JPS61225872A - 半導体不揮発性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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば多結晶シリコン膜（以下ポリシリコン
膜）の表面に設けた凹凸部での電界集中を利用して、比
較的厚い（４００〜２０００人）酸化膜等の絶縁膜を介
してトンネル電流を流し、フローティングゲートに対し
電荷を注入して書込み、又は消去することが可能な半導
体不揮発性記憶装置およびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、フローティングゲートや書込みゲートをなすポリ
シリコン膜の形成時に、ポリシリコン表面に凹凸部を意
図的に制御、形成し、この凹凸部で電界集中を起こし、
電子の放電源として比較的厚い酸化膜（例えば８００人
）でもトンネル電流を流してＥＥＦＲＯＭ　（電気的に
消去、書込みの可能な不揮発性メモリ）として利用する
技術が発表されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このポリシリコン表面の凹凸部の形状を
制御するためには、ポリシリコンの析出工程、及びその
後の酸化処理工程等において微妙な制御が必要であり、
その制御が非常に難しく、またバラツキが大きくなり易
く、従って信頼性の面で問題が残っている。

本発明は、上記点に鑑み、上記した如き特別の処理を用
いてポリシリコン膜の表面に凹凸部を形成する必要がな
く、ポリシリコン膜の析出直後のポリシリコン表面の凹
凸部を利用することによって、製造プロセスが簡単で高
性能な半導体不揮発性記憶装置およびその製造方法を従
供することを目的とする。

〔発明の概要〕

すなわち、本発明では、ポリシリコン膜の表面に酸化処
理後、所定の凹凸部を形成するのではなく、ポリシリコ
ン膜の析出直後に形成されたポリシリコン表面の凹凸部
を利用することである。

このポリシリコン析出直後の凹凸部は析出時の条件のみ
で決定されるので非常に精度良く制御が可能である。そ
して、所定の温度以上でこのポリシリコン膜を熱酸化す
ると、このポリシリコン表面の凹凸形状がほぼ熱酸化膜
表面に継承されるが、ポリシリコン膜の表面ではポリシ
リコンの再結晶化が起こり、この表面がほぼ平滑化され
、この部分での電界集中を防止できることを本発明者等
は見出した。

そこで、この熱酸化膜表面に新たなポリシリコン膜を形
成すれば、この熱酸化膜と重なる部分のポリシリコン層
の下側表面に所定の凹凸部が容易に形成し得る。つまり
、下部にあるポリシリコン膜の上側表面は平滑化され、
他方酸化膜を介して対向して上部にあるポリシリコン膜
の下側表面は凹凸部が形成されることにより、上部のポ
リシリコン腹側のみ電界集中を起こしやすくして、一方
向のみ電子（又は電荷）を流しやすくできるような構造
が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。本発明は不揮
発性半導体メモリ、例えばＥＰＲＯＭやＥＥＰＲＯＭに
適用可能であるが、この実施例ではＥＥＦＲＯＭのメモ
リセル、その中でも書込み用ゲートと消去用ゲートを基
板上に有するメモリに適用した例を示す。もちろん、書
込み手段として半導体基板内部のブレイクダウン現象を
用いる構造のものにも適用できる。

第１図はＥＥＦＲＯＭの要部概略構造を示し、１は比抵
抗５〜２０Ω・備、面方位（１００）を有するＰ−型シ
リコン基板、２は選択酸化技術を用いて形成された厚さ
約１．０μｍのフィールド酸化膜、３はフィールド酸化
膜２上に選択形成された消去用ゲートをなす第１のポリ
シリコン膜、４は第１のポリシリコン膜３の表面上に形
成された第１の熱酸化膜、５は第１の熱酸化膜４の一部
及びフィールド酸化膜２上に選択形成されたフローティ
ングゲートをなす第２のポリシリコン膜、６は第２のポ
リシリコン膜の表面上に形成された第２の熱酸化膜、７
は第２の熱酸化膜６の一部及びフィールド酸化膜２上に
選択形成された電荷注入（書込み）用ゲートをなす第３
のポリシリコン膜、８は例えばＣＶＤ−５ｉｎ、等から
なる絶縁膜である。

なお、９．１０はＭＯＳトランジスタとしてのｎ＋型の
ソース領域、ドレイン領域で、これら領域は紙面に垂直
方向に延びているが、その他の配線用金属層、及び導通
用のコンタクト部などは省略して示しである。

第１．第２の熱酸化膜４，６の表面の凹凸部は、この場
合筒１．第２のポリシリコン膜３．５の表面に存在した
凹凸が熱酸化時に熱酸化膜表面にそのまま継承されて形
成されたものである。そこで、これら第１．第２の熱酸
化膜４．６の凹凸表面上に第２．第３のポリシリコン膜
５，７が形成されるため、これらポリシリコン膜５．７
の下側表面に結果として凹凸部が実質的に形成されるこ
とになる。

