JP2009170471A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2009170471A JP2008003705A JP2008003705A JP2009170471A JP 2009170471 A JP2009170471 A JP 2009170471A JP 2008003705 A JP2008003705 A JP 2008003705A JP 2008003705 A JP2008003705 A JP 2008003705A JP 2009170471 A JP2009170471 A JP 2009170471A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device that avoids interference between adjacent cells without degrading the writing/clearing efficiency, and to provide a manufacturing method of the semiconductor device. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes a first insulating film 6 that is filled up from the bottom face of a trench formed from the front face toward the inside of a semiconductor substrate 1 up to a depth position lower than the top face of the substrate, and that has a concave structure in the shape where the side face is orthogonal to the substrate 1 or in the tapered shape at a part of a region that never comes in contact with an inner wall of the trench; a first gate electrode 9 formed on the top face and outer face of a gate oxide film 8 as well as on the front face of the first insulating film 6 that is related to a region interposed between the concave structure and the gate oxide film 8; and a second gate electrode 12 formed on the top face and outer face of a second insulating film 11 with the concave structure filled up. The lowest face of the second gate electrode 12 is formed at a position lower than the lowest face of the first gate electrode 9. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、2つのゲート電極が絶縁膜を介して積層したトランジスタ構造を有してなる半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a transistor structure in which two gate electrodes are stacked with an insulating film interposed therebetween and a manufacturing method thereof.

半導体記憶装置の一つであるフラッシュメモリは、浮遊ゲート電極中の電荷量により閾値が変化することを利用したメモリであり、電気的にデータの書き換えができ、浮遊ゲート電極中に蓄積した電荷は電源を切った後も変化せず記憶状態が保持されることから不揮発性メモリとして主に携帯機器を中心に広く使用されている。   A flash memory, which is one of semiconductor memory devices, is a memory that utilizes the fact that a threshold value changes depending on the amount of charge in a floating gate electrode. Data can be rewritten electrically, and the charge accumulated in the floating gate electrode is Since the memory state is not changed even after the power is turned off, it is widely used as a nonvolatile memory mainly in portable devices.

図5は従来のフラッシュメモリセルアレイの概略平面図である。図5に示されるように、制御ゲート電極12(太線で囲まれた領域)がストライプ状に配列されており、制御ゲート電極12下層にはメモリセル毎に独立して浮遊ゲート電極9が配置されている。又、ソース・ドレイン拡散領域13が、活性領域7上において制御ゲート電極12に対して自己整合的に形成されている。活性領域7は、ソース・ドレイン拡散領域13の下層、並びに浮遊ゲート電極9の下層に形成されており、格子状に配列されている。そして、活性領域7が形成されていない領域には、素子分離のための第1絶縁膜6が形成されており、この第1絶縁膜6によって浮遊ゲート電極9が制御ゲート電極12の延伸方向(図面A−A’方向)において分断されている。また、浮遊ゲート電極9は、ソース・ドレイン拡散領域13によって図面上B−B’方向にも分断されており、これによって各メモリセル毎に独立して浮遊ゲート電極9が配列される構成である。そして、図5中の領域20によって囲まれる構造体によって、一つのメモリセルが構成される。   FIG. 5 is a schematic plan view of a conventional flash memory cell array. As shown in FIG. 5, control gate electrodes 12 (regions surrounded by thick lines) are arranged in stripes, and floating gate electrodes 9 are arranged independently for each memory cell under the control gate electrode 12. ing. A source / drain diffusion region 13 is formed on the active region 7 in a self-aligned manner with respect to the control gate electrode 12. The active region 7 is formed below the source / drain diffusion region 13 and below the floating gate electrode 9 and is arranged in a lattice pattern. A first insulating film 6 for element isolation is formed in a region where the active region 7 is not formed, and the floating gate electrode 9 extends in the extending direction of the control gate electrode 12 by this first insulating film 6 ( It is divided in the direction of the drawing AA ′. The floating gate electrode 9 is also divided in the BB ′ direction in the drawing by the source / drain diffusion region 13, whereby the floating gate electrode 9 is arranged independently for each memory cell. . Then, one memory cell is formed by the structure surrounded by the region 20 in FIG.

図6は、従来のフラッシュメモリセルアレイの概略断面図であり、図5上に示されるA−A’線、及びそれに直交するB−B’線夫々で切断した概略断面図の一部を図示している。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a conventional flash memory cell array, and illustrates a part of the schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ shown in FIG. 5 and the line BB ′ orthogonal thereto. ing.

図6に示される従来のフラッシュメモリセル(アレイ)は、半導体基板1上に形成されたトレンチ内を充填された絶縁膜(第1絶縁膜)6によって分離された活性領域(第1不純物拡散領域)7、ゲート酸化膜8、浮遊ゲート電極(第1ゲート電極)9、ONO膜(第2絶縁膜)11、制御ゲート電極(第2ゲート電極)12、ソース・ドレイン拡散領域13、サイドウォール絶縁膜14、層間絶縁膜15、コンタクトプラグ16、配線層(ビット線)17を備えて構成される。   A conventional flash memory cell (array) shown in FIG. 6 has an active region (first impurity diffusion region) separated by an insulating film (first insulating film) 6 filled in a trench formed on a semiconductor substrate 1. ) 7, gate oxide film 8, floating gate electrode (first gate electrode) 9, ONO film (second insulating film) 11, control gate electrode (second gate electrode) 12, source / drain diffusion region 13, sidewall insulation A film 14, an interlayer insulating film 15, a contact plug 16, and a wiring layer (bit line) 17 are provided.

図6に示されるように、活性領域7上に、ゲート酸化膜8、第1ゲート電極9、第2絶縁膜11、第2ゲート電極12が下からこの順に積層されており、隣接するこの積層構造に挟まれた半導体基板1上の領域には、ソース・ドレイン拡散領域13が第2ゲート電極12に対して自己整合的に形成されている。そして、ソース・ドレイン拡散領域13のドレイン側が、コンタクトプラグ16によってビット線17と電気的に接続されている。又、図示していないが、各第2ゲート電極12は、ワード線と電気的に接続されている。そして、ソース・ドレイン拡散領域13のソース側が、ワード線(12)の延伸方向に隣接するメモリセルのソース・ドレイン拡散領域13のソース側と接続して、ワード線と平行方向に延伸するソース線を形成している。尚、以下では、活性領域7をP型領域、ソース・ドレイン拡散領域13を高濃度N型領域として説明する。   As shown in FIG. 6, a gate oxide film 8, a first gate electrode 9, a second insulating film 11, and a second gate electrode 12 are stacked in this order from the bottom on the active region 7. A source / drain diffusion region 13 is formed in a self-aligned manner with respect to the second gate electrode 12 in a region on the semiconductor substrate 1 sandwiched between the structures. The drain side of the source / drain diffusion region 13 is electrically connected to the bit line 17 by the contact plug 16. Although not shown, each second gate electrode 12 is electrically connected to a word line. The source side of the source / drain diffusion region 13 is connected to the source side of the source / drain diffusion region 13 of the memory cell adjacent in the extending direction of the word line (12), and extends in the direction parallel to the word line. Is forming. In the following description, it is assumed that the active region 7 is a P-type region and the source / drain diffusion region 13 is a high-concentration N-type region.

かかる構成の下で、例えばビット線17に1V、ワード線に5V、ソース拡散領域(ソース線)に0Vを印加し、ソース拡散領域(ソース線)を流れる電流量を検知することで読み出し処理を行う。フラッシュメモリセル内に情報が記憶されている場合、第1ゲート電極9内に電子が保持されているため、トランジスタ(メモリセルトランジスタ)の閾値電圧が初期状態(第1ゲート電極9内に電子が保持されていない状態、即ち情報が記憶されていない状態)と比較して上昇する。即ち、フラッシュメモリセル内に情報が記憶されている場合とされていない場合とで、選択されたメモリセルトランジスタを流れる電流量が変化するため、この電流量をソース線により検知することにより、当該メモリセルに情報が書き込まれているか否かの判別を行うことができる。   Under such a configuration, for example, 1V is applied to the bit line 17, 5V is applied to the word line, 0V is applied to the source diffusion region (source line), and the amount of current flowing through the source diffusion region (source line) is detected. Do. When information is stored in the flash memory cell, since electrons are held in the first gate electrode 9, the threshold voltage of the transistor (memory cell transistor) is in an initial state (electrons are stored in the first gate electrode 9). As compared with a state where information is not held, that is, a state where information is not stored. That is, since the amount of current flowing through the selected memory cell transistor varies depending on whether information is stored in the flash memory cell or not, the current amount is detected by the source line. It is possible to determine whether information is written in the memory cell.

又、例えばビット線17に4V、ワード線に9V、ソース線に0Vを印加することで書き込み処理を行う。前記のような電圧状態が形成されると、第1ゲート電極9下方の活性領域7にチャネル領域が形成され、メモリセルトランジスタが導通状態となる。このとき、ドレイン領域近傍にチャネルが消失するピンチオフ点が発生し、この部分を電子がドリフト伝導するため、このドレイン近傍の領域にチャネル電位とドレイン電位の高電位差により高電界が発生し、チャネルホットエレクトロンが生成される。そして、ワード線(第2ゲート電極12)に正電圧が印加されているため、当該チャネルホットエレクトロンが第2ゲート電極12側に引き付けられ、ゲート酸化膜8を越えて第1ゲート電極9内に取り込まれ、これによって情報が書き込まれる。   Further, for example, 4V is applied to the bit line 17, 9V is applied to the word line, and 0V is applied to the source line, thereby performing the writing process. When the voltage state as described above is formed, a channel region is formed in the active region 7 below the first gate electrode 9, and the memory cell transistor becomes conductive. At this time, a pinch-off point where the channel disappears is generated in the vicinity of the drain region, and electrons are drift-conducted in this portion. Therefore, a high electric field is generated in the region in the vicinity of the drain due to a high potential difference between the channel potential and the drain potential. Electrons are generated. Since a positive voltage is applied to the word line (second gate electrode 12), the channel hot electrons are attracted to the second gate electrode 12 side, and pass through the gate oxide film 8 into the first gate electrode 9. It is captured and information is written thereby.

又、例えば活性領域7に7V、ワード線に−8Vを印加することで消去処理を行う。前記のような電圧状態が形成されると、第1ゲート電極9からゲート酸化膜8を介して活性領域7に向けて流れるFNトンネル電流が生じ、これによって、第1ゲート電極9に蓄積されていた電子が放出され、情報が消去される。   For example, the erase process is performed by applying 7 V to the active region 7 and −8 V to the word line. When the voltage state as described above is formed, an FN tunnel current that flows from the first gate electrode 9 to the active region 7 through the gate oxide film 8 is generated, and is thereby accumulated in the first gate electrode 9. Electrons are released and information is erased.

