JP2010080853A - Nonvolatile semiconductor storage device, and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the same.
不揮発性半導体記憶装置の開発において、大容量化・低コストを達成するため素子の微細化が年々進められている。たとえばNAND型フラッシュメモリ装置においても、ビット線やワード線といった各配線ピッチの微細化が進められている。しかし、微細化の進行に伴い配線間の層間絶縁膜が薄くなることにより、配線間容量が増大することになり、素子の特性上で無視できなくなりつつある。 In the development of nonvolatile semiconductor memory devices, miniaturization of elements has been progressing year by year in order to achieve a large capacity and low cost. For example, in the NAND flash memory device, the wiring pitches such as bit lines and word lines are being miniaturized. However, as the miniaturization progresses, the interlayer insulating film between the wirings becomes thinner, so that the capacity between the wirings increases, and it is becoming difficult to ignore the device characteristics.
つまり、配線間容量が増大すると、トンネル酸化膜に配線間容量が並列に繋がった状態になるので、トンネル酸化膜の容量は配線間容量を含む全容量の和となり、トンネル酸化膜の容量が見かけ上大きくなる。そのため、トンネル酸化膜にかかる電圧が小さくなるので、データを書き込むために、電圧をかけてトンネル酸化膜を経て浮遊ゲートへ電子を注入するのに時間がかかることになり、書き込み速度を遅くする主要因となっている。 In other words, when the capacitance between wires increases, the capacitance between wires becomes connected to the tunnel oxide film in parallel, so the capacitance of the tunnel oxide film is the sum of all the capacitances including the capacitance between wires, and the capacitance of the tunnel oxide film is apparent. Get bigger. As a result, the voltage applied to the tunnel oxide film becomes small, so it takes time to write data and inject electrons into the floating gate through the tunnel oxide film. It is a cause.
これを避けるためには、ワード線間の層間絶縁膜材料として一般的に使用されているシリコン酸化膜(比誘電率ε=3.9)に代えて、比誘電率の低い材料に置き換える必要がある。そこで、従来では、比誘電率の最も低い物質である空気(比誘電率ε=1)をワード線間絶縁膜として用いるエアギャップ構成が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。 In order to avoid this, it is necessary to replace a silicon oxide film (relative permittivity ε = 3.9) generally used as an interlayer insulating film material between word lines with a material having a low relative permittivity. is there. Therefore, conventionally, an air gap configuration has been proposed in which air (relative permittivity ε = 1), which is a substance having the lowest relative permittivity, is used as an insulating film between word lines (see, for example, Patent Document 1).
この特許文献1では、半導体基板上にゲート絶縁膜と浮遊ゲート電極とを所定の形状となるように形成し他の地、ゲート間絶縁膜と制御ゲート電極とを順に積層し、ワード線の形状となるようにパターニングを行って、隣接するワード線間に空隙を形成する。その後、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法でワード線間の空隙を維持したまま、隣接するワード線の上部間に絶縁膜を形成することによって、ワード線間絶縁膜にエアギャップを有する不揮発性半導体記憶装置を製造している。
In
しかしながら、この特許文献1に記載の製造方法では、埋め込み特性の悪いプラズマCVD法を用いてワード線の上部間に絶縁膜を形成しているが、成膜中に、隣接するワード線間に形成された空隙内に絶縁膜が入り込む結果、空隙内の底部に絶縁膜がかなり堆積し、ワード線間の容量が増大してしまうという問題点があった。
However, in the manufacturing method described in
本発明は、ワード線間に空隙を有する不揮発性半導体記憶装置において、従来に比してワード線間の容量の増大を抑えることができる不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a gap between word lines and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device capable of suppressing an increase in capacitance between word lines as compared with the conventional one. And
本発明の一態様によれば、半導体基板上にゲート絶縁膜、電荷蓄積層、電極間絶縁膜および制御ゲート電極が順に積層された積層ゲート構造と、前記積層ゲート構造の下部のチャネル領域を挟んで前記半導体基板上に形成されるソース/ドレイン領域と、を有するメモリセルトランジスタが、複数隣接して配置され、隣接する前記積層ゲート構造間に空隙ができるように連続したシリコン酸化膜が前記メモリセルトランジスタ上に形成された不揮発性半導体記憶装置において、前記電極間絶縁膜の形成位置よりも高い開口面積変化位置での基板面に平行な方向の前記空隙の開口面積が、前記開口面積変化位置よりも低い位置での基板面に平行な方向の前記空隙の開口面積よりも狭くなるように、前記積層ゲート構造の側面にシリコン酸化膜が形成されることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置が提供される。 According to one embodiment of the present invention, a stacked gate structure in which a gate insulating film, a charge storage layer, an interelectrode insulating film, and a control gate electrode are sequentially stacked on a semiconductor substrate, and a channel region under the stacked gate structure are sandwiched A plurality of memory cell transistors having source / drain regions formed on the semiconductor substrate are arranged adjacent to each other, and a continuous silicon oxide film is formed so that a gap is formed between the stacked gate structures adjacent to each other. In the nonvolatile semiconductor memory device formed on the cell transistor, the opening area of the gap in the direction parallel to the substrate surface at the opening area changing position higher than the formation position of the interelectrode insulating film is the opening area changing position. A silicon oxide film is formed on the side surface of the stacked gate structure so as to be narrower than the opening area of the gap in the direction parallel to the substrate surface at a lower position. The nonvolatile semiconductor memory device characterized by made is provided.
