JP2012099701A - Semiconductor device, and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a semiconductor device that can realize low-voltage operation and low-power consumption of a non-volatile memory having a gate electrode with a stack structure.SOLUTION: A first conductive film is formed on an element isolation insulating film. A first insulating film is formed on an element region. A second conductive film is formed on the first insulating film and on the element isolation insulating film on which the first conductive film is formed. The second conductive film and the first conductive film are patterned to form a floating gate in which a first part formed by the second conductive film is located on the element region, and in which a second part formed by a lamination layer film of the first and second conductive films is located on the element isolation insulating film. A second insulating film is formed on the floating gate. A control gate is formed on the second insulating film.

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、フローティングゲートとコントロールゲートとが積層されたスタック構造のゲート電極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 and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a gate electrode having a stack structure in which a floating gate and a control gate are stacked and a manufacturing method thereof.

書き換え可能な不揮発性メモリとして、フラッシュEEPROMに代表されるスタックゲート構造の半導体記憶装置が知られている。フラッシュ型のEEPROMは、その利便性から、重要な半導体デバイスとなっており、より大規模な記憶容量化やロジック回路と混載したチップ等の開発が活発に行われている。   As a rewritable nonvolatile memory, a semiconductor memory device having a stack gate structure represented by a flash EEPROM is known. The flash EEPROM is an important semiconductor device because of its convenience, and development of a chip with a larger scale storage capacity and a logic circuit is being actively carried out.

特開平11−186414号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-186414 特開2003−031702号公報JP 2003-031702 A

半導体装置の高集積化・微細化が進むにつれ、低電圧動作・低消費電力が求められている。このため、スタック構造のゲート電極を有する不揮発性メモリにも、低電圧動作・低消費電力が可能な構造や製造方法が求められている。   As semiconductor devices are highly integrated and miniaturized, low voltage operation and low power consumption are required. For this reason, a structure and a manufacturing method capable of low voltage operation and low power consumption are also required for a nonvolatile memory having a stack structure gate electrode.

本発明の目的は、スタック構造のゲート電極を有する不揮発性メモリの低電圧動作化・低消費電力化を実現しうる半導体装置の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of realizing low voltage operation and low power consumption of a nonvolatile memory having a stack structure gate electrode.

実施形態の一観点によれば、半導体基板に、素子領域を画定する素子分離絶縁膜を形成する工程と、前記素子分離絶縁膜上に、第1の導電膜を形成する工程と、前記素子領域上に、第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜上及び前記第1の導電膜が形成された前記素子分離絶縁膜上に、第2の導電膜を形成する工程と、前記第2の導電膜及び前記第1の導電膜をパターニングし、前記第2の導電膜により形成された第1の部分が前記素子領域上に位置し、前記第1の導電膜と前記第2の導電膜の積層膜により形成された第2の部分が前記素子分離絶縁膜上に位置するフローティングゲートを形成する工程と、前記フローティングゲート上に、第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜上に、第1の方向に延在するコントロールゲートを形成する工程と、前記コントロールゲートをマスクとして前記第2の絶縁膜及び前記フローティングゲートをエッチングし、前記コントロールゲートが形成された領域以外の領域に形成された前記第2の絶縁膜及び前記フローティングゲートを除去する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。   According to one aspect of the embodiment, a step of forming an element isolation insulating film for defining an element region on a semiconductor substrate, a step of forming a first conductive film on the element isolation insulating film, and the element region Forming a first insulating film; forming a second conductive film on the first insulating film and on the element isolation insulating film on which the first conductive film is formed; The second conductive film and the first conductive film are patterned, and a first portion formed by the second conductive film is located on the element region, and the first conductive film and the first conductive film are formed. A step of forming a floating gate in which a second portion formed by a laminated film of two conductive films is located on the element isolation insulating film; a step of forming a second insulating film on the floating gate; A controller extending in the first direction on the second insulating film. Forming a gate, and etching the second insulating film and the floating gate using the control gate as a mask, the second insulating film formed in a region other than the region where the control gate is formed, and the There is provided a method of manufacturing a semiconductor device including a step of removing a floating gate.

開示の半導体装置の製造方法によれば、フローティングゲートとコントロールゲートとの間に形成されるキャパシタの容量を増やしてカップリング比を増加させることができる。これにより、動作電圧を低電圧化及び昇圧時間の短縮化が可能となり、半導体装置の高集積化・微細化が容易となる。   According to the disclosed method for manufacturing a semiconductor device, the coupling ratio can be increased by increasing the capacitance of the capacitor formed between the floating gate and the control gate. As a result, the operating voltage can be lowered and the boosting time can be shortened, and the semiconductor device can be easily integrated and miniaturized.

図1は、第1実施形態による半導体装置の構造を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment. 図2は、第1実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図(その1)である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view (part 1) showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment. 図3は、第1実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図(その2)である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view (part 2) illustrating the structure of the semiconductor device according to the first embodiment. 図4は、フラットSTIプロセスを用いて製造した半導体装置の構造の一例を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a semiconductor device manufactured using a flat STI process. 図5は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。FIG. 5 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図6は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。FIG. 6 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図7は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。FIG. 7 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図8は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。FIG. 8 is a process cross-sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図9は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その5)である。FIG. 9 is a process cross-sectional view (part 5) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図10は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その6)である。FIG. 10 is a process cross-sectional view (No. 6) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図11は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その7)である。FIG. 11 is a process cross-sectional view (No. 7) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図12は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その8)である。FIG. 12 is a process cross-sectional view (No. 8) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図13は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その9)である。FIG. 13 is a process cross-sectional view (No. 9) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図14は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その10)である。FIG. 14 is a process cross-sectional view (No. 10) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図15は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その11)である。FIG. 15 is a process cross-sectional view (No. 11) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図16は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その12)である。FIG. 16 is a process cross-sectional view (No. 12) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図17は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その13)である。FIG. 17 is a process cross-sectional view (No. 13) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図18は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その14)である。FIG. 18 is a process cross-sectional view (No. 14) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図19は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その15)である。FIG. 19 is a process cross-sectional view (No. 15) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図20は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その16)である。FIG. 20 is a process cross-sectional view (No. 16) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図21は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その17)である。FIG. 21 is a process cross-sectional view (No. 17) showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図22は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その18)である。FIG. 22 is a process cross-sectional view (No. 18) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図23は、第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。FIG. 23 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. 図24は、第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。FIG. 24 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. 図25は、第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。FIG. 25 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment; 図26は、第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。FIG. 26 is a process cross-sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment; 図27は、第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その5)である。FIG. 27 is a process cross-sectional view (part 5) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. 図28は、実施形態の変形例による半導体装置の構造を示す概略断面図である。FIG. 28 is a schematic cross-sectional view illustrating the structure of a semiconductor device according to a modification of the embodiment.

[第1実施形態]
第1実施形態による半導体装置及びその製造方法について図1乃至図22を用いて説明する。
[First Embodiment]
The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図1は、本実施形態による半導体装置の構造を示す平面図である。図2及び図3は、本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。図4は、フラットSTIプロセスを用いて製造した半導体装置の構造の一例を示す概略断面図である。図5乃至図22は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。   FIG. 1 is a plan view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment. 2 and 3 are schematic cross-sectional views showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a semiconductor device manufactured using a flat STI process. 5 to 22 are process cross-sectional views illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment.

はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図1乃至図3を用いて説明する。   First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.

シリコン基板10の主表面には、素子領域を画定する素子分離絶縁膜20が形成されている。また、シリコン基板10内には、Pウェル28と、Pウェル28を囲むように設けられたNウェル32及びN型埋め込み層34が形成されている。   An element isolation insulating film 20 that defines an element region is formed on the main surface of the silicon substrate 10. In the silicon substrate 10, a P well 28, an N well 32 and an N type buried layer 34 provided so as to surround the P well 28 are formed.

素子分離絶縁膜20により画定された素子領域上には、トンネルゲート絶縁膜36を介してフローティングゲート50が形成されている。フローティングゲート50上には、ONO膜42を介してコントロールゲート48が形成されている。コントロールゲート48の両側のシリコン基板10内には、ソース/ドレイン領域となるN型不純物層56,66が形成されている。こうして、素子領域上には、フローティングゲート50とコントロールゲート48とが積層されたスタック構造のゲート電極を有するメモリセルトランジスタが形成されている。   A floating gate 50 is formed on the element region defined by the element isolation insulating film 20 via the tunnel gate insulating film 36. A control gate 48 is formed on the floating gate 50 via an ONO film 42. N-type impurity layers 56 and 66 serving as source / drain regions are formed in the silicon substrate 10 on both sides of the control gate 48. Thus, a memory cell transistor having a stack structure gate electrode in which the floating gate 50 and the control gate 48 are stacked is formed on the element region.

