JP2010177694A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置におけるトランジスタのゲート電極として使用できる導電膜を、素子分離絶縁膜を利用して自己整合的に形成する技術に関する。 The present invention relates to a technique for forming a conductive film that can be used as a gate electrode of a transistor in a semiconductor device in a self-aligning manner using an element isolation insulating film.
フローティングゲート電極を有するメモリセルと、センスアンプ回路やサブデコーダ回路などを含む周辺回路とを備える不揮発性半導体記憶装置に関して、従来から様々な技術が提案されている。例えば、非特許文献1〜3では、半導体基板に形成された素子分離絶縁膜を利用して、メモリセルトランジスタが有するフローティングゲート電極を自己整合的に形成する方法が提案されている。
Conventionally, various technologies have been proposed for a nonvolatile semiconductor memory device including a memory cell having a floating gate electrode and a peripheral circuit including a sense amplifier circuit and a sub-decoder circuit. For example, Non-Patent
また特許文献1には、周辺回路が形成される領域において、ポリシリコンから成るダイオード素子を素子分離絶縁膜上に形成する技術が提案されている。このように素子分離絶縁膜上に形成されたダイオード素子は、半導体基板に形成されたウェル領域の電位の影響を受けにくいことから良好な特性が得られる。
また特許文献2,3には、その他の不揮発性半導体記憶装置に関する技術が開示されている。
さて、メモリセルと周辺回路とを備える不揮発性半導体記憶装置を非特許文献1〜3に記載の技術を用いて形成する際、周辺回路が形成される領域では、素子分離絶縁膜上にフローティングゲート電極の導電膜材料が残らなくなる。従って、周辺回路が形成される領域において、ポリシリコン等の導電膜から成るダイオード素子や抵抗素子などを素子分離絶縁膜上に形成する際には、フローティングゲート電極の導電膜材料を利用することができず、別途導電膜を形成する工程が必要となる。
When forming a nonvolatile semiconductor memory device including a memory cell and a peripheral circuit using the techniques described in
そこで、本発明は上記点に鑑みて成されたものであり、フローティングゲート電極としての導電膜を素子分離絶縁膜に対して自己整合的に形成すると同時に、半導体素子としての導電膜を形成することが可能な技術を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above points. A conductive film as a floating gate electrode is formed in a self-aligned manner with respect to an element isolation insulating film, and at the same time, a conductive film as a semiconductor element is formed. It aims at providing the technology that can be.
この発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上面内に互いに離れて設けられた第1乃至第3の分離溝と、前記第1及び第2の分離溝に充填された第1の絶縁膜であって、上部に前記半導体基板の上面から突出する第1の突出部分を有する第1及び第2の分離絶縁膜と、前記第1及び第2の分離絶縁膜の前記第1の突出部分に挟まれ、前記半導体基板の上面上に形成された第2の絶縁膜と、前記第1及び第2の分離絶縁膜の前記第1の突出部分に挟まれ、前記第2の絶縁膜上に形成された導電材料からなる第1の導電膜と、前記第3の分離溝に充填され、上部に前記半導体基板の上面から突出する第2の突出部分を有する前記第1の絶縁膜であって、前記第2の突出部分に囲まれるように上面に凹部を有する第3の分離絶縁膜と、前記凹部に少なくとも部分的に埋め込まれた前記導電材料からなる第2の導電膜とを備え、前記第1の導電膜は、メモリセル領域に形成されたフローティングゲート電極であって、前記第2の導電膜は、周辺回路領域に形成された半導体素子である。
The semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, first to third separation grooves provided apart from each other in the upper surface of the semiconductor substrate, and first and second filling grooves filled in the first and second separation grooves. First and second isolation insulating films having a first protruding portion protruding from an upper surface of the semiconductor substrate on the upper side, and the first and second isolation insulating films A second insulating film sandwiched between projecting portions and formed on the upper surface of the semiconductor substrate, and a second insulating film sandwiched between the first projecting portions of the first and second isolation insulating films. A first conductive film made of a conductive material formed on the first insulating film; and a first insulating film filled in the third isolation trench and having a second protruding portion protruding from an upper surface of the semiconductor substrate at an upper portion. A third isolation insulation having a recess on an upper surface so as to be surrounded by the second projecting portion; And a second conductive film made of the conductive material at least partially embedded in the recess, wherein the first conductive film is a floating gate electrode formed in a memory cell region, The
この発明によれば、第1及び第2の分離絶縁膜の間の半導体基板上に第2の絶縁膜を介して形成された第1の導電膜と同一材料の第2の導電膜が第3の分離絶縁膜に埋め込まれていることから、フローティングゲート電極としての第1の導電膜を第1及び第2の分離絶縁膜に対して自己整合的に形成するのと同時に、第3の分離絶縁膜上に半導体素子としての第2の導電膜を形成することができる。その結果、工程数をそれほど追加することなく、半導体基板の活性領域における電位の影響を受けにくい素子を形成することができる。 According to the present invention, the second conductive film made of the same material as the first conductive film formed on the semiconductor substrate between the first and second isolation insulating films via the second insulating film is the third. Since the first conductive film as the floating gate electrode is formed in a self-aligned manner with respect to the first and second isolation insulating films, the third isolation insulation is formed at the same time. A second conductive film as a semiconductor element can be formed over the film. As a result, an element that is not easily affected by the potential in the active region of the semiconductor substrate can be formed without adding so many steps.
実施の形態1.
