JP2002533931A - 半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

半導体デバイスの製造方法

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JP2002533931A JP2000590216A JP2000590216A JP2002533931A JP 2002533931 A JP2002533931 A JP 2002533931A JP 2000590216 A JP2000590216 A JP 2000590216A JP 2000590216 A JP2000590216 A JP 2000590216A JP 2002533931 A JP2002533931 A JP 2002533931A
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シュミッツ ジュリアーン
ハー ウーレー ピエール
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Abstract

(57)【要約】 電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子とを具える半導体デバイスを製造する方法において、第1導電型の第1及び第2アクティブ領域(4)及び(5)をそれぞれ前記トランジスタ及びメモリ素子用に半導体本体内に限定する。次に、半導体本体の表面を前記トランジスタの犠牲ゲート絶縁膜及びメモリ素子のフローティングゲート絶縁膜(13)を与える第1絶縁層で覆い、次にこの第1絶縁層を前記トランジスタの犠牲ゲート及びメモリ素子のフローティングゲート(11)を与えるシリコン含有層で覆う。犠牲ゲート及びフローティングゲート(11)の形成後に、前記トランジスタ及びメモリ素子に第2導電型のソース及びドレイン領域を設ける。次の工程において、誘電体層(18)を被着し、この誘電体層を、第1及び第2アクティブ領域(4)及び(5)において前記シリコン含有層が露出するまで、その厚さの少なくとも一部分に亘って除去し、その後に第1アクティブ領域(4)における前記シリコン含有層及び第1絶縁層を除去して、前記誘電体層(18)に凹部を形成する。次に、メモリ素子の内部ゲート絶縁膜(24)を与える第2絶縁層を第2アクティブ領域(5)に被着するとともにトランジスタのゲート絶縁膜(23)を与える第3絶縁層を第1アクティブ領域(4)に被着する。ゲート絶縁膜(23)及び内部ゲート絶縁膜(24)の形成後に、導電層を被着し、この導電層を第1アクティブ領域(4)にてトランジスタのゲート(26)及び第2アクティブ領域(5)にてメモリ素子の制御ゲート(27)に成形する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、半導体本体を具え、その表面に、半導体本体からゲート絶縁膜によ
り絶縁されたゲートを有する電界効果トランジスタと、フローティングゲート及
び制御ゲートを有する不揮発性メモリ素子が設けられ、前記フローティングゲー
トは半導体本体からフローティングゲート絶縁膜により絶縁され、制御ゲートか
ら内部ゲート絶縁膜により絶縁されている半導体デバイスを製造する方法であっ
て、表面に隣接する第1導電型の第1及び第2アクティブ領域をそれぞれ前記ト
ランジスタ及びメモリ素子用に半導体本体内に限定し、表面を前記メモリ素子の
フローティングゲート絶縁膜を与える第1絶縁層で被覆し、この第1絶縁層の上
に前記メモリ素子のフローティングゲートを与えるシリコン含有層を被着し、そ
の後に前記メモリ素子の第2導電型のソース及びドレイン領域を半導体本体内に
設け、第2絶縁層を前記第2アクティブ領域に被着して前記メモリ素子の内部ゲ
ート絶縁膜を与え、この第2絶縁層の上に前記メモリ素子の制御ゲートを与える
導電層を被着する半導体デバイスの製造方法に関するものである。
【0002】 頭書に記載した種類の半導体デバイスの製造方法はUS−A5,340,76
4から既知である。既知の方法では、第1の一連の工程を実行して、内部ゲート
絶縁膜により互いに分離され且つ半導体本体からフローティングゲート酸化膜に
より絶縁された積層多結晶シリコン(以後、略してポリシリコン層という)の2
つの積層からなる不揮発性メモリ素子を製造している。不揮発性メモリ素子の形
成後に、第2の一連の工程を実行して電界効果トランジスタを製造している。こ
の目的のために、比較的薄いゲート酸化膜を被着し、この酸化膜を電界効果トラ
ンジスタのゲートを与える他のポリシリコン層で覆う。このポリシリコン層をパ
ターン化した後に、ゲートを隣接フィールド酸化膜絶縁領域と一緒にマスクとし
て用いてセルフアライン注入により電界効果トランジスタにソース及びドレイン
領域を設ける。
【0003】 従来、セルフアライン注入は半導体本体内に原子を実際に注入した後にアニー
ル又は所謂ドライブイン工程が実行され、この工程は注入した原子を活性化する
とともに半導体本体の格子に生じた注入損傷を修復するために1000℃のよう