シリコン基板10上には、このようなメモリセルトランジスタが、複数、マトリクス状に配置されている。X方向に隣接するメモリセルトランジスタのコントロールゲート48は、互いに接続されており、ワード線WLを形成している。ワード線WL間の素子領域は、交互にメモリセルトランジスタのソース領域とドレイン領域を形成している。X方向に隣接するメモリセルトランジスタのソース領域は、X方向に延在するN型不純物層56(ソース線)によって互いに接続されている。   A plurality of such memory cell transistors are arranged in a matrix on the silicon substrate 10. Control gates 48 of memory cell transistors adjacent in the X direction are connected to each other to form a word line WL. In the element region between the word lines WL, a source region and a drain region of the memory cell transistor are alternately formed. The source regions of memory cell transistors adjacent in the X direction are connected to each other by an N-type impurity layer 56 (source line) extending in the X direction.

メモリセルトランジスタが形成されたシリコン基板上には、層間絶縁膜72が形成されている。層間絶縁膜72には、メモリセルトランジスタのドレイン領域(N型不純物層64)に達するコンタクトホール74が形成されている。コンタクトホール74内には、コンタクトプラグ76が埋め込まれている。コンタクトプラグ90が埋め込まれた層間絶縁膜80上には、Y方向に延在し、コンタクトプラグ90を介してメモリセルトランジスタのドレイン領域に接続されたビット線78が形成されている。これにより、Y方向に隣接するメモリセルトランジスタのドレイン領域は、ビット線78によって互いに接続されている。   An interlayer insulating film 72 is formed on the silicon substrate on which the memory cell transistors are formed. In the interlayer insulating film 72, a contact hole 74 reaching the drain region (N-type impurity layer 64) of the memory cell transistor is formed. A contact plug 76 is embedded in the contact hole 74. A bit line 78 extending in the Y direction and connected to the drain region of the memory cell transistor via the contact plug 90 is formed on the interlayer insulating film 80 in which the contact plug 90 is embedded. Thus, the drain regions of the memory cell transistors adjacent in the Y direction are connected to each other by the bit line 78.

ここで、本実施形態による半導体装置では、フローティングゲート50が、図3に示すように、2層の導電膜(シリコン膜24,38)によって形成されている。シリコン膜38は、フローティングゲート50の形成領域の全体に形成されており、シリコン膜24は、フローティングゲート50の形成領域のX方向の両端部にそれぞれ形成されている。フローティングゲート50のX方向の両端部では、シリコン膜38がシリコン膜24上に乗り上げるように形成されている。これにより、ONO膜42に接するフローティングゲート50の表面積が増し、ONO膜42を介して形成されるフローティングゲート50とコントロールゲート48との間のキャパシタの容量を増加することができる。   Here, in the semiconductor device according to the present embodiment, the floating gate 50 is formed of two layers of conductive films (silicon films 24 and 38) as shown in FIG. The silicon film 38 is formed over the entire region where the floating gate 50 is formed, and the silicon film 24 is formed at both ends in the X direction of the region where the floating gate 50 is formed. The silicon film 38 is formed on the silicon film 24 at both ends in the X direction of the floating gate 50. Thereby, the surface area of the floating gate 50 in contact with the ONO film 42 is increased, and the capacitance of the capacitor between the floating gate 50 and the control gate 48 formed via the ONO film 42 can be increased.

フラットSTIプロセスを用いた半導体装置では、例えば図4に示すように、フローティングゲート50は1層の導電膜によって形成される。この場合において、フローティングゲート50の膜厚を100nm、フローティングゲート50のX方向の幅を150nm、コントロールゲート48のY方向の幅を250nmと仮定すると、ONO膜42に接するフローティングゲート50の表面積は、87500nmとなる。 In a semiconductor device using a flat STI process, for example, as shown in FIG. 4, the floating gate 50 is formed of a single layer of conductive film. In this case, assuming that the thickness of the floating gate 50 is 100 nm, the width of the floating gate 50 in the X direction is 150 nm, and the width of the control gate 48 in the Y direction is 250 nm, the surface area of the floating gate 50 in contact with the ONO film 42 is the 87500nm 2.

なお、フラットSTIプロセスとは、素子分離絶縁膜を形成後、素子分離絶縁膜の表面をエッチングしておくことにより、フローティングゲート形成面の活性領域と素子分離領域との間の段差を低減するプロセスである。   Note that the flat STI process is a process of reducing the step between the active region and the element isolation region on the floating gate formation surface by etching the surface of the element isolation insulating film after forming the element isolation insulating film. It is.

これに対し、図3に示す本実施形態の半導体装置では、上記パラメータに加え、シリコン膜24の膜厚を100nm、シリコン膜38の表面段差を100nmと仮定すると、ONO膜42に接するフローティングゲート50の表面積は、187500nmとなる。 On the other hand, in the semiconductor device of this embodiment shown in FIG. 3, in addition to the above parameters, assuming that the film thickness of the silicon film 24 is 100 nm and the surface step of the silicon film 38 is 100 nm, the floating gate 50 in contact with the ONO film 42. Has a surface area of 187500 nm 2 .

フローティングゲート50とコントロールゲート48との間のキャパシタの容量は、ONO膜42に接するフローティングゲート50の表面積に比例する。したがって、図3に示す本実施形態の半導体装置では、図4に示す半導体装置と比較して、キャパシタの容量をおよそ2.1倍に増加することができる。   The capacitance of the capacitor between the floating gate 50 and the control gate 48 is proportional to the surface area of the floating gate 50 in contact with the ONO film 42. Therefore, in the semiconductor device of this embodiment shown in FIG. 3, the capacitance of the capacitor can be increased by about 2.1 times compared to the semiconductor device shown in FIG.

ここで、スタック構造のゲート電極の特性を評価する一つのパラメータとして、カップリング比がある。カップリング比は、フローティングゲート50とシリコン基板10との間のキャパシタ容量をCTNOX、フローティングゲート50とコントロールゲート48との間のキャパシタ容量をCONOとして、CONO/(CTNOX+CONO)で定義される。カップリング比は、メモリセルトランジスタの書き込み/消去動作に大きく影響する。すなわち、カップリング比が小さいと、ファウラー・ノルドハイム・トンネル現象によってトンネルゲート絶縁膜36に電流を流してデータの書き込みや消去を行う際に、大きな動作電圧が必要となる。カップリング比の低下を回路設計で補うことも考えられるが、電源電圧から動作電圧まで昇圧するための昇圧回路の素子面積が増大し、チップコストの上昇、更には、昇厚時間がかかることから処理速度の低下をも引き起こすことになる。半導体装置の微細化や低電圧化が進むと、カップリング比を大きくする必要性は更に高くなる。   Here, there is a coupling ratio as one parameter for evaluating the characteristics of the gate electrode of the stack structure. The coupling ratio is defined as CONO / (CTNOX + CONO), where CNOX is the capacitor capacity between the floating gate 50 and the silicon substrate 10, and CONO is the capacitor capacity between the floating gate 50 and the control gate 48. The coupling ratio greatly affects the write / erase operation of the memory cell transistor. That is, when the coupling ratio is small, a large operating voltage is required when data is written or erased by passing a current through the tunnel gate insulating film 36 by the Fowler-Nordheim tunnel phenomenon. Although it is conceivable to compensate for the reduction in the coupling ratio by circuit design, the element area of the booster circuit for boosting from the power supply voltage to the operating voltage increases, resulting in an increase in chip cost and further increase in thickness. It also causes a decrease in processing speed. As the semiconductor device is miniaturized and the voltage is reduced, the necessity for increasing the coupling ratio is further increased.

本実施形態による半導体装置によれば、フローティングゲート50とコントロールゲート48との間のキャパシタ容量を増加することができ、ひいてはカップリング比を増大することができる。これにより、より低い動作電圧での書き込み・消去動作を行うことが可能となる。   According to the semiconductor device according to the present embodiment, the capacitance of the capacitor between the floating gate 50 and the control gate 48 can be increased, and thus the coupling ratio can be increased. This makes it possible to perform a write / erase operation with a lower operating voltage.

