JP2012209337A - Method for manufacturing nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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拓 浅見
Makoto Kirihara
信 桐原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device capable of solving a problem of a method for manufacturing a conventional MONOS type nonvolatile semiconductor memory device that a side etching is invaded because a wet-etching is used for etching process of a top insulating film, thereby an insulation quality between a charge storage layer and a gate electrode is damaged, an electrical leak is generated and electric characteristics such as an erasure property degrade.SOLUTION: In a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, an area simultaneously forming a top insulation film and a side wall protective film is formed by using two sacrificial films and oxidation treatment. Thereby a side etching of a memory gate insulation film does not occur.

Description

本発明は、メモリゲート絶縁膜内の電荷蓄積層に電荷を蓄積することで情報を記憶する不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device that stores information by storing charges in a charge storage layer in a memory gate insulating film.

不揮発性半導体記憶装置は、電源供給が中断されても記憶したデータを維持する特性を有する。
現在、不揮発性半導体記憶装置は、フローティングゲートを有するMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor−Field−Effect−Transistor)型が広く使用されており、特に比較的製造工程が単純な積層ゲート構造が多く採択されている。
A nonvolatile semiconductor memory device has a characteristic of maintaining stored data even when power supply is interrupted.
At present, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) type having a floating gate is widely used as a nonvolatile semiconductor memory device, and a stacked gate structure having a relatively simple manufacturing process is adopted in particular. ing.

積層ゲート構造の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板上にトンネル絶縁膜、導電性の膜で構成するフローティングゲート(電荷蓄積層)、ゲート層間絶縁膜、制御ゲート電極を順次積層し、フローティングゲートの両端部分の半導体基板内にソース、ドレインを形成する構造である。   A non-volatile semiconductor memory device having a stacked gate structure is formed by sequentially stacking a floating gate (charge storage layer) composed of a tunnel insulating film, a conductive film, a gate interlayer insulating film, and a control gate electrode on a semiconductor substrate. In this structure, the source and drain are formed in the semiconductor substrate at both ends.

フローティングゲートは、制御ゲート電極及び半導体基板から電気的に隔離された状態であり、自由に電荷を保持することが可能となるため、フローティングゲートに保持された電荷の有無によって、情報の記憶の有無とすることができる。   Since the floating gate is electrically isolated from the control gate electrode and the semiconductor substrate and can hold charge freely, whether or not information is stored depends on whether or not the charge is held in the floating gate. It can be.

このような不揮発性半導体記憶装置に情報を記憶させるには、制御ゲート電極から所定の書き込み電圧を印加し、半導体基板側から電荷(電子又は正孔)をトンネル絶縁膜を介してフローティングゲートに注入させることが一般的である。このとき、電荷に高エネルギを与えホットキャリア化して注入させる手法や、トンネル絶縁膜にトンネル電流を流して注入させる手法などが知られている。   In order to store information in such a nonvolatile semiconductor memory device, a predetermined write voltage is applied from the control gate electrode, and charges (electrons or holes) are injected from the semiconductor substrate side into the floating gate through the tunnel insulating film. It is common to make it. At this time, there are known a method in which high energy is given to the charge to inject it into hot carriers, a method in which a tunnel current is injected into the tunnel insulating film, and the like.

フローティングゲートは電気的に他と隔離されているので、非常に長い時間そこに留まることができるが、注入されたフローティングゲート内の電荷は自由電荷状態であるから、フローティングゲートの下のトンネル絶縁膜が一部分でも損傷されれば、そこから抜け出し、フローティングゲート内に蓄積された電荷を全て失うこととなる。このような不良モードを回避するため、フローティングゲートを有する不揮発性半導体記憶装置においては、十分な厚さのトンネル絶縁膜が求められる。   Since the floating gate is electrically isolated from the others, it can stay there for a very long time, but since the charge in the injected floating gate is in a free charge state, the tunnel insulating film under the floating gate If even a portion is damaged, it will escape from it and lose all the charge stored in the floating gate. In order to avoid such a failure mode, a tunnel insulating film having a sufficient thickness is required in a nonvolatile semiconductor memory device having a floating gate.

しかしながら、トンネル絶縁膜の厚さが増加すると、トンネル絶縁膜の破壊確率は減少する一方、半導体基板側からの電荷の注入がしにくくなるため、制御ゲート電極から印加する書き込み電圧も上昇し、不揮発性半導体記憶装置の動作電圧も上昇してしまう。その結果、不揮発性半導体記憶装置全体の消費電力も増加してしまう。   However, if the thickness of the tunnel insulating film increases, the probability of breakdown of the tunnel insulating film decreases, but it becomes difficult to inject charges from the semiconductor substrate side, so the write voltage applied from the control gate electrode also increases, and non-volatile The operating voltage of the conductive semiconductor memory device also increases. As a result, the power consumption of the entire nonvolatile semiconductor memory device also increases.

このような問題を解決するため、MOSFET型の不揮発性半導体記憶装置でありながら、メモリゲート絶縁膜に特徴を有するMONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Semiconductor)型の不揮発性半導体記憶装置が提案されている。   In order to solve such a problem, a MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) type non-volatile semiconductor memory device having a feature in a memory gate insulating film is proposed, although it is a MOSFET type non-volatile semiconductor memory device. Has been.

ここで、一般的なMONOS型の不揮発性半導体記憶装置を図7を用いて説明する。図7はその断面を模式的に示す図である。図7において、50は半導体基板、51はトンネル絶縁膜、52は絶縁性の電荷蓄積層、53はトップ絶縁膜、54はゲート電極、55は
ソース及びドレインとなる高濃度不純物層である。トンネル絶縁膜51と電荷蓄積層52とトップ絶縁膜53とでメモリゲート絶縁膜56を構成する。
Here, a general MONOS type nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram schematically showing the cross section. In FIG. 7, 50 is a semiconductor substrate, 51 is a tunnel insulating film, 52 is an insulating charge storage layer, 53 is a top insulating film, 54 is a gate electrode, and 55 is a high concentration impurity layer serving as a source and drain. The tunnel insulating film 51, the charge storage layer 52, and the top insulating film 53 constitute a memory gate insulating film 56.

MONOS型の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板50上にトンネル絶縁膜51、電荷蓄積層52、トップ絶縁膜53を順次積層したメモリゲート絶縁膜56を有している。そのメモリゲート絶縁膜の上部にゲート電極54を設けている。このメモリゲート絶縁膜56の両端部分の半導体基板50の内部に高濃度不純物層55を設けている。   The MONOS type nonvolatile semiconductor memory device has a memory gate insulating film 56 in which a tunnel insulating film 51, a charge storage layer 52, and a top insulating film 53 are sequentially stacked on a semiconductor substrate 50. A gate electrode 54 is provided on the memory gate insulating film. High concentration impurity layers 55 are provided in the semiconductor substrate 50 at both ends of the memory gate insulating film 56.

MONOS型の不揮発性半導体記憶装置の電荷蓄積層52は、フローティングゲートを有する不揮発性半導体記憶装置と違い、絶縁性の膜で構成している。このため、蓄積された電荷は、拘束電荷状態であるため、トンネル絶縁膜51の一部分が損傷されても、失われる電荷は僅かである。   Unlike the nonvolatile semiconductor memory device having a floating gate, the charge storage layer 52 of the MONOS type nonvolatile semiconductor memory device is formed of an insulating film. For this reason, since the accumulated charge is in a bound charge state, even if a part of the tunnel insulating film 51 is damaged, only a small amount of charge is lost.

したがって、MONOS型の不揮発性半導体記憶装置は、フローティングゲートを有する不揮発性半導体記憶装置に比べ、トンネル絶縁膜51の膜厚を薄くすることができる。これにより、MONOS型の不揮発性半導体記憶装置は、より低い動作電圧で駆動することが可能となり、その消費電力を低減することができる。
このようなMONOS型の不揮発性半導体記憶装置は、多くの提案を見るものである(例えば、特許文献1参照。)。
Therefore, in the MONOS type nonvolatile semiconductor memory device, the thickness of the tunnel insulating film 51 can be made thinner than that of the nonvolatile semiconductor memory device having the floating gate. As a result, the MONOS type nonvolatile semiconductor memory device can be driven at a lower operating voltage, and its power consumption can be reduced.
Such a MONOS type nonvolatile semiconductor memory device has many proposals (see, for example, Patent Document 1).

特開平4−343477号公報(3頁−4頁、第1図)JP-A-4-343477 (pages 3-4, Fig. 1)

特許文献1に示した従来技術は、一般的なMONOS型の不揮発性半導体記憶装置について言及している。そのようなMONOS型の不揮発性半導体記憶装置を製造するときは、半導体基板上にトンネル絶縁膜、電荷蓄積層、トップ絶縁膜を順次積層し、その後に所定の形状にこれらの膜をエッチング除去してメモリゲート絶縁膜を形成する。   The prior art disclosed in Patent Document 1 refers to a general MONOS type nonvolatile semiconductor memory device. When manufacturing such a MONOS type nonvolatile semiconductor memory device, a tunnel insulating film, a charge storage layer, and a top insulating film are sequentially stacked on a semiconductor substrate, and then these films are etched and removed into a predetermined shape. Then, a memory gate insulating film is formed.

しかし、発明者が検討したところによると、トンネル絶縁膜、電荷蓄積層、トップ絶縁膜をエッチング除去するときに、トンネル絶縁膜とトップ絶縁膜とがサイドエッチングされてしまうことがわかった。   However, according to a study by the inventors, it has been found that when the tunnel insulating film, the charge storage layer, and the top insulating film are removed by etching, the tunnel insulating film and the top insulating film are side-etched.

その状況を表したものが図8である。図8は、MONOS型の不揮発性半導体記憶装置の製造途中を模式的に示す断面図である。
図8において、60はシリコン半導体基板、61a,61bはトンネル絶縁膜(シリコン酸化膜)、62a,62bは電荷蓄積層(シリコン窒化膜)、63a,63bはトップ絶縁膜(シリコン酸化膜)である。64はマスク材(フォトレジスト)である。66はメモリゲート絶縁膜である。
FIG. 8 shows the situation. FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the MONOS type nonvolatile semiconductor memory device.
In FIG. 8, 60 is a silicon semiconductor substrate, 61a and 61b are tunnel insulating films (silicon oxide films), 62a and 62b are charge storage layers (silicon nitride films), and 63a and 63b are top insulating films (silicon oxide films). . Reference numeral 64 denotes a mask material (photoresist). Reference numeral 66 denotes a memory gate insulating film.

