JP4951861B2 - 不揮発性メモリデバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
非特許文献1の記載によれば、ソースとドレイン間の電圧印加方向を入れ換えて2ビット情報をCHE注入により書き込み、読み出し時には、書き込み時と逆方向に所定電圧をソースとドレイン間に印加する、いわゆる“リバースリード”方法によって、書き込み時間が短く保持電荷量が少ない場合でも2ビット情報を確実に読み出すことを可能としている。また、消去はホットホール注入によって行っている。
この技術によって、書き込み時間の高速化とビットコストの低減が可能である。
また同時に、書き込みおよび消去の高速化、低電圧化、書き換えを繰り返しても特性が変化しないこと(エンデュランス特性の向上)等も要求される。
"Extended Abstract of the 1999 International Conference on Solid State Devices and Materials,Tokyo,1999,pp.522-523"
本発明においては、注入された電荷が高温で長時間保持されたときに、Si−Hボンド密度が上記のように規定されていることによって窒化膜内の保持電荷が容易に拡散しにくくなる。したがって、保持電荷(たとえば電子)と逆極性の電荷(たとえばホール)の注入によるデータの書き込みまたは消去が確実に行え、また、その後に高温で長時間の保持させた場合でも、電子とホールとの中和による閾値電圧の変化(低下)がない。
とくに、電荷注入時のゲート電圧をVg、ドレイン電圧をVd、データ記憶状態を規定する2つの閾値電圧のうち、より低い方の閾値電圧をVthlにより表記すると、電圧供給回路からメモリトランジスタに供給される複数の電圧において、その最大電圧が6V以下、Vg≦Vd、Vg−Vthl≦Vdの何れかの関係が満たされる場合、インパクトイオン化が生じやすく、より高効率に電荷の注入が可能である。ただしインパクトイオン化率が高いと、電子のほかにホールも注入されやすくなるが、このとき上記のようにSi−Hボンド密度が上記のように規定されていると高温保持によって閾値電圧が変化しない。
前記光学的バンドギャップから前記作製条件を決めるときの当該光学的バンドギャップの規格を5.15eV以上とするとよい。
前記発光スペクトルのピーク波長から前記作製条件を決めるときの当該スペクトルのピーク波長の規格を500nm以下とするとよい。
本発明に係る不揮発性メモリデバイスの他の製造方法によれば、光学的バンドギャップ測定または発光スペクトルのピーク波長測定を用いることから、窒化膜中の膜質を所定範囲内にするための作成条件の特定が精度よく行えるという利点がある。
図1に、不揮発性メモリデバイスの概略構成を示す。
図1に図解した不揮発性メモリデバイスは、マトリックス状に配置されたメモリトランジスタを有するメモリセルアレイ(MCA)1と、メモリセルアレイ1の動作を制御するメモリ周辺回路とからなる。
メモリ周辺回路は、カラムバッファ2a、ロウバッファ2b、プリロウデコーダ(PR.DEC)3、メインロウデコーダ(MR.DEC)4、カラムデコーダ(C.DEC)5、入出力回路(I/O)6、カラム選択ゲートアレイ(C.SEL)7、および、ウェル充放電回路(W.C/DC)8を有する。なお、ウェルバイアスを行わない場合、ウェル充放電回路8は省略可能である。メモリ周辺回路は、とくに図解していないが、必要に応じて電源電圧を若干昇圧して、当該昇圧後の電圧をメインロウデコーダ4またはウェル充放電回路8に供給する電源回路、および、これらの各部を制御する制御回路を含む。このメモリ周辺回路は、本発明における「電圧供給回路」の機能を有する。
なお、メモリ周辺回路の各部の基本動作は通常の不揮発性メモリデバイスと同じであることから、ここでの説明を省略する。
図2に示すメモリトランジスタ1において、P型半導体からなる半導体基板またはウェルの一部が、チャネルが形成される半導体領域、すなわち活性領域11Aである。ここで活性領域11Aの形態は、P型半導体基板の一部、半導体基板に必要に応じて他のウェルを介して形成されているP型ウェル、あるいは、基板に支持されているP型半導体層(たとえばSOI(Silicon-On-Insulator)層)などがある。
