JP2008010463A - Process for fabricating semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に、互いに隣接する第1、第2電界効果トランジスタを持つ不揮発性メモリの製造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 manufacturing technique, and more particularly to a technique effective when applied to the manufacture of a nonvolatile memory having first and second field effect transistors adjacent to each other.
EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)やフラッシュメモリ等のような電気的に書き換え可能な不揮発性メモリは、オンボードでプログラムの書き換えができることから、開発期間の短縮、開発効率の向上が可能になるほか、少量多品種生産への対応、仕向け先別チューニング、出荷後のプログラムアップデート等、様々な用途に応用が広がっている。特に、近年では、MPU(Micro Processing Unit)とEEPROM(またはフラッシュメモリ)とを内蔵したマイコンへのニーズが大きい。 Electrically rewritable non-volatile memory such as EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) and flash memory can be rewritten on-board, which can shorten development time and improve development efficiency. In addition, the application is expanding to various applications such as small volume, high-mix production, tuning by destination, and program update after shipment. In particular, in recent years, there is a great need for a microcomputer incorporating an MPU (Micro Processing Unit) and an EEPROM (or flash memory).
このような不揮発性メモリでは、電荷を蓄積する層(電荷蓄積層)の電荷の有無によって情報が記憶され、その構造として窒化膜(Si3N4等)を電荷蓄積層とするMNOS(Metal Nitride Oxide Semiconductor)構造またはMONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)構造が挙げられる。この場合、データ記憶に寄与する電荷は、絶縁体である窒化膜の離散トラップに蓄積されるため、蓄積ノードを取り巻く酸化膜のどこか一部に欠陥が生じて異常リークがおきても、電荷蓄積層の電荷が全て抜けてしまうことがないため、データ保持の信頼度を向上させることが可能である。 In such a nonvolatile memory, information is stored depending on the presence or absence of charge in a charge storage layer (charge storage layer), and a MNOS (Metal Nitride) having a nitride film (such as Si 3 N 4 ) as a charge storage layer as its structure. Oxide Semiconductor) structure or MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor) structure. In this case, the charge that contributes to data storage is accumulated in the discrete trap of the nitride film, which is an insulator. Therefore, even if a defect occurs in some part of the oxide film surrounding the accumulation node and an abnormal leak occurs, the charge Since all the charges in the accumulation layer are not lost, the reliability of data retention can be improved.
メモリセルの構成としては、単一トランジスタ構造のメモリセルが提案されている。書込/消去方式としては、半導体基板からの全面FN(Fowler Nordheim)トンネリング注入による書き込み、半導体基板へのFNトンネリング電流による消去を行う方式の他、ホットエレクトロン注入による書き込み、半導体基板もしくはソース、ドレイン領域へのFNトンネリング電流による消去を行う方式が提案されている。一方、単一トランジスタセル構造ではEEPROMセル構造と比べてディスターブの影響を受け易いので、コントロールゲート電極を設けた2トランジスタ構成のスプリットゲート型メモリセル構造も提案されている。 As a configuration of the memory cell, a memory cell having a single transistor structure has been proposed. As a writing / erasing method, writing is performed by whole surface FN (Fowler Nordheim) tunneling injection from a semiconductor substrate, erasing by FN tunneling current to the semiconductor substrate, writing by hot electron injection, semiconductor substrate or source, drain A method of performing erasing by FN tunneling current to the region has been proposed. On the other hand, since the single transistor cell structure is more susceptible to disturbance than the EEPROM cell structure, a two-transistor split-gate memory cell structure provided with a control gate electrode has also been proposed.
特開2004−303918号公報(特許文献1)には、スプリットゲート型メモリセル構造の1つとして、互いに隣接する第1、第2電界効果トランジスタを持ち、第1電界効果トランジスタの第1ゲート電極上に第2電界効果トランジスタの第2ゲート電極の一部が乗り上げている構造が開示されている。
本発明者らは、上記特許文献1で開示されたような互いに隣接する第1、第2電界効果トランジスタを持ち、第1電界効果トランジスタの第1ゲート電極上に第2電界効果トランジスタの第2ゲート電極の一部が乗り上げている構造の不揮発性メモリを備えた半導体装置の製造技術について検討している。
The present inventors have first and second field effect transistors adjacent to each other as disclosed in
図14に、本発明者らが検討しているメモリセルMCxを示す。また、図15に、図14のメモリゲートMGxの断面を示す。メモリゲートMGxを有するMOSFETと、コントロールゲートCGxを有するMOSFETとが互いに隣接しており、メモリゲートMGx上にコントロールゲートCGxの一部が乗り上げている。このメモリセルMCxの製造方法を概略する。 FIG. 14 shows a memory cell MCx that the present inventors are examining. FIG. 15 shows a cross section of the memory gate MGx of FIG. The MOSFET having the memory gate MGx and the MOSFET having the control gate CGx are adjacent to each other, and a part of the control gate CGx rides on the memory gate MGx. A method for manufacturing the memory cell MCx will be outlined.
