JP2004342979A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an element having a laminate gate structure such as a non-volatile memory in which a hole to be formed in an insulating film on the source/drain areas is made shallow, and the dimension is easily made fine. <P>SOLUTION: A control gate electrode 22 of a non-volatile memory is formed in a hole formed in an inter-layer insulating film, and a hole 22a formed in the inter-layer insulating film on source/drain areas is made shallow. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は不揮発性メモリを含む半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、LSIの発展は目覚しいものがある。素子寸法の微細化をベースに素子の性能が向上すると共に、その高密度化が進んでいる。また、LSIの応用も多岐にわたるようになり、その用途に応じてメモリ回路、論理回路等をワンチップ化したシステムオンチップと呼ばれる複数機能を混載したLSIの需要が高まってきている。
【0003】
メモリ回路と論理回路を混載したLSIを製造する場合、メモリ回路ではメモリセルが存在し、通常使われるMOSトランジスタとは製造工程が異なる部分が存在する。従って、論理回路の製造工程も含め、整合性を取った製造工程を組み上げることが求められている。
【0004】
例えば、フラッシュメモリと呼ばれる電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ回路について言えば、ゲート電極の構造が、論理回路に使われるMOSトランジスタの構造と異なる。即ち、不揮発性メモリ回路はゲート絶縁膜を介して浮遊ゲート電極と制御ゲート電極が積層されたゲート構造であり、単一のゲート構造である論理回路と比べ、より複雑になっている。このため、不揮発性メモリ回路と論理回路とを混載したLSIにおいては、論理回路のゲート電極形成工程は不揮発性メモリ回路のどちらかのゲート電極形成工程に合せる等の工夫が行われている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−232076号公報(第10頁、図1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述の方法等を用いて、不揮発性メモリ回路と論理回路とを混載したLSIが製造されているが、更に素子寸法の微細化を進め性能を向上させていくが要求されている。しかし、不揮発性メモリ回路と論理回路とを混載したLSIでは、素子構造に特有の問題がある。即ち、不揮発性メモリ回路を含まない論理回路だけのLSIにおいては単層のゲート電極のため、層間絶縁膜に形成されるソース及びドレイン領域と、その上層に形成される配線層の孔は比較的浅い。一方、不揮発性メモリ回路において積層されたゲート構造を取る場合、孔は必然的に深くなる。このため、より高度な微細加工技術が必要となり、不揮発性メモリ回路と論理回路とを混載したLSIの寸法微細化を進めることが難しいという問題があった。
【0007】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的はソース及びドレイン領域上の層間絶縁膜に形成される孔を浅くし、寸法の微細化が容易な不揮発性メモリを有する半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の第1の発明は、半導体装置として、半導体基体と、前記半導体基体上に形成された第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浮遊電極と、前記浮遊電極上に形成された第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電極と、前記第1のゲート絶縁膜下の前記半導体基体の一領域を挟むように、前記半導体基体に形成されたソース及びドレイン領域を具備し、前記制御電極が少なくとも、前記第2のゲート絶縁膜上に設けられる層間絶縁膜の孔内に形成されている不揮発性メモリを有することを特徴とする。
【0009】
本発明によれば、不揮発性メモリにおける積層のゲート構造において、制御電極を層間絶縁膜に形成される孔内に形成する構造をとり、ソース及びドレイン領域上の層間絶縁膜に形成される孔が浅くなるような素子構造を可能にする。従って、微細化が容易な半導体装置を提供できる。
【0010】
また、本発明の第2の発明は、半導体装置の製造方法として、半導体基体の素子形成予定領域を囲むように素子分離領域を形成する工程と、前記半導体基体上に第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浮遊ゲート電極膜を形成する工程と、前記浮遊ゲート電極膜及び前記第1のゲート絶縁膜を選択的にパターニングする工程と、パターニングされた前記浮遊ゲート電極膜をマスクにして前記半導体基体の表面領域に不純物を導入する工程と、前記浮遊ゲート電極膜上に第2のゲート絶縁膜を選択的に形成する工程と、前記半導体基体及び前記第2のゲート絶縁膜上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に選択的に孔を形成する工程と、選択的に形成され前記孔内に制御電極を形成する工程とを備えた不揮発性メモリを有することを特徴とする。
【0011】
また、本発明の第3の発明は、半導体装置の製造方法として、半導体基体に第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第1のゲート電極膜を形成する工程と、前記第1のゲート電極膜及び前記第1のゲート絶縁膜を選択的にパターニングする工程と、パターニングした前記第1のゲート電極膜及び前記第1のゲート絶縁膜をマスクとして前記半導体基体に素子分離領域を形成する工程と、前記第1のゲート電極膜上に第2のゲート電極膜を形成する工程と、前記第2のゲート電極膜を選択的にパターニングする工程と、前記第1のゲート電極膜、前記第2のゲート電極膜及び第1のゲート絶縁膜を選択的にパターニングして、前記第1のゲート電極膜及び前記第2のゲート電極膜から構成される浮遊ゲート電極を含むゲート領域を形成する工程と、パターニングされた前記浮遊ゲート電極をマスクにして前記半導体基体の表面領域に不純物を導入する工程と、前記浮遊ゲート電極上に第2のゲート絶縁膜を選択的に形成する工程と、前記半導体基体及び前記第2のゲート絶縁膜上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に選択的に孔を形成する工程と、前記孔内に制御電極を形成する工程とを備えた不揮発性メモリを有することを特徴とする。
【0012】
本発明の第2の発明及び第3の発明によれば、不揮発性メモリにおける積層のゲート構造において、制御電極を層間絶縁膜に形成される孔内に形成する構造をとり、ソース及びドレイン領域上の層間絶縁膜に形成される孔が浅くなるような素子構造を可能にする。従って、微細化が容易な半導体装置を提供できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【0014】
(第1の実施の形態)
図1乃至図7は本発明による半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を工程順に示す断面図である。各図の上側に示した各図の(a)は、本実施の形態における相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図であり、各図の下側に示した各図の(b)は、本実施の形態における不揮発性メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。また、図7は本発明による半導体装置の第1の実施の形態を示している。
【0015】
先ず、図1(a)及び(b)に示すように、半導体基体としてP型のシリコン基板10を用意する。次に、図1(a)に示す相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域N型ウェル領域10a及びP型ウェル領域10bをそれぞれ形成する。一方、図1(b)に示す不揮発性メモリ領域についてはP型半導体領域として使用するため、通常はウェル形成を行わないが、特に必要であればP型ウェルを形成する。
【0016】
続いて、図示しないシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜をCVD法で形成した後、リソグラフィ法、ドライエッチング法等を用いてシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜をパターニングしてマスクを形成する。更に、マスクされたシリコン基板10以外の領域に浅い溝を形成し、その溝にCVD法でシリコン酸化膜を溝に埋め込みながら形成した後、CMP法、エッチング法を用いて埋め込まれた膜を残存させ、素子分離領域11とする。この時、不揮発性メモリ領域の一部も素子分離領域が形成されるが、図1(b)の断面部分には現れないため図示されない。
【0017】
次に、図2に示すように第1のゲート絶縁膜11を熱酸化法により、例えば6nm形成する。なお、第1のゲート絶縁膜11は相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート酸化膜、また、不揮発性メモリのトンネル酸化膜として使用される。そのため、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート酸化膜の膜厚と不揮発性メモリのトンネル酸化膜の膜厚を異なる膜厚にして用いる場合は以下のようにする。先ず、どちらか一方の酸化膜形成条件で酸化し、次に、不必要な酸化膜を選択的に剥離し、続いて、選択的にもう一方の酸化膜形成条件で酸化する。
【0018】
その後、必要であればリソグラフィ法、イオン注入法等を用い、それぞれの領域にチャネルイオン注入を行う。次に、第1のゲート絶縁膜11の上にCVD法により多結晶シリコン膜を例えば100nm形成した後、図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ法、ドライエッチング法等を用い、シリコン窒化膜をマスクとして多結晶シリコン膜をパターニングし、不揮発性メモリ領域においては浮遊ゲート電極13、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域においてはゲート電極13aを形成する。
【0019】
次に、浮遊ゲート電極13及びゲート電極膜13aをマスクとしてイオン注入法を用いて不純物を導入し、エクステンション領域14を形成する。先ず、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域及び不揮発性メモリ領域をマスクで覆い、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域のN型ウェル領域に硼素をドーズ量として1E14cm−2〜1E15cm−2程度イオン注入する。
【0020】