上述のように、フラッシュメモリセルに対して情報の書き込みを行うに際し、第1ゲート電極9内に電荷(ホットエレクトロン)の注入を行う。このとき、ソース・ドレイン間の電界によって加速されたホットエレクトロンを第1ゲート電極9内に引き寄せるために、第1ゲート電極9の電位を上昇させるべく、第2ゲート電極12に対して正電圧を印加する。   As described above, when writing information to the flash memory cell, charge (hot electrons) is injected into the first gate electrode 9. At this time, in order to attract hot electrons accelerated by the electric field between the source and the drain into the first gate electrode 9, a positive voltage is applied to the second gate electrode 12 in order to raise the potential of the first gate electrode 9. Apply.

このとき、第1ゲート電極9に誘起される電圧は、第2ゲート電極12に印加された動作電圧と、第2ゲート電極12に電圧が印加されたときの第1ゲート電極9に誘起される電圧の比(以下、「カップリング比」と記載)に依存して決定する。即ち、第2ゲート電極12に対して同一の動作電圧が印加された場合、カップリング比を大きくすればするほど、第1ゲート電極9に誘起される誘起電圧は大きくなる。従って、カップリング比を大きくすることにより、第1ゲート電極9に電荷注入を行うために必要な、第2ゲート電極12に印加すべき動作電圧を小さくすることができ、効率的に書き込みを行うことができる。   At this time, the voltage induced in the first gate electrode 9 is induced in the operating voltage applied to the second gate electrode 12 and in the first gate electrode 9 when the voltage is applied to the second gate electrode 12. It is determined depending on the voltage ratio (hereinafter referred to as “coupling ratio”). That is, when the same operating voltage is applied to the second gate electrode 12, the induced voltage induced in the first gate electrode 9 increases as the coupling ratio increases. Therefore, by increasing the coupling ratio, it is possible to reduce the operating voltage to be applied to the second gate electrode 12, which is necessary for injecting charges into the first gate electrode 9, and to perform writing efficiently. be able to.

前記のカップリング比は、半導体基板1(活性領域7、ソース・ドレイン拡散領域13)と第1ゲート電極9の間の静電容量をC1、第1ゲート電極9と第2ゲート電極12の間の静電容量をC2とした場合、C2/(C1+C2)で定義される値である。このカップリング比を大きくするためには、C1を小さくするか、又はC2を大きくすることで実現が可能である。   The coupling ratio is such that the capacitance between the semiconductor substrate 1 (active region 7, source / drain diffusion region 13) and the first gate electrode 9 is C 1, and between the first gate electrode 9 and the second gate electrode 12. Is the value defined by C2 / (C1 + C2). Increasing the coupling ratio can be realized by decreasing C1 or increasing C2.

しかしながら、C1はゲート酸化膜8の膜厚に依存し、C1を小さくするためにゲート酸化膜7の膜厚を厚くすることは、第1ゲート電極9に対する電荷の流入、或いは第1ゲート電極9からの電荷の脱出を困難にし、書き込み/消去特性が悪化する。このため、C1を小さくすることは事実上困難である。又、第1ゲート電極9と第2ゲート電極12の間の第2絶縁膜11の膜厚を薄くすることにより前記C2を大きくすることは理論上は可能であるが、当該第2絶縁膜11の電位障壁が低下するため、第1ゲート電極9に蓄積された電荷が容易に第2ゲート電極12に脱出してしまい、データ保持特性が劣化するという問題がある。   However, C1 depends on the film thickness of the gate oxide film 8. Increasing the film thickness of the gate oxide film 7 in order to reduce C1 is the inflow of charges to the first gate electrode 9 or the first gate electrode 9. This makes it difficult to escape charges from the surface and deteriorates the write / erase characteristics. For this reason, it is practically difficult to reduce C1. Although it is theoretically possible to increase C2 by reducing the thickness of the second insulating film 11 between the first gate electrode 9 and the second gate electrode 12, the second insulating film 11 Therefore, there is a problem that the electric charge accumulated in the first gate electrode 9 easily escapes to the second gate electrode 12 and the data retention characteristics deteriorate.

これを受けて、従来、第1ゲート電極9と第2ゲート電極12が対向する面積を、第1ゲート電極9と半導体基板1(活性領域7、ソース・ドレイン拡散領域13)が対向する面積よりも大きくすることで、カップリング比を大きくする方法が採用されている(例えば下記特許文献1参照)。以下、かかる方法によりフラッシュメモリセルを製造する場合の製造工程を図面を参照して説明する。   Accordingly, the area where the first gate electrode 9 and the second gate electrode 12 are opposed to each other from the area where the first gate electrode 9 and the semiconductor substrate 1 (the active region 7 and the source / drain diffusion region 13) are opposed to each other. In order to increase the coupling ratio, a method of increasing the coupling ratio is employed (see, for example, Patent Document 1 below). Hereinafter, a manufacturing process when a flash memory cell is manufactured by such a method will be described with reference to the drawings.

図7〜図10は、前記の従来方法を用いてフラッシュメモリセル(アレイ)を製造する際の各工程における概略断面構造図を模式的に示したものであり、工程毎に図7(a)〜(d)、図8(a)〜(d)、図9(a)〜(c)、及び図10(a)〜(c)に分けて図示している(紙面の都合上4図面に分かれている)。又、図11は従来方法の製造工程をフローチャートにしたものであり、以下の文中の各ステップは図11に示されるフローチャートの各ステップを表すものとする。尚、各断面構造図は、図6と同様、図5内のA−A’線、及びB−B’線で切断した断面図によって図示している。   7 to 10 schematically show schematic cross-sectional structure diagrams in each process when manufacturing a flash memory cell (array) using the above-described conventional method, and FIG. To (d), FIG. 8 (a) to (d), FIG. 9 (a) to (c), and FIG. 10 (a) to (c). I know). FIG. 11 is a flowchart showing the manufacturing process of the conventional method, and each step in the following sentence represents each step of the flowchart shown in FIG. Each cross-sectional structure diagram is illustrated by a cross-sectional view taken along line A-A 'and line B-B' in FIG.

尚、各断面構造図は、模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。   Each cross-sectional structure diagram is schematically illustrated, and the dimensional ratio on the drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio.

まず、図7(a)に示すように、半導体基板1上にシリコン酸化膜2、シリコン窒化膜3を全面に堆積する(ステップ#1)。   First, as shown in FIG. 7A, a silicon oxide film 2 and a silicon nitride film 3 are deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1 (step # 1).

次に、図7(b)に示すように、シリコン窒化膜3上の所定領域にフォトリソグラフィ法によってパターニングされたフォトレジスト膜4を形成する(ステップ#2)。本ステップ#2では、次のステップ#3において半導体基板1に対してエッチングを行うことでトレンチ5を形成する領域以外の領域にフォトレジスト膜4を残存させる。トレンチ5の形成領域としては、例えば、半導体基板1の基板面に平行な第1方向及び同方向に直交する第2方向にマトリクス状に配置された複数の領域とすることができる。   Next, as shown in FIG. 7B, a photoresist film 4 patterned by a photolithography method is formed in a predetermined region on the silicon nitride film 3 (step # 2). In this step # 2, the photoresist film 4 is left in a region other than the region where the trench 5 is formed by etching the semiconductor substrate 1 in the next step # 3. The formation region of the trench 5 can be, for example, a plurality of regions arranged in a matrix in a first direction parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate 1 and a second direction orthogonal to the same direction.

次に、図7(c)に示すように、ステップ#2において形成したフォトレジスト膜4をマスクとして、シリコン窒化膜3、シリコン酸化膜2をプラズマエッチング法によりエッチング処理し、その後、フォトレジスト膜4を剥離した後に残存しているシリコン窒化膜3をマスクとして半導体基板1に対してエッチング処理を行ってトレンチ5を形成する(ステップ#3)。   Next, as shown in FIG. 7C, the silicon nitride film 3 and the silicon oxide film 2 are etched by plasma etching using the photoresist film 4 formed in step # 2 as a mask, and then the photoresist film Using the silicon nitride film 3 remaining after peeling 4 as a mask, the semiconductor substrate 1 is etched to form a trench 5 (step # 3).

次に、高密度プラズマCVD法(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)法によりシリコン酸化膜(以下では「第1絶縁膜6」と記載)を蒸着させ、トレンチ5内を完全に充填させる(ステップ#4)。その後、更にCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて、トレンチ5周辺のシリコン窒化膜3の表面が露出するまで研磨処理を行う(図7(d)参照)。その後、図8(a)に示すように、薬液を用いてシリコン窒化膜3及びシリコン酸化膜2の除去を順次行う(ステップ#5)。これにより、半導体基板1の基板面(活性領域)が露出し、半導体基板1の基板面と第1絶縁膜6の成膜表面との高さ位置に相違が生じる。   Next, a silicon oxide film (hereinafter referred to as “first insulating film 6”) is deposited by a high density plasma CVD (High Density Plasma Chemical Vapor Deposition) method to completely fill the trench 5 (step # 4). ). Thereafter, a polishing process is further performed using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method until the surface of the silicon nitride film 3 around the trench 5 is exposed (see FIG. 7D). Thereafter, as shown in FIG. 8A, the silicon nitride film 3 and the silicon oxide film 2 are sequentially removed using a chemical solution (step # 5). As a result, the substrate surface (active region) of the semiconductor substrate 1 is exposed, and a difference occurs in the height position between the substrate surface of the semiconductor substrate 1 and the film formation surface of the first insulating film 6.

上述したステップ#1〜#5に係る工程は、いわゆるSTI(Shallow Trenchi Isolation)法と呼ばれる公知のトレンチ分離方法を用いて行われる製造プロセスと同じである。   The processes according to steps # 1 to # 5 described above are the same as the manufacturing process performed using a known trench isolation method called a so-called STI (Shallow Trenchi Isolation) method.

次に、図8(b)に示すように、全面に例えばBイオンを注入した後、熱処理を実行して活性化させて、トレンチ外領域の半導体基板1上に第1不純物拡散領域7を形成する(ステップ#6)。   Next, as shown in FIG. 8B, for example, B ions are implanted into the entire surface and then activated by heat treatment to form the first impurity diffusion region 7 on the semiconductor substrate 1 in the region outside the trench. (Step # 6).

次に、図8(c)に示すように、薬液を用いて第1絶縁膜6に対してウェットエッチング処理(等方性エッチング処理)を実行し、第1絶縁膜6の一部の露出面を第1不純物拡散領域7の最上面よりも下方位置に後退させる(ステップ#7)。当該ステップ#7によって、その後の工程で形成される第1ゲート電極9の表面積を増大させ、同ゲート電極9と第2ゲート電極12との対向面積を増大させる作用を有する。   Next, as shown in FIG. 8C, a wet etching process (isotropic etching process) is performed on the first insulating film 6 using a chemical solution, so that a part of the exposed surface of the first insulating film 6 is exposed. Is retracted to a position below the uppermost surface of the first impurity diffusion region 7 (step # 7). The step # 7 has an effect of increasing the surface area of the first gate electrode 9 formed in the subsequent process and increasing the facing area between the gate electrode 9 and the second gate electrode 12.

