JPH11186414A - 不揮発性記憶装置およびその製造方法 - Google Patents
不揮発性記憶装置およびその製造方法Info
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Abstract
とドライエッチング技術との適合により、コントロール
ゲート、フローティングゲート間の接合容量を増大し、
低電圧、高速動作を実現する。 【解決手段】 第1のゲート絶縁膜3を介して半導体基
板1上に形成したフローティングゲート4,6と、フロ
ーティングゲート4,6と第2のゲート絶縁膜7を介し
て容量接合するコントロールゲート8とを有しており、
フローティングゲート4,6は、下地形状を反映して形
成される凹形状より深い凹形状となっており、フローテ
ィングゲート4,6の少なくとも凹状の内側側壁表面に
第2のゲート絶縁膜7を有している。
Description
憶装置に係わり、特にフラッシュメモリのメモリセルの
構造および製造方法に関する。
ゲート型半導体不揮発性記憶装置を示す断面図である。
図7に示す従来例のフローティングゲート型半導体不揮
発性記憶装置では、P型シリコン基板1の表面のフィー
ルド絶縁膜2により、隣り合う領域と電気的に絶縁され
たメモリセル領域に互いに離間してN型のソース9・ド
レイン10が形成され、ドレインとソースとにより挟ま
れた領域にメモリセルのチャネル領域16が形成され
る。またチャネル領域16上には第1のゲート絶縁膜3
を介してフローティングゲート4が形成され、フローテ
ィングゲート4上には第2のゲート絶縁膜7を介してコ
ントロールゲート8が形成される。
型半導体不揮発性記憶装置を製造するには、シリコン基
板1上にフィールド絶縁膜2、第1のゲート絶縁膜3、
チャネル領域16等を形成し、その後、基板全面に多結
晶シリコン膜を堆積し、これをフローティングゲートの
形状に加工し、その後、N型不純物を導入してフローテ
ィングゲート4、ドレイン10、およびソース9をそれ
ぞれ形成し、表面に熱酸化によるシリコン酸化膜を形成
し、このシリコン酸化膜のみ、あるいはシリコン窒化膜
との積層膜からなる第2のゲート絶縁膜7を形成する。
さらに、コントロールゲート8を形成し、フローティン
グゲート型半導体不揮発性記憶装置が形成される。
は、第1のゲート絶縁膜によるチャネル領域、フローテ
ィングゲート間の容量接合、および第2のゲート絶縁膜
によるフローティングゲート、コントロールゲート間の
容量接合の間の容量分割により定まり、第2ゲート絶縁
膜によるフローティングゲート、コントロールゲート間
の容量接合を大きくする必要性がある。
ングゲートをフィールド絶縁膜上に平面的に延在させて
いた。このため、フローティングゲート型半導体不揮発
装置の大容量化は困難であった。
ート酸化膜3を介して半導体基板1上に形成したフロー
ティングゲート17と、フローティングゲート17と第
2ゲート絶縁膜7を介して容量接合するコントロールゲ
ート8とからなるフローティングゲート型半導体不揮発
性記憶装置において、下地形状を反映して形成される凹
形状より深い凹形状のフローティングゲートを有し、フ
ローティングゲートの少なくとも凹状の内側側壁表面に
第2のゲート絶縁膜が形成されている構造が開発されて
いる。
ティングゲート17を図6に示すような凹形状に加工す
るためには、溝形成に使用するリソグラフィー工程を増
加させる必要があり、しかも凹形状フローティングゲー
トの内側側壁間の寸法がフォトリソグラフィーの最小寸
法以上必要である。このため、目合わせが困難になり、
フローティングゲート形状のばらつきが生じ、容量接合
のばらつきが大きくなるという問題が生じている。ま
た、それを回避するため、フローティングゲートの幅を
大きくすると、大容量化に不向きになってしまうという
問題がある。
ことなく、化学機械的研磨技術とドライエッチング技術
との適合により、コントロールゲート、フローティング