また、本実施形態による半導体装置では、図3に示すように、フローティングゲート50を形成する下層のシリコン膜24の側面が、シリコン膜38側に近づくほど外側に張り出した逆テーパ形状を有している。これは、シリコン膜24,38をY方向に分離してフローティングゲート50を形成する際に生じることのあるエッチング残渣の影響を防止するためである。   In the semiconductor device according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, the side surface of the lower silicon film 24 forming the floating gate 50 has an inversely tapered shape that protrudes outward as it approaches the silicon film 38 side. Yes. This is to prevent the influence of etching residues that may occur when the floating gate 50 is formed by separating the silicon films 24 and 38 in the Y direction.

フローティングゲート50をY方向に分離するエッチングの際、素子分離絶縁膜20上に乗り上げている部分のフローティングゲート50の形状に起因して、Y方向に延在するストリンガー状のエッチング残渣が生じることがある。このようなエッチング残渣が発生すると、Y方向に隣接するフローティングゲート50間がエッチング残渣によって互いに接続されてしまい、動作不良を引き起こすことがある。シリコン膜24の側面を逆テーパ形状とすることにより、Y方向に延在するストリンガー状のエッチング残渣が発生するのを防止することができる(後述の製造方法を参照)。   During the etching for separating the floating gate 50 in the Y direction, a stringer-like etching residue extending in the Y direction may be generated due to the shape of the floating gate 50 on the element isolation insulating film 20. is there. When such an etching residue is generated, the floating gates 50 adjacent in the Y direction are connected to each other by the etching residue, which may cause malfunction. By making the side surface of the silicon film 24 into an inversely tapered shape, it is possible to prevent the occurrence of stringer-like etching residues extending in the Y direction (see the manufacturing method described later).

上述のフラットSTIプロセスは、ストリンガー残渣対策として有効なプロセスではあるが、カップリング比の低下が顕著である。   The flat STI process described above is an effective process as a stringer residue countermeasure, but the coupling ratio is significantly reduced.

これに対し、本実施形態の半導体装置によれば、ストリンガー残渣の発生と、カップリング比の増加との双方を、同時に実現することができる。これにより、動作電圧の低下及び昇圧時間の短縮、製造コストの低減が可能となり、半導体装置の高集積化、微細化が可能となる。また、ストリンガー残渣を低減できることにより、半導体装置の歩留まりや信頼性を向上することができる。   On the other hand, according to the semiconductor device of the present embodiment, both the generation of stringer residue and the increase of the coupling ratio can be realized simultaneously. As a result, the operating voltage can be lowered, the boosting time can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced, and the semiconductor device can be highly integrated and miniaturized. Further, since the stringer residue can be reduced, the yield and reliability of the semiconductor device can be improved.

次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図5乃至図22を用いて説明する。なお、図5乃至図15において、各図(a)はメモリセル領域の工程断面図を示し、各図(b)は周辺回路領域の工程断面図を示している。図16乃至図22は、メモリセル領域の工程断面図を示している。   Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 5 to 15, each drawing (a) shows a process sectional view of the memory cell region, and each drawing (b) shows a process sectional view of the peripheral circuit region. 16 to 22 are process sectional views of the memory cell region.

まず、シリコン基板10上に、例えば熱酸化法により、例えば膜厚50nm程度のシリコン酸化膜12を形成する。   First, a silicon oxide film 12 having a thickness of, eg, about 50 nm is formed on the silicon substrate 10 by, eg, thermal oxidation.

次いで、シリコン酸化膜12上に、例えばCVD法により、例えば膜厚250nm程度のシリコン窒化膜14を形成する。   Next, a silicon nitride film 14 having a thickness of, eg, about 250 nm is formed on the silicon oxide film 12 by, eg, CVD.

次いで、シリコン窒化膜14上に、素子分離領域を露出し、素子領域を覆うフォトレジスト膜(図示せず)を形成する。   Next, a photoresist film (not shown) that exposes the element isolation region and covers the element region is formed on the silicon nitride film 14.

次いで、このフォトレジスト膜をマスクとしてシリコン窒化膜14、シリコン酸化膜12及びシリコン基板10をエッチングし、シリコン基板10の素子分離領域に、深さが例えば600nmのトレンチ16を形成する。   Next, the silicon nitride film 14, the silicon oxide film 12 and the silicon substrate 10 are etched using this photoresist film as a mask to form a trench 16 having a depth of, for example, 600 nm in the element isolation region of the silicon substrate 10.

次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜を除去する(図5(a)、(b))。   Next, the photoresist film is removed by, for example, ashing (FIGS. 5A and 5B).

次いで、例えば熱酸化法により、トレンチ16の内壁にシリコン酸化膜のライナー膜(図示せず)を形成する。   Next, a liner film (not shown) of a silicon oxide film is formed on the inner wall of the trench 16 by, for example, a thermal oxidation method.

次いで、全面に、例えばCVD法により、例えば膜厚800nmのシリコン酸化膜18を堆積し、トレンチ16内をシリコン酸化膜18によって埋め込む(図6(a)、(b))。   Next, a silicon oxide film 18 of, eg, a 800 nm-thickness is deposited on the entire surface by, eg, CVD, and the trench 16 is filled with the silicon oxide film 18 (FIGS. 6A and 6B).

次いで、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法により、シリコン窒化膜14が露出するまでシリコン酸化膜18を研磨し、シリコン窒化膜14上の余分なシリコン酸化膜18を除去する。こうして、トレンチ16内に埋め込まれたシリコン酸化膜18により、素子分離絶縁膜(STI)20を形成する(図7(a)、(b))。   Next, the silicon oxide film 18 is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) until the silicon nitride film 14 is exposed, and the excess silicon oxide film 18 on the silicon nitride film 14 is removed. Thus, the element isolation insulating film (STI) 20 is formed by the silicon oxide film 18 buried in the trench 16 (FIGS. 7A and 7B).

次いで、フォトリソグラフィにより、メモリセル領域を露出し周辺回路領域を覆うフォトレジスト膜22を形成する。   Next, a photoresist film 22 that exposes the memory cell region and covers the peripheral circuit region is formed by photolithography.

次いで、フォトレジスト膜22及びシリコン窒化膜14をマスクとして、例えばフッ酸系の水溶液を用いたウェットエッチングを行い、素子分離絶縁膜20の表面部をエッチングする。これにより、メモリセル領域内の素子領域と素子分離領域との間の段差を低減する(図8(a)、(b))。この工程は、通常のフラットSTIプロセスと同様である。   Next, using the photoresist film 22 and the silicon nitride film 14 as a mask, wet etching using, for example, a hydrofluoric acid aqueous solution is performed to etch the surface portion of the element isolation insulating film 20. Thereby, the step between the element region and the element isolation region in the memory cell region is reduced (FIGS. 8A and 8B). This step is the same as a normal flat STI process.

次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜22を除去する。   Next, the photoresist film 22 is removed by, for example, ashing.

次いで、全面に、例えばCVD法により、膜厚が例えば100nm、リン濃度が例えば1×1023cm−3のシリコン膜24を堆積する(図9(a)、(b))。シリコン膜24は、ポリシリコン膜でもよいしアモルファスシリコン膜でもよい。 Next, a silicon film 24 having a thickness of, for example, 100 nm and a phosphorus concentration of, for example, 1 × 10 23 cm −3 is deposited on the entire surface by, eg, CVD (FIGS. 9A and 9B). The silicon film 24 may be a polysilicon film or an amorphous silicon film.

なお、シリコン膜24の不純物濃度は、後工程で形成するシリコン膜38の不純物濃度よりも高く、より好ましくは1桁以上高くすることが望ましい。これは、シリコン膜24,38をエッチングする際に、シリコン膜24のエッチングレートをシリコン膜38のエッチングレートよりも高くするためである。   It should be noted that the impurity concentration of the silicon film 24 is higher than the impurity concentration of the silicon film 38 to be formed in a later step, more preferably higher by one digit or more. This is because the etching rate of the silicon film 24 is made higher than the etching rate of the silicon film 38 when the silicon films 24 and 38 are etched.

