(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２導電層の間に導電層間絶縁膜を形成するために、
第１導電層を形成し、
シリコン及び水素を含む第１ガス、及び窒素を含む第２ガス雰囲気で前記第１導電層の表面を第１熱処理し、
前記第１熱処理に続いて窒素及び酸素を含む第３ガス雰囲気で前記第１導電層の上部表面を第２熱処理して酸化窒化物のインタフェース膜を形成し、
前記第２熱処理に続いて前記インタフェース膜上にシリコン酸化物絶縁膜を形成し、
前記シリコン酸化物絶縁膜上に第２導電層を形成する段階を含むことを特徴とする導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項２】
前記第１熱処理は７００〜８００℃範囲の温度で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項３】
前記第１熱処理は７００〜７５０℃範囲の温度で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項４】
前記第１熱処理は７３０℃の温度で１時間行なわれることを特徴とする請求項１に記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項５】
前記第１熱処理は８００℃の温度で３０分間行なわれることを特徴とする請求項１に記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項６】
前記第１ガスはシランであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項７】
前記第１ガスはＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｓｉ（ＣＨ３）Ｈ３、及びＳｉ３Ｈ８よりなる群から選択されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項８】
前記第２ガスはＮＨ３及びＮ２よりなる群から選択されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項９】
前記第３ガスはＮ２Ｏ及びＮＯよりなる群から選択されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項１０】
前記第１熱処理は前記第１導電層の上面での表面粗度を向上させることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項１１】
前記酸化窒化物インタフェース膜はシリコン酸化窒化物ＳｉＯｘＮｙ材料よりなることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項１２】
前記酸化窒化物インタフェースは２０Åより薄いことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項１３】
前記酸化窒化物インタフェース膜及びシリコン酸化物絶縁膜の厚さの合計は７０Åより薄いことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項１４】
前記第１及び第２導電層はポリシリコンよりなることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項１５】
前記第１導電層は半導体基板上に形成されたフローティングゲートを含み、前記第２導電層は前記絶縁膜上に形成されたコントロールゲートを含むことを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の導電層間絶縁膜の形成方法。
【請求項１６】
半導体素子のフローティングゲートとコントロールゲート間にゲート間絶縁膜を形成するために、
半導体基板上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上にフローティングゲート層を形成し、
シリコン及び水素を含む第１ガス、及び窒素を含む第２ガス雰囲気で前記フローティングゲート層の表面を第１熱処理し、
前記第１熱処理に続いて窒素及び酸素を含む第３ガス雰囲気で前記フローティングゲート層の上部表面を第２熱処理して酸化窒化物のインタフェース膜を形成し、
前記第２熱処理に続いて前記インタフェース膜上にシリコン酸化物絶縁膜を形成し、
前記シリコン酸化物絶縁膜上にコントロールゲート層を形成し、
ゲート絶縁膜、フローティングゲート層、絶縁膜、及びコントロールゲート層をパターニングして前記基板上にゲート構造を形成する段階を含むことを特徴とするゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項１７】
前記ゲート構造に隣接した前記基板にソース及びドレーン領域を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項１８】
