JP4719035B2 - 不揮発性半導体メモリ装置及びその製造方法 - Google Patents

不揮発性半導体メモリ装置及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、不揮発性半導体メモリ装置及びその製造方法に係わり、特に浮遊ゲート電極を有するスタックゲート構造において、電極間絶縁膜に高誘電体材料を用いることでメモリセル性能向上とリーク電流低減を実現させた不揮発性半導体メモリ装置とその製造方法に関する。
代表的な不揮発性半導体メモリ装置であるNAND型フラッシュメモリを例にして説明する。
NAND型不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルは、半導体基板上にトンネル絶縁膜と浮遊ゲート電極を形成し、さらにその上に電極間絶縁膜を介して制御ゲート電極を形成したスタック構造の半導体素子である。このようなメモリセルでは、トンネル絶縁膜に高電界を印加して、シリコン基板側から浮遊ゲート電極に電子を注入することで生じるしきい値電圧のシフトを情報の記憶に用いている。このとき、電極間絶縁膜には電気的容量が大きくカップリング比を低下させないことやリーク電流が少ないことが望まれている。
従来のNAND型不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルの製造方法を、図6〜図8の(a)〜(e)を用いて説明する。図6〜図8の(a)〜(e)の左側と右側の図面は、互いに直交する断面を示している。
まず、所望の不純物をドーピングしたシリコン基板101の表面に、トンネル絶縁膜となる厚さ約7nm〜8nmのシリコン酸化膜102を熱酸窒化法で形成後、浮遊ゲート電極となる厚さ60nmのリンドープの多結晶シリコン層103、素子分離加工のためのマスク材104を順次CVD(chemical vapor deposition)法で堆積する。その後、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE(reactive ion etching)法により、マスク材104、多結晶シリコン層103、トンネル絶縁膜102を順次エッチング加工し、さらにシリコン基板101の露出領域をエッチングして、深さ100nmの素子分離溝106を形成する(図6(a))。
次に、全面に素子分離用のシリコン酸化膜107を堆積して、素子分離溝106を完全に埋め込んだ後、表面部分のシリコン酸化膜107をCMP(chemical mechanical polishing)法で除去して、表面を平坦化した。このとき、マスク材104が露出する(図6(b))。
次に、露出したマスク材104を選択的にエッチング除去した後、シリコン酸化膜107の露出表面を希フッ酸溶液でエッチング除去し、多結晶シリコン層103の側壁面108を露出させ、その後、全面に電極間絶縁膜となるシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層構造であるSiO/SiN/SiO膜(以下、ONO膜と略す)109を堆積する。ONO膜のSiO換算膜厚は15nm程度である。このとき、電極間絶縁膜109は、多結晶シリコン層103の表面とその側壁面108の両方に3次元的に形成される(図7(c))。ONO膜の平均誘電率は5程度と低いので、このように3次元的に電極間絶縁膜を形成して面積を大きく取ることで、実効的な電気容量を大きくする必要がある。
次に、制御ゲート電極となる多結晶シリコン層からなる厚さ100nmの導電層110をCVD法で順次堆積し、さらに、RIEのマスク材111をCVD法で堆積する。その後、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、マスク材111、導電層110、電極間絶縁膜109、多結晶シリコン層103、トンネル絶縁膜102を順次エッチング加工して、ワード線方向のスリット部112を形成した(図7(d))。これにより、浮遊ゲート電極となる多結晶シリコン層103および制御ゲート電極となる導電層110の形状が確定する。
最後に、露出面に電極側壁酸化膜と呼ばれるシリコン酸化膜113を熱酸化法で形成後、イオン注入法を用いてソース・ドレイン領域114を形成し、さらに、全面を覆うように層間絶縁膜115をCVD法で形成した(図8(e))。その後は、周知の方法で配線層等を形成してメモリセルが完成する。
このようなNAND型不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルの電極間絶縁膜109には、書込み/消去の動作時に高電界が印加されリーク電流が流れる。このリーク電流は、トンネル絶縁膜を介した電荷の注入/放出による浮遊ゲート電極の電荷蓄積/消去を阻害するので、デバイス仕様から定められるある基準以下に抑制する必要がある。
その基準については各種の検討の結果、書込み動作の完了直前においてトンネル絶縁膜に流れる電流の1/10以下とされている。例えば、トンネル絶縁膜の膜厚が7.5nmで、トンネル絶縁膜と電極間絶縁膜のカップリング比が0.6、電極間絶縁膜を3次元構造とした場合、電極間絶縁膜にかかる実効電界(「電荷面密度/SiOの誘電率」で定義)は12〜18MV/cm程度になるが、このときに許容されている電極間絶縁膜のリーク電流密度は、おおよそ1x10−2A/cmである。
NAND型不揮発性半導体メモリ装置を大容量化するためには、メモリセルのゲート長とゲート幅を微細化して個々のチップになるべく多くのセルを搭載することが必要となる。このようなメモリセルの微細化の要請に伴い、従来から用いられてきたONO膜に代わりさらに誘電率の高い材料(high−k)を電極間絶縁膜として使う研究開発や提案が行われている(例えば特許文献1参照)。その理由は以下の通りである。
