JP2013214552A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

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徹哉 甲斐
Masayuki Tanaka
正幸 田中
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Abstract

【課題】
本発明が解決しようとする課題は、電荷保持特性の向上を可能にする半導体装置とその
製造方法を提供することである。
【解決手段】
半導体基板と、凹凸形状の界面を有し、トンネル絶縁膜上に設けられた電荷蓄積膜と、
を有する。
上記課題を解決するために、実施形態の半導体装置の製造方法は半導体基板上にトンネ
ル絶縁膜を形成する工程と、前記トンネル絶縁膜上に前駆体層を形成する工程と、前記前
駆体層を熱処理により酸化し、かつ表面に凹凸形状を有する第1電荷蓄積層を形成し、前
記第1電荷蓄積層上に第2電荷蓄積層を形成することで電荷蓄積膜を形成する工程と、を
有する。
【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、半導体装置とその製造方法に関する。
例えば、NAND型フラッシュメモリのような電荷蓄積型不揮発性半導体記憶装置では
、制御ゲートの電位を制御することにより、電荷蓄積膜内のトラップサイトに電子を蓄積
させてデータの書込みを行う。しかしながら、素子の微細化等により電荷蓄積膜を薄膜化
するとトラップサイトが減少し、書込み特性が劣化するという問題点が生じる可能性があ
る。
特開2009−188286号公報 特開2010−87099号公報
本発明が解決しようとする課題は、電荷保持特性の向上を可能にする半導体装置とその
製造方法を提供することである。
半導体基板と、前記半導体基板上に設けられたトンネル絶縁膜と、凹凸形状の界面を有
し、前記トンネル絶縁膜上に設けられた電荷蓄積膜と、前記電荷蓄積膜上に設けられたブ
ロック絶縁膜と、前記ブロック絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を有する。
上記課題を解決するために、実施形態の半導体装置の製造方法は半導体基板上にトンネ
ル絶縁膜を形成する工程と、前記トンネル絶縁膜上に前駆体層を形成する工程と、前記前
駆体層を熱処理により酸化し、かつ表面に凹凸形状を有する第1電荷蓄積層を形成し、前
記第1電荷蓄積層上に第2電荷蓄積層を形成することで電荷蓄積膜を形成する工程と、前
記電荷蓄積膜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ゲート電極
を形成する工程と、を有する。
(a)第1の実施形態に係る半導体装置1aのワード線方向からの断面構造を示す断面図。(b)第1の実施形態に係る半導体装置1aのビット線方向からの断面構造を示す断面図。 第1の実施形態に係る半導体装置1aの電荷蓄積膜12aの構造を示す拡大断面図。 第1の実施形態に係る半導体装置1aの製造プロセス毎の断面を示す断面図。 第2の実施形態に係る半導体装置1bの電荷蓄積膜12bの構造を示す拡大断面図。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。この説明に際し、全
図にわたり、共通する部分には共通する符号を付す。また、図面の寸法比率は、図示の比
率に限定されるものではない。なお、本実施形態は、本発明を限定するものではない。
[第1の実施形態]
(半導体装置1aの構造)
第1の実施形態に係る半導体装置1aの構造について、図1及び図2を参照しながら説
明する。図1の(a)は第1の実施形態に係る半導体装置1aのワード線方向からの断面
構造を示す断面図、図1の(b)は第1の実施形態に係る半導体装置1aのビット線方向
からの断面構造を示す断面図、及び図2は第1の実施形態に係る半導体装置1aの電荷蓄
積膜12aの構造を示す拡大断面図を示している。
半導体装置1aは半導体基板10、トンネル絶縁膜11、電荷蓄積膜12a、ブロック
絶縁膜13、及び制御ゲート電極14(ゲート電極)を有する。
図1の(a)に示すように、半導体基板10の表面側には、チャネル形成領域21を挟
むようにソース領域20aとドレイン領域20bが形成されている。半導体基板10のチ
ャネル形成領域21上には、トンネル絶縁膜11が形成される。半導体基板10には例え
ばシリコン(Si)等が用いられる。
トンネル絶縁膜11上には電荷蓄積膜12aが設けられる。ここで、図2に示すように
