と対向している面積よりも大きくしている。したがって、第２の浮遊ゲート電極３ｂに接した部分の電極間絶縁膜５にかかる電界の低下に伴い、第２の浮遊ゲート電極３ｂと制御ゲート電極６との間の電気容量が減少して、メモリセルトランジスタの書き込み及び消去動作速度が低下するのを防止できる。
なお、上述した実施形態では、第１の浮遊ゲート電極３ａの上に、直接、第２の浮遊ゲート電極３ｂを形成しているが、図６に示すように、第１の浮遊ゲート電極３ａと第２の浮遊ゲート電極３ｂの間に、シリコン窒化膜などの拡散バリヤ膜７を設けても良い。上記のように、第１の浮遊ゲート電極３ａと第２の浮遊ゲート電極３ｂの間に、シリコン窒化膜等の拡散バリヤ膜７を設けることで第１の浮遊ゲート電極３ａ中の導電型不純物が第２の浮遊ゲート電極３ｂに拡散するのを抑制できるため、第２の浮遊ゲート電極３ｂの厚さを薄くすることができる。よって、隣接セル間の寄生容量が低減されて、いわゆる隣接セル間干渉が抑制され、メモリセルトランジスタの書き込み及び消去動作の高速化が可能となる。
なお、拡散バリヤ膜７は例えば厚さ１ｎｍのシリコン窒化膜をラジカル窒化法で形成することができる。また、拡散バリヤ膜７は、シリコン窒化膜に限らず、シリコン酸窒化膜やシリコン酸化膜でも良い。ただし、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜は、窒素含有量が多いほど拡散防止能力が高いので、できるだけ多くの窒素を含有することが望ましい。
またさらに、拡散バリヤ膜７の形成方法は、ラジカル酸窒化法、ラジカル酸化法、熱窒化法、熱酸窒化法、熱酸化法などでも良いし、過酸化水素水やオゾン水などの化学薬液を用いた方法でも良い。酸素ラジカルや窒素ラジカルを用いたラジカル酸窒化法やラジカル酸化法は、比較的低温で高密度の拡散バリヤ膜７が形成できるので望ましい。また、拡散バリヤ膜７の厚さは１原子層以上あればある程度の拡散防止効果を有するが、厚い方が拡散防止効果は高くなる。ただし、厚すぎると、浮遊ゲート電極３の加工形状のばらつきが増大するため、２ｎｍ以下が望ましい。より好ましくは、１ｎｍ以下であり、自然酸化膜でも良い。
また、上記実施形態では、ＲＩＥ法を用いて浮遊ゲート電極３の下部の幅を、下部以外の浮遊ゲート電極３部分の幅よりも広い構造に形成したが、水酸化カリウム溶液などによる薬液エッチング法を用いることもできる。また、浮遊ゲート電極３の素子分離絶縁膜４と接していない部分を、酸化または窒化によって絶縁膜に変換した後、その絶縁膜を希フッ酸溶液などで除去しても、同様の浮遊ゲート電極形状を形成することができる。
さらに、浮遊ゲート電極３の上方の幅を浮遊ゲート電極３の下方の幅よりも狭い構造とするようなエッチングの工程を省略しても良い。その場合には、図７のようなメモリセルトランジスタが得られる。エッチングの工程を省略することで、工程数を減少することができ、浮遊ゲート電極３の幅のばらつきを小さくすることが可能となる。
（第２の実施形態）
図８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態によるメモリセルトランジスタの構造を示す断面図である。図８（ａ）及び（ｂ）は図１のＡ１−Ａ２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。本実施形態は、第１の実施形態とは、浮遊ゲート電極３の上端面、すなわち第２の浮遊ゲート電極３ｂの上端面が曲面を有している点で異なっている。なお、その他の構成要素については、第１の実施形態と同様であるので、同一符号を付して、説明は省略する。
図８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態によるメモリセルトランジスタの構造を示す断面図である。図８（ａ）及び（ｂ）は図１のＡ１−Ａ２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。本実施形態は、第１の実施形態とは、浮遊ゲート電極３の上端面、すなわち第２の浮遊ゲート電極３ｂの上端面が曲面を有している点で異なっている。なお、その他の構成要素については、第１の実施形態と同様であるので、同一符号を付して、説明は省略する。
