JP2013191807A - 不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】浮遊ゲート電極の形成層を利用した抵抗素子で、コンタクトを形成する場合における非線形成分や外乱成分を抑制する。
【解決手段】実施形態によれば、半導体基板に絶縁膜が埋め込み形成された素子分離領域により分離形成された第1半導体領域と、半導体基板に絶縁膜が埋め込み形成された素子分離領域により分離形成された第2半導体領域と、前記第1半導体領域の上面に第1ゲート絶縁膜、第1導電膜、第2ゲート絶縁膜、第2導電膜を積層したメモリゲート電極を備えたメモリセルトランジスタと、前記第2半導体領域の上面に前記第1ゲート絶縁膜、前記第1導電膜を積層した抵抗素子と、前記抵抗素子の前記第1導電膜に接触する一対のコンタクトプラグとを備えたことを特徴とする。
【選択図】図3
【解決手段】実施形態によれば、半導体基板に絶縁膜が埋め込み形成された素子分離領域により分離形成された第1半導体領域と、半導体基板に絶縁膜が埋め込み形成された素子分離領域により分離形成された第2半導体領域と、前記第1半導体領域の上面に第1ゲート絶縁膜、第1導電膜、第2ゲート絶縁膜、第2導電膜を積層したメモリゲート電極を備えたメモリセルトランジスタと、前記第2半導体領域の上面に前記第1ゲート絶縁膜、前記第1導電膜を積層した抵抗素子と、前記抵抗素子の前記第1導電膜に接触する一対のコンタクトプラグとを備えたことを特徴とする。
【選択図】図3
Description
本発明の実施形態は、不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法に関する。
不揮発性半導体記憶装置として例えばNAND型フラッシュメモリがある。NAND型フラッシュメモリ装置のメモリセルトランジスタは、半導体基板上に電荷蓄積層である浮遊ゲート電極と絶縁膜とコントロールゲート電極が積層形成されたスタックゲート構造を有している。NANDセルユニットは、複数個のメモリセルトランジスタを、隣接するもの同士でソース若しくはドレインを共有するような形で列方向に直列接続させる。その直列接続された複数個のメモリセルトランジスタの両端に選択ゲートトランジスタを配置している。
メモリセルアレイは、NANDセルユニットをマトリクス状に配置したものである。また、行方向に並ぶNANDセルユニットをNANDセルブロックと呼んでいる。そして、同一行に並ぶ選択ゲートトランジスタのゲートは、同一の選択ゲート線に接続され、同一行に並ぶメモリトランジスタの制御ゲートは、同一の制御ゲート線に接続される。
このようなセルアレイを機能させるために、周辺部分にタイマーやスイッチなどの論理回路や電圧を供給するための昇圧回路を設けている。その構成要素のひとつとして抵抗素子がある。抵抗素子は半導体基板の拡散層を抵抗として用いることができる。しかし、少ない面積で抵抗素子を形成する場合に不純物の濃度を下げて抵抗率を高める。
この場合、実際に不純物をイオン注入した後に行う熱処理工程や、あるいは基板表面が加工時にさらされることで外乱を受けるなどして、狙いの抵抗値がずれたり、ばらついたりすることが問題となる。特に不純物を打ち込むのは半導体基板の活性領域やゲート電極の構造を形成する前のことが多いので、より外乱を受け易くなる。
この点、NAND型フラッシュメモリ装置では前述のようにスタックゲート構造を採用している。前述の浮遊ゲート電極として用いる多結晶シリコンは比較的高抵抗であるので、この部分を抵抗素子として用いることが有効である。この場合、浮遊ゲート電極を抵抗素子として利用するために、コントロールゲート電極に接続するコンタクトを形成し、絶縁膜に開口を形成して浮遊ゲート電極の多結晶シリコン膜に接続する構成とすれば良い。
しかしながらこのような構成を採用する場合においても、コンタクトからコントロールゲート電極を介して浮遊ゲート電極に至る部分の間には、コンタクトとコントロールゲート電極との間の界面部分の接触抵抗や、コントロールゲート電極と浮遊ゲート電極間の接触抵抗などによる抵抗成分が加算されるので、抵抗素子の抵抗値が浮遊ゲート電極の抵抗値のばらつきや非線形性に影響を与える可能性があり、安定した抵抗素子を形成することが難しかった。
そこで、浮遊ゲート電極の形成層を抵抗素子として利用し、且つコンタクトを形成する場合における非線形成分や外乱成分を抑制することができる抵抗素子を備えた不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本実施形態の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板に絶縁膜が埋め込み形成された素子分離領域により分離形成された第1半導体領域と、前記半導体基板に絶縁膜が埋め込み形成された素子分離領域により分離形成された第2半導体領域と、前記第1半導体領域の上面に第1ゲート絶縁膜、第1導電膜、第2ゲート絶縁膜、第2導電膜を積層したメモリゲート電極を備えたメモリセルトランジスタと、前記第2半導体領域の上面に前記第1ゲート絶縁膜、前記第1導電膜を積層した抵抗素子と、前記抵抗素子表面の前記第1導電膜に接触する一対のコンタクトプラグとを備えたことを特徴とする。
