JP2012204488A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a semiconductor device capable of lengthening a service life of a peripheral circuit element and preventing a crystal defect caused by heat treatment of a post step or the like from occurring in an element isolation groove part of a peripheral circuit region.SOLUTION: A manufacturing method of a semiconductor device of an embodiment for forming a plurality of memory cells in a first region of a semiconductor substrate and a peripheral circuit element in a second region on the semiconductor substrate comprises a step of forming a plurality of first element isolation grooves having a first opening width in the first region and a second element isolation groove having a second opening width sider than the first opening width in the second region, respectively. This manufacturing method further includes a step of collectively forming an oxide film of a first film thickness on an inner surface of the first element isolation groove and an oxide film of a second film thickness thicker than the first film thickness on an inner surface of the second element isolation groove via plasma oxidation.

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a method for manufacturing a semiconductor device.

フラッシュメモリ装置などの不揮発性半導体記憶装置においては、複数のメモリセルがワード線方向およびビット線方向に配列されている。このような半導体記憶装置を高集積化させると共に、書込み速度を向上させるために、メモリセルのトンネル絶縁膜(ゲート絶縁膜)を薄膜化する必要がある。しかし、周辺回路領域に配設された周辺回路素子には高電圧を印加するため、トンネル絶縁膜を薄膜化すると、周辺回路素子のトンネル絶縁膜の端部(角部)では、高電界集中が起こり、耐圧劣化を引き起こし、周辺回路素子の寿命を劣化させてしまう。   In a nonvolatile semiconductor memory device such as a flash memory device, a plurality of memory cells are arranged in a word line direction and a bit line direction. In order to increase the integration of such a semiconductor memory device and improve the writing speed, it is necessary to reduce the thickness of the tunnel insulating film (gate insulating film) of the memory cell. However, since a high voltage is applied to the peripheral circuit element disposed in the peripheral circuit region, when the tunnel insulating film is thinned, a high electric field concentration is generated at the end (corner) of the tunnel insulating film of the peripheral circuit element. Occurs, causing deterioration of the withstand voltage and deteriorating the life of peripheral circuit elements.

また、半導体記憶装置の高集積化に伴い、メモリセル間の干渉を抑制するために、素子分離溝を高アスペクト化する必要がある。しかし、周辺回路領域の素子分離溝の幅寸法は、メモリセル領域の素子分離溝の幅寸法よりも広いため、周辺回路領域の素子分離溝内を埋め込む埋め込み材、例えば塗布型絶縁膜の体積が多くなる。この塗布型絶縁膜は後工程の熱処理等で収縮し、しかも、その体積に比例して収縮が大きくなる。この塗布型絶縁膜の収縮によって、周辺回路領域の素子分離溝部分に結晶欠陥が発生することがあった。   As the semiconductor memory device is highly integrated, it is necessary to increase the aspect ratio of the element isolation groove in order to suppress interference between memory cells. However, since the width dimension of the element isolation groove in the peripheral circuit region is wider than the width dimension of the element isolation groove in the memory cell area, the volume of the embedding material that fills the element isolation groove in the peripheral circuit area, such as a coating type insulating film, is large. Become more. This coating type insulating film shrinks by heat treatment or the like in a later process, and shrinkage increases in proportion to its volume. Due to the shrinkage of the coating type insulating film, crystal defects may occur in the element isolation trench portion in the peripheral circuit region.

特開2008−177277号公報JP 2008-177277 A 国際公開番号WO2008/123431A1公報International Publication Number WO2008 / 123431A1

そこで、周辺回路素子の寿命を長くできると共に、後工程の熱処理等により周辺回路領域の素子分離溝部分に結晶欠陥が発生することを防止できる半導体装置の製造方法を提供する。   Accordingly, a method of manufacturing a semiconductor device is provided in which the lifetime of a peripheral circuit element can be extended, and crystal defects can be prevented from occurring in the element isolation trench portion in the peripheral circuit region due to heat treatment or the like in a subsequent process.

本実施形態の半導体装置の製造方法は、半導体基板上の第1の領域に複数のメモリセルを形成し、前記半導体基板上の第2の領域に周辺回路素子を形成する半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板上に絶縁膜および導電層を順に形成する工程を備えた。そして、前記絶縁膜および導電層が形成された前記半導体基板の前記第1の領域に第1の開口幅を有する複数の第1の素子分離溝、前記絶縁膜および導電層が形成された前記半導体基板の前記第2の領域に前記第1の開口幅よりも広い第2の開口幅を有する第2の素子分離溝をそれぞれ形成する工程を備えた。更に、前記第1の素子分離溝の内面に第1の膜厚の酸化膜を、前記第2の素子分離溝の内面に前記第1の膜厚よりも厚い第2の膜厚の酸化膜を、プラズマ酸化により一括形成する工程と、前記酸化膜が内面に形成された前記第1の素子分離溝内および前記第2の素子分離溝内に塗布型絶縁膜を埋め込む工程とを備えた。   The method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment is a method for manufacturing a semiconductor device in which a plurality of memory cells are formed in a first region on a semiconductor substrate, and peripheral circuit elements are formed in a second region on the semiconductor substrate. There is a step of sequentially forming an insulating film and a conductive layer on the semiconductor substrate. A plurality of first element isolation trenches having a first opening width in the first region of the semiconductor substrate on which the insulating film and the conductive layer are formed; and the semiconductor on which the insulating film and the conductive layer are formed. Forming a second element isolation trench having a second opening width wider than the first opening width in the second region of the substrate. Furthermore, an oxide film having a first film thickness is formed on the inner surface of the first element isolation groove, and an oxide film having a second film thickness larger than the first film thickness is formed on the inner surface of the second element isolation groove. And a step of collectively forming by plasma oxidation, and a step of embedding a coating type insulating film in the first element isolation groove and the second element isolation groove in which the oxide film is formed on the inner surface.

第1実施形態のNAND型フラッシュメモリ装置のメモリセルアレイの一部を示す等価回路図1 is an equivalent circuit diagram showing a part of a memory cell array of a NAND flash memory device according to a first embodiment; (a)はメモリセル領域の一部のレイアウトパターンを示す模式的な平面図、(b)は周辺回路領域の一部のレイアウトパターンを示す模式的な平面図(A) is a schematic plan view showing a partial layout pattern of the memory cell region, (b) is a schematic plan view showing a partial layout pattern of the peripheral circuit region. 図2(a)中のB−B線に沿って示す模式的な断面図Typical sectional drawing shown along the BB line in Fig.2 (a) 図2(a)中のA−A線に沿って示す模式的な断面図Typical sectional drawing shown along the AA line in Fig.2 (a) 図2(b)中のC−C線に沿って示す模式的な断面図Typical sectional drawing shown along CC line in FIG.2 (b) (a)は製造途中における図2(a)中のB−B線に沿って示す断面図(その1)、(b)は製造途中における図2(b)中のC−C線に沿って示す断面図(その1)(A) is sectional drawing (the 1) shown along the BB line in FIG. 2 (a) in the middle of manufacture, (b) is along the CC line in FIG. 2 (b) in the middle of manufacture. Sectional view (Part 1) (a)は製造途中における図2(a)中のB−B線に沿って示す断面図(その2)、(b)は製造途中における図2(b)中のC−C線に沿って示す断面図(その2)(A) is sectional drawing (the 2) shown along the BB line in FIG. 2 (a) in the middle of manufacture, (b) is along the CC line in FIG. 2 (b) in the middle of manufacture. Sectional view (Part 2) (a)は製造途中における図2(a)中のB−B線に沿って示す断面図(その3)、(b)は製造途中における図2(b)中のC−C線に沿って示す断面図(その3)(A) is sectional drawing (the 3) shown along the BB line in FIG. 2 (a) in the middle of manufacture, (b) is along the CC line in FIG. 2 (b) in the middle of manufacture. Sectional view (Part 3) (a)は製造途中における図2(a)中のB−B線に沿って示す断面図(その4)、(b)は製造途中における図2(b)中のC−C線に沿って示す断面図(その4)(A) is sectional drawing (the 4) shown along the BB line in FIG. 2 (a) in the middle of manufacture, (b) is along the CC line in FIG. 2 (b) in the middle of manufacture. Sectional view (Part 4) シリコン酸化膜の膜厚と素子分離溝の幅寸法との関係を示す特性図Characteristic diagram showing the relationship between the thickness of the silicon oxide film and the width of the isolation trench ゲート絶縁膜にバーズビークが導入された様子を示す図7(b)相当図FIG. 7B is a view corresponding to a state in which a bird's beak is introduced into the gate insulating film. ゲート絶縁膜の膜厚と素子分離溝の幅寸法との関係を示す特性図Characteristic diagram showing the relationship between the thickness of the gate insulating film and the width of the isolation trench 周辺回路領域およびメモリセル領域のゲート絶縁膜にバーズビークが導入される様子を示す図The figure which shows a mode that a bird's beak is introduced into the gate insulating film of a peripheral circuit area and a memory cell area シリコン酸化膜がテーパー形状に形成された様子を示す図7(b)相当図FIG. 7B equivalent view showing a state in which the silicon oxide film is formed in a tapered shape. プラズマ酸化における酸化種と処理圧力との関係を示す特性図Characteristic diagram showing the relationship between oxidizing species and processing pressure in plasma oxidation シリコン酸化膜の膜厚と上下方向の高さ位置との関係を示す特性図Characteristic diagram showing the relationship between the thickness of the silicon oxide film and the height position in the vertical direction

