JP3307496B2 - 不揮発性半導体記憶装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、一般的には電気的に
書込および消去を行なうことが可能な不揮発性半導体記
憶装置の製造方法に関し、特にフラッシュメモリの製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】データを自由に書込むことができ、書込
まれた情報電荷を電気的に消去することが可能なメモリ
デバイスとしてフラッシュメモリが知られている。

【０００３】図２８は、フラッシュメモリの一般的な構
成を示すブロック図である。図において、フラッシュメ
モリは行列状に配置されたメモリセルマトリクス１００
と、Ｘアドレスデコーダ２００と、Ｙゲート３００と、
Ｙアドレスデコーダ４００と、アドレスバッファ５００
と、書込回路６００と、センスアンプ７００と、入出力
バッファ８００と、コントロールロジック９００とを含
む。

【０００４】メモリセルマトリクス１００は、行列状に
配置された複数個のメモリトランジスタをその内部に有
している。メモリセルマトリクス１００の行および列を
選択するためにＸアドレスデコーダ２００とＹゲート３
００とが接続されている。Ｙゲート３００には、列の選
択情報を与えるＹアドレスデコーダ４００が接続されて
いる。Ｘアドレスデコーダ２００とＹアドレスデコーダ
４００には、それぞれアドレス情報が一時格納されるア
ドレスバッファ５００が接続されている。Ｙゲート３０
０には、データ入力時に書込動作を行なうための書込回
路６００と、データ出力時に流れる電流値から“０”と
“１”を判定するセンスアンプ７００が接続されてい
る。書込回路６００とセンスアンプ７００にはそれぞ
れ、入出力データを一時格納する入出力バッファ８００
が接続されている。アドレスバッファ５００と入出力バ
ッファ８００には、フラッシュメモリの動作制御を行な
うためのコントロールロジック９００が接続されてい
る。コントロールロジック９００は、チップイネーブル
信号、アウトプットイネーブル信号およびプログラム信
号に基づいた制御を行なう。

【０００５】図２９は、図２８に示されたメモリセルマ
トリクス１００の概略構成を示す等価回路図である。図
において、行方向に延びる複数本のワード線ＷＬ₁ ，Ｗ
Ｌ₂，…，ＷＬ_i と、列方向に延びる複数本のビット線
ＢＬ₁ ，ＢＬ₂ ，…，ＢＬ_jとが互いに直交するように
配置され、マトリクスを構成している。各ワード線と各
ビット線の交点には、それぞれフローティングゲートを
有するメモリトランジスタＱ₁₁，Ｑ₁₂，…，Ｑ_ijが配置
されている。各メモリトランジスタのドレインは各ビッ
ト線に接続されている。メモリトランジスタのソースは
各ソース線Ｓ₁，Ｓ₂ ，…に接続されている。同一行に
属するメモリトランジスタのソースは、図に示されるよ
うに相互に接続されている。

【０００６】図３０は、上記のようなフラッシュメモリ
を構成する１つのメモリトランジスタの断面構造を示す
部分断面図である。図３０に示されるフラッシュメモリ
のトランジスタはスタックトゲート型と呼ばれる。図３
１は従来のスタックトゲート型フラッシュメモリの平面
的な配置を示す概略平面図である。図３２は図３１のＡ
−Ａ線に沿う部分断面図である。これらの図を参照し
て、従来のフラッシュメモリの構造について説明する。

【０００７】図３０および図３２を参照して、シリコン
基板のｐ型領域８３の主表面上にｎ型の不純物領域、た
とえば、ｎ⁺ ドレイン領域８４とｎ⁺ ソース領域８５と
が間隔を隔てて形成されている。これらのｎ⁺ ドレイン
領域８４とｎ⁺ ソース領域８５との間に挟まれた領域に
は、チャネル領域が形成されるようにコントロールゲー
ト８６とフローティングゲート８７が形成されている。
フローティングゲート８７はｐ型領域８３の上に膜厚１
００Å程度の薄いゲート酸化膜９０を介在して形成され
ている。コントロールゲート８６はフローティングゲー
ト８７から電気的に分離されるように、フローティング
ゲート８７の上に層間絶縁膜８８を介在して形成されて
いる。フローティングゲート８７は多結晶シリコン層か
ら形成されている。コントロールゲート８６は多結晶シ
リコン層あるいは多結晶シリコン層と高融点金属の積層
膜から形成されている。酸化膜８９は、シリコン基板と
フローティングゲート８７やコントロールゲート８６を
構成する多結晶シリコン層の表面にＣＶＤ法（化学的気
相成長法）により堆積させることによって形成されてい
る。さらに、フローティングゲート８７やコントロール
ゲート８６を被覆するようにスムースコート膜９５が形
成されている。

【０００８】図３１に示すように、コントロールゲート
８６は相互に接続されて横方向（行方向）に延びるよう
にワード線として形成されている。ビット線９１はワー
ド線８６と直交するように配置され、縦方向（列方向）
に並ぶｎ⁺ ドレイン領域８４を相互に接続する。ビット
線９１はドレインコンタクト９６を通じて各ｎ⁺ ドレイ
ン領域８４に電気的に接続する。図３２に示すように、
ビット線９１はスムースコート膜９５の上に形成されて
いる。図３１に示すように、ｎ⁺ ソース領域８５はワー
ド線８６が延びる方向に沿って延在し、ワード線８６と
フィールド酸化膜９２とによって囲まれた領域に形成さ
れている。各ｎ⁺ ドレイン領域８４もワード線８６とフ
ィールド酸化膜９２とによって囲まれた領域に形成され
ている。