そのため、フローティングゲートをなす第２のポリシリ
コン膜５への電荷の注入書込み、消去に際しては、第３
のポリシリコン膜７及び第２のポリシリコン膜５の下側
表面の凹凸部に十分な電界集中を起こし、比較的厚い酸
化膜を介しても十分に書込み、消去が可能となる。それ
に対し、第１゜２のポリシリコン膜３．５の表面はほぼ
平滑化されているため電界集中はほとんど起こさず、逆
方向からの電子の流出、すなわち漏れ電流は極力防止さ
れる。それによって、記憶保持特性の向上も可能にし得
る。

第２図及び第３図はそれぞれこのＥＥＦＲＯＭに対する
書込み及び消去の動作状態を示している。

第２図に示す如く書込みを行う場合には、第３のポリシ
リコン膜（電荷注入用ゲート）７を接地電位（Ｖ３＝Ｏ
）とし、シリコン基板１を高電位（■３、例えば１０■
）とし、第１のポリシリコン膜（消去用ゲー１３を中電
位（■２、例え＝ば５Ｖ）とすると＜　ｖ　＋　＞　ｖ
　ｚ　＞　Ｖ　３　）　、第３のポリシリコン膜７の凹
凸部に電界集中が起こって電子が第２のポリシリコン膜
（フローティングゲート）５側へ注入され所定の書込み
がなされる。

一方、第３図に示す如く消去の場合には、第３のポリシ
リコン膜７を中電位（ｖ３、例えば５Ｖ）とし、シリコ
ン基板ｌを接地電位（Ｖｌ　〜０）、第１のポリシリコ
ン膜３を高電位（ｖ２、例えば１０■）とすると（ｖ、
＞ｖ、＞ｙ、）　、第２のポリシリコン膜５の凹凸部に
電界集中が起こって電子が第１のポリシリコン膜３側へ
流出され消去がなされる。

次に、第１図に示すＥＥＰＲＯＭの製造方法について説
明する。

まず、第４図に示す如く、Ｐ−型シリコン基板ｌの表面
に通常の選択酸化技術を用いて厚さ約１゜０ｐｍのフィ
、−ルド酸化膜２を形成し、基板全面にいわゆる減圧Ｃ
ＶＤ法により５５０〜６５０℃の温度雰囲気で、シラン
ガス（ＳｉＨ４）と同時にホスフィン（ＰＨｚ）を流し
ながら所定のポリシリコン膜を析出し、その後選択エツ
チングして所定パターンの第１のポリシリコン膜３を形
成する。ここで、ポリシリコン膜中のリン濃度は１×１
０　”〜７　Ｘ　１０　”ｃｒｍ−”、好ましくは３Ｘ
１０ｔ０〜６×１０　”ｅｌｌｌ−３とするのが、次工
程の酸化処理温度を考慮した場合に最適である（第８図
参照）。

この時、ポリシリコン膜の表面にできる凹凸は温度制御
を適切に行うことにより十分精度良く形成できる。

次に、フィールド部以外の肉薄な酸化膜２をエチング除
去してシリコン基板１の表面を部分的に露出し、９００
〜１２００℃、好ましくは１０００〜１）００℃で、か
つ乾燥酸素（ＤｒｙＯｚ）又はそこに塩素（ＨＣＮ）を
含有したガス雰囲気で、酸化処理（新たな酸化膜２Ａの
膜厚が４００〜１５００人だけ形成される程度）を行う
。この時、第１のポリシリコン膜３の表面に形成された
第１の熱酸化膜４はポリシリコン析出時の表面形態（つ
まり凹凸面）を継、承しているが、熱酸化後の第１のポ
リシリコン膜３の表面はポリシリコンの再結晶化が起こ
り、結晶粒径が大きくなるとともにポリシリコン膜表面
がほぼ平滑化されることが分かった（第５図参照）。こ
の現象は、本発明者等の実験によれば、第８図に示す如
くポリシリコン膜中のリン濃度とポリシリコンの酸化処
理温度をパラメータとしたとき、特性イで示される曲線
を境界としてその上側の斜線領域において、ポリシリコ
ン表面の平滑化が見られた。この平滑化現象を期待でき
る条件を数値で示すと、ポリシリコン膜中のリン濃度が
ｌＸｌ０”°〜７　Ｘ　１０　”ｃｘ−”、好ましくは
３　Ｘ　Ｉ　Ｑ”　〜５　Ｘ　Ｉ　Ｑ”ａｍ−’、かつ
酸化処理温度が９００〜１２００℃、好ましくは１００
０〜１）００℃であることが分かった。

ここで、第９図においてポリシリコン膜３の析出直後の
ポリシリコン膜表面の状態を（Ａ）に、熱酸化後の酸化
膜４の表面の状態を（Ｂ）に、及び熱酸化後の、ポリシ
リコン膜３の膜表面の状態を（Ｃ）にそれぞれ示す。第
９図（Ａ）、　　（Ｂ）。