また、本発明の一態様によれば、半導体基板上にゲート絶縁膜、電荷蓄積層、電極間絶縁膜および制御ゲート電極を積層し、複数の積層ゲート構造に分離し、前記積層ゲート構造をマスクとして前記半導体基板上にソース/ドレイン領域を形成する第1の工程と、前記積層ゲート構造の側面と前記積層ゲート構造間の前記半導体基板上を被覆するように第1のシリコン酸化膜を形成する第2の工程と、前記積層ゲート構造間に塗布型絶縁膜を埋め込む第3の工程と、前記積層ゲート構造の前記制御ゲート電極を露出させるように、前記制御ゲート電極より上に形成されている前記塗布型絶縁膜と前記第1のシリコン酸化膜を除去する第4の工程と、前記積層ゲート構造間の前記第1のシリコン酸化膜と前記塗布型絶縁膜を、前記電極間絶縁膜の形成位置よりも高い所定の深さだけエッチングする第5の工程と、エッチングされた前記積層ゲート構造の側面および上面と、前記積層ゲート構造間の前記第1のシリコン酸化膜と前記塗布型絶縁膜の上面を被覆するように、前記第1のシリコン酸化膜よりも厚く第2のシリコン酸化膜を形成する第6の工程と、前記第2のシリコン酸化膜をエッチバックし、前記積層ゲート構造間で前記塗布型絶縁膜の上面を露出させる第7の工程と、ウエットエッチングにより、前記積層ゲート構造間の前記塗布型絶縁膜を除去して、前記積層ゲート構造間に、上部の方が下部よりも基板面に平行な方向の開口面積が小さい空隙を形成する第8の工程と、前記積層ゲート構造間への埋め込み性が低い条件で、前記積層ゲート構造が形成された前記半導体基板上に第3のシリコン酸化膜を形成する第9の工程と、を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法が提供される。 According to one embodiment of the present invention, a gate insulating film, a charge storage layer, an interelectrode insulating film, and a control gate electrode are stacked on a semiconductor substrate, separated into a plurality of stacked gate structures, and the stacked gate structure is masked As a first step of forming source / drain regions on the semiconductor substrate, and forming a first silicon oxide film so as to cover the side surface of the stacked gate structure and the semiconductor substrate between the stacked gate structures A second step; a third step of embedding a coating-type insulating film between the stacked gate structures; and the control gate electrode formed above the control gate electrode so as to expose the control gate electrode of the stacked gate structure. A fourth step of removing the coating-type insulating film and the first silicon oxide film; and the first silicon oxide film and the coating-type insulating film between the stacked gate structures are connected to the inter-electrode insulating film. A fifth step of etching by a predetermined depth higher than a formation position; a side surface and an upper surface of the etched stacked gate structure; the first silicon oxide film between the stacked gate structures; and the coating type insulating film A sixth step of forming a second silicon oxide film thicker than the first silicon oxide film so as to cover the upper surface of the first silicon oxide film; and etching back the second silicon oxide film, In the seventh step of exposing the upper surface of the coating type insulating film, and by wet etching, the coating type insulating film between the stacked gate structures is removed, and the upper part is lower than the lower part between the stacked gate structures. The semiconductor in which the stacked gate structure is formed under the condition that the gap between the stacked gate structures is low and the eighth step of forming a void having a small opening area in a direction parallel to the substrate surface Method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device which comprises a ninth step, the forming a third silicon oxide film is provided on the plate.
本発明によれば、ワード線間に空隙を有する不揮発性半導体記憶装置において、従来に比してワード線間の容量の増大を抑えることができる不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を提供することができるという効果を奏する。 According to the present invention, in a nonvolatile semiconductor memory device having a gap between word lines, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of suppressing an increase in capacitance between word lines as compared with the conventional technology and a method for manufacturing the same. There is an effect that can be.
以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかる不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる図は模式的なものであり、層の厚さと平面寸法との関係や、各層の厚さの比率などは現実のものとは異なる。 A nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments. The drawings used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the layer thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones.
以下では、本発明をNAND型フラッシュメモリ装置に適用した場合の実施の形態について説明する。図1は、NAND型のフラッシュメモリ装置のメモリセル領域に形成されるメモリセルアレイの一部を示す等価回路図である。NAND型フラッシュメモリ装置のメモリセルアレイは、2個の選択ゲートトランジスタTrs1,Trs2と、これらの選択ゲートトランジスタTrs1,Trs2間に直列接続された複数個(たとえば、2n乗個(nは正の整数))のメモリセルトランジスタTrmとからなるNANDセルユニット(メモリユニット)Suが行列状に形成されることによって構成されている。NANDセルユニットSu内において、複数個のメモリセルトランジスタTrmは隣接するもの同士でソース/ドレイン領域を共用して形成されている。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a NAND flash memory device will be described. FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing a part of a memory cell array formed in a memory cell region of a NAND flash memory device. The memory cell array of the NAND flash memory device includes two select gate transistors Trs1 and Trs2, and a plurality of (for example, 2 n, n is a positive integer) connected in series between the select gate transistors Trs1 and Trs2. )) Of memory cell transistors Trm, NAND cell units (memory units) Su are formed in a matrix. In the NAND cell unit Su, a plurality of memory cell transistors Trm are formed by sharing adjacent source / drain regions.
