JPH0936263A - 浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装置

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JPH0936263A
JPH0936263A JP7207421A JP20742195A JPH0936263A JP H0936263 A JPH0936263 A JP H0936263A JP 7207421 A JP7207421 A JP 7207421A JP 20742195 A JP20742195 A JP 20742195A JP H0936263 A JPH0936263 A JP H0936263A
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JP
Japan
Prior art keywords
polycrystalline
layer
film
floating gate
polycrystalline semiconductor
Prior art date
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JP7207421A
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English (en)
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Tadahachi Naiki
唯八 内貴
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 メモリセル間におけるトンネル電流値の不均
一性を小さくし、ゲート絶縁膜及び容量結合用絶縁膜の
絶縁破壊も少なくする。 【解決手段】 ゲート絶縁膜であるSiO2 膜12に接
している多結晶Si層31と容量結合用絶縁膜であるO
NO膜17に接している多結晶Si層33とを浮遊ゲー
トが有しており、多結晶Si層31の結晶粒径が多結晶
Si層33の結晶粒径よりも小さく、多結晶Si層31
の不純物濃度が多結晶Si層33の不純物濃度よりも低
い。このため、SiO2 膜12の不純物濃度の不均一性
が小さく、多結晶Si層33で結晶粒が突起状に成長す
るのが抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本願の発明は、ゲート絶縁膜
と容量結合用絶縁膜との間に浮遊ゲートを有する浮遊ゲ
ート型不揮発性半導体記憶装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図2は、浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置の一従来例を示している。この一従来例では、図
2(a)に示す様に、Si基板11の表面のSiO2
12がトンネル電流を流すべきゲート絶縁膜になってお
り、SiO2 膜12上の多結晶Si層13が浮遊ゲート
になっている。
【0003】また、多結晶Si層13上に順次に積層さ
れているSiO2 膜14、SiN膜15及びSiO2
16から成るONO膜17が浮遊ゲートと制御ゲートと
の容量結合用絶縁膜になっている。更に、ONO膜17
上に順次に積層されている多結晶Si層21及びWSi
膜22から成るタングステンポリサイド層23が制御ゲ
ートになっており、これらの制御ゲート等の両側のSi
基板11に形成されている拡散層24、25が夫々ソー
ス及びドレインになっている。
【0004】ところで、SiO2 膜12に接している部
分における多結晶Si層13の結晶粒界26を図2
(b)に拡大して示す様に、多結晶Si層13中の不純
物27は結晶粒界26に偏析し易く、この結晶粒界26
近傍のSiO2 膜12にも不純物27が偏析している。
【0005】このため、多結晶Si層13の結晶粒径が
大きくて結晶粒界26が疎にしか存在しておらず、且つ
多結晶Si層13中における不純物27の濃度が高い
と、結晶粒界26に不純物27が偏析することによる多
結晶Si層13における不純物27の濃度の不均一性が
大きく、この多結晶Si層13に接しているSiO2
12でも不純物27の濃度の不均一性が大きい。
【0006】SiO2 膜12のうちで不純物27の濃度
が高い部分ではトンネル電流が流れ易いので、メモリセ
ル間におけるトンネル電流値の不均一性が大きくて動作
特性が劣り、トンネル電流が局所的に大量に流れること
によるSiO2 膜12の絶縁破壊が多いので信頼性も低
下する。
【0007】従って、逆に、メモリセル間におけるトン
ネル電流値の不均一性を小さくして動作特性を向上さ
せ、トンネル電流が局所的に大量に流れることによるS
iO2膜12の絶縁破壊を少なくして信頼性も高めるた
めには、多結晶Si層13の結晶粒径が小さく且つ多結
晶Si層13中の不純物27の濃度が低い方がよい。
【0008】一方、多結晶Si層13の表面を熱酸化し
てONO膜17のうちのSiO2 膜14を形成する際
に、多結晶Si層13の結晶粒径が小さく且つ多結晶S
i層13中の不純物27の濃度が低いと、図2(a)中
