JP2009218391A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に2つのゲート電極膜が絶縁膜を介して積層したMOSFET構造を有してなる半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a MOSFET structure in which two gate electrode films are stacked via an insulating film.
図7は従来の製造方法に係るフローティングゲート電極およびコントロールゲート電極を有する半導体装置(不揮発性半導体記憶装置)の一部の断面構造(コントロールゲート電極が形成される延伸方向に平行な面で切断した断面構造)を示す概略図である。 7 is a sectional view of a part of a semiconductor device (nonvolatile semiconductor memory device) having a floating gate electrode and a control gate electrode according to a conventional manufacturing method (cut along a plane parallel to the extending direction in which the control gate electrode is formed). It is the schematic which shows a cross-sectional structure.
図7に示される従来の半導体装置50は、第1絶縁膜6が充填されたトレンチ構造を有する半導体基板1上にゲート酸化膜(トンネル酸化膜)7、フローティングゲート電極(第1ゲート電極膜)8、ONO膜10、及びコントロールゲート電極(第2ゲート電極膜)11を有する構造である。なお、図7では、第2ゲート電極膜11の上面に形成される層間絶縁膜等については図示を省略している。 A conventional semiconductor device 50 shown in FIG. 7 includes a gate oxide film (tunnel oxide film) 7 and a floating gate electrode (first gate electrode film) on a semiconductor substrate 1 having a trench structure filled with a first insulating film 6. 8, an ONO film 10 and a control gate electrode (second gate electrode film) 11. In FIG. 7, illustration of an interlayer insulating film and the like formed on the upper surface of the second gate electrode film 11 is omitted.
図7に示されるような構造を有する半導体装置50は、コントロールゲート電極11に印加する電圧(ゲート電圧)、及び図示されていない不純物拡散層(ソース・ドレイン)間に印加される電圧を制御することにより、フローティングゲート電極8内への電荷の取り込み及び放出を行うことで情報の書き込み及び消去を行う不揮発性半導体記憶装置である。 The semiconductor device 50 having the structure as shown in FIG. 7 controls the voltage (gate voltage) applied to the control gate electrode 11 and the voltage applied between impurity diffusion layers (source / drain) not shown. Thus, the nonvolatile semiconductor memory device performs writing and erasing of information by taking in and releasing charges into the floating gate electrode 8.
ここで、前記の通り、半導体装置50に対して情報の書き込みを行うに際し、フローティングゲート電極8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電子をフローティングゲート電極8内に引き寄せるために、フローティングゲート電極8の電位を上昇させるべく、コントロールゲート電極11に対して正電圧が印加される。 Here, as described above, when writing information into the semiconductor device 50, charges (hot electrons) are injected into the floating gate electrode 8. At this time, a positive voltage is applied to the control gate electrode 11 to raise the potential of the floating gate electrode 8 in order to draw electrons accelerated by the electric field between the source and drain into the floating gate electrode 8.
フローティングゲート電極8に誘起される電圧は、コントロールゲート電極11に印加される動作電圧と、コントロールゲート電極11に電圧が印加されたときのフローティングゲート電極8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、コントロールゲート電極11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、フローティングゲート電極8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、フローティングゲート電極8に電荷注入を行うために必要なコントロールゲート電極11に印加すべき動作電圧を低くすることができる。 The voltage induced in the floating gate electrode 8 is the ratio of the operating voltage applied to the control gate electrode 11 to the voltage induced in the floating gate electrode 8 when a voltage is applied to the control gate electrode 11 (hereinafter, “ It is determined depending on “coupling ratio”. That is, when the same operating voltage is applied to the control gate electrode 11, the induced voltage induced in the floating gate electrode 8 increases as the coupling ratio increases. Therefore, by increasing the coupling ratio, the operating voltage to be applied to the control gate electrode 11 necessary for injecting charges into the floating gate electrode 8 can be lowered.
前記のカップリング比は、半導体基板1とフローティングゲート電極8の間の静電容量をC1、フローティングゲート電極8とコントロールゲート電極11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、若しくはC2を大きくすることで実現が可能である。 The coupling ratio is C2 / (C1 + C2), where C1 is the capacitance between the semiconductor substrate 1 and the floating gate electrode 8, and C2 is the capacitance between the floating gate electrode 8 and the control gate electrode 11. It is a value defined by. 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7の膜厚に依存するところ、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、フローティングゲート電極8に対する電荷の流入、並びにフローティングゲート電極8からの電荷の脱出を困難にし、書き込み及び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。従って、C2を大きくすることによりカップリング比を大きくする方法が種々開発されている。例えば、その方法の一つとして、フローティングゲート電極8の膜厚を厚くする方法が考えられる。 However, C1 depends on the film thickness of the gate oxide film 7. However, increasing the film thickness of the gate oxide film 7 in order to reduce C1 causes the inflow of charges to the floating gate electrode 8 and the floating gate electrode 8. This makes it difficult to escape the charge and deteriorates the write and erase characteristics. For this reason, it is practically difficult to reduce C1. Therefore, various methods for increasing the coupling ratio by increasing C2 have been developed. For example, as one of the methods, a method of increasing the thickness of the floating gate electrode 8 can be considered.
フローティング電極8の膜厚を厚くした場合の概略断面構造図を図8に示す。なお、図8は、説明の都合上、図7とは異なり、コントロールゲート電極11の延伸方向に直交する面で切断した断面構造を図示している。 FIG. 8 shows a schematic cross-sectional structure diagram when the thickness of the floating electrode 8 is increased. For convenience of explanation, FIG. 8 shows a cross-sectional structure taken along a plane orthogonal to the extending direction of the control gate electrode 11, unlike FIG. 7.
図8に示される半導体装置51は、半導体基板1上に複数の不純物拡散領域31(ソース・ドレイン領域)が離隔形成されており、両拡散領域に挟まれる領域の上部にはゲート酸化膜7、フローティングゲート電極8、ONO膜10、コントロールゲート電極11が下からこの順に積層形成されている。また、両ゲート電極及び不純物拡散領域31を覆うように層間絶縁膜34が形成されており、この層間絶縁膜34の上部に配線36が形成されている。そして、不純物拡散領域31の上部領域において層間絶縁膜34を貫通するコンタクトプラグ35が形成されており、このコンタクトプラグ35によって配線36と不純物拡散領域31との電気的接続が確保されている。なお、両ゲート電極の側壁部分には絶縁膜32、33が形成されている。 In the semiconductor device 51 shown in FIG. 8, a plurality of impurity diffusion regions 31 (source / drain regions) are separated from each other on the semiconductor substrate 1, and a gate oxide film 7 is formed above the region sandwiched between both diffusion regions. A floating gate electrode 8, an ONO film 10, and a control gate electrode 11 are stacked in this order from the bottom. An interlayer insulating film 34 is formed so as to cover both gate electrodes and the impurity diffusion region 31, and a wiring 36 is formed on the interlayer insulating film 34. A contact plug 35 penetrating the interlayer insulating film 34 is formed in the upper region of the impurity diffusion region 31, and electrical connection between the wiring 36 and the impurity diffusion region 31 is ensured by the contact plug 35. Insulating films 32 and 33 are formed on the side walls of both gate electrodes.
図8に示されるように、フローティングゲート電極8の膜厚を十分厚くした場合、半導体基板1の基板面とコントロールゲート電極11の成膜面との高さ位置が大きく相違する。このため、図8に示されるように、配線36と不純物拡散領域31との電気的接続を確保するためのコンタクトプラグ35を形成するに際し、層間絶縁膜34に対して深いコンタクトホールを形成する必要が生じる。 As shown in FIG. 8, when the film thickness of the floating gate electrode 8 is made sufficiently thick, the height position of the substrate surface of the semiconductor substrate 1 and the film formation surface of the control gate electrode 11 are greatly different. Therefore, as shown in FIG. 8, when forming the contact plug 35 for ensuring electrical connection between the wiring 36 and the impurity diffusion region 31, it is necessary to form a deep contact hole in the interlayer insulating film 34. Occurs.