、電荷蓄積膜12aは、内部に凹凸形状界面130を有する。
なお、凹凸形状界面130の凹部底部131から凸部頂上部132までの長さが10n
m以上となるように設けている場合、後述する効果をより得ることが可能となる。
そして、電荷蓄積膜12a上にはブロック絶縁膜13が設けられ、そのブロック絶縁膜
13上には制御ゲート電極14(ゲート電極)が設けられる。
また、図1の(b)に示すように、半導体基板10において素子が形成されている領域
の周囲には、シリコン酸化膜等で形成されたSTI(Shallow Trench Isolation)構造の
素子分離絶縁膜30が形成されている。ここで、STIとは半導体製造工程における素子
分離法の一つである。具体的には、半導体基板10上に浅い溝を形成した後、シリコン酸
化膜等の絶縁体で埋め戻して素子分離領域を形成する。一般に、STIは横方向への広が
りが少なく、素子の微細化が容易となる利点を有する。
なお、本実施形態において、ブロック絶縁膜13は単層であるように図示したが、これ
に限定されず、例えば、シリコン酸化層と、シリコン窒化層と、シリコン酸化膜との積層
構造を有するONO(Oxide-Nitride-Oxide)膜等でも実施は可能である。
(半導体装置1aの動作)
次に半導体装置1aの動作について説明する。
半導体装置1aは電気的な書込み及び消去が可能な不揮発性半導体メモリ(Electrical
ly Erasable and Programmable Read Only Memory;EEPROM)等として使用される
。電荷蓄積膜12a中に電子が注入された場合が書込み動作であり、電荷蓄積膜12a中
の電子が消去された場合が消去動作となる。
書込み動作の場合、制御ゲート電極14に高い電圧を印加してブロック絶縁膜13を介
して下に位置する電荷蓄積膜12a中に、半導体基板10側からトンネル絶縁膜11を通
過させて電子を注入する。消去動作の場合、電荷蓄積膜12a中に正孔を注入し、電荷蓄
積膜12a中の電子と再結合させて消去するという方法等が取られている。
(半導体装置1aの製造方法)
次に、第1の実施形態の半導体装置1aの製造方法について説明する。図3は第1の実
施形態に係る半導体装置1aの製造プロセス毎の断面を示す断面図を示している。
まず、半導体基板10上にトンネル絶縁膜11を形成するために、図3の(a)に示す
ように、酸素雰囲気の反応管内で熱処理を行う熱酸化処理(熱酸化法)を行う。なお、ト
ンネル絶縁膜11の代表的な形成方法として熱酸化法を挙げたが、これに限定されず、化
学気相成長(Chemical Vapor Deposition;CVD)法等によって成膜しても構わない。
次に、所定の反応温度に設定した反応管内に、例えば水素化ケイ素(SiH)ガスを
導入し、図3の(b)に示すような、アモルファスシリコン膜120(前駆体層)をトン
ネル絶縁膜11上に形成する。
そして、不活性ガス等の雰囲気下で熱処理を行うことで、表面マイグレーションにより
表面に凹凸形状を有し、さらに結晶化によりアモルファスシリコン膜120をシリコン膜
とする。その後、アンモニア(NH)ガス等の雰囲気下で熱処理を行い、シリコン膜を
窒化することにより、図3の(c)に示すように、表面に凹凸形状部130を有するシリ
コン窒化膜121(第1電荷蓄積層)が形成される。有機アルミニウムガスとオゾンガス
(O)等を反応管内に導入し熱処理を行うことにより、前記シリコン窒化膜121上に
アルミニウム酸化膜122(第2電荷蓄積層)が形成される。
なお、凹凸形状部130の凹部底部131から凸部頂上部132までの長さが10nm
以上となるように熱処理することが、後述する効果をより得ることが可能となる点から望
ましい。
以上の工程により、界面に凹凸形状を有するシリコン窒化膜121とアルミニウム酸化
膜122からなる電荷蓄積膜12aが形成される。
そして、前記電荷蓄積膜12a上にはブロック絶縁膜13が形成され、図3の(d)に
示すような構造が得られる。なお、この電極間絶縁膜13が例えば、前述したようなON
O膜の場合、シリコン酸化膜を膜厚1nm〜10nm程度形成し、その上部にシリコン窒
化膜を膜厚1nm〜5nm程度形成し、さらに、シリコン酸化膜を膜厚1nm〜10nm
程度形成する。この段階で、電極間絶縁膜13の高密度化や界面改善のためのデンシファ
イ処理(熱処理による緻密化)や、界面改善のための酸化処理などを実施してもよい。
前記ブロック絶縁膜13上に素子分離用シリコン窒化膜40を膜厚50nm〜200n
m程度、CVD法等により形成する。次に、素子分離用シリコン窒化膜40上にフォトレ
