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JP5061480B2 - Semiconductor memory device and method for manufacturing semiconductor memory device - Google Patents
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Description

本発明は、半導体記憶装置、特に浮遊ゲートとトンネル酸化膜を用いた半導体記憶装置、および半導体記憶装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device, in particular, a semiconductor memory device using a floating gate and a tunnel oxide film, and a method for manufacturing the semiconductor memory device.

浮遊ゲートを有する不揮発性半導体記憶装置では、高速書き込み・消去と情報の長時間記憶保持および低消費電力とが要求されている。これらの要求を満たす手段の1つとしてダイレクトトンネル電流を用いたメモリ構造(DTM)が検討されている(例えば、下記特許文献1−3を参照)。   In a nonvolatile semiconductor memory device having a floating gate, high-speed writing / erasing, long-term information retention and low power consumption are required. As one means for satisfying these requirements, a memory structure (DTM) using a direct tunnel current has been studied (for example, see Patent Documents 1-3 below).

従来、ダイレクトトンネル電流を用いたメモリでは、浮遊ゲートをソース・ドレイン間の導電路から分離するための絶縁膜が通常のゲート酸化膜よりも薄く形成され、トンネル絶縁膜と呼ばれる。そのような薄いトンネル絶縁膜上に浮遊ゲートを形成した場合に、情報すなわち浮遊ゲート内の電荷を長時間記憶保持するため、浮遊ゲート内の不純物濃度を所定値より低くし、浮遊ゲートを空乏化することが提案されていた。
特開2000−150680号公報 特開2001−168213号公報 特開2002−16155号公報 特開2000−219275号公報 特開平10−312972号公報 特公平06−020117号公報 特開2004−282100号公報 特開昭59−125648号公報 特許第3339361号公報
Conventionally, in a memory using a direct tunnel current, an insulating film for separating a floating gate from a conductive path between a source and a drain is formed thinner than a normal gate oxide film and is called a tunnel insulating film. When a floating gate is formed on such a thin tunnel insulating film, in order to store information, that is, the charge in the floating gate for a long time, the impurity concentration in the floating gate is made lower than a predetermined value, and the floating gate is depleted. It was proposed to do.
JP 2000-150680 A JP 2001-168213 A JP 2002-16155 A JP 2000-219275 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-312972 Japanese Patent Publication No. 06-020117 JP 2004-282100 A JP 59-125648 A Japanese Patent No. 3339361

浮遊ゲートの空乏化は浮遊ゲートの抵抗値の増加となり、書き込み速度や消去速度をやや劣化させてしまうことはある程度予測されていた。一方で、浮遊ゲートの空乏化により、保持特性改善効果が大きいことから、浮遊ゲートの空乏化が進められてきた。   It has been predicted to some extent that depletion of the floating gate results in an increase in the resistance value of the floating gate and slightly deteriorates the writing speed and the erasing speed. On the other hand, depletion of the floating gate has a great effect of improving the retention characteristics, and therefore depletion of the floating gate has been promoted.

ところが、空乏化が進むと書き込み速度に比べて、消去速度の劣化が著しくなることが分かってきた。また、空乏化が進むとトランジスタの閾値のばらつきも大きくなることが分かってきた。そこで、本発明は、空乏化を進めつつ、消去速度の劣化と閾値のばらつきを抑制することを目的とする。   However, it has been found that when the depletion progresses, the deterioration of the erasing speed becomes more significant than the writing speed. In addition, it has been found that as depletion progresses, variation in threshold values of transistors increases. Therefore, an object of the present invention is to suppress the deterioration of the erase speed and the variation of the threshold value while proceeding with depletion.

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、基板上に形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成され、水素原子が導入された浮遊ゲートと、前記浮遊ゲートの両側の前記基板内に形成されたソース領域及びドレイン領域と、前記浮遊ゲートを被覆する第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜を介して前記浮遊ゲートから分離して形成された制御ゲートと、少なくとも前記浮遊ゲートおよび制御ゲートの上層を被覆する保護膜と、を備える半導体記憶装置である。   The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the present invention includes a first insulating film formed on a substrate, a floating gate formed on the first insulating film, into which hydrogen atoms are introduced, and formed in the substrate on both sides of the floating gate. A source region and a drain region, a second insulating film covering the floating gate, a control gate formed separately from the floating gate via the second insulating film, and at least the floating gate and the control gate And a protective film covering the upper layer.

本発明によれば、浮遊ゲートに水素原子が導入されるので、浮遊ゲートを構成する物質が形成するキャリアのトラップに水素原子をトラップさせることができる。その結果、浮遊ゲートの抵抗を低減できる。   According to the present invention, since hydrogen atoms are introduced into the floating gate, the hydrogen atoms can be trapped in the carrier trap formed by the material constituting the floating gate. As a result, the resistance of the floating gate can be reduced.

また、本発明は、基板上に形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成された浮遊ゲートと、前記浮遊ゲートの両側の前記基板内に形成されたソース領域及びドレイン領域と、前記浮遊ゲートを被覆する第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜を介して前記浮遊ゲートから分離して形成された制御ゲートと、少なくとも前記浮遊ゲートおよび制御ゲートの上層を被覆する保護膜と、を備え、前記浮遊ゲートは、複数の粒径の多結晶シリコンで形成された半導体記憶装置であってもよい。   The present invention also provides a first insulating film formed on a substrate, a floating gate formed on the first insulating film, and a source region and a drain region formed in the substrate on both sides of the floating gate. A second insulating film covering the floating gate, a control gate formed separately from the floating gate via the second insulating film, and a protective film covering at least the upper layer of the floating gate and the control gate The floating gate may be a semiconductor memory device formed of polycrystalline silicon having a plurality of grain sizes.

本発明によれば、浮遊ゲートが複数の粒径の多結晶シリコンで形成されているので、導電路が形成されるために前記制御ゲートに供給すべき電圧の閾値変動を低減できる。また、本発明によれば、浮遊ゲートが複数の粒径の多結晶シリコンで形成されるので、粒子界面の数あるいは表面積を低減することができる。   According to the present invention, since the floating gate is formed of polycrystalline silicon having a plurality of grain sizes, it is possible to reduce the threshold fluctuation of the voltage to be supplied to the control gate in order to form the conductive path. According to the present invention, since the floating gate is formed of polycrystalline silicon having a plurality of grain sizes, the number of particle interfaces or the surface area can be reduced.

本発明によれば、空乏化を進めつつ、半導体記憶装置の消去速度の劣化と閾値のばらつきを抑制することができる。   According to the present invention, it is possible to suppress deterioration in the erasing speed and variation in threshold values of a semiconductor memory device while depletion is progressing.

