JPS58123774A - 不揮発性半導体記憶装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）　　発明の技術分野 本発明は不揮発性半導体記憶装置の製造方法、特に、フ
ローティングゲート形の不揮発性半導体記憶装置の製造
方法に関する０ （２）　　技術の背景 一般に、フローティングゲート形の不揮発性半導体記憶
装置たとえばＦＡＭＯ８（ＦＪｃｍｔｉｎｇ　　ｇａｔ
ｅＡｖａｉａｎｅｈｅ　−１ｎｊ＠ｅｔｌｏｎ　ＭＯＳ
　）においては、ドレイン接合近傍でのアバランシェブ
レークダウンによって発生したホットキャリアたとえば
ホットエレクト窒ンを絶縁体に８すれたフローティング
ゲートに注入する◎従って、たとえば、ｎチャネル形装
置であれに、フローティングゲートに電子が蓄積される
とスレッシェホールド値が高くなシ、他方、フローティ
ングゲートから電子が掃出されるとスレッシェホールド
値が低くなる。このような２つの状態が記憶装置＠１”
および１０″に対応する。

（３）　　従来技術と問題点 従来、上述の７０−ティング形の不揮発性半導体装置に
おける電気的消去すなわち７０−ティングゲートに蓄積
されたキャリアの掃出はトンネル効果を利用している。

しかしながら、この従来形においては、７Ｅｌ−ティン
グゲートとコントロールゲートとの間の絶縁膜を１キヤ
リアをトンネルさせるＯに十分薄くしなければならず、
たとえば、絶縁膜が酸化シリコン（Ｓｉｆｔ）の場合に
は〜３０Ａ程度の膜厚にしなければならず、従って、消
去動作が不安定な絶縁膜質に依存するという間艶点があ
る。また、絶縁膜を安定な膜厚たとえば３００Ａ程度に
した場合ＫＦｉコントロールゲートに高電圧を印加しな
ければならず、この結果、絶縁膜が静電破ｋＩｋを引起
こして装置の破壊を招くという問題接合を形成し且つコ
ントロールゲートｔ−２つ設け、コントロールゲート間
に印加された電圧によシフローティングゲート内にアバ
ランシェブレークダウンを引起こし、これにより発生す
るホットキャリアを掃出するという構想にもとづき、フ
ローティングゲートとコントロールゲートとの間の絶縁
膜を安定的な膜質にし且つ絶縁膜の電圧負担を小さくし
て、前述の従来形における間亀点を解決することｔ−徒
案じた（特−昭’５５−１８５３３６号）。

以下、図面により既提案装置を従来形と比較して説明す
る。

第１図（４）は従来ＯＦＡＭＯ８の構造を示す斜視図で
ある。第１図（Ａ）において、フィールド絶縁膜またと
えば比較的厚い酸化シリコン膜はフィールド領域を形成
し、他方、フィールド絶１１ｍ１が存在しない領域はア
クティブ領域を形成する。このアクティブ領域上には、
絶縁膜３（第１１囚に図示せず、第１図（６）および第
１図（Ｑに図示する）を介して７０−テイングゲートＦ
Ｇが形成され、さらに、フローティングゲートＦＧ上に
は、絶縁膜４（第１図（Ａ）Ｋ図示せず、第１図の）お
よび第１図（Ｑに図示する）ｔ−介してコントロールゲ
ー）ＣＧが形成されている。

第１１囚のＢ−Ｂ線の断面を示す第１図ＣＢ）において
分るように、フローティングゲートＦＧの下におけるア
クティブ領域にはＦＡＭＯ８のチャネル領域が形成され
、他の領域ＫＦ！、半導体基板２がＰ−形であれば、２
つ、のＮ＋形不純物領域が形成イ。

され、それぞれは、ソース領域Ｓおよびドレイン領域り
として作用する。なお、ＴＩ　＊　Ｔｎ　？　ＴＯは、
それぞれ、ソース、ドレイン、ゲートの電極ｋｙＲす０
また、第１図（ＱＦｉ第１図囚（ＤＣ−Ｃ，Ｉ（Ｄ断面
を示す。

