JP3673538B2 - Method for forming nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は、電気的に情報の書き込み及び消去が可能で、かつ、情報の保持に外部より電力を与える必要のない記憶効果を具えた不揮発性半導体記憶装置(所謂EEPROM)及びその形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の不揮発性半導体記憶装置は、例えば文献I(「月刊Semiconductor World」、1991年、4月号、P.94〜98、プレスジャーナル)に開示されているものがある。
【0003】
図8は、文献Iに開示されている不揮発性記憶装置の構造の一例を示している。
【0004】
この従来の構造は、ETOX(EEPROM with Tunnel Oxide)セルとも呼ばれ、セルの構成は以下の通りである。
【0005】
このETOXセルは、P導電型半導体基板50、トンネル酸化膜52、浮遊ゲート電極54、層間絶縁膜56、制御ゲート電極58、n+ 型のソース領域60、n+ 型のドレイン領域62、n- 型のソース領域64及びp型のドレイン領域66から構成されている。
【0006】
このETOXセルは、構造的に見ればEEPROMと同一であるが、セルのトンネル酸化膜52を10nm(ナノメートル)程度に形成してある点に特徴がある。
【0007】
また、n+ 型ソース領域60の下面には、バンド間のトンネルリークを抑制するため、n- 型ソース領域64を具えている。
【0008】
また、n+ 型ドレイン領域62の下面には書込みの効率向上を図るため、p型ドレイン領域66を具えている。
【0009】
また、基板50上には、トンネル酸化膜52、浮遊ゲート電極54、層間絶縁膜56及び制御ゲート電極58がそれぞれ積層されている。なお、基板50上に設けられたトンネル酸化膜52は、ソース領域60及びドレイン領域62のそれぞれの一部分とも接して設けられている。
【0010】
近年、層間絶縁膜56として、上層酸化膜/窒化膜/下層酸化膜(Oxide−Nitride−Oxide膜:略称ONO膜)の3層構造からなる絶縁膜も実用化されている(文献Iの図13、p98参照)。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のETOX型の層間絶縁膜(上層酸化膜/窒化膜/下層酸化膜)にONO膜を用いた場合、浮遊ゲート電極上に下層酸化膜を形成する。このとき、熱酸化による高温加熱処理(例えば酸素ガス中で1000℃、10分間)を行って下層酸化膜を形成する。このため、浮遊ゲート電極中に含まれているリン(P)が下層酸化膜やトンネル酸化膜中に侵入し、膜厚が不均一になるという問題があった。この理由について図7(A)及び(B)を参照して説明する。
【0012】
図7の(A)は、基板50上にトンネル酸化膜52と浮遊ゲート電極54とをそれぞれ積層した断面図を示し、(B)は浮遊ゲート用導電体層54の上面に加熱処理により下層酸化膜56を形成した状態を示す断面図である。なお、このときの加熱条件は、酸素(O2 )ガス中で加熱処理(1000℃、10分間)を行う。
【0013】
図7の(A)から理解できるように、熱酸化により下層酸化膜56を形成する前は、ポリシコンで形成された浮遊ゲート電極に結晶粒界の成長は見られない。しかし、図7の(B)から理解できるように、熱酸化を行って浮遊ゲート電極の表面に下層酸化膜56を形成することによりポリシリコンで形成された浮遊ゲート電極54中の〈110〉方向に結晶粒界59が、強く配向して成長するようになる。このとき結晶粒界59は、浮遊ゲート電極54の上面及び下面まで成長している。このため、浮遊ゲート電極54中にドープされているリン(P)原子が粒界に偏析する。ここでいう偏析とは、粒界にリン原子が吐き出されてトンネル酸化膜52或は下層酸化膜56と浮遊ゲート電極54の界面にリン(P)が蓄積されている状態を言う。このため、浮遊ゲート電極54の上面あるいは下面に高濃度のリンが分布することになり、例えば下層酸化膜56を形成する過程において結晶粒界59が生じている部分と生じていない部分とでは酸化膜成長速度に差異が生じてしまう。この結果、浮遊ゲート電極54と下層酸化膜56との界面あるいはトンネル酸化膜52と浮遊ゲート電極54との界面に凹凸が発生する。このため、トンネル酸化膜52や下層酸化膜56自体の膜厚も不均一になる。また、それぞれの界面に偏析されたリンは下層酸化膜56やトンネル酸化膜52中にも拡散されることになり、したがって、EEPROMのデータ保持特性を劣化させる。この理由は以下のように考えられる。
【0014】
トンネル酸化膜52や下層酸化膜56中にリンが拡散すると、このリン元素が正電荷の捕獲の中心になるので、それぞれの酸化膜のエネルギーバンドが曲がり、その結果、バンドを形成している実効的な電位障壁高さ(バリアハイト)を低下させる。このため、電子が容易にトンネル酸化膜52あるいは下層酸化膜56中をトンネリングしてしまうので、EEPROMのデータ保持特性が劣化する。従って、浮遊ゲート電極54中に蓄積されている電子が容易に制御ゲート電極側或はソース領域側に移動し、データの保持特性が劣化して、最適なデータの書き換え動作ができなくなる。
【0015】
浮遊ゲート電極にドーピングされているリン原子の拡散を防止する方法が従来いくつか考えられてきた。その1つに、熱酸化により下層酸化膜を形成する際に、酸化膜形成温度を下げる方法がある。
【0016】
しかし、不揮発性半導体記憶装置の下層酸化膜の形成には、通常、熱酸化法を用いて行うため、成膜温度を下げた場合、酸化膜形成速度を低下させることになり、所望の酸化膜厚を得るためには熱処理時間が長くかかってしまう。このため、浮遊ゲート中のリン原子が下層酸化膜やトンネル酸化膜に拡散して浮遊ゲート電極/下層酸化膜及び浮遊ゲート電極/トンネル酸化膜の界面の整合性及び下層酸化膜やトンネル酸化膜の膜厚自体の均一性が悪くなるという問題がある。
【0017】
もう1つのリン原子の拡散防止方法として浮遊ゲート電極中に含まれるリン(P)の濃度を抑制する方法がある。しかし、浮遊ゲート電極にドーピングするリン(P)の濃度を下げることは、浮遊ゲート電極の電気抵抗を高めることになり、おのずから限界がある。このため、P濃度は1×1020原子/cm3 以下に下げることが実質的にできない。
【0018】
そこで、浮遊ゲート電極の結晶粒の成長を抑制し、層間絶縁膜と浮遊ゲート電極との界面の整合性及び浮遊ゲート電極とトンネル酸化膜との界面でのトンネル酸化膜の膜厚の均一性の優れた不揮発性半導体記憶装置及びその形成方法が望まれていた。
【0019】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板の表面近傍に離間して設けられたソース領域及びドレイン領域と、半導体基板上に順次積層されたトンネル酸化膜、トンネル酸化膜上に形成された浮遊ゲート電極、浮遊ゲート電極上に形成され、下層酸化膜と窒化膜と上層酸化膜とで構成される層間絶縁膜、及び層間絶縁膜上に形成された制御ゲート電極を備える不揮発性半導体記憶装置の形成方法に関する。
そして、トンネル酸化膜となる酸化膜上に、シリコン含有IV族水素系ガスとゲルマニウム含有IV族系ガスと不純物元素をドーピングするためのドーパントガスとの混合ガスを用いて加熱処理を行うことにより、浮遊ゲート電極を不純物濃度が5×10 20 原子/cm 3 以上のSi 1-x ―Ge x 混合膜(xは組成を表す数値であって0.05<x<0.4の間の値をとる。)として形成する工程と、層間絶縁膜の下層酸化膜を、浮遊ゲート電極の表面を熱酸化して形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【0021】
第2の発明は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板の表面近傍に離間して設けられたソース領域及びドレイン領域と、半導体基板上に順次積層されたトンネル酸化膜、トンネル酸化膜上に形成された浮遊ゲート電極、浮遊ゲート電極上に形成され、下層酸化膜と窒化膜と上層酸化膜とで構成される層間絶縁膜、及び層間絶縁膜上に形成された制御ゲート電極を備える不揮発性半導体記憶装置の形成方法に関する。
そして、トンネル酸化膜としての酸化膜上に、シリコン含有IV族水素系ガスとゲルマニウム含有IV族系ガスの混合ガスを用いて加熱処理を行うことにより、浮遊ゲート電極をSi1-x―Gex混合膜(xは組成を表す数値であって0.05<x<0.4の間の値をとる。)として形成するとともに、このSi 1-x ―Ge x 混合膜に対して不純物元素をドーピングすることにより、浮遊ゲート電極の不純物濃度を5×10 20 原子/cm 3 以上とする工程と、層間絶縁膜の下層酸化膜を、浮遊ゲート電極の表面を熱酸化して形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【0022】
第3の発明は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板の表面近傍に離間して設けられたソース領域及びドレイン領域と、半導体基板上に順次積層されたトンネル酸化膜、トンネル酸化膜上に形成された浮遊ゲート電極、浮遊ゲート電極上に形成され、下層酸化膜と窒化膜と上層酸化膜とで構成される層間絶縁膜、及び層間絶縁膜上に形成された制御ゲート電極を備える不揮発性半導体記憶装置の形成方法に関する。
そして、(a)前記トンネル酸化膜となる酸化膜上に、シリコン含有IV族水素系ガスを用いて加熱処理を行って浮遊ゲート電極のためのポリシリコンを形成する第1工程と、(b)第1工程後に、ポリシリコン中に、浮遊ゲート電極におけるゲルマニウム原子の濃度を最小限1×10 21 原子/cm 3 とすべく、イオン注入法によりゲルマニウムイオンを打ち込む第2工程と、(c)第2工程後に、ポリシリコン中に、浮遊ゲート電極における不純物濃度を5×10 20 原子/cm 3 以上とすべく、不純物元素をドーピングする第3工程と、(d)第3工程後に、ゲルマニウムイオン及び不純物元素を含んだポリシリコンをアニールする第4工程と、(e)第4工程後に、層間絶縁膜の下層酸化膜を形成するために、ポリシリコンの表面を熱酸化する第5工程と、を備えることを特徴とする。