前記第１熱処理は７００〜８００℃範囲の温度で行なわれることを特徴とする請求項１６または１７に記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項１９】
前記第１熱処理は７００〜７５０℃範囲の温度で行なわれることを特徴とする請求項１６または１７に記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項２０】
前記第１熱処理は７３０℃の温度で１時間行なわれることを特徴とする請求項１６または１７に記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項２１】
前記第１熱処理は８００℃の温度で３０分間行なわれることを特徴とする請求項１６または１７に記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項２２】
前記第１ガスはシランであることを特徴とする請求項１６から２１のいずれかに記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項２３】
前記第１ガスはＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｓｉ（ＣＨ３）Ｈ３及びＳｉ３Ｈ８よりなる群から選択されることを特徴とする請求項１６から２１のいずれかに記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項２４】
前記第２ガスはＮＨ３及びＮ２よりなる群から選択されることを特徴とする請求項１６から２３のいずれかに記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項２５】
前記第３ガスはＮ２Ｏ及びＮＯよりなる群から選択されることを特徴とする請求項１６から２４のいずれかに記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項２６】
前記第１熱処理は前記フローティングゲート層の上面での表面粗度を向上させることを特徴とする請求項１６から２５のいずれかに記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項２７】
前記酸化窒化物インタフェース膜はシリコン酸化窒化物ＳｉＯｘＮｙ材料よりなることを特徴とする請求項１６から２６のいずれかに記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項２８】
前記酸化窒化物インタフェース膜は２０Åより薄いことを特徴とする請求項１６から２７のいずれかに記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項２９】
前記酸化窒化物インタフェース膜及びシリコン酸化物絶縁膜の厚さの合計は７０Åより薄いことを特徴とする請求項１６から２８のいずれかに記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項３０】
前記フローティングゲート層及びコントロールゲート層はポリシリコンよりなることを特徴とする請求項１６から２９のいずれかに記載のゲート間絶縁膜の形成方法。
【請求項３１】
半導体基板と、
前記基板上にあるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上にあるフローティングゲートと、
前記フローティングゲート上にある２０Åより薄い酸化窒化物インタフェース膜と、
前記インタフェース膜上にあるシリコン酸化物絶縁膜と、
前記シリコン酸化物絶縁膜上にあるコントロールゲートを含み、
前記フローティングゲートの上部表面の粗度が３０Åより低いことを特徴とする半導体素子。
【請求項３２】
前記インタフェース膜は１０Åより薄いことを特徴とする請求項３１に記載の半導体素子。
【請求項３３】
前記インタフェース膜は、
シリコン及び水素を含む第１ガス、及び窒素を含む第２ガス雰囲気で前記フローティングゲートの表面上を第１熱処理し、
前記第１熱処理に続いて窒素及び酸素を含む第３ガス雰囲気で前記フローティングゲートの上部表面を第２熱処理することによって形成されることを特徴とする請求項３１または３２に記載の半導体素子。
【請求項３４】
前記第１熱処理は７００〜８００℃範囲の温度で行なわれることを特徴とする請求項３３に記載の半導体素子。
【請求項３５】
前記第１熱処理は７００〜７５０℃範囲の温度で行なわれることを特徴とする請求項３３に記載の半導体素子。
【請求項３６】
前記第１熱処理は７３０℃の温度で１時間行なわれることを特徴とする請求項３３に記載の半導体素子。
【請求項３７】
前記第１熱処理は８００℃の温度で３０分間行なわれることを特徴とする請求項３３に記載の半導体素子。
【請求項３８】
前記第１ガスはシランであることを特徴とする請求項３３から３７のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項３９】
