JP2005340297A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、電気的一括消去型EEPROM(Electric Erasable Programmable Read Only Memory;以下、フラッシュメモリと記す)などの不揮発性メモリを有する半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing technique thereof, and is particularly effective when applied to a semiconductor device having a nonvolatile memory such as an electric batch erase type EEPROM (Electric Erasable Programmable Read Only Memory; hereinafter referred to as a flash memory). It is about technology.
たとえば、相補型MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を形成する製造工程に他の工程を追加することなく不揮発性メモリを形成する技術がある(たとえば、特許文献1および特許文献2参照)。
For example, there is a technique for forming a non-volatile memory without adding another process to a manufacturing process for forming a complementary MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) (see, for example,
また、高耐圧MISFETのゲート絶縁膜として、素子分離領域を形成するフィールド絶縁膜を用いる技術がある(たとえば特許文献3参照)。
本発明者は、相補型MISFETを形成する製造工程に他の工程を追加することなく不揮発性メモリを形成する技術について検討している。その中で、本発明者は、以下のような課題を見出した。 The inventor is examining a technique for forming a nonvolatile memory without adding another process to the manufacturing process for forming a complementary MISFET. Among them, the present inventors have found the following problems.
すなわち、相補型MISFETと不揮発性メモリとが同一半導体基板上に混在する半導体装置においては、不揮発性メモリの製造工程を相補型MISFETの製造工程と完全に互換性を持たせるために、不揮発性メモリの浮遊ゲート電極と半導体基板との間のトンネル絶縁膜は、相補型MISFETにおけるゲート絶縁膜と同じ絶縁膜を用いる。相補型MISFETについてはより微細に形成することが進められていることから、ゲート絶縁膜についても薄膜化が進み、ゲート絶縁膜の薄膜化に伴ってトンネル絶縁膜の薄膜化も進むことから、不揮発性メモリのデータ保持特性が不足することが予想される。本発明者が検討したところ、たとえば約10年間のデータ保持特性を保証するためには、トンネル絶縁膜を酸化シリコン膜とした場合には最低で6nm程度の膜厚とする必要があることがわかった。また、本発明者が検討したところ、ゲート長が約90nm以下となる相補型MISFETにおいては、ゲート絶縁膜が厚い場合でも約7nm以下となり、6nm程度以下となる場合も予想される。そのため、ゲート絶縁膜が6nm程度以下となってしまった場合には、トンネル絶縁膜の膜厚を十分に確保できなくなってしまう課題が存在する。 That is, in a semiconductor device in which a complementary MISFET and a nonvolatile memory are mixed on the same semiconductor substrate, in order to make the manufacturing process of the nonvolatile memory completely compatible with the manufacturing process of the complementary MISFET, As the tunnel insulating film between the floating gate electrode and the semiconductor substrate, the same insulating film as the gate insulating film in the complementary MISFET is used. Since the complementary MISFET is being formed more finely, the gate insulating film is also made thinner, and the tunnel insulating film is made thinner as the gate insulating film is made thinner. It is expected that the data retention characteristics of the memory will be insufficient. As a result of examination by the present inventor, for example, in order to guarantee data retention characteristics for about 10 years, it is found that when the tunnel insulating film is a silicon oxide film, it is necessary to have a thickness of about 6 nm at the minimum. It was. Further, as a result of studies by the present inventors, in a complementary MISFET having a gate length of about 90 nm or less, even when the gate insulating film is thick, it is about 7 nm or less, and it is expected that the gate length is about 6 nm or less. Therefore, when the gate insulating film is about 6 nm or less, there is a problem that the film thickness of the tunnel insulating film cannot be secured sufficiently.
本発明の目的は、データ保持特性の良好な不揮発性メモリおよびその製造技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a nonvolatile memory having good data retention characteristics and a manufacturing technique thereof.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
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、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
本発明による半導体装置は、
不揮発性記憶素子を備え、
半導体基板の主面に形成された第1導電型の第1ウエルおよび第2導電型の第2ウエルと、
前記半導体基板の前記主面上にて素子分離領域を形成する第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上にてパターニングされた第1導電性膜と、
前記第1導電性膜上に第2絶縁膜を介して配置され、前記第2絶縁膜上にてパターニングされた第2導電性膜とを有し、
前記第1絶縁膜は前記不揮発性記憶素子のトンネル絶縁膜であるものである。
A semiconductor device according to the present invention includes:
Comprising a non-volatile memory element;
A first well of the first conductivity type and a second well of the second conductivity type formed on the main surface of the semiconductor substrate;
A first insulating film forming an element isolation region on the main surface of the semiconductor substrate;
A first conductive film patterned on the first insulating film;
A second conductive film disposed on the first conductive film via a second insulating film and patterned on the second insulating film;
The first insulating film is a tunnel insulating film of the nonvolatile memory element.