続いて、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域のN型ウェル領域10bをマスクで覆い、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域10a及び不揮発性メモリ領域に砒素をドーズ量として1E14cm−2〜1E15cm−2程度イオン注入する。なお、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域10aと不揮発性メモリ領域とを異なる条件でイオン注入を行う場合は、それぞれ他の領域をマスクで覆い、イオン注入を行えば良い。その後、例えば、950℃で熱処理を施し、不純物を活性化しエクステンション領域14とする。
【0021】
次に、図3に示すように後酸化を行い、ゲート電極13a、浮遊ゲート電極13及びシリコン基板10に後酸化膜15としてシリコン酸化膜を例えば50nm程度形成させ、更にCVD法を用い、シリコン窒化膜を例えば100nm程度形成する。続いて、ドライエッチング法等を用い、側周壁部に側周壁絶縁膜16及び後酸化膜15を残存させるように方向性エッチングによる処理を行う。
【0022】
続いて、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域においてはゲート電極13a、側周壁絶縁膜16及び後酸化膜15をマスクに、不揮発性メモリ領域では浮遊ゲート電極13、側周壁絶縁膜16及び後酸化膜15をマスクに、イオン注入法等を用いてソース及びドレイン領域を形成する。先ず、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域10a及び不揮発性メモリ領域をマスクで覆い、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域のN型ウェル領域10bに硼素をドーズ量として1E15cm−2〜1E16cm−2程度イオン注入する。
【0023】
続いて、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域のN型ウェル領域10bをマスクで覆い、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域10a及び不揮発性メモリ領域に砒素をドーズ量として1E15cm−2〜1E16cm−2程度イオン注入する。なお、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域10aと不揮発性メモリ領域とを異なる条件でイオン注入を行う場合は、それぞれ他の領域をマスクで覆い、イオン注入を行えば良い。その後、例えば、950℃で熱処理を施し、不純物を活性化しソース及びドレイン領域17とする。
【0024】
次に、図4に示すように、第2のゲート絶縁膜18を不揮発性メモリ領域における浮遊ゲート電極13aの上に形成する。即ち、先ずCVD法を用い、6nm程度の極薄シリコン酸化膜18aを浮遊ゲート電極13aの上に形成し、続いてCVD法を用い、4nm程度の極薄シリコン窒化膜18bを形成する。更にCVD法を用い、シリコン酸化膜であるマスク絶縁膜19を20nm程度形成する。次に、リソグラフィ法及びエッチング法等を用いて、不揮発性メモリ領域における浮遊ゲート電極13aの上にだけマスク絶縁膜19、極薄シリコン窒化膜18b及び極薄シリコン酸化膜18aを残存させ、第2のゲート絶縁膜18を形成する。
【0025】
次に、図5に示すように、ソース及びドレイン領域17の上にサリサイド電極20を、また、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるゲート電極13aの上にゲートサリサイド電極20aを形成する。即ち、先ず図示しないチタン膜を、スパッタ法を用いて50nm程度、シリコン基板10の上に形成する。続いて、900℃程度で熱処理し、ソース及びドレイン領域17のシリコン及びゲート電極13aのシリコンとチタン膜とにシリサイド反応を起させ、チタンシリサイドを形成する。続いて、エッチング法を用い、残存する未反応のチタンを除去する。更に、マスク絶縁膜19をエッチング法によって除去する。これにより、ソース及びドレイン領域17の上にチタンシリサイドであるサリサイド電極20が、また、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるゲート電極13aの上にチタンシリサイドであるゲートサリサイド電極20aが形成される。
【0026】
次に、図6に示すように、層間絶縁膜21を形成する。即ち、CVD法を用い、シリコン酸化膜をシリコン基板10の上に形成した後、CMP法により表面層を平坦化し、層間絶縁膜21とする。
【0027】
続いて、図7に示すように層間絶縁膜21にリソグラフィ法、エッチング法等を用い、孔を形成した後、200nm程度のAlをスパッタ法で孔に埋め込みながらシリコン基板10の上に形成する。更に、リソグラフィ法、エッチング法等を用い、一部のAlを残存し、不揮発性メモリ領域の第2のゲート絶縁膜18の上に制御ゲート電極22を、また、ソース及びドレイン領域17の上に孔電極22aを形成する。この時、層間絶縁膜21の上のAlは配線を兼ねて形成できるため、電極と配線が一体化した構造を取る。従って、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおける配線も含めて同じ工程によって、電極と配線を形成することができる。
【0028】
その後、図示してないシリコン酸化膜等をシリコン基板10全面に形成する。このシリコン酸化膜等に、更に、コンタクト孔を開口した後、金属配線層を形成する。さらに、必要に応じてシリコン酸化膜等の形成と、金属配線層の形成を繰り返して多層配線構造を形成したうえで、全面を表面保護膜で覆い、パッド部を開口して不揮発性メモリを含む半導体装置を完成させる。
【0029】
本実施の形態によれば、不揮発性メモリにおける制御ゲート電極を層間絶縁膜に形成した孔内に形成する構造をとることにより、ソース及びドレイン領域上の層間絶縁膜に形成した孔が浅く、電極及び配線形成が容易にでき、素子の微細化に対応可能な不揮発性メモリを有する半導体装置が得られる。
【0030】
(第2の実施の形態)
図8乃至図14は本発明による半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を工程順に示す断面図である。各図の上側に示した各図の(a)は、本実施の形態における相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図であり、各図の下側に示した各図の(b)は、本実施の形態における不揮発性メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。また、図14は本発明による半導体装置の第2の実施の形態を示している。
【0031】
先ず、図8(a)及び(b)に示すように、半導体基体としてP型のシリコン基板30を用意する。次に、図8(a)に示す相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域N型ウェル領域30a及びP型ウェル領域30bをそれぞれ形成する。一方、図8(b)に示す不揮発性メモリ領域についてはP型半導体領域として使用するため、通常はウェル形成を行わないが、特に必要であればP型ウェルを形成する。
【0032】
続いて、図8(a)に示すように第1のゲート絶縁膜11を熱酸化法により、例えば6nm形成する。なお、第1のゲート絶縁膜31は相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート酸化膜、また、不揮発性メモリのトンネル酸化膜として使用される。その後、必要であればリソグラフィ法、イオン注入法等を用い、それぞれの領域にチャネルイオン注入を行う。更に、CVD法により多結晶シリコン膜である第1のゲート電極膜32aを、例えば100nm形成した後、図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ法、ドライエッチング法等を用い、シリコン窒化膜をマスクとして第1のゲート電極膜32a及びゲート絶縁膜31をパターニングし、更にシリコン基板30についても方向性エッチングにより溝を形成する。続いて、溝も含めたシリコン基板30の全面にCVD法を用いてシリコン酸化膜を形成し、続いてCMP法、エッチング法等を用い、表面を平坦化しながらシリコン基板の溝に形成されたシリコン酸化膜を残存させ、素子分離領域33とする。この時、不揮発性メモリ領域の一部も素子分離領域が形成されるが、図8(b)の断面部分には現れないため図示されない。
【0033】
次に、CVD法により多結晶シリコン膜である第2のゲート電極膜32bを例えば100nm形成した後、図示しないシリコン窒化膜等をマスクにし、リソグラフィ法、エッチング法を用いて図9(a)及び(b)に示すようにパターニングする。第1のゲート電極膜33及び第2のゲート電極膜32bを積層した構造は相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域においてはゲート電極32cとして、不揮発性メモリ領域においては浮遊ゲート電極32として、それぞれ機能する。
【0034】
次に、浮遊ゲート電極32及びゲート電極32cをマスクとしてイオン注入法を用いて不純物を導入し、エクステンション領域34を形成する。先ず、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域30a及び不揮発性メモリ領域をマスクで覆い、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域のN型ウェル領域30bに硼素をドーズ量として1E14cm−2〜1E15cm−2程度イオン注入する。
【0035】
続いて、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域のN型ウェル領域30bをマスクで覆い、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域及び不揮発性メモリ領域に砒素をドーズ量として1E14cm−2〜1E15cm−2程度イオン注入する。なお、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域30aと不揮発性メモリ領域とに異なる条件でイオン注入を行う場合は、それぞれ他の領域をマスクで覆い、イオン注入を行えば良い。その後、例えば、950℃で熱処理を施し、不純物を活性化しエクステンション領域34とする。
【0036】
次に、図10に示すように後酸化を行い、ゲート電極32c、浮遊ゲート電極32及びシリコン基板30にシリコン酸化膜である後酸化膜35を例えば50nm程度形成し、更にCVD法を用い、シリコン窒化膜を例えば100nm程度形成する。続いて、ドライエッチング法等を用い、側周壁部にシリコン窒化膜である側周壁絶縁膜36及び後酸化膜35を残存させるように方向性エッチングを行う。
【0037】
続いて、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域においてはゲート電極32c、側周壁絶縁膜36及び後酸化膜35をマスクに、不揮発性メモリ領域では浮遊ゲート電極32、側周壁絶縁膜36及び後酸化膜35をマスクに、イオン注入法等を用いてソース及びドレイン領域37を形成する。先ず、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域30a及び不揮発性メモリ領域をマスクで覆い、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域のN型ウェル領域30bに硼素をドーズ量として1E15cm−2〜1E16cm−2程度イオン注入する。
【0038】
続いて、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域のN型ウェル領域30bをマスクで覆い、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域30a及び不揮発性メモリ領域に砒素をドーズ量として1E15cm−2〜1E16cm−2程度イオン注入する。なお、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるP型ウェル領域30aと不揮発性メモリ領域とを異なる条件でイオン注入を行う場合は、それぞれ他の領域をマスクで覆い、イオン注入を行えば良い。その後、例えば、950℃で熱処理を施し、不純物を活性化しソース及びドレイン領域37とする。
