JP2013239516A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method of the same Download PDF

Info

Publication number
JP2013239516A
JP2013239516A JP2012110481A JP2012110481A JP2013239516A JP 2013239516 A JP2013239516 A JP 2013239516A JP 2012110481 A JP2012110481 A JP 2012110481A JP 2012110481 A JP2012110481 A JP 2012110481A JP 2013239516 A JP2013239516 A JP 2013239516A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
insulating film
region
semiconductor substrate
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2012110481A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takaaki Tsunomura
貴昭 角村
Shuichi Oda
秀一 尾田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renesas Electronics Corp
Original Assignee
Renesas Electronics Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renesas Electronics Corp filed Critical Renesas Electronics Corp
Priority to JP2012110481A priority Critical patent/JP2013239516A/en
Publication of JP2013239516A publication Critical patent/JP2013239516A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L27/12Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body
    • H01L27/1203Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body the substrate comprising an insulating body on a semiconductor body, e.g. SOI
    • H01L27/1207Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body the substrate comprising an insulating body on a semiconductor body, e.g. SOI combined with devices in contact with the semiconductor body, i.e. bulk/SOI hybrid circuits

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve performance of a semiconductor device by achieving microfabrication of the semiconductor device; and to simplify a manufacturing process of the semiconductor device.SOLUTION: A semiconductor device manufacturing method comprises the step of forming on a semiconductor substrate Sb having an SOI region 1A and a bulk silicon region 1B on a top face, an ONO film C2 which is an insulation film formed between the semiconductor substrate Sb of the SOI region 1A and a silicon layer S1, and an ONO film C3 including a charge retention film of a MONOS memory Qb formed in the bulk silicon region 1B, using the same ONO films. With this configuration, a transistor formed in the SOI region 1A and a nonvolatile memory formed in the bulk silicon region 1B are mixed loaded on the one semiconductor substrate Sb.

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いた半導体装置およびその製造方法に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, for example, a technology effective when applied to a semiconductor device using an SOI (Silicon On Insulator) substrate and a manufacturing method thereof.

寄生容量の発生を抑えることのできる半導体装置として、現在、SOI基板を用いた半導体装置が使用されている。SOI基板は、高抵抗なSi(シリコン)などからなる支持基板上にBOX(Buried Oxide)膜(埋め込み酸化膜)が形成され、BOX膜上にSi(シリコン)を主に含む薄い層(シリコン層)が形成された基板である。SOI基板上にMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOS型電界効果トランジスタ)を形成した場合、シリコン層に形成された拡散領域に発生する寄生容量を低減することができる。このため、SOI基板を用いて半導体装置を製造することで、半導体装置の集積密度および動作速度の向上、ラッチアップフリー化などが期待できる。   Currently, semiconductor devices using an SOI substrate are used as semiconductor devices capable of suppressing the generation of parasitic capacitance. In the SOI substrate, a BOX (Buried Oxide) film (buried oxide film) is formed on a support substrate made of high-resistance Si (silicon) or the like, and a thin layer (silicon layer) mainly containing Si (silicon) on the BOX film. ). When a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is formed on an SOI substrate, parasitic capacitance generated in a diffusion region formed in a silicon layer can be reduced. For this reason, manufacturing a semiconductor device using an SOI substrate can be expected to improve the integration density and operation speed of the semiconductor device, and to make the latch-up free.

また、マイコンなどにおいて、マイコンの制御に必要なプログラムを格納したり、マイコンを含む装置の動作に必要なデータを格納するために、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリを当該装置に搭載する技術が用いられている。これらの不揮発性メモリは、上記したSOI基板上ではなく半導体基板表面上、例えばバルクシリコン上に形成されることが知られている。   In addition, in a microcomputer, etc., a technology for mounting a nonvolatile memory such as a flash memory in the device is used to store a program necessary for controlling the microcomputer or to store data necessary for the operation of the device including the microcomputer. It has been. It is known that these nonvolatile memories are formed not on the above-described SOI substrate but on the surface of a semiconductor substrate, for example, on bulk silicon.

特許文献1(特開2011−049580号公報)および特許文献2(特開2007−243095号公報)には、スプリットゲート型のMONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)型不揮発性メモリにおいて、メモリゲートの側壁に接して形成されたサイドウォール状の酸化シリコン膜中に、低破壊耐圧領域が生じるのを防ぐことが記載されている。   Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-049580) and Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-243095) describe a side wall of a memory gate in a split gate type MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor) type nonvolatile memory. It is described that a low breakdown voltage region is prevented from being generated in a sidewall-shaped silicon oxide film formed in contact with the substrate.

特許文献3(特開2007−103629号公報)には、FD−SOI(Fully Doped SOI:完全空乏型SOI)トランジスタなどを用いて構成されたSRAM(Static Random Access Memory)メモリセルにおいて、駆動トランジスタのBOX層下のウエル電位を制御することで、メモリセルを安定して動作させることが記載されている。   In Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-103629), an SRAM (Static Random Access Memory) memory cell configured using an FD-SOI (Fully Doped SOI) transistor or the like includes a drive transistor. It is described that the memory cell is stably operated by controlling the well potential under the BOX layer.

特許文献4(米国特許出願公開2008/0239789号公報)には、バックゲート上にチャージトラップ膜(ONO膜)を介して半導体層を形成し、半導体層上内のドレインとソースとの間の上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成することで、不揮発性メモリを形成することが記載されている。この不揮発性メモリは、前述のゲート電極、ドレインおよびソースを含むものである。ここでは、不揮発性メモリのしきい値電圧およびドレイン電流を、ドレインとソースとの間のボディ領域内の多数キャリア数およびチャージトラップ膜内の電荷量により変更することが記載されている。   In Patent Document 4 (US Patent Application Publication No. 2008/0239789), a semiconductor layer is formed on a back gate via a charge trap film (ONO film), and an upper portion between a drain and a source on the semiconductor layer is formed. Describes forming a nonvolatile memory by forming a gate electrode through a gate insulating film. This nonvolatile memory includes the aforementioned gate electrode, drain and source. Here, it is described that the threshold voltage and drain current of the nonvolatile memory are changed according to the number of majority carriers in the body region between the drain and the source and the amount of charge in the charge trap film.

特開2011−049580号公報JP 2011-049580 A 特開2007−243095号公報JP 2007-243095 A 特開2007−103629号公報JP 2007-103629 A 米国特許出願公開2008/0239789号公報US Patent Application Publication No. 2008/0239789

近年、装置の微細化が進むにつれて、マイコンを構成するトランジスタの特性のばらつきが顕著になる問題が発生している。特性ばらつきを低減することができるトランジスタ構造としては、FD−SOIまたはFin−FETなどのように、チャネル不純物を減らした、またはチャネル不純物を用いないトランジスタがある。   In recent years, with the progress of miniaturization of devices, there has been a problem that variations in characteristics of transistors constituting a microcomputer become remarkable. As a transistor structure capable of reducing variation in characteristics, there is a transistor in which channel impurities are reduced or channel impurities are not used, such as FD-SOI or Fin-FET.

SOI基板上に形成したFD−SOIと、バルクシリコン上に形成した不揮発性メモリとを装置に用いる場合、SOI基板とバルクシリコン基板とをそれぞれ用意すると、装置内に設ける半導体チップの数が増えるため、半導体装置の微細化が困難となる問題がある。   When an FD-SOI formed on an SOI substrate and a non-volatile memory formed on bulk silicon are used in the device, if an SOI substrate and a bulk silicon substrate are prepared, the number of semiconductor chips provided in the device increases. There is a problem that miniaturization of a semiconductor device becomes difficult.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the embodiments disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

一実施の形態である半導体装置は、半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたシリコン層と、シリコン層上に形成された電界効果トランジスタとを形成し、当該半導体基板の他の領域に、前記絶縁膜と同層の膜を電荷保持膜とする不揮発性メモリを形成するものである。   A semiconductor device according to one embodiment forms a silicon layer formed over an insulating film on a semiconductor substrate and a field effect transistor formed on the silicon layer, and in another region of the semiconductor substrate, A non-volatile memory having a charge holding film formed in the same layer as the insulating film is formed.

また、他の実施の形態である半導体装置の製造方法は、電界効果トランジスタを形成するSOI領域の、半導体基板とシリコン層との間に形成する絶縁膜を、半導体基板の他の領域に形成する不揮発性メモリのトンネル酸化膜を構成する膜として用いるものである。   In another method for manufacturing a semiconductor device, an insulating film formed between a semiconductor substrate and a silicon layer in an SOI region where a field effect transistor is formed is formed in another region of the semiconductor substrate. It is used as a film constituting a tunnel oxide film of a nonvolatile memory.

本願において開示される一実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。   According to one embodiment disclosed in the present application, the performance of a semiconductor device can be improved.

本発明の実施の形態1である半導体装置を示す平面レイアウトである。2 is a plan layout showing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態1である半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 図3に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 3. 図4に示す断面図に直交する方向における断面図である。It is sectional drawing in the direction orthogonal to sectional drawing shown in FIG. 図4に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 4. 図6に示す断面図に直交する方向における断面図である。It is sectional drawing in the direction orthogonal to sectional drawing shown in FIG. 図6に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 6; 図8に示す断面図に直交する方向における断面図である。It is sectional drawing in the direction orthogonal to sectional drawing shown in FIG. 図8に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 8. 図10に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 10; 図11に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 11; 図12に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 12; 本発明の実施の形態2である半導体装置を示す平面レイアウトである。4 is a plan layout showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2である半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device which is Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2である半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 2 of this invention. 図16に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 16; 図17に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 17; 図18に示す断面図に直交する方向における断面図である。It is sectional drawing in the direction orthogonal to sectional drawing shown in FIG. 図18に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 18; 図20に示す断面図に直交する方向における断面図である。It is sectional drawing in the direction orthogonal to sectional drawing shown in FIG. 図20に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 21 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 20; 図22に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 23 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 22; 図23に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 24 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 23; 図24に示す断面図に直交する方向における断面図である。It is sectional drawing in the direction orthogonal to sectional drawing shown in FIG.

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。   Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. In the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.

(実施の形態1)
本実施の形態によるMOSFETおよび不揮発性メモリを含む構造を、図面を参照して説明する。図1には、本実施の形態である半導体装置の一部である不揮発性メモリセルの平面レイアウトを示している。図2は、図1のA−A線における断面図を含む、本実施の形態である半導体装置の断面図である。図2では、本実施の形態である半導体装置であって、例えばSOI基板上にnチャネル型MOSFETを有し、バルクシリコンの半導体基板上に不揮発性メモリの素子を有する構造を示している。
(Embodiment 1)
A structure including a MOSFET and a nonvolatile memory according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a planar layout of a nonvolatile memory cell that is a part of the semiconductor device according to the present embodiment. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment, including a cross-sectional view taken along line AA of FIG. FIG. 2 shows a semiconductor device according to the present embodiment, which has, for example, an n-channel MOSFET on an SOI substrate and a nonvolatile memory element on a bulk silicon semiconductor substrate.

図2の断面図の左側にはSOI領域(第1領域)1Aを示し、図2の断面図の右側にはバルクシリコン領域(第2領域)1Bを示している。つまり、図1に示す平面レイアウトは、バルクシリコン領域1B(図2参照)の平面視における構造を示すものであり、図1には図2のSOI領域1Aは示していない。   The SOI region (first region) 1A is shown on the left side of the cross-sectional view of FIG. 2, and the bulk silicon region (second region) 1B is shown on the right side of the cross-sectional view of FIG. That is, the planar layout shown in FIG. 1 shows the structure of the bulk silicon region 1B (see FIG. 2) in plan view, and the SOI region 1A of FIG. 2 is not shown in FIG.

図1に示すように、半導体基板Sb(図2参照)の主面上には、半導体基板Sbの主面に沿う第1方向に延在し、第1方向に直交する第2方向に複数並んで配置された活性領域ARが形成されている。活性領域ARは、その周囲を素子分離領域IRにより囲まれており、各活性領域ARは素子分離領域IRにより分離されている。活性領域AR上には、第2方向に延在し、第1方向に複数並んで配置されたゲート電極CG1が形成されている。図1は、活性領域ARとゲート電極CG1との交点に形成され、平面視においてマトリクス状に配置された複数のMONOSメモリを示すものである。複数の活性領域ARはビット線として機能し、複数のゲート電極CG1はワード線として機能する。   As shown in FIG. 1, a plurality of semiconductor substrates Sb (see FIG. 2) extend in the first direction along the main surface of the semiconductor substrate Sb and are arranged in a second direction orthogonal to the first direction. The active region AR arranged in (1) is formed. The active region AR is surrounded by the element isolation region IR, and each active region AR is isolated by the element isolation region IR. On the active region AR, a plurality of gate electrodes CG1 extending in the second direction and arranged in the first direction are formed. FIG. 1 shows a plurality of MONOS memories formed at the intersections of the active region AR and the gate electrode CG1 and arranged in a matrix in a plan view. The plurality of active regions AR function as bit lines, and the plurality of gate electrodes CG1 function as word lines.

平面視においてゲート電極CG1および活性領域ARは互いに交差しているため、複数の活性領域ARと複数のゲート電極CG1とは格子状に配置されている。なお、活性領域ARは半導体領域であり、素子分離領域IRは例えば酸化シリコン膜などを含む絶縁膜であり、ゲート電極CG1は例えばポリシリコンを含む半導体膜である。活性領域ARの延在方向(第1方向)の両端には、活性領域ARの上面に接続されたコンタクトプラグCpが形成されている。   Since the gate electrode CG1 and the active region AR intersect each other in plan view, the plurality of active regions AR and the plurality of gate electrodes CG1 are arranged in a lattice pattern. The active region AR is a semiconductor region, the element isolation region IR is an insulating film including, for example, a silicon oxide film, and the gate electrode CG1 is a semiconductor film including, for example, polysilicon. Contact plugs Cp connected to the upper surface of the active region AR are formed at both ends in the extending direction (first direction) of the active region AR.

図2では、SOI領域1Aとバルクシリコン領域1Bとを左右に分けて示しているが、SOI領域1Aおよびバルクシリコン領域1Bは同一の半導体基板Sb上に形成されており、それぞれの下部の半導体基板Sbは同一の基板である。図2に示すように、SOI領域1Aの半導体基板Sb上には、絶縁膜であるONO膜C2を介して形成されたシリコン層(SOI層、半導体層)S1上に、例えばマイコンのロジック回路を構成するnチャネル型のMOSFETQaが複数形成されている。MOSFETQaはI/O回路などに用いられる高耐圧MOSFETよりも相対的に低耐圧の電界効果トランジスタである。   In FIG. 2, the SOI region 1A and the bulk silicon region 1B are shown separately on the left and right, but the SOI region 1A and the bulk silicon region 1B are formed on the same semiconductor substrate Sb, and the lower semiconductor substrates are respectively provided. Sb is the same substrate. As shown in FIG. 2, on the semiconductor substrate Sb in the SOI region 1A, for example, a logic circuit of a microcomputer is provided on a silicon layer (SOI layer, semiconductor layer) S1 formed via an ONO film C2 which is an insulating film. A plurality of n-channel MOSFETs Qa are formed. MOSFET Qa is a field effect transistor having a relatively lower breakdown voltage than a high breakdown voltage MOSFET used in an I / O circuit or the like.

バルクシリコン領域1Bの半導体基板Sb上には、MONOS型不揮発性メモリであるMONOSメモリQbが形成されている。図1では素子分離領域IRに囲まれた活性領域AR上において、第1方向にゲート電極CG1が5本並んでいる図を示しているが、図2の右側の断面図(図1のA−A線における断面図)では、図を分かりやすくするため、第1方向に並ぶゲート電極CG1の数、すなわちMONOSメモリQbの数は3個としている。   A MONOS memory Qb, which is a MONOS nonvolatile memory, is formed on the semiconductor substrate Sb in the bulk silicon region 1B. FIG. 1 shows a diagram in which five gate electrodes CG1 are arranged in the first direction on the active region AR surrounded by the element isolation region IR, but is a cross-sectional view on the right side of FIG. In the cross-sectional view taken along line A), the number of gate electrodes CG1 arranged in the first direction, that is, the number of MONOS memories Qb is three in order to make the drawing easier to understand.

なお、ここでいうSOI領域とは、半導体基板Sb上にBOX膜などの絶縁膜を介してシリコン層が形成され、シリコン層上にMOSFETなどの半導体素子が形成された領域である。バルクシリコン領域とは、SOI領域とは異なり、半導体基板の上面上に、BOX膜およびシリコン層を介さずに不揮発性メモリなどの半導体素子が形成されている領域である。   The SOI region here is a region in which a silicon layer is formed on a semiconductor substrate Sb via an insulating film such as a BOX film, and a semiconductor element such as a MOSFET is formed on the silicon layer. Unlike the SOI region, the bulk silicon region is a region where a semiconductor element such as a nonvolatile memory is formed on the upper surface of the semiconductor substrate without the BOX film and the silicon layer interposed therebetween.

