(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化膜と酸化膜との界面における捕獲準位に電荷を捕獲することによって情報を記憶する不揮発性半導体記憶装置において、
前記窒化膜中に酸化膜が含まれており、
この酸化膜が前記界面に沿って離散的に広がっていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
【請求項２】
窒化膜と酸化膜との界面における捕獲準位に電荷を捕獲することによって情報を記憶する不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記窒化膜中に点状にイオン注入した酸素によって前記窒化膜中に酸化膜を形成することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、窒化膜と酸化膜との界面における捕獲準位に電荷を捕獲することによって情報を記憶する不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
情報を電気的に書き換えることができ且つ電源を切っても情報を保持することができる不揮発性半導体記憶装置の一種として、絶縁膜と酸化膜との界面に存在する捕獲準位に電荷を捕獲してトランジスタの閾値電圧をシフトさせることによって情報を記憶する不揮発性半導体記憶装置がある。
【０００３】
この不揮発性半導体記憶装置はＭＩＯＳ（Metal Insulator Oxide Semiconductor）型やＭＯＩＯＳ（Metal Oxide Insulator Oxide Semiconductor）型と称されているが、絶縁膜としては主に窒化膜が用いられているので、これらは、特に、ＭＮＯＳ型やＭＯＮＯＳ型と称されている。
【０００４】
図２は、ＭＯＮＯＳ型の不揮発性半導体記憶装置の一従来例を示している。この一従来例では、Ｓｉ基板（図示せず）上に、厚さが２ｎｍであるトンネル用のＳｉＯ2膜１１と、厚さが８ｎｍであるＳｉＮ膜１２と、厚さが４ｎｍであるＳｉＯ2膜１３とが順次に積層されており、更に、このＳｉＯ2膜１３上にゲート電極としての多結晶Ｓｉ膜（図示せず）等が形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＭＮＯＳ型やＭＯＮＯＳ型の不揮発性半導体記憶装置では、大容量化のための微細化や低消費電力化のための低電圧動作化に伴って、１ビット当たりの面積やＳｉＮ膜１２等の厚さが減少してきている。この結果、ＳｉＮ膜１２とＳｉＯ2膜１１、１３との界面の面積が減少すると共にＳｉＮ膜１２中に含まれる捕獲準位量も減少することによって、捕獲電荷量が減少して記憶保持特性が低下していた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願の発明による不揮発性半導体記憶装置は、窒化膜と酸化膜との界面における捕獲準位に電荷を捕獲することによって情報を記憶する不揮発性半導体記憶装置において、前記窒化膜中に酸化膜が含まれており、この酸化膜が前記界面に沿って離散的に広がっていることを特徴としている。
【０００７】
本願の発明による不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、窒化膜と酸化膜との界面における捕獲準位に電荷を捕獲することによって情報を記憶する不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記窒化膜中に点状にイオン注入した酸素によって前記窒化膜中に酸化膜を形成することを特徴としている。
【０００８】
本願の発明による不揮発性半導体記憶装置では、窒化膜中に酸化膜が含まれているので、同じ平面的な面積で比べると、窒化膜と酸化膜との界面の面積が広くて、捕獲電荷量が多い。しかも、窒化膜中の酸素に起因する深い捕獲準位も多く形成されているので、捕獲された電荷が自然放出されにくい。
【０００９】
また、窒化膜中の酸化膜がそれらの界面に沿って離散的に広がっているので、窒化膜中の酸化物の含有量が同じでも、窒化膜と酸化膜との界面の面積が更に広くて、捕獲電荷量が更に多い。
【００１０】
本願の発明による不揮発性半導体記憶装置の製造方法では、窒化膜中に酸化膜を形成しているので、同じ平面的な面積が比べると、窒化膜と酸化膜との界面の面積を広くして、捕獲電荷量を多くすることができる。しかも、窒化膜中の酸素に起因する深い捕獲準位も多く形成されるので、捕獲された電荷が自然放出されにくくすることができる。
【００１１】
また、窒化膜中に酸化膜を形成する際に酸素を窒化膜中に点状にイオン注入して、窒化膜との界面に沿って離散的に広がる酸化膜を形成することができるので、イオン注入する酸素の量が同じでも、窒化膜と酸化膜との界面の面積を更に広くして、捕獲電荷量を更に多くすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本願の発明の第１及び第２実施形態を、図１を参照しながら説明する。第１実施形態では、例えば、抵抗加熱型の熱処理炉にＯ2／Ｎ2＝３００ＳＣＣＭ／１０ＳＬＭのガスを供給してＳｉ基板（図示せず）を希釈酸化することによって、このＳｉ基板の表面に厚さが２ｎｍのＳｉＯ2膜１１を形成する。
【００１３】
次に、例えば、抵抗加熱型の減圧ＣＶＤ装置にＮＨ3／ＳｉＨ2Ｃｌ2＝２０００ＳＣＣＭ／５０ＳＣＣＭのガスを７０Ｐａで供給し、７６０℃、２分間の堆積を行って、厚さが３ｎｍのＳｉＮ膜１４をＳｉＯ2膜１１上に形成する。なお、減圧ＣＶＤ装置にロードロック機構を設けておいて、ＣＶＤ炉内へＳｉ基板を挿入する際は真空搬送を行い、且つ、純度の高いガスを用いることによって、酸素や炭化水素がＳｉＮ膜１４中に混入することを極力避ける様にする。