次いで、CMP法により、シリコン窒化膜14が露出するまでシリコン膜24を研磨し、シリコン窒化膜14上の余分なシリコン膜24を除去する。この際、周辺回路領域の素子分離絶縁膜20はシリコン窒化膜14とほぼ同じ高さを有しているため、周辺回路領域のシリコン膜24は総て除去される。一方、メモリセル領域の素子分離絶縁膜20の表面はシリコン窒化膜14の表面よりも窪んでいるため、メモリセル領域の素子分離絶縁膜20上のシリコン膜24は除去されずに残る。これにより、メモリセル領域の素子分離絶縁膜20上に、選択的にシリコン膜24を残存させることができる(図10(a)、(b))。   Next, the silicon film 24 is polished by CMP until the silicon nitride film 14 is exposed, and the excess silicon film 24 on the silicon nitride film 14 is removed. At this time, since the element isolation insulating film 20 in the peripheral circuit region has almost the same height as the silicon nitride film 14, all of the silicon film 24 in the peripheral circuit region is removed. On the other hand, since the surface of the element isolation insulating film 20 in the memory cell region is recessed from the surface of the silicon nitride film 14, the silicon film 24 on the element isolation insulating film 20 in the memory cell region remains without being removed. Thereby, the silicon film 24 can be selectively left on the element isolation insulating film 20 in the memory cell region (FIGS. 10A and 10B).

次いで、例えばウェットエッチングにより、シリコン窒化膜14及びシリコン酸化膜12を除去する。   Next, the silicon nitride film 14 and the silicon oxide film 12 are removed by wet etching, for example.

次いで、熱酸化法により、例えば膜厚20nmのシリコン酸化膜を形成する。これにより、素子領域上に、シリコン酸化膜の犠牲酸化膜26を形成する(図11(a)、(b))。   Next, a silicon oxide film of, eg, a 20 nm-thickness is formed by thermal oxidation. Thereby, a sacrificial oxide film 26 of a silicon oxide film is formed on the element region (FIGS. 11A and 11B).

次いで、フォトリソグラフィ及びイオン注入により、メモリセル領域及び周辺回路領域の高電圧トランジスタ形成領域に、所定のウェルを形成する。   Next, a predetermined well is formed in the high voltage transistor formation region in the memory cell region and the peripheral circuit region by photolithography and ion implantation.

例えば、まず、メモリセル領域及びN型高電圧トランジスタ形成領域を露出するフォトレジスト膜(図示せず)をマスクとして、例えば、ボロンイオン(B)を、加速エネルギー450keV、ドーズ量1×1013cm−2の条件でイオン注入する(TPW)。また、例えば、ボロンイオンを、加速エネルギー10keV、ドーズ量4×1012cm−2の条件でイオン注入する(NVT1)。また、例えば、リンイオン(P+)を、加速エネルギー2MeV、ドーズ量2×1013cm−2の条件でイオン注入することにより形成する(BNW)。 For example, first, using a photoresist film (not shown) that exposes the memory cell region and the N-type high-voltage transistor formation region as a mask, for example, boron ions (B + ) are accelerated energy 450 keV and dose 1 × 10 13. Ion implantation is performed under the condition of cm −2 (TPW). Further, for example, boron ions are ion-implanted under the conditions of an acceleration energy of 10 keV and a dose of 4 × 10 12 cm −2 (NVT1). Further, for example, phosphorus ions (P +) are formed by ion implantation under the conditions of an acceleration energy of 2 MeV and a dose amount of 2 × 10 13 cm −2 (BNW).

次いで、P型高電圧トランジスタ形成領域を露出するフォトレジスト膜(図示せず)をマスクとして、例えば、リンイオンを、加速エネルギー600keV、ドーズ量4×1012cm−2の条件でイオン注入する(NW1)。また、例えば、リンイオンを、加速エネルギー50keV、ドーズ量4×1012cm−2の条件でイオン注入する(PVT)。 Next, for example, phosphorus ions are ion-implanted under the conditions of an acceleration energy of 600 keV and a dose of 4 × 10 12 cm −2 using a photoresist film (not shown) that exposes the P-type high-voltage transistor formation region as a mask (NW1 ). Further, for example, phosphorus ions are ion-implanted (PVT) under the conditions of an acceleration energy of 50 keV and a dose of 4 × 10 12 cm −2 .

次いで、メモリセル領域を露出するフォトレジスト膜(図示せず)をマスクとして、例えば、ボロンイオンを、加速エネルギー50keV、ドーズ量6×1013cm−2の条件でイオン注入する(CVT)。 Next, using a photoresist film (not shown) that exposes the memory cell region as a mask, for example, boron ions are ion-implanted (CVT) under the conditions of an acceleration energy of 50 keV and a dose of 6 × 10 13 cm −2 .

次いで、N型高電圧トランジスタ形成領域を露出するフォトレジスト膜(図示せず)をマスクとして、例えば、ボロンイオンを、加速エネルギー10keV、ドーズ量2×1012cm−2の条件でイオン注入する(NVT2)。 Next, for example, boron ions are ion-implanted under the conditions of an acceleration energy of 10 keV and a dose of 2 × 10 12 cm −2 using a photoresist film (not shown) exposing the N-type high-voltage transistor formation region as a mask ( NVT2).

次いで、例えば窒素雰囲気中で熱処理を行い、注入した不純物を活性化する。これにより、メモリセル領域に、TPW、NTV1、CVTイオン注入の不純物により、閾値電圧制御用のチャネル不純物層を含むPウェル28を形成する。また、N型高電圧トランジスタ形成領域に、TPW、NTV1、NVT2イオン注入の不純物により、閾値電圧制御用のチャネル不純物層を含むPウェル30を形成する。また、P型高電圧トランジスタ形成領域に、NW1、PVTイオン注入の不純物により、閾値電圧制御用のチャネル不純物層を含むNウェル32を形成する。また、Pウェル28,30の下部に、BNWイオン注入の不純物により、埋め込みN型層34を形成する。Pウェル28,30は、Nウェル32及び埋め込みN型層34により囲まれた二重ウェルとし、シリコン基板10の他の領域から分離する(図12(a)、(b))。   Next, for example, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere to activate the implanted impurities. As a result, a P well 28 including a channel impurity layer for threshold voltage control is formed in the memory cell region by the impurities of TPW, NTV1, and CVT ion implantation. Further, a P well 30 including a channel impurity layer for controlling the threshold voltage is formed in the N-type high voltage transistor formation region using impurities of TPW, NTV1, and NVT2 ion implantation. Further, an N well 32 including a channel impurity layer for threshold voltage control is formed in the P-type high voltage transistor formation region by NW1 and PVT ion implantation impurities. Also, a buried N-type layer 34 is formed below the P wells 28 and 30 by BNW ion implantation impurities. The P wells 28 and 30 are double wells surrounded by the N well 32 and the buried N-type layer 34, and are separated from other regions of the silicon substrate 10 (FIGS. 12A and 12B).

次いで、例えば弗酸水溶液を用いたウェットエッチングにより、犠牲酸化膜26を除去する。   Next, the sacrificial oxide film 26 is removed by, for example, wet etching using a hydrofluoric acid aqueous solution.

次いで、例えば酸化雰囲気中で熱処理を行い、シリコン基板10の表面を熱酸化し、素子領域に、例えば膜厚10nmのシリコン酸化膜を成長し、シリコン酸化膜のゲート絶縁膜36を形成する。   Next, for example, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere, the surface of the silicon substrate 10 is thermally oxidized, and a silicon oxide film of, eg, a 10 nm-thickness is grown in the element region to form a gate insulating film 36 of a silicon oxide film.

次いで、全面に、例えばCVD法により、膜厚が例えば100nm、リン濃度が例えば1×1022cm−3のシリコン膜38を堆積する(図13(a)、(b))。シリコン膜38は、ポリシリコン膜でもよいしアモルファスシリコン膜でもよい。 Next, a silicon film 38 having a thickness of, for example, 100 nm and a phosphorus concentration of, for example, 1 × 10 22 cm −3 is deposited on the entire surface by, eg, CVD (FIGS. 13A and 13B). The silicon film 38 may be a polysilicon film or an amorphous silicon film.

次いで、フォトリソグラフィにより、周辺回路領域のシリコン膜38を除去し、メモリセル領域のシリコン膜24,38をY方向に延在するストライプ状にパターニングするためのフォトレジスト膜40を形成する(図14(a)、(b))、図21(a))。   Next, the silicon film 38 in the peripheral circuit region is removed by photolithography, and a photoresist film 40 for patterning the silicon films 24 and 38 in the memory cell region into stripes extending in the Y direction is formed (FIG. 14). (A), (b)), FIG. 21 (a)).

