(57)【要約】【課題】単結晶シリコン層でのキャリアの蓄積を防止することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】単結晶シリコン基板１１と、単結晶シリコン基板上に部分的に形成された絶縁層１２と、単結晶シリコン基板上及び絶縁層上に形成され、過剰な４族元素に基づく欠陥層を含んだ単結晶シリコン層１４と、単結晶シリコン層上に形成された第１のゲート絶縁膜１６と、第１のゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積層１７と、電荷蓄積層上に形成された第２のゲート絶縁膜１９と、第２のゲート絶縁膜上に形成された制御ゲート電極２２とを含むメモリセル用の複数の第１のゲート構造３１とを備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコン基板と、
前記単結晶シリコン基板上に部分的に形成された絶縁層と、
前記単結晶シリコン基板上及び前記絶縁層上に形成され、過剰な４族元素に基づく欠陥層を含んだ単結晶シリコン層と、
前記単結晶シリコン層上に形成された第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層上に形成された第２のゲート絶縁膜と、前記第２のゲート絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを含むメモリセル用の複数の第１のゲート構造と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記欠陥層の少なくとも一部は、前記単結晶シリコン層の前記絶縁層上の部分に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１のゲート構造に隣接し、前記単結晶シリコン層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含む選択トランジスタ用の第２のゲート構造をさらに備え、
前記欠陥層は、前記単結晶シリコン層の前記第２のゲート構造下の部分には形成されていない
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
単結晶シリコン基板上に部分的に絶縁層を形成する工程と、
前記単結晶シリコン基板上及び前記絶縁層上に非晶質シリコン層を形成する工程と、
前記非晶質シリコン層に４族元素を注入する工程と、
前記４族元素が注入された非晶質シリコン層をアニールし、前記４族元素に基づく欠陥層を含んだ単結晶シリコン層を形成する工程と、
前記単結晶シリコン層上に第１のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第１のゲート絶縁膜上に電荷蓄積層を形成する工程と、
前記電荷蓄積層上に第２のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第２のゲート絶縁膜上に制御ゲート電極を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
単結晶シリコン基板上に部分的に絶縁層を形成する工程と、
前記単結晶シリコン基板上及び前記絶縁層上に非晶質シリコン層を形成する工程と、
前記非晶質シリコン層に４族元素を注入する工程と、
前記４族元素が注入された非晶質シリコン層をアニールして予備的な単結晶シリコン層を形成する工程と、
前記予備的な単結晶シリコン層に４族元素を注入する工程と、前記４族元素が注入された予備的な単結晶シリコン層をアニールする工程とを１回以上繰り返して、前記４族元素に基づく欠陥層を含んだ単結晶シリコン層を形成する工程と、
前記単結晶シリコン層上に第１のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第１のゲート絶縁膜上に電荷蓄積層を形成する工程と、
前記電荷蓄積層上に第２のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第２のゲート絶縁膜上に制御ゲート電極を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＳＯＩ（silicon on insulator）基板を用いて不揮発性半導体記憶装置を製造することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、ＳＯＩ基板を用いた不揮発性半導体記憶装置では、活性領域となる単結晶シリコン層が絶縁層上に形成されているため、メモリセルの消去動作時に単結晶シリコン層にキャリアが蓄積し、メモリセル特性が変動するという問題がある。
