JP2006041503A - フラッシュメモリ素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】SA−STI工程の際にセル領域で発生するトンネル酸化膜のスマイリング現象と素子分離膜のギャップフィリング不良を防止する。
【解決手段】セル領域にはパッド酸化膜が形成され、低電圧領域には低電圧ゲート酸化膜が形成され、高電圧領域には高電圧ゲート酸化膜が形成された半導体基板を提供する段階と、前記低電圧領域及び前記高電圧領域に第1ポリシリコン膜を形成する段階と、前記第1ポリシリコン膜を含む全体構造の上部にパッド窒化膜を蒸着する段階と、前記セル領域に形成された前記パッド窒化膜、前記パッド酸化膜及び前記半導体基板の一部をパターニングして第1トレンチを形成する段階と、前記低電圧領域と前記高電圧領域に形成された前記パッド窒化膜、前記第1ポリシリコン膜、前記低電圧ゲート酸化膜、前記高電圧ゲート酸化膜及び前記半導体基板の一部をパターニングして第2及び第3トレンチを形成する段階とを含む。
【選択図】図4

Description

本発明は、フラッシュメモリ素子の製造方法に係り、特に、SA−STI(Self Align Shallow Trench Isolation)工程の適用時にセル領域で発生するトンネル酸化膜のスマイリング(smiling)現象と素子分離膜のギャップフィリング(gapfilling)不良を防止することが可能なフラッシュメモリ素子の製造方法に関する。
一般に、フラッシュメモリ素子は、セルの形成されるセル領域と周辺回路領域に分離されるが、周辺回路領域は、高電圧用トランジスタの形成される高電圧領域と、低電圧用トランジスタの形成される低電圧領域とに分離される。
一方、90nm以下のフラッシュメモリ素子において、素子分離膜はSA−STI工程で形成することが普遍的である。この場合、セル領域と周辺回路領域の両方ともにSA−STI工程を適用して素子分離膜を形成する。
一般に、SA−STI工程は、半導体基板上にゲート誘電膜(または、トンネル酸化膜)として用いられる酸化膜を形成した後、その上部にゲート電極(すなわち、フローティングゲート)用ポリシリコン層を蒸着する。その後、前記ポリシリコン層上に保護用窒化膜を蒸着した後、フォトリソグラフィ(photo lithography)工程を用いたエッチング工程を行ってトレンチを形成する。次に、普通、HDP酸化膜を用いて前記トレンチを埋め立てた後、CMP(ChemicalMechanical Polishing)工程を行って素子分離膜を定義する。その後、ウェットエッチング工程を用いて素子分離膜の高さを調節した後、窒化膜を除去する。
ところが、この場合、セル領域には、図9に示すようなトンネル酸化膜のスマイリング現象と、図10に示すような素子分離膜のギャップフィリング不良などが発生する。これは、70nm以下のパターンサイズ(pattern size)を有するトレンチにおいて酸化膜または誘電膜を介して、下部の長さ(length size)が上部の長さより大きい場合(すなわち、上部パターンの大きさが小さい場合)、後続の熱酸化工程によってポリシリコン膜の酸化が急激に上部パターンの側部で行われるためである。このような現象は、やや凹んだプロファイル形状を持つため、スマイリング現象という。そして、このような現象により、トレンチのエッチング後に行われる後続の熱酸化工程とHDP酸化膜蒸着工程の際に上部パターンのプロファイル変形またはアクティブ領域の長さ差を誘発させることにより、HDP酸化膜がよく埋め立てられずにボイドが発生するおそれがある。
そこで、本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、SA−STI工程の際にセル領域で発生するトンネル酸化膜のスマイリング現象と素子分離膜のギャップフィリング不良を防止することが可能なフラッシュメモリ素子の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明のある観点によれば、セル領域にはパッド酸化膜が形成され、低電圧領域には低電圧ゲート酸化膜が形成され、高電圧領域には高電圧ゲート酸化膜が形成された半導体基板を提供する段階と、前記低電圧領域及び前記高電圧領域に第1ポリシリコン膜を形成する段階と、前記第1ポリシリコン膜を含む全体