JP2007250677A - 半導体記憶装置およびそれを備えた半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板と、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を挟んで半導体基板に対向配置されたゲート電極と、ゲート電極の両側の半導体基板の表層に形成された高濃度拡散層と、ゲート電極の両側面にそれぞれ接し、このゲート電極の両側の高濃度拡散層に達する半導体基板上の領域に形成された記憶素子と、ゲート電極および記憶素子を含む半導体基板上を覆う酸化シリコンからなる中間絶縁膜とを備えた半導体記憶装置において、記憶素子は、ゲート電極の高濃度拡散層側の側面を覆い、高濃度拡散層上に延在する第1のシリコン酸化膜と、第1のシリコン酸化膜上に積層された電荷蓄積窒化膜と、電荷蓄積窒化膜上に積層された第2のシリコン酸化膜と、第2のシリコン酸化膜上に形成されたシリコン窒化膜とを備える。
【選択図】 図1
Description
特許文献2の技術においても、特許文献1の技術と同様にゲート電極の両側に形成された記憶素子の電荷蓄積窒化膜上をシリコン酸化膜で覆っているため、上記と同様の問題がある。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、コンタクトホールの位置ズレを吸収し、かつ半導体記憶装置の小型化を図る手段を提供することを目的とする。
図1において、1は半導体記憶装置である。
2は半導体基板であり、比較的低濃度のP型不純物を拡散させた単結晶シリコン(Si)からなる基板である。
4はゲート電極であり、隣り合う高濃度拡散層3の間の中央部の半導体基板2上に形成された酸化シリコン(SiO2)からなるゲート絶縁膜5上にポリシリコンを積層して形成された電極であって、ゲート絶縁膜5を挟んで半導体基板2に対向し、高濃度拡散層3が形成されていない高濃度拡散層3間の中央部に配置されている。
8は第1のシリコン酸化膜であり、ゲート電極4の高濃度拡散層3側の側面4a、および半導体基板2上をL字状に覆い、高濃度拡散層3の端部上に達する酸化シリコンからなる膜厚3〜20nmの範囲の比較的膜厚の薄い薄膜の絶縁膜である。
10は第2のシリコン酸化膜であり、電荷蓄積窒化膜9上に積層されたL字状の酸化シリコンからなる膜厚3〜20nmの範囲の薄膜の絶縁膜であって、電荷蓄積窒化膜9に保持された電子の移動を抑制する電子障壁として機能する。
ここに、サイドウォール形状とは、本来、矩形にされるべきシリコン窒化膜11等の断面形状が、ゲート電極4の上面を露出させる工程における異方性エッチング等のときに、ゲート電極4の反対側の上方の角部が削り取られて矩形の一の角部が円弧状または放物線状になった断面形状をいう。
15はコンタクトホールであり、中間絶縁膜14の上面から高濃度拡散層3に達する中間絶縁膜14を貫通する貫通穴であって、一のゲート電極4の側面4aに形成された記憶素子12aと、隣り合う他のゲート電極4の側面4aに形成された記憶素子12bとの間(この間を、隣り合うゲート電極4の記憶素子間という。)に形成される。
上記の構成の作用について説明する。
本実施例の半導体記憶装置1は、以下のようにして製造される。
工程P2、分離された素子形成領域の半導体基板2上に熱酸化法等によりゲート絶縁膜5を形成するための酸化シリコン膜を形成し、その上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法によりゲート電極4を形成するためのポリシリコン膜を形成する。
工程P3、工程P2で形成したレジストマスクを除去し、隣り合うゲート電極4間に露出している半導体基板2の上面に、低濃度のN型不純物をイオン注入して隣り合うゲート電極4のそれぞれの下方に達する低濃度拡散層6を形成する。
これにより、ゲート電極4の両側にサイドウォール形状にされたONON構造の記憶素子12a、12bが形成される。
工程P5、高濃度拡散層3の形成後に、ゲート電極4および記憶素子12a、12bを含む半導体基板2上にCVD法により厚膜の酸化シリコン膜を形成し、その上面を平坦化処理して中間絶縁膜14を形成する。この工程P5を終えた状態を図2に示す。
また、中間絶縁膜14上に、コンタクトプラグ16に電気的に接続する配線パターン等を形成して本実施例の半導体記憶装置1を備えた半導体装置を製造する。