また、本発明による半導体装置の製造方法は、
不揮発性記憶素子を備えた半導体装置の製造方法であり、
(a)半導体基板の主面に素子分離領域となる第1絶縁膜を形成する工程、
(b)前記半導体基板の前記主面に第1導電型の第1ウエルおよび第2導電型の第2ウエルを形成する工程、
(c)前記半導体基板の前記主面上に第1導電性膜を形成し、前記第1導電性膜を前記第1絶縁膜上に残るようにパターニングする工程、
(d)前記第1導電性膜の存在下で、前記半導体基板の前記主面上に第2絶縁膜を形成する工程、
(e)前記第2絶縁膜をエッチングし、前記第2絶縁膜に前記第1絶縁膜に達する第1孔部を形成する工程、
(f)前記第1孔部内および前記第2絶縁膜上に第2導電性膜を形成し、前記第2導電性膜をパターニングする工程、
を含み、
前記第1ウエルと前記第2ウエルとは、前記第1絶縁膜の下部の第1領域で離間するように形成するものである。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes:
A method for manufacturing a semiconductor device including a nonvolatile memory element,
(A) forming a first insulating film to be an element isolation region on the main surface of the semiconductor substrate;
(B) forming a first conductivity type first well and a second conductivity type second well on the main surface of the semiconductor substrate;
(C) forming a first conductive film on the main surface of the semiconductor substrate and patterning the first conductive film so as to remain on the first insulating film;
(D) forming a second insulating film on the main surface of the semiconductor substrate in the presence of the first conductive film;
(E) etching the second insulating film to form a first hole reaching the first insulating film in the second insulating film;
(F) forming a second conductive film in the first hole and on the second insulating film, and patterning the second conductive film;
Including
The first well and the second well are formed so as to be separated from each other in a first region under the first insulating film.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
すなわち、データ保持特性の良好な不揮発性メモリを製造することが可能となる。 That is, it is possible to manufacture a nonvolatile memory with good data retention characteristics.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
(実施の形態1)
本実施の形態1の半導体装置は、たとえば不揮発性メモリを有するものである。この本実施の形態1の不揮発性メモリの構造について、図1〜図17を用いてその製造工程と共に説明する。図1〜図17における各断面図において、符号Aを付した部分は対応する平面図中のA−A線に沿った断面を示している。
(Embodiment 1)
The semiconductor device of the first embodiment has, for example, a nonvolatile memory. The structure of the nonvolatile memory according to the first embodiment will be described together with its manufacturing process with reference to FIGS. In each cross-sectional view in FIG. 1 to FIG.
まず、図1および図2に示すように、たとえばp型の単結晶シリコンからなる半導体基板(以下、単に基板と記す)1の主面の素子分離領域に深さ250μm〜350μm程度の素子分離溝(素子分離領域)2を形成する。素子分離溝2を形成するには、たとえば基板1の主面をドライエッチングして溝を形成し、続いてこの溝の内部を含む基板1上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法で酸化シリコン膜(第1絶縁膜)3などの絶縁膜を堆積した後、溝の外部の不要な酸化シリコン膜3を化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing;CMP)法で研磨、除去することによって、溝の内部に酸化シリコン膜3を残す。この素子分離溝2を形成することにより、基板1の主面には、素子分離溝2によって周囲を規定された活性領域Lが形成される。すなわち、本実施の形態1に記載されている不揮発性メモリ領域以外の領域、たとえば、論理演算回路等を構成する相補型MISFETが形成される領域においては、上記の酸化シリコン膜3は素子分離領域として機能している。
First, as shown in FIGS. 1 and 2, an element isolation trench having a depth of about 250 μm to 350 μm is formed in an element isolation region of a main surface of a semiconductor substrate (hereinafter simply referred to as a substrate) 1 made of, for example, p-type single crystal silicon. (Element isolation region) 2 is formed. In order to form the
次に、たとえば基板1の一部にn型(第1導電型)の不純物(たとえばP(リン))をイオン注入し、他の一部にp型(第2導電型)の不純物(たとえばB(ホウ素))をイオン注入した後、基板1を熱処理してこれらの不純物を基板1中に拡散させることにより、基板1の主面にp型ウエル(第2ウエル)4およびn型ウエル(第1ウエル)5を形成する。図1中において、p型ウエル4およびn型ウエル5については外縁部のみを点線にて図示している。この時、酸化シリコン膜3下において、本実施の形態1の不揮発性メモリを形成する不揮発性記憶素子のチャネルとなる部分では、不揮発性記憶素子のしきい値電圧を下げるために、p型ウエル4とn型ウエル5とが離間するようにする。また、図1のY方向(紙面上下方向)のA−A断面(nチャネル型MISFETQnのゲート幅方向における断面)を見ると、図2ではp型ウェル4が酸化シリコン膜3の下まで形成されているが、図1では説明の簡略化の為、その図示を省略している。なお、このY方向のA−A断面における酸化シリコン膜3の下に形成されたp型ウェル4は、後述に記載するコントロールゲート電極7Aと半導体基板1間に発生する寄生MOS容量を抑制するために形成されているものである。