次に、図8(d)に示すように、露出された半導体基板1の基板面(第1不純物拡散領域7)に対して熱酸化処理を施して、ゲート酸化膜8を形成する(ステップ#8)。   Next, as shown in FIG. 8D, the exposed substrate surface (first impurity diffusion region 7) of the semiconductor substrate 1 is subjected to thermal oxidation to form a gate oxide film 8 (step #). 8).

次に、図9(a)に示すように、全面に導電性の第1ゲート電極膜9(例えばポリシリコン膜)を成膜した後、第1絶縁膜6の上面が露出するまでCMP法等を用いて表面を平坦化する(ステップ#9)。   Next, as shown in FIG. 9A, after a conductive first gate electrode film 9 (for example, a polysilicon film) is formed on the entire surface, a CMP method or the like is performed until the upper surface of the first insulating film 6 is exposed. Is used to flatten the surface (step # 9).

次に、図9(b)に示すように、ウェットエッチング法を用いて、第1ゲート電極膜9に挟まれた領域に形成されている第1絶縁膜6を除去し、第1絶縁膜6の露出面を後退させ、開口部31を形成する(ステップ#11)。   Next, as shown in FIG. 9B, the first insulating film 6 formed in the region sandwiched between the first gate electrode films 9 is removed by wet etching, and the first insulating film 6 is removed. The exposed surface is retracted to form the opening 31 (step # 11).

次に、図9(c)に示すように、開口部31を完全には充填しない範囲内の膜厚で第2絶縁膜11(ONO膜)を成膜した後(ステップ#12)、その直上に導電性の第2ゲート電極膜12(例えばポリシリコン膜)を成膜する(ステップ#13)。前記のように、ステップ#7において予め第1絶縁膜6に対してウェットエッチング処理を施していることにより、第1ゲート電極膜9と第2ゲート電極膜12とが基板面に直交する方向においても対向し、これによって前記C2を大きくすることができ、大きなカップリング比を実現することができる。   Next, as shown in FIG. 9C, after the second insulating film 11 (ONO film) is formed with a film thickness that does not completely fill the opening 31 (step # 12), immediately above it A conductive second gate electrode film 12 (for example, a polysilicon film) is formed (step # 13). As described above, the first gate electrode film 9 and the second gate electrode film 12 are in a direction perpendicular to the substrate surface by performing the wet etching process on the first insulating film 6 in advance in Step # 7. Can also be increased, thereby increasing the C2 and realizing a large coupling ratio.

次に、第2ゲート電極膜12、第2絶縁膜11,第1ゲート電極膜9及びゲート酸化膜8からなる積層膜をパターニングして、第1ゲート電極(浮遊ゲート電極)9と半導体基板1の基板面に平行な第1方向に延伸する第2ゲート電極(制御ゲート電極)12とを同時に形成する(ステップ#14)。本ステップ#14によって、第1方向に延伸する複数の第2ゲート電極12が形成されると共に、その外側の活性領域(第1不純物拡散領域7)が露出される。   Next, the laminated film composed of the second gate electrode film 12, the second insulating film 11, the first gate electrode film 9 and the gate oxide film 8 is patterned to form the first gate electrode (floating gate electrode) 9 and the semiconductor substrate 1. A second gate electrode (control gate electrode) 12 extending in a first direction parallel to the substrate surface is simultaneously formed (step # 14). By this step # 14, a plurality of second gate electrodes 12 extending in the first direction are formed, and the outer active region (first impurity diffusion region 7) is exposed.

その後は、従来の不揮発性半導体記憶装置の製造方法に準じる。即ち、これらのゲート電極をマスクとして例えばAsイオン注入を行うことでソース・ドレイン拡散領域13を形成した後(図10(a))、全面に層間絶縁膜15を堆積する(図10(b))。そして、ソース・ドレイン拡散領域上の所定領域にコンタクトホールを形成した後、当該コンタクトホール内にタングステン(W)等の金属膜を充填してコンタクトプラグ16を形成し、ソース・ドレイン領域との電気的接続のための配線層(ビット線)17を形成する(図10(c))。   After that, it conforms to a conventional method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device. That is, after forming source / drain diffusion regions 13 by performing, for example, As ion implantation using these gate electrodes as a mask (FIG. 10A), an interlayer insulating film 15 is deposited on the entire surface (FIG. 10B). ). After a contact hole is formed in a predetermined region on the source / drain diffusion region, a contact plug 16 is formed by filling the contact hole with a metal film such as tungsten (W), and the contact hole 16 is electrically connected to the source / drain region. A wiring layer (bit line) 17 for general connection is formed (FIG. 10C).

尚、図10(b)に示すように、Asイオン注入後、多層膜の外側面にサイドウォール絶縁膜14を形成した後にこの多層膜及びサイドウォール絶縁膜14をマスクとして再度Asイオン注入を行うものとしても良い。   As shown in FIG. 10B, after the As ion implantation, after the sidewall insulating film 14 is formed on the outer surface of the multilayer film, the As ion implantation is performed again using the multilayer film and the sidewall insulating film 14 as a mask. It is good as a thing.

特許第3362970号明細書Japanese Patent No. 3362970 特開2002−57228号公報JP 2002-57228 A

前記従来方法によれば、第1ゲート電極9と第2ゲート電極12との対向面積が増大するため、大きいカップリング比を実現することができる。   According to the conventional method, since the facing area between the first gate electrode 9 and the second gate electrode 12 increases, a large coupling ratio can be realized.

ところで、大容量化に伴ってメモリセルサイズを縮小していくと、隣接セル間の距離が狭まり、これによって隣接する浮遊ゲート(第1ゲート)電極間の静電容量が増大し、隣接セル間の干渉が無視できなくなる。かかる干渉度合いが大きくなると、隣接する第1ゲート電極9の電位が平均化されてしまい、これによってデータの誤読み出し等の問題を招来する。   By the way, when the memory cell size is reduced as the capacity is increased, the distance between adjacent cells is reduced, thereby increasing the capacitance between adjacent floating gate (first gate) electrodes, thereby increasing the distance between adjacent cells. Interference can no longer be ignored. When the degree of interference increases, the potentials of the adjacent first gate electrodes 9 are averaged, which causes problems such as erroneous data reading.

このような問題を回避すべく、隣接した第1ゲート電極間を導電層でシールドする方法が従来開示されている(例えば、上記特許文献2参照)。図7〜図10を参照して説明した上記方法を用いる場合には、隣接した第1ゲート電極間に、第2ゲート電極を十分に埋設させることでシールド能力を実現すれば良く、具体的には上記ステップ#11において第1絶縁膜6の露出面を十分に後退させれば良い。このためには、ウェットエッチング時のバラツキも考慮して、第1ゲート電極9の最下面よりも深い位置まで露出面を後退させる必要がある。   In order to avoid such a problem, a method of shielding between adjacent first gate electrodes with a conductive layer has been conventionally disclosed (for example, see Patent Document 2). In the case of using the above-described method described with reference to FIGS. 7 to 10, it is only necessary to realize a shielding capability by sufficiently burying the second gate electrode between the adjacent first gate electrodes. In step # 11, the exposed surface of the first insulating film 6 may be sufficiently retracted. For this purpose, it is necessary to recede the exposed surface to a position deeper than the lowermost surface of the first gate electrode 9 in consideration of variations during wet etching.

しかしながら、上記ステップ#7によって第1絶縁膜6に対してウェットエッチング処理を実行しているため、図9(a)に示されるように、ステップ#11の実行前において第1ゲート電極膜9は下方領域が湾曲した形状を示している。従って、ステップ#11において、第1ゲート電極膜9最下面よりも深い位置まで第1絶縁膜6の露出面を後退させる処理を行うと、図12に示されるように、処理後に形成される開口部32が深さ方向に進むほど拡がりを有する湾曲形状を有する。   However, since the wet etching process is performed on the first insulating film 6 in the above step # 7, as shown in FIG. 9A, the first gate electrode film 9 is formed before the execution of the step # 11. The lower region shows a curved shape. Therefore, in step # 11, when the process of retracting the exposed surface of the first insulating film 6 to a position deeper than the lowermost surface of the first gate electrode film 9, an opening formed after the process is formed as shown in FIG. The portion 32 has a curved shape that expands as it advances in the depth direction.

図13は、図12に示されるような形状を有する開口部32を形成した後、ステップ#12及び#13を実行した時点での概略断面構造図である。開口部32が底面において拡がりを有していたため、図13に示されるように、その後に形成された第2ゲート電極膜12が第1ゲート電極膜9の下方領域に形成される(図中の領域A参照)。   FIG. 13 is a schematic cross-sectional structure diagram when steps # 12 and # 13 are performed after the opening 32 having the shape as shown in FIG. 12 is formed. Since the opening 32 has an expansion at the bottom, as shown in FIG. 13, the second gate electrode film 12 formed thereafter is formed in the lower region of the first gate electrode film 9 (in FIG. Area A).

このように第2ゲート電極膜12が第1ゲート電極膜9の下方に回り込むように形成されると、ステップ#14に係るパターニング工程において、第2ゲート電極膜12に対するパターニング処理時に、当該第2ゲート電極膜12の上方領域に形成されている第1ゲート電極膜9がマスクとなって、当該マスク下方に形成されていた一部の第2ゲート電極膜12がエッチング除去されずに残存してしまう。これにより、隣接する第2ゲート電極12同士が電気的に接続され、不具合を生じる可能性がある。   When the second gate electrode film 12 is formed so as to wrap around the first gate electrode film 9 in this way, the second gate electrode film 12 is subjected to the second gate electrode film 12 in the patterning process in step # 14. The first gate electrode film 9 formed in the upper region of the gate electrode film 12 serves as a mask, and a part of the second gate electrode film 12 formed under the mask remains without being removed by etching. End up. Thereby, the adjacent second gate electrodes 12 are electrically connected to each other, which may cause a problem.

このような状態を回避するためには、第2ゲート電極膜12の成膜時に第1ゲート電極膜9の下方に回り込まないよう、ステップ#11に係る第1絶縁膜6に対するウェットエッチング処理を行わないようにすれば良く、例えば図14に示されるように、トレンチ上方に第1ゲート電極膜9を形成し、隣接する第1ゲート電極膜9間に第2ゲート電極膜12が埋め込まれるように形成すれば良い。しかしながら、かかる構造の場合は、第1ゲート電極膜の表面積が減少するため、両ゲート電極膜の対向面積が減少し、これによってカップリング比が小さくなってしまう。   In order to avoid such a state, a wet etching process is performed on the first insulating film 6 according to step # 11 so as not to go below the first gate electrode film 9 when the second gate electrode film 12 is formed. For example, as shown in FIG. 14, the first gate electrode film 9 is formed above the trench, and the second gate electrode film 12 is embedded between the adjacent first gate electrode films 9. What is necessary is just to form. However, in the case of such a structure, since the surface area of the first gate electrode film is reduced, the opposing area of both gate electrode films is reduced, thereby reducing the coupling ratio.

本発明は、上記の問題点に鑑み、書き込み/消去の効率を劣化させることなく、隣接セル間の干渉を回避した半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that avoids interference between adjacent cells without deteriorating write / erase efficiency and a method for manufacturing the same.