まず、基板1の表面から深い領域に第1n型半導体領域6a、第2n型半導体領域6bを形成した後、p型ウエル7を形成する。次いで、熱酸化によって、基板1の主面上に酸化シリコン膜8、窒化シリコン膜9aと酸窒化シリコン膜9bからなる電荷蓄積層9を形成し、導電性を有するポリシリコン膜10および絶縁膜11を形成した後、パターニングによってメモリゲートMGxを形成する。
First, after forming the first n-
次いで、メモリゲートMGxを覆うように半導体基板1の全面に酸化シリコン膜を堆積した後、これを異方性のドライエッチングによりエッチバックすることによって、メモリゲートMGxの両側壁にスペーサ14を形成し、その他では半導体基板1の表面を露出する。次いで、メモリゲートMGxの片側に低濃度n型半導体領域13を形成する。
Next, a silicon oxide film is deposited on the entire surface of the
次いで、ドライエッチングによって受けたダメージを回復するために、露出した基板1の表面に対して犠牲酸化を行い、図15(a)に示すように、例えば6nm程度の酸化シリコン膜15を形成する。この犠牲酸化として本発明者らは、ウエット酸化を行う。具体的には、850℃程度、20分間程度で酸化を行う。
Next, in order to recover the damage received by the dry etching, sacrificial oxidation is performed on the exposed surface of the
次いで、酸化シリコン膜15を除去した後、半導体基板1上にゲート絶縁膜20を形成し、メモリゲートMGxを覆うように導電性を有するポリシリコン膜21を形成してパターニングすることによって、一部がメモリゲートMGxに乗り上げたコントロールゲートCGxを形成する。
Next, after removing the
次いで、コントロールゲートCGxの片側に低濃度n型半導体領域24を形成し、半導体基板1の全面に酸化シリコン膜を堆積した後、これを異方性のドライエッチングによりエッチバックすることによって、コントロールゲートCGxの両側壁にスペーサ29を形成し、その他では半導体基板1の表面を露出する。次いで、メモリゲートMGxおよびコントロールゲートCGxのそれぞれの片側に高濃度n型半導体領域30を形成し、シリサイド層35を形成することによって、メモリセルMCxが完成する。
Next, a low-concentration n-
しかしながら、このメモリセルMCxにおいて、例えば誤書き込み・誤消去などのメモリセル特性において、マージン不良が発生した。そこで、本発明者らは、メモリセルMCxの断面観察を行ったところ、図15(a)(b)に示すように、スペーサ14形成のエッチバックによる基板1ダメージ除去のために行っている犠牲酸化において、スペーサ14およびメモリゲートMGの端部下ではバーズビークである酸化シリコン膜15aが形成され、また、ポリシリコン膜10の側面には酸化シリコン膜15bが形成されていた。このことから、本発明者らは、スペーサ14形成のエッチバックによる基板1ダメージ除去のために行っている犠牲酸化の膜厚に依存してメモリゲートMGx端のバーズビークとなる酸化シリコン膜15a量が変動すること、および酸化シリコン膜15b量によってメモリゲートMGxの形状が変化することによってメモリセル特性に影響を与えてしまうことを見出した。これにより、メモリモジュール(メモリアレイ)内の消去特性バラツキにより、消去後のモジュール内のしきい値分布(バラツキ)が多くなり、マージン性不良の一因となることが考えられる。
However, in this memory cell MCx, a margin defect has occurred in memory cell characteristics such as erroneous writing / erase, for example. Therefore, the present inventors conducted cross-sectional observation of the memory cell MCx, and as shown in FIGS. 15A and 15B, sacrifices performed for removing the
本発明の目的は、互いに隣接する第1、第2電界効果トランジスタを持つ不揮発性メモリのモジュール内のしきい値バラツキを低減す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 reducing threshold variations in a module of a nonvolatile memory having first and second field effect transistors adjacent to each other.