コンタクトホールは、基板面に対して完全に垂直な方向に延伸するような形状ではなく、通常一定の斜度を有して形成される。このため、不純物拡散領域31と電気的接続を行うに際し、接触抵抗が十分抑制されるような範囲内の接触面積で不純物拡散領域31と接触するようなコンタクトプラグを形成するには、配線36に近い上側の位置のコンタクト径を一定程度大きくする必要が生じる。 The contact hole is not shaped to extend in a direction completely perpendicular to the substrate surface, and is usually formed with a certain inclination. Therefore, in order to form a contact plug in contact with the impurity diffusion region 31 with a contact area within a range in which the contact resistance is sufficiently suppressed when making electrical connection with the impurity diffusion region 31, the wiring 36 is formed. It is necessary to increase the contact diameter at the upper position near to a certain extent.
このように、配線36に近い上側の位置においてコンタクトプラグ35が大きいコンタクト径を有する状況下で、フローティングゲート電極8の膜厚を十分厚くすると、コンタクトプラグ35とフローティングゲート電極8、並びにコンタクトプラグ35とコントロールゲート電極11とが互いに近接して形成されることとなる。このため、コンタクトプラグ35とフローティングゲート電極8間、あるいはコンタクトプラグ35とコントロールゲート電極11間においてショートが発生しやすい状態が生じる。 In this way, when the contact plug 35 has a large contact diameter at the upper position close to the wiring 36, if the floating gate electrode 8 is sufficiently thick, the contact plug 35, the floating gate electrode 8, and the contact plug 35 are formed. And the control gate electrode 11 are formed close to each other. For this reason, a short circuit is likely to occur between the contact plug 35 and the floating gate electrode 8 or between the contact plug 35 and the control gate electrode 11.
一方で、このようなショートを回避すべく、あらかじめ十分な離隔距離を確保してゲート電極を形成すると、近年の不揮発性半導体記憶装置の小規模・大容量化の流れに逆行することとなる。 On the other hand, if a gate electrode is formed in advance with a sufficient separation distance to avoid such a short circuit, it will go against the recent trend of small-scale and large-capacity nonvolatile semiconductor memory devices.
更に、このような小規模・大容量化の流れを受けて、各素子が微細化を余儀なくされている状況下において、上述のように深いコンタクト孔を形成する場合、仮に半導体基板1の表面に凹凸が存在していれば、フォトリソグラフィ工程で必要となる焦点深度が大きくなり、パターンを形成する上において加工が困難になるという問題も有する。 Further, in the situation where each element is forced to be miniaturized in response to such a trend of small scale and large capacity, when forming a deep contact hole as described above, the surface of the semiconductor substrate 1 is temporarily assumed. If there are irregularities, the depth of focus required in the photolithography process becomes large, and there is a problem that processing becomes difficult in forming a pattern.
従って、フローティングゲート電極8の膜厚を厚くすることなく、カップリング比を大きくする方法が必要とされている。ここで、フローティングゲート電極8とコントロールゲート電極11の間のONO膜10の膜厚を薄くすることにより前記C2を大きくすることも理論上は可能であるが、当該ONO膜10の電位障壁が低下するため、フローティングゲート電極8に蓄積された電荷が容易にコントロールゲート電極11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。 Therefore, a method for increasing the coupling ratio without increasing the film thickness of the floating gate electrode 8 is required. Here, it is theoretically possible to increase C2 by reducing the thickness of the ONO film 10 between the floating gate electrode 8 and the control gate electrode 11, but the potential barrier of the ONO film 10 is lowered. Therefore, there is a problem that the charges accumulated in the floating gate electrode 8 easily escape to the control gate electrode 11 and the data retention characteristics deteriorate.
これを受けて、従来、フローティングゲート電極8とコントロールゲート電極11が対向する面積を、フローティングゲート電極8と半導体基板1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開示されている(例えば、特許文献1〜3参照)。 Accordingly, a conventional method for increasing the coupling ratio by making the area where the floating gate electrode 8 and the control gate electrode 11 face each other larger than the area where the floating gate electrode 8 and the semiconductor substrate 1 face each other is disclosed. (For example, see Patent Documents 1 to 3).
特許文献1による方法は、フローディングゲート電極8となる第1ゲート電極膜を堆積後、異方性エッチングを行うことで表面をV字型にエッチバックし、その後にコントロールゲート電極11となる第2ゲート電極膜を堆積することで、フローティングゲート電極8とコントロールゲート電極11との対向面積の増大化を図る方法である。 In the method according to Patent Document 1, the first gate electrode film to be the floating gate electrode 8 is deposited, and then the surface is etched back into a V shape by performing anisotropic etching, and then the control gate electrode 11 is formed. In this method, the opposing area between the floating gate electrode 8 and the control gate electrode 11 is increased by depositing a two-gate electrode film.
しかしながら、特許文献1に記載の方法を用いて半導体装置を製造する場合、エッチング前に堆積する第1ゲート電極膜の膜厚が薄いと、フローティングゲート電極8の中央部、即ちV字の谷の部分に位置する第1ゲート電極膜が薄くなり過ぎる懸念がある。従って、第1ゲート電極膜の膜厚を一定程度確保する必要が生じる。かかる場合、上述したようにコントロールゲート電極11の電極面と半導体基板1の基板面との高さ位置が大きく相違し、図8の場合と同様の問題を招来することとなる。 However, when manufacturing a semiconductor device using the method described in Patent Document 1, if the thickness of the first gate electrode film deposited before etching is thin, the central portion of the floating gate electrode 8, that is, the V-shaped valley There is a concern that the first gate electrode film located in the portion becomes too thin. Therefore, it is necessary to secure a certain thickness of the first gate electrode film. In this case, as described above, the height positions of the electrode surface of the control gate electrode 11 and the substrate surface of the semiconductor substrate 1 are greatly different, which causes the same problem as in FIG.
又、特許文献2による方法は、フローディングゲート電極8となる第1ゲート電極膜の側面にスペーサを形成し、スペーサと第1ゲート電極膜の段差の上に更にゲート電極膜(以下、「第3ゲート電極膜」と記載)を形成して第1ゲート電極膜と一体化することで、フローティングゲート電極8に凹部領域を形成する。その後、ONO膜10を介してコントロールゲート電極11となる第2ゲート電極膜を形成することで、凹部領域を有するフローティングゲート電極8と、当該凹部領域をONO膜10を介して第2ゲート電極膜が充填されることで形成される凸部領域を有するコントロールゲート電極11とを対向させて、フローティングゲート電極8とコントロールゲート電極11との対向面積の増大化を図る方法である。 In the method according to Patent Document 2, a spacer is formed on the side surface of the first gate electrode film to be the floating gate electrode 8, and a gate electrode film (hereinafter referred to as "first gate electrode film") is further formed on the step between the spacer and the first gate electrode film. 3 ”is formed and integrated with the first gate electrode film, thereby forming a recessed region in the floating gate electrode 8. Thereafter, a second gate electrode film to be the control gate electrode 11 is formed through the ONO film 10, so that the floating gate electrode 8 having a recessed area and the second gate electrode film through the ONO film 10 are formed. In this method, the control gate electrode 11 having a convex region formed by filling is made to face each other, and the facing area between the floating gate electrode 8 and the control gate electrode 11 is increased.
しかしながら、特許文献2に記載の方法を用いて半導体装置を製造する場合、スペーサと第1ゲート電極膜の段差の上に第3ゲート電極膜を堆積後、当該第3ゲート電極膜を所定形状にエッチング加工する必要が生じる。このエッチング加工は、フォトリソグラフィ工程を用いて行われるため、予めアライメント分のマージンを確保してスペーサの形成を行う必要があり、大きなレイアウトルールにせざるを得ず、昨今の微細化の流れに逆行することとなる。 However, when a semiconductor device is manufactured using the method described in Patent Document 2, the third gate electrode film is deposited in a predetermined shape after depositing the third gate electrode film on the step between the spacer and the first gate electrode film. It is necessary to perform etching. Since this etching process is performed using a photolithography process, it is necessary to form a spacer with a margin for alignment in advance, and it is necessary to use a large layout rule, which is in reverse with the recent trend of miniaturization. Will be.
