JP2013153064A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】著しい工程数の増加を招くことなく、微細化が容易な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】製造方法は、半導体基板101上に、下層部分104aの導電形がp形であり、上層部分104dの導電形がn形であり、ドナーとなる不純物の総量がアクセプタとなる不純物の総量よりも多い半導体膜104を形成する工程と、領域Rcで、半導体膜104の上部を除去することにより、領域Rcで、半導体膜104に含まれるドナーとなる不純物の総量をアクセプタとなる不純物の総量よりも少なくする工程と、半導体膜104の上部を除去した後、ドナーとなる不純物及びアクセプタとなる不純物を半導体膜104内で拡散させる工程と、領域Rcで半導体膜104を選択的に除去することによりp形電極を形成すると共に、領域Rcとは異なる領域Rpで半導体膜104を選択的に除去することによりn形電極を形成する工程と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】製造方法は、半導体基板101上に、下層部分104aの導電形がp形であり、上層部分104dの導電形がn形であり、ドナーとなる不純物の総量がアクセプタとなる不純物の総量よりも多い半導体膜104を形成する工程と、領域Rcで、半導体膜104の上部を除去することにより、領域Rcで、半導体膜104に含まれるドナーとなる不純物の総量をアクセプタとなる不純物の総量よりも少なくする工程と、半導体膜104の上部を除去した後、ドナーとなる不純物及びアクセプタとなる不純物を半導体膜104内で拡散させる工程と、領域Rcで半導体膜104を選択的に除去することによりp形電極を形成すると共に、領域Rcとは異なる領域Rpで半導体膜104を選択的に除去することによりn形電極を形成する工程と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
不揮発性半導体記憶装置については、高集積化によるストレージ用途の拡大及び製造コストの低減を目的として、メモリセルの微細化が積極的に進められている。また、メモリセルの微細化に伴う消費電力の低減により、ハードディスクドライブの置き換えも進んでいる。特に、NANDフラッシュメモリにおいては、1年毎にビット密度が約2倍に増大する急速な微細化が進んでいる。
このようなメモリセルの微細化に伴い、閾値が低下したり、トンネル絶縁膜の耐圧が低下するという問題が生じている。その対策として、メモリセルのフローティングゲート電極の材料を、従来のn形半導体からp形半導体に変更することが考えられる。これにより、メモリセルを微細化しても、メモリセルの閾値及びトンネル絶縁膜の耐圧を確保することが容易になる。一方、周辺回路のトランジスタについては、従来の設計資産を活用するために、ゲート電極はn形半導体によって形成することが好ましい。しかしながら、メモリセルのフローティングゲート電極と周辺回路のゲート電極とを別々に形成すると、工程数が増加し、製造コストが増大してしまう。
"P-Type Floating Gate for Retention and P/E Window Improvement of Flash Memory Devices" Chen Shen, Student Member, IEEE, Jing Pu, Ming-Fu Li, Senior Member, IEEE, and Byung Jin Cho, Senior Member, IEEE; IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 54, NO. 8, AUGUST 2007 p1910-1917
本発明の目的は、著しい工程数の増加を招くことなく、微細化が容易な半導体装置の製造方法を提供することである。
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、下層部分の導電形がp形であり、上層部分の導電形がn形であり、ドナーとなる不純物の総量がアクセプタとなる不純物の総量よりも多い半導体膜を形成する工程と、一部の領域で、前記半導体膜の上部を除去することにより、前記一部の領域で、前記半導体膜に含まれるドナーとなる不純物の総量をアクセプタとなる不純物の総量よりも少なくする工程と、前記半導体膜の上部を除去した後、前記ドナーとなる不純物及び前記アクセプタとなる不純物を前記半導体膜内で拡散させる工程と、前記一部の領域で前記半導体膜を選択的に除去することによりp形電極を形成すると共に、前記一部の領域とは異なる他の領域で前記半導体膜を選択的に除去することによりn形電極を形成する工程と、を備える。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1〜図4は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程断面図であり、各図の(a)はセル領域のAA方向に垂直な断面を示し、(b)はセル領域のGC方向に垂直な断面を示し、(c)は周辺回路領域の断面を示す。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1〜図4は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程断面図であり、各図の(a)はセル領域のAA方向に垂直な断面を示し、(b)はセル領域のGC方向に垂直な断面を示し、(c)は周辺回路領域の断面を示す。
本実施形態は、不揮発性半導体記憶装置の製造方法であり、より具体的には、平面NAND型フラッシュメモリの製造方法である。
本実施形態においては、下層部分がp形、上層部分がn形のシリコン膜を形成し、セル領域においてはn形の上層部分を除去しp形の下層部分を残留させ、周辺回路領域においてはシリコン膜全体を残留させる。その後、熱処理を行ってシリコン膜中の不純物を拡散させることにより、セル領域においてはp形のフローティングゲート電極を形成し、周辺回路領域においてはn形のゲート電極を形成する。また、熱処理前における不純物の拡散を抑制するために、下層部分と上層部分の間に、窒素ドープシリコンからなる分断層及びノンドープシリコン層を挿入する。
本実施形態においては、下層部分がp形、上層部分がn形のシリコン膜を形成し、セル領域においてはn形の上層部分を除去しp形の下層部分を残留させ、周辺回路領域においてはシリコン膜全体を残留させる。その後、熱処理を行ってシリコン膜中の不純物を拡散させることにより、セル領域においてはp形のフローティングゲート電極を形成し、周辺回路領域においてはn形のゲート電極を形成する。また、熱処理前における不純物の拡散を抑制するために、下層部分と上層部分の間に、窒素ドープシリコンからなる分断層及びノンドープシリコン層を挿入する。
先ず、図1(a)〜(c)に示すように、シリコン基板101を用意する。シリコン基板101においては、メモリセルが形成されるセル領域RC、及び、周辺回路が形成される周辺回路領域RPが設定されている。周辺回路領域Rpにおいては、高電圧回路が形成される高電圧領域RH、及び、低電圧回路が形成される低電圧領域RLが設定されている。