上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置は、2つのゲート電極が絶縁膜を介して積層したトランジスタ構造を有してなる半導体装置であって、半導体基板の表面から前記半導体基板内に向けて凹入したトレンチと、前記半導体基板面の前記トレンチの外側の活性領域に形成された第1導電型の第1不純物拡散領域と、前記トレンチの底面から前記半導体基板の最上面より低い深さ位置まで充填されると共に、前記トレンチ内壁と接しない領域の一部に、側面が前記半導体基板に直交する形状又はテーパ形状の凹部構造を有してなる第1絶縁膜と、前記第1不純物拡散領域の上面及び前記第1絶縁膜に覆われていない外側面上に形成されたゲート酸化膜と、前記ゲート酸化膜の上面及び外側面上、並びに前記凹部構造と前記ゲート酸化膜に挟まれた領域に係る前記第1絶縁膜の表面上に形成された第1ゲート電極と、前記第1ゲート電極の上面及び外側面上、並びに前記凹部構造の内側面上に当該凹部構造を完全には充填しない範囲内の膜厚で形成された第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜の上面及び外側面上に、前記凹部構造を充填して形成された第2ゲート電極と、前記活性領域の複数の前記第1ゲート電極に挟まれた領域に形成された前記第1導電型とは異なる第2導電型のソース・ドレイン拡散領域と、を備えてなり、前記第2ゲート電極の最下面が前記第1ゲート電極の最下面よりも下方位置に形成されていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device having a transistor structure in which two gate electrodes are stacked via an insulating film, and is formed from the surface of a semiconductor substrate into the semiconductor substrate. A trench recessed inward, a first impurity diffusion region of a first conductivity type formed in an active region outside the trench on the surface of the semiconductor substrate, and a depth lower than the top surface of the semiconductor substrate from the bottom surface of the trench. A first insulating film having a concave structure with a side surface orthogonal to the semiconductor substrate or a tapered shape in a part of a region not filled with the trench inner wall and being in contact with the trench inner wall; A gate oxide film formed on an upper surface of the diffusion region and an outer surface not covered with the first insulating film; an upper surface and an outer surface of the gate oxide film; and the recess structure and the gate acid. A first gate electrode formed on a surface of the first insulating film in a region sandwiched between the films, the concave structure on the upper surface and the outer surface of the first gate electrode, and the inner surface of the concave structure; A second insulating film formed with a film thickness that does not completely fill the second insulating film, and a second gate electrode formed by filling the concave structure on the upper surface and the outer surface of the second insulating film, A source / drain diffusion region of a second conductivity type different from the first conductivity type formed in a region sandwiched between the plurality of first gate electrodes of the active region, and the second gate electrode The lowermost surface of the first gate electrode is formed at a position lower than the lowermost surface of the first gate electrode.

本発明に係る半導体装置の上記特徴構成によれば、第1絶縁膜内に形成された凹部構造を充填するように第2ゲート電極が形成される。そして、ゲート酸化膜の上面及び外側面上、並びに前記凹部構造と前記ゲート酸化膜に挟まれた領域に係る第1絶縁膜の表面上に第1ゲート電極が形成されている。これによって、第1ゲート電極と第2ゲート電極とが、半導体基板の基板面に平行な方向のみならず、基板面に垂直な方向においても対向する形状となる。これによって、両ゲート電極間の対向面積が増大し、大きいカップリング比を実現することができ、この結果高い書き込み/消去効率を実現することが可能となる。   According to the above characteristic configuration of the semiconductor device according to the present invention, the second gate electrode is formed so as to fill the recess structure formed in the first insulating film. A first gate electrode is formed on the upper surface and the outer surface of the gate oxide film, and on the surface of the first insulating film related to the region sandwiched between the recessed structure and the gate oxide film. Thus, the first gate electrode and the second gate electrode are opposed to each other not only in the direction parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate but also in the direction perpendicular to the substrate surface. As a result, the opposing area between both gate electrodes increases, and a large coupling ratio can be realized. As a result, high write / erase efficiency can be realized.

又、最下面が第1ゲート電極の最下面よりも下方位置となるように第2ゲート電極が形成される。このため、隣接する第1ゲート電極間に第2ゲート電極が形成される構造となり、この結果、隣接する第1ゲート電極間の間隔が狭くなった場合であっても、第2ゲート電極がシールドとして機能するため、これら第1ゲート電極間の静電容量の増大を抑制することができる。この結果、本発明装置を不揮発性半導体記憶装置として利用した場合に、隣接する第1ゲート電極との間の静電容量によって電位が誘起されることで生じる誤読み出し等のエラーを回避することが可能となる。   The second gate electrode is formed so that the lowermost surface is positioned below the lowermost surface of the first gate electrode. Therefore, the second gate electrode is formed between the adjacent first gate electrodes. As a result, even when the interval between the adjacent first gate electrodes becomes narrow, the second gate electrode is shielded. Therefore, an increase in capacitance between the first gate electrodes can be suppressed. As a result, when the device of the present invention is used as a nonvolatile semiconductor memory device, it is possible to avoid errors such as erroneous reading caused by the potential being induced by the capacitance between the adjacent first gate electrodes. It becomes possible.

そして、上記構成によれば、側面が前記半導体基板に直交する形状又はテーパ形状の凹部構造が第1絶縁膜内に形成されており、この凹部構造とゲート酸化膜に挟まれた領域に係る第1絶縁膜の表面上並びにゲート酸化膜の上面及び外側面上に第1ゲート電極が形成されている。又、第2絶縁膜が前記凹部構造の内側面上に当該凹部構造を完全には充填しない範囲内の膜厚で形成されており、第2ゲート電極が第2絶縁膜の上面及び外側面上に形成されている。従って、第2ゲート電極の上方領域に第1ゲート電極が形成されるということがないため、加工時に第1ゲート電極がマスクとなって除去すべき第2ゲート電極の一部が残存し、これによって隣接する第2ゲート電極同士が電気的に接続されるという事態を招来しない。従って、本発明装置を不揮発性半導体記憶装置として利用した場合に、各第2ゲート電極毎に電圧の印加を行うことができ、これによって不具合なく読み出し/書き込み/消去の各動作の実現が可能となる。   According to the above configuration, the concave structure whose side surface is orthogonal or tapered with respect to the semiconductor substrate is formed in the first insulating film, and the first region relating to the region sandwiched between the concave structure and the gate oxide film is formed. A first gate electrode is formed on the surface of one insulating film and on the upper and outer surfaces of the gate oxide film. The second insulating film is formed on the inner surface of the concave structure with a film thickness within a range that does not completely fill the concave structure, and the second gate electrode is on the upper surface and the outer surface of the second insulating film. Is formed. Therefore, since the first gate electrode is not formed in the region above the second gate electrode, a part of the second gate electrode to be removed remains as a mask during processing, and this is left. Therefore, a situation in which the adjacent second gate electrodes are electrically connected to each other is not caused. Therefore, when the device of the present invention is used as a non-volatile semiconductor memory device, it is possible to apply a voltage to each second gate electrode, thereby realizing each operation of reading / writing / erasing without any trouble. Become.

又、上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記特徴構成を有する半導体装置の製造方法であって、半導体基板上に前記トレンチを形成後、前記トレンチ内を充填すると共に当該トレンチの外側の活性領域の最上面よりも上面位置が高くなるように前記第1絶縁膜を形成する第1工程と、前記第1工程終了後、前記第1導電型の不純物イオンを注入して前記活性領域に前記第1不純物拡散領域を形成する第2工程と、前記第2工程終了後、前記第1絶縁膜に対して等方性エッチング処理を実行することで、前記第1絶縁膜の一部の露出面を前記活性領域の最上面よりも下方位置に後退させる第3工程と、前記第3工程終了後、前記半導体基板の露出面に熱酸化処理を施して前記ゲート酸化膜を形成する第4工程と、前記第4工程終了後、全面に導電性の第1ゲート電極膜を形成した後、前記第1絶縁膜の上面が露出するまで平坦化処理を施す第5工程と、前記第5工程終了後、前記第1ゲート電極膜をマスクとして、前記第1絶縁膜の露出面が前記第1ゲート電極膜の最下面よりも下方に位置するまで前記第1絶縁膜に対して異方性エッチング処理を実行することで前記凹部構造を含む開口部を形成する第6工程と、前記第6工程終了後、前記凹部構造内を完全には充填しない範囲内の膜厚で全面に前記第2絶縁膜を形成する第7工程と、前記第7工程終了後、全面に導電性の第2ゲート電極膜を形成する第8工程と、前記第8工程終了後、前記第2ゲート電極膜、前記第2絶縁膜、前記第1ゲート電極膜、及び前記ゲート酸化膜がこの順に積層された積層膜をパターニング処理して、前記第1ゲート電極及び前記半導体基板の平行な第1方向に延伸する前記第2ゲート電極を形成すると共に、前記第2ゲート電極の外側に前記半導体基板面を露出させる第9工程と、前記第9工程終了後、前記第2導電型の不純物イオンを注入して、露出された前記半導体基板面に前記ソース・ドレイン拡散領域を形成する第10工程と、を有することを第1の特徴とする。   A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object is a method of manufacturing a semiconductor device having the above-described characteristic configuration, and after the trench is formed on a semiconductor substrate, the trench is filled. And a first step of forming the first insulating film so that the upper surface position is higher than the uppermost surface of the active region outside the trench, and after the first step, the impurity ions of the first conductivity type are implanted. A second step of forming the first impurity diffusion region in the active region; and after the second step, an isotropic etching process is performed on the first insulating film, thereby A third step of retracting a part of the exposed surface of the film to a position below the uppermost surface of the active region; and after completion of the third step, the exposed surface of the semiconductor substrate is subjected to a thermal oxidation process to form the gate oxide film A fourth step of forming After the completion of the fourth step, after forming a conductive first gate electrode film on the entire surface, a fifth step of performing a planarization process until the upper surface of the first insulating film is exposed, and after the completion of the fifth step, Using the first gate electrode film as a mask, anisotropic etching is performed on the first insulating film until the exposed surface of the first insulating film is positioned below the lowermost surface of the first gate electrode film. A sixth step of forming an opening including the concave structure, and after the sixth step, the second insulating film is formed on the entire surface with a thickness within a range that does not completely fill the concave structure. A seventh step, an eighth step of forming a conductive second gate electrode film on the entire surface after completion of the seventh step, and a second gate electrode film and the second insulating film after completion of the eighth step. The first gate electrode film and the gate oxide film are stacked in this order. The film is patterned to form the second gate electrode extending in the first direction parallel to the first gate electrode and the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate surface is exposed outside the second gate electrode. And a ninth step of implanting the second conductivity type impurity ions after the ninth step and forming the source / drain diffusion regions on the exposed surface of the semiconductor substrate. Is the first feature.

