JP2005285818A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 STI溝のアスペクト比が高くなってもトンネル絶縁膜にプロセスダメージを与えずにSTIを行える半導体メモリセルを提供すること。
【解決手段】 半導体装置は、基板と、第1及び第2の溝内に設けられ、基板表面よりも上に突出している第1絶縁膜と、基板上の半導体メモリセルとを備え、チャネル幅方向では第1の溝上の第1の絶縁膜と第2の溝上の第1絶縁膜の間隔は基板表面位置よりも該表面より上の位置での方が広く、半導体メモリセルは、第1の溝と第2の溝の間の基板上に設けられた第2絶縁膜と、第2の絶縁膜の上方に設けられた制御ゲート電極と、制御ゲート電極と第2絶縁膜の間に設けられチャネル幅方向の寸法に関し制御ゲート電極と対向する上面側の方が第2絶縁膜と対向する下面側よりも大きく、チャネル幅方向に関し第1及び第2の溝に対してのずれ量が略等しい浮遊ゲート電極と、浮遊ゲート電極と制御ゲート電極の間に設けられた第3絶縁膜とを備える。
【選択図】 図17
【解決手段】 半導体装置は、基板と、第1及び第2の溝内に設けられ、基板表面よりも上に突出している第1絶縁膜と、基板上の半導体メモリセルとを備え、チャネル幅方向では第1の溝上の第1の絶縁膜と第2の溝上の第1絶縁膜の間隔は基板表面位置よりも該表面より上の位置での方が広く、半導体メモリセルは、第1の溝と第2の溝の間の基板上に設けられた第2絶縁膜と、第2の絶縁膜の上方に設けられた制御ゲート電極と、制御ゲート電極と第2絶縁膜の間に設けられチャネル幅方向の寸法に関し制御ゲート電極と対向する上面側の方が第2絶縁膜と対向する下面側よりも大きく、チャネル幅方向に関し第1及び第2の溝に対してのずれ量が略等しい浮遊ゲート電極と、浮遊ゲート電極と制御ゲート電極の間に設けられた第3絶縁膜とを備える。
【選択図】 図17
Description
本発明は、電気的に書き換え可能な半導体メモリセルを備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
半導体記憶装置の一つとして、不揮発性半導体メモリがある。近年、不揮発性半導体メモリは、データ格納用のデバイスとしての需要が高くなってきている。浮遊ゲート(FG)電極を用いた代表的な電気的に書き換え可能な不揮発性メモリとして、NOR型フラッシュメモリやNAND型フラッシュメモリが知られている。
これらのフラッシュメモリの記憶容量を増大させるために、素子の微細化が進行している。しかし、素子の微細化により、素子構造のアスペクトが大きくなったり、隣接するFG間干渉に影響が生じたり、あるいはプロセス上のばらつきがFG電極への電子の注入され方に影響を与えたりと、いろいろな問題が出てきている。
特に、素子構造のアスペクトが大きくなることで、いろいろな問題が起きている。そのため、素子構造のアスペクトを低く抑える工夫が試みられようとしている。特に、Shallow Trench Isolation(STI)構造においては、トンネル酸化膜と浮遊ゲート(FG)電極を先に形成してからSTI領域に形成した溝内に絶縁膜が埋め込まれた構造が用いられている(特許文献1)。
図18−図20に、従来のNAND型フラッシュメモリのメモリセルの断面図を示す。
図18はビット線方向の断面図、図19はワード線方向の断面図、図20は図18の一点破線で囲まれた領域の拡大図である。これらの図において、310はシリコン基板、311はゲート絶縁膜、312はトンネル絶縁膜、313はFG電極、314は埋込み型の素子分離絶縁膜、315はインターポリ絶縁膜、316は制御ゲート(CG)電極、317は低濃度のソース/ドレイン拡散層、318は側壁絶縁膜、319は高濃度のソース/ドレイン拡散層、320は層間絶縁膜、321はプラグ、322はビット線を示している。
上記従来のメモリセル構造では、トンネル絶縁膜312とFG電極313が素子分離絶縁膜314(STI)より先に形成され、素子分離絶縁膜314(STI)の形成後にFG電極313の側面が露出されることにより、FG電極313とCG電極316との間の結合容量の増加が図られている。しかし、上記メモリセル構造には以下のような問題がある。
素子の微細化が進むと、STI溝のアスペクトが高くなり、STI溝内を素子分離絶縁膜314で埋め込むことが困難になる。例えば、従来のHDP(high Density Plasma)−CVDプロセスを用いて、STI溝内をSiO2 膜(素子分離絶縁膜314)で埋め込むことは困難である。
このため、STI溝内を絶縁膜で埋め込むプロセスとして、シリコン基板上にポリシラザンなどの溶液を塗布することでSTI溝内を該溶液で埋め込み、その後、高温処理により上記溶液をSiO2 膜に変えるプロセスが提案されている(特許文献2)。
しかし、STI溝の形成時に行われるプラズマを用いたシリコン基板310のエッチングや、素子分離絶縁膜314の形成時に行われる高温水蒸気酸化などにより、先に形成されているトンネル絶縁膜312の信頼性が、プラズマ雰囲気や酸化雰囲気中の水素により劣化することが知られている。
このため、素子分離絶縁膜314の形成条件を最適化したり、STI形成時の温度を低温化したりなどのプロセス条件の最適化が行われている。しかし、なかなか良いプロセス条件を捜すのが困難な状況である。
トンネル絶縁膜312の信頼性劣化は、フラッシュメモリなどで製品の動作不良を起こす原因となるので、大きな問題となっている。
これに対して、トンネル絶縁膜312およびFG電極313の形成工程が、素子分離(STI)の形成工程の後に行われるプロセスが既に提案されている。このプロセスには上記問題はない。しかし、このプロセスを実施するには、素子分離絶縁膜314(STI)とFG電極313との高精度な合わせ(OL)が必要となる。しかし、このような高精度なOLを実施することは困難である。
特開平08−017948号公報
特願平10−116427号公報