すなわち、第２の浮遊ゲート電極３ｂは、図８（ａ）のように、全体が半円形状でも良く、図８（ｂ）のように、第２の浮遊ゲート電極３ｂの先端領域だけが曲面を有する形状でも良い。なお、第１の実施形態と同様に、第１の浮遊ゲート電極３ａと制御ゲート電極６との対向面積が、第２の浮遊ゲート電極３ｂと制御ゲート電極６との対向面積よりも大きくなるように、第１の浮遊ゲート電極３ａ及び第２の浮遊ゲート電極３ｂの厚さ、浮遊ゲート電極３の幅及び浮遊ゲート電極３の上端面の曲率を調整する。
上記第２の実施形態においては、浮遊ゲート電極３の上端部が曲面を有する形状をしていることで、第１の実施形態の場合と比べて浮遊ゲート電極３の上端部にかかる電界を小さくできる。よって、浮遊ゲート電極３の上端部における電極間絶縁膜５のリーク電流を、第１の実施形態よりもさらに低減することができる。このリーク電流の低減効果は、浮遊ゲート電極３の幅が小さくなるほど、より大きくなる。よって、メモリセルトランジスタの電気的特性劣化を防ぐことができる。
図９（ａ）及び図９（ｂ）を用いて、本実施形態のメモリセルトランジスタの製造方法を説明する。図９（ａ）及び図９（ｂ）は図１のＡ１−Ａ２線に沿う断面図である。図９（ａ）のように、シリコン酸化膜からなるストッパー膜８を幅５０ｎｍ程度、間隔５０ｎｍ程度の繰り返しパターンに加工する工程までは、第１の実施形態と同様である。
次に、図９（ｂ）に示すように、ストッパー膜８をマスクにＲＩＥ法を用いて第２の浮遊ゲート電極３ｂ、第１の浮遊ゲート電極３ａ、及びトンネル絶縁膜２を順次エッチング加工する。このとき、ハロゲン系のエッチングガスにメタンなどの炭素含有ガスを添加して、シリコンに対するシリコン酸化膜のエッチング選択比を低下させる。これによりシリコン酸化膜からなるストッパー膜８はＲＩＥ加工中に徐々にエッチングされる。それに伴い、第２の浮遊ゲート電極３ｂの上端部もエッチングされて、上端部が曲面を有する形状となる。また、このＲＩＥ加工中にストッパー膜８は消失する。ＲＩＥ条件を調整することで、浮遊ゲート電極３の上端面の曲率を変えることができる。
さらに、半導体基板１の露出表面をエッチングして、深さ２０ｎｍ程度の素子分離溝を形成する。次に、全面に厚さ３００ｎｍの素子分離用のシリコン酸化膜をプラズマＣＶＤ法で堆積して素子分離溝に埋め込んだ後、ＣＭＰ法で表面部分のシリコン酸化膜を除去して表面を平坦化し、素子分離絶縁膜４とする。
その後は、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示したような、第１の実施形態と同様の素子分離絶縁膜４の上部を後退される工程、電極間絶縁膜５を形成する工程、及び制御ゲート電極６を形成する工程を経ることにより、図８（ａ）及び図８（ｂ）のようなNAND型フラッシュメモリのメモリセルトランジスタを完成する。
このとき、第１の浮遊ゲート電極３ａと制御ゲート電極６との間の電気容量が、第２の浮遊ゲート電極３ｂと制御ゲート電極６との間の電気容量よりも大きくなるようにする。つまり、第１の浮遊ゲート電極３ａと制御ゲート電極６との対向面積が、第２の浮遊ゲート電極３ｂと制御ゲート電極６との対向面積よりも大きくなるように、第１の浮遊ゲート電極３ａ及び第２の浮遊ゲート電極３ｂの厚さ、浮遊ゲート電極３の幅及び浮遊ゲート電極３の上端面における曲面の曲率を調整する。浮遊ゲート電極３の上端面の曲率は、ストッパー膜８をマスクにした第２の浮遊ゲート電極３ｂ、第１の浮遊ゲート電極３ａ、及びトンネル絶縁膜２を順次エッチングするときのＲＩＥ条件によって調整可能である。つまり、酸化膜のエッチング量が少ないＲＩＥ条件にすることで、図８（ｂ）のような、第２の浮遊ゲート電極３ｂの先端領域の上端面だけが曲面を有するNAND型フラッシュメモリセルトランジスタとすることができる。
