JP4461042B2 - 不揮発性メモリの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、不揮発性メモリの製造方法に関するものである。
特開2001−168219号公報 Yutaka Hayashi他,"Twin MONOS Cell with Dual Control Gates",2000 Symposium VLSI Technology Digest of Technical Papers.
図2は、上記非特許文献1に記載された従来の不揮発性メモリの構成図で、分離された2つの制御ゲートを有するツインMONOS(Twin Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)セルの断面を示している。1つのメモリセルMCは、2つの記憶素子ML,MRと、1つの拡散領域Dと、1つのワードゲートWGで構成されている。また、記憶素子ML,MRは、それぞれポリシリコンで形成された制御ゲートCGの半分CGL,CGRと、それらの下側に配置されて電荷を蓄積する酸化膜、窒化膜及び酸化膜からなる絶縁膜、即ちONO(Oxide-Nitride-Oxide)膜で構成されている。1対の記憶素子ML,MRは、共通の制御ゲートCGの両側に配置され、隣接するメモリセルMCとワードゲートWGを共有するようになっている。
2つに分割された制御ゲートCGL,CGRは電気的に接続されており、ビット線となる同一の拡散領域Dを共有しているが、これらの制御ゲートCGL,CGRの下側に配置されたONO膜は、互いに分離されている。ワードゲートWG、制御ゲートCG、及び拡散領域Dは、メモリアレイの中で電気的に接続されている。例えば、拡散領域Dの上には、この拡散領域に平行し、かつワードラインに垂直方向となるように制御ラインが設けられている。
このようなツインMONOSセルにおける書き込みと読み出しの動作は、次のように行われる。
例えば、記憶素子MRに書き込み(電子の注入)を行う場合、記憶素子ML側の拡散領域D1の電位を0V、記憶素子MR側の拡散領域D2の電位を5Vとする。また、記憶素子ML側の制御ゲートCGLの電位を3.3V、記憶素子MR側の制御ゲートCGRの電位を6Vとし、更にワードゲートWGの電位を1.5Vとする。尚、基板は接地電位GNDである。
これにより、拡散領域D1,D2間に5Vの電圧がかかるので、拡散領域D2から拡散領域D1に電流が流れる。基板中を拡散領域D1から拡散領域D2に向けて流れる電子の一部は、高電圧(6V)が印加された制御ゲートCGRに引き寄せられ、CHE(Channel Hot Electron)として記憶素子MRのONO膜に蓄積される。
一方、記憶素子MRの内容を読み出す場合、拡散領域D1の電位は0Vのままで拡散領域D2の電位を1.5Vとする。また、制御ゲートCGLの電位を5Vとし、制御ゲートCGRとワードゲートWGの電位を2.5Vとする。尚、基板は接地電位GNDである。この状態で、制御ゲートCGRに電流が流れるか否かにより、記憶素子MRの内容を判定する。即ち、記憶素子MRに電子が蓄積されていれば電流は流れず、この記憶素子MRに電子が蓄積されていなければ電流が流れる。
以上のように、このツインMONOSセルは、チャネルに対して横方向に並んだ2つのゲートのうちの一方に高電圧を加えて強反転状態とし、他方を弱反転状態とすることでゲート間に高電界を発生させて電子注入を行うSSI(Source Side Injection)方式を使用しているので、電子注入の効率が高く、低消費電力で高速書き込みができるという特徴がある。また、1つのメモリセルMCは2つの記憶素子ML,MRが有するので、高密度化が可能になるという特徴がある。
しかしながら、前記ツインMONOSセルは、次のような課題があった。
即ち、ONO膜の上にゲートを形成する必要があるので、メモリセルの構造が複雑になると共に、厳密な位置合わせが必要となって製造が非常に困難となる。また、基板上に拡散領域Dが隣接して並んで形成されるので、書き込み対象外の記憶素子への影響が生ずるおそれがあるという課題があった。