本実施形態の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に第1ゲート絶縁膜、第1導電膜、第1絶縁膜を形成し、前記第1絶縁膜をマスクとして前記第1導電膜、前記第1ゲート絶縁膜を除去し前記半導体基板に素子分離溝を形成し、前記素子分離溝内に素子分離絶縁膜を埋め込み、抵抗素子形成部の上面の前記第1絶縁膜を残し、メモリセルトランジスタ形成部の上面の前記第1絶縁膜を除去し、前記抵抗形成領域およびメモリセルトランジスタ形成領域の上面に第2ゲート絶縁膜、第2導電膜を形成し、前記メモリセルトランジスタ形成領域および前記抵抗形成領域上の前記第2導電膜、前記メモリセルトランジスタの形成領域上の前記第2ゲート絶縁膜、前記メモリセルトランジスタの形成領域上の前記第1導電膜をエッチングしてメモリゲート電極および抵抗素子部を形成し、前記抵抗素子部上面の前記第2導電膜をエッチングしてコンタクト領域を形成し、前記メモリゲート電極および前記抵抗素子部を覆うように第2絶縁膜、第3絶縁膜を形成し、前記抵抗素子部の前記第3絶縁膜、第2絶縁膜および第1絶縁膜を貫通するコンタクトプラグを形成することを特徴とする。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態について、NAND型のフラッシュメモリ装置に適用したものを図1ないし図12を参照して説明する。尚、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは必ずしも一致しない。また、上下左右の方向についても、後述する半導体基板における回路形成面側を上とした場合の相対的な方向を示し、必ずしも重力加速度方向を基準としたものとは一致しない。
以下、第1実施形態について、NAND型のフラッシュメモリ装置に適用したものを図1ないし図12を参照して説明する。尚、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは必ずしも一致しない。また、上下左右の方向についても、後述する半導体基板における回路形成面側を上とした場合の相対的な方向を示し、必ずしも重力加速度方向を基準としたものとは一致しない。
図1は、NAND型フラッシュメモリ装置の電気的構成をブロック図によって概略的に示している。この図1に示すように、NAND型フラッシュメモリ装置1は、多数のメモリセルをマトリクス状に配設したメモリセルアレイAr、メモリセルアレイArの各メモリセルの読出/書込/消去を行う周辺回路PCを有すると共に、図示しない入出力インタフェース回路などを備えている。尚、メモリセルアレイArは第1半導体領域内に形成され、周辺回路PCは第2半導体領域内に形成される。
メモリセル領域M内のメモリセルアレイArには、セルユニットUCが複数配設されている。セルユニットUCは、ビット線BL0…BLn−1側にそれぞれ接続された選択ゲートトランジスタSTDと、ソース線SL側に接続された選択ゲートトランジスタSTSと、これら2個の選択ゲートトランジスタSTD−STS間に2のk乗個(例えば32(=m)個)のメモリセルトランジスタMT0…MTm−1が直列接続されたものである。
1つのブロックは、セルユニットUCを行方向(図1中左右方向)にn列並列に配列したものである。メモリセルアレイArは、ブロックを列方向(図1中上下方向)に複数配列したものである。尚、説明を簡略化するため図1には1つのブロックを示している。
周辺回路領域はメモリセル領域の周辺に設けられており、周辺回路PCはメモリセルアレイArの周辺に配置されている。この周辺回路PCは、アドレスデコーダADC、センスアンプSA、チャージポンプ回路を有する昇圧回路BS、転送トランジスタ部WTBなどを具備している。アドレスデコーダADCは、昇圧回路BSを介して転送トランジスタ部WTBに電気的に接続されている。周辺回路PCには、図示はしていないが回路素子として抵抗素子Rが含まれている。
アドレスデコーダADCは、外部からアドレス信号が与えられることに応じて1つのブロックBを選択する。昇圧回路BSは、アドレスデコーダADCの外部から駆動電圧VRDECが供給されるようになっており、ブロックBの選択信号が与えられると駆動電圧VRDECを昇圧して転送ゲート線TGを介して各転送ゲートトランジスタWTGD、WTGS、WT0〜WTm−1に所定電圧を供給する。
転送トランジスタ部WTBは、選択ゲートトランジスタSTDに対応して設けられた転送ゲートトランジスタWTGD、選択ゲートトランジスタSTSに対応して設けられた転送ゲートトランジスタWTGS、各メモリセルトランジスタMT0〜MTm−1に対応してそれぞれ設けられたワード線転送ゲートトランジスタWT0〜WTm−1などを備えている。転送トランジスタ部WTBは、各ブロックBに設けられる。
転送ゲートトランジスタWTGDは、ドレイン/ソースのうち一方が選択ゲートドライバ線SG2に接続されており、他方が選択ゲート線SGLDに接続されている。転送ゲートトランジスタWTGSは、ドレイン/ソースのうち一方が選択ゲートドライバ線SG1に接続されており、他方が選択ゲート線SGLSに接続されている。また、転送ゲートトランジスタWT0〜WTm−1は、ドレイン/ソースのうち一方がワード線駆動信号線WDL0〜WDLm−1にそれぞれ接続されており、他方がメモリセルアレイAr(メモリセル領域M)内に設けられるワード線WL0〜WLm−1にそれぞれ接続されている。
行方向に配列された複数のセルユニットUCの選択ゲートトランジスタSTDは、そのゲート電極SGが選択ゲート線SGLDによって電気的に接続されている。同じく行方向に配列された複数のセルユニットUCの選択ゲートトランジスタSTSは、そのゲート電極SGが選択ゲート線SGLSによって電気的に接続されている。選択ゲートトランジスタSTSのソースは、ソース線SLに共通接続されている。なお、選択ゲートトランジスタSTDおよびSTSを図2A以降の説明では選択ゲートトランジスタTrsと称する。
行方向に配列された複数のセルユニットUCのメモリセルトランジスタMT0〜MTm−1は、それぞれ、そのゲート電極MGがワード線WL0〜WLm−1によって電気的に接続されている。メモリセルトランジスタMT0〜MTm−1は、図2A以降の説明ではメモリセルトランジスタTrmと称する。