図4は、記憶素子に蓄積された電子が、加熱時間の経過に伴って電荷蓄積窒化膜9内を移動し、もしくは半導体基板2側に抜けて電流が増加していく様子を示したものである。
また、△印は本実施例のONON構造の記憶素子12a、12bの場合を、◇印は比較のために作成したONO構造、本実施例の第1のシリコン酸化膜8に電荷蓄積窒化膜9を積層し、これにサイドウォール形状のシリコン酸化膜を形成した記憶素子(例えば特許文献2の図18に類似する記憶素子)の場合を、□印は比較のために形成したON構造、つまり本実施例の第1のシリコン酸化膜8にサイドウォール形状の電荷蓄積窒化膜を形成した記憶素子の場合を示す。
また、ON構造の場合は加熱時間の経過に伴って、ソース−ドレイン間の電流変動量が増加しており、電荷蓄積窒化膜に保持された電子が、熱エネルギにより励起されてサイドウォール形状の電荷蓄積窒化膜内の上部に移動する現象が起きていることが判る。
つまり、半導体記憶装置1の動作時の周囲環境の温度上昇や、他の素子の動作に伴う発熱による温度上昇があったとしても、シリコン窒化膜10が電子障壁として機能し、電荷蓄積窒化膜9から移動する電子を抑制して従来の半導体記憶装置と同様の環境下で用いることができることを示している。
上記のような電荷保持特性を有する本実施例の半導体記憶装置1は、上記の工程P6におけるコンタクトホール15の形成時に、図3に示すようにコンタクトホール15の形成位置が一方のゲート電極4の側にズレて、コンタクトホール15が記憶素子12aまたは12bの一部を含む位置に形成されたとしても、本実施例の異方性エッチングはSiO2/SiNのエッチング選択比が大きい条件で行われるので、厚膜のシリコン窒化膜11の一部が削り取られて削除部18が形成されるものの、その削除部18は電荷蓄積窒化膜9に達することはなく、電荷蓄積窒化膜9への電子の注入が阻害されることもない。
以上説明したように、本実施例では、ゲート電極の両側の高濃度拡散層に達する領域に形成されたサイドウォール形状の記憶素子を、ゲート電極の高濃度拡散層側の側面を覆い高濃度拡散層上に延在する第1のシリコン酸化膜上に、電荷蓄積窒化膜と第2のシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを積層して形成するようにしたことによって、コンタクトホールの形成位置がズレて、コンタクトホールの一部が記憶素子上に形成されたとしても、最上層の厚膜のシリコン窒化膜の異方性エッチングに対する保護機能により電荷蓄積窒化膜が削り取られることを防止してコンタクトホールの位置ズレを吸収することができ、隣り合うゲート電極の記憶素子間の間隔の拡大を最小限に抑制して半導体記憶装置の小型化を図ることができる。
ところで、半導体記憶装置1を有する半導体装置においては、半導体記憶装置1の周辺にMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体素子が形成されている場合が多い。
図5において、21はMOSFETである。
本実施例のMOSFET21は、nMOS素子であり、半導体基板2に設定された素子形成領域に形成されたN型不純物を拡散させた高濃度拡散層3および低濃度拡散層6(LDD)からなる拡散層と、低濃度拡散層6を跨いで形成されたゲート絶縁膜5を挟んで半導体基板2に対向するゲート電極4と、ゲート電極4の両側に形成されたサイドウォール部22a、22bと、2酸化珪素等からなる中間絶縁膜14に埋設された高濃度拡散層3に接続するコンタクトプラグ備えて構成されている。
この場合に、サイドウォール部22a、22bを形成する窒化シリコンからなる窒化シリコン絶縁膜9aやシリコン窒化膜11は、電気絶縁性を有しているので、酸化シリコン膜と同様に絶縁膜として機能する。
このように、本実施例のMOSFET21は、上記のゲート電極4およびその両側に形成されたサイドウォール形状の記憶素子12a、12bと同様の構成を有しているので、上記の工程P1〜P6と同じ工程の順序で同時に製造することができ、半導体記憶装置1を備えた半導体装置の製造工程を簡素化することができる。
なお、上記実施例1と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図6において、31はシリサイド膜であり、ゲート電極4上に形成された比較的高融点の金属材料(例えばタングステン)とシリコンとの化合物であるシリサイド材料からなる薄膜であって、ポリシリコンからなるゲート電極4の電気抵抗を減少させる機能を有している。