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、素子分離溝のアスペクト比が高くなっても、浮遊ゲート電極下の絶縁膜(トンネル絶縁膜)にプロセスダメージを与えることなく、素子分離を容易に行える、電気的に書き換え可能な半導体メモリセルを備えた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第1の素子分離領域であって、前記半導体基板の表面に設けられた第1および第2の溝、および、該第1および第2の溝内に設けられ、かつ、前記半導体基板の前記表面よりも上に突出している第1の絶縁膜を備えた第1の素子分離領域と、前記半導体基板上に設けられ、電気的に書き換え可能な半導体メモリセルとを具備してなる半導体装置であって、前記半導体メモリセルのチャネル幅方向に関し、前記第1の溝上の前記第1の絶縁膜と前記第2の溝上の前記第1の絶縁膜との間隔は、前記半導体基板の前記表面の位置よりも該表面より上の位置での方が広く、前記半導体メモリセルは、前記第1の溝と前記第2の溝との間の前記半導体基板の前記表面上に設けられた第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜の上方に設けられた制御ゲート電極と、前記制御ゲート電極と前記第2の絶縁膜との間に設けられた浮遊ゲート電極であって、前記チャネル幅方向の寸法に関し、前記制御ゲート電極と対向する上面側の方が前記第2の絶縁膜と対向する下面側よりも大きく、かつ、前記チャネル幅方向に関し、前記第1および第2の溝に対してのずれ量が略等しい浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極と前記制御ゲート電極との間に設けられた第3の絶縁膜とを具備してなることを特徴とする。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜および前記半導体基板をエッチングすることにより、前記第1の絶縁膜を貫通し、前記半導体基板の途中の深さまで達する第1および第2の溝を形成する工程と、前記第1および第2の溝内を第2の絶縁膜で埋め込む工程と、前記第1の絶縁膜を薬液処理により除去する工程と、前記第1の絶縁膜を除去して露出した前記第1の溝と前記第2の溝との間の前記半導体基板の表面上に第3の絶縁膜を形成する工程と、前記第3の絶縁膜上に浮遊ゲート電極を形成する工程であって、前記第2の絶縁膜の上面と略同じ高さになるように浮遊ゲート電極を形成する工程と、前記浮遊ゲート電極上に第4の絶縁膜を形成する工程と、前記第4の絶縁膜上に制御ゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
また、本発明に係る他の半導体装置の製造方法は、半導体基板の第1の領域、第2の領域および第3の領域上に第1の絶縁膜を形成する工程と、「前記第3の領域内に酸化抑制領域を形成する工程と、前記第2および第3の領域内の前記第1の絶縁膜を除去する工程と、前記第1、第2および第3の領域内を酸化することにより、前記第1の領域、前記第2の領域、前記第3の領域の順で膜厚が薄くなる膜厚分布を有する第2の絶縁膜を形成する工程であって、前記第1の領域内の前記第2の絶縁膜は前記第1の絶縁膜を含む工程と、前記第2の絶縁膜上に第1のゲート電極を形成する工程と、前記第2の領域の前記第1のゲート電極上に第3の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の領域の前記第3の絶縁膜上と、前記第1の領域および前記第3の領域の前記第1のゲート電極上に第2のゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
また、本発明に係る他の半導体装置の製造方法は、半導体基板の第1の領域、第2の領域および第3の領域上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第3の領域内に酸化抑制領域を形成する工程と、前記第2の領域内の前記第1の絶縁膜および前記半導体基板をエッチングすることにより、前記第1の絶縁膜を貫通し、前記半導体基板の途中の深さまで達する第1および第2の溝を形成する工程と、前記第1および第2の溝内を第2の絶縁膜で埋め込む工程と、前記第2および第3の領域内の前記第1の絶縁膜を薬液処理により除去する工程と、前記第1、第2および第3の領域内を酸化することにより、前記第1の領域、前記第2の領域、前記第3の領域の順で膜厚が薄くなる膜厚分布を有する第3の絶縁膜を形成する工程であって、前記第1の領域内の前記第3の絶縁膜は前記第1の絶縁膜を含む工程と、前記第3の絶縁膜上に第1のゲート電極を形成する工程であって、前記第2の領域内において前記第2の絶縁膜の上面と略同じ高さになるように第1のゲート電極を形成する工程と、前記第2の領域の前記第1のゲート電極上に第4の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の領域の前記第4の絶縁膜上と、前記第1の領域および前記第3の領域の前記第1のゲート電極上に第2のゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明らかになるであろう。
本発明によれば、素子分離溝のアスペクト比が高くなっても、浮遊ゲート電極下の絶縁膜(トンネル絶縁膜)にプロセスダメージを与えることなく、素子分離を容易に行える、電気的に書き換え可能な半導体メモリセルを備えた半導体装置およびその製造方法を実現できるようになる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
図1(a)および(b)は、本発明の一実施形態に係るNANDフラッシュメモリを示す図である。図1(a)はNAND型フラッシュメモリのメモリセルの平面図、図1(b)は上記メモリセルの等価回路図である。
図1(a)および(b)において、M1−M8は不揮発性メモリセル部、S1およびS2は選択トランジスタ部、CG1−CG8は制御ゲート、SG1およびSG2は選択ゲート、BL1およびBL2はビット線、Vssはソース電圧を示している。
図2は図1(a)のB−B’断面図、図3(a)は図1(a)のA−A’断面図の一部、図3(b)は図2の一部を拡大した断面図である。ただし、ワード線とビット線までの配線層とを示してあり、コンタクトと、メタル配線部以上の配線層と、パッシベーション層とは図面では省略されている。