【００１４】
また、上述の堆積時の温度が比較的高温であるので、ＳｉＮ膜１４中への水素の混入も比較的抑制されている。以上の条件によって、膜質が均一で、緻密で、不純物や構造欠陥の少ないＳｉＮ膜１４を形成することができる。この様なＳｉＮ膜１４では、不純物や構造欠陥を介したリーク電流が少なくて、記憶保持特性を向上させることができる。
【００１５】
次に、例えば、抵抗加熱型の減圧ＣＶＤ装置にＮ2Ｏ／ＳｉＨ2Ｃｌ2＝２００ＳＣＣＭ／１０００ＳＣＣＭのガスを７０Ｐａで供給し、８００℃、５分間の堆積を行って、厚さが１ｎｍのＳｉＯ2膜１５をＳｉＮ膜１４上に形成する。そして、ＳｉＮ膜１４を形成した場合と同じ条件で、厚さが３ｎｍのＳｉＮ膜１６をＳｉＯ2膜１５上に形成する。
【００１６】
その後、堆積時間を２０分にすること以外はＳｉＯ2膜１５を形成した場合と同じ条件で、厚さが４ｎｍのＳｉＯ2膜１３をＳｉＮ膜１６上に形成する。そして、更に、ゲート電極等を従来公知の工程で形成して、この不揮発性半導体記憶装置を完成させる。
【００１７】
ＳｉＯ2膜１１、１３、１５及びＳｉＮ膜１４、１６は巨視的には非晶質であるが、微視的には何れも規則的な構造を有しており、それらの界面には、結晶格子の様な構造欠陥が生じていて、この構造欠陥に起因する捕獲準位が形成されている。
【００１８】
また、窒化膜内の酸素に起因して深い捕獲準位の形成されることが報告されており（V.J.Kapoor and S.B.Bibyk,“Energy distribution and electron trapping defects in thick-oxide MNOS structures",in“The Physics of MOS Insulators",edited by G.Lucousky et al.(Pergamon,New York,1980)p.117）、ＳｉＯ2膜１１、１３、１５とＳｉＮ膜１４、１６との界面には、この深い捕獲準位も形成されている。
【００１９】
しかも、深い捕獲準位に捕獲された電荷がそこから脱出するためには、より大きなエネルギーが必要であるので、深い捕獲準位に捕獲された電荷は自然放出されにくい。このことは、一旦記憶された情報が失われにくいことを意味しており、このことによっても記憶保持特性を向上させることができる。
【００２０】
次に、第２実施形態を説明する。この第２実施形態も、ＳｉＮ膜１６の堆積に先立って、例えば、ランプ加熱型の熱処理装置にＮＨ3を１ＳＬＭで供給して、ＳｉＯ2膜１５の表面に対して１０００℃、１分間の高速熱窒化を行うことを除いて、上述の第１実施形態と実質的に同様の工程を実行する。
【００２１】
この様な熱窒化を行うと、次に行うＳｉＮ膜１６の堆積に際して、堆積初期のＳｉＯ2膜１５の表面における堆積種のマイグレーション等に起因するＳｉＮ膜１６の表面荒れが抑制される。この結果、より膜質が均一で、より緻密なＳｉＮ膜１６を形成することができて、記憶保持特性を更に向上させることができる。
【００２２】
なお、以上の第１及び第２実施形態では、図１に示した様に、ＳｉＮ膜１４、１６の間に単層のＳｉＯ2膜１５が含まれているだけであるが、ＳｉＮ膜とＳｉＯ2膜とが交互に積層された状態でＳｉＮ膜の間に複数層のＳｉＯ2膜が含まれていてもよい。
【００２３】
また、以上の第１及び第２実施形態では、ＳｉＯ2膜１１上のＳｉＮ膜１４、１６及びＳｉＯ2膜１３、１５の総てを堆積によって形成したが、例えばＳｉＮ膜１４の表面を熱酸化することによってＳｉＯ2膜１５を形成してもよく、ＳｉＮ膜１４、１６中に酸素を多量にイオン注入した後に熱処理を行うことによってＳｉＯ2膜１５を形成してもよい。
【００２４】
更に、ＳｉＮ膜１４、１６中に酸素をイオン注入する際に、ＳｉＮ膜１４、１６の全面に対してイオン注入を行うのではなく点状に行えば、ＳｉＮ膜１４、１６との界面に沿って離散的に広がるＳｉＯ2膜１５を形成することができるので、イオン注入する酸素の量が同じでも、ＳｉＮ膜１４、１６とＳｉＯ2膜１５との界面の面積を更に広くして、捕獲電荷量を更に多くすることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本願の発明による不揮発性半導体記憶装置では、同じ平面的な面積で比べると捕獲電荷量が多く、しかも、捕獲された電荷が自然放出されにくいので、微細化されていても記憶保持特性が優れている。
【００２６】
また、窒化膜中の酸化膜がそれらの界面に沿って離散的に広がっていて、捕獲電荷量が更に多いので、記憶保持特性が更に優れている。
【００２７】
本願の発明による不揮発性半導体記憶装置の製造方法では、同じ平面的な面積が比べると捕獲電荷量を多くすることができ、しかも、捕獲された電荷が自然放出されにくくすることができるので、微細化されていても記憶保持特性が優れている不揮発性半導体記憶装置を製造することができる。
【００２８】
また、窒化膜中に酸化膜を形成する際に酸素を窒化膜中に点状にイオン注入して、捕獲電荷量を更に多くすることができるので、記憶保持特性が更に優れている不揮発性半導体記憶装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本願の発明の第１及び第２実施形態の要部の側断面図である。
【図２】  本願の発明の一従来例の要部の側断面図である。
【符号の説明】
１１、１３、１５  ＳｉＯ2膜        １４、１６  ＳｉＮ膜
【図１】
0003818402.tif 000002
【図２】
0003818402.tif 000003