図1中のX方向(ワード線方向、ゲート幅方向に相当)に配列されたメモリセルトランジスタTrmは、ワード線(制御ゲート線)WLにより共通接続されている。また、図1中のX方向に配列された選択ゲートトランジスタTrs1は選択ゲート線SGL1で共通接続され、選択ゲートトランジスタTrs2は選択ゲート線SGL2で共通接続されている。選択ゲートトランジスタTrs1のドレイン領域にはビット線コンタクトCBが接続されている。このビット線コンタクトCBの一方の端は、図1中のX方向に直交するY方向(ゲート長方向、ビット線方向に相当)に延びるビット線BLに接続されている。また、選択ゲートトランジスタTrs2は、ソース領域を介して図1中のX方向に延びるソース線SLに接続されている。 The memory cell transistors Trm arranged in the X direction (corresponding to the word line direction and the gate width direction) in FIG. 1 are commonly connected by a word line (control gate line) WL. Further, the selection gate transistors Trs1 arranged in the X direction in FIG. 1 are commonly connected by a selection gate line SGL1, and the selection gate transistors Trs2 are commonly connected by a selection gate line SGL2. A bit line contact CB is connected to the drain region of the select gate transistor Trs1. One end of the bit line contact CB is connected to a bit line BL extending in the Y direction (corresponding to the gate length direction and the bit line direction) orthogonal to the X direction in FIG. The select gate transistor Trs2 is connected to a source line SL extending in the X direction in FIG. 1 via a source region.
図2はメモリセル領域の一部のレイアウトパターンを示す平面図である。半導体基板としてのシリコン基板1に、素子分離領域としてのSTI(Shallow Trench Isolation)2が図2中のY方向に延在して、X方向に所定の間隔で複数本形成され、これによって隣接する活性領域3が図2中のX方向に分離した状態に形成されている。活性領域3と直交する図2中のX方向に延在して、Y方向に所定間隔でメモリセルトランジスタTrmのワード線WLが形成されている。
FIG. 2 is a plan view showing a layout pattern of a part of the memory cell region. A plurality of STIs (Shallow Trench Isolations) 2 as element isolation regions extending in the Y direction in FIG. 2 are formed at predetermined intervals in the X direction on a
また、図2中のX方向に延在した2本の選択ゲート線SGL1が、隣接して並行に形成されている。隣接する2本の選択ゲート線SGL1間の活性領域3にはビット線コンタクトCBがそれぞれ形成されている。このビット線コンタクトCBは、隣接する活性領域3にY方向の位置を交互に変えて配置されている。すなわち、2本の選択ゲート線SGL1の間において、一方の選択ゲート線SGL1側に寄せて配置されるビット線コンタクトCBと、他方の選択ゲート線SGL1側に寄せて配置されたビット線コンタクトCBとが、交互に配置されている、いわゆる千鳥状に配置された状態である。 Further, two selection gate lines SGL1 extending in the X direction in FIG. 2 are formed adjacently and in parallel. Bit line contacts CB are formed in the active region 3 between two adjacent select gate lines SGL1. The bit line contacts CB are arranged in adjacent active regions 3 by alternately changing the positions in the Y direction. That is, between the two selection gate lines SGL1, the bit line contact CB arranged close to one selection gate line SGL1 and the bit line contact CB arranged close to the other selection gate line SGL1 Are arranged in a so-called zigzag pattern, which are alternately arranged.
選択ゲート線SGL1と所定本数のワード線WLを存した位置に、選択ゲート線SGL1の場合と同様にして、図2中のX方向に延在した2本の選択ゲート線SGL2が並行して形成されている。そして、2本の選択ゲート線SGL2間の活性領域3にはソース線コンタクトCSが配置されている。 As in the case of the selection gate line SGL1, two selection gate lines SGL2 extending in the X direction in FIG. 2 are formed in parallel at the position where the selection gate line SGL1 and the predetermined number of word lines WL exist. Has been. A source line contact CS is disposed in the active region 3 between the two select gate lines SGL2.
ワード線WLと交差する活性領域3上にはメモリセルトランジスタTrmの積層ゲート構造MGが形成され、選択ゲート線SGL1,SGL2と交差する活性領域3上には選択ゲートトランジスタTrs1,Trs2のゲート構造SG1,SG2が形成されている。 A stacked gate structure MG of the memory cell transistors Trm is formed on the active region 3 intersecting the word line WL, and a gate structure SG1 of the select gate transistors Trs1 and Trs2 is formed on the active region 3 intersecting with the select gate lines SGL1 and SGL2. , SG2 are formed.