図中、101はP型のシリコン基板、104は素子分離溝(STI溝)を埋め込むための素子分離絶縁膜、105はトンネル絶縁膜、108は電極(メモリセル部ではFG電極、制御回路部では第1のゲート電極)、109はFG電極とCG電極との間に設けられたインターポリ絶縁膜、110は電極(メモリセル部ではCG電極(ワード線)、制御回路部では第2のゲート電極)、111はゲートキャップ絶縁膜、112は低濃度のソース/ドレイン拡散層(n- 型層)、113は側壁絶縁膜、114は高濃度のソース/ドレイン拡散層(n+ 型層)、115は層間絶縁膜、116はビット線コンタクトへの埋め込み層(プラグ)、117はビット線、118は層間絶縁膜を表している。
図3(a)に示すように、記憶素子(メモリセル)部のFG電極108は、シリコン基板101の表面に形成された第1の素子分離領域(STI)によって電気的に分離されている。
第1の素子分離領域は、シリコン基板101の表面に形成された複数の溝(STI溝)とこれらの溝内に設けられ、かつ、シリコン基板101の表面よりも上に突出した素子分離絶縁膜104とによって構成されている。素子分離絶縁膜104は、シリコン基板101の表面よりも30nm程度上に突出している。
本実施形態では、素子分離絶縁膜104はシリコン酸化膜であるが、他の絶縁膜も使用可能である。また、図示されていない周辺回路も同様に第2の素子分離領域(STI)によって電気的に分離されている。
CG電極110は、インターポリ絶縁膜109を介して、FG電極108上に形成されている。選択トランジスタ部のFG電極108上には、インターポリ絶縁膜109を介せずに、ゲート電極110が形成されている。
また、FG電極108はAA(Active Area)領域に形成されている。FG電極108の平面形状はほぼ4角形である。FG電極108の2辺はSTI領域と自己整合的に形成されている。そのため、チャネル幅方向について、FG電極108のSTI溝に対するずれ量は略等しくなる。FG電極108の残りの2辺はCG電極110と自己整合的に形成されている。したがって、チャネル長方向について、FG電極108のCG電極108に対するずれ量は略等しくなる。
素子分離領域(STI)は、トンネル絶縁膜105およびFG電極108より先に形成されている。素子分離領域が先に形成されることにより、高温プロセスを用いて素子分離絶縁膜104を形成しても、トンネル絶縁膜105およびFG電極108は悪影響を受けない。高温プロセスを用いて素子分離絶縁膜104を形成することにより、素子分離絶縁膜104の形状の劣化は防止される。
また、FG電極108とCG電極110との間のインターポリ絶縁膜109として、high−k膜が用いられている。そのため、FG電極108の側壁上にCG電極110を形成しなくても、FG電極108とCG電極110との間の容量は増加する。
次に、本実施形態のNANDフラッシュメモリの製造方法について、図4(a)−(g)から図13(a)−(g)を参照して説明する。各図(a)は図1の一部の平面図、各図(b)は各図(a)のA−A’断面図、各図(c)は各図(a)のB−B’断面図、各図(d)は同一チップに形成される制御回路部の高電圧回路部の一例の平面図、各図(e)は各図(d)のC−C’断面図、各図(f)は各図(d)のD−D’断面図、各図(g)はトンネル絶縁膜より薄いゲート絶縁膜が用いられた周辺回路部のロジック回路部である。
まず、図4(a)−(g)に示すように、P型のシリコン基板101が用意され、その後、リソグラフィプロセス、イオン注入プロセスおよびアニールプロセスを用いて、シリコン基板101の表面にPウェルおよびNウェル(図示せず)が所望の位置に選択的に形成される。
次いで、シリコン基板101の表面上に膜厚が例えば40nm程度のシリコン酸化膜102Tが形成される。シリコン酸化膜102Tが形成されるシリコン基板101の表面は、高電圧回路部のゲート絶縁膜が形成される領域である。その後、リソグラフィプロセスと薬液エッチングプロセスを用いて、メモリセル領域および周辺回路ロジック部のシリコン酸化膜102Tが除去され、シリコン基板101の表面が露出される。次に、例えば3nm程度の熱酸化膜102が形成される。
次いで、薄いゲート絶縁膜を形成したい所望の領域に、例えば、窒素イオンが注入される。上記イオン注入の目的は、後の工程でトンネル絶縁膜が形成されるときに、薄い酸化膜が形成されるようにするためである。このためには、例えば、レジスト膜(図示せず)をマスクにして、ドーズ量1×1014cm2 −5×1015cm2 程度の条件で、イオン注入プロセスにより、シリコン基板101の表面近傍に窒素イオンを注入することにより、シリコン基板101の表面に窒素を含んだ領域(酸化抑制領域)200が形成される。
また、熱酸化膜102を形成する前に、イオン注入プロセス以外の方法で、シリコン基板101の表面上に薄い酸化抑制領域200を形成しても構わない。例えば、酸化を抑制することができる膜を堆積しても構わない。該膜は、例えば、酸化を抑制することができる程度の窒素濃度を持った膜である。
その後、全面上に例えば45nm程度のシリコン窒化膜(Si3 N4 膜)103がLP−CVDプロセスにより形成される。シリコン窒化膜103上には厚さが例えば200nmのCVD−SiO2 膜(不図示)が堆積される。次に、フォトリソグラフィプロセスおよびRIEプロセスにより、図示しないレジストパターンをマスクにして、上記CVD−SiO2 膜、シリコン窒化膜103、熱酸化膜102,102T、シリコン基板101が順次エッチングされ、STI溝が形成される。図では簡単のため4つのSTI溝(第1−第4の溝)だけに参照符号T1−T4が付されている。
STI溝の深さは、例えば、シリコン基板101の表面から200nm程度の深さである。STI溝の幅は、例えば、70nm(メモリセル部)程度である。もちろん、STI溝は素子分離のための溝であるので、種々の幅のSTI溝がシリコン基板101の表面に形成されている。
ここでは、シリコン窒化膜(Si3 N4 膜)103上に形成したCVD−SiO2 膜が、シリコン基板101のエッチングマスク部材として用いられた例を示している。このようにすると、シリコン基板101のエッチング時におけるシリコン窒化膜103の膜減りは小さくなる。