また、ここでいうMONOSメモリとは、半導体基板上に酸化膜、窒化膜、および酸化膜の順に形成された積層膜であるONO(Oxide Nitride Oxide)膜を介してゲート電極を有し、ONO膜内の窒化膜に電荷捕獲して蓄積する不揮発性メモリの素子である。電荷の出し入れの方法には2通りの方法があり、一つはゲート電極の下の窒化膜の全面にトンネル電流で電子を出し入れすることにより書込み、消去を行なう方法である。もう一つの方法は、ホットキャリア(ホットホールまたはホットエレクトロン)を用いて書込み・消去を行う方法である。トンネル電流を用いる方法は、書換え回数を多くすることができ、高い信頼性が確保できる。一方で、ホットキャリアを用いる方法は、書込み・消去の動作の電圧を低減し、かつ高速にすることができる。   The MONOS memory here has a gate electrode through an ONO (Oxide Nitride Oxide) film, which is a laminated film formed in the order of an oxide film, a nitride film, and an oxide film on a semiconductor substrate. This is a non-volatile memory device that traps and accumulates charges in the nitride film. There are two methods for taking in and out the electric charge, and one is a method in which writing and erasing are performed by taking in and out electrons with a tunnel current over the entire surface of the nitride film under the gate electrode. Another method is a method of performing writing / erasing using hot carriers (hot holes or hot electrons). The method using the tunnel current can increase the number of times of rewriting and ensure high reliability. On the other hand, the method using hot carriers can reduce the voltage of the write / erase operation and increase the speed.

SOI領域1Aでは、半導体基板Sbの上面に埋め込まれた複数の素子分離領域IR間において、半導体基板Sbの上面は、BOX膜の代わりに形成されたONO膜C2およびONO膜C2上のシリコン層S1により全て覆われている。ここで、SOI領域1Aでは、MOSFETQaを構成するエクステンション領域5が、半導体基板Sbの上面ではなく、シリコン層S1内に形成されている。これに対し、バルクシリコン領域1Bでは、半導体基板Sbの上面の複数の素子分離領域IR間において、半導体基板Sbの上面はONO膜C3により覆われているのはゲート電極CG1の直下の領域のみであり、半導体基板Sbの上面にはMONOSメモリQbを構成するエクステンション領域4が形成されている。   In the SOI region 1A, between the element isolation regions IR embedded in the upper surface of the semiconductor substrate Sb, the upper surface of the semiconductor substrate Sb is an ONO film C2 formed instead of the BOX film and the silicon layer S1 on the ONO film C2. Are all covered. Here, in the SOI region 1A, the extension region 5 constituting the MOSFET Qa is formed not in the upper surface of the semiconductor substrate Sb but in the silicon layer S1. On the other hand, in the bulk silicon region 1B, between the plurality of element isolation regions IR on the upper surface of the semiconductor substrate Sb, the upper surface of the semiconductor substrate Sb is covered with the ONO film C3 only in the region immediately below the gate electrode CG1. In addition, an extension region 4 constituting the MONOS memory Qb is formed on the upper surface of the semiconductor substrate Sb.

半導体基板Sbは例えばSi(シリコン)からなる支持基板であり、素子分離領域IRは酸化シリコン膜などからなる絶縁膜である。SOI領域1Aの半導体基板Sbの主面上にはONO膜C2が形成されている。ONO膜C2は、半導体基板Sb側から順に酸化シリコン膜(ボトム酸化膜)Ox1、窒化シリコン膜SNおよび酸化シリコン膜(トップ酸化膜)Ox2が順に積層された積層膜である。図2の、SOI領域1Aを示す断面図の左側には、ONO膜C2の積層構造の断面図を拡大して示している。ONO膜C2の上には、1〜10Ωcm程度の抵抗を有する単結晶シリコンからなる半導体層であるシリコン層S1が形成されている。   The semiconductor substrate Sb is a support substrate made of, for example, Si (silicon), and the element isolation region IR is an insulating film made of a silicon oxide film or the like. An ONO film C2 is formed on the main surface of the semiconductor substrate Sb in the SOI region 1A. The ONO film C2 is a stacked film in which a silicon oxide film (bottom oxide film) Ox1, a silicon nitride film SN, and a silicon oxide film (top oxide film) Ox2 are sequentially stacked from the semiconductor substrate Sb side. On the left side of the cross-sectional view showing the SOI region 1A in FIG. 2, the cross-sectional view of the laminated structure of the ONO film C2 is enlarged. On the ONO film C2, a silicon layer S1 which is a semiconductor layer made of single crystal silicon having a resistance of about 1 to 10 Ωcm is formed.

シリコン層S1内には、n型の不純物(例えばAs(ヒ素))が比較的低い濃度で導入された半導体領域であるエクステンション領域5が形成されている。つまり、シリコン層S1は、エクステンション領域5を含んでいる。   In the silicon layer S1, an extension region 5 which is a semiconductor region into which an n-type impurity (for example, As (arsenic)) is introduced at a relatively low concentration is formed. That is, the silicon layer S1 includes the extension region 5.

SOI領域1Aのシリコン層S1上にはゲート絶縁膜(絶縁膜)2を介して、例えばポリシリコンからなるゲート電極(導体層)G1が形成されており、ゲート電極G1の側壁には、例えば酸化シリコン膜などからなるサイドウォールSWが自己整合的に形成されている。平面視においてエクステンション領域5は、第1方向においてゲート電極G1を挟むように形成されている。つまり、ゲート電極G1の両側のシリコン層S1内には、一対のエクステンション領域5が形成されている。ゲート電極G1の直下のシリコン層S1には、エクステンション領域5が形成されていない領域があり、この領域はMOSFETQaのチャネル領域となる。   A gate electrode (conductor layer) G1 made of, for example, polysilicon is formed on the silicon layer S1 in the SOI region 1A via a gate insulating film (insulating film) 2, and an oxide film is formed on the sidewall of the gate electrode G1, for example Sidewalls SW made of a silicon film or the like are formed in a self-aligning manner. In plan view, the extension region 5 is formed so as to sandwich the gate electrode G1 in the first direction. That is, a pair of extension regions 5 are formed in the silicon layer S1 on both sides of the gate electrode G1. In the silicon layer S1 immediately below the gate electrode G1, there is a region where the extension region 5 is not formed, and this region becomes a channel region of the MOSFET Qa.

SOI領域1Aにおいて、ゲート電極G1、ゲート絶縁膜2およびサイドウォールSWから露出するシリコン層S1上には、ゲート電極G1を挟むようにエピタキシャル層(半導体層)Ep1が形成されている。ゲート電極G1の両側に形成された一対のエピタキシャル層Ep1のそれぞれにはn型の不純物(例えばAs(ヒ素))が導入されることで、n型の半導体層である拡散層10が形成されている。拡散層10には、n型の不純物(例えばAs(ヒ素))がエクステンション領域5よりも高い濃度で導入されている。エピタキシャル層Ep1は、シリコン層S1に不純物を打ち込んだ場合に、シリコン層S1が受けたダメージを回復することが困難となることを防ぐことを目的として形成された半導体層である。   In the SOI region 1A, an epitaxial layer (semiconductor layer) Ep1 is formed on the silicon layer S1 exposed from the gate electrode G1, the gate insulating film 2, and the sidewall SW so as to sandwich the gate electrode G1. An n-type impurity (for example, As (arsenic)) is introduced into each of the pair of epitaxial layers Ep1 formed on both sides of the gate electrode G1, thereby forming a diffusion layer 10 that is an n-type semiconductor layer. Yes. An n-type impurity (for example, As (arsenic)) is introduced into the diffusion layer 10 at a higher concentration than the extension region 5. The epitaxial layer Ep1 is a semiconductor layer formed for the purpose of preventing difficulty in recovering the damage received by the silicon layer S1 when impurities are implanted into the silicon layer S1.

ゲート電極G1の両側の半導体層のうち、一方の拡散層10およびエクステンション領域5はMOSFETQaのソース領域を構成し、もう一方の拡散層10およびエクステンション領域5はMOSFETQaのドレイン領域を構成している。なお、ここでは、エピタキシャル層Ep1の全領域にn型の不純物(例えばAs(ヒ素))が導入され、その領域に拡散層10が形成されている場合について説明しているが、拡散層10を形成する不純物は、エピタキシャル層Ep1の下部のシリコン層S1の一部に導入されていてもよい。   Of the semiconductor layers on both sides of the gate electrode G1, one diffusion layer 10 and the extension region 5 constitute the source region of the MOSFET Qa, and the other diffusion layer 10 and extension region 5 constitute the drain region of the MOSFET Qa. Here, the case where an n-type impurity (for example, As (arsenic)) is introduced into the entire region of the epitaxial layer Ep1 and the diffusion layer 10 is formed in the region has been described. The impurity to be formed may be introduced into a part of the silicon layer S1 below the epitaxial layer Ep1.

エピタキシャル層Ep1はシリコン層S1上にエピタキシャル成長法により形成されているため、エピタキシャル層Ep1の上面の高さは、シリコン層S1の上面よりも高く、ゲート絶縁膜2の上面よりも高い。MOSFETQaは、シリコン層S1をチャネル領域とし、ゲート電極G1と、ソース・ドレイン領域とを有する電界効果トランジスタである。   Since the epitaxial layer Ep1 is formed on the silicon layer S1 by the epitaxial growth method, the height of the upper surface of the epitaxial layer Ep1 is higher than the upper surface of the silicon layer S1 and higher than the upper surface of the gate insulating film 2. The MOSFET Qa is a field effect transistor having the silicon layer S1 as a channel region, a gate electrode G1, and source / drain regions.

上記したように、ソース・ドレイン領域はエクステンション領域5および拡散層10を含んでおり、半導体層の上部に形成されている。言い換えれば、MOSFETQaのソース・ドレイン領域は半導体基板Sbの上面ではなく、シリコン層S1の上面に接して形成されている。したがって、MOSFETQaのチャネル領域は半導体基板Sbの上面ではなく、シリコン層S1中に形成される。MOSFETQaは、例えば完全空乏型のトランジスタ(FD−SOIトランジスタ)である。   As described above, the source / drain region includes the extension region 5 and the diffusion layer 10 and is formed on the semiconductor layer. In other words, the source / drain regions of the MOSFET Qa are formed not in contact with the upper surface of the semiconductor substrate Sb but in contact with the upper surface of the silicon layer S1. Therefore, the channel region of the MOSFET Qa is formed not in the upper surface of the semiconductor substrate Sb but in the silicon layer S1. The MOSFET Qa is, for example, a fully depleted transistor (FD-SOI transistor).

また、バルクシリコン領域1Bでは、上部にSOI構造を有していない半導体基板Sb上に、エピタキシャル層Ep2を含むMONOSメモリQbが形成されている。すなわち、バルクシリコン領域1BのMONOSメモリQbは半導体基板Sbの上面の一部をチャネル領域とし、半導体基板Sbの上面およびエピタキシャル層Ep2に不純物を打ち込むことで形成されたソース・ドレイン領域を有している。つまり、MONOSメモリQbのソース・ドレイン領域は半導体基板Sbの上部に形成されている。言い換えれば、MONOSメモリQbのソース・ドレイン領域は半導体基板Sbの上面に接して形成されている。したがって、MONOSメモリQbのチャネル領域は半導体基板Sbの上面に形成される。   In the bulk silicon region 1B, the MONOS memory Qb including the epitaxial layer Ep2 is formed on the semiconductor substrate Sb not having the SOI structure on the upper portion. That is, the MONOS memory Qb in the bulk silicon region 1B has a source / drain region formed by implanting impurities into the upper surface of the semiconductor substrate Sb and the epitaxial layer Ep2 using a part of the upper surface of the semiconductor substrate Sb as a channel region. Yes. That is, the source / drain regions of the MONOS memory Qb are formed on the semiconductor substrate Sb. In other words, the source / drain regions of the MONOS memory Qb are formed in contact with the upper surface of the semiconductor substrate Sb. Therefore, the channel region of the MONOS memory Qb is formed on the upper surface of the semiconductor substrate Sb.

半導体基板Sbの上面には、MONOSメモリQbのゲート絶縁膜であるONO膜C3が接して形成され、半導体基板Sb上にONO膜C3を介して、例えばポリシリコンからなるゲート電極(導体層)CG1が形成されており、ゲート電極CG1の側壁には、例えば酸化シリコン膜からなるサイドウォールSWが自己整合的に形成されている。このように、MONOSメモリQbはnチャネル型の電界効果トランジスタを構成している。   An ONO film C3, which is a gate insulating film of the MONOS memory Qb, is formed on and in contact with the upper surface of the semiconductor substrate Sb, and a gate electrode (conductor layer) CG1 made of, for example, polysilicon via the ONO film C3 on the semiconductor substrate Sb. A sidewall SW made of, for example, a silicon oxide film is formed in a self-aligned manner on the sidewall of the gate electrode CG1. As described above, the MONOS memory Qb forms an n-channel field effect transistor.

ONO膜C3は、ONO膜C2と同層の膜であり、ONO膜C2と同様に、半導体基板Sb上に酸化シリコン膜Ox1、窒化シリコン膜SNおよび酸化シリコン膜Ox2を順に積層した構造を有している。ONO膜C2およびC3は、後述するように、半導体装置の製造工程において、半導体基板Sbの主面上の全面に形成したONO膜を加工し、分離することで形成した膜であるため、同様の積層構造を有している。   The ONO film C3 is the same layer as the ONO film C2, and has a structure in which a silicon oxide film Ox1, a silicon nitride film SN, and a silicon oxide film Ox2 are sequentially stacked on the semiconductor substrate Sb, similarly to the ONO film C2. ing. Since the ONO films C2 and C3 are films formed by processing and separating the ONO film formed on the entire main surface of the semiconductor substrate Sb in the manufacturing process of the semiconductor device, as will be described later, It has a laminated structure.

なお、ここでいう同層の膜とは、加工によって分離される前に一体となっていた膜を指す。つまり、元々一枚の膜であったものを、エッチング法などにより加工して複数の膜に分離した場合、分離された複数の膜のそれぞれは同層の関係にある。したがって、同層の膜同士は、膜厚、膜質、組成または内部の積層構造などが同一であることが考えられる。ここでは、ONO膜C2およびONO膜C3は互いに同層の膜であるので、いずれの膜も、2層の酸化シリコン膜Ox1、Ox2間に窒化シリコン膜(電荷保持膜)SNが挟まれている積層構造を有している。また、ONO膜C2、C3を構成する酸化シリコン膜Ox1同士、窒化シリコン膜SN同士、または酸化シリコン膜Ox2同士は、いずれも同じ膜厚、同じ組成を有している。   In addition, the film | membrane of the same layer here refers to the film | membrane integrated before it isolate | separated by processing. That is, when a single film is originally processed into a plurality of films by an etching method or the like, each of the separated films is in the same layer. Therefore, it can be considered that the films in the same layer have the same film thickness, film quality, composition, or internal laminated structure. Here, since the ONO film C2 and the ONO film C3 are films of the same layer, a silicon nitride film (charge holding film) SN is sandwiched between the two silicon oxide films Ox1 and Ox2. It has a laminated structure. Further, the silicon oxide films Ox1, the silicon nitride films SN, or the silicon oxide films Ox2 constituting the ONO films C2 and C3 all have the same film thickness and the same composition.

半導体基板Sbの上面には、n型の不純物(例えばAs(ヒ素))が比較的低い濃度で導入された半導体領域であるエクステンション領域4が、平面視においてゲート電極CG1を挟むように形成されている。つまり、ゲート電極CG1のゲート長方向(第1方向)における両側の半導体基板Sbの上面には一対のエクステンション領域4が形成されている。ゲート電極CG1の直下の半導体基板Sbの上面には、エクステンション領域4が形成されていない領域があり、この領域はMONOSメモリQbのチャネル領域となる。   On the upper surface of the semiconductor substrate Sb, an extension region 4 which is a semiconductor region into which an n-type impurity (for example, As (arsenic)) is introduced at a relatively low concentration is formed so as to sandwich the gate electrode CG1 in plan view. Yes. That is, a pair of extension regions 4 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate Sb on both sides in the gate length direction (first direction) of the gate electrode CG1. There is a region where the extension region 4 is not formed on the upper surface of the semiconductor substrate Sb immediately below the gate electrode CG1, and this region becomes a channel region of the MONOS memory Qb.

バルクシリコン領域1Bにおいて、ゲート電極CG1、ONO膜C2およびサイドウォールSWから露出する半導体基板Sb上には、ゲート電極CG1を挟むようにエピタキシャル層(半導体層)Ep2が形成されている。ゲート電極CG1の両側に形成された一対のエピタキシャル層Ep2のそれぞれにはn型の不純物(例えばAs(ヒ素))が導入されることで、n型の半導体層である拡散層9が形成されている。拡散層9には、n型の不純物(例えばAs(ヒ素))がエクステンション領域4よりも高い濃度で導入されている。   In the bulk silicon region 1B, an epitaxial layer (semiconductor layer) Ep2 is formed on the semiconductor substrate Sb exposed from the gate electrode CG1, the ONO film C2, and the sidewall SW so as to sandwich the gate electrode CG1. An n-type impurity (for example, As (arsenic)) is introduced into each of the pair of epitaxial layers Ep2 formed on both sides of the gate electrode CG1, thereby forming a diffusion layer 9 that is an n-type semiconductor layer. Yes. An n-type impurity (for example, As (arsenic)) is introduced into the diffusion layer 9 at a higher concentration than the extension region 4.