図8(a)は、シリコン半導体基板60上に、トンネル絶縁膜61a、電荷蓄積層62a、トップ絶縁膜63aを順次積層し、その上部の所定の領域にマスク材64を設けた状態を示している。その後の製造工程で、マスク材64の形状に合わせてトンネル絶縁膜61a、電荷蓄積層62a、トップ絶縁膜63aで構成するメモリゲート絶縁膜66をエッチング加工する。
図8(b)は、マスク材64に沿って、メモリゲート絶縁膜66を順次エッチング加工した後の様子を示したものである。
FIG. 8A shows a state in which a tunnel insulating film 61a, a charge storage layer 62a, and a top insulating film 63a are sequentially stacked on a silicon semiconductor substrate 60, and a mask material 64 is provided in a predetermined region above the tunnel insulating film 61a. Yes. In the subsequent manufacturing process, the memory gate insulating film 66 composed of the tunnel insulating film 61a, the charge storage layer 62a, and the top insulating film 63a is etched according to the shape of the mask material 64.
FIG. 8B shows a state after the memory gate insulating film 66 is sequentially etched along the mask material 64.

図8(b)に示したように、電荷蓄積層62bは、マスク材64の形状に合わせて形状加工されており、マスク材64の端部とその端部とが一致しておりサイドエッチングがない。しかし、トンネル絶縁膜61b及びトップ絶縁膜63bは、サイドエッチングされている。特にトップ絶縁膜63bはサイドエッチング量が多い。   As shown in FIG. 8B, the charge storage layer 62b is processed in accordance with the shape of the mask material 64, and the end portion of the mask material 64 is coincident with the end portion, and side etching is performed. Absent. However, the tunnel insulating film 61b and the top insulating film 63b are side-etched. In particular, the top insulating film 63b has a large amount of side etching.

このような状況になるのは、トンネル絶縁膜、電荷蓄積層、トップ絶縁膜のそれぞれの膜ごとに別々のエッチング条件を用いてエッチング加工することが関係している。
トップ絶縁膜63a及びトンネル絶縁膜61aのエッチングにはフッ酸によるウェットエッチングを用い、電荷蓄積層62aのエッチングにはフッ素系ガスによるドライエッチングを用いるのであるが、トンネル絶縁膜61a、トップ絶縁膜63aはそれぞれウェットエッチングを用いているためである。
This situation is related to etching using different etching conditions for each of the tunnel insulating film, the charge storage layer, and the top insulating film.
Wet etching using hydrofluoric acid is used for etching the top insulating film 63a and the tunnel insulating film 61a, and dry etching using fluorine-based gas is used for etching the charge storage layer 62a, but the tunnel insulating film 61a and the top insulating film 63a are used. This is because each uses wet etching.

そもそもウェットエッチングは等方性であるからサイドエッチングが発生しやすい。このため、トンネル絶縁膜はサイドエッチングされてしまうが、トップ絶縁膜は、そのトンネル絶縁膜のウェットエッチング時には2回目のエッチング環境となるから、エッチング液に2度も晒されることになる。このため、トップ絶縁膜は、さらにサイドエッチングされてしまうのである。   Since wet etching is isotropic in the first place, side etching tends to occur. For this reason, the tunnel insulating film is side-etched, but the top insulating film is exposed to the etching solution twice because it becomes a second etching environment when the tunnel insulating film is wet-etched. For this reason, the top insulating film is further side-etched.

このような製造方法を採択する背景として、トンネル絶縁膜、電荷蓄積層、トップ絶縁膜の各膜の膜厚が薄いこと、及び下地膜となる半導体基板のオーバーエッチング量の制御の難しさが挙げられる。
すなわち、トンネル絶縁膜、電荷蓄積層、トップ絶縁膜の各膜は不揮発性半導体記憶装置の電気特性にもよるが、数Åから数十Å程度の薄膜であり、トンネル絶縁膜のエッチング加工の際に、下部の素子形成領域の半導体基板の表面がエッチングされてしまうと、後の製造工程でソース領域やドレイン領域を形成すべく不純物イオンをイオン注入した際に、不純物イオンの拡散状態が変化してしまうのである。
The background to adopting such a manufacturing method is that the tunnel insulating film, the charge storage layer, and the top insulating film are thin, and that it is difficult to control the amount of overetching of the semiconductor substrate serving as the base film. It is done.
In other words, the tunnel insulating film, the charge storage layer, and the top insulating film are thin films of several to several tens of kilometers depending on the electrical characteristics of the nonvolatile semiconductor memory device. In addition, if the surface of the semiconductor substrate in the lower element formation region is etched, the impurity ion diffusion state changes when ion implantation is performed to form a source region and a drain region in a later manufacturing process. It will end up.

MONOS型の不揮発性半導体記憶装置はMOSFET型の素子であるから、このような不純物イオンの拡散状態変化が起きると、その閾値電圧がシフトしてしまったり、リークが発生してしまうなどの問題が起きる。   Since the MONOS type nonvolatile semiconductor memory device is a MOSFET type element, when such a diffusion state change of impurity ions occurs, the threshold voltage shifts or a leak occurs. Get up.

このため、トンネル絶縁膜、電荷蓄積層、トップ絶縁膜のエッチングは、下地の半導体基板に対して選択性の良い条件を用いなければならないという事情がある。   For this reason, the tunnel insulating film, the charge storage layer, and the top insulating film must be etched under conditions that have good selectivity with respect to the underlying semiconductor substrate.

トンネル絶縁膜、トップ絶縁膜の加工形状だけを考慮するのであれば、ウェットエッチングに比較してサイドエッチング量が大変少ないドライエッチングを用いることが望ましい。しかしながら、ドライエッチングはエッチングレートの面内均一性が悪く、また高エネルギのプラズマを用いるため、下地膜に対する選択性が悪い。
したがって、トンネル絶縁膜及びトップ絶縁膜のエッチングには、半導体基板に対して選択性の高いウェットエッチングを用いざるを得ないのである。
If only the processing shapes of the tunnel insulating film and the top insulating film are considered, it is desirable to use dry etching with a very small side etching amount compared to wet etching. However, in dry etching, the in-plane uniformity of the etching rate is poor, and since high energy plasma is used, the selectivity with respect to the underlying film is poor.
Therefore, wet etching having high selectivity with respect to the semiconductor substrate must be used for etching the tunnel insulating film and the top insulating film.

さて、図8(b)に示したようなサイドエッチングが発生したMONOS型の不揮発性半導体記憶装置は、半導体素子として大きな問題を抱えている。
本来、トップ絶縁膜は、その上部のゲート電極から電荷蓄積層へ不必要なキャリア注入が発生しないように、充分な絶縁性を有していなければならない。しかしながら、図8(b)に示した状態では、トップ絶縁膜63bが大きくサイドエッチングされているため、図示しないゲート電極との間の絶縁性が保たれず、ゲート電極からのキャリアがトップ絶縁膜を通過して電荷蓄積層へ注入されてしまうことがある。
Now, the MONOS type nonvolatile semiconductor memory device in which side etching occurs as shown in FIG. 8B has a big problem as a semiconductor element.
Originally, the top insulating film must have sufficient insulating properties so that unnecessary carrier injection from the upper gate electrode to the charge storage layer does not occur. However, in the state shown in FIG. 8B, since the top insulating film 63b is largely side-etched, the insulation with the gate electrode (not shown) is not maintained, and carriers from the gate electrode are not top insulating film. And may be injected into the charge storage layer.

このようなことが起きると、例えば、消去不良などの不揮発性半導体記憶装置の動作上
の不具合を生じてしまうのである。
Nチャネル型のMONOS型の不揮発性半導体記憶装置を例にして説明する。この場合、正孔がキャリアとなるため、情報の書き込み状態では電荷蓄積層に電子を蓄積しているが、その情報の消去の際は、ゲート電極から消去電圧を印加する。その際、図8(b)に示した状態では、ゲート電極から電荷蓄積層へ電子が注入されてしまうため、電荷蓄積層に蓄積している電子を排除することができない。このため、消去不良が発生するのである。
When such a situation occurs, for example, a malfunction in the operation of the nonvolatile semiconductor memory device such as an erasure failure occurs.
An N-channel MONOS nonvolatile semiconductor memory device will be described as an example. In this case, since holes serve as carriers, electrons are stored in the charge storage layer in the information writing state. When erasing the information, an erasing voltage is applied from the gate electrode. At that time, in the state shown in FIG. 8B, electrons are injected from the gate electrode into the charge storage layer, and thus electrons accumulated in the charge storage layer cannot be excluded. For this reason, erasure failure occurs.

以上の説明で明らかなように、一般的なMONOS型の不揮発性半導体記憶装置を製造しようとしたとき、閾値電圧のシフトやリークといった電気特性悪化を防止しようとした製造方法を用いると、特にトップ絶縁膜にサイドエッチングが発生し、電荷蓄積層の絶縁性が保たれなくなり、不揮発性半導体記憶装置として消去不良などの動作上の不具合が発生してしまうのである。   As is apparent from the above description, when a general MONOS type nonvolatile semiconductor memory device is to be manufactured, the use of a manufacturing method that is intended to prevent deterioration of electrical characteristics such as threshold voltage shift and leakage is particularly top. Side etching occurs in the insulating film, the insulating property of the charge storage layer cannot be maintained, and operation defects such as erasure failure occur as a nonvolatile semiconductor memory device.

本発明は、そのような課題を解決するためになされたものであって、トンネル絶縁膜やトップ絶縁膜をサイドエッチングから保護する不揮発性半導体記憶装置の製造方法を提供するものである。   The present invention has been made to solve such a problem, and provides a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device that protects a tunnel insulating film and a top insulating film from side etching.

上記目的を達成するために、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、以下の方法を採用するものである。   In order to achieve the above object, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention employs the following method.

半導体基板にソース領域及びドレイン領域を備え、これらの領域に挟まれてなるチャネル領域の半導体基板の表面に、トンネル絶縁膜と電荷蓄積層とトップ絶縁膜とを積層してなるメモリゲート絶縁膜を備え、このメモリゲート絶縁膜の上部に金属を主成分とするゲート電極を備えるMIS型トランジスタ構造の不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、
メモリゲート絶縁膜を形成する領域の半導体基板表面に、トンネル絶縁膜と電荷蓄積層とを形成する絶縁膜形成工程と、トンネル絶縁膜及び電荷蓄積層の上端面及び側端面を覆うように第1の犠牲膜を形成する第1の犠牲膜形成工程と、半導体基板の上部に、第1の犠牲膜を覆うように第2の犠牲膜を形成する第2の犠牲膜形成工程と、第1の犠牲膜と平面的に重なる第2の犠牲膜の表面を除去して第1の犠牲膜の上端面を露出させるように第2の犠牲膜をエッチング加工する第2の犠牲膜除去工程と、第1の犠牲膜を除去し、トンネル絶縁膜及び電荷蓄積層の上端面及び側端面を露出させる第1の犠牲膜除去工程と、半導体基板を酸化処理し、電荷蓄積層の上部にトップ絶縁膜と、トンネル絶縁膜及び電荷蓄積層の側端部を覆う側壁保護膜とを同時に形成する側壁保護膜形成工程と、を有することを特徴とする。
A memory gate insulation film comprising a tunnel insulation film, a charge storage layer, and a top insulation film is formed on the surface of a semiconductor substrate having a source region and a drain region on a semiconductor substrate, and a channel region sandwiched between these regions. A method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory device having a MIS transistor structure including a gate electrode mainly composed of metal on the memory gate insulating film,
An insulating film forming step of forming a tunnel insulating film and a charge storage layer on the surface of the semiconductor substrate in a region where the memory gate insulating film is to be formed, and a first end so as to cover the upper end surface and side end surfaces of the tunnel insulating film and the charge storage layer A first sacrificial film forming step for forming the sacrificial film, a second sacrificial film forming step for forming a second sacrificial film over the semiconductor substrate so as to cover the first sacrificial film, A second sacrificial film removing step of etching the second sacrificial film so as to remove the surface of the second sacrificial film that overlaps the sacrificial film in a planar manner to expose the upper end surface of the first sacrificial film; A first sacrificial film removing step of removing the sacrificial film 1 to expose the upper end surface and the side end surfaces of the tunnel insulating film and the charge storage layer; oxidizing the semiconductor substrate; and forming a top insulating film on the charge storage layer , Side wall protective film covering side end portions of tunnel insulating film and charge storage layer And the side wall protective film forming step of simultaneously forming, characterized by having a.