【０００９】上記のように構成されたフラッシュメモリ
の動作について図３０を参照して説明する。

【００１０】まず、書込動作においては、ｎ⁺ ドレイン
領域８４に６〜８Ｖ程度の電圧Ｖ_D、コントロールゲー
ト８６に１０〜１５Ｖ程度の電圧Ｖ_G が印加される。さ
らに、ｎ⁺ ソース領域８５とｐ型領域８３は接地電位に
保たれる。このとき、メモリトランジスタのチャネルに
は数百μＡの電流が流れる。ソースからドレインに流れ
た電子のうちドレイン近傍で加速された電子は、この近
傍で高いエネルギを有する電子、いわゆるチャネルホッ
トエレクトロンとなる。この電子は、コントロールゲー
ト８６に印加された電圧Ｖ_G による電界により、矢印
に示されるように、フローティングゲート８７に注入さ
れる。このようにして、フローティングゲート８７に電
子の蓄積が行なわれ、メモリトランジスタのしきい値電
圧Ｖ_thが高くなる。このしきい値電圧Ｖ_thが所定の値よ
りも高くなった状態が書込まれた状態、“０”と呼ばれ
る。

【００１１】次に、消去動作においては、ｎ⁺ ソース領
域８５に１０〜１２Ｖ程度の電圧Ｖ _S が印加され、コン
トロールゲート８６とｐ型領域８３は接地電位に保持さ
れる。さらに、ｎ⁺ ドレイン領域８４は開放される。ｎ
⁺ ソース領域８５に印加された電圧Ｖ_S による電界によ
り、矢印に示されるように、フローティングゲート８
７中の電子は、薄いゲート酸化膜９０をトンネル現象に
よって通過する。このようにして、フローティングゲー
ト８７中の電子が引抜かれることによって、メモリトラ
ンジスタのしきい値電圧Ｖ_thが低くなる。このしきい値
電圧Ｖ_thが所定の値より低い状態が、消去された状態、
“１”と呼ばれる。各メモリトランジスタのソースは図
２９に示されるように接続されているので、この消去動
作によって、すべてのメモリセルを一括消去できる。

【００１２】さらに、読出動作において、コントロール
ゲート８６に５Ｖ程度の電圧Ｖ_G ′、ｎ⁺ ドレイン領域
８４に１〜２Ｖ程度の電圧Ｖ_D ′が印加される。そのと
き、メモリトランジスタのチャネル領域に電流が流れる
かどうか、すなわちメモリトランジスタがオン状態かオ
フ状態かによって上記の“１”、“０”の判定が行なわ
れる。

【００１３】図３３は、図３２の１つのメモリセルの断
面構造を詳細に示す図である。ｐ型のシリコン基板１に
はｐ型ウェル１３が形成されている。ｐ型ウェル１３の
表面上にはシリコン酸化膜２９が形成されている。シリ
コン酸化膜２９の上には多結晶シリコン膜からなるフロ
ーティングゲート４９が形成されている。フローティン
グゲート４９を間に挟むｐ型ウェル１３の領域にはｎ型
のソースおよびドレイン領域５７が形成されている。

【００１４】フローティングゲート４９の上にはＣＶＤ
法によってシリコン酸化膜３４が形成されている。この
シリコン酸化膜３４の上にはＣＶＤ法を用いてシリコン
窒化膜３７が形成されている。このシリコン窒化膜３７
の上にはＣＶＤ法によってシリコン酸化膜４２が形成さ
れている。シリコン酸化膜４２の上には多結晶シリコン
膜からなるコントロールゲート５１が形成されている。
このようにして、スタックトゲート型のフラッシュメモ
リのメモリセルにおいて、フローティングゲート４９と
コントロールゲート５１との間の層間絶縁膜は、それぞ
れＣＶＤ法を用いて形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ
₂ 膜）３４／シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）３７／シリコ
ン酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）４２の三層構造を有する。

【００１５】フローティングゲート４９、シリコン酸化
膜３４、シリコン窒化膜３７、シリコン酸化膜４２およ
びコントロールゲート５１の側壁にはサイドウォール絶
縁膜５５が形成されている。それらの全体を被覆するよ
うにシリコン酸化膜６１が形成されている。シリコン酸
化膜６１の上にはシリコン窒化膜６２が形成されてい
る。シリコン窒化膜６２の上にはスムースコート膜６３
が形成されている。アルミニウム配線膜６５が、コンタ
クトホール６６を介してドレイン領域５７に接続するよ
うに形成されている。アルミニウム配線膜６５の上には
スムースコート膜６７が形成されている。スムースコー
ト膜６７の上にはアルミニウム配線膜６９が形成されて
いる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】図３３に示すように、
コントロールゲート５１とフローティングゲート４９と
の間の層間絶縁膜は、いずれもＣＶＤ法を用いて形成さ
れたシリコン酸化膜３４とシリコン窒化膜３７とシリコ
ン酸化膜４２の積層構造を有する。この積層構造はＯＮ
Ｏ膜と呼ばれている。

