JP2689921B2 - 半導体不揮発性記憶装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体不揮発性記憶装置及びその製造方法

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JP2689921B2 JP6235150A JP23515094A JP2689921B2 JP 2689921 B2 JP2689921 B2 JP 2689921B2 JP 6235150 A JP6235150 A JP 6235150A JP 23515094 A JP23515094 A JP 23515094A JP 2689921 B2 JP2689921 B2 JP 2689921B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関し、特に
EEPROM型の記憶素子をメモリセルとする半導体不
揮発性記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体記憶装置として種々のタイプのも
のが開発され製造されているが、その中で現在フラッシ
ュEEPROMが注目されている。これは、この不揮発
性記憶装置のメモリセルが1個の浮遊ゲート型トランジ
スタで構成できるため、半導体素子の高密度化が容易に
なり記憶装置の高集積化が行われ易いためである。しか
し、この不揮発性記憶装置はその他の記憶装置たとえば
DRAMあるいはSRAM等の揮発性記憶装置に比し、
動作電圧が高くなる。これは浮遊ゲート型トランジスタ
の特性から避けられないことである。
【0003】この浮遊ゲート型トランジスタは2層のゲ
ート電極の構造をしており、第1層ゲート電極が半導体
基板主面のシリコン酸化膜上に形成され、この第1層ゲ
ート電極の上部にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複
合した層間絶縁膜が設けられ、更にこの層間絶縁膜の上
部に第2ゲート電極である制御ゲート電極が形成され
る。このような構造において、不揮発性の記憶情報電荷
は第1層ゲート電極である浮遊ゲート電極に蓄積され
る。そこで、この情報電荷の書込み及び消去は、半導体
基板から浮遊ゲート電極への電子の注入及び浮遊ゲート
電極から半導体基板への電子の放出でそれぞれ行われ
る。このためには前述のシリコン酸化膜に高電界を加え
る必要が生じる。このような理由から先述の高い動作電
圧が必要になってくる。
【0004】このフラッシュEEPROMは現在、低消
費電力化あるいは低電圧電源化の方向にある。このため
に、前述のシリコン酸化膜を電子のトンネル効果で流れ
るFN(Fowler−Nordheim)電流で、先
述した電子の注入および放出を行う方法がとられるとと
もに、内部昇圧回路で内部電圧を高くする方法がとられ
る。ここで、内部昇圧回路を効果的に使用するために
は、図4に示すようにメモリセル・アレイを適当に分割
することが必要になる。
【0005】以下に、図4を用いて上述のメモリセル・
アレイの分割について説明する。更に、このようにメモ
リセル・アレイの分割をする場合のトランジスタの構造
及びその配列について図5を用いて説明する。ここで、
図4はフラッシュEEPROMのメモリセル部の回路図
であり、図5(a)及び図5(b)はそれぞれ、このメ
モリセル部の断面図とその配列の平面図である。なお、
図5(a)は図5(b)に示すA−Bで切断した断面図
になっている。また、図5(b)の平面図は図面を簡明
にするためにメモリセル部のトランジスタの拡散層とゲ
ート電極について示されている。
【0006】図4に示すように、不揮発性記憶素子の浮
遊ゲート型トランジスタで形成されたメモリセルトラン
ジスタM11,M21,Mn1,M12,M22,Mn2が配列され
る。これらのトランジスタのドレイン領域は副ビットS
1,S2に接続され選択トランジスタW11,W12を通し
ノードN1,N2で主ビット線M1,M2に結線され
る。なお、選択トランジスタW21,W22は他のブロック
