JP2007067223A - Semiconductor device and method for manufacturing same - Google Patents

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Kenichi Shiotani
健一 塩谷
Makoto Ogasawara
誠 小笠原
Takashi Takeuchi
隆 竹内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the reliability in a semiconductor device including a flash memory having an auxiliary gate electrode structure. <P>SOLUTION: The device includes: a plurality of auxiliary gate electrodes AG which are formed on the main surface of a semiconductor board 1 through a gate insulating film 2; floating gate electrodes FG which are formed to be insulated electrically from the auxiliary gate electrodes AG by side wall insulating films 4 formed on the side walls of the auxiliary gate electrodes AG, and are formed through the gate insulating films 2; and a plurality of control gate electrodes CG which are formed on inter-layer dielectrics 5 formed to cover the floating gate electrodes FG. The surface of the interlayer dielectrics 5 has irregular shape. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、補助ゲート電極構成を持つフラッシュメモリおよびその製造技術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 more particularly to a flash memory having an auxiliary gate electrode configuration and a technique effective when applied to the manufacturing technique.

AND型のフラッシュメモリは、例えば携帯型パーソナルコンピュータ、デジタルスチルカメラ、ポータブル音楽プレーヤ、デジタルビデオカメラ、PDA(Personal Digital Assistants)または携帯電話等のような各種の携帯機器、情報機器または通信機器の記憶媒体として使用される。   The AND type flash memory is a memory of various portable devices such as portable personal computers, digital still cameras, portable music players, digital video cameras, PDAs (Personal Digital Assistants), cellular phones, etc., information devices or communication devices. Used as a medium.

非特許文献1では、補助ゲート電極(AG:Assist Gate)を有するAND型フラッシュメモリに関する技術が開示されている。   Non-Patent Document 1 discloses a technique related to an AND flash memory having an assist gate electrode (AG).

非特許文献2では、DRAM(Dynamic Random Access Memory)の多結晶シリコン電極の表面状態に関する技術が開示されている。
Y.Sasago, et al.;“90-nm-node multi-level AG-AND type flash memory with cell size of true 2F2/bit and programming throughput of 10MB/s”; 2003IEEE M.Yoshimaru, et al.; “RUGGED SURFACE POLY-Si ELECTRODE AND TEMPERATURE DEPOSITED Si3N4 FOR 64MBIT AND BEYOND STC DRAM CELL”;1990IEEE
Non-Patent Document 2 discloses a technique related to the surface state of a polycrystalline silicon electrode of a DRAM (Dynamic Random Access Memory).
Y. Sasago, et al .; “90-nm-node multi-level AG-AND type flash memory with cell size of true 2F2 / bit and programming throughput of 10MB / s”; 2003 IEEE M.Yoshimaru, et al .; “RUGGED SURFACE POLY-Si ELECTRODE AND TEMPERATURE DEPOSITED Si3N4 FOR 64MBIT AND BEYOND STC DRAM CELL”; 1990IEEE

本発明者らは、補助ゲート電極(AG:Assist Gate)を有するAND型フラッシュメモリ(以下、単に「フラッシュメモリ」という)の研究・開発を行っている。例えば0.13μmプロセスの採用によって1Gb(ギガビット)のフラッシュメモリを形成することができる。なお、1Gbのフラッシュメモリの書込み速度は例えば10Mb/s程度である。   The present inventors are conducting research and development of an AND type flash memory (hereinafter simply referred to as “flash memory”) having an assist gate electrode (AG). For example, a 1 Gb (gigabit) flash memory can be formed by adopting a 0.13 μm process. Note that the writing speed of the 1 Gb flash memory is, for example, about 10 Mb / s.

また、より大容量の4Gbのフラッシュメモリは、微細化の進んだ90nmプロセスによって形成することができる。ここで、本発明者らが検討した90nmプロセスによって形成された4Gbのフラッシュメモリを図14〜図15により説明する。図14は、本発明者らが検討したフラッシュメモリのメモリセル領域M2を模式的に示す要部平面図である。図15(a)および(b)は、それぞれ図14のX1−X1線およびY1−Y1線の断面図である。なお、図14の符号Yは第1方向でローカルデータ線の延在方向、符号Xは第1方向に直交する第2方向でワード線WLの延在方向を示している。   Further, a larger capacity 4 Gb flash memory can be formed by a 90 nm process which has been miniaturized. Here, a 4 Gb flash memory formed by the 90 nm process investigated by the present inventors will be described with reference to FIGS. FIG. 14 is a plan view of an essential part schematically showing the memory cell region M2 of the flash memory examined by the present inventors. FIGS. 15A and 15B are cross-sectional views taken along lines X1-X1 and Y1-Y1 in FIG. 14, respectively. 14 indicates the extending direction of the local data line in the first direction, and X indicates the extending direction of the word line WL in the second direction orthogonal to the first direction.

このフラッシュメモリのメモリセル領域M2の半導体基板1上には、Y方向に延在する複数の補助ゲート電極AGが互いに隣接した状態で配置されている。各補助ゲート電極AG上には、例えば窒化シリコンにより形成されたキャップ絶縁膜3が形成されている。この複数の補助ゲート電極AGの上層には、補助ゲート電極AGの延在方向に対して直交するX方向に延在する複数のワード線WLが互いに隣接した状態で配置されている。そして、上記複数の補助ゲート電極AGの隣接間であって、上記ワード線WLの各々と半導体基板1との間には、浮遊ゲート電極FGが他の部材とは電気的に分離された状態で配置されている。なお、符号2はゲート絶縁膜、符号4は側壁絶縁膜、符号5は層間絶縁膜および符号6、7、8は絶縁膜を示している。   On the semiconductor substrate 1 in the memory cell region M2 of the flash memory, a plurality of auxiliary gate electrodes AG extending in the Y direction are arranged adjacent to each other. A cap insulating film 3 made of, for example, silicon nitride is formed on each auxiliary gate electrode AG. In the upper layer of the plurality of auxiliary gate electrodes AG, a plurality of word lines WL extending in the X direction orthogonal to the extending direction of the auxiliary gate electrode AG are arranged adjacent to each other. The floating gate electrode FG is electrically isolated from other members between the word lines WL and the semiconductor substrate 1 between the adjacent auxiliary gate electrodes AG. Has been placed. Reference numeral 2 denotes a gate insulating film, reference numeral 4 denotes a sidewall insulating film, reference numeral 5 denotes an interlayer insulating film, and reference numerals 6, 7, and 8 denote insulating films.

この4Gbのフラッシュメモリが1Gbのフラッシュメモリと同程度の書込み速度(例えば10Mb/s程度)を実現するにあたり、浮遊ゲート電極FGは、その上面の高さ(厚さ)が補助ゲート電極AGの上面の高さ(厚さ)よりも高くなるように形成されている。なお、4Gbのフラッシュメモリでは、1Gbのフラッシュメモリの浮遊ゲートの高さが例えば50〜70nm程度であるのに対し、浮遊ゲートの高さが例えば300nm程度と高い構造となっている。   When the 4 Gb flash memory achieves the same writing speed as the 1 Gb flash memory (for example, about 10 Mb / s), the floating gate electrode FG has a height (thickness) of the upper surface of the auxiliary gate electrode AG. It is formed so as to be higher than the height (thickness). Note that the 4 Gb flash memory has a structure in which the height of the floating gate of the 1 Gb flash memory is about 50 to 70 nm, for example, and the height of the floating gate is about 300 nm, for example.

ところが、上記補助ゲート電極を有するAND型フラッシュメモリにおいては、以下の課題があることを本発明者は見出した。   However, the present inventor has found that the AND type flash memory having the auxiliary gate electrode has the following problems.