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。尚、実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the embodiment, substantially the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones.

(第1実施形態)
まず、図1は、第1実施形態のNAND型のフラッシュメモリ装置のメモリセル領域(第1の領域)に形成されるメモリセルアレイの一部を示す等価回路図である。この図1に示すように、NAND型フラッシュメモリ装置のメモリセルアレイは、2個の選択ゲートトランジスタTrs1、Trs2と、当該選択ゲートトランジスタTrs1、Trs2間に対して直列接続された複数個(例えば32個)のメモリセルトランジスタTrmとからなるNANDセルユニットSUが行列状に形成されることにより構成されている。NANDセルユニットSU内において、複数個のメモリセルトランジスタTrmは隣接するもの同士でソース/ドレイン領域を共用して形成されている。
(First embodiment)
First, FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing a part of a memory cell array formed in a memory cell region (first region) of the NAND flash memory device of the first embodiment. As shown in FIG. 1, the memory cell array of the NAND flash memory device includes two select gate transistors Trs1 and Trs2, and a plurality of (for example, 32) connected in series between the select gate transistors Trs1 and Trs2. ) Memory cell transistors Trm are formed in a matrix. In the NAND cell unit SU, a plurality of memory cell transistors Trm are formed by sharing adjacent source / drain regions.

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

図2(a)はメモリセル領域の一部のレイアウトパターンを示す平面図である。半導体基板としてのシリコン基板1に、図2中Y方向に沿って延びる素子分離領域としてのSTI(shallow trench isolation)2が図2中X方向に所定間隔で複数本形成されている。これによって、図2中Y方向に沿って延びる活性領域3が図2中X方向に分離形成されている。STI2および活性領域3の幅寸法は、いずれも例えば20nmから30nm程度である。メモリセルトランジスタのワード線WLは、活性領域3と直交する方向(図2中X方向)に沿って延びるように形成されると共に、図2中Y方向に所定間隔で複数本形成されている。   FIG. 2A is a plan view showing a layout pattern of a part of the memory cell region. A plurality of STIs (shallow trench isolation) 2 as element isolation regions extending along the Y direction in FIG. 2 are formed at a predetermined interval in the X direction in FIG. 2 on a silicon substrate 1 as a semiconductor substrate. Thus, the active regions 3 extending along the Y direction in FIG. 2 are separately formed in the X direction in FIG. The width dimensions of the STI 2 and the active region 3 are both about 20 nm to 30 nm, for example. The word lines WL of the memory cell transistors are formed so as to extend along a direction (X direction in FIG. 2) orthogonal to the active region 3, and a plurality of word lines WL are formed at predetermined intervals in the Y direction in FIG.

また、一対の選択ゲートトランジスタの選択ゲート線SGL1が図2中X方向に沿って延びるように形成されている。一対の選択ゲート線SGL1間の活性領域3にはビット線コンタクトCBがそれぞれ形成されている。ワード線WLと交差する活性領域3上にはメモリセルトランジスタのゲート電極MGが、選択ゲート線SGL1と交差する活性領域3上には選択ゲートトランジスタのゲート電極SGが形成されている。   Further, the selection gate line SGL1 of the pair of selection gate transistors is formed so as to extend along the X direction in FIG. Bit line contacts CB are formed in the active region 3 between the pair of select gate lines SGL1. A gate electrode MG of the memory cell transistor is formed on the active region 3 intersecting with the word line WL, and a gate electrode SG of the selection gate transistor is formed on the active region 3 intersecting with the selection gate line SGL1.

また、周辺回路領域(第2の領域)を示す図2(b)において、メモリセル領域と同様にしてシリコン基板1に素子分離領域としてのSTI22が形成されており、このSTI22によって素子形成領域としての活性領域23が分離形成されている。上記活性領域23と直交する方向にゲート電極PG(周辺ゲート電極)が形成されている。周辺回路領域のSTI22の素子分離溝(第2の素子分離溝)は、メモリセル領域のSTI2の素子分離溝(第1の素子分離溝)の開口幅(図2中X方向の開口幅、第1の開口幅)よりも大きい開口幅(第2の開口幅)を有する。ゲート電極PGと活性領域23とが交差する部分に周辺回路用のトランジスタ(周辺回路素子)が形成されている。このようなトランジスタは、周辺回路領域の他の部分にも形成されていて、高耐圧トランジスタや低耐圧トランジスタなど、メモリセル領域のトランジスタを駆動するための種々のトランジスタとして形成されている。   Further, in FIG. 2B showing the peripheral circuit region (second region), an STI 22 as an element isolation region is formed on the silicon substrate 1 in the same manner as the memory cell region, and this STI 22 serves as an element formation region. The active regions 23 are formed separately. A gate electrode PG (peripheral gate electrode) is formed in a direction orthogonal to the active region 23. The element isolation groove (second element isolation groove) of the STI 22 in the peripheral circuit region is the opening width (the opening width in the X direction in FIG. 2, the first element isolation groove) of the STI 2 in the memory cell region. 1 (opening width of 1), and an opening width (second opening width) larger. Peripheral circuit transistors (peripheral circuit elements) are formed at the intersections of the gate electrode PG and the active region 23. Such transistors are also formed in other parts of the peripheral circuit region, and are formed as various transistors for driving the transistors in the memory cell region, such as high breakdown voltage transistors and low breakdown voltage transistors.

次に、本実施形態のメモリセル領域におけるゲート電極構造について、図3、図4を参照しながら説明する。図3は、図2(a)中のB−B線(ワード線方向、X方向)に沿う断面を模式的に示す図であり、図4は、図2(a)中のA−A線(ビット線方向、Y方向)に沿う断面を模式的に示す図である。   Next, the gate electrode structure in the memory cell region of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross section taken along the line BB (word line direction, X direction) in FIG. 2A, and FIG. 4 is an AA line in FIG. It is a figure which shows typically the cross section which follows (bit line direction, Y direction).

図3、図4に示すように、p型のシリコン基板1の上部には、素子分離溝(第1の素子分離溝)4がX方向に離間して複数形成されている。これら素子分離溝4は、活性領域3を図2中のX方向に分離している。素子分離溝4内には、素子分離絶縁膜5が形成されており、素子分離領域(STI)2を構成している。素子分離絶縁膜5は、素子分離溝4の内面に形成されたシリコン酸化膜24と、シリコン酸化膜24上に形成された塗布型絶縁膜25とから構成される。   As shown in FIGS. 3 and 4, a plurality of element isolation grooves (first element isolation grooves) 4 are formed on the p-type silicon substrate 1 so as to be spaced apart from each other in the X direction. These element isolation trenches 4 isolate the active region 3 in the X direction in FIG. An element isolation insulating film 5 is formed in the element isolation trench 4 and constitutes an element isolation region (STI) 2. The element isolation insulating film 5 includes a silicon oxide film 24 formed on the inner surface of the element isolation groove 4 and a coating type insulating film 25 formed on the silicon oxide film 24.

