JP2005223340A - 自己整列スプリットゲート型の不揮発性半導体メモリ素子、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 各コントロールゲート120は、関連したフローティングゲート104aの少なくとも一部上に延長される凸部を含み、この凸部の大きさは、除去されて中間絶縁構造内に凹領域を形成する第1犠牲ポリシリコンスペーサ114により決定される。次に、ポリシリコンスペーサ114としてこのコントロールゲート120を中間絶縁構造に隣接して形成し、このスペーサ部が凹領域に延長されてこの凸部の寸法と間隔、及びスプリットゲート電極の上部を分離させるインターポリ酸化物の厚さを決定することによって、性能向上と製造の容易性とを提供する。
【選択図】 図1
Description
したがって、Cc/Ctotの大きさは、スプリットゲート型トランジスタを設計する時に考慮せねばならない因子である。Cc/Ctotがより高い値を有するほどフローティングゲートに誘導される電圧がより高くなり、トランジスタの電子インジェクション(プログラム)効率が増加される。
したがって、向上した性能のために、CIPOを増加させてフローティングゲート上の有効電圧Vfgを減少させることが望ましい。放電動作の間のVfgの減少は、電子放電(削除)効率だけでなくメモリセルの耐久性に影響を及ぼす。さらに、F−Nトンネリングメカニズムを利用する場合に、トンネル電流は絶縁層内の電子トラップにより減少されるので、装置の性能を劣化させる。この劣化は、フローティングゲートの有効電圧を増加させることによって多少抑制できる。
特許文献1ないし8には、所定の製造工程と、それによるフローティングゲート構造とが示されて説明されており、参照としてその全文がこれに含まれている。
104a フローティングゲート、
116 ソース領域、
120 コントロールゲート、
122 LDD領域、
126 ドレイン、
128 酸化物層、
132 金属配線層、
200、202、204、206 絶縁材料。
Claims (35)
- a)凹領域、及びその凹領域の下部に配置された凸領域がある側壁を有する絶縁構造を形成する段階と、
b)前記絶縁構造の凸領域をエッチングマスクとして利用して、半導体層をエッチングしてフローティングゲート構造を形成する段階と、
c)前記フローティングゲート構造上に絶縁層を形成して、前記フローティングゲート構造を統合し、凹領域を含む側面を有する中間絶縁構造を形成する段階と、
d)前記中間絶縁構造に隣接し、前記側面に順応しつつ、前記フローティングゲート構造の一部上に延長される突出領域を含むコントロールゲート構造を形成する段階と、を順次に含むことを特徴とするスプリットゲート型トランジスタの製造方法。 - 前記絶縁構造を形成する前に、基板内に共通ソース領域を形成する段階と、
前記コントロールゲート構造を形成した後に、前記基板内にドレイン領域を形成する段階と、
前記ドレイン領域を形成した後に、厚い絶縁層を形成する段階と、
前記厚い絶縁層を通じて複数の接続開口を形成して、電気的接続が前記共通ソース、前記ドレイン及び前記コントロールゲート構造に独立的に行われる段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。 - 前記接続開口内にTi層を蒸着する段階と、
前記接続開口内のTi層上にTiN層を蒸着する段階と、
前記接続開口内のTiN層上にW層を蒸着する段階と、
前記基板を平坦化して前記厚い絶縁層の表面を露出させて、前記接続開口を充填するタングステンプラグを形成する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。 - 前記凹領域を形成する段階は、
窒化物層内に形成されたトレンチに、トレンチ壁に隣接して形成されるように犠牲ポリシリコンスペーサを形成する段階と、
シリコン酸化物で前記トレンチの残余部を充填し、前記シリコン酸化物を平坦化して前記窒化物層の上部表面を露出させる段階と、
前記窒化物層を除去する段階と、
前記ポリシリコンスペーサを除去して前記絶縁構造を形成する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。 - 前記凸領域を形成する段階は、
窒化物層にトレンチを形成する段階と、
前記窒化物層の下部に形成されたポリシリコン層の一部を酸化させて、前記窒化物層の周辺部の下に延長されるシリコン酸化物層を形成する段階と、
前記トレンチの残余部をシリコン酸化物で充填し、前記シリコン酸化物を平坦化して前記窒化物層の上部表面を露出させる段階と、
前記窒化物層を除去する段階と、