一つには、最小加工寸法が50nm切るような世代になるとセル間距離が近くなるため、浮遊ゲート電極に図7(c)に示すような側壁108を形成して3次元的に電極間絶縁膜を形成することが出来なくなるという問題がある。
微細メモリセルでは、浮遊ゲート電極には側壁を形成せず電極間絶縁膜を平面的に形成する、所謂、平面セル構造とすることが要求される。平面セル構造では、従来のONO膜より誘電率の高い材料が必要とされる。なぜなら誘電率の高い材料であれば、3次元的ではなく平面的に電極間絶縁膜を形成しても、電気容量を大きく出来るからである。
さらに、平面セル構造においては、電極間絶縁膜にかかる実効電界は30MV/cm程度と3次元セル構造に比べて2倍ほど高くなるという問題がある。デバイス仕様としては、このような高電界領域においても電極間絶縁膜のリーク電流密度は、1x10−2A/cm以下とする必要がある。しかし、従来のONO膜では高電界領域においてリーク電流が急激に増加するため、平面セルの電極間絶縁膜として用いることは出来ない。この観点からも、電極間絶縁膜としてONO膜より誘電率が高い(high−k)材料を用いる必要が出てくる。high−k材料を用いれば、SiO換算膜厚(電気膜厚)を抑えつつ物理膜厚を厚くすることで、高電界領域においてもリーク電流を低く抑えることが可能であるからである。
high−k材料の有望な候補として、希土類元素を含む希土類酸化物、希土類窒化物、または、希土類酸窒化物が挙げられる。これらの材料は、一般的に高い誘電率(high−k)を有するとともに電子障壁が大きい材料があることから、平面セルにおける電極間絶縁膜として実用化が大いに期待できる。しかし、この材料系に固有の問題点も抱えている。上述したような従来の製造方法で不揮発性メモリセルを作製した場合の問題点を次に述べる。
図7(d)、図8(e)に示すように、電極間絶縁膜形成後には制御ゲート電極、電極側壁酸化膜の形成のために熱処理や、イオン注入法を用いて形成したソース/ドレイン拡散層の活性化のための熱処理が必要である。例えば、ソース/ドレイン拡散層の活性化のためには、900〜1000℃の温度範囲で30秒程度の急速熱処理が用いられる。
一方、図9には、希土類酸化物であるLaAlOをシリコン基板上に堆積した後、900℃、30秒、窒素雰囲気中での急速熱処理を行った場合のLaAlO膜構造の変化を示した。この条件は、ソース/ドレイン拡散層の活性化のための熱処理に相当する。図9の右図に示すように、熱処理によりシリコン基板からLaAlOへのSi拡散が起こり、LaAlOはAlを含むLaシリケートに変質するとともに、物理膜厚の急激な増大が生じることが明らかとなった。Laなどの希土類元素からなる酸窒化物はSiを取り込みやすい性質を持つためである。
したがって、多結晶シリコン層などSi系半導体材料の浮遊ゲート電極上に形成される電極間絶縁膜においても、装置製造工程上必要な、上述したような急速熱処理によって、大量のSi拡散による誘電率低下と物理膜厚の増大が生じ、これは電極間絶縁膜の電気的容量の急激な低下を招く。
このような電極間絶縁膜の劣化は、メモリセルの書込み/消去、読出し、および記憶保持において十分な性能を発揮できないという問題を引き起こす。また、誘電率の低下に伴い電気的な耐圧が低下するとともにリーク電流も増加する。耐圧は20MV/cm程度と低くなり、そのときのリーク電流密度は1x10−2A/cm以上となりデバイス仕様を満たすことができなかった。
図10に示すように、このようなSiの拡散を防ぐためにSiNやAlなどのバリア層を電極間絶縁膜の上下に使用することも考えられる。しかし、SiNやAlなどは、希土類元素からなる酸窒化物より誘電率が低いために電極間絶縁膜の実効的な電気容量の低下を招くことになり、メモリセルの性能改善への効果は小さいという問題があった。
上記は、希土類酸化物、希土類窒化物、または、希土類酸窒化物に接するシリコン基板や多結晶シリコンから、熱処理工程により多量に膜中にSiが拡散する場合の問題点について述べた。このように拡散してくるSiは、その量が非常に多いことと、量の制御が不可能であることから上記のような問題を引き起こす。
特開平11−297867号
以上の説明のように、浮遊ゲート電極を有するメモリセルにおいて高誘電体材料である希土類元素を含む希土類酸化物、希土類窒化物、または、希土類酸窒化物を電極間絶縁膜として用いる場合には、電極間絶縁膜堆積後の熱工程に起因する膜質劣化が起こり誘電率の低下が起こるために、リーク電流特性が劣化し、メモリセルの書込み/消去、読出し、および記憶保持において十分な性能を発揮できないという問題があった。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的とするところはメモリセルの電極間絶縁膜の膜質劣化が抑制されており、電極間絶縁膜の実効的な電気容量を低下させることなく、セル動作特性の良好な不揮発性半導体メモリ装置およびその製造方法を提供することにある。
本発明の実施形態による不揮発性半導体メモリ装置は、第1導電型の半導体領域と、前記半導体領域に互いに離間して設けられた第2導電型のソース・ドレイン領域と、前記半導体領域の前記ソース・ドレイン領域間に形成されるチャネル領域上に設けられるトンネル絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜上に設けられたSiまたはSiGeを含む浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極上に設けられた金属シリサイド膜と、前記金属シリサイド膜上に設けられ、LaAlOまたはLaHfONから成る電極間絶縁膜と、前記電極間絶縁膜上に設けられた制御ゲート電極と、を具備するメモリセルを有することを特徴とする。
