JP2010034233A - Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】メモリーセルの電気的特性の向上が図られた不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置1を、半導体基板2上に第1の絶縁膜6を介して積層して設けた電荷蓄積層7、第2の絶縁膜13、第3の絶縁膜14、第4の絶縁膜15、第5の絶縁膜16、第6の絶縁膜17、および制御ゲート電極9を用いて構成する。第2の絶縁膜13はシリコンおよび酸素を含む材料からなる。第4の絶縁膜15は第3の絶縁膜14よりも電荷トラップ密度が高く、かつ、第2の絶縁膜13よりも比誘電率が高い材料からなる。第5の絶縁膜16は第4の絶縁膜15よりも電荷トラップ密度が低い材料からなる。第6の絶縁膜17は第4の絶縁膜15よりも比誘電率が低く、かつ、シリコンおよび酸素を含む材料からなる。
【選択図】 図5A non-volatile semiconductor memory device in which electrical characteristics of a memory cell are improved is provided.
A non-volatile semiconductor memory device 1 is formed by stacking a semiconductor substrate 2 with a first insulating film 6 interposed therebetween, a charge storage layer 7, a second insulating film 13, a third insulating film 14, The fourth insulating film 15, the fifth insulating film 16, the sixth insulating film 17, and the control gate electrode 9 are used. The second insulating film 13 is made of a material containing silicon and oxygen. The fourth insulating film 15 is made of a material having a charge trap density higher than that of the third insulating film 14 and a relative dielectric constant higher than that of the second insulating film 13. The fifth insulating film 16 is made of a material having a charge trap density lower than that of the fourth insulating film 15. The sixth insulating film 17 has a relative dielectric constant lower than that of the fourth insulating film 15 and is made of a material containing silicon and oxygen.
[Selection] Figure 5
Description
本願発明は、不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法に係り、特にメモリーセルの電気的特性の向上が図られた不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device in which electrical characteristics of a memory cell are improved and a manufacturing method thereof.
通常の不揮発性メモリーでは、メモリーセルがワード線方向(チャネル幅方向)およびビット線方向(チャネル長方向)のそれぞれの方向に沿って複数個ずつ配列されている。そして、近年では、不揮発性メモリーの高集積化に伴ってメモリーセルの寸法や隣接するメモリーセル同士の間隔の縮小化が進み、寸法や隣のメモリーセルとの間隔が100nm以下のメモリーセルが製造されるようになってきている。ところが、メモリーセルの微細化が進むと、隣接するメモリーセル同士の間で干渉効果が増大する。このような干渉効果を抑制するためには、電極間絶縁膜を薄膜化することにより電極間絶縁膜の電気容量(Cipd )を増大させて、浮遊ゲート電極の高さを低減する必要がある。しかし、只単に電極間絶縁膜を薄膜化しただけでは、リーク電流の増大や絶縁耐圧の劣化を引き起こし易くなるので、所望のメモリーセル特性を得ることが困難になるおそれが大きくなる。 In a normal nonvolatile memory, a plurality of memory cells are arranged along each of the word line direction (channel width direction) and the bit line direction (channel length direction). In recent years, along with the high integration of non-volatile memory, the size of memory cells and the distance between adjacent memory cells have been reduced, and a memory cell having a size and an interval of 100 nm or less between adjacent memory cells has been manufactured. It has come to be. However, as the memory cells become finer, the interference effect increases between adjacent memory cells. In order to suppress such an interference effect, it is necessary to reduce the height of the floating gate electrode by increasing the capacitance (C ipd ) of the interelectrode insulating film by thinning the interelectrode insulating film. . However, simply thinning the interelectrode insulating film tends to cause an increase in leakage current and a deterioration in dielectric strength voltage, so that it is difficult to obtain desired memory cell characteristics.
このような問題の解決策として、例えば後記の特許文献1に開示されているように、上下2層のシリコン酸化膜の間に高誘電体膜(高比誘電率絶縁膜、high-k 膜)を挟んだ3層構造からなる積層絶縁膜(シリコン酸化膜/高比誘電率絶縁膜/シリコン酸化膜)を電極間絶縁膜として適用する技術が検討されている。高比誘電率絶縁膜を含む絶縁膜を電極間絶縁膜として適用することにより、電極間絶縁膜の薄膜化を図りつつ電極間絶縁膜の電気容量(Cipd )を増大させて、浮遊ゲート電極の高さを低減することができる。
As a solution to such a problem, for example, as disclosed in
しかし、高比誘電率絶縁膜に電荷トラップを多く含む材料を適用すると、トラップされた電荷による電解緩和効果によりリーク電流は低減されるが、電荷保持時の自己電界で電荷のデトラップが起こり易くなり、メモリーセルの電荷保持特性が劣化してしまう。これに対して、高比誘電率絶縁膜に電荷トラップの少ない材料を適用すると、メモリーセルの電荷保持特性を向上させることはできるが、リーク電流を十分に低減することができない。特に、高比誘電率絶縁膜に電荷トラップの少ない材料を適用すると、浮遊ゲート電極や制御ゲート電極の角部における電界集中に起因するリーク電流の増大が顕著となり、メモリーセルの書き込み速度や消去速度の低下、あるいは飽和電圧の低下といったメモリーセル特性の劣化を引き起こし易くなる。 However, if a material with many charge traps is used for the high dielectric constant insulating film, the leakage current is reduced due to the electrolytic relaxation effect due to the trapped charge, but charge detrapping is likely to occur due to the self electric field during charge retention. The charge retention characteristics of the memory cell will deteriorate. On the other hand, when a material with few charge traps is applied to the high dielectric constant insulating film, the charge retention characteristics of the memory cell can be improved, but the leakage current cannot be sufficiently reduced. In particular, when a material with few charge traps is applied to the high dielectric constant insulating film, the increase in leakage current due to electric field concentration at the corners of the floating gate electrode and control gate electrode becomes significant, and the writing speed and erasing speed of the memory cell Deterioration of memory cell characteristics such as a decrease in saturation or a decrease in saturation voltage is likely to occur.
また、同じく前述した問題の解決策として、上下2層のシリコン酸化膜の間にシリコン窒化膜を挟んだ3層構造からなる積層絶縁膜(ONO膜)を電極間絶縁膜として適用する技術も現在よく知られている。しかし、たとえONO膜を電極間絶縁膜として適用したとしても、中間窒化膜を電荷トラップの多い膜質に形成するか、あるいは電荷トラップの少ない膜質に形成するかに応じて、前述した高比誘電率絶縁膜を含む積層絶縁膜を電極間絶縁膜として適用する場合と同様の問題が生じる。
本願発明においては、メモリーセルの電気的特性の向上が図られた不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device in which the electrical characteristics of a memory cell are improved and a method for manufacturing the same.
前記課題を解決するために、本願発明の一態様に係る不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板上に第1の絶縁膜を介して設けられた電荷蓄積層と、この電荷蓄積層上に設けられているとともにシリコンおよび酸素を含む材料からなる第2の絶縁膜と、この第2の絶縁膜上に設けられた第3の絶縁膜と、この第3の絶縁膜上に設けられているとともに、前記第3の絶縁膜よりも電荷トラップ密度が高く、かつ、前記第2の絶縁膜よりも比誘電率が高い材料からなる第4の絶縁膜と、この第4の絶縁膜上に設けられているとともに前記第4の絶縁膜よりも電荷トラップ密度が低い材料からなる第5の絶縁膜と、この第5の絶縁膜上に設けられているとともに、前記第4の絶縁膜よりも比誘電率が低く、かつ、シリコンおよび酸素を含む材料からなる第6の絶縁膜と、この第6の絶縁膜上に設けられた制御ゲート電極と、を具備することを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, a nonvolatile semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention is provided with a charge storage layer provided over a semiconductor substrate with a first insulating film interposed therebetween, and the charge storage layer. And a second insulating film made of a material containing silicon and oxygen, a third insulating film provided on the second insulating film, and provided on the third insulating film, A fourth insulating film made of a material having a charge trap density higher than that of the third insulating film and a relative dielectric constant higher than that of the second insulating film; and a fourth insulating film provided on the fourth insulating film. And a fifth insulating film made of a material having a charge trap density lower than that of the fourth insulating film, and a dielectric constant higher than that of the fourth insulating film, provided on the fifth insulating film. Low, and from materials containing silicon and oxygen A sixth insulating film and is characterized by comprising a control gate electrode provided on the sixth insulating film.
また、前記課題を解決するために、本願発明の他の態様に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に第1の絶縁膜を介して電荷蓄積層を設け、この電荷蓄積層上にシリコンおよび酸素を含む材料からなる第2の絶縁膜を設け、この第2の絶縁膜上に第3の絶縁膜を設け、この第3の絶縁膜上に前記第3の絶縁膜よりも電荷トラップ密度が高く、かつ、前記第2の絶縁膜よりも比誘電率が高い材料からなる第4の絶縁膜を設け、この第4の絶縁膜上に前記第4の絶縁膜よりも電荷トラップ密度が低い材料からなる第5の絶縁膜を設け、この第5の絶縁膜上に前記第4の絶縁膜よりも比誘電率が低く、かつ、シリコンおよび酸素を含む材料からなる第6の絶縁膜を設け、この第6の絶縁膜上に制御ゲート電極を設ける、ことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problem, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to another aspect of the present invention includes a charge storage layer provided on a semiconductor substrate via a first insulating film, and the charge storage layer. A second insulating film made of a material containing silicon and oxygen is provided thereon, a third insulating film is provided on the second insulating film, and the third insulating film is formed on the third insulating film more than the third insulating film. A fourth insulating film made of a material having a high charge trap density and a higher dielectric constant than that of the second insulating film is provided, and a charge trap is formed on the fourth insulating film as compared with the fourth insulating film. A fifth insulating film made of a material having a low density is provided, and a sixth insulating film made of a material containing silicon and oxygen and having a dielectric constant lower than that of the fourth insulating film is provided on the fifth insulating film. And a control gate electrode is provided on the sixth insulating film. It is an.
本願発明によれば、メモリーセルの電気的特性の向上が図られた不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory device in which the electrical characteristics of a memory cell are improved and a method for manufacturing the same.