本発明は、低消費電力での高速書き込みが可能で、かつ構造の簡単な不揮発性メモリの製造方法を提供することを目的としている。
本発明の不揮発性メモリの製造方法は、シリコン基板上に帯状の複数の素子分離領域を形成した後、該シリコン基板上に酸化膜と窒化膜を順次形成する工程と、前記素子分離領域に直交するように前記窒化膜を帯状に除去し、残った窒化膜によって記憶素子の形成領域となる複数の溝を形成する工程と、前記複数の溝の内側に酸化膜、窒化膜及び酸化膜からなるデータ記憶用のONO膜を形成し、その溝の内部を制御ゲートとなる第1のポリシリコンで埋める工程と、前記第1のポリシリコンをエッチングして前記溝の壁面に該ポリシリコンと前記ONO膜からなるサイドウォールを残し、該溝の中央部に前記シリコン基板に達する空間を形成する工程と、前記溝の中央部に形成された空間から前記シリコン基板の表面に不純物を拡散してソース拡散層を形成する工程と、前記溝の内部にソースラインとなる第2のポリシリコンを埋め込んで表面を平坦化した後、その表面を酸化して前記記憶素子を形成する工程と、前記シリコン基板上に残されていた窒化膜を除去して前記記憶素子を露出させた後、該シリコン基板の表面全体に第3のポリシリコンを堆積させる工程と、前記第3のポリシリコンをエッチングして前記複数の記憶素子の壁面にゲート電極及びワードラインとなるサイドウォールを残す工程と、前記記憶素子及び前記サイドウォールが残されたシリコン基板の表面全体を中間絶縁膜で覆い、その中間絶縁膜の表面を平坦化する工程と、前記複数の記憶素子の間の中間絶縁膜に前記シリコン基板まで達するコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールを通して該シリコン基板の表面に不純物を拡散してドレイン拡散層を形成する工程と、前記コンタクトホールの内部をコンタクトで充填し、前記各素子分離領域内のドレイン拡散層を電気的に接続するビットラインを形成する工程と、を順次行うことを特徴としている。
本発明では、共通の第1または第2のゲート電極によって選択されるメモリセルのソース拡散層と第1及び第2の制御ゲート電極を、共通のソースラインで接続する処理を行っている。これにより、従来のMONOSセルと同様に低電流、高速書き込みが可能になると共に、ソース拡散層と制御ゲート電極を絶縁膜で隔離している従来のMONOSセルに比べて構造を大幅に簡素化することができる、という効果がある。
本発明の不揮発性メモリは、例えば次のように製造することができる。
まず、シリコン基板上に帯状の複数の素子分離領域を形成し、このシリコン基板上に酸化膜と窒化膜を順次形成し、これらの素子分離領域に直交するように窒化膜を帯状に除去し、残った窒化膜によって記憶素子の形成領域となる複数の溝を形成する。
次に、溝の内側にデータ記憶用のONO膜を形成し、その溝の内部を制御ゲートとなる第1のポリシリコンで埋め、この第1のポリシリコンをエッチングして溝の壁面にポリシリコンとONO膜からなるサイドウォールを残し、溝の中央部にシリコン基板に達する空間を形成する。そして、溝の中央部に形成された空間からシリコン基板の表面に不純物を拡散してソース拡散層を形成する。
次に、溝の内部にソースラインとなる第2のポリシリコンを埋め込んで表面を平坦化した後、その表面を酸化して記憶素子を形成する。更に、シリコン基板上に残されていた窒化膜を除去して記憶素子を露出させた後、このシリコン基板の表面全体に第3のポリシリコンを堆積させる。そして、第3のポリシリコンをエッチングして記憶素子の壁面にゲート電極及びワードラインとなるサイドウォールを残し、シリコン基板の表面全体を中間絶縁膜で覆い、その表面を平坦化する。
その後、複数の記憶素子の間の中間絶縁膜にシリコン基板まで達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールを通してシリコン基板の表面に不純物を拡散してドレイン拡散層を形成する。更に、コンタクトホールの内部をコンタクトで充填し、各素子分離領域内のドレイン拡散層を電気的に接続するビットラインを形成する。
