JP2009289975A - Semiconductor device, and method for manufacturing thereof - Google Patents

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Takuji Kuniya
卓司 国谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To process a memory cell having a MONOS type gate electrode and each gate electrode of normal MOS transistors at the same time. <P>SOLUTION: In a gate electrode G in a memory cell region, a gate insulation film 4, a trap film 5, a block film 6 and an electrode film 7 are laminated on a silicon substrate 1. In a gate electrode GP in a peripheral circuit region, a gate insulation film 4, a polycrystalline silicon film 9 and an electrode film 7 are laminated on the silicon substrate 1. In the polycrystalline silicon film 9, a silicon nitride film 10 and a silicon oxide film 11 are formed on a lower layer side and an upper layer side, respectively, without directly contacting each other. In gate collective processing, the silicon oxide film 11 is used as a stopper in etching the electrode film 7, the silicon nitride film 10 is used as a stopper in processing the block film 6, the polycrystalline silicon film 9 is used as a stopper in processing the trap film 5, and thereby the silicon substrate 1 can be prevented from being damaged. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、MONOS(metal oxide nitride oxide semiconductor)構造を採用したメモリセルを有す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 having a memory cell employing a MONOS (metal oxide nitride oxide semiconductor) structure and a method for manufacturing the same.

MONOS構造を採用したメモリセルを有する半導体装置は、たとえばNAND型フラッシュメモリがあるが、周辺回路領域に形成するトランジスタについては、閾値制御などを必要とするためゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン膜などの導体膜が設けられる構成とすることが好ましい(特許文献1参照)。   As a semiconductor device having a memory cell adopting a MONOS structure, for example, there is a NAND flash memory. However, a transistor formed in a peripheral circuit region requires a threshold control or the like, so that a polycrystalline silicon film is interposed through a gate insulating film. It is preferable that a conductive film such as the above is provided (see Patent Document 1).

ところが、このようにメモリセル領域と周辺回路領域とで膜の積層構造が異なることに起因し、両トランジスタのゲート電極を加工する際に、加工条件が一致しない場合があり、半導体基板の表面が抉れてしまうなどの不具合の発生が予想され、一括して加工形成することが難しくなる。このため、基板掘れなどの不具合を招かぬようにする目的で、メモリセル領域と周辺回路領域とを別々に加工してゲート電極を加工するなどの対応が必要となり、総じてコストが高くなるという課題があった。
特開2004−79624号公報
However, due to the difference in the film stack structure between the memory cell region and the peripheral circuit region, the processing conditions may not match when processing the gate electrodes of both transistors, and the surface of the semiconductor substrate Occurrence of defects such as drowning is expected, making it difficult to process and form all at once. For this reason, in order not to cause problems such as substrate digging, it is necessary to take measures such as processing the gate electrode by separately processing the memory cell region and the peripheral circuit region, which generally increases the cost. There was a problem.
JP 2004-79624 A

本発明は、メモリセル領域と周辺回路領域とで膜の積層構造が異なる構成の場合でも、ゲート電極の加工を一括して行えるようにした半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device in which gate electrodes can be processed all at once even when the memory cell region and the peripheral circuit region have different film stacking structures. And

本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、メモリセル領域および周辺回路領域が設定された半導体基板の上面にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、前記半導体基板の前記メモリセル領域の上面に前記ゲート絶縁膜を介してトラップ絶縁膜およびブロック絶縁膜を積層形成すると共に、前記周辺回路領域の上面に前記ゲート絶縁膜を介してシリコン膜を形成するゲート中間膜形成工程と、前記ブロック絶縁膜および前記シリコン膜の上面に電極膜を形成する電極膜形成工程と、前記電極膜の上面にエッチング用のマスクパターンを形成し、そのマスクパターンをマスクとして前記電極膜、前記ブロック絶縁膜、前記トラップ絶縁膜、前記シリコン膜を一括してエッチング加工してメモリセルトランジスタのゲート電極および周辺回路トランジスタのゲート電極を形成するエッチング工程とを有し、前記ゲート中間膜形成行程では、前記シリコン膜を膜中に下層側から第1の絶縁膜および第2の絶縁膜を互いに離隔介在させて形成し、
前記エッチング工程では、前記電極膜と前記電極膜下の前記シリコン膜をエッチングして前記ブロック絶縁膜および前記第2の絶縁膜を露出させる第1段階と、前記ブロック絶縁膜および前記第2の絶縁膜と前記第2の絶縁膜下の前記シリコン膜をエッチングして前記トラップ膜および前記第1の絶縁膜を露出させる第2段階と、前記トラップ絶縁膜および前記第1の絶縁膜をエッチングして前記メモリセル領域の前記ゲート絶縁膜および前記第1の絶縁膜下の前記シリコン膜を露出させる第3段階と、前記シリコン膜をエッチングして前記周辺回路領域の前記ゲート絶縁膜も露出させる第4段階とを順次実施することを特徴とする。
A method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a gate insulating film forming step of forming a gate insulating film on an upper surface of a semiconductor substrate in which a memory cell region and a peripheral circuit region are set, and the memory cell region of the semiconductor substrate. A gate intermediate film forming step in which a trap insulating film and a block insulating film are stacked on the upper surface of the peripheral circuit region, and a silicon film is formed on the upper surface of the peripheral circuit region via the gate insulating film; Forming an electrode film on the upper surface of the block insulating film and the silicon film; forming an etching mask pattern on the upper surface of the electrode film; and using the mask pattern as a mask, the electrode film and the block insulating film The trap insulating film and the silicon film are etched together to form a gate electrode and a peripheral edge of the memory cell transistor. An etching step for forming a gate electrode of the circuit transistor, and in the step of forming the gate intermediate film, the first insulating film and the second insulating film are separated from each other from the lower layer side in the silicon film. Forming,
In the etching step, a first step of etching the electrode film and the silicon film under the electrode film to expose the block insulating film and the second insulating film, and the block insulating film and the second insulating film Etching the film and the silicon film under the second insulating film to expose the trap film and the first insulating film; and etching the trap insulating film and the first insulating film A third step of exposing the gate insulating film in the memory cell region and the silicon film under the first insulating film; and a fourth step of exposing the gate insulating film in the peripheral circuit region by etching the silicon film. The steps are performed sequentially.