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態(以下、実施形態という)に係る半導体記憶装置について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。
《発明の骨子》
図1に、ダイレクトトンネル構造の浮遊ゲートを有する不揮発性半導体記憶装置(以下、単に半導体装置という)の断面構造を示す。この半導体装置は、半導体基板(本発明の基板に相当)1と、半導体基板1に形成されたソース2およびドレイン3と、ソース2およびドレイン3の間で導電路が形成される半導体基板領域(チャンネル領域とも呼ばれる)上の絶縁膜4(本発明の第1絶縁膜に相当)と、絶縁膜4上に形成される浮遊ゲート5と、浮遊ゲート5の周囲を被覆する絶縁膜6(本発明の第2絶縁膜に相当)と、浮遊ゲート5の上部を被覆する酸化膜キャップ7と、絶縁膜6によって浮遊ゲート5から分離されて形成される制御ゲート8と、制御ゲート8の側壁を被覆するサイドウォール9と、酸化膜キャップ7、制御ゲート8およびサイドウォール9を含む半導体装置の表面を被覆する保護膜10とを有している。このような半導体装置の構成および製法については、本出願人による、特開2000−150680号公報、特開2001−168213号公報、特開2002−16155号公報に詳細に説明されているので、詳細は省略し、特徴的な構成について説明する。
A semiconductor memory device according to the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described below with reference to the drawings. The configuration of the following embodiment is an exemplification, and the present invention is not limited to the configuration of the embodiment.
<Outline of invention>
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a nonvolatile semiconductor memory device (hereinafter simply referred to as a semiconductor device) having a floating gate with a direct tunnel structure. The semiconductor device includes a semiconductor substrate (corresponding to the substrate of the present invention) 1, a source 2 and a drain 3 formed on the semiconductor substrate 1, and a semiconductor substrate region (where a conductive path is formed between the source 2 and the drain 3). An insulating film 4 (also referred to as a channel region) (corresponding to the first insulating film of the present invention), a floating gate 5 formed on the insulating film 4, and an insulating film 6 covering the periphery of the floating gate 5 (the present invention) 2), an oxide film cap 7 covering the upper portion of the floating gate 5, a control gate 8 formed by being separated from the floating gate 5 by the insulating film 6, and a side wall of the control gate 8 being covered. And a protective film 10 covering the surface of the semiconductor device including the oxide film cap 7, the control gate 8 and the sidewall 9. The configuration and manufacturing method of such a semiconductor device are described in detail in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-150680, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-168213, and Japanese Patent Laid-Open No. 2002-16155 by the present applicant. Is omitted, and a characteristic configuration will be described.

図1に示すように、ソース2およびドレイン3の間のチャンネル領域の上層に、極めて薄い絶縁膜4(厚さ約1〜3nm)が形成されている。絶縁膜4が薄いために、制御ゲート8とソース2/ドレイン3との間に電圧を印加すると、ソース2とドレイン3との間のチャンネル領域内のキャリアが絶縁膜4を突き抜けて浮遊ゲート5に注入される。このため、絶縁膜4はトンネル絶縁膜とも呼ばれる。   As shown in FIG. 1, an extremely thin insulating film 4 (thickness of about 1 to 3 nm) is formed on the upper layer of the channel region between the source 2 and the drain 3. Since the insulating film 4 is thin, when a voltage is applied between the control gate 8 and the source 2 / drain 3, carriers in the channel region between the source 2 and the drain 3 penetrate the insulating film 4 and pass through the floating gate 5. Injected into. For this reason, the insulating film 4 is also called a tunnel insulating film.

浮遊ゲート5にキャリアが注入されると、トランジスタの閾値が変化するため、キャリア注入の有無を判定することがきる。したがって、浮遊ゲート5にキャリアが注入されているか否かによって情報を記憶することができる。   When carriers are injected into the floating gate 5, the threshold value of the transistor changes, so that it is possible to determine the presence or absence of carrier injection. Therefore, information can be stored depending on whether or not carriers are injected into the floating gate 5.

本実施形態の半導体装置では、特開2002−16155号公報の場合と同様、浮遊ゲート5の不純物濃度を低く設定し(約5×1019cm−3以下)、空乏化している。空乏化によって、浮遊ゲート5に注入されたキャリア、すなわち情報の長時間保持を達成する。 In the semiconductor device of the present embodiment, the impurity concentration of the floating gate 5 is set low (about 5 × 10 19 cm −3 or less) as in the case of Japanese Patent Laid-Open No. 2002-16155, and is depleted. By depletion, the carrier injected into the floating gate 5, that is, the retention of information for a long time is achieved.

図2に、ダイレクトトンネル構造の半導体装置の製造方法の概要が示されている。ダイレクトトンネル構造の半導体装置は、通常のCMOSロジックの製造プロセスにおいて、概ね(1)素子分離構造の形成(2)ウェル領域への不純物注入の後、以下の工程を経ることで製造される。
・チャンネル領域に不純物が注入される。この不純物は、トランジスタの閾値調整の目的で注入される。
・チャンネル領域上に薄い絶縁膜4(厚さ約1〜3nm)の層が形成される。
・素子分離構造および絶縁膜4の上層に浮遊ゲート5となるべきポリシリコン膜を形成する。
・浮遊ゲート5を含むゲート構造が形成される。
・浮遊ゲート5を被覆する絶縁膜6が形成され、さらに、その外側に制御ゲート8が形成される。
・その後、通常のCMOSロジックのプロセスと同様の工程を経た後、プラズマCVDによってシリコン窒化膜の保護膜10が形成される。さらに本実施形態では、保護膜10の形成後にアニールが実施される。
FIG. 2 shows an outline of a method for manufacturing a semiconductor device having a direct tunnel structure. A semiconductor device having a direct tunnel structure is generally manufactured by (1) forming an element isolation structure and (2) implanting impurities into a well region and performing the following steps in a normal CMOS logic manufacturing process.
-Impurities are implanted into the channel region. This impurity is implanted for the purpose of adjusting the threshold value of the transistor.
A thin insulating film 4 (thickness of about 1 to 3 nm) is formed on the channel region.
A polysilicon film to be the floating gate 5 is formed on the element isolation structure and the insulating film 4.
A gate structure including the floating gate 5 is formed.
An insulating film 6 that covers the floating gate 5 is formed, and a control gate 8 is formed outside the insulating film 6.
After that, after passing through the same process as a normal CMOS logic process, a protective film 10 of a silicon nitride film is formed by plasma CVD. Furthermore, in this embodiment, annealing is performed after the protective film 10 is formed.

図3に、ポリシリコンの不純物濃度と、抵抗値との関係を示す。図3に示すように、ポリシリコン(符号Poly−Siで示されるグラフ)は、不純物濃度が所定値以下、例えば、5×1019cm−3以下となると、単結晶シリコン(符号Bulk−Siで示されるグラフ)と比較して急激に抵抗値が増加する。 FIG. 3 shows the relationship between the impurity concentration of polysilicon and the resistance value. As shown in FIG. 3, when the impurity concentration is a predetermined value or less, for example, 5 × 10 19 cm −3 or less, polysilicon (graph indicated by reference symbol Poly-Si) has a single crystal silicon (reference symbol Bulk-Si). Compared with the graph shown), the resistance value increases rapidly.

したがって、ポリシリコンで形成された浮遊ゲート5の空乏化が進んだ場合には、図3と同様に、ポリシリコンの比抵抗が急激に増加する。このため、空乏化が、浮遊ゲート5を有する不揮発性半導体記憶装置の消去速度を劣化させる原因の1つとなる。   Therefore, when the depletion of the floating gate 5 made of polysilicon progresses, the specific resistance of the polysilicon increases rapidly as in FIG. For this reason, depletion becomes one of the causes of deteriorating the erase speed of the nonvolatile semiconductor memory device having the floating gate 5.