隣接ビット間に寄生する容量により、メモリセルのしきい値電圧(Vth)が変動してしまう結果、メモリセルに記憶されている情報(“0”または“1”)が化けてしまう問題(Vthボケの問題)である。特に、0.13μmプロセス世代までは、隣接ビット間が広いため隣接ビット間に寄生する容量が小さく問題が顕在化されていないが、微細化が進んだ90nmプロセス世代では、しきい値電圧の変動が顕在化し、大きな問題となる。この問題は、4Gbのフラッシュメモリでは、浮遊ゲート電極が1Gbのフラッシュメモリと比較して高くなること、また、より微細加工の90nmプロセスにより隣接する浮遊ゲート電極間の距離が近づくことにより、隣接する浮遊ゲート電極間の容量が大きくなり浮遊ゲート電極間のカップリング起因による読み出し動作不良(Vthボケ)が増えることが要因の1つと考えられる。   The threshold voltage (Vth) of the memory cell fluctuates due to the parasitic capacitance between adjacent bits, and as a result, the information (“0” or “1”) stored in the memory cell is garbled (Vth It is a problem of blur. In particular, until the 0.13 μm process generation, since the space between adjacent bits is wide, the parasitic capacitance between adjacent bits is small and the problem has not been revealed. However, in the 90 nm process generation with advanced miniaturization, the threshold voltage fluctuates. This becomes a big problem. The problem is that in the 4 Gb flash memory, the floating gate electrode is higher than that in the 1 Gb flash memory, and because the distance between the adjacent floating gate electrodes is reduced by the 90 nm process of finer processing. It is considered that one of the factors is that the capacitance between the floating gate electrodes increases and the read operation failure (Vth blur) due to coupling between the floating gate electrodes increases.

ここで、浮遊ゲート電極間のカップリング起因の読み出し動作不良は、選択された浮遊ゲート電極(選択ビット)に隣接する浮遊ゲート電極(非選択ビット)の書込みレベルによって、選択ビットを読み出した時のしきい値電圧が変化してしまうことである。つまり、選択ビットの読み出し時のしきい値電圧が隣接する非選択ビットに蓄積されている電荷に影響されて変化してしまう。これは、選択ビットと隣接する非選択ビットの浮遊ゲート電極間の容量に影響される。   Here, the read operation failure due to the coupling between the floating gate electrodes is caused when the selected bit is read according to the write level of the floating gate electrode (non-selected bit) adjacent to the selected floating gate electrode (selected bit). That is, the threshold voltage changes. That is, the threshold voltage at the time of reading the selected bit changes due to the influence of the charge accumulated in the adjacent non-selected bits. This is affected by the capacitance between the selected bit and the floating gate electrode of the non-selected bit adjacent thereto.

そこで、浮遊ゲート電極間の容量を低減し、隣接する浮遊ゲート電極の電荷の影響を減らすことにより、上記読み出し不良を軽減することができると考えられる。しかしながら、この浮遊ゲート電極間の容量の低減は、書込み速度に影響を及ぼす浮遊ゲート電極上に形成される絶縁膜の容量と浮遊ゲート電極下に形成される絶縁膜の容量とのカップリング比の向上に対して、トレードオフの関係となっている。   Therefore, it is considered that the read failure can be reduced by reducing the capacitance between the floating gate electrodes and reducing the influence of the charge of the adjacent floating gate electrodes. However, this reduction in the capacitance between the floating gate electrodes is caused by the coupling ratio between the capacitance of the insulating film formed on the floating gate electrode and the capacitance of the insulating film formed below the floating gate electrode, which affects the writing speed. There is a trade-off relationship for improvement.

本発明の目的は、フラッシュメモリを有する半導体装置の信頼性を向上させることのできる技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique capable of improving the reliability of a semiconductor device having a flash memory.

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、浮遊ゲート電極上に形成された層間絶縁膜の表面形状が凹凸状である。   In the semiconductor device according to the present invention, the surface shape of the interlayer insulating film formed on the floating gate electrode is uneven.

また、本発明による半導体装置の製造方法は、後に浮遊ゲート電極となる導体層の表面形状を凹凸状にするものである。   In addition, the semiconductor device manufacturing method according to the present invention is such that the surface shape of a conductor layer that will later become a floating gate electrode is made uneven.

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.

浮遊ゲート電極上に形成された層間絶縁膜の表面形状を凹凸状にし、実質的な表面積を増大することにより、隣接する浮遊ゲート電極間の容量を低減できるので、メモリセルのしきい値電圧の変動を抑制または防止することができる。したがって、フラッシュメモリを有する半導体装置の信頼性を向上させることができる。   By making the surface shape of the interlayer insulating film formed on the floating gate electrode uneven and increasing the substantial surface area, the capacitance between adjacent floating gate electrodes can be reduced, so that the threshold voltage of the memory cell Variation can be suppressed or prevented. Therefore, the reliability of the semiconductor device having a flash memory can be improved.

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.

本実施の形態の半導体装置は、例えば4Gb(ギガビット)のAND型のフラッシュメモリである。図1は本発明の実施の形態の半導体装置のメモリセル領域M1の模式的な要部回路図である。なお、矢印Yは第1方向、この第1方向Yに直交する矢印Xは第2方向を示している。   The semiconductor device of the present embodiment is, for example, a 4 Gb (Gigabit) AND type flash memory. FIG. 1 is a schematic main circuit diagram of the memory cell region M1 of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. The arrow Y indicates the first direction, and the arrow X orthogonal to the first direction Y indicates the second direction.

メモリセル領域M1には、第1方向Yに延在する複数の補助ゲート配線(第1ゲート電極)AGLが第2方向Xに沿って並んで配置されている。また、メモリセル領域M1には、第2方向Xに延在する複数のワード線WLが第1方向Yに沿って並んで配置されている。さらに、メモリセル領域M1において、上記複数の補助ゲート配線AGLと上記複数のワード線WLとの各々の交点近傍には不揮発性メモリセル(以下、メモリセルという)MCが配置されている。   In the memory cell region M1, a plurality of auxiliary gate lines (first gate electrodes) AGL extending in the first direction Y are arranged along the second direction X. In the memory cell region M1, a plurality of word lines WL extending in the second direction X are arranged side by side along the first direction Y. Further, in the memory cell region M1, nonvolatile memory cells (hereinafter referred to as memory cells) MC are arranged in the vicinity of the intersections of the plurality of auxiliary gate lines AGL and the plurality of word lines WL.

各メモリセルMCは、互いに隣接するローカルデータ線BL(ドレイン線DLとソース線SL)の間に並列に接続されている。ただし、ドレイン線DLおよびソース線SLは、最初から半導体基板(以下、基板という)に形成されているものではなく、情報の書き込みや読み出しの際に、補助ゲート配線AGLに所望の電圧を印加することで、補助ゲート配線AGLに対向する基板部分に生じる反転層により形成されるようになっている。   Each memory cell MC is connected in parallel between adjacent local data lines BL (drain line DL and source line SL). However, the drain line DL and the source line SL are not formed on a semiconductor substrate (hereinafter referred to as a substrate) from the beginning, and a desired voltage is applied to the auxiliary gate wiring AGL when information is written or read. Thus, the inversion layer is formed in the substrate portion facing the auxiliary gate line AGL.

各メモリセルMCは、情報の記憶に寄与するメモリ用MISFETQmを有している。メモリ用MISFETQmは、浮遊ゲート電極(第2ゲート電極)と制御ゲート電極(第3ゲート電極)とを有している。メモリ用MISFETQmの浮遊ゲート電極は、情報の記憶に寄与する電荷が蓄積される電極である。メモリ用MISFETQmの制御ゲート電極は、ワード線WLの一部で形成されている。各ワード線WLには、第2方向Xに沿って配置された複数のメモリ用MISFETQmの制御ゲート電極が電気的に接続されている。ワード線WLの幅(短方向寸法、第1方向Y寸法)は、例えば90nmである。   Each memory cell MC has a memory MISFET Qm that contributes to information storage. The memory MISFET Qm has a floating gate electrode (second gate electrode) and a control gate electrode (third gate electrode). The floating gate electrode of the memory MISFET Qm is an electrode in which charges contributing to information storage are accumulated. The control gate electrode of the memory MISFET Qm is formed by a part of the word line WL. Each word line WL is electrically connected to control gate electrodes of a plurality of memory MISFETs Qm arranged along the second direction X. The width (short dimension, first dimension Y dimension) of the word line WL is, for example, 90 nm.

次に、図2は図1のメモリセル領域M1の要部平面図、図3(a)および(b)はそれぞれ図2のX1−X1線の断面図およびY1−Y1線の断面図である。なお、図2においては図面を見易くするため一部の部材は省略している。   Next, FIG. 2 is a plan view of the main part of the memory cell region M1 in FIG. 1, and FIGS. 3A and 3B are a sectional view taken along line X1-X1 and a sectional view taken along line Y1-Y1 in FIG. . In FIG. 2, some members are omitted for easy understanding of the drawing.