各転送ゲートトランジスタWTGD、WTGS、WT0〜WTm−1は、ゲート電極が転送ゲート線TGによって互いに共通接続されており、昇圧回路BSの昇圧電圧供給端子に接続されている。センスアンプSAは、ビット線BL0〜BLn−1に接続されており、データの読出時に当該データを一時的に保存するラッチ回路を接続している。なお、周辺回路領域に形成される各種のトランジスタをTrPと称し、図2A以降では、通常の耐圧のトランジスタを代表として示す。
図2A(a)は、メモリセル領域の一部のレイアウトパターンを平面図に示している。この図2A(a)に示すように、半導体基板としてのp型のシリコン基板2のメモリセル領域(第1半導体領域)には、トレンチ内に絶縁膜を埋め込むSTI(shallow trench isolation)構造の素子分離領域Sbが図2A(a)中Y方向に沿って延伸して形成される。この素子分離領域Sbは、図2A(a)中、X方向に所定間隔で複数形成される。これにより、素子領域Saが図2A(a)中のY方向に沿って延伸形成されることになり、シリコン基板2の表層部に複数の素子領域SaがX方向に分離して形成される。
ワード線WLは、素子領域Saと直交して交差する方向(図2A(a)中X方向)に沿って延伸形成される。ワード線WLは、図2A(a)中Y方向に所定間隔で複数本形成されている。ワード線WLと交差する素子領域Sa上方には、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGが形成される。
Y方向に隣接した複数のメモリセルトランジスタTrmはNAND列(メモリセルストリング)の一部となる。選択ゲートトランジスタTrsは、NAND列の両端部メモリセルトランジスタTrmのY方向両外側に隣接してそれぞれ設けられる。選択ゲートトランジスタTrsはX方向に複数設けられており、複数の選択ゲートトランジスタTrsのゲート電極SGは選択ゲート線SGL1を通じて電気的に接続される。なお選択ゲート線SGLと交差する素子領域Sa上に、選択ゲートトランジスタTrsのゲート電極SGが形成される。ビット線コンタクトCBは、隣接するゲート電極SG−SG間の素子領域Sa上に形成される。
図2A(b)は周辺回路領域(第2半導体領域)のトランジスタTrPのレイアウトを示し、シリコン基板2には、矩形状の活性領域Saaを残すように素子分離領域Sbbが形成される。周辺回路領域に形成されるトランジスタTrPは、この矩形状の活性領域Saaに設けられる。活性領域Saaには、これを横切るように孤立したゲート電極PGが形成され、その両側に不純物を拡散して形成したソース/ドレイン領域が設けられる。
図2B(c)は、周辺回路領域に形成される抵抗素子Rの平面図で、例えば5個の抵抗素子Rを並べて配置した状態を示している。上記したトランジスタTrPと同様に、抵抗素子Rは素子分離領域Sbbにより分離された矩形状の活性領域Saaに形成される。この活性領域Saa上には、抵抗素子Rの抵抗体となる導体層が形成されている。活性領域Saaの導体層のその両端部には一対の抵抗素子用のコンタクトCRが形成されている。コンタクトCRを除いた部分の導体層の上面には、メモリセルトランジスタのゲート構造を形成する際のゲート構成がダミーゲートDGとして形成されている。一対のコンタクトCR間の導体層が抵抗素子Rとして機能する。
図2B(d)は、上記した(c)の構成の上面に層間絶縁膜を介して形成された配線パターンMa〜Mfを示している。5個の抵抗素子Rを配線パターンMa〜Mfにより直列に接続している。なお、抵抗素子Rの形成個数や接続方法については図示のものに限らず、適宜の個数で設定する抵抗値となるように接続することができる。
図3(a)〜(d)はそれぞれメモリセル領域および周辺回路領域内の素子構成の断面構造を模式的に示している。図3(a)は、図2B(c)のA−A線に沿う部分の抵抗素子Rの縦断面図である。図3(b)は、図2A(b)のB−B線に沿う部分の周辺回路のトランジスタTrPの縦断面図である。図3(c)は、図2A(a)のC−C線に沿う部分のメモリセルトランジスタTrmおよび選択ゲートトランジスタTrsおよびそれら選択ゲートトランジスタTrs−Trs間のビット線コンタクトCBの形成領域のY方向の縦断面図である。図3(d)は図2A(a)のD−D線に沿う部分のメモリセルトランジスタTrmのワード線WL形成方向であるX方向の縦断面図である。
抵抗素子Rを示す図3(a)において、シリコン基板2は、素子形成領域Saaに相当し、周囲が素子分離領域Sbbにより絶縁分離される。このシリコン基板2の上面に第1ゲート絶縁膜3が形成される。第1ゲート絶縁膜3は、例えばシリコン酸化膜として形成される。第1ゲート絶縁膜3の上面に抵抗素子Rの抵抗体として用いる第1導電膜としての多結晶シリコン膜4が形成される。
第1絶縁膜5は、シリコン窒化膜を用いており、多結晶シリコン膜4の上面に形成される。第1絶縁膜5は、素子分離溝を形成する際のハードマスクとして用いるものである。第2ゲート絶縁膜6は、第1絶縁膜5の上面のコンタクト領域を除いた部分に形成され、その上に第2導電膜としての多結晶シリコン膜7、8が形成され、さらにシリコン窒化膜9が積層される。第2ゲート絶縁膜6,多結晶シリコン膜7、8およびシリコン窒化膜9の部分はダミーゲート部DGとなる。
スペーサ10は、ダミーゲート部DGの側壁にシリコン酸化膜を用いて形成される。第2絶縁膜11は、ダミーゲート部DGの上面、スペーサ10の側面およびダミーゲート部DG間に露出している第1絶縁膜5の表面を覆うようにライナー膜として形成したシリコン酸化膜である。第3絶縁膜12は、第2絶縁膜11の上面を覆うようにライナー膜として形成されたシリコン窒化膜である。