な高温で実行される場合が多い。
【0004】 既知の方法の欠点は、メモリ素子の制御ゲート及び内部ゲート絶縁膜のみなら
ず電界効果トランジスタのゲート及びゲート絶縁膜が電界効果トランジスタのソ
ース及びドレイン領域のセルフアライン注入前に形成され、従って実際の注入後
に実行される高温度のアニールプロセスを受ける点にある。その結果として、ゲ
ート及び制御ゲートに対してのみならずゲート絶縁膜及び内部ゲート絶縁膜に対
してもプロセスコンパチブル材料を選択するのに厳しい制約が課される。既知の
方法の他の欠点は、不揮発性メモリ素子及び電界効果トランジスタに対して個別
にデバイス最適化を達成するためにプロセスシーケンスがかなり複雑になる点に
ある。
【0005】 本発明の目的は、頭書に記載した種類の半導体デバイスを製造する方法におい
て、慣例のCMOSプロセスシーケンスにおけるロジックデバイス及び不揮発性
デバイスに対するプロセスコンパチブル材料の使用に関しフレキシビリティを増
大させるとともに、ロジックデバイス特性及び不揮発性デバイス特性の個別の最
適化を、プロセスシーケンスの複雑度を殆ど増大することなく達成することにあ
る。
【0006】 本発明は、この目的を達成するために、頭書に記載した半導体デバイスの製造
方法において、前記メモリ素子のフローティングゲート及びフローティングゲー
ト絶縁膜の形成と一緒に、第1アクティブ領域に前記電界効果トランジスタの犠
牲ゲート及び犠牲ゲート絶縁膜をそれぞれ形成し、その後に前記トランジスタの
ソース及びドレイン領域をメモリ素子のソース及びドレイン領域と一緒に形成し
、誘電体層を堆積し、この誘電体層を、第1及び第2アクティブ領域において前
記シリコン含有層が露出するまで、その厚さの少なくとも一部分に亘って除去し
、その後に第1アクティブ領域における前記シリコン含有層及び第1絶縁層を除
去して、前記誘電体層に凹部を形成し、この凹部内に、第1アクティブ領域にお
ける前記トランジスタのゲート絶縁膜を与える第3絶縁層を堆積し、その後に導
電層を堆積し、これで第1アクティブ領域の前記凹部を満たし、この導電層を第
1アクティブ領域における前記トランジスタのゲート及び第2アクティブ領域に
おける前記メモリ素子の制御ゲートに成形することを特徴とする。
【0007】 本発明の上述の手段によれば、電界効果トランジスタのゲート及びゲート絶縁
膜とメモリ素子の制御ゲート及び内部ゲート絶縁膜は、一旦形成されたら、実際
のソース/ドレイン注入後に実行されるドライブイン工程の高温度(多くの場合
1000℃)にさらされることがない。これにより、慣例のCMOS技術におけ
るゲート及び制御ゲート並びにゲート絶縁膜及び内部ゲート絶縁膜に対するプロ
セスコンパチブル材料の使用に大きなフレキシビリティが得られる。更に、本発
明の方法は、できるだけ多数の共通のプロセス工程を使用し、プロセスの複雑化
を抑えながら、慣例のCMOS技術で、ロジックデバイス特性及び不揮発性デバ
イス特性を個別に最適化することができる。
【0008】 上述の利点は、最初に、メモリ素子にフローティングゲート及びフローティン
グゲート絶縁膜を設け得るのと同時に、電界効果トランジスタに犠牲ゲート及び
犠牲ゲート絶縁膜を設け、ソース及びドレイン領域のセルフアライン注入と関連
する高温度アニールが既に実行された後の段階において、犠牲ゲート及び犠牲ゲ
ート絶縁膜を実際のゲート及び実際のゲート絶縁膜と取り替えると同時に、メモ
リ素子に制御ゲート及び内部ゲート絶縁膜を与えることにより達成される。
【0009】 この犠牲ゲートの実際のゲートとの取替えは「IEDM97(1997)」pp.821-824に発
表されたChatterjee等の論文「Sub-100nm gate length metal gate NMOS transi
stors fabricated by a replacement gate process」に記載されている取替え
ゲートプロセスに類似性を示す。この取替えゲート技術の代表的な特徴は、全て
の高温度アニールを実際のゲートの形成前に実行し、ソース/ドレイン領域にセ
ルフアラインした実際のゲートを形成しているだけである。
【0010】 トランジスタの犠牲ゲート及びメモリ素子のフローティングゲートは、ポリシ
リコン、又はできればアモルファスシリコン又はGexSi1-x(xは0〜1の範囲
内のゲルマニウムの含有比)を含むシリコン含有層から形成する。トランジスタ
の犠牲ゲートの除去前に、比較的厚い誘電体層を被着してトランジスタの犠牲ゲ
ート及びメモリ素子のフローティングゲートを覆う。次にこの誘電体層を、犠牲
ゲート及びフローティングゲートが露出するまで、その厚さの少なくとも一部分
に亘って、例えば化学機械研磨によって除去する。次に、トランジスタの犠牲ゲ
ートを選択エッチングにより除去する。犠牲ゲートの除去後に、ディップエッチ
ングを実行してその下の犠牲ゲート絶縁膜を除去する。トランジスタの犠牲ゲー
ト及び犠牲ゲート絶縁膜の除去中、非臨界的マスクを用いてメモリ素子のフロー