【００１７】しかしながら、ＣＶＤ法を用いて形成され
たシリコン酸化膜は多くの欠陥を有する。そのため、Ｃ
ＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜中の欠陥に起
因して、電荷蓄積電極としてのフローティングゲートの
電荷保持特性が悪化するという問題点があった。すなわ
ち、ＣＶＤ法を用いて形成されたシリコン酸化膜中の欠
陥に起因して、メモリトランジスタのしきい値電圧Ｖ_th
が変化するという問題点があった。これは、フラッシュ
メモリを構成するすべてのメモリトランジスタの中で、
メモリトランジスタのＶ_thが経時的にほぼ一定であるも
のと、経時的に変化するものとが存在するという問題を
引き起こす。その結果、従来のスタックトゲート型のフ
ラッシュメモリのデータ保持特性において信頼性が低下
する場合があった。

【００１８】また、従来のコントロールゲートとフロー
ティングゲートとの間の層間絶縁膜を構成する上部のシ
リコン酸化膜４２はＣＶＤ法によって形成されている。
フラッシュメモリの製造工程において、このシリコン酸
化膜４２が形成された後、周辺回路形成領域ではゲート
酸化膜の膜質をよくするためにシリコン基板にフッ酸
（ＨＦ）処理が施される。このフッ酸処理によって、シ
リコン酸化膜４２の一部が削られてしまい、その膜厚が
減少してしまうという問題点があった。これは、ＣＶＤ
法を用いて形成されたシリコン酸化膜は、フッ酸による
エッチング速度が大きいことに起因する。したがって、
ＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜４２の膜厚
を制御することは困難であった。

【００１９】そこで、この発明の１つの目的は、スタッ
クトゲート型のフラッシュメモリのメモリセルにおい
て、電荷保持特性を劣化させることなく、信頼性を向上
させることが可能な、フローティングゲートとコントロ
ールゲートとの間の層間絶縁膜の構造を製造する方法を
提供することである。

【００２０】また、この発明の別の目的は、スタックト
ゲート型のフラッシュメモリの製造工程において周辺回
路のゲート絶縁膜の信頼性を確保するとともに、フロー
ティングゲートとコントロールゲートとの間の層間絶縁
膜の膜厚の制御を容易にする製造方法を提供することで
ある。

【００２１】上記２つの目的を達成するために、この発
明は、スタックトゲート型のフラッシュメモリのメモリ
セルにおいてフローティングゲートとコントロールゲー
トとの間の層間絶縁膜の構造を製造する方法を提供す
る。

【００２２】

【課題を解決するための手段】この発明の一つの局面に
従った不揮発性半導体記憶装置の製造方法によれば、半
導体基板上にメモリセル領域と周辺回路領域を有する不
揮発性半導体記憶装置において、まず、メモリセル領域
の半導体基板の主表面上に絶縁膜を形成する。絶縁膜の
上に、リンを含むシリコン層からなるフローティングゲ
ート電極を形成する。フローティングゲート電極の上に
第１のシリコンの熱酸化膜を形成する。第１のシリコン
の熱酸化膜の上にシリコン窒化膜を形成する。シリコン
窒化膜の上にシリコン酸化膜を化学的気相成長させる。
その後、周辺回路領域の半導体基板の主表面上に第２の
シリコンの熱酸化膜を形成する。シリコン酸化膜の上
に、リンを含み、フローティングゲート電極のシリコン
層のリン濃度よりも高いリン濃度を有するシリコン層か
らなるコントロールゲート電極を形成する。

【００２３】この発明のもう一つの局面に従った不揮発
性半導体記憶装置の製造方法によれば、半導体基板上に
メモリセル領域と周辺回路領域を有する不揮発性半導体
記憶装置において、まず、メモリセル領域の半導体基板
の主表面上に絶縁膜を形成する。絶縁膜の上にシリコン
層からなるフローティングゲート電極を形成する。フロ
ーティングゲート電極の上に第１のシリコンの熱酸化膜
を形成する。第１のシリコンの熱酸化膜の上にシリコン
窒化膜を形成する。シリコン窒化膜の上にシリコンオキ
シナイトライド膜を化学的気相成長させる。その後、周
辺回路領域の半導体基板の主表面上に第２のシリコンの
熱酸化膜を形成する。シリコンオキシナイトライド膜の
上にシリコン層からなるコントロールゲート電極を形成
する。

【００２４】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置
の製造方法においては、好ましくは、フローティングゲ
ート電極を構成するシリコン層は、アモルファスシリコ
ン層である。