窒化膜12Bは、第1および第2酸化膜12A,12Cより電荷トラップ密度が高い材料からなり、電荷注入時に電荷保持層として機能する。なお、厳密には第1および第2酸化膜12A,12Cにも電荷が捕獲される場合があるが、その絶対量が窒化膜12Bに比べ極めて少ないことから窒化膜12Bを電荷保持層と称している。
第1および第2酸化膜12A,12Cは、活性領域11Aあるいはゲート電極13から窒化膜12Bを電気的に分離し、電荷保持時に窒化膜12B中に電荷を閉じ込める役割を果す。第1および第2酸化膜12A,12Cは、窒化膜12Bに対し十分な電荷トラップ密度差を有し電位障壁として機能するならば他の膜、たとえば酸化窒化(oxynitride)膜などにより置き換え可能である。
このことは電荷注入効率の向上に寄与するためポケット領域15の形成は望ましいことであるが、本発明ではポケット領域15を設けることが必須の要件ではないことから、その省略も可能である。なお、本実施の形態のように6V以下の動作電圧のMONOSトランジスタでは、ポケット領域16の濃度が、従来のチャネルホットエレクトロン(CHE)注入型のMONOSトランジスタより高いことも一つの特徴となっている。
各メモリトランジスタ10において、電荷保持層としての窒化膜12Bは、第2酸化膜12Cとの界面付近でとくに電荷トラップ密度が高い。その界面付近の電荷トラップ、あるいは、窒化膜12Bのバルク層の電荷トラップに電子を注入して捕獲させた状態と、捕獲されている電子を消去した状態とでは、当該メモリトランジスタ10の閾値電圧が変化する。このため、その閾値電圧の変化をデータの2値状態に対応させて、当該メモリトランジスタ10にデータの記憶が可能である。ただし、閾値電圧の相対的変化が検出できれば2値または多値の記憶データの読み出しは可能であることから、どのような状態を書き込み状態とし、どのような状態を消去状態とするかは定義上の問題である。
図3は、書き込み時と消去時の動作を説明するための図、図4は、この動作時のバイアス設定例を示すメモリセルアレイの一部の等価回路図である。図5は、図4に示す等価回路図に対応したメモリセルアレイ領域の概略的な平面図である。なお、図4に示すアレイ構成はメモリセルアレイ(MCA)1の構成を限定するものでなく、基本的には、どのようなアレイ構成でも本発明が適用可能であることに注意を要する。
図4に示すメモリセルアレイの例において、メモリセルとして機能するメモリトランジスタM11〜M24が行列状に配置され、これらトランジスタ間がワード線、ビット線および分離されたソース線によって配線されている。
列(COLUMN)方向に配置されたメモリトランジスタM11、M12、M13およびM14の各ドレインがビット線BL1に接続され、各ソースがソース線SL1に接続されている。列方向に配置されたメモリトランジスタM21、M22、M23およびM24の各ドレインがビット線BL2に接続され、各ソースがソース線SL2に接続されている。
行(ROW)方向に隣接するメモリトランジスタM11およびM21の各ゲートがワード線WL1に接続されている。同様に、行方向に隣接するメモリトランジスタM12およびM22の各ゲートがワード線WL2に接続され、行方向に隣接するメモリトランジスタM13およびM23の各ゲートがワード線WL3に接続され、行方向に隣接するメモリトランジスタM14およびM24の各ゲートがワード線WL4に接続されている。
メモリセルアレイ全体では、図4に図解したセル配置およびセル間接続が繰り返されている。
図示しない絶縁膜でコンタクト周囲の凹部が埋め込まれている。この絶縁膜上を、ビットコンタクト・プラグBC上に接触するビット線BL1,BL2,…と、ソースコンタクト・プラグSC上に接触するソース線SLが交互に形成されている。ビット線とソース線は、列(COLUMN)方向に長い平行ラインの形状を有している。
自己整合コンタクト部の形成工程において、ワード線となる導電層上にオフセット絶縁層を形成し、これらをワード線のパターンに一括してエッチングし、その後、絶縁膜の形成と全面エッチング(エッチバック)を行う。これによりサイドウォール絶縁層がワード線とオフセット絶縁層との幅方向両側に形成され、ワード線間に自己整合コンタクト部が形成される。この自己整合コンタクト部の形成によって、ワード線の周囲が絶縁膜で覆われ、自己整合コンタクト部でソース領域Sまたはドレイン領域Dの表出面が均一に形成される。
ビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタクト・プラグSCの形成は、自己整合コンタクト部内を導電層で埋め込み、それを所定の間隔で分離することにより行う。これによりソース領域Sの表出面に接触するビットコンタクト・プラグBCと、ドレイン領域Dの表出面に接触するソースコンタクト。プラグSCが同時に形成される。
また、個々のメモリトランジスタにおいて、ビットコンタクト・プラグBCとソースコンタクト・プラグSCを、それぞれビット線または分離されたソース線に直接接続した構造になっていることから、寄生抵抗が少なく、読み出し電流を大きくでき、高速読み出しが可能である。
本例では、高エネルギー電荷を局部的に注入することによりデータ書き込みを行うものとし、ここではホットエレクトロン(HE)注入を用いる場合を例示する。なお、他の高エネルギー電荷の注入方法としては、チャネルホットエレクトロン(CHE)、インパクトイオン化によるドレインアバランシェ現象を用いるHE注入方法、バンド間(band-to-band)のトンネリング現象を用いるHE注入方法の採用も可能である。また、消去方法も図3に限定されず、FNトンネリングによって電荷を引き抜く方法も採用可能である。
このバイアス条件下、図3(A)に示すようにソース領域17S側から供給された電子が、形成されたチャネルCH内で加速され高エネルギー電荷(この場合、ホットエレクトロンHE)となり、その一部がドレイン側で積層絶縁膜12の窒化膜12Bを中心とした領域に捕獲され、局所的に格納(storage)される。一旦格納された電子は、電荷トラップ密度が過度に高くない場合は、多少の熱処理を経ても移動できず、注入直後の分布プロファイルを維持できる。これにより電子の格納範囲が局部に限定でき、1ビットのデータ記録が達成される。
さらに、ソースとドレインの電圧関係を逆転させて再度HE注入を行うと、今度は、図3(A)におけるソース領域17Sおよびエクステンション領域14Sがドレインとして機能し、窒化膜12Bの反対側の局部に別の1ビットのデータが記憶される。
図4に示す他のメモリセルに対しても同様な方法で、それぞれ2ビットのデータを記憶させる。
ホットホールの注入によって、書き込み時に注入されたホットエレクトロンの電荷がホール電荷と再結合して打ち消され、当該メモリトランジスタが消去状態に推移する。
この閾値電圧Vthの低下が問題となるのは使用時、すなわち当該不揮発性メモリデバイスをプリント基板等に実装した後である。つまり、ウェハやパッケージングのプロセス中の加熱では、未だ電荷注入は行われていないことから、このことが問題となることはないが、実使用時に、このような閾値電圧Vthの低下が起こると、動作マージンの低下や誤動作の原因となる可能性がある。このため不揮発性メモリでは、信頼性規格の一つとしてデータ保持特性が規定されており、たとえば150℃で10年保証を目的とした加速試験をクリアする必要がある。
本発明者はデータ保持特性とトラップ密度との関係を詳細に調べ、その結果、窒化膜12B内に局所的に注入されている電荷の拡散を抑止するためには、窒化膜12B中のシリコンと水素の結合(Si−Hボンド)の密度に上限を設ける必要があるという知見を得た。
以下、この知見を得るに到った経緯を実験データとともに説明する。
この図6に示すグラフから、上記流量比(DCS/NH4)が大きくなるにつれてSi−Hボンド密度は増大し、逆にN−Hボンド密度が減少する。とくにSi−Hボンド密度は、流量比(DCS/NH4)が0.1の付近から急激に増加し、当該流量比が1.0を超えると飽和している。
図7は、データ保持特性の流量比(DCS/NH4)依存性を示すグラフである。また、図8(A)に、高温(150℃)に10年間保持した後の閾値電圧VthとSi−Hボンド密度との関係を示す。図8(B)は、図8(A)を、閾値電圧差ΔVthを縦軸にとって再表示したグラフである。
図7に示すように、流量比R=DCS/NH4が0.1までは閾値電圧Vthが大きく変化することはないが、R=1では大きく閾値電圧Vthが低下し、R=2.5ではさらに大きく低下している。