前記第１ガスはＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｓｉ（ＣＨ３）Ｈ３及びＳｉ３Ｈ８よりなる群から選択されることを特徴とする請求項３３から３７のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項４０】
前記第２ガスはＮＨ３及びＮ２よりなる群から選択されることを特徴とする請求項３３から３９のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項４１】
前記第３ガスはＮ２Ｏ及びＮＯよりなる群から選択されることを特徴とする請求項３３から４０のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項４２】
前記第１熱処理は前記フローティングゲートの上面での表面粗度を向上させることを特徴とする請求項３３から４１のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項４３】
前記酸化窒化物インタフェース膜はシリコン酸化窒化物ＳｉＯｘＮｙ材料よりなることを特徴とする請求項３１から４２のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項４４】
前記酸化窒化物インタフェース膜及びシリコン酸化物絶縁膜の厚さの合計は７０Åより薄いことを特徴とする請求項３１から４３のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項４５】
前記フローティングゲート膜及びコントロールゲートはポリシリコンよりなることを特徴とする請求項３１から４４のいずれかに記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は下部導電層と上部導電層間に絶縁薄膜が提供される半導体素子の形成方法、及びその方法によって形成された半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性半導体メモリ素子は、連続的な電源の供給を受けない電子システムにおいて、例えば電源が常に供給できないか、電源供給が断続的であるか、低電力駆動を要する多様な応用分野において幅広く応用されている。これら応用分野の例として、携帯用テレコミュニケーションシステム、音楽及び／または画像データを保存するためのメモリカード、そしてプロセシングユニット及びメモリユニットを含むシステム−オン−チップ分野で使用されうる。
【０００３】
不揮発性メモリ素子のセルトランジスタは、共通的にソース／ドレーン領域間の基板のチャンネル領域上に形成されたスタックゲート構造を採用する。前記スタックゲート構造は、チャンネル上に順次積層されたゲート絶縁膜、フローティングゲート電極、ゲート間絶縁膜、及びコントロールゲート電極を含む。前記フローティングゲート電極とコントロールゲート電極とは容量結合され、トランジスタのプログラミング段階中にフローティングゲートがプログラミングされるようにする。同時に、フローティングゲート電極はゲート絶縁膜とゲート間絶縁膜間で隔離されており、プログラミング段階の後に行われるトランジスタの後続動作の間に、フローティングゲートから基板へ、またはフローティングゲートからコントロールゲートへの電荷の移動を防止する。
【０００４】
ゲート絶縁膜は、通常ＳｉＯ２のようなゲート酸化膜材料で形成される。ゲート絶縁膜上に形成されるフローティングゲートはポリシリコンのような導電材料よりなる。ゲート間絶縁膜はフローティングゲート上に形成される。コントロールゲートはポリシリコンのような導電材料よりなってゲート間絶縁膜上に形成される。したがって、ゲート間絶縁膜はプログラミング段階中にコントロールゲートとフローティングゲート間に適切な容量結合がなされるように十分に薄く、電荷がフローティングゲートに保存されるように電荷の流れを可能にしなければならない。また、薄いゲート間絶縁膜は素子動作速度を速める。同時に、ゲート間絶縁膜はプログラミングの後のトランジスタの後続動作時に、フローティングゲートからコントロールゲートまでの電荷の移動を防止できる程度に十分厚くなくてはならない。
【０００５】
スタックゲート構造はコントロールゲートに印加されるコントロール電圧Ｖｃｏｎｔｒｏｌと基板電圧、例えば基板に印加される接地電圧との間に直列連結された２個のキャパシタに縮約されうる。第１キャパシタンスＣ１はコントロールゲートとフローティングゲート間に提供され、第２キャパシタンスＣ２はフローティングゲートと基板間に提供される。したがって、フローティングゲートの電圧は次の関係、Ｖｆｌｏａｔｉｎｇ−Ｖｃｏｎｔｒｏｌ（Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）によって決定される。充電動作中には基板に比べて多量の電圧がコントロールゲートに印加される。電子は基板から移動してゲート絶縁膜を通過し、フローティングゲートに浸透される。その結果、フローティングゲートは初期電圧Ｖｆｌｏａｔｉｎｇになる。比較的大きい第１及び第２キャパシタンスがフローティングゲートの初期電圧を維持させる。一方、放電動作中には、負の電圧がコントロールゲートに印加され、正の電圧が基板に印加される。放電動作中には以前にフローティングゲートに保存されていた電子がまたゲート絶縁膜を通じて基板に放出される。フローティングゲートで変化される電荷量はトランジスタの限界電圧を変化させる。同様に、トランジスタの読出し動作中に荷電されたトランジスタが第２の２進数値、例えば“０”として解読される。