【0039】
次に、図11に示すように、第2のゲート絶縁膜38を不揮発性メモリ領域における浮遊ゲート電極32の上に形成する。即ち、先ずCVD法を用い、6nm程度の極薄シリコン酸化膜38aを浮遊ゲート電極32の上に形成し、続いてCVD法を用い、4nm程度の極薄シリコン窒化膜38bを形成する。更にCVD法を用い、シリコン酸化膜であるマスク絶縁膜38cを20nm程度形成する。次に、リソグラフィ法及びエッチング法等を用いて、不揮発性メモリ領域における浮遊ゲート電極32の上にだけマスク絶縁膜38c、極薄シリコン窒化膜38b及び極薄シリコン酸化膜38aを残存させ、第2のゲート絶縁膜38を形成する。
【0040】
次に、図12に示すように、ソース及びドレイン領域37の上にサリサイド電極39を、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるゲート電極32cの上にゲートサリサイド電極39aを形成する。即ち、先ず図示しないチタン膜を、スパッタ法を用いて50nm程度、シリコン基板30の上に形成する。続いて、900℃程度で熱処理し、ソース及びドレイン領域37のシリコン及びゲート電極32cのシリコンとチタン膜とにシリサイド反応を起させ、チタンシリサイドを形成する。続いて、エッチング法を用い、残存する未反応のチタンを除去する。更に、マスク絶縁膜38cをエッチング法によって除去する。これにより、ソース及びドレイン領域37の上にチタンシリサイドであるサリサイド電極39が、また、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ領域におけるゲート電極39aの上にチタンシリサイドであるゲートサリサイド電極41aが形成される。
【0041】
次に、図13に示すように、層間絶縁膜40を形成する。即ち、CVD法を用い、シリコン酸化膜をシリコン基板10の上に形成した後、CMP法により表面層を平坦化し、層間絶縁膜40とする。
【0042】
続いて、図14に示すように層間絶縁膜にリソグラフィ法、エッチング法等を用い、孔を形成した後、200nm程度のAlをスパッタ法で孔に埋め込みながらシリコン基板30の上に形成する。更に、リソグラフィ法、エッチング法等を用い、一部のAlを残存し、不揮発性メモリ領域の第2のゲート絶縁膜38の上の孔に制御ゲート電極41を、また、ソース及びドレイン領域37の上に孔電極41aを形成する。この時、層間絶縁膜40の上のAlは配線を兼ねて形成できるため、電極と配線が一体化した構造をとる。従って、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおける配線も含めて同じ工程によって、電極と配線を形成することができる。
【0043】
その後、図示してないシリコン酸化膜等をシリコン基板30全面に形成する。このシリコン酸化膜等に、更に、コンタクト孔を開口した後、金属配線層を形成する。さらに、必要に応じてシリコン酸化膜等の形成と、金属配線層の形成を繰り返して多層配線構造を形成したうえで、全面を表面保護膜で覆い、パッド部を開口して不揮発性メモリを含む半導体装置を完成させる。
【0044】
本実施の形態によれば、不揮発性メモリにおける制御ゲート電極を層間絶縁膜に形成した孔内に形成する構造をとることにより、ソース及びドレイン領域上の層間絶縁膜に形成した孔が浅く、電極及び配線形成が容易にでき、素子の微細化に対応可能な不揮発性メモリを有する半導体装置が得られる。
【0045】
また第1のゲート絶縁膜を形成した後に、素子分離領域を形成するため、不揮発性メモリとして安定した動作が得られる。
【0046】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【0047】
例えば、制御ゲート電極の材料として従来用いられている高濃度N型シリコンにすると、半導体装置としての応用が比較的容易にできる可能性がある。また、他の材料を用いる場合もアルミニウムに限らず、銅、金、銀、タングステン、モリブデン、チタン等の金属、タングステンシリサイド、モリブデンシリサイド、チタンシリサイド等の金属シリサイド等、或いは、高濃度P型不純物をドープしたシリコンであっても良い。
【0048】
また、バリヤメタルを上述の材料の下層に敷くことによって、孔におけるシリコンとの反応を抑制する等の利点が得られる。この場合はバリヤメタルとして、タングステン、モリブデン、チタン等の金属、タングステンシリサイド、モリブデンシリサイド、チタンシリサイド等の金属シリサイド、或いは窒化チタン、窒化タングステン等の金属窒化物を形成した構造をとっても良い。
【0049】
また、第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート絶縁膜等のゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜に限らず、酸素及び窒素の両方を様々な組成で含んだシリコン窒酸化膜、或いはハフニウム酸化膜、チタン酸化膜等の金属酸化膜、また、これらの膜の複合膜、或いは積層構造を用いた膜でであっても良いことは勿論である。
【0050】
また、半導体基体としてシリコン基板以外に、SOI基板、GaAs等の化合物半導体基板等を用いることができる。
【0051】
また、積層ゲート構造として、不揮発性メモリだけではなく、他の種類の素子へも適用可能なこと勿論である。また、半導体装置内に構成されている回路も種々のロジック回路、周辺回路等を含むことが可能である。
【0052】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、不揮発性メモリにおける制御ゲート電極を層間絶縁膜に形成した孔内に形成する構造をとることにより、ソース及びドレイン領域上の層間絶縁膜に形成した孔が浅く、電極及び配線形成が容易にでき、素子の微細化に対応可能な不揮発性メモリを有する半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図2】本発明による半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図3】本発明による半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図4】本発明による半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図5】本発明による半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図6】本発明による半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図7】本発明による半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図8】本発明による半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図9】本発明による半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図10】本発明による半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図11】本発明による半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図12】本発明による半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図13】本発明による半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図14】本発明による半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を工程順に示す断面図。
【符号の説明】
10、30 シリコン基板
10a、30a P型ウェル領域
10b、30b N型ウェル領域
11、33 素子分離領域
12、31 第1のゲート絶縁膜
13、32 浮遊ゲート電極
13a、32c ゲート電極
14、34 エクステンション領域
15、35 後酸化膜
16、36 側壁絶縁膜
17、37 ソース及びドレイン領域
18、38 第2のゲート絶縁膜
18a、38a 極薄シリコン窒化膜
18b、38b 極薄シリコン酸化膜
19、38c マスク絶縁膜
20、39 サリサイド電極
20a、39a ゲートサリサイド電極
21、40 層間絶縁膜
22、41 制御ゲート電極
22a、41a コンタクト孔電極
32a 第1のゲート電極膜
32b 第2のゲート電極膜
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a nonvolatile memory and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the development of LSI has been remarkable. The performance of the device has been improved based on the miniaturization of the device dimensions, and the density of the device has been increased. In addition, the applications of LSIs have become diversified, and demands for LSIs having a plurality of functions called a system-on-chip in which a memory circuit, a logic circuit, and the like are integrated into one chip according to the application are increasing.
[0003]
When an LSI in which a memory circuit and a logic circuit are mixed is manufactured, a memory cell is present in the memory circuit, and there is a portion where a manufacturing process is different from that of a normally used MOS transistor. Therefore, there is a demand for assembling a manufacturing process with consistency, including a manufacturing process of a logic circuit.
[0004]