ゲート間の接合容量を増大し、低電圧、高速動作を実現
した不揮発性記憶装置およびその製造方法を提供するこ
とにある。
め、本発明に係る不揮発性記憶装置は、第1のゲート絶
縁膜を介して半導体基板上に形成したフローティングゲ
ートと、前記フローティングゲートと第2のゲート絶縁
膜を介して容量接合するコントロールゲートとからなる
スタックゲート型半導体不揮発性記憶装置であって、下
地形状を反映して形成される凹形状より深い凹形状のフ
ローティングゲートを有し、前記フローティングゲート
の少なくとも凹状の内側側壁表面に第2のゲート絶縁膜
を有するものである。
前記凹形状の溝方向に対して、コントロールゲートが特
定の姿勢に形成され、前記コントロールゲートが前記凹
形状内に配設されたものである。
記凹形状の溝方向に対して、コントロールゲートが平行
に形成されたものである。
前記凹形状の溝方向に対して、コントロールゲートが直
交に形成されたものである。
造方法は、第1のゲート絶縁膜を介して半導体基板上に
形成したフローティングゲートと、前記フローティング
ゲートと第2のゲート絶縁膜を介して容量接合するコン
トロールゲートとからなるスタックゲート型半導体不揮
発性記憶装置の製造方法であって、非晶質シリコン膜,
多結晶シリコン膜もしくはその組み合わせによる前記フ
ローティングゲートを形成する工程と、フォトリソグラ
フィー技術とシリコンのドライエッチング技術との組み
合わせによることなく、化学機械的研磨技術とシリコン
のドライエッチング技術とを組み合わせることによって
前記フローティングゲートを前記凹形状に形成する工程
とを有するものである。
発性記憶装置(スタックゲート型メモリセル)において
は、化学機械的研磨技術とドライエッチング技術との適
合により、新たにリソグラフィー技術を導入することな
く、自己整合的にフローティングゲートの形状を凹状に
形成し、それに沿うように第2のゲート絶縁膜及びコン
トロールゲートを形成することにより、コントロールゲ
ート、フローティングゲート間の接合容量を増大し、そ
の結果メモリセル占有面積を増大させることなく、低電
圧、高速動作を可能にする。
を用いて説明する。
1に係るスタックゲート型半導体不揮発性記憶装置(ス
タックゲート型メモリセル)を示す図であって、図1
(a)は、図1(c)のA−A’線断面図、図1(b)
は、図1(c)のB−B’線断面図、図1(c)は平面
図である。
スタックゲート型半導体不揮発性記憶装置(スタックゲ
ート型メモリセル)は、第1のゲート絶縁膜3を介して
半導体基板1上に形成したフローティングゲート4,6
と、フローティングゲート4,6と第2のゲート絶縁膜
7を介して容量接合するコントロールゲート8とからな
るスタックゲート型半導体不揮発性記憶装置であり、フ
ローティングゲート4,6は、下地形状を反映して形成
される凹形状より深い凹形状をなし、フローティングゲ
ート4,6の少なくとも凹状の内側側壁表面に第2のゲ
ート絶縁膜7を有することを特徴とするものである。
る凹形状の溝方向に対して、コントロールゲート8は特
定の姿勢に、例えば平行或いは直交に形成され、コント
ロールゲート8は、フローティングゲート4,6の凹形
状内に配設されている。
するには、まず、非晶質シリコン膜,多結晶シリコン膜
もしくはその組み合わせによる深い凹形状のフローティ
ングゲート4,6を形成する処理を行い、さらにフォト
リソグラフィー技術とシリコンのドライエッチング技術
との組み合わせによることなく、化学機械的研磨(以
下、CMPという)技術とシリコンのドライエッチング
技術とを組み合わせることによってフローティングゲー
ト4,6を深い凹形状に形成する処理を行う。
施形態1として図1に基づいて説明する。図2(a)〜
(i)は、本発明の実施形態1に係るスタックゲート型
半導体不揮発性記憶装置(スタックゲート型メモリセ
ル)の製造方法を工程順に示す断面図、図2(j)は、