【０００６】
不揮発性メモリ素子において、フローティングゲートとコントロールゲートとを隔離させるために使われるゲート間絶縁膜の特性は非常に重要である。ゲート間絶縁膜はフローティングゲートからコントロールゲートへの電荷の移動を防止できなければならない。同時に、前記絶縁膜はプログラミング動作中にコントロールゲートとフローティングゲート間の容量結合を確保できる程度に十分薄くなくてはならない。フローティングゲートメモリ素子は、共通的に荷電及び放電動作を行なうための高いプログラミング電圧を必要とする。例えば、現在常用されているフラッシュセルはコントロールゲートと基板間に１８ボルト電位を用いてプログラミングモードに動作する。現在常用されているＥＥＰＲＯＭ素子は１５ボルト電位を必要とする。このように、高い電圧をチップに発生させるために特殊なポンピング回路を使用しており、高電圧を素子端子に印加するために特殊な高電圧トランジスタが要求されている。このように、大規模の成分は狭くなったチップの面積を多く占有する傾向があり、製造単価を高める傾向がある。
【０００７】
ゲート間絶縁膜の形成方法としては、全的にＳｉＯ２、すなわち“酸化物”で形成する方法が提案された。しかし、ゲート間絶縁膜として酸化膜のみを使用すれば、フローティングゲートからコントロールゲートへの電荷の移動を防止し、下部のポリシリコンフローティングゲートの表面粗度がフローティングゲートまで伝達されることを防止するために、少なくとも１５０Åの厚さを有する膜を形成しなければならない。このように、膜を厚く形成すれば、コントロールゲートとフローティングゲート間の容量結合を確保するために、かなり高いプログラミング電圧が要求される。
【０００８】
他の方法として、ゲート間絶縁膜をシリコン窒化物Ｓｉ３Ｎ４、すなわち“窒化物”で形成する方法が提案された。窒化物ゲート間絶縁膜は酸化膜ゲート間絶縁膜に比べてコントロールゲートとフローティングゲート間において、単位厚さ当り向上された容量結合を提供する。しかし、窒化物はコントロールゲート及びフローティングゲートのポリシリコン材料にうまく付着できず、したがって、ゲート間絶縁膜として単独に使用することは現実的に不可能である。
【０００９】
このような点を考慮して、ゲート間絶縁膜を形成するために酸化物−窒化物−酸化物（ＯＮＯ）層の積層組み合わせが提案された。ＯＮＯ層では、窒化膜によって有利な容量結合効果が得られるだけでなく、上下部の酸化膜は窒化物絶縁膜とポリシリコンコントロールゲート及びフローティングゲート間の転移、すなわちバッファ層を提供する。しかし、この構成では少なくとも４０Åの高さを有するフローティングゲートの表面粗度により、下部トポロジを覆い包むためには酸化膜が少なくとも６０Åの厚さに形成されなければならない。下部酸化膜はコンフォーマルな特性があるので、下部フローティングゲートの上面のトポロジが下部酸化膜の上面までそのまま移される。その上には、８０Å厚さの窒化膜を形成する。窒化膜もやはりコンフォーマルな特性があるので、下部酸化膜の上面のトポロジが窒化膜の上面まで移される。その後、窒化膜上に６０Å厚さの第２酸化膜を蒸着する。この層はブロッキング酸化膜と呼ばれるものであって、フローティングゲートとコントロールゲート間で電荷の拡散を防止する。結果的に得られた構造はその厚さが１９０Åであり、これは素子のプログラミング電圧が低下されうる量を制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、下部導電層と上部導電層間に絶縁薄膜が提供される半導体素子の形成方法、及びその方法によって形成された半導体素子を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施例において、トランジスタ、例えば不揮発性メモリセルトランジスタにおいて、絶縁薄膜はゲート間絶縁膜より、下部導電層はフローティングゲートより、上部導電層はコントロールゲートよりなる。この方法は絶縁薄膜は下部のフローティングゲートと上部のコントロールゲートとの間の容量結合を増加させる。また、限界電圧は所望の範囲を維持しつつ、トランジスタのプログラミング電圧、消去電圧、及び読出し電圧を下げる。また、トランジスタのサイズ及びストレージセルが最小化でき、低くなったプログラミング電圧によってポンピング回路が不要になるので、回路における高電圧領域の必要性が減る。
【００１２】
前記の絶縁薄膜は熱処理工程によって形成され、これによって下部のフローティングゲートの表面粗度が減少し、シリコン酸化窒化物薄膜がフローティングゲート上に形成される。前記シリコン酸化窒化物薄膜上に絶縁膜が形成され、これらが結合された膜はゲート間絶縁膜を形成する。得られた絶縁薄膜はフローティングゲートからの電荷移動を防止する優れた壁の役割をする。