本発明の実施形態によれば、セル動作特性の良好な不揮発性半導体メモリ装置を実現することができる。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に関わるNAND型不揮発性半導体メモリ装置のメモリセル構造を、図1を用いて説明する。
NAND型不揮発性半導体メモリ装置は、ビット線と、ビット線及びメモリセルを接続する選択ゲートトランジスタと、さらにその下に複数のメモリセルが直列に配置されている。図1はメモリセルの断面構造を示す図であり左側はワード線方向断面図、右側はワード線と直交方向断面図の図面であり、右側と左側とは互いに直交する断面を示している。
図1に示すように、所望の不純物をドーピングしたシリコン基板1中には、ソース・ドレイン領域17が形成されている。このシリコン基板1上のソース・ドレイン領域17間には、トンネル絶縁膜となる、厚さ約6nm〜7nmのシリコン酸化膜2が形成され、その上に浮遊ゲート電極となる、Si系半導体導電性材料である厚さ40nmのリンドープの多結晶シリコン層3、金属シリサイド層であるSrSi層10、電極間絶縁膜となるLaAlO層12、制御ゲート電極となる、Wシリサイド層と多結晶Si層の積層体である導電層13、及びマスク材14が順次積層されることにより構成されている。(マスク材14はなくともよい。)金属シリサイド層であるSrSi層10は導電体であるので、浮遊ゲート電極と同様の作用を示す。
これらの積層体の最上面及び側面は電極側壁酸化膜と呼ばれるシリコン酸化膜16で覆われおり、さらに、全面を覆うように層間絶縁膜18が形成されている。隣り合うメモリセルのチャネル領域、トンネル絶縁膜(シリコン酸化膜2)及び浮遊ゲート電極(多結晶シリコン層3)は、互いにシリコン酸化膜の素子分離領域7によって隔てられている。ビット線方向に並ぶ各メモリセルは電極間絶縁膜(LaAlO層12)、制御ゲート電極(導電層13)が共通であり、これらは素子分離領域7上に延在している。電極間絶縁膜12と素子分離領域7と間の領域は、後述する製造方法であると、金属シリサイド層と同種の金属を含む絶縁膜である金属シリケート層、この場合Srシリケート層11が形成されるが、この領域には絶縁体があればよく、例えば電極間絶縁膜や素子分離領域と同様のシリコン酸化膜であってもよい。
次にこのような第1の実施形態に関わる図1に示すNAND型不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルの製造方法について図2〜図4及び図1を用いて説明する。
まず、所望の不純物をドーピングしたシリコン基板1の表面に、トンネル絶縁膜となる厚さ約6nm〜7nmのシリコン酸化膜2を熱酸化法で形成後、浮遊ゲート電極となる、Si系半導体導電性材料である厚さ40nmのリンドープの多結晶シリコン層3、素子分離加工のためのマスク材4を順次CVD法で堆積する。その後、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、マスク材4、多結晶シリコン層3、シリコン酸化膜2を順次エッチング加工し、さらにシリコン基板1の露出領域をエッチングして、深さ60nmの素子分離溝6を形成する(図2(a))。
次に、全面に素子分離領域となるシリコン酸化膜7を堆積して、素子分離溝6を完全に埋め込み、その後、表面部分のシリコン酸化膜7をCMP法で除去して、表面を平坦化した。このとき、マスク材4が露出する(図2(b))素子分離領域に用いる材料はシリコン酸化膜に限定するものでなく、シリコンと酸素を含む絶縁材料であれば良く、例えば、シリコン酸窒膜であっても良い。
次に、露出したマスク材4を選択的にエッチング除去した後、シリコン酸化膜7の露出表面を希フッ酸溶液でエッチング除去し、シリコン酸化膜7と多結晶シリコン層3の面を平坦化する。
図7(c)に示した従来の製造方法では側壁面にも電極間絶縁膜を形成していたが、本実施例においては電極間絶縁膜の誘電率を十分に大きくすることが可能であるため、側壁面を形成する必要はなく平坦な面を形成すればよい。
平坦面を形成後、全面に分子線エピタキシー(MBE)法を用いて、基板温度300℃においてSr層9を1.7×1015 atoms/cmとなる量(SrSiを形成したときの5原子層分に相当するSr量)を堆積した(図3(c))。
ここでは、MBE法でSrを堆積したが、スパッタ法やCVD法、レーザーアブレーション法などの他の方法を用いることができる。ただし、Srは酸化されやすいので、真空中または不活性ガス中で堆積することが必要である。
次に、金属膜であるSr層9を堆積した後、MBE装置のなかで基板温度を500℃まで上昇させて熱処理を行う。この熱処理により、図3(d)に示すように、多結晶シリコン層3の表面上に堆積したSrはSiと反応して、金属シリサイド層10であるSrSi層10が形成され、且つ、シリコン酸化膜7面上に堆積したSrはSiOと反応して金属シリケートであるSrシリケート層11(絶縁性を示す)がセルフアライン的に形成された。素子分離領域に用いる材料はシリコン酸化膜に限定されるものではなく、シリコンと酸素を含む絶縁材料である、例えば、シリコン酸窒膜を用いても窒素を含むSrシリケート(絶縁性を示す)が形成される。
SrはSiと非常に熱化学的に安定な結合を形成する性質があるため、
2Si + Sr → SrSi (1)
という化学反応が起こり、多結晶シリコン上ではSrSiが形成される。
一方、Srは強い還元作用を持つため、SiOと反応して
SiO + Sr → SiO↑ + SrO↑ (2)
で記述される化学反応が起きる。SiOとSrOは蒸気圧が高いため、基板温度を500℃とした場合にはその一部は蒸発する。また、次式のような化学反応も同時に起こり、
SiO + Sr → Srシリケート (3)
Srシリケートも形成される。
(2)と(3)の化学反応のうち、どちらが支配的になるかは基板温度に依存している。
