JP2001015619A - Manufacture of nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性半導体記
憶装置の製造方法に関するものであり、特にスタックゲ
ート構造を有するメモリセルの浮遊ゲートと制御ゲート
間の絶縁膜の製造方法に関するものである。The present invention relates to a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, and more particularly to a method of manufacturing an insulating film between a floating gate and a control gate of a memory cell having a stacked gate structure.
【0002】[0002]
【従来の技術】現在、浮遊ゲートと制御ゲートを有する
不揮発性半導体記憶装置においては、浮遊ゲートと制御
ゲート間の絶縁膜として酸化膜/窒化膜/酸化膜の3層
からなる絶縁膜(ONO膜)を用いている。2. Description of the Related Art At present, in a nonvolatile semiconductor memory device having a floating gate and a control gate, an insulating film (ONO film) composed of three layers of an oxide film / nitride film / oxide film is used as an insulating film between the floating gate and the control gate. ) Is used.
【0003】図11は、前記半導体記憶装置におけるメ
モリセルの断面図である。FIG. 11 is a sectional view of a memory cell in the semiconductor memory device.
【0004】p形シリコン基板101には素子分離領域
102が形成され、素子分離領域102により区画され
た素子領域にはトンネル酸化膜103が形成されてい
る。このトンネル酸化膜103上には浮遊ゲート10
4、前記3層からなる絶縁膜(ONO膜)105、制御
ゲート106が形成されている。前記絶縁膜(ONO
膜)105の断面構造を図12に示す。下層には酸化膜
105Aが形成され、中間層には窒化膜105B、上層
には酸化膜105Cが形成されている。An element isolation region 102 is formed in a p-type silicon substrate 101, and a tunnel oxide film 103 is formed in an element region partitioned by the element isolation region 102. The floating gate 10 is formed on the tunnel oxide film 103.
4, an insulating film (ONO film) 105 composed of the three layers and a control gate 106 are formed. The insulating film (ONO)
The cross-sectional structure of the film 105 is shown in FIG. An oxide film 105A is formed in a lower layer, a nitride film 105B is formed in an intermediate layer, and an oxide film 105C is formed in an upper layer.
【0005】通常、不揮発性半導体記憶装置では、浮遊
ゲート104に電子を注入し、これを実用上十分な時間
保持しておく必要がある。電子の保持状態においては、
その電子によって発生する比較的弱い電界(自己電界)
が浮遊ゲート104と制御ゲート106の間の絶縁膜
(ONO膜)105に印加された状態になる。ONO膜
105の下層の酸化膜105Aが6nm以上あれば、Fo
wler-Nordheim型のトンネル電流電導機構を示し低電界
で流れる電流は極めて少ないため、実用上十分な時間電
子を浮遊ゲート104に閉じこめることができる。ま
た、上層の酸化膜105Cが3nm以上あると、ホール
の注入を防止でき、3層膜として高電界でも高い絶縁性
を有することができる。Generally, in a nonvolatile semiconductor memory device, it is necessary to inject electrons into the floating gate 104 and hold it for a practically sufficient time. In the state of holding electrons,
Relatively weak electric field (self electric field) generated by the electrons
Is applied to the insulating film (ONO film) 105 between the floating gate 104 and the control gate 106. If the oxide film 105A under the ONO film 105 is 6 nm or more, Fo
Since a wler-Nordheim type tunneling current conduction mechanism is shown and the current flowing in a low electric field is extremely small, electrons can be trapped in the floating gate 104 for a practically sufficient time. When the upper oxide film 105C has a thickness of 3 nm or more, hole injection can be prevented, and the three-layer film can have high insulating properties even in a high electric field.
【0006】上述したように、従来のONO膜では、ダ
イレクトトンネル現象を防ぐために、下層の酸化膜10
5Aを6nm以上の膜厚にする必要があり、上層の酸化
膜105Cもホールの注入を防ぐために、3nm以上の
膜厚にする必要がある。また、ピンホールに代表される
ような欠陥がなく、整った窒化膜の機能を有する膜を形
成するためには、窒化膜105Bも、一般には最低でも
5nm前後の膜厚にする必要がある。すると、従来の酸
化膜/窒化膜/酸化膜の構造では、このONO膜を誘電
率で酸化膜の膜厚に換算すると、その換算膜厚は12n
m前後になる。これは、窒化膜は酸化膜に比べて誘電率
が2倍程度大きいため、その膜厚は酸化膜に換算した場
合1/2に換算されるからである。ここで、窒化膜の機
能とは、ホールの注入がなければ高電界印加時のリーク
電流が少ないこと、電子のトラッピングにより電界集中
部(浮遊ゲートのエッジなど)での電界を緩和してくれ
ることである。As described above, in the conventional ONO film, in order to prevent a direct tunnel phenomenon, the underlying oxide film 10 is formed.
5A needs to have a thickness of 6 nm or more, and the upper oxide film 105C also needs to have a thickness of 3 nm or more to prevent injection of holes. In addition, in order to form a film having a regular nitride film function without defects such as pinholes, the nitride film 105B generally needs to have a thickness of at least about 5 nm. Then, in the conventional oxide film / nitride film / oxide film structure, when this ONO film is converted into a film thickness of the oxide film by a dielectric constant, the converted film thickness is 12n.
m. This is because the nitride film has a dielectric constant approximately twice as large as that of the oxide film, and its thickness is reduced to half when converted to an oxide film. Here, the function of the nitride film is that if there is no hole injection, there is little leakage current when a high electric field is applied, and the trapping of electrons reduces the electric field at the electric field concentration part (edge of floating gate, etc.) It is.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、周辺
トランジスタの耐圧やメモリセルの動作電圧等を低下さ
せたいという要求から、前記絶縁膜105(ONO膜)
の酸化膜換算膜厚を薄膜化する必要が生じている。In recent years, the demand for lowering the withstand voltage of peripheral transistors and the operating voltage of memory cells has led to the demand for the insulating film 105 (ONO film).
It is necessary to reduce the equivalent oxide film thickness of the thin film.
【0008】しかし、上下層の酸化膜105C、105
Aがそれぞれ3nm、6nmより薄くなると、電荷保持
が困難となり、絶縁性、信頼性が低下する。例えば、下
層の酸化膜105Aの膜厚が6nmより薄くなると、ダ
イレクトトンネルによるリーク電流が無視できない値と
なり、電荷保持が困難となる。また、上層の酸化膜10
5Cが3nmより薄くなると、大量のホールが窒化膜1
05Bに注入され、絶縁耐圧として寄与する膜は下層の
酸化膜105Aのみになってしまう。However, the upper and lower oxide films 105C and 105C
When A is thinner than 3 nm and 6 nm, respectively, it becomes difficult to hold the charge, and the insulating property and the reliability decrease. For example, if the thickness of the lower oxide film 105A is less than 6 nm, the leak current due to the direct tunnel becomes a nonnegligible value, and it becomes difficult to hold the charge. Also, the upper oxide film 10
When 5C becomes thinner than 3 nm, a large amount of holes are formed in the nitride film 1.
The film that is injected into the substrate 05B and contributes to the withstand voltage is only the lower oxide film 105A.
【0009】さらに、前記窒化膜105Bも5nm程度
より薄くなると、リーク電流の低減や電界集中の緩和が
不十分になり、信頼性が低下する。よって、絶縁膜10
5は、酸化膜換算膜厚で12nm前後より薄くできな
い。Further, when the thickness of the nitride film 105B is also thinner than about 5 nm, the reduction of leakage current and the relaxation of electric field concentration become insufficient, and the reliability is reduced. Therefore, the insulating film 10
No. 5 cannot be thinner than about 12 nm in oxide film equivalent film thickness.
【0010】また、ONO膜105の場合、制御ゲート
加工後に、通常、必要な酸化工程において、図13に示
すように、酸化膜105Aと浮遊ゲート104間、酸化
膜105Cと制御ゲート106間に酸化のためのバーズ
ビーク107が侵入し、浮遊ゲートと制御ゲート間の容
量を下げてしまうという問題が発生する。図13は、バ
ーズビークが発生した場合の浮遊ゲート、絶縁膜、制御
ゲートを有するメモリセルの断面図である。バーズビー
クの容量への影響は、特にゲート長が短くなると大きく
なる。In the case of the ONO film 105, after the control gate is processed, usually, in a necessary oxidation step, as shown in FIG. 13, oxidation between the oxide film 105A and the floating gate 104 and between the oxide film 105C and the control gate 106 are performed. The bird's beak 107 penetrates into the gate, thereby lowering the capacitance between the floating gate and the control gate. FIG. 13 is a cross-sectional view of a memory cell having a floating gate, an insulating film, and a control gate when a bird's beak has occurred. The effect of the bird's beak on the capacitance is particularly large when the gate length is short.