本実施形態では、浮遊ゲート5を空乏化した場合であっても、ポリシリコンの比抵抗の増加を低減する半導体装置の構成、およびそのような半導体装置の製造方法を提案する。比抵抗を低減するため、本出願人は、ポリシリコンのグレインバウンダリに着目した。   The present embodiment proposes a configuration of a semiconductor device that reduces an increase in the specific resistance of polysilicon even when the floating gate 5 is depleted, and a method for manufacturing such a semiconductor device. In order to reduce the specific resistance, the present applicant paid attention to the grain boundary of polysilicon.

図4に、グレインバウンダリの物理モデルを示す。図4は、図1で説明した基板1および絶縁膜4上のポリシリコンの浮遊ゲート5を拡大して示している。ここで、グレインバウンダリとは、ポリシリコンのそれぞれの結晶粒子の界面をいう。グレインバウンダリには、電子をトラップする電位障壁が存在する。   FIG. 4 shows a physical model of the grain boundary. FIG. 4 is an enlarged view of the polysilicon floating gate 5 on the substrate 1 and the insulating film 4 described in FIG. Here, the grain boundary refers to the interface between the crystal grains of polysilicon. The grain boundary has a potential barrier that traps electrons.

しかし、本出願人は、グレインバウンダリに水素原子をトラップさせることで、電子のトラップを低減し、結果としてポリシリコンの比抵抗を低減することができることに想到した。すなわち、グレインバウンダリに水素原子を注入すると、Si−H結合が形成され、電子をトラップするシリコンの未結合手が減少することになる。本実施形態では、ポリシリコンに大量(5×1019cm−3程度以上)の水素原子を注入し、グレインバウンダリでの電子のトラップを低減し、空乏化された浮遊ゲート5の比抵抗を低減する。 However, the present applicant has conceived that by trapping hydrogen atoms in the grain boundary, the trapping of electrons can be reduced, and as a result, the specific resistance of polysilicon can be reduced. That is, when hydrogen atoms are implanted into the grain boundary, Si—H bonds are formed, and the number of dangling bonds of silicon that traps electrons decreases. In this embodiment, a large amount (about 5 × 10 19 cm −3 or more) of hydrogen atoms is injected into polysilicon to reduce the trapping of electrons at the grain boundary, and the specific resistance of the depleted floating gate 5 is reduced. To do.

本実施形態では、浮遊ゲート5に水素原子を供給するため、図1の保護膜10として使用されているSi−N(シリコン窒化膜)を利用する。プラズマCVDで形成されたシリコン窒化膜には、多数の水素原子が含まれている。そのため、シリコン窒化膜形成後、半導体装置を所定の時間、所定の温度でアニールすることで、シリコン窒化膜から浮遊ゲート5に水素原子を供給する。浮遊ゲート5に供給された水素原子は、グレインバウンダリにて原子状で終端(トラップ)される。グレインバウンダリに多数の水素原子を供給することで、グレインバウンダリにトラップされる電子数を減少させ、ポリシリコン、すなわち、浮遊ゲート5の比抵抗を小さくする。   In this embodiment, in order to supply hydrogen atoms to the floating gate 5, Si—N (silicon nitride film) used as the protective film 10 in FIG. 1 is used. A silicon nitride film formed by plasma CVD contains a large number of hydrogen atoms. Therefore, after forming the silicon nitride film, the semiconductor device is annealed at a predetermined temperature for a predetermined time, so that hydrogen atoms are supplied from the silicon nitride film to the floating gate 5. The hydrogen atoms supplied to the floating gate 5 are terminated (trapped) in the form of atoms at the grain boundary. By supplying a large number of hydrogen atoms to the grain boundary, the number of electrons trapped in the grain boundary is reduced, and the specific resistance of the polysilicon, that is, the floating gate 5 is reduced.

なお、シリコン窒化膜からアニールすることにより原子状水素を注入する場合と比較して、HあるいはD雰囲気中でアニールすることにより水素あるいは重水素を供給しても、十分に高濃度にトラップする水素あるいは重水素を注入できない。 Compared with the case where atomic hydrogen is implanted by annealing from a silicon nitride film, even if hydrogen or deuterium is supplied by annealing in an H 2 or D 2 atmosphere, the trap is sufficiently high in concentration. Hydrogen or deuterium cannot be injected.

本実施形態では、さらに、ポリシリコンの粒径を大きくするプロセスを導入することにより、浮遊ゲート5の低抵抗化を図る。図4から明らかなように、ポリシリコンの粒径を大きくすると、グレイン数が減少し、グレインの表面積も減少する。すなわち、粒径を大きくしてバウンダリの箇所、あるいは、バウンダリの表面積を小さくすることで電子がトラップされる確率を低下させることができる。このように、ポリシリコンの粒径を大きくすることによって浮遊ゲート5の比抵抗を低減することができる。   In the present embodiment, the resistance of the floating gate 5 is further reduced by introducing a process for increasing the grain size of polysilicon. As is apparent from FIG. 4, when the grain size of the polysilicon is increased, the number of grains is reduced and the surface area of the grains is also reduced. In other words, the probability of electrons being trapped can be reduced by increasing the particle size and reducing the boundary location or the surface area of the boundary. Thus, the specific resistance of the floating gate 5 can be reduced by increasing the grain size of the polysilicon.

ただし、粒径を大きくすると閾値のばらつきが増加するという問題が生じる。そこで、本実施形態では、粒径の小さいポリシリコンを絶縁膜4近傍に形成し、一方、粒径の大きいポリシリコンを上層に形成することで閾値のばらつきを抑える。   However, when the particle size is increased, there arises a problem that variation in threshold value increases. Therefore, in the present embodiment, polysilicon having a small particle size is formed in the vicinity of the insulating film 4, while polysilicon having a large particle size is formed in the upper layer to suppress variation in threshold value.

《第1実施形態》
第1実施形態では、浮遊ゲート5へ原子状水素を注入することにより、浮遊ゲート5の比抵抗を低減した半導体装置の構成および半導体装置の製造方法の例を説明する。
<< First Embodiment >>
In the first embodiment, an example of a configuration of a semiconductor device and a method of manufacturing the semiconductor device in which the specific resistance of the floating gate 5 is reduced by injecting atomic hydrogen into the floating gate 5 will be described.