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の製造技術は、まず、半導体基板の主面上に堆積した第1電極材料膜をパターニングすることによって第1電界効果トランジスタの第1ゲートを形成する。次いで、前記第1ゲートを覆うように堆積した第1絶縁膜をエッチバックすることによって前記第1ゲートの側壁に第1スペーサを形成すると共に、前記半導体基板の表面を露出する。次いで、露出した前記半導体基板の表面に対してラジカル酸化をする。次いで、前記第1ゲートを覆うように堆積した電極材料膜をパターニングすることによって前記第1ゲート上に一部が乗り上げるように第2電界効果トランジスタの第2ゲートを形成するものである。 In the semiconductor device manufacturing technique according to the present invention, first the first gate of the first field effect transistor is formed by patterning the first electrode material film deposited on the main surface of the semiconductor substrate. Next, by etching back the first insulating film deposited so as to cover the first gate, a first spacer is formed on the side wall of the first gate, and the surface of the semiconductor substrate is exposed. Next, radical oxidation is performed on the exposed surface of the semiconductor substrate. Next, the electrode material film deposited so as to cover the first gate is patterned to form the second gate of the second field effect transistor so that a part of the electrode material film runs on the first gate.
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.
本発明の半導体装置の製造技術によれば、不揮発性メモリのモジュール内のしきい値バラツキを低減することができる。 According to the semiconductor device manufacturing technique of the present invention, it is possible to reduce threshold variation in a module of a nonvolatile memory.
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)
本発明の実施の形態1で示す半導体装置は、互いに隣接する第1、第2電界効果トランジスタ(例えば、MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を持ち、第1電界効果トランジスタの第1ゲート電極上に第2電界効果トランジスタの第2ゲート電極の一部が乗り上げている構造の不揮発性メモリを備えたものである。このような不揮発性メモリを備えた半導体装置は、例えばIC(Integrated Circuit)カード(メモリカード)に使用される。
(Embodiment 1)
The semiconductor device shown in the first embodiment of the present invention has first and second field effect transistors (for example, MOSFETs: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) adjacent to each other on the first gate electrode of the first field effect transistor. And a non-volatile memory having a structure in which a part of the second gate electrode of the second field effect transistor is mounted. A semiconductor device provided with such a non-volatile memory is used for an IC (Integrated Circuit) card (memory card), for example.
図1〜図11には、本発明の実施の形態による製造工程中の半導体装置の要部が示されており、その要部としてメモリセル部、低圧系MOS部、高圧系MOS部および容量部が示されている。例えば図11に示すように、メモリセル部には上記不揮発性メモリのメモリセルMC1、MC2が形成され、低圧系MOS部には低耐圧のpチャネル型MOSFET(Q1)およびnチャネル型MOSFET(Q2)が形成され、高圧系MOS部には高耐圧のpチャネル型MOSFET(Q3)およびnチャネル型MOSFET(Q4)が形成され、容量部には容量素子MIMが形成される。 1 to 11 show the main part of the semiconductor device during the manufacturing process according to the embodiment of the present invention. The main part includes a memory cell part, a low-voltage MOS part, a high-voltage MOS part, and a capacitor part. It is shown. For example, as shown in FIG. 11, memory cells MC1 and MC2 of the non-volatile memory are formed in the memory cell portion, and a low breakdown voltage p-channel MOSFET (Q1) and an n-channel MOSFET (Q2) are formed in the low-voltage MOS portion. ), A high breakdown voltage p-channel MOSFET (Q3) and an n-channel MOSFET (Q4) are formed in the high-voltage MOS portion, and a capacitive element MIM is formed in the capacitor portion.