また、本発明の一態様の半導体装置は、メモリセル領域および周辺回路領域が設定された半導体基板と、前記半導体基板の上面に形成されたゲート絶縁膜と、前記半導体基板のメモリセル領域に形成され、前記ゲート絶縁膜上にトラップ膜、ブロック膜および電極膜を積層された構成のメモリセルトランジスタのゲート電極と、前記半導体基板の周辺回路領域に前記メモリセルトランジスタのゲート電極と一括加工して形成され、前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜および前記電極膜が積層された構成であって、前記多結晶シリコン膜中には下層側からシリコン窒化膜、シリコン酸化膜を互いに離隔しながら少なくとも1層ずつ介在させてなる周辺回路トランジスタのゲート電極とを備えたことを特徴とする。   The semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate in which a memory cell region and a peripheral circuit region are set, a gate insulating film formed on an upper surface of the semiconductor substrate, and a memory cell region of the semiconductor substrate. The gate electrode of the memory cell transistor having a structure in which a trap film, a block film, and an electrode film are stacked on the gate insulating film, and the gate electrode of the memory cell transistor are collectively processed in the peripheral circuit region of the semiconductor substrate. A polycrystalline silicon film and the electrode film are formed on the gate insulating film, and at least a silicon nitride film and a silicon oxide film are separated from each other from the lower layer side in the polycrystalline silicon film. And a gate electrode of a peripheral circuit transistor that is provided one layer at a time.

本発明によれば、メモリセル領域と周辺回路領域とで膜の積層構造が異なる構成の場合でも、ゲート電極の加工を一括して行える。   According to the present invention, gate electrodes can be processed in a lump even when the memory cell region and the peripheral circuit region have different film stacking structures.

以下、本発明をMONOS構造を採用したNAND型フラッシュメモリ装置に適用した場合の一実施形態について図1〜図11を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。   Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a NAND flash memory device adopting a MONOS structure will be described with reference to FIGS. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones.

図1(a)はメモリセル領域の一部のレイアウトパターンを示し、図1(b)は周辺回路部のトランジスタを示す平面図である。図1(a)において、半導体基板としてのシリコン基板1に、素子分離領域としてのSTI(shallow trench isolation)2が図1中Y方向に沿って所定間隔で複数本形成され、このSTI2によって活性領域3が図1中X方向に分離形成されている。また、活性領域3と直交する図1中X方向に沿って所定間隔でメモリセルトランジスタのワード線WLが形成されている。また、図1中X方向に沿って一対の選択ゲートトランジスタの選択ゲート線SGL1が形成されている。一対の選択ゲート線SGL1間の活性領域3にはビット線コンタクトCBがそれぞれ形成されている。ワード線WLと交差する活性領域3上にはメモリセルトランジスタのゲート電極Gが、選択ゲート線SGL1と交差する活性領域3上には選択ゲートトランジスタのゲート電極SGが形成されている。   FIG. 1A shows a partial layout pattern of the memory cell region, and FIG. 1B is a plan view showing transistors in the peripheral circuit portion. In FIG. 1A, a plurality of STIs (shallow trench isolation) 2 as element isolation regions are formed at predetermined intervals along the Y direction in FIG. 1 on a silicon substrate 1 as a semiconductor substrate. 3 are formed separately in the X direction in FIG. In addition, word lines WL of the memory cell transistors are formed at predetermined intervals along the X direction in FIG. 1 orthogonal to the active region 3. A selection gate line SGL1 of a pair of selection gate transistors is formed along the X direction in FIG. Bit line contacts CB are formed in the active region 3 between the pair of selection gate lines SGL1. A gate electrode G of the memory cell transistor is formed on the active region 3 intersecting with the word line WL, and a gate electrode SG of the selection gate transistor is formed on the active region 3 intersecting with the selection gate line SGL1.

図1(b)において、周辺回路部に形成されるトランジスタTrPは、シリコン基板1にSTI2を矩形状に活性領域3aを残すように形成した部分に設けられている。活性領域3aには、これを横切るようにゲート電極GPが形成され、その両側に不純物を拡散して形成したソース/ドレイン領域が設けられている。ソース/ドレイン領域およびゲート電極GPにはコンタクトプラグ(図示せず)が形成されている。   In FIG. 1B, the transistor TrP formed in the peripheral circuit portion is provided in a portion where the STI 2 is formed in the silicon substrate 1 so as to leave the active region 3a in a rectangular shape. In the active region 3a, a gate electrode GP is formed across the active region 3a, and source / drain regions formed by diffusing impurities are provided on both sides thereof. Contact plugs (not shown) are formed in the source / drain regions and the gate electrode GP.