以下、本願発明に係る各実施形態を図面を参照しつつ説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
この第1実施形態は、例えば半導体装置の一種である不揮発性メモリーが備えるメモリーセルの電極間絶縁膜の性能の改善を図る技術に係る。特に、低いリーク電流特性と優れた電荷保持特性とを併せて実現することができる理想的な膜構造を有する電極間絶縁膜およびその製造方法に関する。具体的には、本実施形態に係る不揮発性メモリーでは、いわゆる高比誘電率絶縁膜(high-k 膜)からなる電荷トラップ層の上下界面にシリコン酸化膜を積層した構造を有する電極間絶縁膜を形成する。そして、電荷トラップ層中の電荷トラップ密度を局所的に大きくすることにより、電極間絶縁膜の電荷保持特性を維持しつつリーク電流を低減する。以下、本願発明に係る第1実施形態について、図1(a),(b)〜図10を参照しつつ、より具体的かつ詳細に説明する。
(First embodiment)
The first embodiment relates to a technique for improving the performance of an interelectrode insulating film of a memory cell provided in, for example, a nonvolatile memory which is a kind of semiconductor device. In particular, the present invention relates to an interelectrode insulating film having an ideal film structure capable of realizing both a low leakage current characteristic and an excellent charge retention characteristic, and a manufacturing method thereof. Specifically, in the nonvolatile memory according to the present embodiment, an interelectrode insulating film having a structure in which silicon oxide films are stacked on upper and lower interfaces of a charge trapping layer made of a so-called high relative dielectric constant insulating film (high-k film). Form. Then, by locally increasing the charge trap density in the charge trap layer, the leakage current is reduced while maintaining the charge retention characteristics of the interelectrode insulating film. Hereinafter, the first embodiment according to the present invention will be described more specifically and in detail with reference to FIGS. 1 (a) and (b) to FIG.
先ず、図1(a),(b)を参照しつつ、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置としての不揮発性メモリー1のメモリーセル部の構造の概略について説明する。図1(a),(b)には、電荷蓄積層として浮遊ゲート電極7を用いた不揮発性メモリー1のメモリーセル部の断面構造を概略的に示す。具体的には、図1(a)は、不揮発性メモリー1が備える図示しないビット線の長手方向(チャネル長方向)に沿って示す断面図である。また、図1(b)は、不揮発性メモリー1が備えるワード線(制御ゲート電極)9の長手方向(チャネル幅方向)に沿って示す断面図である。なお、図1(a)は、図1(b)中破断線X−X’に沿って示す断面図である。このような図1(a),(b)の間の断面方向の関係は、後に参照する図2(a),(b)〜図7(a),(b)、図11(a),(b)、および図13(a),(b)においても同様とする。
First, an outline of the structure of the memory cell portion of the
図1(a),(b)に示すように、不揮発性メモリー1では、半導体基板2の表層部の複数箇所に素子形成領域(Active Area:AA)3が設けられている。これら各素子形成領域3の表層部には、図1(a)に示すように、ソース・ドレイン領域となる不純物拡散層4が複数箇所に形成されている。また、図1(b)に示すように、各素子形成領域3は、それらの周りをシリコン基板2の表層部の複数箇所に埋め込まれた素子分離用絶縁膜5により囲まれている。各素子分離用絶縁膜5は、STI(Shallow Trench Isolation)構造からなる素子分離領域を形成している。また、図1(a)に示すように、半導体基板2の表面上には、各素子形成領域3および各不純物拡散層4の表面を覆って、電気容量がCtnl のトンネル絶縁膜(ゲート絶縁膜)6が複数個設けられている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, in the
また、図1(a),(b)に示すように、各素子形成領域3の上方には、各トンネル絶縁膜6を間に挟んで、電荷蓄積層となる浮遊ゲート電極(Floating Gate:FG)7が複数個設けられている。そして、各素子分離用絶縁膜5から露出している各浮遊ゲート電極7の上面および上側面、ならびに各素子分離用絶縁膜5の表面を覆って、電気容量がCipd の電極間絶縁膜(Inter Poly Dielectric Film)8が複数個設けられている。さらに、各浮遊ゲート電極7の上方には、各電極間絶縁膜8を間に挟んで、ワード線となる制御ゲート電極(Control Gate:CG)9が複数個設けられている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, above each
このように、不揮発性メモリー1は、半導体基板2の表面上に積層して設けられた複数個のトンネル絶縁膜6、浮遊ゲート電極7、電極間絶縁膜8、および制御ゲート電極9、ならびに半導体基板2の表層部に形成された複数個の不純物拡散層4からなるメモリーセル10を複数個備えている。各メモリーセル10のカップリング比は、Cipd /(Ctnl +Cipd )と表わされる。そして、半導体基板2の表面と制御ゲート電極9との間に高電圧を印加すると、各メモリーセル10のカップリング比に応じてトンネル絶縁膜6に強い電界が印加される。すると、トンネル絶縁膜6を介して半導体基板2と浮遊ゲート電極7との間にトンネル電流が流れて浮遊ゲート電極7の蓄積電荷量が変化する。これにより、各メモリーセル10へのデータの書き込み動作および消去動作が行われる。なお、全体の図示は省略するが、不揮発性メモリー1においては、メモリーセル10がワード線方向およびビット線方向のそれぞれの方向に沿って多数個ずつ配列されている。
As described above, the
次に、図2(a),(b)〜図7(a),(b)を参照しつつ、不揮発性メモリー1の製造方法について説明する。
Next, a method of manufacturing the
先ず、図2(a),(b)に示すように、半導体基板としてのシリコン基板2の表面上に、トンネル絶縁膜(トンネル酸化膜)となる第1の絶縁膜6を設ける。ここでは、第1の絶縁膜6として、膜厚が約6nmのシリコン酸化膜(SiO2 膜)を熱酸化法により形成する。なお、このシリコン酸化膜6の成膜に先立って、シリコン基板2の表層部には、所定量の不純物が予めドーピングされている。続けて、シリコン酸化膜6の表面上に、浮遊ゲート電極となる電荷蓄積層7を設ける。ここでは、電荷蓄積層7として、膜厚が約100nmのリン(P)をドープした多結晶シリコン層(ポリシリコン層)を形成する。続けて、リンドープ多結晶シリコン層7の表面上に、素子分離加工のための第1のマスク材11を設ける。これらリンドープ多結晶シリコン層7および第1のマスク材11は、ともにCVD法(Chemical Vapor Deposition Method)によりリンドープ多結晶シリコン層7の表面上に順次積層して堆積させる。
First, as shown in FIGS. 2A and 2B, a first
続けて、図示しない第1のレジストマスクを第1のマスク材11の上に設けるとともに、この第1のレジストマスクをパターニングして図示しない第1のレジストパターンを形成する。この後、第1のレジストパターンに基づいて、第1のマスク材11、リンドープ多結晶シリコン層7、およびシリコン酸化膜6をRIE法(Reactive Ion Etching Method)により上から順次エッチングして加工する。さらに、同じくRIE法により、第1のレジストマスク、第1のマスク材11、リンドープ多結晶シリコン層7、およびシリコン酸化膜6から露出されたシリコン基板2の露出領域をエッチングして掘り下げる。これにより、深さ約100nmの素子分離溝12をシリコン基板2の表層部に複数個形成する。なお、ここでは、削らずに残すリンドープ多結晶シリコン層7、シリコン酸化膜6、およびこれらの下方のシリコン基板2のそれぞれの幅を約50nmに加工する。それとともに、各素子分離溝12の幅も約50nmに加工する。
Subsequently, a first resist mask (not shown) is provided on the
次に、図3(a),(b)に示すように、各素子分離溝12の内部に素子分離用絶縁膜5を埋め込む。ここでは、先ず、例えばCVD法により、素子分離用絶縁膜5となるシリコン酸化膜(SiO2 膜)を、各素子分離溝12の内部を充填しつつ第1のマスク材11の表面を覆う高さに達するまでシリコン基板2の上に全面的に堆積させる。続けて、第1のマスク材11の表面が露出するまで、素子分離用シリコン酸化膜5をCMP法(Chemical Mechanical Polish Method)により研磨して除去する。これにより、素子分離用シリコン酸化膜5を各素子分離溝12の内部に埋め込むとともに、第1のマスク材11の表面および素子分離用シリコン酸化膜5の表面を平坦化する。
Next, as shown in FIGS. 3A and 3B, the element
次に、図4(a),(b)に示すように、素子分離用シリコン酸化膜5から露出された第1のマスク材11を所定の化学薬液等で選択的にエッチングして、リンドープ多結晶シリコン層7の表面上から除去する。これにより、リンドープ多結晶シリコン層7の表面(上面)を露出させる。続けて、例えば希フッ酸溶液を用いて、各素子分離溝12の内部に埋め込まれた素子分離用シリコン酸化膜5をエッチングして掘り下げる。これにより、リンドープ多結晶シリコン層7の側壁面を露出させる。ここでは、全体の高さが約100nmであるリンドープ多結晶シリコン層7の側壁面のうち、そのおよそ半分の高さである上から約50nmの部分を露出させる。これにより、シリコン酸化膜からなる素子分離領域5をシリコン基板2の表層部の複数箇所に形成する。
Next, as shown in FIGS. 4A and 4B, the
次に、図5(a),(b)に示すように、リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面を覆って電極間絶縁膜8を設ける。先に参照した図1(a),(b)においては、電極間絶縁膜8を概略的に1層の絶縁膜として説明したが、実際には絶縁膜を複数層に積層する積層絶縁膜を用いて電極間絶縁膜8を形成する。
Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, an interelectrode
具体的には、先ず、リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面を覆って、第1層目の電極間絶縁膜となる第2の絶縁膜13を設ける。この第2の絶縁膜13は、シリコンおよび酸素を含む材料を用いて形成する。ここでは、第2の絶縁膜13として、膜厚が約3nmのシリコン酸化膜(SiO2 膜)をCVD法によりリンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面上に堆積させる。このシリコン酸化膜13の成膜条件は、原料ガスに亜酸化窒素およびジクロルシランを用いることと、成膜温度を約800℃に設定することである。
Specifically, first, a second insulating
続けて、シリコン酸化膜13の上に、第2層目の電極間絶縁膜となる第3の絶縁膜14を設ける。ここでは、第3の絶縁膜14として、膜厚が約1.8nmのアルミナ膜(Al2O3 膜)をALD法(Atomic Layer Deposition Method)によりシリコン酸化膜13の表面上に堆積させる。このアルミナ膜14の成膜条件は、原料ガスにトリメチルアルミニウムおよび水蒸気を用いることと、成膜温度を約300℃に設定することである。アルミナ膜14は、電極間絶縁膜8が有する電荷トラップ層24の一部となり、副電荷トラップ層として機能する。
Subsequently, a third insulating