この発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、次の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、より完全に明らかになるであろう。但し、図面は、もっぱら解説のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。
図1(a)〜(c)は、本発明の実施例を示す不揮発性メモリの構成図であり、同図(a)はメモリセルがマトリックス状に形成されたメモリアレイの一部を示す平面図、及び同図(b),(c)は、それぞれ平面図中のX−X線、及びY−Y線に沿う部分の断面図である。
この不揮発性メモリは、p型のシリコン基板1の上に、縦及び横方向のマトリクス状に配置して形成されたMONOS型の複数のメモリセルを有している。シリコン基板1上には、帯状の素子分離領域2が一定の間隔で平行して形成されている(この平面図では、横方向に延在するように示されている)。素子分離領域2は、図の縦方向に並んだメモリセルを分離するもので、例えばシリコン基板1を酸化させて形成した絶縁領域である。素子分離領域2で挟まれる複数の帯状の領域は素子形成領域となっており、各素子形成領域には横方向に複数のメモリセルが並んで形成されている。
シリコン基板1の素子分離領域2を含む表面には、ソース領域とドレイン領域を除いて、絶縁用の酸化膜3が形成されている。ソース領域とドレイン領域は、素子形成領域に一定の間隔で交互に設けられ、シリコン基板1のこれらの領域には不純物のn+イオンが拡散されており、ソース拡散層4及びドレイン拡散層5として配置されている。
ソース拡散層4の両側のシリコン基板1上には、データ記憶用の絶縁膜であるゲートONO膜6L,6R(ここでは、図の左右に応じて、L,Rのサフィックスを付加している)が形成され、更にこれらのゲートONO膜6L,6Rの上に、制御ゲート電極7L,7Rとなるn型のポリシリコン層が形成されている。また、制御ゲート電極7L,7Rの間は、n型のポリシリコンが充填されている。このポリシリコンは、図の縦方向に並んだメモリセルの各制御ゲート電極7L,7Rを電気的に接続するように、素子分離領域2の上を通って形成され、ソースラインSLを構成している。
制御ゲート電極7L,7Rの側面は、ゲートONO膜6L,6Rと同時に形成されたONO膜によるゲート電極間絶縁膜8L,8Rでそれぞれ覆われ、これらの制御ゲート電極7L,7RとソースラインSLの上側は、酸化シリコン等の絶縁膜9で覆われている。制御ゲート電極7L,7Rの外側には、それぞれゲート電極間絶縁膜8L,8Rを挟んで、n型のポリシリコンによるゲート電極10L,10Rが形成されている。図の縦方向に並んだメモリセルの各ゲート電極10L,10Rは、これらのゲート電極10L,10Rと同時に素子分離領域2の上に形成されたn型のポリシリコンによるワードラインWLL,WLRによって、電気的に接続されている。
絶縁膜9、ゲート電極10L,10R、及びワードラインWLL,WLR等が形成されたシリコン基板1の表面には、中間絶縁膜11が形成されている。更に、中間絶縁膜11の上には、素子形成領域に沿って図の横方向に延在するように、アルミニウム等の金属配線によるビットラインBLが形成され、このビットラインBLと対応する素子形成領域のドレイン拡散層5との間がタングステン等のコンタクト12によって電気的に接続されている。
図3は、図1のメモリセルに対応する等価回路の説明図である。
このメモリセルは、左側のゲートONO膜6Lと右側のゲートONO膜6Rによって、独立して2ビットを記憶できるようになっている。左側のメモリは、記憶用のトランジスタTR1Lとスイッチ用のトランジスタTR2Lで構成され、右側のメモリは、記憶用のトランジスタTR1Rとスイッチ用のトランジスタTR2Rで構成されている。
図1におけるソース拡散層4は、トランジスタTR1L,TR1Rのソース電極Sに対応し、制御ゲート電極7L,7Rは、それぞれトランジスタTR1L,TR1Rのゲート電極Gに対応する。ソースラインSLは、これらのトランジスタTR1L,TR1Rのソース電極Sとゲート電極Gを共通接続するものである。
