JP2005123518A - 不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電荷蓄積膜のコーナー部20の薄膜化を抑制して電荷保持特性を向上するために、選択ゲート電極15の側壁にテーパーを設ける。また、自己整合で形成するゲート電極を低抵抗化するシリサイドを安定に行うため、選択ゲート電極15の側壁をリセスさせる。もしくは、自己整合ゲート電極上部18と選択ゲート電極上部65の間に段差を設ける。
【選択図】 図1
Description
本発明のもう一つの目的は、不揮発性半導体記憶装置において、シリサイド工程に必要な加工マージンを確保する技術を提供することにある。
以下、メモリセル部の製造工程を順に示す。図6から図16まではメモリセルのワード線に垂直な断面の拡大図である。図5の線(A)(B)で示した断面図に相当する。ワード線に垂直な方向には素子間を電気的に分離するために一般的な浅溝素子分離領域33が形成されており、シリコン基板表面は界面品質向上のため犠牲酸化を行った後にゲート酸化膜40を形成する(図6)。続いてCVD法を用いて選択ゲートの電極材料である多結晶シリコン41を250nmの厚さで堆積し、加工時のマスクとなるキャップ酸化膜42をCVD法で50nm堆積する。ホトレジストを塗布し、ホトレジストをホトリソグラフィ工程により幅180nmでパターニングした後、ホトレジストをマスクとしてキャップ酸化膜42をドライエッチングにより加工し、続けて多結晶シリコンをドライエッチングにより加工した段階が図7である。このとき、後に堆積するONO膜のコーナー部での異常薄膜化を抑制するために、ドライエッチングの垂直加工性を減少させて選択ゲート電極の側壁の形成角度61(選択ゲート電極のテーパー角)を95以上180度未満に制御する。但し、必要以上の角度緩和は、選択トランジスタのゲート長の増加を招きトランジスタの特性を劣化させたり、メモリセルの面積が大きくなり高集積化の面から好ましくない。また、選択ゲート下端が逆に鋭角化し電界集中による信頼性低下が起こるので、形成角度61は150度までが好ましい。垂直加工性の制御は、エッチング生成物の側壁への堆積を減少させるようにガス種のカーボン含有率を減らすなど一般的な手法を用いて良い。次に電荷蓄積膜となるONO膜を形成する。まずボトム酸化膜として750〜850℃のウェット酸化法を用いて4〜6nmの酸化珪素膜を形成すると図8の状態となる。次に700℃〜800℃の熱分解CVD法により8〜12nmの窒化珪素膜を堆積する。最後に、トップ酸化膜として700℃〜800℃の熱分解CVD法により4〜7nmの酸化珪素膜を堆積した段階が図9である。なおトップ酸化膜は900℃〜1000℃のISSG酸化(Insitu Steam Generation)法を用いて窒化珪素膜を4〜7nmの酸化珪素膜に転化して形成しても良い。この場合は酸化珪素膜の5〜7割の厚さの窒化珪素膜が消費されるため、予め酸化膜に転化する膜厚だけ窒化珪素膜を厚く形成する。続けて自己整合電極材料となる多結晶シリコン43を450℃〜560℃のCVD法を用いて50〜100nm堆積した段階が図10である。このとき、多結晶シリコン43は電極抵抗を下げる目的であらかじめリンなどの不純物を5×1020atoms/cm3程度添加した条件で形成する。異方性ドライエッチを用いてエッチバックし、自己整合電極を形成すると図11となる。スペーサ形状の自己整合電極44は選択ゲート電極の両側に形成されるため、ホトリソグラフィを用いて選択ゲート電極上部を境にレジストでマスクを形成し、ドライエッチングで片側を除去する。その後、基板上及び選択ゲート電極上に露出したONO膜をフッ酸によるウェットエッチングと熱燐酸によるウェットエッチングで除去した段階が図12となる。LDD構造を形成するために選択ゲート電極と自己整合電極をマスクにして不純物を注入する(図示せず)。続けて、自己整合電極に必要なスペーサとして、CVD法により酸化珪素膜45を100nm堆積した段階が図13で、続けて異方性ドライエッチングによりエッチバックすると図14の状態になる。選択ゲート電極上のキャップ酸化膜42はこの段階までのHF洗浄とドライエッチングにより徐々に減少し除去されている。この時、選択ゲート及び自己整合電極上部の多結晶シリコンが確実に露出するまでエッチバックする必要がある。基板上の高濃度拡散層46および47を形成するためイオン注入法により砒素およびリンを1×1014〜3×1015atoms/cm2の密度で注入し、950℃、10秒の熱処理を行い活性化する。