メモリセルトランジスタは、シリコン基板1に形成されたn型の拡散層6と、シリコン基板1上に形成されたゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜7上に設けられたゲート電極MGとを含んで構成される。ゲート電極MGは、電荷蓄積層(導電層)となる浮遊ゲート電極FGと、浮遊ゲート電極FG上に形成された電極間絶縁膜9と、電極間絶縁膜9上に形成された制御ゲート電極CGとを有する。拡散層6は、シリコン基板1の表層におけるメモリセルトランジスタのゲート電極MGの両脇に位置して形成されており、メモリセルトランジスタのソース/ドレイン領域を構成している。   The memory cell transistor includes an n-type diffusion layer 6 formed on the silicon substrate 1, a gate insulating film 7 formed on the silicon substrate 1, and a gate electrode MG provided on the gate insulating film 7. Composed. The gate electrode MG includes a floating gate electrode FG serving as a charge storage layer (conductive layer), an interelectrode insulating film 9 formed on the floating gate electrode FG, and a control gate electrode CG formed on the interelectrode insulating film 9. And have. The diffusion layer 6 is formed on both sides of the gate electrode MG of the memory cell transistor in the surface layer of the silicon substrate 1 and constitutes a source / drain region of the memory cell transistor.

ゲート絶縁膜7は、シリコン基板1(活性領域3)上に形成されている。ゲート絶縁膜7としては、例えばシリコン酸化膜を用いている。浮遊ゲート電極FGとしては、例えばリン等の不純物がドープされた多結晶シリコン層(導電層)8を用いている。電極間絶縁膜9は、素子分離絶縁膜5の上面、浮遊ゲート電極FGの上部側面、および、浮遊ゲート電極FGの上面に沿って形成されており、インターポリ絶縁膜、導電層間絶縁膜、電極間の絶縁膜として機能する。電極間絶縁膜9としては、例えばシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の積層構造(それぞれの膜厚が、例えばいずれも3nmから10nmである)の膜、即ち、いわゆるONO膜を用いている。   The gate insulating film 7 is formed on the silicon substrate 1 (active region 3). As the gate insulating film 7, for example, a silicon oxide film is used. As the floating gate electrode FG, a polycrystalline silicon layer (conductive layer) 8 doped with an impurity such as phosphorus is used. The inter-electrode insulating film 9 is formed along the upper surface of the element isolation insulating film 5, the upper side surface of the floating gate electrode FG, and the upper surface of the floating gate electrode FG, and includes an interpoly insulating film, a conductive interlayer insulating film, an electrode It functions as an insulating film. As the interelectrode insulating film 9, for example, a film having a laminated structure of silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film (each film thickness is 3 nm to 10 nm, for example), that is, a so-called ONO film is used. Yes.

制御ゲート電極CGは、メモリセルトランジスタのワード線WLとして機能する導電層10で構成される。導電層10は、例えばリン等の不純物がドープされた多結晶シリコン層と、この多結晶シリコン層の直上に形成されたタングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)などの何れかの金属によってシリサイド化されたシリサイド層との積層構造を有する。尚、導電層10をすべてシリサイド層(即ち、シリサイド層単体)で構成しても良い。   The control gate electrode CG is composed of the conductive layer 10 that functions as the word line WL of the memory cell transistor. The conductive layer 10 is made of, for example, a polycrystalline silicon layer doped with an impurity such as phosphorus, and any one of tungsten (W), cobalt (Co), nickel (Ni), etc. formed immediately above the polycrystalline silicon layer. It has a stacked structure with a silicide layer silicided with metal. Note that all of the conductive layer 10 may be formed of a silicide layer (that is, a silicide layer alone).

また、図4に示すように、メモリセルトランジスタのゲート電極MGは、Y方向に並設されており、各ゲート電極MGは電極分離用の溝11によって互いに電気的に分離されている。この溝11内にはメモリセル間絶縁膜12が形成されている。このメモリセル間絶縁膜12としては、例えばTEOS(tetraethyl orthosilicate)を用いたシリコン酸化膜または低誘電率絶縁膜を用いている。   As shown in FIG. 4, the gate electrodes MG of the memory cell transistors are arranged in parallel in the Y direction, and the gate electrodes MG are electrically separated from each other by the electrode separation grooves 11. An insulating film 12 between memory cells is formed in the groove 11. As the insulating film 12 between the memory cells, for example, a silicon oxide film or a low dielectric constant insulating film using TEOS (tetraethyl orthosilicate) is used.

メモリセル間絶縁膜12の上面、制御ゲート電極CGの側面および上面上には、例えばシリコン窒化膜からなるライナー絶縁膜13が形成されている。このライナー絶縁膜13上には、例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜14が形成されている。ライナー絶縁膜13は、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜14の形成時に酸化剤が制御ゲート電極CGへ到達することを防ぎ、特にシリサイド層の酸化によるワード線WLの高抵抗化を防ぐ機能を有する。また、制御ゲート電極CG間はライナー絶縁膜13を完全に埋め込む構造となっていないことから、寄生容量の増大による配線遅延の影響を低減することが可能である。   A liner insulating film 13 made of, for example, a silicon nitride film is formed on the upper surface of the inter-memory cell insulating film 12, the side surfaces and the upper surface of the control gate electrode CG. On the liner insulating film 13, an interlayer insulating film 14 made of, for example, a silicon oxide film is formed. The liner insulating film 13 has a function of preventing the oxidant from reaching the control gate electrode CG when forming the interlayer insulating film 14 made of a silicon oxide film, and in particular, preventing the resistance of the word line WL from being increased due to oxidation of the silicide layer. . Further, since the liner insulating film 13 is not completely embedded between the control gate electrodes CG, it is possible to reduce the influence of wiring delay due to an increase in parasitic capacitance.

また、周辺回路領域のゲート電極構造を示す図5において、シリコン基板1の上部には、所定間隔でSTI(素子分離領域)22が形成されており、このSTI22により活性領域(素子形成領域)23が分離されている。尚、図5は、図2(b)中のC−C線(ワード線方向、X方向)に沿う断面を模式的に示す図である。STI22は、メモリセル領域のSTI2の素子分離溝4の開口幅(第1の開口幅)よりも大きい開口幅(第2の開口幅)を有する素子分離溝(第2の素子分離溝)26と、この素子分離溝26内に形成された素子分離絶縁膜27とから構成される。   In FIG. 5 showing the gate electrode structure in the peripheral circuit region, STIs (element isolation regions) 22 are formed at predetermined intervals on the silicon substrate 1, and active regions (element formation regions) 23 are formed by the STIs 22. Are separated. FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross section taken along line CC (word line direction, X direction) in FIG. The STI 22 includes an element isolation groove (second element isolation groove) 26 having an opening width (second opening width) larger than the opening width (first opening width) of the element isolation groove 4 of the STI 2 in the memory cell region. And an element isolation insulating film 27 formed in the element isolation trench 26.

素子分離絶縁膜27は、素子分離溝26の内面に形成されたシリコン酸化膜28と、シリコン酸化膜28上に形成された塗布型絶縁膜29とから構成される。上記周辺回路領域の素子分離溝26の内面に形成されたシリコン酸化膜28の膜厚(第2の膜厚)は、メモリセル領域の素子分離溝4の内面に形成されたシリコン酸化膜24の膜厚(第1の膜厚)よりも厚い。   The element isolation insulating film 27 includes a silicon oxide film 28 formed on the inner surface of the element isolation groove 26 and a coating type insulating film 29 formed on the silicon oxide film 28. The film thickness (second film thickness) of the silicon oxide film 28 formed on the inner surface of the element isolation groove 26 in the peripheral circuit region is the same as that of the silicon oxide film 24 formed on the inner surface of the element isolation groove 4 in the memory cell region. It is thicker than the film thickness (first film thickness).