ソース・ドレイン方向における断面図である。なお、本
発明の実施形態に係るメモリセルでは、半導体膜として
シリコン膜、ゲート酸化膜としてシリコン酸化膜、絶縁
膜としてシリコン酸化膜、半導体基板としてシリコン基
板を用いている。
S分離法でフィールド絶縁膜2を形成したシリコン基板
1上の素子領域に、膜厚80Åの第1の(トンネル)ゲ
ート酸化膜3を熱酸化法により形成する。その後、浮遊
ゲート電極(フローティングゲート4)用の膜厚300
0Åのポリシリコン膜4をCVD法で形成する。
ィ技術とドライエッチング技術によりストライプ状に加
工し、フローティングゲート4を形成する。
全面に膜厚4000Åのシリコン窒化膜(埋込絶縁膜)
5をCVD法で形成し、さらに図2(d)に示すよう
に、フローティングゲート4が露出するまで、CMPに
よってシリコン窒化膜(埋込絶縁膜)5を平坦に研磨す
る。
ティングゲート4を、その膜厚が1500Åになるまで
ドライエッチング技術によって掘り下げる。
膜厚1500Åのポリシリコン膜(フローティングゲー
ト)6をCVD法によって形成する。
イエッチングを用いてシリコン窒化膜5が露出するま
で、ポリシリコン膜6をエッチバックすることにより、
シリコン窒化膜5の凹部側壁にポリシリコン膜6による
サイドウォールを形成し、このサイドウォールをフロー
ティングゲート6として用いる。したがって、本発明の
実施形態1では、フローティングゲート4の両端からフ
ローティングゲート6が立上がり、浮遊ゲート電極は、
フローティングゲート4と6との組み合わせから構成さ
れ、かつフローティングゲート4からフローティングゲ
ート6が立上がった分だけ深い凹形状をなす溝として構
築される。
埋込用シリコン窒化膜5をウェットエッチングによって
除去し、さらに図2(i)に示すように、基板全面に第
2のゲート絶縁膜であるONO膜7を形成する。さら
に、基板全面に制御ゲート電極用ポリシリコン膜(コン
トロールゲート)8を堆積し、図2(j)に示すよう
に、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによっ
て、ストライプ状のフローティングゲート4,6と直交
するストライプ状のパターンにポリシリコン膜8をエッ
チング加工し、ポリシリコン膜からなるコントロールゲ
ート8を形成する。この場合、第1のゲート絶縁膜3が
露出するまで、コントロールゲート(制御ゲート電極)
8、第2のゲート絶縁膜7、フローティングゲート(浮
遊ゲート電極)4,6をエッチング加工する。コントロ
ールゲート(制御ゲート電極)8は、ワード線に該当す
る制御ゲート電極パターンとなる。
電極)8をマスクにして、砒素のイオン注入を行い、ソ
ース11・ドレイン拡散層12を形成する。
は、CMP技術とドライエッチング技術との適合によ
り、新たにリソグラフィー技術を導入することなく、自
己整合的にフローティングゲート4,6の形状を深い凹
形状に形成し、それに沿うように第2のゲート絶縁膜7
及びコントロールゲート8を形成することにより、コン
トロールゲート8とフローティングゲート4,6間の接
合容量を増大することができ、メモリセル占有面積を増
大させることなく、低電圧、高速動作を実現することが
できる。
発明の実施形態2に係るスタックゲート型半導体不揮発
性記憶装置(スタックゲート型メモリセル)の製造方法
を工程順に示す断面図、図3(j)は、ソース・ドレイ
ン方向における断面図である。
S分離法でフィールド絶縁膜2を形成したシリコン基板
1上の素子領域に、膜厚80Åの第1のゲート絶縁膜3
を熱酸化法により形成する。その後、浮遊ゲート電極用
としての膜厚1500Åのポリシリコン(フローティン
グゲート)膜4とCMPストッパー用の膜厚300Åの
シリコン酸化膜13と膜厚1800Åのシリコン窒化膜
14をCVD法で順次形成する。
ン膜4とシリコン酸化膜13とシリコン窒化膜14をフ
ォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術によりス