【0011】そこで本発明は、前記課題に鑑みてなされ
たものであり、電荷保持特性及び絶縁耐圧を維持したま
ま浮遊ゲートと制御ゲート間の絶縁膜(酸化膜換算膜
厚)を薄膜化でき、制御ゲート加工後に必要な酸化工程
において、浮遊ゲート及び制御ゲートにバーズビークが
侵入して容量が低下するのを防止できる不揮発性半導体
記憶装置の製造方法を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is possible to reduce the thickness of an insulating film (equivalent oxide film thickness) between a floating gate and a control gate while maintaining charge retention characteristics and dielectric strength. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device that can prevent a bird's beak from entering a floating gate and a control gate to reduce a capacity in an oxidation step necessary after processing a control gate.
【0012】すなわち、言い換えると、本発明は浮遊ゲ
ートと制御ゲート間の容量結合比を増し、低電圧でメモ
リセルを駆動できるようにすることが目的であり、この
ために浮遊ゲートと制御ゲート間に形成される絶縁膜の
酸化膜換算膜厚を薄くすると共に、ゲートバーズビーク
の侵入による容量結合の低下を防止する。That is, in other words, an object of the present invention is to increase the capacitive coupling ratio between the floating gate and the control gate so that the memory cell can be driven at a low voltage. In addition to reducing the equivalent oxide film thickness of the insulating film formed on the substrate, a decrease in capacitive coupling due to penetration of a gate bird's beak is prevented.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法
は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前
記ゲート絶縁膜上に浮遊ゲートを形成する工程と、前記
浮遊ゲート上に、CVD法によりシリコン酸化膜を形成
する工程と、前記浮遊ゲートと前記シリコン酸化膜との
界面近傍に、窒素を導入して窒化層を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程
と、前記シリコン窒化膜上に制御ゲートを形成する工程
とを具備することを特徴とする。In order to achieve the above object, a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention comprises the steps of: forming a gate insulating film on a semiconductor substrate; Forming a floating gate, forming a silicon oxide film on the floating gate by a CVD method, and forming a nitride layer by introducing nitrogen near an interface between the floating gate and the silicon oxide film. Process and
A step of forming a silicon nitride film on the silicon oxide film; and a step of forming a control gate on the silicon nitride film.
【0014】また、本発明に係る不揮発性半導体記憶装
置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成す
る工程と、前記ゲート絶縁膜上に浮遊ゲートを形成する
工程と、前記浮遊ゲート上に、CVD法によりシリコン
酸化膜を形成する工程と、前記浮遊ゲートと前記シリコ
ン酸化膜との界面近傍に、窒素を導入して第1の窒化層
を形成する工程と、前記シリコン酸化膜の表面に、窒素
を導入して第2の窒化層を形成する工程と、前記第2の
窒化層上に制御ゲートを形成する工程とを具備すること
を特徴とする。Further, in the method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate; a step of forming a floating gate on the gate insulating film; Forming a silicon oxide film by a CVD method; introducing nitrogen near the interface between the floating gate and the silicon oxide film to form a first nitride layer; A step of introducing nitrogen to form a second nitrided layer; and a step of forming a control gate on the second nitrided layer.
【0015】また、本発明に係る不揮発性半導体記憶装
置の製造方法は、半導体基板上に素子分離領域を形成す
る工程と、前記素子分離領域により区画された素子領域
の前記半導体基板上にトンネル酸化膜を形成する工程
と、前記トンネル酸化膜上に浮遊ゲートを形成する工程
と、前記浮遊ゲート上に、CVD法によりシリコン酸化
膜を形成する工程と、前記浮遊ゲートと前記シリコン酸
化膜との界面近傍に、窒素を導入して窒化層を形成する
工程と、前記シリコン酸化膜上に、減圧CVD法により
シリコン窒化膜を形成する工程と、前記シリコン窒化膜
上に制御ゲートを形成する工程とを具備することを特徴
とする。In a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, a step of forming an element isolation region on a semiconductor substrate and a step of forming a tunnel oxide on the semiconductor substrate in an element region partitioned by the element isolation region Forming a film, forming a floating gate on the tunnel oxide film, forming a silicon oxide film on the floating gate by CVD, and providing an interface between the floating gate and the silicon oxide film. Forming a nitride layer by introducing nitrogen in the vicinity, forming a silicon nitride film on the silicon oxide film by low-pressure CVD, and forming a control gate on the silicon nitride film. It is characterized by having.
【0016】酸化膜形成方法としては熱酸化とCVD法
による酸化膜があるが、本発明ではCVD酸化膜を用い
る。これは、通常、浮遊ゲートの空乏化を防ぐために大
量にn型不純物がドーピングされた多結晶シリコンを熱
酸化すると、酸化膜の膜質は良くないためであり、高温
で酸化すると特性が改善するが、高温では本願が目的と
している薄い膜が形成しにくかったり、下層のトンネル
酸化膜の劣化を招くといった問題があるためである。As an oxide film forming method, there are an oxide film formed by thermal oxidation and a CVD method. In the present invention, a CVD oxide film is used. This is because when polycrystalline silicon doped with a large amount of n-type impurities is thermally oxidized to prevent depletion of the floating gate, the film quality of the oxide film is not good. This is because, at a high temperature, there is a problem that it is difficult to form a thin film aimed at by the present application and that a lower tunnel oxide film is deteriorated.
【0017】すなわち、本発明では、リーク電流を防ぐ
ための膜として、CVD酸化膜を用いている。浮遊ゲー
トと制御ゲート間の絶縁膜をONO膜にしない場合、浮
遊ゲートのエッジにおいて電界集中による電子の抜けが
問題になるが、これを防ぐために、浮遊ゲートとCVD
酸化膜との界面を強力に窒化処理する。また、必要に応
じて浮遊ゲートのエッジを丸める。これにより、高電界
印加時のリーク電流を低減し、電界集中部における電界
を緩和する。また、浮遊ゲートとCVD酸化膜との界面
に形成された窒化層は、ゲート加工後の後酸化工程にお
けるバーズビークの侵入も抑制する。That is, in the present invention, a CVD oxide film is used as a film for preventing a leak current. If the ONO film is not used as the insulating film between the floating gate and the control gate, electron leakage due to electric field concentration at the edge of the floating gate becomes a problem.
The interface with the oxide film is strongly nitrided. In addition, the edge of the floating gate is rounded as necessary. As a result, the leakage current when a high electric field is applied is reduced, and the electric field in the electric field concentration portion is reduced. Further, the nitride layer formed at the interface between the floating gate and the CVD oxide film also prevents bird's beak from entering in a post-oxidation step after the gate processing.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
実施の形態について説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0019】まず、この発明の実施の形態の製造方法よ
り製造される不揮発性半導体記憶装置の構造について簡
単に説明する。First, the structure of a nonvolatile semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method according to the embodiment of the present invention will be briefly described.
【0020】図1は、前記不揮発性半導体記憶装置の構
造を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the nonvolatile semiconductor memory device.
【0021】p形シリコン基板11には素子分離領域1
2が形成され、この素子分離領域12により囲まれた素
子領域にはトンネル酸化膜13が形成されている。この
トンネル酸化膜13上には、浮遊ゲート14、絶縁膜1
5、制御ゲート16が順に形成されている。The p-type silicon substrate 11 has an element isolation region 1
2 is formed, and a tunnel oxide film 13 is formed in an element region surrounded by the element isolation region 12. On the tunnel oxide film 13, the floating gate 14, the insulating film 1
5, the control gate 16 is formed in order.
【0022】[第1の実施の形態]次に、第1の実施の
形態の前記不揮発性半導体記憶装置の製造方法について
説明する。[First Embodiment] Next, a method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of the first embodiment will be described.
【0023】図2〜図5は、前記不揮発性半導体記憶装
置の製造方法を示す工程における断面図である。FIGS. 2 to 5 are sectional views showing steps of a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device.
【0024】まず、図2に示すように、p形シリコン基
板11に、トレンチアイソレーションなどによる素子分
離領域12を形成して、この素子分離領域12により区
画された素子領域を形成する。この素子領域のシリコン
基板11上にトンネル酸化膜13を形成する。その後、
図3に示すように、このトンネル酸化膜13上に、CV
D法により多結晶シリコン膜を膜厚100〜200nm
程度形成する。続いて、RIE法により多結晶シリコン
膜をパターニングして、浮遊ゲート14を形成する。な
お、トンネル酸化膜と、浮遊ゲートとなる多結晶シリコ
ン膜の一部を堆積した後に素子分離のための溝を掘り、
絶縁膜で埋め込むという順序で形成する方法もある。First, as shown in FIG. 2, an element isolation region 12 is formed on a p-type silicon substrate 11 by trench isolation or the like, and an element region partitioned by the element isolation region 12 is formed. A tunnel oxide film 13 is formed on the silicon substrate 11 in this element region. afterwards,
As shown in FIG. 3, a CV
The polycrystalline silicon film is formed to a thickness of 100 to 200 nm by the D method.
Degree formed. Then, the floating gate 14 is formed by patterning the polycrystalline silicon film by the RIE method. After depositing a tunnel oxide film and a part of the polycrystalline silicon film serving as a floating gate, a trench for element isolation is dug.
There is also a method of forming in the order of embedding with an insulating film.