層間絶縁膜13は、シリコン酸化膜を用いたもので、ダミーゲート部DG間の凹部を埋めると共に、ダミーゲートDGを覆うように第3絶縁膜12の上面に形成される。ダミーゲート部DGを挟んだ両側の部分に、層間絶縁膜13、第3絶縁膜12,第2絶縁膜11および第1絶縁膜5を上面から貫通して多結晶シリコン膜4の表層部分まで達するコンタクトプラグ14a、14bがコンタクトCRとして形成される。ダミーゲート部DGを挟んだ両側のコンタクトプラグ14a、14bがオーミックコンタクトを取った状態で多結晶シリコン膜4と接触している。こうして、多結晶シリコン膜4を抵抗体とする抵抗素子Rが形成される。
次に、図3(c)、(d)を参照してメモリセル領域のメモリセルトランジスタTrmおよび選択ゲートトランジスタTrsの構成について説明する。シリコン基板2の上面に第1ゲート絶縁膜3が形成され、その上面にメモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGおよび選択ゲートトランジスタTrsのゲート電極SGが形成される。メモリセルトランジスタTrmは、ゲート電極MGとその両側のシリコン基板2に形成されたソース/ドレイン領域2aとを含む構成である。メモリセルトランジスタTrmはY方向に複数隣接して形成される。これらメモリセルトランジスタTrmの端部のものに隣接して一対の選択ゲートトランジスタTrsが形成される。
メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGは、第1ゲート絶縁膜3上に、浮遊ゲート電極となる多結晶シリコン膜4、第2ゲート絶縁膜6、コントロールゲート電極となる多結晶シリコン膜7、8およびシリコン窒化膜9を有する。第2ゲート絶縁膜6は、例えばONO(oxide-nitride-oxide)膜やNONON(nitride-oxide-nitride-oxide-nitride)膜あるいは高誘電率を有する絶縁膜などが用いられる。
ゲート電極MG−MG間、ゲート電極SG−MG間に位置するシリコン基板2の表層にはソース/ドレイン領域2aが設けられ、ゲート電極SG−SG間に位置するシリコン基板2の表層にはドレイン領域に対応するLDD(lightly doped drain)領域2bが設けられる。ソース/ドレイン領域2aおよびLDD領域2bは、シリコン基板2の表層に不純物を導入して形成することができる。また、ゲート電極SG−SG間に位置するシリコン基板2の表層には高濃度で不純物を導入したドレイン領域2cが形成され、これによりLDD構造が形成される。
選択ゲートトランジスタTrsのゲート電極SGは、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGとほぼ同様の構造であり第1ゲート絶縁膜3上に、多結晶シリコン膜4、第2ゲート絶縁膜6、多結晶シリコン膜7、8、シリコン窒化膜9が積層される。ゲート電極SGにおいては、第2ゲート絶縁膜6の中央部は開口6aが設けられ、多結晶シリコン膜4と7、8とが接触して電気的に導通される。
スペーサ10は、ゲート電極SG−SG間の対向する面にはシリコン酸化膜を用いて形成される。ゲート電極SG−SG間のスペーサ10の内側の領域では第1ゲート絶縁膜3が露出される。また、ゲート間絶縁膜10aは、ゲート電極MG−MG間およびゲート電極MG−SG間に設けられ、スペーサ10と同じシリコン酸化膜がシリコン窒化膜9の上面の高さまで埋め込まれる。
第2絶縁膜11は、ゲート電極MG、SGの上面、ゲート間絶縁膜10aの上面、スペーサ10の側面およびゲート電極SG−SG間の第1ゲート絶縁膜3の上面を覆うようにライナー膜として形成され、その上面に第3絶縁膜12が第2絶縁膜11を覆うように形成される。層間絶縁膜13は、ゲート電極SG−SG間の凹部を埋めると共に、ゲート電極MG、SGの上面を覆うように形成される。コンタクトプラグ16は、ゲート電極SG−SG間の層間絶縁膜13を上部から下部に貫通し、さらに第3絶縁膜12、第2絶縁膜11および第1ゲート絶縁膜3を貫通してシリコン基板2に接触するように形成される。
次に、図3(b)を参照して周辺回路領域のトランジスタTrPの構成について説明する。周辺回路領域のトランジスタTrPについては、前述の選択ゲートトランジスタTrsとほぼ同様の構成である。このトランジスタTrPにおいても、シリコン基板2は周囲を素子分離領域Sbbにより包囲された素子形成領域Saaとして設けられる。第1ゲート絶縁膜3はシリコン基板2の上面に形成される。第1ゲート絶縁膜3は、トランジスタTrPの種類によって耐圧が異なるので、耐圧が高いものでは厚い膜厚で形成される。第1ゲート絶縁膜3上にゲート電極PGが形成される。第1ゲート絶縁膜3上に、多結晶シリコン膜4、第2ゲート絶縁膜6、多結晶シリコン膜7、8、シリコン窒化膜9が積層される。ゲート電極PGにおいては、第2ゲート絶縁膜6の中央部は開口6aが設けられ、多結晶シリコン膜4と7、8とが接触して電気的に導通した状態とされる。
スペーサ10は、ゲート電極PGの両側壁に形成される。第2絶縁膜11は、ゲート電極PGの上面、側面のスペーサ10の表面、ゲート電極PGの両脇のシリコン基板2の表面の第1ゲート絶縁膜3を覆うようにライナー膜として形成され、第3絶縁膜12は第2絶縁膜11を覆うライナー膜として形成される。層間絶縁膜13は、第3絶縁膜を覆うように形成される。コンタクトプラグ17、18は、ゲート電極PGを挟んだ両側の部分に、層間絶縁膜13、第3絶縁膜12,第2絶縁膜11および第1ゲート絶縁膜3を上面から貫通して多結晶シリコン膜4の表層部分まで達するように形成される。
