JP2010192734A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】金属膜からなるFGを用いることで、書き込み特性及びリテンション特性を向上させた不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁層、前記半導体基板上に前記第1のゲート絶縁層を介して形成された浮遊ゲート、前記浮遊ゲート上に形成された第2のゲート絶縁層、及び前記浮遊ゲート上に前記第2のゲート絶縁層を介して形成された制御ゲートを有するメモリセルを備え、前記浮遊ゲートは、前記第1のゲート絶縁膜と接する第1の半導体膜、及び前記半導体膜上に積層された金属膜とからなる。
【選択図】図1

Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置に関する。
従来浮遊ゲート構造を有するメモリセルでは、浮遊ゲート(以下、“FG”と呼ぶ)と制御ゲート(以下、“CG”と呼ぶ)との容量結合を強くするために、FGとCGの対向面積を大きくする必要があるため、STI(Shallow Trench Isolation)上のCGの高さを低くする形状が用いられていた(特許文献1)。しかしながら、メモリの高集積化によるメモリセルサイズの縮小化に伴い、STI間隔が小さくなる。このため、CG−FG間の絶縁膜(以下、“IPD”:Inter-Poly-Si Dielectricsと呼ぶ)の形成やCGの埋め込みが困難となり、CGは平面構造にならざるを得ない。この場合、CG−FGの対向面積と素子領域(以下、“AA”と呼ぶ)表面の面積とが同程度になるため、FGとCGとの容量結合比(以下、“Cr”と呼ぶ)が低下し、書込み・消去・読出し動作に問題が発生していた。これを解決するために、トンネル絶縁膜の薄膜化によってトンネル電流を増大する方法が考えられるが、薄膜化によって保持時のトンネル確率も増大するため書込み状態の保持特性(以下、“リテンション特性”と呼ぶこともある)が劣化する。
一方、FGとして一般に、不純物をドーピングしたポリシリコンが用いられている。ポリシリコン電極を用いる際には、書込み・消去・読出し時に空乏化を防止するために、高濃度(1020cm-3)の不純物がドープされている。しかしながら、素子の微細化に伴い層間絶縁膜などFGに接する絶縁層にポリシリコンから不純物が吸いだされる効果によりFG中に十分に高濃度で不純物濃度をドープすることが困難であった。そのため、書込み・消去・読出し時にFGが空乏化し、リテンション特定の劣化が問題となる。
特開2004−22819号公報
本発明は、書き込み特性及びリテンション特性を向上させた不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁層、前記半導体基板上に前記第1のゲート絶縁層を介して形成された浮遊ゲート、前記浮遊ゲート上に形成された第2のゲート絶縁層、及び前記浮遊ゲート上に前記第2のゲート絶縁層を介して形成された制御ゲートを有するメモリセルを備え、前記浮遊ゲートは、前記第1のゲート絶縁膜と接する第1の半導体膜、及び前記半導体膜上に積層された金属膜を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、書き込み特性及びリテンション特性を向上させた不揮発性半導体記憶装置を提供することができる。
本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの断面図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置における書き込み時の状態を説明する図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置における読み出し時の状態を説明する図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの製造工程を示す図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの製造工程を示す図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの製造工程を示す図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの製造工程を示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの断面図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの製造工程を示す図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの製造工程を示す図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの製造工程を示す図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの製造工程を示す図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの製造工程を示す図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの製造工程を示す図である。 