JP2010283387A - フラッシュメモリ技術およびlocos/stiアイソレーションに関する、回路の窒化トンネル酸化物のための窒化バリア - Google Patents

フラッシュメモリ技術およびlocos/stiアイソレーションに関する、回路の窒化トンネル酸化物のための窒化バリア Download PDF

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Abstract

【課題】周辺領域には浅いトレンチアイソレーションがあり、かつコア領域にはLOCOSアイソレーションがある、改良されたフラッシュメモリデバイスが提供される。
【解決手段】まずハードマスクを用いて浅いトレンチアイソレーションを生じさせる。次にLOCOSアイソレーションを生じさせる。次にエッチングを用いてストリンガを取除く。このフラッシュメモリでは、浅いトレンチアイソレーションを用いてエンクローチメントを制限することができる。このフラッシュメモリは窒化されたトンネル酸化物層も有し得る。ハードマスクを用いてゲート酸化物層の窒化物汚染を防ぐ。
【選択図】図15

Description

この発明は不揮発性メモリデバイスに関する。より特定的には、この発明は周辺スタックおよびコアスタックを利用したフラッシュメモリに関するものである。
フラッシュメモリまたは電気消去可能プログラマブル読出専用メモリ(EEPROM)などのメモリデバイスが公知である。フラッシュメモリなどのメモリデバイスは、消去可能プログラマブルデータを保持するコアスタックと、コアスタックをプログラムするのに用いられる周辺スタックとを含む。周辺スタックおよびコアスタックを同一チップ上に製造することが有利であり、これは先行技術で行なわれている。しかしながら、フラッシュメモリの或る部分にはシリコン選択酸化(LOCOS)を用い、フラッシュメモリの他の部分には浅いトレンチアイソレーション(STI)を用いるのが望ましい場合がある。
浅いトレンチアイソレーションを周辺スタックのために用いる場合、周辺スタックの浅いトレンチアイソレーションのまわりに角の凹所が形成され、これは周辺スタックに有害である。
これに加え、コアスタックおよび周辺スタックは異なる製造ステップを必要とする。コアスタックのためのこれら異なる処理ステップのいくつかは、周辺スタックにとって有害であり、その逆もまた当てはまる。これらの問題の一例は、コアスタックのトンネル酸化物の機能性を向上させるのに窒素打込みまたは他の窒化方法を用いることに関する。先行技術では、このような窒素打込みが周辺スタックのゲート酸化物を汚染し、周辺スタックのゲート酸化物の性能を落とす傾向にある。
周辺スタックおよびコアスタックを単一のチップ上に製造し、かつ異なるスタックを製造するのに必要な異なるプロセスが周辺スタックおよびコアスタックに対してもたらす損害を、最小限にするのが望ましい。
これに加え、周辺スタックのゲート酸化物の厚みが異なるのが望ましい。
特開平08−167705号公報 特開平09−172007号公報 米国特許第6004862号明細書 特開平08−167664号公報 米国特許第5712205号明細書 欧州特許第0751560号明細書
この発明の目的は、複数の半導体デバイスを単一のチップ上に設け、ここでデバイスのいくつかを浅いトレンチアイソレーションで分離し、他のデバイスをシリコン選択酸化で分離することである。
この発明の別の目的は、フラッシュメモリのゲート酸化物の汚染を減少させることである。
この発明の別の目的は、フラッシュメモリデバイスのスタックアイソレーションを改良することである。
これにしたがい、上記目的は、ハードマスクを連続して用いて単一のチップ上にSTIおよびLOCOSアイソレーションを設け、次に、ハードマスクを用いて周辺部を保護してから、窒化されたトンネル酸化物を形成し、こうして基板上にフラッシュメモリデバイスを製造することにより、達成される。
この発明の他の特徴点は、「発明の詳細な説明」と題された節で開示され、または明らかとなる。
この発明がより完全に理解されるために、添付の図面を参照する。
参照番号は、図面のいくつかの図にわたって、この発明の同じまたは均等の部分を指す。