このようにすれば、メモリゲート絶縁膜のサイドエッチングが発生しない。   In this way, side etching of the memory gate insulating film does not occur.

絶縁膜形成工程は、トンネル絶縁膜を、半導体基板を酸化処理して形成するようにしてもよい。   In the insulating film forming step, the tunnel insulating film may be formed by oxidizing the semiconductor substrate.

このような構成にすることにより、簡単な方法で良質な絶縁膜を形成できる。   With such a configuration, a high-quality insulating film can be formed by a simple method.

第1の犠牲膜除去工程と側壁保護膜形成工程との間に、トンネル絶縁膜及び電荷蓄積層の側端面と第2の犠牲膜との間の領域の半導体基板に窒素をイオン注入する窒素イオン注入工程を有するようにしてもよい。   Nitrogen ions for ion-implanting nitrogen into the semiconductor substrate in the region between the side end face of the tunnel insulating film and the charge storage layer and the second sacrificial film between the first sacrificial film removing step and the sidewall protective film forming step You may make it have an injection | pouring process.

このような構成にすることにより、側壁保護膜の膜厚を変えないまま、トップ絶縁膜の膜
厚を厚くすることができる。
With such a configuration, the thickness of the top insulating film can be increased without changing the thickness of the sidewall protective film.

側壁保護膜形成工程後、側壁保護膜と平面的に重なる半導体基板に、ソース領域及びドレイン領域と同一導電型であり不純物濃度が低いライトドープ領域を形成するライトドープ領域形成工程を有するようにしてもよい。   After the side wall protective film forming step, a light doped region forming step for forming a light doped region having the same conductivity type as the source region and the drain region and having a low impurity concentration on the semiconductor substrate planarly overlapping the side wall protective film is provided. Also good.

このような構成にすることにより、不揮発性半導体記憶装置への書き込みの際に、より高い電界をチャネル領域とソース領域やドレイン領域との境界に印加できるから、ホットキャリア注入を行う際により安定して書き込みができるようになる。   With such a configuration, when writing to the nonvolatile semiconductor memory device, a higher electric field can be applied to the boundary between the channel region and the source region and drain region, so that hot carrier injection is more stable. To be able to write.

本発明によれば、トンネル絶縁膜やトップ絶縁膜にサイドエッチングが発生しない。これにより、ゲート電極と電荷蓄積層間とで絶縁性が保たれ、動作上の不具合がない不揮発性半導体記憶装置を製造することができる。   According to the present invention, side etching does not occur in the tunnel insulating film or the top insulating film. As a result, a nonvolatile semiconductor memory device can be manufactured in which insulation is maintained between the gate electrode and the charge storage layer and there are no operational problems.

本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の第1の実施形態を説明するために模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically illustrating a first embodiment of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の第1の実施形態を順に説明するための断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view for sequentially explaining a first embodiment of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の第2の実施形態を説明するために模式的に示す断面図である。It is sectional drawing shown typically in order to demonstrate 2nd Embodiment of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の第2の実施形態を順に説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating sequentially 2nd Embodiment of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の第3の実施形態を説明するために模式的に示す断面図である。It is sectional drawing shown typically in order to demonstrate 3rd Embodiment of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の第3の実施形態を順に説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating sequentially 3rd Embodiment of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this invention. 知られているMONOS型の不揮発性半導体記憶装置を説明する断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a known MONOS type nonvolatile semiconductor memory device. 知られているMONOS型の不揮発性半導体記憶装置のサイドエッチングの様子を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the mode of the side etching of the known MONOS type non-volatile semiconductor memory device.

本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、トンネル絶縁膜、電荷蓄積層、トップ絶縁膜で構成するメモリゲート絶縁膜の側壁を保護する側壁保護膜を、そのトップ絶縁膜と同時に形成する点が特徴である。
このようにするために、トンネル絶縁膜と電荷蓄積層と形成した後、これらの積層膜を覆うように、第1の犠牲膜と第2の犠牲膜を形成し、これら2つの犠牲膜を加工して、トンネル絶縁膜と電荷蓄積層との積層膜の周囲に空きスペースを設ける。これを仮に酸化エリアと称すると、トップ酸化膜の形成時に、この酸化エリアも酸化膜で埋められる。そしてこの埋め込まれた酸化膜が側壁保護膜となるのである。
In the method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, a sidewall protective film for protecting the sidewall of a memory gate insulating film composed of a tunnel insulating film, a charge storage layer, and a top insulating film is formed simultaneously with the top insulating film. Is a feature.
For this purpose, after forming the tunnel insulating film and the charge storage layer, the first sacrificial film and the second sacrificial film are formed so as to cover these stacked films, and the two sacrificial films are processed. Then, an empty space is provided around the laminated film of the tunnel insulating film and the charge storage layer. If this is called an oxide area, this oxide area is also filled with an oxide film when the top oxide film is formed. The buried oxide film becomes a side wall protective film.

つまり、トンネル絶縁膜と電荷蓄積層との積層膜の周囲に、2つの犠牲膜を加工して形成した「型」を作り、その中を酸化するというような考え方である。   That is, the idea is to create a “mold” formed by processing two sacrificial films around the laminated film of the tunnel insulating film and the charge storage layer, and to oxidize the “mold”.

この側壁保護膜を有することにより、メモリゲート絶縁膜のサイドエッチングは発生しなくなるのである。   By having this side wall protective film, side etching of the memory gate insulating film does not occur.

また、側壁保護膜を残すことで、不純物の進入等からメモリゲート絶縁膜の側壁部分を保護することもできるから、製造後も不揮発性半導体記憶装置を保護することができる。
このように側壁保護膜を側壁保護膜として残した形状は、MOSFETで言えば、ゲート絶縁膜の側壁部分に設けるサイドウォールに似た構造になる。
Further, by leaving the side wall protective film, the side wall portion of the memory gate insulating film can be protected from the entry of impurities and the like, so that the nonvolatile semiconductor memory device can be protected even after manufacturing.
In this way, the shape in which the side wall protective film is left as the side wall protective film has a structure similar to that of the side wall provided on the side wall portion of the gate insulating film.

以下、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法を図面を用いて説明する。3つの実施の形態があり、第1の実施形態は、本発明の特徴的な製造方法を示すものであり、第2の実施形態は、ライトドープ領域をさらに設ける製造方法を示すものであり、第3の実施形態は、窒素注入によって側壁保護膜の膜厚を調整する製造方法を示すものである。いずれも、MONOS型の不揮発性半導体記憶装置を用いて説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention will be described with reference to the drawings. There are three embodiments, the first embodiment shows a characteristic manufacturing method of the present invention, and the second embodiment shows a manufacturing method in which a lightly doped region is further provided, The third embodiment shows a manufacturing method in which the thickness of the sidewall protective film is adjusted by nitrogen implantation. Both are described using a MONOS type nonvolatile semiconductor memory device.

なお、説明にあっては、図面を指示しながら説明を行うが、指示していない図面も適宜参照されたい。また、同一の構成には同一の番号を付与しており、詳細な説明は省略する。   In the description, the description will be made with reference to the drawings, but the drawings that are not instructed should also be referred to appropriately. Moreover, the same number is attached | subjected to the same structure and detailed description is abbreviate | omitted.

[第1の実施形態の説明:図1、図2]
不揮発性半導体記憶装置の製造方法の第1の実施形態を図1、図2を用いて説明する。
図1は、不揮発性半導体記憶装置の構造を模式的に示す断面図、図2は製造方法を順に説明するために模式的に表した断面図である。なお、発明に使用する図は、発明を説明するために必要な部分のみを示す模式図としており、金属配線、最終保護膜などは省略している。
[Description of First Embodiment: FIGS. 1 and 2]
A first embodiment of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a nonvolatile semiconductor memory device, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing method in order. Note that the drawings used in the invention are schematic diagrams showing only parts necessary for explaining the invention, and metal wirings, final protective films and the like are omitted.

まず、図1を用いて構造を説明する。
この構造は、トンネル絶縁膜、電荷蓄積層を製造したあと、トップ絶縁膜を成膜すると同時に、メモリゲート絶縁膜の側壁を保護するように側壁保護膜を設けた形状である。
First, the structure will be described with reference to FIG.
In this structure, after the tunnel insulating film and the charge storage layer are manufactured, the top insulating film is formed, and at the same time, the side wall protective film is provided so as to protect the side wall of the memory gate insulating film.

図1において、1は半導体基板、2はトンネル絶縁膜、3は電荷蓄積層、4はトップ絶縁膜、5は側壁保護膜、6はゲート電極、7はソース領域又はドレイン領域となる高濃度不純物層である。11はトンネル絶縁膜2と電荷蓄積層3とトップ絶縁膜4とで構成するメモリゲート絶縁膜である。   In FIG. 1, 1 is a semiconductor substrate, 2 is a tunnel insulating film, 3 is a charge storage layer, 4 is a top insulating film, 5 is a sidewall protective film, 6 is a gate electrode, and 7 is a high concentration impurity which becomes a source region or a drain region. Is a layer. Reference numeral 11 denotes a memory gate insulating film composed of the tunnel insulating film 2, the charge storage layer 3, and the top insulating film 4.

半導体基板1は、例えば、シリコン基板を用いることができる。また、トンネル絶縁膜2、トップ絶縁膜4はシリコン酸化膜で構成することができる。そして、電荷蓄積層3はシリコン窒化膜によって構成することができる。   For example, a silicon substrate can be used as the semiconductor substrate 1. Further, the tunnel insulating film 2 and the top insulating film 4 can be composed of a silicon oxide film. The charge storage layer 3 can be composed of a silicon nitride film.

高濃度不純物層7は、不揮発性半導体記憶装置のソース領域やドレイン領域となる。どちらがソースでどちらがドレインになるかについては、この不揮発性半導体記憶装置をどのように動作させるかや、図示しない金属配線をどのように配置するかによっても決定するため、一概には断定できない。   The high concentration impurity layer 7 serves as a source region and a drain region of the nonvolatile semiconductor memory device. Which is the source and which is the drain is determined by how the nonvolatile semiconductor memory device is operated and how the metal wiring (not shown) is arranged, and therefore cannot be determined in general.

