JP2010087157A - Method of producing semiconductor device - Google Patents

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治 宮川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve processability in the etching process of a polycrystal silicon film having a high aspect ratio. <P>SOLUTION: A gate insulating film 4 is formed on the upper surface of a silicon substrate 1. On the upper surface of this film, a processing object film formed of a laminating film of a gate electrode constituted with polycrystal silicon films 5, 7 and an electrode-to-electrode insulating film 6 is further formed. On the upper surface of this film, moreover, a silicon nitride film 8 and an aluminum oxide film 9 functioning as hard masks are laminated. The silicon nitride film 10 corresponding to the existing film contributes to reduction in thickness of the hard mask in comparison with the hard mask formed of single layer. Therefore, the final processing width C1 can be reduced for C2 in comparison with a pattern width A in lithography and thereby a process conversion difference can be reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体基板上に絶縁膜を介して形成された多結晶シリコン膜を主体とした膜のエッチング処理を含んだ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 including an etching process of a film mainly composed of a polycrystalline silicon film formed on a semiconductor substrate via an insulating film.

半導体装置の製造方法において、半導体基板上に成膜された多結晶シリコン膜をエッチング加工する場合には、従来より、たとえば特許文献1に示されるような方法が用いられている。この方法では、加工対象となる多結晶シリコン膜の上に加工用の膜としてシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを成膜しておき、これをハードマスクとして用いる。   In the manufacturing method of a semiconductor device, when a polycrystalline silicon film formed on a semiconductor substrate is etched, a method as disclosed in, for example, Patent Document 1 is conventionally used. In this method, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like is formed as a processing film on a polycrystalline silicon film to be processed and used as a hard mask.

しかしながら、デバイスの微細化に伴って同じ膜厚の多結晶シリコン膜でもパターン幅が狭くなるので、エッチング加工におけるアスペクト比が高くなってきており、加工形状の制御が困難となってきている。   However, with the miniaturization of the device, the polycrystalline silicon film having the same film thickness also has a narrow pattern width. Therefore, the aspect ratio in the etching process is increasing, and it is difficult to control the processing shape.

特に、不揮発性の半導体記憶装置のように高アスペクト比が要求される構造や、パターンの疎な部分と密な部分との両方を持ち合わせるもののゲート電極を有する構成における多結晶シリコン膜の加工においては、制御ゲート、浮遊ゲートの両電極を加工するのに必要なハードマスク膜厚を確保すると、ハードマスク加工時に発生する加工変換差とゲート電極の多結晶シリコン膜の加工時に発生する加工変換差とによって、疎パターン部と密パターン部との間での加工変換差も増大してしまう。   In particular, in the processing of a polycrystalline silicon film in a structure in which a high aspect ratio is required, such as a nonvolatile semiconductor memory device, or a structure having both a sparse part and a dense part of a pattern but having a gate electrode. If the hard mask film thickness required to process both the control gate and floating gate electrodes is secured, the processing conversion difference that occurs during hard mask processing and the processing conversion difference that occurs during processing of the polycrystalline silicon film of the gate electrode As a result, the processing conversion difference between the sparse pattern portion and the dense pattern portion also increases.

つまり、実際のエッチング加工では、マスクパターンの幅寸法に対して垂直にエッチングが進行するのではなく、掘り下げるに従って溝の幅が狭くなる傾向にあり、このため、エッチングの最下端部ではパターン幅との差が大きくなる。この加工時の幅寸法の差が加工変換差である。したがって、アスペクト比の高いエッチング加工を行う場合ほど、この加工変換差が大きくなる傾向にある。   In other words, in actual etching processing, etching does not proceed perpendicularly to the width dimension of the mask pattern, but tends to narrow the groove width as it is dug down. The difference becomes larger. The difference in the width dimension at the time of processing is a processing conversion difference. Therefore, this etching conversion difference tends to increase as etching with a higher aspect ratio is performed.

このため、疎パターン部の寸法や形状の制御を行うと、密パターン部での多結晶シリコン膜のサイドエッチの発生等の形状悪化が発生してしまい、逆に、密パターン部の寸法や形状の制御を行うと、疎パターン部での加工変換差が増大してしまうことになり、疎パターン部および密パターン部での制御の両立が困難となってきている。
特開2007−184489号公報
For this reason, when the size and shape of the sparse pattern portion are controlled, shape deterioration such as occurrence of side etching of the polycrystalline silicon film in the dense pattern portion occurs, and conversely the size and shape of the dense pattern portion. If this control is performed, the processing conversion difference in the sparse pattern portion will increase, making it difficult to achieve both control in the sparse pattern portion and the dense pattern portion.
JP 2007-184489 A

本発明は、高アスペクト比を有する多結晶シリコン膜のエッチング加工において、加工性の向上を図ることができるように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。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of improving workability in etching a polycrystalline silicon film having a high aspect ratio.