のメモリセルに用いられるものである。更に、メモリセ
ルトランジスタのソース領域は消去ビット線K1に結線
されセクター消去トランジスタS11に接続される。
【0007】上述した各トラジスタのゲート電極はそれ
ぞれ次のような配線に接続される。すなわち、メモリセ
ルトランジスタの制御ゲート電極はワード線W1
2 ,Wn に、選択トランジスタのゲート電極は選択ワ
ード線WS1 ,WS2 に、セクター消去トランジスタS
11のゲート電極は消去ワード線WSSにそれぞれ結線さ
れる。以上のようにして、半導体不揮発性記憶装置のメ
モリセル・アレイの分割が行われる。
【0008】次に、このようなメモリセル部の選択トラ
ンジスタとメモリセルトランジスタの構造について説明
する。図5(a)に示すように、シリコン基板101表
面に選択トランジスタのソース・ドレイン領域となる選
択トランジスタ用拡散層102,102aが形成され
る。そして、選択トランジスタ用ゲート絶縁膜103が
半導体基板101の主面に形成され、その上部に選択ト
ランジスタ用ゲート電極104が形成される。そして、
前述の選択トランジスタ用拡散層102は第1層間絶縁
膜105と第2層間絶縁膜106に形成されたコンタク
ト孔を通して主ビット線107に接続される。
【0009】又、メモリセル部にはメモリセルトランジ
スタ用拡散層108,108aが形成され、これがこの
トランジスタのソース・ドレイン領域になる。そして、
メモリセルトランジスタの第1ゲート絶縁膜109と、
浮遊ゲート電極110と、第2ゲート絶縁膜111と、
制御ゲート電極112とが形成されて不揮発性記憶素子
であるメモリセルトランジスタができあがる。このよう
にした後、メモリセルトランジスタ用拡散層108は第
1層間絶縁膜105に形成されたコンタクト孔を通して
副ビット線113に接続される。ここで、メモリセルト
ランジスタ用拡散層108は選択トランジスタ用拡散層
102aと電気的に接続されている。
【0010】先述したように、この選択トランジスタあ
るいはメモリセルトランジスタのソース・ドレイン領域
及び選択トランジスタのゲート電極には高い電圧が印加
される。このために、選択トランジスタ用拡散層10
2,102a及びメモリセルトランジスタ用拡散層10
8,108aは不純物濃度勾配を有するように深めに形
成され、更に選択トランジスタ用ゲート絶縁膜103は
厚く形成される。
【0011】以上のように形成される選択トランジスタ
の選択トランジスタ用ゲート電極104は、図4で示し
た選択ワード線WS1 ,WS2 等に対応するように接続
され、またメモリセルトランジスタの制御ゲート電極1
12はワード線W1 ,W2 ,Wn 等に対応するように接
続される。また、主ビット線107、副ビット線113
はそれぞれ、図4に示した主ビット線M1,M2及び副
ビット線S1,S2に対応する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】このように選択トラン
ジスタが半導体基板上に設けたMIS型FETで形成さ
れると、メモリセルのワード線方向での配列ピッチはこ
の選択トランジススタの配列ピッチで制限されるように
なる。これは、メモリセルへの情報書込み動作におい
て、メモリセルトランジスタ用拡散層108に高電圧を
印加する場合に、選択トランジスタ用拡散層102及び
選択トランジスタ用ゲート電極104に高電圧が印加さ
れる。そして、図5(b)に示すように隣接する選択ト
ランジスタ間に形成される寄生MOSトランジスタを完
全に遮断することが必要になる。すなわち、図5(b)
に示した選択トランジスタ用拡散層102と隣接した選
択トランジスタ用拡散層102b間の間隔L0 を、高電
圧で寄生MOSトランジスタが動作しないように、大き
くする必要が生じる。
【0013】このように従来の選択トランジスタの形成
では、メモリセルのワード線方向の配列ピッチが、この
隣接した選択トランジスタ間の高電圧動作に対応できる
許容間隔で制限されるため、不揮発性記憶装置の高集積