【0025】次に、図3中の4に示す部分の拡大図を用
いて、絶縁膜15の形成方法を述べる。図4(a)〜
(c)は、浮遊ゲート14上に形成される絶縁膜15の
形成方法を示す断面の拡大図である。図4(d)は、後
述する別例の前記絶縁膜の構造を示す断面の拡大図であ
る。Next, a method of forming the insulating film 15 will be described with reference to an enlarged view of a portion indicated by 4 in FIG. FIG.
FIG. 3C is an enlarged cross-sectional view illustrating a method of forming the insulating film 15 formed on the floating gate 14. FIG. 4D is an enlarged cross-sectional view showing the structure of another example of the insulating film described later.
【0026】図4(a)に示すように、浮遊ゲート14
上に、CVD法によりシリコン酸化膜15Aを膜厚7n
m形成する。シリコン酸化膜15Aの形成方法として
は、熱酸化法とCVD法がある。熱酸化法の場合には、
不純物をドーピングした多結晶シリコン膜(浮遊ゲート
材料)の熱酸化膜は一般に膜質が悪く、リーク電流が大
きい。リーク電流を下げるには、高温で酸化する必要が
あるが、高温酸化工程は浮遊ゲート下のトンネル酸化膜
の膜質を劣化させるので、スタックゲート型のフラッシ
ュメモリには好ましくない。As shown in FIG. 4A, the floating gate 14
A silicon oxide film 15A is formed to a thickness of 7n by CVD.
m. As a method for forming the silicon oxide film 15A, there are a thermal oxidation method and a CVD method. In the case of the thermal oxidation method,
A thermal oxide film of a polycrystalline silicon film (floating gate material) doped with impurities generally has poor film quality and a large leak current. In order to reduce the leakage current, it is necessary to oxidize at a high temperature. However, the high-temperature oxidation step deteriorates the quality of the tunnel oxide film under the floating gate, and is not preferable for a stack gate type flash memory.
【0027】CVD法の場合には、トリクロールシラン
の分解によるHTO(High Temperature Oxide)酸化膜
を堆積するのが望ましい。これは、このHTO酸化膜は
絶縁性が高く、熱酸化膜に近いリーク特性を示すからで
ある。In the case of the CVD method, it is desirable to deposit an HTO (High Temperature Oxide) oxide film by decomposition of trichlorsilane. This is because the HTO oxide film has high insulation properties and exhibits a leak characteristic close to that of a thermal oxide film.
【0028】この他に、ジクロールシランを原料ガスに
用いたHTO酸化膜、TEOS系ガスの分解によるCV
D酸化膜がある。特に前者は、膜質が良好で良く用いら
れているが、トリクロールシランの分解によるHTO酸
化膜に比較すると、リーク電流が大きいため、前述した
ように、薄膜の膜質の良好なCVD酸化膜を形成する場
合には、トリクロールシランの分解によるHTO酸化膜
の方がよりが望ましい。In addition, an HTO oxide film using dichlorosilane as a source gas, and a CV by decomposition of a TEOS-based gas.
There is a D oxide film. Particularly, the former has good film quality and is often used. However, since the leakage current is large as compared with the HTO oxide film due to the decomposition of trichlorsilane, a CVD oxide film having a good thin film quality is formed as described above. In this case, an HTO oxide film formed by decomposition of trichlorsilane is more preferable.
【0029】トリクロールシランの分解によるHTO酸
化膜は、SiCl4+2N2O→SiO2+2Cl2+
2N2 という反応で例えば850℃から900℃とい
った温度で形成される。一般的には、ジクロールシラン
のHTO酸化膜に比較して、含有H2量がすこし少な
く、含有Clは多い膜である。The HTO oxide film resulting from the decomposition of trichlorsilane is SiCl4 + 2N2O → SiO2 + 2Cl2 +
It is formed at a temperature of, for example, 850 ° C. to 900 ° C. by a reaction of 2N2. Generally, compared to the HTO oxide film of dichlorsilane, the content of H2 is slightly lower and the content of Cl is higher.
【0030】次に、図4(b)に示すように、浮遊ゲー
ト14と前記シリコン酸化膜15Aとの界面近傍に、窒
素を導入して窒化層15Bを形成する。N2O、NO、
アンモニアなどのガス中で熱処理(窒化処理)を行うこ
とによって、浮遊ゲート14とシリコン酸化膜15Aと
の界面近傍に窒化層15Bを形成できる。Next, as shown in FIG. 4B, near the interface between the floating gate 14 and the silicon oxide film 15A, nitrogen is introduced to form a nitride layer 15B. N2O, NO,
By performing a heat treatment (nitriding process) in a gas such as ammonia, a nitride layer 15B can be formed near the interface between the floating gate 14 and the silicon oxide film 15A.
【0031】このとき、下地のトンネル酸化膜13へ水
素が侵入し、膜質の劣化を招く場合があるので、ここで
用いる窒化処理においては、水素を含まないN2O、N
Oによる窒化の方が望ましい。例えば、N2OやNOガ
ス中で950℃の温度で熱処理を行う。プロセス条件に
より導入できる窒素の量は変わるが、これにより界面近
傍にatomic%として数%〜20%前後の窒素を導入する
ことが可能である。反応温度は、必要に応じてさらに上
げてもよい。At this time, hydrogen may enter the underlying tunnel oxide film 13 and cause deterioration of the film quality. Therefore, in the nitriding treatment used here, N 2 O, N 2 containing no hydrogen is used.
Nitriding with O is more desirable. For example, heat treatment is performed at a temperature of 950 ° C. in N 2 O or NO gas. Although the amount of nitrogen that can be introduced varies depending on the process conditions, it is possible to introduce about several to 20% of nitrogen as atomic% near the interface. The reaction temperature may be further increased if necessary.
【0032】浮遊ゲート14上の窒化層15Bは、トラ
ップを低減させる処理を特に付加しなければ一般に電子
トラップを含むため、浮遊ゲート14のエッジにおける
電界集中を緩和して高電界動作時のリーク電流を抑制す
る働きを持つ。また、窒化層15Bは、浮遊ゲートとC
VD酸化膜の界面にバーズビークが侵入することを十分
に防止できる。Since the nitride layer 15B on the floating gate 14 generally contains an electron trap unless a process for reducing the trap is particularly added, the electric field concentration at the edge of the floating gate 14 is reduced, and the leakage current during the high electric field operation is reduced. Has the function of suppressing. The nitride layer 15B is formed between the floating gate and the C layer.
Bird's beak can be sufficiently prevented from entering the interface of the VD oxide film.
【0033】なおここでは、減圧CVD法で浮遊ゲート
上に窒化膜を形成し、その上にCVD酸化膜を形成する
方法を用いることはできない。これは、CVD窒化膜と
CVD酸化膜の界面及びCVD窒化膜自体が多量のトラ
ップを含むために、このトラップへの電子の出入りによ
り、メモリセルのしきい値電圧が変動するからである。
これは、例えばS.Moriらにより、IEEE Trans. On Elect
ron Devices vol.39 pp.283(1992)に報告されている。Here, it is not possible to use a method in which a nitride film is formed on a floating gate by a low pressure CVD method and a CVD oxide film is formed thereon. This is because the interface between the CVD nitride film and the CVD oxide film and the CVD nitride film itself contain a large amount of traps, and the threshold voltage of the memory cell fluctuates as electrons enter and exit the traps.
This is, for example, by S. Mori et al., IEEE Trans. On Elect.
ron Devices vol.39 pp.283 (1992).
【0034】次に、図4(c)に示すように、前記シリ
コン酸化膜15A上に、減圧CVD法によりシリコン窒
化膜15Cを膜厚6nm形成する。このシリコン窒化膜
15Cは、制御ゲート16に、浮遊ゲート14に対する
負の電位を加えて、電子を浮遊ゲート14からシリコン
基板11に引き抜こうという場合に、制御ゲート16か
ら浮遊ゲート14へ電子が注入されるのを有効に防ぐ働
きを持つ。これは、シリコン窒化膜15Cがアノード側
にホールの注入を防ぐに足る膜厚を有する場合、高電界
でのリーク電流を酸化膜に比較して低く抑えられるから
である。Next, as shown in FIG. 4C, a silicon nitride film 15C is formed to a thickness of 6 nm on the silicon oxide film 15A by a low pressure CVD method. When the silicon nitride film 15C applies a negative potential to the floating gate 14 to the control gate 16 to extract electrons from the floating gate 14 to the silicon substrate 11, electrons are injected from the control gate 16 to the floating gate 14. It has the function of effectively preventing it from being done. This is because when the silicon nitride film 15C has a film thickness enough to prevent holes from being injected to the anode side, the leak current under a high electric field can be suppressed to be lower than that of an oxide film.