【００２５】

【００２６】

【００２７】

【作用】この発明の一つの局面に従って製造された不揮
発性半導体記憶装置によれば、フローティングゲート電
極の上にはシリコンの熱酸化膜が形成されている。この
熱酸化膜は、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）によって形
成されたシリコン酸化膜に比べて欠陥が少なく、膜全体
の均一性に優れている。また、フローティングゲート電
極とコントロールゲート電極との間の層間絶縁膜の構成
として、下部を上記のシリコンの熱酸化膜、中央部をシ
リコン窒化膜、上部をＣＶＤ法によって形成されたシリ
コン酸化膜とすることにより、電荷保持特性において、
メモリセルトランジスタのしきい値電圧Ｖ_thの経時的な
変化が十分に小さく抑えられ得る。したがって、スタッ
クトゲート型のフラッシュメモリのメモリセルにおいて
良好なリテンション特性、すなわちデータ保持特性を得
ることができる。結果として、スタックトゲート型のフ
ラッシュメモリの信頼性を向上させることができる。ま
た、フローティングゲート電極のシリコン層のリン濃度
が、コントロールゲート電極のシリコン層のリン濃度よ
りも低くなっている。リン濃度が低いシリコン層からフ
ローティングゲート電極を構成すると、そのシリコン層
を熱酸化することによって得られたシリコンの熱酸化膜
の膜質も均一性も優れたものになる。そのため、より良
好なリテンション特性が得られる。さらに、フローティ
ングゲート電極のシリコン層のリン濃度を低下させるこ
とにより、フローティングゲート電極とコントロールゲ
ート電極との間のカップリング容量の低下を防止するこ
とができる。この発明の製造方法によれば、メモリセル
領域においてフローティングゲート電極の上に第１のシ
リコンの熱酸化膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化
膜を形成した後、周辺回路領域において第２のシリコン
の熱酸化膜が形成される。この場合、第２の熱酸化膜の
形成工程において、熱処理がメモリセル領域に加えられ
ることにより、フローティングゲート電極上の第１のシ
リコンの熱酸化膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化
膜が焼きしめられるので、これらの膜の絶縁性を向上さ
せることができる。 また、周辺回路領域における第２の
シリコンの熱酸化膜の形成工程でメモリセ ル領域に熱処
理が加えられても、フローティングゲート電極のリン濃
度がコントロールゲート電極より低いので、リンによる
悪影響を抑えることができる。

【００２８】この発明のもう一つの局面に従って製造さ
れた不揮発性半導体記憶装置によれば、まず、フローテ
ィングゲート電極の上にはシリコンの熱酸化膜が形成さ
れている。この熱酸化膜は、ＣＶＤ法（化学的気相成長
法）によって形成されたシリコン酸化膜に比べて欠陥が
少なく、膜全体の均一性に優れている。また、フローテ
ィングゲート電極とコントロールゲート電極との間の層
間絶縁膜の構成として、下部を上記のシリコンの熱酸化
膜、中央部をシリコン窒化膜、上部をＣＶＤ法によって
形成されたシリコンオキシナイトライド膜とすることに
より、電荷保持特性において、メモリセルトランジスタ
のしきい値電圧Ｖ _th の経時的な変化が十分に小さく抑え
られ得る。したがって、スタックトゲート型のフラッシ
ュメモリのメモリセルにおいて良好なリテンション特
性、すなわちデータ保持特性を得ることができる。結果
として、スタックトゲート型のフラッシュメモリの信頼
性を向上させることができる。 また、この発明のもう一
つの局面に従って製造された不揮発性半導体記憶装置に
よれば、フローティングゲート電極とコントロールゲー
ト電極との間の層間絶縁膜を構成する上層膜は、ＣＶＤ
法によって形成されたシリコンオキシナイトライド膜か
らなる。このシリコンオキシナイトライド膜は、フッ酸
処理におけるエッチング速度が小さい。そのため、層間
絶縁膜の上層膜としてシリコンオキシナイトライド膜を
形成した後、周辺回路形成領域のシリコン基板に施され
るフッ酸処理においてシリコンオキシナイトライド膜の
膜厚が減少することはない。したがって、フローティン
グゲート電極とコントロールゲート電極との間の層間絶
縁膜の膜厚を減少させることはなく、ほぼ一定に制御し
たままで、周辺回路形成領域のゲート絶縁膜を形成する
前にフッ酸処理をシリコン基板に施すことができる。そ
の結果、周辺回路のゲート絶縁膜の膜質を良好にするこ
とができ、周辺回路領域のトランジスタの信頼性も向上
させることができる。 この発明の製造方法によれば、メ
モリセル領域においてフローティングゲート電極の上に
第１のシリコンの熱酸化膜、シリコン窒化膜およびシリ
コンオキシナイトライド膜を形成した後、周辺回路領域
において第２のシリコンの熱酸化膜が形成される。この
場合、第２の熱酸化膜の形成工程において、熱処理がメ
モリセ ル領域に加えられることにより、フローティング
ゲート電極上の第１のシリコンの熱酸化膜、シリコン窒
化膜およびシリコンオキシナイトライド膜が焼きしめら
れるので、これらの膜の絶縁性を向上させることができ
る。

【００２９】好ましくは、フローティングゲート電極を
構成するシリコン層をアモルファスシリコン層にするこ
とによって、アモルファスシリコン層は、多結晶シリコ
ン層に比べて、グレインサイズが小さいので、グレイン
サイズの影響によるしきい値電圧のばらつきが抑制され
る。また、アモルファスシリコン層は形成後の熱処理に
より多結晶化することもあるが、もともと多結晶シリコ
ン層を形成したものに比べて、しきい値電圧のばらつき
を抑制することができる。

【００３０】

【００３１】

【実施例】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の
製造方法の第１実施例について図１〜図２０を参照して
以下に説明する。各図において左側（Ａ）が周辺回路形
成領域を示し、右側（Ｂ）がメモリセル形成領域を示
す。

【００３２】図１を参照して、ｐ型の〈１００〉のシリ
コン基板１の主表面上に厚み３００Åのシリコン酸化膜
３が形成される。次に、シリコン酸化膜３の上に減圧Ｃ
ＶＤ法により、厚み５００Åのシリコン窒化膜５が形成
される。シリコン窒化膜５の上には、ｎ型ウェル形成領
域のみを露出するようにパターニングされたレジスト７
が形成され、そのレジスト７をマスクとして用いてｎ型
ウェル形成領域のシリコン窒化膜５が除去される。その
後、レジスト７をマスクとして用いて、シリコン基板１
にリン（Ｐ）がイオン注入される。注入条件は６０Ｋｅ
Ｖ、１．０×１０¹³／ｃｍ² である。レジスト７が除去
される。

