(57)【要約】【課題】フローティングゲート電極の充電容量を確保することが可能なフラッシュメモリ素子の製造方法を提供する。【解決手段】本発明のフラッシュメモリ素子の誘電体膜形成方法は、半導体基板上にドーフトポリシリコン膜のフローティングゲート電極を形成し、前記ドフートポリシリコン膜上にＨＳＧ(Hemi Spherical Grain)形状のポリシリコン層を形成する段階と、前記ＨＳＧ形状のポリシリコン層を形成した後、窒化処理工程を行う段階と、前記窒化処理工程済みの結果物上にＡｌ２Ｏ３膜を形成する段階と、前記形成されたＡｌ２Ｏ３膜上にコントロールゲート電極を形成する段階とを含む。【選択図】図４
2006108624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にドーフトポリシリコン膜のフローティングゲート電極を形成し、前記ドフートポリシリコン膜上にＨＳＧ(Hemi Spherical Grain)形状のポリシリコン層を形成する段階と、
前記ＨＳＧ形状のポリシリコン層を形成した後、窒化処理工程を行う段階と、
前記窒化処理工程済みの結果物上にＡｌ２Ｏ３膜を形成する段階と、
前記形成されたＡｌ２Ｏ３膜上にコントロールゲート電極を形成する段階とを含むことを特徴とするフラッシュメモリ素子の製造方法。
【請求項２】
前記窒化処理は、温度２００〜４００℃の窒素雰囲気でアニーリングして窒化処理し、あるいは７５０〜９５０℃の温度で３０秒〜３０分間ＲＴＮ(Rapid Thermal Nitridation)処理することにより行うことを特徴とする請求項１記載のフラッシュメモリ素子の 製造方法。
【請求項３】
前記窒素雰囲気は、ＮＨ３、Ｎ２とＨ２の混合ガス、及びＮ２Ｏのいずれか一つで形成することを特徴とする請求項２記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
【請求項４】
前記窒化処理は、ＨＦ蒸気(vapor)またはＨＦ溶液(solution)を用いたＨＦ化合物によって行うことを特徴とする請求項１記載のフラッシュメモリ素子の 製造方法。
【請求項５】
前記ＨＦ化合物を用いた窒化処理工程の際に、ＮＨ４ＯＨ溶液とＨ２ＳＯ４溶液の化合物を使用して界面を処理する段階をさらに行うことを特徴とする請求項４記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
【請求項６】
前記Ａｌ２Ｏ３膜は、３００〜６００℃のＬＰＣＶＤチャンバで気相反応(gas phase reaction)を抑制させながら反応ガスの過剰Ｏ２ガスと共にＡｌ成分の化学蒸気を用いて１次的に２０Å程度の非晶質膜で形成させ、ＲＴＰ(Rapid Thermal Process)を用いて７５０〜９５０℃のＮ２Ｏ雰囲気で約３０〜６００秒間アニーリングさせて前記非晶質膜に結晶化を誘導した後、前記結晶化された非晶質膜に２次的に所定の厚さの非晶質Ａｌ２Ｏ３膜を蒸着し、ＲＴＰを用いて７５０〜９５０℃のＮ２Ｏ雰囲気で３０〜６００秒間アニーリングさせ、前記２次的に蒸着された非晶質Ａｌ２Ｏ３膜を単結晶化させることを特徴とする請求項１記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
【請求項７】
前記Ａｌ成分の化学蒸気は、Ａｌ（ＯＣ２Ｈ５）３の化合物を流量調節器を介して蒸発器または蒸発管に供給した後、一定の量を１５０〜３００℃の温度範囲で蒸発させて得るようにすることを特徴とする請求項６記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造方法に係り、さらに詳しくは、フラッシュメモリ素子の誘電体膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、フラッシュメモリ素子に使用される誘電体膜は、フローティングゲートとコントロールゲートとの間に形成されるが、最近、次世代フラッシュメモリ素子に必要なフローティングゲート電極の充電容量が確保されるようにする誘電体膜を形成するための技術が要求されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本発明の目的は、フローティングゲート電極の充電容量を確保することが可能なフラッシュメモリ素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するための本発明は、半導体基板上にドーフトポリシリコン膜のフローティングゲート電極を形成し、前記ドフートポリシリコン膜上にＨＳＧ(Hemi Spherical Grain)形状のポリシリコン層を形成する段階と、前記ＨＳＧ形状のポリシリコン層を形成した後、窒化処理工程を行う段階と、前記窒化処理工程済みの結果物上にＡｌ２Ｏ３膜を形成する段階と、前記形成されたＡｌ２Ｏ３膜上にコントロールゲート電極を形成する段階とを含む、フラッシュメモリ素子の製造方法を提供する。