MONOS型の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板1上にトンネル絶縁膜2、電荷蓄積層3、トップ絶縁膜4を順次積層し、これらでメモリゲート絶縁膜11を構成する。そのメモリゲート絶縁膜11の上部にゲート電極6を設けている。このメモリゲート絶縁膜11の側壁部分には、側壁保護膜5を設けている。そして、側壁保護膜5を含むメモリゲート絶縁膜11の両端部分の半導体基板1の内部に高濃度不純物層7を設けている。   In the MONOS type nonvolatile semiconductor memory device, a tunnel insulating film 2, a charge storage layer 3, and a top insulating film 4 are sequentially stacked on a semiconductor substrate 1 to constitute a memory gate insulating film 11. A gate electrode 6 is provided on the memory gate insulating film 11. A sidewall protective film 5 is provided on the sidewall portion of the memory gate insulating film 11. A high concentration impurity layer 7 is provided inside the semiconductor substrate 1 at both ends of the memory gate insulating film 11 including the sidewall protective film 5.

図1に示す例では、側壁保護膜5は、メモリゲート絶縁膜11と垂直方向の高さがほぼ同一となるように形成しているが、メモリゲート絶縁膜11よりもその高さが高くてもかまわない。
側壁保護膜5は、トップ絶縁膜4及び電荷蓄積層3の側壁を保護する必要があるから、垂直方向に構造的に制限がなければ、メモリゲート絶縁膜11よりも高く形成する方が好
ましい。
In the example shown in FIG. 1, the sidewall protective film 5 is formed so as to have substantially the same height in the vertical direction as the memory gate insulating film 11, but the height is higher than that of the memory gate insulating film 11. It doesn't matter.
Since the sidewall protective film 5 needs to protect the sidewalls of the top insulating film 4 and the charge storage layer 3, it is preferable to form the sidewall protective film 5 higher than the memory gate insulating film 11 unless there is a structural limitation in the vertical direction.

なお、MONOS型の不揮発性半導体記憶装置の電気特性にもよるが、メモリゲート絶縁膜11の膜厚は、80〜100Å程度である。このメモリゲート絶縁膜11の膜厚よりも側壁保護膜5を厚くするときは、各膜がエッチング工程中に目減りする量などを鑑みてマージンを取って設定するなどしてもよい。   Although depending on the electrical characteristics of the MONOS type nonvolatile semiconductor memory device, the film thickness of the memory gate insulating film 11 is about 80 to 100 mm. When the sidewall protective film 5 is made thicker than the film thickness of the memory gate insulating film 11, a margin may be set in consideration of the amount of each film that is reduced during the etching process.

また、高濃度不純物層7は、側壁保護膜5と平面的に重ならないように設けている例を示しているが、高濃度不純物層7をメモリゲート絶縁膜11方向(水平方向)に延長して、側壁保護膜5と平面的に重なるようにしてもかまわない。   Although the high concentration impurity layer 7 is provided so as not to overlap the side wall protective film 5 in a plan view, the high concentration impurity layer 7 is extended in the direction of the memory gate insulating film 11 (horizontal direction). Thus, the side wall protective film 5 may be overlapped in a planar manner.

次に、図2を用いて製造方法を説明する。
図2において、8はフィールド絶縁膜、9は第1の犠牲膜、10は第2の犠牲膜である。22は酸化エリアである。酸化エリア22は、2つの犠牲膜を加工してなる空きスペースのことであり、便宜上この名称を用いることにする。
図2(a)から図2(d)は、共に図1に示す断面図と同一の方向から見た図である。
Next, a manufacturing method is demonstrated using FIG.
In FIG. 2, 8 is a field insulating film, 9 is a first sacrificial film, and 10 is a second sacrificial film. Reference numeral 22 denotes an oxidation area. The oxidized area 22 is an empty space formed by processing two sacrificial films, and this name is used for convenience.
FIGS. 2A to 2D are views seen from the same direction as the cross-sectional view shown in FIG.

図2(a)は、素子分離工程後、トンネル絶縁膜2、電荷蓄積層3を形成する絶縁膜形成工程を説明する図である。
図2(b)は、第1の犠牲膜9を形成する第1の犠牲膜形成工程と、第2の犠牲膜10とを形成する第2の犠牲膜形成工程とを説明する図である。
図2(c)は、第2の犠牲膜10を、第1の犠牲膜9と平面的に重なる部分のみエッチングして第1の犠牲膜9の上面を露出させる第2の犠牲膜除去工程と、その後に、第1の犠牲膜9を選択的に除去する第1の犠牲膜除去工程とを説明する図である。
図2(d)は、露出した半導体基板1の表面及び電荷蓄積層3の表面を同一の酸化工程によって酸化して側壁保護膜5とトップ絶縁膜4とを形成する側壁保護膜形成工程と、その後、ゲート電極6及び高濃度不純物層7を形成する工程とを説明する図である。
FIG. 2A is a diagram illustrating an insulating film forming process for forming the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3 after the element isolation process.
FIG. 2B is a diagram for explaining a first sacrificial film forming process for forming the first sacrificial film 9 and a second sacrificial film forming process for forming the second sacrificial film 10.
FIG. 2C shows a second sacrificial film removing step in which the second sacrificial film 10 is etched only in a portion overlapping the first sacrificial film 9 in a planar manner to expose the upper surface of the first sacrificial film 9. Then, a first sacrificial film removing step for selectively removing the first sacrificial film 9 is described.
FIG. 2D shows a side wall protective film forming step in which the exposed surface of the semiconductor substrate 1 and the surface of the charge storage layer 3 are oxidized by the same oxidation process to form the side wall protective film 5 and the top insulating film 4; Then, the process of forming the gate electrode 6 and the high concentration impurity layer 7 is a figure explaining.

まず、素子分離工程、絶縁膜形成工程を説明する(図2(a))。
半導体基板1を選択的に酸化し、素子絶縁膜であるフィールド酸化膜8を形成する。この製造工程は、LOCOS(LoCal Oxidation of Silicon)法と呼ばれる公知の選択酸化法で形成する。フィールド酸化膜8の膜厚は、例えば、5000Å程度である。
First, an element isolation process and an insulating film formation process will be described (FIG. 2A).
The semiconductor substrate 1 is selectively oxidized to form a field oxide film 8 that is an element insulating film. This manufacturing process is formed by a known selective oxidation method called a LOCOS (LoCal Oxidation of Silicon) method. The film thickness of the field oxide film 8 is, for example, about 5000 mm.

フィールド酸化膜8を形成した後は、半導体基板1の表面が露出しており、この部分が素子形成領域となっている。この素子形成領域に、不揮発性半導体記憶装置のメモリゲート絶縁膜をはじめとする構成物を形成する。フィールド酸化膜8によって、隣接する不揮発性半導体記憶装置との電気的絶縁性が確保される。   After the field oxide film 8 is formed, the surface of the semiconductor substrate 1 is exposed, and this portion is an element formation region. In this element formation region, components such as a memory gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory device are formed. The field oxide film 8 ensures electrical insulation from the adjacent nonvolatile semiconductor memory device.

次に、トンネル絶縁膜2、電荷蓄積層3を順に形成する。これらの膜は、フィールド絶縁膜8に囲まれた素子形成領域より内側の、メモリゲート絶縁膜を形成すべき領域であるチャネル領域にのみ形成する。このときのトンネル絶縁膜2の膜厚は15〜20Å程度、電荷蓄積層3の膜厚は70〜90Å程度である。
図2は模式図であるから、トンネル絶縁膜2と電荷蓄積層3との合計膜厚が、フィールド酸化膜8の膜厚の半分ほどあるように記載しているが、それは図面を見やすくするためである。ちなみに、フィールド酸化膜の膜厚は、5000Å程度である。
Next, the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3 are formed in order. These films are formed only in the channel region, which is the region where the memory gate insulating film is to be formed, inside the element forming region surrounded by the field insulating film 8. At this time, the thickness of the tunnel insulating film 2 is about 15 to 20 mm, and the thickness of the charge storage layer 3 is about 70 to 90 mm.
Since FIG. 2 is a schematic diagram, it is described that the total film thickness of the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3 is about half of the film thickness of the field oxide film 8. It is. Incidentally, the thickness of the field oxide film is about 5000 mm.

トンネル絶縁膜2の形成は、まず、半導体基板1の表面をフィールド酸化膜8も含めて酸化し、半導体基板1の上部にトンネル絶縁膜2を形成する。次に、電荷蓄積層3を知られているCVD法などで形成する。   The tunnel insulating film 2 is formed by first oxidizing the surface of the semiconductor substrate 1 including the field oxide film 8 to form the tunnel insulating film 2 on the semiconductor substrate 1. Next, the charge storage layer 3 is formed by a known CVD method or the like.

その後、図示しない所定のマスク材を用いて、チャネル領域部分を覆い、電荷蓄積層3、トンネル絶縁膜2の順にエッチングする。
電荷蓄積層3のエッチングには、ドライエッチング、ウェットエッチングのどちらを用いてもよいが、電荷蓄積層3の下部にはトンネル絶縁膜2が設けてあり、オーバーエッチングによる半導体基板1へのダメージが発生しないことを考えると、この場合はサイドエッチングの発生しないドライエッチングを用いるのがよい。
Thereafter, the channel region portion is covered using a predetermined mask material (not shown), and the charge storage layer 3 and the tunnel insulating film 2 are etched in this order.
Either dry etching or wet etching may be used for etching the charge storage layer 3, but a tunnel insulating film 2 is provided below the charge storage layer 3, and damage to the semiconductor substrate 1 due to overetching is caused. In consideration of the fact that it does not occur, in this case, dry etching that does not cause side etching is preferably used.

トンネル絶縁膜2のエッチングは、ウェットエッチングを用いなければならない。すでに説明したように、トンネル絶縁膜2の下部は半導体基板1であり、ドライエッチングを用いるとオーバーエッチングによって半導体基板1が僅かにエッチングされてしまうため、後の工程で高濃度不純物を注入した際に不純物拡散度が変化し、トランジスタ特性にバラツキが生じてしまうからである。よって、ここでは半導体基板1に対して選択性の良いウェットエッチングを用いて、トンネル絶縁膜2を加工する。   Etching of the tunnel insulating film 2 must use wet etching. As already described, the lower part of the tunnel insulating film 2 is the semiconductor substrate 1, and if dry etching is used, the semiconductor substrate 1 is slightly etched by over-etching. This is because the impurity diffusivity changes and transistor characteristics vary. Therefore, here, the tunnel insulating film 2 is processed using wet etching having good selectivity with respect to the semiconductor substrate 1.