図1〜51は本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。本実施の形態1に係る半導体装置は、フラッシュメモリ等の不揮発性半導体記憶装置であって、複数のメモリセルが形成される領域(以後、「メモリセル領域」と呼ぶ)と、センスアンプ回路やサブデコーダ回路を含む周辺回路が形成される領域(以後、「周辺回路領域」と呼ぶ)とを備えている。図1〜50において、奇数番号の図と図36とは、周辺回路領域及びメモリセル領域の両方を示しており、周辺回路が備えるMOSトランジスタとメモリセルトランジスタのゲート幅方向に沿った断面図であって、それら以外の図はメモリセル領域のみを示しており、メモリセルトランジスタのゲート長方向に沿った断面図である。また図51は、周辺回路領域のゲート幅方向に沿った断面構造と、メモリセル領域のゲート長方向に沿った断面構造とを示している。
1 to 51 are cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention in the order of steps. The semiconductor device according to the first embodiment is a nonvolatile semiconductor memory device such as a flash memory, and includes a region where a plurality of memory cells are formed (hereinafter referred to as “memory cell region”), a sense amplifier circuit, A region in which a peripheral circuit including a sub-decoder circuit is formed (hereinafter referred to as a “peripheral circuit region”). 1 to 50, odd-numbered figures and FIG. 36 show both the peripheral circuit area and the memory cell area, and are cross-sectional views along the gate width direction of the MOS transistor and the memory cell transistor included in the peripheral circuit. The other drawings show only the memory cell region, and are cross-sectional views along the gate length direction of the memory cell transistor. FIG. 51 shows a cross-sectional structure along the gate width direction of the peripheral circuit region and a cross-sectional structure along the gate length direction of the memory cell region.
なお、フラッシュメモリなどのメモリセルトランジスタとは異なり、ロジック回路に使用されるMOSトランジスタのように、ゲート電極に関して、周囲から絶縁されたフローティングゲート電極を備えておらず、外部から電位が印加されるゲート電極だけを備えるMOSトランジスタを本明細書では「通常MOSトランジスタ」と呼ぶ。 Unlike a memory cell transistor such as a flash memory, unlike a MOS transistor used in a logic circuit, a gate electrode is not provided with a floating gate electrode insulated from the surroundings, and a potential is applied from the outside. A MOS transistor having only a gate electrode is referred to herein as a “normal MOS transistor”.
図1,2に示されるように、まず、例えばシリコン基板から成る半導体基板1の上面を熱酸化して、半導体基板1上に膜厚10nm程度のシリコン酸化膜2を形成する。そして、シリコン酸化膜2上に膜厚100nm程度のシリコン窒化膜3を形成する。次に、写真製版技術を使用して、所定の開口パターンを有するフォトレジスト100をシリコン窒化膜3上に形成する。
As shown in FIGS. 1 and 2, first, the upper surface of a
次に、フォトレジスト100をマスクに用いて、シリコン窒化膜3及びシリコン酸化膜2を順次ドライエッチングして、その後フォトレジスト100を除去する。そして、パターニングされたシリコン窒化膜3をマスクに用いて、半導体基板1をドライエッチングする。これにより、図3,4に示されるように、周辺回路領域及びメモリセル領域における半導体基板1の上面内には、深さ200〜300nm程度のトレンチ(分離溝)4,34がそれぞれ形成される。なお、図3,4に示されるように、トレンチ4,34のそれぞれは、互いに離れて存在する複数の部分領域を備えている。
Next, using the
次に、トレンチ4,34によって露出した半導体基板1の内面を熱酸化してから、図5,6に示されるように、例えば膜厚500nm程度のシリコン酸化膜5を全面に形成する。これにより、トレンチ4,34はシリコン酸化膜5で充填される。そして、CMP法を用いてシリコン酸化膜5をその上面から平坦化して、シリコン窒化膜3の上面上のシリコン酸化膜5を除去する。これにより、図7.8に示されるように、シリコン酸化膜から成り、複数の素子分離部分6と複数の素子分離部分36とを有する素子分離絶縁膜が半導体基板1の上面内に形成される。
Next, after the inner surface of the