本実施の形態のフラッシュメモリのメモリセル領域M1は、メモリセルMC毎にコンタクトホールを持たない、いわゆるコンタクトレス型アレイとされている。基板1は、例えばp型のシリコン(Si)単結晶からなる。符号のDNWはn型埋込領域、符号のPWLはpウェルを示している。pウェルPWLは、その下層のn型埋込領域DNWに取り囲まれている。この基板1の主面上には、例えば酸化シリコン(SiO等、誘電率は、例えば3.8)からなるゲート絶縁膜2を介して、図2の第1方向Yに延在する帯状の複数の補助ゲート配線AGL(補助ゲート電極AG)が、互いに沿うように第2方向Xに向かって並んで配置されている。各補助ゲート配線AGLは、例えば低抵抗多結晶シリコンからなり、その各々の上面には、キャップ絶縁膜3が形成されている。キャップ絶縁膜3は、例えば窒化シリコン(Si等、誘電率は、例えば7〜8)により形成されており、その厚さは、例えば50nm程度である。また、各補助ゲート配線AGLおよびキャップ絶縁膜3の側面には、例えば酸化シリコンからなるサイドウォール(側壁絶縁膜)4が形成されている。 The memory cell region M1 of the flash memory according to the present embodiment is a so-called contactless type array having no contact hole for each memory cell MC. The substrate 1 is made of, for example, p-type silicon (Si) single crystal. The symbol DNW indicates an n-type buried region, and the symbol PWL indicates a p-well. The p well PWL is surrounded by the underlying n-type buried region DNW. On the main surface of the substrate 1, a band-like shape extending in the first direction Y in FIG. 2 via a gate insulating film 2 made of, for example, silicon oxide (SiO 2 or the like, having a dielectric constant of 3.8, for example) A plurality of auxiliary gate lines AGL (auxiliary gate electrodes AG) are arranged side by side in the second direction X so as to be along each other. Each auxiliary gate line AGL is made of, for example, low-resistance polycrystalline silicon, and a cap insulating film 3 is formed on each upper surface thereof. The cap insulating film 3 is made of, for example, silicon nitride (Si 3 N 4 or the like, the dielectric constant is 7 to 8 for example), and the thickness thereof is, for example, about 50 nm. Further, side walls (side wall insulating films) 4 made of, for example, silicon oxide are formed on the side surfaces of each auxiliary gate wiring AGL and the cap insulating film 3.

基板1にはドレイン線DL用およびソース線SL用のn型の半導体領域は形成されていない。フラッシュメモリの書き込みおよび読み出し動作時に補助ゲート配線AGLに所望の電圧を印加することにより、その補助ゲート配線AGLが対向する基板1の主面部分(pウェルPWL)にn型の反転層を形成し、これにより上記ドレイン線DL(ドレイン領域)およびソース線SL(ソース領域)を形成するようになっている。すなわち、反転層をローカルデータ線BLとして用いるため、メモリアレイ内に拡散層が不要であり、データ線ピッチの縮小を可能にしている。また、メモリアレイにはトレンチアイソレーション部が形成されていないので、メモリアレイの面積を縮小させることができる。さらに、隣接するメモリセルMCのドレイン線DLおよびソース線SLを共有した構成になるので、メモリアレイの占有面積を縮小させることができる。   N-type semiconductor regions for the drain line DL and the source line SL are not formed on the substrate 1. By applying a desired voltage to the auxiliary gate line AGL during the write and read operations of the flash memory, an n-type inversion layer is formed on the main surface portion (p well PWL) of the substrate 1 facing the auxiliary gate line AGL. Thus, the drain line DL (drain region) and the source line SL (source region) are formed. That is, since the inversion layer is used as the local data line BL, a diffusion layer is not required in the memory array, and the data line pitch can be reduced. In addition, since the trench isolation part is not formed in the memory array, the area of the memory array can be reduced. Further, since the drain line DL and the source line SL of the adjacent memory cells MC are shared, the area occupied by the memory array can be reduced.

補助ゲート配線AGLの上方には、上記キャップ絶縁膜3および層間用の絶縁膜(層間絶縁膜)5を介して、図2の第2方向Xに延在する帯状の複数のワード線WLが、互いに平行に沿うように図2の第1方向Yに向かって並んで配置されている。絶縁膜5は、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン(Si等)膜および酸化シリコン膜が下層から順に堆積された積層膜で形成されている。この絶縁膜5の表面形状は凹凸状をしている。後述するが、浮遊ゲート電極FGの表面形状が凹凸状であって、この浮遊ゲート電極FG上に例えばISSG酸化による酸化シリコン膜、CVD法による窒化シリコン膜、さらにISSG酸化によるによる酸化シリコン膜が堆積されることによって、絶縁膜5の表面形状が凹凸状となっている。 Above the auxiliary gate wiring AGL, a plurality of strip-like word lines WL extending in the second direction X of FIG. 2 through the cap insulating film 3 and the interlayer insulating film (interlayer insulating film) 5 They are arranged side by side in the first direction Y of FIG. 2 so as to be parallel to each other. The insulating film 5 is formed of, for example, a laminated film in which a silicon oxide film, a silicon nitride (Si 3 N 4 or the like) film, and a silicon oxide film are sequentially deposited from the lower layer. The surface shape of the insulating film 5 is uneven. As will be described later, the surface shape of the floating gate electrode FG is uneven, and a silicon oxide film by ISSG oxidation, a silicon nitride film by CVD, and a silicon oxide film by ISSG oxidation are deposited on the floating gate electrode FG. As a result, the surface shape of the insulating film 5 is uneven.

各ワード線WLは、例えば低抵抗多結晶シリコンとその上のタングステンシリサイド(WSi)との積層膜で形成されており、ワード線WLの一部が上記制御ゲート電極CGとなっている。各ワード線WL上には、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜6が形成されている。 Each word line WL is formed of, for example, a laminated film of low-resistance polycrystalline silicon and tungsten silicide (WSi x ) thereon, and a part of the word line WL serves as the control gate electrode CG. On each word line WL, an insulating film 6 made of, for example, silicon oxide is formed.

上記補助ゲート配線AGLの隣接間であって、ワード線WLが平面的に重なる位置、すなわち、制御ゲート電極CGと基板1との対向面間には、上記メモリ用MISFETQmの上記浮遊ゲート電極FGが他の部分と絶縁された状態で形成されている。浮遊ゲート電極FGは、例えば低抵抗多結晶シリコンからなり、基板1の主面上に、例えば酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜2を介して形成されている。   The floating gate electrode FG of the memory MISFET Qm is located between the adjacent adjoining auxiliary gate lines AGL and in a position where the word lines WL overlap in a plane, that is, between the opposing surfaces of the control gate electrode CG and the substrate 1. It is formed in a state of being insulated from other portions. The floating gate electrode FG is made of, for example, low-resistance polycrystalline silicon, and is formed on the main surface of the substrate 1 via a gate insulating film 2 made of, for example, a silicon oxide film.

また、浮遊ゲート電極FGは、上記サイドウォール4により補助ゲート配線AGLとの絶縁分離がなされ、上記絶縁膜5によりワード線WLとの絶縁分離がなされている。浮遊ゲート電極FGは、基板1の主面から浮遊ゲート電極FGの上面までの高さが、基板1の主面から補助ゲート配線AGLの上面までの高さよりも高い位置になるように形成されている。すなわち、浮遊ゲート電極FGは、断面凸状に形成されている。第2方向Xに沿って隣接する浮遊ゲート電極FGの隣接間隔は、例えば90nm程度である。   The floating gate electrode FG is insulated and separated from the auxiliary gate wiring AGL by the sidewall 4 and from the word line WL by the insulating film 5. The floating gate electrode FG is formed so that the height from the main surface of the substrate 1 to the upper surface of the floating gate electrode FG is higher than the height from the main surface of the substrate 1 to the upper surface of the auxiliary gate wiring AGL. Yes. That is, the floating gate electrode FG is formed in a convex shape in cross section. An interval between adjacent floating gate electrodes FG along the second direction X is, for example, about 90 nm.