ゲート電極CG1の両側の半導体層のうち、一方の拡散層9およびエクステンション領域4はMONOSメモリQbのソース領域を構成し、もう一方の拡散層9およびエクステンション領域4はMONOSメモリQbのドレイン領域を構成している。なお、ここでは、エピタキシャル層Ep2の全領域にn型の不純物(例えばAs(ヒ素))が導入され、その領域に拡散層9が形成されている場合について説明しているが、拡散層9を形成する不純物は、エピタキシャル層Ep2の下部の半導体基板Sbの一部に導入されていてもよい。   Of the semiconductor layers on both sides of the gate electrode CG1, one diffusion layer 9 and the extension region 4 constitute a source region of the MONOS memory Qb, and the other diffusion layer 9 and the extension region 4 constitute a drain region of the MONOS memory Qb. doing. Here, a case is described in which an n-type impurity (for example, As (arsenic)) is introduced into the entire region of the epitaxial layer Ep2, and the diffusion layer 9 is formed in that region. The impurity to be formed may be introduced into a part of the semiconductor substrate Sb below the epitaxial layer Ep2.

エピタキシャル層Ep2は半導体基板Sb上にエピタキシャル成長法により形成されているため、エピタキシャル層Ep2の上面の高さは、半導体基板Sbの上面よりも高く、ONO膜C3の上面よりも高い。MONOSメモリQbは、半導体基板Sbの上面をチャネル領域とし、ゲート電極CG1と、ソース・ドレイン領域とを有し、ONO膜C3を構成する窒化シリコン膜SNを電荷保持膜とする不揮発性メモリ素子である。上記したように、ソース・ドレイン領域はエクステンション領域4および拡散層9を含んでいる。   Since the epitaxial layer Ep2 is formed on the semiconductor substrate Sb by the epitaxial growth method, the height of the upper surface of the epitaxial layer Ep2 is higher than the upper surface of the semiconductor substrate Sb and higher than the upper surface of the ONO film C3. The MONOS memory Qb is a nonvolatile memory element having a channel region on the upper surface of the semiconductor substrate Sb, a gate electrode CG1, source / drain regions, and a silicon nitride film SN constituting the ONO film C3 as a charge retention film. is there. As described above, the source / drain region includes the extension region 4 and the diffusion layer 9.

このように、本実施の形態の半導体装置は、一つの半導体基板Sb上にSOI領域1Aおよびバルクシリコン領域1Bを有し、SOI領域1AにはMOSFETQaを有し、バルクシリコン領域1BにはMONOSメモリQbを有しているものである。SOI基板を半導体装置に用いる場合、半導体基板と、その上面上のシリコン層との間に酸化シリコン膜からなるBOX膜を形成することが考えられるが、ここでは、SOI領域1Aの半導体基板Sb上には、BOX膜に代えて、ONO膜C2を形成している。ONO膜C2は酸化シリコン膜および窒化シリコン膜を含む絶縁膜であるため、BOX膜と同様に、SOI領域1Aにおいて、半導体基板Sbとシリコン層S1とを絶縁し、半導体基板Sbと分離された薄いシリコン層S1を形成するために用いることができる。   As described above, the semiconductor device according to the present embodiment has the SOI region 1A and the bulk silicon region 1B on one semiconductor substrate Sb, the MOSFET Qa in the SOI region 1A, and the MONOS memory in the bulk silicon region 1B. Qb is included. When an SOI substrate is used for a semiconductor device, it is conceivable to form a BOX film made of a silicon oxide film between the semiconductor substrate and the silicon layer on the upper surface thereof, but here, on the semiconductor substrate Sb in the SOI region 1A. For this, an ONO film C2 is formed instead of the BOX film. Since the ONO film C2 is an insulating film including a silicon oxide film and a silicon nitride film, similarly to the BOX film, the semiconductor substrate Sb and the silicon layer S1 are insulated and separated from the semiconductor substrate Sb in the SOI region 1A. It can be used to form the silicon layer S1.

なお、図2に示すように、SOI領域1Aにおいて隣り合うMOSFETQa同士は素子分離領域IRにより区切られており、ソース領域またはドレイン領域を共有してはいないが、バルクシリコン領域1Bにおいて隣り合うMONOSメモリQb同士の間に素子分離領域IRは形成されておらず、第1方向において隣り合うMONOSメモリQb同士は、互いのソース領域またはドレイン領域を共有している。なお、SOI領域1Aにおいて、第1方向に隣り合うMOSFETQa同士は、ソース・ドレイン領域を互いに共有していてもよい。   As shown in FIG. 2, adjacent MOSFETs Qa in SOI region 1A are separated by element isolation region IR and do not share a source region or a drain region, but adjacent MONOS memory in bulk silicon region 1B. The element isolation region IR is not formed between Qb, and the MONOS memories Qb adjacent in the first direction share each other's source region or drain region. In the SOI region 1A, the MOSFETs Qa adjacent in the first direction may share the source / drain region.

また、隣り合うゲート電極CG1間の拡散層9上にはコンタクトプラグCpが接続されておらず、第1方向に並ぶ複数のMONOSメモリQbの両端の拡散層9にのみコンタクトプラグCpが接続されている。このことは、図1のレイアウトにも示されている。図1に示す活性領域ARは、図2において素子分離領域IRから露出する半導体基板の上面、第1方向に並ぶ拡散層9およびエクステンション領域4を含む領域である。   Further, the contact plug Cp is not connected on the diffusion layer 9 between the adjacent gate electrodes CG1, and the contact plug Cp is connected only to the diffusion layers 9 at both ends of the plurality of MONOS memories Qb arranged in the first direction. Yes. This is also shown in the layout of FIG. The active region AR shown in FIG. 1 is a region including the upper surface of the semiconductor substrate exposed from the element isolation region IR, the diffusion layer 9 aligned in the first direction, and the extension region 4 in FIG.

本実施の形態では、バルクシリコン領域1BのMONOSメモリQbの電荷保持膜を含むONO膜C3を、SOI領域1AのONO膜C2と同層の膜としている。したがって、ONO膜C2上のシリコン層S1上に形成されたMOSFETQaに比べ、MONOSメモリQbは全体的に低い位置、すなわち半導体基板Sbに近い位置に形成されている。つまり、例えばエピタキシャル層Ep1の下面の高さは、エピタキシャル層Ep2の下面の高さよりも高い位置にある。また、エクステンション領域5の上面はエクステンション領域4の上面よりも高い位置にある。また、ゲート絶縁膜2の下面は、ONO膜C3の下面よりも高い位置にある。   In the present embodiment, the ONO film C3 including the charge holding film of the MONOS memory Qb in the bulk silicon region 1B is the same layer as the ONO film C2 in the SOI region 1A. Therefore, the MONOS memory Qb is formed at a lower position as a whole, that is, at a position closer to the semiconductor substrate Sb than the MOSFET Qa formed on the silicon layer S1 on the ONO film C2. That is, for example, the height of the lower surface of the epitaxial layer Ep1 is higher than the height of the lower surface of the epitaxial layer Ep2. Further, the upper surface of the extension region 5 is located higher than the upper surface of the extension region 4. The lower surface of the gate insulating film 2 is located higher than the lower surface of the ONO film C3.

上記のように、一つの半導体基板Sb上にSOI領域1Aおよびバルクシリコン領域1Bを設け、SOI領域1Aに、ロジック回路などを構成する、比較的低耐圧のMOSFETQaを形成し、バルクシリコン領域1Bに、不揮発性メモリであるMONOSメモリQbを形成することで、SOI基板上に形成するトランジスタと、不揮発性メモリ素子とを混載することができる。   As described above, the SOI region 1A and the bulk silicon region 1B are provided on one semiconductor substrate Sb, the relatively low breakdown voltage MOSFET Qa that constitutes a logic circuit or the like is formed in the SOI region 1A, and the bulk silicon region 1B is formed. By forming the MONOS memory Qb that is a non-volatile memory, a transistor formed on the SOI substrate and a non-volatile memory element can be mounted together.

したがって、例えばマイコンを動作させるプログラムを記憶する不揮発性メモリと、当該プログラムを実行するロジック回路を構成するトランジスタとを一つの基板(チップ)上に配置することができる。これにより、前記トランジスタを有するSOI基板と、前記不揮発性メモリを有するバルクシリコン基板とを、別々の半導体チップに形成することにより、半導体装置が大きくなることを防ぐことが可能となる。つまり、半導体装置の微細化が可能となるため、半導体装置の性能を向上させることができる。   Therefore, for example, a nonvolatile memory that stores a program for operating a microcomputer and a transistor that forms a logic circuit that executes the program can be arranged on one substrate (chip). Accordingly, it is possible to prevent the semiconductor device from becoming large by forming the SOI substrate having the transistor and the bulk silicon substrate having the nonvolatile memory in separate semiconductor chips. That is, since the semiconductor device can be miniaturized, the performance of the semiconductor device can be improved.

図2に示すように、拡散層9、10、ゲート電極G1およびCG1のそれぞれの上面にはシリサイド層15が形成されている。シリサイド層15は、例えば、主にNiSi(ニッケルシリサイド)からなる。また、ニッケルシリサイドに限らず、チタンシリサイド、コバルトシリサイドまたはプラチナシリサイドを用いても良い。シリサイド層15は、ゲート電極G1、CG1、拡散層9および10のシート抵抗を低減し、それらの上部のコンタクトプラグCpとの接触抵抗を低減している。 As shown in FIG. 2, silicide layers 15 are formed on the upper surfaces of the diffusion layers 9 and 10 and the gate electrodes G1 and CG1, respectively. For example, the silicide layer 15 is mainly made of NiSi 2 (nickel silicide). Further, not only nickel silicide but also titanium silicide, cobalt silicide, or platinum silicide may be used. The silicide layer 15 reduces the sheet resistance of the gate electrodes G1, CG1, and the diffusion layers 9 and 10, and reduces the contact resistance with the contact plug Cp above them.

シリサイド層15、サイドウォールSW、および素子分離領域IRのそれぞれの表面を覆うように、絶縁膜(エッチングストッパ膜)16が形成されており、絶縁膜16上には絶縁膜16よりも膜厚が厚い層間絶縁膜17が形成されている。絶縁膜16および層間絶縁膜17からなる積層膜には、シリサイド層15の上面を露出するコンタクトホール(接続孔)が前記積層膜の上面から下面に貫通して複数形成されている。前記複数のコンタクトホールのそれぞれの内側には、例えば主にW(タングステン)からなるコンタクトプラグCpが形成されている。コンタクトプラグCpは柱状の形状を有する接続部材である。   An insulating film (etching stopper film) 16 is formed so as to cover the surfaces of the silicide layer 15, the sidewall SW, and the element isolation region IR, and the film thickness is larger than that of the insulating film 16 on the insulating film 16. A thick interlayer insulating film 17 is formed. In the laminated film composed of the insulating film 16 and the interlayer insulating film 17, a plurality of contact holes (connection holes) exposing the upper surface of the silicide layer 15 are formed penetrating from the upper surface to the lower surface of the laminated film. A contact plug Cp mainly made of, for example, W (tungsten) is formed inside each of the plurality of contact holes. The contact plug Cp is a connection member having a columnar shape.

層間絶縁膜17上およびコンタクトプラグCp上には、コンタクトプラグCpと電気的に接続された金属膜のパターンである配線21が形成されている。配線21は、MOSFETQa、MONOSメモリQbのそれぞれのソース領域、ドレイン領域、ゲート電極G1およびCG1に所定の電位を供給するための金属配線であり、例えば主にCu(銅)を含んでいる。なお、図2ではゲート電極G1およびCG1に接続されたコンタクトプラグCpおよび配線21を図示していない。配線21は、層間絶縁膜17上に順に積層された絶縁膜(エッチングストッパ膜)19および層間絶縁膜20からなる積層膜を貫通する配線溝内に形成されているダマシン配線である。例えば、絶縁膜16、19は窒化シリコン膜からなり、層間絶縁膜17は酸化シリコン膜からなり、層間絶縁膜20はSiOCからなる。   On the interlayer insulating film 17 and the contact plug Cp, a wiring 21 that is a pattern of a metal film electrically connected to the contact plug Cp is formed. The wiring 21 is a metal wiring for supplying a predetermined potential to the source region, the drain region, and the gate electrodes G1 and CG1 of the MOSFET Qa and the MONOS memory Qb, and mainly includes, for example, Cu (copper). In FIG. 2, the contact plug Cp and the wiring 21 connected to the gate electrodes G1 and CG1 are not shown. The wiring 21 is a damascene wiring formed in a wiring trench that penetrates a laminated film composed of an insulating film (etching stopper film) 19 and an interlayer insulating film 20 that are sequentially laminated on the interlayer insulating film 17. For example, the insulating films 16 and 19 are made of a silicon nitride film, the interlayer insulating film 17 is made of a silicon oxide film, and the interlayer insulating film 20 is made of SiOC.

上述したように、本実施の形態の半導体装置を構成する半導体基板Sb上にはSOI領域1Aとバルクシリコン領域1Bとがあり、SOI領域1Aおよびバルクシリコン領域1Bには、それぞれの領域に適した半導体素子が形成されている。すなわち、SOI領域1Aには、特に速い速度での信号処理機能が求められる低耐圧のMOSFETQaを形成することで、SOI領域1Aの素子の集積密度の向上、消費電力の低減、または動作速度の向上などの効果を得ることができる。このような利点は、MOSFETQaに流れる電流値が小さいために得ることができるものである。   As described above, there are the SOI region 1A and the bulk silicon region 1B on the semiconductor substrate Sb constituting the semiconductor device of the present embodiment, and the SOI region 1A and the bulk silicon region 1B are suitable for the respective regions. A semiconductor element is formed. That is, in the SOI region 1A, a low-breakdown-voltage MOSFET Qa that requires a signal processing function at a particularly high speed is formed, thereby improving the integration density of elements in the SOI region 1A, reducing the power consumption, or improving the operation speed. Such effects can be obtained. Such an advantage can be obtained because the value of the current flowing through the MOSFET Qa is small.

また、SOI領域1Aに、BOX膜の代わりにONO膜C2を形成し、ONO膜C2と同層の膜であるONO膜C3をMONOSメモリQbの電荷保持膜とすることで、バルクシリコン領域1BにMONOSメモリQbを形成することができ、SOI基板上のMOSFETQaと不揮発性メモリであるMONOSメモリQbとを同一基板上に混載することができる。   Further, an ONO film C2 is formed in place of the BOX film in the SOI region 1A, and the ONO film C3, which is the same layer as the ONO film C2, is used as the charge holding film of the MONOS memory Qb, so that the bulk silicon region 1B is formed. The MONOS memory Qb can be formed, and the MOSFET Qa on the SOI substrate and the MONOS memory Qb which is a nonvolatile memory can be mixedly mounted on the same substrate.

次に、本実施の形態によるMOSFETおよびMONOSメモリの製造工程を、図3〜図13を参照して説明する。図3、図4、図6、図8、図10〜図13は、本実施の形態である半導体装置であって、SOI領域上およびバルクシリコン領域にnチャネル型MOSFETおよびMONOSメモリをそれぞれ有する半導体装置の製造工程中の断面図である。図5、図7、図9は、それぞれ図4、図6、図8に示す断面と直交する方向における断面図である。   Next, the manufacturing process of the MOSFET and the MONOS memory according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3, 4, 6, 8, and 10 to 13 are semiconductor devices according to the present embodiment, each having an n-channel MOSFET and a MONOS memory on the SOI region and in the bulk silicon region. It is sectional drawing in the manufacturing process of an apparatus. 5, FIG. 7, and FIG. 9 are cross-sectional views in directions orthogonal to the cross sections shown in FIG. 4, FIG. 6, and FIG.

まず、図3に示すように、上方にONO膜C1およびシリコン層(SOI層)S1が積層された半導体基板Sbを用意する。半導体基板SbはSi(シリコン)からなる支持基板であり、半導体基板Sb上のONO膜C1は例えば膜厚10〜20nmの積層体からなる絶縁膜である。ONO膜C1上のシリコン層S1は1〜10Ωcm程度の抵抗を有し、例えば膜厚10〜20nmの単結晶シリコンからなる。   First, as shown in FIG. 3, a semiconductor substrate Sb having an ONO film C1 and a silicon layer (SOI layer) S1 stacked thereon is prepared. The semiconductor substrate Sb is a support substrate made of Si (silicon), and the ONO film C1 on the semiconductor substrate Sb is an insulating film made of a laminated body having a thickness of 10 to 20 nm, for example. The silicon layer S1 on the ONO film C1 has a resistance of about 1 to 10 Ωcm, and is made of, for example, single crystal silicon having a thickness of 10 to 20 nm.