図2(a)、(b)は、図1中、切断線A−A、B−Bで示す部分の断面図である。すなわち、図2(a)には活性領域3におけるゲート電極G部分を中心として示したメモリセル領域のメモリセルトランジスタTrmが、図2(b)には周辺回路部のトランジスタTrPが、それぞれの製造工程の途中の段階の模式的な断面図で示され、ゲート電極GおよびGPの形成工程の一段階を示すものである。   2 (a) and 2 (b) are cross-sectional views taken along section lines AA and BB in FIG. 2A shows a memory cell transistor Trm in the memory cell region centered on the gate electrode G portion in the active region 3, and FIG. 2B shows a transistor TrP in the peripheral circuit portion. A schematic cross-sectional view in the middle of the process shows a stage in the process of forming the gate electrodes G and GP.

図2(a)、(b)に示すように、シリコン基板1上にゲート絶縁膜4が形成され、この上部にゲート電極G、およびGPが形成されている。ゲート電極Gは、ゲート絶縁膜4上にトラップ絶縁膜5、ブロック絶縁膜6及び電極膜7が積層形成された構成である。この場合、トラップ絶縁膜5としては、たとえばシリコン窒化膜(SiN)が使用されており、ブロック絶縁膜6としては、たとえばアルミナ(Al)などの金属酸化物による材料が使用されている。また、電極膜7としては、多結晶シリコン膜を主体として下部または上部に金属層あるいはシリサイド層などが積層されたものが使用されている。 As shown in FIGS. 2A and 2B, the gate insulating film 4 is formed on the silicon substrate 1, and the gate electrodes G and GP are formed thereon. The gate electrode G has a configuration in which a trap insulating film 5, a block insulating film 6, and an electrode film 7 are stacked on the gate insulating film 4. In this case, for example, a silicon nitride film (SiN) is used as the trap insulating film 5, and a material made of a metal oxide such as alumina (Al 2 O 3 ) is used as the block insulating film 6. . Further, as the electrode film 7, a polycrystalline silicon film is mainly used and a metal layer or a silicide layer is laminated on the lower or upper part.

このようなゲート電極Gの構造は、いわゆるMONOS(metal-oxide-nitride-oxide-semiconductor)構造といわれる。隣接するゲート電極Gの間にはゲート間を絶縁分離するためのシリコン酸化膜8が埋め込み形成されている。ゲート電極Gの両側のシリコン基板1の表層にはソース/ドレイン領域1aが形成されている。   Such a structure of the gate electrode G is called a so-called MONOS (metal-oxide-nitride-oxide-semiconductor) structure. A silicon oxide film 8 is embedded between adjacent gate electrodes G so as to insulate and isolate the gates. Source / drain regions 1 a are formed in the surface layer of the silicon substrate 1 on both sides of the gate electrode G.

一方、ゲート電極GPは、ゲート絶縁膜4上に多結晶シリコン膜9および上記した電極膜7と同じ材料で形成された電極膜7aが積層形成されている。この場合、多結晶シリコン膜9は、膜中に下層側に第1の絶縁膜としてのシリコン窒化膜10、上層側に第2の絶縁膜としてのシリコン酸化膜11が介在された膜構成とされている。これらシリコン窒化膜10およびシリコン酸化膜11は、後述するエッチングストッパとして機能するように設けられるもので、そのエッチングストッパとして必要最低限以上の膜厚たとえば2nm程度で形成されている。   On the other hand, the gate electrode GP is formed by laminating a polycrystalline silicon film 9 and an electrode film 7 a made of the same material as the above-described electrode film 7 on the gate insulating film 4. In this case, the polycrystalline silicon film 9 has a film configuration in which a silicon nitride film 10 as a first insulating film is interposed on the lower layer side and a silicon oxide film 11 as a second insulating film is interposed on the upper layer side. ing. The silicon nitride film 10 and the silicon oxide film 11 are provided so as to function as an etching stopper, which will be described later, and are formed to have a thickness more than the minimum necessary for the etching stopper, for example, about 2 nm.

また、シリコン窒化膜10およびシリコン酸化膜11は、多結晶シリコン膜9中で、膜同士が接しないように互いに離隔して形成されている。ゲート電極GPの側壁には、シリコン酸化膜8と同じ材料で形成されたスペーサ8aが形成されている。ゲート電極GPの両側のシリコン基板1の表層には、ソース/ドレイン領域1bおよびLDD構造を形成する高濃度不純物拡散領域1cが形成されている。   The silicon nitride film 10 and the silicon oxide film 11 are formed in the polycrystalline silicon film 9 so as to be separated from each other so that the films do not contact each other. A spacer 8 a made of the same material as that of the silicon oxide film 8 is formed on the side wall of the gate electrode GP. In the surface layer of the silicon substrate 1 on both sides of the gate electrode GP, a source / drain region 1b and a high concentration impurity diffusion region 1c for forming an LDD structure are formed.

上記構成を採用するので、後述する製造上の効果を得る構成としながら、周辺回路トランジスタの多結晶シリコン膜9は、膜厚2nm程度という極薄いシリコン窒化膜10およびシリコン酸化膜11を介在させた構成とすることで、抵抗値が増大するのを抑制して電気的特性に悪影響を与えることのない構成とすることができる。   Since the above configuration is adopted, the polycrystalline silicon film 9 of the peripheral circuit transistor has an extremely thin silicon nitride film 10 and a silicon oxide film 11 with a film thickness of about 2 nm interposed therebetween while obtaining a manufacturing effect to be described later. By adopting a configuration, it is possible to suppress the increase in the resistance value and prevent the electrical characteristics from being adversely affected.