まず、図1に示すように、例えばp型のシリコン(Si)単結晶からなる半導体基板(以下、「基板」と略する)1の主面(素子形成面)上に表面酸化膜2、窒化シリコン膜3を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によって素子分離形成領域の窒化シリコン膜3および表面酸化膜2を除去し、さらにエッチング技術によって素子分離形成領域の基板1に溝4を形成する。
First, as shown in FIG. 1, a surface oxide film 2 is formed on a main surface (element formation surface) of a semiconductor substrate (hereinafter abbreviated as “substrate”) 1 made of p-type silicon (Si) single crystal, for example. After the
続いて、溝4が形成されることによって露出した基板1の表面に酸化処理を施した後、溝4を埋め込むように基板1上に酸化シリコン膜を堆積し、表面研磨することによって、図2に示すように、その酸化シリコン膜からなる素子分離5を形成する。なお、素子分離溝5が形成された後、窒化シリコン膜3および表面酸化膜2が除去されている。
Subsequently, after the surface of the
続いて、図3に示すように、イオン注入技術によって基板1の表面から深い領域に第1n型半導体領域6a、第2n型半導体領域6bを形成した後、イオン注入技術によって所定の領域にp型ウエル7を形成する。次いで、熱酸化によって、基板1の主面上に酸化シリコン膜8を形成し、CVD技術によって、その酸化シリコン膜8上に窒化シリコン膜と酸窒化シリコン膜からなる電荷蓄積層9を形成する。次いで、CVD技術によって電荷蓄積層9上に電極材料膜であるポリシリコン膜10し、このポリシリコン膜10の内部へイオン注入技術によってn型不純物(例えば、リン)を注入してポリシリコン膜10の導電性を確保した後、ポリシリコン膜10上に絶縁膜11を堆積する。なお、ここでは、ポリシリコン膜10を形成した後にイオン注入技術を用いてn型不純物をポリシリコン膜10に注入したが、ポリシリコン膜10を形成する際に、n型不純物を添加しても良い。
Subsequently, as shown in FIG. 3, after a first n-
続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によって、後述する第1ゲートを形成する領域の絶縁膜11を残し、その絶縁膜11をマスクとしてポリシリコン膜10をパターニングし、さらに電荷蓄積層9および酸化シリコン膜8を除去して、図4に示すように、第1ゲート12を形成する。ここでメモリセル部の第1ゲート12は、メモリゲートMGとなる。次いで、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入技術によって、メモリセル部の基板1であって、メモリゲートMGの片側に低濃度n型半導体領域13を形成する。
Subsequently, the insulating
続いて、メモリゲートMGを覆うように基板1の全面に絶縁膜である酸化シリコン膜を堆積した後、これを異方性のドライエッチングによりエッチバックすることによって、図5に示すように、第1ゲート12の両側壁にスペーサ14を形成する。すなわち、第1ゲートの両側壁には酸化シリコン膜を残存させ、その他では基板1の表面を露出することとなる。
Subsequently, after depositing a silicon oxide film, which is an insulating film, over the entire surface of the
次いで、ドライエッチングによって受けたダメージを回復するために、露出した基板1の表面に対して犠牲酸化を行い、図12(a)に示すように、例えば6nm程度の酸化シリコン膜15を形成する。この犠牲酸化として本実施の形態では、ラジカル酸化を行う。具体的には、大気圧より減圧しながら基板1を加熱した状態で、950℃程度、1分程度、水素ガスと酸素ガスとを露出した基板1上で酸化、すなわちISSG(In-Situ Steam Generation)酸化を行う。なお、犠牲酸化によって形成された酸化シリコン膜15は、高圧系MOS部のゲート絶縁膜形成前の洗浄において除去する。
Next, in order to recover the damage received by dry etching, sacrificial oxidation is performed on the exposed surface of the
このように本実施の形態1では、犠牲酸化としてISSG酸化を用いることによって、図12(b)に示すように、スペーサ14およびメモリゲートMGの端部下ではバーズビークである酸化シリコン膜15aの形成を抑制することができる。図15を参照して説明したように、メモリゲートMGの端部における酸化シリコン膜15aのウエット酸化による形成は、誤書き込み・誤消去の原因となる。このようにウエット酸化でのプロセスでは、スペーサ14を介して酸化材がメモリゲートMG端へ到達して酸化を進行させていたのに対し、ラジカル酸化のプロセスでは酸化材がメモリゲートMG端へ到達できないため酸化されずに、酸化シリコン膜15aの形状を少なくすることができる。すなわち、ISSG酸化によってスペーサ14およびメモリゲートMGの端部下の酸化シリコン膜15aの形成を抑制することで、不揮発性メモリの誤書き込み・誤消去の発生を防止することができる。
As described above, in the first embodiment, by using ISSG oxidation as the sacrificial oxidation, as shown in FIG. 12B, the formation of the
また、犠牲酸化としてISSG酸化を用いることによって、図12(b)に示すように、ポリシリコン膜10の側面に酸化シリコン膜15bの形成を抑制することができる。図15を参照して説明したように、ポリシリコン膜10の側面に酸化シリコン膜15bの形成は、メモリゲートMGの形状ばらつきの原因となる。このようにウエット酸化でのプロセスでは、スペーサ14を介して酸化材がメモリゲートMG側壁へ到達して酸化を進行させていたのに対し、ラジカル酸化のプロセスでは酸化材がメモリゲートMG側壁へ到達できないため酸化されずに、酸化シリコン膜15bの形状を少なくすることができる。すなわち、ISSG酸化によってポリシリコン膜10の側面に酸化シリコン膜15bの形成を抑制することで、微細化されたメモリゲートMGであっても、その形状ばらつきの発生を防止することができる。