活性領域23の上には、メモリセルトランジスタのゲート絶縁膜7よりも端部の膜厚が厚い例えば高耐圧トランジスタ用のゲート絶縁膜30が形成されている(図11参照)。尚、ゲート絶縁膜30の端部の膜厚が厚い構造については、後述する。上記ゲート絶縁膜30としては、例えばシリコン酸化膜を用いている。ゲート絶縁膜30の上には、メモリセルトランジスタと同様にして、ゲート電極PGを構成する浮遊ゲート電極FG(多結晶シリコン層8)と、電極間絶縁膜9と、制御ゲート電極CG(導電層10)とが積層されている。尚、電極間絶縁膜9には、図示しない貫通孔が形成されており、多結晶シリコン層8と導電層10は導通している。更に、制御ゲート電極CG上にライナー絶縁膜13および層間絶縁膜14が形成されている。   On the active region 23, for example, a gate insulating film 30 for a high voltage transistor having a thicker end than the gate insulating film 7 of the memory cell transistor is formed (see FIG. 11). A structure in which the thickness of the end portion of the gate insulating film 30 is thick will be described later. As the gate insulating film 30, for example, a silicon oxide film is used. On the gate insulating film 30, as in the memory cell transistor, the floating gate electrode FG (polycrystalline silicon layer 8) constituting the gate electrode PG, the interelectrode insulating film 9, and the control gate electrode CG (conductive layer) 10) are laminated. A through hole (not shown) is formed in the interelectrode insulating film 9, and the polycrystalline silicon layer 8 and the conductive layer 10 are electrically connected. Further, a liner insulating film 13 and an interlayer insulating film 14 are formed on the control gate electrode CG.

次に、本実施形態によるNAND型フラッシュメモリ装置の製造方法の一例を、図6〜図9に示す工程断面図を参照して説明する。尚、図6(a)〜図9(a)は図3に対応する断面構造(メモリセル領域)の製造段階を模式的に示し、図6(b)〜図9(b)は図5に対応する断面構造(周辺回路領域)の製造段階を模式的に示す。   Next, an example of a method for manufacturing the NAND flash memory device according to the present embodiment will be described with reference to process cross-sectional views shown in FIGS. FIGS. 6A to 9A schematically show a manufacturing stage of a cross-sectional structure (memory cell region) corresponding to FIG. 3, and FIGS. 6B to 9B are shown in FIG. A manufacturing stage of a corresponding cross-sectional structure (peripheral circuit region) is schematically shown.

まず、図6に示すように、p型のシリコン基板1(または表層にp型ウエルを形成したシリコン基板)の表面に、ゲート絶縁膜7、30を例えば1nm〜15nm程度周知の方法で形成する。この後、浮遊ゲート電極FGとなる例えばドープト多結晶シリコン層8を10nmから200nm程度化学気相成長法により形成する。ドープト多結晶シリコン層8の不純物としては、例えばリン(P)を用いる。   First, as shown in FIG. 6, gate insulating films 7 and 30 are formed on the surface of a p-type silicon substrate 1 (or a silicon substrate having a p-type well formed on the surface layer) by a known method, for example, about 1 nm to 15 nm. . Thereafter, for example, a doped polycrystalline silicon layer 8 to be the floating gate electrode FG is formed by a chemical vapor deposition method with a thickness of about 10 nm to 200 nm. For example, phosphorus (P) is used as the impurity of the doped polycrystalline silicon layer 8.

次に、ドープト多結晶シリコン層8上に化学気相成長法によってシリコン窒化膜15を50nmから200nm程度形成し、続いて、シリコン窒化膜15上に化学気相成長法によってシリコン酸化膜16を50nmから400nm程度形成する。この後、シリコン酸化膜16上にフォトレジスト(図示せず)を塗布し、露光現像によりフォトレジストをパターニングする。次いで、当該レジストをマスクとしてシリコン酸化膜16をRIE法によりエッチング処理する。   Next, a silicon nitride film 15 is formed to a thickness of about 50 nm to 200 nm on the doped polycrystalline silicon layer 8 by chemical vapor deposition. Subsequently, a silicon oxide film 16 is formed on the silicon nitride film 15 by 50 nm by chemical vapor deposition. To about 400 nm. Thereafter, a photoresist (not shown) is applied on the silicon oxide film 16, and the photoresist is patterned by exposure and development. Next, the silicon oxide film 16 is etched by the RIE method using the resist as a mask.

エッチング後に、フォトレジストを除去する。そして、シリコン酸化膜16をマスクにしてシリコン窒化膜15をエッチングし、次いで、ドープト多結晶シリコン層8(浮遊ゲート電極FG)、ゲート絶縁膜7、30およびシリコン基板1をエッチングすることにより、素子分離溝4、26を形成する(図6参照)。   After the etching, the photoresist is removed. Then, the silicon nitride film 15 is etched using the silicon oxide film 16 as a mask, and then the doped polycrystalline silicon layer 8 (floating gate electrode FG), the gate insulating films 7 and 30 and the silicon substrate 1 are etched, whereby the element Separation grooves 4 and 26 are formed (see FIG. 6).

次に、図7に示すように、素子分離溝4、26の内面、即ち、シリコン基板1の上面(底面)と側面、ゲート絶縁膜7、30の側面および多結晶シリコン層8の側面を疎密酸化工程(詳しくは後述する)によって酸化し、シリコン酸化膜24、28を一括形成する。これによって、エッチングの加工ダメージを修復することができる。このとき、周辺回路領域の素子分離溝26の内面におけるシリコン酸化膜28を、メモリセル領域の素子分離溝4の内面におけるシリコン酸化膜24よりも厚くなるように形成できる。また、周辺回路トランジスタ(高耐圧トランジスタ)のゲート絶縁膜30の端部の膜厚を、メモリセルトランジスタのゲート絶縁膜7の端部の膜厚よりも厚くすることができる(図11、図13参照)。尚、周辺回路領域のシリコン酸化膜28およびゲート絶縁膜30の構造等については、後で詳細に説明する。   Next, as shown in FIG. 7, the inner surfaces of the element isolation grooves 4 and 26, that is, the upper surface (bottom surface) and side surfaces of the silicon substrate 1, the side surfaces of the gate insulating films 7 and 30, and the side surfaces of the polycrystalline silicon layer 8 are sparse. Oxidation is performed by an oxidation process (described later in detail) to form silicon oxide films 24 and 28 at once. Thereby, etching processing damage can be repaired. At this time, the silicon oxide film 28 on the inner surface of the element isolation trench 26 in the peripheral circuit region can be formed thicker than the silicon oxide film 24 on the inner surface of the element isolation trench 4 in the memory cell region. Further, the thickness of the end portion of the gate insulating film 30 of the peripheral circuit transistor (high voltage transistor) can be made larger than the thickness of the end portion of the gate insulating film 7 of the memory cell transistor (FIGS. 11 and 13). reference). The structure of the silicon oxide film 28 and the gate insulating film 30 in the peripheral circuit region will be described in detail later.

この後、図8に示すように、塗布技術を用いて塗布型絶縁膜(シリコン酸化膜)25、29を例えば200nm〜1500nm程度形成することにより、素子分離溝4、26内を埋め込む。続いて、塗布型絶縁膜25、29に対し酸素雰囲気もしくは水蒸気雰囲気下で熱処理を行うことにより高密度化を行う。次に、CMP(chemical mechanical polishing)を用いてシリコン窒化膜15が露出するまで平坦化を行う。   Thereafter, as shown in FIG. 8, coating-type insulating films (silicon oxide films) 25 and 29 are formed to a thickness of, for example, about 200 nm to 1500 nm using a coating technique, thereby filling the element isolation grooves 4 and 26. Subsequently, the coating type insulating films 25 and 29 are densified by performing heat treatment in an oxygen atmosphere or a water vapor atmosphere. Next, planarization is performed using chemical mechanical polishing (CMP) until the silicon nitride film 15 is exposed.

次いで、RIE法を用いてシリコン窒化膜15と選択比のあるエッチング条件によって、素子分離絶縁膜5、27(シリコン酸化膜24、28および塗布型絶縁膜25、29)のみをエッチバックする。この素子分離絶縁膜5、27の選択的なエッチングにより、浮遊ゲート電極FG(多結晶シリコン層8)間の素子分離絶縁膜5、27が落とし込まれる。この後、多結晶シリコン層8上に残っているシリコン窒化膜15を例えばウエットエッチングで選択的にエッチングして除去する。   Next, only the element isolation insulating films 5 and 27 (the silicon oxide films 24 and 28 and the coating type insulating films 25 and 29) are etched back using the RIE method under etching conditions having a selection ratio with the silicon nitride film 15. By selective etching of the element isolation insulating films 5 and 27, the element isolation insulating films 5 and 27 between the floating gate electrodes FG (polycrystalline silicon layer 8) are dropped. Thereafter, the silicon nitride film 15 remaining on the polycrystalline silicon layer 8 is selectively removed by wet etching, for example.