今回の基板温度である500℃では、(2)と(3)の化学反応の割合はほぼ等しいことがわかっている。500℃より基板温度が高い場合は、(2)の反応が支配的となる。500℃より基板温度が低い場合は、(3)の化学反応が支配的となる。Sr堆積した後の熱処理温度は、本実施例では500℃としたが、400℃〜800℃の間であることが望ましいことがわかっている。
どの基板温度で熱処理を行った場合でも、シリコン酸化膜7表面上に形成される膜はSrシリケートが主成分である。SiOは科学的に不安定なため残存せず、わずかな割合でSrOがSrシリケートに混在する場合がある。特にSr堆積量が少なく高温で熱処理を行った場合には、(2)の化学反応が支配的に起こり、SiO上にSrシリケートが残存しない場合もある。Srシリケートが形成されない場合、SrSi層10側面に段差が形成される場合があるが、本発明の効果には影響を与えない。
本実施形態において、500℃の熱処理で形成されたSrSi層10の厚さは5原子層(物理膜厚はおよそ10nm)であり、金属的性質(抵抗率:ρ=20μΩcm)を示した。Srシリケート11の膜厚はおよそ7nmであり、絶縁性を示した。
一方、多結晶シリコン層3は上部がシリサイド化されたために膜厚減少が起こり、多結晶シリコン層の厚さは35nmとなった。つまり、SrSi層10と多結晶シリコン層3は共に浮遊ゲート電極としての作用を示しその総膜厚は45nmである。
次に、図4(e)に示すように、MBE法を用いて電極間絶縁膜となるLaAlO層12を物理膜厚25nm形成した。LaAlOの誘電率はおおよそ25であるので、電極間絶縁膜のSiO換算膜厚(EOT)は約4nmとなった。ここでは、MBE法でLaAlOを形成したが、スパッタ法やCVD法、レーザーアブレーション法などの他の方法を用いることができる。SrSiとSrシリケートはともに安定な物質であるので、酸化雰囲気中でLaAlO層12を堆積しても、SrSiとSrシリケートが変質したり膜厚が変化したりすることはない。
次に、制御ゲート電極となるWシリサイド層/多結晶シリコン層からなる2層構造の厚さ100nmの導電層13をCVD法で順次堆積し、さらに、RIEのマスク材14をCVD法で堆積した。Wシリサイドの膜厚は10nmとした。その後、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、マスク材14、導電層13、LaAlO層12、SrSi層10、多結晶シリコン層3、トンネル絶縁膜2を順次エッチング加工して、ワード線方向のスリット部15を形成した。これにより、SrSi層10と多結晶シリコン層3および導電層13の形状が確定する(図4(f))。
最後に、図1に示したように、露出面に電極側壁酸化膜と呼ばれるシリコン酸化膜16を熱酸化法で形成後、シリコン基板1に対してイオン注入法を用いてソース・ドレイン領域17を形成し、さらに、全面を覆うように層間絶縁膜18をCVD法で形成する。その後は、周知の方法で配線層等を形成して不揮発性メモリが完成する。
以上のような方法で作製した電極間絶縁膜となるLaAlO層12は、電極間絶縁膜形成後の後熱処理工程を経ても、物理膜厚25nm、誘電率25、SiO換算膜厚(EOT)4nmという値は変化せず保たれていることが確認された。
浮遊ゲート電極となる多結晶シリコン3と電極間絶縁膜となるLaAlO層12との間には結合状態が非常に安定なSrSi層10という金属シリサイドが形成されており多結晶シリコン層3からのSi拡散が抑制されたためと考えられる。
また制御ゲート電極13の電極間絶縁膜に接する部分にWシリサイドという同じく結合状態が安定な金属シリサイドが形成されていることにより、制御ゲート電極を構成する多結晶シリコンからのSi拡散も防止され、より望ましい。
本実施形態におけるメモリセルのカップリング比は0.6以上と高い値になり、メモリセルの書込み/消去、読出し、および記憶保持において十分な性能が得られることが確認された。電極間絶縁膜の耐圧は35MV/cm以上と高く、また、30MV/cmにおけるリーク電流密度は1x10−3A/cmであり、デバイス仕様を十分に満たすことできていた。
一方、従来のように、金属シリサイドを形成しないで多結晶シリコンに接するようにLaAlOを形成すると、後工程の熱処理により多結晶シリコンから多量のSi拡散が起こり、LaAlOはLaシリケートに変質した。このとき、物理膜厚は30nm以上に増大するとともに誘電率は12に低下し、SiO換算膜厚は10nmに増大した。電極間絶縁膜の電気容量低下によりカップリング比が大幅に低下し、メモリセルの書込み/消去、読出し、および記憶保持の特性が大きく劣化した。さらに、電気的な耐圧が25MV/cm程度と低くなるとともに、リーク電流密度は5x10−2A/cmに増加し、デバイス仕様を満たすことが出来なかった。
本実施形態では、浮遊ゲート電極として作用するSrシリサイド膜厚を5原子層(約10nm)、制御ゲート電極の一部を構成するWシリサイド膜厚を10nmとした。金属シリサイド層の膜厚は1原子層以下であるとSi拡散を抑制できない場合があるが、2原子層以上であればSi拡散を抑制できることを実験的に確認している。より確実にSi拡散を抑制するためには、金属シリサイド層の膜厚は3原子層以上あることが望ましい。
原理的には、金属シリサイドの膜厚の上限に関する制限は無い。信頼性の観点から浮遊ゲート電極のトンネル絶縁膜に直接接する材料はSi系半導体導電性材料とする必要があるが、浮遊ゲート電極の大部分を金属シリサイドで構成し、トンネル絶縁膜に直接接する部分のみSi系半導体導電性材料としても問題は無く、セル特性の劣化もない。上記実施形態に示した製造方法において、金属シリサイドを形成する反応速度より金属シリケートを形成する反応速度の方が遅いので、金属堆積後の熱処理負荷をあまり大きくしないためには、堆積する金属量は金属シリサイドを形成したときに10原子層程度以下となる量が望ましいと考えられる。