化が困難になるという問題を有している。
【0014】本発明の目的は、この選択トランジスタに
よるメモリセルの微細化の制限あるいは高集積化の制限
を除去し、低消費電力で高集積化した半導体不揮発性記
憶装置の実現を容易にすることである。
【0015】
【課題を解決するための手段】このために本発明の半導
体不揮発性記憶装置では、半導体基板の主面上に第1の
ゲート絶縁膜を介して設けられた浮遊ゲート電極と、前
記浮遊ゲート電極上に第2のゲート絶縁膜を介して設け
られた制御ゲート電極とを有する浮遊ゲート型トランジ
スタでもってメモりセルが構成され、前記半導体基板の
表面に設けられた素子分離絶縁膜上に薄膜トランジスタ
が形成され、前記メモリセルは所定の数だけ第1のビッ
ト線に並列接続され、この第1のビット線は薄膜トラン
ジスタのソース・ドレイン領域のうちの一方の領域に接
続され、このソース・ドレイン領域のうちの他方の領域
は第2のビット線に接続されてようにする。
【0016】ここで、前記素子分離絶縁膜上の薄膜トラ
ンジスタのゲート絶縁膜は前記第2のゲート絶縁膜で構
成されている。
【0017】また、本発明の半導体不揮発性記憶装置の
製造方法は、選択的に素子分離絶縁膜の設けられた半導
体基板の主面に第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記素子分離絶縁膜と前記第1のゲート絶縁膜とを被覆
するシリコン薄膜を形成する工程と、前記シリコン薄膜
上に前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第
2のゲート絶縁膜を被覆するように金属薄膜を形成する
工程とを含み、前記薄膜トランジスタのソース・ドレイ
ン領域とチャネル領域及び前記浮遊ゲート電極を前記シ
リコン薄膜の層にそれぞれ形成し、前記薄膜トランジス
タのゲート電極と前記制御ゲート電極とを前記金属薄膜
の層にそれぞれ形成する。
【0018】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図1(a)及び図1(b)は、それぞれ本発明の実
施例の半導体不揮発性記憶装置を説明するための断面図
とその平面図である。ここで、図1(a)は図1(b)
に示すA−Bで切断した断面図になっている。なお、図
1(b)の平面図は図面を簡明にするために先述した選
択トランジスタとメモリセルトランジスタの拡散層とゲ
ート電極について示される。
【0019】図1(a)に示すように、シリコン基板1
表面に形成された素子分離絶縁膜2上に選択トランジス
タが、そしてメモリセルトランジスタはシリコン基板1
の主面に形成される。なおここで、素子分離絶縁膜2は
厚いシリコン酸化膜で形成されている。素子分離絶縁膜
2上にシリコン薄膜3が形成され、このシリコン薄膜3
に選択トランジスタのソース・ドレイン領域となる選択
トランジスタ用拡散層4,4aが形成される。そして、
選択トランジスタ用ゲート絶縁膜5が前述のシリコン薄
膜3の表面に形成され、この選択トランジスタ用ゲート
絶縁膜5上に選択トランジスタ用ゲート電極6が形成さ
れる。このように選択トランジスタは薄膜トランジスタ
で構成される。
【0020】このようにして素子分離絶縁膜2上に形成
される選択トランジスタの前述の選択トランジスタ用拡
散層4は第1層間絶縁膜7と第2層間絶縁膜8に形成さ
れるコンタクト孔を通して主ビット線9に接続される。
【0021】これに対し、メモリセル部のメモリセルト
ランジスタのメモリセルトランジスタ用拡散層10,1
0aはシリコン基板1表面に形成されて、このトランジ
スタのソース・ドレイン領域になる。そして、メモリセ
ルトランジスタの第1ゲート絶縁膜11と、浮遊ゲート
電極12と、第2ゲート絶縁膜13と、制御ゲート電極
14とが形成されて不揮発性記憶素子であるメモリセル
トランジスタができあがる。このようにした後、メモリ
セルトランジスタ用拡散層10及び前述の選択トランジ
スタ用拡散層4aは、図1(a)に示すように第1層間
絶縁膜7に形成される共通コンタクト孔を通して副ビッ
ト線15に接続される。