半導体基板Sb上にONO膜C1およびシリコン層S1を形成する際は、まず2枚のシリコンウエハ(半導体基板)を用意し、一方のシリコンウエハ(半導体基板Sb)の上面に第1酸化シリコン膜を形成した後、第1酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜を形成し、続いて前記窒化シリコン膜上に第2酸化シリコン膜を形成する。当該シリコンウエハ(半導体基板Sb)の上面に形成した第1酸化シリコン膜は、例えば熱酸化法を用いて形成し、窒化シリコン膜は例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成する。窒化シリコン膜上の第2酸化シリコン膜は、SiNを酸化させることで形成するか、またはCVD法などを用いて形成(堆積)する。また、もう一方のシリコンウエハの上面にも、例えば熱酸化法を用いて第3酸化シリコン膜を形成する。   When the ONO film C1 and the silicon layer S1 are formed on the semiconductor substrate Sb, first, two silicon wafers (semiconductor substrates) are prepared, and the first silicon oxide film is formed on the upper surface of one silicon wafer (semiconductor substrate Sb). After the formation, a silicon nitride film is formed on the first silicon oxide film, and then a second silicon oxide film is formed on the silicon nitride film. The first silicon oxide film formed on the upper surface of the silicon wafer (semiconductor substrate Sb) is formed using, for example, a thermal oxidation method, and the silicon nitride film is formed using, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The second silicon oxide film on the silicon nitride film is formed by oxidizing SiN, or is formed (deposited) using a CVD method or the like. A third silicon oxide film is also formed on the upper surface of the other silicon wafer by using, for example, a thermal oxidation method.

次に、2枚のシリコンウエハのそれぞれの上面同士を貼り合わせることで、1枚の基板を形成する。ここでは、一方のシリコンウエハの上面であって、第1酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および第2酸化シリコン膜が順に積層された面と、もう一方のシリコンウエハの上面であって、第3酸化シリコン膜が形成されている面とを、高熱および圧力を加えることで接着して貼り合わせる。これにより、半導体基板Sb上に、第1酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、第2酸化シリコン膜、第3酸化シリコン膜、およびシリコンウエハが積層された構造を形成することができる。   Next, the top surfaces of the two silicon wafers are bonded together to form a single substrate. Here, it is the upper surface of one silicon wafer, that is, the surface on which the first silicon oxide film, the silicon nitride film, and the second silicon oxide film are sequentially laminated, and the upper surface of the other silicon wafer, which is the third oxide film. The surface on which the silicon film is formed is bonded and bonded by applying high heat and pressure. Thus, a structure in which the first silicon oxide film, the silicon nitride film, the second silicon oxide film, the third silicon oxide film, and the silicon wafer are stacked on the semiconductor substrate Sb can be formed.

ここでいう第1酸化シリコン膜は図2に示す酸化シリコン膜Ox1であり、その膜厚は例えば5nmである。窒化シリコン膜は、図2に示す窒化シリコン膜SNであり、その膜厚は例えば5nmである。第2酸化シリコン膜および第3酸化シリコン膜は、図2に示す酸化シリコン膜Ox2であり、その2層の合計の膜厚は例えば10nmである。以下では、第2酸化シリコン膜および第3酸化シリコン膜は、1枚の酸化シリコン膜Ox2であるものとして説明する。図3に示すように、酸化シリコン膜Ox1、窒化シリコン膜SNおよび酸化シリコン膜Ox2は、ONO膜C1を構成している。   The first silicon oxide film here is the silicon oxide film Ox1 shown in FIG. 2, and the film thickness thereof is, for example, 5 nm. The silicon nitride film is the silicon nitride film SN shown in FIG. 2, and the film thickness is, for example, 5 nm. The second silicon oxide film and the third silicon oxide film are the silicon oxide film Ox2 shown in FIG. 2, and the total thickness of the two layers is, for example, 10 nm. In the following description, it is assumed that the second silicon oxide film and the third silicon oxide film are one silicon oxide film Ox2. As shown in FIG. 3, the silicon oxide film Ox1, the silicon nitride film SN, and the silicon oxide film Ox2 constitute an ONO film C1.

次に、酸化シリコン膜Ox2に接するシリコンウエハの裏面、つまり半導体基板Sbの上方において露出する前記シリコンウエハの表面であって、酸化シリコン膜Ox2と接している面の反対側の面を、例えばSmart Cut法を用いて剥離することで、前記シリコンウエハからなるシリコン層S1を形成する。シリコン層S1の膜厚は10〜20nm程度であり、ここでは例えば10〜15nmとする。以上の工程により、図3に示す構造を得る。図3では、一枚の基板の別々の領域を左右に分けて示している。また、ONO膜C1を構成する酸化シリコン膜Ox1、窒化シリコン膜SNおよび酸化シリコン膜Ox2の積層構造を拡大して示している。   Next, the back surface of the silicon wafer in contact with the silicon oxide film Ox2, that is, the surface of the silicon wafer exposed above the semiconductor substrate Sb and opposite to the surface in contact with the silicon oxide film Ox2, for example, Smart A silicon layer S1 made of the silicon wafer is formed by peeling using the Cut method. The film thickness of the silicon layer S1 is about 10 to 20 nm, and is 10 to 15 nm, for example. Through the above steps, the structure shown in FIG. 3 is obtained. In FIG. 3, the separate areas of one substrate are shown separately on the left and right. In addition, the stacked structure of the silicon oxide film Ox1, the silicon nitride film SN, and the silicon oxide film Ox2 constituting the ONO film C1 is shown in an enlarged manner.

次に、図4に示すように、周知のSTI(Shallow Trench Isolation)法を用いて、シリコン層S1およびONO膜C1を貫通し、半導体基板Sbの途中深さまで達する絶縁膜からなる素子分離領域IRを形成する。   Next, as shown in FIG. 4, by using a well-known STI (Shallow Trench Isolation) method, an element isolation region IR made of an insulating film that penetrates the silicon layer S1 and the ONO film C1 and reaches the intermediate depth of the semiconductor substrate Sb. Form.

つまり、フォトレジスト膜(図示しない)をエッチングマスクとしてシリコン層S1、ONO膜C1(図3参照)および半導体基板Sbを順次ドライエッチングすることにより、素子分離形成予定領域の半導体基板Sbに溝(素子分離用の溝)を形成した後、アッシング(灰化)を行うことで前記フォトレジスト膜を除去する。続いて、前記溝の内部(側壁および底部)を含む半導体基板Sbの主面上に、例えば2層の絶縁膜を積層することで、前記溝内を埋め込む。これらの積層絶縁膜の部材は例えば酸化シリコン膜であり、CVD法などにより形成(堆積)する。   That is, by sequentially dry-etching the silicon layer S1, ONO film C1 (see FIG. 3) and the semiconductor substrate Sb using a photoresist film (not shown) as an etching mask, a groove (element) is formed in the semiconductor substrate Sb in the element isolation formation scheduled region. After the separation grooves are formed, the photoresist film is removed by ashing. Subsequently, for example, a two-layer insulating film is stacked on the main surface of the semiconductor substrate Sb including the inside (side wall and bottom) of the groove, thereby filling the inside of the groove. These members of the laminated insulating film are, for example, silicon oxide films and are formed (deposited) by a CVD method or the like.

その後、前記積層絶縁膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法により研磨してシリコン層S1の上面を露出させることにより、前記積層絶縁膜からなる素子分離領域(素子分離)IRを形成する。これにより、ONO膜C1を、ONO膜C2およびONO膜C3に分離する。   Thereafter, the laminated insulating film is polished by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method to expose the upper surface of the silicon layer S1, thereby forming an element isolation region (element isolation) IR made of the laminated insulating film. Form. Thereby, the ONO film C1 is separated into the ONO film C2 and the ONO film C3.

なお、ここでは図4に示すように、前記積層絶縁膜からなる素子分離領域IRを一層の膜として示す。また、本実施の形態では、素子分離領域IRは、STI法により形成されるものとして説明したが、LOCOS(Local Oxidization of Silicon)法により形成しても構わない。   Here, as shown in FIG. 4, the element isolation region IR made of the laminated insulating film is shown as a single layer film. In the present embodiment, the element isolation region IR has been described as being formed by the STI method, but may be formed by a LOCOS (Local Oxidization of Silicon) method.

なお、図示はしていないが、素子分離領域IRを形成した後、半導体基板Sbにp型の不純物(例えばB(ホウ素))をイオン注入法により打ち込む。この不純物注入は、半導体基板Sbにp型ウェルを形成し、さらにシリコン層S1上に形成するMOSFETQaのしきい値、または半導体基板Sb上に形成するMONOSメモリQbのしきい値を調整することなどを目的とするものである。   Although not shown, after forming the element isolation region IR, a p-type impurity (for example, B (boron)) is implanted into the semiconductor substrate Sb by an ion implantation method. This impurity implantation forms a p-type well in the semiconductor substrate Sb and further adjusts the threshold value of the MOSFET Qa formed on the silicon layer S1 or the threshold value of the MONOS memory Qb formed on the semiconductor substrate Sb. It is intended.

ここで、素子分離領域IRを形成した時点であって、図4に示す断面図と直交する方向である第2方向の半導体基板Sbの断面を図5に示す。図5は、図1のB−B線における断面と同位置における断面図である。図5では、図を分かりやすくするため、素子分離領域IRなどの、第2方向に並んで形成されている数を、一部省略して示している。図5に示すように、半導体基板Sbの上面には複数の素子分離領域IRが並んで形成されており、隣り合う素子分離領域IR同士の間の半導体基板Sb上には、ONO膜C3を介してシリコン層S1が形成されている。   Here, FIG. 5 shows a cross section of the semiconductor substrate Sb in the second direction, which is a point in time when the element isolation region IR is formed and is perpendicular to the cross sectional view shown in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view at the same position as the cross section taken along line BB in FIG. In FIG. 5, in order to make the drawing easier to understand, the numbers formed in the second direction such as the element isolation region IR are partially omitted. As shown in FIG. 5, a plurality of element isolation regions IR are formed side by side on the upper surface of the semiconductor substrate Sb, and an ONO film C3 is interposed on the semiconductor substrate Sb between adjacent element isolation regions IR. Thus, a silicon layer S1 is formed.

次に、図6に示すように、素子分離領域IRにより規定された一部のシリコン層S1の上面を覆うフォトレジスト膜(図示しない)を形成する。ここでは、ONO膜C2上のシリコン層S1を覆い、ONO膜C3上のシリコン層S1は前記フォトレジスト膜から露出させる。続いて、前記フォトレジスト膜をマスクとして、例えばウェットエッチング法を用い、前記フォトレジスト膜から露出しているシリコン層S1を除去し、ONO膜C3の上面を露出させる。その後、前記フォトレジスト膜を除去する。これにより、前記フォトレジスト膜に覆われていた領域の半導体基板Sb上には、ONO膜C2およびシリコン層S1からなる積層膜が残る。   Next, as shown in FIG. 6, a photoresist film (not shown) that covers the upper surface of a part of the silicon layer S1 defined by the element isolation region IR is formed. Here, the silicon layer S1 on the ONO film C2 is covered, and the silicon layer S1 on the ONO film C3 is exposed from the photoresist film. Subsequently, using the photoresist film as a mask, the silicon layer S1 exposed from the photoresist film is removed using, for example, a wet etching method, and the upper surface of the ONO film C3 is exposed. Thereafter, the photoresist film is removed. As a result, a laminated film composed of the ONO film C2 and the silicon layer S1 remains on the semiconductor substrate Sb in the region covered with the photoresist film.

このとき、図7に示すように、第2方向に沿う断面においても、ONO膜C3上のシリコン層S1が除去されることで、ONO膜C3の上面が露出する。   At this time, as shown in FIG. 7, even in the cross section along the second direction, the upper surface of the ONO film C3 is exposed by removing the silicon layer S1 on the ONO film C3.

次に、図8に示すように、半導体基板上にゲート電極G1、CG1およびゲート絶縁膜2を形成し、ONO膜を加工することで半導体基板Sbの上面を一部露出させる。ここでは、ONO膜C2およびシリコン層S1が形成されているSOI構造を有する領域をSOI領域1Aと呼ぶ。図8では、SOI領域1Aを図の左側に示している。また、素子分離領域IRに挟まれた活性領域において、半導体基板Sbの上面、すなわちバルクシリコンがONO膜C3から露出し、シリコン層S1が形成されていない領域を、バルクシリコン領域1Bと呼ぶ。図8では、バルクシリコン領域1Bを図の右側に示している。   Next, as shown in FIG. 8, gate electrodes G1 and CG1 and a gate insulating film 2 are formed on the semiconductor substrate, and the ONO film is processed to partially expose the upper surface of the semiconductor substrate Sb. Here, a region having an SOI structure in which the ONO film C2 and the silicon layer S1 are formed is referred to as an SOI region 1A. In FIG. 8, the SOI region 1A is shown on the left side of the figure. In the active region sandwiched between the element isolation regions IR, the upper surface of the semiconductor substrate Sb, that is, a region where the bulk silicon is exposed from the ONO film C3 and the silicon layer S1 is not formed is referred to as a bulk silicon region 1B. In FIG. 8, the bulk silicon region 1B is shown on the right side of the figure.

半導体基板上にゲート電極G1、CG1およびゲート絶縁膜2を形成し、ONO膜を加工する際は、まず、SOI領域1Aのシリコン層S1上に、熱酸化法などを用いて、酸化シリコン膜からなる絶縁膜を形成する。その後、SOI領域1Aの前記絶縁膜上およびバルクシリコン領域1BのONO膜C3上に、CVD法などを用いてポリシリコン膜を形成(堆積)する。   When the gate electrodes G1 and CG1 and the gate insulating film 2 are formed on the semiconductor substrate and the ONO film is processed, first, a silicon oxide film is formed on the silicon layer S1 in the SOI region 1A by using a thermal oxidation method or the like. An insulating film is formed. Thereafter, a polysilicon film is formed (deposited) on the insulating film in the SOI region 1A and on the ONO film C3 in the bulk silicon region 1B by using a CVD method or the like.

続いて、前記ポリシリコン膜、前記絶縁膜、およびONO膜C3をフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法を用いてパターニングした後、エッチング残渣などを除去するための洗浄を行う。これにより、SOI領域1Aのシリコン層S1上に、前記絶縁膜からなるゲート絶縁膜2を介して、前記ポリシリコン膜からなるゲート電極G1を形成する。また、上記のように前記ポリシリコン膜およびONO膜C3をパターニングすることで半導体基板Sbの上面が露出し、バルクシリコン領域1Bの半導体基板Sb上には、ONO膜C3を介して、前記ポリシリコン膜からなるゲート電極CG1が形成される。   Subsequently, after patterning the polysilicon film, the insulating film, and the ONO film C3 using a photolithography technique and a dry etching method, cleaning is performed to remove etching residues and the like. Thus, the gate electrode G1 made of the polysilicon film is formed on the silicon layer S1 in the SOI region 1A via the gate insulating film 2 made of the insulating film. Further, the upper surface of the semiconductor substrate Sb is exposed by patterning the polysilicon film and the ONO film C3 as described above, and the polysilicon film is disposed on the semiconductor substrate Sb in the bulk silicon region 1B via the ONO film C3. A gate electrode CG1 made of a film is formed.

例えば、ゲート絶縁膜2の膜厚は2〜3nm程度であり、ONO膜C3の膜厚は10〜20nm程度である。ゲート電極G1、CG1の膜厚は、それぞれ例えば100〜140nm程度である。   For example, the thickness of the gate insulating film 2 is about 2 to 3 nm, and the thickness of the ONO film C3 is about 10 to 20 nm. The film thicknesses of the gate electrodes G1 and CG1 are, for example, about 100 to 140 nm.

なお、ゲート電極G1、CG1を構成するポリシリコン膜は、P(リン)またはAs(ヒ素)などのn型の不純物をイオン注入することなどにより、低抵抗のn型半導体膜(ドープトポリシリコン膜)とされている。また、前記ポリシリコン膜は、成膜時にはアモルファスシリコン膜であったものを、成膜後(イオン注入後)の熱処理により多結晶シリコン膜に変えることもできる。   Note that the polysilicon film constituting the gate electrodes G1 and CG1 is a low-resistance n-type semiconductor film (doped polysilicon) by ion implantation of an n-type impurity such as P (phosphorus) or As (arsenic). Film). The polysilicon film, which was an amorphous silicon film at the time of film formation, can be changed to a polycrystalline silicon film by heat treatment after film formation (after ion implantation).

また、図8に示す構造の、バルクシリコン領域1Bの第2方向における断面図である図9に示すように、ONO膜C3上および素子分離領域IR上には、第2方向(図9の横方向)に延在するパターンであるゲート電極CG1が形成されている。このように第2方向に延在するゲート電極CG1のパターンは、図1に示すゲート電極CG1のパターンに対応するものである。   Further, as shown in FIG. 9 which is a cross-sectional view of the structure shown in FIG. 8 in the second direction of the bulk silicon region 1B, the second direction (horizontal of FIG. 9) is formed on the ONO film C3 and the element isolation region IR. A gate electrode CG1 having a pattern extending in the direction) is formed. Thus, the pattern of the gate electrode CG1 extending in the second direction corresponds to the pattern of the gate electrode CG1 shown in FIG.