ティングゲート及びフローティングゲート絶縁膜がエッチャントに接触し得ない
ようにする。このようにして、前記誘電体層の、それまでトランジスタの犠牲ゲ
ート及び犠牲絶縁層が存在した位置に凹部が形成される。第2絶縁層をメモリ素
子の区域に被着してメモリ素子の内部ゲート絶縁膜を与えた後に、第3絶縁層を
前記凹部内に被着してトランジスタの実際のゲート絶縁膜を与える。次に表面を
導電層で覆い、これで前記凹部を満たし、この導電層をトランジスタの実際のゲ
ート及びメモリ素子の制御ゲートに成形する。
【0011】 前記誘電体層の化学機械研磨(CMP)を停止させる瞬時はかなり臨界的であ
ることが実験により確かめられた。CMPプロセスの停止が早すぎると、酸化物
が犠牲ゲート上に残存し、これが次の犠牲ゲートの除去を妨害する。CMPプロ
セスが長く実行されすぎると、実際のゲートの高さの限定が悪影響を受ける。プ
ロセスの高さの限定を改善するために、シリコン含有層を、第1シリコン含有サ
ブ層の上にシリコンより除去処理に対し高い抵抗を有するとともに前記誘電体層
に対し選択的にエッチングし得る材料からなる第2サブ層を具える2重層として
設けるのが好ましい。従って、第2サブ層は誘電体層の除去中エッチストッパ層
として作用する。この点に関し、第2サブ層としては窒化シリコンを使用し、誘
電体層としては酸化シリコンを使用するのが有利である。或いは又、窒化シリコ
ンの代わりに酸化アルミニウム及び/又は酸化シリコンの代わりにBPSG(硼
素燐珪酸ガラス)を使用することができる。第2サブ層は、犠牲ゲートの除去前
に、トランジスタの犠牲ゲート及びメモリ素子のフローティングゲートの双方か
ら選択的に除去する。このようにすると、誘電体層に、トランジスタの区域の凹
部と一緒に、メモリ素子の区域にも他の凹部が形成される。ここで、メモリ素子
の内部ゲート絶縁膜を与える第2絶縁層を他の凹部内に被着する。次に導電層を
被着して両凹部を満たす。トランジスタのコンパクトゲート構造をメモリ素子の
コンパクトスタックトゲート構造と一緒に与えるために、導電層をマスク無し除
去によって第2又は第3絶縁層又は誘電体層のどちらかが露出するまで除去する
ことによって導電層をゲート及び制御ゲートに成形するのが好ましい。このよう
にしてゲート及び制御ゲートを誘電体層内に埋設する。上述した導電層のマスク
無し除去は化学機械研磨(CMP)によって達成するのがこのましい。第2絶縁
層又は第3絶縁層(もしあれば)の次のマスク無し除去は必要ないが、第2又は
第3絶縁層が高い比誘電率を有する材料からなる場合にはこの除去を有益とする
ことができる。
【0012】 0.1μmに近似するゲート長を有するロジックデバイスの最適化に関しゲー
ト絶縁膜に課される要求は不揮発性デバイスの最適化に関しフローティングゲー
ト絶縁膜に課される要求と相違する。
【0013】 不揮発性メモリ素子はフローティングゲートを有するトランジスタにより形成
され、そのしきい値がフローティングゲート上に電荷の形で書き込まれた情報に
より決まる。制御ゲートは、一方では、読取り中にしきい値電圧、従って書き込
まれた情報が何であるか検出するよう作用し、他方では、書込み及び/又は消去
中にフローティングゲートの電位を制御するよう作用する。メモリ素子のチャネ
ルからフローティングゲートを絶縁するフレームゲート絶縁膜は書込み及び/又
は消去を可能にするために十分に薄くする必要がある同時に、いったんトランジ
スタのしきい値電圧が上昇したらフローティングゲートからの電荷の漏れを阻止
するために十分厚くする必要がある。一般に直接トンネリング効果により生ずる
フローティングゲートからの電荷の漏れは、できるだけ長くすべきであるメモリ
素子の記憶保持時間に有害である。上述の理由から、通常酸化シリコンからなる
メモリ素子のフローティングゲート絶縁膜、従ってフローティングゲート絶縁膜
が形成される第1絶縁層は約6−10nmの幾何学的厚さに設けるのが有利であ
る。メモリ素子のフローティングゲートから制御ゲートを絶縁する内部ゲート絶
縁膜はフローティングゲートからの電荷の漏れを阻止するために十分に厚くする
必要があると同時に、制御ゲートとフローティングゲートとの間に大きな容量結
合を達成するために十分に薄くする必要がある。また、制御ゲートとフローティ
ングゲートとの間の容量結合は内部ゲート絶縁膜の幾何学的厚さを減少させるこ
とにより向上させることができるのみならず、所定の幾何学的厚さにおいて内部
ゲート絶縁膜の比誘電率を増大させることにより向上させることもできる。それ
ゆえ、メモリ素子の内部ゲート絶縁膜として、従って内部ゲート絶縁膜が形成さ
れる第2絶縁層として、酸化シリコンの比誘電率(ε〜4)より高い比誘電率有
する絶縁材料を用いるのが好ましい。
【0014】 更に、電界効果トランジスタのチャネルからゲートを絶縁するゲート絶縁膜は
ゲートとチャネルとの間にできるだけ高い容量結合を達成するためにできるだけ
薄くする必要がある。トランジスタのゲート絶縁膜を通過する漏れ電流はメモリ
素子のフローティングゲート絶縁膜と内部ゲート絶縁膜を通過する漏れ電流より