Next, for example, an n-type (first conductivity type) impurity (for example, P (phosphorus)) is ion-implanted into a part of the
なお、本実施の形態1では、上記素子分離溝2によって活性領域を規定する例について説明したが、素子分離溝2の代わりに図3に示すようなフィールド絶縁膜3Aを形成して、活性領域を規定してもよい。このようなフィールド絶縁膜3Aは、活性領域となる基板1の表面に耐酸化膜である窒化シリコン膜パターンを形成し、基板1の表面を熱酸化する、いわゆるLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法によって形成することが可能である。また、以降の本実施の形態1においては、素子分離溝2によって活性領域を規定した場合の断面図を用いて説明を進める。
In the first embodiment, the example in which the active region is defined by the
次に、図4に示すように、基板1を熱酸化してp型ウエル4およびn型ウエル5のそれぞれの表面に、たとえば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜6を形成する。続いて、たとえばCVD法でゲート絶縁膜6上に第1導電膜として多結晶シリコン膜7を堆積する。
Next, as shown in FIG. 4, the
次に、図5および図6に示すように、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたフォトレジスト膜(図示は省略)をマスクとしたドライエッチングにより多結晶シリコン膜7をパターニングし、ゲート電極(第1導電性膜)7Aを形成する。また、そのパターニングにより、ゲート電極7Aは、たとえば平面櫛歯状となるようにする。このゲート電極7Aは、本実施の形態1の不揮発性メモリを形成する不揮発性記憶素子のコントロールゲート電極となる。このようにコントロール電極7Aを平面櫛歯状にすることにより、コントロール電極7Aと浮遊ゲート電極とのカップリング容量を大きく設定することができる。
Next, as shown in FIGS. 5 and 6, the
次に、図7に示すように、活性領域Lのn型ウエル5にn型の不純物としてリンまたはヒ素をイオン注入することによって、高濃度のn+型半導体領域10を形成する。続いて、図8に示すように、基板1上にCVD法で酸化シリコン膜を堆積した後、その酸化シリコン膜を異方的にエッチングすることにより、ゲート電極7Aの側壁にサイドウォールスペーサ12を形成する。続いて、図9に示すように、たとえば基板1上にスパッタリング法でCo(コバルト)膜を堆積する。続いて、基板1を熱処理してCo膜とゲート電極7Aとの界面、およびCo膜とn+型半導体領域10との界面にシリサイド反応を生じさせた後、未反応のCo膜をエッチングで除去する。ゲート電極7Aの表面と、n+型半導体領域10の表面とにシリサイド層13が形成される。本実施の形態1では、Co膜を用いてシリサイド層13を形成する場合について説明したが、Co膜の代わりにTi(チタン)膜またはNi(ニッケル)膜などを用いてシリサイド層を形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 7, phosphorus or arsenic is ion-implanted as an n-type impurity into the n-type well 5 in the active region L, thereby forming a high concentration n + -
次に、図10および図11に示すように、上記ゲート電極7Aを覆う絶縁膜として、たとえばCVD法で酸化シリコン膜15を堆積し、続いて化学的機械研磨法で酸化シリコン膜15の表面を平坦化する。
Next, as shown in FIGS. 10 and 11, as an insulating film covering the
続いて、フォトレジスト膜をマスクにして上記酸化シリコン膜(第2絶縁膜)15をドライエッチングすることにより、n+型半導体領域10の表面のシリサイド層13に達するコンタクトホール16、素子分離溝2内の酸化シリコン膜3に達するコンタクトホール17、18およびゲート電極7Aの表面のシリサイド層13に達するコンタクトホール19を形成する。コンタクトホール(第1孔部)17については、平面でp型ウエル4とn型ウエル5とが離間している領域(第1領域)で開孔するようにする。これらコンタクトホール16〜19を開孔する際には、酸化シリコン膜15をエッチングした後もオーバーエッチングを施すことにより、コンタクトホール17、18下の酸化シリコン膜3も所定量エッチングし、コンタクトホール17、18下の酸化シリコン膜3の膜厚が150μm程度となるようにする。また、図12に示すように、コンタクトホール18は、平面櫛歯状となっているゲート電極7A間で複数個所に開孔してもよい。
Subsequently, the silicon oxide film (second insulating film) 15 is dry-etched using the photoresist film as a mask, so that the
次に、図13に示すように、コンタクトホール16〜19の内部にそれぞれプラグ21〜24(プラグ23については図13中での図示は省略)を形成する。プラグ21〜24を形成するには、たとえばコンタクトホール21〜24の内部を含む酸化シリコン膜15上にスパッタリング法でTi(チタン)膜およびTiN(窒化チタン)膜を堆積し、続いてCVD法でTiN膜および金属膜としてW(タングステン)膜を堆積した後、コンタクトホール16〜19の外部のW膜、TiN膜およびTi膜を化学的機械研磨法によって除去する。ここまでの工程により、プラグ(第2導電性膜)22をゲート電極とし、n型ウエル5をソース、ドレインとし、酸化シリコン膜3をゲート絶縁膜とし、プラグ22下において2つのn型ウエル5が離間した領域をチャネルとするnチャネル型MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 13, plugs 21 to 24 (the
次に、図14および図15に示すように、酸化シリコン膜15およびプラグ21〜24上に複数の配線25を形成する。配線25を形成するには、たとえば酸化シリコン膜15上にTi膜、Al(アルミニウム)合金膜およびTiN膜をスパッタリング法により順次堆積し、続いてフォトレジスト膜をマスクとしたドライエッチングによりそのTi膜、Al合金膜およびTiN膜をパターニングする。この配線25を形成することにより、プラグ22およびプラグ22と接続する配線(第2導電性膜)25を浮遊ゲート電極とし、ゲート電極7Aをコントロールゲート電極(制御ゲート電極)とし、酸化シリコン膜15を浮遊ゲート電極−コントロール電極間の容量絶縁膜とし、プラグ22下の酸化シリコン膜3をトンネル絶縁膜とする不揮発性記憶素子を形成することができる。すなわち、膜厚の厚い酸化シリコン膜3をトンネル絶縁膜とする不揮発性記憶素子を形成できるので、データ保持特性の良好な不揮発性メモリを実現でき、たとえば約50年間以上のデータ保持特性を保証することが可能となる。また、配線25およびゲート電極7Aを容量電極とし、酸化シリコン膜15を容量絶縁膜とする容量C1と、プラグ23、プラグ22およびゲート電極7Aを容量電極とし、酸化シリコン膜15を容量絶縁膜とする容量C2とを形成することができる。また、ゲート電極7Aを平面櫛歯状に形成しているため、プラグ23(浮遊ゲート電極)とゲート電極7A(コントロールゲート電極)との間のカップリング容量C2を大きく設定することが可能となっている。