続けて、アルミナ膜14の上に、第3層目の電極間絶縁膜となる第4の絶縁膜15を設ける。この第4の絶縁膜15は、第3の絶縁膜(アルミナ膜)14よりも電荷トラップ密度が高く、かつ、第2の絶縁膜(シリコン酸化膜)13よりも比誘電率が高い材料を用いて形成する。ここでは、第4の絶縁膜15として、膜厚が約0.4nmの酸化ハフニウム膜(HfO2 膜)をALD法によりアルミナ膜14の表面上に堆積させる。この酸化ハフニウム膜15の成膜条件は、原料ガスにテトラエチルメチルアミノハフニウムおよび水蒸気を用いることと、成膜温度を約300℃に設定することである。酸化ハフニウム膜15は、前述したアルミナ膜14と同様に電極間絶縁膜8が有する電荷トラップ層24の一部となり、アルミナ膜14よりも多くの電荷を捕獲する主電荷トラップ層として機能する。
Subsequently, a fourth insulating
続けて、酸化ハフニウム膜15の上に、第4層目の電極間絶縁膜となる第5の絶縁膜16を設ける。この第5の絶縁膜16は、第4の絶縁膜(酸化ハフニウム膜)15よりも電荷トラップ密度が低い材料を用いて形成する。ここでは、第5の絶縁膜16として、前述した第2層目の電極間絶縁膜となるアルミナ膜14と同様の膜厚(約1.8nm)を有するアルミナ膜を、アルミナ膜14と同様の成膜方法および成膜条件により酸化ハフニウム膜15の表面上に堆積させる。アルミナ膜16は、前述したアルミナ膜14および酸化ハフニウム膜15と同様に電極間絶縁膜8が有する電荷トラップ層24の一部となり、アルミナ膜14と同様に副電荷トラップ層として機能する。また、アルミナ膜14、酸化ハフニウム膜15、およびアルミナ膜16の3層からなる電荷トラップ層24は、電極間絶縁膜8の中間層とも称される。
Subsequently, a fifth insulating
続けて、アルミナ膜16の上に、第5層目の電極間絶縁膜となる第6の絶縁膜17を設ける。この第6の絶縁膜17は、第4の絶縁膜(酸化ハフニウム膜)15よりも比誘電率が低く、かつ、シリコンおよび酸素を含む材料を用いて形成する。ここでは、第6の絶縁膜17として、前述した第1層目の電極間絶縁膜となるシリコン酸化膜13と同様の膜厚(約3nm)を有するシリコン酸化膜を、シリコン酸化膜13と同様の成膜方法および成膜条件によりアルミナ膜16の表面上に堆積させる。
Subsequently, a sixth insulating
これまでの工程により、リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面に、下層シリコン酸化膜13、下層アルミナ膜(下側中間層)14、酸化ハフニウム膜15(中央中間層)、上層アルミナ膜(上側中間層)16、および上層シリコン酸化膜17の5層の積層絶縁膜からなる電極間絶縁膜8の基礎が形成される。電極間絶縁膜8全体の膜厚は、約10nmとなる。前述したように、本実施形態においては、下層シリコン酸化膜13と上層シリコン酸化膜17、および副電荷トラップ層となる下層アルミナ膜14と上層アルミナ膜16とが、それぞれ同じ膜厚に設定されている。このため、主電荷トラップ層となる酸化ハフニウム膜15は、電極間絶縁膜8の膜厚方向の中央部に位置している。すなわち、酸化ハフニウム膜15は、浮遊ゲート電極7と制御ゲート電極9との間の中央部に位置しており、浮遊ゲート電極7および制御ゲート電極9のそれぞれから略等しい距離を保っている。
By the steps so far, the lower
次に、図6(a),(b)に示すように、電極間絶縁膜8の上に制御ゲート電極9を形成するための材料を設ける。ここでは、制御ゲート電極9を、互いに材料の異なる第1および第2の2層の導電層18,19を積層する構造に形成する。具体的には、先ず、制御ゲート電極9の下層部となる多結晶シリコン層(ポリシリコン層)18を上層シリコン酸化膜17の表面上に成膜する。続けて、制御ゲート電極9の上層部となるタングステンシリサイド層19を多結晶シリコン層18の表面上に成膜する。これら多結晶シリコン層18およびタングステンシリサイド層19は、ともにCVD法により上層シリコン酸化膜17の表面上に順次積層して堆積させる。また、多結晶シリコン層18/タングステンシリサイド層19の2層構造からなる制御ゲート電極9の全体の厚さ(高さ)は、約100nmとする。
Next, as shown in FIGS. 6A and 6B, a material for forming the
続けて、タングステンシリサイド層19の上にゲート構造加工のための第2のマスク材20を設ける。ここでは、第2のマスク材20として、シリコン窒化膜(SiN膜)をCVD法によりタングステンシリサイド層19の表面上に堆積させる。続けて、図示しない第2のレジストマスクをシリコン窒化膜20の上に設けるとともに、この第2のレジストマスクをパターニングして前述した第1のレジストパターンと直交する図示しない第2のレジストパターンを形成する。この後、第2のレジストパターンに基づいて、シリコン窒化膜20、タングステンシリサイド層19、多結晶シリコン層18、上層シリコン酸化膜17、上層アルミナ膜16、酸化ハフニウム膜15、下層アルミナ膜14、下層シリコン酸化膜13、リンドープ多結晶シリコン層7、およびシリコン酸化膜6をRIE法により上から順次エッチングして加工する。これにより、図6(a)に示すように、所望の形状に加工されたトンネル絶縁膜6、浮遊ゲート電極7、電極間絶縁膜8、制御ゲート電極9、およびシリコン窒化膜(第2のマスク材)20を含むゲート構造21をシリコン基板2の表面上に複数個形成する。なお、ここでは、各ゲート構造21の幅および互いに隣接し合う各ゲート構造21同士の間隔をともに約50nmに加工する。
Subsequently, a
続けて、図7(a),(b)に示すように、各ゲート構造21の上面および側壁面、ならびに各ゲート構造21から露出されたシリコン基板2の表面を覆って、第7の絶縁膜22を設ける。ここでは、第7の絶縁膜22として、膜厚が約10nmのシリコン酸化膜(SiO2 膜)を熱酸化法およびCVD法の組み合わせにより成膜する。このシリコン酸化膜22のうち各ゲート構造21の側壁面上に設けられた部分は、いわゆるゲート側壁酸化膜となる。続けて、シリコン酸化膜22により覆われた各ゲート構造21をマスクとして、イオン注入法および熱アニールを行う。これにより、シリコン基板2(素子形成領域3)の表層部に、ソース・ドレイン領域となる不純物拡散層4を複数個形成する。
Subsequently, as shown in FIGS. 7A and 7B, a seventh insulating film is formed so as to cover the upper surface and the side wall surface of each
この結果、全体の図示は省略するが、トンネル絶縁膜6、浮遊ゲート電極7、電極間絶縁膜8、制御ゲート電極9、ならびに不純物拡散層4からなるメモリーセル10が、ワード線方向およびビット線方向のそれぞれの方向に沿って多数個ずつ配列されてシリコン基板2の表面上に形成される。続けて、例えばCVD法を用いて、シリコン酸化膜22により覆われた各ゲート構造21を覆いつつシリコン基板2の上に層間絶縁膜23を設ける。この層間絶縁膜23は、例えばシリコン酸化膜(SiO2 膜)やTEOS膜を用いて形成すればよい。
As a result, although the entire illustration is omitted, the
この後、図示を伴う具体的かつ詳細な説明は省略するが、不純物拡散層4に接続されるコンタクトプラグやビット線等の各種配線層を公知の技術を用いて層間絶縁膜23の内部に形成する。これにより、図7(a),(b)に示すメモリーセル構造を有する本実施形態の不揮発性メモリー1が製造される。
Thereafter, although detailed and detailed description accompanying illustration is omitted, various wiring layers such as contact plugs and bit lines connected to the
本実施形態の不揮発性メモリー1においては、前述したように、その5層構造からなる電極間絶縁膜8のうちの電荷トラップ層24となる中間の3層が、電荷トラップがより少なく、かつ、略同じ膜厚からなる上下各アルミナ膜14,16の中央部に、電荷トラップをより多く含む酸化ハフニウム層15が挟まれた構造となっている。この結果、中間層24の厚さ方向に沿った電荷トラップ密度は、その厚さ方向中央部で最大値をとる。また、電荷トラップ層24自体も、略同じ膜厚からなる上下各シリコン酸化膜13,17の中央部に挟まれた構造となっている。したがって、電極間絶縁膜8の厚さ方向に沿った電荷トラップ密度は、その厚さ方向中央部で最大値をとる。このような構造からなる電荷トラップ層24、特に主電荷トラップ層である酸化ハフニウム層15に電荷がトラップされることにより、メモリーセル10への情報(データ)の書き込み時、あるいはメモリーセル10内のデータの消去時におけるリーク電流を低減することができる。また、メモリーセル10の動作速度をより高速化できるとともにメモリーウィンドウを広げることもできる。
In the
その一方で、酸化ハフニウム膜15は、前述したように、浮遊ゲート電極7と制御ゲート電極9との間の中央部に位置しており、浮遊ゲート電極7および制御ゲート電極9のそれぞれから略等しい距離を保って形成されている。このため、電荷保持時における電荷のデトラップ現象も抑制できるとともに、メモリーセル10の閾値変動による誤動作も抑制できる。
On the other hand, the
次に、図8(a),(b)および図9(a),(b)を参照しつつ、上下各アルミナ膜14,16の中央部に酸化ハフニウム層15を形成することで、メモリーセル10へのデータの書き込み時およびメモリーセル10内のデータの消去時におけるリーク電流を低減できる理由について説明する。図8(a)は、図示は省略するが、中間層に電荷トラップを有さない電極間絶縁膜を備える不揮発性メモリーへのデータの書き込み時における、電極間絶縁膜のエネルギー状態を模式的に示すエネルギーバンド図である。また、図8(b)は、同じく中間層に電荷トラップを有さない電極間絶縁膜を備える不揮発性メモリー内のデータの消去時におけるエネルギー状態を模式的に示した図である。これらに対して、図9(a)は、上下各アルミナ膜14,16の中央部に酸化ハフニウム層15を形成する電極間絶縁膜8を備える本実施形態に係る不揮発性メモリー1へのデータの書き込み時におけるエネルギーバンドの状態を模式的に示す図である。また、図9(b)は、同じく不揮発性メモリー1内のデータの消去時におけるエネルギーバンドの状態を模式的に示す図である。
Next, referring to FIGS. 8A and 8B and FIGS. 9A and 9B, a
図8(a),(b)に示すように、上下各アルミナ膜の中央部に酸化ハフニウム層を形成しない電極間絶縁膜を備える不揮発性メモリーにおいては、データの書き込み時およびデータの消去時ともに中間層に電子がトラップされ難く、中間層にエネルギー障壁が殆ど形成されない。このため、電子の注入側となる中間層の浮遊ゲート電極側または制御ゲート電極側で電界が緩和され難い。この結果、データの書き込み時およびデータの消去時において注入電子のトンネル確率が下がり難く、リーク電流が流れ易い。これに対して、図9(a),(b)に示すように、本実施形態に係る不揮発性メモリー1においては、データの書き込み時およびデータの消去時ともに上下各アルミナ膜14,16の中央部に形成された酸化ハフニウム層15に電子がトラップされ易く、中間層24にエネルギー障壁が形成され易い。このため、電子の注入側となる中間層24の浮遊ゲート電極7側または制御ゲート電極9側で電界が緩和され易い。この結果、データの書き込み時およびデータの消去時において注入電子のトンネル確率が下がり、リーク電流が流れ難くなる。
As shown in FIGS. 8A and 8B, in the nonvolatile memory including the interelectrode insulating film in which the hafnium oxide layer is not formed at the center of the upper and lower alumina films, both at the time of data writing and at the time of data erasing. Electrons are not easily trapped in the intermediate layer, and an energy barrier is hardly formed in the intermediate layer. For this reason, it is difficult for the electric field to be relaxed on the floating gate electrode side or the control gate electrode side of the intermediate layer on the electron injection side. As a result, the tunneling probability of injected electrons is difficult to decrease during data writing and data erasing, and a leak current easily flows. On the other hand, as shown in FIGS. 9A and 9B, in the