Further, by using ISSG oxidation as sacrificial oxidation, the formation of the
続いて、図6に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入技術によって高圧系MOS部の所定の領域にn型ウエル16、低圧系MOS部の所定の領域にn型ウエル17およびp型ウエル18を形成した後、フォトリソグラフィ技術および熱酸化によって高耐圧系MOS部の基板1上にゲート絶縁膜19を形成する。なお、このゲート絶縁膜19を形成する前の洗浄によって酸化シリコン膜15aは除去されている。
Subsequently, as shown in FIG. 6, an n-
続いて、図7に示すように、フォトリソグラフィ技術および熱酸化によってメモリセル部および低圧系MOS部の基板1上にゲート絶縁膜20を形成した後、CVD技術によって第1ゲート12を覆うように基板1上に電極材料膜であるポリシリコン膜21を堆積する。次いで、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入技術によって、低圧系MOS部の所定の領域(n型ウエル17の領域)を除いた領域では、ポリシリコン膜21の内部へn型不純物を注入してポリシリコン膜21の導電性を確保し、低圧系MOS部の所定の領域では、ポリシリコン膜21の内部へp型不純物を注入してポリシリコン膜21の導電性を確保した後、ポリシリコン膜21上に絶縁膜22を堆積する。
Subsequently, as shown in FIG. 7, a
続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によって、後述する第2ゲートを形成する領域の絶縁膜22を残し、その絶縁膜22をマスクとしてポリシリコン膜21をパターニングし、さらにゲート絶縁膜19、20を除去して、図8に示すように、第2ゲート23を形成する。ここでメモリセル部の第2ゲート23は、コントロールゲートCGとなる。なお、本実施の形態で示す製造工程中において、最初に形成されるゲート電極を第1ゲートとし、次に形成されるゲート電極を第2ゲートとしている。
Subsequently, by using a photolithography technique and an etching technique, an insulating
続いて、図9に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入技術によって、メモリセル部のp型ウエル7に低濃度n型半導体領域24、低圧系MOS部のp型ウエル18に低濃度n型半導体領域25および高圧系MOS部のp型ウエル7に低濃度n型半導体領域26を形成する。次いで、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入技術によって、高圧系MOS部のn型ウエル16に低濃度p型半導体領域27および低圧系MOS部のn型ウエル17に低濃度p型半導体領域28を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 9, the low concentration n-
次いで、第1ゲート12および第2ゲート23を覆うように基板1の全面に絶縁膜である酸化シリコン膜を堆積した後、異方性のドライエッチングによりエッチバックすることによって、第2ゲート23の両側壁にスペーサ29を形成する。
Next, a silicon oxide film, which is an insulating film, is deposited on the entire surface of the
続いて、図10に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入技術によって、メモリセル部では高濃度n型半導体領域30を形成し、また低圧系MOS部では高濃度n型半導体領域31および高濃度p型半導体領域33を形成し、また高圧系MOS部では高濃度n型半導体領域32および高濃度p型半導体領域34を形成する。これらは第1ゲート12、スペーサ14、第2ゲート23およびスペーサ29をマスクとして自己整合的に形成される。次いで、サリサイド(Salicide:Self Align silicide)技術によって、基板1の表面、第1ゲート12および第2ゲート23上に、例えばコバルトシリサイド(CoSix)などのようなシリサイド層35を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 10, a high concentration n-
このようにしてメモリセル部ではメモリセルMC1、MC2を形成し、また低圧系MOS部では低耐圧pチャネル型MOSFET(Q1)および低耐圧nチャネル型MOSFET(Q2)を形成し、また高圧系MOS部では高耐圧pチャネル型MOSFET(Q3)および高耐圧nチャネル型MOSFET(Q4)、また容量部では容量素子MIMを形成する。 In this manner, the memory cells MC1 and MC2 are formed in the memory cell portion, and the low breakdown voltage p-channel MOSFET (Q1) and the low breakdown voltage n-channel MOSFET (Q2) are formed in the low-voltage MOS portion. A high breakdown voltage p-channel MOSFET (Q3) and a high breakdown voltage n-channel MOSFET (Q4) are formed in the portion, and a capacitive element MIM is formed in the capacitance portion.