次に、図10に示すように、SOI領域1Aのシリコン層S1の上面にP(リン)またはAs(ヒ素)などのn型の不純物をイオン注入することにより、ゲート電極G1の直下の一部を除くシリコン層S1に、n型の半導体領域である一対のエクステンション領域5を形成する。すなわち、SOI領域1Aでは、ゲート電極G1の両側の領域のシリコン層S1に、一対のエクステンション領域5を形成する。 Next, as shown in FIG. 10, n-type impurities such as P (phosphorus) or As (arsenic) are ion-implanted into the upper surface of the silicon layer S1 in the SOI region 1A, so that a part immediately below the gate electrode G1. A pair of extension regions 5 which are n type semiconductor regions are formed in the silicon layer S1 excluding. That is, in the SOI region 1A, a pair of extension regions 5 are formed in the silicon layer S1 on both sides of the gate electrode G1.

同様に、バルクシリコン領域1Bの半導体基板Sbの上面にP(リン)またはAs(ヒ素)などのn型の不純物をイオン注入することにより、ゲート電極CG1のゲート長方向(第1方向)における横の半導体基板Sbの上面に、n型の半導体領域である一対のエクステンション領域4を形成する。すなわち、バルクシリコン領域1Bでは、ゲート電極CG1の両側の領域の半導体基板Sbの上面に、一対のエクステンション領域4を形成する。 Similarly, an n-type impurity such as P (phosphorus) or As (arsenic) is ion-implanted into the upper surface of the semiconductor substrate Sb in the bulk silicon region 1B, thereby laterally extending the gate electrode CG1 in the gate length direction (first direction). A pair of extension regions 4 which are n type semiconductor regions are formed on the upper surface of the semiconductor substrate Sb. That is, in the bulk silicon region 1B, a pair of extension regions 4 are formed on the upper surface of the semiconductor substrate Sb in the regions on both sides of the gate electrode CG1.

なお、上述したエクステンション領域4、5の製造工程のそれぞれは、どちらを先に行ってもよい。また、エクステンション領域4、5のそれぞれは同一のイオン注入工程により形成してもよく、SOI領域1Aとバルクシリコン領域1Bとで別々の工程により形成しても構わない。エクステンション領域4、5のそれぞれを別工程で形成する場合は、一方のエクステンション領域を形成する際に、例えばフォトレジスト膜をマスクとして用い、他方のエクステンション領域を形成する領域に不純物イオンが導入されないようにする。   Note that either of the manufacturing processes of the extension regions 4 and 5 described above may be performed first. Each of the extension regions 4 and 5 may be formed by the same ion implantation process, or may be formed by separate processes in the SOI region 1A and the bulk silicon region 1B. When each of the extension regions 4 and 5 is formed in a separate process, when forming one extension region, for example, a photoresist film is used as a mask so that impurity ions are not introduced into the region in which the other extension region is formed. To.

その後、ゲート電極G1およびゲート絶縁膜2からなる積層体の側壁にサイドウォールSWを形成し、ゲート電極CG1およびONO膜C3からなる積層体の側壁にサイドウォールSWを形成する。サイドウォールSWは、例えばCVD法を用いて、半導体基板Sb上の全面に窒化シリコン膜および酸化シリコン膜を順に積層した後、ドライエッチング法などを用いて前記窒化シリコン膜および前記酸化シリコン膜を一部除去して、シリコン層S1および半導体基板Sbのそれぞれの上面を露出することで形成することができる。つまり、サイドウォールSWは例えば前記酸化シリコン膜と前記窒化シリコン膜との積層膜により構成される。   Thereafter, the sidewall SW is formed on the side wall of the stacked body including the gate electrode G1 and the gate insulating film 2, and the sidewall SW is formed on the side wall of the stacked body including the gate electrode CG1 and the ONO film C3. For example, the sidewall SW is formed by sequentially depositing a silicon nitride film and a silicon oxide film on the entire surface of the semiconductor substrate Sb by using the CVD method, and then combining the silicon nitride film and the silicon oxide film by using a dry etching method or the like. It can be formed by removing the part and exposing the upper surfaces of the silicon layer S1 and the semiconductor substrate Sb. That is, the sidewall SW is constituted by, for example, a laminated film of the silicon oxide film and the silicon nitride film.

次に、図11に示すように、エピタキシャル成長法を用いて、露出しているシリコン層S1の上面上、および露出している半導体基板Sbの上面上にエピタキシャル層Ep1、Ep2をそれぞれ形成する。このとき、ゲート電極G1およびCG1の上面上にエピタキシャル層を形成させない方法としては、ゲート電極G1、CG1のそれぞれの上面を、窒化シリコン膜などにより覆うことが考えられる。   Next, as shown in FIG. 11, epitaxial layers Ep1 and Ep2 are formed on the exposed upper surface of the silicon layer S1 and the exposed upper surface of the semiconductor substrate Sb, respectively, using an epitaxial growth method. At this time, as a method of not forming the epitaxial layer on the upper surfaces of the gate electrodes G1 and CG1, it is conceivable to cover the upper surfaces of the gate electrodes G1 and CG1 with a silicon nitride film or the like.

前記窒化シリコン膜を用いる場合は、例えば図8を用いて説明した工程において、ポリシリコン膜上に窒化シリコン膜を形成した後、フォトレジスト膜を用いて前記窒化シリコン膜をパターニングし、続いて前記窒化シリコン膜をマスクとしてゲート電極G1、CG1、ゲート絶縁膜2およびONO膜C3を加工することが考えられる。この場合、エピタキシャル層Ep1、Ep2を形成した後に前記窒化シリコン膜を除去する。   In the case of using the silicon nitride film, for example, in the process described with reference to FIG. 8, after forming the silicon nitride film on the polysilicon film, the silicon nitride film is patterned using a photoresist film, and then the silicon nitride film is patterned. It is conceivable to process the gate electrodes G1, CG1, the gate insulating film 2, and the ONO film C3 using the silicon nitride film as a mask. In this case, the silicon nitride film is removed after the epitaxial layers Ep1 and Ep2 are formed.

続いて、SOI領域1Aにおいて、ゲート電極G1およびサイドウォールSWをマスクとして、シリコン層S1の上方からn型の不純物(例えばAs(ヒ素))を比較的高い濃度でイオン注入する。SOI領域1Aでは、ゲート電極G1、サイドウォールSWから露出しているエピタキシャル層Ep1内にn型の不純物(例えばAs(ヒ素))が打ち込まれることで、拡散層10が形成される。これにより、SOI領域1Aには、シリコン層S1をチャネル領域とし、ゲート電極G1、エクステンション領域5および拡散層10を含むnチャネル型のMOSFETQaが形成される。拡散層10およびエクステンション領域5は、SOI領域1AのMOSFETQaのソース・ドレイン領域を構成する半導体領域である。   Subsequently, in the SOI region 1A, n-type impurities (for example, As (arsenic)) are ion-implanted from above the silicon layer S1 at a relatively high concentration using the gate electrode G1 and the sidewall SW as a mask. In the SOI region 1A, an n-type impurity (for example, As (arsenic)) is implanted into the epitaxial layer Ep1 exposed from the gate electrode G1 and the sidewall SW, whereby the diffusion layer 10 is formed. Thus, in the SOI region 1A, an n-channel MOSFET Qa including the gate electrode G1, the extension region 5, and the diffusion layer 10 with the silicon layer S1 as a channel region is formed. The diffusion layer 10 and the extension region 5 are semiconductor regions constituting the source / drain regions of the MOSFET Qa in the SOI region 1A.

また、バルクシリコン領域1Bにおいて、ゲート電極CG1およびサイドウォールSWをマスクとして、半導体基板Sbの上方からn型の不純物(例えばAs(ヒ素))を比較的高い濃度でイオン注入する。バルクシリコン領域1Bでは、ゲート電極CG1およびサイドウォールSWから露出しているエピタキシャル層Ep2にn型の不純物(例えばAs(ヒ素))が打ち込まれることで、拡散層9が形成される。これにより、バルクシリコン領域1Bには、半導体基板Sbの主面をチャネル領域とし、ゲート電極CG1、ONO膜C3、エクステンション領域4および拡散層9を含むnチャネル型のMONOSメモリQbが形成される。拡散層9およびエクステンション領域4は、バルクシリコン領域1BのMONOSメモリQbのソース・ドレイン領域を構成する半導体領域である。   In the bulk silicon region 1B, n-type impurities (for example, As (arsenic)) are ion-implanted at a relatively high concentration from above the semiconductor substrate Sb using the gate electrode CG1 and the sidewall SW as a mask. In the bulk silicon region 1B, the diffusion layer 9 is formed by implanting n-type impurities (for example, As (arsenic)) into the epitaxial layer Ep2 exposed from the gate electrode CG1 and the sidewall SW. Thus, an n-channel MONOS memory Qb including the gate electrode CG1, the ONO film C3, the extension region 4 and the diffusion layer 9 is formed in the bulk silicon region 1B with the main surface of the semiconductor substrate Sb as a channel region. The diffusion layer 9 and the extension region 4 are semiconductor regions constituting source / drain regions of the MONOS memory Qb in the bulk silicon region 1B.

なお、拡散層9、10を形成するためのイオン注入では、不純物イオンが打ち込まれた領域の半導体層がダメージを受けてアモルファス化するため、これを再結晶化する目的で、前記イオン注入の後に1000℃程度のアニール(熱処理)を行う。   In the ion implantation for forming the diffusion layers 9 and 10, since the semiconductor layer in the region where the impurity ions are implanted is damaged and becomes amorphous, the ion implantation is performed after the ion implantation for the purpose of recrystallization. Annealing (heat treatment) at about 1000 ° C. is performed.

MOSFETQaおよびMONOSメモリQbのそれぞれのソース・ドレイン領域は、不純物が高濃度で導入された拡散層と、低濃度の不純物を含むエクステンション領域とを有するLDD(Lightly Doped Drain)構造を有している。つまり、拡散層9、10の不純物濃度は、エクステンション領域4、5の不純物濃度よりも高い。   Each of the source / drain regions of the MOSFET Qa and the MONOS memory Qb has an LDD (Lightly Doped Drain) structure having a diffusion layer into which impurities are introduced at a high concentration and an extension region containing impurities at a low concentration. That is, the impurity concentration of the diffusion layers 9 and 10 is higher than the impurity concentration of the extension regions 4 and 5.

次に、図12に示すように、周知のサリサイド技術を用いて、ゲート電極G1、CG1、拡散層9および10のそれぞれの上面に、シリサイド層15を形成した後、MOSFETQaおよびMONOSメモリQbを、絶縁膜(エッチングストッパ膜)16により覆う。絶縁膜16は例えば窒化シリコン膜からなり、CVD法などを用いて、半導体基板Sb上の全面に形成する。   Next, as shown in FIG. 12, a silicide layer 15 is formed on the upper surfaces of the gate electrodes G1, CG1, and the diffusion layers 9 and 10 using a known salicide technique, and then the MOSFET Qa and the MONOS memory Qb are Cover with an insulating film (etching stopper film) 16. The insulating film 16 is made of, for example, a silicon nitride film, and is formed on the entire surface of the semiconductor substrate Sb by using a CVD method or the like.

次に、図13に示すように、絶縁膜16上に、層間絶縁膜17を形成する。層間絶縁膜17は例えば酸化シリコン膜からなり、CVD法などを用いて、半導体基板Sb上の全面に形成する。その後、層間絶縁膜17および絶縁膜16を貫通し、シリサイド層15に接続された複数のコンタクトプラグCpを形成する。コンタクトプラグCpは、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法を用いて形成したコンタクトホールを、例えばタングステン(W)膜により埋め込んだ後、CMP法を用いて層間絶縁膜17上の前記タングステン膜を除去することで、コンタクトホール内にタングステン膜を埋め込んで形成する。   Next, as shown in FIG. 13, an interlayer insulating film 17 is formed on the insulating film 16. The interlayer insulating film 17 is made of, for example, a silicon oxide film, and is formed on the entire surface of the semiconductor substrate Sb by using a CVD method or the like. Thereafter, a plurality of contact plugs Cp penetrating through the interlayer insulating film 17 and the insulating film 16 and connected to the silicide layer 15 are formed. For the contact plug Cp, a contact hole formed using a photolithography technique and a dry etching method is filled with, for example, a tungsten (W) film, and then the tungsten film on the interlayer insulating film 17 is removed using a CMP method. Thus, a tungsten film is buried in the contact hole.

続いて、層間絶縁膜17上に順に絶縁膜(エッチングストッパ膜)19および層間絶縁膜20を順次形成し、絶縁膜19および層間絶縁膜20を貫通する配線溝内に、コンタクトプラグCpの上面に接続された配線21を形成することで、図13に示す本実施の形態の半導体装置が完成する。絶縁膜19は例えば窒化シリコン膜からなり、層間絶縁膜20は例えばSiOCからなる。絶縁膜19および層間絶縁膜20は例えばCVD法により形成することができる。なお、この時点で、ゲート電極CG1は図9に示す構造と同様に、複数の素子分離領域IR上および複数のONO膜C3上を覆うように、第2方向に延在する形状を有している。   Subsequently, an insulating film (etching stopper film) 19 and an interlayer insulating film 20 are sequentially formed on the interlayer insulating film 17, and are formed on the upper surface of the contact plug Cp in a wiring groove that penetrates the insulating film 19 and the interlayer insulating film 20. By forming the connected wiring 21, the semiconductor device of this embodiment shown in FIG. 13 is completed. The insulating film 19 is made of, for example, a silicon nitride film, and the interlayer insulating film 20 is made of, for example, SiOC. The insulating film 19 and the interlayer insulating film 20 can be formed by, for example, a CVD method. At this point, the gate electrode CG1 has a shape extending in the second direction so as to cover the plurality of element isolation regions IR and the plurality of ONO films C3, similarly to the structure shown in FIG. Yes.

配線21は、例えば銅(Cu)を主に含む金属配線であり、コンタクトプラグCpを介してMOSFETQaのソース・ドレイン領域およびゲート電極G1、ならびにMONOSメモリQbのソース・ドレイン領域およびゲート電極CG1に特定の電位を供給するために設けられている。なお、図13ではゲート電極G1、CG1に接続されているコンタクトプラグCpおよび配線21は図示していない。また、MONOSメモリQbの一部のソース・ドレイン領域にはコンタクトプラグCpは接続されておらず、第1方向に複数並ぶソース・ドレイン領域のうち、両端のソース・ドレイン領域にのみコンタクトプラグCpを接続している。   The wiring 21 is a metal wiring mainly including, for example, copper (Cu), and is specified to the source / drain region and the gate electrode G1 of the MOSFET Qa and the source / drain region and the gate electrode CG1 of the MONOS memory Qb via the contact plug Cp. Is provided to supply a potential of. In FIG. 13, the contact plug Cp and the wiring 21 connected to the gate electrodes G1 and CG1 are not shown. Further, the contact plug Cp is not connected to a part of the source / drain region of the MONOS memory Qb, and the contact plug Cp is provided only in the source / drain region at both ends of the plurality of source / drain regions arranged in the first direction. Connected.

以下では、本実施の形態の半導体装置の製造方法の効果について説明する。   Below, the effect of the manufacturing method of the semiconductor device of this Embodiment is demonstrated.

SOI領域およびバルクシリコン領域を有する半導体基板において、SOI領域にMOSFETを形成し、バルクシリコン領域にMONOSメモリを形成する場合、SOI領域では半導体基板上にBOX酸化膜を介して形成したシリコン層上に素子を形成し、バルクシリコン領域では、前記BOX膜に覆われていない半導体基板上に、ONO膜を含むメモリ素子を形成することが考えられる。この場合、半導体基板上にBOX膜およびシリコン層を有するSOI基板を形成した後、バルクシリコン領域のBOX膜およびシリコン層を除去し、続いて半導体基板上にONO膜を形成してから、SOI領域のONO膜を除去する工程を行うことが考えられる。   In a semiconductor substrate having an SOI region and a bulk silicon region, when a MOSFET is formed in the SOI region and a MONOS memory is formed in the bulk silicon region, the SOI region is formed on a silicon layer formed on the semiconductor substrate via a BOX oxide film. It is conceivable to form an element and form a memory element including an ONO film on a semiconductor substrate not covered with the BOX film in the bulk silicon region. In this case, after forming the SOI substrate having the BOX film and the silicon layer on the semiconductor substrate, the BOX film and the silicon layer in the bulk silicon region are removed, and then the ONO film is formed on the semiconductor substrate, and then the SOI region is formed. It is conceivable to perform a step of removing the ONO film.

