JP2015130438A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体装置の信頼性を向上させる。特に、メモリセルから誤った情報が読み出されることを抑制する。
【解決手段】第1の低濃度領域LD1は、ウェルWELに形成されており、平面視において側壁絶縁膜SWの下に位置している。第1の低濃度領域LD1は第2導電型を有しており、かつ、ドレインDRN1よりも第2導電型の不純物濃度が低い。第2の低濃度領域LD2はウェルWELに形成されており、平面視においてスペーサー絶縁膜SINS1の下に位置している。そして、第2の低濃度領域LD2における第2導電型の不純物濃度は、第1の低濃度領域LD1における第2導電型の不純物濃度よりも低く、かつ、ウェルWELのうち絶縁膜GINS1の下に位置する部分における第2導電型の不純物濃度よりも高い。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、例えば不揮発メモリを有する半導体装置及び半導体装置の製造方法に適用可能な技術である。
不揮発メモリの一つに、スプリットゲート型の不揮発メモリがある(例えば特許文献1参照)。この型の不揮発メモリにおいて、選択ゲート電極は、スペーサー絶縁膜を介して浮遊ゲート電極及び制御ゲート電極に接している。
特開2009−44164号公報
スペーサー絶縁膜は、一般的にエッチバック法を用いて形成されている。このため、スペーサー絶縁膜の膜厚には製造起因のばらつきが生じる。そしてスペーサー絶縁膜が設計値よりもある程度厚くなった場合、選択ゲート電極と制御ゲート電極の距離が離れてしまうため、選択ゲート電極及び制御ゲート電極の双方に規定の電圧を加えても、ドレインとソースの間に電流が流れない場合が出てくる。この場合、メモリセルから誤った情報が読み出されてしまう。本願の主な課題は、不揮発性メモリの信頼性を向上させることにある。特に、メモリセルから誤った情報が読み出されてしまうことを抑制することにある。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、浮遊ゲート電極は、第1絶縁膜の上に形成されている。スペーサー絶縁膜は、浮遊ゲート電極の2つの側面の第1の側壁を覆っている。選択ゲート電極は、スペーサー絶縁膜を介して選択ゲート電極に対向している。側壁絶縁膜は、選択ゲート電極のうちスペーサー絶縁膜とは逆側の側面に形成されている。第1の低濃度領域は、ウェルに形成されており、平面視において側壁絶縁膜の下に位置している。第1の低濃度領域は第2導電型を有しており、かつ、ドレインよりも第2導電型の不純物濃度が低い。第2の低濃度領域はウェルに形成されており、平面視においてスペーサー絶縁膜の下に位置している。そして、第2の低濃度領域における第2導電型の不純物濃度は、第1の低濃度領域における第2導電型の不純物濃度よりも低く、かつ、ウェルのうち第1絶縁膜の下に位置する部分における第2導電型の不純物濃度よりも高い。
前記一実施の形態によれば、不揮発性メモリセルの信頼性を向上させることができる。
第1の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 図1のA−A´断面における不純物濃度のプロファイルの第1例を示す図である。 図1のA−A´断面における不純物濃度のプロファイルの第2例を示す図である。 図1に示した半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。 図1に示した半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。 図1に示した半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。 図1に示した半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。 第2の低濃度領域を形成するときのイオン注入の条件を説明するための図である。 スペーサー絶縁膜の厚さとドレイン−ソース間のオン電流との関係を示す図である。 第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
以下、実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る半導体装置SDの構成を示す断面図である。本実施形態に係る半導体装置SDは、不揮発メモリを有している。具体的には、半導体装置SDは、基板SUB、絶縁膜GINS1(第1絶縁膜GINS1)、浮遊ゲート電極FGE、スペーサー絶縁膜SINS1、選択ゲート電極WGE、側壁絶縁膜SW、ドレインDRN1(第1の第2導電型領域)、ソースSOU1(第2の第2導電型領域)、第1の低濃度領域LD1、及び第2の低濃度領域LD2を備えている。