また、浮遊ゲート電極FGの表面形状は凹凸状となっている。後述するが、半導体基板1の主面に高濃度リンを吹き付けて、例えば560℃〜570℃程度で熱処理を行うことにより、露出している多結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極FGの表面形状を凹凸状にしている。   Further, the surface shape of the floating gate electrode FG is uneven. As will be described later, the surface shape of the exposed floating gate electrode FG made of polycrystalline silicon is uneven by spraying high-concentration phosphorus on the main surface of the semiconductor substrate 1 and performing a heat treatment at about 560 ° C. to 570 ° C., for example. It is in the shape.

このような基板1の主面上には、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜7、8が下方から順に堆積されている。この絶縁膜7は、第1方向Yに互いに隣接するワード線WL間および第1方向Yに互いに隣接する浮遊ゲート電極FG間に埋め込まれており、この絶縁膜7により、第1方向Yに互いに隣接するワード線WL間および第1方向Yに互いに隣接する浮遊ゲート電極FG間が絶縁分離されている。   On the main surface of the substrate 1, insulating films 7 and 8 made of, for example, silicon oxide are sequentially deposited from below. The insulating film 7 is buried between the word lines WL adjacent to each other in the first direction Y and between the floating gate electrodes FG adjacent to each other in the first direction Y. The adjacent word lines WL and the floating gate electrodes FG adjacent to each other in the first direction Y are insulated and separated.

ここで、例えば1Gbのフラッシュメモリのように、補助ゲート配線AGLの隣接間に断面凹状の浮遊ゲート電極を形成する構成の場合には、メモリセルMCが縮小されると補助ゲート配線AGLの隣接間隔も狭くなるので、浮遊ゲート電極FGを形成するための導体膜の厚さを薄くしなければならず、浮遊ゲート電極FGの加工が難しくなる。これに対して、本実施の形態で示すように、浮遊ゲート電極FGを断面凸状とする場合は、メモリセルMCを縮小しても、浮遊ゲート電極FGの加工を容易にすることができるため、メモリセルMCの微細化を推進できる。   Here, for example, in the case of a configuration in which a floating gate electrode having a concave cross section is formed between adjacent auxiliary gate lines AGL as in a 1 Gb flash memory, when the memory cell MC is reduced, the adjacent interval between the auxiliary gate lines AGL. Therefore, the thickness of the conductor film for forming the floating gate electrode FG must be reduced, and the processing of the floating gate electrode FG becomes difficult. On the other hand, as shown in this embodiment mode, when the floating gate electrode FG has a convex cross section, the floating gate electrode FG can be easily processed even if the memory cell MC is reduced. Therefore, miniaturization of the memory cell MC can be promoted.

また、浮遊ゲート電極FGと制御ゲート電極CGとの容量は、浮遊ゲート電極FGの凸状側壁面および凸状上面に形成されるので、最小加工寸法がさらに縮小されても、浮遊ゲート電極FGの高さを増すことで浮遊ゲート電極FGと制御ゲート電極CGとの対向面積を増大させることができる。さらに、隣接する浮遊ゲート電極FG間の容量は、浮遊ゲート電極FG上に形成された層間絶縁膜5の表面形状が凹凸状であることにより、実行的な表面積を増大させることができる。すなわち、メモリセルMCの占有面積を増大させることなく容量を増大させることができるので、浮遊ゲート電極FGと制御ゲート電極CGとのカップリング比および隣接する浮遊ゲート電極FG間のカップリング比を向上させることができる。   Further, since the capacitance between the floating gate electrode FG and the control gate electrode CG is formed on the convex side wall surface and the convex upper surface of the floating gate electrode FG, even if the minimum processing size is further reduced, the capacitance of the floating gate electrode FG is reduced. By increasing the height, the facing area between the floating gate electrode FG and the control gate electrode CG can be increased. Further, the capacitance between adjacent floating gate electrodes FG can increase the effective surface area because the surface shape of the interlayer insulating film 5 formed on the floating gate electrode FG is uneven. That is, since the capacity can be increased without increasing the area occupied by the memory cell MC, the coupling ratio between the floating gate electrode FG and the control gate electrode CG and the coupling ratio between adjacent floating gate electrodes FG are improved. Can be made.

このため、制御ゲート電極CGによる浮遊ゲート電極FGの電圧制御の制御性を向上させることができるので、低い電圧でもフラッシュメモリの書き込みおよび消去の速度を向上させることができ、フラッシュメモリの動作電圧を低電圧化することができる。また、隣接するメモリセルMC(浮遊ゲート電極FG)間に寄生する容量を低減できるので、メモリセルMC(メモリ用MISFETQm)のしきい値電圧の変動を抑制または防止することができる。したがって、フラッシュメモリの信頼性を向上させることができる。   Therefore, the controllability of the voltage control of the floating gate electrode FG by the control gate electrode CG can be improved, so that the writing and erasing speed of the flash memory can be improved even at a low voltage, and the operating voltage of the flash memory can be reduced. The voltage can be lowered. In addition, since the parasitic capacitance between adjacent memory cells MC (floating gate electrode FG) can be reduced, fluctuations in the threshold voltage of the memory cell MC (memory MISFET Qm) can be suppressed or prevented. Therefore, the reliability of the flash memory can be improved.

次に、本実施の形態のフラッシュメモリのデータ読み出し動作の一例を図1〜図3により説明する。   Next, an example of the data read operation of the flash memory according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

データ読み出し動作では、選択するメモリセルMCのメモリ用MISFETQm(Qm0)の制御ゲート電極が接続されるワード線WLに、例えば2〜5V程度を印加して選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のしきい値を判定する。また、それ以外のワード線WLに、例えば0Vまたは−2V程度の負電圧を印加して非選択メモリ用MISFETQmをオフ状態にする。   In the data read operation, for example, about 2 to 5 V is applied to the word line WL to which the control gate electrode of the memory MISFET Qm (Qm0) of the selected memory cell MC is connected, and the threshold value of the selected memory MISFET Qm (Qm0). Determine. Further, a negative voltage of, for example, about 0 V or −2 V is applied to the other word lines WL to turn off the unselected memory MISFET Qm.

また、選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のソースおよびドレイン形成用の補助ゲート配線AGLに、例えば5V程度を印加することにより、補助ゲート配線AGLに対向する基板1の主面部分にそれぞれソース線SLおよびドレイン線DL用のn型の反転層を形成する。また、それ以外の補助ゲート配線AGLには、例えば0Vを印加することで、これら補助ゲート配線AGLが対向する基板1の主面部分に反転層が形成されないようにして、選択メモリ用MISFETQm(Qm0)と非選択メモリ用MISFETQmとのアイソレーションを行う。   Further, by applying about 5 V, for example, to the auxiliary gate wiring AGL for forming the source and drain of the selected memory MISFET Qm (Qm0), the source line SL and the main surface portion of the substrate 1 facing the auxiliary gate wiring AGL are respectively applied. An n-type inversion layer for the drain line DL is formed. In addition, by applying 0 V to the other auxiliary gate lines AGL, for example, an inversion layer is not formed on the main surface portion of the substrate 1 opposed to the auxiliary gate lines AGL, so that the MISFET Qm (Qm0) for the selected memory is formed. And the MISFET Qm for non-selected memory are isolated.

この状態で、選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のソース線SL用のn型の反転層が接続されるグローバルデータ線に、例えば1V程度を印加する一方、他のグローバルデータ線に、例えば0Vを印加する。この状態で、共通ドレイン配線に印加された0V程度の電圧をドレイン線DL用のn型の反転層を通じて選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のドレインに供給する。このようにすることで、グローバルデータ線から共通ドレイン配線に向かって読み出しの電流Iを流すようにして選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のデータ読み出しを行う。 In this state, for example, about 1 V is applied to the global data line to which the n-type inversion layer for the source line SL of the selected memory MISFET Qm (Qm0) is connected, while 0 V is applied to the other global data lines. To do. In this state, a voltage of about 0 V applied to the common drain wiring is supplied to the drain of the selected memory MISFET Qm (Qm0) through the n-type inversion layer for the drain line DL. By doing so, reading data of MISFETQm selection memory so as to flow a common drain read toward the wiring current I R from the global data line (Qm0).

この時、浮遊ゲート電極FGの蓄積電荷の状態で、選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のしきい値電圧が変わるので、選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のソースおよびドレイン間に流れる電流の状況で、選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のデータを判断できる。   At this time, the threshold voltage of the selected memory MISFET Qm (Qm0) changes depending on the state of the charge stored in the floating gate electrode FG. Therefore, the selected memory MISFET Qm (Qm0) is selected depending on the current flowing between the source and drain. Data of the memory MISFET Qm (Qm0) can be determined.