【0035】例えば、最近のNOR型のフラッシュメモ
リやNAND型のフラッシュメモリにおいては、電子を
チャネル全面で浮遊ゲートからシリコン基板に引き抜く
動作が行われる。このとき、制御ゲートから浮遊ゲート
に注入される電子の量が多いと、消去時間が長くかかっ
てしまうか、逆に書き込まれが起きる場合がある。特
に、NOR型フラッシュメモリでは、電子を注入する場
合はドレイン側からのチャネルホットエレクトロン注入
を用いる場合が多く、動作時に浮遊ゲートと制御ゲート
間に高い電界がかかるのは浮遊ゲートから電子を引き抜
く場合のみであり、その時のリーク電流を減らせること
が非常に重要になる。For example, in recent NOR-type flash memories and NAND-type flash memories, an operation of extracting electrons from a floating gate to a silicon substrate over the entire channel is performed. At this time, if the amount of electrons injected from the control gate to the floating gate is large, the erasing time may be long, or conversely, writing may occur. In particular, in the case of NOR type flash memory, channel injection of electrons from the drain side is often used when injecting electrons, and a high electric field is applied between the floating gate and the control gate during operation when electrons are extracted from the floating gate. It is very important to reduce the leakage current at that time.
【0036】このようにして、図5に示すように、膜厚
7nmのシリコン酸化膜15A(窒化層15Bを含む)
と、膜厚6nmのシリコン窒化膜15Cからなる絶縁膜
15を浮遊ゲート14上に形成する。この場合、絶縁膜
15を、誘電率で酸化膜の膜厚に換算すると、その換算
膜厚は10nmとなる。これは、窒化膜は酸化膜に比べ
て誘電率が2倍程度大きいため、その膜厚は酸化膜に換
算した場合1/2に換算されるからである。膜厚7nm
のシリコン酸化膜15Aが存在すれば、ダイレクトトン
ネリングによるリーク電流は流れず、そのため電荷保持
特性には全く問題がない。なお、より厳密には、CVD
酸化膜は窒化処理がなされるため、誘電率が上がるの
で、7nmの膜でも窒化処理後には換算膜厚は7nmよ
りも薄くなるというメリットもある。Thus, as shown in FIG. 5, the silicon oxide film 15A (including the nitride layer 15B) having a thickness of 7 nm is formed.
Then, an insulating film 15 made of a silicon nitride film 15C having a thickness of 6 nm is formed on the floating gate 14. In this case, when the insulating film 15 is converted into a thickness of an oxide film by a dielectric constant, the converted thickness is 10 nm. This is because the nitride film has a dielectric constant approximately twice as large as that of the oxide film, and its thickness is reduced to half when converted to an oxide film. 7 nm thick
If the silicon oxide film 15A exists, no leak current flows due to direct tunneling, and therefore, there is no problem in charge retention characteristics. More strictly, CVD
Since the oxide film is subjected to the nitriding treatment, the dielectric constant is increased. Therefore, there is also an advantage that the equivalent film thickness becomes smaller than 7 nm after the nitriding treatment even for a 7 nm film.
【0037】次に、図1に示すように、前記シリコン窒
化膜15C上、すなわち絶縁膜15上に、CVD法によ
り多結晶シリコン膜を膜厚200〜400nm程度形成
する。続いて、RIE法により2層になっている多結晶
シリコン膜をパターニングして、制御ゲート16と浮遊
ゲート14を形成する。その後は、通常用いられる製造
方法により、不揮発性半導体記憶装置が製造される。Next, as shown in FIG. 1, a polycrystalline silicon film having a thickness of about 200 to 400 nm is formed on the silicon nitride film 15C, that is, on the insulating film 15 by the CVD method. Subsequently, the control gate 16 and the floating gate 14 are formed by patterning the two-layered polycrystalline silicon film by the RIE method. After that, the nonvolatile semiconductor memory device is manufactured by a generally used manufacturing method.
【0038】このような製造工程により、浮遊ゲート1
4と制御ゲート16間の絶縁膜15の実効酸化膜厚を、
電荷保持特性や絶縁耐圧を維持したままで薄膜化でき
る。特に、前記絶縁膜15を薄膜化しても、浮遊ゲート
14からシリコン基板11に電子を放出させる際に問題
が発生することはない。With such a manufacturing process, the floating gate 1
4 and the effective oxide film thickness of the insulating film 15 between the control gate 16
A thin film can be formed while maintaining the charge retention characteristics and the withstand voltage. In particular, even when the thickness of the insulating film 15 is reduced, no problem occurs when electrons are emitted from the floating gate 14 to the silicon substrate 11.
【0039】また、通常の不揮発性半導体記憶装置で
は、浮遊ゲート上に絶縁膜を形成した後、トランジスタ
部の前記絶縁膜、浮遊ゲート材料、トンネル酸化膜を除
去する。その後、酸化を行って周辺トランジスタのゲー
ト酸化膜を形成する工程が用いられる。前記絶縁膜がO
NO膜の場合、シリコン窒化膜が中間層に存在し、その
表面も前記周辺トランジスタのゲート酸化膜形成時の条
件ではほとんど酸化されないため、ONO膜をマスク材
として周辺回路領域を酸化することができる。この第1
の実施の形態による絶縁膜15の構造でも、最上層にシ
リコン窒化膜15Cが存在するため、メモリセル部の浮
遊ゲート14上の絶縁膜15には影響を与えずに、周辺
トランジスタのゲート酸化膜を形成することができる。In an ordinary nonvolatile semiconductor memory device, after an insulating film is formed on the floating gate, the insulating film, the floating gate material, and the tunnel oxide film in the transistor portion are removed. Thereafter, a step of performing oxidation to form a gate oxide film of the peripheral transistor is used. The insulating film is O
In the case of the NO film, since the silicon nitride film is present in the intermediate layer and its surface is hardly oxidized under the conditions when the gate oxide film of the peripheral transistor is formed, the peripheral circuit region can be oxidized using the ONO film as a mask material. . This first
Also in the structure of the insulating film 15 according to the embodiment, since the silicon nitride film 15C exists in the uppermost layer, the insulating film 15 on the floating gate 14 in the memory cell portion is not affected, and the gate oxide film of the peripheral transistor is not affected. Can be formed.
【0040】なお、最上層のシリコン窒化膜15Cの膜
厚があまりに厚い場合、シリコン窒化膜15C中にトラ
ップされた電荷によるメモリセルのしきい値電圧への影
響が無視できなくなってくる。このため、シリコン窒化
膜15Cの膜厚は、6nm以下とすることが望ましい。If the thickness of the uppermost silicon nitride film 15C is too large, the influence of the charges trapped in the silicon nitride film 15C on the threshold voltage of the memory cell cannot be ignored. Therefore, it is desirable that the thickness of the silicon nitride film 15C be 6 nm or less.
【0041】前記シリコン窒化膜15Cの主な目的は、
ゲートバーズビークの侵入を防止することと、周辺回路
部の酸化工程における酸化剤のブロック膜として働くこ
とであり、必ずしもトラップが大量に含まれる必要はな
く、むしろ少ないほうがよい。このため、シリコン窒化
膜15Cは、例えばトラップの少ないJVD法(JetVap
or Deposition法)で堆積したシリコン窒化膜でもよ
い。この方法は、例えばApplied Surfaces science 117
/118(1997) pp256-267に開示されている。また、シリコ
ン窒化膜15C中の含有水素濃度を1×1019cm
−3以下に制御すれば、他の成膜方法によって形成して
も同等の低いトラップ密度が得られ、トラップへの電荷
の出入りによるしきい値電圧Vthの不安定性を低減で
きる。The main purpose of the silicon nitride film 15C is as follows.
The purpose is to prevent intrusion of the gate bird's beak and to function as a blocking film of an oxidizing agent in the oxidation step of the peripheral circuit portion. For this reason, the silicon nitride film 15C is formed, for example, by the JVD method (JetVap method) with few traps.
or Deposition method). This method is used, for example, in Applied Surfaces science 117
/ 118 (1997) pp 256-267. The concentration of hydrogen contained in the silicon nitride film 15C is set to 1 × 10 19 cm.
By controlling to -3 or less, the same low trap density can be obtained even when the film is formed by another film forming method, and the instability of the threshold voltage Vth due to the entrance and exit of charges into and from the trap can be reduced.
【0042】また、デバイスの製造工程上、周辺のゲー
ト酸化工程を先に行ってしまうことにより、浮遊ゲート
と制御ゲート間の絶縁膜表面がむきだしにならず、酸化
工程にさらされない場合には、ゲートバーズビークの侵
入を抑制できればよい。このため、図4(d)に示すよ
うに、シリコン窒化膜15Cが存在しなくとも、シリコ
ン酸化膜15A表面にある程度の窒化層15Dが存在す
ればよい場合もある。強力に窒化を行って、浮遊ゲート
14とCVD酸化膜15A界面に加えて酸化膜15A表
面にも多量の窒素を導入する場合、最上層のシリコン窒
化膜15Cは省略してもよい。Further, in the device manufacturing process, the peripheral gate oxidation process is performed first, so that the surface of the insulating film between the floating gate and the control gate is not exposed, and when the device is not exposed to the oxidation process, It suffices if gate bird's beak can be suppressed. For this reason, as shown in FIG. 4D, there may be a case where a certain amount of the nitride layer 15D needs to be present on the surface of the silicon oxide film 15A without the silicon nitride film 15C. When strong nitriding is performed to introduce a large amount of nitrogen into the surface of the oxide film 15A in addition to the interface between the floating gate 14 and the CVD oxide film 15A, the uppermost silicon nitride film 15C may be omitted.