この発明の好ましい実施例で用いられる半導体基板の断面図である。 図1に示した基板であって、トレンチを有するものの断面図である。 図2に示した基板であって、トレンチ酸化物を有するものの断面図である。 図3に示した基板であって、角の凹所を有するものの断面図である。 図4に示した基板であって、LOCOSに先立つのものの断面図である。 図5に示した基板であって、LOCOSを有するものの断面図である。 図6に示した基板であって、LOCOSに用いられたハードマスクの除去後のものの断面図である。 図7に示した基板であって、ハードマスク層を有するものの断面図である。 図8に示した基板であって、トンネル酸化物および第1のポリシリコン層を有するものの断面図である。 図9に示した基板であって、インターポリ誘電体層を有するものの断面図である。 図10に示した基板であって、第1のゲート酸化物層を有するものの断面図である。 図11に示した基板であって、第1のゲート酸化物層がエッチバックされたものの断面図である。 図12に示した基板であって、フォトレジストマスクが取除かれた後のものの断面図である。 図13に示した基板であって、薄い酸化物層および厚い酸化物層を有するものの断面図である。 図14に示した基板であって、周辺スタックおよびコアスタックを有するものの断面図である。
図1は、この発明の好ましい実施例で用いられる半導体基板10の断面図である。パッド酸化物層12が半導体基板10の表面にわたって形成される。1000から2000Åの第1のハードマスク層14が、パッド酸化物層12の上にわたって形成される。この発明の好ましい実施例では、第1のハードマスク層14は、シリコンオキシナイトライド(SiON)、窒化シリコン(Si34)およびポリシリコンからなる群のものである。フォトレジストマスク16が第1のハードマスク層14の上にわたって形成される。フォトレジストマスク16に覆われない第1のハードマスク層14の領域は、図1に示すように、エッチングで取去られて第1のハードマスク層14の開口18を形成する。この実施例では、開口18があるのは半導体基板10の周辺領域および界面領域の上だけである。
フォトレジストマスクが取除かれ、半導体基板10に対してエッチングが行なわれ、こうして、図2に示すように、半導体基板10には第1のハードマスク層14の開口18の下に浅いトレンチ20が生じる。好ましい実施例では、基板表面内へのトレンチ20の深さはおよそ0.15μから0.35μである。図3に示すように、トレンチにはトレンチ酸化物22が形成される。
次に半導体基板10に対してエッチングを行ない、図4に示すように、第1のハードマスク層を取除く。次に、好ましい実施例では、基板10に対して洗浄ステップが行なわれ、トレンチ酸化物22の上部に50Åを超える深さの角の凹部24が生じる。先行技術では、このような角の凹部はシリコンの表面よりもかなり下まで延在することがある。
図5に示すように、トレンチ酸化物22およびパッド酸化物12の表面上にわたり、好ましい実施例では約1000から2000Åの厚みの第2のハードマスク26が形成される。第2のハードマスク26は、この発明の好ましい実施例では、シリコンオキシナイトライド(SiON)、窒化シリコン(Si3N4)およびポリシリコンからなる群のものである。フォトレジストマスクを用いて、基板10のコア領域および界面領域の上にある第2のハードマスク26に開口28を形成する。次にフォトレジストマスクを取除く。半導体基板10に対して洗浄ステップを行ない、約30Åを超える酸化物を取除く。
次に、図6に示すように、半導体基板10に約1050℃の低温酸化を行ない、LOCOS酸化物30を形成する。次に、図7に示すように、第2のハードマスク26を取除き、残余の酸化物に対してHFステップによる洗浄ステップを行なって、酸化物に残ったあらゆるストリンガを取除く。半導体基板10には、STIアイソレーションおよびLOCOSアイソレーションが単一の基板上にでき、LOCOS酸化物30とトレンチ酸化物22との間に周辺スタックおよびコアスタックを製造する準備ができる。