臨界的でないが、トランジスタのゲート絶縁膜は十分に厚くする必要がある。一
般に、漏れ電流の抑圧のために1.5nm以上のシリコン酸化膜の厚さが採用さ
れている。所定の幾何学的厚さにおいて、ゲート絶縁膜の比誘電率を増大させる
ことによりゲートとチャネルとの間の容量結合を向上させることができる。それ
ゆえ、トランジスタのゲート絶縁膜、従ってゲート絶縁膜が形成される第3絶縁
層を酸化シリコンの比誘電率(ε〜4)より高い比誘電率有する絶縁材料で構成
するのが好ましい。以上の理由から、トランジスタのゲート絶縁膜は約1.5−
4nmのd/εrで定義される等価酸化膜厚(ここでdはゲート絶縁膜の幾何学的
厚さ及びεrはゲート絶縁膜の比誘電率対酸化シリコンの比誘電率の比)にする
のが好ましい。
【0015】 以上の理由から、メモリ素子の内部ゲート絶縁膜を与える第2絶縁層並びにト
ランジスタのゲート絶縁膜を与える第3絶縁層は酸化シリコンの比誘電率(ε〜
4)より高い比誘電率を有する絶縁材料で構成するのが好ましい。この点に関し
、酸化タンタル(Ta25;ε〜20-25)、酸化アルミニウム(Al23;ε〜10
)又は窒化シリコン(Si34;ε〜7)が有利であり、蓋しこれらの材料は化学
気相成長(CVD)により高い相似性及び再現性で堆積されるからである。従来
の方法において高比誘電率ゲート絶縁膜/内部ゲート絶縁膜を適用すると、これ
らのゲート絶縁膜がトランジスタのソース/ドレイン注入と関連するアニールの
高温度にさらされてそれらの特性が劣化し得る点に注意されたい。本発明の方法
では、ゲート絶縁膜/内部ゲート絶縁膜はいったん形成されたら後続のプロセス
工程において高温度にさらされない。
【0016】 プロセス中のマスクの数を最少に維持するために、第2絶縁層及び第3絶縁層
をメモリ素子の内部ゲート絶縁膜及びトランジスタのゲート絶縁膜を与える一つ
の共通の層の一部分として設けるのが好ましい。
【0017】 メモリ素子特性とトランジスタ特性の両方の満足な最適化を達成するために、
上述した理由から、トランジスタのゲート絶縁膜を与える第3絶縁層を、メモリ
素子のフローティングゲート絶縁膜を与える第1絶縁層のd/εrで定義される等
価酸化膜厚(ここでdはゲート絶縁膜の幾何学的厚さ及びεrはゲート絶縁膜の
比誘電率対酸化シリコンの比誘電率の比)より小さい等価酸化膜厚にする。この
点に関し、第3絶縁層は約1.5〜4nmの等価酸化膜厚で設けるとともに第1
絶縁層は約10nmの等価酸化膜厚で設けるのが好ましい。
【0018】 ゲート及び制御ゲート、従って両ゲートが形成される導電層は慣例のポリシリ
コンの代わりに金属で構成するのが有利である。ポリシリコンと異なり、金属は
本質的に比較的低い抵抗値を有し、有害なデプレッション効果を受けない。この
点に関し、アルミニウム、タングステン、銅又はモリブデンのような低抵抗金属
が有利である。金属を使用する場合には、前記導電層は接着層及び/又は障壁層
として作用する層の上に金属層を具える2重層として設けるのが好ましい。この
点に関し、チタン(Ti)を接着層として、窒化チタン(TiN)又はチタンタン
グステン(TiW)を障壁層として設けることができる。従来の方法において金
属ゲート/制御ゲートを使用すると、トランジスタのソース/ドレイン注入と関
連するアニールの高温度にさらされる結果として、アルミニウムゲート/制御ゲ
ートの場合には溶融がする、そうでなければ金属ゲート/制御ゲートとゲート絶
縁膜/内部ゲート絶縁膜との間に有害な相互作用が生ずる点に注意されたい。本
発明の方法では、ゲート/制御ゲートは、いったん形成されたら、後続のプロセ
ス工程において高温度にさらされることはない。
【0019】 本発明のこれらの目的及び他の目的は以下に記載する実施例を参照すると明ら
かになる。 図1−10は、電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子トランジスタを具
える半導体デバイスを製造する本発明プロセスの順次の段階を示す断面図である
【0020】 本発明を不揮発性メモリ素子と組み合わされたMOSトランジスタに基づいて
以下に説明する。本発明はそれ自体既知の任意の不揮発性メモリ素子、例えばE
PROM(消去可能プログラマブルリードオンリメモリ)、EEPROM(電気
的に消去可能なリードオンリメモリ)又はフラッシュEEPROMに有利に使用
することができる。
【0021】 プロセスは第1導電型の半導体本体1(本例では例えばp導電型のシリコン本
体)から出発する(図1)。この半導体本体1には、表面2に、半導体本体1内
に少なくとも部分的に埋設され、電界効果トランジスタを製造すべき第1アクテ
ィブ領域4を規定するとともに不揮発性メモリ素子を製造すべき第2アクティブ
領域5を規定する比較的厚いフィールド酸化膜絶縁領域3が設けられている。こ
の厚い酸化膜絶縁領域3はLOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)又はST
I(Shallow Trench Isolation)により通常の方法で形成される。次に、半導体