【特許文献１】特開２００６−７３９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、単結晶シリコン層でのキャリアの蓄積を防止することが可能な半導体装置及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の視点に係る半導体装置は、単結晶シリコン基板と、前記単結晶シリコン基板上に部分的に形成された絶縁層と、前記単結晶シリコン基板上及び前記絶縁層上に形成され、過剰な４族元素に基づく欠陥層を含んだ単結晶シリコン層と、前記単結晶シリコン層上に形成された第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層上に形成された第２のゲート絶縁膜と、前記第２のゲート絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを含むメモリセル用の複数の第１のゲート構造と、を備える。
【０００６】
本発明の第２の視点に係る半導体装置の製造方法は、単結晶シリコン基板上に部分的に絶縁層を形成する工程と、前記単結晶シリコン基板上及び前記絶縁層上に非晶質シリコン層を形成する工程と、前記非晶質シリコン層に４族元素を注入する工程と、前記４族元素が注入された非晶質シリコン層をアニールし、前記４族元素に基づく欠陥層を含んだ単結晶シリコン層を形成する工程と、前記単結晶シリコン層上に第１のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第１のゲート絶縁膜上に電荷蓄積層を形成する工程と、前記電荷蓄積層上に第２のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第２のゲート絶縁膜上に制御ゲート電極を形成する工程と、を備える。
【０００７】
本発明の第３の視点に係る半導体装置の製造方法は、単結晶シリコン基板上に部分的に絶縁層を形成する工程と、前記単結晶シリコン基板上及び前記絶縁層上に非晶質シリコン層を形成する工程と、前記非晶質シリコン層に４族元素を注入する工程と、前記４族元素が注入された非晶質シリコン層をアニールして予備的な単結晶シリコン層を形成する工程と、前記予備的な単結晶シリコン層に４族元素を注入する工程と、前記４族元素が注入された予備的な単結晶シリコン層をアニールする工程とを１回以上繰り返して、前記４族元素に基づく欠陥層を含んだ単結晶シリコン層を形成する工程と、前記単結晶シリコン層上に第１のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第１のゲート絶縁膜上に電荷蓄積層を形成する工程と、前記電荷蓄積層上に第２のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第２のゲート絶縁膜上に制御ゲート電極を形成する工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単結晶シリコン層でのキャリアの蓄積を防止することができ、優れた半導体装置を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、半導体装置として、ＳＯＩ（silicon on insulator）技術を用いたＮＡＮＤ型フラッシュメモリ等の不揮発性半導体記憶装置について説明する。
【００１０】
（実施形態１）
図１〜図７は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した図である。図１（ａ）〜図７（ａ）はビット線方向の断面図であり、図１（ｂ）〜図７（ｂ）はワード線方向の断面図である。図１（ｃ）〜図６（ｃ）は平面図である。図１（ａ）〜図６（ａ）は図１（ｃ）〜図６（ｃ）のＡ−Ａ’線に沿った断面に対応し、図１（ｂ）〜図６（ｂ）は図１（ｃ）〜図６（ｃ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面に対応する。
【００１１】
まず、図１に示すように、ｐ型の単結晶シリコン基板１１上に絶縁層１２を形成する。具体的には、絶縁層１２として、厚さ５０ｎｍ程度のシリコン酸化膜を形成する。続いて、フォトレジストパターン（図示せず）をマスクとして用いて絶縁層１２をパターニングする。これにより、単結晶シリコン基板１１上に部分的に絶縁層１２のパターンが形成され、単結晶シリコン基板１１の一部が露出する。
【００１２】