周辺およびコアスタックの製造の始めとして、図8に示すように、周辺領域およびコア領域の両方の上にわたって、100から500Åの第3のハードマスク層42がパッド酸化物12の上に置かれる。この発明の好ましい実施例では、第3のハードマスク層42は、シリコンオキシナイトライド(SiON)、窒化シリコン(Si34)およびポリシリコンからなる群のものである。第3のハードマスク層42の上面にわたってフォトレジスト層が置かれ、次にエッチバックが行なわれ、図8で示すように、半導体基板10のコアセクションを覆わないフォトレジストマスク44が形成される。より多くの特徴点を示すことができるように、トレンチ酸化物22、パッド酸化物12およびLOCOS酸化物30は一定の比例に応じて描かれない。
半導体基板10に対してエッチング処理が行なわれ、こうして、図9で示すように、コア領域上の第3のハードマスク層42およびパッド酸化物12が取除かれる。次にフォトレジストマスクが取除かれる。トンネル酸化物層46がコア領域上にわたり形成される。トンネル酸化物層46は、第3のハードマスク層42の上にも形成され得る。トンネル酸化物層46を形成するには、酸化物層の成長、または酸化物層の蒸着などの、さまざまな方法が公知である。好ましい実施例では、トンネル酸化物層46は窒化される(窒化物ドーパントがトンネル酸化物層に加えられる)。トンネル酸化物層を窒化するには、酸化処理中の二酸化窒素(NO2)の供給、トンネル酸化物層への窒素打込み、またはNOxのインサイチュー(in situ)成長、ここでxは整数、などの、さまざまな方法が公知である。第1のポリシリコン層48がトンネル酸化物層46の上にわたり形成される。コア領域上にわたり、フォトレジストマスク49が第1のポリシリコン層48の部分の上に置かれる。
半導体基板10に対してエッチング処理を行ない、こうして、図10に示すように、第1のポリシリコン層48およびトンネル酸化物層46の部分を取除く。フォトレジストマスクを取除く。インターポリ(interpoly)誘電体層50が基板10、第3のハードマスク42、および第1のポリシリコン層の上にわたって形成される。好ましい実施例では、インターポリ誘電体層50は酸化物−窒化物−酸化物(ONO)層である。コア領域上にわたり、フォトレジストマスク52がインターポリ誘電体層50の上にわたって形成される。
次に半導体基板10に対して2つのステップからなるエッチングを行ない、これにより、図11で示すように、まず周辺領域上にわたるインターポリ誘電体層50の部分を取除き、次に第3のハードマスク42および残余のパッド酸化物を取除く。次にフォトレジストマスク52を取除く。次に半導体基板10に対して第1の熱酸化を行ない、こうして周辺領域で半導体基板10の上にわたり第1のゲート酸化物層54を形成する。好ましい実施例では、第1のゲート酸化物層54は約100Åである。フォトレジストマスク56が、周辺領域にある第1のゲート酸化物層54の部分の上、およびインターポリ誘電体層50の上にわたり、形成される。
図12に示すように、フォトレジストマスク56に覆われていない第1のゲート酸化物層54の部分がエッチングにより取除かれる。次に、図13に示すように、フォトレジスト層56が取去られ、残余の第1の酸化物層54は厚い酸化物領域58となる。次に半導体基板10に対して第2の熱酸化を行ない、こうして、図14に示すように、基板10の覆われていない領域では薄い酸化物層60が形成され、かつ厚い酸化物領域58では厚い酸化物層62が形成される。好ましい実施例では、薄い酸化物層60の厚みは40から80Åであり、厚い酸化物層62の厚みは100から150Åである。基板10、薄い酸化物層60、厚い酸化物層62およびインターポリ層50の上には、第2のポリシリコン層64が置かれ、次にエッチバックが行なわれて、図15に示すように、薄いゲート66を備えた周辺スタック、厚いゲート68を備えた周辺スタック、およびコアスタック70が形成される。
次に従来のプロセスを用いてフラッシュメモリ構造を完成させる。この発明の方法によって、薄いゲートおよび厚いゲートを備えた周辺ゲートを作り出し、こうして異なるしきい値電圧を有するゲートを設けることが可能となる。さらに、ゲート酸化物層を汚染することなく、窒化トンネル酸化物層を備えたコアスタックが設けられ、単一のチップ上にSTIおよびLOCOSアイソレーションを用いることが可能となる。