複数の素子分離部分6は周辺回路領域における半導体基板1の上面内に互いに離れて形成されており、複数の素子分離部分36はメモリセル領域における半導体基板1の上面内に互いに離れて形成されている。複数の素子分離部分6と複数の素子分離部分36とは、図示しない素子分離部分によって相互に接続されている。また、素子分離部分36のそれぞれは、図8に示されるように、上部に半導体基板1の上面から突出する突出部分36aを有している。そして、素子分離部分36が互いに離れて設けられていることから、互いに隣り合う素子分離部分36の突出部分36aとそれらに挟まれる半導体基板1の上面とで凹部37が形成される。そして、シリコン酸化膜2及びシリコン窒化膜3は当該凹部37を充填している。また、素子分離部分6のそれぞれも、図7に示されるように、上部に半導体基板1の上面から突出する突出部分6aを有している。
The plurality of
次に、図9,10に示されるように、複数の素子分離部分6のうち、一部の素子分離部分6の上面を部分的に露出するフォトレジスト101を周辺回路領域及びメモリセル領域に形成し、当該フォトレジスト101をマスクに用いて露出する素子分離部分6をフッ酸等でエッチングする。そして、フォトレジスト101を除去する。これにより、図11,12に示されるように、一部の素子分離部分6の上面内には、突出部分6aに囲まれるように凹部7が形成される。ここで、後述するように凹部7を利用してポリシリコンダイオードや抵抗素子などの半導体素子を形成する場合には、凹部7と半導体基板1の活性領域との距離を少なくとも0.3μm程度とし、凹部7とトレンチ34の底面との距離を少なくとも100nm程度とすることが望ましい。これにより、例えば、幅十数μm、深さ300nmのトレンチ34では、縦5μm×横10μm×厚さ100nm程度の素子が形成される。
Next, as shown in FIGS. 9 and 10, a
次に、図13,14に示されるように、例えば熱リン酸を用いてシリコン窒化膜3を除去する。そして、図15,16に示されるように、例えばフッ酸を用いてシリコン酸化膜2を除去する。このとき、素子分離部分6,36も若干エッチングされる。これにより、互いに隣り合う素子分離部分6の間の半導体基板1の上面と、互いに隣り合う素子分離部分36における突出部分36aの間の半導体基板1の上面とは露出する。
Next, as shown in FIGS. 13 and 14, the
次に、図17,18に示されるように、半導体基板1の上面を熱酸化して、厚さ10nm程度のシリコン酸化膜から成る絶縁膜8を周辺回路領域及びメモリセル領域の半導体基板1上に形成する。これにより、メモリセル領域では、凹部37によって露出された半導体基板1の上面上に絶縁膜8が形成される。この絶縁膜8は、メモリセル領域に形成されるメモリセルトランジスタのトンネル絶縁膜と成る。
Next, as shown in FIGS. 17 and 18, the upper surface of the
次に、図19,20に示されるように、例えばポリシリコン膜等の導電材料から成る導電膜9を厚さ150nm程度で全面に形成する。これにより、凹部7,37は導電膜9で充填される。この導電膜9は、メモリセル領域に形成されるメモリトランジスタのフローティングゲート電極と成る。
Next, as shown in FIGS. 19 and 20, a
次に、素子分離部分6,36をストッパ層とするCMP法を用いて、導電膜9を上面から研磨して平坦化し、凹部7,37よりも上方の導電膜9を除去する。これにより、図21に示されるように、周辺回路領域では凹部7内に導電膜9が残存する。これと同時に、メモリセル領域では、図22に示されるように、複数の凹部37を充填する導電膜9が互いに分離し、複数のメモリセルトランジスタのフローティングゲート電極となる複数の導電膜9が素子分離部分36に対して自己整合的に位置決めされる。このように、フローティングゲート電極となる複数の導電膜9は素子分離部分36に対して自己整合的に形成されるため、写真製版工程が不要となる。なお、導電膜9の除去にはドライエッチングによるエッチバック法を用いても良いが、平坦度はCMP法よりも劣ることになる。
Next, the
次に、図23,24に示されるように、フッ酸等を用いて素子分離部分6,36を部分的に除去して導電膜9の側面を露出させる。これにより、メモリセル領域では、フローティングゲート電極と、後に形成する、それと対向するコントロールゲート電極との対向面積を増加させることができ、それらの間のカップリング比を向上させることができる。その結果、コントロールゲート電極に印加する書き込み電圧の値を低減できる。
Next, as shown in FIGS. 23 and 24, the
ここで、周辺回路領域では、図23に示されるように、導電膜9の側面が完全には露出しないように素子分離部分6の突出部分6aが部分的に除去される。その結果、導電膜9は突出部分6aに囲まれて素子分離部分6内に部分的に埋め込まれるようになる。また、メモリセル領域においても、導電膜9の側面が完全には露出しないように素子分離部分36の突出部分36aが部分的に除去される。このように導電膜9の側面を部分的に露出させるのは、完全に露出すると、導電膜9が素子分離部分6や半導体基板1から剥がれてしまうからである。
Here, in the peripheral circuit region, as shown in FIG. 23, the protruding
次に、図25,26に示されるように、膜厚20nm程度のONO膜10を全面に形成する。ONO膜10は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の積層膜である。そして図27,28に示されるように、メモリセル領域と、素子分離部分6上の導電膜9及びONO膜10とを覆うフォトレジスト102をONO膜10上に形成する。そして、フォトレジスト102をマスクに用いてONO膜10及び導電膜9を順次ドライエッチングし、絶縁膜8をフッ酸で除去して、その後フォトレジスト102を除去する。これにより、図29,30に示されるように、メモリセル領域ではONO膜10、導電膜9及び絶縁膜8が除去されず、周辺回路領域においては、素子分離部分6間の半導体基板1上の絶縁膜8、導電膜9及びONO膜10が除去されるとともに、素子分離部分6のうち導電膜9が形成されていない部分とその上のONO膜10とが導電膜9の側面が露出することが無いように部分的に除去される。