次いで、図9に示すように、露出した多結晶シリコン層8および素子分離絶縁膜5、27の表面に、電極間絶縁膜9を形成する。この電極間絶縁膜9としては、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の積層構造の膜を周知のプロセスにより形成する。尚、電極間絶縁膜9として、単体の高誘電率絶縁膜、シリコン酸化膜/高誘電率絶縁膜/シリコン酸化膜の積層構造の膜、または、シリコン窒化膜/シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜/シリコン窒化膜の積層構造の膜等を形成しても良い。   Next, as shown in FIG. 9, an interelectrode insulating film 9 is formed on the exposed surfaces of the polycrystalline silicon layer 8 and the element isolation insulating films 5 and 27. As the interelectrode insulating film 9, a film having a laminated structure of silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film is formed by a known process. As the interelectrode insulating film 9, a single high dielectric constant insulating film, a silicon oxide film / high dielectric constant insulating film / silicon oxide film laminated structure, or silicon nitride film / silicon oxide film / silicon nitride film / A film having a laminated structure of a silicon oxide film / silicon nitride film or the like may be formed.

この後、電極間絶縁膜9上に化学気相成長法を用いて導電層10(制御ゲート電極CG)となるドープト多結晶シリコン層を例えば100nm程度形成する。ドープト多結晶シリコン層の不純物としては、例えばリン(P)を用いる。尚、周辺回路領域の電極間絶縁膜9には、図示しない貫通孔が形成されて多結晶シリコン層8とドープト多結晶シリコン層とが導通される。   Thereafter, a doped polycrystalline silicon layer to be the conductive layer 10 (control gate electrode CG) is formed on the interelectrode insulating film 9 by a chemical vapor deposition method, for example, about 100 nm. As an impurity of the doped polycrystalline silicon layer, for example, phosphorus (P) is used. A through hole (not shown) is formed in the interelectrode insulating film 9 in the peripheral circuit region, and the polycrystalline silicon layer 8 and the doped polycrystalline silicon layer are electrically connected.

この後は、周知のプロセスにより、電極分離用の溝11(図4参照)を形成し、複数のゲート電極構造を得る。尚、ゲート電極(浮遊ゲート電極FGおよび制御ゲート電極CG)の幅寸法及びゲート電極間の間隔寸法は、いずれも例えば50nm程度である。また、厚さ10nm程度のゲート側壁膜(図示しない)を、熱酸化法及びCVD法により形成しても良い。次いで、溝11の内底部のシリコン基板1の表面に、イオン注入法を用いて不純物をドーピングし、拡散層6を形成する。続いて、溝11内に、セルゲート間絶縁膜としてメモリセル間絶縁膜12を形成した後、平坦化し、落とし込む。次に、多結晶シリコン層(導電層10)の上部に例えばニッケルシリサイド(NiSi)層を形成した後、図4に示すように、ライナー絶縁膜13と層間絶縁膜14を形成する。更に、周知の技術を用いて配線等(図示しない)を形成する。   Thereafter, an electrode separating groove 11 (see FIG. 4) is formed by a known process to obtain a plurality of gate electrode structures. The width dimension of the gate electrodes (floating gate electrode FG and control gate electrode CG) and the distance dimension between the gate electrodes are both about 50 nm, for example. Further, a gate sidewall film (not shown) having a thickness of about 10 nm may be formed by a thermal oxidation method and a CVD method. Next, the surface of the silicon substrate 1 at the inner bottom portion of the groove 11 is doped with an impurity by using an ion implantation method to form a diffusion layer 6. Subsequently, an inter-memory cell insulating film 12 is formed in the trench 11 as an inter-cell gate insulating film, and then planarized and dropped. Next, after forming, for example, a nickel silicide (NiSi) layer on the polycrystalline silicon layer (conductive layer 10), a liner insulating film 13 and an interlayer insulating film 14 are formed as shown in FIG. Further, wiring or the like (not shown) is formed using a known technique.

このようにして製造されたNAND型フラッシュメモリ装置の各メモリセルでは、シリコン基板1と制御ゲート電極CGとの間に高電圧を印加することで、カップリング比に応じた電界がトンネル絶縁膜(ゲート絶縁膜7)に印加され、トンネル絶縁膜にトンネル電流が流れる。その結果、浮遊ゲート電極FGの蓄積電荷量が変化して、メモリセルの閾値が変化し、データの書き込み或いは消去動作が行われる。   In each memory cell of the NAND flash memory device manufactured as described above, an electric field according to the coupling ratio is generated by applying a high voltage between the silicon substrate 1 and the control gate electrode CG. Applied to the gate insulating film 7), a tunnel current flows through the tunnel insulating film. As a result, the amount of charge accumulated in the floating gate electrode FG changes, the threshold value of the memory cell changes, and data writing or erasing operation is performed.

次に、素子分離溝4、26を形成した後の疎密酸化工程について、詳細に説明する。この疎密酸化工程を実行することにより、素子分離溝4、26の加工ダメージを修復することができると共に、後述する酸化条件により、周辺回路領域のゲート絶縁膜30に、メモリセル領域のゲート絶縁膜7よりも大きなバーズビーク(図11、図13(b)参照)を導入(形成)することができる。更に、上記疎密酸化工程を実行することにより、パターン疎領域である周辺回路領域において、素子分離溝26の内面に厚い膜厚のシリコン酸化膜28を形成することができる。これにより、素子分離溝26の埋め込み材である塗布型絶縁膜29の埋め込み体積を減らすことができるから、周辺回路領域における結晶欠陥の発生を抑制できる。   Next, the dense oxidation process after the element isolation grooves 4 and 26 are formed will be described in detail. By performing this density oxidation step, the processing damage of the element isolation trenches 4 and 26 can be repaired, and the gate insulating film 30 in the memory cell region is added to the gate insulating film 30 in the peripheral circuit region under the oxidation conditions described later. Birds beaks larger than 7 (see FIG. 11 and FIG. 13B) can be introduced (formed). Furthermore, by performing the above-described sparse and dense oxidation step, a thick silicon oxide film 28 can be formed on the inner surface of the element isolation trench 26 in the peripheral circuit region that is a sparse pattern region. As a result, the filling volume of the coating type insulating film 29, which is a filling material of the element isolation trench 26, can be reduced, so that generation of crystal defects in the peripheral circuit region can be suppressed.

本実施形態の疎密酸化工程の酸化条件としては、メモリセル領域の素子分離溝4の幅が狭い開口部(スペース)において、その内面に薄い膜厚のシリコン酸化膜24が形成されると共に、周辺回路領域の素子分離溝26の幅が広い開口部(スペース)において、その内面に厚い膜厚のシリコン酸化膜28が形成されるような条件を選択する。   As oxidation conditions in the dense oxidation step of the present embodiment, a thin silicon oxide film 24 is formed on the inner surface of an opening (space) in which the width of the element isolation trench 4 in the memory cell region is narrow, and the periphery A condition is selected such that a thick silicon oxide film 28 is formed on the inner surface of an opening (space) where the width of the element isolation trench 26 in the circuit region is wide.

