JP2004172567A - Manufacturing method of semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の製造方法に係り、特に、自己整列方法でフローティングゲートを形成するフラッシュ素子のフローティングゲート形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、デザインルール及び素子サイズが減少することにより、ETOX(EEPROM Tunnel Oxide)セルにおいてフローティングゲート間の間隔及びカップリングに最も大きい影響を及ぼすフィールド酸化膜(Field Oxide; FOX)オーバーラップの調節に困っている。一般にSTI工程を用いてフラッシュメモリーセルを実現しているが、フローティングゲートのアイソレーションを行う際にマスクを用いたパターニング工程の作業は、マスク臨界寸法(Critical Dimension; CD)の変化によるウェーハの均一化が容易でないため、素子間のカップリング比が均一ではないという問題点が生じる。また、フラッシュメモリー素子のプログラム及び消去の際に高いバイアス電圧を印加すると、不均一なフローティングゲートによってフラッシュメモリー素子の欠陥が発生する。アイソレーションマスクとポリマスクとの間に整列誤差及びマスク工程の増加は、歩留りの低下とコストアップの原因になっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、かかる従来の問題点を解決するためのもので、その目的は、フローティングゲートを形成するためのトンネル酸化膜及び第1ポリシリコン膜膜を蒸着した状態でパターニング工程を行ってSTI構造の素子分離膜を形成し、第1ポリシリコン膜膜上に第2ポリシリコン膜膜を蒸着してフローティングゲートを形成することにより、マスク工程を使用することなく、フローティングゲートを形成することができ、小さなサイズのフローティングゲートを形成することができる半導体素子の製造方法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板上にトンネル酸化膜、第1ポリシリコン膜及びパッド窒化膜を順次形成する段階と、前記パターニング工程によって前記パッド窒化膜、前記第1ポリシリコン膜、前記トンネル酸化膜及び前記半導体基板の一部をエッチングして前記半導体基板内にトレンチを形成する段階と、前記トレンチを含む全体構造上に酸化膜を蒸着した後、前記パッド窒化膜が露出するように前記酸化膜を平坦化する段階と、前記パッド窒化膜をエッチングして酸化膜凸部を形成する段階と、全体構造上に第2ポリシリコン膜を蒸着した後、前記酸化膜凸部が露出するように前記第2ポリシリコン膜を平坦化する段階と、前記露出した酸化膜凸部の一部をエッチングしてフローティングゲートを形成した後、誘電体膜及びコントロールゲートを形成する段階とを含んでなることを特徴とする。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照して本発明の実施例をさらに詳しく説明する。ところが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形実現が可能である。これらの実施例は本発明の開示を完全にし、当技術分野で通常の知識を有する者に本発明の範疇を知らせるために提供されるものである。一方、図面上において、同一の符号は同一の要素を示す。
【0006】
図1〜図4は本発明に係る半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【0007】
図1(a)を参照すると、半導体基板10上に、基板表面の結晶欠陥抑制または表面処理及びイオン注入の際にバッファー層の役割をするスクリーン酸化膜(図示せず)を蒸着した後イオン注入を行ってウェルを形成する。前記スクリーン酸化膜を除去した後、トンネル酸化膜12、第1ポリシリコン膜14及びパッド窒化膜16を蒸着する。
【0008】