本体1の表面2を、例えば酸化シリコンからなる第1絶縁層6で被覆し、この絶
縁層をシリコン含有層9で覆う。第1絶縁層6は約6−10nmの幾何学的厚さ
に被着するのが好ましい。本例では、シリコン含有層9は、例えば燐又はできれ
ば硼素のようなドーパントが添加されたものとし得るポリシリコンの第1サブ層
7と、その上の、例えば窒化シリコンからなる第2サブ層8とからなる2重層で
ある。窒化シリコンの代わりに、例えば酸化アルミニウム又は物質の組合わせの
ような他の任意の材料を使用することができる。ポリシリコンの代わりに、アモ
ルファスシリコン又はGexSi1-x(xは0〜1の範囲内のゲルマニウム含有比を
表わす)を使用することができる。シリコン含有層はポリシリコン、アモルファ
スシリコン又はGexSi1-xからなる単一層にすることもできる点に注意されたい
【0022】 次に、図2に示すように、シリコン含有層9を通常のフォトリソグラフィ法で
パターン化して第1アクティブ領域4に犠牲ゲート10を設けるとともに第2ア
クティブ領域5にフローティングゲート11を設ける。犠牲ゲート10及びフロ
ーティングゲート11は第2サブ層8で覆われ、且つそれぞれ第1絶縁層6によ
り与えられる犠牲ゲート絶縁膜12及びフローティングゲート絶縁膜13により
半導体本体1から絶縁されている。シリコン含有層9のパターン化後に、第2(
反対)導電型(本例ではn型)のソース/ドレイン延長領域14を第1アクティ
ブ領域4の犠牲ゲート10の両側及び第2アクティブ領域5のフローティングゲ
ート11の両側に、シリコン含有層9を酸化フィールド絶縁領域3と一緒にマス
クとして用いて、例えば燐又は砒素の低ドーズのセルフアライン注入によって形
成する。
【0023】 次に、第2サブ層8で覆われた、トランジスタの犠牲ゲート10及びメモリ素
子のフローティングゲート11の側壁に、既知の方法、例えば酸化シリコン層の
堆積及び異方性エッチバックによってサイドウォールスペーサ15を形成する(
図3)。サイドウォールスペーサ15の形成後に、第2導電型(本例ではn型)
の高ドープソース領域16及びドレイン領域17を第1及び第2アクティブ領域
4及び5のサイドウォールスペーサ15の両側に、酸化フィールド絶縁領域3を
シリコン含有層9及びサイドウォールスペーサ15と一緒にマスクとして用いて
、例えば燐又は砒素の高ドーズのセルフアライン注入によって形成する。
【0024】 次に、図4に示すように、本例では酸化シリコンからなる比較的厚い誘電体層
18を堆積する。PSG(燐珪酸ガラス)又はBPSG(硼素燐珪酸ガラス)の
ような他の適当な絶縁材料を使用することもできる。
【0025】 次に、誘電体層18を、第1及び第2アクティブ領域4及び5の第2サブ層8
が露出するまで、その厚さの少なくとも一部分に亘って除去する(図5)。これ
は、例えば市販のスラリーを用いて化学機械研磨(CMP)によって達成するこ
とができる。
【0026】 次の工程(図6)において、本例では窒化シリコンからなる第2サブ層8を、
例えば燐酸及び硫酸の混合物を用いるウエットエッチングによって、本例では酸
化シリコンからなる誘電体層18及びサイドウォールスペーサ15に対し選択的
に除去する。このようにして、誘電体層18に、第1アクティブ領域4の位置に
凹部19を形成するとともに、第2アクティブ領域5の位置に他の凹部20を形
成する。
【0027】 次に、図7に示すように、第2アクティブ領域5の位置に非臨界的レジストマ
スク21を設け、その後に第1アクティブ領域4のトランジスタの犠牲ゲート1
0及び犠牲ゲート絶縁膜12を2つの別個のエッチング工程で除去する。本例で
はポリシリコンからなる犠牲ゲートはホットKOH溶液を用いるウエットエッチ
ングによって、又は例えばHBr/Cl2混合物を用いるプラズマエッチングによっ
て選択的に除去することができる。本例では酸化シリコンからなる犠牲ゲート絶
縁膜はHFを用いるウエットエッチングによって除去することができる。非臨界
的マスク21はメモリ素子のフローティングゲート11及びフォローティングゲ
ート絶縁膜13が上述のエッチャントに接触するのを阻止する。
【0028】 次に、図8に示すように、第2絶縁層22を全露出表面上に堆積し、これによ
り第2アクティブ領域5のメモリ素子の内部ゲート絶縁膜24を第1アクティブ
領域4のトランジスタの実際のゲート絶縁膜23と一緒に与える。第2絶縁層2
2は酸化シリコンからなるものとし得るが、酸化タンタル、酸化アルミニウム又
は窒化シリコンのような酸化シリコンより高い比誘電率を有する絶縁材料の方が
好ましい。トランジスタのゲート絶縁膜23は約1.5−4nmのd/εrで定義
される等価酸化膜厚(ここでdは層23の幾何学的厚さ及びεrは層23の比誘
電率対酸化シリコンの比誘電率)に設けるのが好ましい。本例では、トランジス
タのゲート絶縁膜23及びメモリ素子の内部ゲート絶縁膜24は一つの共通の層
、即ち第2絶縁層22の一部分として形成される。例えば、メモリ素子の内部ゲ