本発明の半導体装置の製造方法の一態様によれば、半導体基板上にゲート絶縁膜および多結晶シリコン膜を形成する工程と、前記多結晶シリコン膜の上面にアルミニウム(Al)、ハフニウム(Hf)、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化ハフニウム(HfOy)のいずれかからなるエッチング加工膜を形成する工程と、前記エッチング加工膜を所定形状にパターンニングしてハードマスクを形成する工程と、前記ハードマスクを用いて前記多結晶シリコン膜を選択的にエッチング加工する工程とを順次実行するところに特徴を有する。   According to one aspect of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a gate insulating film and a polycrystalline silicon film on a semiconductor substrate, and aluminum (Al) and hafnium (Hf) on the upper surface of the polycrystalline silicon film. Forming an etching process film made of any one of aluminum oxide (AlOx) and hafnium oxide (HfOy), patterning the etching process film into a predetermined shape, and forming a hard mask; and And using the step of selectively etching the polycrystalline silicon film.

本発明の半導体装置の製造方法によれば、高アスペクト比を有する多結晶シリコン膜のエッチング加工において、加工性の向上を図ることができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, it is possible to improve workability in etching a polycrystalline silicon film having a high aspect ratio.

以下、本発明を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面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 will be described with reference to the drawings. 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.

先ず、本実施形態のNAND型フラッシュメモリ装置の構成を説明する。図1は、NAND型のフラッシュメモリ装置のメモリセル領域に形成されるメモリセルアレイの一部を示す等価回路図である。   First, the configuration of the NAND flash memory device of this embodiment will be described. FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing a part of a memory cell array formed in a memory cell region of a NAND flash memory device.

NAND型フラッシュメモリ装置のメモリセルアレイは、2個の選択ゲートトランジスタTrs1、Trs2と、当該選択ゲートトランジスタTrs1、Trs2間に直列接続された複数個(例えば8個:2のn乗個(nは正数))のメモリセルトランジスタTrmとからなるNANDセルユニット(メモリユニット)Suを有し、このNANDセルユニットSuが行列状に配置形成されるた構成である。NANDセルユニットSu内において、複数個のメモリセルトランジスタTrmは隣接するもの同士でソース/ドレイン領域を共有する構成である。   The memory cell array of the NAND flash memory device includes two selection gate transistors Trs1 and Trs2, and a plurality (for example, 8: 2 to the nth power (n is a positive number) connected in series between the selection gate transistors Trs1 and Trs2. The memory cell transistor Trm includes a NAND cell unit (memory unit) Su, and the NAND cell units Su are arranged in a matrix. In the NAND cell unit Su, a plurality of memory cell transistors Trm share a source / drain region with adjacent ones.

図1中X方向(ワード線方向、ゲート幅方向に相当)に配列されたメモリセルトランジスタTrmは、ワード線(制御ゲート線)WLにより共通接続されている。また、図1中X方向に配列された選択ゲートトランジスタTrs1は選択ゲート線SGL1で共通接続され、選択ゲートトランジスタTrs2は選択ゲート線SGL2で共通接続されている。選択ゲートトランジスタTrs1のドレイン領域にはビット線コンタクトCBが接続されている。このビット線コンタクトCBは図1中X方向に直交するY方向(ゲート長方向、ビット線方向に相当)に延びるビット線BLに接続されている。また、選択ゲートトランジスタTrs2はソース領域を介して図1中X方向に延びるソース線SLに接続されている。   The memory cell transistors Trm arranged in the X direction (corresponding to the word line direction and the gate width direction) in FIG. 1 are commonly connected by a word line (control gate line) WL. Further, the selection gate transistors Trs1 arranged in the X direction in FIG. 1 are commonly connected by a selection gate line SGL1, and the selection gate transistors Trs2 are commonly connected by a selection gate line SGL2. A bit line contact CB is connected to the drain region of the select gate transistor Trs1. The bit line contact CB is connected to a bit line BL extending in the Y direction (corresponding to the gate length direction and the bit line direction) orthogonal to the X direction in FIG. The select gate transistor Trs2 is connected to a source line SL extending in the X direction in FIG. 1 through a source region.

図2(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2(b)は周辺回路部の高電圧トランジスタもしくは低電圧トランジスタを示す平面図である。図2(a)において、半導体基板としてのシリコン基板1に、STI(shallow trench isolation)法により形成された素子分離絶縁膜2が図2中Y方向に沿って所定間隔で複数本形成され、これによって活性領域3が図2中X方向に分離形成されている。活性領域3と直交する図2(a)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2(a)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上には第1のゲート電極であるメモリセルトランジスタのゲート電極MGが、選択ゲート線SGL1と交差する活性領域3上には第2のゲート電極である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. 2A shows a partial layout pattern of the memory cell region, and FIG. 2B is a plan view showing a high voltage transistor or a low voltage transistor in the peripheral circuit portion. 2A, a plurality of element isolation insulating films 2 formed by STI (shallow trench isolation) method are formed on a silicon substrate 1 as a semiconductor substrate at a predetermined interval along the Y direction in FIG. Thus, the active region 3 is formed separately in the X direction in FIG. Word lines WL of the memory cell transistors are formed at predetermined intervals along the X direction in FIG. 2A orthogonal to the active region 3. Further, 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 select gate lines SGL1. The gate electrode MG of the memory cell transistor that is the first gate electrode is on the active region 3 that intersects the word line WL, and the selection gate that is the second gate electrode is on the active region 3 that intersects the selection gate line SGL1. A gate electrode SG of the transistor is formed.