次に、図２に示すように、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）により、非晶質シリコン層１３ａを全面に形成する。続いて、絶縁層１２をストッパーとして用いて、非晶質シリコン層１３ａのＣＭＰ（chemical mechanical polishing）を行う。これにより、絶縁層１２上の非晶質シリコン層１３ａが除去され、単結晶シリコン基板１１上の非晶質シリコン層１３ａが残る。このとき、絶縁層１２の上面と、単結晶シリコン基板１１上に残った非晶質シリコン層１３ａの上面とが、同じ高さになるようにする。次に、ＣＶＤにより、厚さ５０ｎｍ程度の非晶質シリコン層１３ｂを全面に形成する。その結果、単結晶シリコン基板１１上及び絶縁層１２上に、非晶質シリコン層１３ａ及び１３ｂからなる非晶質シリコン層１３が形成される。
【００１３】
次に、図３に示すように、４族元素としてシリコン（Ｓｉ）を非晶質シリコン層１３中に注入する。具体的には、注入エネルギーが５０ｅＶ、ドーズ量が５×１０15ｃｍ-2の条件で、シリコンイオンをイオン注入する。注入されたシリコン原子の濃度分布のピーク位置は、特に限定されない。濃度分布のピーク位置は、絶縁層１２と非晶質シリコン層１３との界面より浅い位置でもよいし、深い位置でもよい。また、絶縁層１２と非晶質シリコン層１３との界面近傍に濃度分布のピークが位置していてもよい。なお、本実施形態では、非晶質シリコン層１３に注入する４族元素としてシリコン（Ｓｉ）を用いているが、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の他の４族元素を用いてもよい。
【００１４】
次に、シリコンがイオン注入された非晶質シリコン層１３をアニールする。具体的には、６００℃程度の温度で３時間程度、アニールを行う。これにより、イオン注入されたシリコン（４属元素）に基づく欠陥層１５を含んだ単結晶シリコン層１４が、単結晶シリコン基板１１上及び絶縁層１２上に形成される。すなわち、非晶質シリコン層１３の固相成長により、非晶質シリコン層１３が単結晶シリコン層１４に変換される。欠陥層１５には過剰なシリコン（４属元素）が含まれており、欠陥層１５では、周囲の単結晶シリコン層１４よりもシリコン密度（４属元素密度）が高くなっている。欠陥層１５は、キャリアの発生／再結合中心（generation-recombination center）を有しているため、後述するように、メモリセルの消去動作時に単結晶シリコン層１４にキャリアが蓄積するという問題を回避することができる。
【００１５】
非晶質シリコン層１３中には、非晶質シリコン層１３形成時に生成された微小な結晶粒が含まれている。仮に、シリコンのイオン注入を行わずに非晶質シリコン層１３をアニールしたとすると、複数の微小な結晶粒の結晶成長が進行し、多結晶シリコン層が形成されてしまう。本実施形態では、非晶質シリコン層１３にシリコンをイオン注入するため、微小な結晶粒を破壊することができる。その結果、本実施形態では、多結晶化を防止することができ、良質の単結晶シリコン層１４を形成することができる。また、本実施形態では、過剰なシリコンが注入されるため、結晶化の際に生じる応力を緩和することができる。したがって、このような観点からも、良質の単結晶シリコン層１４を形成することが可能である。
【００１６】
次に、図４に示すように、単結晶シリコン層１４上にトンネル絶縁膜（第１のゲート絶縁膜）１６を形成する。具体的には、トンネル絶縁膜１６として、熱酸化によって厚さ７ｎｍ程度のシリコン酸化膜を形成する。続いて、トンネル絶縁膜１６上に、浮遊ゲート電極膜（電荷蓄積層）１７を形成する。具体的には、浮遊ゲート電極膜１７として、ＣＶＤによって厚さ５０ｎｍ程度のリンドープ多結晶シリコン膜を形成する。
【００１７】
次に、フォトリソグラフィによって、浮遊ゲート電極膜１７上にフォトレジストパターン（図示せず）を形成する。このフォトレジストパターンは、素子分離パターンを形成するためのものであり、ビット線方向に延伸した複数のパターンを有している。続いて、このフォトレジストパターンをマスクとして用いて、浮遊ゲート電極膜１７、トンネル絶縁膜１６、単結晶シリコン層１４、絶縁層１２及び単結晶シリコン基板１１を、ＲＩＥ（reactive ion etching）によってエッチングする。このエッチングにより、素子分離溝が形成される。
【００１８】
次に、素子分離溝を塗布型絶縁膜で埋めて、素子分離領域１８を形成する。具体的には、素子分離溝を埋めるようにポリシラザン膜を塗布した後、水蒸気酸化によってポリシラザン膜をシリコン酸化膜に変換することで、素子分離用の塗布型絶縁膜を形成する。なお、素子分離溝形成時に溝表面に生成された結晶欠陥を修復するために、塗布型絶縁膜の形成前又は形成後に、熱酸化或いはラジカル酸化を行うようにしてもよい。また、素子分離領域の絶縁性を向上させるために、ＣＶＤ絶縁膜と塗布型絶縁膜とを組み合わせて素子分離領域を形成してもよい。
【００１９】
