JP2012204488A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
Manufacturing method of semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012204488A JP2012204488A JP2011066080A JP2011066080A JP2012204488A JP 2012204488 A JP2012204488 A JP 2012204488A JP 2011066080 A JP2011066080 A JP 2011066080A JP 2011066080 A JP2011066080 A JP 2011066080A JP 2012204488 A JP2012204488 A JP 2012204488A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- element isolation
- region
- insulating film
- film
- oxide film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
Abstract
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.
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.
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
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
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
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-
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-
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
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
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
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
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
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
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
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,
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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(O2)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
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
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,
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
(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)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011066080A JP2012204488A (en) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Manufacturing method of semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011066080A JP2012204488A (en) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Manufacturing method of semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012204488A true JP2012204488A (en) | 2012-10-22 |
Family
ID=47185175
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011066080A Withdrawn JP2012204488A (en) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Manufacturing method of semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2012204488A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019071348A (en) * | 2017-10-10 | 2019-05-09 | ラピスセミコンダクタ株式会社 | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device |
-
2011
- 2011-03-24 JP JP2011066080A patent/JP2012204488A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019071348A (en) * | 2017-10-10 | 2019-05-09 | ラピスセミコンダクタ株式会社 | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device |
JP7164271B2 (en) | 2017-10-10 | 2022-11-01 | ラピスセミコンダクタ株式会社 | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101076081B1 (en) | Nonvolatile semiconductor memory device and method of fabricating the same | |
TWI485811B (en) | Method of forming semiconductor structure | |
KR100894772B1 (en) | Semiconductor memory device and Method of manufacturing thereof | |
KR101294495B1 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
US10115809B2 (en) | Semiconductor memory device and method of manufacturing the same | |
US10269823B2 (en) | Flash memory semiconductor device | |
US20130069135A1 (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JP2010283127A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
US20120238099A1 (en) | Method of manufacturing electronic part | |
JP2009170781A (en) | Nonvolatile semiconductor storage device and manufacturing method thereof | |
JP2013201185A (en) | Nonvolatile semiconductor storage device and manufacturing method of the same | |
JP2008091614A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2009289813A (en) | Production method of non-volatile semiconductor memory device | |
JP5937172B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device | |
JP2014187132A (en) | Semiconductor device | |
JP2012204488A (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
US8629491B2 (en) | Semiconductor memory device and method of manufacturing the same | |
US8445349B2 (en) | Method of manufacturing nonvolatile semiconductor memory device | |
JP2009076635A (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
JP2013065776A (en) | Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device | |
JP2013143482A (en) | Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method | |
JP2013065775A (en) | Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method | |
JP2012129453A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device | |
US9240494B2 (en) | Semiconductor device and method for fabricating semiconductor device | |
JP2015056601A (en) | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20140603 |