Next, as shown in FIGS. 25 and 26, an
次に、図31,32に示されるように、周辺回路領域における半導体基板1の上面を熱酸化して、かかる半導体基板1上に膜厚15nm程度の絶縁膜11を形成する。そして、ポリシリコン膜12、タングステンシリサイド膜(WSi)13、及びシリコン窒化膜14を順に全面に形成する。そして、写真製版技術を使用して、所定の開口パターンを有するフォトレジスト104をシリコン窒化膜14上に形成する。
Next, as shown in FIGS. 31 and 32, the upper surface of the
次に、フォトレジスト104をマスクに用いて、シリコン窒化膜14をドライエッチングして部分的に除去し、フォトレジスト104を除去する。そして、パターンニング後のシリコン窒化膜14をマスクに用いて、タングステンシリサイド膜13及びポリシリコン膜12を順次ドライエッチングして部分的に除去する。これにより、図33,34に示されるように、周辺回路領域ではポリシリコン膜12及びタングステンシリサイド膜13から成る通常MOSトランジスタのゲート電極26が完成し、メモリセル領域ではポリシリコン膜12及びタングステンシリサイド膜13から成るメモリセルトランジスタのコントロールゲート電極56が完成する。そして、これらのゲート電極26及びコントロールゲート電極56上にはシリコン窒化膜14が形成されている。
Next, using the
次に、図35に示されるように、写真製版技術を使用して、周辺回路領域をフォトレジスト105で覆う。そして、図36に示されるように、フォトレジスト105とメモリセル領域におけるシリコン窒化膜14とをマスクに用いて、ONO膜10及び導電膜9を順次ドライエッチングする。これにより、絶縁膜8が露出して導電膜9から成るメモリセルトランジスタのフローティングゲート電極が完成する。次に、メモリセル領域における半導体基板1の上面内に不純物をイオン注入して、メモリセルトランジスタのソース・ドレイン領域45を形成し、その後フォトレジスト105を除去する。
Next, as shown in FIG. 35, the peripheral circuit region is covered with a
次に、図37,38に示されるように、全面にシリコン窒化膜15を形成する。そして、半導体基板1の厚さ方向にエッチングレートが高い異方性エッチング法を用いて、シリコン窒化膜15をドライエッチングする。これにより、図39,40に示されるように、周辺回路領域では、ゲート電極26及びシリコン窒化膜14の側面上にシリコン窒化膜15から成るサイドウォール16が形成され、メモリセル領域では、シリコン窒化膜14、コントロールゲート電極56、ONO膜10及びフローティングゲート電極として機能する導電膜9の側面上にシリコン窒化膜15から成るサイドウォール46が形成される。
Next, as shown in FIGS. 37 and 38, a
このようにして、周辺回路領域には、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜11と、ゲート電極26と、シリコン窒化膜14と、サイドウォール16とを備える通常MOSトランジスタのゲート構造28が完成し、メモリセル領域には、トンネル絶縁膜として機能する絶縁膜8と、フローティングゲート電極として機能する導電膜9と、ONO膜10と、コントロールゲート電極56と、シリコン窒化膜14と、サイドウォール46とを備えるメモリセルトランジスタのゲート構造58が完成する。
Thus, a
次に、メモリセル領域を覆うフォトレジスト(図示せず)を形成して、周辺回路領域における半導体基板1内に不純物をイオン注入し、通常MOSトランジスタのソース・ドレイン領域25を形成する。このとき、素子分離部分6に部分的に埋め込まれている導電膜9にも不純物をイオン注入し、当該導電膜9を所定の電気抵抗を有する抵抗素子として利用する。その後、使用したフォトレジストを除去する。
Next, a photoresist (not shown) covering the memory cell region is formed, and impurities are ion-implanted into the
なお、素子分離部分6に部分的に埋め込まれた導電膜9をダイオード素子として利用する場合には、写真製版工程を2回実行して、当該導電膜9にp型不純物とn型不純物とを導入しpn接合を形成する。
When the
次に、図41,42に示されるように、ゲート構造28,58を覆って全面に層間絶縁膜17を形成する。そして、写真製版技術を使用して、所定の開口パターンを有するフォトレジスト106を層間絶縁膜17上に形成する。なお図42と後述の図44,46,48,50は、図41中の矢視A−Aにおける断面図であって、上述の図2,4等は図41中の矢視B−Bに相当する位置での断面図である。
Next, as shown in FIGS. 41 and 42, an
図42では、素子分離部分36内に形成されたシリコン窒化膜15が示されている。上述のONO膜10のエッチングの際には素子分離部分36の上端部も部分的にエッチングされて、それによって生じた凹み部分には、サイドウォールとなるシリコン窒化膜15が形成される。図42ではこのシリコン窒化膜15が示されている。
FIG. 42 shows the
次に、フォトレジスト106をマスクに用いて層間絶縁膜17及び絶縁膜8をドライエッチングし、フォトレジスト106を除去する。これにより、図43,44に示されるように、メモリセル領域における層間絶縁膜17内及び絶縁膜8内には、それらの厚さ方向に貫通して互いに隣り合う一対のソース・ドレイン領域45の一方に達するコンタクトホール48aが形成される。
Next, the
次に、所定の開口パターンを有するフォトレジスト(図示せず)を層間絶縁膜17上に形成し、当該フォトレジストをマスクに用いて層間絶縁膜17、絶縁膜8,11をドライエッチングする。そして、使用したフォトレジストを除去する。これにより、図45,46に示されるように、メモリセル領域における層間絶縁膜17内及び絶縁膜8内には、それらの厚さ方向に貫通して互いに隣り合う一対のソース・ドレイン領域45の他方に達するコンタクトホール48aが形成され、周辺回路領域における層間絶縁膜17内及び絶縁膜11内には、それらの厚さ方向に貫通して各ソース・ドレイン領域25に達するコンタクトホール18aが形成される。