浮遊ゲート5の不純物(例えば、P、As)濃度が5×1019cm−3より低濃度となるように形成し、図1に示した半導体装置を製造する。この半導体装置に対して、水素濃度が不純物濃度より大きくなる条件で原子状水素を注入する。具体的な手順としては、保護膜10(シリコン窒化膜)を形成した後にアニールを行なう。シリコン窒化膜は、プラズマ励起した活性な窒素、窒素を含む分子によって(いわゆるプラズマCVDにより)形成したシリコン窒化膜である。熱処理(シンター、Sintering)条件は400℃から4
50℃、10minから30min程度である。この処理において、シリコン窒化膜は、以下の式にしたがって生成されるので、水素を多く含む。
反応式:SiH + NH => SiN + (H) + (N
これにより、図4に示したように、原子状水素をグレインバウンダリに終端させる。図5にプラズマ窒化膜を使用したときの、比抵抗の変化を示す。図5で、AS Depoとは、濃度5×1019cm−3のヒ素を含むポリシリコンを堆積した材料を示す。この場合の比抵抗は、1.5オーム・センチメートル程度である。
The semiconductor device shown in FIG. 1 is manufactured by forming the floating gate 5 so that the impurity (for example, P, As) concentration is lower than 5 × 10 19 cm −3 . Atomic hydrogen is implanted into this semiconductor device under the condition that the hydrogen concentration is higher than the impurity concentration. As a specific procedure, annealing is performed after the protective film 10 (silicon nitride film) is formed. The silicon nitride film is a silicon nitride film formed by plasma-excited active nitrogen and nitrogen-containing molecules (so-called plasma CVD). Heat treatment (sintering) conditions are from 400 ° C to 4
It is about 50 ° C. and 10 min to 30 min. In this process, the silicon nitride film is generated according to the following formula, and therefore contains a large amount of hydrogen.
Reaction formula: SiH 4 + NH 3 => SiN + (H 2 ) + (N 2 )
As a result, as shown in FIG. 4, atomic hydrogen is terminated at the grain boundary. FIG. 5 shows a change in specific resistance when a plasma nitride film is used. In FIG. 5, AS Depo indicates a material on which polysilicon containing arsenic having a concentration of 5 × 10 19 cm −3 is deposited. The specific resistance in this case is about 1.5 ohm · cm.

また、P−Sin+400C 10minは、上記ポリシリコン材料上にシリコン窒化膜を成膜し、さらに摂氏400度にて10分間アニールした材料を示す。この場合には、比抵抗は、0.12オーム・センチメートル程度にまで低下している。   P-Sin + 400C 10 min indicates a material obtained by forming a silicon nitride film on the polysilicon material and annealing at 400 degrees Celsius for 10 minutes. In this case, the specific resistance is reduced to about 0.12 ohm · cm.

同様に、P−Sin+450C 30minは、摂氏450度にて30分間アニールした材料を示す。この場合には、比抵抗は、0.13オーム・センチメートル程度にまで低下している。   Similarly, P-Sin + 450C 30 min indicates a material annealed at 450 degrees Celsius for 30 minutes. In this case, the specific resistance is reduced to about 0.13 ohm · cm.

図6には、そのときのSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry、二次イオン質量
分析計)プロファイルを示す。二次イオン質量分析計は、一次イオンを加速して、試料表面に照射し、スパッタリングにより飛び出してきた粒子のうち、電荷を持つ粒子(二次イ
オン)の質量を分析することにより、試料を構成する元素成分を特定する装置である。
FIG. 6 shows a SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) profile at that time. The secondary ion mass spectrometer configures the sample by accelerating the primary ions, irradiating the sample surface, and analyzing the mass of charged particles (secondary ions) out of the particles that have jumped out by sputtering. It is a device that identifies the elemental component to be used.

図6は、図5の特性を示すポリシリコン、酸化膜(SiO)、およびシリコン基板からなる材料の表面を削り取る工程とともに、その表面の成分を二次イオン質量分析計にて分析した結果である。 FIG. 6 is a result of analyzing the components of the surface with a secondary ion mass spectrometer, along with the step of scraping the surface of the material consisting of polysilicon, oxide film (SiO 2 ), and silicon substrate showing the characteristics of FIG. is there.

図6において、横軸は、材料表面を削り取った深さを示している。矢印Aで示される範囲が、ポリシリコンが成膜されている範囲である。また、矢印Bで示される範囲が、酸化膜(SiO)が形成されている範囲である。さらに、矢印Cがシリコン基板の領域である。なお、図6のデータは、ポリシリコンの不純物濃度と原子状水素濃度を実験的に調べるために用いた半導体装置の分析結果であり、絶縁膜は、ダイレクトトンネル電流が流れるほど薄く形成されていない。 In FIG. 6, the horizontal axis indicates the depth of the material surface. A range indicated by an arrow A is a range where polysilicon is formed. A range indicated by an arrow B is a range where an oxide film (SiO 2 ) is formed. Further, an arrow C is a region of the silicon substrate. The data in FIG. 6 is an analysis result of a semiconductor device used for experimentally examining the impurity concentration and atomic hydrogen concentration of polysilicon, and the insulating film is not formed thin enough to allow a direct tunnel current to flow. .

また、図6において、ポリシリコン(矢印Aの領域)において測定されている符号100で示されるグラフは、水素原子濃度である。水素原子濃度は、ポリシリコン表面付近では、3×1020cm−3程度ある。水素原子濃度は、表面からポリシリコン膜内に深く進むにしたがって、低下する。ポリシリコン中最も深い位置(約130nm)にて、水素原子濃度は、2×1019cm−3程度ある。 In FIG. 6, the graph indicated by reference numeral 100 measured in polysilicon (the region indicated by arrow A) is the hydrogen atom concentration. The hydrogen atom concentration is about 3 × 10 20 cm −3 in the vicinity of the polysilicon surface. The hydrogen atom concentration decreases as it goes deeper from the surface into the polysilicon film. At the deepest position (about 130 nm) in the polysilicon, the hydrogen atom concentration is about 2 × 10 19 cm −3 .

また、符号101のグラフは、ポリシリコン中の不純物であるヒ素の分布を示している。図5のように、ヒ素の濃度も、表面からポリシリコン膜内に深く進むにしたがって、低下する。ヒ素濃度は、ポリシリコン表面付近では、4×1019cm−3程度ある。また、ポリシリコン中最も深い位置(約130nm)にて、ヒ素濃度は、1×1018個cm−3程度ある。このように、図5の比抵抗が得られた試料では、ポリシリコンの膜の全範囲に渡って、水素原子濃度が、ヒ素濃度を上回っている。 Moreover, the graph of the code | symbol 101 has shown distribution of the arsenic which is an impurity in polysilicon. As shown in FIG. 5, the arsenic concentration also decreases as it advances deeper from the surface into the polysilicon film. The arsenic concentration is about 4 × 10 19 cm −3 near the polysilicon surface. Further, at the deepest position (about 130 nm) in the polysilicon, the arsenic concentration is about 1 × 10 18 cm −3 . As described above, in the sample in which the specific resistance shown in FIG. 5 is obtained, the hydrogen atom concentration exceeds the arsenic concentration over the entire range of the polysilicon film.

<製造工程>
図7から図9の図面により、本実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す。まず、シリコン基板1に、加速エネルギー10keV、ドーズ量1e12〜1e13cm−2にてボロンをドープする。これは、トランジスタの閾値調整のためのチャンネルドープである。
<Manufacturing process>
7 to 9 show the manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment. First, the silicon substrate 1 is doped with boron at an acceleration energy of 10 keV and a dose of 1e12 to 1e13 cm −2 . This is channel dope for transistor threshold adjustment.

次に、シリコン基板1の全面に、熱酸化法により、膜厚約1〜3nmのシリコン酸化膜で絶縁膜4を形成する。   Next, an insulating film 4 is formed on the entire surface of the silicon substrate 1 with a silicon oxide film having a thickness of about 1 to 3 nm by a thermal oxidation method.