高濃度拡散層46,47とゲート電極低抵抗化のため、コバルト膜をスパッタ法で堆積した後、500℃、1分の熱処理によりシリサイド化を行い、酸化珪素膜上の未反応コバルトを除去した段階が図15である。続けてプラズマCVD法により窒化珪素膜48を50nm堆積し、層間絶縁膜として300nmのPSG(フォスフォシリケートグラス)膜49を堆積、熱処理の後、プラズマCVD法によりさらに1200nmの酸化珪素膜50を堆積する。CMP法(化学機械研磨法)により表面を平坦化した後、ホトリソグラフィによりコンタクトホール部のパターンを露光する。ドライエッチでコンタクトホール51を開孔し、溝内にスパッタ法による窒化チタン52を堆積した後、CVD法によってさらに窒化チタン、タングステン53を順に充填する。層間絶縁膜である酸化珪素膜50の上の余剰のタングステンをCMP法により除去すると図16となる。なお、ここでは記載しないが上記工程間には適宜洗浄工程が入る。この後、詳細は省略するが一般的な配線工程を経て前工程が完了する。
次に、本発明の第2の実施の形態を図4を用いて説明する。これは選択ゲート電極側壁をリセスさせて形成し、ゲート電極シリサイド化を安定に行う製造方法である。
本実施の形態では、選択ゲート電極と自己整合電極間に段差を設け、シリサイド時の短絡を確実に防止する方法を説明する。
本実施の形態では、前記実施の形態3とは逆に、選択ゲート電極が自己整合電極に対し低くなるように段差を設けてシリサイド時の短絡を確実に防止する方法を説明する。
本実施の形態では、前記実施の形態1、2を統合し、選択ゲート電極側壁のテーパー化と選択ゲート電極側壁のリセスを同時に行い、電荷保持特性の向上とシリサイド化の安定を同時に達成する方法を説明する。
本実施の形態では、選択ゲート電極の形成後に酸化珪素膜のサイドウォールスペーサを形成してONO膜コーナー部の角度を制御する方法を説明する。
本実施の形態では、ONO膜のテーパー制御を乗り上げ型のメモリセル構造に適用する方法を説明する。第1の実施の形態の説明図6の工程は同一である。
11 ボトム酸化膜
12 窒化珪素膜
13 トップ酸化膜
14 コーナー部
15 選択ゲート電極
16 酸化珪素膜のサイドウォール
17 酸化珪素膜のサイドウォール
18 自己整合ゲート電極シリサイド部
19 高濃度拡散層シリサイド部
20 電荷蓄積膜を堆積するコーナー部の角度
21 リセス量
22 傾斜角度の不連続
23 拡散層
24 トップ酸化膜のコーナー部のテーパーの不連続部となる部分の膜厚
25 トップ酸化膜の平坦部での膜厚
30 ソース線
31 選択ゲート線
32 ワード線
33 素子分離領域
34 ビット線
35 コンタクト部
40 ゲート絶縁膜
41 多結晶シリコン
42 キャップ酸化膜
43 多結晶シリコン
44 多結晶シリコンのサイドウォール
45 酸化珪素膜
46 高濃度拡散層ドレイン
47 高濃度拡散層ソース
48 窒化珪素膜
49 PSG膜
50 プラズマCVD酸化珪素膜
51 コンタクト
52 窒化チタン
53 タングステン
60 増速酸化部
61 ドライエッチ後の選択ゲート側壁テーパー角
62 バーズビーク
63 側壁が最もゲート電極内側へ到達した部分
64 選択ゲート上部のキャップ酸化膜
65 選択ゲート電極上部
66 選択ゲート電極と自己整合電極の段差
67 ミニスペーサ
68 ミニスペーサ
69 ゲート電極間スペーサ
70 スペーサのコーナー部
71 メモリゲート電極
Claims (21)
- (a)半導体基板の主面に第1絶縁膜を形成し、ゲート電極最下部の側壁面と前記半導体基板の主面とによって形成される、前記ゲート電極を含まない側のテーパー角が95度以上、180度未満になるように、前記第1絶縁膜上に第1ゲート電極を形成する工程と、
(b)前記第1ゲート電極の側壁に第2絶縁膜を形成し、前記第1ゲート電極の両側の前記半導体基板表面に第3絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記第2絶縁膜および前記第3絶縁膜の上に第4絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記第4絶縁膜上に第5絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記第2〜第5絶縁膜を介して、前記第1ゲート電極の側壁および前記第1ゲート電極の片側または両側の前記半導体表面に対向する位置に導電性材料からなる第2ゲート電極を形成する工程と、