又、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記特徴構成を有する半導体装置の製造方法であって、前記第1導電型の半導体基板上に前記トレンチを形成する第1工程と、前記第1工程終了後、前記トレンチ内を充填すると共に当該トレンチの外側の活性領域の最上面よりも上面位置が高くなるように前記第1絶縁膜を形成する第2工程と、前記第2工程終了後、前記第1絶縁膜に対して等方性エッチング処理を実行することで、前記第1絶縁膜の一部の露出面を前記活性領域の最上面よりも下方位置に後退させる第3工程と、前記第3工程終了後、前記半導体基板の露出面に熱酸化処理を施して前記ゲート酸化膜を形成する第4工程と、前記第4工程終了後、全面に導電性の第1ゲート電極膜を形成した後、前記第1絶縁膜の上面が露出するまで平坦化処理を施す第5工程と、前記第5工程終了後、前記第1ゲート電極膜をマスクとして、前記第1絶縁膜の露出面が前記第1ゲート電極の最下面よりも下方に位置するまで前記第1絶縁膜に対して異方性エッチング処理を実行することで前記凹部構造を含む開口部を形成する第6工程と、前記第6工程終了後、前記凹部構造内を完全には充填しない範囲内の膜厚で全面に前記第2絶縁膜を形成する第7工程と、前記第7工程終了後、全面に導電性の第2ゲート電極膜を形成する第8工程と、前記第8工程終了後、前記第2ゲート電極膜、前記第2絶縁膜、前記第1ゲート電極膜、及び前記ゲート酸化膜がこの順に積層された積層膜をパターニング処理して、前記第1ゲート電極及び前記半導体基板の平行第1方向に延伸する前記第2ゲート電極を形成すると共に、前記第2ゲート電極の外側に前記半導体基板面を露出させる第9工程と、前記第9工程終了後、前記第2導電型の不純物イオンを注入して、露出された前記半導体基板面に前記ソース・ドレイン拡散領域を形成する第10工程と、を有することを第2の特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having the above-described characteristic configuration, wherein the first step of forming the trench on the semiconductor substrate of the first conductivity type, and the first After the step, the second step of filling the inside of the trench and forming the first insulating film so that the upper surface position is higher than the uppermost surface of the active region outside the trench, and after the end of the second step, Performing a isotropic etching process on the first insulating film to cause a part of the exposed surface of the first insulating film to recede to a position below the uppermost surface of the active region; After the third step, a fourth step of forming the gate oxide film by subjecting the exposed surface of the semiconductor substrate to thermal oxidation, and after the fourth step, a conductive first gate electrode film is formed on the entire surface. Then, the upper surface of the first insulating film is exposed. A fifth step of performing planarization until the exposed surface of the first insulating film is located below the lowermost surface of the first gate electrode with the first gate electrode film as a mask after completion of the fifth step. A sixth step of forming an opening including the concave structure by performing an anisotropic etching process on the first insulating film, and after the sixth step, the interior of the concave structure is completely completed. A seventh step of forming the second insulating film on the entire surface with a film thickness within a range not to be filled; an eighth step of forming a conductive second gate electrode film on the entire surface after the completion of the seventh step; After completion of the eight steps, a patterning process is performed on the stacked film in which the second gate electrode film, the second insulating film, the first gate electrode film, and the gate oxide film are stacked in this order, and the first gate electrode and The first extending in the first parallel direction of the semiconductor substrate. A gate electrode is formed and a semiconductor substrate surface is exposed outside the second gate electrode, and after the ninth step, the second conductivity type impurity ions are implanted and exposed. And a tenth step of forming the source / drain diffusion regions on the surface of the semiconductor substrate.

本発明に係る半導体装置の製造方法の上記第1又は第2の特徴によれば、前記第3工程において前記第1絶縁膜に対して等方性エッチング処理を実行して前記第1絶縁膜の一部の露出面を前記活性領域の最上面よりも下方位置に後退させた後に、前記第5工程において導電性の第1ゲート電極膜を形成することで、第1ゲート電極膜の表面積を増大させることができる。これにより、その後の第8工程で堆積される第2ゲート電極膜との対向面積が増大させるため、大きいカップリング比を実現することができ、この結果高い書き込み/消去効率を実現することが可能となる。   According to the first or second feature of the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, an isotropic etching process is performed on the first insulating film in the third step so that the first insulating film is formed. The surface area of the first gate electrode film is increased by forming a conductive first gate electrode film in the fifth step after retreating a part of the exposed surface to a position below the uppermost surface of the active region. Can be made. As a result, the area facing the second gate electrode film deposited in the subsequent eighth step is increased, so that a large coupling ratio can be realized, and as a result, high write / erase efficiency can be realized. It becomes.

そして、上記第1又は第2の特徴によれば、前記第6工程において、前記第1絶縁膜の露出面が前記第1ゲート電極膜の最下面よりも下方に位置するまで前記第1絶縁膜に対して異方性エッチング処理を実行することで前記凹部構造を含む開口部を形成する。このため、半導体基板面に平行な方向に対して第1絶縁膜のエッチング処理が進行せず、これによって第1ゲート電極膜の下方領域に位置する第1絶縁膜がエッチングされることがない。この結果、第6工程終了後に形成される開口部は、第1ゲート電極膜の下方領域には形成されない。従って、その後の第8工程で堆積された第2ゲート電極膜の一部が、第1ゲート電極膜の下方領域に形成される事態が招来しない。この結果、第9工程に係るパターニング処理を実行しても、上方に形成されている第1ゲート電極膜がマスクとなって除去すべき第2ゲート電極膜の一部が残存する事態を回避することができ、隣接する第2ゲート電極同士が電気的に接続されるという事態が回避される。従って、本発明方法によって製造された半導体装置を不揮発性半導体記憶装置として利用した場合に、各第2ゲート電極毎に電圧の印加を行うことができ、これによって不具合なく読み出し/書き込み/消去の各動作の実現が可能となる。   According to the first or second feature, in the sixth step, the first insulating film until the exposed surface of the first insulating film is located below the lowermost surface of the first gate electrode film. An opening including the concave structure is formed by performing an anisotropic etching process. For this reason, the etching process of the first insulating film does not proceed in the direction parallel to the semiconductor substrate surface, whereby the first insulating film located in the lower region of the first gate electrode film is not etched. As a result, the opening formed after the sixth step is not formed in the lower region of the first gate electrode film. Therefore, a situation in which a part of the second gate electrode film deposited in the subsequent eighth step is formed in the lower region of the first gate electrode film does not occur. As a result, even when the patterning process according to the ninth step is performed, a situation in which a part of the second gate electrode film to be removed remains using the first gate electrode film formed above as a mask is avoided. Therefore, the situation where the adjacent second gate electrodes are electrically connected to each other can be avoided. Therefore, when the semiconductor device manufactured by the method of the present invention is used as a non-volatile semiconductor memory device, it is possible to apply a voltage to each second gate electrode, and thereby read / write / erase without trouble. Operation can be realized.

又、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記第1又は第2の特徴に加えて、前記第6工程が、前記第1絶縁膜内に前記凹部構造をテーパ形状に形成する工程であることを第3の特徴とする。   In the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, in addition to the first or second feature, the sixth step is a step of forming the concave structure in a tapered shape in the first insulating film. This is the third feature.

本発明に係る半導体装置の製造方法の上記第3の特徴によれば、第6工程において形成された開口部が、第1ゲート電極膜の下方領域に位置するという事態を確実に回避することができる。このため、その後の第8工程で堆積された第2ゲート電極膜の一部が、第1ゲート電極膜の下方領域に形成される事態が招来せず、第9工程に係るパターニング処理を実行しても、上方に形成されている第1ゲート電極膜がマスクとなって除去すべき第2ゲート電極膜の一部が残存する事態を回避することができ、隣接する第2ゲート電極同士が電気的に接続されるという事態が回避される。   According to the third feature of the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is possible to reliably avoid the situation where the opening formed in the sixth step is located in the lower region of the first gate electrode film. it can. For this reason, a situation in which a part of the second gate electrode film deposited in the subsequent eighth step is not formed in the lower region of the first gate electrode film is caused, and the patterning process according to the ninth step is executed. However, it is possible to avoid a situation in which a part of the second gate electrode film to be removed remains using the first gate electrode film formed above as a mask, and the adjacent second gate electrodes are electrically connected to each other. Connection situation is avoided.

本発明の構成によれば、高い書き込み/消去効率を維持しながら、隣接セル間の干渉を回避した半導体装置及びその製造方法を提供することができる。   According to the configuration of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that avoids interference between adjacent cells while maintaining high write / erase efficiency, and a method for manufacturing the same.

以下において、本発明に係る半導体装置(以下、適宜「本発明装置」と称する)、及びその製造方法(以下、適宜「本発明方法」と称する)の実施形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of a semiconductor device according to the present invention (hereinafter referred to as “the present invention device” as appropriate) and a manufacturing method thereof (hereinafter referred to as “the present invention method” as appropriate) will be described with reference to the drawings.

尚、本発明方法は、図7〜図10に係る概略断面構造図並びに図11に係るフローチャートを参照して上述した従来技術に係る製造方法と一部の工程を異ならせたものであるため、説明の重複を避けるべく、同一の構成要素については同一の符号を付すと共に、同一の工程については同一のステップ番号を付して、その詳細な説明を割愛する。   The method of the present invention differs from the manufacturing method according to the prior art described above with reference to the schematic cross-sectional structure diagrams according to FIGS. 7 to 10 and the flowchart according to FIG. In order to avoid duplication of description, the same components are denoted by the same reference numerals, the same steps are denoted by the same step numbers, and detailed description thereof is omitted.

又、本発明装置の概略平面図は、図5に示される従来の概略平面図と同一である。そして、以下の各概略断面構造図は、上記従来構成の概略断面構造図と同様、図5中のA−A’線並びにB−B’線で切断したときの断面構造図によって示している。   The schematic plan view of the device of the present invention is the same as the conventional schematic plan view shown in FIG. Each of the following schematic cross-sectional structure diagrams is shown by a cross-sectional structure diagram taken along the line A-A ′ and the line B-B ′ in FIG. 5 similarly to the schematic cross-sectional structure diagram of the conventional configuration.

図1は、本発明装置の概略断面構造図である。本発明装置は、図6に示される従来の半導体装置と比較して、第2ゲート電極膜12の最下面が第1ゲート電極膜9の最下面よりも下方に位置するように形成されている(図中領域C参照)。又、図13に示される半導体装置と比較して、第2ゲート電極膜12が第1ゲート電極膜9の下方領域には形成されない構造である。   FIG. 1 is a schematic sectional view of the apparatus of the present invention. The device according to the present invention is formed so that the lowermost surface of the second gate electrode film 12 is located below the lowermost surface of the first gate electrode film 9 as compared with the conventional semiconductor device shown in FIG. (See region C in the figure). Compared with the semiconductor device shown in FIG. 13, the second gate electrode film 12 is not formed in the lower region of the first gate electrode film 9.