前記窒化物層の下部に形成されたシリコン酸化物パッド層を除去する段階と、を含むことを特徴とする請求項2に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。 - 前記凸領域を形成する段階は、
テーパ状の薄い末端部を含み、
前記フローティングゲート構造の上部表面は前記凸領域の下部表面に順応し、前記薄い末端部は対応してフローティングゲートの厚さを増加させ、前記フローティングゲート構造上に上向きの突出領域を形成することを特徴とする請求項5に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。 - a)基板上に、実質的に垂直な側壁を有し、半導体層上に形成された絶縁層の一部を露出させるトレンチを含むマスクパターンを形成する段階と、
b)前記側壁に隣接する第1ポリシリコンスペーサを形成する段階と、
c)前記絶縁層の露出部及び前記絶縁層の下部に形成された半導体層の一部を除去することによって、第1ポリシリコンスペーサの一部を除去して減少されたポリシリコンスペーサを形成し、拡張されたトレンチを形成する段階と、
d)前記拡張されたトレンチをシリコン酸化物で充電する段階と、
e)前記マスクパターン及び前記減少されたポリシリコンスペーサを除去して、凹領域とその凹領域の下部に配置された凸領域とをそれぞれ含む側壁を有する酸化物構造を形成する段階と、
f)前記酸化物構造をエッチングマスクで使用して半導体層の一部を除去することによって、前記凸領域の下部に配置されたフローティングゲート構造を形成する段階と、
g)前記フローティングゲートを取り囲む絶縁構造を形成する段階と、
h)前記凹領域に延長して、該当フローティングゲート構造上に少なくとも一部分が延長されるコントロールゲート構造を、前記酸化物構造の側壁に隣接して形成する段階と、を順次に含むことを特徴とするスプリットゲート型トランジスタの製造方法。 - 前記基板は、基板上に形成された第1絶縁層、前記第1絶縁層上に形成された第1半導体層、前記第1半導体層上に形成された第2絶縁層、及び前記第2絶縁層上に形成された第3絶縁層を含み、
前記第3絶縁層がパターニングされ、エッチングされてマスクパターンを形成し、
半導体酸化物層が形成されるように、前記第1半導体層の一部を酸化させて前記絶縁層が形成され、
ポリシリコン層を蒸着し、非等方エッチングを利用してポリシリコン層をエッチングし、前記第1ポリシリコンスペーサが形成されることを特徴とする請求項7に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。 - 実質的に前記酸化物構造の表面に順応し、前記凹領域を充填する前記第2半導体層を蒸着して前記コントロールゲート構造が形成される段階と、
前記第2半導体層を非等方エッチングして、前記酸化物構造の側壁に隣接する半導体スペーサを形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項8に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。 - 前記基板は半導体ウエハであり、前記第1絶縁層はシリコン酸化物であり、前記第1半導体層はポリシリコンであり、前記第2絶縁層はシリコン酸化物であり、前記第3絶縁層はシリコン窒化物であり、前記半導体酸化層はシリコン酸化物であり、前記第2半導体層はポリシリコンであることを特徴とする請求項8に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。
- 前記半導体ウエハはp型ウエハであり、前記第1絶縁層は約50〜150Åの厚さを有するシリコン酸化物であり、前記第1半導体層は約500〜1500Åの厚さを有するポリシリコンであり、前記第2絶縁層は約30〜100Åの厚さを有するシリコン酸化物であり、前記第3絶縁層は約2000〜3000Åの厚さを有するシリコン窒化物であり、前記半導体酸化物層は約500〜1500Åの厚さを有するシリコン酸化物であり、前記第1ポリシリコンスペーサを形成するために使用するポリシリコン層は約1500〜3000Åの厚さを有し、前記第2半導体層は約2000〜4000Åの厚さを有することを特徴とする請求項10に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。
- 蒸着された状態の前記第1半導体層の厚さは、前記第1半導体層上に形成された前記半導体酸化物層の厚さの少なくとも約90%以上、約110%未満であることを特徴とする請求項11に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。