次に上記構成の製造工程について図3〜図11を参照して説明する。なお、図3〜図11に示す(a)、(b)の各分図は、それぞれ図2(a)、(b)に示す部分に対応する断面図である。
まず、図3(a)、(b)に示すように、シリコン基板1の上面にシリコン酸化膜をゲート絶縁膜4として全面に渡って形成する。続いて、ゲート絶縁膜4の上面の全面に多結晶シリコン膜9を成膜し、フォトリソグラフィ処理により周辺回路部(図3(b)参照)に多結晶シリコン膜9を残して他の部分(メモリセル領域を示す図3(a)参照)の多結晶シリコン膜9をエッチングにより除去する。
Next, the manufacturing process of the said structure is demonstrated with reference to FIGS. 3 to 11 are sectional views corresponding to the portions shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), respectively.
First, as shown in FIGS. 3A and 3B, a silicon oxide film is formed over the entire surface of the silicon substrate 1 as a gate insulating film 4. Subsequently, a polycrystalline silicon film 9 is formed on the entire upper surface of the gate insulating film 4, and the polycrystalline silicon film 9 is left in the peripheral circuit portion (see FIG. 3B) by photolithography to leave the other portion ( The polycrystalline silicon film 9 shown in FIG. 3A showing the memory cell region is removed by etching.

このとき、多結晶シリコン膜9は、成膜時に部分的に窒素(N)ガスを導入してゲート絶縁膜4の上方に多結晶シリコン膜9aを介した状態で第1の絶縁膜であるシリコン窒化膜10を膜厚2nm程度で形成すると共に、その上層に多結晶シリコン膜9bを介した状態で酸素(O)ガスを導入して第2の絶縁膜であるシリコン酸化膜11を膜厚2nm程度で形成し、さらにその上部に残りの多結晶シリコン膜9cを成膜している。この結果、多結晶シリコン膜9は、内部の層として、下層側にシリコン窒化膜10が、上層側にシリコン酸化膜11が多結晶シリコン膜9bを介して隔てた状態に形成されている。 At this time, the polycrystalline silicon film 9 is a first insulating film in a state in which nitrogen (N 2 ) gas is partially introduced at the time of film formation and the polycrystalline silicon film 9 a is interposed above the gate insulating film 4. A silicon nitride film 10 is formed with a film thickness of about 2 nm, and oxygen (O 2 ) gas is introduced into the upper layer through a polycrystalline silicon film 9b to form a silicon oxide film 11 as a second insulating film. It is formed with a thickness of about 2 nm, and the remaining polycrystalline silicon film 9c is formed thereon. As a result, the polycrystalline silicon film 9 is formed as an internal layer with the silicon nitride film 10 on the lower layer side and the silicon oxide film 11 on the upper layer side separated by the polycrystalline silicon film 9b.

なお、多結晶シリコン膜9の形成においては、上記の方法以外に、次のような方法を採用することもできる。すなわち、シリコン窒化膜10を形成する膜厚まで多結晶シリコン膜9aを成膜し、その状態で一旦多結晶シリコン膜9aの表面を窒化処理してシリコン窒化膜10を形成する。この後、再び多結晶シリコン膜9bをシリコン酸化膜11を形成する膜厚まで成膜し、その状態で一旦多結晶シリコン膜9bの表面を酸化処理してシリコン酸化膜11を形成する。さらに多結晶シリコン膜9cを所定の膜厚まで成膜することで上記の構成を得ることができる。また、多結晶シリコン以外に非晶質シリコンを材料として成膜することもできる。   In the formation of the polycrystalline silicon film 9, the following method can be adopted in addition to the above method. That is, the polycrystalline silicon film 9a is formed to a film thickness for forming the silicon nitride film 10, and in this state, the surface of the polycrystalline silicon film 9a is temporarily nitrided to form the silicon nitride film 10. Thereafter, the polycrystalline silicon film 9b is formed again to a film thickness for forming the silicon oxide film 11, and in this state, the surface of the polycrystalline silicon film 9b is once oxidized to form the silicon oxide film 11. Further, the above structure can be obtained by forming the polycrystalline silicon film 9c to a predetermined thickness. In addition to polycrystalline silicon, amorphous silicon can be used as a material.

次に、図4(a)、(b)に示すように、全面にシリコン窒化膜(SiN)をトラップ膜5として成膜すると共にアルミナ膜(Al)をブロック膜6として成膜する。これらトラップ膜5及びブロック膜6はメモリセルトランジスタのMONOS構造を形成するためのものである。 Next, as shown in FIGS. 4A and 4B, a silicon nitride film (SiN) is formed as a trap film 5 and an alumina film (Al 2 O 3 ) is formed as a block film 6 on the entire surface. . These trap film 5 and block film 6 are for forming the MONOS structure of the memory cell transistor.