【0022】上述したようにして、そのソース・ドレイ
ン電極とゲート電極に高電圧の印加される選択トランジ
スタがシリコン薄膜に設けられた薄膜トランジスタで形
成され、メモリセルトランジスタが浮遊ゲート型トラン
ジスタで形成される本発明の半導体不揮発性記憶装置の
基本部分が構成される。
【0023】このように高電圧の印加される選択トラン
ジスを素子分離絶縁膜上に設けた薄膜トランジスタで構
成することで、その集積度は大幅に向上するようにな
る。
【0024】図1(b)に示すように、選択トランジス
タの活性領域はシリコン薄膜であり、この領域はそれぞ
れ選択トランジスタごとにパターニングされて形成され
る。このために、隣接する選択トランジスタ間は素子分
離絶縁膜2及び第1層間絶縁膜7で完全に絶縁分離され
る構造になる。そして、従来の技術で問題となった、隣
接する選択トランジスタ間で生じる寄生MOSトランジ
スタの動作は完全に回避される。このために、図1
(b)に示すように隣接する選択トランジスタ用拡散層
4と4b間の間隔L1 をリソグラフィー技術の限界まで
狭めることが可能になる。
【0025】これによりメモリセルのワード線方向の縮
小が容易になり、従来技術に比べて大雑把に見積って2
0%程度の集積度の向上が可能になる。但し、このよう
な値は回路あるいはデバイスの設計基準に大きく依存す
るものである。
【0026】更に、選択トランジスタをシリコン薄膜に
形成すると、このトランジスタのドレイン領域とソース
領域間を狭めることが容易になる。これについて図2に
基づいて説明する。図2はMOSトランジスタをシリコ
ン薄膜に形成した場合(本発明の場合)とシリコン基板
に形成した場合(従来技術の場合)のトランジスタのド
レイン−ソース間耐圧を比較したグラフである。但し、
ここでシリコン酸化膜で形成されたゲート絶縁膜の膜厚
は、高耐圧が必要になるために28nmとしている。
【0027】従来技術の場合には、トランジスタのゲー
ト長が1μm以下になると、ドレイン−ソース間の耐圧
は急激に低下する。このために許容できるゲート長は
1.2μm程度になる。これに対し本発明の場合には、
0.5μm程度まではドレイン−ソース間の耐圧は低下
せず許容できる。これらの値はあくまで1例であって設
計に依存する。このように本発明の場合には、従来技術
の場合よりもゲート長を短くできるため、トランジスタ
のドレイン領域とソース領域の間隔を狭めることも可能
になる。
【0028】以上、本発明の実施例として選択トランジ
スタをシリコン薄膜上に形成する場合について説明した
が、この他に、従来の技術のところで述べたセクター消
去トランジスタをシリコン薄膜上に形成する場合も、上
記と同様の効果のあることに触れておく。
【0029】次に、このような本発明の半導体不揮発性
記憶装置の製造方法について図3に基づいて説明する。
【0030】図3(a)に示すように、シリコン基板の
選択的熱酸化によりシリコン基板31の表面に厚いシリ
コン酸化膜で構成される素子分離絶縁膜32を形成す
る。ここでこの素子分離絶縁膜32の膜厚は500nm
程度に設定される。このようにした後、シリコン基板3
1を熱酸化しシリコン基板31の主面に第1ゲート絶縁
膜33を形成する。ここで、この第1ゲート絶縁膜33
は、膜厚が10nmのシリコン酸化膜で形成される。次
に、CVD(化学的気相成長)法によりポリシリコン薄
膜34を堆積させる。ここで、このポリシリコン薄膜3
4の膜厚は50nm程度にする。このようにした後、第
1ゲート絶縁膜33上のポリシリコン薄膜34に選択的
にリン不純物のドーピングを行う。このリン不純物の濃
度は1019〜1020原子/cm3 に設定される。また、
素子分離絶縁膜32上に形成されたポリシリコン薄膜3
4上に、イオン注入により濃度が1015〜1016原子/
cm3 のボロンをドーピングする。
【0031】次に、CVD法で膜厚が25nmの二酸化
シリコン薄膜35を形成し、引続いて希釈した酸素雰囲
気中での熱処理を施す。このようにした後、膜厚が20
0nmのタングステン・ポリサイド薄膜36を堆積させ