本実施形態ではSrを用いて、多結晶シリコン上とSiO上に、各々、SrシリサイドとSrシリケートをセルフアライン的に形成する例に関して説明を行った。Srに限らず、II族アルカリ土類金属であるMg、Ca、Sr、Baを用いれば、本実施例と同様の効果を得られることがわかっている。II族アルカリ土類金属はSiと非常に強い結合を形成する性質があり、形成されたSrSiのような金属シリサイドは非常に熱化学的に安定である。これらのことは、本発明者らが、第一原理計算を用いた理論的予測に基づき実験を行って初めて明らかとなったことである。
また、II族アルカリ土類金属以外の金属を本発明に適用する場合の、より望ましい金属(M)の選択方法に関して次に説明する。Si系半導体導電材料上では導電性金属シリサイドを形成し、Si系絶縁性材料上では絶縁性金属シリケートを形成し、且つ、それらの上に酸化雰囲気中で希土類酸窒化物を形成しても特性や構造が変化しない安定な金属シリサイドと金属シリケートが形成されるために必要な要件は次の通りである。
<1>金属シリサイド(M−Si)の結合力が、金属酸化物(M−O)の結合力より相対的に大きいこと。つまり、金属シリサイドが、金属酸化物より熱化学的に安定であること。具体的には、金属シリサイドの形成エネルギー(ΔH)がΔH<−20kcal/metal atomであること、且つ、金属酸化物の形成エネルギー(ΔG)がΔG>−800kJmol−1であること。ΔHはSi 1原子あたりの金属シリサイド形成エネルギーであり、本発明における金属シリサイドとして熱化学的に安定に存在するためには、ΔH<−20kcal/metal atom であることが必要である。ΔGに関しては、SiOの形成エネルギーがΔG〜−800kJmol−1であるので、それより大きいことが目安となる。
<2>金属シリサイド(M−Si)は導電性材料(抵抗率:ρ<100μΩcm)であり、金属酸化物(M−O)は絶縁材料(ρ>100μΩcm)であること。
<3>金属(M)は、Siや酸窒化膜へ拡散しにくい元素であること。
本発明者らの検討の結果、上記要件を満たす金属はMo、W、Co、Ni、Pt、Pdであることが明らかとなった。つまり、Mg、Ca、Sr、Ba、Mo、W、Co、Ni、Pt、Pdから選ばれた金属元素を用いることにより、本実施例と同様の効果を得られることを意味する。
次に、金属シリサイド層の仕事関数がセル特性に与える影響について考える。II族アルカリ土類金属であるMg、Ca、Sr、BaとSiにより形成された金属シリサイドの仕事関数は、ほぼn型多結晶シリコンと等しく、3.8〜4.0eVであることが本発明者らにより理論的に計算されている。このような金属シリサイドを用いた場合には、n+型Si系半導体材料との間にはショットキーバリアが形成されないので、メモリセルのカップリング比(書込み/消去特性)には影響を与えない。この点からも、II族アルカリ土類金属は浮遊ゲート電極の一部を形成するのに適当な金属であることが明らかとなった。Mo、W、Coの金属シリサイドの仕事関数は、Si禁制帯中央付近の4.5〜4.6eVでありカップリング比低下への影響は小さい。一方、Ni、Pd、Ptの金属シリサイドの仕事関数は4.7〜5.0eVと大きいので、n型Si系半導体材料との間のショットキーバリア形成によるカップリング比低下が懸念される。この影響をなるべく小さくするためには、n型Si系半導体材料の不純物濃度を高濃度(5×1019cm−3以上)にすることが有効である。
本実施形態において、浮遊ゲート電極として多結晶シリコンを(典型的にはn型多結晶シリコン)を使用したが、Si系半導体導電材料が使用でき、またこのSi系半導体導電材料とは、Siを主として、他にドーパント不純物を含んだ半導体材料のことを言う。半導体母体材料はSiのほか、SiにGeを添加したSiGe材料も用いた場合にも、安定な金属シリサイドが形成されることを確認している。トンネル絶縁膜に直接接する材料がSi系半導体であるとトンネル絶縁膜の信頼性を維持できるという大きな利点がある。
また、本実施形態では、素子分離領域はシリコン酸化膜で構成されているが、素子分離領域に用いる材料としては、Si系絶縁材料が挙げられ、シリコン酸化膜に限らずSiONであっても良い。また、金属窒化物が絶縁性を示す材料であれば、Siナイトライドを絶縁材料として用いることも可能である。また、Siの他にGeが含まれる絶縁材料でも良い。
本実施形態では、制御ゲート電極は、金属シリサイド(Wシリサイド)とSi系半導体導電性材料(多結晶シリコン)として構成している。制御ゲート電極の一部にSi系半導体導電性材料を用いる場合には、本実施形態に示すように電極間絶縁膜と接する部分に、浮遊ゲート電極で用いられるのと同じ基準で選ばれた結合状態の安定な金属シリサイドを挿入することで、Siの拡散を抑制できるため望ましい。しかし、制御ゲート電極には必ずしもSi系半導体導電材料を用いる必要はない。金属、金属シリサイド、導電性金属ナイトライド、導電性金属酸化物など、任意の材料を任意の積層構造で用いることが可能である。
本実施形態では、電極間絶縁膜としてLaAlOを用いたが、希土類元素を含む他の希土類酸化物、希土類窒化物、または、希土類酸窒化物を用いることが出来る。(希土類元素とは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Yの17種類である。)
電極間絶縁間膜として用いるためには、誘電率が15以上30以下の範囲内にある材料が最適であると考えられる。誘電率が低すぎるとリーク電流低減の効果が得られず、また、逆に誘電率が高すぎるとメモリセル間の干渉を引き起こすためである。さらに、リーク電流低減効果を高めるには、電子に対する障壁高さが高いことが望まれる。