For example, in the case of an electrically rewritable nonvolatile memory circuit called a flash memory, the structure of a gate electrode is different from the structure of a MOS transistor used in a logic circuit. That is, the nonvolatile memory circuit has a gate structure in which a floating gate electrode and a control gate electrode are stacked via a gate insulating film, and is more complicated than a logic circuit having a single gate structure. For this reason, in an LSI in which a nonvolatile memory circuit and a logic circuit are mixed, a device is devised such that the gate electrode formation process of the logic circuit is matched with one of the gate electrode formation processes of the nonvolatile memory circuit (for example, And Patent Document 1.).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-23076 (page 10, FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Although an LSI in which a nonvolatile memory circuit and a logic circuit are mixed is manufactured by using the above-described method and the like, it is required to further reduce the element size and improve the performance. However, an LSI in which a nonvolatile memory circuit and a logic circuit are mixed has a problem specific to the element structure. That is, in an LSI including only a logic circuit that does not include a nonvolatile memory circuit, since the gate electrode is a single layer, the source and drain regions formed in the interlayer insulating film and the holes in the wiring layer formed thereover are relatively small. shallow. On the other hand, when a stacked gate structure is used in a nonvolatile memory circuit, the hole is necessarily deeper. For this reason, a more advanced fine processing technology is required, and there is a problem that it is difficult to reduce the size of an LSI in which a nonvolatile memory circuit and a logic circuit are mounted.
[0007]
The present invention has been made in view of such circumstances, and a purpose of the present invention is to provide a semiconductor device having a non-volatile memory in which holes formed in an interlayer insulating film on source and drain regions are made shallow and dimensions can be easily miniaturized. And a method for manufacturing the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a first invention of the present invention provides a semiconductor device, comprising: a semiconductor substrate; a first gate insulating film formed on the semiconductor substrate; A floating electrode formed, a second gate insulating film formed on the floating electrode, a control electrode formed on the second gate insulating film, and the semiconductor under the first gate insulating film A source and drain region formed in the semiconductor substrate so as to sandwich one region of the substrate, wherein the control electrode is formed at least in a hole of an interlayer insulating film provided on the second gate insulating film; Characterized by having a nonvolatile memory as described above.
[0009]
According to the present invention, in the stacked gate structure in the nonvolatile memory, the control electrode is formed in the hole formed in the interlayer insulating film, and the hole formed in the interlayer insulating film on the source and drain regions is formed. A shallower element structure is enabled. Therefore, a semiconductor device which can be easily miniaturized can be provided.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, as a method of manufacturing a semiconductor device, a step of forming an element isolation region so as to surround an element formation region of a semiconductor substrate; and forming a first gate insulating film on the semiconductor substrate. Forming, forming a floating gate electrode film on the first gate insulating film, selectively patterning the floating gate electrode film and the first gate insulating film; Introducing a impurity into the surface region of the semiconductor substrate using the floating gate electrode film as a mask, selectively forming a second gate insulating film on the floating gate electrode film; Forming an interlayer insulating film on the second gate insulating film, selectively forming a hole in the interlayer insulating film, and forming a control electrode in the selectively formed hole. Unfortunate It characterized by having a nonvolatile memory.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, as a method of manufacturing a semiconductor device, a step of forming a first gate insulating film on a semiconductor substrate and a step of forming a first gate electrode film on the first gate insulating film Performing the step of selectively patterning the first gate electrode film and the first gate insulating film; and using the patterned first gate electrode film and the first gate insulating film as a mask to form the semiconductor. Forming an element isolation region in the base, forming a second gate electrode film on the first gate electrode film, selectively patterning the second gate electrode film, A floating gate electrode composed of the first gate electrode film and the second gate electrode film by selectively patterning the first gate electrode film, the second gate electrode film, and the first gate insulating film; Including Forming a gate region, introducing impurities into a surface region of the semiconductor substrate using the patterned floating gate electrode as a mask, and selectively forming a second gate insulating film on the floating gate electrode Performing a step of forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate and the second gate insulating film; a step of selectively forming a hole in the interlayer insulating film; and forming a control electrode in the hole. And a non-volatile memory provided with the steps.