また、図1におけるゲート電極10L,10Rは、トランジスタTR2L,TR2Rのゲート電極Gに対応し、ドレイン拡散層5は、これらのトランジスタTR2L,TR2Rのドレイン電極Dに対応している。尚、図1(a)において縦方向に並んだメモリセルに対応するトランジスタTR2L,TR2Rのゲート電極Gは、それぞれワードラインWLL,WLRに共通接続されている。横方向に並んだメモリセルに対応するトランジスタTR2L,TR2Rのドレイン電極Dは、ビットラインBLに共通接続されている。
図4及び図5は、図1のメモリセルの製造方法を示す工程図(その1)及び(その2)である。以下、これらの図4と図5を参照しつつ、図1のメモリセルの製造方法を説明する。
(1) 工程1
まず、シリコン基板1の表面全体に、酸化膜と窒化膜を順次形成し、この窒化膜の上に素子分離領域2を形成するための第1のマスクを用い、周知の技術によってレジストパターンを形成する。レジストパターンをマスクにして窒化膜をエッチングした後、このレジストパターンを除去し、シリコン基板1を熱酸化させる。更に、窒化膜と酸化膜を除去すると、酸化シリコンによる素子分離領域2で分離された素子形成領域が現れる。
更に、このシリコン基板1の表面に酸化膜3と窒化膜21を順次形成する。この時、窒化膜21の膜厚は、形成するメモリセルの厚さと同程度に設定する。素子形成領域にソース拡散層4や制御ゲート電極7等のゲート領域を形成するための第2のマスクを用い、周知の技術によってレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクにして窒化膜21をエッチングし、図4(a)中に斜線を施して示したように、素子分離領域2に直交して平行に配置された帯状の窒化膜21を残す。これにより、素子分離領域2に直交し、両側を窒化膜21で仕切られた複数の溝Dが形成される。
(2) 工程2
次に、溝Dの内側(底部と側壁部)にONO膜を形成する。ONO膜は、例えば短時間高温熱処理法によって酸化シリコン膜を形成し、その上にCVD法によって窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜の表面を熱酸化して形成することができる。更に、ONO膜が形成された溝Dの内部に、制御ゲート電極の材料となるn型のポリシリコンを充填する。尚、ONO膜とポリシリコンは、溝Dの内側だけでなく、窒化膜21の表面にも形成される。
その後、ポリシリコンで覆われたシリコン基板1の表面をエッチングし、窒化膜21上のポリシリコンとその下側のONO膜を除去する。この時、窒化膜21上のポリシリコンとONO膜が除去されると共に、溝Dの内部のポリシリコンとONO膜も除去される。これにより、溝Dの内側の壁面には、図5(a)に示すように、ONO膜とポリシリコンによるサイドウォールが残り、この溝Dの中央部にはシリコン基板1の表面まで達する空間が形成される。この時、サイドウォールとして残ったポリシリコンが制御ゲート電極7L,7Rであり、これらの制御ゲート電極7L,7Rとシリコン基板1との間に残ったONO膜がゲートONO膜6L,6Rである。また、サイドウォールとして残ったONO膜は、ゲート電極間絶縁膜8L,8Rとなる。
(3) 工程3
溝Dの中央部に形成された空間を通して、シリコン基板1の表面に燐または砒素等の不純物イオンを注入してソース拡散層4を形成する。更に、溝Dの空間にn型のポリシリコン22を埋め込み、このポリシリコン22とサイドウォールの制御ゲート電極7L,7Rの表面を平坦化する。ここで溝Dに埋め込まれたポリシリコン22が、素子分離領域2に直交する方向に並んだ複数のメモリセルの制御ゲート電極7L,7Rを共通接続するソースラインSLとなる。
次に、制御ゲート電極7L,7RとソースラインSLの表面を酸化して絶縁膜9を形成する。その後、窒化膜21を除去することにより、図5(b)に示すようなソース領域と制御ゲート領域が完成する。
(4) 工程4