このような要件を満たす希土類酸化物としては、Y、La、Prなどが有望である。La、Prが有する吸湿性を改善するために、これらの希土類酸窒化物にAl、Si、Ti、Zr、Hf、Taから選択される少なくとも一種を加えることにより、結合状態が安定となり耐湿性を持つようにすることができるため望ましい。他の元素添加は希土類酸窒化物の誘電率の低下を招くが、元々、希土類酸窒化物の誘電率はかなり高いので添加量を調整することで誘電率が15−30の範囲内にあるという要件を満たすことができる。また、希土類酸窒素化物に予め制御された量だけ含まれるSiは膜特性に悪影響を与えることはない。希土類酸窒素化物中に数%から数十%程度Siを含有させた場合、希土類酸窒化物の吸湿性を押さえることが出来るなどのメリットを持つ場合もある。
本実施形態では、金属膜をシリサイド化する熱処理工程を、金属膜形成工程後で、電極間絶縁膜形成工程前に行ったが、金属膜を形成後、金属膜をシリサイド化する熱処理を行わずに、金属膜上に電極間絶縁膜を積層した後にこの熱処理工程を行った場合でも、シリサイド化は阻害されず、本実施形態の順序で行った場合と同様の効果を得ることができる。金属膜をシリサイド化する熱処理工程を、電極間絶縁膜形成工程以降に行う場合、個別に行っても、他の熱処理工程と兼ねて行ってもかまわない。しかしながら、例えば900〜1000℃等の、素子を高温条件下に置く熱処理工程よりも前に行われることが必要である。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に関わるNAND型不揮発性半導体メモリ装置のメモリセル構造と製造方法について図5を用いて説明する。
図5はメモリセルの断面構造を示す図でありワード線と直交方向断面図の図面である。
図5において、所望の不純物をドーピングしたシリコン基板21中には、ソース・ドレイン領域(図示せず)が形成されている。このシリコン基板21上のソース・ドレイン領域間には、トンネル絶縁膜となる、厚さ約6nm〜7nmのシリコン酸化膜22が形成され、その上に浮遊ゲート電極となる、Si系半導体導電性材料である厚さ40nmの多結晶シリコン層23、金属シリサイド層であるWSi層24、電極間絶縁膜となるLaHfON層25及びHfAlO層26、制御ゲート電極となるWN層とW層積層体(電極間絶縁膜側にWN層が位置する)である導電層27が順次積層されることにより構成されている。金属シリサイド層であるWSi層24は導電体であるので、多結晶シリコン層23と同様に浮遊ゲート電極と同様の作用を示す。
これらの積層体の最上面及び側面は第1の実施形態と同様に電極側壁酸化膜で覆われおり、さらに、全面を覆うように層間絶縁膜が形成されている。隣り合うメモリセルのチャネル領域、トンネル絶縁膜(シリコン酸化膜22)及び浮遊ゲート電極(多結晶シリコン層23)は、互いにシリコン酸化膜28の素子分離領域によって隔てられている。ビット線方向に並ぶ、各メモリセルは電極間絶縁膜(LaHfON層25及びHfAlO層26)、制御ゲート電極(導電層27)が共通であり、これらは素子分離領域28上に延在している。電極間絶縁膜(LaHfON層25及びHfAlO層26)と素子分離領域28と間の領域は、後述する製造方法であると、金属シリケート層のWシリケート層29が形成されるが、この領域には絶縁体があればよく、例えば電極間絶縁膜や素子分離領域と同様のシリコン酸化膜であってもよい。
この構造のメモリセル第1の実施形態とほぼ同様の方法で製造した。
まず、p型シリコン基板21上に7nmの熱酸窒化によるトンネル絶縁膜22を形成後、浮遊ゲート電極となる厚さ30nmのリンドープの多結晶シリコン層23、素子分離加工のためのマスク材を順次CVD法で堆積した。その後、レジストマスクを用いたRIE法により、マスク材、多結晶シリコン層23、トンネル絶縁膜22を順次エッチング加工し、さらにシリコン基板1の露出領域をエッチングして、深さ60nmの素子分離溝を形成した。
次に、全面に素子分離用のシリコン酸化膜28を堆積して、素子分離溝を完全に埋め込み、その後、表面部分のシリコン酸化膜をCMP法で除去して、表面を平坦化した。露出したマスク材を選択的にエッチング除去した後、シリコン酸化膜28の露出表面を希フッ酸溶液でエッチング除去し、シリコン酸化膜28と多結晶シリコン23の面を平坦化した。
平坦面を形成後、全面にCVD法を用いて、基板温度200℃において金属膜であるWを1.7×1015 atoms/cm(WSiを形成したときの5原子層分に相当するW量)となる量を堆積した。ここでは、CVD法でWを堆積したが、スパッタ法やMBE法、レーザーアブレーション法などの他の方法を用いることができる。
Wを堆積した後、急速加熱処理装置で基板温度を1000℃まで上昇させて熱処理を行う。この熱処理により、多結晶シリコン面上に堆積したWはSiと反応してWシリサイド24が形成され、且つ、シリコン酸化膜28面上に堆積したWはSiOと反応してWシリケート29がセルフアライン的に形成された。Wシリサイド層24は5原子層(物理膜厚はおよそ10nm)であり、金属的性質(抵抗率:ρ=70μΩcm)を示した。一方、Wシリケート29の膜厚はおよそ5nmであり、絶縁性を示した。
次に、スパッタ法を用いて電極間絶縁膜となるLaHfON層25を物理膜厚15nm形成した後、さらに、HfAlO層26を物理膜厚15nm形成した。Laは吸湿性があり不安的な物質であるが、HfとNを加えてLaHfONとすることで熱科学的に安定化させることができる。希土類酸窒化物に添加する材料は、Al、Si、Ti、Zr、Hf、Taから任意に選ぶことが出来る。LaHfONの誘電率はおおよそ30、HfAlOの誘電率はおよそ20であるので、電極間絶縁膜のSiO換算膜厚(EOT)は約5nmとなった。ここでは、スパッタ法でLaHfONとHfAlOを形成したが、MBE法やCVD法、レーザーアブレーション法などの他の方法を用いることができる。