次に、絶縁膜4上に、CVD(Chemical Vapor Deposition、化学気相堆積)法により
、浮遊ゲート5となる膜厚150nmのポリシリコン膜を成膜する((3−1)Poly−Si堆積)。
Next, a 150 nm-thickness polysilicon film to be the floating gate 5 is formed on the insulating film 4 by CVD (Chemical Vapor Deposition) ((3-1) Poly-Si deposition). .

次に、イオン注入法により、ポリシリコン膜にリン、ヒ素等のn型不純物を導入する。例えば、リンを注入する場合、加速エネルギー20keV、ドーズ量5e13×4(方向)cm−2でイオン打ち込みを行なう((3−2)ゲート注入)。そして、熱処理により、n型不純物を活性化する。熱処理により、n型不純物が拡散し、ポリシリコン中のn型不純物の濃度は、5×1019個cm−3程度となる。 Next, n-type impurities such as phosphorus and arsenic are introduced into the polysilicon film by ion implantation. For example, when phosphorus is implanted, ion implantation is performed with an acceleration energy of 20 keV and a dose of 5e13 × 4 (direction) cm −2 ((3-2) gate implantation). Then, the n-type impurity is activated by heat treatment. By the heat treatment, n-type impurities are diffused, and the concentration of the n-type impurities in the polysilicon is about 5 × 10 19 cm −3 .

次に、熱酸化法により、ポリシリコン膜表面に酸化膜キャップ7となる膜厚100nmのシリコン酸化膜を形成する((3−3)酸化膜キャップ)。   Next, a 100 nm-thickness silicon oxide film to be the oxide film cap 7 is formed on the polysilicon film surface by thermal oxidation ((3-3) oxide film cap).

次に、フォトリソグラフィーによりフォトレジストにてシリコン酸化膜上にゲートパターンを形成する。そして、フォトレジストをマスクにしてゲートパターンを残して、酸化膜キャップ7からシリコン基板1表面までをエッチングする((3−4)ゲートエッチ)。これにより、酸化膜4,浮遊ゲート5および酸化膜キャップ7のパターンが形成される。   Next, a gate pattern is formed on the silicon oxide film with a photoresist by photolithography. Then, from the oxide film cap 7 to the surface of the silicon substrate 1 is etched using the photoresist as a mask, leaving the gate pattern ((3-4) gate etching). As a result, patterns of the oxide film 4, the floating gate 5 and the oxide film cap 7 are formed.

次に、熱酸化法にて、シリコン基板1の全面に膜厚5nmの酸化膜を形成する(図8の(4)ゲート酸化)。   Next, an oxide film having a thickness of 5 nm is formed on the entire surface of the silicon substrate 1 by thermal oxidation ((4) Gate oxidation in FIG. 8).

次に、シリコン基板1の全面にCVD法により、制御ゲート8となるべき、不純物がドープされたポリシリコン膜を膜厚100nmにて成膜する。さらに、摂氏1000度、10秒の熱処理条件にて、活性化アニールを実施する。次に、ポリシリコン膜を異方性エッチングして、制御ゲート8を形成する((5)制御ゲート(CG)形成)。   Next, an impurity-doped polysilicon film to be the control gate 8 is formed to a thickness of 100 nm on the entire surface of the silicon substrate 1 by the CVD method. Furthermore, activation annealing is performed under heat treatment conditions of 1000 degrees Celsius and 10 seconds. Next, the polysilicon film is anisotropically etched to form the control gate 8 ((5) control gate (CG) formation).

次に、ヒ素等のn型不純物を加速エネルギー5keV、ドーズ量1e14×4(方向)cm−2でイオン打ち込みにて導入する((6)LDD(Light Doped Drain)注入)。これによって、エクステンションソース/ドレイン構造がシリコン基板1の表面付近に形成される。 Next, an n-type impurity such as arsenic is introduced by ion implantation at an acceleration energy of 5 keV and a dose of 1e14 × 4 (direction) cm −2 ((6) LDD (Light Doped Drain) implantation). As a result, an extension source / drain structure is formed near the surface of the silicon substrate 1.

次に、シリコン基板1の全面に、CVD法によりサイドウォール9となる膜厚100nmのシリコン酸化膜を形成する。次に、シリコン酸化膜を異方性エッチングする。これにより、制御ゲート8の側面にサイドウォール9が形成される((7)サイドウォール形成)。   Next, a 100 nm-thickness silicon oxide film to be the sidewalls 9 is formed on the entire surface of the silicon substrate 1 by the CVD method. Next, the silicon oxide film is anisotropically etched. As a result, sidewalls 9 are formed on the side surfaces of the control gate 8 ((7) sidewall formation).

次に、ヒ素等のn型不純物を加速エネルギー20keV、ドーズ量5e14×4(方向)cm−2でイオン打ち込みにて注入する。さらに、摂氏1000度にて10秒、活性化アニールする。これによって、ソース2/ドレイン3が形成される((8)SD注入)。 Next, an n-type impurity such as arsenic is implanted by ion implantation with an acceleration energy of 20 keV and a dose of 5e14 × 4 (direction) cm −2 . Further, activation annealing is performed at 1000 degrees Celsius for 10 seconds. Thereby, the source 2 / drain 3 are formed ((8) SD injection).

次に、カバー構造として、CVD法により、シリコン酸化膜100nmを成膜する(図9の(9)酸化膜(LTO(low temperature oxide)堆積)。さらに、プラズマCVD
により、シリコン窒化膜9を100nm堆積する((10)シリコン窒化膜堆積)。
Next, as a cover structure, a silicon oxide film of 100 nm is formed by CVD ((9) oxide film (LTO (low temperature oxide) deposition in FIG. 9) and plasma CVD.
Thus, a silicon nitride film 9 is deposited to a thickness of 100 nm ((10) silicon nitride film deposition).

次に、摂氏400度から摂氏450度程度の温度にて10分〜30分間アニールする。このアニールにより、シリコン窒化膜9から原子状の水素が浮遊ゲート5に供給される。   Next, annealing is performed at a temperature of about 400 degrees Celsius to about 450 degrees Celsius for 10 minutes to 30 minutes. By this annealing, atomic hydrogen is supplied from the silicon nitride film 9 to the floating gate 5.

このような工程により、不純物濃度が5×1019cm−3以下に空乏化されたポリシリコンの浮遊ゲート5に、高濃度、例えば、5×1019cm−3を上回る原子状の水素を供給することができる。原子状の水素は、グレインバウンダリにトラップされので、キャリアである電子がトラップされる可能性を低減できる。その結果、空乏化された浮遊ゲート5の比抵抗の増加を抑制でき、情報の長時間保持を達成するとともに、消去時間の増加を抑制できる。 Through such a process, atomic hydrogen exceeding a high concentration, for example, 5 × 10 19 cm −3 is supplied to the polysilicon floating gate 5 depleted to an impurity concentration of 5 × 10 19 cm −3 or less. can do. Since atomic hydrogen is trapped on the grain boundary, the possibility that electrons serving as carriers are trapped can be reduced. As a result, an increase in the specific resistance of the depleted floating gate 5 can be suppressed, information can be retained for a long time, and an increase in erase time can be suppressed.