【0043】また、この実施の形態の半導体記憶装置で
は、浮遊ゲート14の多結晶シリコン膜とCVDにより
形成したシリコン酸化膜(CVD酸化膜)15Aとの界
面近傍を窒化して電子トラップを生成し、電界緩和効果
を発揮させている。しかし、ONO膜における酸化膜と
窒化膜との界面のように、多量の電子トラップは形成で
きない。このため、浮遊ゲート14のエッジ部分に電界
集中などの問題が生じる場合には、浮遊ゲート14上に
CVD酸化膜15Aを形成する前に、図6に示すよう
に、浮遊ゲート14のエッジ14Aを丸める工程を追加
するとよい。In the semiconductor memory device of this embodiment, an electron trap is generated by nitriding the vicinity of the interface between the polycrystalline silicon film of the floating gate 14 and the silicon oxide film (CVD oxide film) 15A formed by CVD. , And exerts an electric field relaxation effect. However, a large amount of electron traps cannot be formed like the interface between the oxide film and the nitride film in the ONO film. Therefore, when a problem such as electric field concentration occurs at the edge portion of the floating gate 14, the edge 14A of the floating gate 14 is formed before the CVD oxide film 15A is formed on the floating gate 14, as shown in FIG. It is advisable to add a rounding step.
【0044】浮遊ゲート14のエッジでの電界集中は、
浮遊ゲート14と制御ゲート16間の絶縁膜15の酸化
膜換算膜厚をToxとすれば、 (Tox/In(1+Tox/R))×1/R なる式で計算できる。この式から、Tox=12nmの場
合で電界集中(平面部に対してエッジで何倍の電界がか
かるか)を2倍以内に抑制しようとする場合、エッジの
曲率半径は最低でも5nm以上必要である。曲率を10
nmにすれば、電界集中は1.5倍、50nmの曲率で
は1.2倍以下に抑制できる。実際には、通常の窒化処
理をすることによるリーク電流の低減は、例えば電流量
が1/2に抑制できるといった範囲であるから、電界集
中は1.2倍くらいには抑制したく、したがって、曲率
としては50nm以上にできれば、高い絶縁性が得られ
る。The electric field concentration at the edge of the floating gate 14 is
Assuming that the equivalent oxide thickness of the insulating film 15 between the floating gate 14 and the control gate 16 is Tox, it can be calculated by the formula (Tox / In (1 + Tox / R)) × 1 / R. From this equation, when Tox = 12 nm, if the electric field concentration (how many times the electric field is applied to the plane portion at the edge) is to be suppressed within twice, the radius of curvature of the edge must be at least 5 nm or more. is there. Curvature 10
If it is set to nm, the electric field concentration can be suppressed to 1.5 times, and the curvature at 50 nm can be suppressed to 1.2 times or less. Actually, the reduction of the leak current by performing the normal nitriding treatment is in a range where the amount of current can be suppressed to, for example, 、. Therefore, it is desired to suppress the electric field concentration to about 1.2 times. If the curvature can be set to 50 nm or more, high insulation properties can be obtained.
【0045】このエッジ14Aを丸める工程には、CD
E(Chemical Dry Etching)や、高温希釈酸化で多結晶
シリコン膜の酸化を行った後に、生成された酸化膜を除
去して丸めるという方法を用いればよい。これ以外に
も、例えば950℃〜1000℃で水素雰囲気中で処理
することにより丸めたり、適切なウェット処理を用いる
等、方法はいろいろある。図6は、このときの不揮発性
半導体記憶装置の断面図である。The step of rounding the edge 14A includes a CD
After oxidizing the polycrystalline silicon film by E (Chemical Dry Etching) or high-temperature dilution oxidation, a method of removing and rounding the generated oxide film may be used. In addition, there are various methods such as rounding by processing in a hydrogen atmosphere at 950 ° C. to 1000 ° C. or using an appropriate wet processing. FIG. 6 is a sectional view of the nonvolatile semiconductor memory device at this time.
【0046】以上説明したようにこの第1の実施の形態
によれば、電荷保持特性及び絶縁耐圧を維持したまま浮
遊ゲートと制御ゲート間の絶縁膜を薄膜化できる不揮発
性半導体記憶装置の製造方法を提供することができる。
前記絶縁膜を薄膜化しても、浮遊ゲートからシリコン基
板に電子を放出させる際に問題が発生することはないま
た、前記絶縁膜形成後の周辺トランジスタのゲート酸化
膜を形成する工程においても、従来のONO膜と同様
に、この絶縁膜をマスクとして周辺部のみ酸化して所望
の膜厚のゲート酸化膜を形成することができる。As described above, according to the first embodiment, a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device capable of reducing the thickness of an insulating film between a floating gate and a control gate while maintaining charge retention characteristics and dielectric strength. Can be provided.
Even if the insulating film is thinned, no problem occurs when electrons are emitted from the floating gate to the silicon substrate.Also, in the step of forming a gate oxide film of a peripheral transistor after the formation of the insulating film, a conventional method is used. As in the case of the ONO film described above, only the peripheral portion is oxidized using the insulating film as a mask to form a gate oxide film having a desired thickness.
【0047】[第2の実施の形態]前記第1の実施の形
態の不揮発性半導体記憶装置は、前述したような効果を
有し十分に実用できるものであるが、シリコン酸化膜1
5Aと浮遊ゲート14(多結晶シリコン膜)との界面に
存在する自然酸化膜は膜質が悪く、またその膜が存在す
ることで最終的な窒化層15Bの層厚制御性を悪化させ
る場合がある。また、この自然酸化膜は、CVD酸化膜
を堆積する装置内で堆積工程が始まる前に成長する場合
もある。このような場合には、浮遊ゲート(多結晶シリ
コン膜)14形成後、シリコン酸化膜15Aの堆積前
に、浮遊ゲート14の表面を窒化しておくことが有効で
ある。[Second Embodiment] The nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment has the above-mentioned effects and can be used sufficiently.
The natural oxide film present at the interface between 5A and the floating gate 14 (polycrystalline silicon film) has poor film quality, and the presence of the film may deteriorate the controllability of the final nitride layer 15B in thickness. . In some cases, this natural oxide film grows before the deposition step starts in a device for depositing a CVD oxide film. In such a case, it is effective that the surface of the floating gate 14 is nitrided after the formation of the floating gate (polycrystalline silicon film) 14 and before the deposition of the silicon oxide film 15A.
【0048】以下に、第2の実施の形態の前記不揮発性
半導体記憶装置の製造方法について説明する。Hereinafter, a method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment will be described.
【0049】図2、図3、図7(a)〜(d)は、前記
不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程における
断面図である。FIGS. 2, 3, and 7A to 7D are cross-sectional views showing steps of a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device.
【0050】まず、前記第1の実施の形態と同様に、図
2に示すように、p形シリコン基板11に、トレンチア
イソレーションなどによる素子分離領域12を形成し
て、この素子分離領域12により区画された素子領域を
形成する。この素子領域のシリコン基板11上にトンネ
ル酸化膜13を形成する。その後、図3に示すように、
このトンネル酸化膜13上に、CVD法により多結晶シ
リコン膜を膜厚100〜200nm程度形成する。続い
て、RIE法により多結晶シリコン膜をパターニングし
て、浮遊ゲート14を形成する。First, similarly to the first embodiment, as shown in FIG. 2, an element isolation region 12 is formed on a p-type silicon substrate 11 by trench isolation or the like. A partitioned element region is formed. A tunnel oxide film 13 is formed on the silicon substrate 11 in this element region. Then, as shown in FIG.
A polycrystalline silicon film having a thickness of about 100 to 200 nm is formed on the tunnel oxide film 13 by a CVD method. Then, the floating gate 14 is formed by patterning the polycrystalline silicon film by the RIE method.
【0051】次に、図3中の4に示す部分の拡大図を用
いて、浮遊ゲートと制御ゲート間の絶縁膜21の形成方
法を述べる。図7(a)〜(d)は、浮遊ゲート14上
に形成される絶縁膜21の形成方法を示す断面の拡大図
である。Next, a method of forming the insulating film 21 between the floating gate and the control gate will be described with reference to an enlarged view of a portion indicated by 4 in FIG. 7A to 7D are enlarged cross-sectional views illustrating a method of forming the insulating film 21 formed on the floating gate 14.