第１図（４）に示すＦＡＭＯＳの記憶状ＩＩＩは７四−
ティングゲートＦＧにキャリアが蓄積しているが否かに
よって決定される。このようなＦＡＭＯ８において書込
みを行う場合には、ドレイン電極Ｔｏ　Ｋ′　　　正の
高電圧を印加してドレイン接合領域にアバランシブレー
クダウンを引起こさせる。この結果、アバランシブレー
クダウンによって発生するホットキャリアたとえばホッ
トエレクトロンのうち、半導体基板２と絶縁Ｈ３とによ
り形成されるエネルギー障壁（たとえば、シリコンとシ
リコン酸化族であれば大体３ｅＶ）を超えたものがフロ
ーティングゲートＦＧＫ注入されることになる。逆に１
第１図囚ＯＦＡＭＯ８の消去を行５場合には、トンネル
効果を利用している。この場合、コントロールグー）Ｆ
Ｇとフローティンググー）ＦＧとの間の絶縁１１ｔ４４
ｔ；！きわめて薄くなければならない。しかしながら、
薄い絶縁膜４たとえにシリコン酸化層を安定的に製造す
る仁と社非常に難がしく、首い換えると、薄い絶縁膜の
膜厚の製造ばらつきは非常に大きく、従って、ＦＡＭＯ
８の消去特性は絶縁膜４の不安定な膜質に依存するとい
う問題点がある０また、絶縁Ｍ４の膜厚を大き（し且つ
コントロールゲー）ＣＧの電極Ｔｏに高い電圧を印加す
ることによりて消去を行うと、絶縁膜４が静電破壊を起
こす可能性がある。

第２図（４）社前記した既提案装置の一実施例としての
ＦＡＭＯ８の構造を示す斜視図、菖２図（８）および第
２図Ｃ）は、それぞれ１ＩＥ２図囚のＢ−Ｂ線およびＣ
−Ｃ＠の断面図であって吃第２図囚〜第２図（Ｃ）ｔ！
第第１囚囚〜第１（６）Ｋそれぞれ対応する。従って、
第２図囚〜第２図（Ｑにおいて、第１図（８）〜第１図
（ＱＫおける構成要素と同一なＩ！素については同一の
参照番号を付しである。なお、１ｐＪｚ図の）は第１図
の）とは埋同−である。

第２１囚においては、第１図（４）の７０−テイングゲ
ートＦＧの代夛に２つの領域ＦＧ’　−１，ＦＧ’−２
に分割された７０−テインググートＦＧ’が設けられて
いる。この場合、領域ＦＧ’−１およびＦＧ’−２ｆｌ
、それぞれ、Ｎ形導電領域およびＰ＋形導電領域であり
、従って、領域ＦＧ’　−１と領域ＦＧ’　−２との境
界ＸＫＰＮ接合ができる。

また、第１１囚のコントロールグー）ＣＧに相当するコ
ントロールゲートＣＧ−１に加えて、もう１つのコント
ロールグー）ＣＧ−２が設けられている。この場合、コ
ントロールグー）Ｃ’Ｇ−１はフローティンググー）Ｆ
Ｇ’のＮ形導電領域ＦＧ’−１の上に位置し、他方、コ
ントロールゲートＣＧ−２はフローティンググー）ＦＧ
’のＰ十形導電領域ＦＧ’−２の上に位置している。ま
た、コントロールゲートＣＧ−２１′ｉコントロールゲ
ートＣＧ−１上に一部重畳するように形成されている。

また、コントロールゲートＣＧ−１の端ａＰ−Ｎ接合位
置ＸよりもΔＸＪだけＦＧ−１１１１１にずれて位置し
ている。第２ｆ！ｇ（ＯＫ示すように１上述の距離△Ｘ
ｊ　内に、両コントロールゲートＣＧ−１，ＣＧ−２間
の電位差がそれぞれの□間（の絶縁属を介しての容量結
合によって高電界を誘起させることができ、これによっ
て、後述のごとく消去動作を行うととができる。