上記構成によれば、NAND型フラッシュメモリ装置1の構成を大幅に変更することなく、抵抗素子Rを設ける構成とすることができる。そして、コンタクトプラグ14a、14bを抵抗体となる多結晶シリコン膜4に直接接触させるので、多結晶シリコン膜4による安定した高抵抗値を確保できる。且つコンタクトプラグ14a、14bを多結晶シリコン膜4に直接接触させるので、その間に介在する抵抗値の変動要素を低減して抵抗値のばらつきの少ない安定した抵抗素子Rとすることができ、設計のマージンを高めることができる。
次に、上記構成の製造方法の一例について、図4〜図12も参照して説明する。なお、本実施形態の説明では特徴部分を中心に説明するが、一般的な工程であれば各工程間に他の工程を追加しても良いし、工程を削除することもできる。また、各工程は実用的に可能であれば、適宜入れ替えても良い。
まず、図4(a)〜(d)において、シリコン基板2の上面に第1ゲート絶縁膜3として熱酸化法などを用いて所定膜厚のシリコン酸化膜を形成する。この後、第1ゲート絶縁膜3の上面に第1導電膜となる多結晶シリコン膜4を形成し、さらにシリコン窒化膜による第1絶縁膜5を所定膜厚で形成する。第1絶縁膜5は、この後の加工でハードマスクとして用いるものである。多結晶シリコン膜4には、例えば不純物として燐(P)がドープされた多結晶シリコンを用いることができる。ドープ量は例えば1×1020〜5×1020atoms/cm2で、その時のシート抵抗値は、例えば150〜300Ω/cm2である。
次に、図5(a)〜(d)において、フォトリソグラフィ技術を用いてシリコン基板2にフォトレジストによるパターニングを行う。第1絶縁膜5をRIE(reactive ion etching)法などの方法を用いて異方性エッチングをしてハードマスクを形成する。第1絶縁膜5によるハードマスク(シリコン窒化膜)を用いて多結晶シリコン膜4、第1ゲート絶縁膜3を異方性エッチングし、さらにシリコン基板2を所定深さまでエッチングして図5(d)に示すように素子分離溝2dを形成する。これにより、シリコン基板2の表層部に素子分離溝2dにより分離された活性領域としての素子形成領域Saが形成される。なお、この素子分離溝2dの形成では、同時に周辺回路領域の素子分離溝も形成され素子形成領域Saaが形成される。
続いて、図6(a)〜(d)において、図6(d)に示すように、素子分離溝2d内にシリコン酸化膜などの素子分離膜15を埋め込む。この場合、例えば塗布型のシリコン酸化膜としてポリシラザン溶液などをSOG(spin on glass)法を用いて塗布する。この塗布後、熱処理をすることで溶剤を蒸発させてシリコン酸化膜を形成することができる。
次に、素子分離溝2d内に素子分離膜15を残すため、エッチバック処理あるいはCMP(chemical mechanical polishing)法などの技術を利用して素子分離溝2dを形成していない領域の表面に形成された素子分離膜15を除去して平坦化する。この後、さらにエッチバック処理を行なって素子分離溝2d内の素子分離膜15の上面を下げ、上面が多結晶シリコン膜4の中間部位程度に位置するように加工する。
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、フォトレジスト膜を塗布して抵抗素子Rの形成領域を覆うレジストパターンを形成する。レジストパターンをマスクとして第1絶縁膜5であるシリコン窒化膜をエッチングで剥離する。これにより、図6(a)に示すように、抵抗素子Rの形成領域の上面には第1絶縁膜5が残存し、図6(b)〜(d)に示すように、メモリセル領域および周辺回路領域のトランジスタTrPの形成領域の第1絶縁膜5が剥離された状態となる。
次に、図7(a)〜(d)において、上記加工をした後の表面全面に第2ゲート絶縁膜6を形成する。素子分離溝2dが形成された部分では、図7(d)に示すように、多結晶シリコン膜4が凸状に突出し、それらの間に素子分離絶縁膜15が形成されているので、その形状に沿うように第2ゲート絶縁膜6が形成される。第2ゲート絶縁膜6は、前述のようにONO膜あるいはNONON膜などを用いる。続いて、第2ゲート絶縁膜6の上面に第2導電膜としての多結晶シリコン膜7を形成する。多結晶シリコン膜7を形成することで、素子分離溝2dが形成された領域においては、第2ゲート絶縁膜6が形成された上面の段差が平坦化された状態となる。
次に、図8(a)〜(d)において、フォトリソグラフィ技術を用い、多結晶シリコン膜7、第2ゲート絶縁膜6および多結晶シリコン膜4の所定位置に開口6aを形成する。これは、図8(b)、(c)に示すように、選択ゲートトランジスタTrsのゲート電極SGおよび周辺回路領域のトランジスタTrPのゲート電極PGにおいて、多結晶シリコン膜4と多結晶シリコン膜7とが導通状態となるようにするものである。開口6aは、多結晶シリコン膜4を若干掘り下げる位置まで形成される。この後、開口6aを埋めつつ多結晶シリコン膜7の上面に多結晶シリコン膜8を形成し、さらにシリコン窒化膜9を形成する。
次に、図9(a)〜(d)において、最上面に形成されているシリコン窒化膜9をハードマスクとしてゲート加工を行う。フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングし、抵抗素子Rの形成領域を覆い、メモリセル領域ではラインアンドスペースのパターンでゲート電極のパターンを形成し、周辺回路領域ではゲート電極PGのパターンを形成する。フォトレジストのパターンを利用してシリコン窒化膜9をエッチングしてハードマスクを形成する。このハードマスクを利用して多結晶シリコン膜8、7,第2ゲート絶縁膜6、多結晶シリコン膜4を順次エッチングして図9(b)〜(d)に示すように、ゲート電極MG、SG、PGを形成する。