また、図10には、絶縁膜の電気容量と絶縁膜に印加されるゲート電圧との関係を表わすCVカーブ(閾値の変動)を絶縁膜の種類ごとにグラフにして示す。具体的には、図10には、シリコン酸化膜よりも比誘電率が高い絶縁膜をシリコン基板上に堆積させて形成した図示しないMISキャパシタに、データの書き込み動作相当の電界ストレスを印加した際の、絶縁膜にトラップされた電子によるCVカーブのシフト状態を絶縁膜の種類ごとにグラフにして示す。図10中矢印で示すように、MISキャパシタにデータの書き込み動作相当の電界ストレスを印加すると、CVカーブ(閾値)は正電圧側にシフトする。図10中破線のグラフで示すように、電荷トラップ密度が小さい絶縁膜をMISキャパシタに用いた場合、図10中実線のグラフで示す初期状態のCVカーブに対して、電界ストレス印加後のCVカーブはあまり大きく正電圧側にシフトしない。これに対して、図10中一点鎖線のグラフで示すように、電荷トラップ密度が大きい絶縁膜をMISキャパシタに用いた場合、電荷トラップ密度が小さい絶縁膜をMISキャパシタに用いた場合に比べて、図10中実線のグラフで示す初期状態のCVカーブに対して、電界ストレス印加後のCVカーブは大きく正電圧側にシフトする。 FIG. 10 is a graph showing a CV curve (threshold fluctuation) representing the relationship between the capacitance of the insulating film and the gate voltage applied to the insulating film for each type of insulating film. Specifically, FIG. 10 shows a case where an electric field stress equivalent to a data write operation is applied to a MIS capacitor (not shown) formed by depositing an insulating film having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film on a silicon substrate. The graph shows the shift state of the CV curve due to electrons trapped in the insulating film for each type of insulating film. As indicated by an arrow in FIG. 10, when an electric field stress equivalent to a data write operation is applied to the MIS capacitor, the CV curve (threshold value) shifts to the positive voltage side. As shown by the broken line graph in FIG. 10, when an insulating film having a small charge trap density is used for the MIS capacitor, the CV curve after application of the electric field stress to the initial state CV curve shown by the solid line graph in FIG. Does not shift to the positive voltage side too much. On the other hand, as shown by the dot-dash line graph in FIG. 10, when an insulating film having a large charge trap density is used for the MIS capacitor, compared to using an insulating film having a small charge trap density for the MIS capacitor, The CV curve after application of the electric field stress largely shifts to the positive voltage side with respect to the initial state CV curve shown by the solid line graph in FIG.
以上説明したように、この第1実施形態によれば、電荷トラップ層24中の厚さ方向中央部に局所的に電荷を集中させてトラップする。これにより、メモリーセル10へのデータの書き込み時およびメモリーセル10内のデータの消去時ともに、電荷トラップ層24にトラップされた電荷から浮遊ゲート電極(電荷蓄積層)7および制御ゲート電極9までの距離を略同じ間隔に安定して保つことができる。この結果、本実施形態に係る不揮発性メモリー1では、従来では両立させることが殆ど不可能であったメモリーセル10が電荷を保持している間の電荷のデトラップ現象の抑制とリーク電流の低減とを両立させることができるという、所望のメモリーセル特性を得ることができる。したがって、本実施形態によれば、メモリーセル10の電気的特性の向上が図られた不揮発性メモリー1およびその製造方法を提供することができる。
As described above, according to the first embodiment, charges are concentrated and trapped locally in the central portion in the thickness direction of the
また、前述したように、本実施形態によれば、電極間絶縁膜8をより薄膜化しつつ、リーク電流の増大や絶縁耐圧の劣化を抑制若しくは低減することができる。すなわち、本実施形態によれば、メモリーセル10、ひいては不揮発性メモリー1の電気的特性を向上させつつ、それらのサイズをコンパクト化することができる。
Further, as described above, according to the present embodiment, it is possible to suppress or reduce an increase in leakage current and a deterioration in dielectric strength voltage while making the interelectrode
(第2の実施の形態)
次に、本願発明に係る第2実施形態について図11(a),(b)および図12を参照しつつ説明する。なお、前述した第1実施形態と同一部分には同一符号を付して、それらの詳しい説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 11 (a), (b) and FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as 1st Embodiment mentioned above, and those detailed description is abbreviate | omitted.
本実施形態は、不揮発性半導体記憶装置が備えるメモリーセルの電極間絶縁膜の構造が第1実施形態に係る電極間絶縁膜8の構造と異なっているだけであり、その他は同じである。具体的には、本実施形態に係る電極間絶縁膜と第1実施形態に係る電極間絶縁膜8とは、電荷トラップ層である3層の中間層の構造が異なっているだけである。以下、具体的に説明する。
In the present embodiment, the structure of the interelectrode insulating film of the memory cell included in the nonvolatile semiconductor memory device is different from the structure of the interelectrode
先ず、図11(a),(b)に示すように、電極間絶縁膜31を形成する工程の前工程としてシリコン基板2の表層部の複数箇所に素子分離領域5を形成する工程までは、第1実施形態において図2(a),(b)〜図4(a),(b)を参照しつつ説明した工程と同様の工程を実行する。続けて、第1実施形態と同様の工程により、各リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面を覆って、本実施形態に係る電極間絶縁膜31を設ける。
First, as shown in FIGS. 11A and 11B, until the step of forming
具体的には、図11(a),(b)に示すように、先ず、第1実施形態と同じく膜厚が約3nmの下層シリコン酸化膜13を各リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面上に成膜する。続けて、下層アルミナ膜32を下層シリコン酸化膜13の表面上に成膜する。ただし、第1実施形態では膜厚が約1.8nmの下層アルミナ膜14を成膜したのに対して、本実施形態では膜厚が約1.1nmの下層アルミナ膜32を成膜する。続けて、第1実施形態と同じく膜厚が約0.4nmの酸化ハフニウム膜15を下層アルミナ膜32の表面上に成膜する。続けて、上層アルミナ膜33を酸化ハフニウム膜15の表面上に成膜する。ただし、第1実施形態では膜厚が約1.8nmの上層アルミナ膜16を成膜したのに対して、本実施形態では膜厚が約2.5nmの上層アルミナ膜33を成膜する。続けて、第1実施形態と同じく膜厚が約3nmの上層シリコン酸化膜17を上層アルミナ膜33の表面上に成膜する。
Specifically, as shown in FIGS. 11A and 11B, first, as in the first embodiment, the lower
これまでの工程により、各リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面に、下層シリコン酸化膜13、下層アルミナ膜32、酸化ハフニウム膜15、上層アルミナ膜33、および上層シリコン酸化膜17の5層の積層絶縁膜からなる電極間絶縁膜31の基礎が形成される。本実施形態の電極間絶縁膜31全体の膜厚は、第1実施形態の電極間絶縁膜8全体の膜厚と同じく、約10nmとなる。また、本実施形態の中間層(電荷トラップ層)34は、下層アルミナ膜32、酸化ハフニウム膜15、および上層アルミナ膜33により構成される。
By the steps so far, the lower
前述したように、本実施形態においては、下層シリコン酸化膜13と上層シリコン酸化膜17とは、第1実施形態と同様にそれぞれ同じ膜厚に形成されている。それとともに、酸化ハフニウム膜15も第1実施形態と同じ膜厚に形成されている。これに対して、本実施形態の下層アルミナ膜32は、第1実施形態の下層アルミナ膜14に比べて約0.7nm薄く形成されている。それとともに、本実施形態の上層アルミナ膜33は、第1実施形態の上層アルミナ膜16に比べて約0.7nm厚く形成されている。このため、本実施形態の酸化ハフニウム膜15は、第1実施形態の酸化ハフニウム膜15に比べて、電極間絶縁膜31および中間層34の膜厚方向の中央部から約0.7nm浮遊ゲート電極7側に近寄って形成されている。
As described above, in the present embodiment, the lower
続けて、図11(a),(b)に示すように、第1実施形態と同様の工程により、多結晶シリコン層(ポリシリコン層)18を上層シリコン酸化膜17の表面上に成膜する。続けて、同じく第1実施形態と同様の工程により、タングステンシリサイド層19を多結晶シリコン層18の表面上に成膜する。本実施形態においても、多結晶シリコン層18/タングステンシリサイド層19の2層構造からなる制御ゲート電極9の全体の厚さ(高さ)は、第1実施形態と同様に約100nmとする。
Subsequently, as shown in FIGS. 11A and 11B, a polycrystalline silicon layer (polysilicon layer) 18 is formed on the surface of the upper
この後、図示を伴う具体的かつ詳細な説明は省略するが、第1実施形態と同様に層間絶縁膜やビット線等を公知の技術を用いて形成する。これにより、図11(a),(b)に示すメモリーセル構造を有する本実施形態の不揮発性メモリーが製造される。 Thereafter, although a specific and detailed description accompanying illustration is omitted, an interlayer insulating film, a bit line, and the like are formed using a known technique as in the first embodiment. As a result, the nonvolatile memory of the present embodiment having the memory cell structure shown in FIGS. 11A and 11B is manufactured.