Next, a photoresist (not shown) having a predetermined opening pattern is formed on the
なお、本実施の形態1に係るコンタクトホール48aは、ゲート構造58間の層間絶縁膜17内に、シリコン窒化膜から成るサイドウォール46に対して自己整合的に形成される。従って、フォトレジストの形成位置が多少ずれた場合であっても、ソース・ドレイン領域45に達するコンタクトホール18aを確実に形成することができる。また、コントロールゲート電極56上にはシリコン窒化膜14が形成されているため、コンタクトホール48aの形成位置が設計値から多少ずれたとしても、コントロールゲート電極56が露出することが無い。
The
次に、各コンタクトホール18a,48aを充填するタングステン膜を全面に形成する。そして、各コンタクトホール18a,48aよりも上方のタングステン膜をCMP法等で除去する。これにより、図47,48に示されるように、各コンタクトホール18aを充填する、タングステンから成るコンタクトプラグ18と、各コンタクトホール48aを充填する、タングステンから成るコンタクトプラグ48とが形成される。
Next, a tungsten film filling the
次に、層間絶縁膜17の上面上とコンタクトプラグ18,48の上面上とに層間絶縁膜19を形成する。そして、コンタクトプラグ18に達するコンタクトプラグ20と、コンタクトプラグ48に達するコンタクトプラグ50とを層間絶縁膜19内に形成する。その後、層間絶縁膜19上に、コンタクトプラグ20に接続されたアルミニウム配線21と、コンタクトプラグ50に接続されたアルミ配線51とを形成する。これにより、図49〜51に示されるような、メモリセルとその周辺回路とを備える半導体装置が完成する。なお図51では、図49に示される周辺回路領域の断面構造と、図49のメモリセル領域における図41中の矢視B−Bに相当する位置での断面構造とが示されている。
Next, an
以上のように、本実施の形態1に係る半導体装置の製造方法では、凹部7,37よりも上方の導電膜9を除去して、複数の凹部37内を充填する導電膜9を分離するとともに、凹部7内に導電膜9を残存させている。そして、複数の凹部37を充填する導電膜9は、絶縁膜8を介して半導体基板1上に形成されていることから、当該導電膜9はメモリセルトランジスタのフローティングゲート電極として利用できる。従って、本実施の形態1に係る製造方法によれば、フローティングゲート電極として利用できる複数の導電膜9が素子分離部分36に対して自己整合的に形成されると同時に、素子分離部分6上には導電膜9が形成される。その結果、素子分離部分6上の導電膜9を利用してダイオード素子や抵抗素子などの半導体素子を形成することによって、工程数をそれほど追加することなく、半導体基板1の活性領域における電位の影響を受けにくい素子を形成することができる。また、有効に素子分離領域を活用できる。
As described above, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, the
また、本実施の形態1に係る製造方法で製造された半導体装置では、図40,49に示されるように、半導体基板1の上面内には、互いに離れて設けられた複数の素子分離部分6と、互いに離れて設けられた素子分離部分36が形成されている。そして、複数の素子分離部分36においては、互いに隣り合う素子分離部分36の間の半導体基板1上に絶縁膜8が形成されており、当該絶縁膜8上には導電膜9が形成されている。
Further, in the semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to the first embodiment, as shown in FIGS. 40 and 49, a plurality of
上述のように、メモリセル領域における導電膜9を自己整合的に分離する際に、複数の凹部37を充填する導電膜9をCMP法でその上面から研磨する場合には(図22参照)、分離後の導電膜9の上面は平坦となり、周辺回路領域における素子分離部分6上の導電膜9の上面と、メモリセル領域におけるフローティングゲート電極として利用できる導電膜9の上面とは、同一平面上に位置するようになる。従って、エッチバック法を用いた場合よりも平坦度が向上し、以降の工程での写真製版におけるフォーカスマージンが向上し、また、段差部に残る不要な残渣による不具合を防ぐことができる。なお、通常のCMPプロセスによる研磨量のばらつきにより導電膜9の膜厚は20%程度ばらつく場合があるが、好ましくは10%以下、さらに好ましくは5%以下に落ち着くように、導電膜9と素子分離部分6,36との選択比が高くなる研磨条件に調整することが望ましい。
As described above, when the
また、上述のように、素子分離部分6からの導電膜9の剥離を防止するためには当該導電膜9の側面は部分的にしか露出させることができないことから、図49に示される本実施の形態1の半導体装置では、周辺回路領域における導電膜9は、その下端部において突出部分6aに取り囲まれており、素子分離部分6内に部分的に埋め込まれている。
Further, as described above, since the side surface of the
以上の説明からも理解できるように、本実施の形態1に係る半導体装置では、素子分離部分36間の半導体基板1上に絶縁膜8を介して形成された導電膜9と同一材料の導電膜9が素子分離部分6に部分的に埋め込まれていることから、フローティングゲート電極として利用できる導電膜9を素子分離部分36に対して自己整合的に形成するのと同時に、素子分離部分6上に導電膜9を形成することができる。その結果、素子分離部分6上の導電膜9をダイオード素子や抵抗素子として利用することによって、工程数をそれほど追加することなく、半導体基板1の活性領域における電位の影響を受けにくい素子を形成することができる。
As can be understood from the above description, in the semiconductor device according to the first embodiment, the conductive film of the same material as the
実施の形態2.