[0012]
According to the second and third aspects of the present invention, in a stacked gate structure in a nonvolatile memory, a structure is employed in which a control electrode is formed in a hole formed in an interlayer insulating film, and is formed on a source and a drain region. This allows an element structure in which a hole formed in the interlayer insulating film becomes shallow. Therefore, a semiconductor device which can be easily miniaturized can be provided.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
(First Embodiment)
1 to 7 are cross-sectional views showing a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps. 1A is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a complementary insulated gate field-effect transistor according to the present embodiment in the order of steps, and FIG. 4B is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the nonvolatile memory in this embodiment in the order of steps. FIG. 7 shows a first embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
[0015]
First, as shown in FIGS. 1A and 1B, a P-type silicon substrate 10 is prepared as a semiconductor substrate. Next, an N-type well region 10a and a P-type well region 10b shown in FIG. 1A are formed. On the other hand, the non-volatile memory area shown in FIG. 1B is used as a P-type semiconductor area, so that a well is not usually formed. However, if necessary, a P-type well is formed.
[0016]
Subsequently, after a silicon oxide film and a silicon nitride film (not shown) are formed by a CVD method, a mask is formed by patterning the silicon oxide film and the silicon nitride film using a lithography method, a dry etching method, or the like. Further, a shallow groove is formed in a region other than the masked silicon substrate 10, and a silicon oxide film is formed in the groove while filling the groove by a CVD method. Thus, the device isolation region 11 is obtained. At this time, an element isolation region is also formed in a part of the nonvolatile memory region, but is not shown because it does not appear in the cross-sectional portion of FIG.
[0017]
Next, as shown in FIG. 2, the first gate insulating film 11 is formed to a thickness of, for example, 6 nm by a thermal oxidation method. Note that the first gate insulating film 11 is used as a gate oxide film of a complementary insulated gate field effect transistor and a tunnel oxide film of a nonvolatile memory. Therefore, when the thickness of the gate oxide film of the complementary insulated gate field effect transistor and the thickness of the tunnel oxide film of the nonvolatile memory are set to different thicknesses, the following is performed. First, oxidation is performed under one of the conditions for forming an oxide film, and then unnecessary oxide films are selectively peeled off, and then selectively oxidized under the other conditions for forming an oxide film.
[0018]
Thereafter, if necessary, channel ion implantation is performed on each region using a lithography method, an ion implantation method, or the like. Next, after forming a polycrystalline silicon film of, for example, 100 nm on the first gate insulating film 11 by a CVD method, a silicon nitride film (not shown) is formed, and the silicon nitride film is formed by a lithography method, a dry etching method, or the like. The polycrystalline silicon film is patterned as a mask, and the floating gate electrode 13 is formed in the nonvolatile memory region, and the gate electrode 13a is formed in the complementary insulated gate field effect transistor region.
[0019]
Next, an impurity is introduced by ion implantation using the floating gate electrode 13 and the gate electrode film 13a as a mask to form the extension region 14. First, the P-type well region and the nonvolatile memory region in the complementary insulated gate field-effect transistor region are covered with a mask, and the N-type well region in the complementary insulated gate field-effect transistor region is doped with boron at a dose of 1E14 cm. -2 ~ 1E15cm -2 Implant ions to a degree.
[0020]
Subsequently, the N-type well region 10b in the complementary insulated gate field effect transistor region is covered with a mask, and the P-type well region 10a and the nonvolatile memory region in the complementary insulated gate field effect transistor region are doped with arsenic at a dose of 1E14 cm. -2 ~ 1E15cm -2 Implant ions to a degree. When ion implantation is performed under different conditions in the P-type well region 10a and the non-volatile memory region in the complementary insulated gate field effect transistor region, the other regions may be covered with a mask and ion implantation may be performed. Thereafter, for example, a heat treatment is performed at 950 ° C. to activate the impurities to form the extension region 14.
[0021]
Then, as shown in FIG. 3, a post-oxidation is performed to form a silicon oxide film as the post-oxide film 15 on the gate electrode 13a, the floating gate electrode 13 and the silicon substrate 10 to a thickness of, for example, about 50 nm. A film is formed with a thickness of, for example, about 100 nm. Subsequently, a process by directional etching is performed using a dry etching method or the like so that the side peripheral wall insulating film 16 and the post-oxide film 15 remain on the side peripheral wall portion.
[0022]
Subsequently, in the complementary insulated gate field effect transistor region, the gate electrode 13a, the side peripheral wall insulating film 16 and the post-oxide film 15 are used as a mask, and in the nonvolatile memory region, the floating gate electrode 13, side peripheral wall insulating film 16 and the post-oxide film are used. Using the mask 15 as a mask, source and drain regions are formed by ion implantation or the like. First, the P-type well region 10a and the nonvolatile memory region in the complementary insulated gate field effect transistor region are covered with a mask, and the N-type well region 10b in the complementary insulated gate field effect transistor region is doped with boron at a dose of 1E15 cm. -2 ~ 1E16cm -2 Implant ions to a degree.
[0023]
Subsequently, the N-type well region 10b in the complementary insulated gate field effect transistor region is covered with a mask, and the P-type well region 10a and the nonvolatile memory region in the complementary insulated gate field effect transistor region are doped with arsenic at a dose of 1E15 cm. -2 ~ 1E16cm -2 Implant ions to a degree. When ion implantation is performed under different conditions in the P-type well region 10a and the non-volatile memory region in the complementary insulated gate field effect transistor region, the other regions may be covered with a mask and ion implantation may be performed. Thereafter, for example, a heat treatment is performed at 950 ° C. to activate the impurities to form the source and drain regions 17.
[0024]
Next, as shown in FIG. 4, a second gate insulating film 18 is formed on the floating gate electrode 13a in the nonvolatile memory region. That is, first, an ultra-thin silicon oxide film 18a of about 6 nm is formed on the floating gate electrode 13a by using the CVD method, and then an ultra-thin silicon nitride film 18b of about 4 nm is formed by using the CVD method. Further, a mask insulating film 19, which is a silicon oxide film, is formed to a thickness of about 20 nm by a CVD method. Next, the mask insulating film 19, the ultrathin silicon nitride film 18b, and the ultrathin silicon oxide film 18a are left only on the floating gate electrode 13a in the nonvolatile memory region by using a lithography method, an etching method, or the like. Is formed.
[0025]
Next, as shown in FIG. 5, a salicide electrode 20 is formed on the source and drain regions 17, and a gate salicide electrode 20a is formed on the gate electrode 13a in the complementary insulated gate field effect transistor region. That is, first, a titanium film (not shown) is formed on the silicon substrate 10 to a thickness of about 50 nm by a sputtering method. Subsequently, a heat treatment is performed at about 900 ° C. to cause a silicide reaction between silicon in the source and drain regions 17 and silicon in the gate electrode 13 a and the titanium film to form titanium silicide. Subsequently, the remaining unreacted titanium is removed by an etching method. Further, the mask insulating film 19 is removed by an etching method. As a result, a salicide electrode 20 of titanium silicide is formed on the source and drain regions 17, and a gate salicide electrode 20a of titanium silicide is formed on the gate electrode 13a in the complementary insulated gate field effect transistor region.
