JPH07249697A - 不揮発性半導体メモリ装置 - Google Patents

不揮発性半導体メモリ装置

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JPH07249697A
JPH07249697A JP6041450A JP4145094A JPH07249697A JP H07249697 A JPH07249697 A JP H07249697A JP 6041450 A JP6041450 A JP 6041450A JP 4145094 A JP4145094 A JP 4145094A JP H07249697 A JPH07249697 A JP H07249697A
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JP
Japan
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insulating film
gate
semiconductor memory
floating gate
memory device
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JP6041450A
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English (en)
Inventor
Akira Chokai
海 明 鳥
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 長期信頼性を確保しながら、素子特性のばら
つきの影響を大幅に減少させることにより、高集積化を
可能とする不揮発性半導体メモリ装置を提供する。 【構成】 不揮発性半導体メモリ装置において、後酸化
工程におけるゲートバーズビークをシリコン基板と浮遊
ゲート間の第1の絶縁膜側で大きく、浮遊ゲートと制御
ゲート間の第2の絶縁膜側で小さく形成する。このため
に浮遊ゲートとなる多結晶シリコン膜の上側の不純物濃
度を、下側の不純物濃度よりも低くしている。また、こ
の多結晶シリコン膜の上面に窒化膜を形成することによ
り同様の効果を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は不揮発性半導体メモリ装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】不揮発性メモリの中には、中間電極とし
ての浮遊ゲートとその上方に制御ゲートを有し、この制
御ゲートによって電界をかけ、トンネル効果によって浮
遊ゲートに電荷を注入し、あるいは電荷を抜くことによ
り電気的な書き込み及び消去を可能にする二重ゲート構
造のものがある。
【0003】この構造では、浮遊ゲートとなる多結晶シ
リコンの層が酸化膜に挟まれており、ドレイン近傍で発
生した電子または正孔は、ファウラー・ノルトハイム効
果により浮遊ゲートに注入される。この結果、浮遊ゲー
トの帯電に伴って、逆の電荷がチャネル領域の半導体表
面に誘起され、ソース・ドレイン間の導通状態が決ま
る。
【0004】現在、二重ゲート型不揮発性メモリは、N
AND型の4メガビットのLSIが主流であり、16メ
ガビットのものの開発が進んでいる。
【0005】このような不揮発性メモリにおいては絶縁
膜の信頼性が重要であるが、高集積化、微細化が進む中
でこれを確保するのは困難となりつつある。
【0006】絶縁膜の信頼性を損なう要因の一つとして
は、素子の幾何学的形状のばらつきが考えられ、このば
らつきによって設計以上に電界がかかり、過大電流や寿
命の短縮化が起こるものと考えられている。
【0007】そこでメモリ素子の加工の過程の中で、ゲ
ート加工後に絶縁膜の損傷を回復させて長期信頼性を確
保するために、後酸化を行うことが提案されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この後
酸化工程においてゲートバーズビークと呼ばれる厚さの
増加が、シリコン基板と浮遊ゲート間の絶縁膜、及び浮
遊ゲートと制御ゲート間の絶縁膜に生じる。これは、制
御ゲートと浮遊ゲートの間の容量結合の割合を変化さ
せ、素子特性にばらつきを与えるという問題を生じる。
【0009】本発明の目的は、後酸化工程において生じ
るゲートバーズビークによって素子特性のばらつきの影
響を受けにくく、信頼性の高い不揮発性半導体メモリ装
置を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
基板表面に形成されたチャネル領域上に第1の絶縁膜、
浮遊ゲート、第2の絶縁膜、制御ゲートを順次積層した
積層構造を有する不揮発性半導体メモリ装置において、
前記第2の絶縁膜の中央部に対する端部の膜厚増加が、
前記第1の絶縁膜の中央部に対する端部の膜厚増加より
も少ないことを特徴とする。
【0011】前記浮遊ゲートは前記第1の絶縁膜側で高
く、前記第2の絶縁膜側で低い不純物濃度勾配を有する
多結晶シリコン膜であると良い。
【0012】また、前記浮遊ゲートと前記第2の絶縁膜
との界面、及び前記制御ゲートと前記第2の絶縁膜との
界面にそれぞれ窒化膜が形成されていても良い。
【0013】
【作用】本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置にお