また、ここでは、STI溝として、深さ方向に溝幅がわずかに小さくなるようなテーパ角を有する側壁を持った溝を例にあげたが、垂直に近い側壁を有する溝を用いても構わない。さらに、STI溝の底部のコーナーに半径5nm程度のラウンド形状を持たせても良い(図示せず)。
このような形状を有するSTI溝にすると、埋め込み性が良くなる。すなわち、STI溝の内部は、絶縁膜(素子分離絶縁膜)により容易に埋め込まれる。また、STI溝の底コーナーのストレス集中が緩和される。さらに、後の工程で、溝の側面を含む電極の加工が容易になるというメリットがある。
シリコン基板101の表面に形成されたSTI溝の側面が通常の熱酸化法を用いて酸化され、その結果、STI溝の側面上に膜厚3nm程度の熱酸化膜(図示せず)が形成される。
ここで、熱酸化法の代わりに、酸素ラジカルを用いた酸化法により、STI溝の側面を酸化すると、シリコン(Si)の面方位の影響を受けることなく、シリコン酸化膜が形成される。したがって、STI溝の側面上には、均一で高品質のシリコン酸化膜が形成される。また、ISSG(In-Situ Steam Generation)法を用いて、STI溝の側面を酸化しても構わない。
次いで、リソグラフィプロセスで形成したレジストパターン(図示せず)をマスクに用いて、イオン注入プロセスにより、所望領域のトランジスタの素子分離領域中に不純物イオンが注入され、その後、素子分離領域中に注入された不純物イオンの活性化アニールが行われる。その結果、所望の領域にトランジスタの素子分離領域のフィールド反転防止不純物層(図示せず)が形成される。
次いで、STI溝内が埋め込まれるように、全面に絶縁膜(素子分離絶縁膜)104が堆積され、その後、シリコン窒化膜103の表面と素子分離絶縁膜104の表面とがほぼ同じ高さになるように、CMPプロセスにより、素子分離絶縁膜104がエッチバックされる。
ここで、STI溝のアスペクト比が高い場合には、素子分離絶縁膜104として、HDP−CVD−SiO2 膜を用いたり、あるいは、ポリシラザンを原料とする塗布膜を用いると良い。広いSTI幅に対応したSTI溝と狭いSTI幅に対応したSTI溝とを同時に均一に埋め込むことがポイントである。
微細化が進むと、アスペクト比が高くなるために、STI溝を絶縁膜で埋め込むことが困難になってくる。したがって、HDP−CVD−SiO2 膜の単独では、STI溝内を良好に埋め込むことは困難になる。このような場合には、新しい埋め込み技術であるハイブリッドSTI埋め込み技術を用いると良い。以下、ハイブリッドSTI埋め込み技術についてさらに説明する。
ハイブリッドSTI埋め込み技術では、図14(a)に示すように、STI溝の下部内がHDP−CVD−SiO2 膜104Aで埋め込まれ、STI溝の上部内が塗布技術を用いて形成されたSiO2 膜104Bで埋め込まれる。
STI溝の上部内の埋め込みは、例えば過水素化シラザン重合体(ポリシラザン)からなる膜(以下、PSZ膜という。)が、例えば400nm程度の膜厚でもって、STI溝を含む領域上に塗布法により形成されることにより行われる。
PSZ膜の形成後、150℃程度で溶媒が揮発されるベーク処理が3分程行われる。塗布技術による埋め込み特性は良好である。そのため、幅70nm程度の細いSTI溝内はボイドが無いPSZ膜で埋め込まれる。
次に、PSZ膜がSiO2 膜104Bに変換される。この工程は、次の化学式(1)で説明できる。
SiH2 NH+2O→SiO2 +NH3 ・・・(1)
すなわち、PSZ膜からSiO2 膜104Bへの変換は、PSZ膜と水蒸気(H2 O+O2 )の分解によって生成される酸素(O)とが反応して、SiO2 とNH3 (アンモニアガス)とが生成されることで生じる。
すなわち、PSZ膜からSiO2 膜104Bへの変換は、PSZ膜と水蒸気(H2 O+O2 )の分解によって生成される酸素(O)とが反応して、SiO2 とNH3 (アンモニアガス)とが生成されることで生じる。
このとき、素子形成領域のシリコン基板101の表面は、シリコン窒化膜103で覆われているので、素子形成領域のシリコン基板101の表面は酸化されない。
上記化学反応を起こさせるには、例えば、200℃から600℃程度の水蒸気雰囲気での燃焼酸化を30分程度行えば良い。例えば、400℃で30分間程度の燃焼酸化を行えば、PSZ膜中においてSi−N結合からSi−O結合への変換が促進される。その結果、各種溝幅をもつSTI溝に埋め込まれたPSZ膜は、STI溝の底まで完全にSiO2 膜に変換される。
上記燃焼酸化の工程において、400℃程度の水蒸気を含む雰囲気で30分程度の酸化工程を行い、その後、上記雰囲気を酸素雰囲気に切り替え、さらに800℃程度の高温まで温度を上げて、上記酸素雰囲気で30分程度の酸化工程を行うという、いわゆる2段階酸化法を用いても良い。
このような2段階酸化法を用いると、PSZ膜からSiO2 膜104Bへの変換の効率は高くなる。変換の効率が高くなると、PSZ膜中に残留しているカーボン(C)などの不純物が取り除かれる。
2段階酸化法は、PSZ膜をSiO2 膜へ変換するのに特に有効な方法である。PSZ膜からSiO2 膜への変換が始まる温度(例えば400℃程度の温度)で、水蒸気雰囲気においてPSZ膜を一定の時間保持することが重要である。
また、水蒸気雰囲気の作り方であるが、水素燃焼酸化による高濃度の水蒸気を用いる方法やWVG(Water Vapor Genetaror)が、PSZ膜をSiO2 膜へ変換するのに適している。水分濃度は80%以上のほうが望ましい。
次に、窒素等の不活性ガス雰囲気において、700−1000℃中の任意の温度、例えば、850℃程度の温度で30分程度の熱処理が行われる。該熱処理(緻密化処理)により、SiO2 膜104B(PSZ膜から変換されたSiO2 膜)中に残留しているNH3 やH2 Oが放出され、SiO2 膜104Bが緻密化される。その結果、SiO2 膜104B中のリーク電流は低減される。