【0052】図7(a)に示すように、浮遊ゲート14
上に、窒化処理によりシリコン窒化膜14Bを形成す
る。このシリコン窒化膜14Bは、N2O、NO、アン
モニアなどのガス中で熱処理(窒化処理)を行うことに
よって形成する。このとき、下地のトンネル酸化膜13
への悪い影響を抑えるという意味からはアンモニアでは
なく、N2O、NOによる窒化の方が望ましい。これに
より、多結晶シリコン膜(浮遊ゲート14)上に存在し
た自然酸化膜をなくしてしまう。As shown in FIG. 7A, the floating gate 14
A silicon nitride film 14B is formed thereon by nitriding. The silicon nitride film 14B is formed by performing a heat treatment (nitriding process) in a gas such as N2O, NO, or ammonia. At this time, the underlying tunnel oxide film 13
From the standpoint of suppressing the adverse effect on nitrogen, nitridation with N 2 O and NO, rather than ammonia, is more desirable. As a result, the natural oxide film existing on the polycrystalline silicon film (floating gate 14) is eliminated.
【0053】さらに、図7(b)に示すように、浮遊ゲ
ート14表面に形成されたシリコン窒化膜14B上に、
CVD法によりシリコン酸化膜15Aを膜厚7nm形成
する。このシリコン酸化膜15Aの形成では、前記第1
の実施の形態と同様に、トリクロールシランの分解によ
るHTO(High Temperature Oxide)酸化膜を形成す
る。この膜は、絶縁性が高く、熱酸化膜に近いリーク特
性を示すため、シリコン酸化膜15Aに用いる膜として
望ましい。この他に、ジクロールシランによるHTO酸
化膜、TEOS系のCVD酸化膜があるが、これらは一
般にトリクロールシランのHTO酸化膜に比較するとリ
ーク電流が大きいため、トリクロールシランによるHT
O酸化膜が最も好ましい。Further, as shown in FIG. 7B, on the silicon nitride film 14B formed on the surface of the floating gate 14,
A silicon oxide film 15A is formed to a thickness of 7 nm by the CVD method. In the formation of the silicon oxide film 15A, the first
Similarly to the embodiment, an HTO (High Temperature Oxide) oxide film is formed by decomposition of trichlorsilane. This film has a high insulating property and exhibits a leak characteristic close to that of a thermal oxide film, and thus is desirable as a film used for the silicon oxide film 15A. Other than these, there are an HTO oxide film made of dichlorosilane and a TEOS-based CVD oxide film, which generally have a larger leak current than an HTO oxide film made of trichlorosilane.
O-oxide films are most preferred.
【0054】次に、図7(c)に示すように、シリコン
窒化膜14Bと前記シリコン酸化膜15Aとの界面近傍
に、窒素を導入して窒化層15Bを形成する。このとき
の製造条件等については、図4(b)に示した前記第1
の実施の形態と同様であるため、説明は省略する。Next, as shown in FIG. 7C, nitrogen is introduced near the interface between the silicon nitride film 14B and the silicon oxide film 15A to form a nitride layer 15B. Regarding the manufacturing conditions and the like at this time, the first type shown in FIG.
The description is omitted because it is the same as that of the embodiment.
【0055】次に、図7(d)に示すように、前記シリ
コン酸化膜15A上に、減圧CVD法によりシリコン窒
化膜15Cを膜厚6nm形成する。このときの製造条件
等については、図4(c)に示した前記第1の実施の形
態と同様であるため、説明は省略する。Next, as shown in FIG. 7D, a 6-nm-thick silicon nitride film 15C is formed on the silicon oxide film 15A by low-pressure CVD. The manufacturing conditions and the like at this time are the same as those in the first embodiment shown in FIG.
【0056】このようにして、図8に示すように、膜厚
7nmのシリコン酸化膜15A(窒化層15Bを含
む)、膜厚6nmのシリコン窒化膜15C、及びシリコ
ン窒化膜14Bからなる絶縁膜21を浮遊ゲート14上
に形成する。この場合、絶縁膜21を、誘電率で酸化膜
の膜厚に換算すると、その換算膜厚は10nmとなる。
これは、窒化膜は酸化膜に比べて誘電率が2倍程度大き
いため、その膜厚は酸化膜に換算した場合1/2に換算
されるからである。さらに、シリコン窒化膜14Bは、
その他の膜に比べて十分に薄いため、考慮していない。
膜厚7nmのシリコン酸化膜15Aが存在すれば、ダイ
レクトトンネリングによるリーク電流は流れず、そのた
め電荷保持特性には全く問題がない。As described above, as shown in FIG. 8, the insulating film 21 composed of the silicon oxide film 15A (including the nitride layer 15B) having a thickness of 7 nm, the silicon nitride film 15C having a thickness of 6 nm, and the silicon nitride film 14B. Is formed on the floating gate 14. In this case, when the insulating film 21 is converted into a thickness of an oxide film by a dielectric constant, the converted thickness is 10 nm.
This is because the nitride film has a dielectric constant approximately twice as large as that of the oxide film, and its thickness is reduced to half when converted to an oxide film. Further, the silicon nitride film 14B is
It is not considered because it is sufficiently thin compared to other films.
If the silicon oxide film 15A having a thickness of 7 nm exists, no leak current flows due to direct tunneling, and therefore, there is no problem in charge retention characteristics.
【0057】次に、図9に示すように、前記シリコン窒
化膜15C上、すなわち絶縁膜21上に、CVD法によ
り多結晶シリコン膜を膜厚200〜400nm程度形成
する。続いて、RIE法により2層になっている多結晶
シリコン膜をパターニングして、制御ゲート16と浮遊
ゲート14を形成する。その後は、通常用いられる製造
方法により、不揮発性半導体記憶装置が製造される。Next, as shown in FIG. 9, a polycrystalline silicon film having a thickness of about 200 to 400 nm is formed on the silicon nitride film 15C, that is, on the insulating film 21 by the CVD method. Subsequently, the control gate 16 and the floating gate 14 are formed by patterning the two-layered polycrystalline silicon film by the RIE method. After that, the nonvolatile semiconductor memory device is manufactured by a generally used manufacturing method.
【0058】このような製造工程により、浮遊ゲート1
4と制御ゲート16間の絶縁膜21の実効酸化膜厚を、
電荷保持特性や絶縁耐圧を維持したままで薄膜化でき
る。特に、前記絶縁膜21を薄膜化しても、浮遊ゲート
14からシリコン基板11に電子を放出させる際に問題
が発生することはない。By such a manufacturing process, the floating gate 1
4 and the effective oxide film thickness of the insulating film 21 between the control gate 16
A thin film can be formed while maintaining the charge retention characteristics and the withstand voltage. In particular, even when the thickness of the insulating film 21 is reduced, no problem occurs when electrons are emitted from the floating gate 14 to the silicon substrate 11.
【0059】また、通常の不揮発性半導体記憶装置で
は、浮遊ゲート上に絶縁膜を形成した後、トランジスタ
部の前記絶縁膜、浮遊ゲート材料、トンネル酸化膜を除
去する。その後、酸化を行って周辺トランジスタのゲー
ト酸化膜を形成する工程が用いられる。前記絶縁膜がO
NO膜の場合、シリコン窒化膜が中間層に存在し、その
表面も前記周辺トランジスタのゲート酸化膜形成時の条
件ではほとんど酸化されないため、ONO膜をマスク材
として周辺回路領域を酸化することができる。この第2
の実施の形態による絶縁膜21の構造でも、最上層にシ
リコン窒化膜15Cが存在するため、メモリセル部の浮
遊ゲートの絶縁膜には影響を与えずに、周辺トランジス
タのゲート酸化膜を形成することができる。In an ordinary nonvolatile semiconductor memory device, after an insulating film is formed on the floating gate, the insulating film, the floating gate material, and the tunnel oxide film in the transistor portion are removed. Thereafter, a step of performing oxidation to form a gate oxide film of the peripheral transistor is used. The insulating film is O
In the case of the NO film, since the silicon nitride film is present in the intermediate layer and its surface is hardly oxidized under the conditions when the gate oxide film of the peripheral transistor is formed, the peripheral circuit region can be oxidized using the ONO film as a mask material. . This second
Also in the structure of the insulating film 21 according to the embodiment, since the silicon nitride film 15C exists in the uppermost layer, the gate oxide film of the peripheral transistor is formed without affecting the insulating film of the floating gate in the memory cell portion. be able to.
【0060】また、この実施の形態の半導体記憶装置で
は、浮遊ゲート14の多結晶シリコン膜とCVDにより
形成したシリコン酸化膜(CVD酸化膜)15Aとの界
面近傍を窒化して電子トラップを生成し、電界緩和効果
を発揮させている。しかし、ONO膜における酸化膜と
窒化膜との界面のように、多量の電子トラップは形成で
きない。このため、浮遊ゲート14のエッジ部分に電界
集中などの問題が生じる場合には、浮遊ゲート14上に
CVD酸化膜15Aを形成する前に、図10に示すよう
に、浮遊ゲート14のエッジ14Aを丸める工程を追加
するとよい。In the semiconductor memory device of this embodiment, an electron trap is generated by nitriding the vicinity of the interface between the polycrystalline silicon film of the floating gate 14 and the silicon oxide film (CVD oxide film) 15A formed by CVD. , And exerts an electric field relaxation effect. However, a large amount of electron traps cannot be formed like the interface between the oxide film and the nitride film in the ONO film. Therefore, when a problem such as electric field concentration occurs at the edge portion of the floating gate 14, the edge 14A of the floating gate 14 is formed before the CVD oxide film 15A is formed on the floating gate 14 as shown in FIG. It is advisable to add a rounding step.