いては、浮遊ゲートに対して上部の第2の絶縁膜側には
ゲートバーズビークが小さく形成され、下部の第1の絶
縁膜側では大きく形成されている。
【0014】このような構造では、第1の絶縁膜の端部
にゲートバーズビークが大きく形成されることにより、
シリコン基板と浮遊ゲート間に流れるトンネル電流のう
ちチャネル領域中央部を流れるものの割合が大きくな
る。すなわち、第1の絶縁膜の端部にゲートバーズビー
クが形成されることによってトンネル電流はチャネル領
域中央部の信頼性の高い第1の絶縁膜部分を流れること
になる。この結果、後酸化工程後のトンネル電流特性へ
の影響を大幅に減少させることができる。
【0015】このような構造を得るため、浮遊ゲートを
形成する際に、多結晶シリコンの不純物濃度を上部の第
2の絶縁膜側では低く、下部の第1の絶縁膜側では高く
なるように勾配させている。これは多結晶シリコン中の
不純物濃度が高いほど酸化速度が大きいという事実を利
用したものである。
【0016】さらに、このような不純物の濃度勾配によ
りゲートバーズビークの入り方を調整する代わりに、浮
遊ゲートと第2の絶縁膜との界面、及び第2の絶縁膜と
制御ゲートとの界面に窒化膜を形成した場合、第2の絶
縁膜には後酸化工程においてゲートバーズビークがほと
んど形成されないので、同様にトンネル電流特性を安定
化させることができる。
【0017】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例に
ついて説明する。図1は、本発明にかかる不揮発性半導
体メモリ装置の一実施例の断面図である。この不揮発性
半導体メモリ装置は、P型シリコン基板1の表面にチャ
ネル領域1aを挟んで形成されたN型のソース及びドレ
イン領域2が形成されており、チャネル領域1a上には
第1のゲート絶縁膜3、多結晶シリコンでなる浮遊ゲー
ト4、第2のゲート絶縁膜5、多結晶シリコンでなる制
御ゲート6、さらにその上部にタングステン・シリサイ
ド(WSi2 )膜7が順次積層されている。
【0018】この不揮発性半導体メモリ装置において
も、後酸化の工程でゲートバーズビーク3a、5aが生
じているが、その量は第1の絶縁膜3側で大きく、第2
の絶縁膜5側では小さい。したがって、前述したように
トンネル電流の大部分が第1の絶縁膜の中央部を流れる
ことにより、後酸化工程によって生じたゲートバーズビ
ークによるトンネル電流特性への影響を大幅に減少させ
ることができ、素子特性が向上することが分かる。
【0019】また、第1の絶縁膜側にゲートバーズビー
クが大きく形成されることにより、シリコン基板と浮遊
ゲート間の容量が減少し、制御ゲートとの容量結合によ
って決まる浮遊ゲートの電位は上がる。このことは素子
全体をFETとして見たとき、酸化膜が厚くなることに
よるしきい値電圧の上昇を相対的に補償するように作用
することになる。
【0020】一方、第2の絶縁膜側にゲートバーズビー
クが形成された場合、浮遊ゲートの電位のばらつきの原
因となり、見かけ上、しきい値電圧のばらつきの原因と
なる。したがって、第2の絶縁膜側のゲートバーズビー
クを小さくすることによって、素子特性のばらつきを減
少させることができる。
【0021】図1に示した構造を得るために、浮遊ゲー
ト4を形成している多結晶シリコン膜に濃度勾配が与え
られる。すなわち、多結晶シリコン浮遊ゲート4のう
ち、第1のゲート絶縁膜3に接する側4aでは不純物濃
度は高く、第2のゲート絶縁膜5に接する側4bでは不
純物濃度は低くなっている。このような濃度分布は濃度
の異なる多結晶シリコン膜を順次積層したり、加速電圧
を変えたイオン注入および拡散で形成することができ
る。
【0022】次に、図2〜図4を参照してこの半導体メ
モリ装置の製造方法を説明する。P型単結晶シリコン基
板1上に通常の素子分離構造(LOCOSあるいはトレ
ンチ素子分離)を形成した後、素子を作成する活性領域
上に、塩酸を微量に含む雰囲気の下で熱酸化膜3を約1
00オングストローム形成し、続いて高濃度にリン
(P)を含む多結晶シリコン4を、全体で約1500オ
ングストローム堆積する。このリンの濃度については前
述したような方法により下面側4aで高く上面側4bで
低くなっている濃度勾配が与えられている。この濃度勾
配は必ずしも滑らかである必要はなく、段階的でも良
く、下面側で1020cm-3以上、上面側で1019cm-3
以下であればよい。
【0023】次に、この多結晶シリコンを酸化して、図
3に示すように約200オングストロームの第2の酸化
膜5を形成する。一般に不純物濃度の低いシリコン上の
熱酸化膜は信頼性が高いとされているが、絶縁膜特性、
信頼性を向上させるためにシリコン窒化膜などを挟ん
で、いわゆるONO膜を構成してもよいし、絶縁膜に対
するその他の改良を施すことも可能である。また、浮遊
ゲート中の濃度分布が変動しないように熱工程を極力避
けるべく、堆積酸化膜を用いることも可能である。
【0024】続いて、浮遊ゲート4の上部側4bと同程
度の不純物濃度を有する多結晶シリコン膜6を約150
0オングストローム堆積し、その上にタングステン
(W)膜をスパッタで約500オングストローム堆積
し、熱反応によってタングステン・シリサイド(WSi
2 )膜7を形成する。このとき、タングステンの代りに
全体の熱工程、必要なゲート抵抗値によって適宜他の材
料、例えば他の高融点金属であるチタン等を選択し、チ
タン・シリサイド等を形成してもよい。