ート絶縁膜24を与える第2絶縁層22に加えて、トランジスタのゲート絶縁膜
23を与える第3絶縁層(図示せず)を堆積することもできること勿論である。
このようにすると、ゲート絶縁膜23及び内部ゲート絶縁膜24が別個の絶縁層
から形成され、従ってゲート絶縁膜23の厚さ/組成を内部ゲート絶縁膜24の
厚さ/組成と完全に別にすることができる。第3絶縁層が存在する場合には、こ
の絶縁層は酸化シリコン又は好ましくは酸化シリコンより高い比誘電率を有する
絶縁材料、例えば酸化タンタル、酸化アルミニウム又は窒化シリコンからなるも
のとする。酸化シリコンをゲート絶縁膜23及び内部ゲート絶縁膜24の両方に
使用する場合には、これらの絶縁膜は、例えば化学気相成長又はシリコンの熱酸
化を用いて、一工程で、又は一方のアクティブ領域をマスクで遮蔽しながら2つ
の別々の工程で得ることができる。一工程の熱酸化の場合には、ゲート絶縁膜2
3の厚さは単結晶シリコンの酸化速度よりポリシリコンの酸化速度の方が早いた
めに内部ゲート絶縁膜24より自動的に小さくなる。高比誘電率材料の酸化タン
タル、酸化アルミニウム及び窒化シリコンは、例えば化学気相成長(CVD)を
用いて、一工程で、又は一方のアクティブ領域をマスクで遮蔽しながら2つの別
々の工程で堆積することができる。
【0029】 次に、図9に示すように、導電層25を第2絶縁層22の上に通常の方法で被
着し、これにより第1アクティブ領域4の凹部19及び第2アクティブ領域5の
他の凹部20を満たす。導電層25も、ポリシリコン又はできればアモルファス
シリコン又はGexSi1-xを使用することができるが、アルミニウム、タングステ
ン、銅又はモリブデンのような金属又は金属の組合わせを使用することもできる
。導電層25は接着層及び/又は障壁層として作用する層の上に一つの金属又は
金属の組合わせからなる層を具える2重層として堆積することもできる。この場
合には、Tiを接着層として、TiN又はTiWを障壁層として被着することがで
きる。
【0030】 次の工程(図10)において、導電層25を第1アクティブ領域4のトランジ
スタの実際のゲート26及び第2アクティブ領域5のメモリ素子の制御ゲート2
7に成形する。これは、例えば第1及び第2アクティブ領域4及び5にオーバサ
イズのマスクを用いてエッチングにより行うことができる。この場合には、ゲー
ト26及び制御ゲート27の導電材料がそれぞれ凹部19及び凹部20を越えて
第2絶縁層22で覆われた絶縁層18上まで延在する。しかし、マスクなしで導
電層25を第2絶縁層22が露出するまで除去し、誘電体層18内に埋設された
トランジスタのゲート26及びメモリ素子の制御ゲート27を形成するのが好ま
しい。第2絶縁層22を除去して図10に示す結果を生ずる追加のマスク無し除
去は必要ないが、第2絶縁層22が高い比誘電率を有する材料からなる場合には
この追加の除去を行うのが有利である。導電層25のマスク無し除去又は導電層
25及び第2絶縁層22の両方のマスク無し除去は、例えば市販のスラリーを用
いて化学機械研磨(CMP)により達成することができる。
【0031】 最後に、酸化膜堆積、接点窓形成及び1以上の金属層のメタライゼーション等
の関例のCMOSプロセス工程(図示せず)により半導体デバイスを完成させる
【0032】 本発明は上述した実施例にのみ限定されず、当業者であれば本発明の範囲内に
おいて多くの変更が可能であること明らかである。トランジスタのゲートの厚さ
/組成をメモリ素子の制御ゲートの厚さ/組成から別個にするために、前記ゲー
ト及び制御ゲートを一つの共通の導電層の代わりに2つの別個の導電層から形成
することができる。ソース及びドレイン領域をドレイン延長領域なしで実現して
プログラム/消去処理用にメモリ素子のフローティングゲート近くに十分高い電
界が得られるようにすることもできる。更に、ソース及びドレイン領域の寄生抵
抗を低減するために、ソース及びドレイン領域にTi又はCoを用いてシリサイド
処理を施し、ソース及びドレイン領域にTi(TiSi2)又はCo(CoSi2)のセ
ルフアラインシリサイドを形成することができる。上述の実施例では、第1及び
第2アクティブ領域は原半導体本体の表面領域で形成されているが、第1及び第
2アクティブ領域は、半導体本体の表面に隣接する領域内にnチャネル又はpチ
ャネル電界効果トランジスタ及び不揮発性メモリ素子用に好適なドーピング濃度
で局部的にドーピングすることにより得られる慣例のp及び/又はnウエルとす
ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子とを具える半導体デバイ
スを製造する本発明プロセスの一製造工程を示す断面図である。
【図2】 電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子とを具える半導体デバイ
スを製造する本発明プロセスの次の製造工程を示す断面図である。
【図3】 電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子とを具える半導体デバイ