構造の上部にパッド窒化膜を蒸着する段階と、前記セル領域に形成された前記パッド窒化膜、前記パッド酸化膜及び前記半導体基板の一部をパターニングして第1トレンチを形成する段階と、前記低電圧領域と前記高電圧領域に形成された前記パッド窒化膜、前記第1ポリシリコン膜、前記低電圧ゲート酸化膜、前記高電圧ゲート酸化膜及び前記半導体基板の一部をパターニングして第2及び第3トレンチを形成する段階と、前記第1〜第3トレンチが埋め立てられるように素子分離膜を形成する段階と、前記パッド窒化膜を除去する段階と、前記素子分離膜の形成された全体構造の上部にトンネル絶縁膜を形成する段階と、前記トンネル絶縁膜上に第2ポリシリコン膜を蒸着した後、パターニングしてフローティングゲートを形成する段階とを含む、フラッシュメモリ素子の製造方法を提供する。
本発明によれば、フラッシュメモリ素子の製造工程において、セル領域ではSTI工程を行って素子分離膜を形成することにより、パターンのアスペクト比を減少させてHDPギャップフィリング不良を改善し、トンネル酸化膜のスマイリング現象を防止してフラッシュメモリ素子のプログラム速度を向上させることができる。
また、本発明によれば、フラッシュメモリ素子の製造工程において、周辺回路領域ではSA−STI工程を行って素子分離膜を形成することにより、高電圧ゲート酸化膜及び低電圧ゲート酸化膜の特性低下を防止することができる。
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。ところが、これらの実施例は様々な形に変形できるが、本発明の範囲を限定するものではない。これらの実施例は本発明の開示を完全にし、当該技術分野で通常の知識を有する者に本発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。同一の参照番号は同一の機能を行う同一要素である。
図1〜図8は本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するために示した断面図である。以下では、説明の便宜上、セル領域は「Cell」で表示し、高電圧領域は「HV」で表示し、低電圧領域は「LV」で表示した。
図1を参照すると、前処理洗浄工程で処理された半導体基板10を提供する。ここで、前処理洗浄工程は、DHF(Diluted HF:例えば50:1の割合でHOで希釈されたHF溶液)で洗浄した後、SC−1(NHOH/H/HO溶液が所定の割合で混合された溶液)で洗浄し、或いはBOE(BufferOxide Etchant:例えば100:1または300:1の割合でHOで希釈されたHFとNHFの混合溶液(HFとNHFの比は1:4〜1:7))で洗浄した後、SC−1で洗浄することができる。
その後、半導体基板10上にはスクリーン酸化膜(図示せず)を形成する。ここで、前記スクリーン酸化膜は、後続の工程で行われるイオン注入工程によって半導体基板10の界面が損傷することを防止するために形成する。
次に、半導体基板10内にはイオン注入工程を行ってウェル(図示せず)を形成する。半導体基板10がp型基板の場合、前記ウェルはTN−ウェル(Triple N-well)及びPウェルから構成できる。TNウェルはリン(P)を用いたイオン注入工程を行って形成し、Pウェルは硼素(B)を用いたイオン注入工程を行って形成する。
その後、チャネルを形成するために半導体基板10にしきい値電圧イオン注入工程を行う。次いで、半導体基板10上に酸化膜11を形成する。ここで、酸化膜11はセル領域Cellと低電圧領域LVに比べて高電圧領域HVでさらに厚く形成される。一例として、酸化膜11の形成方法を簡略に説明する。まず、湿式酸化工程を行ってセル領域Cell、低電圧領域LV及び高電圧領域HVを含む全体構造の上部に薄く酸化膜を形成した後、高電圧領域HVがオープンされるマスクを用いた湿式酸化工程をもう1回行って高電圧領域HVに厚く酸化膜11を形成する。このような酸化膜11は、750℃〜800℃の温度範囲内で湿式酸化工程を行った後、900℃〜910℃の温度範囲でNを用いたアニール工程を行って形成することができる。
一方、以下では、説明の便宜上、セル領域Cellに形成された酸化膜11はパッド酸化膜11aといい、低電圧領域LVに形成された酸化膜11は低電圧ゲート酸化膜11bといい、高電圧領域HVに形成された酸化膜11は高電圧ゲート酸化膜11cという。