具体的には、本実施形態の疎密酸化工程においては、プラズマ酸化を使用し、このプラズマ酸化の酸化条件は、希ガス例えばアルゴンガスと酸素ガスを含み、酸素ガスの流量比率が約20%以下の処理ガスを用いると共に、処理圧力(チャンバー内圧力)を低圧例えば300Pa程度以下とした。この酸化条件で生成されたマイクロ波励起プラズマを用いて疎密酸化を実行することによって、シリコン酸化膜24、28の膜厚差がパターンの疎領域と密領域とで実効的に大きくなり、且つ、生産性の観点から高酸化レート条件として望ましいものとなった。尚、プラズマ酸化の酸化条件は、上記した例に限られるものではなく、酸素の流量比率を例えば0.5〜10%程度とし、処理圧力を例えば1.3〜133Pa程度とすることがより一層好ましい酸化条件である。   Specifically, plasma oxidation is used in the dense oxidation step of the present embodiment, and the oxidation conditions of this plasma oxidation include a rare gas such as argon gas and oxygen gas, and the flow rate ratio of oxygen gas is about 20% or less. The processing pressure (chamber internal pressure) was set to a low pressure, for example, about 300 Pa or less. By performing sparse / dense oxidation using microwave-excited plasma generated under this oxidation condition, the film thickness difference between the silicon oxide films 24 and 28 is effectively increased between the sparse and dense regions of the pattern, and It became desirable as a high oxidation rate condition from the viewpoint of productivity. The oxidation conditions for plasma oxidation are not limited to the above example, and it is even more preferable that the oxygen flow rate ratio is, for example, about 0.5 to 10%, and the processing pressure is, for example, about 1.3 to 133 Pa. Preferred oxidation conditions.

ここで、素子分離溝4、26の幅寸法(スペース幅寸法)を変化させたときに、上記疎密酸化工程により素子分離溝4、26の内面(STI側壁)に形成される酸化膜厚を測定した結果を、図10に示す。この図10の横軸は、素子分離溝4、26の幅寸法(スペース幅寸法)である。縦軸は、メモリセル領域の素子分離溝4の内面に形成されるシリコン酸化膜24の膜厚を1と規格した場合のシリコン酸化膜28の膜厚(STI側壁酸化膜厚)である。上記図10から、スペース幅寸法が広くなるにつれて、酸化膜厚が増大していることがわかる。   Here, when the width dimension (space width dimension) of the element isolation grooves 4 and 26 is changed, the oxide film thickness formed on the inner surfaces (STI side walls) of the element isolation grooves 4 and 26 by the above-described dense oxidation process is measured. The results are shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 10 is the width dimension (space width dimension) of the element isolation grooves 4 and 26. The vertical axis represents the film thickness (STI sidewall oxide film thickness) of the silicon oxide film 28 when the film thickness of the silicon oxide film 24 formed on the inner surface of the element isolation trench 4 in the memory cell region is standardized as 1. FIG. 10 shows that the oxide film thickness increases as the space width dimension increases.

また、上記疎密酸化工程を実行すると、素子分離溝4、26の内面に形成されるシリコン酸化膜24、28の膜厚が増大するにつれて、ゲート絶縁膜(トンネル絶縁膜)7、30の端部に導入されるバーズビークの大きさが増大することがわかった。このため、図11および図13(b)に示すように、素子分離溝26のスペース幅寸法が広い周辺回路領域においてバーズビークがより一層大きくなった。   Further, when the above-described dense oxidation step is executed, the end portions of the gate insulating films (tunnel insulating films) 7 and 30 increase as the thickness of the silicon oxide films 24 and 28 formed on the inner surfaces of the element isolation grooves 4 and 26 increases. It has been found that the size of the bird's beak introduced into increases. For this reason, as shown in FIGS. 11 and 13B, the bird's beak is further increased in the peripheral circuit region where the space width of the element isolation trench 26 is wide.

ここで、素子分離溝4、26の幅寸法(スペース幅寸法)を変化させたときに、バーズビークの大きさの指標として、例えばゲート絶縁膜7、30の端部の膜厚を測定した結果を、図12に示す。この図12の横軸は、素子分離溝4、26の幅寸法(スペース幅寸法)である。図12の縦軸は、メモリセル領域のゲート絶縁膜7の端部の膜厚を1として規格した場合の周辺回路領域におけるゲート絶縁膜端部の膜厚である。図12から、スペース幅寸法が広くなるにつれて、ゲート絶縁膜端部の膜厚が増大していることがわかり、更に、スペース幅寸法に固有のバーズビークの大きさが得られることがわかる。   Here, when the width dimension (space width dimension) of the element isolation grooves 4 and 26 is changed, for example, the result of measuring the film thickness of the end portions of the gate insulating films 7 and 30 is used as an index of the bird's beak size. As shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 12 is the width dimension (space width dimension) of the element isolation grooves 4 and 26. The vertical axis in FIG. 12 represents the film thickness of the end portion of the gate insulating film in the peripheral circuit region when the thickness of the end portion of the gate insulating film 7 in the memory cell region is standardized as 1. From FIG. 12, it can be seen that as the space width dimension increases, the film thickness at the end of the gate insulating film increases, and further, the bird's beak size unique to the space width dimension can be obtained.

そして、図12から、パターン(素子分離溝4)の密となったメモリセル領域と比較して、パターン(素子分離溝26)の疎となった周辺回路領域において、バーズビークを選択的且つ積極的に導入可能なことがわかる。この結果を模式的に図13(b)に示す。尚、図13(a)は疎密酸化工程を実行する前の状態を模式的に示す。   Then, from FIG. 12, the bird's beak is selectively and actively applied in the peripheral circuit region where the pattern (element isolation groove 26) is sparse compared with the memory cell region where the pattern (element isolation groove 4) is dense. It can be seen that it can be introduced. This result is schematically shown in FIG. FIG. 13 (a) schematically shows a state before the sparse oxidation process.

この場合、図13(a)にて1点鎖線の丸印で示すように、シリコン基板1の上部端が角張っていると、高電界集中が起こり、耐圧が劣化する。そこで、特により高い高電圧を印加する周辺回路領域では、大きいバーズビークを導入し、メモリセル領域には、微小バーズビークを導入することが好ましい。   In this case, as indicated by a dot-dash line circle in FIG. 13A, when the upper end of the silicon substrate 1 is angular, high electric field concentration occurs and the breakdown voltage is degraded. Therefore, it is preferable to introduce a large bird's beak in the peripheral circuit region to which a higher voltage is applied, and to introduce a minute bird's beak in the memory cell region.

本実施形態の疎密酸化工程を実行すると、図13(b)に示すように、周辺回路領域のバーズビークが、メモリセル領域のバーズビークよりも大きくなることから、シリコン基板1の上部端の適切な角丸めを周辺回路領域およびメモリセル領域においてそれぞれ実現することができた。これにより、本実施形態によれば、特に高電界が印加される周辺回路素子の耐圧改善を図ることができると共に、メモリセル領域ではバーズビークが小さいため、カップリング比を良好に維持することが可能である。   When the dense oxidation process of this embodiment is performed, the bird's beak in the peripheral circuit region becomes larger than the bird's beak in the memory cell region as shown in FIG. Rounding could be realized in the peripheral circuit region and the memory cell region, respectively. Thus, according to the present embodiment, it is possible to improve the breakdown voltage of peripheral circuit elements to which a particularly high electric field is applied, and it is possible to maintain a good coupling ratio because the bird's beak is small in the memory cell region. It is.

加えて、本実施形態においては、上記した疎密酸化工程を施すことにより、図14に示すように、素子分離溝26の側壁、特には、多結晶シリコン層8の側壁において、上部に形成されるシリコン酸化膜28の膜厚が、下部に形成されるシリコン酸化膜28の膜厚よりも大きいこと、即ち、テーパー形状が形成されることが判明した。このテーパー形状が形成されると、後工程において素子分離絶縁膜27を落とし込んだ後に電極間絶縁膜9を介して導電層10(制御ゲート電極CG)を埋め込むときの埋め込み性が向上するという効果が得られる。   In addition, in this embodiment, by performing the above-described dense oxidation step, as shown in FIG. 14, the side wall of the element isolation trench 26, particularly the side wall of the polycrystalline silicon layer 8, is formed at the upper part. It has been found that the thickness of the silicon oxide film 28 is larger than the thickness of the silicon oxide film 28 formed below, that is, a tapered shape is formed. When this tapered shape is formed, there is an effect that the embedding property is improved when the conductive layer 10 (control gate electrode CG) is embedded via the interelectrode insulating film 9 after the element isolation insulating film 27 is dropped in a subsequent process. can get.