[0026]
Next, as shown in FIG. 6, an interlayer insulating film 21 is formed. That is, after forming a silicon oxide film on the silicon substrate 10 by using the CVD method, the surface layer is flattened by the CMP method to form the interlayer insulating film 21.
[0027]
Subsequently, as shown in FIG. 7, a hole is formed in the interlayer insulating film 21 by using a lithography method, an etching method, or the like, and then about 200 nm of Al is formed on the silicon substrate 10 while filling the hole by a sputtering method. Further, by using a lithography method, an etching method, or the like, a part of Al is left, and the control gate electrode 22 is formed on the second gate insulating film 18 in the nonvolatile memory region, and the control gate electrode 22 is formed on the source and drain regions 17. The hole electrode 22a is formed. At this time, since Al on the interlayer insulating film 21 can be formed also as a wiring, a structure in which the electrode and the wiring are integrated is adopted. Therefore, the electrodes and the wiring can be formed by the same process including the wiring in the complementary insulated gate field effect transistor.
[0028]
Thereafter, a silicon oxide film or the like (not shown) is formed on the entire surface of the silicon substrate 10. After further opening a contact hole in the silicon oxide film or the like, a metal wiring layer is formed. Further, if necessary, the formation of a silicon oxide film or the like and the formation of a metal wiring layer are repeated to form a multilayer wiring structure, and then the entire surface is covered with a surface protection film, and a pad portion is opened to include a nonvolatile memory. Complete the semiconductor device.
[0029]
According to the present embodiment, by taking a structure in which the control gate electrode in the nonvolatile memory is formed in the hole formed in the interlayer insulating film, the hole formed in the interlayer insulating film on the source and drain regions is shallow, and the electrode In addition, a semiconductor device having a nonvolatile memory which can easily form wiring and can cope with miniaturization of elements can be obtained.
[0030]
(Second embodiment)
8 to 14 are sectional views showing a second embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps. 1A is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a complementary insulated gate field-effect transistor according to the present embodiment in the order of steps, and FIG. 4B is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the nonvolatile memory in this embodiment in the order of steps. FIG. 14 shows a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
[0031]
First, as shown in FIGS. 8A and 8B, a P-type silicon substrate 30 is prepared as a semiconductor substrate. Next, an N-type well region 30a and a P-type well region 30b shown in FIG. 8A are formed. On the other hand, the non-volatile memory area shown in FIG. 8B is used as a P-type semiconductor area, so that a well is not usually formed. However, if necessary, a P-type well is formed.
[0032]
Subsequently, as shown in FIG. 8A, a first gate insulating film 11 is formed to a thickness of, for example, 6 nm by a thermal oxidation method. Note that the first gate insulating film 31 is used as a gate oxide film of a complementary insulated gate field effect transistor and a tunnel oxide film of a nonvolatile memory. Thereafter, if necessary, channel ion implantation is performed on each region using a lithography method, an ion implantation method, or the like. Further, after forming a first gate electrode film 32a, which is a polycrystalline silicon film, for example, with a thickness of 100 nm by a CVD method, a silicon nitride film (not shown) is formed, and the silicon nitride film is masked using a lithography method, a dry etching method or the like. Then, the first gate electrode film 32a and the gate insulating film 31 are patterned, and a groove is also formed in the silicon substrate 30 by directional etching. Subsequently, a silicon oxide film is formed on the entire surface of the silicon substrate 30 including the groove by using the CVD method, and subsequently, the silicon formed in the groove of the silicon substrate while planarizing the surface by using the CMP method, the etching method, or the like. The oxide film is left to form the element isolation region 33. At this time, an element isolation region is also formed in a part of the nonvolatile memory region, but is not shown in the cross-sectional portion of FIG.
[0033]
Next, after a second gate electrode film 32b, which is a polycrystalline silicon film, is formed to a thickness of, for example, 100 nm by a CVD method, using a silicon nitride film or the like (not shown) as a mask, the lithography method and the etching method are used to form FIG. Patterning is performed as shown in FIG. The structure in which the first gate electrode film 33 and the second gate electrode film 32b are stacked functions as the gate electrode 32c in the complementary insulated gate field effect transistor region and as the floating gate electrode 32 in the nonvolatile memory region. .
[0034]
Next, an impurity is introduced by ion implantation using the floating gate electrode 32 and the gate electrode 32c as a mask to form an extension region. First, the P-type well region 30a and the nonvolatile memory region in the complementary insulated gate field effect transistor region are covered with a mask, and the N-type well region 30b in the complementary insulated gate field effect transistor region is doped with boron at a dose of 1E14 cm. -2 ~ 1E15cm -2 Implant ions to a degree.
[0035]
Subsequently, the N-type well region 30b in the complementary insulated gate field effect transistor region is covered with a mask, and the P-type well region and the nonvolatile memory region in the complementary insulated gate field effect transistor region are dosed with arsenic at a dose of 1E14 cm. -2 ~ 1E15cm -2 Implant ions to a degree. When ion implantation is performed under different conditions in the P-type well region 30a and the non-volatile memory region in the complementary insulated gate field effect transistor region, the other regions may be covered with a mask, and the ion implantation may be performed. Thereafter, for example, a heat treatment is performed at 950 ° C. to activate the impurities to form the extension regions 34.
[0036]
Next, as shown in FIG. 10, post-oxidation is performed to form a post-oxide film 35 as a silicon oxide film on the gate electrode 32c, the floating gate electrode 32, and the silicon substrate 30 to a thickness of, for example, about 50 nm. A nitride film is formed, for example, to about 100 nm. Subsequently, directional etching is performed using a dry etching method or the like so that the side peripheral wall insulating film 36 and the post-oxide film 35, which are silicon nitride films, remain on the side peripheral wall.
[0037]
Subsequently, in the complementary insulated gate field effect transistor region, the gate electrode 32c, the side peripheral wall insulating film 36 and the post-oxide film 35 are used as a mask, and in the nonvolatile memory region, the floating gate electrode 32, side peripheral wall insulating film 36 and the post-oxide film are used. Using the mask 35 as a mask, the source and drain regions 37 are formed by ion implantation or the like. First, the P-type well region 30a and the nonvolatile memory region in the complementary insulated gate field effect transistor region are covered with a mask, and the N-type well region 30b in the complementary insulated gate field effect transistor region is doped with boron at a dose of 1E15 cm. -2 ~ 1E16cm -2 Implant ions to a degree.
[0038]
Subsequently, the N-type well region 30b in the complementary insulated gate field-effect transistor region is covered with a mask, and the P-type well region 30a in the complementary insulated gate field-effect transistor region and the nonvolatile memory region are dosed with arsenic at a dose of 1E15 cm. -2 ~ 1E16cm -2 Implant ions to a degree. When ion implantation is performed under different conditions for the P-type well region 30a and the non-volatile memory region in the complementary insulated gate field effect transistor region, the other regions may be covered with a mask and the ion implantation may be performed. Thereafter, for example, a heat treatment is performed at 950 ° C. to activate the impurities to form the source and drain regions 37.
