JPH0745725A

JPH0745725A - 不揮発性半導体記憶装置及びその形成方法

Info

Publication number: JPH0745725A
Application number: JP18460593A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Fukuda; 永福田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1993-07-27
Filing date: 1993-07-27
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】【目的】層間絶縁膜へのリン原子の拡散を抑制し、層
間絶縁膜と浮遊ゲート電極との界面の整合性及び層間絶
縁膜の膜厚の均一性に優れた不揮発性半導体記憶装置を
提供する。【構成】この発明の不揮発性半導体記憶装置の構造に
よれば、層間絶縁膜２１ａを、下層側から順に第１絶縁
膜１６ａと第２絶縁膜１８ａと第３絶縁膜２０ａとの積
層構造とし、この第１絶縁膜１６ａをオキシナイトライ
ド（ＳｉＯ_XＮ_Y）膜とする。また、第２絶縁膜１８ａ
をシリコン窒化膜、第３絶縁膜２０ａを二酸化シリコン
膜とする。また、不揮発性半導体記憶装置の形成方法に
よれば、浮遊ゲート電極１４ａ上に窒素含有の反応性ガ
スを用いた加熱処理によって第１絶縁膜を形成する。そ
の後、この第１絶縁膜上にシランガスとアンモニヤガス
との混合ガスとを用いた加熱処理によって第２絶縁膜を
形成する。更に、第２絶縁膜上に酸素ガスと水素ガスと
を用いて加熱処理によって第３絶縁膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電気的に情報の書き
込み及び消去が可能で、かつ、情報の保持に外部より電
力を与える必要のない記憶効果を具えた不揮発性半導体
記憶装置（所謂ＥＥＰＲＯＭ）及びその形成方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の不揮発性半導体記憶装置は、例え
ば文献Ｉ（文献Ｉ：「月刊Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
Ｗｏｒｌｄ」、１９９１年、４月号、Ｐ．９４〜９
８、プレスジャナール）に開示されている。

【０００３】図７（Ａ）及び（Ｂ）は、文献Ｉに開示さ
れている不揮発性記憶装置の構造の一例をそれぞれ示し
ている。

【０００４】先ず、図７（Ａ）の構造は、ＥＴＯＸ（Ｅ
ＰＲＯＭｗｉｔｈＴｕｎｎｅｌＯｘｉｄｅ）セルと
も呼ばれ、セルの構成は以下の通りである。

【０００５】このＥＴＯＸセルの構成によれば、３０は
Ｐ導電型半導体基板、３２はトンネル酸化膜、３４は浮
遊ゲート電極、３６は層間絶縁膜、３８は制御ゲート電
極、４０はｎ⁺型のソース領域、４２はｎ⁺型のドレイ
ン領域、４４はｎ^-型のソース領域及び４６は、ｐ⁺型
のドレイン領域である。

【０００６】このＥＴＯＸセルは、構造的に見ればＥＰ
ＲＯＭと同一であるが、セルのトンネル酸化膜３２を１
０ｎｍ（ナノメートル）程度に形成した点に特徴があ
る。また、ｎ⁺型ソース領域４０の下面には、バンド間
のトンネルリークを抑制するため、ｎ^-型ソース領域４
４を具えている。一方、ｎ⁺型ドレイン領域４２の下面
には書き込みの効率向上を図るため、ｐ⁺型ドレイン領
域４６を具えている。

【０００７】ソース領域４０、４４とドレン領域４２、
４６との間には、チャネル領域４８が形成されている。
このチャネル領域４８を有する基板３０上には、トンネ
ル酸化膜３２、浮遊ゲート電極３４、層間絶縁膜３６及
び制御ゲート電極３８がそれぞれ積層されている。な
お、基板３０上に設けられたトンネル酸化膜３２は、ソ
ース領域４０及びドレイン領域４２のそれぞれの一部分
とも接して設けられている。