さらに、本実施形態においては、素子分離溝4、26の加工後、塗布型絶縁膜25、29の埋め込み前に、上記した疎密酸化工程を施すことにより、スペース幅寸法の広い周辺回路領域において比較的厚いシリコン酸化膜28を形成した。これにより、周辺回路領域の素子分離溝26内に埋め込む塗布型絶縁膜29の体積を減らすことができるから、後工程の熱処理等により発生する塗布型絶縁膜29の収縮に起因する周辺回路領域の素子分離溝26部分の結晶欠陥を抑制することができる。   Further, in the present embodiment, after the element isolation grooves 4 and 26 are processed and before the coating type insulating films 25 and 29 are embedded, the above-described dense oxidation process is performed, so that comparison is made in a peripheral circuit region having a large space width. A thick silicon oxide film 28 was formed. As a result, the volume of the coating type insulating film 29 embedded in the element isolation trench 26 in the peripheral circuit region can be reduced. Crystal defects in the element isolation trench 26 can be suppressed.

尚、上記シリコン酸化膜28を熱CVD膜に置き換えても結晶欠陥を抑制することは可能である。しかし、熱CVD膜ではパターン疎密差が小さいので、周辺回路領域における結晶欠陥を抑制させるために、厚い熱CVD膜を形成すると、必然的にメモリセル領域における熱CVD膜のデポ膜厚も同程度に増大してしまうことから、メモリセル領域においてパターン閉塞やパターン倒壊等の問題を引き起こすおそれがある。このため、素子分離溝4、26の内面に形成する膜(側壁膜)としては、疎密酸化により形成するシリコン酸化膜24、28の単膜、あるいは、上記疎密酸化によりシリコン酸化膜24、28を形成した後にCVD膜を形成した積層膜が好適に用いられる。   It is possible to suppress crystal defects even if the silicon oxide film 28 is replaced with a thermal CVD film. However, since the pattern density difference is small in the thermal CVD film, if a thick thermal CVD film is formed to suppress crystal defects in the peripheral circuit region, the deposition thickness of the thermal CVD film in the memory cell region is inevitably comparable. Therefore, there is a risk of causing problems such as pattern blockage and pattern collapse in the memory cell region. For this reason, as a film (side wall film) formed on the inner surfaces of the element isolation trenches 4 and 26, a single film of the silicon oxide films 24 and 28 formed by the dense oxidation or the silicon oxide films 24 and 28 formed by the dense oxidation are formed. A laminated film in which a CVD film is formed after the formation is preferably used.

次に、上記した疎密酸化工程の作用(動作)について考察する。
本実施形態では、上記疎密酸化工程を実行するに際して、プラズマ酸化を用いた。このプラズマ酸化では、例えばアルゴンガス(Ar)を酸素ガス(O)と混合させてプラズマを励起し、アルゴンガス(希ガス)の準安定状態の持つエネルギーを利用して酸素分子を解離する手法を用いる。この場合、酸素ガスが酸素イオンや酸素ラジカルに解離するエネルギー値はそれぞれ異なり、主に処理圧力を高低させることで、これら酸化種の発生量を制御できる。
Next, the action (operation) of the above-described dense oxidation step will be considered.
In this embodiment, plasma oxidation is used when performing the above-described dense oxidation step. In this plasma oxidation, for example, argon gas (Ar) is mixed with oxygen gas (O 2 ) to excite the plasma, and oxygen molecules are dissociated using the energy of the metastable state of argon gas (rare gas). Is used. In this case, the energy values at which the oxygen gas dissociates into oxygen ions and oxygen radicals are different, and the amount of these oxidized species generated can be controlled mainly by increasing or decreasing the processing pressure.

ここで、図15に、プラズマ中の酸素イオン照射量(Ion Flux Density)の圧力依存性および酸素ラジカルの発光強度(O(777nm)のIntensity)の圧力依存性を示す。図15に示されるように、処理圧力を低圧に設定すると、酸素イオンの生成量が多くなり、一方処理圧力を高圧に設定すると、酸素ラジカルの生成量が多くなる傾向がある。このことから、処理圧力が低圧では、酸素イオンのシリコン酸化反応が支配的となり、処理圧力が高圧では、酸素ラジカルのシリコン酸化反応が支配的となることがわかる。   FIG. 15 shows the pressure dependency of the oxygen ion irradiation amount (Ion Flux Density) in the plasma and the pressure dependency of the emission intensity of oxygen radicals (O (777 nm) intensity). As shown in FIG. 15, when the processing pressure is set to a low pressure, the amount of oxygen ions generated increases, whereas when the processing pressure is set to a high pressure, the amount of oxygen radicals generated tends to increase. This shows that the silicon oxidation reaction of oxygen ions is dominant when the processing pressure is low, and the silicon oxidation reaction of oxygen radicals is dominant when the processing pressure is high.

更に、本発明者らは、処理圧力を低圧にして酸素イオンによる酸化処理を実行すると、本実施形態の疎密酸化工程を実現できるという知見を得た。これは、低圧下の酸素イオンによる酸化処理の場合、処理装置内で発生した酸素イオンが試料とプラズマ間で発生したシース電位によって試料方向へ引き込まれる際、試料の構造体、特に試料上面の角張っている箇所への電界集中によって、より積極的に酸化が進むためと考えられる。即ち、パターンの密領域(メモリセル領域)においては、低圧下で発生した酸素イオンは素子分離溝4の側壁上部の角張っている部分で多く消費されることから、素子分離溝4の内部(底部)では酸化速度が比較的遅くなり、形成されるシリコン酸化膜24の膜厚が薄くなる。一方、パターンの疎領域(周辺回路領域)においては、低圧で発生した酸素イオンは一様にシース電位によって引き込まれるため、素子分離溝26の上部側壁と内部(底部)で酸化速度に大きな差が存在しない。これにより、素子分離溝26の内面で酸化がスムーズに進行し、形成されるシリコン酸化膜28の膜厚が厚くなると考察することができる。   Furthermore, the present inventors have obtained the knowledge that when the oxidation treatment with oxygen ions is performed at a low treatment pressure, the dense oxidation step of this embodiment can be realized. This is because, in the case of oxidation treatment with oxygen ions under low pressure, when oxygen ions generated in the processing apparatus are drawn toward the sample by the sheath potential generated between the sample and the plasma, the sample structure, particularly the sample top surface is angular. This is thought to be due to the more aggressive oxidation due to the concentration of the electric field at the location where it is present. In other words, in the dense region (memory cell region) of the pattern, oxygen ions generated under a low pressure are consumed in a large portion at the upper corner of the side wall of the element isolation groove 4. ), The oxidation rate is relatively slow, and the thickness of the formed silicon oxide film 24 is reduced. On the other hand, in the sparse region (peripheral circuit region) of the pattern, oxygen ions generated at a low pressure are uniformly drawn by the sheath potential, so that there is a large difference in the oxidation rate between the upper side wall and the inside (bottom) of the element isolation groove 26. not exist. As a result, it can be considered that the oxidation proceeds smoothly on the inner surface of the element isolation groove 26 and the thickness of the formed silicon oxide film 28 is increased.

図16は、疎密酸化工程を実行したときのメモリセル領域の素子分離溝4の内面(側壁)に形成されるシリコン酸化膜24の膜厚の高さ位置依存性を示す。図16の横軸は、高さ位置を示す。縦軸は、シリコン酸化膜24の膜厚を示し、素子分離溝4の内部のBtm(bottom)位置に形成されるシリコン酸化膜24の膜厚を1として規格化されている。この図16から、素子分離溝4の内部のBtm位置と比較して、Top位置では約2.5倍の膜厚のシリコン酸化膜24が形成されることがわかる。更に、素子分離溝4の上部の角張っている部分で、酸化速度がより一層早いことがわかる。   FIG. 16 shows the height position dependency of the film thickness of the silicon oxide film 24 formed on the inner surface (side wall) of the element isolation trench 4 in the memory cell region when the dense oxidation step is executed. The horizontal axis in FIG. 16 indicates the height position. The vertical axis represents the film thickness of the silicon oxide film 24 and is normalized with the film thickness of the silicon oxide film 24 formed at the Btm (bottom) position inside the element isolation trench 4 being taken as 1. From FIG. 16, it can be seen that the silicon oxide film 24 having a thickness about 2.5 times as large as that at the top position is formed as compared with the Btm position inside the element isolation trench 4. Further, it can be seen that the oxidation rate is much faster in the angular portion above the element isolation trench 4.