具体的に、前記スクリーン酸化膜の形成の前に、半導体基板10の洗浄のために、50:1のH2OとHFとの混合比率を有するDHF(Dilute HF)、NH4OH、H2O2及びH2OからなるSC−1(Standard Cleaning−1)とを用いて、或いは100:1〜300:1のNH4FとHFとの混合比率を有するBOE(Buffered Oxide Etch)とNH4OH、H2O2及びH2OからなるSC−1とを用いて前処理洗浄工程を行う。750〜800℃の温度範囲内でドライまたはウェット酸化を行って厚さ30〜100Åの前記スクリーン酸化膜を形成する。イオン注入の後、50:1のH2OとHFとの混合比率を有するDHF、NH4OH、H2O2及びH2OからなるSC−1とを用いて前記スクリーン酸化膜をエッチングする。トンネル酸化膜12を750〜800℃の温度でウェット酸化方式によって85〜110Åの厚さに形成し、トンネル酸化膜12の蒸着後900〜910℃の温度でN2を用いて20〜30分間熱処理工程を行うことにより、トンネル酸化膜12と半導体基板10間の界面の欠陥密度を最小化する。トンネル酸化膜12上に、530〜680℃の温度と0.1〜3.0torrの圧力下でCVD(Chemical Vapor Deposition)、LPCVD(Low Pressure CVD)、PECVD(Plasma Enhanced CVD)又はAPCVD(Atmospheric Pressure CVD)法で、SiH4またはSi2H6とPH3ガスを用いて厚さ200〜1000Åの第1ポリシリコン膜14を蒸着する。かくして、第1ポリシリコン膜14の粒度が最小化されることにより、電界集中を防止することができる。第1ポリシリコン膜14上にLP−CVD法で厚さ約1300〜3000Åのパッド窒化膜16を形成する。
【0009】
図1(b)を参照すると、パッド窒化膜16、第1ポリシリコン膜14、トンネル酸化膜12及び半導体基板10をISOマスクパターニング(Isolation mask patterning)によって順次エッチングしてSTI(Shallow Trench Isolation)構造のトレンチ18を形成することで活性領域とフィールド領域を定義する。STI構造のトレンチ18側壁のエッチングダメージを補償するためのドライ酸化工程を行い、急速熱処理工程(Rapid Thermal Process)を行ってトレンチ18のコーナー部分をラウンディングする。全体構造上に高温酸化膜(High Temperature Oxide; HTO)を薄く蒸着して高温で緻密化工程を行い、ライナー酸化膜(図示せず)を形成する。
【0010】
具体的に、全体構造上に感光膜を塗布した後、感光膜マスクを用いたフォトリソグラフィ工程を行って感光膜パターン(図示せず)を形成する。前記感光膜パターンをエッチングマスクとするエッチング工程を行ってパッド窒化膜16、第1ポリシリコン膜14、トンネル酸化膜12及び半導体基板10をエッチングしてSTI構造のトレンチ18を形成する。前記エッチング工程によるトレンチ18側壁のダメージを補償するために800〜1000℃の温度範囲内でドライ酸化工程を行って側壁酸化膜を50〜150Åの厚さに形成する。水素を用いた急速熱処理工程を行って(すなわち、半導体基板の原子移動性質を利用)トレンチコーナー部分と角が立った部分をラウンディングすることにより、電場集中を抑制して素子の動作特性を向上させる。急速熱処理工程は、高速熱処理(Fast Thermal Process; FTP)型装備で600〜1050℃の温度範囲と300〜380torrの圧力下で100〜2000sccmの水素ガスを流入して5〜15分間行う。
【0011】
後続工程の酸化膜とトレンチ18との接着特性を向上させるとともにモウト(Moat)の発生を防止するために、DCS(Dichloro Silane; SiH2Cl2)ガスを用いて形成されたHTOを50〜150Åの厚さに蒸着した後、1000〜1100℃の温度でN2を用いて20〜30分間高温緻密化工程を行い、ライナー酸化膜(図示せず)を形成する。高温緻密化工程によりライナー酸化膜の組職が緻密になってエッチング抵抗性を増加させ、STIの実現の際にモウト形成を抑制し、しかも漏洩電流を防止する役割を果たす。
【0012】
図2(a)を参照すると、全体構造上に高密度プラズマ(High Density Plasma; HDP)酸化膜20を蒸着してトレンチ18の内部を埋め込む。パッド窒化膜16を停止層とする平坦化工程を行う。パッド窒化膜16をエッチング停止層として、パッド窒化膜16上のHDP酸化膜20及びライナー酸化膜を除去するための平坦化工程を行う。
【0013】