33はストッパ窒化膜であり、ハードマスク窒化膜32および記憶素子12a、12bを含む半導体基板2上に形成された窒化シリコンからなる膜厚10〜40nmの範囲の薄膜であって、後述するコンタクトホール35をセルフアラインコンタクトエッチング法により形成するときのゲート電極4や電荷蓄積窒化膜9の保護膜として機能する。
なお、セルフアラインコンタクトエッチング法は、異方性エッチングによりゲート電極4上を含む領域をエッチングし、終点検出によりゲート電極4上のハードマスク窒化膜32に達したことを検出し、その後は既知のハードマスク窒化膜32の半導体基板2からの高さに基づいて、残りのコンタクトホール35のエッチングを時間により管理し、エッチング量の適正化を図る方法である。
本実施例の半導体記憶装置1は、以下のようにして製造される。
工程PA1、実施例1の工程P1と同様にして図示しない素子分離層を形成する。
工程PA2、実施例1の工程P2と同様にしてゲート絶縁膜5を形成するための酸化シリコン膜を形成し、その上にゲート電極4を形成するためのポリシリコン膜を形成する。
そして、フォトリソグラフィにより前記の窒化シリコン膜上にゲート電極4の形成領域を覆うレジストマスクを形成し、ドライエッチング等により露出している窒化シリコン膜等をエッチングして半導体基板2を露出させ、ゲート酸化膜5を挟んで半導体基板2に対向するゲート電極4、並びにゲート電極4上に積層されたシリサイド膜31およびハードマスク窒化膜32を形成する。
次いで、実施例1の工程P3と同様にしてゲート電極4上のハードマスク窒化膜32上等に第1のシリコン酸化膜8、電荷蓄積窒化膜9、第2のシリコン酸化膜10、シリコン窒化膜11を形成するための酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を積層し、異方性エッチングによりエッチングして、ハードマスク窒化膜32の上面および隣り合うゲート電極4の記憶素子間の半導体基板2の上面を露出させ、ゲート電極4の両側にサイドウォール形状にされたONON構造の記憶素子12a、12bを形成する。
そして、ゲート電極4上のハードマスク窒化膜32上および記憶素子12a、12b上等にCVD法により薄膜の窒化シリコンからなるストッパ窒化膜33を形成する。
工程PA5、ストッパ窒化膜33の形成後に、実施例1の工程P4と同様にしてストッパ窒化膜33を覆う中間絶縁膜14を形成する。この工程PA5を終えた状態を図7に示す。
このときの異方性エッチングは、ハードマスク窒化膜32の半導体基板2からの高さに基づいて算出されたエッチング時間により時間を管理して行われる。
そして、工程PA6で形成したレジストマスクの除去し、スパッタ法等によりコンタクトホール35内に導電材料を埋め込んでコンタクトプラグ36を形成して図6に示す本実施例の半導体記憶装置1を形成する。
このようにして形成された本実施例の半導体記憶装置1は、上記工程PA6、PA7におけるコンタクトホール35の形成時に、図6に示すように工程PA7における窒化シリコン膜を選択的にエッチングする条件の異方性エッチングによりハードマスク窒化膜32および記憶素子12a、12bに比較的大きな削除部18が形成されるが、ゲート電極4および電荷蓄積窒化膜9は、少なくともストッパ窒化膜33の膜厚より厚い厚膜のハードマスク窒化膜32およびシリコン窒化膜11により覆われているので、削除部18がゲート電極4上のシリサイド膜31および電荷蓄積窒化膜9に達することはなく、ゲート電極4とコンタクトプラグ36との間にショートが生ずること、および電荷蓄積窒化膜9への電子の注入が阻害されることもない。
更に、本実施例のゲート電極4上や記憶素子12a、12b上には、厚膜のハードマスク窒化膜32やシリコン窒化膜11が形成されているので、薄膜のストッパ窒化膜33を形成すれば、前記の保護機能を確保することができ、隣り合うゲート電極4の記憶素子間の間隔の拡大を最小限に止めて、セルフアラインコンタクトエッチング法によりコンタクトホール35を形成する半導体記憶装置1の小型化を図ることができる。
