JP2994130B2 - 不揮発性メモリの特性評価用素子 - Google Patents

不揮発性メモリの特性評価用素子

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JP2994130B2 JP4051975A JP5197592A JP2994130B2 JP 2994130 B2 JP2994130 B2 JP 2994130B2 JP 4051975 A JP4051975 A JP 4051975A JP 5197592 A JP5197592 A JP 5197592A JP 2994130 B2 JP2994130 B2 JP 2994130B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体不揮発性メモ
リ、特にシリコン窒化膜をメモリセルの一部に用いたフ
ローティングゲート型不揮発性メモリの特性評価用素子
の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば「VLSIテクノロジー入門」発行所 平凡社
38〜40頁及び151〜153頁に記載されるものが
あった。
【0003】図2はかかる従来のフローティングゲート
型不揮発性メモリの特性評価用素子の一例を示す図であ
り、図2(a)はその平面図、図2(b)は図2(a)
のA−A線断面図、図2(c)は図2(a)のB−B線
断面図である。
【0004】図において、1はシリコン主表面上に作ら
れた基板と反対型の導電性を有する活性領域、2は活性
領域を電気的に分離するための厚い約8000Å程度の
シリコン酸化膜を示す。3は不揮発性メモリトランジス
タのゲート電極配線、4はフローティングゲート(多結
晶シリコン)、5はシリコン窒化膜、6はゲート電極で
ある。
【0005】更に、シリコン窒化膜5は図では番号で示
さないが、上下を酸化膜で挟んだ、謂ゆるサンドイッチ
構造になっている。7はシリコン主表面上を覆う気相成
長酸化膜(CVD膜)であり、8はCVD膜に開口した
電極取り出し部である。9,10,11はアルミニウム
で形成した電極配線であり、9,10は各々MOSトラ
ンジスタのソース・ドレインに接続され、11はゲート
電極配線である。また、12はMOSトランジスタのゲ
ート酸化膜、14はシリコン基板を示す。
【0006】この素子は、EPROMであり、半導体集
積回路と同一ウエハ上に形成され、集積回路の製造工程
の良否、あるいは状態を判定するために用いられる。
【0007】その動作を図3を用いて説明する。
【0008】図3(a)に示すように、通常のMOSF
ETのゲート電極(これをコントロールゲートと呼んで
いる)とシリコン基板の間に、もう1つの電極を挿入し
た形となっている。この電極は電気的に周囲から完全に
絶縁れているためフローティング(浮遊)ゲートと呼
ばれる。この素子のゲートとドレインに、例えば20V
という高電圧を印加すると、チャネルの中の電子は大き
なドレイン電界に引っぱられて高いエネルギーを持つよ
うになり、いくつかの高エネルギーを持った電子は、ゲ
ート酸化膜を飛び越えフローティングゲート中に入って
くる。こうして、フローティングゲート中に注入された
電子は10年以上出ていかない。
【0009】図3(b)に示すように、電子の注入され
たセルのコントロールゲートには、 たとえ5Vの電圧
かけても、その正電荷は注入された電子で打ち消されて
しまい、影響がシリコン基板表面まで到達しない。従っ
て、チャネルが形成されず、電流が流れない。これは、
このセルに「1」が書き込まれたことを意味する。
【0010】しかし、フローティングゲートに電子が注
れていないと、図3(c)に示すように、コントロ
ールゲートの電荷の影響がシリコン基板上に及び、チャ
ネルが形成され電流が流れる。これがデータ「0」に相
当する。
【0011】このように、メモリセルのゲートに5Vを
印加した時、電流が流れるか、流れないかで、「0」,
「1」を記憶している。なお、データを消去するには、
フローティングゲート中の電子を外に出してやる必要が
あるが、これは紫外線を照射して、電子に酸化膜を飛び
越えるのに必要なエネルギーを与えることにより行な
う。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の層間絶縁膜にシリコン窒化膜を含む構造の素子で
は、製造工程の途中でフローティングゲート中に注入さ
れた電荷の一部が、シリコン窒化膜中に捕獲されやす
く、その後の紫外線照射で簡単には電荷を除去できなく
なるという欠点があった。
【0013】製造工程中の電荷注入例としては、例えば
アルミニウムのドライエッチング工程がある。この工程