ここで示しかつ詳細に記載した情報は、この発明の上述の目的を十分に達成することができるが、これはこの発明の現在好ましい実施例であり、したがってこの発明により広範に企図される主題を代表するものであり、かつこの発明の範囲は当業者に明らかとなるであろう他の実施例を完全に包含し、かつこの発明の範囲はしたがって前掲の特許請求の範囲を除きいかなるものによっても限定されず、ここにおいて、単数形による或る要素の参照は、別段の記載がなければ、「ただ1つ」ではなく、むしろ「1つ以上」を意味することを意図していることが理解される。上述の好ましい実施例の、当業者に公知の要素に対するすべての構造上および機能上の均等物は、ここで明示的に参照により援用され、この特許請求の範囲により包含されることを意図する。さらに、装置または方法がこの発明の解決しようとするすべての問題に対処する必要はないが、これはそれがこの特許請求の範囲に包含されるべきであるからである。さらに、この開示におけるいかなる要素、部品または方法ステップは、この要素、部品および方法ステップを特許請求の範囲で明示的に挙げているか否かにかかわらず、公衆に開放されることを意図してはいない。ここにおけるいかなる特許請求の範囲の要素も、この要素を「するための手段」の文言を明示的に用いて記載していない限り、米国特許法第112条第6項の規定によって解釈されるべきではない。

Claims (13)

  1. チップ上に複数の半導体デバイスを形成する方法であって、
    パッド酸化物層を基板の表面上にわたり形成するステップと、
    第1のハードマスク層を前記パッド酸化物層上にわたり形成するステップと、
    第1のフォトレジストマスクを前記第1のハードマスク層上にわたり形成するステップとを含み、前記第1のフォトレジストマスクは複数の開口を有し、前記方法はさらに
    前記第1のフォトレジストマスクの前記開口下の前記第1のハードマスク層の部分をエッチングで取去り、前記第1のハードマスク層に開口を形成するステップと、
    前記第1のフォトレジストマスクを取除くステップと、
    前記第1のハードマスク層の前記開口下の前記基板内にトレンチをエッチングするステップと、
    前記トレンチをトレンチ酸化物で満たして浅いトレンチアイソレーションを設けるステップと、
    前記第1のハードマスク層を取除くステップと、
    第2のハードマスク層を前記パッド酸化物層およびトレンチ酸化物の上にわたり形成するステップと、
    第2のフォトレジストマスクを前記第2のハードマスク層上にわたり形成するステップとを含み、前記第2のフォトレジストマスクは複数の開口を有し、前記方法はさらに
    前記第2のフォトレジストマスクの前記開口下の前記第2のハードマスク層の部分をエッチングで取去り、前記第2のハードマスク層に開口を形成するステップと、
    前記第2のフォトレジストマスクを取除くステップと、
    前記第2のハードマスク層の開口下の前記基板表面を酸化して、前記第2のハードマスク層の前記開口下にシリコン選択酸化アイソレーションを形成するステップと、
    前記第2のハードマスク層を取除くステップとを含み、前記第1および第2のハードマスク層は、シリコンオキシナイトライド、窒化シリコンおよびポリシリコンよりなる群からのものである、方法。
  2. 第3のハードマスク層を前記パッド酸化物層上にわたり形成するステップと、
    第3のフォトレジストマスクを前記第3のハードマスク層上にわたり形成するステップとをさらに含み、前記第3のフォトレジストマスクは少なくとも1つの開口を有し、さらに
    前記第3のフォトレジストマスクの前記少なくとも1つの開口下の、前記第3のハードマスク層およびパッド酸化物層の部分をエッチングで取去り、かつ前記第3のハードマスク層の残余の部分を残すステップと、
    前記第3のハードマスク層の前記エッチングで取去られた部分の下において、窒化されたトンネル酸化物層を、前記基板上にわたり形成するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 第1のポリシリコン層を前記窒化されたトンネル酸化物層上にわたり形成するステップと、
    複数の開口を備えた第4のフォトレジストマスクを前記第1のポリシリコン層上にわたり形成するステップと、
    前記第4のフォトレジストマスクの前記開口下の、前記トンネル酸化物層および第1のポリシリコン層の部分をエッチングで取去るステップと、
    第4のフォトレジストマスクを取除くステップと、