トライプ状に加工する。
膜厚4000Åのシリコン酸化膜15をCVD法で形成
し、続いて図3(d)に示すように、CMPストッパー
用のシリコン窒化膜14が露出するまで、CMPによっ
て平坦に研磨する。
ストッパー用のシリコン窒化膜14と、その下層のシリ
コン酸化膜13をウェットエッチングにより除去する。
膜厚1500Åのポリシリコン膜(フローティングゲー
ト)6をCVD法によって形成する。
性ドライエッチングを用いてシリコン酸化膜15が露出
するまで、ポリシリコン膜6をエッチバックすることに
より、シリコン酸化膜15の凹部側壁にポリシリコン6
のサイドウォールを形成し、このサイドウォールをフロ
ーティングゲート6として用いる。したがって、本発明
の実施形態2では、フローティングゲート4の両端から
フローティングゲート6が立上がり、浮遊ゲート電極
は、フローティングゲート4と6との組み合わせから構
成され、かつフローティングゲート4からフローティン
グゲート6が立上がった分だけ深い凹形状をなす溝とし
て構築される。
化膜15をウェットエッチングによって除去する。
第2のゲート電極であるONO膜7を形成し、さらに、
基板全面に制御ゲート電極用ポリシリコン膜(コントロ
ールゲート)8を堆積し、図3(j)に示すように、フ
ォトリソグラフィ技術とドライエッチングによって、ス
トライプ状のフローティングゲート4,6と直交するス
トライプ状のパターンにポリシリコン膜8をエッチング
加工し、ポリシリコン膜からなるコントロールゲート8
を形成する。この場合、第1のゲート絶縁膜3が露出す
るまで、コントロールゲート(制御ゲート電極)8、第
2のゲート絶縁膜7、フローティングゲート(浮遊ゲー
ト電極)4,6をエッチング加工する。コントロールゲ
ート(制御ゲート電極)8は、ワード線に該当する制御
ゲート電極パターンとなる。
電極)8をマスクにして、砒素のイオン注入を行い、ソ
ース11・ドレイン拡散層12を形成する。
発明の実施形態3に係るスタックゲート型半導体不揮発
性記憶装置(スタックゲート型メモリセル)の製造方法
を工程順に示す断面図、図4(j)は、ソース・ドレイ
ン方向における断面図である。素子分離はLOCOS分
離法に限られるものではなく、リセスLOCOSや、S
TIにおいても適用可能である。また、フローティング
ゲートの形状は、素子分離領域まで伸延している形状に
限られたものではなく、素子分離領域とオーバーラップ
していない実施形態について図4を用いて説明する。
S分離法でフィールド絶縁膜2を形成したシリコン基板
1上の素子領域に、膜厚80Åの第1のゲート絶縁膜3
を熱酸化法により形成する。その後、浮遊ゲート電極用
の膜厚3000Åのポリシリコン膜(フローティングゲ
ート)4をCVD法で形成する。
ン膜4をフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技
術によりストライプ状に加工し、ポリシリコン膜からな
るフローティングゲート4を形成する。フローティング
ゲート(浮遊ゲート電極)4をマスクにして、砒素のイ
オン注入を行い、ソース9・ドレイン拡散層10を形成
する(図4(i)参照)。
埋込膜用の膜厚4000Åのシリコン窒化膜5をCVD
法で形成し、図4(d)に示すように、ポリシリコン膜
4が露出するまで、CMPによって平坦に研磨する。
ート電極用ポリシリコン膜4を、その膜厚が1500Å
になるまでドライエッチング技術によって掘り下げる。
膜厚1500Åのポリシリコン膜(フローティングゲー
ト)6をCVD法によって形成する。
性ドライエッチングを用いてシリコン窒化膜5が露出す
るまで、ポリシリコン膜6をエッチバックすることによ
り、シリコン窒化膜5の凹部側壁にポリシリコン6のサ
イドウォールを形成し、このサイドウォールをフローテ
ィングゲート6として用いる。したがって、本発明の実
施形態3では、フローティングゲート4の両端からフロ
