JP4854955B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、特に、MONOS型不揮発性記憶素子のディスターブモードに関するものである。
(1)拡散層/基板間の接合リークは、ゲートバイアスに強い依存性を持つことから、ホットホールは電界が集中しやすいゲート電極端部下の浅い拡散層付近で発生し、負のゲートバイアスの影響を受けて電荷保持層方向へ引き寄せられると考える。
(2)短チャネル側で上記モードが加速するため、表面ポテンシャル低下に伴い短チャネル効果によりホットホールは電荷保持層へ引き寄せられると考える。
本発明の他の目的は、不揮発性記憶素子を有する半導体装置の信頼性向上を図ることが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
前記不揮発記憶素子は、
前記第1導電型のウエル領域上に電荷蓄積用絶縁膜を介在して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極のゲート長方向に互いに離間して前記第1導電型のウエル領域に配置された第2導電型のソース領域及びドレイン領域と、
を有し、
前記第1導電型のウエル領域は、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に、前記ソース領域、前記ドレイン領域、及び前記電荷蓄積用絶縁膜と接して配置された第3半導体領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間であって、前記半導体基板の主面から深さ方向に向かって前記第3半導体領域よりも深い位置に、前記ソース領域、前記ドレイン領域、及び前記第3半導体領域と接して配置された第2半導体領域と、
前記半導体基板の主面から深さ方向に向かって前記第2半導体領域よりも深い位置に、前記ソース領域、前記ドレイン領域、及び前記第2半導体領域と接して配置された第1半導体領域と、
を有し、
前記第1及び第3半導体領域は、前記第2半導体領域よりも不純物濃度が高い。
上記手段(1)において、前記第1半導体領域は、前記第3半導体領域よりも不純物濃度が低い。
上記手段(1)において、前記ゲート電極及び前記第1導電型のウエル領域に電位を印加した時、前記ソース領域の前記ゲート電極端部下における表面部分に第1の高電界領域、前記ソース領域と前記第1半導体領域との接合部に第2の高電界領域が生じる。
前記不揮発性記憶素子は、
前記第1導電型のウエル領域上に電荷蓄積用絶縁膜を介在して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極のゲート長方向に互いに離間して前記第1導電型のウエル領域に配置された第2導電型のソース領域及びドレイン領域と、
を有し、
前記第1導電型のウエル領域は、前記半導体基板の主面から深さ方向に向かった不純物濃度分布において、第1及び第2の不純物濃度ピークを有し、
第1の不純物濃度ピークは、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりも浅い領域に位置し、
前記第2の不純物濃度ピークは、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりも深い領域に位置している。
上記手段(2)において、前記ゲート電極及び前記第1導電型のウエル領域に電位を印加した時、前記ソース領域と前記ウエル領域との接合部に高電界領域が生じる。
上記手段(2)において、前記ゲート電極及び前記第1導電型のウエル領域に電位を印加した時、前記ソース領域の前記ゲート電極端部下における表面部分に第1の高電界領域、前記ソース領域と前記ウエル領域との接合部に第2の高電界領域が生じる。
本発明によれば、不揮発性記憶素子を有する半導体装置において、ストレス印加に伴って発生するホットホールの電荷蓄積層への注入効率を低減することができる。
本発明によれば、不揮発性記憶素子を有する半導体装置の信頼性向上を図ることができる。
本実施形態1では、メモリセルがMONOS型不揮発性記憶素子で構成されたフラッシュメモリ(半導体装置)に本発明を適用した例について説明する。
図1は、フラッシュメモリ(半導体装置)のメモリセルアレイの構成を示す等価回路図であり、
図2は、前記メモリセルアレイに搭載された不揮発性記憶素子の概略構成を示す模式的断面図であり、
図3は、図2の一部を拡大した模式的断面図であり、
図4は、不純物濃度分布を示す図((a)は図3のa−a線における不純物濃度分布,(b)は図3のb−b線における不純物濃度分布)であり、
図5乃至図15は、フラッシュメモリの製造工程を示す模式的断面図である。
まず、半導体基板として、例えば比抵抗が10[Ωcm]程度のp型単結晶シリコンからなるシリコン基板1を準備し、その後、図5に示すように、シリコン基板1の主面に、素子形成領域を区画する素子分離領域3を形成する。素子分離領域3は、これに限定されないが、例えば周知のSTI技術を用いて形成する。具体的には、素子分離領域3は、シリコン基板1の主面に浅溝(例えば300[nm]程度の深さの溝)2aを形成し、その後、浅溝2aの内部を含むシリコン基板1の主面上に酸化シリコン膜からなる絶縁膜2bをCVD(Chemical Vapor Deposition)法で堆積し、その後、絶縁膜2bが浅溝2aの内部に選択的に残るように、シリコン基板1の主面上の絶縁膜2bをCMP(化学的機械研磨:Chemical Mechanical Polishing)法で除去することによって形成される。