本発明の第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの断面図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置における書き込み時の状態を説明する図である。 本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置における読み出し時の状態を説明する図である。 本発明の第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの断面図である。 本発明の第5の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの断面図である。
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
[第1の実施形態]
[メモリセルの構造]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセル100の断面図である。
このメモリセル100は、半導体基板であるシリコン(Si)基板101と、この上に形成された第1のゲート絶縁層であるトンネル絶縁膜102、このトンネル絶縁膜102を介してシリコン基板101のAA上に形成されたFG、第2のゲート絶縁膜であるIPD膜106、及びCG107からなる積層体とから構成されている。ここで、FGは、ポリシリコンからなる第1の半導体膜104と、IPD膜106に接する所定厚の金属膜105とからなる。また、CG107が延びる方向に隣接するメモリセル100のFGから下の部分間は、CG107と直交する所定深さのSTI103によって相互に分離されている。
このように、FGのCG107に対向する部分に金属膜105を設けることで、FG−CG間容量に対する空乏化の影響を排除させることができる。
次に、図2及び図3を用いてメモリセル100のFGの半導体膜104に対し、ドープされる不純物の濃度について説明する。
図2及び図3は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置における書き込み時及び読み出し時の状態を説明する図である。
メモリセル100では、書き込み時、トンネル絶縁膜102を通るキャリアのトンネリングによってFGに電荷を蓄積させるため、読み出し時に比べて高い電圧がCG107に印加される。そこで、FGの半導体膜104にドープされる不純物の濃度を、書き込み時に印加される電圧VpgmによってFGの半導体膜104のうちの図2に示すトンネル絶縁膜102近傍に反転層(ホール)111が形成される濃度Npolymax(Vpgm)以下とし、且つ、読み出し時に印加される電圧VreadによってFGの半導体膜104のうちの図3に示すトンネル絶縁膜102近傍に反転層が形成されない濃度Npolymin(Vread)より高くする。つまり、FGの半導体膜104の不純物濃度Npolyは、Npolymin(Vread)<Npoly<Npolymax(Vpgm)となるよう設定される。
これにより、読み出し時における実効的なトンネル膜厚EOTは、トンネル絶縁膜102の物理的な膜厚に、FGの半導体膜104に形成される空乏層113の幅を加えたものとなる。一方、書き込み時においては、FGの半導体膜104とこの半導体膜104に対向するシリコン基板101のAAに反転層(電子)112が形成されるため、実効的なトンネル膜厚EOTは、量子効果により若干の相違は発生するものの、トンネル絶縁膜102の物理的な膜厚とほぼ等しくなる。
ここで、トンネル絶縁膜102自体のシリコン酸化膜(SiO2)換算膜厚をTox、読み出し時の空乏層幅をtdep、半導体膜104の誘電率をεSi、及びシリコン酸化膜の誘電率をεOXとすると、書き込み時、読出し時のFG−AA間の実効的なトンネル膜厚EOTは、それぞれEOT=Tox、EOT=Tread=Tox+tdep×εox/εSiとなる。これらからも分かるように、本実施形態では、書き込み時及び読み出し時の実効的なトンネル膜厚EOTが異なる。このように、半導体膜104にドープされる不純物の濃度を決定することで、トンネル絶縁膜102を薄膜化することができる。