シリコン基板101に対して不純物をイオン注入することにより、シリコン基板101の上層部分にウェル(図示せず)及びチャネル領域(図示せず)を形成する。次に、リソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)技術により、シリコン基板101の上面を選択的にリセスする。これにより、高電圧領域RHにおいて、シリコン基板101の上面を例えば30nm後退させる。
次に、熱酸化処理を施すことにより、シリコン基板101の上面全体に、膜厚が例えば35nmのシリコン熱酸化膜102を形成する。シリコン熱酸化膜102は、装置の完成後に、高電圧領域RHにおいて高電圧回路のゲート絶縁膜となる膜である。次に、リソグラフィ技術及びウェットエッチング技術により、シリコン熱酸化膜102のうち、高電圧領域RH以外の領域に形成された部分を除去すると共に、高電圧領域RHに形成された部分を残留させる。
次に、熱酸化処理又は高温の酸素ラジカル酸化処理を施すことにより、セル領域RC及び低電圧領域RLにおいて、シリコン基板101の上面に膜厚が例えば6.0nmのシリコン熱酸化膜を形成する。次に、一酸化窒素(NO)中で熱処理を施すことにより、シリコン熱酸化膜とシリコン基板101との界面を窒化する。また、プラズマ窒化処理を施すことにより、シリコン熱酸化膜の上面を窒化する。これにより、膜厚が例えば6.5nmのシリコン酸窒化膜103が形成される。シリコン酸窒化膜103は、装置の完成後に、セル領域RCにおいてメモリセルのトンネル絶縁膜になると共に、低電圧領域RLにおいて低電圧回路のゲート絶縁膜となる膜である。
次に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長法)法により、ボロン(B)が3×1019atoms/cm3の濃度でドープされたシリコンを堆積させることにより、導電形がp形であり、膜厚が例えば50nmであるp形シリコン層104aを形成する。引き続き、p形シリコン層104aをアンモニア(NH3)雰囲気に暴露することにより、p形シリコン層104aの上層部分に窒素(N)を例えば1×1021atoms/cm3の濃度でドーピングして、膜厚が例えば1nmの窒素ドープシリコン層104bを形成する。次に、ノンドープのシリコンを堆積させて、膜厚が例えば10nmのノンドープシリコン層104cを形成する。次に、例えばリン(P)が5×1020atoms/cm3の濃度でドープされたシリコンを堆積させることにより、導電形がn形であり、膜厚が例えば30nmであるn形シリコン層104dを形成する。
このように、CVD法により、p形シリコン層104a、窒素ドープシリコン層104b、ノンドープシリコン層104c及びn形シリコン層104dを連続的に成膜することによって、下層部分の導電形がp形であり、上層部分の導電形がn形であり、膜厚が例えば90nmのシリコン膜104が形成される。シリコン膜104は、装置の完成後に、セル領域RCにおいてメモリセルのフローティングゲート電極になると共に、周辺回路領域RPにおいて周辺回路のゲート電極の下層部分となる膜である。また、n形シリコン層104dにドープされたドナーとなる不純物、例えばリンの総量は、p形シリコン層104aにドープされたアクセプタとなる不純物、例えばボロンの総量よりも多い。
次に、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition:プラズマ化学気相成長法)法によってシリコン窒化物を堆積させることにより、全面に膜厚が例えば15nmのシリコン窒化膜105を形成する。次に、リソグラフィ技術及びRIE技術によりハードマスク(図示せず)を形成し、このハードマスクを用いてRIE等のエッチングを施すことにより、シリコン窒化膜105、シリコン膜104、シリコン酸窒化膜103又はシリコン熱酸化膜102、及び、シリコン基板101の上層部分を選択的に除去する。これにより、トレンチ106aが形成される。このとき、セル領域RCにおいては、複数本のトレンチ106aを相互に平行に形成する。セル領域RCにおいてトレンチ106aが延びる方向を「AA方向」という。
次に、TEOS(Tetraethoxysilane:Si(OC2H5)4)及びオゾン(O3)を原料としたCVD法によりシリコン酸化物を堆積させ、このシリコン酸化物に対して、シリコン窒化膜105をストッパとしたCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械研磨)を施して上面を平坦化することにより、トレンチ106aの内部にシリコン酸化部材106を埋め込み、STI(Shallow Trench Isolation)を形成する。このとき、セル領域RCにおいては、シリコン基板101におけるSTI間の部分が、アクティブエリア(AA)となる。
次に、図2(a)〜(c)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE技術により、セル領域RCにおいてシリコン窒化膜105(図1参照)を除去すると共に、シリコン酸化部材106の上部を除去して、シリコン酸化部材106の上面を例えば80nm後退させる。次に、ハロゲンガスを用いたガスエッチングにより、セル領域RCから、シリコン膜104の上部、例えば、n形シリコン層104d(図1参照)及びノンドープシリコン層104c(図1参照)を除去する。このガスエッチングは、例えば、温度が100〜300℃、例えば200℃の塩素ガス中に基板を曝露することによって行う。このとき、p形のシリコンのエッチングレートは、n形又はノンドープのシリコンのエッチング速度の10分の1以下であるため、p形シリコン層104aは残留させることができる。なお、窒素ドープシリコン層104bは除去されてもよく、残留していてもよい。
このように、セル領域RCにおいてシリコン膜104の上部を除去することにより、セル領域RCにおいては、シリコン膜104に含まれるドナーとなる不純物(リン)の総量が、アクセプタとなる不純物(ボロン)の総量よりも少なくなる。この段階において、シリコン酸化部材106の上面はp形シリコン層104aの下面と上面の間の高さにある。一方、周辺回路領域Rpにおいては、シリコン膜104全体が残留している。次に、RIE技術により、周辺回路領域Rpにおいて、シリコン窒化膜105(図1参照)を除去すると共に、基板全面において、シリコン酸化部材106の上面を10nm後退させる。
次に、温度が例えば1000℃のRTA(Rapid Thermal Anneal:高速熱アニール)処理を施す。これにより、n形シリコン層104dに含まれるリンをp形シリコン層104aまで拡散させると共に、p形シリコン層104aに含まれるボロンをn形シリコン層104dまで拡散させて、シリコン膜104中の不純物を、シリコン膜104内全体に拡散させる。このとき、周辺回路領域Rpにおいては、シリコン膜104内におけるリンの総量がボロンの総量よりも多いため、シリコン膜104の導電形は全体としてn形になる。一方、セル領域RCにおいては、既にn形シリコン層104dが除去されており、シリコン膜104内におけるリンの総量がボロンの総量よりも少ないため、シリコン膜104の導電形は全体としてp形になる。このようにして、セル領域RC及び周辺回路領域Rpのそれぞれにおいて、単一の導電形を持つシリコン膜104が形成される。なお、このRTA処理の前までは、プロセス温度を600℃以下に保って不純物の相互拡散を抑制する。