【0024】
【作用】
上述した1及び第2発明では、トンネル酸化膜としての酸化膜上に、シリコン含有IV族水素系ガスとゲルマニクム含有IV族系ガスを用いて加熱処理してSi1-x−Gex混晶(xは組成を表わす数値であって0.05<x<0.4の間の値をとる。)を形成し、さらに浮遊ゲート電極の不純物濃度を5×10 20 原子/cm 3 以上とする。このとき形成されたSi1-x−Gex混晶は、シリコン原子より原子半径の大きいゲルマニウム原子を含んでいるので、シリコン格子中に格子歪みが発生する。このため、周知の通り膜厚を増して行けば歪みエネルギーが大きくなって転位を発生するようになる。このため、Si1-x−Gex混晶が成長する際の膜厚には自ら限界があり(このときの膜厚を臨界膜厚という)、ゲルマニウムのx組成により臨界膜厚を制御することができる。このようにして形成されたSi1-x−Gex混晶の結晶径は従来のポリシリコンに比べ小さくなる。
【0025】
また、第3発明では、まず、トンネル酸化膜となる酸化膜上に浮遊ゲート電極のためのポリシリコンを形成した後、浮遊ゲート電極におけるゲルマニウム原子の濃度を最小限1×10 21 原子/cm 3 とすべく、イオン注入法によりポリシリコン中にゲルマニウムイオンを打ち込む。その後、浮遊ゲート電極における不純物濃度を5×10 20 原子/cm 3 以上とすべく、ポリシリコン中に不純物元素をドーピングする。続いて、ゲルマニウムイオン及び不純物元素を含んだポリシリコンをアニールする。このようにして形成されたポリシリコン中にはゲルマニウム原子が含まれているので、ポリシリコンの結晶径を小さくすることができる。このため、高温加熱処理を行ってもポリシリコン中に結晶粒界が発生しないので、ポリシリコントンネル酸化膜となる酸化膜との界面及びポリシリコン層間絶縁膜の下層酸化膜との界面部分に不純物元素が偏析することはなくなる。
【0026】
【実施例】
以下、図面を参照してこの発明の電気的に情報に書換えのできる不揮発性半導体記憶装置(以下、EEPROMと称する。)の構造及びその形成方法について説明する。しかしながら、各図は、この発明が理解できる程度に各構成成分の形状、大きさ、及び配置を概略的に示してあるにすぎない。
【0027】
本発明の形成方法にて形成されるEEPROM構造の説明]
図1は、発明の形成方法にて形成されるのEEPROMの主要構造を説明するための断面図である。
【0028】
先ず、第1導電型の半導体基板10としてp導電型半導体基板(以下、基板と称する。)を用いる。この基板10は、例えば比抵抗が3Ω・cm〜5Ω・cmとし、結晶面の面方位を(100)面とする。また、この基板10の上面(表面)領域には第1不純物領域24(以下、ソース領域と称する。)と第2不純物領域26(以下、ドレイン領域と称する。)とを離間させて設けてある。また、ソース領域24とドレイン領域26との間にはチャネル形成予定領域27が形成されている。
【0029】
また、チャネル形成予定領域27を含みソース領域24及びドレイン領域26の一部にわたる領域の基板10上に、第1絶縁膜12a(以下、トンネル酸化膜と称する。)と、第1導電体層14a(以下、浮遊ゲート電極と称する。)と、第2絶縁膜21a(以下、層間絶縁膜と称する。)と、第2導電体層22a(以下、制御ゲート電極と称する。)とを積層して設けてある。
【0030】
浮遊ゲート電極14aは、結晶径を小さくするためのゲルマニウム原子を含むポリシリコンで構成されており、このときのゲルマニウム原子の濃度を最小限1×1021原子/cm3 としてある。なお、ここで、小さい結晶径とは、第1導電体層の表面が実質的に平坦とみなせるような面となる程度の結晶径を意味する。また、層間絶縁膜21aは、3層構造から構成されており、浮遊ゲート電極14a側から制御ゲート電極22a側の方向へ向かって下層酸化膜16a、窒化膜18a及び上層酸化膜20aがそれぞれ形成されている。
【0031】
[第発明のEEPROMの形成方法の説明]
次に、図2の(A)〜(C)、図3の(A)〜(C)及び図4の(A)〜(B)を参照して、第発明のEEPROMの形成方法について説明する。
【0032】
先ず、基板10として、既に説明したp導電型半導体基板を用いる。この基板10を任意好適な洗浄液を用いて洗浄して基板10に付着している不純物を除去した後、洗浄済の基板10を、ただちに任意好適な酸化膜形成反応炉(図示せず)内に搬入する。
【0033】
その後、化学気相成長(CVD)装置(図示せず)を用い、反応炉内に酸素(O2 )ガスを導入して加熱温度約900℃で、20分間の処理を行い、基板10上に第1絶縁膜12(以下、トンネル酸化膜と称する。)を形成する(図2の(A))。このトンネル酸化膜12は、SiO2 膜で形成されており、膜厚を例えば約110Åとする。
【0034】
次に、図2の(A)の構造体を、直ちに、急速熱処理−化学気相成長装置(RTP−CVD装置)(図示せず)内に搬入する。ここで使用するRTP−CVD装置は、文献II(「月刊Smiconductor World、1990年、10月号、P.98〜102)に開示されている装置(ASM社製型番:Epsilon1)とほぼ同様な装置を用いる。
【0035】
この発明の実施例では、RTP−CVD装置を用いて第1導電体層14(以下、n+ 導電型の浮遊ゲート電極用予備層と称する。)を形成する(図2の(B))。なお、ここでは、浮遊ゲート電極用予備層14をSi−Ge混晶膜とも称する。このときのSi−Ge混晶膜14の形成方法は以下の通りとする。
【0036】
RTP−CVD反応炉内に、例えばジシラン(Si26 )ガスを約30sccm、ゲルマン(GeH4 )ガスを約20ccm及びアルシン(AsH3 )ガスを約0.5sccmをそれぞれ導入して基板温度を例えば590℃に設定し、約90秒間の処理を行う。このときの炉内圧力を例えば0.9Torrとする。このようにして、トンネル酸化膜12上にひ素(As)がドープされたSi1-x −Gex 混晶膜14が形成される(図2の(B))。このとき、Si1-x −Gex 混晶膜14中のひ素(As)原子の不純物濃度を1×1021原子/cm3 程度とする。
【0037】
また、Si1-x −Gex 混晶膜14のxは組成を表す数値であって0.05<x<0.4の間の値とする。なお、ここではSi1-x −Gex 混晶膜14の膜厚を約100nm(ナノメートル)とする。また、このときの基板温度は、好ましくは、550℃〜750℃の範囲の温度とするのが好適である。
【0038】
このような方法により形成されたSi1-x−Gex混晶膜14は、多数の微細な結晶が集まってできており、Si1-x−Gex混晶膜14の表面は実質的に平坦面とみなせるような平坦面となる。なお、第1実施例では、アルシンガスをジシランガス及びゲルマンガスと同時に導入した例について説明したが、なんらこの例に限定されるものではなく、第2発明として、例えば次に述べるようにSi1-x−Gex混晶膜中にひ素をドーピングしても良い。
【0039】
炉内にジシランガスとゲルマンガスとの混合ガスを用いて加熱処理を行い、トンネル酸化膜12上にSi1-x −Gex 混晶膜14を形成する。その後、任意好適な方法を用いてひ素(As)原子をSi1-x −Gex 混晶膜14中にドーピングする。
【0040】
次に、図2の(B)の構造体を酸化膜形成反応炉(図示せず)内に搬入する。
【0041】
その後、炉内に酸素(O2 )ガスを供給して例えば加熱温度1000℃で、約5分間の処理を行ってSi1-x −Gex 混晶膜14の上面(表面)に第2絶縁膜16(以下、下層酸化膜と称る。)を形成する(図2の(C))。このときの下層酸化膜16の膜厚を約5nmとする。
【0042】
次に、下層酸化膜16上に、例えば減圧CVD(LPCVDとも称する。)法を用いて窒化膜18を形成する(図3の(A)。このときの窒化膜18の形成条件を以下の通りとする。
【0043】
反応炉内をシラン(SiH4 )ガスとアンモニア(NH3 )ガスとの混合ガス(例えば混合比を3:1(体積比)とする。)とし、例えば加熱温度700℃で、約20分間の処理を行って下層酸化膜16上に約10nmの膜厚の窒化膜18(Si34 膜)を形成する。
【0044】
その後、図3の(A)で形成された窒化膜18の表面に、パイロジニック(燃焼)法を用いて上層酸化膜20を形成する(図3の(B))。このときの上層酸化膜20の膜厚を約3nmとする。ここでは、下層酸化膜16、窒化膜18及び上層酸化膜20を総称して層間絶縁膜21と称する。
【0045】
次に、任意好適な方法を用いて上層酸化膜20上に制御ゲート電極用予備層22を形成し図3の(C)の構造体を得る。この制御ゲート電極用予備層22の材料を例えばポリシリコンとする。
【0046】
次に、任意好適な方法を用いて制御ゲート電極用予備層22の一部をマスキングし、ホトエッチング及びドライエッチング法によってマスキングされている部分以外を、制御ゲート電極用予備層22から基板10面が露出するまでエッチング除去して図4の(A)の構造体を得る。このとき基板10上に残存した部分を制御ゲート電極22a、上層酸化膜20a、窒化膜18a、下層酸化膜16a、浮遊ゲート電極14a及びトンネル酸化膜12aとする。
【0047】
次に、トンネル酸化膜12a、浮遊ゲート電極14a、層間絶縁膜21a及び制御ゲート電極22aの部分を、例えばポジ型レジスト材料を用いてマスキングし(図示せず)、基板10の表面にイオン注入し、活性化処理を行って基板10の表面にn+ 導電型のソース領域24及びドレイン領域26を形成する(図4の(B))。このような工程を経てEEPROMが完成する。
【0048】
[第3発明のEEPROMの形成方法の説明]