- 前記半導体酸化物層の下部に配置された前記第1半導体層の一部の厚さは、蒸着された状態の前記第1半導体層の厚さの少なくとも約40%以上であることを特徴とする請求項9に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。
- a)基板上に第1絶縁層を形成する段階と、
b)前記第1絶縁層上に第1半導体層を形成する段階と、
c)前記第1半導体層上に第2絶縁層を形成する段階と、
d)前記第2絶縁層上に第3絶縁層を形成する段階と、
e)前記第3絶縁層をパターニングしてエッチングして、実質的に垂直な側壁を有し、前記第2絶縁層の一部を露出させる開口を形成する段階と、
f)前記第1半導体層の一部を酸化させて半導体酸化物層を形成する段階と、
g)第2半導体層を蒸着する段階と、
h)非等方エッチングを利用して前記第2半導体層をエッチングして、前記開口の側壁に隣接するスペーサを形成し、前記半導体酸化物層の一部を露出させる段階と、
i)前記半導体酸化物層の露出された一部をエッチングして、前記第1半導体層の一部を露出させる段階と、
j)前記第1半導体層の露出された一部をエッチングして、前記第1絶縁層の一部を露出させる段階と、
k)第4絶縁層を、前記開口を充填する厚さで蒸着する段階と、
l)前記第4絶縁層の上部を除去して前記第3絶縁層の表面を露出させ、実質的に平坦な表面を形成する段階と、
m)前記スペーサを実質的に維持しつつ、前記第3絶縁層を除去してベース構造を形成する段階と、
n)前記第2絶縁層を除去する段階と、
o)前記ベース構造をエッチングマスクとして使用して、前記第1半導体層をエッチングして前記第1絶縁層を露出させ、フローティングゲート構造を形成する段階と、
p)前記フローティングゲート構造上に絶縁層を形成する段階と、
q)前記ベース構造の表面に実質的に順応する第3半導体層を蒸着する段階と、
r)前記第3半導体層をエッチングして、それぞれが対を成し、該当フローティングゲート構造から絶縁され、それぞれのコントロールゲートの一部が該当フローティングゲート構造に少なくとも部分的に重なっているコントロールゲート構造を前記ベース構造の側壁に隣接して形成する段階と、
s)第4絶縁層を蒸着して前記コントロールゲート構造を絶縁する段階を含むことを特徴とするスプリットゲート型トランジスタの製造方法。 - 前記基板は半導体ウエハであり、前記第1絶縁層はシリコン酸化物であり、前記第1半導体層はポリシリコンであり、前記第2絶縁層はシリコン酸化物であり、前記第3絶縁層はシリコン窒化物であり、前記半導体酸化物層はシリコン酸化物層であり、前記第2半導体層はポリシリコンであり、前記第4絶縁層はシリコン酸化物であり、前記第3半導体層はポリシリコンであることを特徴とする請求項14に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。
- 前記半導体ウエハはp型ウエハであり、前記第1絶縁層は約50〜150Åの厚さを有するシリコン酸化物であり、前記第1半導体層は約500〜1500Åの厚さを有するポリシリコンであり、前記第2絶縁層は約30〜100Åの厚さを有するシリコン酸化物であり、前記第3絶縁層は約2000〜3000Åの厚さを有するシリコン窒化物であり、前記半導体酸化物層は約500〜1500Åの厚さを有するシリコン酸化物であり、前記第2半導体層は約1500〜3000Åの厚さを有するポリシリコンであり、前記第4絶縁層は約15,000Åの厚さを有するシリコン酸化物であり、前記第3半導体層は約2000〜4000Åの厚さを有するポリシリコンであることを特徴とする請求項15に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。
- 蒸着された状態の前記第1半導体層の厚さは、前記第1半導体層の露出された部分上に形成された前記半導体酸化物層の厚さの少なくとも約90%以上、約110%未満である。ことを特徴とする請求項15に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。
- 前記半導体酸化物層の下部にある前記第1半導体層の一部の厚さは、蒸着された状態の前記第1半導体層の厚さの少なくとも約40%以上であることを特徴とする請求項15に記載のスプリットゲート型トランジスタの製造方法。
- a)基板上に第1絶縁層を形成する段階と、
b)前記第1絶縁層上に第1半導体層を形成する段階と、
c)前記第1半導体層上に第2絶縁層を形成する段階と、
d)前記第2絶縁層上に第3絶縁層を形成する段階と、
e)前記第3絶縁層をパターニングしてエッチングして、実質的に垂直な側壁を有し、前記第2絶縁層の一部を露出させる開口を形成する段階と、
f)前記第1半導体層の一部を酸化させて半導体酸化物層を形成する段階と、
g)側壁材料層を蒸着する段階と、