は、通常CCl4 やBCl3 を含んだ塩素系のガスを用
いて、リアクティブイオンエッチング法により行なわれ
るが、ウエハ表面とエッチング装置の高周波電力が印加
される電極との間には電位差が発生し、その電位差は数
10V以上に達することもある(上記先行文献参照)。
【0014】この電位差のために、フローティングゲー
ト中に電荷が注入され、その一部は更にシリコン窒化膜
中又はシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の界面のエネル
ギー準位中に捕獲されてしまう。この電荷はその後の紫
外線照射では除去され難く、結果的に、捕獲された電荷
量のバラツキに対応した素子特性のバラツキとなって現
れてしまうか、又は、安定化させるためには、より長時
間の紫外線照射を行なわなければならないといった問題
点があった。
【0015】本発明は、以上述べた工程途中での電荷の
過度のシリコン窒化膜中への注入による素子特性のバラ
ツキを低減させ、また、素子特性を安定化させるための
紫外線照射時間を短縮するために、ゲート電極配線をP
−N接合を介してシリコン基板と接触させることによ
り、フローティングゲート型不揮発性メモリの特性のモ
ニタに優れた不揮発性メモリの特性評価用素子を提供す
ることを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、半導体基板主表面に、所定の膜厚の第1
の絶縁膜が形成された活性領域と前記第1の絶縁膜の膜
厚より厚い膜厚の絶縁膜が形成された不活性領域とにお
いて、前記活性領域の所定領域の、前記第1の絶縁膜上
にフローティングゲート、窒化膜を含む絶縁膜及びゲー
ト電極が順に積層形成された構造を用いる不揮発性メモ
と、周囲を前記不活性領域で囲まれて前記所定領域と
分離された前記活性領域の前記半導体基板内主表面近傍
に形成され、該半導体基板と反対導電型を有する拡散層
と、該拡散層及び前記ゲート電極に開口部を介して接続
されるゲート電極配線とを有することを特徴とする不
発性メモリの特性評価用素子にある。
【0017】
【作用】本発明は、上記のように、フローティングゲー
ト構造を有し、かつ、層間絶縁膜としてシリコン窒化膜
のような、トラップ準位を多く持つ絶縁膜を用いた不揮
発性メモリ素子において、ゲート電極配線をP−N接合
を介してシリコン基板と接触させるようにする。
【0018】したがって、ゲート電極とシリコン基板と
の間の電位差は、ゲート電極配線がP−N接合を介して
シリコン基板と接触しているため、その接合降伏電圧で
決まる値以上にはならないため、フローティングゲート
に高い電位が与えられることがなくなり、過度の電荷が
フローティングゲート及び層間絶縁膜中に注入されるこ
とがなくなる。
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。
【0020】図1は本発明の実施例を示すフローティン
グゲート型不揮発性メモリの特性評価用素子の一例を示
す図であり、図1(a)はその平面図、図1(b)は図
1(a)のA−A線の断面図、図1(c)は図1(a)
のB−B線の断面図である。なお、図において、従来例
を示す図2と同じものについては、同じ番号を付して、
その説明は省略している。
【0021】この実施例においては、ゲート電極6とフ
ローティングゲート4間に形成される層間絶縁膜として
のシリコン窒化膜5を含む複数の膜を用いるフローティ
ングゲート型不揮発性メモリ素子において、シリコン基
板14と、そのシリコン基板14の主表面上に形成さ
れ、そのシリコン基板14と反対導電型を有する拡散層
101と、その拡散層101に開口部108を介して接
続されるゲート電極配線11とを設け、ゲート電極配線
11をシリコン基板14とP−N接合を介して接触させ
るようにしている。
【0022】次に、この構造を得るための工程を順を追
って説明する。
【0023】まず、シリコン基板上に通常用いられるL
OCOS法により、活性領域1,101と非活性領域2
とを形成する。
【0024】次に、シリコン基板全体を850℃で、w
et酸素雰囲気で10分間酸化し、ゲート酸化膜12を
約160Å形成する。
【0025】次に、減圧CVD法により、多結晶シリコ
ンを約1500Åの厚さでウエハ全面に被着した後、イ
オン注入法により、多結晶シリコンに電導性を持たせる
ため不純物を注入する。イオン注入の例としては不純物
はリンであり、注入加速エネルギーは30KeV、注入
量は8.25E15ions/cm2 程度が適当であ
る。
【0026】次に、多結晶シリコンを図1(a)に斜線
で示した領域を含んでA−A方向にストライプ状に残す
ように、ホトリソエッチング処理を行なう。