又、特許文献3による方法は、以下のとおりである。まず、半導体基板1上にフローディングゲート電極8となる第1ゲート電極膜を堆積後、エッチングストッパー膜を介して更にゲート電極膜(以下、「第3ゲート電極膜と記載」を堆積する。その後、第1及び第3ゲート電極膜をパターニング処理後、絶縁膜(素子分離絶縁膜)をゲート電極形成外領域に形成し、第3ゲート電極膜に対してエッチバックを施すことで絶縁膜側壁に第3ゲート電極膜をサイドウォール状に残存させる。そして、第3ゲート電極膜と第1ゲート電極膜の双方にリンをドーピングすることで両ゲート電極膜間に介在するエッチングストッパー膜を絶縁破壊し、これによって両ゲート電極膜を一体化することで凹部領域を有するフローティングゲート電極8を形成する。その後、ONO膜10を介してコントロールゲート電極11となる第2ゲート電極膜を形成することで、凹部領域を有するフローティングゲート電極8と、当該凹部領域をONO膜10を介して第2ゲート電極膜が充填されることで形成される凸部領域を有するコントロールゲート電極11とを対向させて、フローティングゲート電極8とコントロールゲート電極11との対向面積の増大化を図る方法である。 Moreover, the method by patent document 3 is as follows. First, after depositing a first gate electrode film to be the floating gate electrode 8 on the semiconductor substrate 1, a gate electrode film (hereinafter referred to as “third gate electrode film”) is further deposited through an etching stopper film. After patterning the first and third gate electrode films, an insulating film (element isolation insulating film) is formed in the gate electrode formation outside region, and etch back is performed on the third gate electrode film to form the insulating film side wall. The third gate electrode film is left in the shape of a sidewall, and the third stopper film is doped with phosphorus to cause dielectric breakdown of the etching stopper film interposed between the two gate electrode films. Thus, both the gate electrode films are integrated to form the floating gate electrode 8 having a recessed region, and then the control is performed via the ONO film 10. By forming the second gate electrode film to be the gate electrode 11, the floating gate electrode 8 having a recessed region and the recessed region are filled with the second gate electrode film through the ONO film 10. This is a method of increasing the facing area between the floating gate electrode 8 and the control gate electrode 11 by making the control gate electrode 11 having a convex region to face each other.
しかしながら、特許文献3に記載の方法を用いて半導体装置を製造する場合、エッチングストッパー膜を絶縁破壊して第1ゲート電極膜と第3ゲート電極膜とを電気的に接続させる工程を行う際に、第1ゲート電極膜下部に形成されるゲート酸化膜4に対して大きなストレスが与えられる結果、フローティングゲート電極8に蓄積された電荷がゲート酸化膜4を介して脱出し易くなる懸念があり、データ保持特性が劣化するという問題がある。 However, when a semiconductor device is manufactured using the method described in Patent Document 3, when the step of electrically connecting the first gate electrode film and the third gate electrode film by performing dielectric breakdown on the etching stopper film is performed. As a result of applying a large stress to the gate oxide film 4 formed below the first gate electrode film, there is a concern that charges accumulated in the floating gate electrode 8 are likely to escape through the gate oxide film 4, There is a problem that data retention characteristics deteriorate.
本発明は、上記の問題点に鑑み、フローティングゲート電極の膜厚を厚くすることなく高いカップリング比の実現が可能で、且つ、データ保持特性に優れ、高集積化に適した半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, the present invention can realize a high coupling ratio without increasing the thickness of the floating gate electrode, and has excellent data retention characteristics and manufacture of a semiconductor device suitable for high integration. It aims to provide a method.
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、2つのゲート電極膜が絶縁膜を介して積層したMOSFET構造を有してなる半導体装置の製造方法であって、半導体基板の一部領域に、基板表面より突出する第1絶縁膜を形成する第1工程と、前記第1工程終了後、ゲート酸化膜を前記半導体基板の露出面に形成する第2工程と、前記第2工程終了後、前記ゲート酸化膜、並びに前記第1絶縁膜の突出部の上面と側面を覆うように、全面に導電性の第1ゲート電極膜を形成することで、隣接する前記第1絶縁膜間に底面及び内側壁が前記第1ゲート電極膜で覆われた第1凹部を形成する第3工程と、前記第3工程終了後、少なくとも前記第1絶縁膜の突出部の上面の上方に形成された前記第1ゲート電極膜を選択的に除去する第4工程と、前記第4工程終了後、前記第1絶縁膜の上面位置が前記第1ゲート電極膜の底面位置より低くならない範囲内で前記第1絶縁膜に対してエッチング処理を施して、底面が前記第1絶縁膜、内側壁が前記第1ゲート電極膜からなる第2凹部を形成する第5工程と、前記第5工程終了後、前記第1凹部及び前記第2凹部を完全には充填しない範囲内の膜厚で全面に第2絶縁膜を形成した後、全面に導電性の第2ゲート電極膜を形成する第6工程と、前記第6工程終了後、前記第2ゲート電極膜をパターニングした後、ソース・ドレイン領域を形成する第7工程と、を有することを第1の特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a MOSFET structure in which two gate electrode films are stacked with an insulating film interposed therebetween. A first step of forming a first insulating film protruding from the substrate surface in a partial region; a second step of forming a gate oxide film on the exposed surface of the semiconductor substrate after the completion of the first step; After the step, a conductive first gate electrode film is formed on the entire surface so as to cover the upper surface and side surfaces of the gate oxide film and the protruding portion of the first insulating film, thereby adjacent the first insulating film. A third step of forming a first recess having a bottom surface and an inner wall covered with the first gate electrode film therebetween, and at least above the upper surface of the protrusion of the first insulating film after the third step is completed Selectively removing the formed first gate electrode film After the completion of the fourth step and the fourth step, the first insulating film is etched within a range in which the top surface position of the first insulating film is not lower than the bottom surface position of the first gate electrode film. A fifth step of forming a second recess having a bottom surface of the first insulating film and an inner wall of the first gate electrode film; and after the fifth step, the first recess and the second recess are completely formed Forming a second insulating film on the entire surface with a film thickness within a range not filled, and then forming a conductive second gate electrode film on the entire surface, and after the sixth step, the second gate electrode And a seventh step of forming source / drain regions after patterning the film.
本発明に係る半導体装置の製造方法の上記第1の特徴によれば、第3工程によって底面及び内側壁が第1ゲート電極膜で覆われた第1凹部が形成されると共に、第5工程によって底面が第1絶縁膜、内側壁が第1ゲート電極膜で覆われた第2凹部が形成される。そして、これら第1及び第2凹部を完全に充填しない範囲内で成膜された第2絶縁膜を介して、第2ゲート電極膜が形成されるため、当該第2ゲート電極膜は、第1凹部及び第2凹部の上方において下向きに突出する凸部形状を有することとなる。従って、平坦化された第1ゲート電極膜の上部に第2ゲート電極膜が形成されている場合と比較して、両ゲート電極が対向する面積を増大させることができる。これにより、第1ゲート電極膜の底面と半導体基板の基板面とが対向する面積よりも、両ゲート電極が対向する面積を大きくすることができるため、カップリング比を大きくすることができる。 According to the first feature of the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the third step forms the first recess whose bottom and inner walls are covered with the first gate electrode film, and the fifth step. A second recess having a bottom surface covered with the first insulating film and an inner wall covered with the first gate electrode film is formed. Then, since the second gate electrode film is formed through the second insulating film formed within a range that does not completely fill the first and second recesses, the second gate electrode film is It will have the convex part shape which protrudes below above a recessed part and a 2nd recessed part. Therefore, compared with the case where the second gate electrode film is formed on the flattened first gate electrode film, the area where both gate electrodes face each other can be increased. Thereby, since the area which both gate electrodes oppose can be enlarged rather than the area which the bottom face of a 1st gate electrode film | membrane and the board | substrate surface of a semiconductor substrate oppose, a coupling ratio can be enlarged.
そして、前記第1凹部及び第2凹部の形成位置は、第1絶縁膜の形成位置及び第3工程において堆積する第1ゲート電極膜の堆積膜厚によって定められる。即ち、第1工程において予め第1絶縁膜の位置合わせを行っておけば、第1ゲート電極膜の堆積膜厚に応じて第1凹部及び第2凹部の形成位置を自己整合的に定めることができる。従って、アライメント精度を考慮することなく、第1ゲート電極膜の所定の位置に第1及び第2凹部を形成することができるため、微細なレイアウトルールに対しても適用が可能である。 The positions where the first and second recesses are formed are determined by the position where the first insulating film is formed and the thickness of the first gate electrode film deposited in the third step. That is, if the first insulating film is previously aligned in the first step, the formation positions of the first recess and the second recess can be determined in a self-aligned manner according to the deposited film thickness of the first gate electrode film. it can. Therefore, the first and second recesses can be formed at predetermined positions of the first gate electrode film without considering the alignment accuracy, and can be applied to fine layout rules.