一方、書き込み時に電荷のトンネル効率を上げるためには、トンネル絶縁膜に掛かる電界強度を強くしたり、トンネル絶縁膜を薄膜化したりすることが有効である。しかし、FG及びCGの対向する領域が平坦な場合には容量結合比Crを大きくすることができないため、トンネル絶縁膜に掛かる電界強度を強くすると、FG−CG間の電界強度も上昇し、IPD膜を介してリークされる電荷が増大してしまう。したがって、実効的なトンネル膜厚を薄くすることによりトンネル効率を向上させることが望ましい。
但し、従来のように、ポリシリコンに不純物が高濃度にドープされている場合、空乏層幅が小さいため、読み出し時の実効的なトンネル膜厚はトンネル絶縁膜自体のシリコン酸化膜換算膜厚と同程度になってしまう。この場合、トンネル絶縁膜を薄膜化させると読み出し時に誤書き込みが生じることになる。
その点、本実施形態では、書き込み時の実効的なトンネル膜厚TOEはトンネル絶縁膜自体のシリコン酸化膜換算膜厚Toxであるのに対し、読み出し時の実効的なトンネル膜厚TOEは空乏層113の分だけ厚膜化されるため、上記問題を回避することができる。
さらに、プログラム状態で放置させた場合、AAに電子の反転層112が形成され、トンネル絶縁膜102に掛かる電界強度が低下するため、リテンション特性を改善させることができる。
以上から、本実施形態によれば、書き込み特性及びリテンション特性に優れた不揮発性半導体記憶装置を提供することができる。
なお、FGの半導体膜104にドープされる不純物の濃度Npolyは、IPD膜106の厚さ、材質の誘電率ε、書き込み時及び読み出し時の印加電圧Vpgm及びVread、トンネル絶縁膜102自体のシリコン酸化膜換算膜厚Tox、読み出し時の空乏層113の幅tdepなどにより、任意に設定することができるが、5×1018cm−3〜5×1019cm−3になることが望ましい。
[メモリセルの製造方法]
次に、図4A〜図4Dを用いて本実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセル100の製造方法について説明する。
まず、図4Aにおいて、シリコン基板151上にトンネル絶縁膜102となるSiO2からなる絶縁層152、FGの半導体膜104となるポリシリコンからなる半導体層154、FGの金属膜105となるWSiからなる金属層155を順次堆積させる。なお、金属層155として、WSiの他、Cu、Ti、Pt、あるいはTiNなど任意の導体を用いることができる。
続いて、図4Bにおいて、隣接メモリセル100間にRIEを用いて深さがシリコン基板151の内側に達する平行する複数の溝158を形成する。
続いて、図4Cにおいて、溝158に、絶縁膜103となる、例えば、SiO2からなる埋め込み絶縁体153を埋め込みSTIを形成する。その後、この埋め込み絶縁体153上面をCMPを用いて平坦化させる。なお、図4Cの場合、CMPのストッパとして金属層155を用いているが、必要に応じ、例えば、金属層155上にSiNからなる保護膜を形成しても良い。但し、この場合、その後に保護膜を除去する必要がある。
最後に、図4Dにおいて、埋め込み絶縁体153及び金属層155上にIPD膜106となるIPD層156、CGとなるポリシリコンからなる半導体層157を順次堆積させる。ここで、IPD層156は、例えば、SiN及びSiO2の積層膜を用いることができる他、HfO2、Al2O3等の高誘電体膜、これら高誘電体膜の積層膜、あるいは高誘電体膜とSiO2、SiN等との積層膜を用いることもできる。
なお、上記説明では、なお半導体層154に対する不純物のドーピング工程を省略したが、半導体層154を堆積後にイオン注入によってドープしても良いし、堆積過程と同時にドープしても良い。
また、上記方法では、トンネル絶縁膜102及びFGを形成した後、STIを形成したが、この他、STI形成後、トンネル絶縁膜102及びFGを形成してもメモリセル100を製造することができる。
[第2の実施形態]
[メモリセルの構造]
図5は、本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセル200の断面図である。
このメモリセル200は、FGの金属膜205が、FGの第1の半導体膜204より広くなっている点を除いて、第1の実施形態に係るメモリセル100と同様の構造を有している。
本実施形態によれば、FGの金属膜205を半導体膜204に比べて広くすることで、FGとCGとの対向面積が、FGとAAとの対向面積より広くなる。その結果、FG−CG間容量がFG−AA間容量より大きくなるため、第1の実施形態より容量結合比Crを大きくすることができる。
なお、金属層205の材料としては、加工容易性、熱的安定性、酸化に対する耐性、コスト等の生産性、及び絶縁膜203やIPD膜206等の整合性などを考慮した上で、TiN、TaN、あるいはWSi等のシリサイドなど、任意の金属を用いることができる。
[メモリセルの製造方法]
次に、図6を用いて本実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセル200の製造方法について説明する。