続いて、図10(a)〜(d)において、形成したゲート電極MG、SG、PGのそれぞれの両脇のシリコン基板2にシリコン窒化膜9をマスクとしてイオン注入法によりn型の不純物(例えばリン)を導入し、熱処理を行うことで図10(b)、(c)に示すようにソース/ドレイン領域2a、LDD領域2bを形成する。
次に、抵抗素子Rの形成領域の表面にフォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜のパターンを形成し、コンタクト形成部分に開口7aを有する形状に加工する。このとき、他のメモリセル領域あるいは周辺回路領域はフォトレジスト膜で覆った状態とする。RIE法を用いてシリコン窒化膜9をエッチングしてハードマスクを形成し、このハードマスクを利用して多結晶シリコン膜8および7を異方性エッチングして図10(a)に示すように多結晶シリコン膜7、8部分に開口7aを形成する。これにより、多結晶シリコン膜7、8が分離形成され、ダミーゲート部DGが形成される。
次に、図11(a)〜(d)において、上記構成の全面にシリコン酸化膜を所定膜厚で形成し、ゲート電極MG−MG間およびゲート電極MG−SG間にシリコン酸化膜を埋め込み且つ覆うようにすると共に、ゲート電極SG−SG間の壁面あるいはゲート電極PGの壁面に沿うようにシリコン酸化膜を形成する。この後、シリコン酸化膜をエッチバックすることで、ゲート電極MG−MG間およびゲート電極MG−SG間にゲート間絶縁膜10aを形成し、且つ、ゲート電極SG−SG間の側壁およびゲート電極PGの側壁にスペーサ10を形成する。シリコン酸化膜をエッチバックしてスペーサ10を形成する際、図11(a)に示すように、第2ゲート絶縁膜6もエッチングされる。この時、第1絶縁膜5をエッチングストッパとして用いることができる。
次に、スペーサ10をマスクとして利用し、ゲート電極SG−SG間のシリコン基板2表層およびゲート電極PGの両側のシリコン基板2の表層に、イオン注入法により高濃度の不純物(n型の場合、例えばリンまたはヒ素)を導入する。続いて、図10(b)、(c)に示すように、不純物の活性化をするための熱処理を施してコンタクト用のドレイン領域(ソース領域)2cを形成し、LDD構造とする。
続いて、図12(a)〜(d)において、上記構成の上面すなわち、抵抗素子Rのダミーゲート部DGの上面およびスペーサ10の表面、露出している第1絶縁膜5の表面に、図12(a)に示すように、シリコン酸化膜のライナー膜を所定膜厚で形成して第2絶縁膜11として設け、続いて、第2絶縁膜11の上面にシリコン窒化膜のライナー膜を所定膜厚で形成して第3絶縁膜12として設ける。
同様に、各ゲート電極MG、SGの上面のシリコン窒化膜9上面およびそれらの間に埋め込まれたゲート間絶縁膜10aの上面、ゲート電極SG−SG間のスペーサ10の表面、第1ゲート絶縁膜3の上面にも、図12(c)に示すようにシリコン酸化膜を所定膜厚で形成して第2絶縁膜11として設け、その上面にシリコン窒化膜を所定膜厚で形成して第3絶縁膜12として設ける。
これにより、抵抗素子Rにおいては、ダミーゲート部DGの両側に形成された凹部に沿うように第2絶縁膜11および第3絶縁膜12が形成される。また、ゲート電極SG−SG間においては、スペーサ膜10の表面および第1ゲート絶縁膜3の表面に沿うように第2絶縁膜11および第3絶縁膜12が形成され、この部分に凹部が形成された状態となる。
次に、図3(a)〜(d)において、上記したゲート電極SG−SG間の凹部や抵抗素子Rの凹部を埋め込むように流動性の高いシリコン酸化膜を層間絶縁膜13として全面に形成する。この場合、凹部を埋め込む層間絶縁膜を先に形成し、CMP法あるいはエッチバックなどの方法を用いて平坦化し、この後ゲート電極MG、SG、PGの上部に絶縁膜を形成することで層間絶縁膜13として形成することもできる。
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いてコンタクトホールの加工を行う。この場合、抵抗素子Rのコンタクトプラグ14a、14bおよびビット線コンタクトのコンタクトプラグ16あるいは周辺回路領域のトランジスタTrPのコンタクトプラグ17、18は同じエッチング工程で形成することができる。
すなわち、フォトレジストを加工してコンタクトホールを形成するようにパターニングし、RIE法を用いて層間絶縁膜13を異方性エッチングする。このとき、シリコン酸化膜をエッチングする条件で行うことで、抵抗素子Rの形成領域およびメモリセル領域および周辺回路領域のトランジスタTrPの部分のいずれにおいても、図3(a)〜(c)に示すように、シリコン窒化膜の第3絶縁膜12の上面でエッチングを停止させることができる。
この場合、抵抗素子Rの形成領域では、多結晶シリコン膜4の上部に第3絶縁膜12が形成されているので、エッチング量としては少なく、選択エッチングの条件を用いることで深さが異なるエッチングを同時に行うことができるものである。また、このエッチングでは、第1絶縁膜5もエッチングストッパとして機能するので、他の部分より厚い第3絶縁膜12をエッチングする間、エッチングを継続する場合でも、確実にストッパとして作用させることができる。
この後、コンタクトホール内にコンタクトプラグ14a、14b、16〜18となるメタルを埋め込むように全面に形成し、CMP法を用いて層間絶縁膜13上の余分なメタルを除去して平坦化し、これによってコンタクトホール内部にメタルを残した状態としてコンタクトプラグ14a、14b、16〜18を形成する。ここで、メタルとしては、例えばタングステンや多結晶シリコンを用いることができる。図示はしないが、この後、さらに上層の配線構造を形成してメモリのチップが形成される。