図52〜63は本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。上述の実施の形態1に係る半導体装置では、図40に示されるように、ゲート長方向に沿って並ぶ複数のメモリセルトランジスタの間において、フローティングゲート電極が分離されている。本実施の形態2に係る半導体装置では、それらの一部において、フローティングゲート電極が互いに接続されている。つまり、本実施の形態2に係る半導体装置は、フローティングゲート電極が互いに分離された複数のメモリセルトランジスタと、フローティングゲート電極が互いに接続された複数のメモリセルトランジスタとを備えている。
52 to 63 are cross-sectional views showing the method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention in the order of steps. In the semiconductor device according to the first embodiment described above, as shown in FIG. 40, the floating gate electrode is separated between the plurality of memory cell transistors arranged along the gate length direction. In the semiconductor device according to the second embodiment, the floating gate electrodes are connected to each other in part of them. That is, the semiconductor device according to the second embodiment includes a plurality of memory cell transistors whose floating gate electrodes are separated from each other and a plurality of memory cell transistors whose floating gate electrodes are connected to each other.
このようなフローティングゲート電極が互いに接続された複数のメモリセルトランジスタは、チャネル領域での不純物濃度の管理に使用することができる。通常のメモリセルトランジスタでは、フローティングゲート電極が分離されており、周囲から絶縁されているため、直接フローティングゲート電極に電圧を印加することができない。従って、メモリセルトランジスタに動作不良が発生した場合には、その原因がコントロールゲート電極とフローティングゲート電極間の絶縁膜にあるのか、フローティングゲート電極にあるのか、それともチャネル領域の不純物濃度にあるのか判断できない。また、直接電圧が印加できるようにフローティングゲート電極を半導体チップの外周まで引き出そうしたとしても、複数のフローティングゲート電極を個別に引き出すことは配線レイアウト上困難であり、現実的でない。 A plurality of memory cell transistors in which such floating gate electrodes are connected to each other can be used for managing the impurity concentration in the channel region. In a normal memory cell transistor, the floating gate electrode is isolated and insulated from the surroundings, so that a voltage cannot be directly applied to the floating gate electrode. Therefore, when a malfunction occurs in the memory cell transistor, it is determined whether the cause is the insulating film between the control gate electrode and the floating gate electrode, the floating gate electrode, or the impurity concentration of the channel region. Can not. Further, even if the floating gate electrode is pulled out to the outer periphery of the semiconductor chip so that a voltage can be directly applied, it is difficult to pull out the plurality of floating gate electrodes individually in terms of wiring layout, which is not practical.
本実施の形態2に係る半導体装置のように、複数のメモリセルトランジスタにおいて、フローティングゲート電極が互いに接続されていると、半導体チップの外周付近に存在するメモリセルトランジスタのフローティングゲート電極だけを引き出すことによってすべてのメモリセルトランジスタのフローティングゲート電極に同時に直接電圧を印加することができる。従って、複数のメモリセルトランジスタについてチャネル領域の不純物濃度を直接的に評価することができ、デバイスの解析が容易になる。 As in the semiconductor device according to the second embodiment, in the plurality of memory cell transistors, when the floating gate electrodes are connected to each other, only the floating gate electrodes of the memory cell transistors existing near the outer periphery of the semiconductor chip are extracted. Thus, a voltage can be applied directly to the floating gate electrodes of all the memory cell transistors simultaneously. Therefore, the impurity concentration in the channel region can be directly evaluated for a plurality of memory cell transistors, and device analysis is facilitated.
以下に本実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を説明する。なお、図52〜63のうち、図52,54はゲート幅方向に沿った断面図を示しており、その他の図はゲート長方向に沿った断面図であって、図41の矢視B−Bに相当する位置での断面図を示している。また、フローティングゲート電極が接続されている複数のメモリセルトランジスタが形成される領域を「フローティングゲート接続領域」と呼び、フローティングゲート電極が分離されている複数のメモリセルトランジスタが形成される領域を「フローティングゲート分離領域」と呼ぶ。 A method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment will be described below. 52 to 63, cross-sectional views along the gate width direction are shown in FIGS. 52 to 63, and the other views are cross-sectional views along the gate length direction. A cross-sectional view at a position corresponding to B is shown. A region where a plurality of memory cell transistors to which the floating gate electrode is connected is formed is called a “floating gate connection region”, and a region where a plurality of memory cell transistors from which the floating gate electrode is separated is formed is “ This is called “floating gate isolation region”.