次に、図3(a)〜(c)に示すように、基板全面にシリコン酸化膜107を形成する。シリコン酸化膜107は、完成後の装置においてIPD(Inter Poly Dielectric)膜となる膜である。次に、基板全面に膜厚が例えば10nmのリンドープ多結晶シリコン膜108を形成する。次に、リソグラフィ技術及びRIE技術により、セル領域RCにおける選択ゲート電極が形成される予定の領域の一部、及び周辺回路領域Rpにおけるゲート電極が形成される予定の領域の一部において、リンドープ多結晶シリコン膜108及びシリコン酸化膜107を部分的に除去して、貫通孔107aを形成する。次に、基板全面に膜厚が例えば20nmのリンドープ多結晶シリコン膜109を形成する。このとき、セル領域RCにおける選択ゲート電極が形成される予定の領域、及び、周辺回路領域Rpにおけるゲート電極が形成される予定の領域においては、リンドープ多結晶シリコン膜109が貫通孔107aを介してシリコン膜104に接続される。次に、スパッタ法により、タングステン層及びタングステン窒化層を積層し、膜厚が例えば50nmのW/WN膜110を形成する。
次に、図4(a)〜(c)に示すように、基板全面にシリコン窒化膜(図示せず)を成膜し、リソグラフィ技術及びRIE技術によって選択的に除去することにより、ハードマスク(図示せず)を形成する。なお、このハードマスクの形成においては、ダブルパターニング(double patterning)技術又はクワドラプルパターニング(quadruple patterning)技術を適用してもよい。次に、このハードマスクを用いてRIE等のエッチングを施すことにより、W/WN膜110、リンドープ多結晶シリコン膜109、リンドープ多結晶シリコン膜108、シリコン酸化膜107、シリコン膜104、シリコン酸窒化膜103及びシリコン熱酸化膜102を選択的に除去する。
これにより、セル領域RCにおいては、リンドープ多結晶シリコン膜108、リンドープ多結晶シリコン膜109及びW/WN膜110がこの順に積層され、AA方向に対して直交したGC方向に延びる制御ゲート電極CGが形成されると共に、シリコン膜104がマトリクス状に分断されてp形のフローティングゲート電極FGが形成される。また、シリコン膜104とリンドープ多結晶シリコン膜109とが相互に接続された部分は選択ゲート電極SGとなる。一方、周辺回路領域Rpにおいては、n形のシリコン膜104、リンドープ多結晶シリコン膜108、リンドープ多結晶シリコン膜109及びW/WN膜110がこの順に積層されて、周辺回路を構成するMOSFETのゲート電極Gが形成される。このようにして、フローティングゲート電極FGが少なくとも一部分の導電形がp形であるp形電極として形成されると共に、ゲート電極Gが少なくとも一部分の導電形がn形であるn形電極として形成される。また、これにより、シリコン酸窒化膜103は、メモリセルのトンネル絶縁膜及び低電圧回路のMOSFETのゲート絶縁膜となる。一方、シリコン熱酸化膜102は、高電圧回路のMOSFETのゲート絶縁膜となる。
次に、サイドウォールスペーサ(図示せず)、拡散層(図示せず)、PMD(Pre-Metal Dielectric)(図示せず)、コンタクトプラグ(図示せず)及び多層配線(図示せず)等を形成する。これにより、本実施形態に係る半導体装置が製造される。
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、下層部分がp形シリコン層104aからなり、上層部分がn形シリコン層104dからなり、リンの総量がボロンの総量よりも多いシリコン膜104を形成し、セル領域RCにおいてn形シリコン層104dを除去し、その後、RTA処理を行って不純物を均一化することにより、セル領域RCにフローティングゲート電極となるp形のシリコン膜104を形成すると共に、周辺回路領域Rpにゲート電極の下部となるn形のシリコン膜104を形成することができる。これにより、導電形がp形のメモリセルのフローティングゲート電極と、導電形がn形の周辺回路のゲート電極の下部とを、共通の工程によって作り分けることができる。
本実施形態においては、下層部分がp形シリコン層104aからなり、上層部分がn形シリコン層104dからなり、リンの総量がボロンの総量よりも多いシリコン膜104を形成し、セル領域RCにおいてn形シリコン層104dを除去し、その後、RTA処理を行って不純物を均一化することにより、セル領域RCにフローティングゲート電極となるp形のシリコン膜104を形成すると共に、周辺回路領域Rpにゲート電極の下部となるn形のシリコン膜104を形成することができる。これにより、導電形がp形のメモリセルのフローティングゲート電極と、導電形がn形の周辺回路のゲート電極の下部とを、共通の工程によって作り分けることができる。
このように、メモリセルのフローティングゲート電極の導電形をp形とすることにより、メモリセルトランジスタの閾値を増加させることができる。また、トンネル絶縁膜の耐圧を向上させることができる。これにより、トンネル絶縁膜を薄くすることができ、動作電圧を低減することができる。また、制御ゲート電極に正の電位を印加したときに、フローティングゲート電極におけるトンネル絶縁膜側の部分に空乏層が形成されないため、低いカップリング比でフローティングゲート電極に電荷を出し入れすることができる。このため、フローティングゲート電極を薄くすることができ、加工が容易になる。これらの効果により、メモリセルの微細化が容易になる。一方、周辺回路のトランジスタのゲート電極の導電形をn形とすることにより、従来の設計資産を活かすことができる。また、工程を共通化することにより、工程数を削減し、半導体装置の製造コストを低減することができる。
また、セル領域RCのフローティングゲート電極と周辺回路領域Rpのゲート電極とを共通の工程によって形成することにより、セル領域RCのトンネル絶縁膜及び低電圧領域RLのゲート絶縁膜も、共通のシリコン酸窒化膜103をパターニングして形成することができる。上述の如く、シリコン酸窒化膜103は、信頼性を確保するために複雑な熱工程によって形成されている。このため、仮に、セル領域RCのトンネル絶縁膜及び低電圧領域RLのゲート絶縁膜を別々の工程によって形成すると、上述の複雑な熱工程を繰り返すことになり、工程数が増大する。また、後に成膜する絶縁膜を形成するための熱工程により、先に成膜した絶縁膜が劣化する可能性がある。これに対して、本実施形態によれば、セル領域RCのトンネル絶縁膜及び低電圧領域RLのゲート絶縁膜を同じ工程で形成しているため、工程数を低減できると共に、熱工程に起因する絶縁膜の劣化を回避できる。
更に、本実施形態においては、シリコン膜104中にノンドープシリコン層104cを形成しているため、n形シリコン層104dを形成した後、セル領域RCからn形シリコン層104dを除去する工程までの間に、p形シリコン層104aとn形シリコン層104dとの間で不純物が拡散することを抑制できる。これにより、セル領域RCからn形シリコン層104dを除去することにより、セル領域RCにおいて、シリコン膜104中のリンの総量をボロンの総量よりも確実に少なくすることができる。この結果、セル領域RCにおいて、シリコン膜104の導電形を確実にp形とすることができる。
更にまた、本実施形態においては、シリコン膜104中に窒素ドープシリコン層104bを設けているため、この窒素ドープシリコン層104bが分断層となり、不純物の拡散をより効果的に抑制することができる。これによっても、セル領域RCにおいて、シリコン膜104の導電形を確実にp形とすることができる。