前述したように、本実施形態の酸化ハフニウム膜15は、第1実施形態の酸化ハフニウム膜15に比べて、電極間絶縁膜31および電荷トラップ層34の膜厚方向の中央部から約0.7nm浮遊ゲート電極7側に近寄って形成されている。したがって、本実施形態の電荷トラップ密度は、第1実施形態の電荷トラップ密度に比べて、電極間絶縁膜31および電荷トラップ層34の厚さ方向に沿ってその中央部から約0.7nm浮遊ゲート電極7寄りで最大値をとる。このような構造からなる電荷トラップ層34、特に主電荷トラップ層である酸化ハフニウム層15に電荷がトラップされることにより、第1実施形態と同様に、メモリーセルへのデータの書き込み時、あるいはメモリーセル内のデータの消去時におけるリーク電流を低減することができる。特に、前述した構造からなる本実施形態の電荷トラップ層34は、第1実施形態の電荷トラップ層24に比べて、メモリーセルへのデータの書き込み時に浮遊ゲート電極7の角部においてリーク電流が増大するのをより効果的に抑制することができる。この結果、第1実施形態と同様に、メモリーセルの動作速度をより高速化できるとともにメモリーウィンドウを広げることもできる。
As described above, the
また、前述したように、本実施形態においては、主電荷トラップ層となる酸化ハフニウム層15が、第1実施形態に比べて、制御ゲート電極9から約0.7nm距離を遠く離されて形成される。これにより、本実施形態においては、メモリーセルへのデータの書き込み後のデータ保持時における電荷のデトラップ現象も、第1実施形態に比べてより低減させることができる。これは、メモリーセルの閾値変動の抑制にも有効となる。
Further, as described above, in the present embodiment, the
次に、図12を参照しつつ、上下各アルミナ膜32,33の中央部よりも浮遊ゲート電極7側に寄せて酸化ハフニウム層15を形成することで、メモリーセルへのデータの書き込み時に浮遊ゲート電極7の角部においてリーク電流が増大するのを抑制できる理由について説明する。図12は、第1実施形態において参照した図9(a)と同様に、上下各アルミナ膜14,16の中央部から約0.7nm浮遊ゲート電極7寄りに酸化ハフニウム層15を形成する電極間絶縁膜31を備える本実施形態に係る不揮発性メモリーへのデータの書き込み時におけるエネルギーバンドの状態を模式的に示す図である。
Next, referring to FIG. 12, the
酸化ハフニウム層15に電子がトラップされることで、メモリーセルへのデータの書き込み時に電子の注入側である浮遊ゲート電極7側で電界が緩和される。ここで、図12と図9(a)との比較から明らかなように、前述した構造からなる本実施形態の主電荷トラップ層(中間層)である酸化ハフニウム層15のエネルギーバンドが、第1実施形態酸化ハフニウム層15のエネルギーバンドに比べて高くなっていることが分かる。すなわち、本実施形態の電極間絶縁膜31は、第1実施形態の電極間絶縁膜8に比べて、浮遊ゲート電極7側における電界緩和効果がより大きいことが分かる。したがって、本実施形態によれば、メモリーセルへのデータの書き込み時における浮遊ゲート電極7の角部での電界集中を、第1実施形態に比べてより緩和することができる。この結果、メモリーセルへのデータの書き込み時に浮遊ゲート電極7の角部においてリーク電流が増大するのを、第1実施形態に比べてより抑制することができる。
By trapping electrons in the
以上説明したように、この第2実施形態によれば、前述した第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、電荷トラップ層34中の厚さ方向中央部より電荷蓄積層(浮遊ゲート電極)7寄りに局所的に電荷を集中させてトラップする。これにより、本実施形態では、第1実施形態と同様に、メモリーセルが電荷を保持している間の電荷のデトラップ現象を抑制しつつ、メモリーセルへのデータの書き込み時における電荷蓄積層7の角部でのリーク電流を低減させることができるという、所望のメモリーセル特性を得ることができる。
As described above, according to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained. Further, charges are concentrated and trapped locally near the charge storage layer (floating gate electrode) 7 from the central portion in the thickness direction in the
(第3の実施の形態)
次に、本願発明に係る第3実施形態について図13(a),(b)および図14を参照しつつ説明する。なお、前述した第1および第2の各実施形態と同一部分には同一符号を付して、それらの詳しい説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 13 (a), (b) and FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as each 1st and 2nd embodiment mentioned above, and those detailed description is abbreviate | omitted.
本実施形態は、第2実施形態と同様に、不揮発性半導体記憶装置が備えるメモリーセルの電極間絶縁膜の構造が第1実施形態に係る電極間絶縁膜8の構造と異なっているだけであり、その他は同じである。具体的には、本実施形態に係る電極間絶縁膜と第1実施形態に係る電極間絶縁膜8とは、電荷トラップ層である3層の中間層の構造が異なっているだけである。以下、具体的に説明する。
This embodiment is similar to the second embodiment only in that the structure of the interelectrode insulating film of the memory cell included in the nonvolatile semiconductor memory device is different from the structure of the interelectrode
先ず、図13(a),(b)に示すように、電極間絶縁膜41を形成する工程の前工程としてシリコン基板2の表層部の複数箇所に素子分離領域5を形成する工程までは、第1実施形態において図2(a),(b)〜図4(a),(b)を参照しつつ説明した工程と同様の工程を実行する。続けて、第1実施形態と同様の工程により、各リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面を覆って、本実施形態に係る電極間絶縁膜41を設ける。
First, as shown in FIGS. 13A and 13B, until the step of forming
具体的には、図13(a),(b)に示すように、先ず、第1実施形態と同じく膜厚が約3nmの下層シリコン酸化膜13を各リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面上に成膜する。続けて、下層アルミナ膜42を下層シリコン酸化膜13の表面上に成膜する。ただし、第1実施形態では膜厚が約1.8nmの下層アルミナ膜14を成膜したのに対して、本実施形態では膜厚が約2.5nmの下層アルミナ膜42を成膜する。続けて、第1実施形態と同じく膜厚が約0.4nmの酸化ハフニウム膜15を下層アルミナ膜42の表面上に成膜する。続けて、上層アルミナ膜43を酸化ハフニウム膜15の表面上に成膜する。ただし、第1実施形態では膜厚が約1.8nmの上層アルミナ膜16を成膜したのに対して、本実施形態では膜厚が約1.1nmの上層アルミナ膜43を成膜する。続けて、第1実施形態と同じく膜厚が約3nmの上層シリコン酸化膜17を上層アルミナ膜33の表面上に成膜する。
Specifically, as shown in FIGS. 13A and 13B, first, as in the first embodiment, the lower
これまでの工程により、各リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面に、下層シリコン酸化膜13、下層アルミナ膜42、酸化ハフニウム膜15、上層アルミナ膜43、および上層シリコン酸化膜17の5層の積層絶縁膜からなる電極間絶縁膜41の基礎が形成される。本実施形態の電極間絶縁膜41全体の膜厚は、第1実施形態の電極間絶縁膜8および第2実施形態の電極間絶縁膜のそれぞれの全体の膜厚と同じく、約10nmとなる。また、本実施形態の中間層(電荷トラップ層)44は、下層アルミナ膜42、酸化ハフニウム膜15、および上層アルミナ膜43により構成される。
By the steps so far, the lower
前述したように、本実施形態においては、下層シリコン酸化膜13と上層シリコン酸化膜17とは、第1および第2の各実施形態と同様にそれぞれ同じ膜厚に形成されている。それとともに、酸化ハフニウム膜15も第1および第2の各実施形態と同じ膜厚に形成されている。これに対して、本実施形態の下層アルミナ膜42は、第2実施形態の下層アルミナ膜32とは反対に、第1実施形態の下層アルミナ膜14に比べて約0.7nm厚く形成されている。それとともに、本実施形態の上層アルミナ膜43は、第2実施形態の上層アルミナ膜33とは反対に、第1実施形態の上層アルミナ膜16に比べて約0.7nm薄く形成されている。このため、本実施形態の酸化ハフニウム膜15は、第2実施形態の酸化ハフニウム膜15とは反対に、第1実施形態の酸化ハフニウム膜15に比べて、電極間絶縁膜31および中間層34の膜厚方向の中央部から約0.7nm制御ゲート電極9側に近寄って形成されている。
As described above, in the present embodiment, the lower
続けて、図11(a),(b)に示すように、第1実施形態と同様の工程により、多結晶シリコン層(ポリシリコン層)18を上層シリコン酸化膜17の表面上に成膜する。続けて、同じく第1実施形態と同様の工程により、タングステンシリサイド層19を多結晶シリコン層18の表面上に成膜する。本実施形態においても、多結晶シリコン層18/タングステンシリサイド層19の2層構造からなる制御ゲート電極9の全体の厚さ(高さ)は、第1および第2の各実施形態と同様に約100nmとする。
Subsequently, as shown in FIGS. 11A and 11B, a polycrystalline silicon layer (polysilicon layer) 18 is formed on the surface of the upper
この後、図示を伴う具体的かつ詳細な説明は省略するが、第1および第2の各実施形態と同様に層間絶縁膜やビット線等を公知の技術を用いて形成する。これにより、図13(a),(b)に示すメモリーセル構造を有する本実施形態の不揮発性メモリーが製造される。 Thereafter, although a specific and detailed description accompanying illustration is omitted, an interlayer insulating film, a bit line, and the like are formed using a known technique as in the first and second embodiments. Thereby, the nonvolatile memory of this embodiment having the memory cell structure shown in FIGS. 13A and 13B is manufactured.