次に、図５に示すように、浮遊ゲート電極膜１７上に電極間絶縁膜（第２のゲート絶縁膜）１９を形成する。具体的には、電極間絶縁膜１９として、ＡＬＤ（atomic layer deposition）によって厚さ１５ｎｍ程度のアルミニウム酸化物膜（アルミナ膜）を形成する。続いて、フォトレジストパターン（図示せず）をマスクとして用いて、電極間絶縁膜１９にスリット２１を形成し、浮遊ゲート電極膜１７の一部を露出させる。具体的には、ＲＩＥによって、幅５０ｎｍ程度のスリット２１を形成する。
【００２０】
次に、図６に示すように、全面に制御ゲート電極膜２２を形成する。具体的には、制御ゲート電極膜２２として、スパッタリングによってタングステンシリサイド膜（ＷＳｉ膜）を形成する。このとき、スリット２１を通して、浮遊ゲート電極膜１７と制御ゲート電極膜２２とが接続される。次に、フォトリソグラフィによって、制御ゲート電極膜２２上にフォトレジストパターン（図示せず）を形成する。このフォトレジストパターンは、ワード線方向に延伸した複数のパターンを有している。続いて、このフォトレジストパターンをマスクとして用いて、制御ゲート電極膜２２、電極間絶縁膜１９、浮遊ゲート電極膜１７を、ＲＩＥによってエッチングする。
【００２１】
上記エッチングにより、メモリセル用の第１のゲート構造３１と、第１のゲート構造に隣接した選択トランジスタ用の第２のゲート構造３２が得られる。すなわち、メモリセル用の第１のゲート構造３１は、トンネル絶縁膜（第１のゲート絶縁膜）１６と、浮遊ゲート電極（電荷蓄積層）１７と、電極間絶縁膜（第２のゲート絶縁膜）１９と、制御ゲート電極２２とによって形成される。選択トランジスタ用の第２のゲート構造３２は、トンネル絶縁膜１６で形成されたゲート絶縁膜と、浮遊ゲート電極膜１７及び制御ゲート電極膜２２で形成されたゲート電極とによって形成される。また、上記エッチングにより、制御ゲート電極膜２２で形成されたワード線が得られる。
【００２２】
次に、図７に示すように、イオン注入及び熱拡散により、ソース／ドレイン領域となるｎ型の不純物拡散層４１を単結晶シリコン層１４内に形成する。続いて、ＣＶＤによって層間絶縁膜４２を形成する。この層間絶縁膜４２により、メモリセル用の第１のゲート構造３１と、選択トランジスタ用の第２のゲート構造３２とが覆われる。続いて、層間絶縁膜４２に、選択トランジスタの不純物拡散層４１に達するコンタクトホールを形成する。さらに、このコンタクトホールをタングステン等の導電物で埋めて、コンタクト（ビット線コンタクト、ソース線コンタクト）４３を形成する。
【００２３】
その後の工程は図示しないが、配線工程等を経て、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリが完成する。すなわち、直列接続された複数のメモリセルを選択トランジスタ間に設けた（接続した）構成を有するＮＡＮＤ型不揮発性メモリが得られる。
【００２４】
以上のように、本実施形態では、単結晶シリコン層１４が、過剰なシリコン（４族元素）に基づく欠陥層１５を含んでいる。この欠陥層１５は、キャリアの発生／再結合中心を有している。そのため、メモリセルの消去動作時に浮遊ゲート電極１７から単結晶シリコン層１４に移送されたキャリア（電子）を、発生／再結合中心によって消滅させることができる。そのため、単結晶シリコン層１４でのキャリアの蓄積を防止することができる。その結果、メモリセル特性の変動を防止することができ、信頼性に優れた不揮発性半導体記憶装置を得ることができる。特に、絶縁層１２上に単結晶シリコン層１４が形成されたＳＯＩ領域ではキャリアが蓄積しやすいが、欠陥層１５を形成することによりキャリアを効果的に消滅させることができる。
【００２５】
なお、すでに述べたように、イオン注入されたシリコン原子（４族元素）の濃度分布のピーク位置は、特に限定されない。濃度分布のピーク位置は、絶縁層１２と単結晶シリコン層１４との界面より浅くてもよいし、深くてもよい。イオン注入されたシリコン原子に基づく欠陥層１５が単結晶シリコン層１４に形成されていれば、欠陥層１５に基づく発生／再結合中心により、単結晶シリコン層１４でのキャリアの蓄積を防止することが可能である。
【００２６】
また、本実施形態では、メモリセル用の第１のゲート構造３１の下には絶縁層１２が形成されているが、選択トランジスタ用の第２のゲート構造３２の下には絶縁層１２は形成されていない。すなわち、メモリセルはＳＯＩ領域に形成されているが、選択トランジスタは非ＳＯＩ領域に形成されている。非ＳＯＩ領域では、単結晶シリコン基板１１上に直接、単結晶シリコン層１４が形成されているため、極めて結晶性に優れた単結晶シリコン層１４が得られる。その結果、接合リークの低減等、選択トランジスタの特性を向上させることができる。したがって、このような観点からも、信頼性に優れた不揮発性半導体記憶装置を得ることができる。
【００２７】