Next, as shown in FIGS. 14 and 15, a plurality of
前述したように、プラグ22が形成されたコンタクトホール17は、酸化シリコン膜3を所定量エッチング(オーバーエッチング)することによって形成されていることから、プラグ22下の酸化シリコン膜3の膜厚は他の領域の酸化シリコン膜3の膜厚よりも薄くなっている。プラグ22下の酸化シリコン膜3を所定量エッチングしなかった場合には、膜厚の厚い酸化シリコン膜3がゲート絶縁膜となることから、前記nチャネル型MISFETをオンまたはオフさせるにはコントロールゲート電極となるゲート電極7Aに大きな電圧(約20V以上)を印加する必要があるが、本実施の形態1によれば、プラグ22下の酸化シリコン膜3の膜厚が薄くなっている分だけ小さい電圧(約15V以上)でよい。
As described above, since the
ここで、図16は、本実施の形態1の不揮発性記憶素子の等価回路図である。図16中において、容量Cの容量値は、上記容量C1の容量値と容量C2の容量値との和となる。また、nチャネル型MISFETQnは、前述のプラグ22をゲート電極とし、n型ウエル5をソース、ドレインとするnチャネル型MISFETである。nチャネル型MISFETQnのゲート電極(プラグ22)と基板1との間にも容量C3が形成され、容量Cと容量C3は直列接続されていることから、容量Cの容量値が容量C3の容量値のX倍(Xは任意の数)とすると、容量Cに印加される電圧は、容量C3に印加される電圧の1/Xとなる。言い換えれば、容量Cの容量値を大きくするほど、容量C3(nチャネル型MISFETQnのゲート電極(プラグ22))に印加される電圧を大きくすることができる。それにより、nチャネル型MISFETQnの動作速度を向上することが可能となる。前述したように、本実施の形態1においては、ゲート電極7Aを平面櫛歯状とし、その平面櫛歯状のゲート電極7A間に酸化シリコン膜3に達するコンタクトホール18を開孔し、そのコンタクトホール18内にプラグ23を形成している。それにより、容量Cを形成する容量電極を十分に大きく確保することが可能となるので、容量Cの容量値を十分に大きく確保することが可能となる。
Here, FIG. 16 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory element according to
次に、図16および図17を用いて本実施の形態1の不揮発性記憶素子におけるデータの書き込み動作および読み出し動作について説明する。
Next, a data write operation and a read operation in the nonvolatile memory element according to
まず、書き込み動作について説明する。データ書き込み時においては、ドレインに電圧Vdを印加した状態で、コントロールゲート(ゲート電極7A)に電圧Vcdを印加し、nチャネル型MISFETQnのソース・ドレイン間に電流を流す。このときドレイン端で発生するホットキャリアは、MISFETQnのゲート絶縁膜を突き抜け、浮遊ゲート電極(プラグ22およびプラグ22と接続する配線25)に蓄積される。このときVcdは、浮遊ゲート電極にキャリアが蓄積されている時のnチャネル型MISFETQnのしきい値電圧(約10V)より大きなバイアス、たとえば約30V以上とする必要がある。また、ドレインに印加する電圧Vdを、たとえば10V程度まで高めることによってホットキャリアの発生効率を向上できるので、書き込み速度を向上することが可能となる。
First, the write operation will be described. At the time of data writing, with the voltage Vd applied to the drain, the voltage Vcd is applied to the control gate (
次に、読み出し動作について説明する。データ読み出し時においては、未書き込み時(浮遊ゲート電極にホットキャリアが蓄積されていない(中性状態)時)のnチャネル型MISFETQnのしきい値電圧(5V〜6V程度)よりやや大きなバイアス、たとえば約10Vの電圧Vcdを印加し、ドレインには5V程度の電圧Vdを印加してソース・ドレイン間に流れる電流をモニタする。この時、データ消去状態(中性状態)ならばnチャネル型MISFETQnがオンとなり、ソース・ドレイン間に電流が流れる。一方、データ書き込み状態(浮遊ゲート電極にホットキャリアが蓄積されている状態)ならば、nチャネル型MISFETQnのしきい値電圧が電圧Vcdより大きくなり、nチャネル型MISFETQnがオンとならず、ソース・ドレイン間に電流は流れない。これにより、データ書き込み状態もしくはデータ消去状態の判別を行う。 Next, the reading operation will be described. At the time of data reading, a bias slightly larger than the threshold voltage (about 5 V to 6 V) of the n-channel type MISFET Qn at the time of non-writing (when hot carriers are not accumulated in the floating gate electrode (neutral state)), for example A voltage Vcd of about 10 V is applied, and a voltage Vd of about 5 V is applied to the drain to monitor the current flowing between the source and drain. At this time, if the data is erased (neutral), the n-channel MISFET Qn is turned on, and a current flows between the source and drain. On the other hand, in a data write state (a state where hot carriers are accumulated in the floating gate electrode), the threshold voltage of the n-channel MISFET Qn becomes higher than the voltage Vcd, the n-channel MISFET Qn is not turned on, No current flows between the drains. Thereby, the data writing state or the data erasing state is discriminated.