その後、パッド酸化膜11a、低電圧ゲート酸化膜11b及び高電圧ゲート酸化膜11cを含む全体構造の上部にポリシリコン膜12(以下、「第1ポリシリコン膜)という)を蒸着する。ここで、第1ポリシリコン膜12は、粒子サイズが最小化されて電界集中が防止できるように、530℃〜680℃の温度範囲で0.1torr〜3torrの低圧で300Å〜500Åの厚さに蒸着することが好ましい。一方、第1ポリシリコン膜12は、酸化抵抗性の低いアンドーフト(undoped)非晶質シリコン膜で蒸着し、あるいはドーピング濃度の低い低濃度ドーフト非晶質シリコン膜で蒸着することができる。ここで、アンドーフト非晶質シリコン膜は、LPCVD(LowPressure Chemical Vapor Deposition)方式によってSiHガスを用いて480℃〜550℃の温度範囲内で0.1torr〜0.3torrの低圧で蒸着することができる。ドーフト非晶質シリコン膜は、LPCVD方式でSiとPHガスを用いて480℃〜550℃の温度範囲内で0.1torr〜0.3torrの低圧で蒸着することができる。
図2を参照すると、第1ポシリコン膜12の上部にフォトレジスト膜を塗布した後、フォトマスクを用いた露光及び現像工程を行ってフォトレジストパターン(図示せず)を形成する。
前記フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いたエッチング工程を行い、セル領域Cellに蒸着された第1ポリシリコン膜12をパターニングして除去する。この際、低電圧領域LVに蒸着された第1ポリシリコン膜12の一部もパターニングされて除去されるようにすることができる。これにより、セル領域Cellのパッド酸化膜11aが露出する。一方、前記エッチング工程は、第1ポリシリコン膜12とパッド酸化膜11c間のエッチング選択比を高くしてエッチング工程の際にパッド酸化膜11cの損失を最小化させることが好ましい。例えば、前記エッチング工程は、エッチング装備として、TCP(Transformer Coupled Plasma)またはMERIE(Magnetically Enhanced ReactiveIon beam Etching)プラズマ形態をソースとする装備を用いて、Cl/O、HBr/O、He/HBr/Oタイプのガスを使用して行う。この際、ガスの割合はCl:O=5:1〜7:1、HBr:O=150:1〜200:1、He:HBr:O=75:140:1または70:150:1とし、圧力は10mT〜30mTとし、バイアスパワーは60W〜200Wとし、トップパワー及びソースパワーは300W〜500Wとする。その後、ストリップ工程を行って前記フォトレジストパターンを除去する。
図3を参照すると、パターニングされた第1ポリシリコン膜12を含む全体構造上にパッド窒化膜13を蒸着する。ここで、パッド窒化膜13はLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法で少なくとも500Åの厚さに蒸着することができる。
図4を参照すると、パッド窒化膜13上にフォトレジスト膜を塗布した後、フォトマスクを用いた露光及び現像工程を行ってフォトレジストパターン(図示せず)を形成する。ここで、フォトレジストパターンは、セル領域にトレンチを形成するためのエッチングマスクとして用いられる。
その後、前記フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いたエッチング工程を行い、セル領域Cellのパッド窒化膜(図3の「13」参照)、パッド酸化膜11a及び半導体基板10の一部をエッチングしてセル領域Cellにトレンチ(図示せず)を形成する。
次いで、ストリップ工程を行って前記フォトレジストパターンを除去する。その後、トレンチの形成された全体構造上にフォトレジスト膜を塗布した後、フォトマスクを用いた露光及び現像工程を行ってフォトレジストパターン(図示せず)を形成する。ここで、フォトレジストパターンは、低電圧領域LVと高電圧領域HVの一部領域がオープンされるように形成され、これらの領域LV、HVにそれぞれトレンチを形成するためのエッチングマスクとして用いられる。