まず、実施の形態1に係る製造方法を使用して、上述の図7,8に示される構造までを製造する。そして、図52,53に示されるように、周辺回路領域の複数の素子分離部分6のうち、一部の素子分離部分6の上面を部分的に露出し、かつフローティングゲート接続領域を露出するフォトレジスト201を周辺回路領域及びメモリセル領域に形成する。
First, the structure shown in FIGS. 7 and 8 is manufactured using the manufacturing method according to the first embodiment. Then, as shown in FIGS. 52 and 53, a photo that partially exposes the upper surface of some of the
次に、フォトレジスト201をマスクに用いて、露出している素子分離部分6と、フローティングゲート接続領域における素子分離部分36をフッ酸等でエッチングする。そして、フォトレジスト201を除去する。これにより、図54に示されるように、素子分離部分6の上面内に凹部7が形成される。それと同時に、図55に示されるように、フローティングゲート接続領域では、シリコン窒化膜3の側面が完全に露出することが無いように、複数の素子分離部分36の突出部分36aが大部分除去される。
Next, using the
次に、図56に示されるように、例えば熱リン酸を用いてシリコン窒化膜3を除去し、続いて図57に示されるように、例えばフッ酸を用いてシリコン酸化膜2を除去する。
Next, as shown in FIG. 56, the
次に、図58に示されるように、半導体基板1の上面を熱酸化して、厚さ10nm程度のシリコン酸化膜から成る絶縁膜8を周辺回路領域及びメモリセル領域の半導体基板1上に形成する。これにより、フローティングゲート接続領域では、互いに隣り合う素子分離部分36間の半導体基板1上に絶縁膜8が形成され、これと同時に、フローティングゲート分離領域では、凹部37によって露出された半導体基板1の上面上に絶縁膜8が形成される。
Next, as shown in FIG. 58, the upper surface of the
次に、図59に示されるように、メモリセルトランジスタのフローティングゲート電極となる導電膜9を厚さ150nm程度で全面に形成する。これにより、凹部7が導電膜9で充填されるとともに、フローティングゲート分離領域の凹部37も導電膜9で充填される。
Next, as shown in FIG. 59, a
次に、素子分離部分36をストッパ層とするCMP法を用いて、導電膜9を上面から研磨して平坦化し、凹部7,37よりも上方の導電膜9を除去する。これにより、図60に示されるように、フローティングゲート分離領域では、複数の凹部37を充填する導電膜9が互いに分離し、複数のメモリセルトランジスタのフローティングゲート電極となる複数の導電膜9が素子分離部分36に対して自己整合的に形成される。このとき、フローティングゲート接続領域における素子分離部分36の上面が、フローティングゲート分離領域における素子分離部分36の上面よりも低い位置に存在することから、フローティングゲート接続領域では、素子分離部分36の上面上の導電膜9は除去されず、当該導電膜9は、各素子分離部分36上と絶縁膜8上とに連続して存在することになる。なお、導電膜9の除去にはドライエッチングによるエッチバック法を用いていも良いが、平坦度はCMP法よりも劣ることになる。
Next, the CMP method using the
次に、図61に示されるように、素子分離部分6の突出部分6aと、フローティングゲート分離領域における素子分離部分36の突出部分36aとをフッ酸等を用いて部分的に除去して、周辺回路領域とフローティングゲート分離領域の導電膜9の側面を露出させる。そして、図62に示されるように、膜厚20nm程度のONO膜10を全面に形成する。
Next, as shown in FIG. 61, the protruding
その後、上述の図27〜51までを参照して説明した製造方法を用いて、実施の形態1と同様にしてアルミ配線21,51までを製造する。これにより、メモリセル領域におけるゲート長方向に沿った断面構造のうちゲート構造58の上面よりも下方の構造として図63に示されるような構造を有する本実施の形態2に係る半導体装置が完成する。なお、本実施の形態2に係る半導体装置のゲート幅方向に沿った断面構造は、上述の図49に示される構造と同様である。
Thereafter, using the manufacturing method described with reference to FIGS. 27 to 51,
以上のように、本実施の形態2に係る半導体装置の製造方法では、フローティングゲート接続領域における素子分離部分36の突出部分36aを除去しているため、当該素子分離部分36の上面は、フローティングゲート分離領域における素子分離部分36の上面よりも低くなる。従って、凹部7,37よりも上方の導電膜9を除去して、複数の導電膜9を素子分離部分36に対して自己整合的に形成する際に、フローティングゲート接続領域における素子分離部分36上とそれらの間の絶縁膜8上に存在する導電膜9は除去されない。その結果、凹部7,37よりも上方の導電膜9を除去する工程を実行した後では、素子分離部分36を介して隣り合う絶縁膜8上の導電膜9は、素子分離部分36上の導電膜9によって互いに接続された状態となる。そのため、本実施の形態2のように、これらの導電膜9をフローティングゲート電極として利用することによって、複数のメモリセルトランジスタ間でフローティングゲート電極が互いに接続されたメモリセルを得ることができる。
As described above, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, the protruding
更に、ダイオード素子や抵抗素子として利用できる導電膜9が形成される凹部7と一緒に、フローティングゲート接続領域における素子分離部分36の突出部分36aは除去されるため、特別な工程を追加することなく、複数のメモリセルトランジスタ間でフローティングゲート電極が互いに接続されたメモリセルを得ることができる。
Furthermore, since the protruding
また、本実施の形態2に係る製造方法で製造された半導体装置では、図63に示されるように、フローティングゲート接続領域における半導体基板1の上面内には、互いに離れて設けられた複数の素子分離部分36が形成されている。そして、フローティングゲート接続領域における互いに隣り合う素子分離部分36の間の半導体基板1上には絶縁膜8が形成されており、当該絶縁膜8上と、各素子分離部分36上には分離されていない連続する導電膜9が形成されている。
In the semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to the second embodiment, as shown in FIG. 63, a plurality of elements provided apart from each other in the upper surface of the
上述のように、フローティングゲート分離領域における導電膜9を自己整合的に分離する際に、導電膜9はCMP法でその上面から研磨する場合には(図60参照)、フローティングゲート分離領域における導電膜9のみならず、フローティングゲート接続領域における導電膜9の上面も平坦となり、両者の上面は同一平面上に位置するようになる。従って、エッチバック法を用いた場合よりも平坦度が向上し、以降の工程での写真製版におけるフォーカスマージンが向上し、また、段差部に残る不要な残渣による不具合を防ぐことができる。なお、実施の形態1と同様に、通常のCMPプロセスによる研磨量のばらつきにより導電膜9の膜厚は20%程度ばらつく場合があるが、好ましくは10%以下、さらに好ましくは5%以下に落ち着くように、導電膜9と素子分離部分6,36との選択比が高くなる研磨条件に調整することが望ましい。
As described above, when separating the
以上の説明からも理解できるように、本実施の形態2に係る半導体装置では、フローティングゲート分離領域における導電膜9と、フローティングゲート接続領域における導電膜9とは同一材料であるため、フローティングゲート分離領域において素子分離部分36を利用して自己整合的に複数の導電膜9を形成する際に、同時にフローティングゲート接続領域における導電膜9も形成することができる。従って、本実施の形態2のように、フローティングゲート接続領域における導電膜9をフローティングゲート電極として使用することによって、特別な工程を追加することなく、複数のメモリセルトランジスタ間でフローティングゲート電極が互いに接続されたメモリセルを得ることができる。
As can be understood from the above description, in the semiconductor device according to the second embodiment, the
なお、実施の形態1,2では本発明をフラッシュメモリに適用する場合について説明したが、本発明は他のメモリ等にも適用することができる。 In the first and second embodiments, the case where the present invention is applied to a flash memory has been described. However, the present invention can also be applied to other memories and the like.