上記の本実施の形態1の不揮発性記憶素子から形成される不揮発性メモリの用途として、冗長構成によるDRAM(Dynamic Random Access Memory)の不良メモリセルの救済を例示することができる。この時、本実施の形態1の不揮発性記憶素子から形成されたメモリセルは単位情報セルとなり、この単位情報セルが複数個集まり、複数個の単位情報セルの不揮発性記憶素子に対する電気的なプログラム回路が形成され、複数個の単位情報セルが被救済回路に対する救済情報の記憶回路となる。これにより、不良救済の信頼性を高くすることができる。また、液晶表示用駆動回路素子(LCDドライバ)に救済回路として搭載することも可能である。 As an application of the non-volatile memory formed from the non-volatile memory element of the first embodiment, the repair of defective memory cells of a DRAM (Dynamic Random Access Memory) by a redundant configuration can be exemplified. At this time, the memory cell formed from the nonvolatile memory element according to the first embodiment becomes a unit information cell, and a plurality of the unit information cells are collected, and an electrical program for the nonvolatile memory element of the plurality of unit information cells is performed. A circuit is formed, and a plurality of unit information cells serve as storage circuits for repair information for the circuit to be repaired. Thereby, the reliability of defect relief can be increased. It can also be mounted as a relief circuit in a liquid crystal display drive circuit element (LCD driver).
また、上記被救済回路に対する別の救済情報記憶回路として、ヒューズ素子の溶断状態に応じて救済情報を記憶するヒューズプログラム回路を更に設けてもよい。ウエハ段階で検出された不良に対する救済をヒューズプログラム回路で行い、バーンイン後に検出された不良に対して上記の電気的なプログラム回路を用いる事により、救済効率を上げることができる。 Further, as another repair information storage circuit for the circuit to be repaired, a fuse program circuit for storing repair information according to the blown state of the fuse element may be further provided. Rescue of defects detected at the wafer stage is performed by a fuse program circuit, and the above-described electrical program circuit is used for defects detected after burn-in, thereby improving the repair efficiency.
また、本実施の形態1の不揮発性記憶素子から形成される不揮発性メモリの他の用途として、LCD(Liquid Crystal Display)の輝度等の階調調整に用いることを例示できる。
Further, as another use of the nonvolatile memory formed from the nonvolatile memory element of
(実施の形態2)
次に、本実施の形態2の半導体装置について説明する。本実施の形態2の半導体装置は、前記実施の形態1の半導体装置と同様に不揮発性メモリを有するものである。また、本実施の形態2の半導体装置の製造工程は、前記実施の形態1の半導体装置の製造工程とほぼ同様であるので、本実施の形態2においては、その製造工程についての説明は省略する。
(Embodiment 2)
Next, the semiconductor device of the second embodiment will be described. Similar to the semiconductor device of the first embodiment, the semiconductor device of the second embodiment has a nonvolatile memory. Further, the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment is almost the same as the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment. Therefore, the description of the manufacturing process is omitted in the second embodiment. .