又、前記第3工程の前段階で、突出形状を有する第1絶縁膜が既に形成されているため、前記第3工程において第1ゲート電極膜の膜厚を大きくしなくても、底面及び内側壁が前記第1ゲート電極膜で覆われた第1凹部を形成することができる。更に、第1ゲート電極膜の膜厚を大きくしなくても、第5工程において第1絶縁膜に対してエッチバックを行うことで、底面が前記第1絶縁膜、内側壁が前記第1ゲート電極膜からなる第2凹部を形成することができる。即ち、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、両ゲート電極膜の対向面積を大きくするために予め大きな膜厚の第1ゲート電極膜を成膜する必要がない。このため、コントロールゲート電極の成膜表面の高さ位置を、半導体基板の基板面から所定の範囲内に抑制することが可能である。従って、コントロールゲート電極あるいはフローティングゲート電極と一定の距離を保った状態でコンタクトプラグを形成することができるため、これらの間にショートが発生するという問題を防ぐことができる。 In addition, since the first insulating film having the protruding shape is already formed in the previous stage of the third step, the bottom surface and the inner side can be obtained without increasing the thickness of the first gate electrode film in the third step. A first recess having a wall covered with the first gate electrode film may be formed. Furthermore, even if the thickness of the first gate electrode film is not increased, etching back is performed on the first insulating film in the fifth step, so that the bottom surface is the first insulating film and the inner wall is the first gate. A second recess made of an electrode film can be formed. That is, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is not necessary to form a first gate electrode film having a large film thickness in advance in order to increase the opposing area of both gate electrode films. For this reason, the height position of the film formation surface of the control gate electrode can be suppressed within a predetermined range from the substrate surface of the semiconductor substrate. Therefore, since the contact plug can be formed with a certain distance from the control gate electrode or the floating gate electrode, a problem that a short circuit occurs between them can be prevented.
又、本発明に係る半導体装置の製造方法は、両ゲート電極間の対向面積を増大するために絶縁膜に対する絶縁破壊処理を行う必要がなく、ゲート酸化膜に対してストレスが生じることがない。このため、完成後の半導体装置において、第1ゲート電極膜が構成するフローティングゲート電極に蓄積された電荷がゲート酸化膜を介して容易に脱出するということがなく、データ保持特性の優れた半導体装置を実現することができる。 Further, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is not necessary to perform a dielectric breakdown process on the insulating film in order to increase the facing area between both gate electrodes, and no stress is generated on the gate oxide film. Therefore, in the completed semiconductor device, the charge accumulated in the floating gate electrode formed by the first gate electrode film does not easily escape through the gate oxide film, and the semiconductor device has excellent data retention characteristics. 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の特徴に加えて、前記第3工程において形成する前記第1ゲート電極膜の膜厚が、前記第2工程終了時において形成されている前記第1絶縁膜の突出部の高さよりも小さく、且つ、隣接する2つの前記第1絶縁膜の間隔の2分の1よりも小さいことを第2の特徴とする。 In addition to the first feature described above, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is such that the film thickness of the first gate electrode film formed in the third step is formed at the end of the second step. The second feature is that it is smaller than the height of the protruding portion of the first insulating film and smaller than one half of the interval between two adjacent first insulating films.
本発明に係る半導体装置の製造方法の上記第2の特徴によれば、前記第3工程終了時において確実に前記第1凹部を形成することができる。 According to the second feature of the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first recess can be reliably formed at the end of the third step.
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4工程が、非除去領域をマスクした状態で前記第1ゲート電極膜に対してドライエッチング処理を行うことで、前記第1絶縁膜の突出部の上面を露出させると共に、前記第1ゲート電極膜を複数に分離する工程であることを第3の特徴とする。 In addition to the first or second feature, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes dry etching with respect to the first gate electrode film in a state where the non-removed region is masked in the fourth step. The third feature is that the process is a step of exposing the upper surface of the protruding portion of the first insulating film and separating the first gate electrode film into a plurality of parts.
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4工程が、前記第1絶縁膜の突出部の上面の高さ位置に達するまで平坦化処理を行うことで、前記第1絶縁膜の突出部の上面を露出させると共に、前記第1ゲート電極膜を複数に分離する工程であることを第4の特徴とする。 In addition to the first or second feature, the semiconductor device manufacturing method according to the present invention is planarized until the fourth step reaches a height position of the upper surface of the protruding portion of the first insulating film. The fourth feature is that the process is a step of exposing the upper surface of the protruding portion of the first insulating film and separating the first gate electrode film into a plurality of parts.
本発明によれば、フローティングゲート電極の膜厚を厚くすることなく高いカップリング比の実現が可能で、且つ、データ保持特性に優れ、高集積化に適した半導体装置の製造方法が提供される。 According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device capable of realizing a high coupling ratio without increasing the thickness of the floating gate electrode, having excellent data retention characteristics, and suitable for high integration. .
以下において、本発明に係る半導体装置の製造方法(以下、適宜「本発明方法」と称する)の実施形態について図1〜図6の各図を参照して説明する。尚、以下の各図に示される概略構成図は、あくまで模式的に図示されたものであり、実際の構造の寸法比と図面の寸法比は必ずしも一致するものではない。又、背景技術の項で参照した図7並びに図8と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明する。 In the following, an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention (hereinafter referred to as “method of the present invention” as appropriate) will be described with reference to FIGS. Note that the schematic configuration diagrams shown in the following drawings are merely schematically illustrated, and the dimensional ratio of the actual structure does not necessarily match the dimensional ratio of the drawings. Further, the same components as those in FIGS. 7 and 8 referred to in the background art will be described with the same reference numerals.
図1は、本発明方法によって製造される半導体装置の概略断面構造図である。図1は、図7と同様、フローティングゲート電極およびコントロールゲート電極を有する半導体装置(不揮発性半導体記憶装置)に関するものであり、コントロールゲート電極が形成される延伸方向に平行な面で切断した断面図である。 FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor device manufactured by the method of the present invention. FIG. 1 relates to a semiconductor device (nonvolatile semiconductor memory device) having a floating gate electrode and a control gate electrode, as in FIG. 7, and is a cross-sectional view cut along a plane parallel to the extending direction in which the control gate electrode is formed. It is.
図1に示される半導体装置20は、トレンチ構造が形成された半導体基板1上に、当該トレンチ内を充填するように成膜され、半導体基板1の表面より上方に突出した素子分離用の絶縁膜6(以下、適宜「第1絶縁膜6」と記載)、ゲート酸化膜7、フローティングゲート電極8を構成する電極膜(以下、適宜「第1ゲート電極膜8」と記載)、コントロールゲート電極11を構成する電極膜(以下、適宜「第2ゲート電極膜11」と記載)、及び、第1ゲート電極膜8と第2ゲート電極膜11の間に介在するONO膜(第2絶縁膜に相当)10を有する。 A semiconductor device 20 shown in FIG. 1 is formed on a semiconductor substrate 1 in which a trench structure is formed so as to fill the trench, and an insulating film for element isolation protruding above the surface of the semiconductor substrate 1. 6 (hereinafter referred to as “first insulating film 6” as appropriate), gate oxide film 7, electrode film constituting floating gate electrode 8 (hereinafter referred to as “first gate electrode film 8” as appropriate), control gate electrode 11 , And an ONO film (corresponding to a second insulating film) interposed between the first gate electrode film 8 and the second gate electrode film 11. ) 10.
第1ゲート電極膜8は、隣接する2つの第1絶縁膜6間の領域において、端部が上方に突出し、その間に凹部を有して形成されている。そして、この凹部を有する第1ゲート電極膜8を覆うようにONO膜10が形成されており、これによって、当該ONO膜10で底面と内側壁が覆われた凹部15が形成されている。そして、第2ゲート電極膜11によって当該凹部15内が充填されている。 The first gate electrode film 8 has an end protruding upward in a region between two adjacent first insulating films 6 and having a recess therebetween. Then, an ONO film 10 is formed so as to cover the first gate electrode film 8 having this recess, and thereby, a recess 15 whose bottom surface and inner wall are covered with the ONO film 10 is formed. The recess 15 is filled with the second gate electrode film 11.