なお、本実施形態においては、p形シリコン層104a、窒素ドープシリコン層104b、ノンドープシリコン層104c及びn形シリコン層104dをこの順に形成する例を示したが、窒素ドープシリコン層104b及びノンドープシリコン層104cの形成順序は逆にしてもよい。すなわち、p形シリコン層104a上にノンドープシリコン層104cを形成した後、窒素ドープシリコン層104bを形成し、その後、n形シリコン層104dを形成してもよい。
更にまた、本実施形態によれば、セル領域RCにおいてのみn形シリコン層104d及びノンドープシリコン層104cを除去しているため、フローティングゲート電極を相対的に薄く形成すると共に、ゲート電極を相対的に厚く形成することができる。これにより、セル領域RCにおいては、アクティブエリアに対する制御ゲート電極の支配力を高めることができる。一方、周辺回路領域Rpにおいては、リンドープ多結晶シリコン膜109をシリコン膜104に接続するための貫通孔107aの形成が容易になる。
なお、本実施形態においては、p形シリコン層104aをアンモニア雰囲気に曝すことによって窒素ドープシリコン層104bを形成したが、窒素ドープシリコン層104bの形成方法はこれには限定されない。例えば、一酸化窒素(NO)を用いたin−situ dopingによって、窒素ドープシリコン層104bを形成してもよい。
また、本実施形態においては、不純物の拡散を抑制する分断層として窒素ドープシリコン層104bを形成する例を示したが、分断層はこれには限定されない。例えば、後述する第2及び第3の実施形態において説明するように、分断層を酸素ドープシリコン層又は炭素ドープシリコン層としてもよい。酸素ドープシリコン層は、例えば、一酸化二窒素(N2O)を用いたin−situ doping、シリコン層の成膜中における一酸化二窒素(N2O)若しくは希釈酸素(O2)への曝露、又は、シリコン層の成膜を中断して大気に曝すことにより、形成することができる。また、炭素ドープシリコン層は、例えば、エチレン(C2H4)を用いたin−situ dopingによって形成することができる。
更に、分断層の厚さは、(1/2)原子層以上とすることが好ましい。これにより、不純物の拡散を確実に抑制することができる。例えば、面密度が低いシリコンの<100>面の50%以上の格子点を被覆するためには、窒素(N)、酸素(O)又は炭素(C)の面密度を、3.4×1014atoms/cm2以上とすればよい。
一方、分断層の厚さは、2nm以下とすることが好ましい。これにより、分断層を意図的に破壊又は除去しなくても、上下の導通を確保できる。この結果、薄いp形シリコン層104aにダメージを与えることなく分断層を破壊又は除去する工程が不要となり、製造が容易になる。分断層の厚さを2nm以下とするためには、窒素(N)、酸素(O)又は炭素(C)の面密度を、1.1×1016atoms/cm2以下とすればよい。
以上より、分断層の厚さは、(1/2)原子層以上2nm以下とすることが好ましい。分断層のより好適な厚さは例えば1nmである。分断層の厚さを1nmとする場合、窒素のドーズ量は例えば5.3×1015atoms/cm2とし、酸素のドーズ量は例えば4.7×1015atoms/cm2とし、炭素のドーズ量は例えば4.8×1015atoms/cm2とする。
なお、分断層には、窒素(N)、酸素(O)及び炭素(C)のうち2種以上の元素を導入してもよい。また、分断層を形成せずに、ノンドープシリコン層104cのみにより、不純物の拡散を防止してもよい。
更にまた、本実施形態においては、シリコン膜104を形成する際に、p形シリコン層104aからn形シリコン層104dまでを連続的にCVD法によって成膜する例を示したが、シリコン膜104の形成方法はこれには限定されない。例えば、p形シリコン層104a、窒素ドープシリコン層104b及びノンドープシリコン層104cをCVD法によって成膜した後、ノンドープシリコン層104cの上部に対してリンをイオン注入法又はプラズマドーピング法によって注入することにより、ノンドープシリコン層104cの上部をn形シリコン層104dに変化させてもよい。
更にまた、本実施形態においては、セル領域RCにおけるn形シリコン層104dの除去を、ハロゲンガスを用いたガスエッチングによって行う例を示したが、n形シリコン層104dのエッチャントはこれには限定されない。例えば、後述する第2及び第3の実施形態において説明するように、アルカリ溶液を用いたウェットエッチングを、ハロゲンガスを用いたガスエッチングに替えて、又は、ハロゲンガスを用いたガスエッチングと併せて、行ってもよい。
更にまた、本実施形態においては、ゲート電極をWポリメタル電極とする例を示したが、ゲート電極の電極構造はこれには限定されず、ゲート電極をコバルトシリサイド又はニッケルシリサイド等のシリサイドを含むシリサイド電極とすることも可能である。更にまた、p形シリコン層104aに導入するアクセプタはボロンには限定されず、n形シリコン層104dに導入するドナーはリンには限定されない。また、半導体はシリコンには限定されない。
次に、第2の実施形態について説明する。
図5〜図12は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程断面図であり、各図の(a)はセル領域のAA方向に垂直な断面を示し、(b)はセル領域のGC方向に垂直な断面を示し、(c)は周辺回路領域の断面を示す。
図5〜図12は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程断面図であり、各図の(a)はセル領域のAA方向に垂直な断面を示し、(b)はセル領域のGC方向に垂直な断面を示し、(c)は周辺回路領域の断面を示す。
本実施形態も、平面NAND型フラッシュメモリの製造方法である。本実施形態においては、前述の第1の実施形態と同様な方法により、共通の工程によってp形のフローティングゲート電極とn形のゲート電極とを作り分ける。また、熱処理前の不純物拡散を抑制するために、酸素ドープシリコンからなる分断層を挿入する。これらに加えて、本実施形態においては、フローティングゲート電極上に、チャージトラップ膜としてジルコニア膜を形成する。また、周辺回路領域においてIPD膜を除去することにより、IPD膜に貫通孔を形成することなく、ゲート電極を形成する。
先ず、図5(a)〜(c)に示すように、シリコン基板201を用意する。シリコン基板201においては、前述の第1の実施形態におけるシリコン基板101と同様に、セル領域RC及び周辺回路領域RPが設定されている。また、周辺回路領域Rpには、高電圧領域RH及び低電圧領域RLが設定されている。
次に、シリコン基板201に対して不純物をイオン注入することにより、ウェル(図示せず)及びチャネル領域(図示せず)を形成する。次に、リソグラフィ技術及びRIE技術により、高電圧領域RHにおいて、シリコン基板201の上面を例えば30nm後退させる。
次に、シリコン基板201に対して不純物をイオン注入することにより、ウェル(図示せず)及びチャネル領域(図示せず)を形成する。次に、リソグラフィ技術及びRIE技術により、高電圧領域RHにおいて、シリコン基板201の上面を例えば30nm後退させる。
次に、熱酸化処理を施すことにより、シリコン基板201の上面全体に、膜厚が例えば30nmのシリコン熱酸化膜202を形成する。シリコン熱酸化膜202は、装置の完成後に、高電圧領域RHにおいて高電圧回路のゲート絶縁膜となる膜である。次に、リソグラフィ技術及びウェットエッチング技術により、シリコン熱酸化膜202のうち、高電圧領域RH以外の領域に形成された部分を除去すると共に、高電圧領域RHに形成された部分を残留させる。