【０００５】
前記窒化処理は、温度２００〜４００℃の窒素雰囲気でアニーリングして窒化処理し、あるいは７５０〜９５０℃の温度で３０秒〜３０分間ＲＴＮ(Rapid Thermal Nitridation)処理することにより行うことが好ましく、前記窒素雰囲気は、ＮＨ３、Ｎ２とＨ２の混合ガス、及びＮ２Ｏのいずれか一つで形成することが好ましい。
【０００６】
前記窒化処理は、ＨＦ蒸気(vapor)またはＨＦ溶液(solution)を用いたＨＦ化合物によって行うことが好ましく、前記ＨＦ化合物を用いた窒化処理工程の際に、ＮＨ４ＯＨ溶液とＨ２ＳＯ４溶液の化合物を使用して界面を処理する段階をさらに行うことが好ましい。
【０００７】
前記Ａｌ２Ｏ３膜は、３００〜６００℃のＬＰＣＶＤチャンバで気相反応(gas phase reaction)を抑制させながら反応ガスの過剰Ｏ２ガスと共にＡｌ成分の化学蒸気を用いて１次的に２０Å程度の非晶質膜で形成させ、ＲＴＰ(Rapid Thermal Process)を用いて７５０〜９５０℃のＮ２Ｏ雰囲気で約３０〜６００秒間アニーリングさせて前記非晶質膜に結晶化を誘導した後、前記結晶化された非晶質膜に２次的に所定の厚さの非晶質Ａｌ２Ｏ３膜を蒸着し、ＲＴＰを用いて７５０〜９５０℃のＮ２Ｏ雰囲気で約３０〜６００秒間アニーリングさせ、前記２次的に蒸着された非晶質Ａｌ２Ｏ３膜を単結晶化させることが好ましく、前記Ａｌ成分の化学蒸気は、Ａｌ（ＯＣ２Ｈ５）３の化合物を流量調節器を介して蒸発器または蒸発管に供給した後、一定の量を１５０〜３００℃の温度範囲で蒸発させて得るようにすることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、Ａｌ２Ｏ３膜をフラッシュメモリ素子のセルトランジスタにおける誘電体膜として使用することにより、フラッシュメモリ素子に必要なフローティングゲート電極の高い充電容量を確保することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。ところが、これらの実施例は様々な形に変形できるが、本発明の範囲を限定するものではない。これらの実施例は当該技術分野で通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。また、ある膜が他の膜または半導体基板の「上」にあるまたは接触していると記載される場合、前記ある膜は、前記他の膜または半導体基板に直接接触して存在することもあり、あるいはその間に第３の膜が介在されることもある。
【００１０】
図１〜図５は本発明に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【００１１】
図１を参照すると、半導体基板１０上にトンネル酸化膜１２、及び電荷が蓄積される下部電極としてのフローティングゲート電極１４ａを形成する。前記フローティングゲート電極１４ａは、ドーフトポリシリコン膜で蒸着する。
【００１２】
図２を参照すると、前記形成された下部電極としてのフローティングゲート電極１４ａ上にＨＳＧ(Hemi Spherical Grain)形状のポリシリコン層１４ｂを形成して電荷蓄積電極として使用する。
【００１３】
図３を参照すると、前記ＨＳＧ形状のポリシリコン層１４ｂ上に窒化処理工程を行い、窒化処理された半球状のポリシリコン膜１４ｃを形成する。
【００１４】
前記窒化処理工程は、半球状のポリシリコン層１４ｂ上に、以後行われるべき非晶質のＡｌ２Ｏ３誘電体膜の蒸着の際にポリシリコン層と非晶質のＡｌ２Ｏ３薄膜界面に形成できる低誘電率層の酸化膜（ＳｉＯ２）が形成されることを防止するために行う。
【００１５】
前記窒化処理工程では、以後行われるべき非晶質Ａｌ２Ｏ３誘電体膜の蒸着直前にインシチュー(in-situ)状態でプラズマを用いて温度約２００〜４００℃のＮＨ３（またはＮ２／Ｈ２、Ｎ２Ｏ）ガス雰囲気でアニーリングして窒化処理し、あるいは７５０〜９５０℃の温度で約３０秒〜３０分間ＲＴＮ(Rapid Thermal Nitridation)処理する。
【００１６】
また、前記窒化処理工程は、ＨＦ化合物、すなわちＨＦ蒸気またはＨＦ溶液を用いて行われるもので、シリコン窒化膜Ｓｉ３Ｎ４を１０Å未満の厚さに形成した後、時間遅延なく、以後蒸着されるべきＡｌ２Ｏ３膜を形成する。