次に、第3発明のEEPROMの形成方法について図5の(A)〜(C)を参照して説明する。
【0049】
基板10上にトンネル酸化膜12を形成するまでは、第発明の工程と同一である。このため、詳細な説明を省略する。
【0050】
この実施例では、トンネル酸化膜12上にポリシリコンからなる第1導電体層13を形成する(図5の(A))。以下、第1導電体層13をポリシリコン層と称する。このときのポリシリコン層13の膜厚を0.1μm程度とする。
【0051】
次に、ポリシリコン層13中にイオン注入法によりゲルマニウムイオン(Ge+ )を打ち込む(図5の(B))。このときのゲルマニウム(Ge)原子の濃度を最小限1×1021原子/cm3 とする。
【0052】
次に、任意好適な方法を用いて不純物元素をドーピングする(図5の(C))。このときの不純物元素を例えばリン(P)とし、リンの濃度を1×1021原子/cm3 程度とする。
【0053】
その後、イオン注入の際に発生した結晶歪みを調整するため、加熱温度を約560℃の温度とし、約40分間アニールを行う。ただし、Ge濃度により加熱温度及び時間を変化させる必要がある。
【0054】
その後の工程は、第発明の図2の(C)工程以降の工程と同一であるため、詳細な説明を省略する。
【0055】
次に、図6を参照して不純物濃度に対する浮遊ゲート電極中のグレイン(Grain)径について説明する。
【0056】
図6は、浮遊ゲート中の不純物濃度に対する結晶(グレイン)径の大きさの関係を示す図である。図中、曲線Iは、浮遊ゲート電極にリン(P)をドープしたとき(従来例)の結晶(グレイン)径を表し、曲線IIはこの実施例の多結晶SiにGeを導入した浮遊ゲート電極中にリンをドーピングしたときのグレイン径を表している。なお、このとき測定に用いた試料は、従来例ではポリシリコンの浮遊デート電極にリンをドープしたものを用い、この実施例では浮遊ゲート電極にイオン注入法によりゲルマニウムイオンを打ち込んだ後、リンを浮遊ゲート電極にドーピングしたものを用いている。そして、それぞれの試料について窒素ガス中で加熱処理(950℃、1時間)を行ってグレイン径をノマルスキー光学顕微鏡を用いて測定した値である。
【0057】
図6から理解できるように、従来の曲線Iでは、リンの不純物濃度が増加するにしたがって結晶径も大きく成長する。特に、リン濃度が1×1020原子/cm3 になるとグレイン径が約0.42μmとなり、リン濃度が5×1020原子/cm3 になるとグレイン径が約0.6μmとなる。更に、リン濃度が1×1021原子/cm3 になるとグレイン径が約0.95μmとなる。
【0058】
一方、この実施例では、リン濃度が1×1019原子/cm3 のときは、グレイン径の大きさは従来例(曲線I)と殆ど変わらないが、リン濃度が1×1021原子/cm3 になるとグレイン径はむしろ小さくなる。すなわち、この発明の実施例では、リンの濃度が6×1019原子/cm3 になるとグレイン径が約0.2μmとなり、リンの濃度が5×1020原子/cm3 になるとグレイン径が約0.15μmとなる。更に、リンの濃度が1×1021原子/cm3 になるとグレイン径が約0.14μmとなる。図6の結果から以下のことが考えられる。
【0059】
従来のリンをドープした浮遊ゲート電極は、ポリシコン結晶中に結晶粒界が発生して高濃度リン原子が結晶粒界に偏析するため、不純物のリン濃度に比例してグレイン径が増大する。
【0060】
これに対してこの実施例では、多結晶Si中にGe原子を導入してあるため、多結晶SiはSi−Ge混晶膜を形成する。このため、ゲルマニウム原子はシリコン原子に比べて結晶半径が大きいので、シリコン格子中の格子歪みを増大させることになる。したがって、Si−Ge混晶膜の膜厚が臨界膜厚以上には成長しないため、ポリシリコンの結晶の大きさ(グレインサイズ)は従来のポリシリコン単体に比べて小さくなるものと考えられる。
【0061】
上述したこの発明の実施例では、浮遊ゲートを有する例について説明したが、浮遊ゲートを持たない電界効果トランジスタ(MOSFET)のゲート電極を用いた場合でも、ゲート電極/酸化膜の界面に発生するオキサイドリッジ(Oxide Ridge)の低減方法としても有効であると考えられる。
【0062】
また、この実施例では、下層酸化膜を形成する装置として酸化形成炉を用いたが、なんらこの装置に限定されるものではなくRTP−CVD装置を用いても良い。
【0063】
また、第発明では、Si1-x−Gex混晶膜を形成するときのシリコン含有IV族水素系ガスとしてジシランガスを用い、ゲルマニウム含有IV族系ガスとしてゲルマンガスを用いたが、なんらこれらのガスに限定されるものではなく、ジシランガスの代わりにシラン(SiH4)ガス、メチルシラン(Si(CH3)H3)ガス及びトリシラン(Si38)ガスの中から選ばれた1つのガスを用い、一方、ゲルマンガスの代わりにふっ化ゲルマニウム(GeF)ガス、二ふっ化ゲルマニウム(GeF2)ガス及び四ふっ化ゲルマニウム(GeF4)ガスの中から選ばれた1つのガスを用いても良い。
【0064】
また、この第発明では、ドーパントガスとしてアルシン(AsH4)ガスを用いたが、このガスになんら限定されるものではなく、例えばホスフィン(PH3)ガス及びジボラン(B26)ガスを用いても良い。
【0066】
【発明の効果】
上述した説明からも明らかなように、1及び第2発明の形成方法では、浮遊ゲート電極を形成するに際し、Si−Ge混晶で形成してあるので、ポリシリコンの結晶径を小さくすることができる。このため、トンネル酸化膜としての酸化膜上に下層酸化膜を形成してもポリシリコンの結晶径は増大せず、したがって浮遊ゲート電極中に結晶粒界は発生しなくなる。このため、浮遊ゲート電極トンネル酸化膜としての酸化膜との界面及び浮遊ゲート電極下層酸化膜との界面部分は平坦化されるので、不純物元素を含まない膜厚の均一なトンネル酸化膜としての酸化膜及び下層酸化膜を形成することができる。このため、EEPROMのデータ保持特性は著しく向上する。
【0067】
また、トンネル酸化膜としての酸化膜上にSi 1-x ―Ge x 混合膜形成のための加熱処理の装置として急速熱処理化学気相成長(RTP−CVD)装置を用いているので、ウエーハを選択的に短時間で加熱できる。また、この装置のチャンバが小型であり、低温でウエーハを炉内に搬入できるため、大気の巻き込みが少なく、高純度、高品質のSi 1-x ―Ge x 混合膜を形成できる。
【0068】
また、第3発明の形成方法では、トンネル酸化膜となる酸化膜上に浮遊ゲート電極のためのポリシリコン形成した後、浮遊ゲート電極におけるゲルマニウム原子の濃度を最小限1×10 21 原子/cm 3 とすべく、ポリシリコン中にイオン注入法によりGeイオンを打ち込む。その後、浮遊ゲート電極における不純物濃度を5×10 20 原子/cm 3 以上とすべく、ポリシリコン中に不純物元素をドーピングし、ポリシリコンをアニールする。このため、ポリシリコン中にGeイオン原子が注入された分、ポリシリコンの結晶径を小さくできるので、ポリシリコン中の結晶粒界を抑制することができる。したがって、ポリシリコントンネル酸化膜となる酸化膜との界面及びポリシリコン層間絶縁膜の下層酸化膜との界面部分は平坦化されるので、EEPROMのデータ保持特性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 発明の不揮発性半導体記憶装置の要部断面図である。
【図2】(A)〜(C)は、第1及び第2発明のEEPROMの製造工程を説明するために供する工程図である。
【図3】(A)〜(C)は、図2に続く、製造工程を説明するために供する工程図である。
【図4】(A)〜(B)は、図3に続く、製造工程を説明するために供する工程図である。
【図5】(A)〜(C)は、第3発明のEEPROMの製造工程を説明するために供する工程図である。
【図6】 この発明の実施例及び従来例のリンの不純物濃度に対する結晶径の大きさを説明するための図である。
【図7】(A)〜(B)は、従来の下層酸化膜を形成する前と後とのEEPROMの断面図である。
【図8】 従来の不揮発性半導体記憶装置の要部断面図である。
[0001]
[Industrial application fields]
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device (so-called EEPROM) capable of electrically writing and erasing information and having a memory effect that does not require external power to hold information and a method for forming the same It is.
[0002]
[Prior art]
A conventional nonvolatile semiconductor memory device is disclosed in, for example, Document I (“Monthly Semiconductor World”, April 1991, pages 94 to 98, press journal).
[0003]
FIG. 8 shows an example of the structure of the nonvolatile memory device disclosed in Document I.
[0004]
This conventional structure is also called an ETOX (EEPROM with Tunnel Oxide) cell, and the configuration of the cell is as follows.
[0005]