この閾値電圧Vthが急激に変化する臨界点を見出すために、横軸にSi−Hボンド密度をとった図8(A)および図8(B)のグラフで見ると、Si−Hボンド密度が1×1021cm−3を超えると急激に閾値電圧差ΔVthが増大していることが判明した。これは、電荷トラップ密度がある臨界を超えると、あるトラップに捕獲されていた電荷が隣のトラップに移る確率が急激に高まることを示唆している。
ここでSi−Hボンド密度の下限は、低電圧動作(6V以下の電圧での動作)のためのトラップ量(トラップ密度)の下限で規定される。Si−Hボンド密度が低電圧動作のためのトラップ密度の下限より小さくなると、動作電圧を6Vより高くしないと良好なデータ保持特性の維持に必要な閾値電圧Vthのシフトが得られない。この検討の結果、窒化膜12BのSi−Hボンド密度は1×1018cm−3以上で1×1021cm−3以下が望ましいことがわかった。
なお、Si−Hボンド密度を減少させることは、ここで述べた流量比を変化させること以外では、電荷保持層をSiON膜とすることによっても達成可能である。
第1の実施の形態では電荷保持層(窒化膜)の評価にSi−Hボンド密度を用いるが、その測定は分光エリプソメトリ法で行う。
本実施の形態では、さらに高精度な電荷保持層(窒化膜)の評価パラメータを新たに提案し、それを用いた膜質評価方法、ならびに、膜質評価ステップを含む不揮発性メモリデバイスの製造方法を説明する。
その結果、窒化膜の紫外吸収端近傍での複素屈折率、さらには、その虚部と関係する消光係数k(または吸収係数α)を用いて、トラップ密度をモニタすることが可能なことを実験的に見出した。
このグラフから、流量比Rが大きくなるにつれて紫外吸収端の屈折率n、消光係数kが増大していることがわかる。しかもその変化の割合は波長依存性があり、632nm付近では紫外吸収端の屈折率n、消光係数kのパラメータ変化の割合は小さいが、吸収端に近づくにつれて、すなわち波長が短くなるにつれて当該パラメータ変化の割合が大きくなっている。しかも、紫外吸収端の屈折率nに比べて消光係数kでより敏感に変化していることが容易にわかる。
吸収係数αは消光係数kとの間で、α=4πk/λ(λ:測定波長)の関係があることから、当然ながら消光係数kと同じように流量比Rに対して敏感に変化する特性が得られている。
これらのグラフより、流量比が大きくなるにつれて、紫外吸収端の屈折率nあるいは吸収端消光係数kが増大していることがわかる。
また、とくに図11に示すように、通常評価に用いられる波長632nmよりも、波長240nmでの屈折率nの方が流量比Rに対する傾きが大きく、評価パラメータとして、波長240nmでの屈折率評価の方が、感度が高いことがわかった。このことは波長230nmでも同じであった。さらに、波長230nmあるいは240nmにおける吸収端消光係数kを評価すると、図11に示すように流量比Rの増大とともに吸収端消光係数kが増大していることがわかった。
図13に、紫外吸収端の屈折率nまたは消光係数kとデータ保持特性、とくに閾値電圧差ΔVthとの相関を示す。ここでは波長240nmでの評価結果を示すが、波長230nmでもほぼ同様な結果が得られた。
データ保持特性、初期の閾値電圧Vthからの閾値電圧差(低下量)ΔVthは、紫外吸収端の屈折率nまたは消光係数kと相関を持ち、紫外吸収端の屈折率nと消光係数kが増大するにつれて、閾値電圧差ΔVthが増大しデータ保持特性が低下することがわかる。
また、測定波長が230nmにおける消光係数kは、データ保持特性を低下させない範囲として、検出限界の0.001以上で0.14以下が望ましい。
用意した半導体基板11に対し素子分離絶縁層(不図示)およびPウェルを形成する。また、閾値電圧調整用のイオン注入を行う。
より詳細に、短時間高温熱処理法(RTO法)により1000℃,10secの熱処理を行い、酸化シリコン膜(第1酸化膜12A)を形成する。
第1酸化膜12A上にLP−CVD法により窒化シリコン膜(電荷保持層としての窒化膜12B)を、最終膜厚が8〜20nmとなるように、これより厚めに堆積する。このCVDは、たとえば、ジクロルシラン(DCS)とアンモニアを混合したガスを用い、基板温度750℃で行う。
形成した窒化シリコン膜表面を熱酸化法により酸化して、たとえば4nmの酸化シリコン膜(第2酸化膜12C)を形成する。この熱酸化は、たとえばH2O雰囲気、炉温度950℃で40分程度行う。これにより、トラップレベル(窒化シリコン膜の伝導帯からのエネルギー差)が2.0eV以下の程度の深いキャリアトラップが約1〜2×1013/cm2の密度で形成される。また、窒化シリコン膜(窒化膜12B)が1nmに対し熱酸化シリコン膜(第2酸化膜12C)が1.5nm形成され、この割合で下地の窒化シリコン膜厚が減少し、窒化シリコン膜が最終膜厚となる。