このとき、トンネル絶縁膜2はサイドエッチングによって、水平方向に退縮する。但し前述したように、トンネル絶縁膜2は膜厚15〜20Å程度と薄膜であり、サイドエッチング自体が僅かな量であるため、図2(a)においては、トンネル絶縁膜2と電荷蓄積層3の側端面は垂直に連なっているように図示しているが、実際は、僅かにトンネル絶縁膜2は水平方向に退縮しているものと考えて良い。   At this time, the tunnel insulating film 2 is retracted in the horizontal direction by side etching. However, as described above, the tunnel insulating film 2 is a thin film having a thickness of about 15 to 20 mm, and the side etching itself is a small amount. Therefore, in FIG. Although the side end surfaces of the tunnel insulating film 2 are illustrated as being continuous in a vertical direction, in practice, it may be considered that the tunnel insulating film 2 is slightly retracted in the horizontal direction.

次に、犠牲膜形成工程を説明する(図2(b))。この工程は、第1の犠牲膜形成工程と第2の犠牲膜形成工程とで構成している。
第1の犠牲膜9と第2の犠牲膜10とは、それぞれ異なる材質の薄膜で構成する。第1の犠牲膜9には、例えば、SOG(Spin on Glass)を用いることができ、第2の犠牲膜10には、例えば、シリコン窒化膜を用いることができる。
Next, a sacrificial film forming process will be described (FIG. 2B). This process includes a first sacrificial film forming process and a second sacrificial film forming process.
The first sacrificial film 9 and the second sacrificial film 10 are composed of thin films of different materials. For example, SOG (Spin on Glass) can be used for the first sacrificial film 9, and for example, a silicon nitride film can be used for the second sacrificial film 10.

第1の犠牲膜形成工程を説明する。
第1の犠牲膜9の目的はトンネル絶縁膜2と電荷蓄積層3とを覆うことであるから、これらの膜の膜厚を上述の例にすれば、200〜300Å程度の膜厚が必要である。SOGを用いる場合は、半導体基板1の上部全面にSOGをコーティングしたのち、300〜400℃程度の熱処理を施して焼結させて薄膜とする。
A first sacrificial film forming step will be described.
Since the purpose of the first sacrificial film 9 is to cover the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3, if the film thickness of these films is set to the above example, a film thickness of about 200 to 300 mm is required. is there. In the case of using SOG, SOG is coated on the entire upper surface of the semiconductor substrate 1 and then heat treated at about 300 to 400 ° C. to sinter and form a thin film.

その後、トンネル絶縁膜2と電荷蓄積層3との積層膜の上端面及び側端面を覆うような形状にSOGをエッチング加工する。
このとき、第1の犠牲膜9の下部は半導体基板1であるため、エッチング方法はウェットエッチングを用いる。また、第1の犠牲膜9はトンネル絶縁膜2、および電荷蓄積層3の側端面を保護する必要があるので、これらの側端面が露出しないようにチャネル長方向に一定の幅を持たせてマスキングしてエッチングする。つまり、マスキングは、トンネル絶縁膜2と電荷蓄積層3との積層膜の端部が露出しないように十分プロセスマージンを考えて行うのである。
Thereafter, the SOG is etched into a shape that covers the upper end surface and the side end surfaces of the laminated film of the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3.
At this time, since the lower portion of the first sacrificial film 9 is the semiconductor substrate 1, wet etching is used as an etching method. Further, since the first sacrificial film 9 needs to protect the side end faces of the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3, a certain width is given in the channel length direction so that these side end faces are not exposed. Mask and etch. That is, the masking is performed in consideration of a sufficient process margin so that the end of the laminated film of the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3 is not exposed.

第2の犠牲膜形成工程を説明する。
第2の犠牲膜10は、後の側壁保護膜形成工程の酸化処理でマスク材としての役割を持つため、下部の半導体基板1の表面にまで酸素分子が貫通しないような充分な膜厚を有していなければならない。勿論、これは第2の犠牲膜10にどのような膜を用いるかによっても変わってくるが、CVD法によるシリコン窒化膜を用いる場合は、例えば、1500Å程度の膜厚が必要である。因みに、CVD法は着膜面の凹凸を反映するように膜が成長するため、図2(b)に示すような、第1の犠牲膜9を覆う形状となる。
A second sacrificial film forming step will be described.
Since the second sacrificial film 10 has a role as a mask material in an oxidation process in the subsequent side wall protective film forming step, it has a sufficient film thickness so that oxygen molecules do not penetrate to the surface of the lower semiconductor substrate 1. Must be. Of course, this depends on what kind of film is used for the second sacrificial film 10, but when a silicon nitride film formed by the CVD method is used, for example, a film thickness of about 1500 mm is required. Incidentally, since the film grows in the CVD method so as to reflect the unevenness of the deposition surface, it has a shape covering the first sacrificial film 9 as shown in FIG.

次に、第2の犠牲膜除去工程を説明する。
この工程では、第1の犠牲膜9と平面的に重なる部分の第2の犠牲膜10の表面を除去する。
まず、図示しない所定のマスク材を用いて、第1の犠牲膜9と平面的に重なる部分の第2の犠牲膜10の表面が開口するようにマスキングし、エッチングする。この場合、エッチング領域である第2の犠牲膜10の下部は第1の犠牲膜9の上面部分のみであり、オーバーエッチングの影響は考えなくて良いため、エッチングには加工精度の良いドライエッチングを用いることができる。
Next, the second sacrificial film removal step will be described.
In this step, the surface of the second sacrificial film 10 in a portion overlapping the first sacrificial film 9 in a plan view is removed.
First, masking is performed using a predetermined mask material (not shown) so that the surface of the second sacrificial film 10 in a portion overlapping the first sacrificial film 9 is opened, and etching is performed. In this case, the lower part of the second sacrificial film 10 which is an etching region is only the upper surface part of the first sacrificial film 9, and it is not necessary to consider the influence of over-etching. Can be used.

次に、第1の犠牲膜除去工程を説明する(図2(c))。
この工程では、露出した第1の犠牲膜9を除去し、トンネル絶縁膜2と電荷蓄積層3との積層膜の周囲に、第2の犠牲膜10による、酸化エリア22を形成するための工程である。
露出した第1の犠牲膜9が、SOGを用いている場合、希釈したフッ酸によって除去することができる。
Next, the first sacrificial film removal step will be described (FIG. 2C).
In this step, the exposed first sacrificial film 9 is removed, and a process for forming an oxidized area 22 by the second sacrificial film 10 around the laminated film of the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3. It is.
When the exposed first sacrificial film 9 uses SOG, it can be removed with diluted hydrofluoric acid.

因みに、第1の絶縁膜9に用いるSOGとトンネル絶縁膜2とは、共に同じシリコン酸化膜であるが、トンネル絶縁膜2は酸化炉によって高温(1000℃程度)成長した硬度なシリコン酸化膜(以下、熱酸化膜と呼ぶ)であるのに対し、SOGは液状のシリコン酸化膜を低温(300〜400℃程度)で焼結させただけの脆弱な膜であるので、フッ酸の希釈度を調整することによってエッチング選択性を持たせることが可能である。   Incidentally, the SOG used for the first insulating film 9 and the tunnel insulating film 2 are both the same silicon oxide film, but the tunnel insulating film 2 is a hard silicon oxide film (highly about 1000 ° C.) grown in an oxidation furnace ( SOG is a fragile film that is obtained by sintering a liquid silicon oxide film at a low temperature (about 300 to 400 ° C.). It is possible to give etching selectivity by adjusting.

この場合、フッ酸の濃度を10%程度に希釈することで、SOGのみをエッチングし、熱酸化膜はエッチングされないようなウェットエッチング溶液を構成することが可能となる。希釈材には水などを用いることができる。   In this case, by diluting the concentration of hydrofluoric acid to about 10%, it becomes possible to form a wet etching solution in which only the SOG is etched and the thermal oxide film is not etched. Water or the like can be used as the diluent.

このようなウェットエッチング溶液を用いることにより、第1の犠牲膜9であるSOGが除去された後、トンネル絶縁膜2の側端面がウェットエッチング溶液中に晒されても、トンネル絶縁膜2がエッチングされることはなくなる。また、電荷蓄積層3及び第2の犠牲膜10はシリコン窒化膜で構成しており、半導体基板1もシリコンであるため、いずれもフッ酸系溶液に対して耐性を備えている。よって、この工程では、トンネル絶縁膜2、電荷蓄積層3、第2の犠牲膜10、そして半導体基板1の表面のいずれもエッチングによるダメージを受けることなく、第1の犠牲膜9のみを選択的に除去することができるのである。   By using such a wet etching solution, the tunnel insulating film 2 is etched even if the side end face of the tunnel insulating film 2 is exposed to the wet etching solution after the SOG as the first sacrificial film 9 is removed. Will never be done. Further, since the charge storage layer 3 and the second sacrificial film 10 are composed of a silicon nitride film, and the semiconductor substrate 1 is also silicon, both have resistance to a hydrofluoric acid solution. Therefore, in this step, the tunnel insulating film 2, the charge storage layer 3, the second sacrificial film 10, and the surface of the semiconductor substrate 1 are all selectively damaged without being damaged by etching. It can be removed.

この工程により、第2の犠牲膜10は、トンネル絶縁膜2と電荷蓄積層3との積層膜の周囲から、除去された第1の犠牲膜9の分だけ離間する形状となる。この空きスペースが酸化エリア22である。
この酸化エリア22は、後述する側壁保護膜形成工程で、酸化膜で埋められる部分である。
By this step, the second sacrificial film 10 is shaped to be separated from the periphery of the laminated film of the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3 by the amount of the removed first sacrificial film 9. This empty space is the oxidation area 22.
The oxidized area 22 is a portion that is filled with an oxide film in a side wall protective film forming process described later.

次に、側壁保護膜形成工程を説明する(図2(d))。
この工程は、先の工程により作成された、酸化エリア22を酸化膜で埋める工程である。
第2の犠牲膜10が開口しているため、トンネル絶縁膜2と電荷蓄積層3との積層膜の上端面及び側端面は露出している。この状態で、半導体基板1を酸化処理する。電荷蓄積層3は、シリコン窒化膜で構成されているため、この上部にも僅かに酸化膜が形成され、これが薄膜のトップ絶縁膜4となる。そして、トンネル絶縁膜2と電荷蓄積層3との積層膜の側壁には、側壁保護膜5が形成される。このトップ絶縁膜2と側壁保護膜5との形成が同時に行われるのが、本発明の特徴である。
Next, the side wall protective film forming step will be described (FIG. 2D).
This step is a step of filling the oxide area 22 created by the previous step with an oxide film.
Since the second sacrificial film 10 is opened, the upper end surface and the side end surface of the laminated film of the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3 are exposed. In this state, the semiconductor substrate 1 is oxidized. Since the charge storage layer 3 is composed of a silicon nitride film, a slight oxide film is also formed on the charge storage layer 3, which becomes a thin top insulating film 4. A sidewall protective film 5 is formed on the sidewall of the laminated film of the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3. It is a feature of the present invention that the top insulating film 2 and the sidewall protective film 5 are formed simultaneously.