ーティングゲート6が立上がり、浮遊ゲート電極は、フ
ローティングゲート4と6との組み合わせから構成さ
れ、かつフローティングゲート4からフローティングゲ
ート6が立上がった分だけ深い凹形状をなす溝として構
築される。
化膜5をウェットエッチングによって除去する。
第2のゲート電極であるONO膜7を形成し、さらに、
基板全面に制御ゲート電極用ポリシリコン膜(コントロ
ールゲート)8を堆積し、図4(j)に示すように、フ
ォトリソグラフィ技術とドライエッチングによって、ス
トライプ状のフローティングゲート4,6と直交するス
トライプ状のパターンにポリシリコン膜8をエッチング
加工し、ポリシリコン膜からなるコントロールゲート8
を形成する。この場合、第1のゲート絶縁膜3が露出す
るまで、コントロールゲート(制御ゲート電極)8、第
2のゲート絶縁膜7、フローティングゲート(浮遊ゲー
ト電極)4,6をエッチング加工する。コントロールゲ
ート(制御ゲート電極)8は、ワード線に該当する制御
ゲート電極パターンとなる。
上にフローティングゲート(浮遊ゲート)を延長配置さ
せ、フローティングゲート4,6とコントロールゲート
(制御ゲート電極)8間の容量接合を増大させていた
が、本発明の実施形態3のようにフィールド幅よりも狭
い幅をもつフローティングゲート(浮遊ゲート電極)で
も、充分に前記容量接合を増大させることができ、その
結果、セル面積を縮小することが可能となる。
発明の実施形態3に係るスタックゲート型半導体不揮発
性記憶装置(スタックゲート型メモリセル)の製造方法
を工程順に示す断面図、図5(j)は、ソース・ドレイ
ン方向における断面図である。ソース・ドレイン拡散層
はコントロールゲートの伸長方向に対し、直交方向の配
置に限られたものではなく、平行方向に配置させた実施
形態について図5を用いて説明する。
S分離法でフィールド絶縁膜2を形成したシリコン基板
1上の素子領域に、膜厚80Åの第1のゲート絶縁膜3
を熱酸化法により形成する。その後、基板全面に浮遊ゲ
ート電極用の膜厚3000Åのポリシリコン膜(フロー
ティングゲート)4をCVD法で形成する。
ン膜4をフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技
術によりストライプ状に加工し、ポリシリコン膜からな
るフローティングゲート4を形成する。このフローティ
ングゲート(浮遊ゲート電極)4をマスクにして、砒素
のイオン注入を行い、ソース11・ドレイン拡散層12
を形成する。
埋込膜用の膜厚4000Åのシリコン窒化膜5をCVD
法で形成し、図5(d)に示すように、ポリシリコン膜
4が露出するまで、CMPによって平坦に研磨する。
ート電極用ポリシリコン膜4を、その膜厚が1500Å
になるまでドライエッチング技術によって掘り下げる。
膜厚1500Åのポリシリコン膜(フローティングゲー
ト)6をCVD法によって形成する。
性ドライエッチングを用いてシリコン窒化膜5が露出す
るまで、ポリシリコン膜6をエッチバックすることによ
り、シリコン窒化膜5の凹部側壁にポリシリコン6のサ
イドウォールを形成し、このサイドウォールをフローテ
ィングゲート6として用いる。したがって、本発明の実
施形態3では、フローティングゲート4の両端からフロ
ーティングゲート6が立上がり、浮遊ゲート電極は、フ
ローティングゲート4と6との組み合わせから構成さ
れ、かつフローティングゲート4からフローティングゲ
ート6が立上がった分だけ深い凹形状をなす溝として構
築される。
化膜5をウェットエッチングによって除去する。
第2のゲート電極であるONO膜7を形成し、さらに、
基板全面に制御ゲート電極用ポリシリコン膜(コントロ
ールゲート)8を堆積し、図5(j)に示すように、フ
ォトリソグラフィ技術とドライエッチングによって、ス
トライプ状のフローティングゲート4,6と直交するス
トライプ状のパターンにポリシリコン膜8をエッチング