前述したように、本実施形態の酸化ハフニウム膜15は、第2実施形態の酸化ハフニウム膜15とは反対に、第1実施形態の酸化ハフニウム膜15に比べて、電極間絶縁膜31および電荷トラップ層34の膜厚方向の中央部から約0.7nm制御ゲート電極9側に近寄って形成されている。したがって、本実施形態の電荷トラップ密度は、第2実施形態の電荷トラップ密度とは反対に、第1実施形態の電荷トラップ密度に比べて、電極間絶縁膜31および電荷トラップ層34の厚さ方向に沿ってその中央部から約0.7nm制御ゲート電極9寄りで最大値をとる。このような構造からなる電荷トラップ層44、特に主電荷トラップ層である酸化ハフニウム層15に電荷がトラップされることにより、第1実施形態と同様に、メモリーセルへのデータの書き込み時、あるいはメモリーセル内のデータの消去時におけるリーク電流を低減することができる。特に、前述した構造からなる本実施形態の電荷トラップ層44は、第1および第2の各実施形態の電荷トラップ層24,34に比べて、メモリーセル内のデータの消去時に制御ゲート電極9の角部においてリーク電流が増大するのをより効果的に抑制することができる。この結果、第1および第2の各実施形態と同様に、メモリーセルの動作速度をより高速化できるとともにメモリーウィンドウを広げることもできる。
As described above, the
また、前述したように、本実施形態においては、主電荷トラップ層となる酸化ハフニウム層15が、第2実施形態とは反対に、第1実施形態に比べて、浮遊ゲート電極7から約0.7nm距離を遠く離されて形成される。これにより、本実施形態においては、メモリーセル内のデータの消去後のデータ保持時における電荷のデトラップ現象も、第1および第2の各実施形態に比べてより低減させることができる。これは、メモリーセルの閾値変動の抑制にも有効となる。
Further, as described above, in the present embodiment, the
次に、図14を参照しつつ、上下各アルミナ膜32,33の中央部よりも制御ゲート電極9側に寄せて酸化ハフニウム層15を形成することで、メモリーセル内のデータの消去時に浮遊ゲート電極7の角部においてリーク電流が増大するのを抑制できる理由について説明する。図14は、第1実施形態において参照した図9(b)と同様に、上下各アルミナ膜14,16の中央部から約0.7nm制御ゲート電極9寄りに酸化ハフニウム層15を形成する電極間絶縁膜41を備える本実施形態に係る不揮発性メモリー内のデータの消去時におけるエネルギーバンドの状態を模式的に示す図である。
Next, referring to FIG. 14, the
酸化ハフニウム層15に電子がトラップされることで、メモリーセル内のデータの消去時に電子の注入側となる制御ゲート電極9側で電界が緩和される。ここで、図14と図9(b)との比較から明らかなように、前述した構造からなる本実施形態の主電荷トラップ層である酸化ハフニウム層15のエネルギーバンドが、第1実施形態酸化ハフニウム層15のエネルギーバンドに比べて高くなっていることが分かる。すなわち、本実施形態の電極間絶縁膜41は、第1実施形態の電極間絶縁膜8に比べて、制御ゲート電極9側における電界緩和効果がより大きいことが分かる。したがって、本実施形態によれば、メモリーセル内のデータの消去時における制御ゲート電極9の角部での電界集中を、第1実施形態に比べてより緩和することができる。この結果、メモリーセル内のデータの消去時に制御ゲート電極9の角部においてリーク電流が増大するのを、第1実施形態に比べてより抑制することができる。
By trapping electrons in the
以上説明したように、この第3実施形態によれば、前述した第1および第2の各実施形態と同様の効果を得ることができる。また、電荷トラップ層44中の厚さ方向中央部より制御ゲート電極9寄りに局所的に電荷を集中させてトラップする。これにより、本実施形態では、第1および第2の各実施形態と同様に、メモリーセルが電荷を保持している間の電荷のデトラップ現象を抑制しつつ、メモリーセル内のデータの消去時における制御ゲート電極9の角部でのリーク電流を低減させることができるという、所望のメモリーセル特性を得ることができる。
As described above, according to the third embodiment, the same effects as those of the first and second embodiments described above can be obtained. Further, charges are concentrated and trapped locally near the
(第4の実施の形態)
次に、本願発明に係る第4実施形態について図15(a),(b)〜図17を参照しつつ説明する。なお、前述した第1〜第3の各実施形態と同一部分には同一符号を付して、それらの詳しい説明を省略する。また、図15(a),(b)〜図17は、全て不揮発性メモリーが備えるワード線(制御ゲート電極)9の長手方向(チャネル幅方向)に沿って示す断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 15 (a) and 15 (b) to FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as each 1st-3rd embodiment mentioned above, and those detailed description is abbreviate | omitted. FIGS. 15A and 15B to 17 are cross-sectional views taken along the longitudinal direction (channel width direction) of the word line (control gate electrode) 9 included in the nonvolatile memory.
本実施形態は、第2および第3の各実施形態と同様に、不揮発性半導体記憶装置が備えるメモリーセルの電極間絶縁膜の構造が第1実施形態に係る電極間絶縁膜8の構造と異なっているだけであり、その他は同じである。具体的には、本実施形態に係る電極間絶縁膜と第1実施形態に係る電極間絶縁膜8とは、電荷トラップ層である3層の中間層の構造が異なっているだけである。以下、具体的に説明する。
In the present embodiment, the structure of the interelectrode insulating film of the memory cell included in the nonvolatile semiconductor memory device is different from the structure of the interelectrode
先ず、図15(a)に示すように、電極間絶縁膜を形成する工程の前工程としてシリコン基板2の表層部の複数箇所に素子分離領域5を形成する工程までは、第1実施形態において図2(a),(b)〜図4(a),(b)を参照しつつ説明した工程と同様の工程を実行する。続けて、各リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面を覆って、本実施形態に係る電極間絶縁膜を設ける。
First, as shown in FIG. 15A, in the first embodiment, up to the step of forming
具体的には、図15(a)に示すように、先ず、第1実施形態と同様の工程により、第1実施形態と同じく膜厚が約3nmの下層シリコン酸化膜13を各リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面上に成膜する。続けて、同じく第1実施形態と同様の工程により、下層アルミナ膜51を下層シリコン酸化膜13の表面上に成膜する。ただし、第1実施形態では膜厚が約1.8nm均一の下層アルミナ膜14を成膜したのに対して、本実施形態では、下層シリコン酸化膜13の各凹部を埋めるとともに下層シリコン酸化膜13の各凸部の表面を覆う高さに達するまで下層アルミナ膜51を下層シリコン酸化膜13の表面上に堆積させる。この後、例えばCMP法により、下層アルミナ膜51の上面(表面)を平坦化する。この際、下層アルミナ膜51のうち各リンドープ多結晶シリコン層7の上面の上方に位置する部分の膜厚が、平坦化された後においては、第1実施形態と同様に約1.8nmとなるようにCMP工程を実行する。
Specifically, as shown in FIG. 15A, first, the lower
続けて、平坦化された下層アルミナ膜51の上面上に、下層アルミナ膜51を加工するための第3のレジストマスク52を設ける。続けて、この第3のレジストマスクをパターニングして、下層アルミナ膜51の上面のうち各リンドープ多結晶シリコン層7の上方を覆い、かつ、各素子分離領域5の上方を露出する第3のレジストパターン52を形成する。
Subsequently, a third resist
次に、図15(b)に示すように、第3のレジストパターン52に基づいて下層アルミナ膜42をエッチングして、下層アルミナ膜51の内部の下層シリコン酸化膜13の各凹部に対応する位置に複数個の凹部53を形成する。具体的には、各リンドープ多結晶シリコン層7の上面から各素子分離領域5の上面に向かうに連れて深さがより深くなる逆テーパーが付けられた凹部53を、下層アルミナ膜51の内部の下層シリコン酸化膜13の各凹部に対応する位置に複数個形成する。ここでは、各凹部53は、それらの側面53aがリンドープ多結晶シリコン層7の上面から各素子分離領域5の上面に向かって斜め下向きに傾けられた逆台形状に形成する。この結果、各リンドープ多結晶シリコン層7の制御ゲート電極(電極間絶縁膜)と対向し合う側の各角部7aから各凹部53の側面(傾斜面)53aを構成する下層アルミナ膜51の上面までの間隔は、各リンドープ多結晶シリコン層7の上面からその上方の下層アルミナ膜51の上面までの間隔よりも小さくなる。
Next, as shown in FIG. 15B, the lower alumina film 42 is etched based on the third resist
また、各凹部53の最も低い部分である底部53bは、各リンドープ多結晶シリコン層7の上面よりも低い位置に形成される。ただし、この際、各リンドープ多結晶シリコン層7の制御ゲート電極と対向する側の各角部7a上の下層シリコン酸化膜13は、各凹部53内に露出させず、下層アルミナ膜51により覆われたままとする。
Further, the bottom 53 b which is the lowest part of each
なお、前述した形状を有する各凹部53は、例えば第3のレジストパターン52から露出している各素子分離領域5上の下層アルミナ膜51に対して、ウェットエッチング等の等方性エッチングを施すことにより容易に形成することができる。あるいは、各リンドープ多結晶シリコン層7の制御ゲート電極と対向し合う側の各角部7aに対してそれらの斜め上方から、第3のレジストパターン52から露出している各素子分離領域5上の下層アルミナ膜51に向けてドライエッチング等の異方性エッチング用のエッチングガスを供給することにより容易に形成することができる。各凹部53を形成した後、第3のレジストパターン(第3のレジストマスク)52を下層アルミナ膜51の上面上から剥離させて除去する。
In addition, each recessed
次に、図16(a)に示すように、第1実施形態と同様の工程により、逆台形状の各凹部53が形成された下層アルミナ膜51の上面上に膜厚が約0.4nmの酸化ハフニウム膜54を成膜する。これにより、各リンドープ多結晶シリコン層7の上面から各素子分離領域5の上面に向かうに連れて上面の位置が低くなる逆テーパーが付けられた部分54aを有する酸化ハフニウム膜54を下層アルミナ膜51の上面上に形成する。したがって、本実施形態の酸化ハフニウム膜54は、前述した各凹部53の側面53aに沿って、各リンドープ多結晶シリコン層7の上面から各素子分離領域5の上面に向かって斜め下向きに傾けられた傾斜部分54aを有している。
Next, as shown in FIG. 16A, a film thickness of about 0.4 nm is formed on the upper surface of the
この結果、各リンドープ多結晶シリコン層7の制御ゲート電極と対向し合う側の各角部7aから酸化ハフニウム膜54の傾斜部分54aまでの間隔は、各リンドープ多結晶シリコン層7の上面からその上方の酸化ハフニウム膜54の傾斜部分54aを除く最も高い平坦部分54bまでの間隔よりも小さくなる。すなわち、本実施形態の酸化ハフニウム膜54は、各リンドープ多結晶シリコン層7の制御ゲート電極と対向し合う側の各角部7a以外の位置から各角部7aに向かうに連れて、各角部7aにより近づく形状に形成される。また、酸化ハフニウム膜54の傾斜部分54aおよび最も高い平坦部分54bを除く、酸化ハフニウム膜54の最も低い平坦部分54cは、各リンドープ多結晶シリコン層7の上面よりも低い位置に形成される。
As a result, the distance from each
続けて、同じく第1実施形態と同様の工程により、上層アルミナ膜55を酸化ハフニウム膜54の表面上に成膜する。ただし、第1実施形態では膜厚が約1.8nm均一の上層アルミナ膜16を成膜したのに対して、本実施形態では、表面を酸化ハフニウム膜54により覆われた下層アルミナ膜51の各凹部53を埋めるとともに下層アルミナ膜51の各凸部の表面を覆う高さに達するまで上層アルミナ膜55を酸化ハフニウム膜54の表面上に堆積させる。この後、例えばCMP法により、上層アルミナ膜55の上面(表面)を平坦化する。この際、上層アルミナ膜55のうち各リンドープ多結晶シリコン層7の上面の上方に位置する部分の膜厚が、平坦化された後においては、第1実施形態と同様に約1.8nmとなるようにCMP工程を実行する。
Subsequently, the
続けて、平坦化された上層アルミナ膜55の上面上に、上層アルミナ膜55を加工するための第4のレジストマスク56を設ける。続けて、この第4のレジストマスク56をパターニングして、上層アルミナ膜55の上面のうち各リンドープ多結晶シリコン層7の上面および各リンドープ多結晶シリコン層7の制御ゲート電極と対向し合う側の各角部7aを覆い、かつ、各素子分離領域5の中央部の上方を露出する第4のレジストパターン56を形成する。