かかる構成とすることで、第1ゲート電極膜9と第2ゲート電極膜12との対向面積を十分に確保しながらも、第2ゲート電極12を隣接する第1ゲート電極9間に埋め込む構造とすることで、隣接する第1ゲート電極間の静電容量を小さくすることができ、隣接セル間の干渉が回避される。   By adopting such a configuration, a structure in which the second gate electrode 12 is embedded between the adjacent first gate electrodes 9 while sufficiently ensuring a facing area between the first gate electrode film 9 and the second gate electrode film 12 is provided. As a result, the capacitance between the adjacent first gate electrodes can be reduced, and interference between adjacent cells can be avoided.

更に、図13の構造と違って、第1ゲート電極9の下方領域に第2ゲート電極12が回り込むような構造ではなく、言い換えれば、第2ゲート電極12の上方に第1ゲート電極9が形成されないため、第2ゲート電極12に対するパターニング処理時に第1ゲート電極9がマスクとなって第2ゲート電極12の一部が残存するという問題が発生することがない。このため、パターニング処理後に形成された隣接する第2ゲート電極12同士が電気的に接続されるという事態を回避することができる。   Further, unlike the structure of FIG. 13, the second gate electrode 12 does not wrap around the region below the first gate electrode 9. In other words, the first gate electrode 9 is formed above the second gate electrode 12. Therefore, there is no problem that a part of the second gate electrode 12 remains using the first gate electrode 9 as a mask during the patterning process for the second gate electrode 12. For this reason, the situation where the adjacent 2nd gate electrodes 12 formed after the patterning process are electrically connected can be avoided.

以下、図1に示されるような構造を有する本発明装置の製造方法につき、図面を参照して説明する。図2〜図3は、本発明方法を用いて本発明装置を製造する際の各工程における概略断面構造図を模式的に示したものであり、工程毎に図2(a)〜(c)、図3(a)〜(c)に分けて図示している(紙面の都合上2図面に分かれている)。又、図4は本発明方法の製造工程をフローチャートにしたものであり、以下の文中の各ステップは図4に示されるフローチャートの各ステップを表すものとする。尚、上述したように、図4の各ステップにおいて、図10中の従来工程の各ステップと共通の工程については、同一のステップ番号を付している。   Hereinafter, a method for manufacturing the device of the present invention having the structure shown in FIG. 1 will be described with reference to the drawings. 2 to 3 schematically show schematic cross-sectional structure diagrams in each process when the apparatus of the present invention is manufactured using the method of the present invention, and FIGS. 2 (a) to (c) are shown for each process. 3 (a) to 3 (c) (they are divided into two drawings for the sake of space). FIG. 4 is a flowchart showing the manufacturing process of the method of the present invention, and each step in the following sentence represents each step of the flowchart shown in FIG. As described above, in each step of FIG. 4, the same step number is assigned to a process common to each step of the conventional process in FIG. 10.

まず、上述した図11中のステップ#1〜#9の各工程を実行し、図2(a)に示されるような構造を形成する。図2(a)の構造は、図9(a)の構造と同一の構造である。又、ステップ#1〜#8に係る各工程終了後の断面構造図は、図6〜図8に示される各構造図と同一である。   First, the steps # 1 to # 9 in FIG. 11 described above are executed to form a structure as shown in FIG. The structure in FIG. 2A is the same as the structure in FIG. Moreover, the cross-sectional structure diagram after the completion of each process related to steps # 1 to # 8 is the same as each structural diagram shown in FIGS.

尚、より具体的には、ステップ#1では膜厚15nm程度のシリコン酸化膜2、膜厚150nm程度のシリコン窒化膜3を堆積し、ステップ#3では、深さ200nm程度のトレンチ5を形成する。又、ステップ#1終了後に、フォトリソグラフィ工程において照射される光の反射を抑制すべく、シリコン窒化膜3上に有機BARC(Bottom Anti-Reflective Coating)材料、或いはポリシリコン材料で構成される反射防止膜を堆積しても良い。この場合であっても、フォトレジスト膜4を剥離後、半導体基板1に対するエッチング処理の開始前に当該堆積された反射防止膜を除去することができるため、以後の工程に影響を与えることはない。   More specifically, in step # 1, a silicon oxide film 2 having a thickness of about 15 nm and a silicon nitride film 3 having a thickness of about 150 nm are deposited, and in step # 3, a trench 5 having a depth of about 200 nm is formed. . In addition, after step # 1, the antireflection made of an organic BARC (Bottom Anti-Reflective Coating) material or a polysilicon material is formed on the silicon nitride film 3 in order to suppress the reflection of light irradiated in the photolithography process. A film may be deposited. Even in this case, since the deposited antireflection film can be removed after the photoresist film 4 is peeled off and before the etching process for the semiconductor substrate 1 is started, the subsequent processes are not affected. .

又、ステップ#4では第1絶縁膜6を膜厚500nm程度成膜する。その後、ステップ#5を経て形成される素子分離領域及び活性領域(第1不純物拡散領域7)は、例えば、素子分離幅が150nm程度、活性領域幅が200nm程度、素子分離層の膜厚(基板面よりも高さ位置の高い領域に係る第1絶縁膜6の膜厚)が350nm程度を示す(図8(b)参照)。尚、ステップ#3に係るトレンチ5の形成工程終了後、第1絶縁膜6を充填する前に、拡散炉を用いて10〜50nm程度の酸化膜を成長させる工程を有しても良い。かかる工程を行うことで、ステップ#3に係るエッチング処理によって高さ位置の異なる部分に生じる角部の形状が丸められ、当該角部に電界が集中するのを防止することができる。   In step # 4, the first insulating film 6 is formed to a thickness of about 500 nm. Thereafter, the element isolation region and the active region (first impurity diffusion region 7) formed through Step # 5 have, for example, an element isolation width of about 150 nm, an active region width of about 200 nm, and an element isolation layer thickness (substrate The film thickness of the first insulating film 6 in the region having a height position higher than the surface is about 350 nm (see FIG. 8B). In addition, after the formation process of the trench 5 according to step # 3, before filling the first insulating film 6, there may be a process of growing an oxide film of about 10 to 50 nm using a diffusion furnace. By performing such a process, the shape of the corner portion generated in the portion having a different height position by the etching process according to Step # 3 is rounded, and the electric field can be prevented from concentrating on the corner portion.

又、ステップ#6では、例えばBイオンを、30keVの注入エネルギと100keVの注入エネルギでドーズ量5×1012/cm程度注入し、その後熱処理を加えることで活性化して第1不純物拡散領域7(ウェル領域)を形成する。更に、ステップ#7では、希釈HF溶液を用いて第1絶縁膜6に対してウェットエッチング処理を実行することで、第1絶縁膜6の表面を50nm程度後退させる。 In step # 6, for example, B ions are implanted at a dose of about 5 × 10 12 / cm 2 with an implantation energy of 30 keV and an implantation energy of 100 keV, and then activated by applying a heat treatment to activate the first impurity diffusion region 7. (Well region) is formed. Further, in step # 7, the surface of the first insulating film 6 is retreated by about 50 nm by performing a wet etching process on the first insulating film 6 using a diluted HF solution.

又、ステップ#8では、熱酸化処理によって膜厚10nm程度のゲート酸化膜8を形成する。ゲート酸化膜8は、後の工程で形成される浮遊ゲート電極(第1ゲート電極9)に対して不純物拡散領域から電子を取り込み、あるいは、第1ゲート電極9から不純物拡散領域に対して電子を引き抜く際の電子の通り道を形成することとなる。   In step # 8, a gate oxide film 8 having a thickness of about 10 nm is formed by thermal oxidation. The gate oxide film 8 takes electrons from the impurity diffusion region into the floating gate electrode (first gate electrode 9) formed in a later process, or electrons from the first gate electrode 9 to the impurity diffusion region. This will form a path for electrons when they are pulled out.

そして、ステップ#9では、例えばPがドープされたポリシリコン膜で構成された導電性の第1ゲート電極膜9を膜厚150nm程度堆積した後、CMP法を用いて平坦化する。以上の各工程を経て、図2(a)に示されるような構造が形成される。   In step # 9, a conductive first gate electrode film 9 made of, for example, a polysilicon film doped with P is deposited to a thickness of about 150 nm, and then planarized using a CMP method. Through the above steps, a structure as shown in FIG. 2A is formed.

ステップ#9の後、上述した従来のステップ#11に替えて、図2(b)に示されるように、第1ゲート電極膜9間に埋め込まれた第1絶縁膜6に対して、第1ゲート電極膜9をマスクとしてRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)法等による異方性エッチング処理を行う(ステップ#10)。このとき、第1絶縁膜6の露出面が第1ゲート電極膜9の最下面よりも下方位置になるまでエッチング処理を実行する。具体的には、RFパワーを600W、圧力を75mTorr、流量比をC/Ar/CF=5/150/5sccmとしたエッチング条件下で、第1絶縁膜6を膜厚約150nm程度エッチング除去する。 After step # 9, instead of the above-described conventional step # 11, as shown in FIG. 2B, the first insulating film 6 buried between the first gate electrode films 9 is changed to the first step. Using the gate electrode film 9 as a mask, anisotropic etching is performed by RIE (Reactive Ion Etching) or the like (step # 10). At this time, the etching process is performed until the exposed surface of the first insulating film 6 is positioned below the lowermost surface of the first gate electrode film 9. Specifically, the first insulating film 6 has a thickness of about 150 nm under etching conditions in which the RF power is 600 W, the pressure is 75 mTorr, and the flow rate ratio is C 4 F 8 / Ar / CF 4 = 5/150/5 sccm. Etch away.

本ステップ#10によって、第1ゲート電極膜9間に開口部33が形成されると共に、第1絶縁膜6の一部に凹部構造34が形成される。   By this step # 10, the opening 33 is formed between the first gate electrode films 9, and the concave structure 34 is formed in a part of the first insulating film 6.

従来技術に係るステップ#11では、ウェットエッチング処理(等方性エッチング処理)を実行する工程であったため、半導体基板1の基板面に対して垂直な方向のみならず、基板面に平行な方向にも第1絶縁膜6に対するエッチングが進行する。このため、シールド効果を高めるために後の工程で形成される第2ゲート電極膜12を隣接する第1ゲート電極膜9間に埋め込むべく、第1絶縁膜6の露出面が第1ゲート電極膜9の最下面よりも下方位置になるまでエッチング処理を進行させると、図12に示されるように、開口部32の形状が底面付近において基板面に平行な方向に拡がりを有する。この結果、その後に第2ゲート電極膜12を全面に堆積すると、図13に示されるように第1ゲート電極膜9の下方領域に第2ゲート電極膜12の一部が形成されることとなる。これによって、後のパターニング工程時に、第2ゲート電極膜12の一部が上方に形成されている第1ゲート電極膜9がマスクとなって残存してしまうという問題が生じていた。   Step # 11 according to the prior art is a process of performing a wet etching process (isotropic etching process), and therefore, in a direction parallel to the substrate surface as well as a direction perpendicular to the substrate surface of the semiconductor substrate 1. In addition, the etching of the first insulating film 6 proceeds. Therefore, the exposed surface of the first insulating film 6 is the first gate electrode film so as to bury the second gate electrode film 12 formed in a later step in order to enhance the shielding effect between the adjacent first gate electrode films 9. When the etching process is advanced to a position below the lowermost surface of 9, the shape of the opening 32 expands in the direction parallel to the substrate surface near the bottom surface, as shown in FIG. As a result, when the second gate electrode film 12 is subsequently deposited on the entire surface, a part of the second gate electrode film 12 is formed in a region below the first gate electrode film 9 as shown in FIG. . This causes a problem that the first gate electrode film 9 on which a part of the second gate electrode film 12 is formed remains as a mask during the subsequent patterning process.