具体的に、トレンチ18の空白を満たすために厚さ5000〜10000Åの範囲でHDP(High Density Plasma)酸化膜20を形成する。この際、トレンチ18内部に空間が形成されないように前記HDP酸化膜20を蒸着する。CMPを用いた平坦化工程を行った後、パッド窒化膜16上に残存する可能性のある酸化膜を除去するために、BOEまたはHFを用いたポスト洗浄工程を行う。この際、オーバーエッチングに起因する前記HDP酸化膜20の高さの減少を最大限抑制する必要がある。
【0014】
図2(b)を参照すると、パッド窒化膜16をリン酸ディップアウト(H3PO4 dip out)を用いた窒化膜ストリップ工程を行うことにより、HDP酸化膜凸部22を形成する。パッド窒化膜16のストリップの際、HDP酸化膜凸部22は第1ポリシリコン膜14から700〜2500Åの高さにとなるようにする。この際、第1ポリシリコン膜14とフィールド酸化膜の段差は、後続工程で形成される第2ポリシリコン膜の厚さ程度に200〜300Å程度の小さい厚さを持つように残す。
【0015】
図3(a)を参照すると、前処理洗浄工程を行った後、全体構造上に第2ポリシリコン膜24を蒸着する。平坦化工程を行ってHDP酸化膜凸部22上に形成された第2ポリシリコン膜24を除去することにより、フローティングゲート電極26を形成する。具体的に、DHFとSC−1を用いた前処理ウェット洗浄工程を行い、フィールド酸化膜とポリシリコン膜とのオーバーラップを形成する。この時、ウェット洗浄時間を調節してセル地域のモウト形状及び第1ポリシリコン膜14下部のトンネル酸化膜12の損失を防止する。また、ウェット洗浄工程によって第1ポリシリコン膜14の厚さの2/3程度(100〜700Å)が開放されるように、ウェット洗浄工程を制御する。第1ポリシリコン膜14と同一の材質の第2ポリシリコン膜24を800〜2500Åの厚さに蒸着してHDP酸化膜凸部22を埋め込む。PE−CVD法を用いて、PE−TEOS(Plasma Enhansed Tetra Ethyle Ortho Silicate)、PE−Nit、PSG(Phosphorus Silicate Glass)及びBPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)のようなバッファー層(図示せず)を形成し、CMPを用いた平坦化工程で発生するおそれのあるバラツキを防止する。前記バッファー層は100〜1000Åの厚さに蒸着する。
【0016】
化学的機械的研磨によってHDP酸化膜凸部22上のバッファー層と第2ポリシリコン膜24を除去して第2ポリシリコン膜24を孤立させることにより、第1及び第2ポリシリコン膜14、24からなるフローティングゲート電極26を形成する。また、化学的機械的研磨によってフローティングゲート電極(第1及び第2ポリシリコン膜の全厚)を厚さ1000〜2500Åの範囲で均一に残留させる。
【0017】
図3(b)を参照すると、CMP工程後の前処理洗浄工程でHFまたはBOEを用いて、露出したHDP酸化膜凸部22を厚さ500〜2000Åだけ除去する。これにより、既存のマスキング方式によって実現する時より小さなフローティングゲート電極26の幅と表面積を形成してカップリング比を大きくすることができる。
【0018】
図4を参照すると、誘電体膜28を全体構造の段差に沿って形成した後、コントロールゲートを形成するための第3ポリシリコン膜30とタングステンシリサイド(WSi)膜32を順次蒸着する。具体的に、半導体素子に使われる多様な形態の誘電体膜を蒸着するが、本実施例ではONO(酸化膜/窒化膜/酸化膜(SiO2−Si3N4−SiO2)またはONON構造の誘電体膜28を蒸着する。ONO構造の誘電体膜28において、ONO構造における酸化膜は、耐圧及びTDDB特性に優れたDCS(SiH2Cl2)とN2Oガスを用いて0.1〜3torrの低圧と810〜850℃程度の温度下で約35〜60Åの厚さにLP−CVD法によって蒸着する。
【0019】
また、ONO構造における窒化膜は、DCSとNH3ガスを用いて1〜3torrの低圧と650〜800℃程度の温度下で約50〜65Åの厚さにLP−CVD法によって蒸着する。前記ONO工程を行った後、ONO酸化膜の質を向上させるとともに各階間のインタフェースを強化させるために、ウェット酸化方式で約750〜800℃の温度でモニタリングウェーハを基準として約150〜300Åの厚さに酸化するようにスチームアニールを行うことができる。ひいては、前記ONO工程と前記スチームアニールを行う際、各工程間の遅延時間が数時間以内の工程を行って自然酸化膜または不純物による汚染を防止する。