窒化膜21を除去した後のシリコン基板1の表面を酸化し、再び酸化膜3を形成した後、ゲート電極10L,10Rを形成するため、図5(c)に示すように、シリコン基板1の表面全体にn型のポリシリコン22を堆積させる。
(5) 工程5
酸化膜3と絶縁膜9の上に堆積されたポリシリコン22をエッチングによって除去する。これにより、ゲート電極間絶縁膜8L,8Rの側面には、ポリシリコン22がサイドウォールとして残り、これがゲート電極10L,10Rとなる。このサイドウォールは、ソースラインSLと同様に、素子分離領域2に直交する方向に並んだ複数のメモリセルのゲート電極10L,10Rを共通接続するワードラインWLL,WLRとなる。
更に、隣接するメモリセルのゲート電極間絶縁膜8間の薄い酸化膜3を通して、その下側のシリコン基板1に燐または砒素等の不純物イオンを注入する。これにより、図5(d)に示すように、ドレイン拡散層5が形成される。
(6) 工程6
ドレイン拡散層5が形成されシリコン基板1の表面全体を、中間絶縁膜11で覆い、この中間絶縁膜11の表面を平坦化した後、この中間絶縁膜11にドレイン拡散層5に達するコンタクトホールを形成する。そして、コンタクトホールの内部をタングステン等のコンタクト12で充填すると共に、図の横方向に隣接する各メモリセルのドレイン拡散層5を電気的に接続するためのビットラインBLを設ける。これにより、図1に示すメモリセルが完成する。以降の工程は周知の技術であるので、説明は省略する。
次に、このメモリセルの動作を説明する。
図6(a)〜(c)は、図1の不揮発性メモリの動作説明図であり、同図(a)は書き込み時、同図(b)は消去時、及び同図(c)は読み出し時の動作を、それぞれ示している。
(a) 書き込み時の動作
図6(a)中に破線枠で示したメモリセルに書き込み(イオン注入)を行う場合、この書き込みの対象となるメモリセルが接続されるワードラインWLに低電圧(例えば、2V)を印加し、ソースラインSLには高電圧(例えば、6V)を印加する。また、書き込み対象のビットラインBLには、例えば5μA程度の定電流源を接続する。この時のビットラインBLの電圧は、0.2〜0.3V程度である。なお、書き込みの対象のメモリセルとは無関係のワードラインWLとソースラインSLは0Vとし、ビットラインBLは2Vとする。
このように、ワードラインWLは電流を制御する役割で低電圧に設定され、ソースラインSLは電子を加速させる役割で高電圧に設定される。これにより、2つのトランジスタTR1,TR2のゲート電位差により、ビットラインBLからソースラインSLに流れる電子の一部が、CHEとして効率良くゲートONO膜6に引き寄せられて蓄積される。
(b) 消去時の動作
消去動作は、すべてのメモリセルに対して一斉に行われる。
ワードラインWLはすべて0Vに設定され、ソースラインSLにはすべて高電圧(例えば10V)が印加される。また、ビットラインBLは、すべてフローティング状態に設定される。
これにより、ゲートONO膜6に蓄積されていた電子は、このONO膜6の窒化膜N中の伝導帯から酸化膜Oの伝導帯にトンネリングした後、高電圧が印加されたソースラインSLに引き抜かれる。
(c) 読み出し時の動作
図6(c)中に破線枠で示したメモリセルの読み出しを行う場合、読み出しの対象となるメモリセルが接続されるワードラインWLに低電圧(例えば、2V)を印加し、ソースラインSLにも低電圧(例えば、1.5V)を印加する。また、読み出し対象のビットラインBLは、0Vに設定する。なお、その他のワードラインWLとソースラインSLは0Vとし、ビットラインBLは2Vとする。
これにより、ゲートONO膜6に電子が蓄積されていれば、ソースラインSLからビットラインBLに電流が流れず、このゲートONO膜6に電子が蓄積されていなければ電流は流れる。従って、ビットラインBLに流れる電流の有無を判定することにより、メモリセルの記憶内容を読み出すことができる。
このように、本実施例の不揮発性メモリは、次のような利点がある。