次に、熱酸化処理又は高温の酸素ラジカル酸化処理を施すことにより、セル領域RC及び低電圧領域RLにおいて、シリコン基板201の上面に膜厚が例えば5.0nmのシリコン熱酸化膜を形成する。次に、一酸化窒素(NO)中で熱処理を施すことにより、シリコン熱酸化膜とシリコン基板201との界面を窒化する。また、プラズマ窒化処理を施すことにより、シリコン熱酸化膜の上面を窒化する。これにより、膜厚が例えば5.5nmのシリコン酸窒化膜203が形成される。シリコン酸窒化膜203は、記憶装置の完成後に、セル領域RCにおいてメモリセルのトンネル絶縁膜になると共に、低電圧領域RLにおいて低電圧回路のゲート絶縁膜となる膜である。
次に、例えばCVD法により、ボロン(B)が3×1019atoms/cm3の濃度でドープされたシリコンを堆積させることにより、導電形がp形であり、膜厚が例えば7nmであるp形シリコン層204aを形成する。引き続き、p形シリコン層204aを、窒素を5%混入した酸素雰囲気に暴露することにより、p形シリコン層204aの上層部分に酸素(O)を例えば5×1021atoms/cm3の濃度でドーピングする。これにより、膜厚が例えば1nmの酸素ドープシリコン層204bが形成される。次に、例えばリン(P)が5×1020atoms/cm3の濃度でドープされたシリコンを堆積させることにより、導電形がn形であり、膜厚が例えば28nmであるn形シリコン層204cを形成する。
このように、CVD法によりp形シリコン層204a、酸素ドープシリコン層204b及びn形シリコン層204cを連続的に成膜することにより、下層部分の導電形がp形であり、上層部分の導電形がn形であり、膜厚が例えば35nmであるシリコン膜204が形成される。シリコン膜204は、装置の完成後に、セル領域RCにおいてメモリセルのフローティングゲート電極になると共に、周辺回路領域RPにおいて周辺回路のゲート電極の下層部分となる膜である。また、n形シリコン層204cにドープされるドナーとなる不純物、例えばリンの総量は、p形シリコン層204aにドープされるアクセプタとなる不純物、例えばボロンの総量よりも多い。
次に、図6(a)〜(c)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE技術により、セル領域RCにおいてシリコン膜204の上部を30nm、ハロゲンガスを用いてエッチバックする。次に、アルカリ溶液、例えば、TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide:水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液)を用いたウェットエッチングにより、セル領域RCからn形シリコン層204cを完全に除去する。このとき、p形シリコンのエッチングレートは、n形又はノンドープのシリコンのエッチング速度よりも低いため、p形シリコン層204aは残留させることができる。これにより、セル領域RCにおいては、シリコン膜204に含まれるリンの総量がボロンの総量よりも少なくなる。なお、酸素ドープシリコン層204bは除去されてもよく、残留していてもよいが、図には除去された例を示している。一方、周辺回路領域Rpにおいては、シリコン膜204全体が残留しており、シリコン膜204に含まれるリンの総量がボロンの総量よりも多い。
次に、ALD(Atomic Layer Deposition:原子層堆積)法により、基板全面に膜厚が例えば10nmのジルコニア膜205を成膜する。次に、ALD法により、基板全面に膜厚が例えば15nmのシリコン膜206を成膜する。シリコン膜206は、後の工程においてCMPのストッパとなる膜である。ジルコニア膜205は、完成後の記憶装置において、チャージトラップ膜となる膜である。
次に、図7(a)〜(c)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE技術により、周辺回路領域RPにおいて、シリコン膜206及びジルコニア膜205を除去する。
次に、図7(a)〜(c)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE技術により、周辺回路領域RPにおいて、シリコン膜206及びジルコニア膜205を除去する。
次に、図8(a)〜(c)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE技術により、ハードマスク(図示せず)を形成する。なお、このハードマスクの形成においては、ダブルパターニング(double patterning)技術又はクワドラプルパターニング(quadruple patterning)技術を適用してもよい。次に、このハードマスクを用いてRIE等のエッチングを施すことにより、シリコン膜206、ジルコニア膜205、シリコン膜204、シリコン酸窒化膜203、シリコン熱酸化膜202、及び、シリコン基板201の上層部分を選択的に除去する。これにより、トレンチ207aが形成される。このとき、セル領域RCにおいては、複数本のトレンチ207aをAA方向に沿って延びるように形成する。
次に、TEOS及びオゾン(O3)を原料としたCVD法によりシリコン酸化物を堆積させ、このシリコン酸化物に対してCMPを施して上面を平坦化することにより、トレンチ207aの内部にシリコン酸化部材207を埋め込む。これにより、STIが形成される。セル領域RCにおいては、シリコン基板201におけるSTI間の部分が、アクティブエリア(AA)となる。
次に、図9(a)〜(c)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE技術により、セル領域RCにおいてシリコン膜206を除去すると共に、シリコン酸化部材207の上部を除去して、シリコン酸化部材207の上面を例えば15nm後退させる。この段階において、シリコン酸化部材207の上面の高さは、ジルコニア膜205の上面の高さとほぼ同じになる。
次に、温度が例えば1000℃のRTA処理を施すことにより、シリコン膜204中の不純物を、シリコン膜204内全体に拡散させる。これにより、前述の第1の実施形態と同様に、セル領域RCにおいてはシリコン膜204の導電形がp形となり、周辺回路領域Rpにおいてはシリコン膜204の導電形がn形となる。なお、このRTA処理の前までは、プロセス温度を600℃以下に保って不純物の相互拡散を抑制する。
次に、図10(a)〜(c)に示すように、基板全面に膜厚が例えば5nmのシリコン酸化膜208を形成する。次に、基板全面に膜厚が例えば10nmのアルミナ膜209を形成する。シリコン酸化膜208及びアルミナ膜209により、IPD膜が構成される。次に、膜厚が例えば10nmのタンタル窒化膜(TaN膜)210を形成する。次に、リソグラフィ技術及びRIE技術により、周辺回路領域RPにおいて、タンタル窒化膜210、アルミナ膜209及びシリコン酸化膜208を除去する。これにより、シリコン膜204の上面が露出する。
次に、図11(a)〜(c)に示すように、スパッタ法により、基板全面にタングステン層及びタングステン窒化層を積層し、膜厚が例えば50nmのW/WN膜211を形成する。次に、基板全面に、膜厚が例えば100nmのシリコン窒化膜212を形成する。