続いて、図11に示すように、メモリセルMC1、MC2、低耐圧pチャネル型MOSFET(Q1)、低耐圧nチャネル型MOSFET(Q2)、高耐圧pチャネル型MOSFET(Q3)および高耐圧nチャネル型MOSFET(Q4)を覆うように絶縁膜36を形成した後、CVD技術によって基板1上に層間絶縁膜37を形成し、層間絶縁膜37にコンタクトホール38を形成する。次いで、コンタクトホール38内にプラグ39を形成する。プラグ39は、例えばチタン(Ti)および窒化チタン(TiN)の積層膜からなる薄いバリア膜と、そのバリア膜に包まれるように形成されたタングステン(W)またはアルミニウム(Al)等からなる相対的厚い導体膜とを有している。その後、層間絶縁膜37上に、例えばタングステンまたはアルミニウム(Al)等からなる第1層配線M1を形成する。これ以降は、通常の半導体装置の製造工程を経て不揮発性メモリを有する半導体装置を製造する。
Subsequently, as shown in FIG. 11, the memory cells MC1, MC2, the low breakdown voltage p-channel MOSFET (Q1), the low breakdown voltage n-channel MOSFET (Q2), the high breakdown voltage p-channel MOSFET (Q3), and the high breakdown voltage n-channel. After forming the insulating
ここで、本実施の形態に係るメモリセルMC1を選択メモリセルとした場合の書き込み、消去および読み出しの各動作について説明する。ここでは、電荷蓄積層9に電子を注入することを「書き込み」、ホールを注入することを「消去」とそれぞれ定義する。本実施の形態で示すメモリセルでは、基板1から電荷蓄積層9へ電子を注入して書き込み動作を行い、電荷蓄積層9からメモリゲートMG(ポリシリコン膜10)へ電子を引き抜いて消去動作を行うものである。
Here, writing, erasing, and reading operations when the memory cell MC1 according to the present embodiment is a selected memory cell will be described. Here, injecting electrons into the
まず、データの読み出し動作に際しては、選択したメモリセルMC1のドレイン領域(高濃度n型半導体領域30)に、例えば1V程度、コントロールゲートCGに、例えば1.5V程度、選択したメモリセルMC1のソース領域(高濃度n型半導体領域30)、メモリゲートMGおよび基板1に、例えば0(零)Vを印加して、コントロールゲートCGを有する選択用MOSFETをオンする。この時、メモリゲートMGを有するメモリ用MOSFETの電荷蓄積層9中の電子の有無によりメモリ用MOSFETのしきい値電圧が変化し、ドレイン領域とソース領域との間に電流が流れたり、流れなかったりするので、これにより、記憶データを読み出す。
First, in the data read operation, the source of the selected memory cell MC1 is, for example, about 1 V in the drain region (high-concentration n-type semiconductor region 30) of the selected memory cell MC1, and about 1.5 V, for example, in the control gate CG. For example, 0 (zero) V is applied to the region (high-concentration n-type semiconductor region 30), the memory gate MG, and the
また、データの消去動作に際しては、選択したメモリセルMC1のドレイン領域、ソース領域および基板1に、例えば0(零)V、コントロールゲートCGに、例えば1.5V程度、メモリゲートMGに、例えば14V程度を印加する。これにより、電荷蓄積層9中の電子をトンネル放出によりメモリゲートMG側に逃がし、データを消去する。
In the data erasing operation, the drain region, the source region, and the
さらに、データの書き込みは、ソースサイド・ホットエレクトロン注入方式を採用している。データの書き込み動作に際しては、選択したメモリセルMC1のドレイン領域および基板1に、例えば0(零)V、コントロールゲートCGに、例えば1.5V程度、メモリゲートMGに、例えば12V程度、選択したメモリセルMCのソース領域に、例えば6V程度を印加する。これにより、メモリセルMC1のチャネルで発生したホットエレクトロンを電荷蓄積層9に注入し、データを書き込む。
Further, the data write employs the source side hot electron injection method. In the data write operation, the selected memory cell MC1 has a drain region and the