以下、第２図（４）のＦＡＭＯ８の動作を説明する。

第３図囚〜第３図（ＱＦｉ第２図囚のＦＡＭＯ８の書込
み動作を示すための、７０−テイングゲートＦＧ’内の
Ｘｓ　７方向の二次元的エネルギーバンド図である。図
において、上面が伝導帯を示し、下面が価電子帯を示す
。ここで前面が、コントロールグー）ＣＧ側、後面が基
板側に相当する。第３９囚はキャリアが注入される前の
平衡状態でＦＧ内のＦＧ’−１，ＦＣ’−２のフェルき
レベルはコントロールグー）ＣＧのそれと一致してｏｖ
にある。次に１コントｐ−ルグートＣＧ−１．ＣＧ−２
１−共忙バイアスし、基板内でドレイン近傍に、アバラ
ンシェ降伏を引き起こすと、第３図の）に示すように１
発生したホットエレクトロンｔＦＧ’内特に第２図囚の
構造ではＮ型導電領域Ｆ’Ｇ’　−ＩＫ注入できる。領
域ＦＧ・’　−ＩＫとってはキヤ、１ リアの高度注入になるため、一部はＰ＋形導１１Ｌ領域
ＦＧ’−２に拡散し矢印Ｙ曾＊ＹｓＫ示すごとく、再結
合電流となる。この後に、コントロールグー）ＣＧ−１
，ＣＧ−２の電圧を切ると、第３図口に示すように、フ
ローティンググー）ＦＧＫ注入されたエレクトロンはコ
ントロールゲートＣＧおよび基板の間の絶縁膜の容量結
合により蓄積層として存在し、ポテンシャルはΔＶＴＨ
だけ下がる。

−ｔなわちスレッシュホールド値ＶＴＲはΔＶテＨだけ
上昇する。

第４図囚〜第４図Ｉｃ）は第２図囚のＦＡＭＯ８の消去
動作を説明するための７０−ティングゲ−Ｈ℃′のエネ
ルギーバンド図である。第３図（Ｑのごとく書込まれた
状態において、コントロールゲートＣＧ−２の電圧を零
に保持したままコントロールゲートＣＧ−１の電圧を正
の値Ｖａ　Ｋすると、上述の△Ｘｊは小さいために１第
４図囚の矢印Ｚｌに示すごとく７０−ティンググー）Ｆ
Ｇ’のＰＮ接合領域に高い電界が発生する。この状態で
は、Ｎ形専電領域ＦＧ’　−１内の多数キャリアは外部
からしゃへいされているため、注入された分と空乏化し
た部分よシのエレクトロンはコントロールグー）ＣＧ−
１とＮ型導電領域ＦＧ’−１間の絶縁膜を介した容量結
合でＦＧ’　−１側に蓄積されている。一方、Ｐ＋形導
電領域ＦＧ’　−２はコントロールゲートＣＧ−２がＯ
ＶＫ固定されているのでポテンシャルはΔＶＴＩ下がっ
た′ｔまである。この結果、アバランシェブレークダウ
ンがフローティンググー）ＦＧ’内で発生する。アバラ
ンシェブレークダウンによって発生したホットエレクト
ロンおよびホットホールは、それぞれ、Ｎ形導電領域Ｆ
Ｇ’　−１およびＰ十形導電領域ＦＧ’　−２に流れる
と共に、ホットエレクトロンの一部は絶縁膜４を介して
コントロールゲートＣＧ−１へ掃出される。

次に、コントロールグー）ＣＧ−１の電圧ＶＣを加えた
まま時間が経過した状態を第４図の）に示す０すなわち
、Ｎ形導電領域ＦＧ’　−Ｈａｔ電子がＣＧ−１側に蓄
積した状態であシ、またＰ＋形導電領域ＦＧ’　−２Ｌ
ホールがコントロールゲートＣＧ−２１１１に蓄積した
状態である。これは、ＰＮ接合付近およびＮｆｆ１導電
領域ＦＧ’　−１内のを乏層内で発生するエレクトロン
−ホールベアー発生によるもので、フ四−ティンググー
トＦＧ内のポテンシャルはコントクールＩ’−）ＣＧ−
１，ＣＧ−２の容量比で決まる電位になる。次にコント
ロールグー）ＣＧ−１の電圧ｔｏｖＫ戻した直後の状態
を第４図ｃ）Ｋ示す。ＮＷｌ及びＰｆｆｉ導電領域内に
＠槓されているキャリアは解放されて矢印ｚ黛およびＺ
、に示すごとくエレクトロン及びホールの再結合電流と
して移動する０この場合、Δｖｔｈ　’はホットエレク
トロンのコントロールゲートＣＧ−１への掃出分だけ第
３図口における値Δｖｔｈよシ小さい。従って、コント
ロールゲートＣＧ−ＩＫ電圧Ｖａ　ｔパルス状に与えて
、第４図（４）〜第４図００状態を繰返すことによシ、
第４図Ｃ）のΔｖｔｈ’はさらに小さくなる。すなわち
、消去動作を行えることになる。