このとき、トップ絶縁膜4及び側壁保護膜5は、同一の酸化工程によって成膜されるが、その酸化速度に違いがあることに留意されたい。
トップ絶縁膜4は、電荷蓄積層3であるシリコン窒化膜中のシリコンと酸素が反応して酸化成長することにより形成されるが、シリコン窒化膜は、既にシリコンと窒素が反応して安定した状態であるため、酸化速度が遅い。一方、側壁保護膜5は、半導体基板1であるシリコンの表面を酸化することにより形成されるので、酸化速度が速い。
At this time, the top insulating film 4 and the sidewall protective film 5 are formed by the same oxidation process, but it should be noted that the oxidation rates are different.
The top insulating film 4 is formed by oxidation and growth of silicon and oxygen in the silicon nitride film that is the charge storage layer 3. The silicon nitride film is already in a stable state due to the reaction of silicon and nitrogen. Therefore, the oxidation rate is slow. On the other hand, the sidewall protective film 5 is formed by oxidizing the surface of silicon, which is the semiconductor substrate 1, and therefore has a high oxidation rate.

これにより、側壁保護膜5をトップ絶縁膜4と同等の膜厚まで成長させることが可能となる。側壁保護膜5は、この後の工程で第2の犠牲膜10を剥離する時に、第2の犠牲膜10と同一の材質で構成している電荷蓄積層3を保護する目的があるので、垂直方向に少なくとも電化蓄積層3の側端面を覆う高さまで成長させれば良いが、更に後の工程でゲート電極6を形成することを考えると、電荷蓄積層3とゲート電極6との絶縁性を十分に確保するため、垂直方向にトップ絶縁膜4と同程度の高さまで成長させることが望ましい。勿論、垂直方向に素子の高さを制限する要因が無ければ、トップ絶縁膜4よりも高く成長させてもよい。   As a result, the side wall protective film 5 can be grown to a thickness equivalent to that of the top insulating film 4. The side wall protective film 5 has a purpose of protecting the charge storage layer 3 made of the same material as that of the second sacrificial film 10 when the second sacrificial film 10 is peeled off in the subsequent process. The gate electrode 6 may be grown to a height that covers at least the side end face of the charge storage layer 3 in the direction. In order to ensure sufficient, it is desirable to grow to the same height as the top insulating film 4 in the vertical direction. Of course, if there is no factor limiting the height of the element in the vertical direction, it may be grown higher than the top insulating film 4.

次に、その後の工程を説明する。
側壁保護膜5及びトップ絶縁膜4の形成後、第2の犠牲膜10を除去する。ここでは、例えば、リン酸を用いることにより、第2の犠牲膜10であるシリコン窒化膜のみを選択的に除去することができる。電荷蓄積層3も同じシリコン窒化膜で形成しているが、側壁保護膜5によってその側端面を、トップ絶縁膜4によってその上面を、それぞれ保護されているためエッチングされることはない。
Next, the subsequent steps will be described.
After the sidewall protective film 5 and the top insulating film 4 are formed, the second sacrificial film 10 is removed. Here, for example, by using phosphoric acid, only the silicon nitride film as the second sacrificial film 10 can be selectively removed. The charge storage layer 3 is also formed of the same silicon nitride film, but the side end face is protected by the side wall protective film 5 and the upper face thereof is protected by the top insulating film 4 and thus is not etched.

第2の犠牲膜10を剥離した後は、側壁保護膜5とフィールド酸化膜8の間の半導体基板1は露出しているので、この領域に高濃度不純物層7を形成する。高濃度不純物層7は、知られているイオン注入技術により形成する。その後、図示はしないが、イオン注入技術により半導体基板1に注入された不純物イオンを活性化させる熱処理工程をすぐさま行ってもかまわない。   After the second sacrificial film 10 is peeled off, the semiconductor substrate 1 between the sidewall protective film 5 and the field oxide film 8 is exposed, and thus a high concentration impurity layer 7 is formed in this region. The high concentration impurity layer 7 is formed by a known ion implantation technique. Thereafter, although not shown, a heat treatment process for activating impurity ions implanted into the semiconductor substrate 1 by an ion implantation technique may be performed immediately.

図2(d)に示す例では、側壁保護膜5とフィールド酸化膜8との間に高濃度不純物層7を形成する場合を示した。もちろん、これに限定するものではない。
例えば、知られている斜め打ち込みイオン注入技術を用いれば、不純物イオンを半導体基板1に対して角度を付けてイオン注入できるから、右傾斜、左傾斜、傾斜なしと、それぞれマスク材で所定領域を覆いつつ3回のイオン注入を行うことで、側壁保護膜5の下部の半導体基板1まで延長した高濃度不純物層7を形成することができる。
In the example shown in FIG. 2D, the case where the high concentration impurity layer 7 is formed between the sidewall protective film 5 and the field oxide film 8 is shown. Of course, the present invention is not limited to this.
For example, by using a known oblique implantation ion implantation technique, impurity ions can be implanted at an angle with respect to the semiconductor substrate 1, so that a predetermined region is formed with a mask material with right inclination, left inclination, and no inclination, respectively. By performing ion implantation three times while covering, the high concentration impurity layer 7 extending to the semiconductor substrate 1 below the side wall protective film 5 can be formed.

そして、半導体基板1の上部に、ゲート電極の材料となる膜(例えば、ポリシリコン)を知られているCVD法で形成し、図示しないマスク材を用いてマスキングして、その材料をエッチングすることで、ゲート電極6を形成する。
このゲート電極6を形成したあとの製造工程については、公知の技術を用いるものであるから、説明は省略する。
Then, a film (for example, polysilicon) as a material for the gate electrode is formed on the semiconductor substrate 1 by a known CVD method, masked using a mask material (not shown), and the material is etched. Thus, the gate electrode 6 is formed.
About the manufacturing process after forming this gate electrode 6, since a well-known technique is used, description is abbreviate | omitted.

[第2の実施形態の説明:図3、図4]
不揮発性半導体記憶装置の製造方法の第2の実施形態を図3、図4を用いて説明する。図3は、不揮発性半導体記憶装置の構造を模式的に示す断面図、図4は製造方法を順に説明するために模式的に表した断面図である。なお、これらの図は、すでに説明した図と同様に、発明を説明するために必要な部分のみを示す模式図である。
[Description of Second Embodiment: FIGS. 3 and 4]
A second embodiment of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a sectional view schematically showing the structure of the nonvolatile semiconductor memory device, and FIG. 4 is a sectional view schematically showing the manufacturing method in order. In addition, these figures are schematic diagrams showing only the parts necessary for explaining the invention, like the figures already explained.

まず、図3を用いて構造を説明する。
この構造は、図1を用いて説明した第1の実施形態で製造された不揮発性半導体記憶装置にて、側壁保護膜5の膜厚を変えないまま、トップ絶縁膜4の膜厚を相対的に厚く形成したものである。
First, the structure will be described with reference to FIG.
In this structure, in the nonvolatile semiconductor memory device manufactured in the first embodiment described with reference to FIG. 1, the thickness of the top insulating film 4 is relatively changed without changing the thickness of the sidewall protective film 5. It is formed thickly.

本発明の特徴的な部分は、トップ絶縁膜4と側壁保護膜5とを同一の工程にて形成している点にある。
2つの膜の同時形成は、酸化処理してこれらの膜を形成するときにあっては、酸化条件を変更しても成膜速度比は変わらないという特徴がある。例えば、酸化条件として、酸素の導入量を変化させる、または酸化温度を変化させるなどによって、酸化速度自体を変化させることはできるが、トップ絶縁膜4の成膜速度も、側壁保護膜5の成膜速度も、同じ割合で変化するため、成膜速度比は変わらない。
The characteristic part of the present invention is that the top insulating film 4 and the sidewall protective film 5 are formed in the same process.
The simultaneous formation of the two films is characterized in that the film formation rate ratio does not change even when the oxidation conditions are changed when these films are formed by oxidation treatment. For example, the oxidation rate itself can be changed by changing the amount of oxygen introduced or changing the oxidation temperature as the oxidation condition, but the deposition rate of the top insulating film 4 is also the same as that of the sidewall protective film 5. Since the film speed also changes at the same rate, the film formation speed ratio does not change.

これにより、メモリゲート絶縁膜のサイドエッチングが発生しない不揮発性半導体記憶装置を製造できるが、ときにメモリ特性などの電気特性に応じて、トップ絶縁膜の膜厚を変えたい場合がある。
すでに説明しているように、トップ絶縁膜は、上部のゲート電極と電荷蓄積層との絶縁性を保つために設けてある膜であると共に、情報の書き込みや消去の際にゲート電極からの余剰な電荷の注入を防ぐ役割がある。
このため、欲するメモリ特性などに応じて、このトップ絶縁膜の膜厚を所定の値にしたい場合がある。
Thereby, a nonvolatile semiconductor memory device in which side etching of the memory gate insulating film does not occur can be manufactured. However, sometimes the thickness of the top insulating film is desired to be changed according to electric characteristics such as memory characteristics.
As described above, the top insulating film is a film provided to maintain the insulation between the upper gate electrode and the charge storage layer, and the surplus from the gate electrode during information writing or erasing. Has a role to prevent the injection of an unnecessary charge.
For this reason, there is a case where it is desired to set the thickness of the top insulating film to a predetermined value according to the desired memory characteristics.

しかしながら、上述の理由により、単純にトップ絶縁膜4を厚めに成膜しようとすると、側壁保護膜5も厚めに成膜されてしまうのである。側壁保護膜5が厚めに成膜されるということは、半導体基板1の深さ方向にも酸化膜が成長するということであり、MOSFETの閾値電圧特性が高くなってしまうことがあり、問題である。   However, for the reason described above, if the top insulating film 4 is simply formed to be thick, the side wall protective film 5 is also formed to be thick. The fact that the sidewall protective film 5 is formed thickly means that an oxide film grows also in the depth direction of the semiconductor substrate 1, and the threshold voltage characteristics of the MOSFET may become high, which is a problem. is there.

第2の実施形態は、このような背景に対応するものであり、側壁保護膜5の膜厚を変えないまま、トップ絶縁膜4を厚くすることができる。具体的には、半導体基板1に窒素イオン注入を行い、側壁保護膜5の酸化を抑制する。   The second embodiment corresponds to such a background, and the top insulating film 4 can be made thick without changing the film thickness of the sidewall protective film 5. Specifically, nitrogen ions are implanted into the semiconductor substrate 1 to suppress oxidation of the sidewall protective film 5.

次に、図4を用いてその製造方法を説明する。
図4において、33は窒素イオン注入領域である。図4(a)から図4(d)は、共に図3に示す断面図と同一の方向から見た図である。
Next, the manufacturing method will be described with reference to FIG.
In FIG. 4, 33 is a nitrogen ion implantation region. 4 (a) to 4 (d) are views seen from the same direction as the cross-sectional view shown in FIG.