つぎに、絶縁体からなるスペーサ16Sと18Dを形成し、さらにN型不純物をイオン注入して、ソース領域17Sとドレイン領域17Dを形成する。
その後は、必要に応じて層間絶縁層の堆積、コンタクト形成、上層配線の形成を行う。最後に、オーバーコートの成膜とパッドの開口工程等を経て、当該不揮発性メモリトランジスタを完成させる。
より詳細には、窒化膜12Bの成膜より前の段階で、図2に示す窒化膜12BのSi−Hボンドの密度と、当該窒化膜12Bを構成する物質の紫外吸収端近傍での波長における消光係数k(または吸収係数α)との相関を予め求める相関設定ステップを有する。つぎに、製造過程で窒化膜12Bの成膜条件を決める際に測定ステップにおいて、作製条件が異なる窒化膜ごとに、この消光係数k(または吸収係数α)を測定する。そして、測定した消光係数とSi−Hボンド密度との相関から、Si−Hボンド密度が所定範囲内、すなわち1×1021cm−3以下となる作製条件を特定する。
この特定した作製条件、たとえば流量比Rを用いて窒化膜12Bを成膜すると、所望のSi−Hボンド密度範囲に入り膜質が良い窒化膜12Bの作製が可能となる。
本実施の形態においては、データ保持特性を決める窒化膜のパラメータとして、上記第1および第2の実施の形態において用いたSi−Hボンド密度、消光係数kまたは吸収係数αに代えて、光学的バンドギャップを用いることを提案する。また、このパラメータを用いた膜質評価方法、ならびに、膜質評価ステップを含む不揮発性メモリデバイスの製造方法を述べる。
そして、窒化膜の吸収係数αより導出した光学的バンドギャップにより、データ保持特性の良否をモニタすることが可能なことを実験的に見出した。
本例では、まず、第2の実施の形態において図10と同様に窒化膜12B(図2参照)の吸収係数αを2.6×105cm−3程度まで測定し、その横軸の波長をフォトンエネルギー単位(以下、単にエネルギーという)Eに変換した。
この変換後のグラフを図14(A)に示す。
Taucの理論によれば、フォトンエネルギー単位E、定数(フィッティング係数)B、光学的バンドキャップEtを用いて、(αE)・1/2=B(E−Et)の式で吸収係数αと光学的バンドギャップEtとの関係が決まる。図14(B)は、縦軸に(αE)・1/2、横軸にエネルギーEをとって、図14(A)に示す各データをプロットし直したものである。上記Taucの理論式から明らかなように、この図14(B)上のデータ曲線の高エネルギー側での接線が横軸と交わる点のエネルギーEが光学的エネルギーバンドEt、すなわちトラップ密度重心の価電子帯からのエネルギーに相当する。
図15に、光学的バンドギャップの流量比依存性を示す。
このグラフから、光学的バンドギャップEtは流量比Rが大きくなるほど、小さくなることがわかる。
図15を求める際の測定に用いた、流量比Rが異なり書き込み状態の閾値電圧Vthを有する4つのメモリトランジスタに対し、150℃の温度で10年間保持した場合に相当する加速試験を行い、加速試験の前後での閾値電圧Vthを測定することにより、データ保持特性を求めた。
その閾値電圧Vthの低下は、図16から明らかなように、光学的バンドギャップが5.15eVの点を境に、その低下レートが大きくなるように変化している。つまり、光学的バンドギャップ5.15eVで閾値電圧変化が臨界点を有し、これより光学的バンドギャップEtが大きいと良好なデータ保持特性が得られない。したがって、良好なデータ保持特性を得るためには、光学的バンドギャップが5.15eVより大きいことが必要である。
具体的な評価手順は、第2の実施の形態で述べた相関設定ステップにおいて、データ保持特性と光学的バンドギャップEtとの相関を予め求めておく。前述した測定ステップにおいて、膜質(材質を含む)および作製条件が異なる窒化膜ごとに、吸収係数αを測定し、これを基に上記した方法により光学的バンドギャップEtを求める。そして、光学的バンドギャップEtが5.15eV以上となる窒化膜の材料および作製条件を特定する。