【0020】
第3ポリシリコン膜30は、タングステンシリサイド膜32を蒸着する際に誘電体膜28に置換固溶されて酸化膜の膜厚を増加させることが可能なフッ酸の拡散を防止するために、ドープされた膜とドープされていない膜(doped and undoped)の2重膜構造で、約510〜550℃の温度と1.0〜3torrの圧力下でLP−CVD法によってアモルファスシリコン膜で蒸着する。この時、ドープされた膜とドープされていない膜との比率を1:2〜6:1とし、フローティングゲート電極26同士の間の空間が十分埋め込まれるように約500〜1000Åの厚さに前記非晶質シリコン膜を形成することにより、後続のタングステンシリサイド膜32の蒸着時に隙間形成を抑制してワードライン抵抗Rsを減少させることができる。前記2重構造の第3ポリシリコン膜層を形成する際、SiH4またはSi2H6とPH3ガスを用いて、ドープされた膜を形成し、その後PH3ガスを遮断して、連続的にドープされていない膜を形成することが望ましい。
【0021】
タングステンシリサイド膜32は、低いフッ素含有率と低いポストアニールドストレス(post annealed stress)並びに良好な接着強度を有するMS(SiH4)またはDCS(SiH2Cl2)とWF6との反応を用いて、300〜500℃の温度で適切なステップカバレッジ(step coverage)を実現し、ワードライン抵抗Rsを最小化することが可能な化学量論比である2.0〜2.8程度に成長させた方が良い。タングステンシリサイド膜32上にSiOxNyまたはSi3N4を用いてARC層(図示せず)を蒸着し、ゲートマスクとエッチング(Gate mask and etching)工程と、セルフアラインマスクとエッチング(Self aligned mask and etching)工程を行い、コントロールゲート電極を形成する。
【0022】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は既存のマスクとエッチング工程によってフローティングゲートを形成した代わりに、フィールド酸化膜上に酸化膜凸部を形成し、酸化膜凸部同士の間にフローティングゲートを形成することにより、素子の臨界寸法を最小化し、素子の大きさを容易に調節でき、ウェーハ全体にわたって均一なフローティングゲートを形成することができる。また、均一なフローティングゲートによってセル間のカップリング比の差を減らすことにより、フラッシュメモリー素子の特性を向上させることができ、活性臨界寸法を減らすことにより、カップリング比を極大化することができる。
【0023】
また、マスキング工程を減らすことにより、マスキング工程から発生するおそれのある問題点を解決することができ、工程の単純化を図ることができ、歩留り向上とコストダウンを実現することができる。また、酸化膜凸部の高さ及び間隔を調節することにより、多様な工程マージンを容易に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図2】本発明に係る半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図3】本発明に係る半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図4】本発明に係る半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
10 …半導体基板
12 …トンネル酸化膜
14 …第1ポリシリコン膜
16 …パッド窒化膜
18 …トレンチ
20 …HDP酸化膜
22 …HDP酸化膜凸部
24 …第2ポリシリコン膜
26 …フローティングゲート電極
28 …誘電体膜
30 …第3ポリシリコン膜
32 …タングステンシリサイド膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for forming a floating gate of a flash device, which forms a floating gate by a self-alignment method.