【０００８】次に、近年、不揮発性半導体記憶装置（以
下、ＥＥＰＲＯＭと称する。）の主流となりつつあるＥ
ＴＯＸセルを用いてセルの動作方法を簡単に説明する。

【０００９】ＥＴＯＸセルの書き込み動作は、ドレイン
領域４２から浮遊ゲート電極３４への電子の注入によっ
て行う。すなわち、制御ゲート３８とドレイン領域４２
に高電圧を印加すると、チャネルの近傍に発生するホッ
トエレクトロン（熱電子）が浮遊ゲート３４に注入さ
れ、これにより、制御ゲート電極からみたしきい値電圧
が高い状態（“０”状態）となる。一方、消去は、浮遊
ゲート中の電子をトンネル酸化膜３２を通ってソース領
域４０へ抜き取ることによって行う。すなわち、制御ゲ
ート電極３８を接地電位（０Ｖ）とし、かつソース領域
４０に正の高電圧を印加する。このとき、トンネル酸化
膜３２を通してトンネル電流が浮遊ゲート３４からソー
ス領域４０側へ流れ、浮遊ゲート電極中の電子が抜き取
られる。このとき、しきい値電圧は低い状態（“１”状
態）となる。また、読出しは、制御ゲート電極３８に高
電位を印加し、かつメモリセルを選択してドレイン領域
４２に熱電子を発生させないように十分に低い電圧を印
加しておき、メモリセルトランジスタのしきい値電圧の
差に応じて“１”または“０”状態を読み取る。

【００１０】次に、図７の（Ｂ）を参照してＭＯＮＯＳ
（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＮｉｔｒｉｄｅＯｘｉｄ
ｅＳｉｌｉｃｏｎ）型のセル構造を簡単に説明する。

【００１１】このＭＯＮＯＳ型セルの構成は、以下の通
りである。５０はＰ型半導体基板、５２はトンネル酸化
膜、５４は浮遊ゲート電極、５６は層間絶縁膜、５８は
制御ゲート電極、６０はＳｉＯ₂膜、６２はｎ⁺型ソー
ス領域及び６４はｎ⁺型ドレイン領域である。また、こ
のＭＯＮＯＳ型のセルの特徴としては、トンネル酸化膜
及び浮遊ゲート電極と制御ゲート電極間の層間絶縁膜に
ＯＮＯ（Ｏｘｉｄｅ−Ｎｉｔｒｉｄｅ−Ｏｘｉｄｅ）膜
を設けた点にある。

【００１２】更に、層間絶縁膜にＯＮＯ膜を設けた例と
しては、文献ＩＩに開示されたＥＰＲＯＭ構造のセルが
ある（文献ＩＩ：「ＰｈｙｓｉｃａｌＯｒｉｇｉｎ
ｏｆＬｏｎｇＴｅｒｍＣｈａｒｇｅＬｏｓｓｉ
ｎＦｌｏａｔｉｎｇ−ＧａｔｅＥＰＲＯＭｗｉｔ
ｈａｎＩｎｔｅｒｐｏｌｙＯｘｉｄｅ−Ｎｉｔｒ
ｉｄｅ−ＯｘｉｄｅＳｔａｃｋｅｄＤｉｅｌｅｃｔ
ｒｉｃ」、ＩＥＥＥ、ＥＬＥＣＴＲＯＮＤＥＶＩＣＥ
ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．２、ＦＥＢＲ
ＵＡＲＹ１９９１）。

【００１３】図８を参照して文献ＩＩに開示されている
ＯＮＯ膜型のＥＰＲＯＭのセル構造につき簡単に説明す
る。

【００１４】このＥＰＲＯＭの構成は、上述した図７の
（Ａ）のＥＴＯＸセルタイプとほぼ同一の形状をしてお
り、異なる点は、以下の通りである。

【００１５】３５はＯＮＯ（Ｏｘｉｄｅ−Ｎｉｔｒｉｄ
ｅ−Ｏｘｉｄｅ）膜であり、４１はＮ⁺⁺導電型のソース
領域、４３はＮ⁺⁺導電型のドレイン領域で構成されてい
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のＯＮＯ膜型の不揮発性記憶装置であっても層間
絶縁膜の形成のとき、高温熱処理によって（例えば酸素
ガス中で１０００℃、１０分間）行われるため、浮遊ゲ
ート電極中に含まれているリン（Ｐ）が層間絶縁膜中に
侵入し、膜厚が不均一になるという問題があった。この
様子を図９（Ａ）と（Ｂ）を参照して説明する。半導体
基板３０上にトンネル酸化膜３２を設け、この酸化膜３
２上に浮遊ゲート電極３４を設けて得られた図９の
（Ａ）に示す構造体では、浮遊ゲート電極３４の表面が
平坦になっている。しかし、浮遊ゲート電極３４上に層
間絶縁膜３６を形成すると浮遊ゲート電極３４中に結晶
粒界３５が成長してしまうため、浮遊ゲート電極３４と
層間絶縁膜３６との界面部分にリン（Ｐ）が偏析する。
更に、偏析したリン（Ｐ）の一部は、絶縁膜形成過程に
おいて層間絶縁膜３６中に取り込まれる。このため、層
間絶縁膜３６には、所々に膜厚の薄い領域３７が形成さ
れる。従って、従来の層間絶縁膜の膜厚を均一にするこ
とが難しかった。