すなわち、物理現象の観点からは、ポリシリコンのグレインバウンダリに電子がトラップされると、その電子によって、グレインとグレインバウンダリ間のポテンシャルバリア(電子が通り抜ける際の障壁)が大きくなる。その結果比抵抗は増加する。これは、ポリシリコンの不純物濃度が低濃度になると、グレインに存在する活性な電子数が減少するのでその影響が顕著に見えてくるためである。   That is, from the viewpoint of a physical phenomenon, when electrons are trapped in the grain boundary of polysilicon, a potential barrier between the grains and the grain boundary (a barrier when electrons pass through) increases. As a result, the specific resistance increases. This is because when the impurity concentration of polysilicon becomes low, the number of active electrons present in the grains decreases, so that the effect becomes noticeable.

本実施形態に示した半導体装置は、電子の代わりに原子状の水素を多くグレインバウンダリにトラップさせることによって、ポテンシャルバリアを下げ、グレイン内の活性電子数の減少を抑える。その結果、比抵抗は原子状の水素を注入しない場合に比べて低下する。また、原子状の水素を多くトラップさせるためには、シリコン窒化膜成膜後のアニールのが有効である。   The semiconductor device shown in this embodiment traps a large amount of atomic hydrogen instead of electrons in the grain boundary, thereby lowering the potential barrier and suppressing the decrease in the number of active electrons in the grain. As a result, the specific resistance is reduced as compared with the case where atomic hydrogen is not injected. In order to trap a large amount of atomic hydrogen, annealing after the silicon nitride film is formed is effective.

《第2実施形態》
上記第1実施形態では、シリコン窒化膜成膜後のアニールにより、浮遊ゲート5を構成するポリシリコンのグレインバウンダリに原子状の水素をトラップさせ、空乏化された浮遊ゲート5の比抵抗を減少させた、半導体装置の構造およびその製造方法を説明した。
<< Second Embodiment >>
In the first embodiment, by annealing after the silicon nitride film is formed, atomic hydrogen is trapped in the polysilicon grain boundary constituting the floating gate 5, and the specific resistance of the depleted floating gate 5 is reduced. In addition, the structure of the semiconductor device and the manufacturing method thereof have been described.

本実施形態では、浮遊ゲート5を構成するポリシリコンの粒径制御(異なる粒径を有する2層のポリシリコン層の形成)により、浮遊ゲート5の比抵抗を減少させた半導体装置の構成およびその製造方法を説明する。他の構成および製造方法の概要は、第1実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については、第1実施形態の場合と同様の符号を付してその説明を省略する。また、必要に応じて、図1から図9の図面を参照する。   In the present embodiment, the structure of the semiconductor device in which the specific resistance of the floating gate 5 is reduced by controlling the grain size of the polysilicon that constitutes the floating gate 5 (formation of two polysilicon layers having different grain sizes) and its A manufacturing method will be described. The outline of the other configuration and the manufacturing method is the same as that of the first embodiment. Therefore, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted. Further, the drawings in FIGS. 1 to 9 are referred to as necessary.

図10に、本実施形態に係る半導体装置の浮遊ゲート5に含まれるグレインの構造を示す。図10のように、本実施形態では、ポリシリコンを2層で構成する。絶縁膜4の上に形成される第1のポリシリコン層は、CVDで形成して粒径を通常サイズとする。   FIG. 10 shows the structure of the grains contained in the floating gate 5 of the semiconductor device according to this embodiment. As shown in FIG. 10, in this embodiment, the polysilicon is constituted by two layers. The first polysilicon layer formed on the insulating film 4 is formed by CVD so that the grain size is a normal size.

第1のポリシリコン層の上に形成される第2のポリシリコン層は、まず、非晶質(アモルファス)化して形成した後、アニールにより粒径を第1のポリシリコン層の粒径より大きくする。粒径の制御は、CVDの温度条件(本実施形態ではは、摂氏600度数時間)で行なうため、第1のポリシリコンと第2のポリシリコンの間には酸化膜を挟む。なお、さらに、第1実施形態と同様の原子状の水素を注入することによって、さらに比抵抗減少効果を大きくしてもよい。   The second polysilicon layer formed on the first polysilicon layer is first made amorphous, and then annealed to make the grain size larger than the grain size of the first polysilicon layer. To do. Since the grain size is controlled under the CVD temperature condition (in this embodiment, 600 degrees Celsius), an oxide film is sandwiched between the first polysilicon and the second polysilicon. Furthermore, the specific resistance reduction effect may be further increased by implanting atomic hydrogen similar to that in the first embodiment.

図11は、グレインサイズが増大したときの比抵抗の変化を実験で求めた結果である。図7で横軸は、ポリシリコン(単層)のドーズ量を示している。また、縦軸は、ポリシリコンの比抵抗を示している。   FIG. 11 is a result of experimentally determining a change in specific resistance when the grain size is increased. In FIG. 7, the horizontal axis indicates the dose of polysilicon (single layer). The vertical axis indicates the specific resistance of polysilicon.

図11で、Poly−Siで示されているグラフは、590度39分の条件でCVD法によって形成したポリシリコンの比抵抗を示している。また、A−Siで示されているグラフは、500度55分の条件にて形成した非晶質シリコンをアニール(摂氏600度、18時間および、1000度20秒)した場合の比抵抗を示している。非晶質シリコンをアニールによって粒径の大きな多結晶シリコンにすることによって、不純物がP,Asどちらの場合も、比抵抗は大きく減少する。   In FIG. 11, the graph indicated by Poly-Si indicates the specific resistance of polysilicon formed by the CVD method under the condition of 590 degrees 39 minutes. The graph indicated by A-Si shows the specific resistance when amorphous silicon formed under the condition of 500 degrees 55 minutes is annealed (600 degrees Celsius, 18 hours, 1000 degrees 20 seconds). ing. By converting amorphous silicon into polycrystalline silicon having a large grain size by annealing, the specific resistance is greatly reduced regardless of whether the impurity is P or As.

図12に、本実施形態の半導体装置の製造方法を示す。第1実施形態(図8)と同様、シリコン基板1に対して(1)チャンネルドープおよび(2)ゲート酸化膜形成(絶縁膜4となる)がなされる。   FIG. 12 shows a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment. Similar to the first embodiment (FIG. 8), the silicon substrate 1 is subjected to (1) channel doping and (2) gate oxide film formation (becomes the insulating film 4).

次に、浮遊ゲート5の第1層となる、不純物を低濃度(5×1019cm−3以下)にドープしたポリシリコン51をCVD法により20〜30nm形成する((3−1)Doped Poly−Si堆積)。 Next, 20 to 30 nm of polysilicon 51 doped with impurities at a low concentration (5 × 10 19 cm −3 or less) to be the first layer of the floating gate 5 is formed by a CVD method ((3-1) Doped Poly). -Si deposition).

次に、熱酸化法によりポリシリコン51の上に極めて薄い酸化膜52(厚さ1nm程度
)を形成する((3−2)酸化膜(極薄))。
Next, an extremely thin oxide film 52 (thickness of about 1 nm) is formed on the polysilicon 51 by thermal oxidation ((3-2) oxide film (very thin)).