図3は、図2のA−A断面図である。すなわち、活性領域3における選択ゲートトランジスタTrs1,Trs2のゲート構造SG1,SG2と、2つの選択ゲートトランジスタTrs1,Trs2間に配置されたメモリセルトランジスタTrmの積層ゲート構造MGと、を示したものである。この図3において、シリコン基板1上に形成されたメモリセルトランジスタTrmの積層ゲート構造MGおよび選択ゲートトランジスタTrs1,Trs2のゲート構造SG1,SG2は、ゲート絶縁膜11を介して浮遊ゲート電極用の電極膜である多結晶シリコン膜12と、ONO膜などからなる電極間絶縁膜13と、制御ゲート電極用の電極膜である多結晶シリコン膜14および金属シリサイド層としてのニッケルシリサイド(NiSi)膜15とが順次積層されている。また、各選択ゲートトランジスタTrs1,Trs2のメモリセルトランジスタTrmと隣接する側のゲート構造SG1,SG2の側壁と、メモリセルトランジスタTrmの積層ゲート構造MGの側壁には信頼性を向上させるためのシリコン酸化膜20,21が形成された構成となっている。具体的には、ニッケルシリサイド膜15よりも下方の位置に形成されるシリコン酸化膜20と、ニッケルシリサイド膜15の側壁に形成され、シリコン酸化膜20よりも厚いシリコン酸化膜21と、から構成される。なお、選択ゲートトランジスタTrs1のゲート構造SG1,SG2の電極間絶縁膜13には、多結晶シリコン膜12と多結晶シリコン膜14を導通するための開口13aが形成され、この開口13a内に多結晶シリコン膜14が埋め込まれている。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. That is, the gate structures SG1 and SG2 of the selection gate transistors Trs1 and Trs2 in the active region 3 and the stacked gate structure MG of the memory cell transistors Trm disposed between the two selection gate transistors Trs1 and Trs2 are shown. . In FIG. 3, the stacked gate structure MG of the memory cell transistors Trm and the gate structures SG1 and SG2 of the select gate transistors Trs1 and Trs2 formed on the
シリコン基板1の積層ゲート構造MG−MG間、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間にはソース/ドレイン領域となる不純物拡散領域16aが形成され、その上部には、ゲート絶縁膜11とシリコン酸化膜20が形成されている。また、隣接するゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間には、不純物拡散領域16aと同じくソース/ドレイン領域となる不純物拡散領域16bがそれぞれ形成されている。不純物拡散領域16bの中央部には、ビット線コンタクトCBおよびソース線コンタクトCSのコンタクト抵抗を下げるための不純物拡散領域16cが形成されている。この不純物拡散領域16cは、不純物拡散領域16bよりも幅寸法が狭く、拡散深さ(pn接合の深さ)が深く形成されており、LDD(Lightly Doped Drain)構造とされている。
さらに、隣接する一対のゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間においては、それぞれ対向するゲート構造SG1,SG2の側壁面にシリコン酸化膜からなるスペーサ膜31が形成され、ゲート構造SG1−SG1間のシリコン基板1の表面にはゲート絶縁膜11とシリコン酸化膜20が形成されている。スペーサ膜31とシリコン酸化膜20の表面を覆うように、加工用のストッパ膜として機能するシリコン窒化膜104が形成されている。また、ゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間のシリコン窒化膜104で囲まれる領域の内側には、BPSG(Boron PhosphoSilicate Glass)膜などの流動性が良好で埋め込み性が優れた塗布型絶縁膜により形成されている層間絶縁膜41が埋め込み形成されている。
Further, between the pair of adjacent gate structures SG1 to SG1, and between SG2 and SG2, a
積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間および積層ゲート構造MG−MG間は、それぞれ空隙部(エアギャップ)AG1,AG2として埋め込み物が存在しない領域となっている。これら空隙部AG1,AG2は、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間や積層ゲート構造MG−MG間に、誘電体として誘電率が最も小さい空気(または真空状態)を設けた構成となっている。これにより、セル間の結合容量を低減することができる。 Between the stacked gate structure MG and the gate structures SG1 and SG2 and between the stacked gate structures MG and MG, there are regions where there are no buried portions as air gaps (air gaps) AG1 and AG2, respectively. The air gaps AG1 and AG2 have a structure in which air (or a vacuum state) having the lowest dielectric constant is provided as a dielectric between the stacked gate structure MG and the gate structures SG1 and SG2 and between the stacked gate structures MG and MG. Yes. Thereby, the coupling capacity between cells can be reduced.
具体的には、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間および積層ゲート構造MG−MG間に形成された溝の側面と底面には、シリコン酸化膜20,21が形成され、その上部が層間絶縁膜42で閉じられた構造となって、空隙部AG1,AG2が形成されている。この空隙部AG1,AG2の底面は、電極間絶縁膜13よりも下位に位置している。また、空隙部AG1,AG2の上部は、制御ゲート電極を構成するニッケルシリサイド膜15が形成されている位置(開口面積変化位置)で、その基板面に平行な方向の開口面積が、それよりも下位の位置の基板面に平行な方向の開口面積よりも小さくなっている。つまり、ニッケルシリサイド膜15が形成されている位置の側壁に形成されるシリコン酸化膜(以下、スペーサ膜ともいう)21の膜厚は、その位置よりも下位のシリコン酸化膜20の膜厚よりも厚くなっている。これによって、図3に示されるワード線(制御ゲート電極)の延在方向に垂直な断面では、空隙部AG1,AG2は、ニッケルシリサイド膜15よりも下位に位置する下部空隙部22と、ニッケルシリサイド膜15と同じ高さに位置し、開口断面が下部空隙部22よりも小さな上部空隙部23とで構成される。
Specifically,
積層ゲート構造MG、ゲート構造SG1,SG2およびそれらの間の上部を覆うように全面にTEOS膜からなる層間絶縁膜42が形成される。この層間絶縁膜42は、後述するように、埋め込み性の悪い条件で形成することで、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間や、積層ゲート構造MG−MG間の空隙部AG1,AG2を積極的に残した状態に形成している。
An interlayer insulating
ゲート構造SG1−SG1間には、層間絶縁膜42の上面からシリコン基板1の表面に達するコンタクトプラグ45が形成されている。コンタクトプラグ45はビット線コンタクトCBに相当し、前述のように、隣接するビット線コンタクトCBとは千鳥状に交互に配置されており、図3の場合には右側に寄った位置に形成されている。また、ゲート構造SG2−SG2間には、層間絶縁膜42の上面からシリコン基板1の表面に達するコンタクトプラグ46が形成されている。このコンタクトプラグ46はソース線コンタクトCSに相当し、ビット線BL間を横断するように形成される。
A
このような積層ゲート構造MGとゲート構造SG1,SG2の上部にシリサイド膜を形成したNAND型のフラッシュメモリにおいて、隣接するワード線WL−WL間に、誘電率の最も小さい空気(真空状態も含む)を存在させた空隙部AG1,AG2を設けることで、隣接するワード線WL−WL間の結合容量を最も小さくすることができる。これによって、配線間容量を低減でき、トンネル酸化膜にかかる電圧を大きくでき、データの書き込み速度が低減するのを抑制できる。 In such a NAND flash memory in which a silicide film is formed on top of the stacked gate structure MG and the gate structures SG1 and SG2, air having the smallest dielectric constant (including a vacuum state) between adjacent word lines WL-WL. By providing the gaps AG1 and AG2 in which the gap exists, the coupling capacitance between the adjacent word lines WL-WL can be minimized. As a result, the inter-wiring capacitance can be reduced, the voltage applied to the tunnel oxide film can be increased, and the reduction in the data writing speed can be suppressed.