ウェルWELは第1導電型であり、基板SUBに形成されている。絶縁膜GINS1は、基板SUBのうちウェルWELが形成されている領域に形成されている。絶縁膜GINS1は、例えば基板SUBの表面に形成されている。浮遊ゲート電極FGEは、絶縁膜GINS1の上に形成されている。スペーサー絶縁膜SINS1は、浮遊ゲート電極FGEの2つの側面のうちの一方(第1の側壁)を覆っている。選択ゲート電極WGEは、スペーサー絶縁膜SINS1を介して選択ゲート電極WGEに対向している。側壁絶縁膜SWは、選択ゲート電極WGEのうちスペーサー絶縁膜SINS1とは逆側の側面に形成されている。
ドレインDRN1はウェルWELに形成されており、平面視において側壁絶縁膜SWを介して浮遊ゲート電極FGEとは逆側に位置している。ソースSOU1は、ウェルWELに形成されており、浮遊ゲート電極FGEを介してドレインDRN1とは逆側に位置している。ドレインDRN1及びソースSOU1は、第2導電型を有している。
第1の低濃度領域LD1は、ウェルWELに形成されており、平面視において側壁絶縁膜SWの下に位置している。第1の低濃度領域LD1は第2導電型を有しており、かつ、ドレインDRN1よりも第2導電型の不純物濃度が低い。第2の低濃度領域LD2はウェルWELに形成されており、平面視においてスペーサー絶縁膜SINS1の下に位置している。そして、第2の低濃度領域LD2における第2導電型の不純物濃度は、第1の低濃度領域LD1における第2導電型の不純物濃度よりも低く、かつ、ウェルWELのうち絶縁膜の下に位置する部分における第2導電型の不純物濃度よりも高い。
以下、第1導電型をp型として、第2導電型をn型として、半導体装置SDについて詳細に説明を行う。ただし、第1導電型がn型であって、第2導電型がp型であってもよい。
基板SUBは、例えばシリコン基板などの半導体基板である。ウェルWELは、例えば基板SUBにp型の不純物イオンを注入することにより形成されている。ただし、基板SUBがp型の基板である場合、基板SUBそのものがウェルWELとなる場合もある。また、ウェルWELにも、n型の不純物が含まれる場合もある。ただし、この場合において、n型の不純物の濃度は、p型の不純物の濃度よりも低い。
本図に示す例において、半導体装置SDはスプリットゲート型の不揮発メモリを複数有している。不揮発メモリは、他の不揮発メモリとソースSOU1を共有している。言い換えると、2つの不揮発メモリは、ソースSOU1を基準に線対称な構成を有している。
不揮発メモリは、絶縁膜GINS1の上に、浮遊ゲート電極FGE、絶縁膜GINS2、及び制御ゲート電極CGEをこの順に積層した積層構造を有している。絶縁膜GINS1は、例えば酸化シリコン膜であり、例えば基板SUBを熱酸化することにより形成されている。浮遊ゲート電極FGE及び制御ゲート電極CGEは、例えばいずれもポリシリコン膜によって形成されている。また、絶縁膜GINS2は、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、及び酸化シリコン膜をこの順に積層した膜(ONO膜)によって形成されている。また、制御ゲート電極CGEの上にはマスク膜MSKが形成されている。マスク膜MSKはハードマスク膜であり、例えば窒化シリコン膜等の絶縁膜によって形成されている。マスク膜MSKは、制御ゲート電極CGEを形成するときに用いられたマスク膜である。
本図に示す例では、2つの積層構造が、互いに対向する位置に配置されている。そして、2つの積層構造の間には、消去ゲート電極EGEが形成されている。上記した2つの積層構造は、いずれもスペーサー絶縁膜SINS2を介して消去ゲート電極EGEに面している。また、消去ゲート電極EGEと基板SUBの間には、絶縁膜INSLが形成されている。絶縁膜INSLは、例えば酸化シリコン膜であり、その膜厚は絶縁膜GINS1よりも厚い。また、絶縁膜INSLは、基板SUBを熱酸化することにより形成されている。そして、ウェルWELのうち消去ゲート電極EGEの下に位置する領域には、n型のソースSOU1が形成されている。
上記した積層構造のうち消去ゲート電極EGEとは逆側の側面には、スペーサー絶縁膜SINS1が形成されている。そしてスペーサー絶縁膜SINS1のうち上記した積層構造とは逆側の面には、選択ゲート電極WGEが形成されている。選択ゲート電極WGEと基板SUBの間には、ゲート絶縁膜GINS3が形成されている。ゲート絶縁膜GINS3は、例えば酸化シリコン膜であり、その膜厚は絶縁膜GINS1よりも薄い。また、絶縁膜GINS3は、基板SUBを熱酸化することにより形成されている。
選択ゲート電極WGEのうちスペーサー絶縁膜SINS1とは逆側の側面には、側壁絶縁膜SWが形成されている。側壁絶縁膜SWは、例えば酸化シリコン膜によって形成されている。
そして、ウェルWELのうち、平面視において側壁絶縁膜SWを基準に選択ゲート電極WGEとは逆側の領域には、n型のドレインDRN1が形成されている。また、ウェルWELのうち側壁絶縁膜SWの下方に位置する領域には、n型の第1の低濃度領域LD1が形成されている。第1の低濃度領域LD1におけるp型の不純物濃度は、ウェルWELにおけるp型の不純物濃度よりも高い。