なお、第４図（ＡＫおける実効的なＰＮ接合領領域　Ｉ
ＥＦＦｕ　（Ｖｏ　　ＶＦＩ　　Ｖｏｘ　　ａＶｔｈ　
）　／　ｌｈＸ　ｊ　ｓただしＶＦＩはフラットバシ：
ド電圧、またＶＯＸはＣＧ−１，ＦＧ’　−１間電圧に
よって近似できるので、上述のムＸＪｔ−小さくすれば
、コントロールグー）ＣＧ−１の正の印加電圧Ｖａ’ｔ
よシ／ＪＸさくすることができる。

以上説明したようＫＩｌｌＩ願昭５５−１８５３３６号
で提案した構造によれば、消去動作ｔ７０−ティングゲ
ート内のアバランシェブレークダウンによって行ってい
るので、７０−ティングゲートとコントロールゲートと
の間の絶縁膜は安定的な膜質管用いることができ、また
、絶縁膜の電圧負担を小さくすることができ、前述の従
来形における問題点の解決に役立つものである。

しかし上記の耽提案装置では、多結晶シリコン層から成
る７０−ティングゲート内に設けたＰＮ接合が消去動作
に関与しているので、その消去特性音良好なものとする
にはＰＮ接合特性を良好なものとする必要があるＯＫ対
し、チ細晶シリコン層内に形成したＰＮ接合はその特性
にバラツキを生じ勝ちで、単結晶中、ＩＰＮ接合と比べ
ると逆バ・”′： イアス時のリークは大で降伏電圧も不揃いになり勝ちで
ある。

（４＞　　発明の目的 本発明は以上の点に鑑み、多結晶シリコン層から成るフ
ローティング・ゲート中ＫＰＮ接合を設けた形式の不揮
発性半導体記憶装置において、このＰＮ接合の逆バイア
ス特性を改嵐し、もって消去動作特性及びその再現性の
改善を図ゐための製造方法を提供することを目的とする
。

（５）発明の構成 本発明による不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、ゲ
ート絶縁膜上からフィールド絶縁膜上に延在する半導体
層から成るフルーティング・ゲートを有し、該フローテ
ィング・ゲート内ＫＰＮ接合を設けた不揮発性半導体記
憶装置の製造方法であって、前記半導体層のうちフィー
ルド絶縁膜上の領域に対し選択的に高エネルギ・ビーム
管照射して、該領域の半導体層を溶融再結晶化させる工
程と、咳領域内に前記ＰＮ接合を形成する工程とを含む
ことを特徴とするものである０即ち本発明では、７０−
テイング争ゲート用のシリコン層に対し、レーザビーム
のような高エネルギビーム照射による溶融再結晶化を施
して、シリコン層を単結晶に近いものとし、そこに形成
されるＰＮ接合の逆バイアス特性を教養するのであるが
、ゲート絶縁膜上においてゲート用シリコン層を溶融再
結晶化させたのでは、ゲート部に致命的な損傷を与える
危険が極めて大であるため、フィールド絶縁膜上のみに
おいて選択的にビーム照射を行ない、ゲート部で熱的損
傷が発生するのを防止するものである。

（６）発明の！Ｊ施例 本発明実施例の製造工１１を第５図囚〜０により説明す
る０第５図の断面轢第２図（Ｑと同部分の断面構造を示
すものである。先ず纂５図囚は、従来と同様圧して厚い
フィールド絶縁ｊｌｌｔ−選択酸化法岬でもってシリコ
ン基板２上に形成し、薄いゲート絶縁Ｍ３を熱酸化法等
によシ形成した後ＶＣ１）四−ティング・ゲート用の多
結晶シリコン層ｌＯをゲート絶縁膜３上からフィールド
絶縁Ｍｌ上に延在する形に形成し、その表面に熱酸化層
１１を形成し良状態を示しである０多結晶シリコンは成
長時或い＃ｉ成長後ＫＮ形不純物管導入してＮ形としで
ある。

次に本発明による選択的レーザ照射を実施するためのマ
スク１１１２を形成する。ＹＡＧレーザを使用するとし
て、マスク膜１２としてはタングステンやモリブデンの
如き高融点で反射率の高い金属膜が適している。このマ
スク膜１２はゲート絶縁膜３上の領域に設けられ、レー
ザ・ビーム１３の照射から能動ゲート部を保護する。第
５図ω）の如く、レーザ・ビーム１３の照射によシ、多
結晶シリコン層１０のうちマスク膜１２で覆われていな
いフィールド絶縁膜１上の領域は溶融し再結晶化するこ
とになる。溶融再結晶化領域１０′はグレインサイズが
大となシ単結晶に近い結晶性を示すようになる。