つぎに、このような構造を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。図4−1〜図4−16は、この実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having such a structure will be described. 4-1 to 4-16 are cross-sectional views schematically showing an example of a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment.
まず、シリコン基板1の上にゲート絶縁膜11と浮遊ゲート電極となる多結晶シリコン膜12を成膜し、選択ゲート線SGL1,SGL2とワード線WLの延在方向に隣接する選択ゲートトランジスタTrs1,Trs2とメモリセルトランジスタTrmとの間を分離するようにパターニングを行い、図示しないSTIを形成する。その後、電極間絶縁膜13および制御ゲート電極(ワード線)となる多結晶シリコン膜14を積層する。また、多結晶シリコン膜14の上に、ドライエッチング加工でのハードマスクとなるシリコン窒化膜101を積層形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用いて、積層ゲート構造MGおよびゲート構造SG1,SG2を形成するためのレジストパタンを形成し、このレジストパタンをマスクとして、RIE(Reactive Ion Etching)法によってエッチング加工して、選択ゲート線SGL1,SGL2とワード線WLに直交する方向に隣接する選択ゲートトランジスタTrs1,Trs2とメモリセルトランジスタTrmとの間を分離する。これによって、積層ゲート構造MGおよびゲート構造SG1,SG2が形成される。なお、電極間絶縁膜13を多結晶シリコン膜12上に形成した後、選択ゲートトランジスタTrs1,Trs2のゲート構造SG1,SG2形成領域の電極間絶縁膜13の一部を除去して、開口13aが形成される。これによって、電極間絶縁膜13上に多結晶シリコン膜14を形成した際に、この開口13a内に多結晶シリコン膜14が埋め込まれ、多結晶シリコン膜12と多結晶シリコン膜14とが電気的に接続可能な状態となる。
First, a
その後、分離された各積層ゲート構造MGとゲート構造SG1,SG2を形成したシリコン基板1上に信頼性を上げるためのシリコン酸化膜20を形成する。このとき、各積層ゲート構造MGとゲート構造SG1,SG2の側壁部と、各積層ゲート構造MG−MG間、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間を被覆するようにシリコン酸化膜20を形成する。ついで、各積層ゲート構造MG−MG間、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間、およびゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間にイオン注入処理を行い、活性化させて、メモリセルトランジスタTrmと選択ゲートトランジスタTrs1,Trs2のソース/ドレイン領域に相当する不純物拡散領域16a,16bを形成する。以上によって、図4−1に示される状態のものが得られる。なお、ゲート構造SG1,SG2−積層ゲート構造MG間が空隙部AG1に相当し、積層ゲート構造MG−MG間が空隙部AG2に相当する。
Thereafter, a
ついで、積層ゲート構造MGとゲート構造SG1,SG2を形成したシリコン基板1上に、塗布型絶縁膜であるSOG(Spin On Glass)膜102を塗布し、積層ゲート構造MG間、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間を埋め込み、さらにその上部を覆うように形成する(図4−2)。具体的には、まず、ポリシラザン溶液を全体に塗布し、この後、有機溶剤を脱離させるためにアニール処理を行ってシリコン酸化膜に近い状態に置換させて、SOG膜102を形成する。
Next, an SOG (Spin On Glass)
その後、積層ゲート構造MGとゲート構造SG1,SG2の上部のシリコン酸化膜20が露出するまで、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法によって、SOG膜102の不要な部分を研磨し、除去する(図4−3)。
Thereafter, unnecessary portions of the
ついで、シリコン酸化膜20を露出させたSOG膜102上にレジスト103を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いて、隣接するゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間以外のメモリセルアレイの部分を覆うようにパターニングを行い、マスクパタンを形成する(図4−4)。続いて、隣接するゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間に存在するSOG膜102をフッ酸またはフッ酸・フッ化アンモニウム混合溶液などのエッチング液を用いてウエットエッチング法によって選択的に除去する(図4−5)。これによって、レジスト103でカバーされた積層ゲート構造MG−MG間と積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間のSOG膜102はそのまま残り、ゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間に存在するSOG膜102のみが除去される。
Next, a resist 103 is applied on the
レジスト103を除去した後、隣接するゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間に不純物拡散領域16cを形成するためのスペーサ膜31を形成する。スペーサ材としては、TEOS(Tetraethyl orthosilicate)などのシリコン酸化膜を用いることができる。この場合、隣接するゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間以外のセルアレイの部分を覆うようにパターニングを行い、マスクパタンを形成した後、所定膜厚で全面にシリコン酸化膜を堆積し、エッチバック処理によってゲート構造SG1,SG2の隣接するゲート構造SG1,SG2に対向する側の側壁部にのみスペーサ加工を行う。このとき、積層ゲート構造MG−MG間、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間のシリコン酸化膜20とSOG膜102が一部除去される。この後、イオン注入法により不純物を隣接するゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間のシリコン基板1の表層に注入して熱処理によって活性化させ、不純物拡散領域16cを形成する(図4−6)。