図4(a)は、素子分離工程後、トンネル絶縁膜2、電荷蓄積層3を形成する絶縁膜形成工程を説明する図である。
図4(b)は、第1の犠牲膜9を形成する第1の犠牲膜形成工程と、第2の犠牲膜10とを形成する第2の犠牲膜形成工程とを説明する図である。
図4(c)は、第2の犠牲膜10を、第1の犠牲膜9と平面的に重なる部分のみエッチングして第1の犠牲膜の上面を露出させる第2の犠牲膜除去工程と、その後に、第1の犠牲膜9を選択的に除去する第1の犠牲膜除去工程と、露出した半導体基板1の表面に窒素イオン注入領域33を形成する窒素イオン注入工程とを説明する図である。を説明する図である。
図4(d)は、露出した半導体基板1の表面及び電荷蓄積層3の表面を同一の酸化工程によって酸化して側壁保護膜5とトップ絶縁膜4とを形成する側壁保護膜形成工程と、その後、ゲート電極6及び高濃度不純物層7を形成する工程とを説明する図である。
FIG. 4A is a diagram illustrating an insulating film forming process for forming the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3 after the element isolation process.
FIG. 4B is a view for explaining a first sacrificial film forming step for forming the first sacrificial film 9 and a second sacrificial film forming step for forming the second sacrificial film 10.
FIG. 4C shows a second sacrificial film removal step in which the second sacrificial film 10 is etched only in a portion overlapping the first sacrificial film 9 to expose the upper surface of the first sacrificial film; Thereafter, a first sacrificial film removal step for selectively removing the first sacrificial film 9 and a nitrogen ion implantation step for forming a nitrogen ion implantation region 33 on the exposed surface of the semiconductor substrate 1 are described. is there. FIG.
4D shows a side wall protective film forming step in which the exposed surface of the semiconductor substrate 1 and the surface of the charge storage layer 3 are oxidized by the same oxidation step to form the side wall protective film 5 and the top insulating film 4. Then, the process of forming the gate electrode 6 and the high concentration impurity layer 7 is a figure explaining.

まず、図4(a)から図4(c)に至る製造工程には、図2(a)から図2(c)を用いて説明した第1の実施形態と同様であるから、説明は省略する。   First, the manufacturing process from FIG. 4A to FIG. 4C is the same as that of the first embodiment described with reference to FIG. 2A to FIG. To do.

窒素イオン注入工程を説明する(図4(c))。
この工程は、半導体基板1に窒素イオン注入を行い、側壁保護膜5の形成の際にその酸化を抑制し、トップ絶縁膜2の酸化による膜厚が多くなるようにしたものである。
それまでの工程により、酸化エリア22の半導体基板1の表面は露出している。この半導体基板1に窒素イオン注入を行う。
A nitrogen ion implantation process will be described (FIG. 4C).
In this step, nitrogen ions are implanted into the semiconductor substrate 1 to suppress oxidation during the formation of the sidewall protective film 5 so that the thickness of the top insulating film 2 is increased.
By the process so far, the surface of the semiconductor substrate 1 in the oxidized area 22 is exposed. Nitrogen ion implantation is performed on the semiconductor substrate 1.

このとき、電荷蓄積層3は、その側端部にまだ側壁保護膜がないので表面が露出しているため、図示しないマスク材によって表面を保護する必要がある。第2の犠牲膜10は、1500Å程度のシリコン窒化膜で構成されており、下部の半導体基板1まで窒素イオンが到達することはないため、このまま剥き出しの状態でもよい。注入された窒素イオンは、窒素イオン注入領域33として図示している。   At this time, since the surface of the charge storage layer 3 is exposed because there is no side wall protective film at the side end portion thereof, it is necessary to protect the surface with a mask material (not shown). The second sacrificial film 10 is composed of a silicon nitride film having a thickness of about 1500 mm, and nitrogen ions do not reach the lower semiconductor substrate 1, so that the second sacrificial film 10 may be exposed as it is. The implanted nitrogen ions are illustrated as a nitrogen ion implantation region 33.

次に、側壁保護膜形成工程を説明する(図4(d))。
第1の実施形態と同様に、トップ絶縁膜4及び側壁保護膜5を同一の工程によって成膜する。このとき、窒素イオンの注入量に反比例して側壁保護膜5の成膜速度は低下する。
但し、厳密には、窒素イオンの注入量だけでなく、注入エネルギや、注入の深さなども条件となるため、注入量だけでは一概に酸化速度との相関は数値化できない。
よって、窒素イオン注入条件と酸化速度との関係性と、それらと目的とするトップ絶縁膜4の膜厚との関係などを、予め実験などして把握して、窒素イオン注入の条件を設定すればよい。
Next, a side wall protective film forming step will be described (FIG. 4D).
Similar to the first embodiment, the top insulating film 4 and the sidewall protective film 5 are formed by the same process. At this time, the deposition rate of the sidewall protective film 5 decreases in inverse proportion to the amount of nitrogen ions implanted.
However, strictly speaking, not only the implantation amount of nitrogen ions but also the implantation energy, the depth of implantation, and the like are conditions, and therefore, the correlation with the oxidation rate cannot be quantified simply by the implantation amount alone.
Therefore, the relationship between the nitrogen ion implantation conditions and the oxidation rate and the relationship between these and the desired thickness of the top insulating film 4 should be determined in advance through experiments to set the conditions for nitrogen ion implantation. That's fine.

その後の工程であるが、側壁保護膜5及びトップ絶縁膜4の形成後に、第2の犠牲膜10を除去し、高濃度不純物層7、ゲート電極6を形成するが、それらは第1の実施形態で説明しているので、説明は省略する。   In the subsequent steps, after the sidewall protective film 5 and the top insulating film 4 are formed, the second sacrificial film 10 is removed, and the high concentration impurity layer 7 and the gate electrode 6 are formed. Since it is described in the form, the description is omitted.

なお、図3には図示しないが、不揮発性半導体記憶装置が完成したときには、側壁保護膜5の下部の半導体基板1には窒素イオン注入領域33が残っていることになる。しかし、予め側壁保護膜5の酸化成長によって消費し切るように窒素イオンの量を調整して注入すれば、窒素イオンの残留は無くなるので、問題はない。仮に、僅かに窒素イオンが残留し、それが側壁保護膜5の下部のシリコンと反応してシリコン窒化膜を構成したとしても、シリコン窒化膜は絶縁膜ではない(絶縁性が低い)ため、この窒素イオン注入領域33が残っていても電気特性上は何らの問題もない。   Although not shown in FIG. 3, when the nonvolatile semiconductor memory device is completed, the nitrogen ion implantation region 33 remains in the semiconductor substrate 1 below the sidewall protective film 5. However, if the amount of nitrogen ions is adjusted so as to be consumed by oxidative growth of the sidewall protective film 5 in advance, there is no problem because the nitrogen ions remain. Even if a slight amount of nitrogen ions remain and react with the silicon below the sidewall protective film 5 to form a silicon nitride film, the silicon nitride film is not an insulating film (having low insulating properties). Even if the nitrogen ion implantation region 33 remains, there is no problem in terms of electrical characteristics.

[第3の実施形態の説明:図5、図6]
次に、不揮発性半導体記憶装置の製造方法の第3の実施形態を図5、図6を用いて説明する。
図5は、不揮発性半導体記憶装置の構造を模式的に示す断面図、図6は製造方法を順に説明するために模式的に表した断面図である。なお、これらの図は、すでに説明した図と同様に、発明を説明するために必要な部分のみを示す模式図である。
[Explanation of Third Embodiment: FIGS. 5 and 6]
Next, a third embodiment of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 is a sectional view schematically showing the structure of the nonvolatile semiconductor memory device, and FIG. 6 is a sectional view schematically showing the manufacturing method in order. In addition, these figures are schematic diagrams showing only the parts necessary for explaining the invention, like the figures already explained.

まず、図5を用いて構造を説明する。
この構造は、図1を用いて説明した第1の実施形態で製造された不揮発性半導体記憶装置にライトドープ領域12を設けるものである。以降の説明は、第1の実施形態との違いのみを説明する。
First, the structure will be described with reference to FIG.
In this structure, the lightly doped region 12 is provided in the nonvolatile semiconductor memory device manufactured in the first embodiment described with reference to FIG. In the following description, only differences from the first embodiment will be described.

メモリゲート絶縁膜11の下部の半導体基板1の領域はチャネル領域であり、これと高濃度不純物層7との間に、ライトドープ領域12を設けている。図5に示す例では、側壁保護膜5と平面的に重なる半導体基板1の内部に設けているが、もちろんこれは一例であ
って、側壁保護膜5から図示しないフィールド酸化膜方向にライトドープ領域12をずらした形状で製造してもかまわない。
ライトドープ領域12は、ソース領域及びドレイン領域である高濃度不純物層7と同一導電型であるが、不純物濃度が低い領域である。
A region of the semiconductor substrate 1 below the memory gate insulating film 11 is a channel region, and a lightly doped region 12 is provided between the channel region and the high concentration impurity layer 7. In the example shown in FIG. 5, it is provided inside the semiconductor substrate 1 that overlaps the side wall protective film 5 in a plan view. Of course, this is only an example, and the lightly doped region extends from the side wall protective film 5 toward the field oxide film (not shown). 12 may be manufactured in a shifted shape.
The lightly doped region 12 is a region having the same conductivity type as that of the high concentration impurity layer 7 which is a source region and a drain region, but having a low impurity concentration.

ライトドープ領域12を設けることによって、不揮発性半導体記憶装置のゲート電極6にはより高い書き込み電圧を印加することができる。書き込み電圧を印加すると、ソース領域からドレイン領域に向かって電流が流れるが、その書き込み電圧が高ければ、ドレイン領域近傍のチャネル領域で高いエネルギを得た電荷がホットキャリアとなり、電荷蓄積層3へ注入しやすくなるのである。つまり、ホットキャリア注入を行う際により安定して書き込みができるようになる。   By providing the light doped region 12, a higher write voltage can be applied to the gate electrode 6 of the nonvolatile semiconductor memory device. When a write voltage is applied, a current flows from the source region to the drain region. However, if the write voltage is high, charges obtained with high energy in the channel region near the drain region become hot carriers and are injected into the charge storage layer 3. It becomes easy to do. That is, more stable writing can be performed when hot carrier injection is performed.

不揮発性半導体記憶装置の書き込みは、電荷蓄積層3への電荷の注入が一通りではなく、上述のようなホットキャリア注入を行う場合と、トンネル絶縁膜2にトンネル電流を流して書き込む場合とがある。いずれの場合も不揮発性半導体記憶装置の使用方法やシステム上の仕様に関係するから、より高い耐圧を有する不揮発性半導体記憶装置を得ることは、複数の場合に対応できて便利である。
このように、ライトドープ領域12を備えることによって、より安定した書き込みと、不揮発性半導体記憶装置が高耐圧化することの効果も合わせて得ることができるのである。
In the writing of the nonvolatile semiconductor memory device, there is a case where the charge is not injected into the charge storage layer 3 in a single way, the case where the hot carrier injection is performed as described above, and the case where the tunnel current is supplied to the tunnel insulating film 2 for writing. is there. In any case, since it is related to the usage method of the nonvolatile semiconductor memory device and the specifications on the system, it is convenient to obtain a nonvolatile semiconductor memory device having a higher breakdown voltage because it can cope with a plurality of cases.
Thus, by providing the light doped region 12, more stable writing and the effect of increasing the breakdown voltage of the nonvolatile semiconductor memory device can be obtained.