本実施の形態によれば、浮遊ゲート電極FG上の絶縁膜5の表面形状を凹凸状にすることにより、隣接するビット(メモリセルMC)間に寄生する容量を低減できるので、メモリセルMC(メモリ用MISFETQm)のしきい値電圧の変動を抑制または防止することができる。したがって、フラッシュメモリの信頼性を向上させることができる。   According to the present embodiment, the parasitic capacitance between adjacent bits (memory cells MC) can be reduced by making the surface shape of the insulating film 5 over the floating gate electrode FG uneven, so that the memory cells MC ( It is possible to suppress or prevent fluctuations in the threshold voltage of the memory MISFET Qm). Therefore, the reliability of the flash memory can be improved.

次に、本実施の形態のフラッシュメモリのデータ読み出し動作の一例を図1〜図3により説明する。なお、データ書き込みは、ソース側選択および定電荷注入によるソースサイドホットエレクトロン注入方式を前提とする。これにより、高速で、低電流で効率的なデータ書き込みが可能となっている。   Next, an example of the data read operation of the flash memory according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. Data writing is premised on a source side hot electron injection method by source side selection and constant charge injection. Thus, efficient data writing can be performed at high speed with low current.

データ書き込み動作では、選択メモリセルMCのメモリ用MISFETQm(Qm0)の制御ゲート電極CGが接続されるワード線WLに、例えば13V〜15V程度、それ以外のワード線WL等に、例えば0Vを印加する。   In the data write operation, for example, about 13V to 15V is applied to the word line WL to which the control gate electrode CG of the memory MISFETQm (Qm0) of the selected memory cell MC is connected, and for example, 0V is applied to the other word lines WL. .

また、選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のソース形成用の補助ゲート配線AGLに、例えば2V程度を印加し、選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のドレイン形成用の補助ゲート配線AGLに、例えば7V程度を印加することにより、補助ゲート配線AGLに対向する基板1の主面部分にソース形成用のn型の反転層を形成し、補助ゲート配線AGLに対向する基板1の主面部分にドレイン形成用のn型の反転層を形成する。他の補助ゲート配線AGLには、例えば0Vを印加することで、これら補助ゲート配線AGLに対向する基板1の主面部分に反転層が形成されないようにし、選択メモリ用MISFETQm(Qm0)と非選択メモリ用MISFETQmとの間のアイソレーションを行う。   For example, about 2 V is applied to the auxiliary gate wiring AGL for forming the source of the selected memory MISFET Qm (Qm0), and about 7 V is applied to the auxiliary gate wiring AGL for forming the drain of the selected memory MISFET Qm (Qm0). As a result, an n-type inversion layer for forming a source is formed on the main surface portion of the substrate 1 facing the auxiliary gate wiring AGL, and n for forming a drain is formed on the main surface portion of the substrate 1 facing the auxiliary gate wiring AGL. A mold inversion layer is formed. For example, 0 V is applied to the other auxiliary gate lines AGL so that an inversion layer is not formed on the main surface portion of the substrate 1 facing the auxiliary gate lines AGL, and the selected memory MISFET Qm (Qm0) is not selected. Isolation with the memory MISFET Qm is performed.

この状態で、共通ドレイン配線に印加された4V程度の電圧をドレイン線DL用のn型の反転層を通じて選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のドレインに供給する。また、選択メモリ用MISFETQm(Qm0)のソース線SL用のn型の反転層が接続されるグローバルデータ線に、例えば0Vを印加する。また、pウェルPWLを、例えば0Vに保持する。   In this state, a voltage of about 4 V applied to the common drain wiring is supplied to the drain of the selected memory MISFET Qm (Qm0) through the n-type inversion layer for the drain line DL. Further, for example, 0 V is applied to the global data line to which the n-type inversion layer for the source line SL of the selected memory MISFET Qm (Qm0) is connected. Further, the p well PWL is held at 0V, for example.

この時、選択メモリ用MISFETQm(Qm0)にはドレインからソースに向かって書き込みの電流Iが流れ、この時にソース側のn型の反転層に蓄積した電荷を、ある一定のチャネル電流としてゲート絶縁膜2を介して浮遊ゲート電極FGに効率的に注入する(定電荷注入方式)。これにより選択メモリ用MISFETQm(Qm0)にデータを高速で書き込む。一方、上記非選択メモリ用MISFETQmのドレインからソースにはドレイン電流が流れないようにしてデータが書き込まれないようにする。 At this time, current I w of writing flows from the drain to the source in MISFETQm for selection memory (Qm0), the charge accumulated in the inversion layer of the n-type source side when the gate insulating as certain channel current The floating gate electrode FG is efficiently injected through the film 2 (constant charge injection method). As a result, data is written to the selected memory MISFET Qm (Qm0) at high speed. On the other hand, the drain current does not flow from the drain to the source of the unselected memory MISFET Qm so that data is not written.

また、個々のメモリセルMC(メモリ用MISFETQm)には多値のデータを記憶することが可能となっている。この多値記憶は、例えばワード線WLの書き込み電圧は一定にし、書き込み時間を変えることで、浮遊ゲート電極FGへ注入するホットエレクトロンの量を変化させることで行なうため、何種類かのしきい値レベルを有するメモリセルMCを形成することができる。すなわち、“00”/“01”/“10”/“11”等のような4つ以上の値を記憶できる。このため、1つのメモリセルMCで2つのメモリセルMC分の働きを実現できる。したがって、フラッシュメモリの小型化を実現できる。   In addition, multi-value data can be stored in each memory cell MC (memory MISFET Qm). This multi-value storage is performed by changing the amount of hot electrons injected into the floating gate electrode FG by changing the write time by keeping the write voltage of the word line WL constant, for example. A memory cell MC having a level can be formed. That is, four or more values such as “00” / “01” / “10” / “11” can be stored. For this reason, the function for two memory cells MC can be realized by one memory cell MC. Therefore, it is possible to reduce the size of the flash memory.

次に、本実施の形態のフラッシュメモリのデータ消去動作の一例を図1〜図3により説明する。データの消去動作時では、選択対象のワード線WLに負電圧を印加することにより、浮遊ゲート電極FGから基板1へのF−N(Fowler Nordheim)トンネル放出により行う。すなわち、選択対象のワード線WLに、例えば−16V程度を印加する一方、基板1に正の電圧を印加する。補助ゲート配線AGLには、例えば0Vを印加し、n型の反転層を形成しない。これにより、浮遊ゲート電極FGに蓄積されたデータ用の電荷を、ゲート絶縁膜2を介して基板1に放出し、複数のメモリセルMCのデータを一括消去する。   Next, an example of the data erasing operation of the flash memory according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In the data erasing operation, a negative voltage is applied to the word line WL to be selected, thereby performing FN (Fowler Nordheim) tunnel emission from the floating gate electrode FG to the substrate 1. That is, for example, about −16 V is applied to the word line WL to be selected, while a positive voltage is applied to the substrate 1. For example, 0 V is applied to the auxiliary gate wiring AGL, and no n-type inversion layer is formed. As a result, the charge for data stored in the floating gate electrode FG is discharged to the substrate 1 through the gate insulating film 2, and the data in the plurality of memory cells MC are erased collectively.

次に、本実施の形態のフラッシュメモリの製造方法を図4〜図13により説明する。なお、図4〜図13の(a)および(b)は、それぞれ図2のX1−X1線およびY1−Y1線に相当する箇所の断面図を示している。   Next, a method for manufacturing the flash memory according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4A to 13B are sectional views of portions corresponding to the X1-X1 line and the Y1-Y1 line in FIG. 2, respectively.

まず、図4に示すように、p型のシリコン(Si)単結晶からなる基板1(この段階では半導体ウェハと称する平面略円形状の半導体板)を用意し、この基板1にn型埋込領域DNWおよびpウェルPWLを順に形成する。次いで、基板1のpウェルPWL上に、例えば酸化シリコン等からなる厚さ10nm程度のゲート絶縁膜2を、例えばISSG(In-Situ Steam Generation)酸化法のような熱酸化法により形成する。   First, as shown in FIG. 4, a substrate 1 made of p-type silicon (Si) single crystal (planar substantially circular semiconductor plate called a semiconductor wafer at this stage) is prepared, and n-type embedded in this substrate 1. Region DNW and p well PWL are sequentially formed. Next, a gate insulating film 2 made of, for example, silicon oxide and having a thickness of about 10 nm is formed on the p-well PWL of the substrate 1 by a thermal oxidation method such as an ISSG (In-Situ Steam Generation) oxidation method.