After removing the resist 103, a
ついで、上記構成の上面全面に所定の厚さのシリコン窒化膜104を形成する。すなわち、積層ゲート構造MG、ゲート構造SG1,SG2上およびそれらの間のSOG膜102の上面に形成すると共に、隣接するゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間のスペーサ膜31およびシリコン酸化膜20の表面に形成する。このシリコン窒化膜104は、後の工程で実施するCMP処理のストッパであり、コンタクト形成時のストッパとしても機能する。また、このシリコン窒化膜104の上面には、下地に合わせて凹凸が形成される。具体的には、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間と、積層ゲート構造MG−MG間に凹部が形成される。その後、シリコン窒化膜104上の全面に、塗布型絶縁膜であるBPSG膜105を形成する(図4−7)。
Next, a
ついで、CMP法によって、シリコン窒化膜104をストッパとしてBPSG膜105を平坦化する(図4−8)。これによって、隣接するゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間には、BPSG膜105が埋め込まれた構造である層間絶縁膜41が形成される。
Next, the
ついで、積層ゲート構造MGとゲート構造SG1,SG2の各上部のシリコン窒化膜104,101を、RIE法を用いて、エッチバックする(図4−9)。これによって、各積層ゲート構造MGとゲート構造SG1,SG2では、制御ゲート電極である多結晶シリコン膜14が露出し、各積層ゲート構造MG−MG間、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間では、積層ゲート構造MGとゲート構造SG1,SG2の側壁に形成されたシリコン酸化膜20とSOG膜102とが露出する。
Next, the
その後、その上面にシリサイド形成用の金属としてニッケル(Ni)膜をスパッタ法などの成膜法によって形成し、熱処理を行なってサリサイド化を行い、制御ゲート電極を構成する多結晶シリコン膜14の上部をニッケルシリサイド膜15とする(図4−10)。
Thereafter, a nickel (Ni) film is formed on the upper surface as a metal for forming a silicide by a film forming method such as a sputtering method, heat treatment is performed, salicide is performed, and an upper portion of the
ついで、フォトリソグラフィ技術によって、隣接するゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間の上面を選択的に覆うようにレジスト106をパターニングする(図4−11)。これによって、積層ゲート構造MG、ゲート構造SG1,SG2の各間に埋め込み形成されているSOG膜102とシリコン酸化膜20の上面が露出した状態となる。
Next, the resist 106 is patterned by a photolithography technique so as to selectively cover the upper surfaces between the adjacent gate structures SG1 and SG1 and SG2 and SG2 (FIG. 4-11). As a result, the upper surfaces of the
続いて、レジスト106とニッケルシリサイド膜15をマスクとして用いて、上記した上面が露出した状態のSOG膜102とシリコン酸化膜20を、RIE法によって所定の深さまでエッチングする(図4−12)。ここでは、ニッケルシリサイド膜15よりもシリコン酸化膜の方がエッチングされやすい条件で、SOG膜102とシリコン酸化膜20の上面が、ニッケルシリサイド膜15の下面とほぼ一致するまでエッチングを行う。
Subsequently, using the resist 106 and the
レジスト106を剥離した後、その上面にシリコン酸化膜107を被覆性のよい成膜法を用いて形成する(図4−13)。このシリコン酸化膜107は、エッチバックしたSOG102膜とシリコン酸化膜20の表面と、ニッケルシリサイド膜15の側面を被覆するように形成する。その後、RIE法を用いて、形成したシリコン酸化膜107のエッチバックを行う(図4−14)。これによって、ニッケルシリサイド膜15の側面にはシリコン酸化膜107によるスペーサ膜21が形成される。また、スペーサ膜21間には、開口21aが形成され、この開口21aで下部のSOG膜102が露出された状態となる。
After the resist 106 is peeled off, a
その後、スペーサ膜21間に形成された開口21aからウエットエッチング処理によって、SOG膜102が除去される(図4−15)。これによって、ゲート構造SG1,SG2−積層ゲート構造MG間と、積層ゲート構造MG間に、それぞれ空隙部AG1,AG2が形成される。この空隙部AG1,AG2は、SOG膜102が形成されていたニッケルシリサイド膜15よりも下方に位置する下部空隙部22と、ニッケルシリサイド膜15と同じ高さに形成される上部空隙部23と、からなる。上部空隙部23の基板面に平行な方向の開口面積は、下部空隙部22の基板面に平行な方向の開口面積よりも小さくなっている。
Thereafter, the