図2(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に素子分離絶縁膜2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PG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1cおよびゲート電極PGにはコンタクトプラグCPが形成されている。   In FIG. 2B, the transistor TrP formed in the peripheral circuit portion is provided in a portion where the element isolation insulating film 2 is formed on the silicon substrate 1 so as to leave the active region 3a in a rectangular shape. A gate electrode PG is formed across the active region 3a, and source / drain regions formed by diffusing impurities are provided on both sides thereof. Contact plug CP is formed in source / drain region 1c and gate electrode PG.

図3(a)、(b)は、それぞれ図2(a)中の切断線A−A、図2(b)中の切断線B−Bで示す部分の断面図である。すなわち、活性領域3におけるゲート電極MG部分を中心として示した最もパターン間隔の狭いメモリセル領域のメモリセルトランジスタTrmおよびパターン間隔が広い周辺回路部のトランジスタTrPの製造工程の途中の段階の模式的な断面図であり、ゲート電極MGおよびPGの形成工程の一段階を示すものである。   FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views taken along section line AA in FIG. 2A and section line BB in FIG. 2B, respectively. That is, a schematic diagram in the middle of the manufacturing process of the memory cell transistor Trm in the memory cell region having the narrowest pattern interval and the transistor TrP in the peripheral circuit portion having the wide pattern interval shown with the gate electrode MG portion in the active region 3 as the center. It is sectional drawing and shows one step of the formation process of gate electrodes MG and PG.

この図3(a)、(b)において、シリコン基板1上にゲート絶縁膜としてのトンネル絶縁膜4を介して形成されたゲート電極MGおよびPGは、浮遊ゲート電極用の導電層である多結晶シリコン膜5、ONO(oxide-nitride-oxide)膜やNONON(nitride-oxide-nitride-oxide-nitride)膜あるいは高誘電体(high-k材料)膜などからなる電極間絶縁膜6、制御ゲート電極用の導電層である多結晶シリコン膜7が積層された構成となっており、この上部にハードマスクとなるエッチング加工膜としてのシリコン窒化膜8および酸化アルミニウム(AlOx:xはAlに対する組成比)膜9が積層形成されている。シリコン窒化膜8に代えて、BSG(boron silicate glass)膜、TEOS(tetraethyl orthosilicate)膜などを用いることができる。また、アルミナ膜9に代えて、アルミニウム(Al)膜、アルミナ(Al)膜、ハフニウム(Hf)膜、酸化ハフニウム(HfOy:yはHfに対する組成比)膜などを単膜あるいは複合膜として用いることができる。 3A and 3B, the gate electrodes MG and PG formed on the silicon substrate 1 through the tunnel insulating film 4 as a gate insulating film are polycrystalline layers which are conductive layers for floating gate electrodes. Silicon film 5, inter-electrode insulating film 6 made of ONO (oxide-nitride-oxide) film, NONON (nitride-oxide-nitride-oxide-nitride) film or high dielectric (high-k material) film, control gate electrode A polycrystalline silicon film 7 as a conductive layer is laminated, and a silicon nitride film 8 as an etching processed film serving as a hard mask and aluminum oxide (AlOx: x is a composition ratio with respect to Al) is formed thereon. A film 9 is laminated. Instead of the silicon nitride film 8, a BSG (boron silicate glass) film, a TEOS (tetraethyl orthosilicate) film, or the like can be used. Instead of the alumina film 9, an aluminum (Al) film, an alumina (Al 2 O 3 ) film, a hafnium (Hf) film, a hafnium oxide (HfOy: y is a composition ratio with respect to Hf) film, or the like is used as a single film or a composite film. Can be used as

なお、図3(b)に示しているように、ゲート電極PGの電極間絶縁膜6には、多結晶シリコン膜5と多結晶シリコン膜7を導通するための開口6aが形成され、この開口6a内に多結晶シリコン膜7が埋め込まれている。また、周辺回路部のトランジスタTrPでは、メモリセルトランジスタTrmのゲート絶縁膜4に対して、異なる膜厚のゲート絶縁膜4aが形成されることがある。例えば高電圧トランジスタでは厚い膜厚のゲート絶縁膜が形成され、低電圧トランジスタではメモリセルトランジスタと同等もしくは薄い膜厚のゲート絶縁膜が形成される。   As shown in FIG. 3B, the interelectrode insulating film 6 of the gate electrode PG is formed with an opening 6a for conducting the polycrystalline silicon film 5 and the polycrystalline silicon film 7, and this opening. A polycrystalline silicon film 7 is embedded in 6a. In the transistor TrP in the peripheral circuit portion, a gate insulating film 4a having a different thickness may be formed with respect to the gate insulating film 4 of the memory cell transistor Trm. For example, a high-voltage transistor forms a thick gate insulating film, and a low-voltage transistor forms a gate insulating film having a thickness equal to or thinner than that of a memory cell transistor.