次いで、フォトレジスト膜40をマスクとしてシリコン膜38,24を順次エッチングし、周辺回路領域のシリコン膜38を除去するとともに、メモリセル領域のシリコン膜24,38をY方向に延在するストライプ状にパターニングする(図21(b)、図22(a))。   Next, the silicon films 38 and 24 are sequentially etched using the photoresist film 40 as a mask to remove the silicon film 38 in the peripheral circuit region, and the silicon films 24 and 38 in the memory cell region are formed in stripes extending in the Y direction. Patterning is performed (FIGS. 21B and 22A).

このとき、シリコン膜24に含まれる不純物濃度はシリコン膜38に含まれる不純物濃度よりも1桁程度高いため、シリコン膜24のエッチングレートはシリコン膜38のエッチングレートよりも大きくなる。このため、シリコン膜38のエッチング面が垂直になるようにエッチング条件を設定すると、シリコン膜24は垂直形状よりも過剰にエッチングされ、エッチング面が逆テーパ形状となる。   At this time, since the impurity concentration contained in the silicon film 24 is about one digit higher than the impurity concentration contained in the silicon film 38, the etching rate of the silicon film 24 is higher than the etching rate of the silicon film 38. For this reason, when the etching conditions are set so that the etching surface of the silicon film 38 is vertical, the silicon film 24 is etched more than the vertical shape, and the etching surface becomes a reverse taper shape.

次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜40を除去する(図15(a)、(b)、図22(b))。   Next, the photoresist film 40 is removed by, for example, ashing (FIGS. 15A, 15B, and 22B).

なお、Y方向に延在するストライプ状のシリコン膜24,38は、後工程でX方向に分割してフローティングゲート50となるが、本明細書では説明の便宜上、Y方向に延在するストライプ状のシリコン膜24,38をフローティングゲートと呼ぶこともある。   The stripe-shaped silicon films 24 and 38 extending in the Y direction are divided in the X direction to form the floating gate 50 in a later process. However, for convenience of explanation in this specification, the stripe-shaped silicon films 24 and 38 extend in the Y direction. These silicon films 24 and 38 are sometimes called floating gates.

次いで、全面に、例えばCVD法により膜厚10nmのシリコン酸化膜を、例えばCVD法により膜厚10nmのシリコン窒化膜を、例えば熱酸化法により膜厚10nmのシリコン酸化膜を、順次形成する。これにより、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜構造のONO膜42を形成する。   Next, a 10 nm-thickness silicon oxide film is formed on the entire surface by, for example, a CVD method, a 10 nm-thickness silicon nitride film is formed by, for example, a CVD method, and a 10 nm-thickness silicon oxide film is sequentially formed by, for example, a thermal oxidation method. Thereby, an ONO film 42 having a silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film structure is formed.

次いで、メモリセル領域を覆い、周辺回路領域を露出するフォトレジスト膜(図示せず)をマスクとして、周辺回路領域のONO膜42及びトンネルゲート絶縁膜36を、エッチングにより選択的に除去する。   Next, the ONO film 42 and the tunnel gate insulating film 36 in the peripheral circuit region are selectively removed by etching using a photoresist film (not shown) that covers the memory cell region and exposes the peripheral circuit region as a mask.

次いで、周辺回路領域に、所定のウェル(図示せず)及びゲート絶縁膜(図示せず)を形成する。なお、周辺回路トランジスタの以降の製造プロセスは通常の製造プロセスと同様のため、ここでは説明を省略する。   Next, a predetermined well (not shown) and a gate insulating film (not shown) are formed in the peripheral circuit region. Since the subsequent manufacturing process of the peripheral circuit transistor is the same as the normal manufacturing process, description thereof is omitted here.

次いで、全面に、例えばCVD法により、膜厚が例えば200nm、リン濃度が例えば5×1020cm−3のシリコン膜44を堆積する。シリコン膜44は、ポリシリコン膜でもよいしアモルファスシリコン膜でもよい。 Next, a silicon film 44 having a thickness of, for example, 200 nm and a phosphorus concentration of, for example, 5 × 10 20 cm −3 is deposited on the entire surface by, eg, CVD. The silicon film 44 may be a polysilicon film or an amorphous silicon film.

次いで、シリコン膜44上に、例えばCVD法により、例えば膜厚100nmのシリコン窒化膜46を形成する(図16)。   Next, a silicon nitride film 46 of, eg, a 100 nm-thickness is formed on the silicon film 44 by, eg, CVD (FIG. 16).

次いで、フォトリソグラフィにより、シリコン窒化膜46上に、周辺回路領域を覆い、メモリセル領域にコントロールゲートのパターンを有するフォトレジスト膜(図示せず)を形成する。   Next, a photoresist film (not shown) is formed on the silicon nitride film 46 by photolithography so as to cover the peripheral circuit region and to have a control gate pattern in the memory cell region.

次いで、このフォトレジスト膜をマスクとして、メモリセル領域のシリコン窒化膜46、シリコン膜44をエッチングする。これにより、メモリセル領域に、上面がシリコン窒化膜46で覆われたシリコン膜44よりなるコントロールゲート48を形成する。コントロールゲート48のゲート長は、例えば0.25μmとする。   Next, the silicon nitride film 46 and the silicon film 44 in the memory cell region are etched using this photoresist film as a mask. As a result, a control gate 48 made of the silicon film 44 whose upper surface is covered with the silicon nitride film 46 is formed in the memory cell region. The gate length of the control gate 48 is, for example, 0.25 μm.

次いで、フォトレジスト膜をマスクとして、ONO膜42及びシリコン膜38,24を更にエッチングし、シリコン膜38,24をY方向に分割する。これにより、コントロールゲート48下に、シリコン膜38,24よりなるフローティングゲート50を形成する。   Next, using the photoresist film as a mask, the ONO film 42 and the silicon films 38 and 24 are further etched to divide the silicon films 38 and 24 in the Y direction. As a result, the floating gate 50 made of the silicon films 38 and 24 is formed under the control gate 48.

この際、シリコン膜24の側面は逆テーパ形状となっているため、シリコン膜24の側面に形成されたONO膜42の陰になってシリコン膜24のエッチングができなくなるような不具合は生じない。また、図8に示す工程において素子分離絶縁膜20の表面部をエッチングし、素子領域と素子分離領域との間の段差を低減している。これにより、Y方向に延在するストリンガー状のエッチング残渣が生じることを防止することができる。   At this time, since the side surface of the silicon film 24 has an inversely tapered shape, there is no problem that the silicon film 24 cannot be etched behind the ONO film 42 formed on the side surface of the silicon film 24. Further, in the step shown in FIG. 8, the surface portion of the element isolation insulating film 20 is etched to reduce the level difference between the element region and the element isolation region. Thereby, it is possible to prevent the occurrence of a stringer-like etching residue extending in the Y direction.

次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜を除去する。   Next, the photoresist film is removed by, for example, ashing.

次いで、フォトリソグラフィ及びイオン注入により、メモリセルトランジスタのソース領域にP型不純物層52を形成し、メモリセルトランジスタのソース領域にN型不純物層54を形成する(図17)。P型不純物拡散層52は、例えば、ボロンイオンを、加速エネルギー50keV、ドーズ量1×1014cm−2の条件でイオン注入することにより形成する。また、N型不純物拡散層54は、例えば、砒素イオン(As)を、加速エネルギー50keV、ドーズ量5×1014cm−2の条件でイオン注入することにより形成する。 Next, by photolithography and ion implantation, a P-type impurity layer 52 is formed in the source region of the memory cell transistor, and an N-type impurity layer 54 is formed in the source region of the memory cell transistor (FIG. 17). The P-type impurity diffusion layer 52 is formed, for example, by implanting boron ions under conditions of an acceleration energy of 50 keV and a dose of 1 × 10 14 cm −2 . The N-type impurity diffusion layer 54 is formed, for example, by ion-implanting arsenic ions (As + ) under the conditions of an acceleration energy of 50 keV and a dose amount of 5 × 10 14 cm −2 .

次いで、例えば酸化雰囲気中でアニールを行い、メモリセル領域の素子領域上、コントロールゲート48及びフローティングゲート50の側壁部分に、例えば膜厚1nmのシリコン酸化膜(図示せず)を形成する。   Next, annealing is performed in an oxidizing atmosphere, for example, and a silicon oxide film (not shown) having a thickness of 1 nm, for example, is formed on the element region of the memory cell region and on the side walls of the control gate 48 and the floating gate 50.