この結果、隣接するゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間は、スペーサ膜31、シリコン窒化膜104、層間絶縁膜41が埋め込まれた状態となるが、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間および積層ゲート構造MG−MG間の側壁部および底部にはシリコン酸化膜20,21が形成されるが、他に埋め込み物質が存在しない空隙部AG1,AG2が形成された状態となる。
As a result, the
ついで、上記構成の上面に、シリコン酸化膜として層間絶縁膜42を、埋め込み性が悪い条件で堆積する(図4−16)。たとえば、TEOS膜をプラズマCVD法によって形成することができる。このとき、埋め込み性が悪い条件で堆積するとともに、空隙部AG1,AG2における下部空隙部22の開口面積に比べて上部空隙部23の開口面積の方が狭いので、成膜中に空隙部AG1,AG2にTEOS膜がほとんど埋め込まれない状態で、積層ゲート構造MG−ゲート構造SG1,SG2間および積層ゲート構造MG−MG間の上部に層間絶縁膜42を形成することができる。その結果、空隙部AG1,AG2は、内部に空気が存在する状態で上面を層間絶縁膜42で閉塞されたエアギャップ構造として形成される。
Next, an
この後、図3に示したように、ゲート構造SG1−SG1間、SG2−SG2間のそれぞれに、フォトリソグラフィ処理により、コンタクトプラグ45,46を形成する。つまり、コンタクトホール形成用のレジストパタンを形成し、層間絶縁膜42の上面から、層間絶縁膜41、シリコン窒化膜104、シリコン酸化膜20およびゲート絶縁膜11を貫通してシリコン基板1の表面を露出するようにエッチングを行ない、コンタクトホールを形成する。この後、コンタクトプラグ用の導体材料を、コンタクトホール内を埋め込むように堆積させ、CMP処理などによりコンタクトホール内以外の部分の導体材料を除去してコンタクトプラグ45,46を埋め込み形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 3, contact plugs 45 and 46 are formed by photolithography between the gate structures SG1 and SG1 and between SG2 and SG2. That is, a resist pattern for forming a contact hole is formed, and the surface of the
この場合、コンタクトプラグ45,46として、先にチタン(Ti)膜や、窒化チタン(TiN)膜などの導電性材料をバリアメタル膜として薄く成膜し、この後、タングステン(W)や銅(Cu)などの導電性材料を埋め込むように形成する構成としてもよい。以後、図示はしないが、この上層への多層配線プロセスが行なわれてメモリのチップとして形成される。 In this case, as the contact plugs 45 and 46, a conductive material such as a titanium (Ti) film or a titanium nitride (TiN) film is first thinly formed as a barrier metal film, and then tungsten (W) or copper ( A structure in which a conductive material such as Cu) is embedded may be employed. Thereafter, although not shown, a multilayer wiring process to the upper layer is performed to form a memory chip.
なお、上述した説明では、積層ゲート構造MGとゲート構造SG1,SG2の制御ゲート電極の上部にシリサイド膜としてニッケルシリサイド膜15を形成した場合を例に挙げたが、シリサイド膜を形成する金属は、Co,Pt,Ti,Ta,Wを用いることでも同様の効果を得ることができる。また、浮遊ゲート電極または制御ゲート電極に使用した多結晶シリコン膜12,14として、アモルファスシリコン膜を用いることもできる。さらに、電極間絶縁膜13は、ONO膜以外に、NONON(Nitride-Oxide-Nitride-Oxide-Nitride)膜を用いることもできる。また、電極間絶縁膜13は、中央にアルミニウム膜やハフニウム膜を使用することもできる。さらに、ワード線WLの形成工程では、側壁転写技術により通常のリソグラフィ処理では得られない微細な幅寸法を有するパターンを形成してエッチング処理をするようにしてもよい。
In the above description, the case where the
この実施の形態によれば、制御ゲート電極にニッケルシリサイド膜15を形成した後、ワード線WL間のSOG膜102を所定の深さだけ除去し、その上に積層ゲート構造間に形成したシリコン酸化膜20よりも厚いシリコン酸化膜107を形成し、エッチバックによってSOG膜102の上面が露出するように、ワード線WL間のシリコン酸化膜107に開口21aを形成し、この開口21aからSOG膜102を除去するようにしたので、上部の方が開口面積の小さい空隙部AG1,AG2を形成することができる。その結果、その後に行われるプラズマCVD法による層間絶縁膜42の形成時に、空隙部AG1,AG2に落ち込む層間絶縁膜42を構成するシリコン酸化膜の量を、上部の開口面積が小さくなっていない空隙部上にシリコン酸化膜を形成する場合に比して少なくすることができ、より完全な中空構造を達成することができるという効果を有する。
According to this embodiment, after forming the
また、この第1の実施の形態によれば、空隙部AG1,AG2内に落ち込むシリコン酸化膜の量が従来の構造に比して少なくなるので、積層ゲート構造間の容量を小さくすることができるという効果も有する。 In addition, according to the first embodiment, the amount of silicon oxide film falling into the gaps AG1 and AG2 is smaller than that in the conventional structure, so that the capacitance between the stacked gate structures can be reduced. It also has the effect.