上記構成において、エッチング加工膜として用いられているシリコン窒化膜8および酸化アルミニウム膜9は、多結晶シリコン膜7、電極間絶縁膜6および多結晶シリコン膜5を、図示のようにエッチングするのに必要な膜厚を設定する必要がある。この場合、従来のように、たとえばエッチング加工膜としてシリコン窒化膜10のみを用いた場合では、上記したシリコン窒化膜8の膜厚Daと酸化アルミニウム膜9の膜厚Dbとの合計の膜厚Dsよりも厚い膜厚Dpを必要としている。この点、酸化アルミニウム膜9を用いる場合には、多結晶シリコン膜7や5に対してエッチングの選択比を高く取ることができるので、全体としてハードマスクの膜厚を薄くすることができる。   In the above configuration, the silicon nitride film 8 and the aluminum oxide film 9 used as etching processed films are used to etch the polycrystalline silicon film 7, the interelectrode insulating film 6 and the polycrystalline silicon film 5 as shown in the figure. It is necessary to set the required film thickness. In this case, for example, when only the silicon nitride film 10 is used as an etching processed film as in the prior art, the total film thickness Ds of the film thickness Da of the silicon nitride film 8 and the film thickness Db of the aluminum oxide film 9 described above. A thicker film thickness Dp is required. In this regard, when the aluminum oxide film 9 is used, the etching selectivity can be made high with respect to the polycrystalline silicon films 7 and 5, so that the thickness of the hard mask can be reduced as a whole.

このため、メモリセルトランジスタを例に示した図4(a)、(b)に示すような加工変換差Sが発生する。すなわち、図4(a)には、本実施形態におけるエッチング加工膜の構成を示し、図4(b)には、従来構成のエッチング加工膜を対比して示している。ここで、まず加工変換差Sについて説明する。本実施形態でいうところの加工変換誤差Sは、たとえばリソグラフィ処理におけるマスクパターンの幅寸法Aに対して、実際にエッチング加工されたパターンの底面でのパターン幅寸法C(図中ではC1あるいはC2)との差の値としている。つまり、
加工変換誤差S=C−A
となる。なお、この場合において、加工対象となる多結晶シリコン膜5、電極間絶縁膜6、多結晶シリコン膜7の全体の膜厚Doは、図4(a)、(b)で同じであるとする。
For this reason, a processing conversion difference S as shown in FIGS. 4A and 4B taking the memory cell transistor as an example is generated. That is, FIG. 4A shows the configuration of the etching processed film in the present embodiment, and FIG. 4B shows the etching processed film having the conventional configuration in comparison. Here, the processing conversion difference S will be described first. The processing conversion error S referred to in the present embodiment is, for example, a pattern width dimension C (C1 or C2 in the figure) at the bottom surface of the pattern actually etched with respect to the width dimension A of the mask pattern in lithography processing. And the difference value. That means
Processing conversion error S = CA
It becomes. In this case, the total film thicknesses Do of the polycrystalline silicon film 5, the interelectrode insulating film 6, and the polycrystalline silicon film 7 to be processed are the same in FIGS. 4A and 4B. .

本実施形態に対応する図4(a)のものでは、ハードマスクにパターンニングしたエッチング加工膜のシリコン窒化膜8および酸化アルミニウム膜9の合計の膜厚Ds(=Da+Db)に対して、従来相当の図4(b)のものではシリコン窒化膜10の膜厚Dpが必要であり、これらの間には、
Ds<Dp
の関係がある。
In FIG. 4A corresponding to the present embodiment, it corresponds to the conventional film thickness Ds (= Da + Db) of the silicon nitride film 8 and the aluminum oxide film 9 of the etching processed film patterned on the hard mask. In FIG. 4B, the film thickness Dp of the silicon nitride film 10 is necessary, and between these,
Ds <Dp
There is a relationship.