続いて、図5(a)、(b)に示すように、フォトリソグラフィ処理によりメモリセル領域のブロック膜6の上面を覆い、周辺回路領域のブロック膜6の上面を露出させるようにレジスト12をパターニングする。そして、レジスト12をマスクとして周辺回路領域のブロック膜6およびトラップ膜5をエッチングにより除去する。この場合、エッチング処理は、RIE(reactive ion etching)法あるいはウェットエッチング法などの方法を採用することができる。   Subsequently, as shown in FIGS. 5A and 5B, a resist 12 is applied so as to cover the upper surface of the block film 6 in the memory cell region by photolithography and to expose the upper surface of the block film 6 in the peripheral circuit region. Pattern. Then, the block film 6 and the trap film 5 in the peripheral circuit region are removed by etching using the resist 12 as a mask. In this case, the etching process may employ a method such as RIE (reactive ion etching) or wet etching.

次に、レジストを除去した後、図6(a)、(b)に示すように、以上によりゲート中間膜が形成されたシリコン基板1の上面全面にスパッタ法あるいはCVD(chemical vapor deposition)法などにより、電極膜7を成膜する。電極膜7としては、たとえば金属膜、多結晶シリコン膜あるいはシリサイド層を含んだ多結晶シリコン膜やこれらの積層膜などを形成することができる。   Next, after removing the resist, as shown in FIGS. 6A and 6B, a sputtering method or a CVD (chemical vapor deposition) method is performed on the entire upper surface of the silicon substrate 1 on which the gate intermediate film is formed as described above. Thus, the electrode film 7 is formed. As the electrode film 7, for example, a metal film, a polycrystalline silicon film, a polycrystalline silicon film including a silicide layer, a laminated film of these, or the like can be formed.

次に、図7(a)、(b)に示すように、フォトリソグラフィ処理により、電極膜7の上面にレジスト13を塗布してパターニングする。メモリセル領域においては、メモリセルトランジスタのゲート電極Gの上部を連ねるワードラインを形成するようにラインアンドスペースパターンでパターニングし、周辺回路領域においては、各トランジスタ毎に独立して形成するゲート電極GPの形状となるようにレジスト13aをパターニングする。   Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, a resist 13 is applied to the upper surface of the electrode film 7 and patterned by photolithography. In the memory cell region, patterning is performed with a line-and-space pattern so as to form a word line connecting the upper part of the gate electrode G of the memory cell transistor, and in the peripheral circuit region, the gate electrode GP formed independently for each transistor. The resist 13a is patterned so as to have the following shape.

続いて、上記したレジスト13、13aをマスクとしてRIE法によりエッチング処理を行い、ゲート電極G、GPを形成する。この場合、エッチング処理は、次のように4段階に分けて進行するよう段階別にエッチング条件を変更制御して行うが、同一のエッチング装置のチャンバー内に収容した状態で連続的に実施するものである。   Subsequently, an etching process is performed by the RIE method using the resists 13 and 13a as masks to form gate electrodes G and GP. In this case, the etching process is performed by changing and controlling the etching conditions for each stage so as to proceed in four stages as follows. However, the etching process is continuously performed while being accommodated in the chamber of the same etching apparatus. is there.

まず、第1段階では、図8(a)、(b)に示すように、電極膜7をエッチングする条件でエッチング処理を行う。このとき、電極膜7をエッチングする条件では、図8(a)に示すメモリセル領域においては、ブロック膜6の上面が露出するとブロック膜6がストッパとなってエッチングが停止する。また、図8(b)に示す周辺回路領域においては、電極膜7の下の多結晶シリコン膜9cもエッチングされることがあり、多結晶シリコン膜9中に介在される第2の絶縁膜であるシリコン酸化膜11がストッパとなってエッチングが停止する。   First, in the first stage, as shown in FIGS. 8A and 8B, an etching process is performed under conditions for etching the electrode film 7. At this time, under the conditions for etching the electrode film 7, in the memory cell region shown in FIG. 8A, when the upper surface of the block film 6 is exposed, the block film 6 serves as a stopper to stop the etching. Further, in the peripheral circuit region shown in FIG. 8B, the polycrystalline silicon film 9c under the electrode film 7 may be etched, and the second insulating film interposed in the polycrystalline silicon film 9 is used. A certain silicon oxide film 11 serves as a stopper to stop etching.

第2段階では、図9(a)、(b)に示すように、ブロック膜6つまりアルミナ膜をエッチングする条件でエッチング処理を行う。このとき、図9(a)に示すメモリセル領域では、ブロック膜6がレジスト13をマスクとしたパターンにエッチングされ、その後、トラップ膜5つまりシリコン窒化膜が露出した時点でエッチングが停止する。また、図9(b)に示す周辺回路領域では、シリコン酸化膜11がエッチングされると共に、シリコン酸化膜11の下の多結晶シリコン9bがエッチングされ、シリコン窒化膜10が露出した時点でエッチングが停止する。   In the second stage, as shown in FIGS. 9A and 9B, an etching process is performed under conditions for etching the block film 6, that is, the alumina film. At this time, in the memory cell region shown in FIG. 9A, the block film 6 is etched into a pattern using the resist 13 as a mask, and then the etching stops when the trap film 5, that is, the silicon nitride film is exposed. In the peripheral circuit region shown in FIG. 9B, the silicon oxide film 11 is etched, and the polycrystalline silicon 9b under the silicon oxide film 11 is etched, and the etching is performed when the silicon nitride film 10 is exposed. Stop.