また、800℃程度の酸素雰囲気中での熱処理が行われた場合、SiO2 膜104B中の炭素(カーボン:C)等の不純物濃度が低減される。その結果、リーク電流がさらに低減され、また、SiO2 膜104B膜とシリコン基板101との界面における固定電荷が低減される。SiO2 膜104Bの緻密化工程中で用いられる熱処理としては、通常の炉による熱処理以外に、RTA(Rapid Thermal Anealing)やRTO(Rapid Thermal Oxidation)等の熱処理も用いることができる。RTAを用いた場合、通常の炉による熱処理を用いた場合に比べて、より高温かつ短時間の高温熱処理工程を行うことができる。
次に、図14(b)に示すように、CMPプロセスを用いて、SiO2 膜104Aおよび104Bが平坦化され、かつ、シリコン窒化膜104Aの表面が露出される。CMPプロセスによる平坦化の後に、850℃のN2 雰囲気で熱処理を行っても良い。
塗布膜単独でSTI溝を埋め込んでも構わない。また、この他に、埋め込む順番を変えても構わない。例えば、図15(a)および15(b)に示すように、STI溝内にPSZ膜などの塗布膜が形成され、その後、適切な熱処理が行われ、PSZ膜がSiO2 膜104Bに変換され、さらに、STI溝内が埋め込まれるように、SiO2 膜104B上にHDP−CVD−SiO2 膜104Aが形成される。その後、CMPプロセス法等により表面が平坦化される。
STI溝幅が110nmから70nm、50nm、さらに40nmへと微細化するに従って、HDP−SiO2膜によるSTI溝の埋め込みが難しくなる。微細なSTI溝をどのように埋め込んでいくかは重要な製造プロセス上の問題である。
また、ポリシラザン膜やO3 /TEOS−CVD−SiO2 膜などをSTI溝内に埋め込み、その後、例えば900℃程度の水蒸気酸化を行うことで形成された酸化膜は、STI溝の側面の酸化膜を兼ねることもできる。
このようにすると、AA幅の低下を減少できる。さらに、高温での熱処理によりSTI溝内に埋め込まれた素子分離絶縁膜104の膜質が向上する。絶縁膜の膜質が向上すると、例えばこの後の薬液エッチング工程における素子分離絶縁膜104の膜減りが防止される。
また、STI溝内に絶縁膜を埋め込む前に、例えば図14および図15に点線で示すように、シリコン窒化膜103の上面を5nm程度後退させる、いわゆるシリコン窒化膜103の「pull−back」を行っても良い。シリコン窒化膜103のエッチングは、例えば、160℃程度の熱リン酸溶液を用いて行われる。
次いで、図5(a)−(g)に示すように、熱リン酸溶液を用いてシリコン窒化膜103が除去され、その後、希HF溶液などを用いて熱酸化膜102が除去される。この薬液処理により、高電圧回路部内の厚いシリコン酸化膜102Tもエッチングされる。その結果、上記薬液処理後のシリコン酸化膜102Tの膜厚は35nm程度となる。
また、希HF溶液などを用いて熱酸化膜102を除去するときに、シリコン酸化膜である絶縁膜(素子分離絶縁膜)104が等方的にエッチングされる。
したがって、メモリセル部では、実際には、図16(a)に示すように、メモリセルのチャネル幅方向に関し、STI溝T1(第1の溝)上の素子分離絶縁膜104(第1の絶縁膜)とSTI溝T2(第2の溝)上の素子分離絶縁膜104(第1の絶縁膜)との間隔は、シリコン基板101の表面の位置よりも該表面より上の位置での方が広くなる。図16(a)では、上に行くほど(基板表面から離れるほど)上記間隔の幅は広くなっている。
同様に、周辺回路部では、図16(b)に示すように、MOSトランジスタのチャネル幅方向に関し、STI溝T3(第3の溝)上の素子分離絶縁膜104(第2の絶縁膜)とSTI溝T4(第4の溝)上の素子分離絶縁膜104(第2の絶縁膜)との間隔は、シリコン基板101の表面の位置よりも該表面より上の位置での方が広くなる。図16(b)では、上に行くほど(基板表面から離れるほど)上記間隔の幅は広くなっている。
また、図16(a)および16(b)に、図14(a)および14(b)に示した、「pull−back」を適用すると、図16(c)および16(d)に示すように、シリコン基板101の側面を露出させずに済む。このような形状の方では、素子領域のシリコン基板101のエッジ部が素子分離絶縁膜104で覆われ、素子領域のシリコン基板101のエッジ部にはトンネル絶縁膜106は形成されない。そのため、「pull−back」を適用した構造は、メモリの信頼性をさらに向上することができる。
次いで、図6(a)−(g)に示すように、熱酸化等の酸化プロセスにより、メモリセル部(第2の領域)のトンネル絶縁膜105、制御回路部(第3の領域)のロジック部の薄いゲート絶縁膜106および高電圧回路部(第1の領域)の厚いゲート絶縁膜107が形成される。
トンネル絶縁膜105の酸化膜膜厚を8nm程度とすると、薄いゲート絶縁膜106の膜厚は、シリコン基板101の表面に酸化抑制層200があるので、酸化膜膜厚は3nmから5nmになる。薄いゲート絶縁膜106の膜厚は、シリコン基板101の表面の窒素濃度で調整することができる。トンネル絶縁膜105として、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜を含む積層膜、あるいは、シリコン酸化膜を窒化した膜を用いても構わない。また、厚いゲート絶縁膜107の膜厚は、トンネル絶縁膜105の形成時にシリコン酸化膜102Tの酸化膜厚(35nm)が増加するので、40nm程度となる。
このように本実施形態によれば、一度の酸化プロセスにより、膜厚の異なる3種類のゲート絶縁膜105,106,107が形成される。したがって、本実施形態によれば、プロセスの増加や複雑化を招くことなく、膜厚の異なる3種類のゲート絶縁膜105,106,107を形成できるようになる。
また、STIが形成された後にトンネル絶縁膜105、FG電極108が形成されることにより、トンネル絶縁膜105およびFG電極108の形成工程は、STIプロセス条件(例えば形成温度、雰囲気など)に制限を課さない。このため、良好なSTIが実現される。したがって、STIプロセスに起因する製品の動作不良は防止される。