同じ条件でRIE(reactive ion etching)法によりエッチング加工を行うとすると、エッチングの進行に伴う側壁の傾斜の発生の仕方が同じである場合に、本実施形態のものでは、ハードマスクの下端面の幅寸法はB1となり、従来相当のものではB2となる。この場合には、膜厚つまり高さが高い分だけ、従来相当のものが幅寸法B2が大きくなる(B1<B2)。   If the etching process is performed by the RIE (reactive ion etching) method under the same conditions, in the case of the present embodiment, in the case where the side wall is inclined as the etching proceeds, The width dimension is B1, and B2 in the conventional equivalent. In this case, the width dimension B2 of the conventional one becomes larger (B1 <B2) as the film thickness, that is, the height is higher.

したがって、このようにして形成されたハードマスクを用いた場合に、同じくRIE法によるエッチング加工を進めて、多結晶シリコン膜7、電極間絶縁膜6、多結晶シリコン膜5を順次エッチングすると、膜厚Do分だけ掘り下げることになり、多結晶シリコン膜5の下端面の幅寸法は、それぞれC1、C2となる。この場合、上述のように従来相当のものの幅寸法B2がB1よりも大きいので、最終的な加工変換による幅寸法の関係は、
C1<C2
という関係となる。
Therefore, when the hard mask formed in this way is used, the etching process by the RIE method is similarly performed, and the polycrystalline silicon film 7, the interelectrode insulating film 6, and the polycrystalline silicon film 5 are sequentially etched. The thickness Do is dug down, and the width dimensions of the lower end surface of the polycrystalline silicon film 5 are C1 and C2, respectively. In this case, since the width dimension B2 of the conventional equivalent is larger than B1 as described above, the relationship of the width dimension by the final processing conversion is as follows.
C1 <C2
It becomes the relationship.

つまり、本実施形態の加工変換差S1と従来相当のものの加工変換差S2とでは、次のような値となる。
S1=C1−A
S2=C2−A
S1<S2
したがって、本実施形態のシリコン窒化膜8および酸化アルミニウム膜9を用いたハードマスクの膜厚Dsが従来相当のシリコン窒化膜10の膜厚Dpよりも薄い分だけ加工変換差S1も小さくなり、良好な加工を行うことができるようになる。
That is, the processing conversion difference S1 of the present embodiment and the processing conversion difference S2 corresponding to the conventional one have the following values.
S1 = C1-A
S2 = C2-A
S1 <S2
Therefore, the processing conversion difference S1 is reduced by the amount that the thickness Ds of the hard mask using the silicon nitride film 8 and the aluminum oxide film 9 of this embodiment is smaller than the film thickness Dp of the silicon nitride film 10 corresponding to the prior art. Can be processed smoothly.

次に、上記した構成の製造工程の一例について図5〜図8を参照して説明する。
まず、図5に示すように、シリコン基板1上にゲート電極MG、PGを形成するための各層を積層する。まず、シリコン基板1の表面上の全域にゲート絶縁膜4を形成する。ゲート絶縁膜4は、例えば熱酸化法により成膜するシリコン酸化膜でその膜厚は必要な耐圧を確保できる程度に設定されている。メモリセル領域では例えば8nm程度の膜厚で形成し、周辺回路領域ではトランジスタTrPの耐圧に応じて、8nm程度の膜厚のものと35nm程度の膜厚のものとを作り分ける。なお、ゲート絶縁膜4は、シリコン窒化膜、オキシナイトライド膜等の単層膜、またはシリコン酸化膜、オキシナイトライド膜の少なくともいずれかを組み合わせた複合膜を使用することもできる。
Next, an example of a manufacturing process having the above-described configuration will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 5, the layers for forming the gate electrodes MG and PG are stacked on the silicon substrate 1. First, the gate insulating film 4 is formed on the entire surface of the silicon substrate 1. The gate insulating film 4 is a silicon oxide film formed by, for example, a thermal oxidation method, and its film thickness is set to a level that can secure a necessary breakdown voltage. The memory cell region is formed with a film thickness of about 8 nm, for example, and the peripheral circuit region is formed with a film thickness of about 8 nm and a film thickness of about 35 nm according to the breakdown voltage of the transistor TrP. The gate insulating film 4 may be a single layer film such as a silicon nitride film or an oxynitride film, or a composite film in which at least one of a silicon oxide film and an oxynitride film is combined.

次に、ゲート絶縁膜4の表面上の全域に浮遊ゲート電極膜となる多結晶シリコン膜5をCVD(chemical vapor deposition)法により膜厚95nmで、リン(P)又はホウ素(B)を高濃度に添加して成膜する。   Next, a polycrystalline silicon film 5 serving as a floating gate electrode film is formed on the entire surface of the gate insulating film 4 with a film thickness of 95 nm by CVD (chemical vapor deposition), and phosphorus (P) or boron (B) is highly concentrated. Is added to form a film.