図18は、本実施の形態2の半導体装置の要部平面図であり、図19は、図18中のA−A線に沿った断面を示したものである。本実施の形態2は、複数の配線25の平面パターンに起因してコンタクトホール17(図14参照)を所望の開孔形状(開孔面積)で形成できない場合に対応したものである。前記実施の形態1においては、コンタクトホール17を平面で長方形となるようなパターンで開口したが(図14参照)、コンタクトホール17開口時に、エッチバックもしくはダマシンプロセス等でコンタクトホール17内に導電性材料を埋めるプロセスを用いる場合、コンタクトホール17の形状が特定形状、たとえば平面で正方形となるようなパターンしか許されない場合には、所望の開孔面積を確保できなくなる不具合が懸念される。そこで、本実施の形態2では、コンタクトホール17およびプラグ22を省略し、平面櫛歯状のゲート電極7Aの一部を前記実施の形態1にてコンタクトホール17が開孔されていた領域まで延長することにより、ゲート電極7Aを浮遊ゲート電極とし、前記実施の形態1において浮遊ゲート電極となっていた配線25をコントロールゲート電極としたものである。また、前記実施の形態1においてゲート電極7Aと電気的に接続していたプラグ24および配線25についても省略している。それにより、前記実施の形態1で示したコンタクトホール17が所望の開孔形状(開孔面積)で形成できない場合でも、所望の不揮発性記憶素子を形成することが可能となる。
FIG. 18 is a plan view of a principal part of the semiconductor device according to the second embodiment, and FIG. 19 shows a cross section taken along the line AA in FIG. The second embodiment corresponds to the case where the contact hole 17 (see FIG. 14) cannot be formed in a desired opening shape (opening area) due to the planar pattern of the plurality of
上記のような本実施の形態2によっても、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。 According to the second embodiment as described above, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(実施の形態3)
次に、本実施の形態3について説明する。
(Embodiment 3)
Next, the third embodiment will be described.
図20は、本発明の実施の形態3である半導体装置が有する不揮発性記憶素子の要部回路図である。図20に示すように、本実施の形態3では、2つの不揮発性記憶素子で1ビットの不揮発性メモリセルを形成したものであり、2つのコントロールゲートを並列に接続して2つの不揮発性記憶素子に同じデータを書き込めるようにしたものである。データの読み出しについては、各不揮発性記憶素子の論理和を取るようにしている。また、本実施の形態3の不揮発性記憶素子の構造は、前記実施の形態1の不揮発性記憶素子の構造もしくは前記実施の形態2の不揮発性記憶素子のどちらであってもよい。このような構造とすることにより、2つの不揮発性記憶素子の一方に不良が発生し、書き込んだデータが揮発してしまった場合でも、他方の不揮発性記憶素子が正常であればデータを読み出すことができる。それにより、本実施の形態3の半導体装置の信頼性を向上することが可能となる。 FIG. 20 is a main part circuit diagram of the nonvolatile memory element included in the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 20, in the third embodiment, one nonvolatile memory cell is formed by two nonvolatile memory elements, and two nonvolatile memories are connected by connecting two control gates in parallel. The same data can be written to the element. Regarding the reading of data, the logical sum of each nonvolatile memory element is taken. Further, the structure of the nonvolatile memory element of the third embodiment may be either the structure of the nonvolatile memory element of the first embodiment or the nonvolatile memory element of the second embodiment. With such a structure, even if a defect occurs in one of the two nonvolatile memory elements and the written data is volatilized, the data is read if the other nonvolatile memory element is normal. Can do. Thereby, it is possible to improve the reliability of the semiconductor device according to the third embodiment.
(実施の形態4)
次に、本実施の形態4について説明する。
(Embodiment 4)
Next, the fourth embodiment will be described.
図21は、本発明の実施の形態4である半導体装置が有する不揮発性記憶素子の要部回路図である。図21に示すように、本実施の形態4では、前記実施の形態3で示した構造に加えて、nチャネル型MISFETQn(図20参照)を書き込み(消去)用のnチャネル型MISFETQnWと読み出し用のnチャネル型MISFETQnRとに用途別に分割し、それぞれを配置することにより、データの書き込みおよび消去に用いる第1不揮発性記憶素子と、データの読み出しに用いる第2不揮発性記憶素子とから1ビット分の不揮発性記憶素子(不揮発性メモリセル)を形成したものである。書き込み(消去)動作と読み出し動作とを同一のnチャネル型MISFETQnで行う構成では、書き込み(消去)時にnチャネル型MISFETQnに加わるストレスでnチャネル型MISFETQnの特性が劣化し、読み出し動作時にドレイン電流が減少してしまう不具合や、nチャネル型MISFETQnのゲート絶縁膜のリーク電流が増大し、書き込んだデータが揮発してしまう不具合が懸念される。そこで、本実施の形態4の構造として書き込み(消去)動作と読み出し動作とを別々のnチャネル型MISFETで行うことにより、そのような不具合を防ぐことが可能となる。 FIG. 21 is a main part circuit diagram of the nonvolatile memory element included in the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 21, in the fourth embodiment, in addition to the structure shown in the third embodiment, an n-channel MISFET Qn (see FIG. 20) is written and erased by an n-channel MISFET QnW and a read-out. The n-channel MISFETs QnR are divided according to their use, and each of them is arranged, so that one bit portion is obtained from the first nonvolatile memory element used for writing and erasing data and the second nonvolatile memory element used for reading data. The non-volatile memory element (nonvolatile memory cell) is formed. In the configuration in which the write (erase) operation and the read operation are performed by the same n-channel MISFET Qn, the characteristics of the n-channel MISFET Qn deteriorate due to stress applied to the n-channel MISFET Qn during write (erase), and the drain current is reduced during the read operation. There is a concern that the defect may decrease or the leakage current of the gate insulating film of the n-channel type MISFET Qn may increase and the written data may volatilize. Therefore, by performing the write (erase) operation and the read operation with separate n-channel type MISFETs as the structure of the fourth embodiment, it is possible to prevent such a problem.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
本発明の半導体装置およびその製造方法は、たとえば不揮発性メモリを有する半導体装置およびその製造工程に適用することができる。 The semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention can be applied to, for example, a semiconductor device having a nonvolatile memory and a manufacturing process thereof.