h)非等方エッチングを利用して前記側壁材料層をエッチングして、前記開口の側壁に隣接するスペーサを形成し、前記半導体酸化物層の一部を露出させる段階と、
i)前記半導体酸化物層の露出された部分をエッチングして、前記第1半導体層の一部を露出させる段階と、
j)前記第1半導体層の露出された部分をエッチングして、前記第1絶縁層の一部を露出させる段階と、
k)前記第1絶縁層の露出された部分を通じてドーパントを注入して、前記基板の一部にソース領域を形成する段階と、
l)前記開口を充填するのに十分の厚さで第4絶縁層を蒸着する段階と、
m)前記第4絶縁層の上部を除去して、前記第3絶縁層の表面を露出させて実質的に平坦な表面を形成する段階と、
n)前記第3絶縁層と前記スペーサとを除去して、凹領域を含む側壁を有する絶縁体構造を形成する段階と、
o)前記第2絶縁層を除去する段階と、
p)前記半導体酸化物層の残存部を利用して前記第1半導体層をエッチングして、前記第1絶縁層を露出させて第1導電体要素を形成する段階と、
q)前記第1導電体要素上に第5絶縁層を形成する段階と、
r)前記絶縁体構造の表面に実質的に順応し、前記側壁の凹領域を充填する第2半導体層を蒸着する段階と、
s)前記第2半導体要素をエッチングして、前記絶縁体構造の側壁に隣接し、それぞれが対を成して該当第1導電体要素を部分的に重ねる半導体スペーサを形成し、前記第1絶縁層の一部を露出させる段階と、
t)前記第1絶縁層の露出部を通じてドーパント種を注入して、前記基板にドレイン領域を形成する段階と、
u)第6絶縁層を蒸着して、前記第2導電体要素を絶縁する段階と、
v)ソース領域、ドレイン領域、及び前記第2導電体要素に独立された電気的接続を提供する段階を含むことを特徴とする不揮発性スプリットゲート型メモリセルの製造方法。 - k)前記第1半導体層の露出部をエッチングして前記第1絶縁層の一部を露出させる段階は、前記第1スペーサの一部も除去することによって、減少された前記第1スペーサを形成することを特徴とする請求項19に記載の不揮発性スプリットゲート型メモリセルの製造方法。
- k)前記第1半導体層の露出部をエッチングする段階は、前記第1スペーサのベース幅を制御するように選択される過剰エッチング期間を含むことを特徴とする請求項19に記載の不揮発性スプリットゲート型メモリセルの製造方法。
- 前記第2導電体要素は、前記第1スペーサのベース幅を制御して調節されるオーバーラップ長ほど第1導電体要素を重ねることを特徴とする請求項21に記載の不揮発性スプリットゲート型メモリセルの製造方法。
- s)前記第2半導体層をエッチングして前記半導体スペーサを形成する段階は、前記半導体スペーサのベース幅を制御するために選択される過剰エッチング期間を含むことを特徴とする請求項19に記載の不揮発性スプリットゲート型メモリセルの製造方法。
- 一般的にソース領域とドレイン領域との間に延長され、前記第1導電体要素と前記第2導電体要素との下部にある基板の表面領域は、チャンネル長を有するチャンネル領域として機能を行い、
前記チャンネル長は、前記半導体スペーサのベース幅を制御して設定されることを特徴とする請求項23に記載の不揮発性スプリットゲート型メモリセルの製造方法。 - t)前記基板内に前記第1絶縁層の露出部を通じてドーパント種を注入して、ドレイン領域を形成する段階は、
t1)前記第1絶縁層の露出部を通じて第1ドーパント種を注入して、前記基板内の弱くドーピングされたドレイン領域を形成する段階、
t2)第2側壁材料層を蒸着する段階、
t3)非等方エッチングを利用して前記第2側壁材料層をエッチングして、前記第1絶縁層の露出部を減少させるように半導体スペーサの側壁に隣接する第2スペーサを形成する段階、
t4)前記第1絶縁層の縮少された露出部を通じて第2ドーパント種を注入して、ドレイン領域を完成する段階を含むことを特徴とする請求項19に記載の不揮発性スプリットゲート型メモリセルの製造方法。 - 前記第1ドーパント種はn型ドーパントであり、第1ドーズに注入され、前記第2ドーパント種はn型ドーパントであり、第2ドーズに注入され、前記第1ドーズへの注入量は、前記第2ドーズへの注入量に対して1/25以下であることを特徴とする請求項25に記載の不揮発性スプリットゲート型メモリセルの製造方法。
- 基板と、
前記基板内に形成された共通ソース領域と、
前記基板内に形成され、チャンネル領域によって前記ソース領域から分離されたドレイン領域と、
前記チャンネル領域上に形成された誘電体層と、
前記ソース領域に隣接したチャンネル領域の第1部分の上部に、前記誘電体層上に配置されたフローティングゲート電極と、
前記ドレイン領域に隣接したチャンネル領域の第2部分の上部にある前記誘電体層上に配置され、前記フローティングゲート電極とコントロールゲート電極とがチャンネル領域を制御可能にするコントロールゲート電極とを含み、