[0039]
Next, as shown in FIG. 11, a second gate insulating film 38 is formed on the floating gate electrode 32 in the nonvolatile memory region. That is, first, an ultra-thin silicon oxide film 38a of about 6 nm is formed on the floating gate electrode 32 by using the CVD method, and then an ultra-thin silicon nitride film 38b of about 4 nm is formed by using the CVD method. Further, using a CVD method, a mask insulating film 38c, which is a silicon oxide film, is formed to a thickness of about 20 nm. Next, the mask insulating film 38c, the ultra-thin silicon nitride film 38b, and the ultra-thin silicon oxide film 38a are left only on the floating gate electrode 32 in the nonvolatile memory region by using a lithography method, an etching method, or the like. Of the gate insulating film 38 is formed.
[0040]
Next, as shown in FIG. 12, a salicide electrode 39 is formed on the source and drain regions 37, and a gate salicide electrode 39a is formed on the gate electrode 32c in the complementary insulated gate field effect transistor region. That is, first, a titanium film (not shown) is formed on the silicon substrate 30 to a thickness of about 50 nm by a sputtering method. Subsequently, heat treatment is performed at about 900 ° C. to cause a silicide reaction between the silicon in the source and drain regions 37 and the silicon in the gate electrode 32 c and the titanium film to form titanium silicide. Subsequently, the remaining unreacted titanium is removed by an etching method. Further, the mask insulating film 38c is removed by an etching method. Thus, a salicide electrode 39 made of titanium silicide is formed on the source and drain regions 37, and a gate salicide electrode 41a made of titanium silicide is formed on the gate electrode 39a in the complementary insulated gate field effect transistor region.
[0041]
Next, as shown in FIG. 13, an interlayer insulating film 40 is formed. That is, after forming a silicon oxide film on the silicon substrate 10 by using the CVD method, the surface layer is flattened by the CMP method to form the interlayer insulating film 40.
[0042]
Subsequently, as shown in FIG. 14, a hole is formed in the interlayer insulating film by using a lithography method, an etching method, or the like, and then about 200 nm of Al is formed on the silicon substrate 30 by filling the hole with the sputtering method. Further, by using a lithography method, an etching method, or the like, a part of Al is left, a control gate electrode 41 is formed in a hole above the second gate insulating film 38 in the nonvolatile memory region, and a source and drain region 37 is formed. A hole electrode 41a is formed thereon. At this time, since Al on the interlayer insulating film 40 can be formed also as a wiring, a structure in which the electrode and the wiring are integrated is adopted. Therefore, the electrodes and the wiring can be formed by the same process including the wiring in the complementary insulated gate field effect transistor.
[0043]
Thereafter, a silicon oxide film or the like (not shown) is formed on the entire surface of the silicon substrate 30. After further opening a contact hole in the silicon oxide film or the like, a metal wiring layer is formed. Further, if necessary, the formation of a silicon oxide film or the like and the formation of a metal wiring layer are repeated to form a multilayer wiring structure, and then the entire surface is covered with a surface protection film, and a pad portion is opened to include a nonvolatile memory. Complete the semiconductor device.
[0044]
According to the present embodiment, by taking a structure in which the control gate electrode in the nonvolatile memory is formed in the hole formed in the interlayer insulating film, the hole formed in the interlayer insulating film on the source and drain regions is shallow, and the electrode In addition, a semiconductor device having a nonvolatile memory which can easily form wiring and can cope with miniaturization of elements can be obtained.
[0045]
Further, since the element isolation region is formed after the formation of the first gate insulating film, a stable operation as a nonvolatile memory can be obtained.
[0046]
The present invention is not limited to the above-described embodiment at all, and can be implemented with various modifications without departing from the gist of the present invention.
[0047]
For example, if high-concentration N-type silicon conventionally used as a material for the control gate electrode is used, there is a possibility that application as a semiconductor device can be relatively easily performed. When other materials are used, not limited to aluminum, metals such as copper, gold, silver, tungsten, molybdenum, and titanium; metal silicides such as tungsten silicide, molybdenum silicide, and titanium silicide; and high-concentration P-type impurities May be doped silicon.
[0048]
In addition, by laying the barrier metal under the above-described material, advantages such as suppressing the reaction of the holes with silicon can be obtained. In this case, a structure in which a metal such as tungsten, molybdenum, or titanium, a metal silicide such as tungsten silicide, molybdenum silicide, or titanium silicide, or a metal nitride such as titanium nitride or tungsten nitride may be formed as the barrier metal.
[0049]
Further, the gate insulating films such as the first gate insulating film and the second gate insulating film are not limited to the silicon oxide film and the silicon nitride film, but may be a silicon oxynitride film containing both oxygen and nitrogen in various compositions. Alternatively, a metal oxide film such as a hafnium oxide film or a titanium oxide film, a composite film of these films, or a film using a laminated structure may be used.
[0050]
Further, as the semiconductor substrate, an SOI substrate, a compound semiconductor substrate such as GaAs, or the like can be used other than the silicon substrate.
[0051]
Further, it is needless to say that the stacked gate structure can be applied not only to the nonvolatile memory but also to other types of devices. In addition, circuits configured in the semiconductor device can include various logic circuits, peripheral circuits, and the like.
[0052]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, by forming a control gate electrode in a nonvolatile memory in a hole formed in an interlayer insulating film, the control gate electrode is formed in the interlayer insulating film on the source and drain regions. Thus, a semiconductor device having a non-volatile memory capable of easily forming electrodes and wiring and capable of responding to miniaturization of elements can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 2 is a sectional view showing a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 3 is a sectional view showing a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 4 is a sectional view showing a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 6 is a sectional view showing a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 7 is a sectional view illustrating a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 8 is a sectional view illustrating a second embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 9 is a sectional view showing a second embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 10 is a sectional view showing a second embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 11 is a sectional view showing a second embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 13 is a sectional view illustrating a second embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 14 is a sectional view illustrating a second embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
[Explanation of symbols]
10, 30 silicon substrate
10a, 30a P-type well region
10b, 30b N-type well region
11, 33 element isolation region
12, 31 First gate insulating film
13, 32 Floating gate electrode
13a, 32c Gate electrode
14, 34 Extension area
15, 35 Post-oxide film
16, 36 Side wall insulating film
17, 37 source and drain regions
18, 38 Second gate insulating film
18a, 38a Ultra-thin silicon nitride film
18b, 38b Ultra-thin silicon oxide film
19, 38c Mask insulating film
20, 39 Salicide electrode
20a, 39a Gate salicide electrode
21, 40 interlayer insulating film
22, 41 control gate electrode
22a, 41a Contact hole electrode
32a first gate electrode film
32b second gate electrode film

Claims (18)

半導体基体と、
前記半導体基体上に形成された第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浮遊電極と、
前記浮遊電極上に形成された第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電極と、
前記第1のゲート絶縁膜下の前記半導体基体の一領域を挟むように、前記半導体基体に形成されたソース及びドレイン領域を具備し、
前記制御電極が少なくとも、前記第2のゲート絶縁膜上に設けられる層間絶縁膜の孔内に形成される不揮発性メモリを有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A first gate insulating film formed on the semiconductor substrate,
A floating electrode formed on the first gate insulating film;
A second gate insulating film formed on the floating electrode;
A control electrode formed on the second gate insulating film;
A source and a drain region formed in the semiconductor base so as to sandwich one region of the semiconductor base under the first gate insulating film;
A semiconductor device, wherein the control electrode has at least a nonvolatile memory formed in a hole of an interlayer insulating film provided on the second gate insulating film.