このような本実施形態によれば、NAND型フラッシュメモリ装置1の製造工程を大幅に変更することなく、コンタクトプラグ14a、14bを多結晶シリコン膜4に直接接触する構成の抵抗素子Rを形成することができる。
また、素子分離溝2dを形成する際にハードマスクとして用いた第1絶縁膜5を抵抗素子Rの形成領域の多結晶シリコン膜4の上面に残す構成としたので、コンタクトプラグ14a、14bを形成する際のコンタクトホール形成のエッチングで、シリコン窒化膜である第3絶縁膜12と第1絶縁膜5の2層のストッパとすることができるので、加工マージンを高めてより安定した工程とすることができる。
さらに、抵抗素子Rのコンタクトプラグ14a、14bを形成するために多結晶シリコン膜7、8をエッチングを行なって除去するが、このとき、第2ゲート絶縁膜6をストッパとしてエッチングすることができる。
そして、パターニングとしてダミーゲート部DGを残すようにするので、パターニングに際して広い部分で段差が発生するのを極力抑制できる。
また、NAND型フラッシュメモリ装置1としては、抵抗素子Rとして抵抗体となる多結晶シリコン膜4を用いることで安定した抵抗値を確保でき、さらに、この多結晶シリコン膜4にコンタクトプラグ14a、14bが直接接触する構成を採用することで、コントロールゲート電極となる多結晶シリコン膜7、8を介在させず、また、第2ゲート絶縁膜6も介在しない構成となり、界面抵抗などの影響による外乱を抑制した構成とすることができる。
また、NAND型フラッシュメモリ装置1としては、抵抗素子Rとして抵抗体となる多結晶シリコン膜4を用いることで安定した抵抗値を確保でき、さらに、この多結晶シリコン膜4にコンタクトプラグ14a、14bが直接接触する構成を採用することで、コントロールゲート電極となる多結晶シリコン膜7、8を介在させず、また、第2ゲート絶縁膜6も介在しない構成となり、界面抵抗などの影響による外乱を抑制した構成とすることができる。
(第2実施形態)
図13および図14は第2実施形態を示すもので、以下第1実施形態と異なる部分について説明する。
この実施形態では、図13(a)の抵抗素子Rの多結晶シリコン膜4と第2ゲート絶縁膜6との間に第1絶縁膜5を残した構成としたように、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGについて、図13(c)、(d)に示すように、多結晶シリコン膜4と第2ゲート絶縁膜6との間に第1絶縁膜5を残した状態としている。
図13および図14は第2実施形態を示すもので、以下第1実施形態と異なる部分について説明する。
この実施形態では、図13(a)の抵抗素子Rの多結晶シリコン膜4と第2ゲート絶縁膜6との間に第1絶縁膜5を残した構成としたように、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGについて、図13(c)、(d)に示すように、多結晶シリコン膜4と第2ゲート絶縁膜6との間に第1絶縁膜5を残した状態としている。
このような構成とすることで、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGにおいて、浮遊ゲート電極とコントロールゲート電極との間で第2ゲート電極膜6だけでは両者の間に高電界がかかりやすい構成となって高電界リークが発生しやすくなるのを第1絶縁膜5として設けたシリコン窒化膜が電界を緩和させるので、高電界リークの発生を抑制できる。
上記構成は、図14に示すように、第1実施形態では図4から図5に至る加工工程において、第1絶縁膜5を抵抗素子Rの部分に残し他の部分を除去する加工をしたのに対して、メモリセル領域の第1絶縁膜5も残すようにするため、フォトレジストによるパターンで周辺回路領域のトランジスタTrP部分だけを開口させるようにしている。この結果、図14(a)、(c)、(d)では第1絶縁膜5が残り、図14(b)では第1絶縁膜5が除去される。
この後、第1実施形態と同様の加工工程を経ることで図13(a)〜(d)に示す構成を得ることができる。
このような第2実施形態によれば、上記したメモリセルトランジスタTrmの高電界リークを抑制する効果が得られると共に、加工時においては、第1絶縁膜5であるシリコン窒化膜が残存する構成となることで、ゲート電極MGを形成する際の加工マージンを高めることができる。
このような第2実施形態によれば、上記したメモリセルトランジスタTrmの高電界リークを抑制する効果が得られると共に、加工時においては、第1絶縁膜5であるシリコン窒化膜が残存する構成となることで、ゲート電極MGを形成する際の加工マージンを高めることができる。
(他の実施形態)
上記実施形態で説明したもの以外に次のような変形をすることができる。
第1絶縁膜5、第2絶縁膜11、第3絶縁膜12をそれぞれシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜とした例を示したが、これにかぎらず、適宜入れ替えたり異なる絶縁膜を設けたりするなどの変形が可能である。
上記実施形態で説明したもの以外に次のような変形をすることができる。
第1絶縁膜5、第2絶縁膜11、第3絶縁膜12をそれぞれシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜とした例を示したが、これにかぎらず、適宜入れ替えたり異なる絶縁膜を設けたりするなどの変形が可能である。
周辺回路領域の素子として、抵抗素子以外に第1導電膜を利用した他の回路素子に適用しても良い。例えば、第1導電膜と半導体基板とを電極として第1ゲート絶縁膜を挟んだ構成の容量素子に適用することができる。
NAND型のフラッシュメモリ装置1に適用したが、NOR型のフラッシュメモリ装置、EEPROM等の不揮発性半導体記憶装置にも適用できる。また、メモリセルを1ビットとして構成したものでも複数ビットとして構成したものでも適用できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
