JP2000058680A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
生するゲートバーズビークを抑制する。 【解決手段】フローティングゲート3の側面に形成され
るサイドウオールをHTO膜7、窒化膜8及びHTO膜
9とを含んで構成する。
Description
し、特にフローティングゲートを有する不揮発性メモリ
を備えた半導体記憶装置に関する。
持される不揮発性メモリに対する需要が増加している。
その中でも、特に、電気的に消去、書き込み可能なEE
PROMの需要が増加している。従来のEEPROMの
セル構造を図7(a)〜(c)及び8を参照して説明す
る。EEPROMは、ソース12、ドレイン11、電荷
を蓄えるためのフローティングゲート3、フローティン
グゲートとウエルとの間に形成されるゲート絶縁膜(ト
ンネル酸化膜)ト5、コントロールゲートとフローティ
ングゲートとの間に形成される酸化膜-窒化膜-酸化膜の
積層で構成されるONO膜(絶縁膜)4、及びフローテ
ィングゲートとコントロールゲートの側面を覆うサイド
ウオール13によって構成されている。AA‘断面図に
示すように、フローティングゲート3及びコントロール
ゲート5の側面は100オングストローム以上の厚さの
熱酸化膜13−1によって覆われ、この熱酸化膜13−
1はHot thermal Oxide(HTO)膜13−2によって
覆われ、その上にさらにChemical Vapor Deposition
(CVD)によって形成されたCVD酸化膜13−3に
よって覆われている。この熱酸化膜は、HTO膜13−
2及びCVD酸化膜13−3だけでは、フローティング
ゲート3内の電子がリークして、データの保持特性が悪
化してしまうため、HTO膜13−2の膜質を向上させ
データの保持特性を改善するために熱を加えている際に
形成されたものである。この熱酸化膜は、HTO膜13
−2を介して酸素がフローティングゲート及びコントロ
ールゲートに拡散することによって形成されている。
問題点は、サイドウオール13を形成するときの熱酸化
の熱によってフローティングゲートの下のゲート絶縁膜
2も同様に、酸化が進む。その結果、フローティングゲ
ート3エッジ近傍のゲート酸化膜2あるトンネル膜が厚
くなってしまう、いわゆるゲートバーズビークが起こ
る。その結果、ドレイン不純物が濃いほど大きく、トン
ネル膜が薄いほど電流密度が大きくなるファウラーノル
トハイム電流が、ドレイン不純物濃度が高くトンネル膜
の薄いフローティングゲートのエッジ近傍で流れなくな
り、ファウラーノルトハイムトンネル現象(FNトンネ
ル現象)が書き込みに寄与しなくなる。そのため、第1
の問題としてフローティングゲートからドレインへの電
子の引き抜き速度が低下するという問題が生じる。第2
の問題として、フローティングゲート3エッジ近傍でF
Nトンネル電流が流れなくなるため、トンネル膜の一部
分でのみ、電子引き抜きが行われることになり、トンネ
ル膜の単位面積当たりを通過する電子の量が増加するこ
とになってしまい、書き換え回数に対する耐性を悪化さ
せるという問題が生じる。第3の問題として、少ない書
き込み電流で電子を引き抜くことができるFN現象が発
生するエッジ近傍のトンネル膜が厚くなってしまうた
め、バンド間トンネル電流が支配的になってしまい書き
込み効率(FN電流/書き込み時の消費電流)が低下す
るという問題を生じる。
度を向上させると共に、書き換え耐性を向上させ、さら
に、書込み消費電流を低減するEEPROMを提供する
ことにある。
体記憶装置は、フローティングゲートに保持されている
キャリアに基づいてデータを保持する半導体記憶装置に
おいて、前記フローティングゲートの側面に形成された
第1の酸化膜と、前記酸化膜の側面に形成された窒化膜
と、前記窒化膜の側面に形成された第2の酸化膜とを備
え、前記第1の酸化膜、前記窒化膜及び前記第2の酸化
膜が前記フローティングゲートのサイドウオールを形成
することを特徴とする。
膜質向上に行われていた熱酸化の時間を短縮することが
でき、ゲート酸化膜のエッジ部分に起こるゲートバーズ
ビークを低減することができる。
ローティングゲートに保持されているキャリアに基づい
てデータを保持する半導体記憶装置において、前記フロ
ーティングゲートの側面に形成された第1の窒化膜と、