その後、多結晶シリコン膜5上に電極間絶縁膜6をCVD法により膜厚16nmで成膜する。前述のように、電極間絶縁膜6は、ONO膜、NONON膜あるいは高誘電率材料(high-k)の膜が用いられている。この電極間絶縁膜6には、メモリセル領域の選択ゲートトランジスタTrs1、Trs2のゲート電極SG、周辺回路部のトランジスタTrPになる領域の一部の電極間絶縁膜6を除去して開口部6aを設け、この開口部6aを介して浮遊ゲート電極膜と制御ゲート電極膜との各多結晶シリコン膜5および7が電気的に接続されるようにする。   Thereafter, an interelectrode insulating film 6 is formed on the polycrystalline silicon film 5 with a film thickness of 16 nm by the CVD method. As described above, the interelectrode insulating film 6 is an ONO film, a NONON film, or a film of a high dielectric constant material (high-k). In this interelectrode insulating film 6, the gate electrode SG of the select gate transistors Trs1 and Trs2 in the memory cell region and a part of the interelectrode insulating film 6 in the region that becomes the transistor TrP in the peripheral circuit portion are removed to form an opening 6a. And the polycrystalline silicon films 5 and 7 of the floating gate electrode film and the control gate electrode film are electrically connected through the opening 6a.

次に、電極間絶縁膜6の表面全域に制御ゲート電極膜用の多結晶シリコン膜7を膜厚165nmで、リン(P)又はホウ素(B)を高濃度に添加して成膜する。その後、例えばCVD法により多結晶シリコン膜7上に、ハードマスクとなるエッチング加工用膜としてシリコン窒化膜8および酸化アルミニウム(AlOx;例えばアルミナ(Al))膜9を成膜し、図5に示す状態を得る。この場合、エッチング加工用膜としては、シリコン窒化膜8に代えて、BSG膜、TEOS膜などを用いることもできる。また、酸化アルミニウム膜9に代えて、例えばアルミニウム(Al)膜、ハフニウム(Hf)膜、酸化ハフニウム(HfOy)膜等を用いることもできる。 Next, a polycrystalline silicon film 7 for the control gate electrode film is formed over the entire surface of the interelectrode insulating film 6 with a film thickness of 165 nm by adding phosphorus (P) or boron (B) at a high concentration. Thereafter, a silicon nitride film 8 and an aluminum oxide (AlOx; for example, alumina (Al 2 O 3 )) film 9 are formed on the polycrystalline silicon film 7 as a hard mask film by, eg, CVD method. The state shown in 5 is obtained. In this case, a BSG film, a TEOS film, or the like can be used as the etching film instead of the silicon nitride film 8. Further, instead of the aluminum oxide film 9, for example, an aluminum (Al) film, a hafnium (Hf) film, a hafnium oxide (HfOy) film, or the like can be used.

次に、図6に示すように、リソグラフィ処理により、酸化アルミニウム膜9をエッチング加工してハードマスク9aおよび9bを形成する。ここでは、酸化アルミニウム膜9の上に、レジストパターン(図示せず)を形成し、それをマスクとして酸化アルミニウム膜9をRIE法により塩素(Cl)含有ガスを用いてドライエッチングし、メモリセルトランジスタ用のハードマスク9a、周辺回路部のトランジスタ用のハードマスク9bおよび図示しないトランジスタのハードマスクを形成する。この後、レジストパターンを剥離する。続いて、上記のようにして形成されたハードマスク9a、9bをマスクとして、シリコン窒化膜8をフルオロメタン系(CHxFy)ガスを含有したガスを用いてドライエッチング法を用いて加工する。これにより、ハードマスク8a、8bが形成される。   Next, as shown in FIG. 6, the aluminum oxide film 9 is etched by lithography to form hard masks 9a and 9b. Here, a resist pattern (not shown) is formed on the aluminum oxide film 9, and the aluminum oxide film 9 is dry-etched by a RIE method using a chlorine (Cl) -containing gas using the resist pattern as a mask. A hard mask 9a for transistors, a hard mask 9b for transistors in the peripheral circuit portion, and a hard mask for transistors not shown are formed. Thereafter, the resist pattern is peeled off. Subsequently, using the hard masks 9a and 9b formed as described above as a mask, the silicon nitride film 8 is processed by a dry etching method using a gas containing a fluoromethane-based (CHxFy) gas. Thereby, hard masks 8a and 8b are formed.

続いて、図7に示すように、ハードマスク9a、8a、および9b、8bをマスクとして、制御ゲート電極の多結晶シリコン膜7をドライエッチングにより加工する。ここでエッチングに用いるガスは、臭化水素(HBr)をメインガスとしてこれにフルオロメタン系(CHxFy)ガスもしくは塩素(Cl2)ガスを混合したガスを用いている。   Subsequently, as shown in FIG. 7, the polycrystalline silicon film 7 of the control gate electrode is processed by dry etching using the hard masks 9a, 8a and 9b, 8b as masks. Here, the gas used for etching is hydrogen bromide (HBr) as a main gas and a gas obtained by mixing fluoromethane (CHxFy) gas or chlorine (Cl2) gas.