なお、第2段階のエッチング処理で、ブロック膜6のエッチング処理条件でエッチングを実施しても多結晶シリコン膜9bが確実にエッチングされない場合には、ブロック膜6のエッチングが完了した時点で、多結晶シリコン膜9bのエッチング条件に切り替えて確実に多結晶シリコン膜9bを除去してシリコン窒化膜10が露出する状態となるようにすることもできる。   If the polycrystalline silicon film 9b is not reliably etched even if etching is performed under the etching process conditions of the block film 6 in the second stage etching process, when the etching of the block film 6 is completed, By switching to the etching conditions for the crystalline silicon film 9b, the polycrystalline silicon film 9b can be reliably removed so that the silicon nitride film 10 is exposed.

第3段階では、図10(a)、(b)に示すように、トラップ膜5つまりシリコン窒化膜をエッチングする条件でエッチング処理を行う。このとき、図10(a)に示すメモリセル領域では、トラップ膜5がレジスト13をマスクとしたパターンにエッチングされ、その後ゲート絶縁膜4が露出した時点でエッチングが停止する。同じく、図10(b)に示す周辺回路領域では、第1の絶縁膜であるシリコン窒化膜10がエッチングされ、シリコン窒化膜10の下の多結晶シリコン膜9aが露出した時点でエッチングが停止する。   In the third stage, as shown in FIGS. 10A and 10B, an etching process is performed under conditions for etching the trap film 5, that is, the silicon nitride film. At this time, in the memory cell region shown in FIG. 10A, the trap film 5 is etched into a pattern using the resist 13 as a mask, and then the etching is stopped when the gate insulating film 4 is exposed. Similarly, in the peripheral circuit region shown in FIG. 10B, the etching is stopped when the silicon nitride film 10 as the first insulating film is etched and the polycrystalline silicon film 9a under the silicon nitride film 10 is exposed. .

第4段階では、図11(a)、(b)に示すように、多結晶シリコン膜9aをエッチングする条件でエッチング処理を行う。このとき、図11(a)に示すメモリセル領域では、ゲート絶縁膜4がエッチングされないことから、エッチングされないままの状態を保持している。一方、図11(b)に示す周辺回路領域では、多結晶シリコン膜9aがエッチングされ、ゲート絶縁膜4が露出した時点でエッチングが停止する。   In the fourth stage, as shown in FIGS. 11A and 11B, an etching process is performed under conditions for etching the polycrystalline silicon film 9a. At this time, in the memory cell region shown in FIG. 11A, since the gate insulating film 4 is not etched, the state of being not etched is maintained. On the other hand, in the peripheral circuit region shown in FIG. 11B, the etching is stopped when the polycrystalline silicon film 9a is etched and the gate insulating film 4 is exposed.

以上の4段階にわたる一連のエッチング処理が終了すると、メモリセル領域および周辺回路領域のそれぞれにおいてゲート電極GおよびGPが一括加工される。また、このとき、最終のエッチング処理では、多結晶シリコン膜9をエッチングする条件でエッチングしているので、ゲート絶縁膜4がストッパとなってエッチングが進行するのを防止でき、これによってシリコン基板1の表面が掘られたり、ダメージが与えられるのを防止することができる。特に、第4段階のエッチング処理で周辺回路領域のソース/ドレイン領域に相当するシリコン基板1の表面が損傷を受けるのを防止できるので、電気的特性に悪影響を与えるのを防止できる。   When a series of etching processes over the above four steps are completed, the gate electrodes G and GP are collectively processed in the memory cell region and the peripheral circuit region, respectively. At this time, since the polycrystalline silicon film 9 is etched in the final etching process, the gate insulating film 4 can be used as a stopper to prevent the etching from progressing. It is possible to prevent the surface of the material from being dug or damaged. In particular, since the surface of the silicon substrate 1 corresponding to the source / drain regions in the peripheral circuit region can be prevented from being damaged by the etching process in the fourth stage, it is possible to prevent the electrical characteristics from being adversely affected.

この後、図2に示しているように、イオン注入法によりメモリセル領域および周辺回路領域のシリコン基板1の表層に不純物を導入してソース/ドレイン領域1a、1bをそれぞれ形成する。続いて、メモリセル領域のゲート電極Gの間にはシリコン酸化膜8が埋め込み形成され、周辺回路領域のゲート電極GPの周囲には同時に形成されたシリコン酸化膜8をスペーサ加工することでスペーサ8aを形成した状態とする。このスペーサ8aをマスクとして用いてイオン注入法により不純物を高濃度で注入し、周辺回路領域のソース/ドレイン領域1bの外側に高濃度の不純物領域1cを形成してLDD(lightly doped drain)構造を形成する。さらに、この後ウエハ後処理工程を経てNAND型フラッシュメモリ装置が形成される。   Thereafter, as shown in FIG. 2, impurities are introduced into the surface layer of the silicon substrate 1 in the memory cell region and the peripheral circuit region by ion implantation to form source / drain regions 1a and 1b, respectively. Subsequently, a silicon oxide film 8 is buried between the gate electrodes G in the memory cell region, and the silicon oxide film 8 formed at the same time around the gate electrode GP in the peripheral circuit region is subjected to spacer processing, whereby a spacer 8a is formed. Is formed. Impurities are implanted at a high concentration by ion implantation using this spacer 8a as a mask, and a high concentration impurity region 1c is formed outside the source / drain region 1b in the peripheral circuit region to form an LDD (lightly doped drain) structure. Form. Further, a NAND flash memory device is formed through a wafer post-processing process.