1 半導体基板
2 素子分離溝(素子分離領域)
3 酸化シリコン膜(第1絶縁膜)
3A フィールド絶縁膜
4 p型ウエル(第2ウエル)
5 n型ウエル(第1ウエル)
6 ゲート絶縁膜
7 多結晶シリコン膜
7A ゲート電極(第1導電性膜)
10 n+型半導体領域
12 サイドウォールスペーサ
13 シリサイド層
15 酸化シリコン膜(第2絶縁膜)
16 コンタクトホール
17 コンタクトホール(第1孔部)
18 コンタクトホール
19 コンタクトホール
21 プラグ
22 プラグ(第2導電性膜)
23 プラグ
24 プラグ
25 配線(第2導電性膜)
C1、C2 容量
L 活性領域
Qn nチャネル型MISFET
QnR nチャネル型MISFET
QnW nチャネル型MISFET
3 Silicon oxide film (first insulating film)
3A field insulating film 4 p-type well (second well)
5 n-type well (first well)
6
10 n +
16
18
23
C1, C2 capacitance L active region Qn n-channel type MISFET
QnR n-channel MISFET
QnW n-channel MISFET
Claims (18)
半導体基板の主面に形成された第1導電型の第1ウエルおよび第2導電型の第2ウエルと、
前記半導体基板の前記主面上にて素子分離領域を形成する第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上にてパターニングされた第1導電性膜と、
前記第1導電性膜上に第2絶縁膜を介して配置され、前記第2絶縁膜上にてパターニングされた第2導電性膜とを有し、
前記第1絶縁膜は前記不揮発性記憶素子のトンネル絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device including a nonvolatile memory element,
A first well of the first conductivity type and a second well of the second conductivity type formed on the main surface of the semiconductor substrate;
A first insulating film forming an element isolation region on the main surface of the semiconductor substrate;
A first conductive film patterned on the first insulating film;
A second conductive film disposed on the first conductive film via a second insulating film and patterned on the second insulating film;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first insulating film is a tunnel insulating film of the nonvolatile memory element.
前記第1導電性膜および前記第2導電性膜を容量電極とし、前記第2絶縁膜を容量絶縁膜とする容量素子を有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device comprising: a capacitor element having the first conductive film and the second conductive film as capacitive electrodes, and the second insulating film as a capacitive insulating film.
前記第2導電性膜は、さらに前記第2絶縁膜に前記第1絶縁膜に達するように形成された第1孔部内に配置され、
前記第1孔部は、平面で前記第1ウエルと前記第2ウエルとの間の第1領域上に配置され、
前記第2導電性膜は、前記不揮発性記憶素子の浮遊ゲート電極であり、
前記第1導電性膜は、前記不揮発性記憶素子の制御ゲート電極であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The second conductive film is further disposed in a first hole formed in the second insulating film so as to reach the first insulating film,
The first hole is disposed on a first region between the first well and the second well in a plane,
The second conductive film is a floating gate electrode of the nonvolatile memory element;
The semiconductor device, wherein the first conductive film is a control gate electrode of the nonvolatile memory element.
前記第2導電性膜は、前記第1導電性膜の側面および上面を囲むように配置されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
The semiconductor device, wherein the second conductive film is disposed so as to surround a side surface and an upper surface of the first conductive film.
前記第1孔部下において、前記第1絶縁膜の膜厚は他の領域より薄いことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
Under the first hole portion, the thickness of the first insulating film is thinner than other regions.
前記不揮発性記憶素子の書き込み動作時においては、前記第2導電性膜に30V以上の電圧が印加され、
前記不揮発性記憶素子の読み出し動作時においては、未書き込み時における前記不揮発性記憶素子のしきい値電圧より大きく、かつ約10V以下の電圧が前記第2導電性膜に印加されることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
During the write operation of the nonvolatile memory element, a voltage of 30 V or more is applied to the second conductive film,
In the read operation of the nonvolatile memory element, a voltage that is larger than the threshold voltage of the nonvolatile memory element when not written and is about 10 V or less is applied to the second conductive film. Semiconductor device.
前記第1導電性膜の一部は、平面で前記第1ウエルと前記第2ウエルとの間の第1領域上に配置され、
前記第1導電性膜は、前記不揮発性記憶素子の浮遊ゲート電極であり、
前記第2導電性膜は、前記不揮発性記憶素子の制御ゲート電極であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
A portion of the first conductive film is disposed on a first region between the first well and the second well in a plane,
The first conductive film is a floating gate electrode of the nonvolatile memory element;
The semiconductor device, wherein the second conductive film is a control gate electrode of the nonvolatile memory element.