本実施形態に示すように、電極間絶縁膜は希土類酸窒化膜、あるいは希土類酸化物膜、希土類窒化物膜の単層構造である必要はなく、他の高誘電率膜や酸化膜、窒化膜との積層構造にすることも可能である。希土類化合物の高い電子障壁を利用してリーク電流を低減するためには、希土類酸窒化物を浮遊ゲート電極に接して形成する必要があり、そのときに浮遊ゲート電極を構成するSi系半導体導電材料と希土類酸窒化物との間に金属シリサイドを形成することが重要である。従って、希土類酸窒化物あるいは希土類酸化物膜、希土類窒化物膜を堆積した上に、他の高誘電体材料を積層しても、本発明の効果は変わらない。
次に、制御ゲート電極となるWN/Wからなる2層構造の厚さ100nmの導電層27をCVD法で順次堆積し、さらに、RIEのマスクをCVD法で堆積した。その後、レジストマスクを用いたRIE法により、マスク材、導電層27、電極間絶縁膜25,26、金属シリサイド膜24、浮遊ゲート電極23、トンネル絶縁膜22を順次エッチング加工して、ワード線方向のスリット部を形成した。
最後に、露出面に電極側壁酸化膜と呼ばれるシリコン酸化膜を熱酸化法で形成後、イオン注入法を用いてソース/ドレイン拡散層を形成し、さらに、全面を覆うように層間絶縁膜をCVD法で形成することにより、図5に示したメモリセルが完成する。
以上のような方法で作製した電極間絶縁膜となるLaHfON/ HfAlOは電極間絶縁膜形成後の後熱処理工程を経ても、物理膜厚30nm、SiO換算膜厚(EOT)5nmという値は変化せず保たれていることが確認された。浮遊ゲート電極の電極間絶縁膜接する部分にはWシリサイドという結合状態が非常に安定な金属シリサイドが形成されているために、浮遊ゲート電極を構成する多結晶シリコンからのSi拡散が完全に抑制されたためである。カップリング比は0.6以上と高い値になり、メモリセルの書込み/消去、読出し、および記憶保持において十分な性能が得られることが確認された。電極間絶縁膜の耐圧は35MV/cm以上と高く、30MV/cmにおけるリーク電流密度は2x10−3A/cmであり、デバイス仕様を十分に満たすことできていた。
一方、従来のように、金属シリサイドを形成しないで多結晶シリコンに接するようにLaHfONを形成すると、後工程の熱処理により多結晶シリコンから多量のSi拡散が起こり、LaHfONはLaHfシリケートに変質した。このとき、物理膜厚は40nm以上に増大するとともに誘電率は15に低下し、SiO換算膜厚は12nmに増大した。電極間絶縁膜の電気容量低下によりカップリング比が大幅に低下し、メモリセルの書込み/消去、読出し、および記憶保持の特性が大きく劣化した。さらに、電気的な耐圧が20MV/cm程度と低くなるとともに、リーク電流密度は3x10−2A/cmに増加し、デバイス仕様を満たすことが出来なかった。
本実施形態では、制御ゲート電極はWNとWの2層から構成されている。このように制御ゲート電極にSi系半導体導電性材料を用いない場合は、制御ゲート電極の電極間絶縁膜に接する部分に金属シリサイドを必ずしも用いる必要はない。リーク電流を低減するためには、制御ゲート電極材料の仕事関数は大きい方が望ましく、4.8〜4.9eVの仕事関数を持つWNは適当な材料である。
上記2つの実施例では、代表的な不揮発性メモリ装置であるNAND型フラッシュメモリに関して説明したが、本発明はNAND型不揮発性メモリに限らず、NOR型、AND型、DINOR型、NANO型などゲート電極に接する絶縁膜を有する種々の不揮発性メモリセルに応用することが可能である。
第1の実施形態に関わるNAND型不揮発性メモリセルの構造を示す断面図。 第1の実施形態に関わるNAND型不揮発性メモリセルの製造工程を示す断面図。 第1の実施形態に関わるNAND型不揮発性メモリセルの製造工程を示す断面図。 第1の実施形態に関わるNAND型不揮発性メモリセルの製造工程を示す断面図。 第2の実施形態に関わるNAND型不揮発性メモリセルの構造工程を示す断面図。 従来のNAND型不揮発性メモリセルの製造工程を示す断面図。 従来のNAND型不揮発性メモリセルの製造工程を示す断面図。 従来のNAND型不揮発性メモリセルの製造工程を示す断面図。 熱処理によるLaAlO膜構造の変化を示す断面図である。 従来技術を用いたNAND型不揮発性メモリセルの構造を示す断面図。
符号の説明
1・・・シリコン基板
2・・・シリコン酸化膜(トンネル絶縁膜)
3・・・多結晶シリコン層(浮遊ゲート電極)
4・・・マスク材
6・・・素子分離溝
7・・・素子分離領域
9・・・Sr層
10・・・SrSi層(金属シリサイド層)
11・・・Srシリケート層(金属シリケート層)
12・・・LaAlO層(電極間絶縁膜)
13・・・導電層(制御ゲート電極)
14・・・マスク材
15・・・スリット部
16・・・
17・・・ソース・ドレイン領域
18・・・
21・・・シリコン基板21
22・・・シリコン酸化膜(トンネル絶縁膜)
23・・・多結晶シリコン層(浮遊ゲート電極)
23・・・WSi層(金属シリサイド層)
25・・・LaHfON層(電極間絶縁膜)
26・・・HfAlO層(電極間絶縁膜)
27・・・導電層
28・・・素子分離領域
29・・・Wシリケート層(金属シリケート層)
101・・・シリコン基板
102・・・トンネル絶縁膜
103・・・リンドープ多結晶シリコン
104・・・マスク材
106・・・素子分離溝
107・・・素子分離用のシリコン酸化膜
108・・・多結晶シリコン層の側壁
109・・・電極間絶縁膜
110・・・導電層
111・・・マスク材
112・・・スリット部
113・・・シリコン酸化膜(電極側壁酸化膜)
114・・・ソース・ドレイン拡散層
115・・・層間絶縁膜

Claims (12)

  1. 第1導電型の半導体領域と、
    前記半導体領域に互いに離間して設けられた第2導電型のソース・ドレイン領域と、
    前記半導体領域の前記ソース・ドレイン領域間に形成されるチャネル領域上に設けられるトンネル絶縁膜と、
    前記トンネル絶縁膜上に設けられたSiまたはSiGeを含む浮遊ゲート電極と、