次に、図6を用いてその製造方法を説明する。
図6において、12はライトドープ領域である。図6(a)から図6(d)は、共に図5に示す断面図と同一の方向から見た図である。
Next, the manufacturing method will be described with reference to FIG.
In FIG. 6, 12 is a lightly doped region. FIGS. 6A to 6D are views seen from the same direction as the cross-sectional view shown in FIG.

図6(a)は、素子分離工程後、トンネル絶縁膜2、電荷蓄積層3を形成する絶縁膜形成工程を説明する図である。
図6(b)は、第1の犠牲膜9を形成する第1の犠牲膜形成工程と、第2の犠牲膜10とを形成する第2の犠牲膜形成工程とを説明する図である。
図6(c)は、第2の犠牲膜10を、第1の犠牲膜9と平面的に重なる部分のみエッチングして第1の犠牲膜9の上面を露出させる第2の犠牲膜除去工程と、その後に、第1の犠牲膜9を選択的に除去する第1の犠牲膜除去工程と、露出した半導体基板1の表面にライトドープ領域12を形成するライトドープ領域形成工程とを説明する図である。
図6(d)は、露出した半導体基板1の表面及び電荷蓄積層3の表面を同一の酸化工程によって酸化して側壁保護膜5とトップ絶縁膜4とを形成する側壁保護膜形成工程と、その後、ゲート電極6及び高濃度不純物層7を形成する工程とを説明する図である。
FIG. 6A is a diagram illustrating an insulating film forming process for forming the tunnel insulating film 2 and the charge storage layer 3 after the element isolation process.
FIG. 6B is a view for explaining a first sacrificial film forming step for forming the first sacrificial film 9 and a second sacrificial film forming step for forming the second sacrificial film 10.
FIG. 6C shows a second sacrificial film removal step in which the second sacrificial film 10 is etched only in a portion overlapping the first sacrificial film 9 in a planar manner to expose the upper surface of the first sacrificial film 9. Then, a diagram for explaining a first sacrificial film removing step for selectively removing the first sacrificial film 9 and a light doped region forming step for forming the light doped region 12 on the exposed surface of the semiconductor substrate 1. It is.
6D shows a side wall protective film forming step in which the exposed surface of the semiconductor substrate 1 and the surface of the charge storage layer 3 are oxidized by the same oxidation process to form the side wall protective film 5 and the top insulating film 4. Then, the process of forming the gate electrode 6 and the high concentration impurity layer 7 is a figure explaining.

まず、図6(a)から図6(c)に至る製造工程には、図2(a)から図2(c)を用いて説明した第1の実施形態と同様であるから、説明は省略する。   First, the manufacturing process from FIG. 6A to FIG. 6C is the same as that of the first embodiment described with reference to FIG. 2A to FIG. To do.

ライトドープ領域形成工程を説明する(図6(c))。
この工程は、半導体基板1に後の工程で形成する高濃度不純物層7を形成する不純物と同一導電型の不純物を、少ない不純物量でイオン注入する。このライトドープ領域12を形成する工程がある点が特徴的な部分である。
The light dope region forming step will be described (FIG. 6C).
In this step, an impurity having the same conductivity type as that of the impurity forming the high-concentration impurity layer 7 formed in a later step is ion-implanted into the semiconductor substrate 1 with a small impurity amount. A characteristic point is that there is a step of forming the lightly doped region 12.

このとき、電荷蓄積層3は、その側端部にまだ側壁保護膜がないので表面が露出しているため、図示しないマスク材によって表面を保護する必要がある。第2の犠牲膜10は、1500Å程度のシリコン窒化膜で構成されており、下部の半導体基板1まで窒素イオンが到達することはないため、このまま剥き出しの状態でもよい。注入された不純物イオンは、ライトドープ領域12として図示している。   At this time, since the surface of the charge storage layer 3 is exposed because there is no side wall protective film at the side end portion thereof, it is necessary to protect the surface with a mask material (not shown). The second sacrificial film 10 is composed of a silicon nitride film having a thickness of about 1500 mm, and nitrogen ions do not reach the lower semiconductor substrate 1, so that the second sacrificial film 10 may be exposed as it is. The implanted impurity ions are illustrated as lightly doped regions 12.

そして、すでに説明した他の実施形態と同様に、側壁保護膜形成工程をはじめとする一連の工程を経て、図4(d)に示す構成になるが、その説明は省略する。   Then, as in the other embodiments already described, the configuration shown in FIG. 4D is obtained through a series of steps including a side wall protective film forming step, but the description thereof is omitted.

以上、第1、第2、第3の実施形態を用いて説明した本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造法の特徴は、2つの犠牲膜を用いることにより、トップ絶縁膜と側壁保護膜とを同時に形成するエリアを作り出すことができるという点である。これにより、メモリゲート絶縁膜のサイドエッチングを防止し、ゲート電極と電荷蓄積層間とで絶縁性が保たれ、動作上の不具合がない、つまり、信頼性の高い不揮発性半導体記憶装置を製造することができる。   As described above, the manufacturing method of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention described with reference to the first, second, and third embodiments is characterized in that the top insulating film, the sidewall protective film, and the like are obtained by using two sacrificial films. It is the point that the area which forms can be created at the same time. As a result, side etching of the memory gate insulating film is prevented, the insulating property is maintained between the gate electrode and the charge storage layer, and there is no problem in operation, that is, a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device is manufactured. Can do.

本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法によれば、消去不良など電気特性が悪化しないから、高い信頼性を有するシステムに用いる不揮発性半導体記憶装置の製造方法として好適である。   The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention is suitable as a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device used for a highly reliable system, because the electrical characteristics such as erasure failure do not deteriorate.

1 半導体基板
2 トンネル絶縁膜
3 電荷蓄積層
4 トップ絶縁膜
5 側壁保護膜
6 ゲート電極
7 高濃度不純物層
8 フィールド絶縁膜
9 第1の犠牲膜
10 第2の犠牲膜
11 窒素注入領域
12 ライトドープ領域
22 酸化エリア
33 窒素イオン注入領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Tunnel insulating film 3 Charge storage layer 4 Top insulating film 5 Side wall protective film 6 Gate electrode 7 High concentration impurity layer 8 Field insulating film 9 First sacrificial film 10 Second sacrificial film 11 Nitrogen implantation region 12 Light dope Region 22 Oxidation area 33 Nitrogen ion implantation region

Claims (4)

半導体基板にソース領域及びドレイン領域を備え、これらの領域に挟まれてなるチャネル領域の前記半導体基板の表面に、トンネル絶縁膜と電荷蓄積層とトップ絶縁膜とを積層してなるメモリゲート絶縁膜を備え、該メモリゲート絶縁膜の上部に金属を主成分とするゲート電極を備えるMIS型トランジスタ構造の不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、
前記メモリゲート絶縁膜を形成する領域の前記半導体基板表面に、前記トンネル絶縁膜と前記電荷蓄積層とを形成する絶縁膜形成工程と、
前記トンネル絶縁膜及び前記電荷蓄積層の上端面及び側端面を覆うように第1の犠牲膜を形成する第1の犠牲膜形成工程と、
前記半導体基板の上部に、前記第1の犠牲膜を覆うように第2の犠牲膜を形成する第2の犠牲膜形成工程と、
前記第1の犠牲膜と平面的に重なる前記第2の犠牲膜の表面を除去して前記第1の犠牲膜の上端面を露出させるように前記第2の犠牲膜をエッチング加工する第2の犠牲膜除去工程と、
前記第1の犠牲膜を除去し、前記トンネル絶縁膜及び前記電荷蓄積層の上端面及び側端面を露出させる第1の犠牲膜除去工程と、
前記半導体基板を酸化処理し、前記電荷蓄積層の上部にトップ絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜及び前記電荷蓄積層の側端部を覆う側壁保護膜とを同時に形成する側壁保護膜形成工程と、
を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
A memory gate insulating film in which a semiconductor substrate includes a source region and a drain region, and a tunnel insulating film, a charge storage layer, and a top insulating film are stacked on the surface of the semiconductor substrate in a channel region sandwiched between these regions. A non-volatile semiconductor memory device having a MIS transistor structure including a gate electrode mainly composed of a metal on the memory gate insulating film,
An insulating film forming step of forming the tunnel insulating film and the charge storage layer on the surface of the semiconductor substrate in a region for forming the memory gate insulating film;
A first sacrificial film forming step of forming a first sacrificial film so as to cover an upper end surface and a side end surface of the tunnel insulating film and the charge storage layer;
A second sacrificial film forming step of forming a second sacrificial film on the semiconductor substrate so as to cover the first sacrificial film;
Etching the second sacrificial film so as to remove the surface of the second sacrificial film that overlaps the first sacrificial film in a planar manner to expose the upper end surface of the first sacrificial film; A sacrificial film removal step;
A first sacrificial film removing step of removing the first sacrificial film and exposing an upper end surface and a side end surface of the tunnel insulating film and the charge storage layer;
A side wall protective film forming step of oxidizing the semiconductor substrate and simultaneously forming a top insulating film on the charge storage layer and a side wall protective film covering a side edge of the tunnel insulating film and the charge storage layer;
A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
前記絶縁膜形成工程は、前記トンネル絶縁膜を、前記半導体基板を酸化処理して形成することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein in the insulating film forming step, the tunnel insulating film is formed by oxidizing the semiconductor substrate. 前記第1の犠牲膜除去工程と前記側壁保護膜形成工程との間に、
前記トンネル絶縁膜及び前記電荷蓄積層の側端面と前記第2の犠牲膜との間の領域の前記半導体基板に窒素をイオン注入する窒素イオン注入工程を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
Between the first sacrificial film removing step and the sidewall protective film forming step,
3. A nitrogen ion implantation step of ion-implanting nitrogen into the semiconductor substrate in a region between the tunnel insulating film and the side end face of the charge storage layer and the second sacrificial film. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
前記側壁保護膜形成工程後、前記側壁保護膜と平面的に重なる前記半導体基板に、前記ソース領域及び前記ドレイン領域と同一導電型であり不純物濃度が低いライトドープ領域を形成するライトドープ領域形成工程を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の不揮発性半導体装置の製造方法。   After the sidewall protective film forming step, a light doped region forming step of forming a light doped region having the same conductivity type as the source region and the drain region and having a low impurity concentration on the semiconductor substrate planarly overlapping the sidewall protective film The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor device according to claim 1, wherein:
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