【0061】浮遊ゲート14のエッジでの電界集中は、
浮遊ゲート14と制御ゲート16間の絶縁膜21の酸化
膜換算膜厚をToxとすれば、 (Tox/In(1+Tox/R))×1/R なる式で計算できる。この式から、Tox=12nmの場
合で電界集中(平面部に対してエッジで何倍の電界がか
かるか)を2倍以内に抑制しようとする場合、エッジの
曲率半径は最低でも5nm以上必要である。曲率を10
nmにすれば、電界集中は1.5倍、50nmの曲率で
は1.2倍以下に抑制できる。実際には、通常の窒化処
理をすることによるリーク電流の低減は、例えば電流量
が1/2に抑制できるといった範囲であるから、電界集
中は1.2倍くらいには抑制したく、したがって、曲率
としては50nm以上にできれば、高い絶縁性が得られ
る。The electric field concentration at the edge of the floating gate 14 is
Assuming that the equivalent oxide film thickness of the insulating film 21 between the floating gate 14 and the control gate 16 is Tox, it can be calculated by the formula (Tox / In (1 + Tox / R)) × 1 / R. From this equation, when Tox = 12 nm, if the electric field concentration (how many times the electric field is applied to the plane portion at the edge) is to be suppressed within twice, the radius of curvature of the edge must be at least 5 nm or more. is there. Curvature 10
If it is set to nm, the electric field concentration can be suppressed to 1.5 times, and the curvature at 50 nm can be suppressed to 1.2 times or less. Actually, the reduction of the leak current by performing the normal nitriding treatment is in a range where the amount of current can be suppressed to, for example, 、. Therefore, it is desired to suppress the electric field concentration to about 1.2 times. If the curvature can be set to 50 nm or more, high insulation properties can be obtained.
【0062】このエッジを丸める工程には、CDE(Ch
emical Dry Etching)や、高温希釈酸化で多結晶シリコ
ン膜の酸化を行った後に、生成された酸化膜を除去して
丸めるという方法を用いればよい。これ以外にも、例え
ば950℃〜1000℃で水素雰囲気中で処理すること
により丸めたり、適切なウェット処理を用いる等、方法
はいろいろある。図10は、このときの不揮発性半導体
記憶装置の断面図である。その他の効果及び作用におい
て、前記第1の実施の形態と同様である部分は説明を省
略する。In the step of rounding the edge, CDE (Ch
After the polycrystalline silicon film is oxidized by emical dry etching or high-temperature dilution oxidation, a method of removing and rounding the generated oxide film may be used. In addition, there are various methods such as rounding by processing in a hydrogen atmosphere at 950 ° C. to 1000 ° C. or using an appropriate wet processing. FIG. 10 is a sectional view of the nonvolatile semiconductor memory device at this time. The description of the other effects and functions that are the same as those of the first embodiment will be omitted.
【0063】以上説明したようにこの第2の実施の形態
によれば、前記第1の実施の形態に比べて、電荷保持特
性及び絶縁耐圧をより安定に維持したまま浮遊ゲートと
制御ゲート間の絶縁膜を薄膜化できる不揮発性半導体記
憶装置の製造方法を提供することができる。前記絶縁膜
を薄膜化しても、浮遊ゲートからシリコン基板に電子を
放出させる際に問題が発生することはない。また、前記
絶縁膜形成後の周辺トランジスタのゲート酸化膜を形成
する工程においても、従来のONO膜と同様に、この絶
縁膜をマスクとして周辺部のみ酸化して所望の膜厚のゲ
ート酸化膜を形成することができる。As described above, according to the second embodiment, as compared with the first embodiment, the charge holding characteristic and the withstand voltage between the floating gate and the control gate are maintained more stably. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device in which an insulating film can be thinned can be provided. Even when the thickness of the insulating film is reduced, no problem occurs when electrons are emitted from the floating gate to the silicon substrate. Also, in the step of forming the gate oxide film of the peripheral transistor after the formation of the insulating film, similarly to the conventional ONO film, only the peripheral portion is oxidized using the insulating film as a mask to form a gate oxide film of a desired thickness. Can be formed.
【0064】本発明の実施形態では、リーク電流を防ぐ
ための膜として、CVD酸化膜を用いている。浮遊ゲー
トと制御ゲート間の絶縁膜をONO膜にしない場合、浮
遊ゲートのエッジにおいて電界集中による電子の抜けが
問題になるが、これを防ぐために、浮遊ゲートとCVD
酸化膜との界面を強力に窒化処理する。また、必要に応
じて浮遊ゲートのエッジを丸める。これにより、高電界
印加時のリーク電流を低減し、電界集中部における電界
を緩和する。また、浮遊ゲートとCVD酸化膜との界面
に形成された窒化層は、ゲート加工後の後酸化工程にお
けるバーズビークの侵入も抑制する。In the embodiment of the present invention, a CVD oxide film is used as a film for preventing a leak current. If the ONO film is not used as the insulating film between the floating gate and the control gate, electron leakage due to electric field concentration at the edge of the floating gate becomes a problem.
The interface with the oxide film is strongly nitrided. In addition, the edge of the floating gate is rounded as necessary. As a result, the leakage current when a high electric field is applied is reduced, and the electric field in the electric field concentration portion is reduced. Further, the nitride layer formed at the interface between the floating gate and the CVD oxide film also prevents bird's beak from entering in a post-oxidation step after the gate processing.
【0065】さらに、一般的なフラッシュメモリの製造
工程においては、この浮遊ゲートと制御ゲート間の絶縁
膜を耐酸化性マスクとして、周辺回路のゲート酸化膜を
形成する場合がある。また、前記絶縁膜は、チャネル全
面からのFowler-Nordheimトンネル消去(電子を浮遊ゲ
ートから基板に放出)を行う場合、制御ゲートから浮遊
ゲートへ流れる電流を抑制することが望ましい。さら
に、ゲート加工後の後酸化工程におけるバーズビークの
侵入を防止するために、CVD酸化膜の上部に、CVD
法によるシリコン窒化膜を形成する。このように、浮遊
ゲートと制御ゲート間絶縁膜として、浮遊ゲートとの界
面が窒化されたCVD酸化膜と、このCVD酸化膜の上
部にCVD法により堆積したシリコン窒化膜を形成す
る。Further, in a general flash memory manufacturing process, a gate oxide film of a peripheral circuit may be formed using an insulating film between the floating gate and the control gate as an oxidation resistant mask. Further, when performing Fowler-Nordheim tunnel erasure (emission of electrons from the floating gate to the substrate) from the entire surface of the channel, the insulating film desirably suppresses current flowing from the control gate to the floating gate. Further, in order to prevent bird's beak from entering in a post-oxidation step after gate processing, a CVD
A silicon nitride film is formed by a method. As described above, as the insulating film between the floating gate and the control gate, a CVD oxide film whose interface with the floating gate is nitrided, and a silicon nitride film deposited by the CVD method on the CVD oxide film are formed.
【0066】[0066]
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、電荷
保持特性及び絶縁耐圧を維持したまま浮遊ゲートと制御
ゲート間の絶縁膜(酸化膜換算膜厚)を薄膜化でき、制
御ゲート加工後に必要な酸化工程において、浮遊ゲート
及び制御ゲートにバーズビークが侵入して容量が低下す
るのを防止できる不揮発性半導体記憶装置の製造方法を
提供することが可能である。As described above, according to the present invention, the insulating film (equivalent oxide film thickness) between the floating gate and the control gate can be reduced while maintaining the charge retention characteristics and the withstand voltage. It is possible to provide a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device that can prevent a bird's beak from entering a floating gate and a control gate in a later necessary oxidation step to reduce the capacitance.
【図1】この発明の第1の実施の形態の製造方法より製
造される不揮発性半導体記憶装置の構造を示す断面図で
ある。FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a nonvolatile semiconductor memory device manufactured by a manufacturing method according to a first embodiment of the present invention;
【図2】この発明の第1、第2の実施の形態の不揮発性
半導体記憶装置の製造方法を示す第1工程の断面図であ
る。FIG. 2 is a cross-sectional view of a first step showing a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to first and second embodiments of the present invention.
【図3】前記第1、第2の実施の形態の不揮発性半導体
記憶装置の製造方法を示す第2工程の断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a second step in the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the first and second embodiments.
【図4】(a)〜(c)は、前記第1の実施の形態の不
揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す第3工程の断面
図である。(d)は、別例の絶縁膜の構造を示す断面図
である。FIGS. 4A to 4C are cross-sectional views illustrating a third step of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment. (D) is a sectional view showing the structure of another example of the insulating film.
【図5】前記第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装
置の製造方法を示す第4工程の断面図である。FIG. 5 is a sectional view of a fourth step in the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of the first embodiment.
【図6】前記第1の実施の形態の変形例の製造方法より
製造される不揮発性半導体記憶装置の構造を示す断面図
である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure of a nonvolatile semiconductor memory device manufactured by a manufacturing method according to a modification of the first embodiment.