【００１７】また、層間絶縁膜３６に拡散したリン原子
は、正電荷を捕獲するため、層間絶縁膜のエネルギーバ
ンドが曲がり、電位障壁の高さが低下する。このため、
浮遊ゲート電極３４中に蓄積されている電子が容易に制
御ゲート電極３８側に移動し、データの保持特性が劣化
して、最適なデータの書き換え動作ができなくなる。こ
の理由については後述することにする。

【００１８】このため、層間絶縁膜へのリン原子の拡散
を防止する方法が従来いくつか考えられてきた。その１
つに、層間絶縁膜の形成の際に、熱処理温度を下げる方
法がある。しかし、不揮発性半導体記憶装置の層間絶縁
膜は、通常、熱酸化法を用いて形成されるため、成膜温
度を低くした場合、浮遊ゲート電極と層間絶縁膜の界面
の整合性及び層間絶縁膜の膜厚自体の均一性が悪くなる
という問題がある。

【００１９】他方、浮遊ゲート電極中に含まれるリン
（Ｐ）の濃度を低く抑える方法がある。しかし、浮遊ゲ
ート電極にドーピングするリン（Ｐ）の濃度を下げるこ
とは、浮遊ゲート電極の電気抵抗を高めることになり、
おのずから限界がある。Ｐの濃度は１０¹⁹原子／ｃｍ³
以下に下げることができない。

【００２０】この発明は、上述した問題点に鑑み行われ
たものであり、すなわち、この発明の目的は、層間絶縁
膜へのリン原子の拡散を抑制し、層間絶縁膜と浮遊ゲー
ト電極との界面の整合性及び層間絶縁膜の膜厚の均一性
の優れた不揮発性半導体記憶装置を提供することにあ
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明の不揮発性半導体記憶装置の構成によれ
ば、トンネル酸化膜と、浮遊ゲート電極と、層間絶縁膜
と、制御ゲート電極とを具える不揮発性半導体記憶装置
において、前記層間絶縁膜を、下層側から順に第１絶縁
膜と第２絶縁膜と第３絶縁膜との積層構造として、前記
第１絶縁膜をオキシナイトライド（ＳｉＯ_XＮ_Y）膜と
することを特徴とする。

【００２２】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、前記第２絶縁膜をシリコン窒化膜とするのが良い。

【００２３】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、この第３絶縁膜を二酸化シリコン膜とするのが良
い。

【００２４】また、この発明の不揮発性半導体記憶装置
の形成方法によれば、トンネル酸化膜と、浮遊ゲート電
極と、層間絶縁膜と、制御ゲート電極とを具える不揮発
性半導体記憶装置の形成方法において、（ａ）前記浮遊
ゲート電極上に窒素（Ｎ）含有の反応性ガスを用いた加
熱処理によって第１絶縁膜を形成する工程と、（ｂ）そ
の後、前記第１絶縁膜上にシリコン含有ＩＶ族水素ガス
とアンモニア（ＮＨ₃）ガスとの混合ガスを用いた加熱
処理によって第２絶縁膜を形成する工程と、（ｃ）続い
て、前記第２絶縁膜上に酸素（Ｏ₂）ガスと水素
（Ｈ₂）ガスとを用いた加熱処理によって第３絶縁膜を
形成する工程とを含むことを特徴とする。

【００２５】また、この発明の実施にあたり、好ましく
は、前記窒素（Ｎ）含有の反応性ガスとして一酸化二窒
素（Ｎ₂Ｏ）ガスを用いるのが良い。

【００２６】また、この発明の実施にあたり、好ましく
は、前記窒素（Ｎ）含有の反応性ガスとしてアンモニア
（ＮＨ₃）ガスと酸素（Ｏ₂）ガスとの混合ガスを用い
るのが良い。