【００１７】
一方、前記ＨＦ化合物を用いたい窒化処理工程の際、前記窒化処理工程の前後に界面を洗浄し、或いは均一性を向上させる目的でＮＨ４ＯＨ溶液とＨ２ＳＯ４溶液などの化合物を用いて界面を処理する段階をさらに行う。
【００１８】
図４を参照すると、窒化処理された半球状のポリシリコン膜１４ｃが形成された結果物にＡｌ２Ｏ３膜１６を形成する。
【００１９】
前記Ａｌ２Ｏ３膜１６を形成する方法は、３００〜６００℃のＬＰＣＶＤチャンバで気相反応を抑制させながら反応ガスのＯ２ガスと共に次のように形成される化学蒸気を用いて１次的に２０Å程度の非晶質膜で形成させ、ＲＴＰを用いて７５０〜９５０℃のＮ２Ｏ雰囲気で約３０〜６００秒間アニーリングさせて結晶化を誘導した後、所望の厚さだけ２次的に非晶質Ａｌ２Ｏ３を蒸着し、同一の方法、すなわちＲＴＰを用いて７５０〜９５０℃のＮ２Ｏ雰囲気で約３０〜６００秒間アニーリングさせて単結晶化を誘導することにより、その形成を完了する。
【００２０】
前記Ａｌ成分の化学蒸気は、一定量のＡｌ（ＯＣ２Ｈ５）３のような化合物をＭＦＣ(mass flow control)のような流量調節器を介して蒸発器または蒸発管に供給した後、一定の量を１５０〜３００℃の温度範囲で蒸発させて得る。
【００２１】
図５を参照すると、前記Ａｌ２Ｏ３膜１６の形成された結果物の全面にドーピングされたポリシリコン膜を形成した後、フォトエッチング工程によって上部電極のコントロールゲート電極１８を形成することにより、フラッシュメモリ素子のセルトランジスタ形成工程を完了する。
【００２２】
前記形成されたＡｌ２Ｏ３膜をフラッシュメモリ素子のセルトランジスタにおける誘電体膜として用いると、誘電率が従来のＯＮＯ(oxide-nitride-oxide)膜より高い（Ａｌ２Ｏ３膜のεは９．３であり、ＯＮＯ膜のεは４〜５程度である）ため、高い充電容量を得ることができる。
【００２３】
また、化学的結合構造も従来のＴａ２Ｏ５膜より安定しており、上下部電極との界面で起こる酸化反応を１次結晶化段階を経て効果的に除去することができるため、ＯＮＯ膜またはＴａ２Ｏ５膜より等価酸化膜の厚さをさらに低めることができて高い充電容量を確保することができる。
【００２４】
また、漏洩電流の水準を低め且つ高い充電容量を得るためにＡｌ２Ｏ３膜を行うと、ＯＮＯ膜のように自然酸化膜除去工程とＯＮＯ酸化工程のような前後工程が不要となる。
【００２５】
特に、Ａｌ２Ｏ３膜は、機械的電気的強度に優れたペロプスカイト型（ＡＢＯ３）構造をしているため、ＯＮＯ膜またはＴａ２Ｏ５膜に比べて構造的に安定して、外部から印加される電気的衝撃にも強くなる。
【００２６】
また、高温熱処理によって単結晶化を誘導して結合力を強化させると、薄膜の物理化学的特性の劣化を防止することができるうえ、単結晶化されたＡｌ２Ｏ３膜が相対的に非晶質薄膜より高い誘電率を得ることができるため、電気的特性が改善された良質のＡｌ２Ｏ３膜を得ることができる。
【００２７】
また、単結晶のＡｌ２Ｏ３膜を形成した際には、物質自体の優れた電気的強度のために高い絶縁破壊電圧を得ることができ、酸化抵抗性にも優れるうえ、界面自体も均質になるため、漏洩電流の水準がＴａ２Ｏ５膜に比べて相対的に低くなる。
【００２８】
したがって、電荷蓄積電極の面積を増加させるために二重または三重構造のフローティングゲートが要求されることなく、フローティングゲートが現在のように簡単な工程のスタック構造であるとしても十分な静電容量を得ることができるので、単位工程数が少なく、単位工程時間が短くて生産コストを節減することができる。
【００２９】
以上、本発明を具体的な実施例によって詳細に説明したが、本発明の技術的思想の範囲内で変形または変更することが可能なのは本発明の属する分野の当業者には明らかであり、そのような変形または変更は本発明の特許請求の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０    半導体基板
１２    トンネル酸化膜
１４    フローティングゲート電極
１６    Ａｌ２Ｏ３膜
１８    コントロールゲート電極
【図１】
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【図２】
2006108624.tif 000004
【図３】
2006108624.tif 000005
【図４】
2006108624.tif 000006
【図５】
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