尚、このような疎密酸化工程では、処理圧力が例えば20Pa〜60Pa程度、酸素流量割合が2.4〜14.3%程度の範囲の酸化条件が、特にNAND型のフラッシュメモリ装置への適用に有効であることが確認された。上記酸化条件が有効である理由としては、基板面内の酸化膜厚の均一性が良好であることや、所望の酸化膜厚を得る上で酸化レートが比較的早いこと(生産性の観点)が挙げられる。   In such a dense oxidation process, oxidation conditions in which the processing pressure is in the range of, for example, about 20 Pa to 60 Pa and the oxygen flow rate ratio is in the range of about 2.4 to 14.3% are particularly applicable to NAND flash memory devices. It was confirmed to be effective. The reason why the above oxidation conditions are effective is that the uniformity of the oxide film thickness in the substrate surface is good and that the oxidation rate is relatively fast in obtaining a desired oxide film thickness (in terms of productivity). Is mentioned.

ところで、前記特許文献1には、素子分離溝の内面にCVD膜としてシリコン酸化膜(ライナー絶縁膜)を形成した構成が示されているが、このライナー絶縁膜を形成すると、メモリセル領域において素子分離溝の上部の角部分における電界集中が緩和されてしまう。このため、上記ライナー絶縁膜を形成した後、プラズマ酸化を行っても、電界集中による疎密酸化作用が発現し難くなる。   By the way, Patent Document 1 discloses a configuration in which a silicon oxide film (liner insulating film) is formed as a CVD film on the inner surface of the element isolation groove. When this liner insulating film is formed, an element is formed in the memory cell region. The electric field concentration in the upper corner portion of the separation groove is relaxed. For this reason, even if plasma oxidation is performed after the liner insulating film is formed, a dense oxidation action due to electric field concentration is hardly exhibited.

これに対して、本実施形態においては、素子分離溝4、26の内面に直接(または自然酸化膜が存在する状態で)前記した酸素イオンを利用して疎密酸化工程を実行するように構成したので、周辺回路領域の素子分離溝26の内面に形成されるシリコン酸化膜28の膜厚をメモリセル領域のそれに比べて厚くすることができる。   On the other hand, in the present embodiment, the dense oxidation process is performed using the oxygen ions directly (or in the state where a natural oxide film is present) directly on the inner surfaces of the element isolation grooves 4 and 26. Therefore, the film thickness of the silicon oxide film 28 formed on the inner surface of the element isolation trench 26 in the peripheral circuit region can be made thicker than that in the memory cell region.

(その他の実施形態)
上記した実施形態では、NAND型のフラッシュメモリ装置に適用したが、これに限られるものではなく、他の半導体メモリに適用しても良い。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the present invention is applied to the NAND type flash memory device. However, the present invention is not limited to this and may be applied to other semiconductor memories.

以上のように、本実施形態の半導体装置の製造方法によると、第1の開口幅を有する第1の素子分離溝の内面に第1の膜厚の酸化膜を、第1の開口幅よりも広い第2の開口幅を有する第2の素子分離溝の内面に第1の膜厚よりも厚い第2の膜厚の酸化膜を、プラズマ酸化により一括形成した後、第1の素子分離溝内および第2の素子分離溝内に塗布型絶縁膜を埋め込むように構成したので、周辺回路素子の寿命を長くできると共に、後工程の熱処理等により周辺回路領域の素子分離溝部分に結晶欠陥が発生することを防止できる。   As described above, according to the manufacturing method of the semiconductor device of the present embodiment, the oxide film having the first film thickness is formed on the inner surface of the first element isolation groove having the first opening width than the first opening width. An oxide film having a second film thickness larger than the first film thickness is collectively formed by plasma oxidation on the inner surface of the second element isolation groove having a wide second opening width, and then the first element isolation groove is formed. In addition, since the coating type insulating film is embedded in the second element isolation groove, the life of the peripheral circuit element can be extended, and crystal defects are generated in the element isolation groove portion of the peripheral circuit area by heat treatment or the like in the subsequent process. Can be prevented.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

図面中、1はシリコン基板、2はSTI、3は活性領域、4は素子分離溝(第1の素子分離溝)、7はゲート絶縁膜、8は多結晶シリコン層(導電層)、22はSTI、23は活性領域、24はシリコン酸化膜、25は塗布型絶縁膜、26は素子分離溝(第2の素子分離溝)、28はシリコン酸化膜、29は塗布型絶縁膜、30はゲート絶縁膜である。   In the drawings, 1 is a silicon substrate, 2 is an STI, 3 is an active region, 4 is an element isolation trench (first element isolation trench), 7 is a gate insulating film, 8 is a polycrystalline silicon layer (conductive layer), 22 is STI, 23 is an active region, 24 is a silicon oxide film, 25 is a coating type insulating film, 26 is an element isolation trench (second element isolation trench), 28 is a silicon oxide film, 29 is a coating type insulating film, and 30 is a gate. It is an insulating film.

Claims (5)

半導体基板上の第1の領域に複数のメモリセルを形成し、前記半導体基板上の第2の領域に周辺回路素子を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に絶縁膜および導電層を順に形成する工程と、
前記絶縁膜および導電層が形成された前記半導体基板の前記第1の領域に第1の開口幅を有する複数の第1の素子分離溝、前記絶縁膜および導電層が形成された前記半導体基板の前記第2の領域に前記第1の開口幅よりも広い第2の開口幅を有する第2の素子分離溝をそれぞれ形成する工程と、
前記第1の素子分離溝の内面に第1の膜厚の酸化膜を、前記第2の素子分離溝の内面に前記第1の膜厚よりも厚い第2の膜厚の酸化膜を、プラズマ酸化により一括形成する工程と、
前記酸化膜が内面に形成された前記第1の素子分離溝内および前記第2の素子分離溝内に塗布型絶縁膜を埋め込む工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a plurality of memory cells in a first region on a semiconductor substrate; and forming a peripheral circuit element in a second region on the semiconductor substrate,
Forming an insulating film and a conductive layer on the semiconductor substrate in order;
A plurality of first element isolation grooves having a first opening width in the first region of the semiconductor substrate on which the insulating film and the conductive layer are formed, and the semiconductor substrate on which the insulating film and the conductive layer are formed. Forming a second element isolation trench having a second opening width wider than the first opening width in each of the second regions;
An oxide film having a first film thickness is formed on the inner surface of the first element isolation trench, and an oxide film having a second film thickness larger than the first film thickness is formed on the inner surface of the second element isolation groove. A process of batch formation by oxidation;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: embedding a coating type insulating film in the first element isolation trench and the second element isolation trench in which the oxide film is formed on an inner surface.
前記プラズマ酸化は、処理圧力を300Pa以下として行われることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the plasma oxidation is performed at a processing pressure of 300 Pa or less. 前記プラズマ酸化は、希ガスと酸素ガスを含む処理ガスを用いると共に、酸素ガスの流量比率を20%以下として行われることを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the plasma oxidation is performed using a processing gas containing a rare gas and an oxygen gas, and a flow rate ratio of the oxygen gas is 20% or less. 前記プラズマ酸化により、前記第1の領域および前記第2の領域の前記絶縁膜の端部にバーズビークを導入すると共に、前記第2の領域の前記絶縁膜の端部に導入されるバーズビークが、前記第1の領域の前記絶縁膜の端部に導入されるバーズビークよりも大きいことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。   By the plasma oxidation, a bird's beak is introduced into an end portion of the insulating film in the first region and the second region, and a bird's beak introduced into an end portion of the insulating film in the second region is The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is larger than a bird's beak introduced into an end portion of the insulating film in the first region. 前記プラズマ酸化により、前記第1の領域の前記導電層の側壁の上部に形成される前記酸化膜の膜厚が、前記第1の領域の前記導電層の側壁の下部に形成される前記酸化膜の膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。   The oxide film formed on the upper side wall of the conductive layer in the first region by the plasma oxidation has a thickness lower than the side wall of the conductive layer in the first region. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness is larger than the thickness of the semiconductor device.
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