前記窒化膜の側面に形成された第1の酸化膜と、前記第
1の酸化膜の側面に形成された第2の窒化膜と、前記第
2の窒化膜の側面に形成された第2の酸化膜とを備え、
前記第1の窒化膜、前記第1の酸化膜、前記第2の窒化
膜、及び前記第2の酸化膜とによって前記フローティン
グゲートのサイドウオールを形成することを特徴とす
る。
熱酸化の際のバリア層として働き、ゲートバーズビーク
の発生を防止することができる。
参照しながら以下に詳述する。
Mを図に示す。
熱酸化して80オングストロームのSiO2膜(酸化
膜)2を形成し、その上に中濃度の燐をドープした15
00オングストロームのポリシリコン膜3を形成した
後、40オングストロームの800℃以上の温度で形成
されるHigh Temperature Oxide
(HTO)膜、80オングストロームのSi3N4(窒
化膜)および40オングストロームのHTO膜からなる
ONO膜4を形成し、3000オングストロームのWS
i(タングステンポリサイド)膜5を順次形成し、フォ
トリソグラフによって、選択的にエッチングで除去す
る。この除去が終了した状態を図1(a)に示す。ここ
で、ONO膜4は、コントロールゲート5とフローティ
ングゲート3との間で、リークが起こらないように十分
なリーク特性を持って形成される必要があると共に、こ
れらゲート間の容量を大きく保つ必要があり、そのた
め、容量比の大きな窒化膜を厚く形成している。したが
って、窒化膜に対して容量比の小さな酸化膜を厚くした
場合に比べて、ONO膜4を薄く形成することができ、
ゲート間の容量を大きく保つことができる。
スクとして、イオン注入を行い高濃度の砒素をドープし
て拡散層(本図ではドレイン11に対応)を形成する。
続いて、HTO膜7を形成し、このHTO膜7の膜質向
上のため熱酸化を酸素雰囲気中において、900℃、5
〜6分の条件で行う。この時、従来と同様にフローティ
ングゲートの側面に30オングストローム程度の熱酸化
膜6が形成されると共に、フローティングゲートのエッ
ジ近傍でも外側から内側に向かって酸化が進むが、HT
O膜7が薄いため熱酸化の時間が少なくてすみ、熱酸化
膜6を30オングストロームと薄く抑えることができ
る。そのため、ゲートバーズビークの入り込みを100
オングストローム以下に抑えることができ、エッジ近傍
のトンネル膜の厚さは90オングストローム程度にな
る。この熱酸化の熱処理によって、ドレイン11に注入
された不純物が活性化され不純物濃度が1.5×1020
/cm3となる。活性化された不純物は、フローティン
グゲートのエッジから0.07μm程度フローティング
ゲートの下に拡散し、ドレインジャンクションにかけて
の0.07μmという狭い範囲で、不純物濃度は1020
オーダー/cm3から1017オーダー/cm3へと変化す
ることになる。このHTO膜7上に80オングストロー
ムのSi3N4膜(窒化膜)8、40オングストロームの
HTO膜9を形成し、さらに、その上に1100オング
ストロームのCVDによって形成されるCVD−SiO
2膜(CVD酸化膜)10を形成する。これら、CVD
酸化膜膜10、HTO膜9、窒化膜8、HTO膜7、熱
酸化膜6を異方性エッチングしてサイドウオールを形成
する。HTO膜7−窒化膜8−HTO膜9の三層構造に
よってサイドウオールによるキャリア(ここでは電子)
のリークを小さくすることができ、CVD酸化膜10に
よる厚めのサイドウオールによって、サイドウオール形
成のエッチングや、この後の工程でのプラズマチャージ
がフローティングゲートの側面絶縁膜に影響を及ぼさな
いようにすることができる。このようにして、本願発明
の第1の実施例によれば、トンネル酸化膜2のエッジ部
分のゲートバーズビークの発生を抑制することができ
る。このゲートバーズビークの抑制による、トンネル酸
化膜のゲートエッジからジャンクションまでの距離と、
トンネル酸化膜を通過する電流密度との関係を図に示
す。ここで、EEPROMに対するデータの書込み時
に、コントロールゲート5に−7.8V、ドレイン11
に4.8V、Pウェル1に0Vをかけ、ソースはオープ
ンとすると、書込み過程の初期には、フローティングゲ
ート3に存在する電子と、フローティングゲート3に付
加される全ての容量を1としたときにフローティングゲ
ートとコントロールゲート5との間の0.68という容
量比によって、フローティングゲート3の電位は−7.