【0025】次に、積層した制御ゲート、浮遊ゲート等
を反応性イオンエッチング(RIE)等の異方性エッチ
ングによってパターニング加工して図4に示す構造を得
る。
【0026】この後に後酸化工程を実施する。この工程
中に多結晶シリコン中の不純物濃度の違いにより、絶縁
膜の酸化速度に差が生じて、第1の絶縁膜3ではゲート
バーズビーク3aは大きく形成され、これに比較して第
2の絶縁膜5ではゲートバーズビーク5aは小さく形成
される。この後、通常のソース、ドレイン領域2のイオ
ン注入を行い、トランジスタ構造が完成する(図1)。
なお、後酸化を行う前に、全体を層間絶縁膜としての酸
化膜で覆っておき、その後に後酸化を行っても良い。
【0027】このように、浮遊ゲートを形成する多結晶
シリコンに濃度勾配を与えることにより、信頼性が高
く、素子特性のばらつきが小さい高集積不揮発性半導体
メモリを製造することができる。なお、N型基板上にP
型のソース、ドレインを有するPチャネルトランジスタ
の場合にもドーパントを逆導電型に変えるだけで、同様
の方法を適用できる。
【0028】図5は、浮游ゲートの不純物濃度によりゲ
ートバーズビークの形成量を調整する代りに、浮遊ゲー
ト4が第2の絶縁膜5と接している界面、及び第2の絶
縁膜5と制御ゲート6との界面にそれぞれ窒化膜8a、
8bを形成した実施例の断面図である。この場合、後酸
化工程において窒化膜を形成した界面にはゲートバーズ
ビークがほとんど形成されていない。
【0029】これに対し、第1の絶縁膜3と浮遊ゲート
の下面側との界面には窒化膜を形成していないため、図
1の場合と同様にゲートバーズビークが大きく形成され
ている。このため、トンネル電流はこの部分を避けて、
チャネル領域中央部の信頼性の高い絶縁膜部分を流れる
ことになり、安定したトンネル電流特性を得ることがで
きる。
【0030】このような構造を得るには、浮遊ゲート4
を形成する多結晶シリコンを堆積した後、窒化を行って
厚さ10オングストロームの窒化膜8aを形成する。次
に、CVD法でシリコン酸化膜を堆積し、第2の絶縁膜
5を得る。ここでその表面を窒化して窒化膜8bを形成
した後、浮遊ゲート4と同程度の不純物濃度の多結晶シ
リコンを堆積し、以下図1の場合と同様にして、制御ゲ
ート6およびタングステン・シリサイド膜7を形成する
ような構造では、浮遊ゲート上面へのゲートバーズビー
クを抑えることにより、しきい値電圧の変動が少なく、
かつトンネル電流特性が安定した不揮発性半導体メモリ
装置を得ることができる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
素子特性が良好で、長期信頼性を確保しながら高集積化
に優れた不揮発性半導体メモリ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる不揮発性半導体メモリの一実施
例を示す素子断面図。
【図2】本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置の製
造工程を示す工程別素子断面図。
【図3】本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置の製
造工程を示す工程別素子断面図。
【図4】本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置の製
造工程を示す工程別素子断面図。
【図5】本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置の他
の実施例を示す素子断面図。
【符号の説明】
1 シリコン基板 1a チャネル領域 2 ソース、ドレイン領域 3 第1の絶縁膜 3a 第1の絶縁膜側のゲートバーズビーク 4 浮遊ゲート 4a 浮遊ゲートの不純物濃度が高い領域 4b 浮遊ゲートの不純物濃度が低い領域 5 第2の絶縁膜 5a 第2の絶縁膜側のゲートバーズビーク 6 制御ゲート 7 タングステン・シリサイド膜 8a 第1の窒化膜 8b 第2の窒化膜

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板表面に形成されたチャネル領域
    上に第1の絶縁膜、浮遊ゲート、第2の絶縁膜、制御ゲ
    ートを順次積層した積層構造を有する不揮発性半導体メ
    モリ装置において、前記第2の絶縁膜の中央部に対する
    端部の膜厚増加が、前記第1の絶縁膜の中央部に対する
    端部の膜厚増加よりも少ないことを特徴とする不揮発性
    半導体メモリ装置。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装
    置において、前記浮遊ゲートは前記第1の絶縁膜側で高
    く、前記第2の絶縁膜側で低い不純物濃度勾配を有する
    多結晶シリコン膜であることを特徴とする不揮発性半導
    体メモリ装置。
  3. 【請求項3】請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装
    置において、前記浮遊ゲートと前記第2の絶縁膜との界
    面、及び前記制御ゲートと前記第2の絶縁膜との界面に
    それぞれ窒化膜が形成されたことを特徴とする不揮発性
    半導体メモリ装置。
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