次に、酸化膜52に上に、不純物を低濃度(5×1019cm−3以下)にドープした非晶質シリコン53を膜厚150nm堆積する。((3−3)Doped a−Si堆積)。 Next, an amorphous silicon 53 doped with an impurity at a low concentration (5 × 10 19 cm −3 or less) is deposited on the oxide film 52 to a thickness of 150 nm. ((3-3) Doped a-Si deposition).

次に、酸化膜キャップ7となる酸化膜を膜厚100nm熱酸化法にて形成する((3−4)酸化膜キャップ)。次に、非晶質シリコン53を結晶化するため、摂氏600度18時間および1000度20秒のアニールを実施する((3−5)結晶化アニール)。さらに、第1実施形態(図8)と同様ゲートエッチを実施する。以降の手順は、第1実施形態の図8、図9と同様であるのでその手順を省略する。このようにして、おおよそ20〜3
0nmの粒径を有する1層目のポリシリコンを形成し、その上に、おおよそ100〜150nmの粒径を有する2層目のポリシリコンを形成する。
Next, an oxide film to be the oxide film cap 7 is formed by a thermal oxidation method with a film thickness of 100 nm ((3-4) oxide film cap). Next, in order to crystallize the amorphous silicon 53, annealing at 600 degrees Celsius for 18 hours and 1000 degrees Celsius for 20 seconds is performed ((3-5) crystallization annealing). Further, gate etching is performed as in the first embodiment (FIG. 8). Since the subsequent procedure is the same as that in FIGS. 8 and 9 of the first embodiment, the procedure is omitted. In this way, approximately 20-3
A first polysilicon layer having a particle size of 0 nm is formed, and a second polysilicon layer having a particle size of approximately 100 to 150 nm is formed thereon.

以上述べたように、ポリシリコン中でグレインの粒径を大きくすることで、グレインバウンダリの数、ひいては表面積を減少させ、グレインバウンダリへトラップされる電子数を減少させることができる。その結果、グレイン中の活性電子数を多くすることで、浮遊ゲート5の比抵抗が減少する。   As described above, by increasing the grain size of the polysilicon in the polysilicon, the number of grain boundaries and hence the surface area can be reduced, and the number of electrons trapped in the grain boundary can be reduced. As a result, the specific resistance of the floating gate 5 is reduced by increasing the number of active electrons in the grain.

ただし、粒径のサイズ大きいと、トランジスタの閾値のばらつきの原因になるために、図11に示したようにポリシリコンを2層とし、絶縁膜4の界面近傍での粒径は通常の浮遊ゲートと同様に維持し、その上層での粒径のみを大きくする。 なお、粒径が大きいと、絶縁膜4を挟んでソース2/ドレイン3の間のチャンネル領域に対向する浮遊ゲートの位置関係にばらつきが生じる。例えば、ある場合には、チャンネル領域境界(ソース2の端部およびドレイン3の端部)上にポリシリコンのグレインバウンダリが位置し、ある場合には、その境界上にグレインの中央付近が位置する。このようなチャンネル領域境界に対するポリシリコンの位置関係が異なると、浮遊ゲート5のキャリアによってチャンネル領域に形成される電界強度が変化する。その結果、その位置関係に応じて閾値がばらつく結果となるのである。   However, if the particle size is large, it causes variation in the threshold value of the transistor. Therefore, as shown in FIG. 11, two layers of polysilicon are used, and the particle size near the interface of the insulating film 4 is a normal floating gate. And increase the particle size only in the upper layer. If the particle size is large, the positional relationship of the floating gates facing the channel region between the source 2 and the drain 3 with the insulating film 4 interposed therebetween varies. For example, in some cases, the polysilicon grain boundary is located on the channel region boundary (the end of the source 2 and the end of the drain 3), and in some cases, the vicinity of the center of the grain is located on the boundary. . When the positional relationship of polysilicon with respect to the channel region boundary is different, the electric field strength formed in the channel region by the carriers of the floating gate 5 changes. As a result, the threshold value varies depending on the positional relationship.

本実施形態で説明したように、ポリシリコンを2層とすることでこのようなポリシリコンのグレインサイズに起因する閾値ばらつきを抑制できる。   As described in the present embodiment, it is possible to suppress the threshold variation due to the grain size of the polysilicon by using two layers of polysilicon.