前記制御電極の材料が、前記制御電極と接続する配線と同一の材料で構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。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the material of the control electrode is made of the same material as a wiring connected to the control electrode. 前記制御電極が複数の材料による積層構造で構成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the control electrode has a stacked structure including a plurality of materials. 4. 前記制御電極の材料として高濃度N型シリコンを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the control electrode includes high-concentration N-type silicon. 前記浮遊電極が第1のゲート電極膜と第2のゲート電極膜との積層構造で構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the floating electrode has a stacked structure of a first gate electrode film and a second gate electrode film. 6. 前記浮遊電極上に形成された第2のゲート絶縁膜がシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の積層構造であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置。6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second gate insulating film formed on the floating electrode has a stacked structure of a silicon oxide film and a silicon nitride film. 前記不揮発性メモリによりメモリ回路を構成すると共に、前記メモリ回路に加えて、少なくとも論理回路を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein a memory circuit is configured by the nonvolatile memory, and at least a logic circuit is included in addition to the memory circuit. 前記論理回路が相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成されており、前記相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極はそれぞれのトランジスタのチャネルの導電型と同じ導電型であり、前記不揮発性メモリの浮遊ゲート電極はN型の導電型を有することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。The logic circuit is composed of a complementary insulated gate field effect transistor, and the gate electrode of the complementary insulated gate field effect transistor has the same conductivity type as the channel conductivity type of each transistor. The semiconductor device according to claim 7, wherein the gate electrode has an N-type conductivity. 前記不揮発性メモリの第1のゲート絶縁膜の膜厚と前記論理回路における相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚が異なることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の半導体装置。9. The method according to claim 7, wherein the thickness of the first gate insulating film of the nonvolatile memory is different from the thickness of the gate insulating film of the complementary insulated gate field effect transistor in the logic circuit. Semiconductor device. 半導体基体の素子形成予定領域を囲むように素子分離領域を形成する工程と、
前記半導体基体上に第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浮遊ゲート電極膜を形成する工程と、
前記浮遊ゲート電極膜及び前記第1のゲート絶縁膜を選択的にパターニングする工程と、
パターニングされた前記浮遊ゲート電極膜をマスクにして前記半導体基体の表面領域に不純物を導入する工程と、
前記浮遊ゲート電極膜上に第2のゲート絶縁膜を選択的に形成する工程と、
前記半導体基体及び前記第2のゲート絶縁膜上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に選択的に孔を形成する工程と、
選択的に形成された前記孔内に制御電極を形成する工程とを
備えた不揮発性メモリを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an element isolation region so as to surround an element formation planned region of the semiconductor substrate;
Forming a first gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a floating gate electrode film on the first gate insulating film;
Selectively patterning the floating gate electrode film and the first gate insulating film;
Introducing impurities into the surface region of the semiconductor substrate using the patterned floating gate electrode film as a mask,
Selectively forming a second gate insulating film on the floating gate electrode film;
Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate and the second gate insulating film; and selectively forming holes in the interlayer insulating film;
Forming a control electrode in the hole formed selectively. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
半導体基体に第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第1のゲート電極膜を形成する工程と、
前記第1のゲート電極膜及び前記第1のゲート絶縁膜を選択的にパターニングする工程と、
パターニングした前記第1のゲート電極膜及び前記第1のゲート絶縁膜をマスクとして前記半導体基体に素子分離領域を形成する工程と、
前記第1のゲート電極膜上に第2のゲート電極膜を形成する工程と、
前記第2のゲート電極膜を選択的にパターニングする工程と、
前記第1のゲート電極膜、前記第2のゲート電極膜及び第1のゲート絶縁膜を選択的にパターニングして、前記第1のゲート電極膜及び前記第2のゲート電極膜から構成される浮遊ゲート電極を含むゲート領域を形成する工程と、
パターニングされた前記浮遊ゲート電極をマスクにして前記半導体基体の表面領域に不純物を導入する工程と、
前記浮遊ゲート電極上に第2のゲート絶縁膜を選択的に形成する工程と、
前記半導体基体及び前記第2のゲート絶縁膜上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に選択的に孔を形成する工程と、
前記孔内に制御電極を形成する工程とを
備えた不揮発性メモリを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a first gate electrode film on the first gate insulating film;
Selectively patterning the first gate electrode film and the first gate insulating film;
Forming an element isolation region in the semiconductor substrate using the patterned first gate electrode film and the first gate insulating film as a mask;
Forming a second gate electrode film on the first gate electrode film;
Selectively patterning the second gate electrode film;
The first gate electrode film, the second gate electrode film, and the first gate insulating film are selectively patterned to form a floating structure including the first gate electrode film and the second gate electrode film. Forming a gate region including a gate electrode;
Introducing an impurity into the surface region of the semiconductor substrate using the patterned floating gate electrode as a mask,
Selectively forming a second gate insulating film on the floating gate electrode;
Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate and the second gate insulating film; and selectively forming holes in the interlayer insulating film;
Forming a control electrode in the hole.
前記制御電極を形成する工程により、前記制御電極と接続する配線も形成することを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein a wiring connected to the control electrode is also formed in the step of forming the control electrode. 前記制御電極が複数の導電性材料を積層することにより形成されることを特徴とする請求項10乃至請求項12のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。13. The method according to claim 10, wherein the control electrode is formed by laminating a plurality of conductive materials. 前記制御電極が高濃度N型シリコンを含む材料により形成されることを特徴とする請求項10乃至請求項13のいずれか1項に記載の半導体装置。14. The semiconductor device according to claim 10, wherein the control electrode is formed of a material containing high-concentration N-type silicon. 前記浮遊電極上の第2のゲート絶縁膜が、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を積層することにより形成されることを特徴とする請求項10乃至請求項14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。15. The semiconductor device according to claim 10, wherein the second gate insulating film on the floating electrode is formed by stacking a silicon oxide film and a silicon nitride film. Manufacturing method. 前記不揮発性メモリの形成によりメモリ回路を形成すると共に、前記メモリ回路に加えて、少なくとも論理回路を形成することを特徴とする請求項10乃至請求項15のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。16. The semiconductor device according to claim 10, wherein a memory circuit is formed by forming the non-volatile memory, and at least a logic circuit is formed in addition to the memory circuit. Production method. 前記論理回路が相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタにより形成されると共に、前記相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタのPチャネル及びNチャネルトランジスタのゲート電極には、それぞれのチャネルの導電型と同じ導電型の不純物を、前記不揮発性メモリの浮遊ゲート電極には、N型の導電型の不純物を導入することを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。The logic circuit is formed by a complementary insulated gate field effect transistor, and the gate electrodes of the P-channel and N-channel transistors of the complementary insulated gate field effect transistor have impurities of the same conductivity type as those of the respective channels. 17. The method according to claim 16, wherein an N-type impurity is introduced into the floating gate electrode of the nonvolatile memory. 前記第1のゲート絶縁膜を形成する工程の後に、前記第1のゲート絶縁膜を選択的に剥離し、更に、前記半導体基体に前記論理回路のゲート絶縁膜を選択的に形成することを特徴とする請求項16又は請求項17に記載の半導体装置の製造方法。After the step of forming the first gate insulating film, the first gate insulating film is selectively peeled off, and a gate insulating film of the logic circuit is selectively formed on the semiconductor substrate. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein:
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