1…シリコン基板、11…ゲート絶縁膜、12,14…多結晶シリコン膜、13…電極間絶縁膜、13a…開口、15…ニッケルシリサイド膜、16a,16b,16c…不純物拡散領域、20,107…シリコン酸化膜、21…シリコン酸化膜(スペーサ膜)、22…下部空隙部、23…上部空隙部、31…スペーサ膜、41,42…層間絶縁膜、45,46…コンタクトプラグ、101,104…シリコン窒化膜、102…SOG膜、103,106…レジスト、105…BPSG膜、AG1,AG2…空隙部、MG…積層ゲート構造、SG1,SG2…ゲート構造、Trm…メモリセルトランジスタ、Trs1,Trs2…選択ゲートトランジスタ、WL…ワード線。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電極間絶縁膜の形成位置よりも高い開口面積変化位置での基板面に平行な方向の前記空隙の開口面積が、前記開口面積変化位置よりも低い位置での基板面に平行な方向の前記空隙の開口面積よりも狭くなるように、前記積層ゲート構造の側面にシリコン酸化膜が形成されることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A stacked gate structure in which a gate insulating film, a charge storage layer, an interelectrode insulating film, and a control gate electrode are sequentially stacked on a semiconductor substrate, and a channel region under the stacked gate structure is formed on the semiconductor substrate. A nonvolatile memory in which a plurality of memory cell transistors each having a source / drain region are arranged adjacent to each other, and a continuous silicon oxide film is formed on the memory cell transistors so that a gap is formed between the adjacent stacked gate structures. In a semiconductor memory device,
The opening area of the gap in the direction parallel to the substrate surface at the opening area change position higher than the formation position of the interelectrode insulating film is the direction in the direction parallel to the substrate surface at a position lower than the opening area change position. A non-volatile semiconductor memory device, wherein a silicon oxide film is formed on a side surface of the stacked gate structure so as to be narrower than an opening area of the gap.
前記積層ゲート構造の側面と前記積層ゲート構造間の前記半導体基板上を被覆するように第1のシリコン酸化膜を形成する第2の工程と、
前記積層ゲート構造間に塗布型絶縁膜を埋め込む第3の工程と、
前記積層ゲート構造の前記制御ゲート電極を露出させるように、前記制御ゲート電極より上に形成されている前記塗布型絶縁膜と前記第1のシリコン酸化膜を除去する第4の工程と、
前記積層ゲート構造間の前記第1のシリコン酸化膜と前記塗布型絶縁膜を、前記電極間絶縁膜の形成位置よりも高い所定の深さだけエッチングする第5の工程と、
エッチングされた前記積層ゲート構造の側面および上面と、前記積層ゲート構造間の前記第1のシリコン酸化膜と前記塗布型絶縁膜の上面を被覆するように、前記第1のシリコン酸化膜よりも厚く第2のシリコン酸化膜を形成する第6の工程と、
前記第2のシリコン酸化膜をエッチバックし、前記積層ゲート構造間で前記塗布型絶縁膜の上面を露出させる第7の工程と、
ウエットエッチングにより、前記積層ゲート構造間の前記塗布型絶縁膜を除去して、前記積層ゲート構造間に、上部の方が下部よりも基板面に平行な方向の開口面積が小さい空隙を形成する第8の工程と、
前記積層ゲート構造間への埋め込み性が低い条件で、前記積層ゲート構造が形成された前記半導体基板上に第3のシリコン酸化膜を形成する第9の工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 A gate insulating film, a charge storage layer, an interelectrode insulating film, and a control gate electrode are stacked on a semiconductor substrate, separated into a plurality of stacked gate structures, and source / drain regions are formed on the semiconductor substrate using the stacked gate structure as a mask. A first step of forming;
A second step of forming a first silicon oxide film so as to cover the side surface of the stacked gate structure and the semiconductor substrate between the stacked gate structures;
A third step of embedding a coating type insulating film between the stacked gate structures;
A fourth step of removing the coating insulating film and the first silicon oxide film formed above the control gate electrode so as to expose the control gate electrode of the stacked gate structure;
A fifth step of etching the first silicon oxide film and the coating type insulating film between the stacked gate structures by a predetermined depth higher than a position where the interelectrode insulating film is formed;
Thicker than the first silicon oxide film so as to cover the etched side surface and upper surface of the stacked gate structure, and the upper surface of the first silicon oxide film and the coating type insulating film between the stacked gate structures. A sixth step of forming a second silicon oxide film;
Etching back the second silicon oxide film to expose an upper surface of the coating type insulating film between the stacked gate structures;
The coating type insulating film between the stacked gate structures is removed by wet etching, and a gap is formed between the stacked gate structures with a smaller opening area in the direction parallel to the substrate surface in the upper part than in the lower part. 8 processes,
A ninth step of forming a third silicon oxide film on the semiconductor substrate on which the stacked gate structure is formed under the condition that the burying property between the stacked gate structures is low;
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
前記第5の工程は、
前記制御ゲート電極上にシリコンと反応してシリサイドを形成する金属を含む金属膜を形成する工程と、
熱処理を行って、前記制御ゲート電極の上部にシリサイド膜を形成する工程と、
前記シリサイド膜をマスクとして、前記積層ゲート構造間の前記第1のシリコン酸化膜と前記塗布型絶縁膜を所定の深さだけエッチングする工程と、
を含むことを特徴とする請求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 Forming a silicon film as the control gate electrode in the first step;
The fifth step includes
Forming a metal film containing a metal that forms silicide by reacting with silicon on the control gate electrode;
Performing a heat treatment to form a silicide film on the control gate electrode;
Etching the first silicon oxide film and the coating insulating film between the stacked gate structures by a predetermined depth using the silicide film as a mask;
The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, comprising:
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