次に、図12(a)〜(c)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE技術により、シリコン窒化膜212、W/WN膜211、タンタル窒化膜210、アルミナ膜209、シリコン酸化膜208、ジルコニア膜205、シリコン膜204、シリコン酸窒化膜203及びシリコン熱酸化膜202を選択的に除去する。なお、このとき、ダブルパターニング(double patterning)技術又はクワドラプルパターニング(quadruple patterning)技術を適用してもよい。
これにより、セル領域RCにおいては、タンタル窒化膜210及びW/WN膜211が積層され、GC方向に延びる制御ゲート電極CGが形成される。また、ジルコニア膜205がマトリクス状に分断されて、チャージトラップ膜CTが形成される。更に、シリコン膜204がマトリクス状に分断されて、フローティングゲート電極FGが形成される。一方、周辺回路領域Rpにおいては、シリコン膜204及びW/WN膜211が積層されたゲート電極Gが形成される。また、上記フローにより、シリコン酸窒化膜203は、メモリセルのトンネル絶縁膜及び低電圧回路のMOSFETのゲート絶縁膜となる。一方、シリコン熱酸化膜202は、高電圧回路のMOSFETのゲート絶縁膜となる。
次に、サイドウォールスペーサ(図示せず)、拡散層(図示せず)、PMD(Pre-Metal Dielectric)(図示せず)、コンタクトプラグ(図示せず)及び多層配線(図示せず)等を形成する。これにより、本実施形態に係る半導体装置が製造される。
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、p形のフローティングゲート電極上に、チャージトラップ膜としてジルコニア膜205を形成している。これにより、フローティングゲート電極によって捕捉しきれなかった電荷がジルコニア膜に捕捉されることになり、捕捉された電荷が動きにくくなる。この結果、メモリセルにおけるデータの保持特性が向上する。
本実施形態においては、p形のフローティングゲート電極上に、チャージトラップ膜としてジルコニア膜205を形成している。これにより、フローティングゲート電極によって捕捉しきれなかった電荷がジルコニア膜に捕捉されることになり、捕捉された電荷が動きにくくなる。この結果、メモリセルにおけるデータの保持特性が向上する。
また、本実施形態においては、周辺回路領域RPにおいて、シリコン膜204上のIPD膜、すなわち、アルミナ膜209及びシリコン酸化膜208を除去した後、W/WN膜211を成膜することにより、W/WN膜211をシリコン膜204に直接接触させている。これにより、IPD膜に貫通孔を形成することなく、W/WN膜211をシリコン膜204に接続して、ゲート電極を形成することができる。この結果、IPD膜に貫通孔を形成しようとする際に、下層の薄いシリコン膜204にも貫通孔が形成されてしまい、ゲート電極が破壊されてしまうことがない。従って、周辺回路領域RPにおけるゲート電極の形成が容易である。
本実施形態における上記以外の効果は、前述の第1の実施形態と同様である。例えば、本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、導電形がp形のフローティングゲート電極と、導電形がn形のゲート電極とを、共通の工程によって作り分けることができる。これにより、不揮発性半導体記憶装置の製造コストを低減することができる。また、分断層として酸素ドープシリコン層204bを形成することにより、RTA処理の前に不純物が拡散してしまうことを抑制できる。
なお、本実施形態においては、チャージトラップ膜として、ジルコニア膜205を形成する例を示したが、チャージトラップ膜はジルコニア膜には限定されず、例えば、ハフニア膜、アルミナ膜、シリコン窒化膜等の電子トラップを豊富に含む膜であってもよい。また、本実施形態においては、IPD膜をシリコン酸化膜208及びアルミナ膜109の積層膜とする例を示したが、IPD膜の膜構成はこれには限定されず、シリコン酸化膜208の替わりにシリコン酸窒化膜(SiON膜)若しくはONO膜(Oxide-Nitride-Oxide膜:酸化物−窒化物−酸化物膜)を用いてもよく、アルミナ膜209の替わりにハフニア膜、ハフニウムシリケイト膜、ジルコニア膜、ジルコニウムシリケイト膜、ランタン酸化膜(La2O3膜)若しくはプラセオジム酸化膜(Pr2O3膜)を用いてもよく、又は、これらの膜を組み合わせて用いてもよい。
次に、第3の実施形態について説明する。
図13〜図18は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程断面図であり、各図の(a)はセル領域のAA方向に垂直な断面を示し、(b)はセル領域のGC方向に垂直な断面を示し、(c)は周辺回路領域の断面を示す。
図13〜図18は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程断面図であり、各図の(a)はセル領域のAA方向に垂直な断面を示し、(b)はセル領域のGC方向に垂直な断面を示し、(c)は周辺回路領域の断面を示す。
本実施形態も、平面NAND型フラッシュメモリの製造方法である。本実施形態においては、セル領域におけるフローティングゲート電極の層構造を、p形のシリコン膜とタンタル窒化膜との2層構造とする。また、前述の第1の実施形態と同様の方法により、共通の工程によって下層部分がp形のフローティングゲート電極と、下層部分がn形のゲート電極とを作り分ける。また、熱処理前の不純物拡散を抑制するために、炭素ドープシリコンからなる分断層を挿入する。更に、前述の第2の実施形態と同様に、周辺回路領域において、IPD膜を除去することにより、IPD膜に貫通孔を形成することなく、ゲート電極を形成する。
先ず、図13(a)〜(c)に示すように、シリコン基板301を用意する。シリコン基板301においては、前述の第1の実施形態におけるシリコン基板101と同様に、セル領域RC及び周辺回路領域RPが設定されている。また、周辺回路領域Rpには、高電圧領域RH及び低電圧領域RLが設定されている。
次に、シリコン基板301に対して不純物をイオン注入することにより、ウェル(図示せず)及びチャネル領域(図示せず)を形成する。次に、リソグラフィ技術及びRIE技術により、高電圧領域RHにおいて、シリコン基板301の上面を例えば30nm後退させる。
次に、シリコン基板301に対して不純物をイオン注入することにより、ウェル(図示せず)及びチャネル領域(図示せず)を形成する。次に、リソグラフィ技術及びRIE技術により、高電圧領域RHにおいて、シリコン基板301の上面を例えば30nm後退させる。
次に、熱酸化処理を施すことにより、シリコン基板301の上面全体に、膜厚が例えば30nmのシリコン熱酸化膜302を形成する。次に、リソグラフィ技術及びウェットエッチング技術により、シリコン熱酸化膜302のうち、高電圧領域RH以外の領域に形成された部分を除去すると共に、高電圧領域RHに形成された部分を残留させる。
次に、熱酸化処理又は高温の酸素ラジカル酸化処理を施すことにより、セル領域RC及び低電圧領域RLにおいて、シリコン基板301の上面に膜厚が例えば6.0nmのシリコン熱酸化膜を形成する。次に、一酸化窒素(NO)中で熱処理を施すことにより、シリコン熱酸化膜とシリコン基板301との界面を窒化する。また、プラズマ窒化処理を施すことにより、シリコン熱酸化膜の上面を窒化する。これにより、膜厚が例えば6.5nmのシリコン酸窒化膜303が形成される。
