(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上にトンネルリング絶縁膜を形成した後、非晶質シリコン連続膜を形成する段階、前記非晶質シリコン連続膜上に酸化膜を形成した後、酸化処理または熱処理することによって前記非晶質シリコン連続膜を多結晶化して多結晶シリコン層を形成する段階、前記多結晶シリコン層を蝕刻してナノ結晶を形成する段階、前記ナノ結晶上に層間絶縁膜を形成する段階、及び前記層間絶縁膜上にポリシリコン膜を蒸着した後、ゲート及び配線を形成する段階を具備することを特徴とするナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法。
【請求項２】
前記多結晶シリコン層をセコ蝕刻してナノ結晶を形成することを特徴とする請求項１に記載のナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法。
【請求項３】
前記多結晶シリコン層をライト蝕刻してナノ結晶を形成することを特徴とする請求項１に記載のナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法。
【請求項４】
シリコン基板上にトンネルリング絶縁膜を形成した後、非晶質シリコン連続膜を形成する段階、前記非晶質シリコン連続膜上に第１酸化膜を形成した後、酸化処理または熱処理することによって前記非晶質シリコン連続膜を多結晶化して多結晶シリコン層を形成する段階、前記多結晶シリコン層を酸化させて第２酸化膜を形成しながらナノ結晶を形成する段階、前記第２酸化膜を除去してナノ結晶上に層間絶縁膜を形成する段階、及び前記層間絶縁膜上にポリシリコン膜を蒸着した後、ゲート及び配線を形成する段階を具備することを特徴とするナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高速低電力素子に利用される非揮発性メモリー素子を形成する方法に係り、特にグレーン境界を通じた蝕刻比の増加または酸化比の増加を利用するナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来では、ポリシリコンをインキュベーションする時間を利用してナノ結晶非揮発性記憶素子が形成される。このような形成方法を、図１及び図２に基づき説明する。
【０００３】
図1(Ａ)は、シリコン基板102上に形成されたトンネルリング絶縁膜104上にポリシリコンを短い時間でインキュベーションしてナノ結晶106を形成する段階である。図1(Ｂ)は、前記のナノ結晶106上に層間絶縁膜108を形成する段階である。図1(Ｃ)は、前記層間絶縁膜108上にコントロールゲート用ポリシリコン膜を蒸着した後、コントロールゲート110を蝕刻する段階である。
【０００４】
図２(Ａ)は、蝕刻されたコントロールゲート110をセルフマスクとして利用して完全にゲート蝕刻をする段階である。図２(Ｂ)は、コントロールゲート用ポリシリコン膜と配線用金属層との絶縁のために気相蒸着方式で酸化膜112を形成する段階である。図２(Ｃ)は、ソース/ドレーン116が形成された領域のトンネルリング絶縁膜104と酸化膜112とにコンタクトホールをあけ、その上に配線金属層114をスパッタリングした後、配線のための蝕刻をする段階である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、従来では、ポリシリコン蒸着時の非常に短いインキュベーション時間を利用してナノ結晶が形成されるので、制御が非常に難しく、インキュベーション時間の間に形成されるナノ結晶の大きさ及び分布が均一にならず、再現性が低くなるという問題点があった。
【０００６】
したがって、本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために案出されたものであって、所望の大きさのナノ結晶を極めて均一且つ高密度に、しかも高い再現性をもって形成するための方法を提供することをその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記のような目的を達成するために本発明の方法は、シリコン基板上にトンネルリング絶縁膜を形成した後、非晶質シリコンの連続膜を形成する段階、前記非晶質シリコン連続膜を多結晶化して多結晶シリコン層を形成する段階、前記多結晶シリコン層を蝕刻してナノ結晶を形成する段階、前記ナノ結晶上に層間絶縁膜を形成する段階、及び前記層間絶縁膜上にポリシリコン膜を蒸着した後、ゲート及び配線を形成する段階を具備することを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の方法は、シリコン基板上にトンネルリング絶縁膜を形成した後、非晶質シリコン連続膜を形成する段階、前記非晶質シリコン連続膜を多結晶化して多結晶シリコン層を形成する段階、前記多結晶シリコン層を酸化させて酸化膜を形成しながらナノ結晶を形成する段階、前記酸化膜を除去してナノ結晶上に層間絶縁膜を形成する段階、及び前記層間絶縁膜上にポリシリコン膜を蒸着した後、ゲート及び配線を形成する段階を具備することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態をより詳しく説明する。
図3〜図5は、本発明によるナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法の第1実施形態を段階別に示した断面図である。この方法では、非常に薄い非晶質シリコン連続膜を形成してその上に酸化膜を形成した後、熱処理または酸化処理を通して非晶質シリコン連続膜を多結晶化し、その後酸化膜を除去して多結晶シリコン層をセコ蝕刻またはライト蝕刻することによって非揮発性記憶素子を形成する。この時、多結晶シリコン層のグレーン境界での蝕刻比が増加することを利用して、ナノ結晶を均一で高密度に形成することができる。
【００１０】
図3(Ａ)は、シリコン基板202上にトンネルリング絶縁膜204を形成し、その上に非晶質シリコンを低温で成長させて非常に薄い非晶質シリコン連続膜206を形成する段階である。図3(Ｂ)は、非常に薄い非晶質シリコン連続膜206上に気相蒸着法で酸化膜208を形成する段階である。図3(Ｃ)は、非晶質シリコン連続膜206を熱処理または酸化処理して多結晶化することによって多結晶シリコン層210を形成する段階である。
【００１１】
このような過程を通して非晶質シリコン膜206を多結晶化すると、シリコンが均一に結晶化されるので、均一な間隔のグレーン境界211を得ることができる。非晶質シリコン膜206に酸化膜208を塗布していない状態で熱処理または酸化処理して多結晶シリコン層210を形成すると、非晶質シリコンが多結晶化される間に泳動現象(migration)が発生するため、均一な間隔のグレーン境界211を得ることができない。即ち、前記酸化膜208は、非晶質シリコン連続膜206が多結晶化される時に多結晶シリコン層210に均一なグレーン境界211が形成されるように働く。
【００１２】
図3(Ｄ)は、酸化膜208を除去する段階である。図3(Ｅ)は、多結晶シリコン層210をセコ蝕刻またはライト蝕刻してナノ結晶212を形成する段階である。即ち、多結晶シリコン層210を蝕刻すると、グレーン境界211の部分での蝕刻が他の部分より進行するので、シリコンのナノ結晶212を均一で高密度に形成することができるようになる。多結晶シリコン層210をセコ蝕刻やライト蝕刻すると、蝕刻しようとする領域をより早く正確に蝕刻することができる。
【００１３】
図4(Ａ)は、層間絶縁膜214を形成する段階である。図4(Ｂ)は、コントロールゲート用ポリシリコン膜を蒸着した後、コントロールゲート216を蝕刻する段階である。
【００１４】
図4(Ｃ)は、蝕刻されたコントロールゲート216をセルフマスクとして利用して完全にゲートを蝕刻する段階である。図5(Ａ)は、コントロールゲート216と配線用金属層との絶縁のために気相蒸着方式で酸化膜218を形成する段階である。図5(Ｂ)は、ソース/ドレーン222が形成された領域のトンネルリング絶縁膜204と酸化膜218とにコンタクトホールをあけて、その上に配線金属層220をスパッタリングした後、配線のための蝕刻をする段階である。
【００１５】
図6〜図8は、本発明によるナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法の第2実施形態を段階別に示した断面図である。この方法では、非常に薄い非晶質シリコン連続膜を熱処理または酸化処理を通して結晶化した後、酸化させて非揮発性記憶素子を形成する。このとき、多結晶シリコン層のグレーン境界での酸化比が増加することを利用して、ナノ結晶を均一且つ高密度に形成することができる。
【００１６】
図6(Ａ)は、シリコン基板302上にトンネルリング絶縁膜304を形成して、その上に非常に薄い非晶質シリコン連続膜306を形成する段階である。図6(Ｂ)は、非常に薄い非晶質シリコン連続膜306上に気相蒸着方式で酸化膜308を形成する段階である。図6(Ｃ)は、熱処理または酸化処理することによって非晶質シリコン連続膜306を多結晶化して多結晶シリコン層310を形成する段階である。