さらに、STIが形成された後にトンネル絶縁膜105が形成されることにより、トンネル絶縁膜105はSTIプロセスに起因するプロセスダメージを受けない。これにより、信頼性の高いトンネル絶縁膜105が実現される。このため、フラッシュメモリの書き換え回数の制限が増加する。
次いで、図7(a)−(g)に示すように、LP−CVDプロセスを用いて、全面上にメモリセル部のFG電極および制御回路部のゲート電極の一部となる第1の多結晶シリコン膜108を堆積する。第1の多結晶シリコン膜108の膜厚は、例えば40nm程度で有る。
ここで、STI溝内に埋め込んだ素子分離絶縁膜104は、シリコン基板101の表面から約30nm程度高く段差を持つように形成されている。そのため、上記段差が第1の多結晶シリコン膜108により完全に埋め込まれるように、第1の多結晶シリコン膜108の膜厚を設定することが望ましい。
次いで、図8(a)−(g)に示すように、CMPプロセスを用いて、全面を平坦化する。その結果、シリコン基板101の表面上には、絶縁膜105−107を介して、FG電極108および制御回路部のゲート電極の一部108が形成される。メモリセル部のFG電極108と周辺回路部のゲート電極108(第1のゲート電極)とは同一層となる。
本実施形態では、STIが形成された後にFG電極108となる多結晶シリコン膜は形成される。そのため、STIプロセスに係わる酸化工程による、上記多結晶シリコン膜のグレインの成長は起こらない。その結果、良好な表面モフォロジーが維持されたFG電極108が実現される。これにより、FG電極108の表面の凸凹によるインターポリ絶縁膜109のリーク電流は小さくなる。リーク電流が小さくなることにより、製品の歩留まりは向上する。
次いで、図9(a)−(g)に示すように、露出したFG電極108を含む領域上にインターポリ絶縁膜109が形成される。
インターポリ絶縁膜109として、ONO(酸化膜−シリコン窒化膜−酸化膜)、あるいはALD−CVDプロセスにより形成されたAl2 O3 (アルミナ)膜などのhigh−k絶縁膜を用いることができる。Al2 O3 (アルミナ)膜の膜厚は、例えば14nm程度である。
その後、FG構造を持つメモリセルとなる領域以外の、例えば選択トランジスタや制御回路等の領域のインターポリ絶縁膜109は、通常のリソグラフィにより形成したレジスト膜(図示せず)をマスクに用いたエッチングプロセスにより選択的に除去される。
ここでは、high−k絶縁膜の例として、Al2 O3 膜をあげたが、Al2 O3 膜中のリーク電流は、Al2 O3 膜を形成した後に熱処理を行うことにより、抑制される。
また、high−k膜として単層膜ではなく、Si3 N4 (2nm)/Al2 O3 (12nm)膜、Si3 N4 (1.5nm)/Al2 O3 (13nm)/Si3 N4 (1.5nm)膜、あるいはAl2 O3 (2nm)/HfO2 /Al2 O3 膜などの積層膜を用いることもできる。上記括弧内の値は膜厚を示している。
また、Si3 N4 の代わりに比誘電率が5.5から6.0程度のSiON膜(例えば1.5nm程度)を用いても構わない。このような多層構造を採用することにより、インターポリ絶縁膜の絶縁耐圧は向上される。
インターポリ絶縁膜としては上述したものの他に、以下に述べるようなものが使用できる。
まずは、Al2 O3 膜の代わりにハフニウム酸化膜(HfO2 膜)を使用できる。HfO2 膜の誘電率は20程度ある。そのため、HfO2 膜の面積が小さくても、大きな容量が確保することが可能となる。この他に、単独(単層)のSi3 N4 膜の場合(誘電率8程度)、Si3 N4 (2nm程度)/Ta2 O5 (20nm程度)/Si3 N4 (2nm程度)膜、Si3 N4 (2nm程度)/SrTiO3 (30nm程度)/Si3 N4 (2nm程度)膜、HfO2 (10nm程度)/ALD−Al2 O3 (3nm程度)、Si3 N4 (2nm程度)/Nbが添加されたTa2 O5 (20nm程度)/Si3 N4 (2nm程度)膜、Si3 N4 (2nm程度)/Tiが添加されたTa2 O5 (20nm程度)/Si3 N4 (2nm程度)膜、Si3 N4 (2nm程度)/バリウムストロンチウムチタン酸化物(Ba,Sr)TiO3 (20nm程度)/Si3 N4 (2nm程度)膜、HfO2 (10nm)/Al2 O3 (5nm)/SiON(1nm)膜等がある。このようにインターポリ絶縁膜としてhigh−k絶縁膜を各種組み合わせて用いることができる。このようにすると、CG−FG間の結合容量を増大させることができる。
次いで、図10(a)−(g)に示すように、全面上にCG電極および第2のゲート電極となる第2の多結晶シリコン膜110が形成される。第2の多結晶シリコン膜の膜厚は、例えば、膜厚40nm程度である。図には直接示されていないが、選択トランジスタ領域、制御回路部および高電圧回路部などのメモリセル部以外の領域のインターポリ絶縁膜109は除去されているので、第1の多結晶シリコン膜108と第2の多結晶シリコン膜110は電気的に低い抵抗で接続される。CG電極および第2のゲート電極となる導電膜として、金属シリサイド膜を用いても構わない。金属シリサイド膜中の金属は、例えば、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)またはチタン(Ti)である。
次いで、図11(a)−(g)に示すように、メモリセル部、高電圧回路部および制御回路部の領域等中のトランジスタのゲート電極となる第2の多結晶シリコン膜110の上に、酸化膜(SiO2 膜)あるいはシリコン窒化膜(Si3 N4 膜)などのゲートキャップ絶縁膜111が形成される。ゲートキャップ絶縁膜111の膜厚は、例えば30nm程度である。
その後、通常のリソグラフィプロセスを用いて形成したレジスト膜(図示せず)をマスクにして、RIEプロセスにより、ゲートキャップ絶縁膜111、ゲート電極110、インターポリ絶縁膜109、浮遊ゲート電極108が順次エッチングされる。上記RIEプロセスにおいて使用されるエッチングガス等のエッチング条件は、エッチングされる対象によって適宜変更される。