Subsequently, a fourth resist
次に、図16(b)に示すように、例えばRIE法により第4のレジストパターン56に基づいて上層アルミナ膜55をエッチングして、下層アルミナ膜51の各凹部53に対応する位置に複数個の凹部57を形成する。具体的には、各素子分離領域5の中央部の上方において、酸化ハフニウム膜54の最も低い平坦部分54c付近まで届く深さを有する複数個の凹部57を形成する。この際、酸化ハフニウム膜54の傾斜部分54aは、各凹部57内に露出させず、上層アルミナ膜55により覆われたままとする。各凹部57を形成した後、第4のレジストパターン(第4のレジストマスク)56を上層アルミナ膜55の上面上から剥離させて除去する。
Next, as shown in FIG. 16B, the
次に、図17に示すように、各凹部57が形成された上層アルミナ膜55の表面上に、第1実施形態と同様の工程により、第1実施形態と同じく膜厚が約3nmの上層シリコン酸化膜17を成膜する。
Next, as shown in FIG. 17, on the surface of the
これまでの工程により、各リンドープ多結晶シリコン層7の表面および各素子分離領域5の表面に、下層シリコン酸化膜13、下層アルミナ膜51、酸化ハフニウム膜54、上層アルミナ膜55、および上層シリコン酸化膜17の5層の積層絶縁膜からなる電極間絶縁膜58の基礎が形成される。また、本実施形態の中間層(電荷トラップ層)59は、下層アルミナ膜51、酸化ハフニウム膜54、および上層アルミナ膜55により構成される。
By the steps so far, the lower
続けて、図17に示すように、第1実施形態と同様の工程により、上層アルミナ膜55に形成された各凹部57の内部を埋め込みつつ、多結晶シリコン層(ポリシリコン層)18を上層シリコン酸化膜17の表面上に成膜する。続けて、同じく第1実施形態と同様の工程により、タングステンシリサイド層19を多結晶シリコン層18の表面上に成膜する。このような工程によれば、多結晶シリコン層18(制御ゲート電極9)が有する各角部のうち、シリコン基板2に向かって突出する側の各角部18a(9a)が酸化ハフニウム膜54の傾斜部分54aに近接して形成されている。換言すれば、酸化ハフニウム膜54の傾斜部分54aは、多結晶シリコン層18(制御ゲート電極9)が有する各角部のうち、シリコン基板2に向かって突出する側の各角部18a(9a)に近接して形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 17, the polycrystalline silicon layer (polysilicon layer) 18 is filled with the upper silicon while filling the inside of each
また、多結晶シリコン層18のシリコン基板2に向かって突出する側の各角部9aは、その下端部が酸化ハフニウム膜54の傾斜部分54aの中間部に位置して形成される。すなわち、多結晶シリコン層18のシリコン基板2に向かって突出する側の各角部18aは、その下端部が酸化ハフニウム膜54の傾斜部分54aおよび最も低い平坦部分54cを除く酸化ハフニウム膜54の最も高い平坦部分54bよりも低い位置に形成される。換言すれば、酸化ハフニウム膜54の傾斜部分54aおよび最も低い平坦部分54cを除く、酸化ハフニウム膜54の最も高い平坦部分54bは、多結晶シリコン層18のシリコン基板2に向かって突出する側の各角部18aの下端部よりも高い位置に形成される。
Further, each
この後、図示を伴う具体的かつ詳細な説明は省略するが、第1および第2の各実施形態と同様に層間絶縁膜やビット線等を公知の技術を用いて形成する。これにより、図17に示すメモリーセル構造を有する本実施形態の不揮発性メモリーが製造される。 Thereafter, although a specific and detailed description accompanying illustration is omitted, an interlayer insulating film, a bit line, and the like are formed using a known technique as in the first and second embodiments. Thereby, the nonvolatile memory of this embodiment having the memory cell structure shown in FIG. 17 is manufactured.
以上説明したように、この第4実施形態によれば、前述した第1〜第3の各実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第1実施形態では、電極間絶縁膜8の中間層24内の主電荷トラップ層(酸化ハフニウム膜)15を、浮遊ゲート電極7と制御ゲート電極9との間の中央部に形成した。そして、第2および第3の各実施形態では、電極間絶縁膜31,41の中間層34,44内の主電荷トラップ層15を、それぞれ全体的に浮遊ゲート電極7と制御ゲート電極9との間の中央部から浮遊ゲート電極7寄りに、もしくは制御ゲート電極9寄りに近づけて形成した。
As described above, according to the fourth embodiment, the same effects as those of the first to third embodiments described above can be obtained. In the first embodiment, the main charge trap layer (hafnium oxide film) 15 in the
これに対して、本実施形態では、前述したように、各リンドープ多結晶シリコン層(浮遊ゲート電極)7の制御ゲート電極9(電極間絶縁膜58)と対向し合う側の各角部7a付近では、電極間絶縁膜58の中間層59内の主電荷トラップ層54を、浮遊ゲート電極7と制御ゲート電極9との間の中央部からリンドープ多結晶シリコン層7寄りに近づけて形成する。それとともに、多結晶シリコン層18(制御ゲート電極9)のシリコン基板2に向かって突出する側の各角部18a(9a)付近では、主電荷トラップ層54を、浮遊ゲート電極7と制御ゲート電極9との間の中央部から多結晶シリコン層18寄りに近づけて形成する。そして、各リンドープ多結晶シリコン層(浮遊ゲート電極)7の制御ゲート電極9と対向し合う側の各角部7a付近および多結晶シリコン層18(制御ゲート電極9)のシリコン基板2に向かって突出する側の各角部18a(9a)付近を除いては、主電荷トラップ層54を、第1実施形態と同様に、浮遊ゲート電極7と制御ゲート電極9との間の中央部に形成する。
On the other hand, in the present embodiment, as described above, the vicinity of each
このような構成によれば、第2および第3の各実施形態の効果を併せて得ることができる。すなわち、本実施形態によれば、メモリーセルへのデータの書き込み時における浮遊ゲート電極7の角部でのリーク電流およびメモリーセル内のデータの消去時における制御ゲート電極9の角部でのリーク電流を、とともに第1実施形態よりも低減させることができるという、極めて優れた効果を得ることができる。
According to such a configuration, the effects of the second and third embodiments can be obtained together. That is, according to the present embodiment, the leakage current at the corner of the floating
なお、本願発明に係る不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法は、前述した第1〜第4の各実施形態には制約されない。本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で、それらの構成、あるいは製造工程などの一部を種々様々な設定に変更したり、あるいは各種設定を適宜、適当に組み合わせて用いたりして実施することができる。 Note that the nonvolatile semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention are not limited to the first to fourth embodiments described above. Without departing from the spirit of the present invention, a part of the configuration or manufacturing process can be changed to various settings, or various settings can be appropriately combined and used. .
例えば、第1〜第4の各実施形態においては、上下2層の各アルミナ膜14,16,32,33,42,43,51,55の中間部に主要な電荷トラップ層となる酸化ハフニウム層15,54を挟むことで、電極間絶縁膜8,31,41,58の電荷トラップ層(中間層)24,34,44,59を形成している。しかし、中間層の構成や形成方法は、これらには限定されない。中間層の構成や形成方法は、電荷トラップ密度の多い膜と電荷トラップ密度の少ない膜との組み合わせであれば、他の材料を用いてもよく、また他の形成方法でもよい。
For example, in each of the first to fourth embodiments, a hafnium oxide layer serving as a main charge trapping layer is provided in the middle of the two upper and
一般に、IV−A族の元素であるハフニウム(Hf)の酸化物である酸化ハフニウムはバルク中に酸素欠損等の欠陥を多く含み、高い電荷トラップ密度を有する。このため、第1〜第4の各実施形態のように主たる電荷トラップ層として用いるのに適している。ところが、本願発明者らが調べた結果によれば、主たる電荷トラップ層は、ハフニウム以外の他のIV−A族の元素を含む酸化物を用いて形成しても酸化ハフニウムと同様の効果を得られることが判明した。このような元素としては、例えばジルコニウム(Zr)やチタン(Ti)などが挙げられる。また、主たる電荷トラップ層は、IV−A族以外にも、例えばIII−A族やV−A族の元素を含む酸化物を用いて形成しても酸化ハフニウムと同様の効果を得られることが分かった。このような元素としては、例えばIII−A族の元素であればランタン(La)などが挙げられる。また、V−A族の元素であればタンタル(Ta)などが挙げられる。また、酸化ハフニウムの代わりに、例えばシリコン窒化膜(SiN膜)のようにシリコンおよび窒素(N)を含む膜を用いて主たる電荷トラップ層を形成しても、第1〜第4の各実施形態と同様の効果を得られることが分かった。 In general, hafnium oxide, which is an oxide of hafnium (Hf), which is an element of group IV-A, has many defects such as oxygen vacancies in the bulk and has a high charge trap density. Therefore, it is suitable for use as a main charge trap layer as in the first to fourth embodiments. However, according to the results investigated by the inventors of the present application, even if the main charge trapping layer is formed using an oxide containing an IV-A group element other than hafnium, the same effect as hafnium oxide is obtained. Turned out to be. Examples of such elements include zirconium (Zr) and titanium (Ti). In addition to the IV-A group, the main charge trapping layer can obtain the same effect as hafnium oxide even if it is formed using an oxide containing a group III-A or VA group element, for example. I understood. Examples of such an element include lanthanum (La) in the case of a group III-A element. Moreover, tantalum (Ta) etc. are mentioned if it is a VA group element. Further, even if the main charge trap layer is formed using a film containing silicon and nitrogen (N) such as a silicon nitride film (SiN film) instead of hafnium oxide, each of the first to fourth embodiments. It was found that the same effect can be obtained.