【００２７】また、この発明の実施にあたり、好ましく
は、前記シリコン含有ＩＶ族水素ガスとしてＳｉ
₂Ｈ₆、Ｓｉ（ＣＨ₃）Ｈ₃、Ｓｉ₃Ｈ₈、Ｓｉ（ＣＨ
₃）₂Ｈ₂、Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｈ、Ｓｉ（ＣＨ₃）₄、
Ｓｉ₂（ＣＨ₃）₆、Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｆ及びＳｉ（Ｃ
Ｈ₃）₂Ｆ₂のガス群の中から選ばれた１種類のガスま
たは２種類以上のガスからなる混合ガスとするのが良
い。

【００２８】

【作用】上述したこの不揮発性半導体記憶装置によれ
ば、層間絶縁膜を、下層側から順に第１絶縁膜と第２絶
縁膜と第３絶縁膜との積層構造とし、この第１絶縁膜を
オキシナイトライド（ＳｉＯ_XＮ_Y）膜としている。た
だし、ＳｉＯ_XＮ_YのＸ及びＹは、組成比を表す値で
Ｘ、Ｙともに０よりも大きい値とする。このオキシナイ
トライド膜は、浮遊ゲート電極中のリン原子の拡散を抑
制する作用をする。このため、浮遊ゲート電極中のリン
（Ｐ）原子によって結晶粒界が発生してもオキシナイト
ライド膜が上層の第２絶縁膜中へのリン原子の拡散をブ
ロックするため、この第２絶縁膜には凹凸が発生せず、
従って、層間絶縁膜と浮遊ゲート電極との整合性が良く
なり、かつ、膜厚も均一となる。

【００２９】従って、第２絶縁膜をシリコン窒化膜と
し、また、この第２絶縁膜上に第３絶縁膜をもって二酸
化シリコン層を形成した場合であっても、浮遊ゲート電
極中のリン原子は下層絶縁膜で抑制されるため、これら
絶縁膜から成る層間絶縁膜の膜厚を任意の厚さを均一に
制御することができる。

【００３０】また、この不揮発性半導体記憶装置の形成
方法によれば、オキシナイトライド膜を、窒素含有の反
応性ガスを用いて加熱処理して形成している。このオキ
シナイトライド（ＳｉＯ_XＮ_Y）膜がリン原子が上側の
第２絶縁膜中へ拡散するのを防止するので、オキシナイ
トライド膜自体の表面に、凹凸が発生するのを抑えるこ
とができ、従って、膜厚も均一となる。従って、このオ
キサイトライド膜上に順次に第２及び第３絶縁膜を形成
しても、これら絶縁膜の膜厚を均一にできる。

【００３１】また、好ましくは、窒素含有の反応性ガス
として一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）を用いてオキシナイトラ
イド膜を形成するのが良い。

【００３２】また、窒素含有の反応性ガスとしてアンモ
ニア（ＮＨ₃）ガスと酸素（Ｏ₂）ガスとの混合ガスを
用いてオキナイトライド膜を形成するのが良い。

【００３３】

【実施例】以下、この発明の電気的に情報に書き換えの
できる不揮発性半導体記憶装置（以下、ＥＥＰＲＯＭと
称する。）の構造を図１を参照して説明する。しかしな
がら、各図は、この発明が理解できる程度に各構成成分
の形状、大きさ、及び配置を概略的に示してあるにすぎ
ない。また、各図は、ＥＥＰＲＯＭの要部断面構造の一
部を示している。

【００３４】図１は、この発明の実施例のＥＥＰＲＯＭ
の主要構造を示した断面図である。ここでは、第１絶縁
膜を下層絶縁膜とし、第２絶縁膜を中間絶縁膜とし及び
第３絶縁膜を上層絶縁膜として層間絶縁膜を形成した例
につき説明する。

【００３５】先ず、第１導電型の半導体基板１０として
ｐ導電型半導体基板（以下、基板と称する。）を用い
る。この基板１０は、例えば比抵抗が３Ω・ｃｍ〜５Ω
・ｃｍ、結晶面の方位を（１００）面とする。この基板
１０上にトンネル酸化膜１２ａ、浮遊ゲート電極１４
ａ、層間絶縁膜２１ａ及び制御ゲート電極２２ａがそれ
ぞれ積層されている。なお、層間絶縁膜２１ａは、浮遊
ゲート電極１４ａの下層から順にオキシナイトライド膜
としての下層絶縁膜１６ａ、中間絶縁膜１８ａ及び上層
絶縁膜２０ａを順次積層させて設けてある。更に、基板
１０には、第２導電型の第１不純物領域２４及び第２不
純物領域２６を具えている。