スを製造する本発明プロセスの次の製造工程を示す断面図である。
【図4】 電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子とを具える半導体デバイ
スを製造する本発明プロセスの次の製造工程を示す断面図である。
【図5】 電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子とを具える半導体デバイ
スを製造する本発明プロセスの次の製造工程を示す断面図である。
【図6】 電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子とを具える半導体デバイ
スを製造する本発明プロセスの次の製造工程を示す断面図である。
【図7】 電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子とを具える半導体デバイ
スを製造する本発明プロセスの次の製造工程を示す断面図である。
【図8】 電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子とを具える半導体デバイ
スを製造する本発明プロセスの次の製造工程を示す断面図である。
【図9】 電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子とを具える半導体デバイ
スを製造する本発明プロセスの次の製造工程を示す断面図である。
【図10】 電界効果トランジスタと不揮発性メモリ素子とを具える半導体デバ
イスを製造する本発明プロセスの次の製造工程を示す断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 27/115 29/788 29/792 (71)出願人 Groenewoudseweg 1, 5621 BA Eindhoven, Th e Netherlands (72)発明者 ピエール ハー ウーレー オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン 6 Fターム(参考) 4M104 BB01 BB02 BB04 BB14 BB16 BB18 BB20 BB25 BB36 BB40 DD02 DD03 DD04 DD08 DD09 DD72 DD75 DD91 EE03 EE05 EE09 EE15 EE16 EE17 FF18 GG09 GG16 HH20 5F048 AB01 AC01 BA01 BB11 BB19 BG01 BG12 BG13 5F083 EP02 EP22 EP49 ER22 JA33 JA35 JA36 JA37 JA39 JA40 NA01 PR29 PR40 PR43 PR53 5F101 BA01 BA26 BB02 BH21 【要約の続き】 (5)に被着するとともにトランジスタのゲート絶縁膜(2 3)を与える第3絶縁層を第1アクティブ領域(4)に被着 する。ゲート絶縁膜(23)及び内部ゲート絶縁膜(24)の形 成後に、導電層を被着し、この導電層を第1アクティブ 領域(4)にてトランジスタのゲート(26)及び第2アクテ ィブ領域(5)にてメモリ素子の制御ゲート(27)に成形す る。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体本体を具え、その表面に、半導体本体からゲート絶縁膜に
    より絶縁されたゲートを有する電界効果トランジスタと、フローティングゲート
    及び制御ゲートを有する不揮発性メモリ素子が設けられ、前記フローティングゲ
    ートは半導体本体からフローティングゲート絶縁膜により絶縁され、制御ゲート
    から内部ゲート絶縁膜により絶縁されている半導体デバイスを製造する方法であ
    って、表面に隣接する第1導電型の第1及び第2アクティブ領域をそれぞれ前記
    トランジスタ及びメモリ素子用に半導体本体内に限定し、表面を前記メモリ素子
    のフローティングゲート絶縁膜を与える第1絶縁層で被覆し、この第1絶縁層の
    上に前記メモリ素子のフローティングゲートを与えるシリコン含有層を被着し、
    その後に前記メモリ素子の第2導電型のソース及びドレイン領域を半導体本体内
    に設け、第2絶縁層を第2アクティブ領域に被着して前記メモリ素子の内部ゲー
    ト絶縁膜を与え、この第2絶縁層の上に前記メモリ素子の制御ゲートを与える導
    電層を被着する半導体デバイスの製造方法において、前記メモリ素子のフローテ
    ィングゲート及びフローティングゲート絶縁膜の形成と一緒に、第1アクティブ
    領域に、前記電界効果トランジスタの犠牲ゲート及び犠牲ゲート絶縁膜をそれぞ
    れ形成し、その後に前記トランジスタのソース及びドレイン領域を前記メモリ素
    子のソース及びドレイン領域と一緒に形成し、誘電体層を被着し、この誘電体層
    を、第1及び第2アクティブ領域において前記シリコン含有層が露出するまで、
    その厚さの少なくとも一部分に亘って除去し、その後に第1アクティブ領域にお