更に、工程PA7における異方性エッチングにおいても電荷蓄積窒化膜9が2〜15nmの範囲の薄膜に形成されているので、エッチストップ現象により深く掘り込まれることはなく、電荷蓄積窒化膜9の機能を損なうこともない。
この場合に、本実施例の素子分離層上にはストッパ窒化膜が形成されているので、工程PA6における異方性エッチングにより素子分離層がエッチングされることはなく、工程PA7における窒化シリコン膜を選択的にエッチングする異方性エッチングによる酸化シリコンで形成された素子分離層の削れを最小限に止めることが可能になり、コンタクトプラグにより隣り合う素子形成領域を素子分離層を越えて接続することも実現することができる。
また、上記各実施例においては、記憶素子はONON構造であるとして説明したが、ONONON構造等であってもよい。要は最上層を窒化シリコン膜にすればよく、電荷蓄積窒化膜上に積層する酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の数はいくつであってもよい。
2 半導体基板
3 高濃度拡散層
4 ゲート電極
4a 側面
5 ゲート絶縁膜
6 低濃度拡散層
8 第1のシリコン酸化膜
9 電荷蓄積窒化膜
10 第2のシリコン酸化膜
11 シリコン窒化膜
12a、12b 記憶素子
14 中間絶縁膜
15、35 コンタクトホール
16、36 コンタクトプラグ
18 削除部
21 MOSFET
22a、22b サイドウォール部
23 チャネル領域
31 シリサイド膜
32 ハードマスク窒化膜
33 ストッパ窒化膜
Claims (6)
- 半導体基板と、該半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を挟んで前記半導体基板に対向配置されたゲート電極と、該ゲート電極の両側の前記半導体基板の表層に形成された高濃度拡散層と、前記ゲート電極の両側面にそれぞれ接し、該ゲート電極の両側の高濃度拡散層に達する前記半導体基板上の領域に形成された記憶素子と、前記ゲート電極および前記記憶素子を含む前記半導体基板上を覆う酸化シリコンからなる中間絶縁膜とを備えた半導体記憶装置において、
前記記憶素子は、
前記ゲート電極の前記高濃度拡散層側の側面を覆い、前記高濃度拡散層上に延在する第1のシリコン酸化膜と、
該第1のシリコン酸化膜上に積層された電荷蓄積窒化膜と、
該電荷蓄積窒化膜上に積層された第2のシリコン酸化膜と、
該第2のシリコン酸化膜上に形成されたシリコン窒化膜と、を備えることを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項1において、
前記ゲート電極上に、窒化シリコンからなるハードマスク窒化膜を設け、該ハードマスク窒化膜と、前記中間絶縁膜との間に窒化シリコンからなるストッパ窒化膜が形成されていることを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記高濃度拡散層上に、前記中間絶縁膜を貫通するコンタクトプラグを形成したことを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項2において、
前記中間絶縁膜を貫通して前記隣合う記憶素子間の高濃度拡散層上に達し、隣合う前記ゲート電極上の前記ハードマスク窒化膜上を含む領域に形成されたコンタクトプラグを有することを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか一項において、
前記両側の高濃度拡散層の前記ゲート電極側に、前記ゲート電極の下方に延在する低濃度拡散層を形成したことを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の半導体記憶装置と、ゲート電極の両側の半導体基板の表層に形成された高濃度拡散層を有するMOSFETとを備えた半導体装置であって、
前記MOSFETは、
前記ゲート電極の前記高濃度拡散層側の側面を覆い、前記高濃度拡散層上に延在する第1のシリコン酸化膜と、
該第1のシリコン酸化膜上に積層された窒化シリコン絶縁膜と、
該窒化シリコン絶縁膜上に積層された第2のシリコン酸化膜と、
該第2のシリコン酸化膜上に形成されたシリコン窒化膜と、を有するサイドウォール部を備えることを特徴とする半導体装置。
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