に示す様に、多結晶Si層13の表面に突起部28が形
成される。このため、この突起部28に電界が集中する
ことによるONO膜17の絶縁破壊が多くなって信頼性
が低下する。
【0009】従って、逆に、多結晶Si層13の突起部
28に電界が集中することによるONO膜17の絶縁破
壊を少なくして信頼性を高めるためには、多結晶Si層
13の結晶粒径が大きく且つ多結晶Si層13中の不純
物27の濃度が高い方がよい。
【0010】つまり、メモリセル間におけるトンネル電
流値の不均一性を小さくして動作特性を向上させ且つS
iO2 膜12の絶縁破壊を少なくして信頼性も高めるた
めに浮遊ゲートに必要な条件と、ONO膜17の絶縁破
壊が少なくして信頼性を高めるために浮遊ゲートに必要
な条件とは、互いに相反している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】ところが、図2に示し
た一従来例では、浮遊ゲートが単一層の多結晶Si層1
3のみから成っているので、互いに相反する上述の条件
を同時に満たすことが不可能であり、優れた動作特性と
高い信頼性とを得ることが困難であった。
【0012】なお、2層の多結晶Si層で浮遊ゲートを
構成して、浮遊ゲート全体の結晶粒径を小さくする提案
がなされている(例えば、95年春季応用物理学会予稿
集(No.2)p.833、31a−H−6)が、上述
の説明からも明らかな様に、容量結合用絶縁膜の絶縁破
壊が多くなって信頼性が低下する。
【0013】
【課題を解決するための手段】請求項1の浮遊ゲート型
不揮発性半導体記憶装置は、ゲート絶縁膜に接している
第1の多結晶半導体層と制御ゲートに対する容量結合用
絶縁膜に接している第2の多結晶半導体層とを浮遊ゲー
トが有しており、前記第1の多結晶半導体層の結晶粒径
が前記第2の多結晶半導体層の結晶粒径よりも小さく、
前記第1の多結晶半導体層の不純物濃度が前記第2の多
結晶半導体層の不純物濃度よりも低いことを特徴として
いる。
【0014】請求項2の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置は、請求項1の浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶
装置において、前記第2の多結晶半導体層から前記第1
の多結晶半導体層への不純物の拡散を抑止すると共に非
絶縁性である層間膜が前記第1及び第2の多結晶半導体
層同士の間に設けられていることを特徴としている。
【0015】請求項3の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置は、請求項2の浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶
装置において、多結晶Si層が前記第1及び第2の多結
晶半導体層になっており、トンネル電流の流れ得るSi
2 膜が前記層間膜になっていることを特徴としてい
る。
【0016】請求項1の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置では、浮遊ゲートのうちで第1の多結晶半導体層
においては、結晶粒界が密に存在しており且つ不純物濃
度自体が低いので、結晶粒界に不純物が偏析することに
よる不純物濃度の不均一性が小さい。
【0017】このため、第1の多結晶半導体層に接して
いるゲート絶縁膜でも不純物濃度の不均一性が小さく
て、ゲート絶縁膜中の位置によるトンネル電流値の不均
一性が小さい。従って、メモリセル間におけるトンネル
電流値の不均一性が小さく、トンネル電流が局所的に大
量に流れることによる絶縁破壊も少ない。
【0018】また、浮遊ゲートのうちで第2の多結晶半
導体層においては、結晶粒径が大きく且つ不純物濃度が
高いので、この第2の多結晶半導体層に接する容量結合
用絶縁膜を形成する際に第2の多結晶半導体層で結晶粒
が突起状に成長するのが抑制される。従って、第2の多
結晶半導体層の突起部に電界が集中することによる容量
結合用絶縁膜の絶縁破壊も少ない。
【0019】請求項2の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置では、不純物の拡散を抑止する層間膜が浮遊ゲー
トの第1及び第2の多結晶半導体層同士の間に設けられ
ているので、浮遊ゲートのうちでゲート絶縁膜側の不純
物濃度を容量結合用絶縁膜側の不純物濃度よりも低い状
態に容易に維持することができる。しかも、層間膜が非
絶縁性であるので、層間膜が動作に対して影響を及ぼさ
ない。
【0020】請求項3の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置では、第1及び第2の多結晶半導体層並びに層間
膜の何れをも容易に形成することができ、特に、層間膜
は第1の多結晶半導体層の熱酸化やCVD法等によって
容易に形成することができるので、浮遊ゲートを容易に
形成することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本願の発明の一具体例を、
図1を参照しながら説明する。本具体例も、ゲート絶縁