【００３３】図２に示すように、シリコン窒化膜５をマ
スクとして用いて、厚み５０００Åの酸化膜９が形成さ
れる。その後、シリコン窒化膜５が除去される。酸化膜
９をマスクとして用いて、ｐ型ウェル形成領域にボロン
（Ｂ）がイオン注入される。注入条件は１００ＫｅＶ、
１．０×１０¹³／ｃｍ² である。

【００３４】図３を参照して、シリコン基板１に注入さ
れた不純物を熱拡散させることにより、ｎ型ウェル１１
とｐ型ウェル１３が形成される。熱拡散の条件は温度１
２００℃で６時間である。その後、酸化膜９が除去され
る。

【００３５】図４に示すように、シリコン基板１の主表
面上に厚み３００Åのシリコン酸化膜１５が形成され
る。このシリコン酸化膜１５の上には厚み１０００Åの
多結晶シリコン膜１７が形成される。さらに、厚み２０
００Åのシリコン窒化膜１９が形成される。分離絶縁膜
としてのフィールド酸化膜形成領域のみを露出するよう
にパターニングされたレジスト２１がシリコン窒化膜１
９の上に形成される。このレジスト２１をマスクとして
用いてシリコン窒化膜１９が除去される。

【００３６】図５を参照して、フィールド酸化膜形成領
域でｐ型ウェル１３の領域のみを露出するようにパター
ニングされたレジスト２３がレジスト２１を被覆するよ
うに形成される。このレジスト２３をマスクとして用い
てボロン（Ｂ）がイオン注入される。この注入条件は８
０ＫｅＶ、２．５×１０¹³／ｃｍ² である。

【００３７】その後、レジスト２１，２３が除去され
る。シリコン窒化膜１９をマスクとして用いて、熱処理
が施されることにより、厚み７０００Åのフィールド酸
化膜２７が形成される。このとき、同時にｐ⁺ チャネル
ストッパ領域２５も形成される。その後、図６に示され
るように、シリコン窒化膜１９と多結晶シリコン膜１７
が除去される。なお、ｐ⁺ チャネルストッパ領域２５の
図示は以下の図面において省略される。次に、レジスト
（図示せず）をマスクとして用いて、メモリトランジス
タのしきい値電圧を制御するためにメモリセル形成領域
（Ｂ）のみにボロンがイオン注入される。

【００３８】図７に示すようにシリコン酸化膜１５が除
去される。その後、シリコン基板１の主表面全面上に熱
酸化法によって厚み１００Åのシリコン酸化膜２９が形
成される。

【００３９】図８に示すように、シリコン酸化膜２９の
全面上にＣＶＤ法を用いて多結晶シリコン膜３１が形成
される。パターニングされたレジスト３３がメモリセル
形成領域（Ｂ）の多結晶シリコン膜３１の上に形成され
る。このレジスト３３をマスクとして用いて、多結晶シ
リコン膜３１がエッチング除去される。

【００４０】図９は、図８に示されるメモリセル形成領
域（Ｂ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

【００４１】図１０に示すように、シリコン基板１の主
表面全面上に熱酸化法によってシリコンの熱酸化膜３５
が形成される。このシリコンの熱酸化膜３５の上にＣＶ
Ｄ法を用いてシリコン窒化膜３７が形成される。この場
合、シリコンの熱酸化膜３５とシリコン窒化膜３７との
間にＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜が形成されてもよ
い。シリコン窒化膜３７の上にＣＶＤ法を用いてシリコ
ン酸化膜４２が形成される。このシリコン酸化膜４２と
シリコン窒化膜３７を選択的に周辺回路形成領域（Ａ）
において除去した後、周辺回路形成領域のトランジスタ
のしきい値電圧を制御するために不純物が注入される。

【００４２】図１１に示すように、レジスト７３をマス
クとして用いてシリコン酸化膜２９とシリコンの熱酸化
膜３５を周辺回路形成領域（Ａ）において除去する。そ
の後、レジスト７３を除去し、シリコン基板１にフッ酸
処理が施される。このフッ酸処理は、その後形成される
周辺回路形成領域（Ａ）のゲート絶縁膜の膜質をよくす
るために行なわれる。

【００４３】図１２に示すように、熱酸化法によって周
辺回路形成領域（Ａ）のシリコン基板１の主表面上にゲ
ート絶縁膜となるシリコン酸化膜４１が形成される。

【００４４】図１３に示すように、シリコン酸化膜４１
と４２の上にＣＶＤ法を用いて多結晶シリコン膜４３が
形成される。この多結晶シリコン膜４３は、メモリセル
形成領域（Ｂ）においてコントロールゲートを構成し、
周辺回路形成領域（Ａ）においてゲート電極を構成す
る。多結晶シリコン膜４３の上にはレジスト４５が形成
される。パターニングされたレジスト４５をマスクとし
て用いて多結晶シリコン膜４３がエッチング除去され
る。