前記第2導電性膜は、前記第1導電性膜の側面および上面を囲むように配置されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7.
The semiconductor device, wherein the second conductive film is disposed so as to surround a side surface and an upper surface of the first conductive film.
前記第2導電性膜は、さらに前記第2絶縁膜に前記第1絶縁膜に達するように形成された第1孔部内に配置されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8.
The semiconductor device, wherein the second conductive film is further disposed in a first hole formed in the second insulating film so as to reach the first insulating film.
前記不揮発性記憶素子の書き込み動作時においては、前記第1導電性膜に30V以上の電圧が印加され、
前記不揮発性記憶素子の読み出し動作時においては、未書き込み時における前記不揮発性記憶素子のしきい値電圧より大きく、かつ約10V以下の第1電圧が前記第1導電性膜に印加されることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7.
During the write operation of the nonvolatile memory element, a voltage of 30 V or more is applied to the first conductive film,
In the read operation of the nonvolatile memory element, a first voltage that is higher than the threshold voltage of the nonvolatile memory element when not written and is about 10 V or less is applied to the first conductive film. A featured semiconductor device.
互いの制御ゲート電極が並列接続された複数の前記不揮発性記憶素子が1ビットのメモリセルを形成することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
A semiconductor device, wherein a plurality of the non-volatile memory elements whose control gate electrodes are connected in parallel form a 1-bit memory cell.
前記不揮発性記憶素子は、データの書き込みおよび消去に用いる第1不揮発性記憶素子と、前記データの読み出しに用いる第2不揮発性記憶素子とから形成され、
前記第1不揮発性記憶素子の第1制御ゲート電極と、前記第2不揮発性記憶素子の第2制御ゲート電極とは、並列に接続されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The nonvolatile memory element is formed of a first nonvolatile memory element used for writing and erasing data and a second nonvolatile memory element used for reading the data,
The semiconductor device, wherein the first control gate electrode of the first nonvolatile memory element and the second control gate electrode of the second nonvolatile memory element are connected in parallel.
複数の前記不揮発性記憶素子を有し、
複数の前記不揮発性記憶素子における複数の第1不揮発性記憶素子のドレインは、それぞれ並列に接続され、
複数の前記不揮発性記憶素子における複数の第2不揮発性記憶素子のドレインは、それぞれ並列に接続されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 11.
A plurality of the nonvolatile memory elements;
The drains of the plurality of first nonvolatile memory elements in the plurality of nonvolatile memory elements are respectively connected in parallel,
The drains of the plurality of second nonvolatile memory elements in the plurality of nonvolatile memory elements are respectively connected in parallel.
(a)半導体基板の主面に素子分離領域となる第1絶縁膜を形成する工程、
(b)前記半導体基板の前記主面に第1導電型の第1ウエルおよび第2導電型の第2ウエルを形成する工程、
(c)前記半導体基板の前記主面上に第1導電性膜を形成し、前記第1導電性膜を前記第1絶縁膜上に残るようにパターニングする工程、
(d)前記第1導電性膜の存在下で、前記半導体基板の前記主面上に第2絶縁膜を形成する工程、
(e)前記第2絶縁膜をエッチングし、前記第2絶縁膜に前記第1絶縁膜に達する第1孔部を形成する工程、
(f)前記第1孔部内および前記第2絶縁膜上に第2導電性膜を形成し、前記第2導電性膜をパターニングする工程、
を含み、
前記第1ウエルと前記第2ウエルとは、前記第1絶縁膜の下部の第1領域で離間するように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device including a nonvolatile memory element,
(A) forming a first insulating film to be an element isolation region on the main surface of the semiconductor substrate;
(B) forming a first conductivity type first well and a second conductivity type second well on the main surface of the semiconductor substrate;
(C) forming a first conductive film on the main surface of the semiconductor substrate and patterning the first conductive film so as to remain on the first insulating film;
(D) forming a second insulating film on the main surface of the semiconductor substrate in the presence of the first conductive film;
(E) etching the second insulating film to form a first hole reaching the first insulating film in the second insulating film;
(F) forming a second conductive film in the first hole and on the second insulating film, and patterning the second conductive film;
Including
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first well and the second well are formed so as to be separated from each other in a first region under the first insulating film.
前記第1孔部は、前記第1領域上に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first hole is formed on the first region.
前記(e)工程においては、前記第1孔部下の前記第1絶縁膜が他の領域の前記第1絶縁膜より薄くなるようにオーバーエッチングを施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 15,
In the step (e), overetching is performed so that the first insulating film below the first hole is thinner than the first insulating film in other regions.
前記(c)工程においては、前記第1導電性膜を前記第1領域上に残るようにパターニングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14,
In the step (c), the semiconductor device is manufactured by patterning the first conductive film so as to remain on the first region.
前記第2導電性膜は、前記第1導電性膜の側面および上面を囲むようにパターニングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second conductive film is patterned so as to surround a side surface and an upper surface of the first conductive film.
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