前記コントロールゲート電極の凸部は、フローティングゲート電極の隣接部上に延長され、前記凸部は上部及び下部を含み、前記上部は実質的に垂直な表面を備え、前記フローティングゲート電極上に第1距離ほど延長され、下部は実質的に非垂直な表面を備え、前記フローティングゲート電極上に第2距離ほど延長され、前記第1距離は前記第2距離より小さいスプリットゲート型セル構造を含むことを特徴とする半導体メモリセル。 - 前記コントロールゲート電極の凸部の下部の底面は、厚さTIPOを有するインターポリ酸化物により前記フローティングゲート電極から分離され、
前記コントロールゲート電極の非凸部の下部は、厚さTtunを有するトンネリング酸化物により前記フローティングゲート電極から分離された実質的に垂直な表面を含み、
前記コントロールゲート電極の非凸部の下部は、誘電体層からなるゲート酸化物部分によって前記チャンネル領域から分離された実質的に水平な表面を含み、前記ゲート酸化物はTgの厚さを有し、
前記フローティングゲート電極の下部は、誘電体層からなる厚さTcのカップリング酸化物部分により前記チャンネル領域から分離された実質的に垂直な表面を含み、
TIPO>Ttun、TIPO>Tc及びTIPO>Tgの関係を満足するスプリットゲート型セル構造を含むことを特徴とする請求項27に記載の半導体メモリセル。 - 前記フローティングゲート電極は、前記コントロールゲート電極に隣接するフローティングゲート電極の一部からの上向き凸部を含み、前記凸部は、前記インターポリ酸化膜内に延長される不揮発性スプリットゲート型セル構造を含むことを特徴とする請求項27に記載の半導体メモリセル。
- 基板と、
前記基板内に配置されたソース、ドレイン、及び前記ソースとドレインとの間に配置されたチャンネルと、
前記基板上に配置されたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に形成され、前記ソース及び前記チャンネルの第1部分を被覆するフローティングゲートと、
前記フローティングゲートの上部表面上に形成されたインターポリ酸化物層と、
前記フローティングゲートの側面上に形成されたトンネル酸化物層と、
前記ゲート絶縁層上に形成され、前記フローティングゲートの外部、前記ドレインの周辺部、及び前記チャンネルの第2部分を被覆し、前記インターポリ酸化物層及び前記トンネル酸化物層により、前記フローティングゲートから分離されて絶縁されたコントロールゲートを含むスプリットゲート型トランジスタ構造を備えるメモリセルを含むことを特徴とする半導体装置。 - 前記フローティングゲートは、断面積Afを有し、
前記コントロールゲートは、断面積Ac及び凸部を有し、
前記凸部は、前記ソース領域方向に前記フローティングゲートの外部上に延長され、
前記Af対Acの比は、約1:2〜1:10であるスプリットゲート型トランジスタ構造を備えるメモリセルを含むことを特徴とする請求項30に記載の半導体装置。 - 前記フローティングゲートは、ゲート長Lfを有し、
前記コントロールゲートの凸部は、前記フローティングゲート上に距離Lpほど延長され、LpとLfとの比は、約2:3〜1:5であるスプリットゲート型トランジスタ構造を備えるメモリセルを含むことを特徴とする請求項31に記載の半導体装置。 - 前記コントロールゲートの凸部の下部表面は、厚さTIPOを有するインターポリ酸化物によって前記フローティングゲートから分離され、
前記コントロールゲートの非凸部の下部は、厚さTtunを有するトンネリング酸化物により前記フローティングゲートから分離された実質的に垂直な表面を含み、
前記コントロールゲートの非凸部の底部は、厚さTgを有するゲート酸化物によって前記チャンネル間の第2部分から分離された実質的に水平な表面を含み、前記ゲート酸化物は厚さTgであり、
前記フローティングゲートの下部は、厚さTcを有するカップリング酸化物により前記チャンネルの第1部分から分離された実質的に水平な表面を含み、前記カップリング酸化物は厚さTcを有し、
TIPO>Ttun、TIPO>Tc及びTIPO>Tgを満足するスプリットゲート型トランジスタ構造を備えるメモリセルを含むことを特徴とする請求項31に記載の半導体装置。 - 前記Tcと前記Tgとの比は、約3:1〜1:3であるスプリットゲート型トランジスタ構造を備えるメモリセルを含むことを特徴とする請求項33に記載の半導体装置。
- 前記Tcと前記Tgとの比は、約1:1であるスプリットゲート型トランジスタ構造を備えるメモリセルを含むことを特徴とする請求項34に記載の半導体装置。
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