2回目のイオン注入は、p型半導体領域6bを形成するためのものであり、例えば、加速エネルギーが50KeV程度、ドーズ量が1.2e12(1.2×1012)[atoms/cm2]程度の条件で行う。
3回目のイオン注入は、p型半導体領域6cを形成するためのものであり、例えば、加速エネルギーが20KeV程度、ドーズ量が2.5e12(2.5×1012)[atoms/cm2]程度の条件で行う。
Mc1−1(またはMc1−2)を選択して書込み動作を行う場合の一例である。図中では、WLには1.5Vまたは−10.7V、SLには1.5V、BLには−10.7V印加され、またDLには1.5V印加またはフローティング状態となっている。書込み動作時には、選択ワード線には1.5V、非選択ワード線には−10.7Vが印加されている。また、選択ウエルおよび非選択ウエルには−10.7Vが印加されている。これら印加状態に対し、Mc1−1(またはMc1−2)では、ゲート電極とウエル、かつ、ゲート電極とソースとの間には、12.2Vの電位差が生じている。このような高電位差がデータ消去状態、すなわち電荷保持層中に電子が消失している状態のメモリセルに印加された場合、電荷保持層中の電子がウエル側の電荷蓄積用絶縁膜を介してFNトンネル現象により注入されるため、書込み動作が行われる。一方、Mc1−1(またはMc1−2)以外のメモリセルでは、ゲート電極とウエル、かつ、ゲート電極とソースとの間には高電位差が発生しないため、書込み動作は阻止される。
ICカードに搭載される不揮発性MONOSメモリにおいては、電荷保持層(電荷蓄積用絶縁膜(ONO膜))へ電子を注入したビット(メモリセル)でゲート電極22及び基板(ウエル領域)23に負の高電圧ストレスを掛け続けると、閾値電圧が下がるディスターブモードが発生し、製品動作に不具合を起こす誤消去が発生する。このディスターブモードが発生するストレスは、拡散層24/基板23(又はゲート電極8)間の電位差が大きいため、拡散層24/基板23間のpn接合部においてホットホールが発生し、これらが電荷保持層(電荷蓄積用絶縁膜7の窒化シリコン膜7b)へ注入されることでディスターブが起こる。この現象は以下の2点から示唆される。
(1)拡散層24/基板23間の接合リークは、ゲートバイアスに強い依存性を持つことから、ホットホールは電界が集中しやすいゲート電極8端部下の浅い拡散層付近で発生し、負のゲートバイアスの影響を受けて電荷保持層方向へ引き寄せられると考える。
(2)短チャネル側で上記モードが加速するため、表面ポテンシャル低下に伴い短チャネル効果によりホットホールは電荷保持層へ引き寄せられると考える。
現状のICカードに搭載される不揮発性MONOSメモリにおいては、前述の実施形態1で説明したディスターブモードだけではなく、電荷保持層へホールを注入したビットに対し、基板に負の高電圧ストレスを掛け続けると、閾値電圧が上がるモードが存在する。このモードは、基板への高電圧印加によりゲート電極直下の表面ポテンシャルが持ち上がり、電荷保持層とのポテンシャル差によって電子が電荷保持層へ注入されることに由来する。従って、閾値電圧上昇により発生するディスターブモード回避のためにはゲート電極直下における表面ポテンシャルを下げることが必要であり、ウエルの低濃度化が有効である。しかしながら、ウエルの低濃度化は閾値電圧低下により発生するディスターブモードとはトレードオフの関係にある。
図23乃至図26は、本発明の実施形態2であるフラッシュメモリの製造工程を示す模式的断面図である。
2回目のイオン注入は、p型半導体領域6bを形成するためのものであり、例えば、加速エネルギーが50KeV程度、ドーズ量が1.2e12(1.2×1012)[atoms/cm2]程度の条件で行う。
3回目のイオン注入は、p型半導体領域6cを形成するためのものであり、例えば、加速エネルギーが20KeV程度、ドーズ量が2.5e12(2.5×1012)[atoms/cm2]程度の条件で行う。
この工程により、p型半導体領域6a〜6dを有するウエル領域6が形成される。
Claims (11)
- 半導体基板の主面に形成された第1導電型のウエル領域と、前記第1導電型のウエル領域に形成された不揮発性記憶素子とを有する半導体装置であって、
前記不揮発記憶素子は、
前記第1導電型のウエル領域上に電荷蓄積用絶縁膜を介在して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極のゲート長方向に互いに離間して前記第1導電型のウエル領域に配置された第2導電型のソース領域及びドレイン領域と、
を有し、
前記第1導電型のウエル領域は、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に、前記ソース領域、前記ドレイン領域、及び前記電荷蓄積用絶縁膜と接して配置された第3半導体領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間であって、前記半導体基板の主面から深さ方向に向かって前記第3半導体領域よりも深い位置に、前記ソース領域、前記ドレイン領域、及び前記第3半導体領域と接して配置され、かつ前記第3半導体領域よりも不純物濃度が低い第2半導体領域と、