続いて、基板1の主面上に、例えばリン(P)をドープした低抵抗多結晶シリコンからなる導体膜(第1導体層)10を堆積し、その上に、例えば窒化シリコンからなるキャップ絶縁膜(第1絶縁膜)3を堆積し、さらにその上に、例えば酸化シリコンからなるダミー絶縁膜(第2絶縁膜)11を堆積する。導体膜10、キャップ絶縁膜3およびダミー絶縁膜11は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積する。   Subsequently, a conductor film (first conductor layer) 10 made of low resistance polycrystalline silicon doped with, for example, phosphorus (P) is deposited on the main surface of the substrate 1, and a cap insulation made of, for example, silicon nitride is deposited thereon. A film (first insulating film) 3 is deposited, and a dummy insulating film (second insulating film) 11 made of, for example, silicon oxide is further deposited thereon. The conductor film 10, the cap insulating film 3, and the dummy insulating film 11 are deposited by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

続いて、図5に示すように、ダミー絶縁膜11、キャップ絶縁膜3および導体膜10を、エッチングマスクを用いたドライエッチング処理によりパターニングすることにより、導体膜10による補助ゲート配線AGLを形成する。この段階のダミー絶縁膜11、キャップ絶縁膜3および補助ゲート配線AGLは、上記第1方向Yに延在する帯状のパターンとされ、ストライプ状に配置されている。   Subsequently, as shown in FIG. 5, the dummy insulating film 11, the cap insulating film 3, and the conductor film 10 are patterned by dry etching using an etching mask, thereby forming the auxiliary gate wiring AGL by the conductor film 10. . The dummy insulating film 11, the cap insulating film 3, and the auxiliary gate wiring AGL at this stage have a strip-like pattern extending in the first direction Y and are arranged in stripes.

続いて、図6に示すように、基板1(半導体ウエハ)に対して、例えばISSG酸化法等のような熱酸化処理を施し、補助ゲート配線AGL等の側面に例えば酸化シリコンからなる良質な絶縁膜を形成した後、基板1の主面上に、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜4Aを、例えばTEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)ガスを用いたCVD法により堆積する。絶縁膜4Aは、上記ダミー絶縁膜11、キャップ絶縁膜3および補助ゲート配線AGLで形成されるストライプパターンの隣接間を完全に埋め込んでしまわないように堆積する。   Subsequently, as shown in FIG. 6, the substrate 1 (semiconductor wafer) is subjected to a thermal oxidation process such as an ISSG oxidation method, and high-quality insulation made of, for example, silicon oxide on the side surfaces of the auxiliary gate wiring AGL and the like. After the film is formed, an insulating film 4A made of, for example, silicon oxide is deposited on the main surface of the substrate 1 by, for example, a CVD method using TEOS (Tetra Ethyl Ortho Silicate) gas. The insulating film 4A is deposited so as not to completely fill the adjacent portions of the stripe pattern formed by the dummy insulating film 11, the cap insulating film 3, and the auxiliary gate wiring AGL.

続いて、図7に示すように、絶縁膜4Aをエッチバックすることにより、補助ゲート配線AGL、キャップ絶縁膜3およびダミー絶縁膜11の積層パターンの側面にサイドウォール(側壁絶縁膜)4を形成する。次いで、基板1(半導体ウエハ)の主面上に、例えば低抵抗多結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極形成用の導体膜(第2導体層)12を、上記ダミー絶縁膜11、キャップ絶縁膜3および補助ゲート配線AGLで形成されるストライプパターンの隣接間が完全に埋まるようにCVD法等により堆積する。   Subsequently, as shown in FIG. 7, sidewalls (sidewall insulating films) 4 are formed on the side surfaces of the laminated pattern of the auxiliary gate wiring AGL, the cap insulating film 3 and the dummy insulating film 11 by etching back the insulating film 4A. To do. Next, on the main surface of the substrate 1 (semiconductor wafer), a floating gate electrode forming conductor film (second conductor layer) 12 made of, for example, low-resistance polycrystalline silicon, the dummy insulating film 11, the cap insulating film 3 and Deposition is performed by a CVD method or the like so that the adjacent portion of the stripe pattern formed by the auxiliary gate wiring AGL is completely filled.

続いて、図8に示すように、基板1の主面上の導体膜12に対して、異方性のドライエッチング法によるエッチバック処理またはCMP(化学機械研磨)処理を施すことにより、上記ダミー絶縁膜11、キャップ絶縁膜3および補助ゲート配線AGLで形成されるストライプパターンの隣接間に浮遊ゲート電極形成用の導体パターン12a(第2導体層)を形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 8, the conductive film 12 on the main surface of the substrate 1 is subjected to an etch-back process by an anisotropic dry etching method or a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process, whereby the dummy film is formed. A conductive pattern 12a (second conductive layer) for forming a floating gate electrode is formed between adjacent stripe patterns formed by the insulating film 11, the cap insulating film 3, and the auxiliary gate wiring AGL.

続いて、図9に示すように、ダミー絶縁膜11およびサイドウォール4を、ドライエッチング法またはウエットエッチング法等によりエッチングする。この際、酸化シリコンの方が、シリコンおよび窒化シリコンよりも除去され易くなるように、酸化シリコンと、シリコンおよび窒化シリコンとのエッチング選択比を大きくとる。これにより、窒化シリコンからなるキャップ絶縁膜3をエッチングストッパとして機能させる。また、酸化シリコンからなるダミー絶縁膜11は全て除去されるが、酸化シリコンからなるサイドウォール4はその上部が除去され、補助ゲート配線AGLの側面に残される。   Subsequently, as shown in FIG. 9, the dummy insulating film 11 and the sidewalls 4 are etched by a dry etching method or a wet etching method. At this time, the etching selectivity between silicon oxide, silicon, and silicon nitride is increased so that silicon oxide is easier to remove than silicon and silicon nitride. Thereby, the cap insulating film 3 made of silicon nitride is caused to function as an etching stopper. Further, all of the dummy insulating film 11 made of silicon oxide is removed, but the upper portion of the side wall 4 made of silicon oxide is removed and left on the side surface of the auxiliary gate wiring AGL.

続いて、図10に示すように、基板1(半導体ウェハ)の主面に高濃度リンを吹き付けて、例えば560℃〜570℃程度で熱処理を行うことにより、露出している多結晶シリコンからなる導体パターン12aの表面形状を凹凸状にする。言い換えると、導体パターン12aの表面には、凹凸部12bが形成されることとなる。   Subsequently, as shown in FIG. 10, high-concentration phosphorus is sprayed on the main surface of the substrate 1 (semiconductor wafer), and heat treatment is performed at, for example, about 560 ° C. to 570 ° C., thereby forming the exposed polycrystalline silicon. The surface shape of the conductor pattern 12a is made uneven. In other words, the uneven portion 12b is formed on the surface of the conductor pattern 12a.

続いて、図11に示すように、浮遊ゲート電極と制御ゲート電極とを電気的に絶縁する層間用の絶縁膜(層間絶縁膜)5を基板1(半導体ウェハ)の主面上に形成する。この層間膜用の絶縁膜5には、例えば酸化シリコン膜/窒化シリコン膜/酸化シリコン膜の積層膜(ONO(Oxide Nitride Oxide)膜)を用いることができる。これら酸化シリコン膜は例えばISSG酸化法によって形成され、窒化シリコン膜は例えばCVD法によって形成される。この絶縁膜5は、表面形状が凹凸状の導体パターン12a上に形成されるため、絶縁膜5の表面形状も凹凸状となる。言い換えると、導体パターン12aの表面に形成された多結晶シリコンからなる種(凹凸部)12bを核として、酸化シリコン膜/窒化シリコン膜/酸化シリコン膜の積層膜からなる絶縁膜5が形成され、その絶縁膜5の表面形状が、凹凸状となる。   Subsequently, as shown in FIG. 11, an interlayer insulating film (interlayer insulating film) 5 for electrically insulating the floating gate electrode and the control gate electrode is formed on the main surface of the substrate 1 (semiconductor wafer). As the insulating film 5 for the interlayer film, for example, a laminated film (ONO (Oxide Nitride Oxide) film) of silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film can be used. These silicon oxide films are formed by, for example, the ISSG oxidation method, and the silicon nitride film is formed by, for example, the CVD method. Since the insulating film 5 is formed on the conductor pattern 12a having a concavo-convex surface, the surface shape of the insulating film 5 is also concavo-convex. In other words, the insulating film 5 made of a laminated film of silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film is formed with the seed (uneven portion) 12b made of polycrystalline silicon formed on the surface of the conductor pattern 12a as a nucleus, The surface shape of the insulating film 5 is uneven.