1 半導体基板、4,34 トレンチ、5 シリコン酸化膜、6,36 素子分離部分、7,37 凹部、8 絶縁膜、9 導電膜、6a,36a 突出部分。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記半導体基板の上面内に互いに離れて設けられた第1乃至第3の分離溝と、
前記第1及び第2の分離溝に充填された第1の絶縁膜であって、上部に前記半導体基板の上面から突出する第1の突出部分を有する第1及び第2の分離絶縁膜と、
前記第1及び第2の分離絶縁膜の前記第1の突出部分に挟まれ、前記半導体基板の上面上に形成された第2の絶縁膜と、
前記第1及び第2の分離絶縁膜の前記第1の突出部分に挟まれ、前記第2の絶縁膜上に形成された導電材料からなる第1の導電膜と、
前記第3の分離溝に充填され、上部に前記半導体基板の上面から突出する第2の突出部分を有する前記第1の絶縁膜であって、前記第2の突出部分に囲まれるように上面に凹部を有する第3の分離絶縁膜と、
前記凹部に少なくとも部分的に埋め込まれた前記導電材料からなる第2の導電膜と
を備え、
前記第1の導電膜は、メモリセル領域に形成されたフローティングゲート電極であって、
前記第2の導電膜は、周辺回路領域に形成された半導体素子である、半導体装置。 A semiconductor substrate;
First to third separation grooves provided apart from each other in the upper surface of the semiconductor substrate;
First and second isolation insulating films filled in the first and second isolation trenches, the first and second isolation insulating films having a first projecting portion projecting from an upper surface of the semiconductor substrate at an upper portion;
A second insulating film sandwiched between the first projecting portions of the first and second isolation insulating films and formed on the upper surface of the semiconductor substrate;
A first conductive film made of a conductive material sandwiched between the first protruding portions of the first and second isolation insulating films and formed on the second insulating film;
A first insulating film filled in the third isolation trench and having a second projecting portion projecting from an upper surface of the semiconductor substrate on the upper surface, the upper surface being surrounded by the second projecting portion; A third isolation insulating film having a recess;
A second conductive film made of the conductive material at least partially embedded in the recess,
The first conductive film is a floating gate electrode formed in a memory cell region,
The semiconductor device, wherein the second conductive film is a semiconductor element formed in a peripheral circuit region.
前記第1の導電膜の上面と、前記第2の導電膜の上面とは同一平面上に位置する、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein an upper surface of the first conductive film and an upper surface of the second conductive film are located on the same plane.
前記半導体基板の上面内に互いに離れて設けられた第4乃至第6の分離絶縁膜と、
前記第4及び第5の分離絶縁膜の間の前記半導体基板の上面上及び前記第5及び第6の分離絶縁膜の間の前記半導体基板の上面上に、ぞれぞれ設けられた第3及び第4の絶縁膜と、
前記第4乃至第6の分離絶縁膜上と、前記第3及び第4の絶縁膜上とに連続して設けられ、前記導電材料からなる第3の導電膜と
を更に備え、
前記第3の導電膜は、メモリセル領域に形成されたフローティングゲート電極である、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
Fourth to sixth isolation insulating films provided apart from each other in the upper surface of the semiconductor substrate;
Third layers provided on the upper surface of the semiconductor substrate between the fourth and fifth isolation insulating films and on the upper surface of the semiconductor substrate between the fifth and sixth isolation insulating films, respectively. And a fourth insulating film;
A third conductive film made of the conductive material and continuously provided on the fourth to sixth isolation insulating films and the third and fourth insulating films;
The semiconductor device, wherein the third conductive film is a floating gate electrode formed in a memory cell region.
前記第1乃至第3の導電膜の上面は同一平面上に位置している、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3,
A semiconductor device, wherein upper surfaces of the first to third conductive films are located on the same plane.
前記半導体素子は、ダイオードまたは抵抗素子である、半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The semiconductor device, wherein the semiconductor element is a diode or a resistance element.
前記凹部は、前記第3の分離絶縁膜と前記半導体基板の上面との境界からの距離が0.3μm以上であり、
前記凹部は、前記第3の分離溝の底面からの距離が100nm以上である、半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The recess has a distance of 0.3 μm or more from the boundary between the third isolation insulating film and the upper surface of the semiconductor substrate,
The recess is a semiconductor device, wherein the distance from the bottom surface of the third separation groove is 100 nm or more.
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