【００４５】図１４に示されるように、レジスト４５が
除去されることにより、ゲート電極４７が形成される。

【００４６】図１５に示すように、シリコン基板１の主
表面全面上にレジスト５３が形成される。パターニング
されたレジスト５３をマスクとして用いて、メモリセル
形成領域（Ｂ）において、多結晶シリコン膜４３、シリ
コン酸化膜４２、シリコン窒化膜３７、シリコンの熱酸
化膜３５、多結晶シリコン膜３１がエッチング除去され
る。これにより、コントロールゲート５１とフローティ
ングゲート４９が形成される。

【００４７】図１６は、図１５に示されるメモリセル形
成領域（Ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った断面を示す。

【００４８】図１７に示すように、レジスト５３が除去
された後、サイドウォール絶縁膜５５が形成される。メ
モリセル形成領域のソースとドレイン領域５７、周辺回
路形成領域のソースとドレイン領域５９、シリコン酸化
膜６１、シリコン窒化膜６２、スムースコート膜６３が
順次形成される。

【００４９】図１８に示すように、コンタクトホール６
６がドレイン領域５７と、ソースおよびドレイン領域５
９の表面に達するように形成される。このコンタクトホ
ール６６を通じてドレイン領域５７、ソースおよびドレ
イン領域５９に接続するようにアルミニウム配線膜６５
がスパッタリング法を用いてスムースコート膜６３の上
に形成される。

【００５０】その後、シリコン基板１の主表面全面上に
スムースコート膜６７が形成される。このスムースコー
ト膜６７には、アルミニウム配線膜６５の主表面を露出
させるようにスルーホール７０が形成される。スルーホ
ール７０を通じてアルミニウム配線膜６５に接続するよ
うにアルミニウム配線膜６９が形成される。

【００５１】図２０に示すように、アルミニウム配線膜
６９がパターニングされる。このようにして、フラッシ
ュメモリが製造される。

【００５２】次に、この発明に従った不揮発性半導体記
憶装置の製造方法の第２実施例について以下に説明す
る。図１〜図９に示される製造工程は第１実施例と同様
であるので、製造方法の第２実施例は図９で示される製
造工程以降の工程から説明される。

【００５３】図２１に示すように、シリコン基板１の主
表面全面上にＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜３６が形
成される。この場合、シリコンの熱酸化膜を形成した
後、ＣＶＤ法によってシリコン酸化膜３６が形成されて
もよい。このシリコン酸化膜３６の上にはＣＶＤ法を用
いてシリコン窒化膜３７が形成される。さらに、ＣＶＤ
法により、シリコンオキシナイトライド膜７１が形成さ
れる。

【００５４】このシリコンオキシナイトライド膜７１と
シリコン窒化膜３７を選択的に周辺回路形成領域（Ａ）
において除去する。周辺回路形成領域（Ａ）のトランジ
スタのしきい値電圧を制御するために不純物が選択的に
注入される。

【００５５】図２２に示すように、パターニングされた
レジスト７３をマスクとして用いて、シリコン酸化膜２
９と３６が除去される。

【００５６】図２３に示されるように、レジスト７３が
除去される。その後、シリコン基板１にフッ酸処理が施
される。このフッ酸処理は、その後形成されるゲート絶
縁膜の膜質をよくするために行なわれる。この場合、メ
モリセル形成領域（Ｂ）においてはシリコンオキシナイ
トライド膜７１が露出している。このシリコンオキシナ
イトライド膜７１は、フッ酸（ＨＦ）によるエッチング
速度が小さいため、フッ酸処理によってシリコンオキシ
ナイトライド膜７１の一部が削られることなく、その膜
厚が減少せず、ほぼ一定に保たれる。このようにして、
周辺回路形成領域（Ａ）に形成されるゲート絶縁膜の膜
質を良好にすることができるとともに、フローティング
ゲートとコントロールゲートとの間の層間絶縁膜を構成
する上層の膜厚を容易に制御することが可能となる。

【００５７】以後の製造工程は、第１実施例に関して説
明された図１３〜図１９に従って行なわれ、図２４に示
されるフラッシュメモリの構造が得られる。

【００５８】図２５〜図２７は、フラッシュメモリの温
度７０℃において１０年間の電荷保持特性を保証するた
めに行なわれる加速試験（２５０℃で２４０時間）の結
果を示すグラフである。各図において、横軸はメモリト
ランジスタのしきい値電圧Ｖ _th（Ｖ）、すなわちフロー
ティングゲートの電荷量に相当する値を示し、縦軸はビ
ット数を示す。加速試験は、フラッシュメモリの４メガ
ビット分相当のメモリセルに対して行なわれる。各図に
おいて（ａ）は加速試験前の初期状態を示し、（ｂ）は
加速試験後のメモリトランジスタのしきい値電圧Ｖ_thの
度数分布（４メガビット中）を示す。

【００５９】図２５は、図３３に示された従来のメモリ
セルにおいてフローティングゲート４９とコントロール
ゲート５１との間の層間絶縁膜を、いずれもＣＶＤ法に
よって形成されたシリコン酸化膜３４／シリコン窒化膜
３７／シリコン酸化膜４２から構成した場合の電荷保持
特性を示す。図２５から明らかなように、ＣＶＤ法によ
って形成されたシリコン酸化膜３４の欠陥に起因してメ
モリトランジスタのしきい値電圧Ｖ_thが加速試験後にお
いて変化するメモリセルが数十ビット程度存在すること
が理解される。