続いて、基板1(半導体ウエハ)の主面内の絶縁膜5上に、ワード線形成用の導体膜(第3導体層)13を堆積する。導体膜13は、例えば低抵抗多結晶シリコン膜およびタングステンシリサイド膜をCVD法等により下層から順に堆積することで形成されている。次いで、基板1(半導体ウエハ)の主面内の導体膜13上に、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜6を、例えばオゾン(O)ガスとTEOSガスとの混合ガスを用いたCVD法により堆積する。次いで、基板1(半導体ウエハ)の主面内の絶縁膜6上に、例えば多結晶シリコンからなるキャップ膜(マスキング層)15をCVD法等によって堆積する。 Subsequently, a conductor film (third conductor layer) 13 for forming a word line is deposited on the insulating film 5 in the main surface of the substrate 1 (semiconductor wafer). The conductor film 13 is formed by sequentially depositing, for example, a low resistance polycrystalline silicon film and a tungsten silicide film from the lower layer by the CVD method or the like. Next, an insulating film 6 made of, for example, silicon oxide is deposited on the conductor film 13 in the main surface of the substrate 1 (semiconductor wafer) by, for example, a CVD method using a mixed gas of ozone (O 3 ) gas and TEOS gas. To do. Next, a cap film (masking layer) 15 made of, for example, polycrystalline silicon is deposited on the insulating film 6 in the main surface of the substrate 1 (semiconductor wafer) by a CVD method or the like.

続いて、図12に示すように、ホトリソグラフィおよびエッチング法によって、キャップ膜15からキャップパターン15aを形成する。メモリセル領域には、ワード線形成用の複数のキャップパターン15aが形成されている。キャップパターン15aは図12の紙面に対して垂直な方向に延びる平面帯状のパターンとされている。このキャップパターン15aの隣接間からは絶縁膜6の表面一部が露出されている。   Subsequently, as shown in FIG. 12, a cap pattern 15a is formed from the cap film 15 by photolithography and etching. In the memory cell region, a plurality of cap patterns 15a for forming word lines are formed. The cap pattern 15a is a flat belt-like pattern extending in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. A part of the surface of the insulating film 6 is exposed from between adjacent cap patterns 15a.

続いて、図13に示すように、キャップパターン15aをエッチングマスクとして、そこから露出する絶縁膜6および導体膜13をドライエッチング処理によりエッチング除去することにより、導体膜13からなるワード線WLを形成する。なお、導体膜13をエッチング除去する際にキャップパターン15aも除去される。   Subsequently, as shown in FIG. 13, by using the cap pattern 15a as an etching mask, the insulating film 6 and the conductor film 13 exposed from the cap pattern 15a are removed by dry etching, thereby forming the word line WL made of the conductor film 13. To do. The cap pattern 15a is also removed when the conductor film 13 is removed by etching.

続いて、残された絶縁膜6のパターンをエッチングマスクとして、そこから露出する絶縁膜5および導体パターン12aをドライエッチング法によって除去する。これにより、メモリ領域(メモリセル領域M1およびメモリセル周辺領域)に、導体パターン12aからなる複数の浮遊ゲート電極FGを形成する。   Subsequently, using the remaining pattern of the insulating film 6 as an etching mask, the insulating film 5 and the conductor pattern 12a exposed therefrom are removed by a dry etching method. Thereby, a plurality of floating gate electrodes FG made of the conductor pattern 12a are formed in the memory region (the memory cell region M1 and the memory cell peripheral region).

続いて、基板1(半導体ウエハ)の主面上に、上記絶縁膜7(図3参照)をCVD法等により堆積する。これにより、ワード線WLの隣接間、浮遊ゲート電極FGの隣接間および補助ゲート配線AGLの隣接間等に絶縁膜7が埋め込まれる。続いて、基板1(半導体ウエハ)の主面上に、上記絶縁膜8(図3参照)をCVD法等により堆積した後、その上面を、例えばCMP法等により平坦にする。その後、基板1(半導体ウエハ)の主面上に、金属膜を堆積した後、これをパターニングして配線を形成する。このようにして、メモリセルMCを持つフラッシュメモリを製造した(図3参照)。   Subsequently, the insulating film 7 (see FIG. 3) is deposited on the main surface of the substrate 1 (semiconductor wafer) by a CVD method or the like. As a result, the insulating film 7 is buried between adjacent word lines WL, adjacent floating gate electrodes FG, adjacent auxiliary gate lines AGL, and the like. Subsequently, after the insulating film 8 (see FIG. 3) is deposited on the main surface of the substrate 1 (semiconductor wafer) by a CVD method or the like, the upper surface thereof is flattened by, for example, a CMP method or the like. Then, after depositing a metal film on the main surface of the substrate 1 (semiconductor wafer), this is patterned to form wiring. In this way, a flash memory having memory cells MC was manufactured (see FIG. 3).

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.

例えば、前記実施の形態では、主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるフラッシュメモリの製造方法に適用した場合について説明したが、それに限定されるものではなく種々適用可能であり、例えば同一基板にフラッシュメモリとマイクロプロセッサ等のようなロジック回路とを持つ半導体装置の製造方法にも適用できる。   For example, in the above-described embodiment, the case where the invention made mainly by the present inventor is applied to the flash memory manufacturing method which is the field of use behind the invention has been described. However, the present invention is not limited to this and can be applied in various ways. For example, the present invention can also be applied to a method for manufacturing a semiconductor device having a flash memory and a logic circuit such as a microprocessor on the same substrate.

本発明は、半導体装置を製造する製造業に幅広く利用されるものである。   The present invention is widely used in the manufacturing industry for manufacturing semiconductor devices.