【００１３】
第１態様において、本発明は第１導電層と第２導電層間に導電層間絶縁膜を形成する方法に関する。第１導電層が形成される。第１導電層はシリコン及び水素を含む第１ガス、及び窒素を含む第２ガス雰囲気で第１熱処理される。前記第１熱処理に続いて、前記第１導電層が窒素を含む第３ガス雰囲気で第２熱処理される。前記第２熱処理に続いて、前記第１導電層上に絶縁膜が形成される。前記絶縁膜上に第２導電層が形成される。
【００１４】
一実施例において、前記第１熱処理は７００〜８００℃範囲の温度、例えば、７００〜７５０℃範囲の温度で行なわれる。他の実施例において、前記第１熱処理は７３０℃の温度で１時間、または８００℃の温度で３０分間行なわれる。
【００１５】
一実施例において、前記第１ガスはシランであり、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｓｉ（ＣＨ３）Ｈ３及びＳｉ３Ｈ８よりなる群から選択される。前記第２ガスはＮＨ３及びＮ２よりなる群から選択される。必要によって、前記第３ガスは酸素をさらに含む。例えば、前記第３ガスはＮ２Ｏ及びＮＯよりなる群から選択される。
【００１６】
一実施例において、前記第１熱処理は前記第１導電層の上面における表面粗度を向上させる。前記第２熱処理は前記第１導電層上に酸化窒化物インタフェースを提供する。前記酸化窒化物インタフェースは、例えばシリコン酸化窒化物ＳｉＯｘＮｙ材料からなり、２０Åより薄い。一実施例において、前記酸化窒化物インタフェース及び絶縁膜の厚さの合計は７０Åより薄い。
【００１７】
一実施例において、前記絶縁膜は酸化物、窒化物及び酸化窒化物よりなる群から選択される物質よりなる。他の実施例において、前記絶縁膜を形成する段階は前記第２熱処理に続いて前記第１導電層上に第１絶縁膜を形成し、前記第１絶縁膜上に第２絶縁膜を形成することを含む。この場合、前記第１絶縁膜は窒化物を含み、前記第２絶縁膜は酸化物を含む。
【００１８】
一実施例において、前記第１及び第２導電層はポリシリコンよりなる。一実施例において、前記第１導電層は半導体基板上に形成されたフローティングゲートを含み、前記第２導電層は前記絶縁膜上に形成されたコントロールゲートを含む。
【００１９】
他の態様において、本発明は半導体素子のフローティングゲートとコントロールゲート間にゲート間絶縁膜を形成する方法に関する。半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する。前記ゲート絶縁膜上にフローティングゲート層を形成する。シリコン及び水素を含む第１ガス、及び窒素を含む第２ガス雰囲気で前記フローティングゲート層を第１熱処理する。前記第１熱処理に続いて、窒素を含む第３ガス雰囲気で前記フローティングゲート層を第２熱処理する。前記第２熱処理に続いて、前記フローティングゲート層上に絶縁膜を形成する。前記絶縁膜上にコントロールゲート層を形成する。ゲート絶縁膜、フローティングゲート層、絶縁膜、及びコントロールゲート層をパターニングして前記基板上にゲート構造を形成する。
【００２０】
他の様態において、本発明は半導体素子に関する。前記半導体素子は半導体基板、及び前記基板上にあるゲート絶縁膜を含む。前記ゲート絶縁膜上にはフローティングゲートがある。前記フローティングゲート上には２０Åより薄い酸化窒化物インタフェース膜がある。前記インタフェース膜上には絶縁膜がある。前記絶縁膜上にはコントロールゲートがある。
【００２１】
一実施例において、前記インタフェース膜は１０Åより薄い。
【００２２】
一実施例において、前記インタフェース膜はシリコン及び水素を含む第１ガス、及び窒素を含む第２ガス雰囲気で前記フローティングゲートを第１熱処理し、前記第１熱処理に続いて、窒素を含む第３ガス雰囲気で前記フローティングゲートを第２熱処理することによって形成される。
【００２３】
本発明の前記及び他の目的、特徴及び利点は添付図面を参照して説明するように、本発明の望ましい実施例に関するさらに特定された詳細な説明から明らかになり、添付図面で類似する参照符号は同じ要素を指す。各図面は本発明の原理を説明するために誇張されたものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、絶縁薄膜は下部のフローティングゲートと上部のコントロールゲートとの間の容量結合を増加させる。また、限界電圧は所望の範囲を維持しつつ、トランジスタのプログラミング電圧、消去電圧、及び読出し電圧を下げる。また、トランジスタのサイズ及びストレージセルが最小化でき、低くなったプログラミング電圧でポンピング回路が不要になるので、回路における高電圧領域の必要性が減る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付された図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２６】