The ETOX cell includes a P-conductivity type semiconductor substrate 50, a tunnel oxide film 52, a floating gate electrode 54, an interlayer insulating film 56, a control gate electrode 58, n+ Type source region 60, n+ Type drain region 62, n- A type source region 64 and a p type drain region 66 are formed.
[0006]
This ETOX cell is structurally the same as an EEPROM, but is characterized in that the tunnel oxide film 52 of the cell is formed to about 10 nm (nanometers).
[0007]
N+ In order to suppress the tunnel leak between the bands on the lower surface of the type source region 60, n- A mold source region 64 is provided.
[0008]
N+ A p-type drain region 66 is provided on the lower surface of the type drain region 62 in order to improve the writing efficiency.
[0009]
On the substrate 50, a tunnel oxide film 52, a floating gate electrode 54, an interlayer insulating film 56, and a control gate electrode 58 are stacked. The tunnel oxide film 52 provided on the substrate 50 is provided in contact with a part of each of the source region 60 and the drain region 62.
[0010]
In recent years, an insulating film having a three-layer structure of an upper oxide film / nitride film / lower oxide film (Oxide-Nitride-Oxide film: abbreviated ONO film) has been put into practical use as the interlayer insulating film 56 (FIG. 13 of Reference I). , P98).
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, when an ONO film is used as the above-described conventional ETOX type interlayer insulating film (upper oxide film / nitride film / lower oxide film), a lower oxide film is formed on the floating gate electrode. At this time, a lower oxide film is formed by performing a high-temperature heat treatment by thermal oxidation (for example, 1000 ° C. for 10 minutes in oxygen gas). For this reason, there is a problem that phosphorus (P) contained in the floating gate electrode penetrates into the lower oxide film or the tunnel oxide film and the film thickness becomes non-uniform. The reason for this will be described with reference to FIGS.
[0012]
7A shows a cross-sectional view in which a tunnel oxide film 52 and a floating gate electrode 54 are respectively stacked on a substrate 50, and FIG. 7B shows a lower layer oxidation by heating treatment on the upper surface of the floating gate conductor layer 54. It is sectional drawing which shows the state in which the film | membrane 56 was formed. The heating condition at this time is oxygen (O2 ) Heat treatment (1000 ° C., 10 minutes) in gas.
[0013]
As can be understood from FIG. 7A, before the lower oxide film 56 is formed by thermal oxidation, no growth of the crystal grain boundary is observed in the floating gate electrode formed of polysilicon. However, as can be understood from FIG. 7B, the <110> direction in the floating gate electrode 54 formed of polysilicon by performing thermal oxidation to form the lower oxide film 56 on the surface of the floating gate electrode. Then, the crystal grain boundary 59 grows with strong orientation. At this time, the crystal grain boundary 59 has grown to the upper and lower surfaces of the floating gate electrode 54. For this reason, phosphorus (P) atoms doped in the floating gate electrode 54 are segregated at the grain boundaries. Segregation here refers to a state in which phosphorus atoms are discharged to the grain boundaries and phosphorus (P) is accumulated at the interface between the tunnel oxide film 52 or the lower oxide film 56 and the floating gate electrode 54. For this reason, high-concentration phosphorus is distributed on the upper surface or the lower surface of the floating gate electrode 54. For example, in the process of forming the lower oxide film 56, the portion where the crystal grain boundary 59 occurs and the portion where it does not occur are oxidized. A difference occurs in the film growth rate. As a result, irregularities occur at the interface between the floating gate electrode 54 and the lower oxide film 56 or at the interface between the tunnel oxide film 52 and the floating gate electrode 54. For this reason, the thicknesses of the tunnel oxide film 52 and the lower oxide film 56 themselves are not uniform. In addition, phosphorus segregated at each interface is diffused also into the lower oxide film 56 and the tunnel oxide film 52, and therefore the data retention characteristics of the EEPROM are deteriorated. The reason is considered as follows.