次に、ゲート電極110の側壁に酸化膜(図示せず)が形成され、その後、トランジスタのソース/ドレイン拡散層112が、例えばイオン注入プロセスと活性化アニールプロセスにより形成される。ソース/ドレイン拡散層112は、ここではN- 型層(エクステンション層)である。同様にして、PチャネルMOSFET領域にはp- 型ソース/ドレイン拡散層が形成される。
次いで、図12(a)−(g)に示すように、側壁絶縁膜113となるシリコン窒化膜が全面上に形成され、その後、通常のRIEプロセスを用いて上記シリコン窒化膜がエッチングされることにより、ゲート電極の側壁に側壁絶縁膜113が形成される。
次いで、通常のリソグラフィプロセスにより形成されたレジスト膜(図示せず)をマスクに用いて、イオン注入プロセスにより、不純物イオンがシリコン基板101の表面に注入され、その後、上記不純物イオンがアニールプロセスにより活性化されることにより、ソース/ドレイン拡散層114が形成される。ソース/ドレイン拡散層114は、ここではN+ 型層である。同様にして、PチャネルMOSFET領域にはp+ 型ソース/ドレイン拡散層が形成される。
このとき、CG電極110同士の距離が60nm以下の場合、図12(a)−(g)に示すように、メモリセル間の隙間は側壁絶縁膜113で完全に埋め込まれる。そのため、次の工程で、メモリセル間の基板表面には高濃度のソース/ドレイン拡散層114は形成されない。
本実施形態では、ゲート電極の材料として多結晶シリコンの例を示して説明したが、もちろんポリサイド膜(例えばWSi2 /多結晶シリコン膜、CoSi2 /多結晶シリコン膜などの積層膜)、あるいはポリメタル膜(例えばW/WN/多結晶シリコン膜など)の積層膜を用いても構わない。
ここでは、図示はしていないが、制御回路部のトランジスタのパンチスルーを防止するために、ハロー注入(halo implant)プロセスを行っても構わない。なお、ゲート電極の長さが狭くなると、ハローイオン注入プロセスにより形成された層同士が重なるような形状になってくる。そのような場合でも、イオン注入量を最適化することにより、良好なトランジスタ特性は実現される。
次いで、図13(a)−(g)に示すように、CVDプロセスを用いて、全面上に層間絶縁膜115が形成される。その後、ビット線コンタクトプラグ層116、ビット線117、層間絶縁膜118、コンタクトプラグ119、配線層120が順次形成される。そして、パッシベーション膜(不図示)、パッド(不図示)などが形成され、半導体記憶装置が完成する。
素子分離絶縁膜104の正確な断面形状は、図16(a)および16(b)に示した通りなので、素子分離絶縁膜104の等方エッチング量を増やした場合、図13(b)および13(g)の正確な断面形状は、図17(a)および17(b)に示す通りとなる。
図17(a)に示すように、トンネル絶縁膜105は、図16(a)の工程で露出されたシリコン基板101の表面上に設けられている。すなわち、STI溝T1,T2で規定されたシリコン基板101の表面(主面)の上、および、該表面(主面)下のシリコン基板101の側面であって、素子分離絶縁膜104で覆われていない側面の上に、トンネル絶縁膜105は設けられることになる。
FG電極および第1のゲート電極108は、図16(a)の工程で絶縁膜102,103を除去して生じた凹部を埋め込むように設けられている。そのため、電極108は、上記チャネル幅方向の寸法に関し、上部の方が下部よりも大きくなる。その結果、周辺回路部においては、図17(b)に示すように、第1のゲート電極108と第2のゲート電極110とのコンタクト面積が増加するので、これらのゲート電極108,110間のコンタクト抵抗は減少する。これにより、周辺回路の動作速度の高速化が図られる。例えば、ロジック回路の動作速度の高速化が図られる。
また、図17(a)および17(b)に、図15(a)および15(b)に示した、「pull−back」を適用すると、図17(c)および17(d)に示すように、シリコン基板101の側面を露出させずに済む。このような形状の方では、素子領域のシリコン基板101のエッジ部が素子分離絶縁膜104で覆われ、素子領域のシリコン基板101のエッジ部にはトンネル絶縁膜106は形成されない。そのため、「pull−back」を適用した構造は、メモリの信頼性をさらに向上することができる。
FG電極108のメモリセルのチャネル幅方向は、CG電極110と対向する上面側の方が、トンネル絶縁膜105と対向する下面側よりも大きいので、メモリセルのカップリング比が上がる。これにより、メモリセルの微細化および動作電圧の低減化が図られ、さらに、メモリセル間の特性のばらつきが低減化される。
また、FG電極108の2辺はSTI領域と自己整合的に形成され、FG電極108の残りの2辺はCG電極110と自己整合的に形成されていることも、メモリセルの微細化およびメモリセル間の特性のばらつきの低減化に寄与する。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、本発明をNAND型の半導体記憶装置に適用した場合について説明したが、本発明はNOR型の半導体記憶装置にも適用できる。NOR型の半導体記憶装置の製造方法は、トランジスタの接続関係を除いて、基本的には、NAND型の半導体記憶装置の製造方法と同じである。このため、NOR型フラッシュメモリの場合にも本実施形態と同じような効果を期待できる。
さらに、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
101…シリコン基板、102…熱酸化膜、102T…シリコン窒化膜、103…シリコン窒化膜、104…素子分離絶縁膜、104A…HDP−CVD−SiO2 膜、104B…SiO2 膜、105…トンネル絶縁膜、106…薄いゲート絶縁膜、107…厚いゲート絶縁膜、108…FG電極および第1のゲート電極、109…インターポリ絶縁膜、110…CG電極および第2のゲート電極、200…酸化抑制層、T1〜T4…第1の溝〜第4の溝。
Claims (5)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた第1の素子分離領域であって、前記半導体基板の表面に設けられた第1および第2の溝、および、該第1および第2の溝内に設けられ、かつ、前記半導体基板の前記表面よりも上に突出している第1の絶縁膜を備えた第1の素子分離領域と、