次に説明する本発明の望ましい実施例及び前記特許請求の範囲において、用語“上”は半導体素子の製造時に使われる材料層に対して使われる時、下地膜に直接印加されるいかなる層、または、下地層との間に必要に応じた単一または複数の中間層が介在された状態における前記下地膜上にある層を指す。図面で各層の厚さは本発明の多様な特徴を説明するために誇張されたものである。
【００２７】
図１Ａないし図１Ｆは本発明の一実施例による半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【００２８】
図１Ａにおいて、半導体基板１０上にゲート絶縁膜２０を１００Åの厚さに形成する。一実施例において、前記半導体基板１０はシリコン材料より、ゲート絶縁膜はＳＩＯ２、すなわち“酸化膜”よりなる。
【００２９】
その後、前記ゲート絶縁膜２０上に第１導電層３０を形成する。一実施例において、前記第１導電層３０はＣＶＤ法によって形成された１５００Å厚さのポリシリコンよりなる。一実施例において、次の説明のように前記第１導電層３０は後続工程でパターニングされてフローティングゲートを構成する。この時、前記第１導電層３０の上面はポリシリコンの材料特性、及び前記第１導電層３０の形成時に用いられた蒸着工程に起因して実質的に表面粗度を有する。例えば、前記のように前記第１導電層３０の表面粗度は低くても４０Å水準である。
【００３０】
図１Ｂで、結果物を第１熱処理４２する。前記第１熱処理はポリシリコンよりなる第１導電層３０の表面粗度を減少させる。第１熱処理４２は６５０〜８５０℃の温度で加熱されたファーネスチャンバに前記基板を載置した状態でなされる。前記チャンバにシリコン及び水素を含む第１ガスの流れ、及び窒素を含む第２ガスの流れを組成する。一実施例において、前記第１ガスはシラン（ＳｉＨ４）より、前記第２ガスはアンモニア（ＮＨ３）よりなる。窒素を含む第２ガスと水素及びシリコンを含む第１ガスとの比は１０：１〜１０００：１の範囲以内である。１０：１より低い比、例えば９：１の比ではポリシリコンにシリコンランプが発生する。選択的に、シリコン及び水素を含む第１ガスは他の形態のシラン、例えばＳｉ２Ｈ６、Ｓｉ（ＣＨ３）Ｈ３またはＳｉ３Ｈ８、またはこれらの組み合わせよりなりうる。前記第２ガスは選択的にＮ２を含みうる。
【００３１】
一実施例において、第１熱処理４２は７３０℃で１時間行なわれる。他の実施例において、第１熱処理は８００〜８５０℃で３０分間行なわれうる。チャンバの真空状態は０．５トル（ｔｏｒｒ）より低く、例えば０．３ｔｏｒｒにする。
【００３２】
第１熱処理４２の結果として、ポリシリコンよりなる第１導電層３０の表面４４の表面粗度が３０Åより低く減少される。第１熱処理中にシリコン及び水素を含むガス、例えばシランガスを使用することによって下部のポリシリコン層の表面粗度が著しく向上する。同時に、シランを使用することによって工程温度を８００℃以下に下げることができ、工程時間が短縮されうる。シランの量は特別に制限されないが、過量のシランを使用することになれば、ポリシリコン層にシリコンランプが形成されて望ましくない。
【００３３】
結果的に、得られた表面粗度の比較例が図４Ａ及び図４Ｂに示されている。図４Ａは従来技術によってフローティングゲートを形成し、その上に酸化膜を蒸着した場合の上面の粗度である。結果物で、フローティングゲートの上面は高い程度の表面粗度、例えば少なくとも４０Å水準の表面粗度を有する。図４Ｂは第１熱処理４２を適用したフローティングゲートの上面の表面粗度の斜視図である。第１熱処理の後に得られた結果物のフローティングゲート上面は３０Åより低いレベルの表面粗度を有する。
【００３４】
図１Ｃで、得られた結果物を第２熱処理５２する。前記第２熱処理５２は、８００〜８５０℃の温度に加熱されたファーネスチャンバでなされる。前記チャンバに窒素を含む第３ガス、例えばＮ２ＯまたはＮＯガス流れを組成する。一実施例において、第２熱処理５２は８００〜８５０℃で３０分ないし１時間行なわれる。
【００３５】
第２熱処理５２の結果として、ポリシリコンよりなる第１導電層３０上には下地膜構造にある懸垂結合の置換の結果として、酸化窒化物インタフェースとして酸化窒化膜５４が形成される。前記のように、前記酸化窒化膜５４は第１熱処理によって減少された表面粗度を有するポリシリコンよりなる第１導電層３０の上面の上に形成される。一実施例において、前記酸化窒化膜５４はポリシリコンよりなる第１導電層３０の上面に約１０Å程度の厚さに形成されたシリコン酸化窒化物ＳｉＯｘＮｙ材料よりなる。前記酸化窒化膜５４は前記第１導電層３０で形成されるフローティングゲートから上部のコントロールゲートへの電荷の移動を防止する優れた壁の役割をする。同時に、前記酸化窒化膜５４は、例えば約１０Å以下の薄い厚さを有するので、フローティングゲートとコントロールゲートとの間に優れた容量結合を提供する。容量結合が向上されれば、予想可能な限界電圧は維持しつつ、トランジスタにおけるプログラミング電圧、消去電圧及び読出し電圧は低くなる。
【００３６】