このような本実施形態によれば、周辺回路領域のトランジスタのゲート電極GPの構成として、多結晶シリコン膜9にシリコン窒化膜10、シリコン酸化膜11を埋め込むように介在させた構成としたので、メモリセルトランジスタのゲート電極Gと周辺回路領域のトランジスタのゲート電極GPとをゲート加工する際に、ソース/ドレイン領域となるシリコン基板1の表層部にダメージを与えることなく一括して同時にエッチング処理を行えるようになる。これによって、エッチング処理を1回で行えることや、フォトリソグラフィ処理回数を減らして工程短縮をすることができ、全体として加工コストの低減を図ることができる。   According to the present embodiment as described above, the configuration of the gate electrode GP of the transistor in the peripheral circuit region is a configuration in which the silicon nitride film 10 and the silicon oxide film 11 are interposed in the polycrystalline silicon film 9. When gate processing is performed on the gate electrode G of the memory cell transistor and the gate electrode GP of the transistor in the peripheral circuit region, the etching process is simultaneously performed without damaging the surface layer portion of the silicon substrate 1 serving as the source / drain region. You can do it. As a result, the etching process can be performed once, the number of photolithography processes can be reduced, and the process can be shortened, and the processing cost can be reduced as a whole.

(他の実施形態)
本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
多結晶シリコン膜中に形成する第1の絶縁膜、第2の絶縁膜は、1層に限らず複数層設けることもできる。この場合に、膜厚を厚くするのではなく、複数層形成することで多結晶シリコン膜での抵抗値が増大するのを防止しながらエッチング加工に対する耐性を確保することができる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified or expanded as follows.
The first insulating film and the second insulating film formed in the polycrystalline silicon film are not limited to one layer, and a plurality of layers can be provided. In this case, the resistance to the etching process can be secured while preventing the resistance value in the polycrystalline silicon film from increasing by forming a plurality of layers instead of increasing the film thickness.

第1および第2の絶縁膜の膜厚は、0.5〜2.5nm程度の膜厚が好ましく、さらには1〜2nm程度の膜厚がより好ましく、1.5〜2nm程度が最も好ましいが、多結晶シリコン膜9の抵抗値が増大することなくエッチングストッパとして機能する膜厚であれば良い。   The thickness of the first and second insulating films is preferably about 0.5 to 2.5 nm, more preferably about 1 to 2 nm, and most preferably about 1.5 to 2 nm. Any film thickness that functions as an etching stopper without increasing the resistance value of the polycrystalline silicon film 9 may be used.

多結晶シリコン膜中に形成する第1の絶縁膜は、ブロック膜6のエッチング条件でストッパとして機能する膜であれば他の材質の膜を用いることができる。
多結晶シリコン膜中に形成する第2の絶縁膜は、電極膜7や多結晶シリコン膜9のエッチング条件でストッパとして機能する膜であれば他の材質の膜を用いることができ、たとえばカーボン(C)膜などを用いることもできる。
As the first insulating film formed in the polycrystalline silicon film, a film made of another material can be used as long as it functions as a stopper under the etching conditions of the block film 6.
As the second insulating film formed in the polycrystalline silicon film, a film made of another material can be used as long as it functions as a stopper under the etching conditions of the electrode film 7 and the polycrystalline silicon film 9, for example, carbon ( C) A film or the like can also be used.

ブロック膜は、アルミナのような金属酸化膜を用いる構成としたが、他に、シリコンアルミネートなどの混晶膜や、アルミナにシリコン酸化膜を積層する複合膜を用いることもできる。
その他、NOR型フラッシュメモリ装置にも適用可能である。
As the block film, a metal oxide film such as alumina is used. Alternatively, a mixed crystal film such as silicon aluminate or a composite film in which a silicon oxide film is laminated on alumina can be used.
In addition, the present invention can be applied to a NOR type flash memory device.

本発明の第1の実施形態におけるNAND型フラッシュメモリ装置のメモリセル領域の一部(a)、および周辺回路のトランジスタのレイアウトパターン(b)を示す模式的な平面図1 is a schematic plan view showing a part (a) of a memory cell region of a NAND flash memory device and a layout pattern (b) of transistors in a peripheral circuit according to a first embodiment of the present invention; (a)、(b)は、それぞれ図1における切断線A−A、B−Bで示す部分の断面図(A), (b) is sectional drawing of the part shown by the cutting lines AA and BB in FIG. 1, respectively. 製造工程の一段階における模式的な断面図(その1)Schematic cross-sectional view at one stage of the manufacturing process (Part 1) 製造工程の一段階における模式的な断面図(その2)Schematic cross-sectional view at one stage of the manufacturing process (Part 2) 製造工程の一段階における模式的な断面図(その3)Schematic cross-sectional view at one stage of the manufacturing process (Part 3) 製造工程の一段階における模式的な断面図(その4)Schematic cross-sectional view at one stage of the manufacturing process (Part 4) 製造工程の一段階における模式的な断面図(その5)Schematic cross-sectional view at one stage of the manufacturing process (Part 5) 製造工程の一段階における模式的な断面図(その6)Schematic sectional view at one stage of the manufacturing process (No. 6) 製造工程の一段階における模式的な断面図(その7)Schematic cross-sectional view at one stage of the manufacturing process (Part 7) 製造工程の一段階における模式的な断面図(その8)Schematic cross-sectional view at one stage of the manufacturing process (No. 8) 製造工程の一段階における模式的な断面図(その9)Schematic cross-sectional view at one stage of the manufacturing process (No. 9)

符号の説明Explanation of symbols

図面中、1はシリコン基板(半導体基板)、2はSTI、3、3aは活性領域、4はゲート絶縁膜、5はトラップ膜、6はブロック膜、7は電極膜、9は多結晶シリコン膜、10はシリコン窒化膜(第1の絶縁膜)、11はシリコン酸化膜(第2の絶縁膜)である。   In the drawings, 1 is a silicon substrate (semiconductor substrate), 2 is STI, 3 and 3a are active regions, 4 is a gate insulating film, 5 is a trap film, 6 is a block film, 7 is an electrode film, and 9 is a polycrystalline silicon film. Reference numeral 10 denotes a silicon nitride film (first insulating film), and 11 denotes a silicon oxide film (second insulating film).