また、本実施形態では、非晶質シリコン層１３にシリコン（４族元素）をイオン注入するため、非晶質シリコン層１３に含まれる微小な結晶粒を破壊することができる。そのため、非晶質シリコン層１３をアニールする際の多結晶化を防止することができ、良質の単結晶シリコン層１４を形成することができる。また、本実施形態では、非晶質シリコン層１３に過剰なシリコン（４族元素）が注入されるため、結晶化の際に生じる応力を緩和することができ、良質の単結晶シリコン層１４を形成することができる。
【００２８】
なお、上述した実施形態では、シリコン（４族元素）のイオン注入工程及びアニール工程を１回ずつ行っているが、これらの工程を複数回繰り返してもよい。すなわち、４族元素が注入された非晶質シリコン層をアニールして予備的な単結晶シリコン層を形成した後、予備的な単結晶シリコン層に４族元素を注入する工程と、予備的な単結晶シリコン層をアニールする工程とを１回以上繰り返してもよい。このように、イオン注入工程及びアニール工程を繰り返すことにより、結晶方位のより揃った良質の単結晶シリコン層を得ることができる。
【００２９】
また、上述した実施形態では、図７に示すように、不純物拡散層４１が互いに分離されているが、図８に示すように、不純物拡散層４１が連続的に繋がっていてもよい。このような構造であっても、上述した効果と同様の効果を得ることが可能である。なお、このようなデプレッション型の構造を有する不揮発性半導体記憶装置については、例えば特開２００６−７３９３９号公報に記載されている。
【００３０】
また、上述した実施形態では、図２の工程において、非晶質シリコン層１３の表面が平坦化されるようにしたが、非晶質シリコン層１３の表面を平坦化させなくてもよい。すなわち、図９に示すように、ＳＯＩ領域と非ＳＯＩ領域との境界で、絶縁層１２に基づく段差が生じていてもよい。
【００３１】
（実施形態２）
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、基本的な構成や基本的な製造方法は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態で説明した事項についての説明は省略する。
【００３２】
図１０は、本実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。図１０（ａ）はビット線方向の断面図であり、図１０（ｂ）はワード線方向の断面図である。なお、第１の実施形態で示した構成要素に対応する構成要素については同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【００３３】
第１の実施形態では、ＳＯＩ領域及び非ＳＯＩ領域ともに欠陥層１５が形成されていたが、本実施形態では、図１０に示すように、非ＳＯＩ領域には欠陥層１５は実質的に形成されていない。そのため、選択トランジスタ用の第２のゲート構造３２の下には欠陥層１５が形成されていない。したがって、欠陥層１５に基づく選択トランジスタの特性劣化（例えば、接合リークの増加等）を防止することができ、優れた特性を有する選択トランジスタを形成することができる。
【００３４】
図１１は、図１０に示した半導体装置の製造方法の一部を示した図である。図１１（ａ）はビット線方向の断面図であり、図１１（ｂ）はワード線方向の断面図である。図１１（ｃ）は平面図であり、図１１（ａ）は図１１（ｃ）のＡ−Ａ’線に沿った断面に対応し、図１１（ｂ）は図１１（ｃ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面に対応する。
【００３５】
本実施形態では、第１の実施形態の図２の工程の後、非ＳＯＩ領域を覆うフォトレジストパターン（図示せず）を非晶質シリコン層１３（図２参照）上に形成する。続いて、このフォトレジストパターンをマスクとして用いて、４族元素としてシリコン（Ｓｉ）を非晶質シリコン層１３中にイオン注入する。イオン注入の条件等は、第１の実施形態と同様である。さらに、シリコンがイオン注入された非晶質シリコン層１３を、６００℃程度の温度で３時間程度、アニールする。これにより、図１１に示すように、イオン注入された過剰なシリコン（４族元素）に基づく欠陥層１５を含んだ単結晶シリコン層１４が形成される。
【００３６】
本実施形態においても第１の実施形態と同様、４族元素のイオン注入によって欠陥層１５を形成するため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、選択トランジスタ用の第２のゲート構造３２の下には欠陥層１５が形成されていないため、欠陥層１５に基づく選択トランジスタの特性劣化を防止することができ、優れた特性を有する選択トランジスタを形成することができる。
【００３７】