【００３６】次に、図２の（Ａ）〜（Ｃ）、図３の
（Ａ）〜（Ｃ）及び図４の（Ａ）〜（Ｂ）とを参照して
この発明の実施例の製造工程につき説明する。なお、こ
の実施例に用いた薄膜形成装置は、ＣＶＤ（化学気相成
長）装置である。また、酸化膜の形成には、酸化膜形成
装置を用いる。

【００３７】先ず、基板１０を任意好適な洗浄液を用い
て洗浄して基板１０に付着している不純物を除去した
後、洗浄済の基板１０を、ただちに任意好適な酸化膜形
成反応炉（図示せず）内に搬入する。

【００３８】その後、反応炉内に酸素ガスを導入し、約
９００℃、２０分間の加熱を行って基板１０上にトンネ
ル酸化膜１２を形成する（図２の（Ａ））。このトンネ
ル酸化膜１２は、例えばＳｉＯ₂で形成されており、膜
厚を例えば約１１０Ａ°（記号Ａ°はオングストローム
を表す。）とする。

【００３９】続いて、図２の（Ａ）の構造体を、直ちに
薄膜形成用ＣＶＤ装置（図示せず）に載置する。その
後、反応炉内に、例えばシラン（ＳｉＨ₄）ガスとホス
フィン（ＰＨ₃）ガスを所定の流量比（例えば３：１）
導入しながら、加熱温度を例えば約６００℃とし、３０
分間の熱処理を行う。この熱処理により、浮遊ゲート電
極用予備層１４が形成される（図２の（Ｂ））。この浮
遊ゲート電極用予備層１４は、リン（Ｐ）がドープされ
た多結晶シリコン層となり、好ましくは、その膜厚を約
１０００Ａ°とする。

【００４０】次に、図２の（Ｂ）に示す構造体に対し
て、酸化膜形成反応炉を用いて窒素（Ｎ）含有の反応性
ガス、例えば一酸化二酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）ガスを用いて
反応炉内で例えば１０００℃、１２０秒間の加熱処理を
行って下層絶縁膜１６を形成する（図２の（Ｃ））。こ
のとき下層絶縁膜１６中には、窒素（Ｎ）原子が３原子
％〜５原子％含むオキシナイトライド（ＳｉＯ_XＮ_Y）
膜が形成される。ただし、ＳｉＯ_XＮ_YのＸ及びＹは、
組成比を表す値でＸ、Ｙともに０より大きい値とする。
この下層絶縁膜１６をオキシナイトライド膜とも称す
る。このオキシナイトライド膜１６の膜厚を約５０Ａ°
とする。

【００４１】続いて、ＣＶＤ装置を用いて、例えばＬＰ
ＣＶＤ（減圧ＣＶＤ）法により反応炉内にシラン（Ｓｉ
Ｈ₄）ガスとアンモニア（ＮＨ₃）ガスとを混合した混
合ガスを用いて約７００℃、２０分間の加熱処理を行
う。このときＳｉＨ₄ガスとＮＨ₃ガスの混合比を、例
えば４：１とする。このようにしてオキシナトライド膜
１６上に中間絶縁膜１８を形成する（図３の（Ａ））。
この中間絶縁膜１８をシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）
とも称する。このとき形成されたシリコン窒化膜１８の
膜厚を約１００Ａ°とする。その後、シリコン窒化膜１
８をパロジェニック法を用いて酸化させ、約３０Ａ°程
度の膜厚の上層絶縁膜２０を形成する（図３の
（Ｂ））。なお、ここでは、下層絶縁膜１６、中間絶縁
膜１８及び上層絶縁膜２０を総称して層間絶縁膜用予備
層２１と称する。

【００４２】次に、任意好適な方法を用いて上層絶縁膜
２０上に制御ゲート電極用予備層２２を形成する（図３
の（Ｃ））。この制御ゲート電極用予備層２２の材料を
例えばポリシコンとする。

【００４３】次に、任意好適な方法を用いて制御ゲート
電極用予備層２２の一部をマスキングし、ホトエッチン
グ及びドライエッチング法によって図４の（Ａ）の構造
体を得る。このとき残存した２２ａ、２０ａ、１８ａ、
１６ａ、１４ａお及び１２ａを、それぞれ制御ゲート電
極、上層絶縁膜、中間絶縁膜、下層絶縁膜、浮遊ゲート
電極及びトンネル酸化膜と称する。なお、このとき形成
された下層絶縁膜１６ａ、中間絶縁膜１８ａ及び上層絶
縁膜２０ａを総称して層間絶縁膜２１ａと称する。