次に、図8に示すように、電極間絶縁膜6をフッ素(F)含有ガスでドライエッチング法を用いて加工する。電極間絶縁膜6の加工が終了すると、再び、多結晶シリコン膜7のエッチング条件を用いて多結晶シリコン膜5のエッチング加工を継続する。多結晶シリコン膜5が所定の膜厚まで加工できたら、例えば臭化水素(HBr)ガスと酸素(O)ガス、窒素(N)ガスの混合ガスを用いて多結晶シリコン膜5のエッチング残渣を除去する。これにより、図3に示した状態の加工をすることができる。 Next, as shown in FIG. 8, the interelectrode insulating film 6 is processed with a fluorine (F) -containing gas using a dry etching method. When the processing of the interelectrode insulating film 6 is completed, the etching process of the polycrystalline silicon film 5 is continued again using the etching conditions of the polycrystalline silicon film 7. When the polycrystalline silicon film 5 can be processed to a predetermined film thickness, the polycrystalline silicon film 5 is etched using, for example, a mixed gas of hydrogen bromide (HBr) gas, oxygen (O 2 ) gas, and nitrogen (N 2 ) gas. Remove the residue. Thereby, the process of the state shown in FIG. 3 can be performed.

この後、ゲート電極Gを形成するための加工工程、拡散領域の形成工程、配線工程などを経てNAND型フラッシュメモリ装置が形成される。
上記の製造工程の場合において、ハードマスクとして用いるシリコン窒化膜8や酸化アルミニウム膜9の膜厚について簡単に説明する。すなわち、一例を挙げると、アスペクト比が5程度までの設計デザインにおけるゲート電極の加工を行なう上記したような工程の場合に、従来相当のシリコン窒化膜10単層でのハードマスクを使用した場合(図4(b)参照)、200nm以上の膜厚のシリコン窒化膜10が必要になる。
Thereafter, a NAND flash memory device is formed through a processing step for forming the gate electrode G, a diffusion region forming step, a wiring step, and the like.
In the case of the above manufacturing process, the thickness of the silicon nitride film 8 and the aluminum oxide film 9 used as a hard mask will be briefly described. That is, as an example, in the case of the above-described process for processing a gate electrode in a design design with an aspect ratio of up to about 5, a hard mask with a silicon nitride film 10 equivalent to the conventional case is used ( As shown in FIG. 4B, the silicon nitride film 10 having a thickness of 200 nm or more is required.

一方、本実施形態の膜構成を用いると、酸化アルミニウム膜9としてアルミナ膜を用いた場合で、例えば膜厚60nm程度のハードマスクを用いることで多結晶シリコン膜7のエッチング加工が可能となる。また、従来相当のシリコン窒化膜10のハードマスク膜厚が200nm時のパターンが疎となる部分の加工変換差Sが100nm程度であるのに対し、本実施形態を用いた場合にアルミナ膜のハードマスク膜厚が60nmとしたときのパターンが疎となる部分の加工変換差Sが45nm程度まで低減することが可能となる。   On the other hand, when the film structure of the present embodiment is used, when the alumina film is used as the aluminum oxide film 9, the polycrystalline silicon film 7 can be etched by using, for example, a hard mask having a film thickness of about 60 nm. Further, the processing conversion difference S in the portion where the pattern when the hard mask film thickness of the silicon nitride film 10 corresponding to the conventional film is 200 nm is sparse is about 100 nm, whereas the hard film of the alumina film is used when this embodiment is used. It is possible to reduce the processing conversion difference S in a portion where the pattern becomes sparse when the mask film thickness is 60 nm to about 45 nm.

以上の結果から、本実施形態によれば、酸化アルミニウム膜9、シリコン窒化膜8のエッチング加工用膜を用いることで、多結晶シリコン膜7、5のエッチング加工時のハードマスク膜厚の薄膜化が可能となり、加工変換差Sのパターンの疎密の領域に依存した差を小さくすることが可能となる。
特に、密パターン部分のアスペクト比が5以上の場合に、形状の疎密差に起因したエッチング差が発生するのを抑制することができ、ゲート電極膜の加工性の向上を図ることができる。
From the above results, according to the present embodiment, the hard mask film thickness is reduced when the polycrystalline silicon films 7 and 5 are etched by using the etching film for the aluminum oxide film 9 and the silicon nitride film 8. Therefore, the difference depending on the density area of the pattern of the processing conversion difference S can be reduced.
In particular, when the aspect ratio of the dense pattern portion is 5 or more, it is possible to suppress the occurrence of an etching difference due to the shape density difference, and the workability of the gate electrode film can be improved.