加工し、ポリシリコン膜からなるコントロールゲート8
を形成する。この場合、第1のゲート絶縁膜3が露出す
るまで、コントロールゲート(制御ゲート電極)8、第
2のゲート絶縁膜7、フローティングゲート(浮遊ゲー
ト電極)4,6をエッチング加工する。コントロールゲ
ート(制御ゲート電極)8は、ワード線に該当する制御
ゲート電極パターンとなる。
己整合的にフローティングゲート(浮遊ゲート)の形状
を深い凹形状に形成することができ、セル面積を変化さ
せることなく、スタックゲート型メモリセルのフローテ
ィングゲートとコントロールゲート間の容量を大きくす
ることができ、その結果、高速・低消費電力動作を実現
することができる。
導体不揮発性記憶装置(スタックゲート型メモリセル)
を示す図であって、図1(a)は、図1(c)のA−
A’線断面図、図1(b)は、図1(c)のB−B’線
断面図、図1(c)は平面図である。
係るスタックゲート型半導体不揮発性記憶装置(スタッ
クゲート型メモリセル)の製造方法を工程順に示す断面
図、図2(j)は、ソース・ドレイン方向における断面
図である。
係るスタックゲート型半導体不揮発性記憶装置(スタッ
クゲート型メモリセル)の製造方法を工程順に示す断面
図、図3(j)は、ソース・ドレイン方向における断面
図である。
係るスタックゲート型半導体不揮発性記憶装置(スタッ
クゲート型メモリセル)の製造方法を工程順に示す断面
図、図4(j)は、ソース・ドレイン方向における断面
図である。
係るスタックゲート型半導体不揮発性記憶装置(スタッ
クゲート型メモリセル)の製造方法を工程順に示す断面
図、図5(j)は、ソース・ドレイン方向における断面
図である。
(a)のB−B’線断面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 第1のゲート絶縁膜を介して半導体基板
上に形成したフローティングゲートと、前記フローティ
ングゲートと第2のゲート絶縁膜を介して容量接合する
コントロールゲートとからなるスタックゲート型半導体
不揮発性記憶装置であって、 下地形状を反映して形成される凹形状より深い凹形状の
フローティングゲートを有し、 前記フローティングゲートの少なくとも凹状の内側側壁
表面に第2のゲート絶縁膜を有することを特徴とする不
揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項2】 前記フローティングゲートにおける前記
凹形状の溝方向に対して、コントロールゲートが特定の
姿勢に形成され、前記コントロールゲートが前記凹形状
内に配設されたものであることを特徴とする請求項1に
記載の不揮発性記憶装置。 - 【請求項3】 前記フローティングゲートにおける前記
凹形状の溝方向に対して、コントロールゲートが平行に
形成されたものであることを特徴とする請求項2に記載
の不揮発性記憶装置。 - 【請求項4】 前記フローティングゲートにおける前記
凹形状の溝方向に対して、コントロールゲートが直交に
形成されたものであることを特徴とする請求項2に記載
の不揮発性記憶装置。 - 【請求項5】 第1のゲート絶縁膜を介して半導体基板
上に形成したフローティングゲートと、前記フローティ
ングゲートと第2のゲート絶縁膜を介して容量接合する
コントロールゲートとからなるスタックゲート型半導体
不揮発性記憶装置の製造方法であって、 非晶質シリコン膜,多結晶シリコン膜もしくはその組み
合わせによる前記フローティングゲートを形成する工程
と、 フォトリソグラフィー技術とシリコンのドライエッチン
グ技術との組み合わせによることなく、化学機械的研磨
技術とシリコンのドライエッチング技術とを組み合わせ
ることによって前記フローティングゲートを前記凹形状
に形成する工程とを有することを特徴とする不揮発性記
憶装置の製造方法。
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