次いで、フォトリソグラフィにより、周辺回路領域を覆い、メモリセル領域のコントロールゲート48間の領域を交互に露出、すなわち、メモリセルトランジスタのソースを連結するソース線となる領域を露出するフォトレジスト膜(図示せず)を形成する。   Next, by photolithography, a photoresist film that covers the peripheral circuit region and alternately exposes the regions between the control gates 48 in the memory cell region, that is, exposes a region that becomes a source line connecting the sources of the memory cell transistors (FIG. (Not shown).

次いで、このフォトレジスト膜及びコントロールゲート48をマスクとして、ソース線形成領域の素子分離絶縁膜20をエッチングする。   Next, the element isolation insulating film 20 in the source line formation region is etched using the photoresist film and the control gate 48 as a mask.

次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜を除去する。   Next, the photoresist film is removed by, for example, ashing.

次いで、フォトリソグラフィ及びイオン注入により、ソース線形成領域に、ソース線となるN型不純物層56を形成する。N型不純物層は、例えば、砒素イオン(As)を、加速エネルギー50keV、ドーズ量1×1016cm−2の条件でイオン注入することにより形成する。 Next, an N-type impurity layer 56 serving as a source line is formed in the source line formation region by photolithography and ion implantation. The N-type impurity layer is formed, for example, by ion-implanting arsenic ions (As + ) under conditions of an acceleration energy of 50 keV and a dose of 1 × 10 16 cm −2 .

次いで、例えば酸化雰囲気中でアニールを行い、メモリセル領域の素子領域上、コントロールゲート48及びフローティングゲート50の側壁部分に、例えば膜厚1nmのシリコン酸化膜58を形成する。   Next, annealing is performed in, for example, an oxidizing atmosphere, and a silicon oxide film 58 of, eg, a 1 nm-thickness is formed on the side walls of the control gate 48 and the floating gate 50 on the element region of the memory cell region.

次いで、全面に、例えばCVD法により、例えば膜厚50nmのシリコン窒化膜(図示せず)を成長する。   Next, a silicon nitride film (not shown) having a thickness of, for example, 50 nm is grown on the entire surface by, eg, CVD.

次いで、このシリコン窒化膜及びシリコン窒化膜46をエッチバックし、コントロールゲート48及びフローティングゲート50の側壁部分に、シリコン窒化膜のサイドウォールスペーサ60を形成する(図18)。   Next, the silicon nitride film and the silicon nitride film 46 are etched back, and sidewall spacers 60 of silicon nitride film are formed on the side walls of the control gate 48 and the floating gate 50 (FIG. 18).

次いで、全面に、例えばCVD法により、例えば膜厚50nmのシリコン酸化膜(図示せず)を成長する。   Next, a 50 nm-thickness silicon oxide film (not shown) is grown on the entire surface by, eg, CVD.

次いで、このシリコン酸化膜をエッチバックし、サイドウォールスペーサ60の側壁部分に、シリコン酸化膜のサイドウォールスペーサ62を形成する。   Next, the silicon oxide film is etched back to form a silicon oxide side wall spacer 62 on the side wall portion of the side wall spacer 60.

次いで、フォトリソグラフィ及びイオン注入により、コントロールゲート48及びサイドウォールスペーサ60,62をマスクとしてイオン注入を行い、ソース/ドレイン領域となるN型不純物層64を形成する(図19)。N型不純物層64は、例えば、リンイオンを、加速エネルギー15keV、ドーズ量2×1015cm−2の条件でイオン注入することにより形成する。 Next, by photolithography and ion implantation, ion implantation is performed using the control gate 48 and the side wall spacers 60 and 62 as a mask to form an N-type impurity layer 64 serving as a source / drain region (FIG. 19). The N-type impurity layer 64 is formed, for example, by implanting phosphorus ions under the conditions of an acceleration energy of 15 keV and a dose of 2 × 10 15 cm −2 .

次いで、サリサイドプロセスにより、コントロールゲート48上及びN型不純物層64上に、金属シリサイド膜66を形成する。   Next, a metal silicide film 66 is formed on the control gate 48 and the N-type impurity layer 64 by a salicide process.

こうして、シリコン基板10のメモリセル領域に、メモリセルトランジスタを形成する。   Thus, a memory cell transistor is formed in the memory cell region of the silicon substrate 10.

次いで、メモリセルトランジスタが形成されたシリコン基板10上に、例えばCVD法により、例えば膜厚1nmのシリコン窒化膜68と、例えば膜厚2000nmのBPSG膜70とを堆積し、層間絶縁膜72を形成する。   Next, a silicon nitride film 68 having a thickness of, for example, 1 nm and a BPSG film 70 having a thickness of, for example, 2000 nm are deposited on the silicon substrate 10 on which the memory cell transistor is formed by, for example, a CVD method, thereby forming an interlayer insulating film 72. To do.

次いで、層間絶縁膜72に、メモリセルトランジスタのドレイン領域を露出するコンタクトホール74を形成する。   Next, a contact hole 74 exposing the drain region of the memory cell transistor is formed in the interlayer insulating film 72.

次いで、所定の配線プロセスを行い、コンタクトホール74内に埋め込まれたコンタクトプラグ76、コンタクトプラグ76を介してメモリセルトランジスタに接続されたビット線78等を形成し、本実施形態による半導体装置を完成する(図20)。   Next, a predetermined wiring process is performed to form a contact plug 76 embedded in the contact hole 74, a bit line 78 connected to the memory cell transistor via the contact plug 76, and the like, thereby completing the semiconductor device according to the present embodiment. (FIG. 20).

このように、本実施形態によれば、フローティングゲートの端部を2層構造として表面積を増加するので、フローティングゲートとコントロールゲートとの間に形成されるキャパシタの容量を増加してカップリング比を増加することができる。これにより、動作電圧を低電圧化及び昇圧時間の短縮化が可能となり、半導体装置の高集積化・微細化が容易となる。   As described above, according to the present embodiment, since the surface area is increased by forming the end portion of the floating gate as a two-layer structure, the capacitance of the capacitor formed between the floating gate and the control gate is increased to increase the coupling ratio. Can be increased. As a result, the operating voltage can be lowered and the boosting time can be shortened, and the semiconductor device can be easily integrated and miniaturized.

また、フローティングゲートの側壁下部を逆テーパ形状にするので、スタックゲート構造を形成する際のストリンガー残渣の発生を抑制することができる。これにより、半導体装置の歩留まりや信頼性を向上することができる。   In addition, since the lower portion of the side wall of the floating gate has an inversely tapered shape, the generation of stringer residues when forming the stack gate structure can be suppressed. Thereby, the yield and reliability of the semiconductor device can be improved.

また、素子分離絶縁膜20の形成の際に用いたマスク膜を利用して素子分離領域に選択的にシリコン膜24を残存するので、製造プロセスの大幅な変更を行うことなく、端部が2層構造のフローティングゲート50を形成することができる。これにより、大幅な製造コストの増大なしに、カップリング比の大きなメモリセルトランジスタを形成することができる。   In addition, since the silicon film 24 is selectively left in the element isolation region by using the mask film used in forming the element isolation insulating film 20, the end portion is 2 without significant change in the manufacturing process. A floating gate 50 having a layer structure can be formed. Thereby, a memory cell transistor having a large coupling ratio can be formed without a significant increase in manufacturing cost.

[第2実施形態]
第2実施形態による半導体装置の製造方法について図23乃至図27を用いて説明する。図1乃至図22に示す第1実施形態による半導体装置及びその製造方法と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
[Second Embodiment]
A method for fabricating a semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. The same components as those of the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 22 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.

図23乃至図27は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。   23 to 27 are process cross-sectional views illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment.

本実施形態では、図1に示す第1実施形態による半導体装置の他の製造方法を説明する。   In the present embodiment, another method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1 will be described.

まず、図5乃至図9に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、素子分離絶縁膜20、シリコン膜24等を形成する(図23)。   First, in the same manner as in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIGS. 5 to 9, the element isolation insulating film 20, the silicon film 24, etc. are formed (FIG. 23).