図１Ｄで、結果物上に絶縁膜６０が５０〜１００Åの厚さに形成される。一実施例において、前記絶縁膜６０はＳｉＯ２よりなってＣＶＤ法で形成される。これと共に、下部の酸化窒化膜５４及び上部の絶縁膜６０はゲート間絶縁膜６６を構成する。ゲート間絶縁膜６６の結合厚さＴ１は６０〜１００Å程度であり、これは一般的に１５０Å以上の厚さを有する従来の方法によって得られたゲート間絶縁膜に比べて相対的に薄い。酸化窒化膜５４および絶縁膜６０の厚さの合計は、７０Åより薄いことが好ましい。
【００３７】
図１Ｅで、前記ゲート間絶縁膜６６上に第２導電層を７２形成する。一実施例において、前記第２導電層７２はＣＶＤ法によって形成され、約１５００Å程度の厚さを有するポリシリコンよりなる。前記第２導電層７２は後続工程でパターニングされてコントロールゲートを形成する。
【００３８】
図１Ｆで、結果物を通常のフォトリソグラフィ工程によってパターニングしてゲートパターン８０を形成する。これは得られるトランジスタのゲートの役割をする。不純物イオンの注入によってゲート構造の両側にソース／ドレーン領域９０を形成する。前記ゲート構造の両側には通常の方法によって側壁スペーサが形成されうる。
【００３９】
図２Ａないし図２Ｃは本発明の他の実施例による半導体素子の製造方法を説明するために工程順によって示した断面図である。
【００４０】
図３は本発明による方法によって形成された半導体素子の充電及び放電状態に対する限界電圧を従来技術によって形成された半導体素子の限界電圧と比較して示したものである。前記のように、本発明のゲート間絶縁薄膜はフローティングゲートとコントロールゲート間の容量結合を向上させる。したがって、充電及び放電動作中に移動するキャリアの量が従来技術による場合に比べて増加する。結果的に、本発明においては従来技術に比べて“オン”セルの限界電圧は減少され、“オフ”セルの限界電圧は増加される。充電及び放電の時に同一大きさの電圧が要求される時、本発明の場合には従来技術に比べてより低い限界電圧をもってセルの充電及び放電が十分に可能である。
【００４１】
以上、本発明を望ましい実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の技術的な思想の範囲内で当業者によって様々な変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
フラッシュメモリが使われるあらゆる分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１Ａ】本発明の一実施例による半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに続く半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｂに続く半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｃに続く半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｅ】図１Ｄに続く半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｆ】図１Ｅに続く半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図２Ａ】本発明の他の実施例による半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに続く半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｂに続く半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明によって製造された半導体素子の限界電圧について例示的なチャートを従来技術によって製造された半導体素子の場合と比較したものである。
【図４Ａ】従来技術による工程によって製造されたフローティングゲート上面の表面粗度の斜視図である。
【図４Ｂ】本発明による工程によって製造されたフローティングゲート上面の表面粗度の斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  半導体基板
２０  ゲート絶縁膜
３０  第１導電層
５４  酸化窒化膜
６０  絶縁膜
６６  ゲート間絶縁膜
７２  第２導電層
８０  ゲートパターン
９０  ソース／ドレーン領域
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
0004663297.tif 000003
【図１Ｃ】
0004663297.tif 000004
【図１Ｄ】
0004663297.tif 000005
【図１Ｅ】
0004663297.tif 000006
【図１Ｆ】
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【図２Ａ】
0004663297.tif 000008
【図２Ｂ】
0004663297.tif 000009
【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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