ジスト(図示略)を塗布し、露光描画によりフォトレジストをパターニングする。そのフ
ォトレジストを耐エッチングマスクにして素子分離用シリコン窒化膜40をエッチングす
る。
エッチング後にフォトレジストをドライアッシング法等により除去し、エッチングされ
た素子分離用シリコン窒化膜40をマスクにして、ブロック絶縁膜13、電荷蓄積膜12
a、トンネル絶縁膜11、及び半導体基板10の一部をRIE(Reactive Ion Etching)
法等によりエッチングし、素子分離のための溝を形成して、図3の(e)に示す構造を得
る。
そして、塗布技術等により素子分離絶縁膜30を200nm〜1500nm程度形成し
、素子分離溝を埋め込み、酸素雰囲気下もしくは水蒸気雰囲気下で熱処理を行うことによ
り、素子分離絶縁膜30を高密度化させる。
次に、研磨剤(スラリー)を使用することにより機械による研磨効果を増大させ、平滑
な研磨面を得ることが可能となる化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing;CM
P)により、過剰な素子分離絶縁膜30を研磨し、素子分離用シリコン窒化膜40をスト
ッパーにして平坦化を行う。
RIE法により再度、素子分離用シリコン窒化膜40をマスクとしてエッチングを行い
、素子分離絶縁膜30をブロック絶縁膜13上部の位置までエッチバックする。そして、
熱リン酸法等により素子分離用シリコン窒化膜40を除去し、ブロック絶縁膜13上に制
御ゲート電極14を形成し、図1の(f)に示すような半導体装置1aの構造を得る。制
御ゲート電極16は露光描画等により所望の形状にパターニングされる(図示略)。
さらに、制御ゲート電極16をマスクに用いて、半導体基板10に例えばリン(P)を
ドーズ量1×1015cm−2、入射エネルギー5KeVで注入し、1000℃、10秒
の高速アニールを施すことにより、ソース領域20a及びドレイン領域20bを形成する
。これにより、図1の(a)に示す構造が得られる。
なお、上記説明した製造方法はあくまで一例であり、例えば成膜方法については、CV
D法やALD法の他にスパッタ法、物理気相成長(Physical Vapor Deposition;PVD
)法、塗布法、及び噴霧法等でも実施は可能である。
(半導体装置1aの効果)
第1の実施形態の半導体装置1aの効果について説明する。
上述したように、凹凸形状界面130を有する電荷蓄積膜12aが設けられた半導体装
置1aの場合、膜の熱膨張率の違いから凹凸形状界面130には多くの欠陥が形成される
上記凹凸形状界面130における欠陥は、データ書込み時、すなわち電荷蓄積膜12a
に電子を注入し、その電子を保持する際の電子トラップサイトとして寄与する。よって、
電荷蓄積膜12aを構成する材料固有の電子トラップサイトに加えて、凹凸形状界面13
0を設け、疑似的に電子トラップサイトを形成することにより、半導体装置1aの電子保
持特性、すなわち書込み特性の上昇が可能となる。
例えば、半導体装置の微細化に伴い電荷蓄積膜が薄膜化されると、電荷蓄積膜が相対的
に減少し、電荷蓄積膜を構成する材料固有の電子トラップサイトは減少し、電子の保持特
性が低下するという問題点が生じる。
しかしながら、本実施形態の半導体装置1aのように、凹凸形状界面130を有する電
荷蓄積膜12aを設け、疑似的に電子トラップサイトを形成することにより、微細化に伴
い電荷蓄積膜12aが薄膜化された際も、電子トラップサイトの減少による影響を軽減す
ることが可能となる。
本実施形態の半導体装置1aでは、凹凸形状界面130が1層のみであるように説明し
たが、凹凸形状界面130の数は特に限定されず、凹凸形状界面130を複数有する構造
でも実施は可能である。
凹凸形状界面130の凹部底部131から凸部頂上部132までの長さを10nm以上
にすることが、電子トラップサイト増加の効果をより得ることができる観点から望ましい
また、凹凸形状界面130は電子が注入されてくる側であるチャネル形成領域21に近
い方が、電子を保持する観点からは望ましい。
[第2の実施形態]
以下に、図1、図4を用いて第2の実施形態について説明する。なお、第2の実施形態
について、第1の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明す
る。
(半導体装置1bの構造)
図4は第2の実施形態に係る半導体装置1bの電荷蓄積膜12bの構造を示す拡大断面
図を示している。第2の実施形態の半導体装置1bが第1の実施形態と異なる点は、表面
に凹凸形状界面130を有するシリコン窒化膜121上にアルミニウム窒化膜123を用