次いで、ドライエッチングにより、シリコン窒化膜14の表面が露出するまでシリコン膜24をエッチバックし、シリコン膜24をシリコン窒化膜14の側壁部分に選択的に残存させる(図24)。   Next, the silicon film 24 is etched back by dry etching until the surface of the silicon nitride film 14 is exposed, and the silicon film 24 is selectively left on the side wall portion of the silicon nitride film 14 (FIG. 24).

なお、周辺回路領域に形成された素子分離絶縁膜20及びシリコン窒化膜14の表面高さはほぼ等しいため(図9(b)参照)、周辺回路領域に形成されたシリコン膜24は、このエッチバック工程において除去される。   Since the surface heights of the element isolation insulating film 20 and the silicon nitride film 14 formed in the peripheral circuit region are substantially equal (see FIG. 9B), the silicon film 24 formed in the peripheral circuit region is etched. It is removed in the back process.

次いで、例えばウェットエッチングにより、シリコン窒化膜14及びシリコン酸化膜12を除去する。   Next, the silicon nitride film 14 and the silicon oxide film 12 are removed by wet etching, for example.

次いで、熱酸化法により、例えば膜厚20nmのシリコン酸化膜を形成する。これにより、素子領域上に、シリコン酸化膜の犠牲酸化膜26を形成する(図25)。   Next, a silicon oxide film of, eg, a 20 nm-thickness is formed by thermal oxidation. Thus, a sacrificial oxide film 26 of a silicon oxide film is formed on the element region (FIG. 25).

次いで、フォトリソグラフィ及びイオン注入により、メモリセル領域及び周辺回路領域の高電圧トランジスタ形成領域に、所定のウェルを形成する。   Next, a predetermined well is formed in the high voltage transistor formation region in the memory cell region and the peripheral circuit region by photolithography and ion implantation.

次いで、例えば弗酸水溶液を用いたウェットエッチングにより、犠牲酸化膜26を除去する。   Next, the sacrificial oxide film 26 is removed by, for example, wet etching using a hydrofluoric acid aqueous solution.

次いで、例えば酸化雰囲気中で熱処理を行い、シリコン基板10の表面を熱酸化し、素子領域に、例えば膜厚10nmのシリコン酸化膜を成長し、シリコン酸化膜のトンネルゲート絶縁膜36を形成する。   Next, for example, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere, the surface of the silicon substrate 10 is thermally oxidized, and a silicon oxide film of, eg, a 10 nm-thickness is grown in the element region to form a tunnel gate insulating film 36 of a silicon oxide film.

次いで、全面に、例えばCVD法により、膜厚が例えば100nm、リン濃度が例えば1×1022cm−3のシリコン膜38を堆積する。 Next, a silicon film 38 having a film thickness of, for example, 100 nm and a phosphorus concentration of, for example, 1 × 10 22 cm −3 is deposited on the entire surface by, eg, CVD.

次いで、フォトリソグラフィにより、周辺回路領域のシリコン膜38を除去し、メモリセル領域のシリコン膜24,38をY方向に延在するストライプ状にパターニングするためのフォトレジスト膜40を形成する(図26)。   Next, the silicon film 38 in the peripheral circuit region is removed by photolithography, and a photoresist film 40 for patterning the silicon films 24 and 38 in the memory cell region into stripes extending in the Y direction is formed (FIG. 26). ).

次いで、フォトレジスト膜40をマスクとしてシリコン膜38,24をエッチングし、周辺回路領域のシリコン膜38を除去するとともに、メモリセル領域のシリコン膜24,38をY方向に延在するストライプ状にパターニングする。   Next, the silicon films 38 and 24 are etched using the photoresist film 40 as a mask, the silicon film 38 in the peripheral circuit region is removed, and the silicon films 24 and 38 in the memory cell region are patterned into stripes extending in the Y direction. To do.

このとき、シリコン膜24に含まれる不純物濃度はシリコン膜38に含まれる不純物濃度よりも1桁程度高いため、シリコン膜24のエッチングレートはシリコン膜38のエッチングレートよりも大きくなる。このため、シリコン膜38のエッチング面が垂直になるようにエッチング条件を設定すると、シリコン膜24は垂直形状よりも過剰にエッチングされ、エッチング面が逆テーパ形状となる(図22(a)参照)。   At this time, since the impurity concentration contained in the silicon film 24 is about one digit higher than the impurity concentration contained in the silicon film 38, the etching rate of the silicon film 24 is higher than the etching rate of the silicon film 38. Therefore, when the etching conditions are set so that the etching surface of the silicon film 38 is vertical, the silicon film 24 is etched excessively than the vertical shape, and the etching surface becomes a reverse taper shape (see FIG. 22A). .

次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜40を除去する(図27)。   Next, the photoresist film 40 is removed by, for example, ashing (FIG. 27).

この後、例えば図16乃至図20に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、半導体装置を完成する。   Thereafter, the semiconductor device is completed in the same manner as the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIGS. 16 to 20, for example.

このように、本実施形態によれば、フローティングゲートの端部を2層構造として表面積を増加するので、フローティングゲートとコントロールゲートとの間に形成されるキャパシタの容量を増加してカップリング比を増加することができる。これにより、動作電圧を低電圧化及び昇圧時間の短縮化が可能となり、半導体装置の高集積化・微細化が容易となる。   As described above, according to the present embodiment, since the surface area is increased by forming the end portion of the floating gate as a two-layer structure, the capacitance of the capacitor formed between the floating gate and the control gate is increased to increase the coupling ratio. Can be increased. As a result, the operating voltage can be lowered and the boosting time can be shortened, and the semiconductor device can be easily integrated and miniaturized.

また、フローティングゲートの側壁下部を逆テーパ形状にするので、スタックゲート構造を形成する際のストリンガー残渣の発生を抑制することができる。これにより、半導体装置の歩留まりや信頼性を向上することができる。   In addition, since the lower portion of the side wall of the floating gate has an inversely tapered shape, the generation of stringer residues when forming the stack gate structure can be suppressed. Thereby, the yield and reliability of the semiconductor device can be improved.

また、素子分離絶縁膜20の形成の際に用いたマスク膜を利用して素子分離領域に選択的にシリコン膜24を残存するので、製造プロセスの大幅な変更を行うことなく、端部が2層構造のフローティングゲート50を形成することができる。これにより、大幅な製造コストの増大なしに、カップリング比の大きなメモリセルトランジスタを形成することができる。   In addition, since the silicon film 24 is selectively left in the element isolation region by using the mask film used in forming the element isolation insulating film 20, the end portion is 2 without significant change in the manufacturing process. A floating gate 50 having a layer structure can be formed. Thereby, a memory cell transistor having a large coupling ratio can be formed without a significant increase in manufacturing cost.

[変形実施形態]
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.

例えば、上記実施形態では、シリコン膜24の側壁を逆テーパ形状としたが、シリコン膜24の側壁は必ずしも逆テーパ形状にする必要はない。上記実施形態の一つの目的は、フローティングゲート50とコントロールゲート48との間に形成されるキャパシタの容量を増加することにある。この目的は、シリコン膜24の側壁を逆テーパ形状にすることとは独立して、フローティングゲート50をシリコン膜24,38により形成することによって達成することができる。   For example, in the above embodiment, the sidewall of the silicon film 24 has an inversely tapered shape, but the sidewall of the silicon film 24 does not necessarily have an inversely tapered shape. One object of the above embodiment is to increase the capacitance of the capacitor formed between the floating gate 50 and the control gate 48. This object can be achieved by forming the floating gate 50 with the silicon films 24 and 38 independently of making the side wall of the silicon film 24 into an inversely tapered shape.

また、上記実施形態では、シリコン膜24の堆積前に素子分離絶縁膜20の表面をエッチングし、素子領域と素子分離領域との間の段差を低減している。したがって、シリコン膜24の側壁を必ずしも逆テーパ形状としなくても、通常のフラットSTIプロセスと同様、ストリンガー残渣を抑制する効果を期待できる。   Further, in the above embodiment, the surface of the element isolation insulating film 20 is etched before the silicon film 24 is deposited, thereby reducing the step between the element region and the element isolation region. Therefore, even if the side wall of the silicon film 24 does not necessarily have an inversely tapered shape, the effect of suppressing stringer residue can be expected as in the normal flat STI process.