更に、第1ゲート電極膜8は、第1絶縁膜6の突出部とその上面の上方領域を挟んで隣接する第1ゲート電極膜8と分離している。当該領域において、底面を構成する第1絶縁膜6及び内側壁を構成する第1ゲート電極膜8を覆うようにONO膜10が形成され、これによって当該ONO膜10で底面と内側壁が覆われた凹部16が形成される。そして、第2ゲート電極膜11によって当該凹部16内が充填されている。つまり、第2ゲート電極膜11は、凹部15及び16内において、下方に突出した凸部を有して形成される。 Further, the first gate electrode film 8 is separated from the adjacent first gate electrode film 8 across the protruding portion of the first insulating film 6 and the upper region of the upper surface thereof. In this region, the ONO film 10 is formed so as to cover the first insulating film 6 constituting the bottom surface and the first gate electrode film 8 constituting the inner side wall, whereby the bottom surface and the inner side wall are covered with the ONO film 10. A concave portion 16 is formed. The recess 16 is filled with the second gate electrode film 11. That is, the second gate electrode film 11 is formed in the recesses 15 and 16 so as to have a protruding portion protruding downward.
このように構成されることで、第1絶縁膜6の上面の上方領域以外を除く領域(凹部15内を含む)においては、ONO膜10を介して第2ゲート電極膜11と第1ゲート電極膜8とが半導体基板1の基板面に平行な方向に対向し、更に凹部15及び凹部16内においては基板面に垂直な方向に対向する。これにより、第1ゲート電極膜8と第2ゲート電極膜11の対向面積が、第1ゲート電極膜8と半導体基板1との対向面積よりも大きくなり、カップリング比を増大させることができる。従って、素子の微細化が進んでも大きなカップリング比を容易に確保できる。 With this configuration, the second gate electrode film 11 and the first gate electrode are interposed via the ONO film 10 in a region (including the inside of the recess 15) except for the region above the upper surface of the first insulating film 6. The film 8 faces in a direction parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate 1, and further faces in a direction perpendicular to the substrate surface in the recess 15 and the recess 16. Thereby, the opposing area of the 1st gate electrode film 8 and the 2nd gate electrode film 11 becomes larger than the opposing area of the 1st gate electrode film 8 and the semiconductor substrate 1, and it can increase a coupling ratio. Therefore, a large coupling ratio can be easily ensured even if the elements are miniaturized.
以下、図2〜図6を参照して、本発明方法の説明を行う。図2及び図3は、本発明方法を用いて半導体装置20を製造する際の工程断面図を模式的に示したものであり、工程毎に図2(a)〜(f)、及び図3(a)〜(e)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)。また、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。 Hereinafter, the method of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3 schematically show process cross-sectional views when the semiconductor device 20 is manufactured using the method of the present invention, and FIGS. 2A to 2F and FIG. The drawings are divided into (a) to (e) (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.
まず、図2(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)。このとき、シリコン酸化膜2は拡散炉によって熱酸化法で成膜し、シリコン窒化膜3は減圧CVD(Chemical Vapor Deposition)法で成膜するものとして良い。 First, as shown in FIG. 2A, a silicon oxide film 2 and a silicon nitride film 3 are deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1 (step # 1). At this time, the silicon oxide film 2 may be formed by a thermal oxidation method in a diffusion furnace, and the silicon nitride film 3 may be formed by a low pressure CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
尚、ステップ#1において堆積するシリコン酸化膜2及びシリコン窒化膜3の総膜厚は、後のステップ#6に係るゲート酸化膜7の成膜工程終了後においても第1絶縁膜6が突出部6aを有する(図2(f)参照)ように、ステップ#6で成膜するゲート酸化膜7の膜厚よりも十分厚いものとする。 Note that the total thickness of the silicon oxide film 2 and the silicon nitride film 3 deposited in step # 1 is such that the first insulating film 6 protrudes even after the film forming process of the gate oxide film 7 in the subsequent step # 6 is completed. 6a (see FIG. 2F), the gate oxide film 7 formed in step # 6 is sufficiently thicker than the film thickness.
次に、図2(b)に示すように、シリコン窒化膜3上の所定領域に、ステッパー・スキャナー等の露光装置を用いて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孔5を形成する領域以外の領域上部にフォトレジスト膜4を残存させる。尚、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、ある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。 Next, as shown in FIG. 2B, a photoresist film 4 patterned by a photolithography method is formed in a predetermined region on the silicon nitride film 3 using an exposure apparatus such as a stepper scanner (step #). 2). In this step # 2, the photoresist film 4 is left on the region other than the region where the trench hole 5 is formed by etching the semiconductor substrate 1 in the next step # 3. Incidentally, even if an antireflection film made of an organic BARC (Bottom Anti-Reflective Coating) material or a polysilicon material is deposited on the silicon nitride film 3 in order to suppress reflection of light irradiated in the photolithography process. good. 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. .
次に、図2(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孔5を形成する(ステップ#3)。 Next, as shown in FIG. 2C, 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 trench holes 5 (step # 3).
次に、高密度プラズマCVD法(High Density Plasma CVD)法によりシリコン酸化膜(HDP膜、以下では「第1絶縁膜6」と記載)を蒸着させ、トレンチ孔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、トレンチ孔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2(d)参照)。 Next, a silicon oxide film (HDP film, hereinafter referred to as “first insulating film 6”) is deposited by a high density plasma CVD method to completely fill the trench hole 5 (step # 4). Thereafter, a polishing process is further performed using CMP (Chemical Mechanical Polishing) until the surface of the silicon nitride film 3 around the trench hole 5 is exposed (see FIG. 2D).
上述したステップ#1〜#4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。尚、ステップ#3に係るトレンチ形成工程終了後、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。 The processes according to steps # 1 to # 4 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. In addition, after the trench formation process which concerns on step # 3, before filling the 1st insulating film 6, you may have the process of growing an oxide film about 10-50 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.
次に、図2(e)に示すように、高温に加熱したリン酸等の薬液を用いてシリコン窒化膜3の除去を行い、更に高温に加熱したフッ酸等の薬液を用いてシリコン酸化膜2の除去を行うことで、半導体基板1の基板面を露出させる(ステップ#5)。これにより、第1絶縁膜6の上面と、半導体基板1の基板面との高さ位置が相違し、第1絶縁膜6が突出する(突出部6a)。 Next, as shown in FIG. 2 (e), the silicon nitride film 3 is removed using a chemical solution such as phosphoric acid heated to a high temperature, and a silicon oxide film using a chemical solution such as hydrofluoric acid heated to a high temperature. By removing 2, the substrate surface of the semiconductor substrate 1 is exposed (step # 5). Thereby, the height positions of the upper surface of the first insulating film 6 and the substrate surface of the semiconductor substrate 1 are different, and the first insulating film 6 protrudes (protruding portion 6a).
次に、図2(f)に示すように、拡散炉を用いて半導体基板1の基板面を酸化させることで、膜厚10nm程度のシリコン酸化膜7(以下、「ゲート酸化膜7」と記載)を成長させる(ステップ#6)。このゲート酸化膜7は、後の工程で形成されるフローティングゲート電極8に対して不純物拡散領域から電子を取り込み、若しくは、フローティングゲート電極8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し、いわゆるトンネル酸化膜を構成する。 Next, as shown in FIG. 2F, the substrate surface of the semiconductor substrate 1 is oxidized by using a diffusion furnace, so that the silicon oxide film 7 (hereinafter referred to as “gate oxide film 7”) having a thickness of about 10 nm is described. ) Is grown (step # 6). The gate oxide film 7 takes in electrons from the impurity diffusion region with respect to the floating gate electrode 8 formed in a later process, or passes electrons when the electrons are extracted from the floating gate electrode 8 into the impurity diffusion region. To form a so-called tunnel oxide film.