(i) 共通のワードラインWLによって選択されるメモリセルのソース拡散層4と制御ゲート電極7L,7Rを、共通のソースラインSLで接続している。これにより、従来のMONOSセルと同様に低電流、高速書き込みが可能になると共に、ソース拡散層4と制御ゲート電極7L,7Rを絶縁膜で隔離している従来のMONOSセルに比べて構造を大幅に簡素化することができる。
(ii) 隣接するメモリセルのドレイン拡散層5は、ビットラインBLによって共通接続されているので、書き込みのために印加した高電圧によって書き込み対象外の記憶素子への影響が生ずるおそれが無い。
(iii) メモリセルの形成においては、素子分離領域形成用と、ゲート領域形成用の2つのマスクだけを用い、それ以外はすべてセルフアラインで形成するので、製造コストを低減することができる。
(iv) ほとんどの工程をセルフアラインで行うことができるので、合わせずれによる特性のばらつきがなく、更に、合わせ余裕をとる必要がないので、サイズを縮小することができる。
なお、本発明は、上記実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、使用した材料や製造工程は一例であり、同様の特性を有する材料や同様の素子を形成できる工程であれば、本実施例に代えて適用することができる。
本発明の実施例を示す不揮発性メモリの構成図である。 従来の不揮発性メモリの構成図である。 図1のメモリセルに対応する等価回路の説明図である。 図1のメモリセルの製造方法を示す工程図(その1)である。 図1のメモリセルの製造方法を示す工程図(その2)である。 図1の不揮発性メモリの動作説明図である。
符号の説明
1 シリコン基板
2 素子分離領域
3 酸化膜
4 ソース拡散層
5 ドレイン拡散層
6L,6R ゲートONO膜
7L,7R 制御ゲート電極
8L,8R ゲート電極間絶縁膜
9 絶縁膜
10L,10R ゲート電極
11 中間絶縁膜
12 コンタクト
21 窒化膜
22 ポリシリコン
BL ビットライン
SL ソースライン
WLL,WLR ワードライン
H 開口部

Claims (1)

  1. シリコン基板上に帯状の複数の素子分離領域を形成した後、該シリコン基板上に酸化膜と窒化膜を順次形成する工程と、
    前記素子分離領域に直交するように前記窒化膜を帯状に除去し、残った窒化膜によって記憶素子の形成領域となる複数の溝を形成する工程と、
    前記複数の溝の内側に酸化膜、窒化膜及び酸化膜からなるデータ記憶用のONO膜を形成し、その溝の内部を制御ゲートとなる第1のポリシリコンで埋める工程と、
    前記第1のポリシリコンをエッチングして前記溝の壁面に該ポリシリコンと前記ONO膜からなるサイドウォールを残し、該溝の中央部に前記シリコン基板に達する空間を形成する工程と、
    前記溝の中央部に形成された空間から前記シリコン基板の表面に不純物を拡散してソース拡散層を形成する工程と、
    前記溝の内部にソースラインとなる第2のポリシリコンを埋め込んで表面を平坦化した後、その表面を酸化して前記記憶素子を形成する工程と、
    前記シリコン基板上に残されていた窒化膜を除去して前記記憶素子を露出させた後、該シリコン基板の表面全体に第3のポリシリコンを堆積させる工程と、
    前記第3のポリシリコンをエッチングして前記複数の記憶素子の壁面にゲート電極及びワードラインとなるサイドウォールを残す工程と、
    前記記憶素子及び前記サイドウォールが残されたシリコン基板の表面全体を中間絶縁膜で覆い、その中間絶縁膜の表面を平坦化する工程と、
    前記複数の記憶素子の間の中間絶縁膜に前記シリコン基板まで達するコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールを通して該シリコン基板の表面に不純物を拡散してドレイン拡散層を形成する工程と、
    前記コンタクトホールの内部をコンタクトで充填し、前記各素子分離領域内のドレイン拡散層を電気的に接続するビットラインを形成する工程と、
    を順次行うことを特徴とする不揮発性メモリの製造方法。
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