図13には、本発明の実施の形態1におけるメモリセルMC1および本発明者らが検討したメモリセルMCxの消去後のメモリモジュール(メモリアレイ)内のしきい値バラツキ比を示す。なお、メモリセルMCxの消去後モジュール内のしきい値バラツキを100%として、メモリセルMC1の消去後モジュール内のしきい値バラツキ比を示している。このしきい値バラツキ比において、メモリセルMC1は、メモリセルMCxに対して、消去後のしきい値バラツキが約7.5%低減していることがわかる。すなわち、前述したように、本実施の形態1では犠牲酸化としてラジカル酸化を用いることによって、消去後のしきい値バラツキを低減することができる。 FIG. 13 shows the threshold value variation ratio in the memory module (memory array) after erasing the memory cell MC1 in the first embodiment of the present invention and the memory cell MCx studied by the present inventors. The threshold value variation ratio in the module after erasure of the memory cell MC1 is shown with the threshold value variation in the module after erasure of the memory cell MCx as 100%. It can be seen that in this threshold value variation ratio, the memory cell MC1 has a threshold variation after erasure reduced by about 7.5% with respect to the memory cell MCx. That is, as described above, in the first embodiment, by using radical oxidation as sacrificial oxidation, it is possible to reduce threshold variation after erasure.
(実施の形態2)
前記実施の形態1では、犠牲酸化としてラジカル酸化を用いた場合について説明したが、本発明の実施の形態2では、犠牲酸化にドライ酸化を用いた場合について説明する。なお、犠牲酸化以外、例えば不揮発性メモリの構造などは前記実施の形態1と同様である。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the case where radical oxidation is used as the sacrificial oxidation has been described. In the second embodiment of the present invention, the case where dry oxidation is used as the sacrificial oxidation will be described. Except for sacrificial oxidation, the structure of the nonvolatile memory, for example, is the same as that of the first embodiment.
図12(a)に示すように、ドライエッチングによって受けたダメージを回復するために、露出した基板1の表面に対して犠牲酸化を行い、例えば6nm程度の酸化シリコン膜15を形成する。この犠牲酸化として本実施の形態2では、ドライ酸化を行う。具体的には、1000℃程度、60秒の急速熱酸化(RTO:Rapid Thermal Oxidation)を行う。なお、犠牲酸化によって形成された酸化シリコン膜15は、高圧系MOS部のゲート絶縁膜形成前の洗浄において除去する。
As shown in FIG. 12A, in order to recover the damage caused by dry etching, sacrificial oxidation is performed on the exposed surface of the
このように本実施の形態2では、犠牲酸化として急速熱酸化を用いることによって、図12(b)に示すように、スペーサ14およびメモリゲートMGの端部下では酸化シリコン膜15aの形成を抑制することができる。図15を参照して説明したように、メモリゲートMGの端部における酸化シリコン膜15aの形成は、誤書き込み・誤消去の原因となる。すなわち、ISSG酸化によってスペーサ14およびメモリゲートMGの端部下の酸化シリコン膜15aの形成を抑制することで、不揮発性メモリの誤書き込み・誤消去の発生を防止することができる。
As described above, in the second embodiment, by using rapid thermal oxidation as sacrificial oxidation, as shown in FIG. 12B, the formation of the
また、犠牲酸化として急速熱酸化を用いることによって、図12(b)に示すように、ポリシリコン膜10の側面に酸化シリコン膜15bの形成を抑制することができる。図15を参照して説明したように、ポリシリコン膜10の側面に酸化シリコン膜15bの形成は、メモリゲートMGの形状ばらつきの原因となる。すなわち、急速熱酸化によってポリシリコン膜10の側面に酸化シリコン膜15bの形成を抑制することで、微細化されたメモリゲートMGであっても、その形状ばらつきの発生を防止することができる。
Further, by using rapid thermal oxidation as sacrificial oxidation, formation of the
さらに、犠牲酸化として急速熱酸化を用いることによって、消去後のしきい値バラツキを低減することができる。 Furthermore, by using rapid thermal oxidation as sacrificial oxidation, threshold variation after erasing can be reduced.