【００６０】図２６は、フローティングゲートとコント
ロールゲートとの間の層間絶縁膜を２層構造にし、その
下層をシリコンの熱酸化膜によって構成し、その上層を
ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜から構成した場合の電荷
保持特性を示す。図２６においては、図２５に示される
ような、数十ビット程度のしきい値電圧Ｖ_thの変化した
メモリセルは見られないが、すべてのメモリセル（全ビ
ット）においてしきい値電圧Ｖ_thがシフトすることが理
解される。

【００６１】図２７は、本発明の図２０に示された構
造、すなわちフローティングゲートとコントロールゲー
トとの間の層間絶縁膜を、シリコンの熱酸化膜３５／Ｃ
ＶＤ法によるシリコン窒化膜３７／ＣＶＤ法によるシリ
コン酸化膜４２の三層構造にした場合の電荷保持特性を
示す。本発明の第１実施例に従った構造によれば、加速
試験後においても、メモリトランジスタのしきい値電圧
がほとんど変化することなく、良好なリテンション特性
が得られることがわかる。

【００６２】ＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化
膜は膜質としては良好であるが、多くの欠陥を含む。こ
れに対して、シリコンの熱酸化膜は欠陥が少ないが、Ｃ
ＶＤ法によるシリコン酸化膜よりも膜質は劣る。しかし
ながら、シリコンの熱酸化膜は膜全体の均一性に優れて
いる。シリコンの熱酸化膜がＣＶＤ法によるシリコン酸
化膜に比べて膜質が劣るのは、フローティングゲートを
構成するシリコン層にリンが含まれているため、そのフ
ローティングゲートの上に形成されたシリコンの熱酸化
膜にもリンが含まれてしまうことによる。

【００６３】この問題を解決するために、上述の製造方
法の第１実施例において、フローティングゲート４９を
構成するシリコン層のリン（Ｐ⁺ ）濃度が、コントロー
ルゲート５１を構成するシリコン層のリン（Ｐ⁺ ）濃度
よりも低くなるように、フローティングゲート４９とコ
ントロールゲート５１を形成する。リン濃度が低いフロ
ーティングゲート４９を形成すると、その上の熱酸化膜
３５の膜質も均一性も優れたものになる。その結果、よ
り良好なリテンション特性が得られる。

【００６４】さらに、コントロールゲートを形成した後
の酸化工程で、フローティングゲートとコントロールゲ
ートとの間にゲートバーズビークが発生する。フローテ
ィングゲートとコントロールゲートを構成するシリコン
層にドープされているリンの濃度が高いと、上記の酸化
速度が大きくなる。そのため、ゲートバーズビークの発
生の程度は大きくなる。その結果、フローティングゲー
トとコントロールゲートとの間のカップリング容量が低
下する。

【００６５】しかしながら、層間絶縁膜がシリコン窒化
膜とシリコン酸化膜の２層膜から構成される場合には、
上部のシリコン窒化膜とコントロールゲートとの間には
バーズビークが発生し難い。このことは、カップリング
容量の低下が、主にフローティングゲート側で起こるバ
ーズビークの発生程度によって決定されることを意味す
る。したがって、フローティングゲートのリン濃度を低
下させることは、カップリング容量の低下を防ぐことに
有効である。

【００６６】なお、以上の本発明の製造方法の実施例に
おいては、フローティングゲートを多結晶シリコン膜か
ら形成したが、アモルファスシリコン膜から形成しても
よい。

【００６７】

【発明の効果】この発明の一つの局面に従って製造され
た不揮発性半導体記憶装置によれば、フローティングゲ
ート電極の上にシリコンの熱酸化膜を形成することによ
りデータ保持特性を改善することができ、不揮発性半導
体記憶装置の信頼性を向上させることができ、さらに、
リン濃度が低いシリコン層からフローティングゲート電
極を構成することによりフローティングゲートとコント
ロールゲートとの間の層間絶縁膜の膜質をより良好にす
ることができ、データ保持特性をさらに改善することが
でき、不揮発性半導体記憶装置の信頼性をさらに向上さ
せることができる。好ましくは、フローティングゲート
電極を構成するシリコン層をアモルファスシリコン層に
することによって、しきい値電圧のばらつきを抑制する
ことができる。また、この発明の製造方法によれば、フ
ローティングゲート電極上の第１のシリコンの熱酸化
膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の絶縁性を向
上させることができ、周辺回路領域における第２のシリ
コンの熱酸化膜の形成工程でメモリセル領域に熱処理が
加えられても、フローティングゲート電極のリン濃度が
コントロール電極より低いので、リンによる悪影響を抑
えることができる。

【００６８】この発明のもう一つの局面に従って製造さ
れた不揮発性半導体記憶装置によれば、フローティング
ゲート電極の上にシリコンの熱酸化膜を形成することに
よりデータ保持特性を改善することができ、不揮発性半
導体記憶装置の信頼性を向上させることができ、またフ
ローティングゲートとコントロールゲートとの間の層間
絶縁膜の膜厚を容易に制御することができるとともに、
周辺回路領域のトランジスタのゲート絶縁膜の膜質を良
好にすることができ、データ保持特性を改善し、かつ周
辺回路のトランジスタの信頼性をも向上させることがで
きる。 好ましくは、フローティングゲート電極を構成す
るシリコン層をアモルファスシリコン層にすることによ
って、しきい値電圧のばらつきを抑制することができ
る。また、この発明の製造方法によれば、フローティン
グゲート電極上の第１のシリコンの熱酸化膜、シリコン
窒化膜およびシリコンオキシナイトライド膜の絶縁性を
向上させることができる。