Claims (5)

メモリセル領域および周辺回路領域が設定された半導体基板の上面にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記半導体基板の前記メモリセル領域の上面に前記ゲート絶縁膜を介してトラップ絶縁膜およびブロック絶縁膜を積層形成すると共に、前記周辺回路領域の上面に前記ゲート絶縁膜を介してシリコン膜を形成するゲート中間膜形成工程と、
前記ブロック絶縁膜および前記シリコン膜の上面に電極膜を形成する電極膜形成工程と、
前記電極膜の上面にエッチング用のマスクパターンを形成し、そのマスクパターンをマスクとして前記電極膜、前記ブロック絶縁膜、前記トラップ絶縁膜、前記シリコン膜を一括してエッチング加工してメモリセルトランジスタのゲート電極および周辺回路トランジスタのゲート電極を形成するエッチング工程とを有し、
前記ゲート中間膜形成行程では、前記シリコン膜を膜中に下層側から第1の絶縁膜および第2の絶縁膜を互いに離隔介在させて形成し、
前記エッチング工程では、
前記電極膜と前記電極膜下の前記シリコン膜をエッチングして前記ブロック絶縁膜および前記第2の絶縁膜を露出させる第1段階と、
前記ブロック絶縁膜および前記第2の絶縁膜と前記第2の絶縁膜下の前記シリコン膜をエッチングして前記トラップ膜および前記第1の絶縁膜を露出させる第2段階と、
前記トラップ絶縁膜および前記第1の絶縁膜をエッチングして前記メモリセル領域の前記ゲート絶縁膜および前記第1の絶縁膜下の前記シリコン膜を露出させる第3段階と、
前記シリコン膜をエッチングして前記周辺回路領域の前記ゲート絶縁膜も露出させる第4段階と
を順次実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film on the upper surface of the semiconductor substrate in which the memory cell region and the peripheral circuit region are set;
A trap insulating film and a block insulating film are stacked on the upper surface of the memory cell region of the semiconductor substrate via the gate insulating film, and a silicon film is formed on the upper surface of the peripheral circuit region via the gate insulating film. A gate intermediate film forming step;
An electrode film forming step of forming an electrode film on the upper surface of the block insulating film and the silicon film;
A mask pattern for etching is formed on the upper surface of the electrode film, and the electrode film, the block insulating film, the trap insulating film, and the silicon film are collectively etched using the mask pattern as a mask to form a memory cell transistor. An etching process for forming a gate electrode and a gate electrode of a peripheral circuit transistor,
In the gate intermediate film forming step, the silicon film is formed in the film by separating the first insulating film and the second insulating film from the lower layer side,
In the etching step,
Etching the electrode film and the silicon film under the electrode film to expose the block insulating film and the second insulating film;
A second step of etching the block insulating film, the second insulating film, and the silicon film under the second insulating film to expose the trap film and the first insulating film;
Etching the trap insulating film and the first insulating film to expose the gate insulating film and the silicon film under the first insulating film in the memory cell region;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising sequentially performing a fourth step of etching the silicon film to expose the gate insulating film in the peripheral circuit region.
請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の絶縁膜は、シリコン窒化膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first insulating film is a silicon nitride film.
請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2の絶縁膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 or 2,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the second insulating film is a silicon oxide film.
請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の絶縁膜および前記第2の絶縁膜は、膜厚が2.5nm以下に設定されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claims 1 thru | or 3,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first insulating film and the second insulating film are set to have a thickness of 2.5 nm or less.
メモリセル領域および周辺回路領域が設定された半導体基板と、
前記半導体基板の上面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記半導体基板のメモリセル領域に形成され、前記ゲート絶縁膜上にトラップ膜、ブロック膜および電極膜を積層された構成のメモリセルトランジスタのゲート電極と、
前記半導体基板の周辺回路領域に前記メモリセルトランジスタのゲート電極と一括加工して形成され、前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜および前記電極膜が積層された構成であって、前記多結晶シリコン膜中には下層側からシリコン窒化膜、シリコン酸化膜を互いに離隔しながら少なくとも1層ずつ介在させてなる周辺回路トランジスタのゲート電極と
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate in which a memory cell region and a peripheral circuit region are set, and
A gate insulating film formed on the upper surface of the semiconductor substrate;
A gate electrode of a memory cell transistor formed in the memory cell region of the semiconductor substrate and having a trap film, a block film and an electrode film stacked on the gate insulating film;
The polycrystalline silicon film and the electrode film are formed in the peripheral circuit region of the semiconductor substrate by batch processing with the gate electrode of the memory cell transistor, and the polycrystalline silicon film is laminated on the gate insulating film. A semiconductor device comprising: a gate electrode of a peripheral circuit transistor in which at least one silicon nitride film and silicon oxide film are interposed from each other while being separated from each other in the film.
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