を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記テーパー角は95度以上150度未満である不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記第2絶縁膜はドライ酸化法またはISSG酸化法によって形成する不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記テーパー角は100度以上、180度未満である不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記テーパー角は100度以上150度未満である不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 請求項5記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記第2絶縁膜はウエット酸化法によって形成する不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記第4絶縁膜が形成するテーパー角は95度以上、180度未満である不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- (a)半導体基板の主面に第1絶縁膜を形成し、前記第1絶縁膜上に第1半導体層を形成し、前記第1半導体層上にキャップ絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記キャップ絶縁膜をパターニングする工程と、
(c)前記キャップ絶縁膜をマスクとして前記第1半導体層を前記キャップ絶縁膜の端部に対してリセスさせることにより、第1ゲート電極を形成する工程と、
(d)前記第1ゲート電極の側壁に第2絶縁膜を形成し、前記第1ゲート電極の両側の半導体基板表面に第3絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記第2絶縁膜および前記第3絶縁膜の上に第4絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記第4絶縁膜上に第5絶縁膜を形成する工程と、
(g)前記第2〜第5絶縁膜を介して、前記第1ゲート電極の側壁および前記第1ゲート電極の片側または両側の前記半導体基板表面に対向する位置に、導電性材料からなる第2ゲート電極を自己整合的に形成する工程と、
(h)前記第2ゲート電極の側面に第6絶縁膜を自己整合的に形成し、前記第1ゲート電極表面と前記第2ゲート電極表面と前記半導体基板表面の一部とをシリサイド化する工程とを有し、
前記(c)工程で前記第1半導体層をリセスさせる量は、前記第2ゲート電極のゲート長の三分の一以上である不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項8記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記(c)工程において、前記第2ゲート電極をそのゲート長の三分の一以上、ゲート長以下リセスさせる不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- (a)半導体基板の主面に第1絶縁膜を形成し、前記第1絶縁膜上に第1ゲート電極を形成する工程と、
(b)前記第1ゲート電極の側壁と前記第1ゲート電極の片側または両側の前記半導体基板の表面に接する位置にスペーサを形成する際に、前記第1ゲート電極に接しない側面の最下部をラウンディング形状にする工程と、
(c)前記スペーサ上に第2絶縁膜を形成し、前記第1ゲート電極の両側の前記半導体基板表面に第3絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜上に第4絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記第4絶縁膜上に第5絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記スペーサおよび前記第2〜前記第5絶縁膜を介して、前記第1ゲート電極の側壁および前記ゲート電極の両側の前記半導体基板表面に対向する位置に導電性材料からなる第2ゲート電極を形成する工程と、