まず、図6Aにおいて、シリコン基板251上にトンネル絶縁膜202となるSiO2からなる絶縁層252、FGの半導体膜204となるポリシリコンからなる半導体層254、SiN等からなるダミー層258を順次堆積させる。
続いて、図6Bにおいて、隣接メモリセル200間にRIEを用いて深さがシリコン基板251の内部に達する平行な複数の溝259を形成する。
続いて、図6Cにおいて、溝259に、絶縁膜203となる、例えば、SiO2からなる埋め込み絶縁体153を埋め込んでSTIを形成する。その後、埋め込み絶縁体253上面をCMPを用いて平坦化させる。
続いて、図6Dにおいて、ダミー層258を剥離させる。その際、金属層254上面に対し突出した埋め込み絶縁体253の一部分253aも除去しておく。
続いて、図6Eにおいて、図6Dによって、埋め込み絶縁体253及び半導体層254の上面に、高さが埋め込み絶縁体253の最上面に達する金属膜205となる金属層255を堆積させる。その後、埋め込み絶縁体253及び金属層255の上面をCMPを用いて平坦化させる。なお、金属層255として、WSiの他、任意の材料を用いることができる。
最後に、図6Fにおいて、平坦化された埋め込み絶縁体253及び金属層255上にIPD膜206となるIPD層256、CGとなるポリシリコンからなる半導体層257を順次堆積させる。ここでも、第1の実施形態と同様、IPD層256は、例えばSiN及びSiO2の積層膜を用いることができる他、HfO2、Al2O3等の高誘電体膜、これら高誘電体膜の積層膜、あるいは高誘電体膜とSiO2、SiN等との積層膜などを用いることもできる。
なお、上記説明では、トンネル絶縁膜202及びFGの半導体膜254を形成した後、STIを形成したが、この他、STI形成後、トンネル絶縁膜202及びFGを形成してもメモリセル200を製造することができる。
[第3の実施形態]
図7Aは、本発明の第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセル300の断面図である。
このメモリセル300は、FGが、トンネル絶縁膜302からIPD膜306にかけて、第1の半導体膜304a、金属膜305、及び第2の半導体膜304bを積層された構造となっている。その他に関しては、第1の実施形態に係るメモリセル100と同様の構造を有している。
このようなFGの構造によれば、前記第1及び第2の半導体膜304a及び304bの膜厚やドーパント濃度は任意に設定することができるが、例えば、図7Bに示すように、第1及び第2の半導体膜304aをp型不純物としてホウ素(B)がドープされたポリシリコンとし、金属膜305としてポリシリコンの電導帯付近の仕事関数を有する金属を用いると、FGの金属膜305中のポテンシャルが低下し電子の安定性が増すために、良好な保持特性が実現できる。ポリシリコン中のホウ素濃度は任意に設定できるが、1020cm−3程度の高濃度であることが望ましい。また、前記の金属は任意に選ぶことができるが、上記のFG中の電子を安定化には仕事関数が電導帯付近である、例えば、WやPtなどの金属が望ましいが、ポリSi中のp型不純物濃度が十分に高濃度である場合には、バンドギャップの中心付近の仕事関数である、例えば、NiSi、TiNなどの金属であっても構わない。
以上では、第1及び第2の半導体膜304a及び304bと金属膜305との仕事関数を選ぶことで、金属膜305中の電子のポテンシャルが低くなるような構造のFGを用いたが、例えば、第1半導体膜304aに対しp型不純物、第2の半導体膜304bに対しn型不純物をそれぞれドープし、金属膜305の仕事関数を電導帯付近にすることで、FGに書き込まれた電子がトンネル絶縁膜302を通してシリコン基板301中に抜け出ることを抑制できる。逆に、第1の半導体膜304aをn型にドープすることで書き込み時にトンネル絶縁膜302に掛かる電界強度を強くすることができ、書込み速度を向上させるができる。これらは、第1の半導体膜304aの不純物濃度分布を調整し、目的に応じたデバイス設計を可能にできることを示している。同様に、第2の半導体膜304bにドープされる不純物種や濃度を調整することで、FGから絶縁膜306を通してCG307に抜ける電子を抑制することもできる。
また、上記説明において、第1及び第2の半導体膜304a及び304bにポリシリコンを用いて説明したが、SiGeやSiCのほか、GaAsやInP等の化合物半導体を用いても良い。
なお、第1の半導体膜304aと第2の半導体膜304bとを同じ材料(ポリシリコン)を用いて説明したが、仕事関数やバンド構造などの特性に応じて、適切な材料を個別的に用いることが望ましい。
図8及び図9は、本実施形態に係る本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置における書き込み時及び読み出し時の状態を示す図である。