本実施の形態におけるメモリトランジスタの製造方法では、この窒化膜の作製条件を特定する方法と、この特定された作製条件を用いて窒化膜の成膜を行うことが第2実施の形態と異なる。その他の点は前述した第2の実施の形態におけるメモリトランジスタの形成方法と共通することから、ここでの記述は省略する。
本実施の形態では、高精度な電荷保持層(窒化膜)の評価パラメータを新たに提案し、それを用いた膜質評価方法、ならびに、膜質評価ステップを含む不揮発性メモリデバイスの製造方法を説明する。
また、窒化膜の発光スペクトルのピーク波長により、トラップ密度をモニタすることが可能なことを実験的に見出した。
これらの測定においては分光光度計を用い、その励起波長は250nmである。図17に示すグラフの縦軸は、測定の結果得られた発光スペクトルの強度(任意単位:a.u.)、その横軸は測定波長である。
図17より、発光スペクトルは流量比Rによって異なっていることがわかる。また、各発光スペクトルはピークを有し、流量比Rを大きくするにしたがってピーク波長も増大することが判明した。
このグラフから、流量比Rが大きくなるにつれて発光スペクトルのピーク波長λpは大きくなる(長波長側にシフトしていく)ことがわかる。
図18を求める際の測定に用いた、流量比Rが異なり書き込み状態の閾値電圧Vthを有する4つのメモリトランジスタに対し、150℃の温度で10年間保持した場合に相当する加速試験を行い、加速試験の前後での閾値電圧Vthを測定することにより、データ保持特性を求めた。
このグラフより、発光ピーク波長λpが大きくなる(長波長側にシフトする)につれて、書き込み状態のメモリトランジスタにおける10年後のVthは減少していることがわかる。書き込み状態閾値電圧Vthが低下すると、読み出し時の閾値電圧余裕(Vthマージン)が減少することから、データの読み出しが困難になる。
その閾値電圧Vthの低下において、図19から明らかなように、発光スペクトルのピーク波長λpが500nm付近を境に、その低下レートが急激に大きくなっている。つまり、発光スペクトルのピーク波長λp=500nmで閾値電圧変化が臨界点を有し、これよりピーク波長λpが大きいと良好なデータ保持特性が得られない。したがって、良好なデータ保持特性を得るためには、発光スペクトルのピーク波長λpが500nm以下であることが必要である。
図20に、上記図19の横軸のピーク波長をフォトンエネルギー単位(eV)に変換したグラフを示す。この変換後のエネルギーは、発光スペクトルのピークエネルギーを表す。
このグラフより、発光スペクトルのピークエネルギーEpが減少するにつれて、書き込み状態のメモリトランジスタにおける10年後のVthは減少していることがわかる。
その閾値電圧Vthの低下において、図20から明らかなように、発光スペクトルのピークエネルギーEpが2.5eV付近を境に、その低下レートが急激に大きくなっている。つまり、発光スペクトルのピークエネルギーEp=2.5eVで閾値電圧変化が臨界点を有し、これよりピークエネルギーEpが小さいと良好なデータ保持特性が得られない。したがって、良好なデータ保持特性を得るためには、発光スペクトルのピークエネルギーEpが2.5eV以上であることが必要である。
具体的な評価手順は、第2の実施の形態で述べた相関設定ステップにおいて、データ保持特性とピーク波長λpまたはピークエネルギーEpとの相関を予め求めておく。前述した測定ステップにおいて、膜質(材質を含む)および作製条件が異なる窒化膜ごとに、ピーク波長λpまたはピークエネルギーEpを測定する。そして、ピーク波長λpが500nm以下、または、ピークエネルギーEpが2.5eV以上となる窒化膜の材料および作製条件を特定する。
本実施の形態におけるメモリトランジスタの製造方法では、この窒化膜の作製条件を特定する方法と、この特定された作製条件を用いて窒化膜の成膜を行うことが第2実施の形態と異なる。その他の点は前述した第2の実施の形態におけるメモリトランジスタの形成方法と共通することから、ここでの記述は省略する。
本実施形態は、電荷保持特性のさらなる向上を目的として、ボトム絶縁膜と窒化膜のバルク層との間に意図的に構造遷移層を形成しているMONOS型メモリトランジスタに関する。この実施の形態は、前述した第1〜第4の実施の形態の何れに対しても重複適用可能である。
図21に、このMONOS型メモリトランジスタの断面構造において、図2の破線部Aの拡大図を示す。