(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。
ゲート絶縁膜4として、シリコン酸化膜以外にも、シリコン窒化膜、オキシナイトライド膜等の単層膜、またはシリコン酸化膜、オキシナイトライド膜の少なくともいずれかを組み合わせた複合膜を使用することができる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified or expanded as follows.
As the gate insulating film 4, in addition to the silicon oxide film, a single layer film such as a silicon nitride film or an oxynitride film, or a composite film combining at least one of a silicon oxide film and an oxynitride film may be used. it can.

加工対象となる膜は、多結晶シリコン膜の単体膜でも良いし、他の絶縁膜などが介在される構成であっても良い。
エッチング加工膜として、酸化アルミニウム膜9とシリコン窒化膜8との積層膜を用いる場合で説明したが、酸化アルミニウム膜9のみを用いることもできる。さらに、他のエッチング加工膜を積層した膜構成とすることもできる。
The film to be processed may be a single film of a polycrystalline silicon film or a structure in which another insulating film or the like is interposed.
Although the case where the laminated film of the aluminum oxide film 9 and the silicon nitride film 8 is used as the etching processed film has been described, only the aluminum oxide film 9 can be used. Furthermore, a film configuration in which other etching processed films are stacked can also be used.

本発明の一実施形態を示すNAND型フラッシュメモリ装置のメモリセルアレイの一部を示す等価回路図1 is an equivalent circuit diagram showing a part of a memory cell array of a NAND flash memory device showing an embodiment of the present invention; メモリセル領域の一部および周辺回路のトランジスタのレイアウトパターンを示す模式的な平面図Schematic plan view showing a layout pattern of a part of the memory cell region and peripheral circuit transistors 図2における切断線A−A、B−Bで示す部分の断面図Sectional drawing of the part shown by the cutting lines AA and BB in FIG. 加工工程差を説明するための図Diagram for explaining machining process difference 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)

符号の説明Explanation of symbols

図面中、1はシリコン基板(半導体基板)、4、4aはゲート絶縁膜、5は多結晶シリコン膜、6は電極間絶縁膜、7は多結晶シリコン膜、8はシリコン窒化膜(エッチング加工用膜)、9は酸化アルミニウム膜(エッチング加工用膜)である。   In the drawings, 1 is a silicon substrate (semiconductor substrate), 4 is a gate insulating film, 4a is a polycrystalline silicon film, 6 is an inter-electrode insulating film, 7 is a polycrystalline silicon film, and 8 is a silicon nitride film (for etching processing). Films 9 and 9 are aluminum oxide films (etching films).

Claims (4)

半導体基板上にゲート絶縁膜および多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜の上面にアルミニウム(Al)、ハフニウム(Hf)、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化ハフニウム(HfOy)のいずれかからなるエッチング加工膜を形成する工程と、
前記エッチング加工膜を所定形状にパターンニングしてハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記多結晶シリコン膜を選択的にエッチング加工する工程とを順次実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film and a polycrystalline silicon film on a semiconductor substrate;
Forming an etching processed film made of any of aluminum (Al), hafnium (Hf), aluminum oxide (AlOx), and hafnium oxide (HfOy) on the upper surface of the polycrystalline silicon film;
Patterning the etched film into a predetermined shape to form a hard mask;
And a step of selectively etching the polycrystalline silicon film using the hard mask.
半導体基板上に絶縁膜、第1の多結晶シリコン膜、電極間絶縁膜および第2の多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記第2の多結晶シリコン膜の上面にアルミニウム(Al)、ハフニウム(Hf)、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化ハフニウム(HfOy)のいずれかからなるエッチング加工膜を形成する工程と、
前記エッチング加工膜を所定形状にパターンニングしてハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記第2の多結晶シリコン膜、前記電極間絶縁膜および前記第1の多結晶シリコン膜を選択的にエッチング加工する工程とを順次実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film, a first polycrystalline silicon film, an interelectrode insulating film, and a second polycrystalline silicon film on a semiconductor substrate;
Forming an etching processed film made of any of aluminum (Al), hafnium (Hf), aluminum oxide (AlOx), and hafnium oxide (HfOy) on the upper surface of the second polycrystalline silicon film;
Patterning the etched film into a predetermined shape to form a hard mask;
And a step of selectively etching the second polycrystalline silicon film, the interelectrode insulating film, and the first polycrystalline silicon film using the hard mask. Production method.
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、
前記エッチング加工膜は、アルミニウム(Al)、ハフニウム(Hf)、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化ハフニウム(HfOy)の中から複数種類の膜を含む膜として形成され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 etching processed film is formed as a film including a plurality of types of films among aluminum (Al), hafnium (Hf), aluminum oxide (AlOx), and hafnium oxide (HfOy). Method.
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、
前記エッチング加工用膜は、下層にシリコン酸化膜(SiO2)、シリコン窒化膜(SiN)、シリコン炭化膜(SiC)のうちの少なくとも一つの膜を備え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 is characterized in that the etching film includes at least one of a silicon oxide film (SiO 2), a silicon nitride film (SiN), and a silicon carbide film (SiC) as a lower layer. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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