る。
【0032】次に、図3(b)に示すようにポリシリコ
ン薄膜34、二酸化シリコン薄膜35、タングステン・
ポリサイド薄膜36を加工する。この加工は公知のレジ
ストマスクを用いたドライエッチングで行う。この加工
により、メモリセルトランジスタの浮遊ゲート電極3
7、第2ゲート絶縁膜38、制御ゲート電極39が形成
される。
【0033】以上のようにした後、図3(c)に示すよ
うに前述のタングステン・ポリサイド薄膜36を更にド
ライエッチングで加工し、選択トランジスタ用ゲート電
極40を形成する。次に、ヒ素のイオン注入を行う。こ
こで、このイオン注入エネルギーは50KeV程度にさ
れ、そのドーズ量は5×1013/cm2 程度に設定され
る。このようにした後、熱処理を施して選択トランジス
タ用拡散層41,41a、更にメモリセルトランジスタ
用拡散層42,42aを形成する。ここで、更にドーズ
量が1×1015/cm2 のリンのイオン注入を追加し、
熱処理を追加することで図3(d)に示すように高耐圧
用の拡散層にする。
【0034】以上の説明では、二酸化シリコン薄膜35
でメモリセルトランジスタの第2ゲート絶縁膜38及び
選択トランジスタのゲート絶縁膜を形成する場合につい
て述べたが、これらのゲート絶縁膜はSiON膜あるい
は熱窒化処理したSiO2 膜で形成されてもよい。
【0035】このようにした後、図3(d)に示すよう
に第1層間絶縁膜43を形成する。この第1層間絶縁膜
43は、CVD法によるシリコン酸化膜と塗布して形成
するSOG(スピン・オン・グラス)の複合膜で構成さ
れる。次に第1コンタクト孔44を形成し、前述のポリ
シリコン薄膜に形成されている選択トランジスタ用拡散
層41aとメモリセルトランジスタ用拡散層42を露出
させる。このようにして次に、タングステン薄膜のCV
D法による成膜及びドライエッチングによる加工で副ビ
ット線45を形成する。第1層間絶縁膜43の形成と同
様にして、第2層間絶縁膜46を形成した後、この第1
層間絶縁膜43と第2層間絶縁膜46に第2コンタクト
孔47を設けて主ビット線48を形成する。ここでこの
主ビット線48はアルミ金属で形成される。なお、図3
(d)で選択トランジスタのチャネル領域はポリシリコ
ンで構成されたシリコン薄膜49に形成され、その上部
に前述の第2ゲート絶縁膜38と同一材で構成される選
択トランジスタ用ゲート絶縁膜50が形成されることに
なる。
【0036】以上に説明したように、本発明の半導体不
揮発性記憶装置の製造方法では、選択トランジスタを形
成するシリコン薄膜層及びメモリセルトランジスタの浮
遊ゲート電極層は同一のポリシリコン薄膜34で形成さ
れる。また、選択トランジスタの選択トランジスタ用ゲ
ート絶縁膜とメモリセルトランジスタの第2ゲート絶縁
膜は同一の工程で形成される。更にまた、選択トランジ
スタ用ゲート電極とメモリセルトランジスタの制御ゲー
ト電極に使用するタングステン・ポリサイド薄膜も同一
工程で形成される。このように、選択トランジスタの形
成とメモリセルトランジスタの形成は、ほぼ同一の成膜
工程および加工工程を踏むため、本発明の半導体不揮発
性記憶装置の作製において特に製造工程が増加するよう
になることはない。
【0037】なお、上記の製造方法では先述したシリコ
ン薄膜にポリシリコン薄膜を適用する場合について説明
した。しかし、ここでこのポリシリコン薄膜の代りに単
結晶シリコン薄膜を用いてもよいことに言及しておく。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、浮遊ゲー
ト型トランジスタを不揮発性記憶素子とするメモリセル
のビット線の選択に用いられ、かつ高電圧の印加される
選択トランジスタを、シリコン薄膜等の半導体薄膜上に
形成することで、このようなメモリセルと選択トランジ
スタを含む半導体不揮発性記憶装置の高密度化及び高集
積化を容易にする。
【0039】更に、前述の選択トランジスタとメモリセ
ルトランジスタの製法において、成膜工程あるいは加工
工程を同一にすることで、特に追加工程を必要とするこ