しかしながら、本発明に係るステップ#10では、従来技術に係るステップ#11とは異なり、異方性エッチング処理を実行するため、半導体基板1の基板面に平行な方向に対して第1絶縁膜6のエッチング処理が進行せず、これによって第1ゲート電極膜9の下方領域に位置する第1絶縁膜6がエッチングされることがない。この結果、後の工程で第2ゲート電極膜12を全面に堆積しても、第1ゲート電極膜9の下方領域に第2ゲート電極膜12の一部が形成される事態を回避することができる。   However, in step # 10 according to the present invention, unlike the step # 11 according to the prior art, since the anisotropic etching process is performed, the first insulating film 6 in the direction parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate 1 is used. Thus, the first insulating film 6 located in the lower region of the first gate electrode film 9 is not etched. As a result, even if the second gate electrode film 12 is deposited on the entire surface in a later step, it is possible to avoid a situation in which a part of the second gate electrode film 12 is formed in a region below the first gate electrode film 9. it can.

尚、第1ゲート電極膜9の下方領域に位置する第1絶縁膜6に対してエッチングが進行しないように、より好ましくは凹部構造34がテーパ形状となるような条件下で異方性エッチング処理を実行するのが良い。例えば上述したステップ#10に係る条件下で異方性エッチングを行うことで凹部構造34をテーパ形状とすることができる。   In order to prevent etching from proceeding with respect to the first insulating film 6 located in the lower region of the first gate electrode film 9, an anisotropic etching process is preferably performed under the condition that the concave structure 34 has a tapered shape. Good to run. For example, the concave structure 34 can be tapered by performing anisotropic etching under the conditions related to Step # 10 described above.

本ステップ#10終了後は、図2(c)に示されるように、開口部33を完全には充填しない範囲内の膜厚で第2絶縁膜11(ONO膜)を成膜した後(ステップ#12)、その直上に導電性の第2ゲート電極膜12を成膜する(ステップ#13)。より具体的には、ステップ#12では、表面を熱酸化してSiO膜を膜厚6nm程度成膜した後、LPCVD法等によってSiN膜を膜厚5nm程度成膜し、更にその後にHPD−SiO膜を膜厚7nm程度成膜する。又、ステップ#13では、例えばPがドープされたポリシリコン膜で構成された導電性の第2ゲート電極膜12を膜厚200nm程度堆積する。本ステップ#13によって、隣接する第1ゲート電極膜9間に第2ゲート電極膜12が埋め込まれると共に、第1ゲート電極膜9の最下面よりも下方位置にまで第2ゲート電極膜12が形成されることとなる。そして、前記のように、開口部33(凹部構造34)が第1ゲート電極膜9の下方位置に形成されていないため、第2ゲート電極膜12が第1ゲート電極膜9の下方領域に回り込むように形成されることはない。 After the completion of Step # 10, as shown in FIG. 2C, the second insulating film 11 (ONO film) is formed with a film thickness that does not completely fill the opening 33 (Step S10). # 12) A conductive second gate electrode film 12 is formed immediately above (step # 13). More specifically, in step # 12, the surface is thermally oxidized to form a SiO 2 film with a film thickness of about 6 nm, a SiN film is formed with a film thickness of about 5 nm by LPCVD or the like, and then HPD- A SiO 2 film is formed to a thickness of about 7 nm. In step # 13, a conductive second gate electrode film 12 made of, for example, a polysilicon film doped with P is deposited to a thickness of about 200 nm. By this step # 13, the second gate electrode film 12 is embedded between the adjacent first gate electrode films 9, and the second gate electrode film 12 is formed below the lowermost surface of the first gate electrode film 9. Will be. As described above, since the opening 33 (recessed structure 34) is not formed below the first gate electrode film 9, the second gate electrode film 12 wraps around the region below the first gate electrode film 9. Are not formed.

ステップ#13終了後は、従来技術と同様、第2ゲート電極膜12、第2絶縁膜11、第1ゲート電極膜9及びシリコン酸化膜8からなる積層膜をパターニングして、第1ゲート電極(浮遊ゲート電極)9と半導体基板1の基板面に平行な第1方向に延伸する第2ゲート電極(制御ゲート電極)12とを同時に形成する(ステップ#14)。第2ゲート電極膜12の上方に第1ゲート電極膜9が形成されていないため、第1ゲート電極膜9がマスクとなって第2ゲート電極膜の一部が残存して隣接セルに係る第2ゲート電極が電気的に接続されるという事態を回避することができる。   After step # 13, as in the prior art, the laminated film composed of the second gate electrode film 12, the second insulating film 11, the first gate electrode film 9, and the silicon oxide film 8 is patterned to form the first gate electrode ( A floating gate electrode) 9 and a second gate electrode (control gate electrode) 12 extending in a first direction parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate 1 are simultaneously formed (step # 14). Since the first gate electrode film 9 is not formed above the second gate electrode film 12, a part of the second gate electrode film remains with the first gate electrode film 9 as a mask, and the A situation in which the two gate electrodes are electrically connected can be avoided.

その後、従来の不揮発性半導体記憶装置の製造方法に準じ、これらのゲート電極をマスクとして例えば注入エネルギ15keV、ドーズ量1×1015/cmの条件下でAsイオン注入を行った後、熱処理(例えば950℃、10秒間)を行って活性化させてソース・ドレイン拡散領域13を形成した後(図3(a))、全面に層間絶縁膜15を堆積する(図3(b))。そして、ソース・ドレイン拡散領域上の所定領域にコンタクトホールを形成した後、当該コンタクトホール内にタングステン(W)等の金属膜を充填してコンタクトプラグ16を形成し、ソース・ドレイン領域との電気的接続のための配線層(ビット線)17を形成する(図3(c))。必要に応じて、層間絶縁膜形成工程と配線層形成工程を複数回行って多層配線構造としても良い。 Thereafter, in accordance with a conventional method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, As ions are implanted under the conditions of an implantation energy of 15 keV and a dose of 1 × 10 15 / cm 2 using these gate electrodes as a mask, and then heat treatment ( For example, after activating at 950 ° C. for 10 seconds to form the source / drain diffusion regions 13 (FIG. 3A), an interlayer insulating film 15 is deposited on the entire surface (FIG. 3B). After a contact hole is formed in a predetermined region on the source / drain diffusion region, a contact plug 16 is formed by filling the contact hole with a metal film such as tungsten (W), and the contact hole 16 is electrically connected to the source / drain region. A wiring layer (bit line) 17 for general connection is formed (FIG. 3C). If necessary, an interlayer insulating film forming step and a wiring layer forming step may be performed a plurality of times to form a multilayer wiring structure.

このとき、図3(b)に示すように、Asイオン注入後、多層膜の外側面にサイドウォール絶縁膜14を形成した後にこの多層膜及びサイドウォール絶縁膜14をマスクとして再度Asイオン注入を行うものとしても良い。   At this time, as shown in FIG. 3B, after As ion implantation, after forming the sidewall insulating film 14 on the outer surface of the multilayer film, As ion implantation is performed again using the multilayer film and the sidewall insulating film 14 as a mask. It can be done.

尚、上述の実施形態では、ステップ#6においてBイオン注入を行うことで第1不純物拡散領域7を形成したが、予めP型の半導体基板1を用いることにより、ステップ#6に係るイオン注入工程を省略しても良い。又、上述の実施形態では本発明装置がNチャネルMOSトランジスタ構造を有する場合を例に挙げて説明したが、極性を逆転することでPチャネルMOSトランジスタ構造を有する場合においても同様に実現可能である。   In the above-described embodiment, the first impurity diffusion region 7 is formed by performing B ion implantation in Step # 6. However, by using the P-type semiconductor substrate 1 in advance, the ion implantation process according to Step # 6 is performed. May be omitted. In the above-described embodiment, the case where the device of the present invention has an N-channel MOS transistor structure has been described as an example. However, the present invention can be similarly realized by having a P-channel MOS transistor structure by reversing the polarity. .

本発明に係る半導体装置の概略断面構造図の一部Part of schematic cross-sectional structure diagram of semiconductor device according to the present invention 本発明に係る半導体装置の製造方法の各工程における概略断面構造図(1)Schematic cross-sectional structure diagram (1) in each step of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention 本発明に係る半導体装置の製造方法の各工程における概略断面構造図(2)Schematic cross-sectional structure diagram (2) in each step of the semiconductor device manufacturing method according to the present invention 本発明に係る半導体装置の製造方法の製造工程を順に示すフローチャートThe flowchart which shows the manufacturing process of the manufacturing method of the semiconductor device based on this invention in order. 本発明に係る及び従来のフラッシュメモリセルアレイの概略平面図Schematic plan view of a conventional flash memory cell array according to the present invention 従来のフラッシュメモリセルアレイの概略断面構造図の一部Part of schematic cross-sectional structure diagram of conventional flash memory cell array 従来のフラッシュメモリセルアレイの製造方法の各工程における概略断面構造図(1)Schematic cross-sectional structure diagram in each step of a conventional flash memory cell array manufacturing method (1) 従来のフラッシュメモリセルアレイの製造方法の各工程における概略断面構造図(2)Schematic cross-sectional structure diagram in each step of a conventional flash memory cell array manufacturing method (2) 従来のフラッシュメモリセルアレイの製造方法の各工程における概略断面構造図(3)Schematic cross-sectional structure diagram in each step of a conventional flash memory cell array manufacturing method (3) 従来のフラッシュメモリセルアレイの製造方法の各工程における概略断面構造図(4)Schematic cross-sectional structure diagram in each step of a conventional flash memory cell array manufacturing method (4) 従来のフラッシュメモリセルアレイの製造方法の製造工程を順に示すフローチャートA flowchart sequentially showing the manufacturing steps of a conventional flash memory cell array manufacturing method 従来のフラッシュメモリセルアレイの別の概略断面構造図の一部Part of another schematic cross-sectional structure diagram of a conventional flash memory cell array 従来のフラッシュメモリセルアレイの更に別の概略断面構造図の一部Part of yet another schematic cross-sectional structure diagram of a conventional flash memory cell array 従来のフラッシュメモリセルアレイの更に別の概略断面構造図の一部Part of yet another schematic cross-sectional structure diagram of a conventional flash memory cell array