    ける前記シリコン含有層及び第1絶縁層を除去して、前記誘電体層に凹部を形成
    し、この凹部内に、第1アクティブ領域における前記トランジスタのゲート絶縁
    膜を与える第3絶縁層を被着し、その後に前記導電層を堆積し、これで第1アク
    ティブ領域の前記凹部を満たし、この導電層を第1アクティブ領域における前記
    トランジスタのゲート及び第2アクティブ領域における前記メモリ素子の制御ゲ
    ートに成形することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
  2. 【請求項2】 シリコン含有層を、シリコンの第1サブ層の上にシリコンより除
    去処理に対し高い抵抗を示すとともに前記誘電体層に対し選択的にエッチングし
    得る材料からなる第2サブ層を具える2重層として設け、第2アクティブ領域に
    おける前記第2サブ層を第1アクティブ領域における前記シリコン含有層と一緒
    に除去して第2アクティブ領域における前記誘電体層に他の凹部を形成し、この
    他の凹部内に前記第2絶縁層を被着して前記メモリ素子の内部ゲート絶縁膜を与
    え、その後に前記導電層を被着して、第1アクティブ領域における前記凹部と一
    緒に第2アクティブ領域における前記他の凹部を満たし、これにより前記メモリ
    素子の制御ゲート及び前記トランジスタのゲートを与えることを特徴とする請求
    項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記誘電体層として酸化シリコンを堆積し、前記第2サブ層とし
    て窒化シリコン層を堆積することを特徴とする請求項2記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記導電層を被着し、これで第2アクティブ領域の前記他の凹部
    と一緒に第1アクティブ領域の前記凹部を満たした後に、前記導電層をマスク無
    しで前記第2又は第3絶縁層又は前記誘電体層のどちらかが露出するまで除去す
    ることによって前記導電層を前記トランジスタのゲート及び前記メモリ素子の制
    御ゲートに成形することを特徴とする請求項2又は3記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記導電層は化学機械研磨によって除去することを特徴とする請
    求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記第2絶縁層及び第3絶縁層は前記トランジスタのゲート絶縁
    膜及び前記メモリ素子の内部ゲート絶縁膜を与える一つの共通の層の一部分とし
    て被着することを特徴とする請求項1−5の何れかに記載の方法。
  7. 【請求項7】 酸化シリコンの比誘電率より高い比誘電率を有する絶縁材料を前
    記第3絶縁層として設けることを特徴とする請求項1−6の何れかに記載の方法
  8. 【請求項8】 酸化シリコンの比誘電率より高い比誘電率を有する絶縁材料を前
    記第2絶縁層として設けることを特徴とする請求項1−6の何れかに記載の方法
  9. 【請求項9】 前記絶縁材料として酸化タンタル、酸化アルミニウム及び窒化シ
    リコンからなる群から選択される材料を用いることを特徴とする請求項7又は8
    記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記トランジスタのゲート絶縁膜を与える前記第3絶縁層を、
    前記メモリ素子のフローティングゲート絶縁膜を与える第1絶縁層の、d/εr
    定義される(ここでdはゲート絶縁膜の幾何学的厚さ及びεrはゲート絶縁膜の
    比誘電率/酸化シリコンの比誘電率)等価酸化膜厚より小さい等価酸化膜厚に設
    けることを特徴とする請求項1−9の何れかに記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記第3絶縁層は約1.5nm〜4nmの等価酸化膜厚に設け
    、前記第1絶縁層は約6〜10nmの等価酸化膜厚に受けることを特徴とする請
    求項10記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記トランジスタのゲート及び前記メモリ素子の制御ゲートを
    与える前記導電層は金属層の堆積により設けることを特徴とする請求項1−11
    の何れかに記載の方法。
  13. 【請求項13】 前記導電層は接着層及び/又は障壁層として作用する層の上に
    金属層を具える2重層として設けることを特徴とする請求項12記載の方法。
  14. 【請求項14】 前記金属としてアルミニウム、タングステン、銅及びモリブデ
    ンからなる群から選択される金属を用いることを特徴とする請求項12又は13
    記載の方法。
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