【００６９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の
第１実施例の第１工程を示す部分断面図である。

【図２】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の
第１実施例の第２工程を示す部分断面図である。

【図３】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の
第１実施例の第３工程を示す部分断面図である。

【図４】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の
第１実施例の第４工程を示す部分断面図である。

【図５】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の
第１実施例の第５工程を示す部分断面図である。

【図６】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の
第１実施例の第６工程を示す部分断面図である。

【図７】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の
第１実施例の第７工程を示す部分断面図である。

【図８】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の
第１実施例の第８工程を示す部分断面図である。

【図９】図８のＢ−Ｂ線に沿う部分断面図である。

【図１０】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第１実施例の第９工程を示す部分断面図である。

【図１１】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第１実施例の第１０工程を示す部分断面図である。

【図１２】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第１実施例の第１１工程を示す部分断面図である。

【図１３】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第１実施例の第１２工程を示す部分断面図である。

【図１４】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第１実施例の第１３工程を示す部分断面図である。

【図１５】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第１実施例の第１４工程を示す部分断面図である。

【図１６】図１５のＣ−Ｃ線に沿う部分断面図である。

【図１７】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第１実施例の第１５工程を示す部分断面図である。

【図１８】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第１実施例の第１６工程を示す部分断面図である。

【図１９】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第１実施例の第１７工程を示す部分断面図である。

【図２０】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第１実施例の第１８工程を示す部分断面図である。

【図２１】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第２実施例の第１工程を示す部分断面図である。

【図２２】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第２実施例の第２工程を示す部分断面図である。

【図２３】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第２実施例の第３工程を示す部分断面図である。

【図２４】本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法
の第２実施例の第４工程を示す部分断面図である。

【図２５】従来のスタックトゲート型フラッシュメモリ
のメモリセルの電荷保持特性を示すグラフである。

【図２６】比較例としてスタックトゲート型フラッシュ
メモリのメモリセルの電荷保持特性を示すグラフであ
る。

【図２７】本発明の第１実施例に従ったスタックトゲー
ト型フラッシュメモリのメモリセルの電荷保持特性を示
すグラフである。

【図２８】フラッシュメモリの一般的な構成を示すブロ
ック図である。

【図２９】図２８に示されたメモリセルマトリクスの概
略構成を示す等価回路図である。

【図３０】フラッシュメモリを構成する１つのメモリト
ランジスタの断面構造を示す部分断面図である。

【図３１】従来のスタックトゲート型フラッシュメモリ
の平面的な配置を示す概略平面図である。

【図３２】図３１のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。

【図３３】従来のスタックトゲート型フラッシュメモリ
のメモリセルの断面構造を詳細に示す部分断面図であ
る。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２９ シリコン酸化膜 ３５ 熱酸化膜 ３６ シリコン酸化膜 ３７ シリコン窒化膜 ４２ シリコン酸化膜 ４９ フローティングゲート ５１ コントロールゲート ７１ シリコンオキシナイトライド膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−71674（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−132170（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−87374（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−36077（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−183168（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−73774（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/8247 H01L 27/112 - 27/115 H01L 29/788

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上にメモリセル領域と周辺回
   路領域を有する不揮発性半導体記憶装置において、 前記メモリセル領域の前記 半導体基板の主表面上に絶縁
   膜を形成する工程と、 前記絶縁膜の上に、リンを含むシリコン層からなるフロ
   ーティングゲート電極を形成する工程と、 前記フローティングゲート電極の上に第１のシリコンの
   熱酸化膜を形成する工程と、 前記第１のシリコンの熱酸化膜の上にシリコン窒化膜を
   形成する工程と、 前記シリコン窒化膜の上にシリコン酸化膜を化学的気相
   成長させる工程と、前記シリコン窒化膜の上にシリコン酸化膜を化学的気相
   成長させる工程の後、 前記周辺回路領域の前記半導体基板の主表面上に第２の
   シリコンの熱酸化膜を形成する工程と、 前記シリコン酸化膜の上に、リンを含み、前記フローテ
   ィングゲート電極のシリコン層のリン濃度よりも高いリ
   ン濃度を有するシリコン層からなるコントロールゲート
   電極を形成する工程とを備えた、不揮発性半導体記憶装
   置の製造方法。
2. 【請求項２】 半導体基板上にメモリセル領域と周辺回
   路領域を有する不揮発性半導体記憶装置において、 前記メモリセル領域の前記 半導体基板の主表面上に絶縁
   膜を形成する工程と、 前記絶縁膜の上にシリコン層からなるフローティングゲ
   ート電極を形成する工程と、 前記フローティングゲート電極の上に第１のシリコンの
   熱酸化膜を形成する工程と、 前記第１のシリコンの熱酸化膜の上にシリコン窒化膜を
   形成する工程と、 前記シリコン窒化膜の上にシリコンオキシナイトライド
   膜を化学的気相成長させる工程と、前記シリコン窒化膜の上にシリコンオキシナイトライド
   膜を化学的気相成長させる工程の後、前記周辺回路領域
   の前記半導体基板の主表面上に第２のシリコンの熱酸化
   膜を形成する工程と、 前記シリコンオキシナイトライド膜の上にシリコン層か
   らなるコントロールゲート電極を形成する工程とを備え
   た、不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記フローティングゲート電極を構成す
   るシリコン層は、アモルファスシリコン層である、請求
   項１または請求項２に記載の不揮発性半導体記憶装置の
   製造方法。