フローティングゲート50の断面形状は、中央部の膜厚よりもX方向の両端部の膜厚が厚い形状であれば、上記実施形態に記載の形状に限定されるものではない。フローティングゲート50の断面形状は、例えば図28(a)に示すように、側壁部分の全体が垂直であってもよい。或いは、例えば図28(b)に示すように、フローティングゲート50のX方向の端部下側が逆テーパ形状であってもよい。或いは、例えば図28(c)に示すように、フローティングゲート50のX方向の端部下側が段階的な逆テーパ形状であってもよい。   The cross-sectional shape of the floating gate 50 is not limited to the shape described in the above embodiment as long as the film thickness at both ends in the X direction is thicker than the film thickness at the center. As for the cross-sectional shape of the floating gate 50, for example, as shown in FIG. Alternatively, for example, as shown in FIG. 28B, the lower side of the end portion in the X direction of the floating gate 50 may have an inversely tapered shape. Alternatively, for example, as shown in FIG. 28C, the lower side of the end portion in the X direction of the floating gate 50 may have a stepped inverse taper shape.

また、フローティングゲート50の形状は、素子領域上に位置する中央部が1層の導電膜により形成され、素子分離絶縁膜上に位置する両端部が2層の導電膜により形成された構造を有していることにより、カップリング比を増大する効果を得ることができる。フローティングゲート50の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではない。   The shape of the floating gate 50 has a structure in which a central portion located on the element region is formed by a single conductive film and both end portions located on the element isolation insulating film are formed by two conductive films. By doing so, an effect of increasing the coupling ratio can be obtained. The manufacturing method of the floating gate 50 is not limited to the above embodiment.

また、上記実施形態では、スタック構造のゲート電極を有する半導体記憶装置としてフラッシュEEPROMを例にして説明したが、EPROM等、スタック構造のゲート電極を有する他の半導体記憶装置に適用することもできる。   In the above embodiment, the flash EEPROM is described as an example of a semiconductor memory device having a stack structure gate electrode. However, the present invention can also be applied to other semiconductor memory devices having a stack structure gate electrode.

また、上記実施形態に記載した半導体装置の構造、構成材料、製造条件等は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。   In addition, the structure, constituent materials, manufacturing conditions, and the like of the semiconductor device described in the above embodiment are merely examples, and can be appropriately modified or changed according to technical common sense of those skilled in the art.

10…シリコン基板
12,18,58…シリコン酸化膜
14,46,68…シリコン窒化膜
16…素子分離溝
20…素子分離絶縁膜
22,40…フォトレジスト膜
24,38,44…シリコン膜
26…犠牲酸化膜
28,30…Pウェル
32…Nウェル
34…N型埋め込み層
36…トンネルゲート絶縁膜
42…ONO膜
48…コントロールゲート
50…フローティングゲート
52…P型不純物層
54,56,64…N型不純物層
60,62…サイドウォールスペーサ
66…金属シリサイド膜
70…BPSG膜
72…層間絶縁膜
74…コンタクトホール
76…コンタクトプラグ
78…ビット線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Silicon substrate 12, 18, 58 ... Silicon oxide film 14, 46, 68 ... Silicon nitride film 16 ... Element isolation groove 20 ... Element isolation insulating film 22, 40 ... Photoresist film 24, 38, 44 ... Silicon film 26 ... Sacrificial oxide films 28, 30 ... P well 32 ... N well 34 ... N type buried layer 36 ... tunnel gate insulating film 42 ... ONO film 48 ... control gate 50 ... floating gate 52 ... P type impurity layers 54, 56, 64 ... N Type impurity layers 60, 62 ... sidewall spacers 66 ... metal silicide films 70 ... BPSG films 72 ... interlayer insulating films 74 ... contact holes 76 ... contact plugs 78 ... bit lines

Claims (6)

半導体基板に、素子領域を画定する素子分離絶縁膜を形成する工程と、
前記素子分離絶縁膜上に、第1の導電膜を形成する工程と、
前記素子領域上に、第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜上及び前記第1の導電膜が形成された前記素子分離絶縁膜上に、第2の導電膜を形成する工程と、
前記第2の導電膜及び前記第1の導電膜をパターニングし、前記第2の導電膜により形成された第1の部分が前記素子領域上に位置し、前記第1の導電膜と前記第2の導電膜の積層膜により形成された第2の部分が前記素子分離絶縁膜上に位置するフローティングゲートを形成する工程と、
前記フローティングゲート上に、第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上に、第1の方向に延在するコントロールゲートを形成する工程と、
前記コントロールゲートをマスクとして前記第2の絶縁膜及び前記フローティングゲートをエッチングし、前記コントロールゲートが形成された領域以外の領域に形成された前記第2の絶縁膜及び前記フローティングゲートを除去する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an element isolation insulating film for defining an element region on a semiconductor substrate;
Forming a first conductive film on the element isolation insulating film;
Forming a first insulating film on the element region;
Forming a second conductive film on the first insulating film and on the element isolation insulating film on which the first conductive film is formed;
The second conductive film and the first conductive film are patterned, and a first portion formed by the second conductive film is located on the element region, and the first conductive film and the second conductive film Forming a floating gate in which the second portion formed by the laminated film of the conductive film is positioned on the element isolation insulating film;
Forming a second insulating film on the floating gate;
Forming a control gate extending in a first direction on the second insulating film;
Etching the second insulating film and the floating gate using the control gate as a mask, and removing the second insulating film and the floating gate formed in a region other than the region where the control gate is formed; A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記素子分離絶縁膜を形成する工程は、
前記半導体基板上に、素子領域を覆い、素子分離領域を露出するマスク膜を形成する工程と、
前記マスク膜をマスクとして前記半導体基板をエッチングし、前記半導体基板の前記素子分離領域に素子分離溝を形成する工程と、
前記素子分離溝内に第3の絶縁膜を埋め込み、前記第3の絶縁膜の素子分離絶縁膜を形成する工程と、
前記マスク膜をマスクとして前記素子分離膜をエッチングし、前記素子分離絶縁膜の表面高さを前記マスク膜の表面高さよりも低くする工程と
を有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 step of forming the element isolation insulating film includes:
Forming a mask film covering the element region and exposing the element isolation region on the semiconductor substrate;
Etching the semiconductor substrate using the mask film as a mask, and forming an element isolation groove in the element isolation region of the semiconductor substrate;
Burying a third insulating film in the element isolation trench and forming an element isolation insulating film of the third insulating film;
Etching the element isolation film using the mask film as a mask, and making the surface height of the element isolation insulating film lower than the surface height of the mask film.
請求項2記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の導電膜を形成する工程は、
前記マスク膜上及び前記素子分離絶縁膜上に前記第1の導電膜を堆積する工程と、
前記マスク膜上の前記第1の導電膜を除去し、前記素子分離絶縁膜上に前記第1の導電膜を選択的に残存させる工程と、
前記マスク膜を除去する工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2.
The step of forming the first conductive film includes:
Depositing the first conductive film on the mask film and the element isolation insulating film;
Removing the first conductive film on the mask film and selectively leaving the first conductive film on the element isolation insulating film;
And a step of removing the mask film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項2記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の導電膜を形成する工程は、
前記マスク膜上及び前記素子分離絶縁膜上に前記第1の導電膜を堆積する工程と、
前記第1の導電膜をエッチバックし、前記マスク膜の側壁部分に前記第1の導電膜を選択的に残存させる工程と、
前記マスク膜を除去する工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2.
The step of forming the first conductive film includes:
Depositing the first conductive film on the mask film and the element isolation insulating film;
Etching back the first conductive film, and selectively leaving the first conductive film on a side wall portion of the mask film;
And a step of removing the mask film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の導電膜を形成する工程では、第1の不純物濃度の半導体材料により前記第1の導電膜を形成し、
前記第2の導電膜を形成する工程では、前記第1の不純物濃度よりも低い第2の不純物濃度の半導体材料により前記第2の導電膜を形成する
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 of any one of Claims 1 thru / or 4,
In the step of forming the first conductive film, the first conductive film is formed of a semiconductor material having a first impurity concentration,
In the step of forming the second conductive film, the second conductive film is formed using a semiconductor material having a second impurity concentration lower than the first impurity concentration.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2の導電膜及び前記第1の導電膜をパターニングする工程では、少なくとも前記第1の導電膜の側壁が逆テーパ形状となるように、前記第2の導電膜及び前記第1の導電膜をパターニングする
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 any one of claims 1 to 5,
In the step of patterning the second conductive film and the first conductive film, the second conductive film and the first conductive film are formed so that at least a sidewall of the first conductive film has an inversely tapered shape. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: patterning a semiconductor device.
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