次に、例えばCVD法により、ボロン(B)が3×1019atoms/cm3の濃度でドープされたシリコンを堆積させる。これにより、導電形がp形であり、膜厚が例えば7nmであるp形シリコン層304aが形成される。引き続き、このp形シリコン層304aをエチレン(C2H4)及びシラン(SiH4)を含む雰囲気に暴露することにより、p形シリコン層304aの上層部分に炭素(C)を例えば7×1020atoms/cm3の濃度でドーピングする。これにより、膜厚が例えば1nmの炭素ドープシリコン層304bが形成される。次に、例えばリン(P)が5×1020atoms/cm3の濃度でドープされたシリコンを堆積させることにより、導電形がn形であり、膜厚が例えば28nmであるn形シリコン層304cを形成する。
このように、CVD法によりp形シリコン層304a、炭素ドープシリコン層304b及びn形シリコン層304cを連続的に成膜することにより、下層部分の導電形がp形であり、上層部分の導電形がn形であり、膜厚が例えば35nmであるシリコン膜304が形成される。シリコン膜304は、記憶装置の完成後に、セル領域RCにおいてフローティングゲート電極の下層部分になると共に、周辺回路領域RPにおいてゲート電極の下層部分となる膜である。また、n形シリコン層304cにドープされるドナーとなる不純物、例えばリンの総量は、p形シリコン層304aにドープされるアクセプタとなる不純物、例えばボロンの総量よりも多い。
次に、図14(a)〜(c)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE技術により、ハードマスク(図示せず)を形成する。なお、このハードマスクの形成においては、ダブルパターニング(double patterning)技術又はクワドラプルパターニング(quadruple patterning)技術を適用してもよい。次に、このハードマスクを用いてRIE等のエッチングを施すことにより、シリコン膜304、シリコン酸窒化膜303、シリコン熱酸化膜302、及び、シリコン基板301の上層部分を選択的に除去する。これにより、トレンチ305aが形成される。このとき、セル領域RCにおいては、複数本のトレンチ305aをAA方向に沿って延びるように形成する。
次に、TEOS及びオゾン(O3)を原料としたCVD法によりシリコン酸化物を堆積させる。これにより、トレンチ305aの内面上に、TEOS/O3膜305が形成される。次に、SOG(Spin on Glass:スピン・オン・ガラス)法により、シリコン酸化膜を形成する。これにより、トレンチ305aの内部に、SOG部材306が埋め込まれる。次に、シリコン膜304をストッパとしたCMPを施して上面を平坦化する。これにより、トレンチ305aの内部に、TEOS/O3膜305及びSOG部材306からなるSTIが形成される。
次に、図15(a)〜(c)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE技術により、セル領域RCにおいてシリコン膜304の上部を30nm、ハロゲンガスを用いてエッチバックする。次に、アルカリ溶液、例えば、コリン(Trimethy-2-hidoroxyethyl ammonium hydroxide:トリメチル−2−ヒドロキシエチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液)を用いたウェットエッチングにより、セル領域RCからn形シリコン層304cを完全に除去する。これにより、セル領域RCにおいて、シリコン膜304に含まれるリンの総量がボロンの総量よりも少なくなる。このとき、炭素ドープシリコン層304bは除去されてもよく、残留していてもよい。一方、周辺回路領域Rpにおいては、シリコン膜304全体が残留している。
次に、温度が例えば1000℃のRTA処理を施すことにより、シリコン膜304中の不純物を、シリコン膜304内全体に拡散させる。これにより、セル領域RCにおいては、シリコン膜304の導電形がp形となり、周辺回路領域Rpにおいては、シリコン膜304の導電形がn形となる。
次に、図16(a)〜(c)に示すように、ALD法により、基板全面に膜厚が15nmのタンタル窒化膜(TaN膜)307を形成する。タンタル窒化膜307は、完成後の装置においてフローティングゲート電極の上層部分となる膜である。次に、三フッ化塩素(ClF3)ガスを用いたエッチングにより、タンタル窒化膜307を15nmエッチバックする。これにより、タンタル窒化膜307が、セル領域RCにおけるn形シリコン層304cが除去されたあとの空隙にのみ残留する。次に、基板全面に膜厚が例えば10nmのアルミナ膜308を形成する。アルミナ膜308は、完成後の記憶装置においてIPD膜となる膜である。次に、ALD法により、基板全面に膜厚が例えば10nmのタンタル窒化膜(TaN膜)309を形成する。タンタル窒化膜309は、完成後の記憶装置において、セル領域RCの制御ゲート電極の下層部分となる膜である。次に、リソグラフィ技術及びRIE技術により、周辺回路領域RPにおいて、タンタル窒化膜309及びアルミナ膜308を除去する。これにより、シリコン膜304の上面が露出する。
次に、図17(a)〜(c)に示すように、スパッタ法により、タングステン層及びタングステン窒化層を積層し、膜厚が例えば50nmのW/WN膜310を形成する。次に、基板全面に、膜厚が例えば100nmのシリコン窒化膜311を形成する。
次に、図18(a)〜(c)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE技術により、シリコン窒化膜311をパターニングしてハードマスクを形成する。このとき、ダブルパターニング(double patterning)技術又はクワドラプルパターニング(quadruple patterning)技術を適用してもよい。次に、このハードマスクをマスクとしてRIE等のエッチングを施して、W/WN膜310、タンタル窒化膜309、アルミナ膜308、タンタル窒化膜307、シリコン膜304、シリコン酸窒化膜303及びシリコン熱酸化膜302を選択的に除去する。
これにより、セル領域RCにおいては、タンタル窒化膜309及びW/WN膜310が積層され、GC方向に延びる制御ゲート電極CGが形成される。また、タンタル窒化膜307及びシリコン膜304がマトリクス状に分断されて、フローティングゲート電極FGが形成される。一方、周辺回路領域Rpにおいては、シリコン膜304及びW/WN膜310が積層されたゲート電極Gが形成される。このようにして、フローティングゲート電極FGが、少なくとも一部分の導電形がp形であるp形電極として形成されると共に、ゲート電極Gが、少なくとも一部分の導電形がn形であるn形電極として形成される。また、上記フローにより、シリコン酸窒化膜303からメモリセルのトンネル絶縁膜及び低電圧回路のMOSFETのゲート絶縁膜が形成される。一方、シリコン熱酸化膜302から高電圧回路のMOSFETのゲート絶縁膜が形成される。
次に、サイドウォールスペーサ(図示せず)、拡散層(図示せず)、PMD(Pre-Metal Dielectric)(図示せず)、コンタクトプラグ(図示せず)及び多層配線(図示せず)等を形成する。これにより、本実施形態に係る半導体装置が製造される。