となく、本発明の半導体不揮発性記憶装置が作製される
ようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を説明するためのメモリセル部
の断面図と平面図である。
【図2】本発明の実施例を説明するためのトランジスタ
の耐圧特性の図である。
【図3】本発明の実施例を工程順に説明する断面図であ
る。
【図4】本発明を適用するメモリセル部の回路図であ
る。
【図5】従来のメモリセル部を説明する断面図と平面図
である。
【符号の説明】
1,31,101 シリコン基板 2,32 素子分離絶縁膜 3,49 シリコン薄膜 4,4a,41,41a,102,102a 選択ト
ランジスタ用拡散層 4b,102b 選択トランジスタ用拡散層 5,50,103 選択トランジスタ用ゲート絶縁膜 6,40,104 選択トランジスタ用ゲート電極 7,43,105 第1層間絶縁膜 8,46,106 第2層間絶縁膜 9,48,107 主ビット線 10,10a,42 メモリセルトランジスタ用拡散
層 42a,108,108a メモリセルトランジスタ
用拡散層 11,33,109 第1ゲート絶縁膜 12,37,110 浮遊ゲート電極 13,38,111 第2ゲート絶縁膜 14,39,112 制御ゲート電極 15,45,113 副ビット線 34 ポリシリコン薄膜 35 二酸化シリコン薄膜 36 タングステン・ポリサイド薄膜 44 第1コンタクト孔 47 第2コンタクト孔 M11,M21,Mn1,M12,M22,Mn2 メモリセルト
ランジスタ S1,S2 副ビット線 W11,W12,W21,W22 選択トランジスタ N1,N2 ノード M1,M2 主ビット線 K1 消去ビット線 S11 セクター消去トランジスタ W1 ,W2 ,Wn ワード線 WS1 ,WS2 選択ワード線 WSS 消去ワード線

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の主面上に第1のゲート絶縁
    膜を介して設けられた浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲー
    ト電極上に第2のゲート絶縁膜を介して設けられた制御
    ゲート電極とを有する浮遊ゲート型トランジスタでもっ
    てメモりセルが構成される半導体不揮発性記憶装置であ
    って、前記半導体基板の表面に設けられた素子分離絶縁
    膜上に薄膜トランジスタが形成され、前記メモリセルが
    所定の数だけ第1のビット線に並列接続され、前記第1
    のビット線が薄膜トランジスタのソース・ドレイン領域
    のうちの一方の領域に接続され、前記ソース・ドレイン
    領域のうちの他方の領域が第2のビット線に接続されて
    いることを特徴とした半導体不揮発性記憶装置。
  2. 【請求項2】 前記素子分離絶縁膜上の薄膜トランジス
    タのゲート絶縁膜が前記第2のゲート絶縁膜で構成され
    ていることを特徴とした請求項1記載の半導体不揮発性
    記憶装置。
  3. 【請求項3】 選択的に素子分離絶縁膜の設けられた半
    導体基板の主面に第1のゲート絶縁膜を形成する工程
    と、前記素子分離絶縁膜と前記第1のゲート絶縁膜とを
    被覆するシリコン薄膜を形成する工程と、前記シリコン
    薄膜上に前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、前
    記第2のゲート絶縁膜を被覆するように金属薄膜を形成
    する工程とを含み、前記薄膜トランジスタのソース・ド
    レイン領域とチャネル領域及び前記浮遊ゲート電極を前
    記シリコン薄膜に形成し、前記薄膜トランジスタのゲー
    ト電極と前記制御ゲート電極とを前記金属薄膜に形成す
    ることを特徴とした請求項1又は請求項2記載の半導体
    不揮発性記憶装置の製造方法。
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