    前記浮遊ゲート電極上に設けられた金属シリサイド膜と、
    前記金属シリサイド膜上に設けられ、LaAlOまたはLaHfONから成る電極間絶縁膜と、
    前記電極間絶縁膜上に設けられた制御ゲート電極と、
    を具備するメモリセルを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。
  2. 前記金属シリサイド膜は、Mg、Ca、Sr、Ba、Mo、W、Ni、Co、Pt、Pdから選ばれた1種類以上の元素を含むシリサイド膜であることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体メモリ装置。
  3. 前記金属シリサイド膜は、Mg、Ca、Sr、Baから選ばれた1種類以上の元素を含むシリサイド膜であって、前記浮遊ゲート電極は、不純物を5×1019cm−3以上含むことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体メモリ装置。
  4. 前記メモリセルを他の素子と分離する素子分離領域を有し、前記電極間絶縁膜は、前記素子分離領域上に延在しており、前記電極間絶縁膜と前記素子分離領域間に前記金属シリサイド膜と同種類の金属を含む絶縁膜を有することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
  5. 前記金属シリサイド膜と同種類の金属を含む絶縁膜は前記金属シリサイド膜と同種類の金属のシリケート膜であることを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体メモリ装置。
  6. 半導体領域上にトンネル絶縁膜及びSiまたはSiGeを含む浮遊ゲート電極層を積層する工程と、
    前記浮遊ゲート電極層表面に金属膜を形成する工程と、
    前記金属膜をシリサイド化する熱処理工程と、
    前記シリサイド化された金属膜表面にLaAlO層またはLaHfON層を形成する工程と、
    前記電極間絶縁膜上に制御ゲート電極層を形成する工程と、
    前記半導体領域にソース・ドレイン領域形成する工程を行うことを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
  7. 半導体領域上にトンネル絶縁膜及びSiまたはSiGeを含む浮遊ゲート電極層を積層する工程と、
    前記浮遊ゲート電極層表面に金属膜を形成する工程と、
    前記金属膜表面にLaAlO層またはLaHfON層またはHfAlO層を形成する工程と、
    前記電極間絶縁膜上に制御ゲート電極層を形成する工程と、
    前記半導体領域にソース・ドレイン領域形成する工程と、
    前記LaAlO層またはLaHfON層またはHfAlO層を形成する工程後に行われる、前記金属膜をシリサイド化する熱処理工程と、
    を行うことを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
  8. 半導体領域上にトンネル絶縁膜及びSiまたはSiGeを含む浮遊ゲート電極層を積層する工程と、
    前記半導体領域上に素子分離領域を形成する工程と、
    前記浮遊ゲート電極層及び前記素子分離領域表面に同時に金属膜を形成する工程と、
    前記浮遊ゲート電極層上の前記金属膜をシリサイド化すると共に前記素子分離領域上の前記金属膜を絶縁膜とする熱処理工程と、
    前記シリサイド化された金属膜上にLaAlO層またはLaHfON層を形成する工程と、
    前記電極間絶縁膜上に制御ゲート電極層を形成する工程と、
    前記半導体領域にソース・ドレイン領域を形成する工程を行うことを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
  9. 半導体領域上にトンネル絶縁膜及びSiまたはSiGeを含む浮遊ゲート電極層を積層する工程と、
    前記半導体領域上に素子分離領域を形成する工程と、
    前記浮遊ゲート電極層及び前記素子分離領域表面に同時に金属膜を形成する工程と、
    前記金属膜上にLaAlO層またはLaHfON層またはHfAlO層を形成する工程と、
    前記電極間絶縁膜上に制御ゲート電極層を形成する工程と、
    前記半導体領域にソース・ドレイン領域を形成する工程と
    前記LaAlO層またはLaHfON層またはHfAlO層を形成する工程後に行われる、前記浮遊ゲート電極層上の前記金属膜をシリサイド化すると共に前記素子分離領域上の前記金属膜を絶縁膜とする熱処理工程と、
    を行うことを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
  10. 前記金属膜は、Mg、Ca、Sr、Ba、Mo、W、Co、Ni、Pt、Pdから選ばれた1種類以上を含む金属膜であることを特徴とする請求項6乃至請求項9のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
  11. 前記金属膜は、Mg、Ca、Sr、Baから選ばれた1種類以上の元素を含む金属膜であって、前記浮遊ゲート電極は、不純物を5×1019cm−3以上含むことを特徴とする請求項6乃至請求項9のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
  12. 前記素子分離領域はシリコン酸化膜、または、シリコン酸窒膜であり、前記熱処理工程により形成される絶縁膜は金属シリケート膜であることを特徴とする請求項8または9記載の不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
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