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、電荷蓄積層として窒化シリコンを適用した場合について説明したが、アルミナ(Al2O3)などのように絶縁性のトラップ準位を形成できるような材料を適用しても良い。 For example, in the above embodiment, the case where silicon nitride is applied as the charge storage layer has been described. However, a material that can form an insulating trap level, such as alumina (Al 2 O 3 ), is applied. Also good.
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.
1 半導体基板(基板)
2 表面酸化膜
3 窒化シリコン膜
4 溝
5 素子分離
6a 第1n型半導体領域
6b 第2n型半導体領域
7 p型ウエル
8 酸化シリコン膜
9 電荷蓄積層
9a 窒化シリコン膜
9b 酸窒化シリコン膜
10 ポリシリコン膜
11 絶縁膜
12 第1ゲート
13 低濃度n型半導体領域
14 スペーサ
15、15a、15b 酸化シリコン膜
16、17 n型ウエル
18 p型ウエル
19、20 ゲート絶縁膜
21 ポリシリコン膜
22 絶縁膜
23 第2ゲート
24、25、26 低濃度n型半導体領域
27、28 低濃度p型半導体領域
29 スペーサ
30、31、32 高濃度n型半導体領域
33、34 高濃度p型半導体領域
35 シリサイド層
36 絶縁膜
37 層間絶縁膜
38 コンタクトホール
39 プラグ
CG、CGx コントロールゲート
M1 第1層配線
MC1、MC2、MCx メモリセル
MG、MGx メモリゲート
MIM 容量素子
Q1 低耐圧pチャネル型MOSFET
Q2 低耐圧nチャネル型MOSFET
Q3 高耐圧pチャネル型MOSFET
Q4 高耐圧nチャネル型MOSFET
1 Semiconductor substrate (substrate)
2
Q2 Low voltage n-channel MOSFET
Q3 High voltage p-channel MOSFET
Q4 High voltage n-channel MOSFET
Claims (4)
(b)前記第1ゲートを覆うように堆積した第1絶縁膜をエッチバックすることによって前記第1ゲートの側壁に第1スペーサを形成すると共に、前記半導体基板の表面を露出する工程、
(c)前記第1ゲートを覆うように堆積した電極材料膜をパターニングすることによって前記第1ゲート上に一部が乗り上げるように第2電界効果トランジスタの第2ゲートを形成する工程、
を含む半導体装置の製造方法であって、
前記工程(c)の前に、前記工程(b)で露出した前記半導体基板の表面に対してラジカル酸化をすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 (A) forming a first gate of the first field effect transistor by patterning a first electrode material film deposited on the main surface of the semiconductor substrate;
(B) forming a first spacer on the side wall of the first gate by etching back the first insulating film deposited so as to cover the first gate, and exposing the surface of the semiconductor substrate;
(C) forming a second gate of the second field-effect transistor so that a part of the electrode material film is deposited on the first gate by patterning the electrode material film deposited so as to cover the first gate;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
Before the step (c), radical oxidation is performed on the surface of the semiconductor substrate exposed in the step (b).
(b)前記第1ゲートを覆うように堆積した第1絶縁膜をエッチバックすることによって前記第1ゲートの側壁に第1スペーサを形成すると共に、前記半導体基板の表面を露出する工程、
(c)前記第1ゲートを覆うように堆積した電極材料膜をパターニングすることによって前記第1ゲート上に一部が乗り上げるように第2電界効果トランジスタの第2ゲートを形成する工程、
を含む半導体装置の製造方法であって、
前記工程(c)の前に、前記工程(b)で露出した前記半導体基板の表面に対してドライ酸化をすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 (A) forming a first gate of the first field effect transistor by patterning a first electrode material film deposited on the main surface of the semiconductor substrate;
(B) forming a first spacer on the side wall of the first gate by etching back the first insulating film deposited so as to cover the first gate, and exposing the surface of the semiconductor substrate;
(C) forming a second gate of the second field-effect transistor so that a part of the electrode material film is deposited on the first gate by patterning the electrode material film deposited so as to cover the first gate;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
Prior to the step (c), a dry oxidation is performed on the surface of the semiconductor substrate exposed in the step (b).
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JP2015039029A (en) * | 2009-01-15 | 2015-02-26 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Method for manufacturing semiconductor device |
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