上述したように、ステップ#1においてシリコン酸化膜2及びシリコン窒化膜3の総膜厚を、ゲート酸化膜7の膜厚よりも十分厚膜としている。このため、ステップ#5終了後において突出する第1絶縁膜6の突出部6aの高さは、ゲート酸化膜7の膜厚よりも十分高い。従って、ステップ#6においてゲート酸化膜7を成膜した後であっても、依然として第1絶縁膜6の上面は突出しており、突出部6aが形成されている。 As described above, in step # 1, the total thickness of the silicon oxide film 2 and the silicon nitride film 3 is made sufficiently thicker than the thickness of the gate oxide film 7. For this reason, the height of the protruding portion 6a of the first insulating film 6 protruding after step # 5 is sufficiently higher than the thickness of the gate oxide film 7. Therefore, even after the gate oxide film 7 is formed in step # 6, the upper surface of the first insulating film 6 still protrudes and the protruding portion 6a is formed.
尚、ステップ#5終了後(半導体基板1の基板面を露出させた後)、ステップ#6に係るゲート酸化膜7の形成工程前に、拡散炉を用いて膜厚20nm程度のシリコン酸化膜を半導体基板1の基板面に形成した後、当該形成されたシリコン酸化膜を除去する工程を更に行うものとしても良い。かかる工程は、犠牲酸化法と呼ばれる方法であり、当該工程を実行後にゲート酸化膜7を形成することで、ゲート酸化膜7の膜質を向上させる効果を有する。 After step # 5 (after exposing the substrate surface of the semiconductor substrate 1), a silicon oxide film having a thickness of about 20 nm is formed using a diffusion furnace before the gate oxide film 7 forming step according to step # 6. After the formation on the substrate surface of the semiconductor substrate 1, a step of removing the formed silicon oxide film may be further performed. This step is a method called a sacrificial oxidation method, and has the effect of improving the film quality of the gate oxide film 7 by forming the gate oxide film 7 after executing the step.
更に、ステップ#5終了後、ステップ#6に係るゲート酸化膜7の形成工程前に、図示しないウェル領域形成並びに表面濃度調整のためのフォトマスク工程、イオン注入工程を行うものとしても良い。 Further, after the completion of step # 5, before the step of forming the gate oxide film 7 according to step # 6, a photomask process and ion implantation process for well region formation and surface concentration adjustment (not shown) may be performed.
次に、図3(a)に示すように、ポリシリコンで構成される導電性材料膜(以下、「第1ゲート電極膜8」と記載)をCVD法により例えば膜厚10nm程度で成膜する(ステップ#7)。これにより、ゲート酸化膜7の上面、並びに第1絶縁膜6の突出部6aの上面及び側面が第1ゲート電極膜8で覆われる。 Next, as shown in FIG. 3A, a conductive material film made of polysilicon (hereinafter referred to as “first gate electrode film 8”) is formed to a thickness of, for example, about 10 nm by the CVD method. (Step # 7). As a result, the upper surface of the gate oxide film 7 and the upper surface and side surfaces of the protruding portion 6 a of the first insulating film 6 are covered with the first gate electrode film 8.
尚、本ステップ#7において成膜する第1ゲート電極膜8の膜厚は、本ステップ#7終了後において、隣接する2つの第1絶縁膜6間に底面及び内側壁を第1ゲート電極膜8とする凹部13(第1凹部に相当)が形成される範囲内に設定される。 Incidentally, the film thickness of the first gate electrode film 8 formed in this step # 7 is such that after the completion of this step # 7, the bottom surface and the inner wall between the two adjacent first insulating films 6 are the first gate electrode film. 8 is set within a range in which a recess 13 (corresponding to a first recess) is formed.
図5は、図3(a)の拡大図であり、ステップ#7において成膜する第1ゲート電極膜8の膜厚を説明するための図である。 FIG. 5 is an enlarged view of FIG. 3A and is a diagram for explaining the film thickness of the first gate electrode film 8 formed in Step # 7.
図5に示すように、ステップ#6終了時点で突出している第1絶縁膜6の突出部6aの突出高さをkとすると、この突出高さkよりも大きい膜厚で第1ゲート電極膜8を成膜した場合には、凹部13内が完全に第1ゲート電極膜8で充填されてしまうため、ステップ#7終了後に凹部13が形成されない。即ち、本ステップ#7で成膜する第1ゲート電極膜8の膜厚dは、d<kを満たす必要がある。 As shown in FIG. 5, when the protrusion height of the protrusion 6a of the first insulating film 6 protruding at the end of step # 6 is k, the first gate electrode film has a film thickness larger than the protrusion height k. When depositing 8, the recess 13 is completely filled with the first gate electrode film 8, so that the recess 13 is not formed after step # 7 is completed. That is, the film thickness d of the first gate electrode film 8 formed in step # 7 needs to satisfy d <k.
更に、ステップ#6終了時点で突出している、隣接する2つの第1絶縁膜6の突出部6a間の間隔をWとすると、膜厚dを2倍した値「2d」が前記間隔Wよりも大きい場合には、やはり凹部13内が完全に第1ゲート電極膜8で充填されてしまう。従って、本ステップ#7で成膜する第1ゲート電極膜8の膜厚dは、2d<Wを満たす必要があり、言い換えれば膜厚dは、d<W/2を満たす必要がある。 Further, assuming that the interval between the protruding portions 6a of the two adjacent first insulating films 6 protruding at the end of step # 6 is W, the value “2d” obtained by doubling the film thickness d is larger than the interval W. If it is larger, the recess 13 is completely filled with the first gate electrode film 8. Therefore, the film thickness d of the first gate electrode film 8 formed in Step # 7 needs to satisfy 2d <W, in other words, the film thickness d needs to satisfy d <W / 2.
以上をまとめると、ステップ#7において成膜する第1ゲート電極膜8の膜厚を、ステップ#6終了時点で突出している第1絶縁膜6の突出部6aの高さよりも小さく、且つ、隣接する2つの第1絶縁膜6の突出部6a間の間隔の2分の1よりも小さい値に設定することで、ステップ#7終了後において、隣接する2つの第1絶縁膜6間に、底面及び内側壁を第1ゲート電極膜8とする凹部13を形成することができる。 In summary, the thickness of the first gate electrode film 8 formed in step # 7 is smaller than the height of the protruding portion 6a of the first insulating film 6 protruding at the end of step # 6, and is adjacent to the first gate electrode film 8. By setting the value to be smaller than one half of the interval between the protruding portions 6a of the two first insulating films 6 to be performed, the bottom surface between the two adjacent first insulating films 6 after step # 7 is completed. And the recessed part 13 which makes the inner wall the 1st gate electrode film 8 can be formed.
次に、図3(b)に示すように、第1絶縁膜6の突出部6aの上面の高さ位置よりも上方に形成された第1ゲート電極膜8を選択的に除去する(ステップ#8)。具体的には、フォトリソグラフィ法によってパターニングされたレジスト膜で非エッチング領域をマスクした状態でエッチングを行う。又、別の方法としては、第1絶縁膜6の突出部6aの上面の高さ位置に達するまでCMP法によって全体の表面を平坦化することで実現しても構わない。 Next, as shown in FIG. 3B, the first gate electrode film 8 formed above the height position of the upper surface of the protruding portion 6a of the first insulating film 6 is selectively removed (step #). 8). Specifically, etching is performed in a state where a non-etched region is masked with a resist film patterned by photolithography. As another method, the entire surface may be flattened by CMP until reaching the height position of the upper surface of the protruding portion 6a of the first insulating film 6.
本ステップ#8の終了によって、第1絶縁膜6の上面が露出される。一方で、図3(b)に示すように、依然として凹部13は形成されている。即ち、本ステップ#8によって、凹部13を有した第1ゲート電極膜8が複数に分離される。 By the completion of this step # 8, the upper surface of the first insulating film 6 is exposed. On the other hand, the recess 13 is still formed as shown in FIG. That is, by this step # 8, the first gate electrode film 8 having the recess 13 is separated into a plurality.