上記のような工程を用いると、ONO膜およびBOX膜の両方を成膜する工程が必要になり、ゲート電極を形成する前にONO膜をSOI領域から除去する工程が必要となるため、半導体装置の製造工程が煩雑になり、製造コストが増大する問題がある。このように、成膜工程および加工工程が増える問題は、仮に、バルクシリコン領域を形成せず、半導体基板の上面が全てBOX膜およびシリコン層に覆われたSOI基板上に、MOSFETとMONOSメモリを形成した場合にも生じる。   When the above process is used, a process for forming both the ONO film and the BOX film is required, and a process for removing the ONO film from the SOI region before forming the gate electrode is required. There is a problem that the manufacturing process becomes complicated and the manufacturing cost increases. As described above, the problem that the film forming process and the processing process increase is that the bulk silicon region is not formed, and the MOSFET and the MONOS memory are formed on the SOI substrate in which the upper surface of the semiconductor substrate is entirely covered with the BOX film and the silicon layer. It also occurs when formed.

そこで、本実施の形態では、図3〜図13を用いて説明したように、SOI領域1Aのシリコン層S1と半導体基板Sbとの間に、BOX膜を形成する代わりにONO膜C2を形成し、ONO膜C2と同層の膜であるBOX膜C3を、バルクシリコン領域1BのMONOSメモリQbの電荷保持膜として利用している。したがって、BOX膜を形成する工程、バルクシリコン領域1BのBOX膜を除去する工程、およびSOI領域1AのONO膜を除去する工程を省略することができる。このため、半導体装置の製造工程を簡略化し、半導体装置の製造コストを低減することができる。   Therefore, in this embodiment, as described with reference to FIGS. 3 to 13, instead of forming a BOX film, an ONO film C2 is formed between the silicon layer S1 and the semiconductor substrate Sb in the SOI region 1A. The BOX film C3, which is the same layer as the ONO film C2, is used as the charge holding film of the MONOS memory Qb in the bulk silicon region 1B. Therefore, the step of forming the BOX film, the step of removing the BOX film in the bulk silicon region 1B, and the step of removing the ONO film in the SOI region 1A can be omitted. For this reason, the manufacturing process of a semiconductor device can be simplified and the manufacturing cost of a semiconductor device can be reduced.

また、不揮発性メモリと、SOI領域に設けるトランジスタとを一つの基板(チップ)上に配置することができるため、半導体装置の微細化が可能となり、半導体装置の性能を向上させることができる。   Further, since the nonvolatile memory and the transistor provided in the SOI region can be provided over one substrate (chip), the semiconductor device can be miniaturized and the performance of the semiconductor device can be improved.

(実施の形態2)
本実施の形態では、前記実施の形態1と異なり、バルクシリコン領域の不揮発性メモリとして、MONOSメモリではなくフローティングゲートメモリを有する半導体装置について説明する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, unlike the first embodiment, a semiconductor device having a floating gate memory instead of a MONOS memory as a nonvolatile memory in a bulk silicon region will be described.

まず、本実施の形態による半導体装置を図14および図15に示す。図14には、図1と同様に、本実施の形態の半導体装置の平面レイアウトを示しており、図15には、図14のC−C線における断面図を含む、本実施の形態の半導体装置の断面図を示している。   First, the semiconductor device according to the present embodiment is shown in FIGS. 14 shows a planar layout of the semiconductor device of this embodiment, as in FIG. 1. FIG. 15 shows the semiconductor of this embodiment including a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. Figure 2 shows a cross-sectional view of the device.

図14に示すように、本実施の形態の半導体装置の平面レイアウトは、図1と同様の構造を有している。ここでは、第1方向に延在する複数の活性領域ARと、第2方向に延在する複数のコントロールゲート電極CG2とが交差し、各交点にフローティングゲートメモリが形成されている。つまり、本実施の形態の半導体装置は、平面視においてマトリクス状に配置された複数のフローティングゲートメモリを有しており、ここでは、複数の活性領域ARはビット線として機能し、複数のコントロールゲート電極CG2はワード線として機能する。   As shown in FIG. 14, the planar layout of the semiconductor device of the present embodiment has the same structure as that of FIG. Here, a plurality of active regions AR extending in the first direction and a plurality of control gate electrodes CG2 extending in the second direction intersect, and a floating gate memory is formed at each intersection. In other words, the semiconductor device of the present embodiment has a plurality of floating gate memories arranged in a matrix in a plan view. Here, the plurality of active regions AR function as bit lines and a plurality of control gates. The electrode CG2 functions as a word line.

図15は、図2と同様に、図の左側にSOI領域1Aを示し、図の右側にバルクシリコン領域1Bを示している。図15のバルクシリコン領域1Bは、図14のC−C線における断面図である。SOI領域1Aにおいて、シリコン層S1上に形成されたMOSFETQaの構造は前記実施の形態1と同様だが、シリコン層S1の下部にはONO膜C2は形成されておらず、一層の酸化シリコン膜であるBOX膜(絶縁膜)Ox3が形成されている。なお、BOX膜Ox3は複数の酸化シリコン膜が積層された構造を有していてもよいが、ここでは一層の膜であるものとして説明する。   As in FIG. 2, FIG. 15 shows the SOI region 1A on the left side of the drawing and the bulk silicon region 1B on the right side of the drawing. A bulk silicon region 1B in FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. In the SOI region 1A, the structure of the MOSFET Qa formed on the silicon layer S1 is the same as that of the first embodiment, but the ONO film C2 is not formed below the silicon layer S1, and is a single silicon oxide film. A BOX film (insulating film) Ox3 is formed. Note that the BOX film Ox3 may have a structure in which a plurality of silicon oxide films are stacked, but here, it is assumed that it is a single layer film.

また、図15に示すように、バルクシリコン領域1Bには、フローティングゲートメモリQcが第1方向に並んで複数形成さている。本実施の形態の半導体装置のバルクシリコン領域1Bの半導体基板Sb上には、MONOSメモリではなく、フローティングゲートメモリQcが形成されている。   Further, as shown in FIG. 15, a plurality of floating gate memories Qc are formed side by side in the first direction in the bulk silicon region 1B. On the semiconductor substrate Sb in the bulk silicon region 1B of the semiconductor device of the present embodiment, a floating gate memory Qc is formed instead of the MONOS memory.

バルクシリコン領域1Bにおいて、図2では、半導体基板Sb上にONO膜C3を介してゲート電極CG1が形成されていたのに対し、図15では、半導体基板Sb上に絶縁膜(ゲート絶縁膜)Ox4、フローティングゲート電極FG、ONO膜C4およびコントロールゲート電極CG2が順に形成されている。つまり、図15に示すフローティングゲートメモリQcは、半導体基板Sb上に順に形成された絶縁膜Ox4、フローティングゲート電極FG、ONO膜C4およびコントロールゲート電極CG2を有し、半導体基板Sbの上面に形成されたエクステンション領域4と、半導体基板Sb上のエピタキシャル層Ep2内に形成された拡散層9とからなるソース・ドレイン領域を有している。このように、フローティングゲートメモリQcはnチャネル型の電界効果トランジスタを構成している。   In the bulk silicon region 1B, the gate electrode CG1 is formed on the semiconductor substrate Sb via the ONO film C3 in FIG. 2, whereas in FIG. 15, the insulating film (gate insulating film) Ox4 is formed on the semiconductor substrate Sb. The floating gate electrode FG, the ONO film C4, and the control gate electrode CG2 are sequentially formed. That is, the floating gate memory Qc shown in FIG. 15 has the insulating film Ox4, the floating gate electrode FG, the ONO film C4, and the control gate electrode CG2 formed in order on the semiconductor substrate Sb, and is formed on the upper surface of the semiconductor substrate Sb. The source / drain region includes the extension region 4 and the diffusion layer 9 formed in the epitaxial layer Ep2 on the semiconductor substrate Sb. Thus, the floating gate memory Qc forms an n-channel field effect transistor.

絶縁膜Ox4は、BOX膜Ox3と同層の酸化シリコン膜であり、フローティングゲート電極FGは、シリコン層S1と同層の半導体層である。絶縁膜Ox4は、フローティングゲート電極FG内へ電荷を透過させるためのトンネル酸化膜である。ONO膜C4は、図2に示すONO膜C2と同様に、半導体基板Sbの上面側から順に酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、および酸化シリコン膜を積層して形成した膜であり、図15では一層の膜として示している。コントロールゲート電極CG2は、ゲート電極G1と同層のポリシリコン膜である。このように、半導体基板Sb上に、図2に示すONO膜C3およびゲート電極CG1に代えて、図15に示す絶縁膜Ox4、フローティングゲート電極FG、ONO膜C4およびコントロールゲート電極CG2が形成されている点で、本実施の形態のフローティングゲートメモリQcの構造は、図2に示すMONOSメモリQbと異なる。   The insulating film Ox4 is a silicon oxide film in the same layer as the BOX film Ox3, and the floating gate electrode FG is a semiconductor layer in the same layer as the silicon layer S1. The insulating film Ox4 is a tunnel oxide film for transmitting charges into the floating gate electrode FG. The ONO film C4 is a film formed by laminating a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film in order from the upper surface side of the semiconductor substrate Sb, as in the ONO film C2 shown in FIG. It is shown as a film. The control gate electrode CG2 is a polysilicon film in the same layer as the gate electrode G1. As described above, instead of the ONO film C3 and the gate electrode CG1 shown in FIG. 2, the insulating film Ox4, the floating gate electrode FG, the ONO film C4, and the control gate electrode CG2 shown in FIG. 15 are formed on the semiconductor substrate Sb. In that respect, the structure of the floating gate memory Qc of the present embodiment is different from that of the MONOS memory Qb shown in FIG.

絶縁膜Ox4はBOX膜Ox3と同層の酸化シリコン膜であるため、それぞれの膜はいずれも酸化シリコン膜からなり、同一の膜厚を有している。フローティングゲート電極FGはシリコン層S1と同層の半導体層であるため、それぞれの層はいずれも、例えば単結晶シリコンにより形成されており、同一の膜厚を有している。ただし、フローティングゲート電極FGおよびシリコン層S1の上面には異なる酸化シリコン膜を、例えば熱酸化法などを用いて別工程で成膜しているため、フローティングゲート電極FGおよびシリコン層S1のそれぞれの膜厚は異なっている場合もある。   Since the insulating film Ox4 is a silicon oxide film in the same layer as the BOX film Ox3, each film is made of a silicon oxide film and has the same film thickness. Since the floating gate electrode FG is a semiconductor layer that is the same layer as the silicon layer S1, each of the layers is formed of, for example, single crystal silicon and has the same film thickness. However, since different silicon oxide films are formed on the upper surfaces of the floating gate electrode FG and the silicon layer S1 in different processes using, for example, a thermal oxidation method, the respective films of the floating gate electrode FG and the silicon layer S1. The thickness can be different.

フローティングゲートメモリQcは、コントロールゲート電極CG2の下部のフローティングゲート電極FGに電子を出し入れすることで情報の書込み・消去を行い、これにより、トランジスタのソース・ドレイン領域間に電流を流すことができるしきい値電圧を変化させる不揮発性記憶素子である。   The floating gate memory Qc writes and erases information by putting electrons into and out of the floating gate electrode FG below the control gate electrode CG2, thereby allowing a current to flow between the source and drain regions of the transistor. It is a nonvolatile memory element that changes the threshold voltage.

フローティングゲート電極FGの下面および上面は絶縁膜Ox4およびONO膜C4によりそれぞれ覆われており、第1方向における両側の側面はサイドウォールSWにより覆われており、第2方向における両側の側面は素子分離領域(図示しない)により覆われている。つまり、フローティングゲート電極FGは他のコンタクトプラグ、配線または半導体領域などには接続されておらず、電気的に独立した浮遊状態となっている。このため、フローティングゲート電極FGは、その中に電荷を保持することができる。   The lower surface and the upper surface of the floating gate electrode FG are covered with the insulating film Ox4 and the ONO film C4, respectively, the side surfaces on both sides in the first direction are covered with the sidewall SW, and the side surfaces on both sides in the second direction are element isolation. Covered by a region (not shown). That is, the floating gate electrode FG is not connected to other contact plugs, wirings, or semiconductor regions, and is in an electrically independent floating state. Therefore, the floating gate electrode FG can hold charges therein.

つまり、絶縁膜Ox4およびONO膜C4は、半導体基板Sbおよびコントロールゲート電極CG2からフローティングゲート電極FGを絶縁する役割を有している。なお、ONO膜C4は、コントロールゲート電極CG2の耐圧を向上させる役割を有している。   That is, the insulating film Ox4 and the ONO film C4 have a role of insulating the floating gate electrode FG from the semiconductor substrate Sb and the control gate electrode CG2. The ONO film C4 has a role of improving the breakdown voltage of the control gate electrode CG2.

本実施の形態の半導体装置は、前記実施の形態1と同様に、一つの半導体基板Sb上にSOI領域1Aおよびバルクシリコン領域1Bを設け、ロジック回路などを構成するSOI基板上のトランジスタと、不揮発性メモリとを同一基板上に混載することを可能としている。上記のように、異なる種類の素子を混載するために、SOI領域1AのBOX膜Ox3と、バルクシリコン領域1Bの絶縁膜Ox4とを同層の膜により形成し、また、SOI領域1Aのシリコン層S1と、バルクシリコン領域1Bのフローティングゲート電極FGとを同層の膜により形成している点が、本実施の形態の半導体装置の大きな特徴である。   As in the first embodiment, the semiconductor device according to the present embodiment includes an SOI region 1A and a bulk silicon region 1B on one semiconductor substrate Sb, a transistor on the SOI substrate that constitutes a logic circuit, etc. It is possible to mount the volatile memory on the same substrate. As described above, the BOX film Ox3 in the SOI region 1A and the insulating film Ox4 in the bulk silicon region 1B are formed of the same layer and the silicon layer in the SOI region 1A in order to mount different types of elements together. A major feature of the semiconductor device of the present embodiment is that S1 and the floating gate electrode FG in the bulk silicon region 1B are formed of the same layer.

次に、本実施の形態によるMOSFETおよびフローティングゲートメモリの製造工程を、図16〜図25を参照して説明する。図16〜図18、図20、図22〜図24は、本実施の形態である半導体装置であって、SOI領域上およびバルクシリコンの半導体基板上にnチャネル型MOSFETおよびフローティングゲートメモリをそれぞれ有する半導体装置の製造工程中の断面図である。図19、図21、図25は、それぞれ図18、図20、図24の断面と直交する方向における断面図である。   Next, the manufacturing process of the MOSFET and the floating gate memory according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIGS. 16 to 18, 20, and 22 to 24 are semiconductor devices according to the present embodiment, each having an n-channel MOSFET and a floating gate memory on an SOI region and a bulk silicon semiconductor substrate. It is sectional drawing in the manufacturing process of a semiconductor device. 19, FIG. 21, and FIG. 25 are cross-sectional views in directions orthogonal to the cross sections of FIG. 18, FIG. 20, and FIG.

まず、図16に示すように、半導体基板Sb上にBOX膜Ox3およびシリコン層S1が順に積層されたSOI基板を形成する。この場合、まず2枚のシリコンウエハ(半導体基板)を用意し、両方のシリコンウエハのそれぞれの上面に酸化シリコン膜を形成した後、2枚のシリコンウエハのそれぞれの上面同士、すなわち前記酸化シリコン膜が形成された面同士を貼り合わせることで、1枚の基板を形成する。各シリコンウエハの上面に形成した酸化シリコン膜は、例えば熱酸化法を用いて形成する。なお、貼り合わせたシリコンウエハ同士の間には2層の酸化シリコン膜が違いに接して形成されるが、以下ではこの2層の酸化シリコン膜は1層のBOX膜Ox3であるものとして説明する。   First, as shown in FIG. 16, an SOI substrate in which a BOX film Ox3 and a silicon layer S1 are sequentially stacked on a semiconductor substrate Sb is formed. In this case, first, two silicon wafers (semiconductor substrates) are prepared, a silicon oxide film is formed on the upper surfaces of both silicon wafers, and then the upper surfaces of the two silicon wafers, that is, the silicon oxide film is formed. A single substrate is formed by bonding the surfaces on which the surfaces are formed. The silicon oxide film formed on the upper surface of each silicon wafer is formed using, for example, a thermal oxidation method. Note that a two-layer silicon oxide film is formed between the bonded silicon wafers in contact with each other. In the following description, it is assumed that the two-layer silicon oxide film is a one-layer BOX film Ox3. .

なお、図16では一枚の基板の別々の領域を左右の図に分けて示している。ここで、図16の右側の断面図は、図14のC−C線における断面に対応する位置の断面図である。   In FIG. 16, different regions of one substrate are shown separately in the left and right views. Here, the cross-sectional view on the right side of FIG. 16 is a cross-sectional view at a position corresponding to the cross section taken along the line CC of FIG.

ここでは、一方のシリコンウエハを、支持基板である半導体基板Sbとし、半導体基板Sb上にBOX膜Ox3を介して形成されたもう一方のシリコンウエハをSmart Cut法を用いて剥離することで、シリコン層S1を形成する。シリコン層S1の膜厚は例えば10〜15nmであり、BOX膜Ox3の膜厚は例えば10〜20nmである。   Here, one of the silicon wafers is a semiconductor substrate Sb as a supporting substrate, and the other silicon wafer formed on the semiconductor substrate Sb via the BOX film Ox3 is peeled off using the Smart Cut method. Layer S1 is formed. The film thickness of the silicon layer S1 is, for example, 10 to 15 nm, and the film thickness of the BOX film Ox3 is, for example, 10 to 20 nm.