このメモリトランジスタは、ボトム絶縁膜である第1の酸化膜12Aと電荷保持層として窒化膜12のバルク層(SiNx膜)12B2との間に、構造遷移層12B1、たとえばSiON膜を有する。このような構造遷移層12B1は、多少なりとも異なる組成の膜間には必然的にできるのであるが、本実施の形態では、窒化膜12Bの膜質改善のために意図的に、この構造遷移層12B1を設けている。
第1の酸化膜12Aと、窒化膜12Bのバルク層12B2との間に、構造遷移層12B1が存在することが明確にわかる。この構造遷移層(SiON膜)12B1は、図23に示すように、屈折率で見ると連続的に組成を有することがわかる。つまり、第1の酸化膜12Aに接するSiON膜(構造遷移層12B1)の屈折率は1.45であり、窒化膜のバルク層(SiN膜)12B2の屈折率は2.10であり、両者の間を連続的に屈折率が変化するように構造遷移層(SiON膜)12B1が形成されている。
まず、ドライ酸化方法により、900℃にて、第1の酸化膜12Aを8nm形成する。その後、ガスタイミングを制御することによってSiON膜(構造遷移層12B1)を形成する。より詳細には750℃にて、第1の酸化膜12A上にまず、SiH2Cl2(DCS)とN2Oの混合ガスを流し、数ミリ秒から数分の遅延時間を保持した後、アンモニア(NH3)ガスをチャンバ内に流す。
この操作により、酸化膜表面にスムーズに構造遷移層12B1(SiON膜)を成膜することが可能になる。なお、遅延時間はONO膜の仕様により異なる。
また、構造遷移層12B1となるSiON膜の組成を2種類で、2層構造としてもよい。あるいは、構造遷移層12B1となるSiON膜の組成を3種類以上とし、第1と第2のSiON膜の間に両者の中間の組成を有する第3のSiON膜を形成してもよい。これら複数の層の同定は単層膜の屈折率等を評価し、その屈折率等を目安に行えば可能であり、これにより屈折率または他の膜質評価パラメータが段階的に変化する積層絶縁膜12が得られる。
ここでは第1の酸化膜12Aをシリコン酸化膜、構造遷移層12B1をSiON膜、窒化膜12Bのバルク層12B2をDCS系ガスとHH3ガスとの反応で形成した窒化シリコン膜とする。構造遷移層12B1となるSiON膜はDCS、NH3、N2Oより形成する。
まず、DCS系ガスとN2Oガスを導入し、数ミリ秒より数分の後、NH3ガスを導入する。その後、所定のタイミングでN2Oガスの流量を絞ってゆく。なお、屈折率をステップ状に変化させる場合は、NH3ガスおよびN2Oガスの流量をステップ状に切り替える。
電荷保持層の主体となるバルク層12B2の形成では、モノシラン(SiH4),ジクロロシラン(SiCl2H2),トリクロロシラン(SiCl3H),テトラクロロシラン(SiCl4)などシリコンSiを含むガス、および、N2またはNH3など窒素原子を含むガスを原料としたCVD法によりSiNxを1nmから15nm堆積する。
とくに、データ保持特性では150℃、10年を達成することができた。
本発明の実施の形態は上記説明に限定されず、種々の変更が可能である。
電荷保持手段を多結晶シリコンまたは金属などからなる小粒径導電体から構成する場合、電荷保持層としては、たとえばボトム絶縁膜上に分散して形成された小粒径導電体と、その小粒径導電体間のスペースを埋める絶縁膜あるいは、その上層に窒化膜を形成する。この場合、この窒化膜の膜質評価パラメータの規格値を上述した第1〜第3の実施の形態の何れかに対応して規定する。つまり、Si−Hボンド密度を1×1021cm−3以下、そのボンド密度範囲が得られるような屈折率または消光係数(あるいは吸収係数)の範囲、発光スペクトルピークエネルギーが2.5V以上、発光スペクトルのピーク波長が500nm以上、発光スペクトルのピークエネルギーが2.5eV以下の中から任意に基準を設定し、その基準にしたがって窒化膜を形成する。