図面中、1はNAND型フラッシュメモリ装置(不揮発性半導体記憶装置)、2はシリコン基板(半導体基板)、3は第1ゲート絶縁膜、4は多結晶シリコン膜(第1導電膜)、5は第1絶縁膜、6は第2ゲート絶縁膜、7、8は多結晶シリコン膜(第2導電膜)、9はシリコン窒化膜、11は第2絶縁膜、12は第3絶縁膜、13は層間絶縁膜、14a、14b、16〜18はコンタクトプラグ、15は素子分離絶縁膜、Trmはメモリセルトランジスタ、Trsは選択ゲートトランジスタ、TrPは周辺回路領域のトランジスタ、MG、SG、PGはゲート電極、DGはダミーゲート部である。
Claims (6)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の表層に所定間隔で絶縁膜が埋め込み形成された素子分離領域により帯状に分離形成された第1半導体領域と、
前記半導体基板に絶縁膜が埋め込み形成された素子分離領域により矩形状に分離形成された第2半導体領域と、
前記第1半導体領域の上面に第1ゲート絶縁膜、第1導電膜、第1絶縁膜、第2ゲート絶縁膜、第2導電膜を積層したメモリゲート電極を備えたメモリセルトランジスタと、
前記メモリセルトランジスタに隣接して配置され、前記第1半導体領域の上面に前記第1ゲート絶縁膜、前記第1導電膜、前記第1絶縁膜、前記第2ゲート絶縁膜、前記第2導電膜を積層した選択ゲート電極を備えた選択ゲートトランジスタと、
前記第2半導体領域の上面に前記第1ゲート絶縁膜、前記第1導電膜、前記第1絶縁膜を積層した抵抗素子と、
前記メモリゲート電極、前記選択ゲート電極および前記抵抗素子を覆うと共に前記選択ゲート電極間の前記第1ゲート絶縁膜表面を覆うように形成された第2絶縁膜および第3絶縁膜と、
前記第3絶縁膜上に形成され前記選択ゲート電極間を埋めると共に前記抵抗素子の上面を覆う第4絶縁膜と、
前記選択ゲート電極間の前記第4絶縁膜、前記第3絶縁膜、前記第2絶縁膜を貫通して前記第1半導体領域の表面に接触する第1コンタクトプラグと、
前記抵抗素子表面の前記第4絶縁膜、前記第3絶縁膜、前記第2絶縁膜、前記第1絶縁膜を貫通して前記第1導電膜に接触する一対の第2コンタクトプラグと
を備え、
前記抵抗素子は、前記一対の第2コンタクトプラグの間に位置して、前記第1絶縁膜上に、前記第2ゲート絶縁膜および前記第2導電膜が積層されたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 半導体基板と、
前記半導体基板に絶縁膜が埋め込み形成された素子分離領域により分離形成された第1半導体領域と、
前記半導体基板に絶縁膜が埋め込み形成された素子分離領域により分離形成された第2半導体領域と、
前記第1半導体領域の上面に第1ゲート絶縁膜、第1導電膜、第2ゲート絶縁膜、第2導電膜を積層したメモリゲート電極を備えたメモリセルトランジスタと、
前記第2半導体領域の上面に前記第1ゲート絶縁膜、前記第1導電膜を積層した抵抗素子と、
前記抵抗素子の前記第1導電膜に接触する一対のコンタクトプラグと
を備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記抵抗素子は、前記第1導電膜の前記第1ゲート絶縁膜とは反対側の面に第1絶縁膜をさらに有し、
前記コンタクトプラグは、前記抵抗素子表面の前記第1絶縁膜を貫通して前記第1導電膜に接触することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項2または3に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記メモリゲート電極は、前記第1導電膜と前記第2ゲート絶縁膜の間に、前記第1絶縁膜が介在されたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項2ないし4のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記抵抗素子は、前記一対のコンタクトプラグの間に位置して、前記第1絶縁膜上に、前記第2ゲート絶縁膜および前記第2導電膜が積層されたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 半導体基板上に第1ゲート絶縁膜、第1導電膜、第1絶縁膜を形成し、
前記第1絶縁膜をマスクとして前記第1導電膜、前記第1ゲート絶縁膜を除去し前記半導体基板に素子分離溝を形成し、
前記素子分離溝内に素子分離絶縁膜を埋め込み、
抵抗素子形成部の上面の前記第1絶縁膜を残し、メモリセルトランジスタ形成部の上面の前記第1絶縁膜を除去し、
前記抵抗形成領域およびメモリセルトランジスタ形成領域の上面に第2ゲート絶縁膜、第2導電膜を形成し、
前記メモリセルトランジスタ形成領域および前記抵抗形成領域上の前記第2導電膜、前記メモリセルトランジスタ形成領域上の前記第2ゲート絶縁膜、前記メモリセルトランジスタ形成領域上の前記第1導電膜をエッチングしてメモリゲート電極および抵抗素子部を形成し、
前記抵抗素子部上面の前記第2導電膜をエッチングしてコンタクト領域を形成し、
前記メモリゲート電極および前記抵抗素子部を覆うように第2絶縁膜、第3絶縁膜を形成し、
前記抵抗素子部の前記第3絶縁膜、第2絶縁膜および第1絶縁膜を貫通するコンタクトプラグを形成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。
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