マスク膜除去後、第１のコントロール・ゲート用の第２
層目多結晶シリコン層を積層し、フォトレジストをマス
クとしたエツチングによってバタ１〜 一二ングし、引続きＰ形不純物であるボμンをイオン注
入によりレジスト（図示せず）及び第２層目多結晶シリ
コン層１４によって覆われずに露出へ導入する。第５図
（ＱのＰ十形領域１５Ｆｉこのボロン導入によシ形成さ
れたものである。第２層目多結晶シリコン層１４表面に
も熱酸化ｉｌｌ　６ｔ−形成した後に第５図（至）に示
す如く、第２のコントロール・ゲートをなす第３層目多
結晶シリコン層パターン１７を形成する。ここで、ゲー
ト部をマスクとしてソース−ドレイン領域作成のための
Ｎ形不純物導入を不純物拡散或いはイオン注入により行
なうが、この工程は従来同様である。その様子は第２９
囚を参照すると容易に理解でき、不純物はフィールド絶
縁膜１及びゲートＣＧ−１，ＣＧ−２によりマスクされ
ていないソース領域形成部Ｓ並びにドレイン領域形成部
りへ選択的に導入される。以降の工程は従来と全く同様
でよく、かくして本発明実施例装置が完成する。

以上のように本実施例装−では、フィールド絶縁膜ｌ上
においてのみ、７０−ティング・ゲート用の多結晶シリ
コン層１０をレーザ・ビーム照射により溶融再結晶化さ
せ、単結１に近い良好な結晶性を呈する領域１０′を形
成してそこＫＰＮｉｉ合ｔ−設けであるため、そのＰＮ
接合の逆バイアス特性は良好で再現性が良く、従って既
述の消去特性として安定で良好なものが得られる一方、
溶融再結晶化工程によるゲート能動部の損傷は発生しな
いという効果が得られる。

（７）　　発明の効果 本発明によれば、フルーティング・ゲート内ＫＰＮ接合
を設けた形式の不揮発性牛導体記憶装置において、消去
特性を左右する前記ＰＮ接合の逆バイアス特性を安定に
良好なものとして動作特性の改善を図れると共に、その
製造工程においてゲート部に損傷を発生するといつ比類
の副次的欠点を派生しないので、実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

舅１図（Ａｌは従来のＦＡＭＯ８の構造を示す斜視図、
第１図ＣＢ）および第１図（０はそれぞれ、第１図（４
）のＢ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線の断面図、第２９囚は既提
案のＦＡＭＯ８の構造を示す斜視図、第２図の）および
第２図（Ｑは、それぞれ、第２９囚のＢ−Ｂ＠およびＣ
−Ｃ線の断面図、第３図囚〜第３図（財）は第２９囚（
２）ＦＡＭＯ８の書込動作を説明するためのフローティ
ングゲートＦＧ’のＸｐ”ｊ一方向の２次元的エネルギ
ーバンド図、第４図囚〜第４図口は第２９囚のＦＡＭＯ
８の消去動作′ｆｔ説明するためのフローティンググー
）ＦＧ’のＸｖＶ一方向の２次元的エネルギーバンド図
、第５図囚〜第５図（２）は本発明実施例の製造工程に
沿う基板断面図であるＯ ８・・ソース領域、Ｄ・・・ドレイン領域、ＦＧ、ＦＧ
’・・・フローティングゲート、ＦＧ’　−１・・・フ
ローティングゲートＦＧ’のＮ形導電領域、ＦＣ’　−
２・・・フローティングゲートＦＧ’のＰ十形導電領域
、ＣＧ・・・コントロールゲート、ＣＧ−１・・・蓋１
　ｔｖ　コントロールゲート、ＣＧ−２・・第２のコン
トロールゲート１，１・・・フィールド絶縁膜、２・・
・牛得体基板、３・・・第１の絶縁属、４・・・第２の
絶縁族、５　・第３の絶縁属、１０，１４．１７・・・
多結晶シリコン層、１２・・・高融点金属膜、１３・・
・高エネルギービーム〇

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ゲート絶縁膜上からフィールド絶縁膜上に延在する半導
   体層から成るフローティング・ゲートを有シ、＠７ａ−
   ｆ４７グーグート内ＫＰＮｍ合を設けた不揮発性半導体
   記憶装置の製造方法でありで、前記半導体層のうちフィ
   ールド絶縁膜上の領域に対し選択的に高エネルギー・ビ
   ームを照射して、該領域の半導体層を溶融再結晶化させ
   る工程と、該領域内に前記ＰＮ接合を形成する工程とを
   含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方
   法０