なお、上述した例では、非ＳＯＩ領域全体に欠陥層１５を形成しないようにしたが、選択トランジスタ形成領域に欠陥層１５が形成されていなければ、非ＳＯＩ領域の一部に欠陥層１５が形成されていてもよい。この場合にも、上述した効果と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、本実施形態においても、第１の実施形態の図８で示した構造と同様、図１２に示すように、不純物拡散層４１が連続的に繋がっていてもよい。このような構造であっても、上述した効果と同様の効果を得ることが可能である。
【００３９】
（実施形態３）
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、基本的な構成や基本的な製造方法は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態で説明した事項についての説明は省略する。
【００４０】
図１３は、本実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。図１３（ａ）はビット線方向の断面図であり、図１３（ｂ）はワード線方向の断面図である。なお、第１の実施形態で示した構成要素に対応する構成要素については同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【００４１】
第１の実施形態では、欠陥層１５を形成するために、４族元素としてシリコン（Ｓｉ）をイオン注入したが、本実施形態では、４族元素としてゲルマニウム（Ｇｅ）をイオン注入している。このように、ゲルマニウムをイオン注入することにより、欠陥層１５としてシリコンゲルマニウム層（ＳｉＧｅ層）が形成される。ＳｉＧｅ層を形成することにより、メモリセルトランジスタ及び選択トランジスタのチャネル領域に応力を生じさせることができる（チャネル領域に歪みを与えることができる）。その結果、トランジスタの移動度を向上させることができ、優れた特性を有するメモリセルトランジスタ及び選択トランジスタを形成することができる。
【００４２】
図１４は、図１３に示した半導体装置の製造方法の一部を示した図である。図１４（ａ）はビット線方向の断面図であり、図１４（ｂ）はワード線方向の断面図である。図１４（ｃ）は平面図であり、図１４（ａ）は図１４（ｃ）のＡ−Ａ’線に沿った断面に対応し、図１４（ｂ）は図１４（ｃ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面に対応する。
【００４３】
本実施形態では、第１の実施形態の図２の工程の後、４族元素としてゲルマニウム（Ｇｅ）を非晶質シリコン層１３（図２参照）中にイオン注入する。このとき、イオン注入されたゲルマニウム原子の濃度分布のピーク位置が、絶縁層１２と非晶質シリコン層１３との界面より浅く位置するように、イオン注入の条件を選定する。さらに、ゲルマニウムがイオン注入された非晶質シリコン層１３を、６００℃程度の温度で３時間程度、アニールする。これにより、図１４に示すように、イオン注入された過剰なゲルマニウムに基づく欠陥層１５としてのシリコンゲルマニウム層（ＳｉＧｅ層）を含んだ単結晶シリコン層１４が形成される。シリコンゲルマニウム層１５は、絶縁層１２と単結晶シリコン層１４との界面よりも浅い位置に形成される。
【００４４】
本実施形態においても第１の実施形態と同様、４族元素のイオン注入によって欠陥層１５を形成するため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、欠陥層１５としてシリコンゲルマニウム層（ＳｉＧｅ層）が形成されるため、トランジスタのチャネル領域に応力を生じさせることができる。そのため、トランジスタの移動度を向上させることができ、優れた特性を有するメモリセル及び選択トランジスタを形成することができる。
【００４５】
なお、本実施形態においても、第１の実施形態の図８で示した構造と同様、図１５に示すように、不純物拡散層４１が連続的に繋がっていてもよい。このような構造であっても、上述した効果と同様の効果を得ることが可能である。
【００４６】
（実施形態４）
以下、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、基本的な構成や基本的な製造方法は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態で説明した事項についての説明は省略する。
【００４７】
図１６は、本実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。図１６（ａ）はビット線方向の断面図であり、図１６（ｂ）はワード線方向の断面図である。なお、第１の実施形態で示した構成要素に対応する構成要素については同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【００４８】