膜であるSiO2 膜12上に順次に積層されている多結
晶Si層31、SiO2 膜32及び多結晶Si層33で
浮遊ゲートが構成されていることを除いて、図2に示し
た一従来例と実質的に同様の構成を有している。多結晶
Si層31、33及びSiO2 膜32の膜厚、結晶粒径
及び不純物濃度は下記の通りである。
【0022】多結晶Si層31 膜厚 15nm 結晶粒径 20nm 不純物濃度 リン:5×1019cm-3
【0023】SiO2 膜32 膜厚 5nm
【0024】多結晶Si層33 膜厚 20nm 結晶粒径 300nm 不純物濃度 リン:3×1020cm-3
【0025】多結晶Si層31、33の結晶粒径は、C
VD法でまず非晶質Si層を堆積させ、この非晶質Si
層から結晶粒を固相成長させることによって、制御する
ことができる。また、多結晶Si層31、33の不純物
濃度は、堆積後に不純物を拡散またはイオン注入させた
り、CVD法による堆積時から不純物を添加しておくこ
と等によって、制御する。
【0026】SiO2 膜32は多結晶Si層31の表面
を熱酸化したりCVD法で堆積させたりして形成する。
このSiO2 膜32の5nmという膜厚は、リン濃度の
高い多結晶Si層33からリン濃度の低い多結晶Si層
31へリンが拡散するのを抑止することができる膜厚で
あり、しかも、多結晶Si層31と多結晶Si層33と
の間をトンネル電流が流れ得る膜厚である。
【0027】この様な本具体例では、多結晶Si層31
の結晶粒径が小さく且つ不純物濃度が低いので、メモリ
セル間におけるトンネル電流値の不均一性が小さくて動
作特性が優れており、トンネル電流が局所的に大量に流
れることによるSiO2 膜12の絶縁破壊が少なくて信
頼性も高い。
【0028】しかも、多結晶Si層33の結晶粒径が大
きく且つ不純物濃度が高いので、多結晶Si層33の表
面を熱酸化してONO膜17のうちのSiO2 膜14を
形成する際に多結晶Si層33の表面に突起部が形成さ
れにくく、この突起部に電界が集中することによるON
O膜17の絶縁破壊が少ないことによっても信頼性が高
い。
【0029】なお、多結晶Si層31、33及びSiO
2 膜32の膜厚、結晶粒径及び不純物濃度は上記以外の
値でもよく、特に、多結晶Si層31は不純物を全く含
んでいなくてもよい。
【0030】
【発明の効果】請求項1の浮遊ゲート型不揮発性半導体
記憶装置では、メモリセル間におけるトンネル電流値の
不均一性が小さいので動作特性が優れており、しかも、
ゲート絶縁膜及び容量結合用絶縁膜の絶縁破壊が少ない
ので信頼性も高い。
【0031】請求項2の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置では、動作に対して影響を及ぼすことなく、浮遊
ゲートのうちでゲート絶縁膜側の不純物濃度を容量結合
用絶縁膜側の不純物濃度よりも低い状態に容易に維持す
ることができるので、優れた動作特性と高い信頼性とを
容易に維持することができる。
【0032】請求項3の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置では、浮遊ゲートを容易に形成することができる
ので、動作特性が優れており且つ信頼性も高いにも拘ら
ず、低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願の発明の一具体例の側断面図である。
【図2】本願の発明の一従来例を示しており、(a)は
側断面図、(b)は要部の拡大側断面図である。
【符号の説明】
12 SiO2 膜 17 ONO膜 23 タングステンポリサイド層 31 多結晶Si層 32 SiO2 膜 33 多結晶Si層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゲート絶縁膜に接している第1の多結晶
    半導体層と制御ゲートに対する容量結合用絶縁膜に接し
    ている第2の多結晶半導体層とを浮遊ゲートが有してお
    り、 前記第1の多結晶半導体層の結晶粒径が前記第2の多結
    晶半導体層の結晶粒径よりも小さく、 前記第1の多結晶半導体層の不純物濃度が前記第2の多
    結晶半導体層の不純物濃度よりも低いことを特徴とする
    浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】 前記第2の多結晶半導体層から前記第1
    の多結晶半導体層への不純物の拡散を抑止すると共に非
    絶縁性である層間膜が前記第1及び第2の多結晶半導体
    層同士の間に設けられていることを特徴とする請求項1
    記載の浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装置。
  3. 【請求項3】 多結晶Si層が前記第1及び第2の多結
    晶半導体層になっており、 トンネル電流の流れ得るSiO2 膜が前記層間膜になっ
    ていることを特徴とする請求項2記載の浮遊ゲート型不
    揮発性半導体記憶装置。
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