前記半導体基板上に設けられ、電気的に書き換え可能な半導体メモリセルと
を具備してなる半導体装置であって、
前記半導体メモリセルのチャネル幅方向に関し、前記第1の溝上の前記第1の絶縁膜と前記第2の溝上の前記第1の絶縁膜との間隔は、前記半導体基板の前記表面の位置よりも該表面より上の位置での方が広く、
前記半導体メモリセルは、
前記第1の溝と前記第2の溝との間の前記半導体基板の前記表面上に設けられた第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜の上方に設けられた制御ゲート電極と、
前記制御ゲート電極と前記第2の絶縁膜との間に設けられた浮遊ゲート電極であって、前記チャネル幅方向の寸法に関し、前記制御ゲート電極と対向する上面側の方が前記第2の絶縁膜と対向する下面側よりも大きく、かつ、前記チャネル幅方向に関し、前記第1および第2の溝に対してのずれ量が略等しい浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極と前記制御ゲート電極との間に設けられた第3の絶縁膜と
を具備してなることを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体基板上に設けられた第2の素子分離領域と、MOSトランジスタを備えた周辺回路部とをさらに備え、
前記第2の素子分離領域は、前記半導体基板の前記表面に設けられた第3および第4の溝、および、該第3および第4の溝内に設けられ、かつ、前記半導体基板の前記表面よりも上に突出している第4の絶縁膜を備え、
前記MOSトランジスタのチャネル幅方向に関し、前記第3の溝上の前記第4の絶縁膜と前記第4の溝上の前記第4の絶縁膜との間隔は、前記半導体基板の前記表面の位置よりも該表面より上の位置での方が広く、
前記MOSトランジスタは、
前記第3の溝と前記第4の溝内との間の前記半導体基板の前記表面上に設けられた第5の絶縁膜と、
前記第5の絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極であって、前記チャネル幅方向の寸法に関し、上部の方が下部よりも大きい第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極上に設けられた第2のゲート電極とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 半導体基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜および前記半導体基板をエッチングすることにより、前記第1の絶縁膜を貫通し、前記半導体基板の途中の深さまで達する第1および第2の溝を形成する工程と、
前記第1および第2の溝内を第2の絶縁膜で埋め込む工程と、
前記第1の絶縁膜を薬液処理により除去する工程と、
前記第1の絶縁膜を除去して露出した前記第1の溝と前記第2の溝との間の前記半導体基板の表面上に第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の絶縁膜上に浮遊ゲート電極を形成する工程であって、前記第2の絶縁膜の上面と略同じ高さになるように浮遊ゲート電極を形成する工程と、
前記浮遊ゲート電極上に第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の絶縁膜上に制御ゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板の第1の領域、第2の領域および第3の領域上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の領域内に酸化抑制領域を形成する工程と、
前記第2および第3の領域内の前記第1の絶縁膜を除去する工程と、
前記第1、第2および第3の領域内を酸化することにより、前記第1の領域、前記第2の領域、前記第3の領域の順で膜厚が薄くなる膜厚分布を有する第2の絶縁膜を形成する工程であって、前記第1の領域内の前記第2の絶縁膜は前記第1の絶縁膜を含む工程と、
前記第2の絶縁膜上に第1のゲート電極を形成する工程と、
前記第2の領域の前記第1のゲート電極上に第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の領域の前記第3の絶縁膜上と、前記第1の領域および前記第3の領域の前記第1のゲート電極上に第2のゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板の第1の領域、第2の領域および第3の領域上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の領域内に酸化抑制領域を形成する工程と、
前記第2の領域内の前記第1の絶縁膜および前記半導体基板をエッチングすることにより、前記第1の絶縁膜を貫通し、前記半導体基板の途中の深さまで達する第1および第2の溝を形成する工程と、
前記第1および第2の溝内を第2の絶縁膜で埋め込む工程と、
前記第2および第3の領域内の前記第1の絶縁膜を薬液処理により除去する工程と、
前記第1、第2および第3の領域内を酸化することにより、前記第1の領域、前記第2の領域、前記第3の領域の順で膜厚が薄くなる膜厚分布を有する第3の絶縁膜を形成する工程であって、前記第1の領域内の前記第3の絶縁膜は前記第1の絶縁膜を含む工程と、
前記第3の絶縁膜上に第1のゲート電極を形成する工程であって、前記第2の領域内において前記第2の絶縁膜の上面と略同じ高さになるように第1のゲート電極を形成する工程と、
前記第2の領域の前記第1のゲート電極上に第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の領域の前記第4の絶縁膜上と、前記第1の領域および前記第3の領域の前記第1のゲート電極上に第2のゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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