次に、図17に示すように、図6および図7を用いて説明した工程と同様にして、半導体基板Sbの上面に素子分離領域IRを複数形成する。これにより、シリコン層S1は複数の層に分断される。ここでは、素子分離領域IRの上面高さは、シリコン層S1の上面よりも高い領域に形成される。   Next, as shown in FIG. 17, a plurality of element isolation regions IR are formed on the upper surface of the semiconductor substrate Sb in the same manner as described with reference to FIGS. Thereby, the silicon layer S1 is divided into a plurality of layers. Here, the upper surface height of the element isolation region IR is formed in a region higher than the upper surface of the silicon layer S1.

続いて、シリコン層S1上に、ONO膜C4を形成する。ONO膜C4は、シリコン層S1上に順に形成された酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および酸化シリコン膜からなる。ONO膜C4を構成する各絶縁膜は、例えばCVD法などにより形成することができる。なお、ONO膜C4は素子分離領域IR上にも形成されることが考えられるが、ここでは図を分かりやすくするため、その図示を省略し、シリコン層S1の上面を覆うONO膜C4のみを示している。   Subsequently, an ONO film C4 is formed on the silicon layer S1. The ONO film C4 includes a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film that are sequentially formed on the silicon layer S1. Each insulating film constituting the ONO film C4 can be formed by, for example, a CVD method. It is conceivable that the ONO film C4 is also formed on the element isolation region IR, but here, for the sake of clarity, the illustration is omitted and only the ONO film C4 covering the upper surface of the silicon layer S1 is shown. ing.

次に、図18に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、一部のONO膜C4を除去してシリコン層S1の上面を露出した後、熱酸化法などを用いて、露出したシリコン層S1の上面上に、酸化シリコン膜Ox5を形成する。   Next, as shown in FIG. 18, a part of the ONO film C4 is removed by using a photolithography technique and an etching method to expose the upper surface of the silicon layer S1, and then exposed by using a thermal oxidation method or the like. A silicon oxide film Ox5 is formed on the upper surface of the silicon layer S1.

この時の断面図であって、図18の断面に沿う方向に直交する方向における断面図を図19に示す。図19は、図14のD−D線における断面に対応する位置の断面図である。図19に示すように、上面に素子分離領域IRが複数形成された半導体基板Sb上には、BOX膜Ox3およびシリコン層S1が、各素子分離領域IRに挟まれるように形成されている。つまり、複数のシリコン層S1は素子分離領域IRにより区切られており、互いに絶縁されている。また、シリコン層S1の上面はONO膜C4により覆われている。   FIG. 19 is a cross-sectional view at this time, and is a cross-sectional view in a direction orthogonal to the direction along the cross-section of FIG. FIG. 19 is a cross-sectional view of a position corresponding to a cross section taken along line DD of FIG. As shown in FIG. 19, a BOX film Ox3 and a silicon layer S1 are formed on a semiconductor substrate Sb having a plurality of element isolation regions IR formed on the upper surface so as to be sandwiched between the element isolation regions IR. That is, the plurality of silicon layers S1 are separated by the element isolation region IR and are insulated from each other. The upper surface of the silicon layer S1 is covered with an ONO film C4.

次に、図20に示すように、図8および図9を用いて説明した工程と同様にして、シリコン層S1上にゲート絶縁膜2を介してゲート電極G1を形成する。ゲート絶縁膜2は、酸化シリコン膜Ox5を加工することにより形成した膜であり、その膜厚は例えば2、3nmである。また、この工程により、ONO膜C4上に、ゲート電極G1と同層の導体膜からなるコントロールゲート電極CG2を形成する。なお、この時点ではコントロールゲート電極CG2の横のONO膜C4は、上面が一部除去されることは考えられるが、完全には除去されていない。   Next, as shown in FIG. 20, a gate electrode G1 is formed on the silicon layer S1 via the gate insulating film 2 in the same manner as described with reference to FIGS. The gate insulating film 2 is a film formed by processing the silicon oxide film Ox5, and has a film thickness of, for example, 2 or 3 nm. In addition, by this step, the control gate electrode CG2 made of a conductor film in the same layer as the gate electrode G1 is formed on the ONO film C4. At this time, it is considered that the ONO film C4 next to the control gate electrode CG2 is partially removed, but it is not completely removed.

また、このときの図20の断面に直交する方向における断面図を図21に示す。図21は図14のD−D線における断面に対応する位置の断面図である。図21に示すように、半導体基板Sb上にコントロールゲート電極CG2が形成され、各ONO膜C4の上面および各素子分離領域IRの上面は、第2方向に延在するコントロールゲート電極CG2により覆われる。   Further, FIG. 21 shows a cross-sectional view in a direction orthogonal to the cross section of FIG. 20 at this time. FIG. 21 is a cross-sectional view of a position corresponding to the cross section along the line DD of FIG. As shown in FIG. 21, the control gate electrode CG2 is formed on the semiconductor substrate Sb, and the upper surface of each ONO film C4 and the upper surface of each element isolation region IR are covered with the control gate electrode CG2 extending in the second direction. .

次に、図22に示すように、シリコン層S1上にゲート絶縁膜2を介して形成されたゲート電極G1を含む領域をフォトレジスト膜P1により覆う。フォトレジスト膜P1は、ONO膜C4およびコントロールゲート電極CG2を露出している。その後、例えばドライエッチング法を用いて、フォトレジスト膜P1およびコントロールゲート電極CG2から露出しているONO膜C4、シリコン層S1およびBOX膜Ox3を除去し、半導体基板Sbの上面を露出させる。これにより、バルクシリコン領域1Bにおいて、コントロールゲート電極CG2の直下にのみ、ONO膜C4と、シリコン層S1からなるフローティングゲート電極FGと、BOX膜Ox3からなる絶縁膜Ox4とを残す。   Next, as shown in FIG. 22, a region including the gate electrode G1 formed on the silicon layer S1 via the gate insulating film 2 is covered with a photoresist film P1. The photoresist film P1 exposes the ONO film C4 and the control gate electrode CG2. Thereafter, the ONO film C4, the silicon layer S1, and the BOX film Ox3 exposed from the photoresist film P1 and the control gate electrode CG2 are removed by using, for example, a dry etching method, and the upper surface of the semiconductor substrate Sb is exposed. This leaves the ONO film C4, the floating gate electrode FG made of the silicon layer S1, and the insulating film Ox4 made of the BOX film Ox3 only under the control gate electrode CG2 in the bulk silicon region 1B.

以下では、半導体基板Sbの上面がBOX膜Ox3およびシリコン層S1から露出された領域をバルクシリコン領域1Bと呼び、半導体基板Sb上がBOX膜Ox3およびシリコン層S1により覆われ、その上にゲート絶縁膜2を介してゲート電極G1が形成された領域をSOI領域1Aと呼ぶ。   Hereinafter, a region where the upper surface of the semiconductor substrate Sb is exposed from the BOX film Ox3 and the silicon layer S1 is referred to as a bulk silicon region 1B. A region where the gate electrode G1 is formed via the film 2 is referred to as an SOI region 1A.

このようにして、バルクシリコン領域1Bでは、半導体基板Sb上に順に形成された絶縁膜Ox4、フローティングゲート電極FG、ONO膜C4およびコントロールゲート電極CG2からなる積層膜のパターンが複数形成される。上記工程に示したとおり、SOI領域1AのBOX膜Ox3およびバルクシリコン領域1Bの絶縁膜Ox4は、元々同一の膜からなる同層の絶縁膜である。また、SOI領域1Aのシリコン層S1およびバルクシリコン領域1Bのフローティングゲート電極FGは、元々同一の膜からなる同層の半導体層である。   In this way, in the bulk silicon region 1B, a plurality of laminated film patterns including the insulating film Ox4, the floating gate electrode FG, the ONO film C4, and the control gate electrode CG2 formed in order on the semiconductor substrate Sb are formed. As shown in the above process, the BOX film Ox3 in the SOI region 1A and the insulating film Ox4 in the bulk silicon region 1B are the same insulating films made of the same film. Further, the silicon layer S1 in the SOI region 1A and the floating gate electrode FG in the bulk silicon region 1B are semiconductor layers of the same layer made of the same film.

次に、図23に示すように、フォトレジスト膜P1を除去した後、図10および図11を用いて説明した工程と同様の工程を行う。すなわち、SOI領域1Aのシリコン層S1内にエクステンション領域5を形成し、ゲート電極G1の側壁にサイドウォールSWを形成し、サイドウォールSWから露出するシリコン層S1上にエピタキシャル層Ep1からなる拡散層10を形成する。これにより、ゲート電極G1、エクステンション領域5および拡散層10を有するMOSFETQaを形成する。   Next, as shown in FIG. 23, after removing the photoresist film P <b> 1, the same process as described with reference to FIGS. 10 and 11 is performed. That is, the extension region 5 is formed in the silicon layer S1 of the SOI region 1A, the sidewall SW is formed on the sidewall of the gate electrode G1, and the diffusion layer 10 made of the epitaxial layer Ep1 is formed on the silicon layer S1 exposed from the sidewall SW. Form. Thereby, the MOSFET Qa having the gate electrode G1, the extension region 5 and the diffusion layer 10 is formed.

また、バルクシリコン領域1Bの半導体基板Sbの上面にエクステンション領域4を形成し、コントロールゲート電極CG2およびフローティングゲート電極FGの側壁にサイドウォールSWを形成し、サイドウォールSWから露出する半導体基板Sb上にエピタキシャル層Ep2からなる拡散層9を形成する。これにより、コントロールゲート電極CG2、フローティングゲート電極FG、エクステンション領域4および拡散層9を有するフローティングゲートメモリQcを形成する。   Further, the extension region 4 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate Sb in the bulk silicon region 1B, the sidewall SW is formed on the sidewalls of the control gate electrode CG2 and the floating gate electrode FG, and the semiconductor substrate Sb exposed from the sidewall SW is formed. A diffusion layer 9 made of the epitaxial layer Ep2 is formed. Thereby, the floating gate memory Qc having the control gate electrode CG2, the floating gate electrode FG, the extension region 4 and the diffusion layer 9 is formed.

この後の工程は、図12および図13を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、図24に示す半導体装置が完成する。つまり、サイドウォールSWなどから露出している半導体層である拡散層9、10、ゲート電極G1およびコントロールゲート電極CG2の上面にシリサイド層15を形成した後、半導体基板Sb上の全面を絶縁膜16および層間絶縁膜17で覆い、続いてコンタクトプラグCpを形成する。その後、層間絶縁膜17上に絶縁膜19および層間絶縁膜20を形成し、絶縁膜19および層間絶縁膜20を貫通してコンタクトプラグCpの上面を露出する溝内に配線21を形成する。   Subsequent steps are the same as those described with reference to FIGS. 12 and 13, whereby the semiconductor device shown in FIG. 24 is completed. That is, after the silicide layer 15 is formed on the upper surfaces of the diffusion layers 9 and 10, the gate electrode G1, and the control gate electrode CG2, which are semiconductor layers exposed from the sidewall SW, the insulating film 16 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate Sb. Then, the contact plug Cp is formed after covering with the interlayer insulating film 17. Thereafter, an insulating film 19 and an interlayer insulating film 20 are formed on the interlayer insulating film 17, and a wiring 21 is formed in a trench that penetrates the insulating film 19 and the interlayer insulating film 20 and exposes the upper surface of the contact plug Cp.

完成後の半導体装置において、図14のD−D線における断面図は、図25に示すような構造となる。図25に示す構造は、図21に示す構造と同様に、断面方向において断続的に複数並んで形成されたフローティングゲート電極FGと、その上にONO膜C4を介して形成された、第2方向に連続的に延在するコントロールゲート電極CG2とを有している。   In the completed semiconductor device, a cross-sectional view taken along line DD in FIG. 14 has a structure as shown in FIG. The structure shown in FIG. 25 is similar to the structure shown in FIG. 21 in the second direction, which is formed by floating gate electrodes FG that are intermittently arranged in the cross-sectional direction, and an ONO film C4 formed thereon. And a control gate electrode CG2 extending continuously.

上述したように、コントロールゲート電極CG2はフローティングゲートメモリQcのワード線として機能し、フローティングゲートメモリQcに情報として保持される電荷は、表面を絶縁膜により囲まれたフローティングゲート電極FG内に溜まる。   As described above, the control gate electrode CG2 functions as a word line of the floating gate memory Qc, and the charges retained as information in the floating gate memory Qc are accumulated in the floating gate electrode FG whose surface is surrounded by the insulating film.

以下に、本実施の形態の半導体装置の製造方法における効果を説明する。   Below, the effect in the manufacturing method of the semiconductor device of this Embodiment is demonstrated.

SOI領域およびバルクシリコン領域を有する半導体基板において、SOI領域にMOSFETを形成し、バルクシリコン領域にフローティングゲートメモリを形成する場合、SOI領域では半導体基板上にBOX酸化膜を介して形成したシリコン層上に素子を形成し、バルクシリコン領域では、前記BOX膜に覆われていない半導体基板上にメモリ素子を形成することが考えられる。この場合、半導体基板上にBOX膜およびシリコン層を有するSOI基板を形成した後、バルクシリコン領域のBOX膜およびシリコン層を除去し、続いて、バルクシリコン領域の半導体基板上に絶縁膜(ゲート絶縁膜、トンネル酸化膜)およびフローティングゲート電極を順に形成することが考えられる。   In a semiconductor substrate having an SOI region and a bulk silicon region, when a MOSFET is formed in the SOI region and a floating gate memory is formed in the bulk silicon region, the SOI region is formed on a silicon layer formed on the semiconductor substrate via a BOX oxide film. In the bulk silicon region, it is conceivable to form a memory element on a semiconductor substrate not covered with the BOX film. In this case, after an SOI substrate having a BOX film and a silicon layer is formed on the semiconductor substrate, the BOX film and the silicon layer in the bulk silicon region are removed, and then an insulating film (gate insulation) is formed on the semiconductor substrate in the bulk silicon region. It is conceivable to form a film, a tunnel oxide film) and a floating gate electrode in this order.

上記のような工程を用いると、バルクシリコン領域の半導体基板上に絶縁膜(ゲート絶縁膜、トンネル酸化膜)およびフローティングゲート電極を構成する膜を基板上に形成する工程が必要になる。つまり、SOI基板を構成するBOX膜およびその上のシリコン層を形成する工程の他に、さらに、フローティングゲート電極およびその下のゲート絶縁膜を形成するための成膜工程が必要となる。   When the above process is used, a process of forming an insulating film (gate insulating film, tunnel oxide film) and a film constituting the floating gate electrode on the semiconductor substrate in the bulk silicon region is required. That is, in addition to the step of forming the BOX film constituting the SOI substrate and the silicon layer thereon, a film forming step for forming the floating gate electrode and the gate insulating film therebelow is required.

また、バルクシリコン領域に形成したBOX膜およびシリコン層を除去し、半導体基板の上面を露出させる工程の他にも、ゲート絶縁膜およびフローティングゲート電極を形成するためのパターニングを行う必要があり、製造工程が増加する。このため、BOX膜およびシリコン層とは別の膜を用いてゲート絶縁膜およびフローティングゲート電極を形成すると、成膜工程および加工工程が増えるため、半導体装置の製造工程が煩雑になり、製造コストが増大する問題がある。このように、成膜工程および加工工程が増える問題は、仮に、バルクシリコン領域を形成せず、半導体基板の上面が全てBOX膜およびシリコン層に覆われたSOI基板上に、MOSFETとフローティングゲートメモリを形成した場合にも生じる。   In addition to removing the BOX film and silicon layer formed in the bulk silicon region and exposing the upper surface of the semiconductor substrate, patterning for forming a gate insulating film and a floating gate electrode is necessary. The process increases. For this reason, when the gate insulating film and the floating gate electrode are formed using a film different from the BOX film and the silicon layer, the film forming process and the processing process increase, so the manufacturing process of the semiconductor device becomes complicated and the manufacturing cost is reduced. There are increasing problems. As described above, the problem that the film forming process and the processing process increase is that the bulk silicon region is not formed, and the MOSFET and the floating gate memory are formed on the SOI substrate in which the upper surface of the semiconductor substrate is entirely covered with the BOX film and the silicon layer. This also occurs when forming.

そこで、本実施の形態では、図16〜図25を用いて説明したように、バルクシリコン領域1Bに形成するフローティングゲートメモリQcの絶縁膜(ゲート絶縁膜)Ox4を、SOI領域1Aに形成するBOX膜Ox3と同層の膜により形成している。また、バルクシリコン領域1Bに形成するフローティングゲートメモリQcのフローティングゲート電極FGを、SOI領域1Aに形成するシリコン層S1と同層の膜により形成している。つまり、シリコン層S1とフローティングゲート電極FGとを同一の膜により形成し、BOX膜Ox3と絶縁膜Ox4とを同一の膜から形成している。   Therefore, in the present embodiment, as described with reference to FIGS. 16 to 25, the insulating film (gate insulating film) Ox4 of the floating gate memory Qc formed in the bulk silicon region 1B is formed in the BOX formed in the SOI region 1A. It is formed of the same layer as the film Ox3. Further, the floating gate electrode FG of the floating gate memory Qc formed in the bulk silicon region 1B is formed of a film in the same layer as the silicon layer S1 formed in the SOI region 1A. That is, the silicon layer S1 and the floating gate electrode FG are formed from the same film, and the BOX film Ox3 and the insulating film Ox4 are formed from the same film.