次に、図3(c)に示すように、フッ酸等の薬液を用いて第1絶縁膜6に対してウェットエッチングを行い、上面の高さ位置を後退させる(ステップ#9)。このとき、少なくとも第1絶縁膜6の上面の高さ位置が第1ゲート電極膜8の底面位置よりも上方となるような範囲内のエッチング量とする。これは、仮に第1絶縁膜6の上面が第1ゲート電極膜8の底面位置よりも下方に位置した場合、後の工程で第1ゲート電極膜8に対してパターニングを行ってフローティングゲート電極を形成する際に、当該パターニング処理が困難となるため、かかる事態を回避することを目的とするものである。尚、ウェットエッチングのバラツキも考慮し、エッチング量が最大となったときでも、第1絶縁膜6の上面の高さ位置が第1ゲート電極膜8の底面位置よりも上方となるよう、エッチング条件を設定する。 Next, as shown in FIG. 3C, wet etching is performed on the first insulating film 6 using a chemical solution such as hydrofluoric acid, and the height position of the upper surface is retracted (step # 9). At this time, the etching amount is set so that at least the height position of the upper surface of the first insulating film 6 is higher than the bottom surface position of the first gate electrode film 8. This is because if the upper surface of the first insulating film 6 is positioned below the bottom surface position of the first gate electrode film 8, the first gate electrode film 8 is patterned in a later step to form the floating gate electrode. Since the patterning process becomes difficult when forming, the object is to avoid such a situation. In consideration of the variation in wet etching, the etching conditions are set such that the height position of the upper surface of the first insulating film 6 is higher than the position of the bottom surface of the first gate electrode film 8 even when the etching amount becomes maximum. Set.
本ステップ#9によって、第1絶縁膜6を底面とし第1ゲート電極膜8を内側壁とする凹部14(第2凹部に相当)が形成される。 By this step # 9, a recess 14 (corresponding to a second recess) having the first insulating film 6 as a bottom surface and the first gate electrode film 8 as an inner wall is formed.
次に、図3(d)に示すように、凹部13及び14を完全には充填しない範囲内の膜厚で全面にONO膜10を成膜する(ステップ#10)。本ステップ#10は、例えば、拡散炉を用いて第1ゲート電極膜8上にシリコン酸化膜を成長させた後、CVD法によりシリコン窒化膜、シリコン酸化膜(HTO膜)を順次成膜することで行う。本ステップ#10で成膜されたONO膜10により、第1ゲート電極膜8(フローティングゲート電極)内に取り込まれた電子が、後の工程で形成される第2ゲート電極膜11(コントロールゲート電極)に脱出するのを防止する効果を有する。本ステップ#10終了後においても、依然として凹部15及び16が形成されている。 Next, as shown in FIG. 3D, the ONO film 10 is formed on the entire surface with a film thickness that does not completely fill the recesses 13 and 14 (step # 10). In this step # 10, for example, after a silicon oxide film is grown on the first gate electrode film 8 using a diffusion furnace, a silicon nitride film and a silicon oxide film (HTO film) are sequentially formed by the CVD method. To do. By the ONO film 10 formed in this step # 10, electrons taken into the first gate electrode film 8 (floating gate electrode) are converted into a second gate electrode film 11 (control gate electrode) formed in a later process. ) Has an effect of preventing escape. Even after the end of Step # 10, the recesses 15 and 16 are still formed.
次に、図3(e)に示すように、ポリシリコンで構成される電極膜(以下、「第2ゲート電極膜11」と記載)をCVD法により全面に堆積する(ステップ#11)。これにより、ステップ#10終了時に形成されていた凹部15及び16が完全に充填され、この結果、当該凹部15及び16の形成位置において、第2ゲート電極膜11が下向きに突出する凸部を有する形状を有する。その後、第2ゲート電極膜11及び第1ゲート電極膜8を同時にパターニングすることで、コントロールゲート電極とフローティングゲート電極を形成する。 Next, as shown in FIG. 3E, an electrode film made of polysilicon (hereinafter referred to as “second gate electrode film 11”) is deposited on the entire surface by the CVD method (step # 11). As a result, the recesses 15 and 16 formed at the end of step # 10 are completely filled. As a result, the second gate electrode film 11 has a protrusion protruding downward at the position where the recesses 15 and 16 are formed. Has a shape. Thereafter, the second gate electrode film 11 and the first gate electrode film 8 are simultaneously patterned to form a control gate electrode and a floating gate electrode.
尚、ステップ#8において、第1ゲート電極膜7の一部を選択的に除去した後、ステップ#10に係るONO膜10の成膜工程前に、フォトマスク工程及びエッチング工程を行うことにより、第1ゲート電極膜7のパターニング処理を行ってフローティングゲート電極を形成するものとしても構わない。この場合、ステップ#11の終了後、第2ゲート電極膜11のみをパターニングすることでコントロールゲート電極を形成する。 In step # 8, after selectively removing a part of the first gate electrode film 7, a photomask process and an etching process are performed before the ONO film 10 forming process according to step # 10. The floating gate electrode may be formed by patterning the first gate electrode film 7. In this case, after step # 11, the control gate electrode is formed by patterning only the second gate electrode film 11.
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不純物イオン注入を行うことでソース・ドレイン領域を形成した後、層間絶縁膜を堆積する。そして、ソース・ドレイン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、ソース・ドレイン領域との電気的接続のための配線層を形成する。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。 After that, it conforms to a conventional method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device. That is, impurity ion implantation is performed using these gate electrodes as a mask to form source / drain regions, and then an interlayer insulating film is deposited. Then, after forming a contact hole in a predetermined region on the source / drain region, a metal film such as tungsten (W) is filled in the contact hole, and a wiring layer for electrical connection with the source / drain region Form. 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.
又、必要に応じて、コントロールゲート電極、ソース・ドレイン領域を形成後、コバルト(Co)、チタン(Ti)等の高融点金属をスパッタリング法により堆積した後、ランプアニール装置などを使用して1分程度の熱処理(Coであれば450〜530℃程度、Tiであれば650〜700℃程度)を行って、コントロールゲート電極並びにソース・ドレイン領域の表面に金属サリサイド層を形成し、硫酸、過酸化水素等の薬液を用いて未反応の高融点金属を除去した後、30秒程度の熱処理(Co,Tiいずれも650〜700℃程度)を行って形成されたサリサイド層の相転移を行う工程を追加しても良い。このようにすることで、配線層とソース・ドレイン領域との接触抵抗を低減させることができる。 If necessary, after forming a control gate electrode and source / drain regions, a high melting point metal such as cobalt (Co) or titanium (Ti) is deposited by a sputtering method, and then a lamp annealing apparatus or the like is used. Heat treatment (about 450 to 530 ° C. for Co, about 650 to 700 ° C. for Ti) to form a metal salicide layer on the surface of the control gate electrode and the source / drain regions, A step of performing phase transition of the salicide layer formed by removing unreacted refractory metal using a chemical solution such as hydrogen oxide and then performing heat treatment for about 30 seconds (both Co and Ti are about 650 to 700 ° C.). May be added. By doing so, the contact resistance between the wiring layer and the source / drain regions can be reduced.
尚、上記サリサイドの代わりに、ステップ#11に係る第2ゲート電極膜11の堆積工程終了後、タングステンシリサイドを堆積する工程を行っても良い。 In place of the salicide, a step of depositing tungsten silicide may be performed after the deposition step of the second gate electrode film 11 according to step # 11.
上述したステップ#1〜#11の各工程を経ることで、図1に示されるような、大きなカップリング比が確保できる本発明装置20を製造することができる。 By going through the above-described steps # 1 to # 11, the device 20 of the present invention that can secure a large coupling ratio as shown in FIG. 1 can be manufactured.
又、第1絶縁膜6の形成位置は、ステップ#2におけるフォトレジスト膜4のマスク位置によって定まり、第1ゲート電極膜8の形成位置は、この第1絶縁膜6の形成位置によって定まり、更に、凹部15及び16の形成位置は、第1絶縁膜6の形成位置及び第1ゲート電極膜8の堆積膜厚によって定まる構成である。即ち、予めステップ#2において素子分離領域形成のための位置合わせを行っておけば、ステップ#7における第1ゲート電極膜8の堆積膜厚に応じて、凹部15及び16の形成位置を自己整合的に定められる。従って、アライメント精度を考慮することなく、凹部15及び16を形成することができるため、微細なレイアウトルールに対しても適用が可能である。 The formation position of the first insulating film 6 is determined by the mask position of the photoresist film 4 in Step # 2, the formation position of the first gate electrode film 8 is determined by the formation position of the first insulating film 6, and The formation positions of the recesses 15 and 16 are determined by the formation position of the first insulating film 6 and the deposited film thickness of the first gate electrode film 8. That is, if the alignment for forming the element isolation region is previously performed in step # 2, the formation positions of the recesses 15 and 16 are self-aligned according to the deposited film thickness of the first gate electrode film 8 in step # 7. Determined. Therefore, since the recesses 15 and 16 can be formed without considering the alignment accuracy, the invention can be applied to a fine layout rule.