本発明の実施の形態の半導体装置のメモリセル領域の模式的な要部回路図である。FIG. 3 is a schematic main circuit diagram of a memory cell region of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 図1のメモリセル領域の要部平面図である。FIG. 2 is a plan view of a main part of a memory cell region in FIG. (a)および(b)はそれぞれ図2のX1−X1線およびY1−Y1線の断面図である。(A) And (b) is sectional drawing of the X1-X1 line | wire and Y1-Y1 line | wire of FIG. 2, respectively. 本発明の実施の形態の製造工程中の半導体装置のメモリ領域を模式的に示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows typically the memory area | region of the semiconductor device in the manufacturing process of embodiment of this invention. 図4に続く製造工程中の半導体装置のメモリ領域を模式的に示す要部断面図である。FIG. 5 is a main part cross-sectional view schematically showing a memory region of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 4; 図5に続く製造工程中の半導体装置のメモリ領域を模式的に示す要部断面図である。FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view schematically showing a memory region of the semiconductor device in the manufacturing process subsequent to FIG. 5; 図6に続く製造工程中の半導体装置のメモリ領域を模式的に示す要部断面図である。FIG. 7 is a main part sectional view schematically showing a memory region of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 6; 図7に続く製造工程中の半導体装置のメモリ領域を模式的に示す要部断面図である。FIG. 8 is a fragmentary cross-sectional view schematically showing a memory region of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 7. 図8に続く製造工程中の半導体装置のメモリ領域を模式的に示す要部断面図である。FIG. 9 is a main part cross-sectional view schematically showing the memory region of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 8; 図9に続く製造工程中の半導体装置のメモリ領域を模式的に示す要部断面図である。FIG. 10 is a main part cross-sectional view schematically showing the memory region of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 9; 図10に続く製造工程中の半導体装置のメモリ領域を模式的に示す要部断面図である。FIG. 11 is a main part cross-sectional view schematically showing the memory region of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 10; 図11に続く製造工程中の半導体装置のメモリ領域を模式的に示す要部断面図である。FIG. 12 is a main part cross-sectional view schematically showing the memory region of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 11; 図12に続く製造工程中の半導体装置のメモリ領域を模式的に示す要部断面図である。FIG. 13 is a fragmentary cross-sectional view schematically showing a memory region of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 12. 本発明者らが検討したフラッシュメモリのメモリ領域を模式的に示す要部平面図である。It is a principal part top view which shows typically the memory area of the flash memory which the present inventors examined. (a)および(b)は、それぞれ図14のX1−X1線およびY1−Y1線の断面図である。(A) And (b) is sectional drawing of the X1-X1 line | wire and Y1-Y1 line | wire of FIG. 14, respectively.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 ゲート絶縁膜
3 キャップ絶縁膜(第1絶縁膜)
4 サイドウォール(側壁絶縁膜)
4A 絶縁膜
5 絶縁膜(層間絶縁膜)
6、7、8 絶縁膜
10 導体膜(第1導体層)
11 ダミー絶縁膜(第2絶縁膜)
12 導体膜(第2導体層)
12a 導体パターン
12b 凹凸部(種)
13 導体膜(第3導体層)
15 キャップ膜
15a キャップパターン
AG 補助ゲート電極(第1ゲート電極)
AGL 補助ゲート配線
BL ローカルデータ線
CG 制御ゲート電極(第3ゲート電極)
DL ドレイン線
DNW n型埋込領域
FG 浮遊ゲート電極(第2ゲート電極)
M1、M2 メモリセル領域
MC メモリセル
PWL pウェル
Qm メモリ用MISFET
SL ソース線
WL ワード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Gate insulating film 3 Cap insulating film (1st insulating film)
4 Side wall (side wall insulating film)
4A Insulating film 5 Insulating film (interlayer insulating film)
6, 7, 8 Insulating film 10 Conductor film (first conductor layer)
11 Dummy insulating film (second insulating film)
12 Conductor film (second conductor layer)
12a Conductor pattern 12b Uneven portion (seed)
13 Conductor film (third conductor layer)
15 Cap film 15a Cap pattern AG Auxiliary gate electrode (first gate electrode)
AGL Auxiliary gate line BL Local data line CG Control gate electrode (third gate electrode)
DL drain line DNW n-type buried region FG Floating gate electrode (second gate electrode)
M1, M2 Memory cell area MC Memory cell PWL p well Qm MISFET for memory
SL Source line WL Word line

Claims (5)

半導体基板と、
前記半導体基板の主面上にゲート絶縁膜を介して形成され、前記半導体基板の主面に沿って第1方向に延在した状態で形成された複数の第1ゲート電極と、
前記第1ゲート電極上に形成されたキャップ絶縁膜と、
前記第1ゲート電極の側壁に形成された側壁絶縁膜と、
前記複数の第1ゲート電極の隣接間において、前記側壁絶縁膜により前記第1ゲート電極とは電気的に絶縁された状態で形成され、前記半導体基板の主面上に前記ゲート絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、
前記キャップ絶縁膜および前記第2ゲート電極を覆うように形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に、前記第1方向に対して交差する第2方向に延在した状態で形成された複数の第3ゲート電極とを有し、
前記半導体基板の主面から前記第2ゲート電極の上面までの高さが、前記半導体基板の主面から前記第1ゲート電極の上面までの高さよりも高く、
前記層間絶縁膜の表面形状が、凹凸状であることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A plurality of first gate electrodes formed on a main surface of the semiconductor substrate through a gate insulating film and extending in a first direction along the main surface of the semiconductor substrate;
A cap insulating film formed on the first gate electrode;
A sidewall insulating film formed on the sidewall of the first gate electrode;
Between the adjacent first gate electrodes, the sidewall insulating film is electrically insulated from the first gate electrode, and is formed on the main surface of the semiconductor substrate via the gate insulating film. A formed second gate electrode;
An interlayer insulating film formed to cover the cap insulating film and the second gate electrode;
A plurality of third gate electrodes formed on the interlayer insulating film so as to extend in a second direction intersecting the first direction;
The height from the main surface of the semiconductor substrate to the upper surface of the second gate electrode is higher than the height from the main surface of the semiconductor substrate to the upper surface of the first gate electrode,
A semiconductor device characterized in that a surface shape of the interlayer insulating film is uneven.
請求項1記載の半導体装置において、
前記第2ゲート電極の表面形状が、凹凸状であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the surface shape of the second gate electrode is uneven.
請求項1記載の半導体装置において、
前記第2方向に沿って隣接する前記第2ゲート電極の隣接間隔は、90nm程度以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein an adjacent interval between the second gate electrodes adjacent to each other in the second direction is about 90 nm or less.
以下の工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法:
(a)半導体基板を用意する工程、
(b)前記半導体基板の主面上にゲート絶縁膜を形成する工程、
(c)前記ゲート絶縁膜上に、後に第1ゲート電極となる第1導体層を堆積する工程、
(d)前記第1導体層上に第1絶縁膜を堆積する工程、
(e)前記第1絶縁膜上に第2絶縁膜を堆積する工程、
(f)前記第1導体層、前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜をパターニングすることにより、第1方向に延在する複数の前記第1ゲート電極、前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜のパターンを形成する工程、
(g)前記複数の第1ゲート電極、前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜のパターンの側面に側壁絶縁膜を形成する工程、
(h)前記複数の第1ゲート電極、前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜のパターンの隣接間であって前記ゲート絶縁膜上に、前記第1方向に延在し、後に第2ゲート電極となる複数の第2導体層を形成する工程、
(i)前記複数の第2導体層を表面側から除去し、前記半導体基板の主面から前記複数の第2導体層の上面までの高さを前記半導体基板の主面から前記第1ゲート電極の上面までの高さよりも高くする工程、
(j)前記第2絶縁膜、および前記側壁絶縁膜の一部を除去する工程、
(k)前記複数の第2導体層の表面形状を凹凸状にする工程、
(l)前記第1絶縁膜および前記複数の第2導体層の表面を覆うように層間絶縁膜を堆積する工程、
(m)前記層間絶縁膜上に、後に第3ゲート電極となる第3導体層を堆積する工程、
(n)前記第3導体層、前記層間絶縁膜および前記複数の第2導体層をパターニングすることにより、前記第1方向の分離がなされた複数の前記第2ゲート電極と、前記第1方向に対して交差する第2方向に延在する複数の前記第3ゲート電極を形成する工程。
A method for manufacturing a semiconductor device comprising the following steps:
(A) preparing a semiconductor substrate;
(B) forming a gate insulating film on the main surface of the semiconductor substrate;
(C) depositing a first conductor layer to be a first gate electrode later on the gate insulating film;
(D) depositing a first insulating film on the first conductor layer;
(E) depositing a second insulating film on the first insulating film;
(F) By patterning the first conductor layer, the first insulating film, and the second insulating film, the plurality of first gate electrodes, the first insulating film, and the second extending in the first direction. Forming an insulating film pattern;
(G) forming a sidewall insulating film on a side surface of the plurality of first gate electrodes, the first insulating film, and the second insulating film;
(H) The first gate electrode, the first insulating film, and the second insulating film are adjacent to each other between the patterns, on the gate insulating film, extending in the first direction, and then the second gate. Forming a plurality of second conductor layers to be electrodes;
(I) The plurality of second conductor layers are removed from the surface side, and the height from the main surface of the semiconductor substrate to the top surfaces of the plurality of second conductor layers is set to the first gate electrode from the main surface of the semiconductor substrate. A step of making the height higher than the upper surface of
(J) removing a part of the second insulating film and the sidewall insulating film;
(K) A step of making the surface shape of the plurality of second conductor layers uneven.
(L) depositing an interlayer insulating film so as to cover surfaces of the first insulating film and the plurality of second conductor layers;
(M) depositing a third conductor layer to be a third gate electrode later on the interlayer insulating film;
(N) The plurality of second gate electrodes separated in the first direction by patterning the third conductor layer, the interlayer insulating film, and the plurality of second conductor layers, and in the first direction Forming a plurality of the third gate electrodes extending in a second direction intersecting with each other.
請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(n)では、前記第2方向に沿って隣接する前記第2ゲート電極の隣接間隔が、90nm程度以下となるように、前記複数の第2導体層を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。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 4,
In the step (n), the plurality of second conductor layers are patterned so that an adjacent interval between the second gate electrodes adjacent along the second direction is about 90 nm or less. Device manufacturing method.
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