[0002]
[Prior art]
Recently, as design rules and device sizes have decreased, it has been difficult to control field oxide (FOX) overlap, which has the greatest effect on the spacing and coupling between floating gates in an ETOX (EEPROM Tunnel Oxide) cell. ing. In general, a flash memory cell is realized by using an STI process. However, when performing isolation of a floating gate, the operation of a patterning process using a mask involves uniformity of a wafer due to a change in a critical dimension (CD) of a mask. However, there is a problem that the coupling ratio between the elements is not uniform because of the difficulty in the implementation. In addition, when a high bias voltage is applied during programming and erasing of the flash memory device, a defect of the flash memory device occurs due to an uneven floating gate. An alignment error between the isolation mask and the poly mask and an increase in the number of mask steps cause a decrease in yield and an increase in cost.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the present invention is to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to perform a patterning process in a state in which a tunnel oxide film and a first polysilicon film for forming a floating gate are deposited, and an STI is performed. By forming an element isolation film having a structure and depositing a second polysilicon film on the first polysilicon film to form a floating gate, the floating gate can be formed without using a mask process. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device which can form a small-sized floating gate.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a method of forming a tunnel oxide film, a first polysilicon film and a pad nitride film on a semiconductor substrate, and forming the pad nitride film and the first polysilicon film by the patterning process. Forming a trench in the semiconductor substrate by etching the film, the tunnel oxide film and a portion of the semiconductor substrate, and exposing the pad nitride film after depositing an oxide film on the entire structure including the trench. Flattening the oxide film, etching the pad nitride film to form an oxide film convex portion, depositing a second polysilicon film on the entire structure, and then forming the oxide film convex portion. Planarizing the second polysilicon film so that the oxide film is exposed; and etching a part of the exposed oxide film protrusion to form a floating gate, and then forming a dielectric. And characterized in that it comprises a step of forming a control gate.
[0005]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be realized. These examples are provided to complete the disclosure of the present invention and to inform those of ordinary skill in the art of the scope of the present invention. On the other hand, in the drawings, the same reference numerals indicate the same elements.
[0006]
1 to 4 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
[0007]
Referring to FIG. 1A, a screen oxide film (not shown) serving as a buffer layer is formed on a
[0008]
Specifically, before the screen oxide film is formed, DHF (Dilute HF), NH 4 OH, H 2 having a mixing ratio of 50: 1 H 2 O and HF is used for cleaning the
[0009]
Referring to FIG. 1B, the
[0010]
Specifically, after a photosensitive film is applied on the entire structure, a photolithography process using a photosensitive film mask is performed to form a photosensitive film pattern (not shown). The
[0011]
In order to improve the adhesion characteristics between the oxide film and the
[0012]
Referring to FIG. 2A, a high-density plasma (HDP)
[0013]
More specifically, an HDP (High Density Plasma)
[0014]
Referring to FIG. 2B, the HDP
[0015]
Referring to FIG. 3A, after performing a pretreatment cleaning process, a
[0016]
By removing the buffer layer and the
[0017]
Referring to FIG. 3B, the exposed HDP
[0018]
Referring to FIG. 4, after a
[0019]
Further, the nitride film in ONO structure is deposited by the LP-CVD method to a thickness of about 50~65Å at a temperature of about the low-pressure and 650 to 800 ° C. for 1~3torr using DCS and NH 3 gas. After performing the ONO process, in order to improve the quality of the ONO oxide film and strengthen the interface between the floors, the thickness of the wet wafer is about 150 to 300 ° C. based on the monitoring wafer at a temperature of about 750 to 800 ° C. Steam annealing can be performed so as to oxidize. In addition, when the ONO process and the steam annealing are performed, a process in which a delay time between each process is within several hours is performed to prevent contamination by a natural oxide film or impurities.