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、フローティングゲート電極の層構造を、p形のシリコン膜304及びタンタル窒化膜307が積層された2層構造としている。フローティングゲート電極の上層となるタンタル窒化膜307はバリアハイトが高いため、蓄積された電荷が制御ゲート電極にリークすることを抑制できる。また、フローティングゲート電極の下層をシリコン膜304とすることにより、トンネル絶縁膜であるシリコン酸窒化膜303の膜質が劣化しにくい。この結果、メモリセルのデータ保持特性が向上すると共に、信頼性が向上する。
本実施形態においては、フローティングゲート電極の層構造を、p形のシリコン膜304及びタンタル窒化膜307が積層された2層構造としている。フローティングゲート電極の上層となるタンタル窒化膜307はバリアハイトが高いため、蓄積された電荷が制御ゲート電極にリークすることを抑制できる。また、フローティングゲート電極の下層をシリコン膜304とすることにより、トンネル絶縁膜であるシリコン酸窒化膜303の膜質が劣化しにくい。この結果、メモリセルのデータ保持特性が向上すると共に、信頼性が向上する。
本実施形態における上記以外の効果は、前述の第2の実施形態と同様である。例えば、本実施形態においても、第2の実施形態と同様に、フローティングゲート電極の下層を構成するp形のシリコン膜と、ゲート電極の下層を構成するn形のシリコン膜とを、共通の工程によって作り分けることができる。これにより、半導体装置の製造コストを低減することができる。また、分断層として炭素ドープシリコン層304bを形成することにより、シリコン膜304内において、RTA処理の前に不純物が拡散してしまうことを抑制できる。更に、周辺回路領域RPにおいて、シリコン膜304上のIPD膜、すなわち、アルミナ膜308を除去した後、W/WN膜310を成膜することにより、W/WN膜310をシリコン膜304に直接接触させている。これにより、IPD膜に貫通孔を形成することなく、W/WN膜310をシリコン膜304に接続して、ゲート電極を形成することができる。従って、ゲート電極の形成が容易である。
なお、本実施形態においては、IPD膜をアルミナ膜308によって構成する例を示したが、IPD膜はアルミナ膜には限定されず、ハフニア膜、ハフニウムシリケイト膜、ジルコニア膜、ジルコニウムシリケイト膜、ランタン酸化膜(La2O3膜)若しくはプラセオジム酸化膜(Pr2O3膜)でもよく、又は、これらの膜を組み合わせてもよい。
以上説明した実施形態によれば、著しい工程数の増加を招くことなく、微細化が容易な半導体装置の製造方法を実現することができる。
以上、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及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
101:シリコン基板、102:シリコン熱酸化膜、103:シリコン酸窒化膜、104:シリコン膜、104a:p形シリコン層、104b:窒素ドープシリコン層、104c:ノンドープシリコン層、104d:n形シリコン層、105:シリコン窒化膜、106:シリコン酸化部材、106a:トレンチ、107:シリコン酸化膜、108:リンドープ多結晶シリコン膜、109:リンドープ多結晶シリコン膜、110:W/WN膜、201:シリコン基板、202:シリコン熱酸化膜、203:シリコン酸窒化膜、204:シリコン膜、204a:p形シリコン層、204b:酸素ドープシリコン層、204c:n形シリコン層、205:ジルコニア膜、206:シリコン膜、207:シリコン酸化部材、207a:トレンチ、208:シリコン酸化膜、209:アルミナ膜、210:タンタル窒化膜、211:W/WN膜、212:シリコン窒化膜、301:シリコン基板、302:シリコン熱酸化膜、303:シリコン酸窒化膜、304:シリコン膜、304a:p形シリコン層、304b:炭素ドープシリコン層、304c:n形シリコン層、305:TEOS/O3膜、305a:トレンチ、306:SOG部材、307:タンタル窒化膜、308:アルミナ膜、309:タンタル窒化膜、310:W/WN膜、311:シリコン窒化膜、CG:制御ゲート電極、CT:チャージトラップ膜、FG:フローティングゲート電極、G:ゲート電極、SG:選択ゲート電極、RC:セル領域、RP:周辺回路領域、RH:高電圧領域、RL:低電圧領域
Claims (5)
- セル領域及び周辺回路領域が設定された半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上にp形半導体層を形成する工程と、
前記p形半導体層上に、窒素、酸素及び炭素からなる群より選択された一種以上の元素が、3.4×1014atoms/cm2以上1.1×1016atoms/cm2以下の範囲で導入された分断層を形成する工程と、
前記分断層上に、ノンドープの半導体層を形成する工程と、
前記ノンドープの半導体層上に、ドナーとなる不純物の総量が前記p形半導体層に含まれるアクセプタとなる不純物の総量よりも多いn形半導体層を形成する工程と、
ハロゲンガスを用いたガスエッチング及びアルカリ溶液を用いたウェットエッチングの少なくともいずれかを行うことにより、前記セル領域から前記n形半導体層を除去する工程と、
前記n形半導体層を除去した後、前記ドナーとなる不純物を前記p形半導体層内に拡散させると共に、前記アクセプタとなる不純物を前記n形半導体層内に拡散させることにより、セル領域及び周辺回路領域のそれぞれで、単一の導電形を持つ半導体膜を形成する工程と、
前記セル領域で前記半導体膜を選択的に除去することによりp形のフローティングゲート電極を形成すると共に、前記周辺回路領域で前記半導体膜を選択的に除去することによりn形のゲート電極を形成する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に、下層部分の導電形がp形であり、上層部分の導電形がn形であり、ドナーとなる不純物の総量がアクセプタとなる不純物の総量よりも多い半導体膜を形成する工程と、
一部の領域で、前記半導体膜の上部を除去することにより、前記一部の領域で、前記半導体膜に含まれるドナーとなる不純物の総量をアクセプタとなる不純物の総量よりも少なくする工程と、
前記半導体膜の上部を除去した後、前記ドナーとなる不純物及び前記アクセプタとなる不純物を前記半導体膜内で拡散させる工程と、
前記一部の領域で前記半導体膜を選択的に除去することによりp形電極を形成すると共に、前記一部の領域とは異なる他の領域で前記半導体膜を選択的に除去することによりn形電極を形成する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。 - 前記半導体膜を形成する工程は、
p形半導体層を形成する工程と、
前記p形半導体層上に、窒素、酸素及び炭素からなる群より選択された一種以上の元素が導入された分断層を形成する工程と、
前記分断層上に、ドナーとなる不純物の総量が前記p形半導体層に含まれるアクセプタとなる不純物の総量よりも多いn形半導体層を形成する工程と、
を有する請求項2記載の半導体装置の製造方法。 - 前記半導体膜の上部を除去する工程は、ハロゲンガスを用いたガスエッチングを行う工程を有する請求項2または3に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体膜の上部を除去する工程は、アルカリ溶液を用いたウェットエッチングを行う工程を有する請求項2または3に記載の半導体装置の製造方法。
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