0Vとなり、フローティングゲート下のドレイン横広が
り0.07μmの範囲で、不純物濃度が3桁変化するた
め、ドレイン11表面の空乏層が分担する電圧は図3の
横軸に比例したものとなる。このため、トンネル膜中の
電界も、同様に横軸に比例したものとなり、その結果、
FNトンネル電流密度と、バンド間トンネル電流密度も
同様に横軸に比例したものとなる。この図3で、ゲート
エッジ近傍でFN電流密度が減少しているのは、上述し
た100オングストローム程度のゲートバーズビークに
よって、この部分のトンネル膜が90オングストローム
と若干厚くなっているためである。従来は、ゲートバー
ズビークが非常に大きかったため、0.02μmから左
側(ゲートエッジ寄り)のFN電流密度は、非常に小さ
く、無いに等しかったが、本実施例では、0.02μm
から左側のFN電流密度が書込みに寄与するため、書込
み速度が上昇し、書込み効率(FN電流/バンド間トン
ネル電流)が向上する。また、本実施例では、メモリセ
ル毎のバンド間トンネル電流は、書込み過程の初期にお
いて、90nAである。書き込みで電子が引き抜かれて
いくとともに、フローティングゲート3の電位が上昇し
て、トンネル膜中の電界が小さくなっているため、電界
の減少に対応してFN電流とバンド間トンネル電流も小
さくなっていく。このとき、書き込みにかかる時間は6
00μsであり、最もFN電流密度の大きな場所での通
過電荷密度は、10万回書き換えあたり、8.4C/c
m2となる。
PROMののコントロールゲート電圧Vcg、ドレイン
電圧Vd、書き込み時間、初期書き込み電流、及び最大
通過殿か密度を図に示す。ここで、従来1及び従来2は
コントロール電圧Vcgと、ドレイン電圧Vdとを変化
させたものであり、EEPROMの構造は同一のもので
ある。
とを比較すると、書き込み時間が9.7msに対して6
00μsと一桁以上速くなっており、初期書き込み電流
は従来1のほうが少ないものの最大通過電荷密度が1
3.0c/cm2に対して8.4c/cm2と低くなっ
ている。したがって、EEPROMのトンネル酸化膜の
最大通過電荷密度が15.0c/cm2の設計で作られ
ている場合には、従来1の構成では約11.5万回の書
き換え回数を持っているが、第1の実施例では約17.
8万回の書き換え回数を実現している。したがって、第
1の実施例のほうが従来1に対して高い信頼性を実現し
ていることが分かる。
従来2と第1の実施例とを比較すると、初期書き込み電
流が、150nAに対して90nAと小さくてすみ、ま
た従来1と同様に、最大通過電荷密度が12.6c/c
m2に対して8.4c/cm2と低くなっている。した
がって、EEPROMのトンネル酸化膜の最大通過電荷
密度が15.0c/cm2の設計で作られている場合に
は、従来2の構成では約11.9万回の書き換え回数を
持っているが、第1の実施例では17.8万回の書き換
え回数を実現している。したがって、第1の実施例のほ
うが従来2に対して高い信頼性を実現していることが分
かる。
Mを図にしめす。
極を形成し、その後選択的に不純物をドープする工程ま
では第1の実施例と同様なので省略する。
トロームのHTO膜15、80オングストロームの窒化
膜16、1100オングストロームのCVD酸化膜膜1
0を順に形成する。これらCVD酸化膜膜10、窒化膜
16、HTO膜15、窒化膜14を異方性エッチングし
てサイドウオールを形成する。その結果、図4に示す構
成となる。このように、トンネル酸化膜の側面には窒化
膜14が形成されているので、窒化膜14がバリア層と
なって、トンネル酸化膜に酸素が拡散されることを防止
することができる。したがって、フローティングゲート
3及びコントロールゲート5の側面に窒化膜14を形成
した後に熱酸化、不純物活性等の熱処理が行われても、
トンネル酸化膜に酸素が拡散されないためゲートバーズ
ビークは発生しない。また、サイドウオールが窒化膜を
介して、HTO膜15−窒化膜16−CVD酸化膜10
によるONO構造が形成されているので、サイドウオー
ルからのリーク電流をも抑えることができる。したがっ
て、ゲートバーズビークに起因する、特性の劣化を無く