[0014]
When phosphorus diffuses into the tunnel oxide film 52 and the lower oxide film 56, this phosphorus element becomes the center of trapping positive charges, so that the energy band of each oxide film is bent, and as a result, the effective band forming band is obtained. The potential barrier height (barrier height) is lowered. For this reason, electrons easily tunnel through the tunnel oxide film 52 or the lower oxide film 56, so that the data retention characteristics of the EEPROM deteriorate. Therefore, the electrons accumulated in the floating gate electrode 54 easily move to the control gate electrode side or the source region side, the data retention characteristics deteriorate, and the optimum data rewrite operation cannot be performed.
[0015]
Several methods for preventing the diffusion of phosphorus atoms doped in the floating gate electrode have been considered. One of them is a method of lowering the oxide film formation temperature when forming the lower oxide film by thermal oxidation.
[0016]
However, since the formation of the lower oxide film of the nonvolatile semiconductor memory device is usually performed using a thermal oxidation method, if the film formation temperature is lowered, the oxide film formation rate is reduced, and a desired oxide film is formed. It takes a long time for heat treatment to obtain the thickness. For this reason, phosphorus atoms in the floating gate diffuse into the lower oxide film or tunnel oxide film, and the interface between the floating gate electrode / lower oxide film and the floating gate electrode / tunnel oxide film is aligned. There is a problem that the uniformity of the film thickness itself deteriorates.
[0017]
Another method for preventing the diffusion of phosphorus atoms is to suppress the concentration of phosphorus (P) contained in the floating gate electrode. However, lowering the concentration of phosphorus (P) doped in the floating gate electrode increases the electric resistance of the floating gate electrode, which is naturally limited. Therefore, the P concentration is 1 × 1020Atom / cmThree Cannot be lowered below.
[0018]
Therefore, the growth of the crystal grains of the floating gate electrode is suppressed, the consistency of the interface between the interlayer insulating film and the floating gate electrode, and the uniformity of the thickness of the tunnel oxide film at the interface between the floating gate electrode and the tunnel oxide film. An excellent nonvolatile semiconductor memory device and a method for forming the same have been desired.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
  According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate of a first conductivity type, a source region and a drain region provided in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate, a tunnel oxide film sequentially stacked on the semiconductor substrate,Formed on the tunnel oxide filmFloating gate electrode,It is formed on the floating gate electrode and consists of lower oxide film, nitride film, and upper oxide filmInterlayer insulation filmAnd formed on the interlayer insulating filmNonvolatile semiconductor memory device having control gate electrodeForming methodAbout.
  AndA floating gate is formed on the oxide film to be a tunnel oxide film by performing a heat treatment using a mixed gas of a silicon-containing group IV hydrogen gas, a germanium-containing group IV gas, and a dopant gas for doping an impurity element. Impurity concentration of electrode is 5 × 10 20 Atom / cm Three Above Si 1-x ―Ge x A step of forming a mixed film (x is a numerical value representing a composition and takes a value between 0.05 <x <0.4), a lower oxide film of an interlayer insulating film, and a surface of a floating gate electrode And a step of forming by thermal oxidation.
[0021]
  According to a second aspect of the present invention, there is provided a first conductivity type semiconductor substrate, a source region and a drain region provided in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate, a tunnel oxide film sequentially stacked on the semiconductor substrate,Formed on the tunnel oxide filmFloating gate electrode,It is formed on the floating gate electrode and consists of lower oxide film, nitride film, and upper oxide filmInterlayer insulation filmAnd formed on the interlayer insulating filmThe present invention relates to a method for forming a nonvolatile semiconductor memory device including a control gate electrode.
  And tunnel oxide filmAs oxide filmOn top, by performing a heat treatment using a mixed gas of a silicon-containing group IV hydrogen gas and a germanium-containing group IV gas,Floating gate electrodeSi1-x―GexMixed film (x is a numerical value representing the composition and takes a value between 0.05 <x <0.4)As this is formed, this Si 1-x ―Ge x By doping the mixed film with an impurity element, the impurity concentration of the floating gate electrode is reduced to 5 × 10 5. 20 Atom / cm Three And a step of forming the lower oxide film of the interlayer insulating film by thermally oxidizing the surface of the floating gate electrode.
[0022]
  According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate of a first conductivity type, a source region and a drain region provided in the vicinity of a surface of the semiconductor substrate, a tunnel oxide film sequentially stacked on the semiconductor substrate,Formed on the tunnel oxide filmFloating gate electrode,It is formed on the floating gate electrode and consists of lower oxide film, nitride film, and upper oxide filmInterlayer insulation filmAnd formed on the interlayer insulating filmThe present invention relates to a method for forming a nonvolatile semiconductor memory device including a control gate electrode.
  And (a) the tunnel oxide filmOxide filmOn top, heat treatment using silicon-containing group IV hydrogen gasPolysilicon for floating gate electrodeAnd (b) after the first step,Polysiliconinside,The minimum concentration of germanium atoms in the floating gate electrode is 1 × 10 twenty one Atom / cm Three In order toA second step of implanting germanium ions by ion implantation, and (c) after the second step,PolysiliconinsideThe impurity concentration in the floating gate electrode is 5 × 10 20 Atom / cm Three To do this,A third step of doping an impurity element; and (d) after the third step, germanium ions and an impurity element were included.PolysiliconAnd (e) after the fourth step,Polysilicon to form the lower oxide layer of the interlayer insulation filmThermally oxidize the surface ofFirstWith 5 stepsWithIt is characterized by that.
[0024]
[Action]
  Mentioned aboveFirst1 and 2In the invention,Oxide film as tunnel oxide filmThe silicon-containing group IV hydrogen-based gas and the germanium-containing group IV-based gas are then heat-treated to form Si.1-x-GexMixed crystal (x is a numerical value representing the composition and takes a value between 0.05 <x <0.4.)FormationFurthermore, the impurity concentration of the floating gate electrode is set to 5 × 10 20 Atom / cm Three Or more. Si formed at this time1-x-GexSince the mixed crystal contains germanium atoms having an atomic radius larger than that of silicon atoms, lattice distortion occurs in the silicon lattice. For this reason, as is well known, increasing the film thickness increases the strain energy and causes dislocations. For this reason, Si1-x-GexThe film thickness at which the mixed crystal grows has its own limit (the film thickness at this time is called the critical film thickness), and the critical film thickness can be controlled by the x composition of germanium. Si formed in this way1-x-GexThe crystal diameter of the mixed crystal is smaller than that of conventional polysilicon.
[0025]
  In the third invention, first,Oxide film to be tunnel oxide filmaboveFor floating gate electrodePolysilicoTheAfter formingThe minimum concentration of germanium atoms in the floating gate electrode is 1 × 10 twenty one Atom / cm Three In order toBy ion implantationPolysiliconGermanium ions are implanted inside. after that,Impurity concentration in floating gate electrode is 5 × 10 20 Atom / cm Three Polysilicon to make the aboveAn impurity element is doped therein. Subsequently, containing germanium ions and impurity elements.Da polysiliconAnneal. Formed in this wayPolysiliconSince germanium atoms are contained therein, the crystal diameter of polysilicon can be reduced. For this reason, even if high temperature heat treatment is performedPolysiliconBecause no grain boundaries are generated inside,PolysiliconWhenOxide film to be tunnel oxide filmInterface withPolysiliconWhenInterlayer dielectric underlayer oxide filmImpurity elements do not segregate at the interface part.
[0026]
【Example】
A structure of a non-volatile semiconductor memory device (hereinafter referred to as EEPROM) of the present invention that can be electrically rewritten according to the present invention and a method for forming the same will be described below with reference to the drawings. However, the drawings only schematically show the shape, size, and arrangement of each component to the extent that the present invention can be understood.
[0027]
[Formed by the forming method of the present inventionDescription of EEPROM structure]
  FIG.BookinventionFormed by the forming methodIt is sectional drawing for demonstrating the main structures of this EEPROM.
[0028]
First, a p-conductivity type semiconductor substrate (hereinafter referred to as a substrate) is used as the first conductivity-type semiconductor substrate 10. The substrate 10 has a specific resistance of, for example, 3 Ω · cm to 5 Ω · cm, and a crystal plane orientation of (100). A first impurity region 24 (hereinafter referred to as a source region) and a second impurity region 26 (hereinafter referred to as a drain region) are provided apart from each other in the upper surface (front surface) region of the substrate 10. . Further, a channel formation scheduled region 27 is formed between the source region 24 and the drain region 26.