その後、前記フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いたエッチング工程を行い、低電圧領域LV及び高電圧領域HVに形成されたパッド窒化膜(図3の「13」参照)、低電圧ゲート酸化膜11b、高電圧ゲート酸化膜11c及び半導体基板10の一部をエッチングして低電圧領域LVと高電圧領域HVにトレンチ(図示せず)を形成する。
その次、セル領域Cell、低電圧領域LV及び高電圧領域HVにそれぞれ形成されたトレンチの内部にウォール酸化工程を行ってウォール酸化膜(図示せず)を形成する。ウォール酸化工程は、トレンチ形成工程の際に損傷したトレンチの側壁を補償するために乾式酸化(dry oxidation)工程で行うことができる。ここで、乾式酸化工程は、700℃〜1000℃の温度範囲で蒸着ターゲットを50Å〜150Åの厚さにして行うことができる。
その後、ウォール酸化膜の上部にはライナー酸化膜(図示せず)が形成できる。ここで、ライナー酸化膜は、DCS−HTO(Dichlorosilane(SiH2Cl2) High TemperatureOxide)を30Å〜200Åの厚さにトレンチの内側壁に蒸着した後、800℃〜850℃の温度でアニール工程を行って形成することができる。ライナー酸化膜は、アクティブ領域のエッジ(edge)部位でパッド酸化膜11aが後続工程のHDP(HighDensity Plasma)酸化膜蒸着工程の際にプラズマにそのまま露出して損傷することを防止するためである。
その次、ライナー酸化膜が形成された全体構造上には、セル領域Cell、低電圧領域LV及び高電圧領域HVのトレンチがギャップフィリングされるように素子分離膜用絶縁膜14を蒸着する。この際、素子分離膜用絶縁膜14は、HDP酸化膜で形成する。ここで、HDP酸化膜14は4000Å〜10000Å程度の厚さに蒸着することが好ましく、蒸着後にキュアリング(curing)工程としてアニール工程を行う。
その後、全体構造の上部面に対して平坦化工程を行う。ここで、平坦化工程は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)工程を用いて行うことができる。平坦化工程によってウェーハの全面にわたって均一なEFH(EffectiveFox Height)を得ることができる。
その次、リン酸(HPO)を用いたエッチング工程を行い、パッド窒化膜13を除去する。これにより、セル領域Cell、低電圧領域LV及び高電圧領域HVにそれぞれ素子分離膜14が形成される。
図5を参照すると、素子分離膜14の形成された全体構造上部にトンネル絶縁膜15を形成する。ここで、トンネル絶縁膜15は、750℃〜850℃の温度範囲内で湿式酸化工程を行った後、900℃〜910℃の温度範囲でNを用いて20分〜30分間アニール工程を行って厚さ60Å〜90Åの酸化膜で形成することができる。また、トンネル絶縁膜15は、純粋酸化膜を60Å〜90Åの厚さに形成した後、900℃〜950℃の温度範囲でNOガスを10slm流入させ、10分〜30分間アニール工程を行って厚さ70Å〜100Åの酸化窒化膜(nitrided oxide)で形成することもできる。また、さらに、ポスト(post)アニール工程を900℃〜950℃でNガスを用いて5分〜30分間行うこともできる。
一方、トンネル絶縁膜15を形成する前に、全体構造の上部面に対して前処理洗浄(pre-cleaning)工程を行う。この際、前処理洗浄工程は、全体構造の上部面に残留する残留酸化膜(パッド酸化膜を含む)を全て除去するために行われる。ここで、前処理洗浄工程は、2段階、すなわちDHF(dilutedHF)を用いて行う第1段階と、SC−1(NHOH/H/HO)を用いて行う第2段階から構成できる。
図6を参照すると、トンネル絶縁膜15が形成された全体構造の上部にポリシリコン膜16(以下「第2ポリシリコン膜」という)を形成する。ここで、第2ポリシリコン膜16は、図1で形成された第1ポリシリコン膜12と同一の方法で形成することができる。
図7を参照すると、リソグラフィ工程によってフローティングゲート用エッチングマスクを形成した後、このエッチングマスクを用いたエッチング工程を行って第2ポリシリコン膜(図6の「16」参照)をパターニングする。これにより、セル領域Cellにはフローティングゲート16aが形成される。この際、前記エッチング工程は、ポリシリコン膜と酸化膜間のエッチング選択比が高いレシピ(recipe)条件で行うことが好ましい。これにより、セル領域Cellでは素子分離膜14によってエッチングが停止されるようにし、周辺回路領域では第1ポリシリコン膜12と第2ポリシリコン膜16との間に存在する酸化膜によってエッチングが停止されるようにする。