前記半導体基板の主面から深さ方向に向かって前記第2半導体領域よりも深い位置に、前記ソース領域、前記ドレイン領域、及び前記第2半導体領域と接して配置され、前記第2半導体領域よりも不純物濃度が低い第1半導体領域と、
を有し、
前記半導体基板の深さ方向において前記ソース領域及びドレイン領域と前記第1半導体領域との間に、前記ゲート電極のゲート長方向に互いに離間して一対の第1導電型の第4半導体領域が配置され、
前記第4半導体領域は、前記第1及び第2半導体領域よりも不純物濃度が高いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記一対の第4半導体領域のうち、一方の第4半導体領域は、前記ソース領域と接し、他方の第4半導体領域は、前記ドレイン領域と接していることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記ゲート電極及び前記第1導電型のウエル領域に電位を印加した時、前記ソース領域と前記第4半導体領域との接合部に高電界領域が生じることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記ゲート電極及び前記第1導電型のウエル領域に電位を印加した時、前記ソース領域の前記ゲート電極端部下における表面部分に第1の高電界領域、前記ソース領域と前記第4半導体領域との接合部に第2の高電界領域が生じることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記電荷蓄積用絶縁膜は、窒化膜を含む膜であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記電荷蓄積用絶縁膜は、窒化膜を含む膜で形成され、
前記不揮発性記憶素子は、前記半導体基板側から前記電荷蓄積用絶縁膜の窒化膜中に電子を注入することによってデータの書込が行われることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域は、前記ゲート電極に整合して形成された第2導電型の第1半導体領域と、前記ゲート電極の側壁に設けられたサイドウォールスペーサに整合して形成され、かつ前記第2導電型の第1半導体領域よりも不純物濃度が高い第2導電型の第2半導体領域とを有し、
前記第1導電型の第4半導体領域は、前記第2導電型の第2半導体領域よりも深い位置に配置されていることを特徴とする半導体装置。 - 不揮発性記憶素子を有する半導体装置の製造方法であって、
(a)半導体基板の主面に、前記半導体基板の主面から深さ方向に向かって第1導電型の第3半導体領域、第2半導体領域、第1半導体領域が順次配置された第1導電型のウエル領域を形成する工程と、
(b)前記ウエル領域上に電荷蓄積用絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記電荷蓄積用絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
(d)前記ウエル領域に不純物をイオン注入して前記ゲート電極に整合した一対の第2導電型の第1半導体領域を形成する工程と、
(e)前記ゲート電極の側壁にサイドウォールスペーサを形成する工程と、
(f)前記ウエル領域に不純物をイオン注入して前記サイドウォールスペーサに整合した一対の第1導電型の第4半導体領域を形成する工程と、
(g)前記ウエル領域に不純物をイオン注入して前記サイドウォールスペーサに整合した一対の第2導電型の第2半導体領域であって、前記第2導電型の第1半導体領域よりも高不純物濃度からなる一対の第2導電型の第2半導体領域を形成する工程とを有し、
前記第1導電型の第3半導体領域は、前記第1導電型の第2半導体領域よりも高不純物濃度で形成され、
前記第1導電型の第2半導体領域は、前記第1導電型の第1半導体領域よりも高不純物濃度で形成され、
前記第1導電型の第4半導体領域は、前記第1導電型の第2及び第1半導体領域よりも高不純物濃度で形成され、
前記第2導電型の第2半導体領域は、前記半導体基板の深さ方向において、前記第1導電型の第3半導体領域よりも深い位置に形成され、
前記第1導電型の第4半導体領域は、前記半導体基板の深さ方向において、前記第2導電型の第2半導体領域よりも深い位置に形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項8に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(f)工程は、前記(g)工程の前に実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項8に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1導電型の第4半導体領域は、前記第2導電型の第2半導体領域と接する位置に形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項8に記載の半導体装置の製造方法において、
前記電荷蓄積用絶縁膜は、窒化膜を含む膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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