[0029]
A first insulating film 12a (hereinafter referred to as a tunnel oxide film) and a first conductor layer 14a are formed on the substrate 10 in a region including the channel formation scheduled region 27 and a part of the source region 24 and the drain region 26. (Hereinafter referred to as a floating gate electrode), a second insulating film 21a (hereinafter referred to as an interlayer insulating film), and a second conductor layer 22a (hereinafter referred to as a control gate electrode) are laminated. It is provided.
[0030]
The floating gate electrode 14a is made of polysilicon containing germanium atoms for reducing the crystal diameter, and the concentration of germanium atoms at this time is a minimum of 1 × 10 6.twenty oneAtom / cmThree It is as. Here, the small crystal diameter means a crystal diameter to such an extent that the surface of the first conductor layer is a plane that can be regarded as substantially flat. The interlayer insulating film 21a has a three-layer structure, and a lower oxide film 16a, a nitride film 18a, and an upper oxide film 20a are formed from the floating gate electrode 14a toward the control gate electrode 22a. ing.
[0031]
[No.1Explanation of Method of Forming EEPROM of Invention]
  Next, referring to (A) to (C) of FIG. 2, (A) to (C) of FIG. 3, and (A) to (B) of FIG.1The method for forming the EEPROM of the invention will be described.
[0032]
First, the p-conductivity type semiconductor substrate already described is used as the substrate 10. After the substrate 10 is cleaned using any suitable cleaning liquid to remove impurities adhering to the substrate 10, the cleaned substrate 10 is immediately placed in an optional suitable oxide film formation reactor (not shown). Carry in.
[0033]
Then, using a chemical vapor deposition (CVD) apparatus (not shown), oxygen (O2 ) A gas is introduced and a treatment is performed at a heating temperature of about 900 ° C. for 20 minutes to form a first insulating film 12 (hereinafter referred to as a tunnel oxide film) on the substrate 10 (FIG. 2A). . This tunnel oxide film 12 is made of SiO.2 The film thickness is about 110 mm, for example.
[0034]
Next, the structure of FIG. 2A is immediately carried into a rapid thermal processing-chemical vapor deposition apparatus (RTP-CVD apparatus) (not shown). The RTP-CVD apparatus used here is substantially the same as the apparatus (model number: Epsilon 1 manufactured by ASM) disclosed in Document II (“Monthly Semiconductor World, October 1990, P. 98-102”). Is used.
[0035]
In an embodiment of the present invention, the first conductor layer 14 (hereinafter, n+ This is referred to as a conductive floating gate electrode preliminary layer. ) Is formed (FIG. 2B). Here, the floating gate electrode preliminary layer 14 is also referred to as a Si—Ge mixed crystal film. The method for forming the Si—Ge mixed crystal film 14 at this time is as follows.
[0036]
In the RTP-CVD reactor, for example, disilane (Si2 H6 ) Gas about 30 sccm, germane (GeHFour Gas) about 20 ccm and arsine (AsH)Three ) About 0.5 sccm of gas is introduced, the substrate temperature is set at, for example, 590 ° C., and processing is performed for about 90 seconds. At this time, the pressure in the furnace is, for example, 0.9 Torr. In this way, arsenic (As) doped Si on the tunnel oxide film 121-x -Gex A mixed crystal film 14 is formed (FIG. 2B). At this time, Si1-x -Gex The impurity concentration of arsenic (As) atoms in the mixed crystal film 14 is 1 × 10twenty oneAtom / cmThree To the extent.
[0037]
Si1-x -Gex X in the mixed crystal film 14 is a numerical value representing the composition and is set to a value between 0.05 <x <0.4. Here, Si1-x -Gex The film thickness of the mixed crystal film 14 is about 100 nm (nanometers). The substrate temperature at this time is preferably set to a temperature in the range of 550 ° C. to 750 ° C.
[0038]
  Si formed by such a method1-x-GexThe mixed crystal film 14 is made up of a large number of fine crystals, and Si1-x-GexThe surface of the mixed crystal film 14 is a flat surface that can be regarded as a substantially flat surface. In the first embodiment, the example in which the arsine gas is introduced simultaneously with the disilane gas and the germane gas has been described. However, the present invention is not limited to this example.As the second invention,For example, as described below, Si1-x-GexArsenic may be doped into the mixed crystal film.
[0039]
Heat treatment is performed in the furnace using a mixed gas of disilane gas and germane gas, and Si is formed on the tunnel oxide film 12.1-x -Gex A mixed crystal film 14 is formed. Thereafter, the arsenic (As) atoms are replaced by Si using any suitable method.1-x -Gex Doping is performed in the mixed crystal film 14.
[0040]
Next, the structure shown in FIG. 2B is carried into an oxide film formation reactor (not shown).
[0041]
After that, oxygen (O2 ) Supply gas and perform treatment for about 5 minutes at a heating temperature of 1000 ° C., for example.1-x -Gex A second insulating film 16 (hereinafter referred to as a lower oxide film) is formed on the upper surface (surface) of the mixed crystal film 14 ((C) of FIG. 2). At this time, the thickness of the lower oxide film 16 is set to about 5 nm.
[0042]
Next, a nitride film 18 is formed on the lower oxide film 16 by using, for example, a low pressure CVD (also referred to as LPCVD) method (FIG. 3A). The conditions for forming the nitride film 18 at this time are as follows. And
[0043]
Silane (SiH) in the reactorFour ) Gas and ammonia (NHThree ) Gas mixed with the gas (for example, the mixing ratio is 3: 1 (volume ratio)), for example, the processing is performed at a heating temperature of 700 ° C. for about 20 minutes to form a film thickness of about 10 nm on the lower oxide film 16. Nitride film 18 (SiThree NFour Film).
[0044]
Thereafter, an upper oxide film 20 is formed on the surface of the nitride film 18 formed in FIG. 3A using a pyrological (combustion) method (FIG. 3B). At this time, the thickness of the upper oxide film 20 is set to about 3 nm. Here, the lower oxide film 16, the nitride film 18, and the upper oxide film 20 are collectively referred to as an interlayer insulating film 21.
[0045]
Next, the control gate electrode preliminary layer 22 is formed on the upper oxide film 20 using any suitable method to obtain the structure shown in FIG. The material of the control gate electrode spare layer 22 is, for example, polysilicon.
[0046]
Next, a part of the control gate electrode preliminary layer 22 is masked by using any suitable method, and parts other than the part masked by the photoetching and dry etching methods are removed from the control gate electrode preliminary layer 22 to the surface of the substrate 10. The structure shown in FIG. 4 (A) is obtained by etching away until is exposed. At this time, the portions remaining on the substrate 10 are taken as a control gate electrode 22a, an upper oxide film 20a, a nitride film 18a, a lower oxide film 16a, a floating gate electrode 14a, and a tunnel oxide film 12a.
[0047]
Next, the tunnel oxide film 12a, the floating gate electrode 14a, the interlayer insulating film 21a, and the control gate electrode 22a are masked using, for example, a positive resist material (not shown), and ions are implanted into the surface of the substrate 10. Then, an activation process is performed to form n on the surface of the substrate 10.+ A conductive type source region 24 and drain region 26 are formed (FIG. 4B). The EEPROM is completed through these steps.
[0048]
[Description of Method for Forming EEPROM of Third Invention]
Next, a method for forming the EEPROM of the third invention will be described with reference to FIGS.
[0049]
  Until the tunnel oxide film 12 is formed on the substrate 10,1It is the same as the process of the invention. Therefore, detailed description is omitted.
[0050]
In this embodiment, a first conductor layer 13 made of polysilicon is formed on the tunnel oxide film 12 (FIG. 5A). Hereinafter, the first conductor layer 13 is referred to as a polysilicon layer. At this time, the thickness of the polysilicon layer 13 is set to about 0.1 μm.
[0051]
Next, germanium ions (Ge) are implanted into the polysilicon layer 13 by ion implantation.+ ) (FIG. 5B). At this time, the concentration of germanium (Ge) atoms is set to a minimum of 1 × 10twenty oneAtom / cmThree And
[0052]
Next, an impurity element is doped using any suitable method (FIG. 5C). The impurity element at this time is, for example, phosphorus (P), and the concentration of phosphorus is 1 × 10.twenty oneAtom / cmThree To the extent.