その後、フローティングゲート16aが形成された全体構造の上部面の段差に沿って誘電体膜17を形成する。この際、誘電体膜17は、酸化膜/窒化膜/酸化膜(Oxide/Nitride/Oxide、ONO)で形成できる。例えば、誘電体膜17の最下層である酸化膜は、DCS−HTOで800℃〜850℃の温度範囲で40Å〜60Åの厚さに形成できる。そして、中間層の窒化膜は、窒化膜で600℃〜700℃の温度範囲で40Å〜80Åの厚さに形成できる。最後に、最上層の酸化膜は、DCS−HTOで800℃〜850℃の温度範囲で40Å〜60Åの厚さに形成できる。
その次、誘電体膜17が形成された全体構造の上部にポリシリコン膜18(以下「第3ポリシリコン膜」という)を形成する。ここで、第3ポリシリコン膜18は、第2ポリシリコン膜(図6の「16」参照)と同一の方法で300Å〜600Åの厚さに形成することができる。ところが、フラッシュメモリ素子の特性に応じて、その厚さ及び工程条件などは適切に調整できる。その後、CMP工程を行って第3ポリシリコン膜18を平坦化することができる。
図8を参照すると、リソグラフィ工程によってコントロールゲート用エッチングマスクを形成した後、このエッチングマスクを用いたエッチング工程を行って第3ポリシリコン膜(図7の「18」参照)をパターニングする。これにより、セル領域Cellには、フローティングゲート16aを覆うコントロールゲート18aが形成される。
その後、エッチング工程を行って、コントロールゲート18aによって覆われない、低電圧領域LVと高電圧領域HVに形成された誘電体膜17をエッチングして除去する。この際、前記エッチング工程は、ウェットエッチング工程によってHF含有溶液と高温のリン酸を用いて順次行う。
その次、コントロールゲート18aが形成された全体構造の上部にポリシリコン膜19(以下「第4ポリシリコン膜」という)を形成する。ここで、第4ポリシリコン膜19は、バッファ酸化膜であって、第3ポリシリコン膜(図7の「18」参照)と同一の方法によって形成することができる。ところが、フラッシュメモリ素子の特性に応じて、その厚さ及び工程条件などは適切に調整できる。
一方、第4ポリシリコン膜19を形成する前に、前処理洗浄工程を行うことができる。この前処理洗浄工程は、低電圧領域LVと高電圧領域HVの第1ポリシリコン膜(図1の「12」参照)の上部面に残留する残留酸化膜を除去するために行われる。ここで、前処理洗浄工程は、2段階、すなわちDHF(Diluted HF)を用いて行う第1段階と、SC−1(NHOH/H/HO)を用いて行う第2段階とから構成できる。
以後の工程は、一般的な工程と同一の方法で行われることにより、ここでは説明の便宜のために省略する。
前述した本発明の技術的思想は、好適な実施例で具体的に述べられたが、これらの実施例は、本発明を説明するためのもので、制限するものではないことに注意すべきである。また、本発明は、当該分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想の範囲内で様々な実施が可能であることを理解することができるであろう。
本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するために示した断面図である。 本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するために示した断面図である。 本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するために示した断面図である。 本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するために示した断面図である。 本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するために示した断面図である。 本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するために示した断面図である。 本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するために示した断面図である。 本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するために示した断面図である。 従来の技術にフラッシュメモリ素子の製造方法によって製造されたトンネル酸化膜のスマイリング現象を説明するために示したSEM写真である。 従来の技術に係るフラッシュメモリ素子の製造方法によって製造された素子分離膜のギャップフィリング不良現象を説明するために示したSEM写真である。