【００４４】次に、トンネル酸化膜１２ａ、浮遊ゲート
電極１４ａ、層間絶縁膜２１ａ及び制御ゲート電極２２
ａの部分を、例えばレジスト材料等を用いてマスキング
し（図示せず）、基板１０の表面にイオン注入し、活性
化処理を行ってｎ⁺導電型のソース領域２４及びドレイ
ン領域２６を形成する（図４の（Ｂ））。

【００４５】上述した製造工程を経てこの実施例のＥＥ
ＰＲＯＭの主要部が形成される。

【００４６】次に、図５の（Ａ）及び（Ｂ）を参照して
浮遊ゲート電極中のリン（Ｐ）による層間絶縁膜が変化
する様子を模式図を使って説明する。図５の（Ａ）は、
データ保持をしている状態（“０”状態）のエネルギー
バンドを示す。図中、（Ａ）はリンの影響を受けない理
想的な場合を示し、図５の（Ｂ）はリンの影響をうけた
場合の従来例を示す。

【００４７】図５の（Ｂ）の場合は、ｎ⁺導電型のポリ
シリコン（浮遊ゲート電極）７４と層間絶縁膜７２との
整合性が悪く、かつ、浮遊ゲート電極中のリン（Ｐ）が
結晶粒界に偏析する。このとき、リン（Ｐ）の一部が層
間絶縁膜７２中へ侵入して層間絶縁膜７２に正電荷７６
を発生する。このとき層間絶縁膜７２のエネルギ−バン
ドは、折れ曲がり、電位障壁の高さが低下する。このよ
うな状態になると浮遊ゲート電極に注入されていた電子
７１は、制御ゲート電極７５側へ容易に移動するため、
デバイス特性として重要なデータ保持ができなくなる。

【００４８】この発明の実施例では、下層絶縁膜をオキ
シナイトライド膜とし、窒素原子を含むようにしてある
ため、窒素原子は浮遊ゲート電極７４と層間絶縁膜７２
の界面に偏析されている。このため、界面に偏析した高
濃度の窒素原子を含むオキシナイトライド膜が浮遊ゲー
ト電極中のリン原子の拡散をブロックする役目をする。
したがって、リン原子の層間絶縁膜への侵入は抑制さ
れ、層間絶縁膜の電荷の発生も抑制される。

【００４９】次に、図６を参照してしきい値電圧の変化
量を測定した結果につき説明する。

【００５０】図６は、この実施例のＥＥＰＲＯＭを用い
て書き換え動作を１０⁴回行った後、２２５℃の温度中
にＥＥＰＲＯＭを放置して、時間ごとのしきい値電圧の
変化量を測定した結果を示している。ここで、しきい値
電圧の変化量とは、次式で与えられる値をいう。

【００５１】ΔＶ_th＝Ｖ（ｔ）−Ｖ（０）［Ｖ］ただし、Ｖ（ｔ）は、書き換え動作を１０⁴回させた後
のしきい値電圧を表し、Ｖ（０）は、書き換え動作を行
う前の初期値のしきい値電圧を表す。なお、図中、横軸
に放置時間（時間：ｈ）を取り、縦軸にしきい値電圧の
変化量（電圧：Ｖ）を取って表す。

【００５２】図６の曲線Ｉは、従来例（図７の（Ａ））
のＥＥＰＲＯＭのしきい値電圧の変化量をあらわしてお
り、曲線ＩＩはこの発明の実施例のＥＥＰＲＯＭのしき
い値電圧の変化量を表している。

【００５３】図６から理解できるように、従来例のＥＥ
ＰＲＯＭのしきい値電圧の変化量は、１時間放置したと
き、ほぼ０Ｖである。しかし、１０時間、１００時間及
び１０００時間放置したしきい値電圧の変化量は−１．
５Ｖ、−２．５Ｖ及び−３．５Ｖとなり、ほぼ直線的に
減少する。一方、この発明の実施例では、１０００時間
放置してもしきい値電圧の変化量は約−１Ｖ程度であ
る。従って、従来のＥＥＰＲＯＭの変化量に比べてその
変化量は極めて小さいことがわかる。