    インターポリ誘電体層を、前記第3のハードマスク層、基板、および第1のポリシリコン層の上にわたり形成するステップとをさらに含む、請求項2に記載の方法。
  4. 開口を備えた第5のフォトレジストマスクを前記第3のハードマスク層の前記残余の部分の上にわたって形成するステップと、
    前記第3のハードマスク層の前記残余の部分をエッチングで取去るステップとをさらに含み、前記第3のハードマスク層は、シリコンオキシナイトライド、窒化シリコンおよびポリシリコンよりなる群からのものであり、さらに
    前記第5のフォトレジストマスクを取除くステップと、
    第1のゲート酸化物層を、前記第3のハードマスク層の前記残余の部分の下にあった前記基板の前記表面の上にわたり形成するステップと、
    開口を備えた第6のフォトレジストマスクを、前記第1のゲート酸化物層の部分の上にわたって形成するステップと、
    前記第6のフォトレジストマスクの前記開口下の前記第1のゲート酸化物層の部分をエッチングで取去るステップと、
    前記第6のフォトレジストマスクを取除くステップと、
    第2のゲート酸化物層を、前記基板の前記表面と前記第1のゲート酸化物層との上にわたって形成し、厚いゲート酸化物領域および薄いゲート酸化物領域を形成するステップとをさらに含む、請求項2に記載の方法。
  5. 第2のポリシリコン層を、前記厚いゲート酸化物領域、前記薄いゲート酸化物領域、および前記インターポリ誘電体層の上にわたって形成するステップと、
    前記第2のポリシリコン層、前記インターポリ誘電体層、薄いゲート酸化物領域および厚いゲート酸化物領域の部分をエッチングで取去り、薄いゲート酸化物を備えた周辺スタック、厚いゲート酸化物を備えた周辺スタック、および窒化されたトンネル酸化物を備えたコアスタックを形成するステップとをさらに含む、請求項4に記載の方法。
  6. 複数の半導体デバイスを含む半導体チップであって、
    パッド酸化物層を基板の表面上にわたり形成するステップと、
    第1のハードマスク層を前記パッド酸化物層上にわたり形成するステップとを含むプロセスにより製造され、前記第1のハードマスク層は、シリコンオキシナイトライド、窒化シリコンおよびポリシリコンよりなる群からのものであり、前記プロセスはさらに
    第1のフォトレジストマスクを前記第1のハードマスク層上にわたり形成するステップを含み、前記第1のフォトレジストマスクは複数の開口を有し、前記プロセスはさらに
    前記第1のフォトレジストマスクの前記開口部下の前記第1のハードマスク層の部分をエッチングで取去り、前記第1のハードマスク層に開口を形成するステップと、
    前記第1のフォトレジストマスクを取除くステップと、
    前記第1のハードマスク層の前記開口下の前記基板内にトレンチをエッチングするステップと、
    前記トレンチをトレンチ酸化物で満たして浅いトレンチアイソレーションを設けるステップと、
    前記第1のハードマスク層を取除くステップと、
    第2のハードマスク層を前記パッド酸化物層およびトレンチ酸化物の上にわたり形成するステップとを含み、前記第2のハードマスク層は、シリコンオキシナイトライド、窒化シリコンおよびポリシリコンよりなる群からのものであり、前記プロセスはさらに
    第2のフォトレジストマスクを前記第2のハードマスク層上にわたり形成するステップとを含み、前記第2のフォトレジストマスクは複数の開口を有し、前記プロセスはさらに
    前記第2のフォトレジストマスクの前記開口下の前記第2のハードマスク層の部分をエッチングで取去り、前記第2のハードマスク層に開口を形成するステップと、
    前記第2のフォトレジストマスクを取除くステップと、
    前記第2のハードマスク層の前記開口下の前記基板表面を酸化し、前記第2のハードマスク層の前記開口下にシリコン選択酸化アイソレーションを形成するステップと、
    前記第2のハードマスク層を取除くステップとを含む、半導体チップ。
  7. 第3のハードマスク層を前記パッド酸化物層上にわたり形成するステップと、
    第3のフォトレジストマスクを前記第3のハードマスク層上にわたり形成するステップとをさらに含み、前記第3のフォトレジストマスクは少なくとも1つの開口を有し、前記第3のハードマスク層はシリコンオキシナイトライド、窒化シリコンおよびポリシリコンよりなる群からのものであり、さらに
    前記第3のフォトレジストマスクの前記少なくとも1つの開口下の、前記第3のハードマスク層およびパッド酸化物層の部分をエッチングで取去り、かつ前記第3のハードマスク層の残余の部分を残すステップと、
    前記第3のハードマスク層の前記エッチングで取去られた部分の下において、窒化されたトンネル酸化物層を、前記基板上にわたり形成するステップと、
    第1のポリシリコン層を前記窒化されたトンネル酸化物層上にわたり形成するステップと、
    複数の開口を備えた第4のフォトレジストマスクを前記第1のポリシリコン層上にわたり形成するステップと、
    前記第4のフォトレジストマスクの前記開口下の、前記トンネル酸化物層および第1のポリシリコン層の部分をエッチングで取去るステップと、
    前記第4のフォトレジストマスクを取除くステップと、
    インターポリ誘電体層を、前記第3のハードマスク層、基板および第1のポリシリコン層の上にわたって形成するステップと、
    開口を備えた第5のフォトレジストマスクを前記第3のハードマスク層の前記残余の部分の上にわたって形成するステップと、
    前記第3のハードマスク層の前記残余の部分をエッチングで取去るステップと、
    前記第5のフォトレジストマスクを取除くステップと、
    第1のゲート酸化物層を、前記第3のハードマスク層の前記残余の部分の下にあった前記基板の前記表面の上にわたって形成するステップと、
    開口を備えた第6のフォトレジストマスクを、前記第1のゲート酸化物層の部分の上にわたって形成するステップと、
    前記第6のフォトレジストマスクの前記開口下の前記第1のゲート酸化物層の部分をエッチングで取去るステップと、
    前記第6のフォトレジストマスクを取除くステップと、
    第2のゲート酸化物層を、前記基板の前記表面と前記第1のゲート酸化物層との上にわたって形成し、厚いゲート酸化物領域および薄いゲート酸化物領域を形成するステップとを含む、請求項6に記載の半導体チップ。
  8. 第2のポリシリコン層を、前記厚いゲート酸化物領域、前記薄いゲート酸化物領域、および前記インターポリ誘電体層の上にわたって形成するステップと、
    前記第2のポリシリコン層および前記インターポリ誘電体層の部分をエッチングで取去り、薄いゲート酸化物を備えた周辺スタック、厚いゲート酸化物を備えた周辺スタック、および窒化されたトンネル酸化物を備えたコアスタックを形成するステップとをさらに含む、請求項7に記載の半導体チップ。
  9. 基板と、
    前記基板の表面上の複数の半導体デバイスと、
    前記基板の前記表面上の前記複数の半導体デバイスのいくつかを分離する複数のトレンチ酸化物と、
    前記基板の前記表面上の前記複数の半導体デバイスのいくつかを分離する複数のLOCOS酸化物とを含む、半導体チップ。
  10. 前記複数の半導体デバイスのいくつかはコアメモリデバイスであり、前記複数の半導体デバイスのいくつかは周辺メモリデバイスである、請求項9に記載のフラッシュメモリデバイス。
  11. 前記コアメモリデバイスはLOCOS酸化物により分離され、前記周辺メモリデバイスはトレンチ酸化物により分離される、請求項10に記載のフラッシュメモリデバイス。
  12. 前記コアメモリデバイスの各コアメモリデバイスは、
    前記基板の前記表面上の窒化されたトンネル酸化物層と、
    前記窒化されたトンネル酸化物層上の第1のポリシリコン層と、
    前記第1のポリシリコン層上のインターポリ誘電体層と、
    前記インターポリ誘電体層上の第2のポリシリコン層とを含む、請求項11に記載のフラッシュメモリデバイス。
  13. 前記周辺メモリデバイスの各周辺メモリデバイスは、
    前記基板の前記表面上のゲート酸化物層を含み、前記ゲート酸化物層は窒化されず、前記ゲート酸化物層の下にある前記基板表面の部分は窒化されず、前記各周辺メモリデバイスはさらに
    前記ゲート酸化物層上にわたる第1のポリシリコン層を含む、請求項12に記載のフラッシュメモリデバイス。
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