【0027】次に、多結晶シリコン表面を、1000℃
でN2 ガスで希釈された酸素雰囲気(希釈率O2 :N2
=1:18)で、約5分酸化することにより、120Å
の薄い酸化膜を形成する。
【0028】次に、LPCVD法により、シリコン窒化
膜を全面に約150Å形成する。
【0029】次に、1000℃のwet酸素雰囲気中
で、120分間シリコン窒化膜表面を酸化し、約100
Åのシリコン酸化膜を形成する。
【0030】次に、LPCVD法により、第2の多結晶
シリコンを約3000Å形成する。
【0031】次に、POCl3 法により、880℃で多
結晶シリコン中にリンを拡散する。
【0032】次に、通常のホトリソエッチングにより、
第2の多結晶シリコンから順番に第1の多結晶シリコン
まで、所望の形状にエッチング除去して、ゲート電極配
線3を形成する。
【0033】次に、シリコンウエハ全体を950℃の酸
素雰囲気中で酸化することにより、露出しているシリコ
ン表面に約100Åの薄い酸化膜を形成した後、イオン
注入法により、自己整合的にヒ素イオンを注入し、90
0℃の窒素雰囲気中でアニールを行なうことにより、ソ
ース・ドレインの拡散層を形成する。イオン注入の条件
は、例えば加速エネルギー60KeV、打込み量は4E
15ions/cm2程度である。また、この時、拡散
層101にも同様に不純物が注入され、基板と反対型の
導電性を持つ。
【0034】次に、LPCVD法により、例えばBPS
G膜を8000Å被着した後、通常のホトリソ・エッチ
ングにより、接触孔を開口し、次いで、スパッタ法によ
り、アルミニウムを被着する。通常アルミニウム中に
は、1%程度のシリコンが含有されることが多い。
【0035】次に、ホトリソ・エッチングにより、アル
ミニウムをエッチング除去する。
【0036】次に、400℃の水素雰囲気中で約20分
間アニールすることにより、アルミニウムと拡散層との
オーミック接触を形成する。
【0037】なお、ここで、アルミニウムはその合金、
例えば、アルミ・シリコン・カッパーであってもよい。
【0038】また、前記シリコン基板との接触をゲート
電極を形成する多結晶シリコン又はそのポリサイドで直
接行なうようにしてもよい。
【0039】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0040】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、ゲート電極とシリコン基板との間の電位差は、
ゲート電極配線がP−N接合を介してシリコン基板と接
触しているため、その接合降伏電圧で決まる値以上には
ならない。
【0041】したがって、フローティングゲートに高い
電位が与えられることがなくなり、過度の電荷がフロー
ティングゲート及び層間絶縁膜中に注入されることがな
くなる。
【0042】従って、特性の安定化を図ることができ、
また紫外線照射時間も短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示すフローティングゲート型
不揮発性メモリ素子の特性評価用素子の一例を示す図で
ある。
【図2】従来のフローティングゲート型不揮発性メモリ
特性評価用素子の一例を示す図である。
【図3】従来のEPROMの動作説明図である。
【符号の説明】
4 フローティングゲート 5 シリコン窒化膜 6 ゲート電極 11 ゲート電極配線 14 シリコン基板 101 拡散層 108 開口部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/8247 H01L 29/788 H01L 29/792 H01L 27/115

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板主表面に、所定の膜厚の第1
    の絶縁膜が形成された活性領域と前記第1の絶縁膜の膜
    厚より厚い膜厚の絶縁膜が形成された不活性領域とにお
    いて、 (a)前記活性領域の所定領域の、前記第1の絶縁膜上
    にフローティングゲート、窒化膜を含む絶縁膜及びゲー
    ト電極が順に積層形成された構造を用いる不揮発性メモ
    と、 (b)周囲を前記不活性領域で囲まれて前記所定領域と
    分離された前記活性領域の前記半導体基板内主表面近傍
    に形成され、該半導体基板と反対導電型を有する拡散層
    と、 (c)該拡散層及び前記ゲート電極に開口部を介して接
    続されるゲート電極配線とを有することを特徴とする不
    揮発性メモリの特性評価用素子。
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