符号の説明
10 半導体基板
11a パッド酸化膜
11b 低電圧ゲート酸化膜
11c 高電圧ゲート酸化膜
12 第1ポリシリコン膜
13 パッド窒化膜
14 素子分離膜
15 トンネル絶縁膜
16 第2ポリシリコン膜
16a フローティングゲート
17 誘電体膜
18 第3ポリシリコン膜
18a コントロールゲート
19 第4ポリシリコン膜

Claims (6)

  1. (a)セル領域にはパッド酸化膜が形成され、低電圧領域には低電圧ゲート酸化膜が形成され、高電圧領域には高電圧ゲート酸化膜が形成された半導体基板を提供する段階と、
    (b)前記低電圧領域及び前記高電圧領域に第1ポリシリコン膜を形成する段階と、
    (c)前記第1ポリシリコン膜を含む全体構造の上部にパッド窒化膜を蒸着する段階と、
    (d)前記セル領域に形成された前記パッド窒化膜、前記パッド酸化膜及び前記半導体基板の一部をパターニングして第1トレンチを形成する段階と、
    (e)前記低電圧領域と前記高電圧領域に形成された前記パッド窒化膜、前記第1ポリシリコン膜、前記低電圧ゲート酸化膜、前記高電圧ゲート酸化膜及び前記半導体基板の一部をパターニングして第2及び第3トレンチを形成する段階と、
    (f)前記第1〜第3トレンチが埋め立てられるように素子分離膜を形成する段階と、
    (g)前記パッド窒化膜を除去する段階と、
    (h)前記素子分離膜の形成された全体構造の上部にトンネル絶縁膜を形成する段階と、
    (i)前記トンネル絶縁膜上に第2ポリシリコン膜を蒸着した後、パターニングしてフローティングゲートを形成する段階とを含むことを特徴とするフラッシュメモリ素子の製造方法。
  2. 前記第1ポリシリコン膜は300Å〜500Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項1記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
  3. 前記トンネル絶縁膜を形成する前に前処理洗浄工程を行い、前記セル領域に残留する前記パッド酸化膜を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
  4. 前記(i)段階で行われる前記第2ポリシリコン膜パターニングの際に、前記低電圧領域及び前記高電圧領域に蒸着された前記誘電体膜がエッチング停止層として機能することを特徴とする請求項1記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
  5. 前記(b)段階は、
    (b−1)前記パッド酸化膜、前記低電圧ゲート酸化膜及び前記高電圧ゲート酸化膜を含む全体構造の上部に前記第1ポリシリコン膜を蒸着する段階と、
    (b−2)前記セル領域に形成された前記第1ポリシリコン膜を除去して前記低電圧領域及び前記高電圧領域に前記第1ポリシリコン膜を残留させる段階とを含むことを特徴とする請求項1記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
  6. 前記(i)段階後、
    (j)前記フローティングゲートを含む全体構造の上部に誘電体膜を形成する段階と、
    (k)前記誘電体膜上に第3ポリシリコン膜を蒸着した後、パターニングして前記フローティングゲートを覆うコントロールゲートを形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1記載のフラッシュメモリ素子の製造方法。
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