いて製造している点である。
図1の(a)に示すように、ソース領域20aとドレイン領域20bに挟まれるように
形成されたチャネル形成領域21を最表面に有する半導体基板10において、前記チャネ
ル形成領域21上にトンネル絶縁膜11が形成される。半導体基板10には例えばシリコ
ン(Si)等が用いられる。
トンネル絶縁膜11上には電荷蓄積膜12bが設けられる。ここで、図4に示すように
、電荷蓄積膜12bは凹凸形状界面130を有する。
なお、凹凸形状界面130の凹部底部131から凸部頂上部132までの長さが10n
m以上となるように設けている場合、後述する効果をより得ることが可能となる。
そして、電荷蓄積膜12b上にはブロック絶縁膜13が設けられ、そのブロック絶縁膜
13上には制御ゲート電極14(ゲート電極)が設けられる。
また、図1の(b)に示すように、半導体基板10において素子が形成されている領域
の周囲には、シリコン酸化膜等で形成されたSTI構造の素子分離絶縁膜30が形成され
ている。
なお、本実施形態においても、ブロック絶縁膜13は単層であるように図示したが、こ
れに限定されず、例えば、シリコン酸化層と、シリコン窒化層と、シリコン酸化膜との積
層構造を有するONO膜等でも実施は可能である。
(半導体装置1bの動作)
半導体装置1bの動作は半導体装置1aと同様である。
すなわち、書込み動作の場合、制御ゲート電極14に高い電圧を印加してブロック絶縁
膜13を介して下に位置する電荷蓄積膜12b中に、半導体基板10側からトンネル絶縁
膜11を通過させて電子を注入する。消去動作の場合、電荷蓄積膜12b中に正孔を注入
し、電荷蓄積膜12b中の電子と再結合させて消去するという方法が取られている。
(半導体装置1bの製造方法)
半導体装置1bの製造方法における、電荷蓄積膜12bの各種作製方法は半導体装置1
aの電荷蓄積膜12aと同様であるが、成膜物質が一部異なる。
詳細には、半導体装置1bを製造する反応管内において、半導体基板10上にトンネル
絶縁膜11を形成後、反応管内に例えば水素化ケイ素(SiH)ガスを導入し、アモル
ファスシリコン膜120(前駆体層)をトンネル絶縁膜11上に形成する(図3の(b)
と同様)。
そして、不活性ガス等の雰囲気下で熱処理を行うことで、表面マイグレーションにより
表面に凹凸形状界面130を有し、さらに結晶化によりアモルファスシリコン膜120を
シリコン膜とする。その後、アンモニア(NH)ガス等の雰囲気下で熱処理を行い、シ
リコン膜を窒化することにより、表面に凹凸形状界面130を有するシリコン窒化膜12
1を形成する。その後、反応管内に有機アルミニウムガスとアンモニアガスを導入し、熱
処理し、アルミニウム窒化膜123を形成する。
なお、凹凸形状界面130の凹部底部131から凸部頂上部132までの長さが10n
m以上となるように熱処理することが、後述する効果をより得ることが可能となる点から
望ましい。
以上の工程により、電荷蓄積膜12bは形成される。その他の工程については、半導体
装置1aと同様である。
なお、上記説明した製造方法はあくまで一例であり、例えば成膜方法については、CV
D法やALD法の他にスパッタ法、PVD法、塗布法、及び噴霧法等でも実施は可能であ
る。
(半導体装置1bの効果)
ここで、第2の実施形態の半導体装置1bの効果について説明する。
第2の半導体装置1bにおいても、半導体装置1aと同様に凹凸形状界面130を有す
る電荷蓄積膜12bを設けた半導体装置1bの場合、膜の熱膨張率の違いから凹凸形状界
面130には多くの欠陥が形成される。
従って、電荷蓄積膜12bを構成する材料固有の電子トラップサイトに加えて、凹凸形
状界面130に疑似的に電子トラップサイトを形成することにより、半導体装置1bの電
子保持特性、すなわち書込み特性の上昇が可能となる。
さらに第2の実施形態の電荷保持膜12bで用いたアルミニウム窒化膜123は、材料
固有の電子トラップサイトをアルミニウム酸化膜122よりも多いという物性を有してい
る。従って、第1の実施形態の場合よりも多くの電子トラップサイトを有する電荷蓄積膜
12bとなるため、半導体装置1bの書込み特性のさらなる上昇が可能となる。すなわち
、微細化による電荷蓄積膜12bの薄膜化による電子保持特性の軽減を図ることが可能と
なる。
本実施形態の半導体装置1bでは、凹凸形状界面130が1層であるように説明したが
、凹凸形状界面130の数は特に限定されず、凹凸形状界面130を複数有する構造でも
実施は可能である。
凹凸形状界面130の凹部底部131から凸部頂上部132までの長さを10nm以上