【００５４】従って、下層絶縁膜にオキシナイトライド
膜を用いることによってしきい値電圧の変化量が小さい
ことから浮遊ゲート電極と下層絶縁膜との界面の電荷の
発生を抑制することができると考えられる。

【００５５】また、この発明の実施例で形成された浮遊
ゲート電極と層間絶縁膜部分の断面を電子顕微鏡で観察
した結果でも界面の整合性が良く、層間絶縁膜の膜厚も
均一であることを出願者等は確認している。

【００５６】上述した実施例の第１絶縁膜を形成するに
当たり、成膜ガスに一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）ガスを用い
たが、なんらこのガスに限定する必要はなく、例えばア
ンモニアガスと酸素ガスの混合ガスを用いても良い。ま
た、第２絶縁膜を形成する成膜するガスとしてシラン
（ＳｉＨ₄）を用いたが、このシランガスの代わりにジ
シラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、メチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ₃）
Ｈ₃）、トリシラン（Ｓｉ₃Ｈ₈）、ジメチルシラン
（Ｓｉ（ＣＨ₃）₂Ｈ₂）、トリメチルシラン（Ｓｉ
（ＣＨ₃）₃Ｈ）、テトラメチルシラン（Ｓｉ（Ｃ
Ｈ₃）₄）、ヘキサメチルシラン（Ｓｉ₂（Ｃ
Ｈ₃）₆）、フルオロトリメチルシラン（Ｓｉ（Ｃ
Ｈ₃）₃Ｆ）及びジフルオロジメチルシラン（Ｓｉ（Ｃ
Ｈ₃）₂Ｆ₂）のガス群の中から選ばれた１種類のガス
または２種類以上のガスからなる混合ガスを用いても良
い。

【００５７】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の不揮発性半導体記憶装置の構造によれば、層間
絶縁膜を、下層側から順に第１絶縁膜と第２絶縁膜と第
３絶縁膜との積層構造とし、第１絶縁膜をオキシナイト
ライド（ＳｉＯ_XＮ_Y）膜とする。このオキシナイトラ
イド膜は、浮遊ゲート電極中に含まれるリン（Ｐ）原子
が第２絶縁膜或いはこの第２絶縁膜上の第３絶縁膜へ拡
散するのを抑制する作用をするため、仮に浮遊ゲート電
極中に粒界が生じた場合であっても浮遊ゲート電極とオ
キシナイトライド膜との界面の整合性は良くなる。従っ
て、このオキシナイトライド膜上に形成される第２絶縁
膜とこの第２絶縁膜の膜厚も均一になり、かつ、第１、
第２及び第３絶縁膜からなる層間絶縁膜の表面の凹凸も
小さくなる。また、好ましくは、この第２絶縁膜をシリ
コン窒化膜とし、第３絶縁膜を二酸化シリコンとするの
が良い。

【００５８】また、この発明の不揮発性半導体記憶装置
の形成方法によれば、浮遊ゲート電極上に窒素（Ｎ）含
有の反応性ガスを用いた加熱処理によって第１絶縁膜を
形成する。このようにして形成された第１絶縁膜は、浮
遊ゲート電極中のリン原子の拡散をブロックする作用が
あるため、浮遊ゲート電極と第１絶縁膜との界面の整合
性も良くなり、この絶縁膜の膜厚も均一となる。このと
き窒素含有の反応性ガスを一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）ガス
またはアンモニア（ＮＨ₃）ガスと酸素（Ｏ₂）との混
合ガスを用いるのが良い。

【００５９】その後、第１絶縁膜上にシリコン含有ＩＶ
族水素ガスとアンモニアガスとの混合ガスを用いた加熱
処理によって第２絶縁膜を形成する。この第２絶縁膜
は、第１絶縁膜のリン原子の拡散防止を反映して膜厚が
均一で、かつ、表面の凹凸も小さくなる。更に、第２絶
縁膜上に第３絶縁膜を積層させる。従って、この第３絶
縁膜も第２絶縁膜の膜厚を反映して膜厚が均一で、か
つ、表面の凹凸も小さくなる。

【００６０】上述した層間絶縁膜を用いたとき、浮遊ゲ
ート電極中の電荷の保持特性は、従来のものに比べて著
しく改善され、従って、しきい値電圧の変化量も小さく
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例のＥＥＰＲＯＭ構造の要部断
面図である。

【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、この発明の実施例の製造工
程を説明するために供する工程図である。

【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、図２に続く、この発明の実
施例の製造工程を説明するために供する工程図である。