【図7】前記第2の実施の形態の不揮発性半導体記憶装
置の製造方法を示す第3工程の断面図である。FIG. 7 is a sectional view of a third step in the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of the second embodiment.
【図8】前記第2の実施の形態の不揮発性半導体記憶装
置の製造方法を示す第4工程の断面図である。FIG. 8 is a sectional view of a fourth step in the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of the second embodiment.
【図9】この発明の第2の実施の形態の製造方法より製
造される不揮発性半導体記憶装置の構造を示す断面図で
ある。FIG. 9 is a sectional view showing a structure of a nonvolatile semiconductor memory device manufactured by a manufacturing method according to a second embodiment of the present invention;
【図10】前記第2の実施の形態の変形例の製造方法よ
り製造される不揮発性半導体記憶装置の構造を示す断面
図である。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a nonvolatile semiconductor memory device manufactured by a manufacturing method according to a modification of the second embodiment.
【図11】従来の不揮発性半導体記憶装置の構造を示す
断面図である。FIG. 11 is a sectional view showing the structure of a conventional nonvolatile semiconductor memory device.
【図12】前記不揮発性半導体記憶装置における浮遊ゲ
ートと制御ゲート間の絶縁膜の構造を示す断面図であ
る。FIG. 12 is a cross-sectional view showing a structure of an insulating film between a floating gate and a control gate in the nonvolatile semiconductor memory device.
【図13】前記不揮発性半導体記憶装置においてバーズ
ビークが発生した場合の構造を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a structure when a bird's beak occurs in the nonvolatile semiconductor memory device.
11…p形シリコン基板 12…素子分離領域 13…トンネル酸化膜 14…浮遊ゲート 15…絶縁膜 16…制御ゲート 15A…シリコン酸化膜 15B…窒化層 15C…シリコン窒化膜 14A…浮遊ゲートのエッジ 14B…シリコン窒化膜 21…絶縁膜 101…p形シリコン基板 102…素子分離領域 103…トンネル酸化膜 104…浮遊ゲート 105…絶縁膜(ONO膜) 105A…酸化膜 105B…窒化膜 105C…酸化膜 106…制御ゲート DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... p-type silicon substrate 12 ... element isolation region 13 ... tunnel oxide film 14 ... floating gate 15 ... insulating film 16 ... control gate 15A ... silicon oxide film 15B ... nitride layer 15C ... silicon nitride film 14A ... edge of floating gate 14B ... Silicon nitride film 21 insulating film 101 p-type silicon substrate 102 element isolation region 103 tunnel oxide film 104 floating gate 105 insulating film (ONO film) 105A oxide film 105B nitride film 105C oxide film 106 control Gate
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F001 AA25 AA43 AA63 AB08 AB09 AC02 AC06 AD12 AD53 AD60 AE08 AG21 AG23 AG30 5F083 EP02 EP23 EP55 EP76 EP77 ER02 ER05 ER09 ER14 ER19 GA22 GA30 JA04 NA01 PR15 PR21 PR33 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5F001 AA25 AA43 AA63 AB08 AB09 AC02 AC06 AD12 AD53 AD60 AE08 AG21 AG23 AG30 5F083 EP02 EP23 EP55 EP76 EP77 ER02 ER05 ER09 ER14 ER19 GA22 GA30 JA04 NA01 PR15 PR21 PR33
Claims (10)
程と、 前記ゲート絶縁膜上に浮遊ゲートを形成する工程と、 前記浮遊ゲート上に、CVD法によりシリコン酸化膜を
形成する工程と、 前記浮遊ゲートと前記シリコン酸化膜との界面近傍に、
窒素を導入して窒化層を形成する工程と、 前記シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程
と、 前記シリコン窒化膜上に制御ゲートを形成する工程と、 を具備することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の
製造方法。A step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate; a step of forming a floating gate on the gate insulating film; and a step of forming a silicon oxide film on the floating gate by a CVD method. Near the interface between the floating gate and the silicon oxide film,
A step of introducing nitrogen to form a nitride layer; a step of forming a silicon nitride film on the silicon oxide film; and a step of forming a control gate on the silicon nitride film. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device.
程と、 前記ゲート絶縁膜上に浮遊ゲートを形成する工程と、 前記浮遊ゲート上に、CVD法によりシリコン酸化膜を
形成する工程と、 前記浮遊ゲートと前記シリコン酸化膜との界面近傍に、
窒素を導入して第1の窒化層を形成する工程と、 前記シリコン酸化膜の表面に、窒素を導入して第2の窒
化層を形成する工程と、 前記第2の窒化層上に制御ゲートを形成する工程と、 を具備することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の
製造方法。A step of forming a gate insulating film on the semiconductor substrate; a step of forming a floating gate on the gate insulating film; and a step of forming a silicon oxide film on the floating gate by a CVD method. Near the interface between the floating gate and the silicon oxide film,
A step of introducing nitrogen to form a first nitride layer; a step of introducing nitrogen to form a second nitride layer on the surface of the silicon oxide film; and a control gate on the second nitride layer. Forming a non-volatile semiconductor memory device.
程と、 前記素子分離領域により区画された素子領域の前記半導
体基板上にトンネル酸化膜を形成する工程と、 前記トンネル酸化膜上に浮遊ゲートを形成する工程と、 前記浮遊ゲート上に、CVD法によりシリコン酸化膜を
形成する工程と、 前記浮遊ゲートと前記シリコン酸化膜との界面近傍に、
窒素を導入して窒化層を形成する工程と、 前記シリコン酸化膜上に、減圧CVD法によりシリコン
窒化膜を形成する工程と、 前記シリコン窒化膜上に制御ゲートを形成する工程と、 を具備することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の
製造方法。A step of forming an element isolation region on the semiconductor substrate; a step of forming a tunnel oxide film on the semiconductor substrate in an element region defined by the element isolation region; and floating on the tunnel oxide film. A step of forming a gate; a step of forming a silicon oxide film on the floating gate by a CVD method; a step of forming a silicon oxide film near an interface between the floating gate and the silicon oxide film;
Forming a nitride layer by introducing nitrogen; forming a silicon nitride film on the silicon oxide film by a low-pressure CVD method; and forming a control gate on the silicon nitride film. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device.
する工程の前に、前記浮遊ゲートの表面に窒素を導入し
て窒化層を形成する工程をさらに具備することを特徴と
する請求項1乃至3のいずれか1つに記載の不揮発性半
導体記憶装置の製造方法。4. The method according to claim 1, further comprising, before the step of forming a silicon oxide film on the floating gate, a step of introducing nitrogen to the surface of the floating gate to form a nitride layer. 4. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to any one of items 3 to 3.
する工程の前に、前記浮遊ゲートが分離されている部分
に存在するエッジを、曲率5nm以上で丸める工程をさ
らに具備することを特徴とする請求項1乃至3のいずれ
か1つに記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。5. The method according to claim 1, further comprising, before the step of forming a silicon oxide film on the floating gate, a step of rounding an edge present at a portion where the floating gate is separated with a curvature of 5 nm or more. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
リクロールシランを用いた反応でHTO(High Tempera
ture Oxide)膜を形成する工程であることを特徴とする
請求項1乃至3のいずれか1つに記載の不揮発性半導体
記憶装置の製造方法。6. The step of forming the silicon oxide film is performed by a reaction using trichlorosilane.
4. The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the method is a step of forming a film (ture oxide) film.
成される前記シリコン窒化膜中の含有水素量を1×10
19cm−3以下に抑えるように行われることを特徴と
する請求項1または3に記載の不揮発性半導体記憶装置
の製造方法。7. The step of forming the silicon nitride film includes reducing the hydrogen content in the formed silicon nitride film to 1 × 10
4. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the method is performed so as to be suppressed to 19 cm -3 or less.
であることを特徴とする請求項1または3に記載の不揮
発性半導体記憶装置の製造方法。8. The method according to claim 1, wherein the silicon nitride film has a thickness of 6 nm or less.
膜、前記窒化層、及び前記シリコン窒化膜を形成後、周
辺回路領域の前記シリコン酸化膜、前記窒化層、前記シ
リコン窒化膜、前記浮遊ゲート、及びゲート絶縁膜を除
去し、前記浮遊ゲート上の前記シリコン窒化膜を耐酸化
性マスクとして周辺回路領域のゲートの酸化を行うこと
を特徴とする請求項1、3、11のいずれか1つに記載
の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。9. After forming the silicon oxide film, the nitride layer, and the silicon nitride film on the floating gate, the silicon oxide film, the nitride layer, the silicon nitride film, and the floating gate in a peripheral circuit region are formed. And removing the gate insulating film and oxidizing the gate of the peripheral circuit region using the silicon nitride film on the floating gate as an oxidation-resistant mask. 3. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to 1.
るいはNOのガス中で熱処理を行う工程であることを特
徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の不揮発
性半導体記憶装置の製造方法。10. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the step of forming the nitride layer is a step of performing a heat treatment in a gas of N 2 O or NO. Manufacturing method.
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