本実施形態では、図１６に示すように、メモリセル形成領域と選択トランジスタ形成領域との間の領域にのみ欠陥層１５が形成されている。メモリセルの消去動作時には、メモリセル形成領域と選択トランジスタ形成領域との間の領域で最も電界が高くなる。本実施形態では、このような高電界発生領域に、キャリアの発生／再結合中心を有する欠陥層１５が設けられている。そのため、メモリセルの消去動作時に浮遊ゲート電極膜１７から単結晶シリコン層１４に移送されたキャリア（電子）を、欠陥層１５の発生／再結合中心によって効率的に消滅させることができる。また、メモリセル用の第１のゲート構造３１の下及び選択トランジスタ用の第２のゲート構造３２の下には、欠陥層１５が形成されていない。したがって、欠陥層１５に基づくメモリセルトランジスタ及び選択トランジスタの特性劣化を防止することができる。
【００４９】
図１７は、図１６に示した半導体装置の製造方法の一部を示した図である。図１７（ａ）はビット線方向の断面図であり、図１７（ｂ）はワード線方向の断面図である。図１７（ｃ）は平面図であり、図１７（ａ）は図１７（ｃ）のＡ−Ａ’線に沿った断面に対応し、図１７（ｂ）は図１７（ｃ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面に対応する。
【００５０】
本実施形態では、第１の実施形態の図２の工程の後、欠陥層１５の形成予定領域のみを覆うフォトレジストパターン（図示せず）を、非晶質シリコン層１３（図２参照）上に形成する。続いて、このフォトレジストパターンをマスクとして用いて、４族元素としてシリコン（Ｓｉ）を非晶質シリコン層１３中にイオン注入する。イオン注入の条件等は、第１の実施形態と同様である。さらに、シリコンがイオン注入された非晶質シリコン層１３を、６００℃程度の温度で３時間程度、アニールする。これにより、図１７に示すように、イオン注入された過剰なシリコン（４族元素）に基づく欠陥層１５を含んだ単結晶シリコン層１４が形成される。
【００５１】
本実施形態においても第１の実施形態と同様、４族元素のイオン注入によって欠陥層１５を形成するため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、本実施形態では、メモリセルの消去動作時に最も電界が高くなる領域に欠陥層１５が設けられているため、メモリセルの消去動作時に浮遊ゲート電極膜１７から単結晶シリコン層１４に移送されたキャリア（電子）を、欠陥層１５の発生／再結合中心によって効率的に消滅させることができる。その結果、単結晶シリコン層１４でのキャリアの蓄積を防止することができ、メモリセル特性の変動を防止することができる。また、本実施形態では、メモリセル用の第１のゲート構造３１の下及び選択トランジスタ用の第２のゲート構造３２の下には、欠陥層１５が形成されていない。その結果、欠陥層１５に基づくメモリセルトランジスタ及び選択トランジスタの特性劣化を防止することができる。したがって、本実施形態では、キャリアの蓄積によるメモリセル特性の変動を防止することができるとともに、メモリセルトランジスタ及び選択トランジスタの特性劣化を防止することができ、特性及び信頼性に優れた不揮発性半導体記憶装置を得ることができる。
【００５２】
なお、本実施形態においても、第１の実施形態の図８で示した構造と同様、図１８に示すように、不純物拡散層４１が連続的に繋がっていてもよい。このような構造であっても、上述した効果と同様の効果を得ることが可能である。
【００５３】
（実施形態５）
以下、本発明の第５の実施形態について説明する。なお、基本的な構成や基本的な製造方法は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態で説明した事項についての説明は省略する。
【００５４】
図１９は、本実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。図１９（ａ）はビット線方向の断面図であり、図１９（ｂ）はワード線方向の断面図である。なお、第１の実施形態で示した構成要素に対応する構成要素については同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【００５５】
本実施形態では、図１９に示すように、メモリセル形成領域と選択トランジスタ形成領域との間の領域、及び隣接する選択トランジスタ形成領域間の領域にのみ欠陥層１５が形成されている。言い換えると、本実施形態では、メモリセル用の第１のゲート構造３１の下及び選択トランジスタ用の第２のゲート構造３２の下には、欠陥層１５が形成されていない。
【００５６】