【図４】（Ａ）〜（Ｂ）は、図３に続く、この発明の実
施例の製造工程を説明するために供する工程図である。

【図５】データ保持状態（“０”状態）でのエネルギー
バンドのモデル図であり、（Ａ）はリン原子が層間絶縁
膜中に拡散しない理想的状態を表し、（Ｂ）は浮遊ゲー
ト電極中のリン原子が層間絶縁膜中に拡散したときの状
態を表す。

【図６】従来例とこの発明の実施例とのしきい値電圧の
変化を説明するために供するしきい値電圧変化量−放置
時間特性曲線図である。

【図７】（Ａ）〜（Ｂ）は、従来の不揮発性記憶装置の
要部断面図である。

【図８】従来のＥＥＰＲＯＭセルの要部断面図である。

【図９】（Ａ）〜（Ｂ）は、従来の層間絶縁膜と浮遊ゲ
ート電極との界面の欠陥発生状況を説明するために供す
る図である。

【符号の説明】

１０：Ｐ導電型半導体基板１２、１２ａ：トンネル酸化膜１４、浮遊ゲート電極用予備層１４ａ：浮遊ゲート電極１６、１６ａ：下層絶縁膜（第１絶縁膜）１８、１８ａ：中間絶縁膜（第２絶縁膜）２０、２０ａ：上層絶縁膜（第３絶縁膜）２１：層間絶縁膜用予備層２１ａ：層間絶縁膜２２：制御ゲート電極用予備層２２ａ：制御ゲート電極２４：ソース領域２６：ドレイン領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル酸化膜と浮遊ゲート電極と層間
絶縁膜と制御ゲート電極とを具える不揮発性半導体記憶
装置において、前記層間絶縁膜を、下層側から順に第１絶縁膜と第２絶
縁膜と第３絶縁膜との積層構造として、前記第１絶縁膜
をオキシナイトライド（ＳｉＯ_XＮ_Y）膜とすることを
特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
【請求項２】請求項１に記載の前記第２絶縁膜をシリ
コン窒化膜とすることを特徴とする不揮発性半導体装
置。
【請求項３】請求項１に記載の前記第３絶縁膜を二酸
化シリコン膜とすることを特徴とする不揮発性半導体記
憶装置。
【請求項４】トンネル酸化膜と浮遊ゲート電極と層間
絶縁膜と制御ゲート電極とを具える不揮発性半導体記憶
装置の形成方法において、（ａ）前記浮遊ゲート電極上に窒素（Ｎ）含有の反応性
ガスを用いた加熱処理によって第１絶縁膜を形成する工
程と、（ｂ）その後、前記第１絶縁膜上にシリコン含有ＩＶ族
水素ガスとアンモニア（ＮＨ₃）ガスとの混合ガスを用
いた加熱処理によって第２絶縁膜を形成する工程と、（ｃ）続いて、前記第２絶縁膜上に酸素（Ｏ₂）ガスと
水素（Ｈ₂）ガスとを用いた加熱処理によって第３絶縁
膜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形成
方法。
【請求項５】請求項４に記載の不揮発性半導体記憶装
置の形成方法において、前記窒素（Ｎ）含有の反応性ガスとして一酸化二窒素
（Ｎ₂Ｏ）ガスを用いることを特徴とする不揮発性半導
体記憶装置の形成方法。
【請求項６】請求項４に記載の不揮発性半導体記憶装
置の形成方法において、前記窒素（Ｎ）含有の反応性ガスとしてアンモニア（Ｎ
Ｈ₃）ガスと酸素（Ｏ₂）ガスとの混合ガスを用いるこ
とを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の形成方法。
【請求項７】請求項４に記載の不揮発性半導体記憶装
置の形成方法において、前記シリコン含有ＩＶ族水素ガスとしてＳｉ₂Ｈ₆、Ｓ
ｉ（ＣＨ₃）Ｈ₃、Ｓｉ₃Ｈ₈、Ｓｉ（ＣＨ₃）
₂Ｈ₂、Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｈ、Ｓｉ（ＣＨ₃）₄、Ｓｉ
₂（ＣＨ₃）₆、Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｆ及びＳｉ（Ｃ
Ｈ₃）₂Ｆ₂のガス群の中から選ばれた１種類のガスま
たは２種類以上のガスからなる混合ガスとすることを特
徴とする不揮発性半導体記憶装置の形成方法。