【００１７】
このような過程を通して非晶質シリコン膜306を多結晶化すると、シリコンが均一に結晶化されるので、均一な間隔のグレーン境界311を得ることができる。非晶質シリコン膜306に酸化膜308を塗布していない状態で熱処理または酸化処理して多結晶シリコン層310を形成すると、非晶質シリコンが多結晶化される間に泳動現象が発生するため、均一な間隔のグレーン境界311を得ることができない。即ち、前記酸化膜308は、多結晶シリコン層310に均一なグレーン境界311が形成されるように働く。
【００１８】
図6(Ｄ)は、酸化膜308を除去する段階である。図6(Ｅ)は、多結晶シリコン層310を酸化させて新しい酸化膜312とナノ結晶314とを形成する段階である。この時、多結晶シリコン層310のグレーン境界311部分での酸化が他の部分より進行するので、極めて均一で高密度のナノ結晶314が形成される。
【００１９】
図7(Ａ)は、酸化膜312を除去する段階である。図7(Ｂ)は、層間絶縁膜316を形成する段階である。図7(Ｃ)は、コントロールゲート用ポリシリコン膜を蒸着した後、コントロールゲート318を蝕刻する段階である。図7(Ｄ)は、蝕刻されたコントロールゲート318をセルフマスクとして利用して完全にゲート蝕刻をする段階である。図8(Ａ)は、コントロールゲート318と配線用金属層との絶縁のために気相蒸着方式で酸化膜320を形成する段階である。図8(Ｂ)は、ソース/ドレーン324が形成された領域のトンネルリング絶縁膜304と酸化膜320とにコンタクトホールをあけ、その上に配線金属層322をスパッタリングした後、配線のための蝕刻をする段階である。
【００２０】
【発明の効果】
前記のように、本発明は、多結晶シリコン層に均一で形成されたグレーン境界で蝕刻比または酸化比が増加する現象を利用することによって、所望の大きさのナノ結晶を極めて均一且つ高密度に、しかも高い再現性をもって形成することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  (Ａ)〜(Ｃ)は、ポリシリコンをインキュベーションする時間を利用した従来技術におけるナノ結晶非揮発性記憶素子の形成方法を段階別に示した断面図。
【図２】  (Ａ)〜(Ｃ)は、同じく従来技術におけるナノ結晶非揮発性記憶素子の形成方法を段階別に示した断面図。
【図３】  (Ａ)〜(Ｅ)は、本発明の第１実施形態におけるナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法を段階別に示した断面図。
【図４】  (Ａ)〜(Ｃ)は、同じく第１実施形態におけるナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法を段階別に示した断面図。
【図５】  (Ａ)及び(Ｂ)は、同じく第１実施形態におけるナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法を段階別に示した断面図。
【図６】  (Ａ)〜(Ｅ)は、本発明の第２実施形態におけるナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法を段階的に示した断面図。
【図７】  (Ａ)〜(Ｄ)は、同じく第２実施形態におけるナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法を段階別に示した断面図。
【図８】  (Ａ)及び(Ｂ)は、同じく第２実施形態におけるナノ結晶を利用した非揮発性記憶素子の形成方法を段階別に示した断面図。
【符号の説明】
202、302 シリコン基板
204、304 トンネルリング絶縁膜
206、306 非晶質シリコン連続膜
208、308 酸化膜
210、310 多結晶シリコン層
211、311 グレーン境界
212、314 ナノ結晶
214、316 層間絶縁膜
216、318 コントロールゲート
218、320 酸化膜
220、322 金属配線層
222、324 ソース/ドレーン
312、326 酸化膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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