なお、最大電圧が6V以下というのが現行のデバイスにおいて閾値電圧が変化しにくい電荷注入を実現するための電圧範囲の目安であるが、より一般的な条件として、ゲート電圧Vgがドレイン電圧Vd以下であるという規格を満足するようにバイアス電圧を設定するとよい。この条件ではインパクトイオン化が十分に生じ、より高効率に電荷の注入が可能だからである。あるいは、ゲート電圧Vgから、ビットデータの記憶状態を規定する2つの閾値電圧のうち、より低い方の閾値電圧(たとえば、消去状態の閾値電圧)Vthlを引いた電圧値が、ドレイン電圧Vd以下であるという規格を満足するようにバイアス電圧を設定するとよい。(Vg−Vthl)=Vdはピンチオフ条件を規定している。つまり、ピンチオフ条件と同じか、それよりドレイン電圧Vdを大きくすると、横方向のドレインの電界が相対的に高くなりインパクトイオン化率が急に高まる。このためゲート電圧Vgの低減は、最低でも、Vg−Vthl≦Vdを満足するようになるまで行うことが望ましい。
以上より、本発明の適用によって、データ保持特性が殆ど低下しない、信頼性が高いメモリトランジスタを実現することが可能となる。
Claims (8)
- 半導体基板に形成されている2つのソース・ドレイン領域と、当該2つのソース・ドレイン領域間でチャネルが形成される半導体領域とゲート電極との間に積層され内部に電荷を保持する窒化膜を含む複数の絶縁膜と、をメモリトランジスタごとに備える不揮発性メモリデバイスの製造に際し、前記窒化膜の消光係数、光学的バンドギャップ、または、発光スペクトルのピーク波長を測定するステップと、
測定した前記消光係数の値、前記光学的バンドギャップの値、または、前記発光スペクトルのピーク波長から作製条件を特定するステップと、
特定した作製条件を用いて前記窒化膜を成膜するステップと、
を含む不揮発性メモリデバイスの製造方法。 - 前記消光係数の値から前記作製条件を求めるときの当該消光係数の値の規格が、波長240nmの紫外領域での複素屈折率の虚数部である消光係数が0.001以上で0.10以下、または、波長230nmの紫外領域での前記消光係数が0.001以上で0.14以下である
請求項1に記載の不揮発性メモリデバイスの製造方法。 - 前記光学的バンドギャップから前記作製条件を決めるときの当該光学的バンドギャップの規格が5.15eV以上である
請求項1に記載の不揮発性メモリデバイスの製造方法。 - 前記発光スペクトルのピーク波長から前記作製条件を決めるときの当該スペクトルのピーク波長の規格が500nm以下である
請求項1に記載の不揮発性メモリデバイスの製造方法。 - 半導体基板に形成されている2つのソース・ドレイン領域と、当該2つのソース・ドレイン領域間でチャネルが形成される半導体領域とゲート電極との間に積層され内部に電荷を保持する窒化膜を含む複数の絶縁膜と、をメモリトランジスタごとに備え、一方または双方の前記ソース・ドレイン領域側で前記窒化膜の局部に高エネルギー電荷を注入することにより前記メモリトランジスタのデータ記憶状態を変化させる不揮発性メモリデバイスの製造方法であって、
前記窒化膜の膜特性として、波長240nmの紫外領域での複素屈折率の虚数部である消光係数が0.001以上で0.10以下、または、波長230nmの紫外領域での前記消光係数が0.001以上で0.14以下となる、ジクロルシラン(DCS)とアンモニアのガス混合比を用いた化学的気相堆積を行うことで、Si−Hボンド密度が1×10 21 cm −3 以下の前記窒化膜を形成する、
不揮発性メモリデバイスの製造方法。 - 前記窒化膜は、窒化膜のバルク層と、当該窒化膜のバルク層と前記チャネルが形成される半導体領域上のボトム絶縁膜との間の組成を有し、前記窒化膜のバルク層のSi−Hボンド密度より低いSi−Hボンド密度を有する構造遷移層と、を含み、
前記構造遷移層を形成した後に、
前記バルク層の膜特性として、波長240nmの紫外領域での複素屈折率の虚数部である消光係数が0.001以上で0.10以下、または、波長230nmの紫外領域での前記消光係数が0.001以上で0.14以下となる、ジクロルシラン(DCS)とアンモニアのガス混合比を用いた化学的気相堆積を行うことで、Si−Hボンド密度が1×10 21 cm −3 以下の前記窒化膜のバルク層を形成する
請求項5に記載の不揮発性メモリデバイスの製造方法。 - 前記構造遷移層の組成を、前記ボトム絶縁膜に相対的に近い組成から前記窒化膜のバルク層に相対的に近い組成に次第に変化させる
請求項6に記載の不揮発性メモリデバイスの製造方法。 - 前記構造遷移層は、酸化窒化珪素SiOxNy(x,y>0)を主構成物質から作製する
請求項6に記載の不揮発性メモリデバイスの製造方法。
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