[0053]
Thereafter, in order to adjust crystal distortion generated during ion implantation, the heating temperature is set to about 560 ° C., and annealing is performed for about 40 minutes. However, it is necessary to change the heating temperature and time depending on the Ge concentration.
[0054]
  Subsequent steps are1Since it is the same as the process after (C) process of FIG. 2 of invention, detailed description is abbreviate | omitted.
[0055]
Next, a grain diameter in the floating gate electrode with respect to the impurity concentration will be described with reference to FIG.
[0056]
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the crystal (grain) diameter and the impurity concentration in the floating gate. In the figure, curve I represents the crystal (grain) diameter when the floating gate electrode is doped with phosphorus (P) (conventional example), and curve II represents the floating gate electrode in which Ge is introduced into the polycrystalline Si of this embodiment. The grain diameter when phosphorus is doped inside is shown. The sample used for the measurement at this time is a polysilicon floating date electrode doped with phosphorus in the conventional example. In this example, after implanting germanium ions into the floating gate electrode by an ion implantation method, phosphorus is implanted. A doped floating gate electrode is used. And it is the value which performed the heat processing (950 degreeC, 1 hour) in nitrogen gas about each sample, and measured the grain diameter using the Nomarski optical microscope.
[0057]
As can be understood from FIG. 6, in the conventional curve I, the crystal diameter grows larger as the impurity concentration of phosphorus increases. In particular, the phosphorus concentration is 1 × 1020Atom / cmThree The grain diameter is about 0.42 μm and the phosphorus concentration is 5 × 10.20Atom / cmThree Then, the grain diameter is about 0.6 μm. Furthermore, the phosphorus concentration is 1 × 10twenty oneAtom / cmThree Then, the grain diameter is about 0.95 μm.
[0058]
On the other hand, in this example, the phosphorus concentration is 1 × 10.19Atom / cmThree In this case, the grain diameter is almost the same as that of the conventional example (curve I), but the phosphorus concentration is 1 × 10.twenty oneAtom / cmThree Then, the grain diameter becomes rather small. That is, in the embodiment of the present invention, the concentration of phosphorus is 6 × 1019Atom / cmThree The grain diameter is about 0.2 μm and the phosphorus concentration is 5 × 1020Atom / cmThree Then, the grain diameter is about 0.15 μm. Furthermore, the concentration of phosphorus is 1 × 10twenty oneAtom / cmThree Then, the grain diameter is about 0.14 μm. The following can be considered from the results of FIG.
[0059]
In the conventional floating gate electrode doped with phosphorus, a grain boundary is generated in the polysilicon crystal, and high-concentration phosphorus atoms are segregated at the crystal grain boundary, so that the grain diameter increases in proportion to the phosphorus concentration of impurities.
[0060]
In contrast, in this embodiment, since Ge atoms are introduced into the polycrystalline Si, the polycrystalline Si forms a Si—Ge mixed crystal film. For this reason, germanium atoms have a larger crystal radius than silicon atoms, which increases lattice distortion in the silicon lattice. Therefore, since the thickness of the Si—Ge mixed crystal film does not grow beyond the critical thickness, the size of the polysilicon crystal (grain size) is considered to be smaller than that of the conventional polysilicon alone.
[0061]
In the above-described embodiments of the present invention, an example having a floating gate has been described. However, even when a gate electrode of a field effect transistor (MOSFET) having no floating gate is used, an oxide generated at the gate electrode / oxide film interface is used. It is also considered effective as a method for reducing ridge (Oxide Ridge).
[0062]
In this embodiment, an oxidation forming furnace is used as an apparatus for forming a lower oxide film. However, the present invention is not limited to this apparatus, and an RTP-CVD apparatus may be used.
[0063]
  The second1In the invention, Si1-x-GexDisilane gas was used as the silicon-containing group IV hydrogen gas when forming the mixed crystal film, and germane gas was used as the germanium-containing group IV gas. However, the gas is not limited to these gases. Silane (SiHFourGas, methylsilane (Si (CHThree) HThree) Gas and trisilane (SiThreeH8) One gas selected from among gases is used, while germanium fluoride (GeF) gas, germanium difluoride (GeF) is used instead of germane gas.2) Gas and germanium tetrafluoride (GeF)Four) One gas selected from gases may be used.
[0064]
  This second1In the invention, as the dopant gas, arsine (AsHFour) Gas is used, but is not limited to this gas. For example, phosphine (PHThree) Gas and diborane (B2H6) Gas may be used.
[0066]
【The invention's effect】
  As is clear from the above explanation,First1 andIn the forming method of the second invention,When forming the floating gate electrode,Since the Si—Ge mixed crystal is used, the crystal diameter of the polysilicon can be reduced. For this reason,Oxide film as tunnel oxide filmEven if a lower oxide film is formed on the polysilicon, the crystal diameter of polysilicon does not increase.Floating gate electrodeNo grain boundaries are generated inside. For this reason,Floating gate electrodeWhenOxide film as tunnel oxide filmInterface withFloating gate electrodeWhenLower oxide filmSince the interface with the surface is flattened, the film thickness is uniform and does not contain impurity elements.Oxide film and lower oxide film as tunnel oxide filmCan be formed. For this reason, the data retention characteristic of the EEPROM is remarkably improved.
[0067]
  Also,Si on the oxide film as the tunnel oxide film 1-x ―Ge x Heat treatment for mixed film formationRapid thermal chemical vapor deposition (R)TPSince the (-CVD) apparatus is used, the wafer can be selectively heated in a short time. In addition, since the chamber of this device is small and the wafer can be carried into the furnace at a low temperature, there is little air entrainment, high purity and high quality.Si 1-x ―Ge x Mixed filmCan be formed.
[0068]
  In the forming method of the third invention,For floating gate electrode on oxide film to be tunnel oxide filmPolysiliconTheAfter formingThe minimum concentration of germanium atoms in the floating gate electrode is 1 × 10 twenty one Atom / cm Three PolysiliconGe ions are implanted by ion implantation. after that,Impurity concentration in floating gate electrode is 5 × 10 20 Atom / cm Three Polysilicon to make the aboveDoping impurity elements inside,PolysiliconAnneal. For this reason, since the Ge ion atom is implanted into the polysilicon, the polysilicon crystal diameter can be reduced.PolysiliconThe inside grain boundary can be suppressed. Therefore,PolysiliconWhenOxide film to be tunnel oxide filmInterface withPolysiliconWhenInterlayer dielectric underlayer oxide filmAs a result, the data retention characteristic of the EEPROM is improved.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]BookIt is principal part sectional drawing of the non-volatile semiconductor memory device of invention.
FIG. 2 (A) to (C)1 andIt is process drawing provided in order to demonstrate the manufacturing process of EEPROM of 2nd invention.
FIGS. 3A to 3C are process diagrams for explaining the manufacturing process subsequent to FIG. 2; FIGS.
4A to 4B are process diagrams for explaining the manufacturing process subsequent to FIG. 3;
FIGS. 5A to 5C are process diagrams provided to explain a manufacturing process of the EEPROM of the third invention; FIGS.
FIG. 6 is a diagram for explaining the size of the crystal diameter with respect to the impurity concentration of phosphorus according to an embodiment of the present invention and a conventional example.
FIGS. 7A to 7B are cross-sectional views of the EEPROM before and after forming a conventional lower oxide film. FIGS.
FIG. 8 is a cross-sectional view of main parts of a conventional nonvolatile semiconductor memory device.