[0020]
The
[0021]
The
[0022]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, instead of forming a floating gate by an existing mask and an etching process, an oxide film convex portion is formed on a field oxide film, and a floating gate is formed between the oxide film convex portions. Thereby, the critical dimension of the device can be minimized, the size of the device can be easily adjusted, and a uniform floating gate can be formed over the entire wafer. Also, the characteristics of the flash memory device can be improved by reducing the difference in the coupling ratio between cells by a uniform floating gate, and the coupling ratio can be maximized by reducing the active critical dimension. .
[0023]
Further, by reducing the number of masking steps, it is possible to solve a problem that may occur from the masking step, simplify the steps, and improve the yield and reduce the cost. In addition, various process margins can be easily secured by adjusting the height and the interval of the oxide film protrusions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 3 is a sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
Claims (9)
(b)パターニング工程によって前記パッド窒化膜、前記第1ポリシリコン膜、前記トンネル酸化膜及び前記半導体基板の一部をエッチングして前記半導体基板内にトレンチを形成する段階と、
(c)前記トレンチを含む全体構造上に酸化膜を蒸着した後、前記パッド窒化膜が露出するように前記酸化膜を平坦化する段階と、
(d)前記パッド窒化膜をエッチングして酸化膜凸部を形成する段階と、
(e)全体構造上に第2ポリシリコン膜を蒸着した後、前記酸化膜凸部が露出するように前記第2ポリシリコン膜を平坦化する段階と、
(f)前記露出した酸化膜凸部の一部をエッチングしてフローティングゲートを形成した後、誘電体膜及びコントロールゲートを形成する段階とを含んでなることを特徴とする半導体素子の製造方法。(A) sequentially forming a tunnel oxide film, a first polysilicon film and a pad nitride film on a semiconductor substrate;
(B) etching the pad nitride film, the first polysilicon film, the tunnel oxide film, and a portion of the semiconductor substrate by a patterning process to form a trench in the semiconductor substrate;
(C) depositing an oxide film on the entire structure including the trench, and planarizing the oxide film so that the pad nitride film is exposed;
(D) etching the pad nitride film to form an oxide film protrusion;
(E) depositing a second polysilicon film on the entire structure, and then planarizing the second polysilicon film so that the oxide film protrusion is exposed;
(F) etching a part of the exposed oxide film projection to form a floating gate, and then forming a dielectric film and a control gate.
前記トレンチのコーナー部分をラウンディングするための急速熱処理工程を行う段階と、
全体構造上にその段差に沿って高温酸化膜を蒸着した後、高温で緻密化工程を行う段階とをさらに含むことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の製造方法。Performing a sidewall oxidation process between the steps (b) and (c) to compensate for damage to the semiconductor substrate that has occurred during the formation of the trench;
Performing a rapid heat treatment process for rounding a corner portion of the trench;
2. The method according to claim 1, further comprising the step of: depositing a high-temperature oxide film on the entire structure along the step, and performing a densification process at a high temperature.
全体構造上に前記第2ポリシリコン膜を蒸着する段階と、
前記第2ポリシリコン膜の上部に前記第2ポリシリコン膜の上部表面の段差を減らすためのバッファー層を蒸着する段階と、
前記酸化膜凸部を停止層とするCMP工程を行って前記バッファー層と前記第2ポリシリコン膜を平坦化する段階を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の製造方法。The step (e) includes:
Depositing the second polysilicon film on the entire structure;
Depositing a buffer layer on the second polysilicon layer to reduce a step on an upper surface of the second polysilicon layer;
2. The method according to claim 1, further comprising: performing a CMP process using the oxide film protrusion as a stop layer to planarize the buffer layer and the second polysilicon film.
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