符号の説明Explanation of symbols

1: 半導体基板
2: シリコン酸化膜
3: シリコン窒化膜
4: フォトレジスト膜
5: トレンチ
6: 第1絶縁膜
7: 第1不純物拡散領域(活性領域)
8: ゲート酸化膜
9: 第1ゲート電極(浮遊ゲート電極)
11: 第2絶縁膜(ONO膜)
12: 第2ゲート電極(制御ゲート電極)
13: ソース・ドレイン拡散領域
14: サイドウォール絶縁膜
15: 層間絶縁膜
16: コンタクトプラグ
17: ビット線(配線層)
20: メモリセル領域
31、32、33: 開口部
34: 凹部構造
1: Semiconductor substrate 2: Silicon oxide film 3: Silicon nitride film 4: Photoresist film 5: Trench 6: First insulating film 7: First impurity diffusion region (active region)
8: Gate oxide film 9: First gate electrode (floating gate electrode)
11: Second insulating film (ONO film)
12: Second gate electrode (control gate electrode)
13: Source / drain diffusion region 14: Side wall insulating film 15: Interlayer insulating film 16: Contact plug 17: Bit line (wiring layer)
20: Memory cell region 31, 32, 33: Opening 34: Concave structure

Claims (4)

2つのゲート電極が絶縁膜を介して積層したトランジスタ構造を有してなる半導体装置であって、
半導体基板の表面から前記半導体基板内に向けて凹入したトレンチと、
前記半導体基板面の前記トレンチの外側の活性領域に形成された第1導電型の第1不純物拡散領域と、
前記トレンチの底面から前記半導体基板の最上面より低い深さ位置まで充填されると共に、前記トレンチ内壁と接しない領域の一部に、側面が前記半導体基板に直交する形状又はテーパ形状の凹部構造を有してなる第1絶縁膜と、
前記第1不純物拡散領域の上面及び前記第1絶縁膜に覆われていない外側面上に形成されたゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜の上面及び外側面上、並びに前記凹部構造と前記ゲート酸化膜に挟まれた領域に係る前記第1絶縁膜の表面上に形成された第1ゲート電極と、
前記第1ゲート電極の上面及び外側面上、並びに前記凹部構造の内側面上に当該凹部構造を完全には充填しない範囲内の膜厚で形成された第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜の上面及び外側面上に、前記凹部構造を充填して形成された第2ゲート電極と、
複数の前記第1ゲート電極に挟まれた前記活性領域内に形成された前記第1導電型とは異なる第2導電型のソース・ドレイン拡散領域と、を備えてなり、
前記第2ゲート電極の最下面が前記第1ゲート電極の最下面よりも下方位置に形成されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a transistor structure in which two gate electrodes are stacked via an insulating film,
A trench recessed from the surface of the semiconductor substrate into the semiconductor substrate;
A first impurity diffusion region of a first conductivity type formed in an active region outside the trench on the semiconductor substrate surface;
Filled from the bottom surface of the trench to a depth position lower than the uppermost surface of the semiconductor substrate, and a recessed portion having a shape whose side surface is orthogonal to the semiconductor substrate or a tapered shape in a part of the region not in contact with the inner wall of the trench A first insulating film comprising:
A gate oxide film formed on an upper surface of the first impurity diffusion region and an outer surface not covered with the first insulating film;
A first gate electrode formed on an upper surface and an outer surface of the gate oxide film, and on the surface of the first insulating film according to a region sandwiched between the recessed structure and the gate oxide film;
A second insulating film formed on the upper surface and the outer surface of the first gate electrode and on the inner surface of the concave structure with a film thickness within a range that does not completely fill the concave structure;
A second gate electrode formed on the upper surface and the outer surface of the second insulating film by filling the recess structure;
A source / drain diffusion region of a second conductivity type different from the first conductivity type formed in the active region sandwiched between a plurality of the first gate electrodes,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the lowermost surface of the second gate electrode is formed at a position below the lowermost surface of the first gate electrode.
請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に前記トレンチを形成後、前記トレンチ内を充填すると共に当該トレンチの外側の活性領域の最上面よりも上面位置が高くなるように前記第1絶縁膜を形成する第1工程と、
前記第1工程終了後、前記第1導電型の不純物イオンを注入して前記活性領域に前記第1不純物拡散領域を形成する第2工程と、
前記第2工程終了後、前記第1絶縁膜に対して等方性エッチング処理を実行することで、前記第1絶縁膜の一部の露出面を前記活性領域の最上面よりも下方位置に後退させる第3工程と、
前記第3工程終了後、前記半導体基板の露出面に熱酸化処理を施して前記ゲート酸化膜を形成する第4工程と、
前記第4工程終了後、全面に導電性の第1ゲート電極膜を形成した後、前記第1絶縁膜の上面が露出するまで平坦化処理を施す第5工程と、
前記第5工程終了後、前記第1ゲート電極膜をマスクとして、前記第1絶縁膜の露出面が前記第1ゲート電極膜の最下面よりも下方に位置するまで前記第1絶縁膜に対して異方性エッチング処理を実行することで前記凹部構造を含む開口部を形成する第6工程と、
前記第6工程終了後、前記凹部構造内を完全には充填しない範囲内の膜厚で全面に前記第2絶縁膜を形成する第7工程と、
前記第7工程終了後、全面に導電性の第2ゲート電極膜を形成する第8工程と、
前記第8工程終了後、前記第2ゲート電極膜、前記第2絶縁膜、前記第1ゲート電極膜、及び前記ゲート酸化膜がこの順に積層された積層膜をパターニング処理して、前記第1ゲート電極及び前記半導体基板の基板面に平行な第1方向に延伸する前記第2ゲート電極を形成すると共に、前記第2ゲート電極の外側に前記半導体基板面を露出させる第9工程と、
前記第9工程終了後、前記第2導電型の不純物イオンを注入して、露出された前記半導体基板面に前記ソース・ドレイン拡散領域を形成する第10工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
A first step of forming the first insulating film so as to fill the inside of the trench and form a top surface higher than the uppermost surface of the active region outside the trench after forming the trench on the semiconductor substrate;
A second step of forming the first impurity diffusion region in the active region by implanting the first conductivity type impurity ions after the first step;
After the second step is completed, an isotropic etching process is performed on the first insulating film, so that a part of the exposed surface of the first insulating film recedes to a position below the uppermost surface of the active region. A third step of
A fourth step of forming the gate oxide film by subjecting the exposed surface of the semiconductor substrate to thermal oxidation after the third step;
A fifth step of forming a conductive first gate electrode film on the entire surface after completion of the fourth step, and then performing a planarization process until an upper surface of the first insulating film is exposed;
After the fifth step, with respect to the first insulating film until the exposed surface of the first insulating film is located below the lowermost surface of the first gate electrode film, using the first gate electrode film as a mask. A sixth step of forming an opening including the recess structure by performing an anisotropic etching process;
After the sixth step, a seventh step of forming the second insulating film on the entire surface with a film thickness within a range that does not completely fill the recess structure;
An eighth step of forming a conductive second gate electrode film on the entire surface after completion of the seventh step;
After completion of the eighth step, the second gate electrode film, the second insulating film, the first gate electrode film, and the gate oxide film are stacked in this order, and a patterning process is performed to form the first gate. A ninth step of forming the second gate electrode extending in a first direction parallel to the electrode and the substrate surface of the semiconductor substrate, and exposing the semiconductor substrate surface to the outside of the second gate electrode;
And a tenth step of implanting the second conductivity type impurity ions after the ninth step and forming the source / drain diffusion regions on the exposed surface of the semiconductor substrate. Device manufacturing method.
請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第1導電型の半導体基板上に前記トレンチを形成する第1工程と、
前記第1工程終了後、前記トレンチ内を充填すると共に当該トレンチの外側の活性領域の最上面よりも上面位置が高くなるように前記第1絶縁膜を形成する第2工程と、
前記第2工程終了後、前記第1絶縁膜に対して等方性エッチング処理を実行することで、前記第1絶縁膜の一部の露出面を前記活性領域の最上面よりも下方位置に後退させる第3工程と、
前記第3工程終了後、前記半導体基板の露出面に熱酸化処理を施して前記ゲート酸化膜を形成する第4工程と、
前記第4工程終了後、全面に導電性の第1ゲート電極膜を形成した後、前記第1絶縁膜の上面が露出するまで平坦化処理を施す第5工程と、
前記第5工程終了後、前記第1ゲート電極膜をマスクとして、前記第1絶縁膜の露出面が前記第1ゲート電極の最下面よりも下方に位置するまで前記第1絶縁膜に対して異方性エッチング処理を実行することで前記凹部構造を含む開口部を形成する第6工程と、
前記第6工程終了後、前記凹部構造内を完全には充填しない範囲内の膜厚で全面に前記第2絶縁膜を形成する第7工程と、
前記第7工程終了後、全面に導電性の第2ゲート電極膜を形成する第8工程と、
前記第8工程終了後、前記第2ゲート電極膜、前記第2絶縁膜、前記第1ゲート電極膜、及び前記ゲート酸化膜がこの順に積層された積層膜をパターニング処理して、前記第1ゲート電極及び前記半導体基板の基板面に平行な第1方向に延伸する前記第2ゲート電極を形成すると共に、前記第2ゲート電極の外側に前記半導体基板面を露出させる第9工程と、
前記第9工程終了後、前記第2導電型の不純物イオンを注入して、露出された前記半導体基板面に前記ソース・ドレイン拡散領域を形成する第10工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
A first step of forming the trench on the semiconductor substrate of the first conductivity type;
A second step of forming the first insulating film so as to fill the inside of the trench and to have an upper surface position higher than the uppermost surface of the active region outside the trench after the first step;
After the second step is completed, an isotropic etching process is performed on the first insulating film, so that a part of the exposed surface of the first insulating film recedes to a position below the uppermost surface of the active region. A third step of
A fourth step of forming the gate oxide film by subjecting the exposed surface of the semiconductor substrate to thermal oxidation after the third step;
A fifth step of forming a conductive first gate electrode film on the entire surface after completion of the fourth step, and then performing a planarization process until an upper surface of the first insulating film is exposed;
After the fifth step, using the first gate electrode film as a mask, the first insulating film differs from the first insulating film until the exposed surface of the first insulating film is located below the lowermost surface of the first gate electrode. A sixth step of forming an opening including the recess structure by performing an isotropic etching process;
After the sixth step, a seventh step of forming the second insulating film on the entire surface with a film thickness within a range that does not completely fill the recess structure;
An eighth step of forming a conductive second gate electrode film on the entire surface after completion of the seventh step;
After completion of the eighth step, the second gate electrode film, the second insulating film, the first gate electrode film, and the gate oxide film are stacked in this order, and a patterning process is performed to form the first gate. A ninth step of forming the second gate electrode extending in a first direction parallel to the electrode and the substrate surface of the semiconductor substrate, and exposing the semiconductor substrate surface to the outside of the second gate electrode;
And a tenth step of implanting the second conductivity type impurity ions after the ninth step and forming the source / drain diffusion regions on the exposed surface of the semiconductor substrate. Device manufacturing method.
前記第6工程が、前記第1絶縁膜内に前記凹部構造をテーパ形状に形成する工程であることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体装置の製造方法。   4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the sixth step is a step of forming the recess structure in a tapered shape in the first insulating film. 5.
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