更に、本発明方法によれば、ステップ#8に係る第1ゲート電極膜8に対する選択的除去工程、及びステップ#9に係る第1絶縁膜6に対するエッチバック工程を行うことで凹部15及び16を形成することができるため、予め十分な膜厚の第1ゲート電極膜8を成膜する必要がない。このため、第2ゲート電極膜11の成膜表面の高さ位置を、半導体基板1の基板面から所定の範囲内に抑制することが可能である。従って、コントロールゲート電極あるいはフローティングゲート電極と一定の距離を保った状態でコンタクトプラグを形成することができるため、これらの間にショートが発生するという問題を防ぐことができる。 Furthermore, according to the method of the present invention, the recesses 15 and 16 are formed by performing the selective removal process for the first gate electrode film 8 according to Step # 8 and the etch-back process for the first insulating film 6 according to Step # 9. Since it can be formed, it is not necessary to form the first gate electrode film 8 having a sufficient thickness in advance. For this reason, the height position of the film formation surface of the second gate electrode film 11 can be suppressed within a predetermined range from the substrate surface of the semiconductor substrate 1. Therefore, since the contact plug can be formed with a certain distance from the control gate electrode or the floating gate electrode, a problem that a short circuit occurs between them can be prevented.
また、両ゲート電極間の対向面積を増大するために絶縁膜に対する絶縁破壊処理を必要としないため、ゲート酸化膜7に対してストレスが生じることがない。このため、書き込み状態の下で第1ゲート電極膜(フローティングゲート電極)8に蓄積された電荷がゲート酸化膜7を介して容易に脱出するということがなく、データ保持特性の優れた不揮発性半導体記憶装置を実現することができる。 In addition, since the dielectric breakdown process is not required for the insulating film in order to increase the facing area between both gate electrodes, no stress is generated on the gate oxide film 7. For this reason, the charge accumulated in the first gate electrode film (floating gate electrode) 8 under the written state does not easily escape through the gate oxide film 7, and the nonvolatile semiconductor has excellent data retention characteristics. A storage device can be realized.
尚、上記実施形態では、ステップ#8において、第1絶縁膜6の突出部6aの上面より高さ位置が高い第1ゲート電極膜8を選択的に除去することで第1ゲート電極膜8の上面と突出部6aの上面をそろえる構成とした。本ステップ#8は、このような方法に限られず、少なくとも突出部6aの上面の上方に形成されている第1ゲート電極膜8を選択的に除去する構成であれば良い。即ち、ステップ#8終了時において、図3(b)に示すような構成に替えて例えば図6(a)に示すような構成としても構わない。この場合、フォトリソグラフィ法によって非エッチング領域をマスクした状態でエッチングを行うことで実現できる。図6(a)の構成の後、上記ステップ#9〜#11を経ることで、図6(b)に示す構成の半導体装置を実現することができる。図6(b)の場合においても、図1と同様、底面及び内側壁がONO膜10で囲まれた凹部15及び16を有する構成を実現できるため、かかる第2ゲート電極膜11によって凹部内を充填することで、カップリング比の増大が図られる。 In the above embodiment, in step # 8, the first gate electrode film 8 whose height is higher than the upper surface of the protruding portion 6a of the first insulating film 6 is selectively removed, whereby the first gate electrode film 8 is removed. The upper surface and the upper surface of the protruding portion 6a are aligned. The present step # 8 is not limited to such a method, and may be any configuration that selectively removes at least the first gate electrode film 8 formed above the upper surface of the protruding portion 6a. That is, at the end of step # 8, for example, the configuration shown in FIG. 6A may be used instead of the configuration shown in FIG. In this case, it can be realized by performing etching while masking the non-etched region by photolithography. After the configuration of FIG. 6A, the semiconductor device having the configuration shown in FIG. 6B can be realized through the steps # 9 to # 11. In the case of FIG. 6B as well, the configuration having the recesses 15 and 16 whose bottom and inner walls are surrounded by the ONO film 10 can be realized as in FIG. By filling, the coupling ratio can be increased.
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: トレンチ孔
6: 第1絶縁膜
6a: 第1絶縁膜の突出部
7: ゲート酸化膜
8: 第1ゲート電極膜(フローティングゲート電極)
10: 第2絶縁膜(ONO膜)
11: 第2ゲート電極膜(コントロールゲート電極)
13、14、15、16: 凹部
20: 本発明方法によって製造された半導体装置
31: 不純物拡散領域(ソース・ドレイン領域)
32: サイドウォール絶縁膜
33: サイドウォール絶縁膜
34: 層間絶縁膜
35: コンタクトプラグ
36: 配線
50: 従来方法によって製造された半導体装置
51: 従来方法によって製造された半導体装置
1: Semiconductor substrate 2: Silicon oxide film 3: Silicon nitride film 4: Photoresist film 5: Trench hole 6: First insulating film 6a: Projection of first insulating film 7: Gate oxide film 8: First gate electrode film (Floating gate electrode)
10: Second insulating film (ONO film)
11: Second gate electrode film (control gate electrode)
13, 14, 15, 16: Recess 20: Semiconductor device manufactured by the method of the present invention 31: Impurity diffusion region (source / drain region)
32: Side wall insulating film 33: Side wall insulating film 34: Interlayer insulating film 35: Contact plug 36: Wiring 50: Semiconductor device manufactured by a conventional method 51: Semiconductor device manufactured by a conventional method
Claims (4)
半導体基板の一部領域に、基板表面より突出する第1絶縁膜を形成する第1工程と、
前記第1工程終了後、ゲート酸化膜を前記半導体基板の露出面に形成する第2工程と、
前記第2工程終了後、前記ゲート酸化膜、並びに前記第1絶縁膜の突出部の上面と側面を覆うように、全面に導電性の第1ゲート電極膜を形成することで、隣接する前記第1絶縁膜間に底面及び内側壁が前記第1ゲート電極膜で覆われた第1凹部を形成する第3工程と、
前記第3工程終了後、少なくとも前記第1絶縁膜の突出部の上面の上方に形成された前記第1ゲート電極膜を選択的に除去する第4工程と、
前記第4工程終了後、前記第1絶縁膜の上面位置が前記第1ゲート電極膜の底面位置より低くならない範囲内で前記第1絶縁膜に対してエッチング処理を施して、底面が前記第1絶縁膜、内側壁が前記第1ゲート電極膜からなる第2凹部を形成する第5工程と、
前記第5工程終了後、前記第1凹部及び前記第2凹部を完全には充填しない範囲内の膜厚で全面に第2絶縁膜を形成した後、全面に導電性の第2ゲート電極膜を形成する第6工程と、
前記第6工程終了後、前記第2ゲート電極膜をパターニングした後、ソース・ドレイン領域を形成する第7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 having a MOSFET structure in which two gate electrode films are stacked via an insulating film,
A first step of forming a first insulating film protruding from the substrate surface in a partial region of the semiconductor substrate;
A second step of forming a gate oxide film on the exposed surface of the semiconductor substrate after completion of the first step;
After completion of the second step, a conductive first gate electrode film is formed on the entire surface so as to cover the upper surface and side surfaces of the gate oxide film and the protruding portion of the first insulating film, thereby adjacent the first step. A third step of forming a first recess whose bottom surface and inner wall are covered with the first gate electrode film between the insulating films;
A fourth step of selectively removing at least the first gate electrode film formed above the upper surface of the protrusion of the first insulating film after the third step;
After the fourth step, the first insulating film is etched so that the top surface position of the first insulating film is not lower than the bottom surface position of the first gate electrode film. A fifth step of forming an insulating film, a second recess having an inner wall made of the first gate electrode film;
After the fifth step, a second insulating film is formed on the entire surface with a thickness that does not completely fill the first recess and the second recess, and then a conductive second gate electrode film is formed on the entire surface. A sixth step of forming;
And a seventh step of forming source / drain regions after patterning the second gate electrode film after completion of the sixth step.
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Patent Citations (3)
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