図２０は、図１９に示した半導体装置の製造方法の一部を示した図である。図２０（ａ）はビット線方向の断面図であり、図２０（ｂ）はワード線方向の断面図である。図２０（ｃ）は平面図であり、図２０（ａ）は図２０（ｃ）のＡ−Ａ’線に沿った断面に対応し、図２０（ｂ）は図２０（ｃ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面に対応する。
【００５７】
本実施形態では、第１の実施形態の図３の工程では欠陥層１５を形成するためのイオン注入は行わず、第１の実施形態の図６の工程でメモリセル用の第１のゲート構造３１及び選択トランジスタ用の第２のゲート構造３２を形成した後、欠陥層１５を形成するためのイオン注入を行う。その結果、図２０に示すように、メモリセル形成領域と選択トランジスタ形成領域との間の領域、及び隣接する選択トランジスタ形成領域間の領域にのみ選択的にシリコンがイオン注入され、イオン注入された過剰なシリコン（４族元素）に基づく欠陥層１５が形成される。
【００５８】
本実施形態においても第１の実施形態と同様、４族元素のイオン注入によって欠陥層１５を形成するため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、本実施形態では、メモリセル形成領域と選択トランジスタ形成領域との間の領域、及び隣接する選択トランジスタ形成領域間の領域に欠陥層１５が形成されている。そのため、メモリセルの消去動作時に浮遊ゲート電極膜１７から単結晶シリコン層１４に移送されたキャリア（電子）を、欠陥層１５の発生／再結合中心によって効率的に消滅させることができる。その結果、単結晶シリコン層１４でのキャリアの蓄積を防止することができ、メモリセル特性の変動を防止することができる。また、本実施形態では、メモリセル用の第１のゲート構造３１の下及び選択トランジスタ用の第２のゲート構造３２の下には、欠陥層１５が形成されていない。その結果、欠陥層１５に基づくメモリセルトランジスタ及び選択トランジスタの特性劣化を防止することができる。したがって、本実施形態では、キャリアの蓄積によるメモリセル特性の変動を防止することができるとともに、メモリセルトランジスタ及び選択トランジスタの特性劣化を防止することができ、特性及び信頼性に優れた不揮発性半導体記憶装置を得ることができる。
【００５９】
なお、本実施形態においても、第１の実施形態の図８で示した構造と同様、図２１に示すように、不純物拡散層４１が連続的に繋がっていてもよい。このような構造であっても、上述した効果と同様の効果を得ることが可能である。
【００６０】
なお、以上説明した第１〜第５実施形態では、電荷蓄積層として浮遊ゲート電極を用いたメモリセルについて説明したが、電荷蓄積層としてシリコン窒化膜等の絶縁膜を用いたＭＯＮＯＳ型のメモリセルについても、上述した各実施形態で述べた構成や方法を適用することが可能である。
【００６１】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の変更例に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態の変更例に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態の変更例に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態の変更例に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態の変更例に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図２０】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した図である。
【図２１】本発明の第５の実施形態の変更例に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１１…単結晶シリコン基板      １２…絶縁層
１３、１３ａ、１３ｂ…非晶質シリコン層      １４…単結晶シリコン層
１５…欠陥層      １６…トンネル絶縁膜（第１のゲート絶縁膜）
１７…浮遊ゲート電極（電荷蓄積層）      １８…素子分離領域
１９…電極間絶縁膜（第２のゲート絶縁膜）      ２１…スリット
２２…制御ゲート電極
３１…第１のゲート構造      ３２…第２のゲート構造
４１…不純物拡散層      ４２…層間絶縁膜
４３…コンタクト
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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