にすることが、電子トラップサイト増加の効果をより得ることができる観点から望ましい
また、凹凸形状界面130は電子が注入されてくる側であるチャネル形成領域21に近
い方が、電子を保持する観点からは望ましい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様
々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、
置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に
含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるもので
ある。
1a,1b…半導体装置、10…半導体基板、11…トンネル絶縁膜、12a,12b…
電荷蓄積膜、13…ブロック絶縁膜、14…制御ゲート電極(ゲート電極)、20a…ソ
ース領域、20b…ドレイン領域、21…チャネル形成領域、30…素子分離絶縁膜、4
0…素子分離用シリコン窒化膜、120…アモルファスシリコン膜(前駆体層)、121
…シリコン窒化膜(第1電荷蓄積層)、122…アルミニウム酸化膜(第2電荷蓄積層)
、123…アルミニウム窒化膜(第2電荷蓄積層)、130…凹凸形状界面、131…凹
部底部、132…凸部頂上部

Claims (12)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられたトンネル絶縁膜と、
    凹凸形状の界面を有し、前記トンネル絶縁膜上に設けられた電荷蓄積膜と、
    前記電荷蓄積膜上に設けられたブロック絶縁膜と、
    前記ブロック絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
    を有する半導体装置。
  2. 前記凹凸形状の凹部底部から凸部頂上部までの長さが10nm以上である請求項1に記
    載の半導体装置。
  3. 前記凹凸形状の界面が複数設けられた請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記凹凸形状の界面は異なる材料の界面であり、前記材料の一方がシリコン窒化物から
    なる請求項1乃至3のいずれか一に記載の半導体装置。
  5. 前記凹凸形状の界面は異なる材料の界面であり、前記材料の一方がアルミニウム化合物
    からなる請求項1乃至4のいずれか一に記載の半導体装置。
  6. 前記凹凸形状の界面は異なる材料同士の界面であり、前記トンネル絶縁膜側に設けられ
    る一方の材料の方が、前記ゲート電極側に設けられる他方の材料よりも厚い請求項1乃至
    5のいずれか一に記載の半導体装置。
  7. 半導体基板上にトンネル絶縁膜を形成する工程と、
    前記トンネル絶縁膜上に前駆体層を形成する工程と、
    前記前駆体層を熱処理により酸化し、かつ表面に凹凸形状を有する第1電荷蓄積層を形
    成し、前記第1電荷蓄積層上に第2電荷蓄積層を形成することで電荷蓄積膜を形成する工
    程と、
    前記電荷蓄積膜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ゲート電極を形成する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  8. 前記第1電荷蓄積層と前記第2電荷蓄積層を複数形成する工程をさらに有する請求項7
    に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第1電荷蓄積層がシリコン窒化物からなる請求項7または8に記載の半導体装置の
    製造方法。
  10. 前記第2電荷蓄積層がアルミニウム化合物からなる請求項7乃至9のいずれか一に記載
    の半導体装置の製造方法。
  11. 前記第2電荷蓄積層の方が前記第1電荷蓄積層よりも厚くなるように形成される請求項
    7乃至10のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記凹凸形状の凹部底部から凸部頂上部までの長さが10nm以上である請求項7乃至
    11のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
JP2012082863A 2012-03-30 2012-03-30 半導体装置とその製造方法 Pending JP2013214552A (ja)

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