上記本実施形態の製造方法によれば、第２の浮遊ゲート電極３ｂが非縮退状態の半導体として機能し、かつ上端面が曲面を有する浮遊ゲート電極３を形成することができる。さらに、図９（ｂ）に示すようにＲＩＥ条件を調整することにより、浮遊ゲート電極３の曲面の曲率を変化させることが可能である。浮遊ゲート電極３の先端領域の上端面のみに曲面を形成する方法は、上記のＲＩＥ法に限らず、浮遊ゲート電極の上端部を薬液によりエッチングする方法などでも構わない。
さらに、図１０に示すように、第１の浮遊ゲート電極３ａと第２の浮遊ゲート電極３ｂの間に、拡散バリヤ膜７を設けても良い。拡散バリヤ膜７は、第１の実施形態に示したような膜を用いることができる。
また、第１の実施形態に示したように、エッチングにより浮遊ゲート電極３の下部の幅を、下部以外の浮遊ゲート電極３の部分の幅よりも広い構造としても良く、このようなエッチングの工程を省略しても良い。そのエッチングを省略した場合には、浮遊ゲート電極３は、図１１に示すように、全体に亘って同じ幅を有する形状となる。このエッチングの工程を省略することで、工程数を減少することができ、浮遊ゲート電極３の幅のばらつきを小さくすることが可能となる。
１・・・ 半導体基板
２・・・ トンネル絶縁膜
３・・・ 浮遊ゲート電極
３ａ・・・ 第１の浮遊ゲート電極
３ｂ・・・ 第２の浮遊ゲート電極
４・・・ 素子分離絶縁膜
５・・・ 電極間絶縁膜
６・・・ 制御ゲート電極
７・・・ 拡散バリヤ膜
８・・・ ストッパー膜
２・・・ トンネル絶縁膜
３・・・ 浮遊ゲート電極
３ａ・・・ 第１の浮遊ゲート電極
３ｂ・・・ 第２の浮遊ゲート電極
４・・・ 素子分離絶縁膜
５・・・ 電極間絶縁膜
６・・・ 制御ゲート電極
７・・・ 拡散バリヤ膜
８・・・ ストッパー膜
Claims (6)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に形成された第１の浮遊ゲート電極、及びその第１の浮遊ゲート電極上に形成された非縮退状態の半導体からなる第２の浮遊ゲート電極を有する浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に形成された電極間絶縁膜と、
前記電極間絶縁膜上に形成された制御ゲート電極と
を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第１の浮遊ゲート電極、及び前記第２の浮遊ゲート電極は、同一元素の導電型不純物を含有する半導体からなり、かつ前記第１の浮遊ゲート電極の前記トンネル絶縁膜直上における導電型不純物濃度は、前記第２の浮遊ゲート電極の前記電極間絶縁膜直下における導電型不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第２の浮遊ゲート電極は、３Ｅ１９ａｔｏｍｓ/ｃｍ３以下のｎ導電型不純物濃度を有するシリコンからなることを特徴とする請求項２に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第２の浮遊ゲート電極のチャネル幅方向の上端部が曲面を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第１の浮遊ゲート電極と前記第２の浮遊ゲート電極との界面に窒素、及び酸素の少なくとも１つを含む拡散バリヤ膜を、さらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記浮遊ゲート電極のチャネル幅方向の両側の前記半導体基板に、下部が埋め込まれ、かつ上部が前記第１の浮遊ゲート電極の側面と接触して前記半導体基板上面と前記第１の浮遊ゲート電極の上面との間の位置まで突出された素子分離絶縁膜を、さらに備え、
前記電極間絶縁膜は、前記浮遊ゲート電極の上面及び側面、並びに前記素子分離絶縁膜の上面を連続して覆い、前記制御ゲート電極と対向する前記第１の浮遊ゲート電極部分の面積が、前記制御ゲート電極と対向する前記第２の浮遊ゲート電極部分の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
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