また、中間層内の主たる電荷トラップ層の形成方法は、前述したALD法には限定されない。主たる電荷トラップ層は、他の方法によって形成してもよい。例えば、主たる電荷トラップ層を、アルミナ膜の中央部をラジカル窒化するなどして形成してもよい。また、より好ましくは、主たる電荷トラップ層を孤立した島形状に形成してアイランド化することにより、電荷保持特性をさらに向上させることができる。 Further, the method of forming the main charge trap layer in the intermediate layer is not limited to the ALD method described above. The main charge trap layer may be formed by other methods. For example, the main charge trap layer may be formed by radical nitriding the central portion of the alumina film. More preferably, the charge retention characteristics can be further improved by forming the main charge trap layer into an isolated island shape and forming an island.
また、第1〜第4の各実施形態では、主に電荷蓄積層に浮遊ゲート電極7を用いる不揮発性メモリー1、およびその電極間絶縁膜8,31,41について説明したが、これには限定されない。本願発明は、例えば、電荷蓄積層をリンドープ多結晶シリコン層7に代えて絶縁膜の一種であるシリコン窒化膜を用いて形成するとともに、制御ゲート電極を金属(導電体)で形成する、いわゆるMONOS型構造の不揮発性メモリーにも適用可能である。そして、本願発明に係る電極間絶縁膜8,31,41は、MONOS型不揮発性メモリーにおける電荷ブロック絶縁膜にも適用可能である。
In each of the first to fourth embodiments, the
また、上下各シリコン酸化膜13,17と浮遊ゲート電極9および制御ゲート電極9との界面に窒化膜を設けることにより、電極間絶縁膜8,31,41,58のバーズビークを抑制しても構わない。このような構成は、上下各シリコン酸化膜13,17のバーズビークの抑制に特に有効である。
Further, by providing a nitride film at the interface between the upper and lower
さらに、第4実施形態の各凹部53の形状は、前述した逆台形状に限定されない。各凹部53は、側面および底面が湾曲した、いわゆるボウル形状に形成されても構わない。それとともに、各凹部53が形成された下層アルミナ膜51を覆って形成される酸化ハフニウム膜(第4の絶縁膜)54の形状も、前述したような直線をその中間部分の複数箇所で折り曲げた折れ線形状には限定されない。酸化ハフニウム膜54は、例えば、その全体が上向きに凸な曲線と下向きに凸な曲線とを交互に滑らかに繋ぎ合わせられた、いわゆる波形状に代表されるような曲線形状に形成されても構わない。酸化ハフニウム膜54は、少なくとも、浮遊ゲート電極7の制御ゲート電極9と対向し合う側の各角部7a付近では浮遊ゲート電極7と制御ゲート電極9との間の中央部から浮遊ゲート電極7寄りに近づけて形成されるとともに、制御ゲート電極9のシリコン基板2に向かって突出する側の各角部9a付近では、浮遊ゲート電極7と制御ゲート電極9との間の中央部から制御ゲート電極9寄りに近づけて形成されればよい。
Furthermore, the shape of each recessed
1…不揮発性メモリー(不揮発性半導体記憶装置)、2…シリコン基板(半導体基板)、6…シリコン酸化膜(SiO2 膜、トンネル絶縁膜、第1の絶縁膜)、7…リンドープ多結晶シリコン層(浮遊ゲート電極、電荷蓄積層)、7a…浮遊ゲート電極の制御ゲート電極と対向する側の角部(電荷蓄積層の制御ゲート電極と対向する側の角部)、8,31,41…電極間絶縁膜、9…制御ゲート電極、13…下層シリコン酸化膜(SiO2 膜、第1層目の電極間絶縁膜、第2の絶縁膜)、9a…制御ゲート電極のシリコン基板に向けて突出する側の角部(制御ゲート電極の半導体基板に向けて突出する側の角部)、14,32,42,51…下層アルミナ膜(Al2O3 膜、第2層目の電極間絶縁膜、第3の絶縁膜)、15,54…酸化ハフニウム膜(HfO2 膜、第3層目の電極間絶縁膜、第4の絶縁膜)、16,33,43,55…上層アルミナ膜(Al2O3 膜、第4層目の電極間絶縁膜、第5の絶縁膜)、17…上層シリコン酸化膜(SiO2 膜、第5層目の電極間絶縁膜、第6の絶縁膜)、18…多結晶シリコン層(下層制御ゲート電極)、18a…多結晶シリコン層のシリコン基板に向かって突出する側の各角部(制御ゲート電極の半導体基板に向けて突出する側の角部)、19…タングステンシリサイド層(上層制御ゲート電極) 1 ... nonvolatile memory (nonvolatile semiconductor memory device), 2 ... silicon substrate (semiconductor substrate), 6 ... silicon oxide film (SiO 2 film, the tunnel insulating film, a first insulating film), 7 ... phosphorus-doped polycrystalline silicon layer (Floating gate electrode, charge storage layer), 7a... Corner of the floating gate electrode facing the control gate electrode (corner of the charge storage layer facing the control gate electrode), 8, 31, 41. Interlayer insulating film, 9... Control gate electrode, 13... Lower silicon oxide film (SiO 2 film, first layer interelectrode insulating film, second insulating film), 9 a. Corners (corners on the side of the control gate electrode protruding toward the semiconductor substrate), 14, 32, 42, 51... Lower alumina film (Al 2 O 3 film, second-layer inter-electrode insulating film) , Third insulating film), 15, 54... Hafni oxide Arm film (HfO 2 film, a third layer insulating film, the fourth insulating film), 16,33,43,55 ... upper alumina film (Al 2 O 3 film, between the fourth layer of the electrode insulating Film, fifth insulating film), 17 ... upper silicon oxide film (SiO 2 film, fifth inter-electrode insulating film, sixth insulating film), 18 ... polycrystalline silicon layer (lower control gate electrode), 18a: Corner portions of the polycrystalline silicon layer protruding toward the silicon substrate (corner portions of the control gate electrode protruding toward the semiconductor substrate), 19 ... Tungsten silicide layer (upper control gate electrode)
Claims (5)
この電荷蓄積層上に設けられているとともにシリコンおよび酸素を含む材料からなる第2の絶縁膜と、
この第2の絶縁膜上に設けられた第3の絶縁膜と、
この第3の絶縁膜上に設けられているとともに、前記第3の絶縁膜よりも電荷トラップ密度が高く、かつ、前記第2の絶縁膜よりも比誘電率が高い材料からなる第4の絶縁膜と、
この第4の絶縁膜上に設けられているとともに前記第4の絶縁膜よりも電荷トラップ密度が低い材料からなる第5の絶縁膜と、
この第5の絶縁膜上に設けられているとともに、前記第4の絶縁膜よりも比誘電率が低く、かつ、シリコンおよび酸素を含む材料からなる第6の絶縁膜と、
この第6の絶縁膜上に設けられた制御ゲート電極と、
を具備することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A charge storage layer provided on a semiconductor substrate via a first insulating film;
A second insulating film provided on the charge storage layer and made of a material containing silicon and oxygen;
A third insulating film provided on the second insulating film;
A fourth insulation made of a material provided on the third insulating film, having a charge trap density higher than that of the third insulating film and having a relative dielectric constant higher than that of the second insulating film; A membrane,
A fifth insulating film made of a material provided on the fourth insulating film and having a charge trap density lower than that of the fourth insulating film;
A sixth insulating film provided on the fifth insulating film and having a relative dielectric constant lower than that of the fourth insulating film and made of a material containing silicon and oxygen;
A control gate electrode provided on the sixth insulating film;
A non-volatile semiconductor memory device comprising:
前記制御ゲート電極の前記半導体基板に向けて突出する側の角部上では、前記第4の絶縁膜が前記電荷蓄積層と前記制御ゲート電極との間の中央部よりも前記制御ゲート電極側に近づけられて形成されており、
前記電荷蓄積層の前記制御ゲート電極と対向する側の角部および前記制御ゲート電極の前記半導体基板に向けて突出する側の角部以外では、前記第4の絶縁膜が前記電荷蓄積層と前記制御ゲート電極との間の中央部に形成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。 On the corner of the charge storage layer on the side facing the control gate electrode, the fourth insulating film is closer to the charge storage layer side than the center between the charge storage layer and the control gate electrode. Is formed,
On the corner portion of the control gate electrode that protrudes toward the semiconductor substrate, the fourth insulating film is closer to the control gate electrode than the central portion between the charge storage layer and the control gate electrode. It ’s formed close together,
Except for the corner portion of the charge storage layer facing the control gate electrode and the corner portion of the control gate electrode projecting toward the semiconductor substrate, the fourth insulating film is connected to the charge storage layer and the charge storage layer. Formed in the center between the control gate electrode,
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
この電荷蓄積層上にシリコンおよび酸素を含む材料からなる第2の絶縁膜を設け、
この第2の絶縁膜上に第3の絶縁膜を設け、
この第3の絶縁膜上に前記第3の絶縁膜よりも電荷トラップ密度が高く、かつ、前記第2の絶縁膜よりも比誘電率が高い材料からなる第4の絶縁膜を設け、
この第4の絶縁膜上に前記第4の絶縁膜よりも電荷トラップ密度が低い材料からなる第5の絶縁膜を設け、
この第5の絶縁膜上に前記第4の絶縁膜よりも比誘電率が低く、かつ、シリコンおよび酸素を含む材料からなる第6の絶縁膜を設け、
この第6の絶縁膜上に制御ゲート電極を設ける、
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 A charge storage layer is provided on the semiconductor substrate via the first insulating film,
A second insulating film made of a material containing silicon and oxygen is provided on the charge storage layer,
A third insulating film is provided on the second insulating film,
A fourth insulating film made of a material having a charge trap density higher than that of the third insulating film and a relative dielectric constant higher than that of the second insulating film is provided on the third insulating film,
A fifth insulating film made of a material having a charge trap density lower than that of the fourth insulating film is provided on the fourth insulating film,
On the fifth insulating film, a sixth insulating film having a relative dielectric constant lower than that of the fourth insulating film and made of a material containing silicon and oxygen is provided.
A control gate electrode is provided on the sixth insulating film;
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device.
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2008
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