（Ｃ）は膜表面の状態を撮影した写真であるが、これを
見るとポリシリコン析出直後の膜表面と熱酸化膜４の表
面はほぼ同一の凹凸形状（粒子形状）を呈しており、そ
れに対し熱酸化後のポリシリコン膜表面は結晶粒径が大
きくなり、しかも凹凸形状が相当緩和されて十分に平滑
化されていることが分かる。

次に、第６図に示す如く、上述した場合と同様の方法を
用いて第２のポリシリコン膜５をフィールド酸化膜２Ａ
、２及び第１の熱酸化膜４の一部の膜上に選択的に形成
し、その後、上記と同様の方法で酸化処理し第２の熱酸
化膜６をポリシリコン膜５の表面に形成する。

続いて、第７図に示す如く、電荷注入用の第３のポリシ
リコン膜７をフィールド酸化膜２及び第２熱酸化膜６の
一部の股上に選択的に形成し、その後、例えばＣＶＤ−
３ｉｎ、等の絶ａ膜８を基板全面に形成するものである
。

ここで、ＭＯＳ）ランジスタとしてのソース領域、ドレ
イン領域、配線金属層、及び電極取出し用のコンタクト
部などは省略して示しである。

なお、上記実施例ではポリシリコン膜を析出、形成する
際に、同時にホスフィン（ＰＨ３）を流しながらリンを
ポリシリコン膜中に導入したが、それに代えて凹凸が制
御されたノンドープのポリシリコン膜の析出後に、この
ポリシリコン膜中にイオン注入によりリン等の不純物を
導入するようにしてもよい。

また、本発明は上記実施例に限定されることなく種々の
組合せ方法によって自由に構成できることはいうまでも
ない。また注入、消去等の各ゲートに使用される材料と
して、ポリシリコンに限定されることなくシリサイド及
び高融点金属などの如く無定形物質も利用可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明では、ポリシリコン膜の表面に
酸化処理後に所定の凹凸部を形成するのではなく、ポリ
シリコン膜の析出直後に形成されたポリシリコン表面の
凹凸部を利用することによって、製造プロセスが簡単で
高性能な半導体不揮発性記憶装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を示す要部断面図、第２
，３図は本発明装置の書込み及び消去の動作状態を示す
模式図、第４図〜第７図は本発明方法の一実施例を示す
工程図、第８図は熱酸化処理後にポリシリコン膜表面を
ほぼ平滑化するための条件を示す特性図、第９図（Ａ）
、　　（Ｂ）。 （Ｃ）は本発明の詳細な説明するための写真である。 １・・・シリコン基板、２・・・フィールド酸化膜、３
・・・消去用ゲートをなす第１のポリシリコン膜、４・
・・第１の熱酸化膜、５・・・フローティングゲートを
なす第２のポリシリコン膜、６・・・第２の熱酸化膜。 ７・・・書込み用ゲートをなす第３のポリシリコン膜。 代理人弁理士　　岡　部　　　隆 第１図 １：Ｐ−望シリコン蟇ギに ４、Ｇ：１−一１，２の導−＋、ｙ虻イヒ１良濁Ｉ　　
２　図 第３図 ・ε＞　　（Ｊ　　Ｌｎ　　？　　（ｑ　　〜　−ロ♂ Ｃ￥）灸３１ベコｎ・＼イ÷Ｃ二・＼−麩×

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に、書込み用または消去用のゲート
   およびフローティングゲートが絶縁膜を介して形成され
   た半導体不揮発性記憶装置において、前記ゲートは上面
   がほぼ平滑化された多結晶シリコン膜からなり、前記ゲ
   ートの少なくとも１つにはその表面に所定の凹凸部を有
   する熱酸化膜が形成され、この熱酸化膜上の少なくとも
   １部には前記１つのゲートとは異なる他のゲートが形成
   され、この他のゲートの下面に凹凸部が形成されている
   ことを特徴とする半導体不揮発性記憶装置。
2. （２）半導体基板上に、書込み用または消去用のゲート
   およびフローティングゲートとなる多結晶シリコン膜を
   絶縁膜を介して形成するようにした半導体不揮発性記憶
   装置の製造方法において、半導体基板上に、所定の不純
   物を含み表面に所定の凹凸部を有する多結晶シリコン膜
   を形成する工程と、 この多結晶シリコン膜を所定の酸化性温度雰囲気で熱処
   理して、多結晶シリコン膜表面に酸化膜を形成するとと
   もに、この多結晶シリコン膜を再結晶化させて膜表面を
   ほぼ平滑化する工程と、前記酸化膜上の少なくとも１部
   に多結晶シリコン膜を形成する工程と、 を備えることを特徴とする半導体不揮発性記憶装置の製
   造方法。