することができ、実施例1と比較して、書込みの速度を
向上させると共に、書き換え耐性を向上させ、さらに、
書込み消費電流を低減することができる。
Mを図に示す。
し、選択的に不純物をドープする工程までは第1の実施
例と同様なので省略する。続いて、全面に窒化膜14、
40オングストロームのHTO膜15、80オングスト
ロームの窒化膜16、40オングストロームのHTO1
7を順次形成し、さらに、その上に1100オングスト
ロームのCVD酸化膜10を形成する。これら、CVD
酸化膜、HTO膜17、窒化膜16、HTO膜15、窒
化膜14を異方性エッチングしてサイドウオールを形成
する。ここで、HTO膜15、17の膜質向上のため及
び不純物の活性化のための熱処理を行っても、実施例2
と同様に、窒化膜14がバリア層として働き、トンネル
酸化膜には酸素が拡散されず、ゲートバーズビークは発
生しない。その上、ゲート電極の側面には窒化膜14を
介して、HTO膜15−窒化膜16−HTO膜17によ
るONO膜が形成されているため、第2の実施例より
も、フローティングゲート3のキャリア保持特性を向上
させることができる。本実施例1乃至3では、電子がド
レインに引き抜かれることによって書き込みが行われる
ものとして説明をしたが、本発明はこれら実施例に限定
されるものではなく、本発明の技術思想を超えない範囲
で、他の方法によって書き込みが行われるものに対して
も適用することができる。
ローティングゲートの側面にONO構造の膜を形成する
形成することによって、ゲートバーズビークの発生を抑
制もしくはなくすることができるため、EEPROMの
信頼性を著しく向上させることができる。
バイス構造を示す断面図
ROMの製造工程を示す断面図、(b)本発明の第1の
実施例に示されたEEPROMの製造工程を示す断面
図、(c)本発明の第1の実施例に示されたEEPRO
Mの製造工程を示す断面図
N電流密度、バンド間トンネル電流密度及びゲートエッ
ジからジャンクションまでの距離の関係を示す特性図
バイス構造を示す断面図
バイス構造を示す断面図
比させた特性図
来のEEPROMのA−A‘断面図、(c)従来のEE
PROMのB−B’断面図
図
Claims (6)
- 【請求項1】フローティングゲートに保持されているキ
ャリアに基づいてデータを保持する半導体記憶装置にお
いて、前記フローティングゲートの側面に形成された第
1の酸化膜と、前記酸化膜の側面に形成された窒化膜
と、前記窒化膜の側面に形成された第2の酸化膜とを備
え、前記第1の酸化膜、前記窒化膜及び前記第2の酸化
膜が前記フローティングゲートのサイドウオールを形成
することを特徴とする半導体記憶装置。 - 【請求項2】前記第1の酸化膜は、Hot Thermal Oxide
(HTO)膜と、熱酸化膜とによって構成されているこ
とを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 - 【請求項3】前記熱酸化膜は、HTO膜の膜質向上の際
の熱処理によって形成されたものであることを特徴とす
る請求項2記載の半導体記憶装置。 - 【請求項4】フローティングゲートに保持されているキ
ャリアに基づいてデータを保持する半導体記憶装置にお
いて、前記フローティングゲートの側面に形成された第
1の窒化膜と、前記窒化膜の側面に形成された第1の酸
化膜と、前記第1の酸化膜の側面に形成された第2の窒
化膜と、前記第2の窒化膜の側面に形成された第2の酸
化膜とを備え、前記第1の窒化膜、前記第1の酸化膜、
前記第2の窒化膜、及び前記第2の酸化膜とによって前
記フローティングゲートのサイドウオールを形成するこ
とを特徴とする半導体記憶装置。 - 【請求項5】前記第1の酸化膜及び第2の酸化膜はHot
Thermal Oxide(HTO)膜であることを特徴とする請
求項4記載の半導体記憶装置。 - 【請求項6】前記第2の酸化膜は、Hot Thermal Oxide
(HTO)膜と、CVDによって形成されるCVD酸化
膜によって構成されていることを特徴とする請求項4記
載の半導体記憶装置。
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