Claims (6)

第1導電型の半導体基板と、該半導体基板の表面近傍に離間して設けられたソース領域及びドレイン領域と、前記半導体基板上に形成されたトンネル酸化膜、該トンネル酸化膜上に形成された浮遊ゲート電極、該浮遊ゲート電極上に形成され、下層酸化膜と窒化膜と上層酸化膜とで構成される層間絶縁膜、及び該層間絶縁膜上に形成された制御ゲート電極を備える不揮発性半導体記憶装置の形成方法において、
前記トンネル酸化膜となる酸化膜上に、シリコン含有IV族水素系ガスとゲルマニウム含有IV族系ガスと不純物元素をドーピングするためのドーパントガスとの混合ガスを用いて加熱処理を行うことにより、前記浮遊ゲート電極を不純物濃度が5×10 20 原子/cm 3 以上のSi1-x―Gex合膜(xは組成を表す数値であって0.05<x<0.4の間の値をとる。)として形成する工程と、
前記層間絶縁膜の前記下層酸化膜を、前記浮遊ゲート電極の表面を熱酸化して形成する工程と、
を備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の形成方法。
A semiconductor substrate of a first conductivity type, a source region and a drain region provided apart near the surface of the semiconductor substrate, the semiconductor substrate on the formed tunnel oxide film, formed on the tunnel oxide film A non-volatile semiconductor comprising a floating gate electrode, an interlayer insulating film formed on the floating gate electrode and composed of a lower oxide film, a nitride film, and an upper oxide film , and a control gate electrode formed on the interlayer insulating film In a method for forming a storage device,
On the oxide film to be the tunnel oxide film, a heat treatment was performed using a mixed gas of a dopant gas to dope the silicon-containing group IV hydrogen-based gas and the germanium-containing group IV-based gas and impurity elements, wherein the floating gate electrode 5 × 10 20 atoms / cm 3 or more Si 1-x -Ge x mixed Gomaku (x impurity concentration a numerical value representing the composition 0.05 <x <0.4 value between And a process of forming as
The lower oxide layer of the interlayer insulating film, a step of forming by thermally oxidizing the surface of the floating gate electrode,
A method for forming a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
第1導電型の半導体基板と、該半導体基板の表面近傍に離間して設けられたソース領域及びドレイン領域と、前記半導体基板上に形成されたトンネル酸化膜、該トンネル酸化膜上に形成された浮遊ゲート電極、該浮遊ゲート電極上に形成され、下層酸化膜と窒化膜と上層酸化膜とで構成される層間絶縁膜、及び該層間絶縁膜上に形成された制御ゲート電極を備える不揮発性半導体記憶装置の形成方法において、
前記トンネル酸化膜としての酸化膜上に、シリコン含有IV族水素系ガスとゲルマニウム含有IV族系ガスの混合ガスを用いて加熱処理を行うことにより、前記浮遊ゲート電極をSi 1-x ―Ge x 混合膜(xは組成を表す数値であって0.05<x<0.4の間の値をとる。)として形成するとともに、該Si 1-x ―Ge x 混合膜に対して不純物元素をドーピングすることにより、前記浮遊ゲート電極の不純物濃度を5×10 20 原子/cm 3 以上とする工程と、
前記層間絶縁膜の前記下層酸化膜を、前記浮遊ゲート電極の表面を熱酸化して形成する工程と、
を備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の形成方法。
A first conductivity type semiconductor substrate, a source region and a drain region provided in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate, a tunnel oxide film formed on the semiconductor substrate, and formed on the tunnel oxide film A non-volatile semiconductor comprising a floating gate electrode, an interlayer insulating film formed on the floating gate electrode and composed of a lower oxide film, a nitride film, and an upper oxide film, and a control gate electrode formed on the interlayer insulating film In a method for forming a storage device,
On the oxide film as the tunnel oxide film, a heat treatment was performed using a mixed gas of a silicon-containing group IV hydrogen-based gas and the germanium-containing group IV-based gas, the floating gate electrode Si 1-x -Ge x mixed film (x takes a value between a numerical value 0.05 <x <0.4, which represents the composition.) so as to form as an impurity element to said Si 1-x -Ge x mixed film A step of doping the floating gate electrode to have an impurity concentration of 5 × 10 20 atoms / cm 3 or more by doping ;
Forming the lower oxide film of the interlayer insulating film by thermally oxidizing the surface of the floating gate electrode;
A method for forming a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
請求項1記載の不揮発性半導体装置の形成方法において、
前記ドーパントガスを、アルシン(AsH4)ガス、ホスフィン(PH3)ガス及びジボラン(B26)ガスのガス群の中から選ばれた1つのガスとしたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の形成方法。
The method for forming a nonvolatile semiconductor device according to claim 1 ,
Nonvolatile semiconductor memory characterized in that the dopant gas is one gas selected from the group consisting of arsine (AsH 4 ) gas, phosphine (PH 3 ) gas and diborane (B 2 H 6 ) gas. Device forming method.
請求項1〜3のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置の形成方法において、
前記シリコン含有IV族水素ガスをシラン(SiH4)、ジシラン(Si26)、メチルシラン(Si(CH3)H3)及びトリシラン(Si38)のガス群の中から選んだ1つのガスとし、前記ゲルマニウム含有IV族ガスをゲルマン(GeH4)、四ふっ化ゲルマニウム(GeF4)、二ふっ化ゲルマニウム(GeF2)及びふっ化ゲルマニウム(GeF)のガス群の中から選んだ1つのガスとすることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の形成方法。
The method for forming a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
Silane the silicon-containing group IV hydrogen-based gas (SiH 4), disilane (Si 2 H 6), methylsilane (Si (CH 3) H 3 ) and trisilane selected from among gas group (Si 3 H 8) 1 One of the gas, germane said germanium-containing group IV-based gas (GeH 4), germanium tetrafluoride (GeF 4), selected from among a gas group difluoride germanium (GeF 2) and germanium fluoride (GeF) A method for forming a nonvolatile semiconductor memory device, wherein one gas is used.
請求項1〜3のいずれか1つに記載の不揮発性半導体装置の形成方法において、
前記加熱処理を、急速熱処理化学気相成長(RTP−CVD)装置を用いて行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の形成方法。
In the formation method of the non-volatile semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 ,
The heat treatment, rapid thermal processing - chemical vapor deposition method for forming (RTP-CVD) nonvolatile semiconductor memory device which is characterized in that using the apparatus.
第1導電型の半導体基板と、該半導体基板の表面近傍に離間して設けられたソース領域及びドレイン領域と、前記半導体基板上に形成されたトンネル酸化膜、該トンネル酸化膜上に形成された浮遊ゲート電極、該浮遊ゲート電極上に形成され、下層酸化膜と窒化膜と上層酸化膜とで構成される層間絶縁膜及び該層間絶縁膜上に形成された制御ゲート電極を備える不揮発性半導体記憶装置の形成方法において、
(a)前記トンネル酸化膜となる酸化膜上に、シリコン含有IV族水素系ガスを用いて加熱処理を行って前記浮遊ゲート電極のためのポリシリコンを形成する第1工程と、
(b)該第1工程後に、前記ポリシリコン中に、前記浮遊ゲート電極におけるゲルマニウム原子の濃度を最小限1×10 21 原子/cm 3 とすべく、イオン注入法によりゲルマニウムイオンを打ち込む第2工程と、
(c)該第2工程後に、前記ポリシリコン中に、前記浮遊ゲート電極における不純物濃度を5×10 20 原子/cm 3 以上とすべく、不純物元素をドーピングする第3工程と、
(d)該第3工程後に、前記ゲルマニウムイオン及び前記不純物元素を含んだ前記ポリシリコンをアニールする第4工程と、
(e)該第4工程後に、前記層間絶縁膜の下層酸化膜を形成するために、前記ポリシリコンの表面を熱酸化する第5工程と、
備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の形成方法。
A semiconductor substrate of a first conductivity type, a source region and a drain region provided apart near the surface of the semiconductor substrate, the semiconductor substrate on the formed tunnel oxide film, formed on the tunnel oxide film Nonvolatile semiconductor memory comprising a floating gate electrode, an interlayer insulating film formed on the floating gate electrode and composed of a lower oxide film, a nitride film, and an upper oxide film, and a control gate electrode formed on the interlayer insulating film In the method of forming the device,
(A) a first step of forming polysilicon for the floating gate electrode by performing heat treatment on the oxide film to be the tunnel oxide film using a silicon-containing group IV hydrogen-based gas;
(B) After the first step, a second step of implanting germanium ions into the polysilicon by an ion implantation method so that the concentration of germanium atoms in the floating gate electrode is a minimum of 1 × 10 21 atoms / cm 3. When,
(C) a third step of doping an impurity element into the polysilicon after the second step so that the impurity concentration in the floating gate electrode is 5 × 10 20 atoms / cm 3 or more ;
(D) a fourth step of annealing the polysilicon containing the germanium ions and the impurity element after the third step;
(E) after it said fourth step, to form a lower oxide film of the interlayer insulating film, a fifth step you thermally oxidizing the surface of said polysilicon,
Forming method of the nonvolatile semiconductor memory device, characterized in that it comprises a.
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