《その他》
本実施形態は、以下の発明の態様(付記と呼ぶ)を含む。
(付記1)
基板上に形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、水素原子が導入された浮遊ゲートと、
前記浮遊ゲートの両側の前記基板内に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記浮遊ゲートを被覆する第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜を介して前記浮遊ゲートから分離して形成された制御ゲートと、
少なくとも前記浮遊ゲートおよび制御ゲートの上層を被覆する保護膜と、を備える半導体記憶装置。(1)
(付記2)
前記保護膜は、シリコン窒化膜である付記1に記載の半導体記憶装置。(2)
(付記3)
基板上に形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成された浮遊ゲートと、
前記浮遊ゲートの両側の前記基板内に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記浮遊ゲートを被覆する第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜を介して前記浮遊ゲートから分離して形成された制御ゲートと、
少なくとも前記浮遊ゲートおよび制御ゲートの上層を被覆する保護膜と、を備え、
前記浮遊ゲートは、複数の粒径の多結晶シリコンで形成された半導体記憶装置。(3)(付記4)
前記浮遊ゲートは、水素原子が導入されている付記3に記載の半導体記憶装置。
(付記5)
前記浮遊ゲートは、第1の粒径の多結晶シリコンからなる第1の層と、当該第1の粒径より大きい第2の粒径の多結晶シリコンからなる第2の層とからなる付記3または4記載の半導体記憶装置。
(付記6)
半導体基板上に、第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜上に、浮遊ゲートを形成する工程と、
前記浮遊ゲートを被覆する第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜を介して前記浮遊ゲートから分離して制御ゲートを形成する工程と、
前記浮遊ゲートの両側の前記基板内にソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、
少なくとも前記浮遊ゲートおよび制御ゲートの上層を被覆するシリコン窒化膜を形成する工程と、
所定の温度で所定時間熱処理することにより前記シリコン窒化膜から前記浮遊ゲートに水素原子を供給する工程とを有する半導体記憶装置の製造方法。(4)
(付記7)
半導体基板上に、第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1酸化膜上に、多結晶シリコンからなる浮遊ゲートを形成する浮遊ゲート形成工程と、
前記浮遊ゲートを被覆する第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜を介して前記浮遊ゲートから分離して制御ゲートを形成する工程と、
前記浮遊ゲートの両側の前記基板内にソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、
少なくとも前記浮遊ゲートおよび制御ゲートの上層を被覆する保護膜を形成する工程と、を備え、
前記浮遊ゲート形成工程は、前記多結晶シリコンの粒径を制御して前記浮遊ゲートを形成する半導体記憶装置の製造方法。(5)
(付記8)
前記浮遊ゲート形成工程は、第1の粒径の多結晶ポリシリコンからなる第1の層を形成し、
前記第1の層上に、前記第1の粒径より大きい第2の粒径の多結晶ポリシリコンかならなる第2の層を形成する付記7記載の半導体記憶装置の製造方法。
(付記9)
前記保護膜は、シリコン窒化膜であり、前記保護膜形成工程後、所定の温度で所定時間熱処理することにより前記シリコン窒化膜から前記浮遊ゲートに水素原子を供給する付記7または8に記載の半導体記憶装置の製造方法。
<Others>
This embodiment includes the following aspects of the invention (referred to as supplementary notes).
(Appendix 1)
A first insulating film formed on the substrate;
A floating gate formed on the first insulating film and introduced with hydrogen atoms;
A source region and a drain region formed in the substrate on both sides of the floating gate;
A second insulating film covering the floating gate;
A control gate formed separately from the floating gate via the second insulating film;
And a protective film covering at least an upper layer of the floating gate and the control gate. (1)
(Appendix 2)
The semiconductor memory device according to appendix 1, wherein the protective film is a silicon nitride film. (2)
(Appendix 3)
A first insulating film formed on the substrate;
A floating gate formed on the first insulating film;
A source region and a drain region formed in the substrate on both sides of the floating gate;
A second insulating film covering the floating gate;
A control gate formed separately from the floating gate via the second insulating film;
A protective film covering at least the upper layer of the floating gate and the control gate,
The floating gate is a semiconductor memory device formed of polycrystalline silicon having a plurality of grain sizes. (3) (Appendix 4)
The semiconductor memory device according to appendix 3, wherein the floating gate is introduced with hydrogen atoms.
(Appendix 5)
The floating gate includes a first layer made of polycrystalline silicon having a first grain size and a second layer made of polycrystalline silicon having a second grain size larger than the first grain size. Or the semiconductor memory device according to 4.
(Appendix 6)
Forming a first insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a floating gate on the first insulating film;
Forming a second insulating film covering the floating gate;
Forming a control gate by separating from the floating gate through the second insulating film;
Forming a source region and a drain region in the substrate on both sides of the floating gate;
Forming a silicon nitride film covering at least the upper layer of the floating gate and the control gate;
And a step of supplying hydrogen atoms from the silicon nitride film to the floating gate by performing a heat treatment at a predetermined temperature for a predetermined time. (4)
(Appendix 7)
Forming a first insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a floating gate made of polycrystalline silicon on the first oxide film; and
Forming a second insulating film covering the floating gate;
Forming a control gate by separating from the floating gate through the second insulating film;
Forming a source region and a drain region in the substrate on both sides of the floating gate;
Forming a protective film covering at least the upper layer of the floating gate and the control gate, and
In the floating gate forming step, the floating gate is formed by controlling the grain size of the polycrystalline silicon. (5)
(Appendix 8)
The floating gate forming step forms a first layer made of polycrystalline polysilicon having a first grain size,
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to appendix 7, wherein a second layer made of polycrystalline polysilicon having a second grain size larger than the first grain size is formed on the first layer.
(Appendix 9)
The semiconductor according to appendix 7 or 8, wherein the protective film is a silicon nitride film, and hydrogen atoms are supplied from the silicon nitride film to the floating gate by performing a heat treatment at a predetermined temperature for a predetermined time after the protective film forming step. A method for manufacturing a storage device.

ダイレクトトンネル構造の浮遊ゲートを有する半導体装置の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the semiconductor device which has a floating gate of a direct tunnel structure. ダイレクトトンネル構造の半導体装置の製造方法の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the manufacturing method of the semiconductor device of a direct tunnel structure. ポリシリコンの不純物濃度と、抵抗値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the impurity concentration of a polysilicon, and resistance value. グレインバウンダリの物理モデルを示す図である。It is a figure which shows the physical model of a grain boundary. シリコン窒化膜を使用したときの、比抵抗の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of a specific resistance when a silicon nitride film is used. 原子状の水素を注入した半導体装置の二次イオン質量分析計による分析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result by the secondary ion mass spectrometer of the semiconductor device which inject | poured atomic hydrogen. 第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図(その1)である。FIG. 6 is a diagram (part 1) illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment; 第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図(その2)である。FIG. 6 is a diagram (part 2) illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment; 第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図(その3)である。FIG. 8 is a diagram (No. 3) for illustrating a manufacturing step of the semiconductor device according to the first embodiment; 第2実施形態に係る半導体装置の浮遊ゲート5のグレインの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the grain of the floating gate 5 of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. グレインサイズが増大したときの比抵抗の変化を実験で求めた結果Results of experimental changes in resistivity when the grain size increases 第2実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板
2 ソース
3 ドレイン
4 絶縁膜(トンネル絶縁膜)
5 浮遊ゲート
6 絶縁膜
7 酸化膜キャップ
8 制御ゲート
9 サイドウォール
10 保護膜(シリコン窒化膜)
1 Silicon substrate 2 Source 3 Drain 4 Insulating film (tunnel insulating film)
5 Floating gate 6 Insulating film 7 Oxide film cap 8 Control gate 9 Side wall 10 Protective film (silicon nitride film)

Claims (3)

基板上に形成された、膜厚が3nm以下の第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に5×1019cm-3以下の不純物濃度を有する多結晶シリコンで形成され、水素原子が導入された浮遊ゲートと、
前記浮遊ゲートの両側の前記基板内に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記浮遊ゲートを被覆する第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜を介して前記浮遊ゲートから分離して形成された制御ゲートと、
少なくとも前記浮遊ゲートおよび制御ゲートの上層を被覆する保護膜と、を備える半導体記憶装置。
A first insulating film having a thickness of 3 nm or less formed on the substrate;
A floating gate formed of polycrystalline silicon having an impurity concentration of 5 × 10 19 cm −3 or less on the first insulating film and introduced with hydrogen atoms;
A source region and a drain region formed in the substrate on both sides of the floating gate;
A second insulating film covering the floating gate;
A control gate formed separately from the floating gate via the second insulating film;
And a protective film covering at least an upper layer of the floating gate and the control gate.
前記保護膜は、シリコン窒化膜である請求項1に記載の半導体記憶装置。   The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the protective film is a silicon nitride film. 半導体基板上に、膜厚が3nm以下の第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜上に、5×1019cm-3以下の不純物濃度を有する多結晶シリコンで浮遊ゲートを形成する工程と、
前記浮遊ゲートを被覆する第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜を介して前記浮遊ゲートから分離して制御ゲートを形成する工程と、
前記浮遊ゲートの両側の前記基板内にソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、
少なくとも前記浮遊ゲートおよび制御ゲートの上層を被覆するシリコン窒化膜を形成する工程と、
所定の温度で所定時間熱処理することにより前記シリコン窒化膜から前記浮遊ゲートに水素原子を供給する工程とを有する半導体記憶装置の製造方法。
Forming a first insulating film having a thickness of 3 nm or less on a semiconductor substrate;
Forming a floating gate on the first insulating film with polycrystalline silicon having an impurity concentration of 5 × 10 19 cm −3 or less;
Forming a second insulating film covering the floating gate;
Forming a control gate by separating from the floating gate through the second insulating film;
Forming a source region and a drain region in the substrate on both sides of the floating gate;
Forming a silicon nitride film covering at least the upper layer of the floating gate and the control gate;
And a step of supplying hydrogen atoms from the silicon nitride film to the floating gate by performing a heat treatment at a predetermined temperature for a predetermined time.
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