メモリセル300では、第1及び第2の半導体膜304a及び304bにn型不純物がドープされたポリシリコンを用いている。ここで、不純物濃度は、書き込み時において、第1の半導体膜304aのトンネル絶縁膜302側に反転層311が形成され(図8)、読み出し時において、反転層311が形成されないよう(図9)設定する。この場合、書き込み時と読み出し時の実効的なトンネル膜厚EOTを変えることができ、これによって、書き込み特性とリテンション特性に優れたメモリセルを実現することができる。
[第4の実施形態]
図10は、本発明の第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセル400の断面図である。
このメモリセル400は、FGが、トンネル絶縁膜402からIPD膜406にかけて、第1の半導体膜404a、金属膜405、及び第2の半導体膜404bを積層してなる。また、IPD膜406に近い金属膜405及び半導体膜404bが、トンネル絶縁膜402に近い半導体膜404aより幅が広くなっている。その他に関しては、第1の実施形態に係るメモリセル100と同様の構造を有している。
このようなFGの構造によれば、第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、FGの半導体膜404b及び金属膜405を半導体膜404aに比べて広くすることで、FGとCGとの対向面積が、FGとAAとの対向面積より広くなる。その結果、FG−CG間容量がFG−AA間容量より大きくなるため、第3の実施形態より容量結合比Crを大きくすることができる。
[第5の実施形態]
図11は、本発明の第5の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセル500の断面図である。
このメモリセル500は、FGが、トンネル絶縁膜502からIPD膜506にかけて、半導体膜504及び金属膜505を多層に積層させた構造となっており、具体的には、第1の半導体膜504a、金属膜505a、半導体膜504b、金属膜505b、半導体膜504c、金属膜504c、及び第2の半導体膜504dを積層させた構造となっている。その他に関しては、第1の実施形態に係るメモリセル100と同様の構造を有している。
この場合、例えば、トンネル絶縁膜502及びIPD膜506に近い金属膜505の材料を、仕事関数が価電子帯に近いものとし、よりFGの中央に向かうに従い、金属膜505の材料を、仕事関数が導電帯に近いものとすることで、保持時にFG中央の電子濃度が最も高くなるよう調整できる。
このように、本実施形態によれば、それぞれの金属層505の仕事関数を設定することで、目的に応じたポテンシャル構造を有するFGを形成することができる。
100、200、300、400、500・・・メモリセル、101、201、301、401、501・・・シリコン基板、102、202、302、402、502・・・トンネル絶縁膜、103、203、303、403、503・・・絶縁膜、104、204、304、404、504・・・FGの半導体膜、105、205、305、405、505・・・FGの金属膜。

Claims (5)

  1. 半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜、前記半導体基板上に前記第1のゲート絶縁膜を介して形成された浮遊ゲート、前記浮遊ゲート上に形成された第2のゲート絶縁膜、及び前記浮遊ゲート上に前記第2のゲート絶縁膜を介して形成された制御ゲートを有するメモリセルを備え、
    前記浮遊ゲートは、前記第1のゲート絶縁膜と接する第1の半導体膜、及び前記半導体膜上に積層された金属膜を備えた
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  2. 前記浮遊ゲートの金属膜は、前記浮遊ゲートの第1の半導体膜よりも積層方向に垂直な断面の面積が広いことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  3. 前記浮遊ゲートは、前記金属膜上に積層された第2の半導体膜を備えることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  4. 前記浮遊ゲートは、前記金属膜及び第2の半導体膜間に他の金属膜及び半導体膜からなる1又は2以上の積層体を備えることを特徴とする請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置。
  5. 前記浮遊ゲートの第1の半導体膜にドープされる不純物は、書き込み時に、前記第1のゲート絶縁膜近傍に反転層が形成される濃度よりも低く、読み出し時に、前記第1のゲート絶縁膜近傍に反転層が形成されない濃度よりも高いことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の不揮発性半導体記憶装置。
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