これにより、絶縁膜Ox4およびフローティングゲート電極FGを形成するための成膜工程を省略することが可能となる。また、図22を用いて説明した、バルクシリコン領域1Bを覆うBOX膜Ox3およびシリコン層S1(図20参照)を除去する工程を行うことで、同時に絶縁膜Ox4およびフローティングゲート電極FGのパターンを形成することが可能となる。つまり、バルクシリコン領域1Bの半導体基板Sbの上面を露出させる工程の他に、絶縁膜Ox4およびフローティングゲート電極FGを加工する工程をさらに設ける必要がなくなる。このため、半導体装置の製造工程を簡略化し、半導体装置の製造コストを低減することができる。   Thereby, it is possible to omit the film forming process for forming the insulating film Ox4 and the floating gate electrode FG. Further, by performing the step of removing the BOX film Ox3 and the silicon layer S1 (see FIG. 20) covering the bulk silicon region 1B described with reference to FIG. 22, the pattern of the insulating film Ox4 and the floating gate electrode FG is simultaneously formed. It becomes possible to do. That is, in addition to the step of exposing the upper surface of the semiconductor substrate Sb in the bulk silicon region 1B, it is not necessary to further provide a step of processing the insulating film Ox4 and the floating gate electrode FG. For this reason, the manufacturing process of a semiconductor device can be simplified and the manufacturing cost of a semiconductor device can be reduced.

また、不揮発性メモリと、SOI領域に設けるトランジスタとを一つの基板(チップ)上に配置することができるため、半導体装置の微細化が可能となり、半導体装置の性能を向上させることができる。   Further, since the nonvolatile memory and the transistor provided in the SOI region can be provided over one substrate (chip), the semiconductor device can be miniaturized and the performance of the semiconductor device can be improved.

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   Although the invention made by the present inventors has been specifically described based on the embodiment, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

例えば、前記実施の形態1および2では、半導体基板上にnチャネル型のMOSFETを形成する場合について説明したが、半導体素子はpチャネル型のMOSFETでもよく、また、MIS(Metal Insulator Semiconductor)型のFETであってもよい。同様に、MONOSメモリおよびフローティングゲートメモリは、pチャネル型の電界効果トランジスタを構成していてもよい。   For example, in the first and second embodiments, the case where the n-channel MOSFET is formed on the semiconductor substrate has been described. However, the semiconductor element may be a p-channel MOSFET, or a MIS (Metal Insulator Semiconductor) type. It may be an FET. Similarly, the MONOS memory and the floating gate memory may constitute a p-channel field effect transistor.

1A SOI領域
1B バルクシリコン領域
2 ゲート絶縁膜
4 エクステンション領域
5 エクステンション領域
9 拡散層
10 拡散層
15 シリサイド層
16 絶縁膜
17 層間絶縁膜
19 絶縁膜
20 層間絶縁膜
21 配線
AR 活性領域
C1〜C4 ONO膜
CG1 ゲート電極
CG2 コントロールゲート電極
Cp コンタクトプラグ
Ep1 エピタキシャル層
Ep2 エピタキシャル層
FG フローティングゲート電極
G1 ゲート電極
IR 素子分離領域
Ox1 酸化シリコン膜
Ox2 酸化シリコン膜
Ox3 BOX膜
Ox4 絶縁膜(ゲート絶縁膜、トンネル酸化膜)
Ox5 酸化シリコン膜
P1 フォトレジスト膜
Qa MOSFET
Qb MONOSメモリ
Qc フローティングゲートメモリ
S1 シリコン層
SN 窒化シリコン膜
SW サイドウォール
Sb 半導体基板
1A SOI region 1B Bulk silicon region 2 Gate insulating film 4 Extension region 5 Extension region 9 Diffusion layer 10 Diffusion layer 15 Silicide layer 16 Insulating film 17 Interlayer insulating film 19 Insulating film 20 Interlayer insulating film 21 Wiring AR Active regions C1 to C4 ONO film CG1 Gate electrode CG2 Control gate electrode Cp Contact plug Ep1 Epitaxial layer Ep2 Epitaxial layer FG Floating gate electrode G1 Gate electrode IR Element isolation region Ox1 Silicon oxide film Ox2 Silicon oxide film Ox3 BOX film Ox4 Insulating film (gate insulating film, tunnel oxide film)
Ox5 silicon oxide film P1 photoresist film Qa MOSFET
Qb MONOS memory Qc Floating gate memory S1 Silicon layer SN Silicon nitride film SW Side wall Sb Semiconductor substrate

Claims (14)

主面に第1領域および第2領域を有する半導体基板と、
前記第1領域の前記半導体基板上に形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成された第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成された半導体層と、
前記半導体層上に形成された電界効果トランジスタと、
前記第2領域の前記半導体基板上に形成された不揮発性メモリと、
を有し、
前記不揮発性メモリは、
前記第2領域の前記半導体基板上に形成された、前記第1絶縁膜と同層の膜である第3絶縁膜と、
前記第3絶縁膜上に形成された、前記第2絶縁膜と同層の膜である電荷保持膜と、
を含むゲート絶縁膜を有する、半導体装置。
A semiconductor substrate having a first region and a second region on a main surface;
A first insulating film formed on the semiconductor substrate in the first region;
A second insulating film formed on the first insulating film;
A semiconductor layer formed on the second insulating film;
A field effect transistor formed on the semiconductor layer;
A non-volatile memory formed on the semiconductor substrate in the second region;
Have
The nonvolatile memory is
A third insulating film formed on the semiconductor substrate in the second region, the third insulating film being the same layer as the first insulating film;
A charge retention film that is formed on the third insulating film and is the same layer as the second insulating film;
A semiconductor device having a gate insulating film including:
前記第2絶縁膜と前記半導体層の間には、第4絶縁膜が形成されており、
前記電荷保持膜上には、前記第4絶縁膜と同層の膜である第5絶縁膜が形成されている、請求項1記載の半導体装置。
A fourth insulating film is formed between the second insulating film and the semiconductor layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a fifth insulating film that is a film in the same layer as the fourth insulating film is formed on the charge retention film.
前記第1絶縁膜と前記第3絶縁膜とは同一の膜厚を有し、
前記第2絶縁膜と前記電荷保持膜とは同一の膜厚を有する、請求項1記載の半導体装置。
The first insulating film and the third insulating film have the same film thickness,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second insulating film and the charge retention film have the same film thickness.
前記電界効果トランジスタは、前記半導体層上に形成された第1ゲート絶縁膜と、
前記半導体層の上部に形成された第1ソース・ドレイン領域を含み、
前記不揮発性メモリは、前記電荷保持膜上に形成された第2ゲート電極と、
前記半導体基板の上部に形成された第2ソース・ドレイン領域を含む、請求項1記載の半導体装置。
The field effect transistor includes a first gate insulating film formed on the semiconductor layer,
A first source / drain region formed on the semiconductor layer;
The nonvolatile memory includes a second gate electrode formed on the charge retention film;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second source / drain region formed on an upper portion of the semiconductor substrate.
前記第1絶縁膜、前記第4絶縁膜、前記第3絶縁膜および前記第5絶縁膜は酸化シリコン膜であり、
前記第2絶縁膜および前記電荷保持膜は窒化シリコン膜である、請求項2記載の半導体装置。
The first insulating film, the fourth insulating film, the third insulating film, and the fifth insulating film are silicon oxide films;
The semiconductor device according to claim 2, wherein the second insulating film and the charge retention film are silicon nitride films.
主面に第1領域および第2領域を有する半導体基板と、
前記第1領域の前記半導体基板上に形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成された第1半導体層と、
前記第1半導体層上に形成された電界効果トランジスタと、
前記第2領域の前記半導体基板上に形成された不揮発性メモリと、
を有し、
前記不揮発性メモリは、
前記第2領域の前記半導体基板上に形成された、前記第1絶縁膜と同層の膜である第1ゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜上に形成された、前記半導体層と同層の膜であり、電気的に浮遊状態にある第2半導体層と、
前記第2半導体層上に第2絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
を有する、半導体装置。
A semiconductor substrate having a first region and a second region on a main surface;
A first insulating film formed on the semiconductor substrate in the first region;
A first semiconductor layer formed on the first insulating film;
A field effect transistor formed on the first semiconductor layer;
A non-volatile memory formed on the semiconductor substrate in the second region;
Have
The nonvolatile memory is
A first gate insulating film formed on the semiconductor substrate in the second region, the first gate insulating film being the same layer as the first insulating film;
A second semiconductor layer which is formed on the first gate insulating film and is in the same layer as the semiconductor layer and is in an electrically floating state;
A first gate electrode formed on the second semiconductor layer via a second insulating film;
A semiconductor device.
前記第1絶縁膜および前記第1ゲート絶縁膜は同一の膜厚を有し、
前記第1半導体層および前記第2半導体層は同一の膜厚を有する、請求項6記載の半導体装置。
The first insulating film and the first gate insulating film have the same film thickness,
The semiconductor device according to claim 6, wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer have the same film thickness.
前記第2絶縁膜は、前記半導体基板側から順に第1酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および第2酸化シリコン膜を形成した積層構造を有している、請求項6記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 6, wherein the second insulating film has a stacked structure in which a first silicon oxide film, a silicon nitride film, and a second silicon oxide film are sequentially formed from the semiconductor substrate side. 前記電界効果トランジスタは、前記半導体層上に形成された第2ゲート電極と、
前記第1半導体層の上部に形成された第1ソース・ドレイン領域を含み、
前記不揮発性メモリは、前記半導体基板の上部に形成された第2ソース・ドレイン領域を含む、請求項6記載の半導体装置。
The field effect transistor includes a second gate electrode formed on the semiconductor layer,
A first source / drain region formed on the first semiconductor layer;
The semiconductor device according to claim 6, wherein the nonvolatile memory includes a second source / drain region formed on an upper portion of the semiconductor substrate.
(a)主面に第1領域および第2領域を有する半導体基板上に、第1絶縁膜、第2絶縁膜、第3絶縁膜および半導体層を順に形成する工程と、
(b)前記第2領域の前記半導体層を除去する工程と、
(c)前記(b)工程の後、前記半導体層上に第4絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記第1領域の前記第4絶縁膜上および前記第2領域の前記第3絶縁膜上に導体膜を形成する工程と、
(e)前記導体膜、前記第4絶縁膜を加工して、前記導体膜からなる第1ゲート電極と、前記第4絶縁膜からなるゲート絶縁膜とを前記第1領域に形成し、
前記導体膜、前記第3絶縁膜、前記第2絶縁膜および前記第1絶縁膜を加工して、前記導体膜からなる第2ゲート電極と、前記第2絶縁膜からなる電荷保持膜とを前記第2領域に形成する工程と、
(f)前記第1領域に、前記第1ゲート電極を含む電界効果トランジスタを形成し、
前記第2領域に、前記電荷保持膜および前記第2ゲート電極を含む不揮発性メモリを形成する工程と、
を有する、半導体装置の製造方法。
(A) forming a first insulating film, a second insulating film, a third insulating film, and a semiconductor layer in order on a semiconductor substrate having a first region and a second region on a main surface;
(B) removing the semiconductor layer in the second region;
(C) After the step (b), forming a fourth insulating film on the semiconductor layer;
(D) forming a conductor film on the fourth insulating film in the first region and on the third insulating film in the second region;
(E) processing the conductor film and the fourth insulating film to form a first gate electrode made of the conductor film and a gate insulating film made of the fourth insulating film in the first region;
Processing the conductor film, the third insulating film, the second insulating film, and the first insulating film to form a second gate electrode made of the conductor film and a charge holding film made of the second insulating film Forming in the second region;
(F) forming a field effect transistor including the first gate electrode in the first region;
Forming a nonvolatile memory including the charge retention film and the second gate electrode in the second region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1絶縁膜、前記第3絶縁膜は酸化シリコン膜であり、
前記第2絶縁膜および前記電荷保持膜は窒化シリコン膜である、請求項10記載の半導体装置の製造方法。
The first insulating film and the third insulating film are silicon oxide films,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the second insulating film and the charge retention film are silicon nitride films.
(a)主面に第1領域および第2領域を有する半導体基板上に、第1絶縁膜、第1半導体層および第2絶縁膜を順に形成する工程と、
(b)前記第1領域の前記第2絶縁膜を除去した後、前記第1領域の前記第1半導体層の上面に第3絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記(b)工程の後、前記第1領域の前記第1半導体層上に第1ゲート絶縁膜を形成し、
前記第2領域の前記第2絶縁膜上に第2ゲート電極を形成する工程と、
(d)前記第2ゲート電極から露出する前記第2絶縁膜、前記第1半導体層および前記第1絶縁膜を除去することで、
前記半導体基板の上面を露出し、前記第1半導体層からなる第2半導体層を形成し、前記第1絶縁膜からなる第4絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記第1領域の前記半導体層上に、第1ゲート電極を含む電界効果トランジスタを形成し、
前記第2領域の前記半導体基板上に、前記第2半導体層および前記第2ゲート電極を含む不揮発性メモリを形成する工程と、
を有する、半導体装置の製造方法。
(A) forming a first insulating film, a first semiconductor layer, and a second insulating film in order on a semiconductor substrate having a first region and a second region on a main surface;
(B) forming a third insulating film on an upper surface of the first semiconductor layer in the first region after removing the second insulating film in the first region;
(C) after the step (b), forming a first gate insulating film on the first semiconductor layer in the first region;
Forming a second gate electrode on the second insulating film in the second region;
(D) removing the second insulating film, the first semiconductor layer, and the first insulating film exposed from the second gate electrode;
Exposing the upper surface of the semiconductor substrate, forming a second semiconductor layer made of the first semiconductor layer, and forming a fourth insulating film made of the first insulating film;
(E) forming a field effect transistor including a first gate electrode on the semiconductor layer in the first region;
Forming a nonvolatile memory including the second semiconductor layer and the second gate electrode on the semiconductor substrate in the second region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第2絶縁膜は、前記半導体基板側から順に第1酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および第2酸化シリコン膜を形成した積層構造を有している、請求項12記載の半導体装置の製造方法。   13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the second insulating film has a stacked structure in which a first silicon oxide film, a silicon nitride film, and a second silicon oxide film are formed in order from the semiconductor substrate side. 前記第2半導体層は電気的に浮遊状態にある、請求項12記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the second semiconductor layer is in an electrically floating state.
JP2012110481A 2012-05-14 2012-05-14 Semiconductor device and manufacturing method of the same Pending JP2013239516A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012110481A JP2013239516A (en) 2012-05-14 2012-05-14 Semiconductor device and manufacturing method of the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012110481A JP2013239516A (en) 2012-05-14 2012-05-14 Semiconductor device and manufacturing method of the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2013239516A true JP2013239516A (en) 2013-11-28

Family

ID=49764322

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012110481A Pending JP2013239516A (en) 2012-05-14 2012-05-14 Semiconductor device and manufacturing method of the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2013239516A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019160827A (en) * 2018-03-07 2019-09-19 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2021061450A (en) * 2021-01-20 2021-04-15 セイコーエプソン株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing the same
TWI740995B (en) * 2016-08-10 2021-10-01 日商瑞薩電子股份有限公司 Method of manufacturing semiconductor device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI740995B (en) * 2016-08-10 2021-10-01 日商瑞薩電子股份有限公司 Method of manufacturing semiconductor device
JP2019160827A (en) * 2018-03-07 2019-09-19 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2021061450A (en) * 2021-01-20 2021-04-15 セイコーエプソン株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7829948B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory
US6413821B1 (en) Method of fabricating semiconductor device including nonvolatile memory and peripheral circuit
US7830703B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US7393748B2 (en) Method of fabricating a semiconductor memory device
US6518124B1 (en) Method of fabricating semiconductor device
US20070257277A1 (en) Semiconductor Device and Method for Manufacturing the Same
US8178924B2 (en) Semiconductor device having floating body element and bulk body element
JP6778607B2 (en) Manufacturing method of semiconductor devices
TWI731066B (en) Method of manufacturing semiconductor device
JP2014232810A (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2014103204A (en) Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device
US20080315280A1 (en) Semiconductor memory device having memory cell unit and manufacturing method thereof
JP5142476B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP6359432B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP4405489B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory
JP2013239516A (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP5123536B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP4678362B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US20080001205A1 (en) Semiconductor memory device and method of manufacturing semiconductor memory devices
US10411121B2 (en) Method of manufacturing semiconductor device
JP2019102520A (en) Semiconductor device manufacturing method
JP5715037B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP4760689B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP7007013B2 (en) Semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices
JP4574912B2 (en) Method for forming semiconductor memory device