を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記第1ゲート電極の上端と前記第2ゲート電極の上端との段差が、前記半導体基板の主面に垂直な方向に20nm以上になるように、前記第2ゲート電極を形成する不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記第5絶縁膜はISSG酸化法によって形成する不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記第4絶縁膜はCVD法によって形成する不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、前記第4絶縁膜は窒化珪素膜である不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 半導体基板の主面に、
第1絶縁膜および前記第1絶縁膜上に形成された第1ゲート電極と、
前記第1ゲート電極の側壁と前記半導体基板の主面とが形成する第1コーナー部と、
前記第1ゲート電極の側壁および前記第1ゲート電極の片側または両側の前記半導体基板の主面に形成された第2絶縁膜と、
前記第1コーナー部の前記第2絶縁膜上に形成された第3絶縁膜と、
前記第1コーナー部の前記第3絶縁膜上に形成された第4絶縁膜と、
前記第2〜第4絶縁膜を介し、前記第1ゲート電極の側壁と前記第1ゲート電極の片側もまたは両側の前記半導体基板の主面の対向する位置に形成された第2ゲート電極とを有し、
前記第4絶縁膜が形成する前記第1ゲート電極を含まない側のテーパー角は95度以上、180度未満であり、
前記第4絶縁膜の前記コーナー部のテーパーの不連続部となる部分の膜厚は前記第4絶縁膜の平坦部の膜厚の8割以上である不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項15記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記第5絶縁膜が形成するテーパー角は95度以上、150度未満である不揮発性半導体記憶装置。 - 半導体基板の主面に、
第1絶縁膜および前記第1絶縁膜上に形成された第1ゲート電極と、
前記第1ゲート電極の側壁および前記第1ゲート電極の片側または両側の前記半導体基板の主面に形成された第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成された第3絶縁膜と、
前記第3絶縁膜上に形成された第4絶縁膜と、
前記第2〜第4絶縁膜を介し、前記第1ゲート電極の側壁と前記第1ゲート電極の両端の前記半導体基板の主面の対向する位置に自己整合的に形成された第2ゲート電極と、
前記第2ゲート電極の前記第4絶縁膜が形成されている反対側の側面に自己整合的に形成された第5絶縁膜とを有し、
前記第2ゲート電極は前記第5絶縁膜側の側面に傾斜角度の不連続部を有する不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項17記載の不揮発性半導体記憶装置において、前記第1ゲート電極は前記第1ゲート電極の最上部の端部に対して、前記第2ゲート電極のゲート長の三分の一以上、ゲート長以下リセスしている不揮発性半導体記憶装置。
- 半導体基板の主面に、
第1絶縁膜および前記第1絶縁膜上に形成された第1ゲート電極と、
前記第1ゲート電極の側面と前記第1ゲート電極の片側または両側の前記半導体基板表面に接する位置に形成されたスペーサと、
前記スペーサ上に形成された第2絶縁膜と、
前記第1ゲート電極の両側の前記半導体基板表面に形成された第3絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上と前記第3絶縁膜上とに形成された第4絶縁膜と、
前記第4絶縁膜上に形成された第5絶縁膜と、
前記スペーサおよび前記第2〜前記第5絶縁膜を介して、前記第1ゲート電極の側壁および前記第1ゲート電極の片側または両側の前記半導体基板表面に対向する位置に形成された導電性材料からなる第2ゲート電極とを有し、
前記スペーサは前記第1ゲート電極に接しない側面の最下部にラウンディング形状を備え、
前記第5絶縁膜の前記コーナー部における前記第5絶縁膜の膜厚は、前記第5絶縁膜の平坦部の膜厚の8割以上である不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項15記載の不揮発性半導体記憶装置において、前記第1ゲート電極の上端と前記第2ゲート電極の上端との段差は、前記半導体基板の主面に垂直な方向に20nm以上である不揮発性半導体記憶装置。
- 請求項15記載の不揮発性半導体記憶装置において、前記第4絶縁膜は窒化珪素膜である不揮発性半導体記憶装置。
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