また、ウェルWELのうちスペーサー絶縁膜SINS1の下方に位置する領域には第2の低濃度領域LD2が形成されている。上記したように、第2の低濃度領域LD2におけるn型の不純物濃度は、第1の低濃度領域LD1におけるn型の不純物濃度よりも低く、かつウェルWELのうちスペーサー絶縁膜SINS1の下に位置する部分におけるn型の不純物濃度よりも高い。第2の低濃度領域LD2において、n型の不純物濃度は、p型の不純物濃度よりも低い場合もあれば、p型の不純物濃度よりも高い場合もある。前者の場合、第2の低濃度領域LD2は、ウェルWELよりも不純物濃度が低いp型の領域となり、後者の場合、第2の低濃度領域LD2は、第1の低濃度領域LD1よりも不純物濃度が低いn型の領域となる。なお、第2の低濃度領域LD2におけるp型の不純物濃度は、ウェルWELのうちスペーサー絶縁膜SINS1の下方に位置する領域におけるp型の不純物濃度より高いこともあるし、ほぼ同じ場合もある。
なお、スペーサー絶縁膜SINS2は、例えば窒化シリコン膜の上に酸化シリコン膜を積層した構成を有している。これらのうち、窒化シリコン膜は、マスク膜MSK、制御ゲート電極CGE、及び絶縁膜GINS2の側壁を覆っているが、浮遊ゲート電極FGE及び絶縁膜GINS1の側壁を覆っていない。一方、酸化シリコン膜は、マスク膜MSK、制御ゲート電極CGE、絶縁膜GINS2、浮遊ゲート電極FGE及び絶縁膜GINS1の側壁を覆っている。
また、スペーサー絶縁膜SINS1は、酸化シリコン膜の上に窒化シリコン膜を積層した構成を有している。ただし、スペーサー絶縁膜SINS1の酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜は、いずれも、マスク膜MSK、制御ゲート電極CGE、絶縁膜GINS2、浮遊ゲート電極FGE及び絶縁膜GINS1の側壁を覆っている。
また、絶縁膜GINS2、制御ゲート電極CGE、及びマスク膜MSKは、浮遊ゲート電極FGEのうち消去ゲート電極EGE側の端部を覆っていない。
そして、浮遊ゲート電極FGEと消去ゲート電極EGEの間には、トンネル絶縁膜GINS4(絶縁膜GINS4)が形成される。絶縁膜GINS4は、浮遊ゲート電極FGEに書き込まれている情報を消去するときにおける、電荷のルートとなっている。なお、絶縁膜GINS4は、スペーサー絶縁膜SINS2の上及びマスク膜MSKにも形成されている。
このような半導体装置SDにおいて、不揮発メモリへの情報の書き込みは、ソース・サイド・インジェクションによって、ホットエレクトロンを浮遊ゲート電極FGEに注入することで行われる。すなわち、ソースSOU1に電圧(例えば4.5V)を印可し、選択ゲート電極WGEにソースSOU1よりも低い電圧(例えば2V)を印可し、ドレインDRN1を選択ゲート電極WGEより低い電圧(例えば0.5V)にした上で、制御ゲート電極CGEにソースSOU1よりも高い電圧(例えば10V)を印加する。一方、不揮発メモリから情報を消去するときには、FNトンネルによって、浮遊ゲート電極FGEから電子を消去ゲートに引き抜くことによって行われる。すなわち、消去ゲート電極EGEに電圧(例えば12V)を印加し、残りの電極(ドレインDRN1、ソースSOU1、制御ゲート電極CGE、及び選択ゲート電極WGE)を0Vにする。
図2は、図1のA−A´断面における不純物濃度のプロファイルの第1例を示す図である。本図に示す例において、第2の低濃度領域LD2は、p型の不純物領域になっている。
詳細には、ドレインDRN1、第1の低濃度領域LD1、及びウェルWELのうち選択ゲート電極WGEの下方に位置する部分におけるp型の不純物濃度は、他の領域(例えばソースSOU1やウェルWELのうち浮遊ゲート電極FGEの下方に位置する部分)におけるp型の不純物濃度に比べて少し高くなっている。例えば、ソースSOU1やウェルWELのうち浮遊ゲート電極FGEの下方に位置する部分におけるp型の不純物濃度は、5×1016cm−3以上5×1017cm−3以下である。一方、ドレインDRN1、第1の低濃度領域LD1、及びウェルWELのうち選択ゲート電極WGEの下方に位置する部分において、p型の不純物濃度は、5×1017cm−3以上5×1018cm−3以下である。
また、n型の不純物濃度であるが、ドレインDRN1及びソースSOU1が最も高く、その次に第1の低濃度領域LD1が高く、その次に、ウェルWELのうち選択ゲート電極WGEの下方に位置する部分、及び第2の低濃度領域LD2が高い。また、ウェルWELのうち浮遊ゲート電極FGEの下方に位置する部分において、n型の不純物濃度は検出限界以下となっている。
そして、ウェルWELのうち選択ゲート電極WGEの下方に位置する部分、及び、第2の低濃度領域LD2において、n型の不純物濃度は、p型の不純物濃度よりも低くなっている。一方、第1の低濃度領域LD1において、n型の不純物濃度は、p型の不純物濃度よりも高くなっている。例えば、ドレインDRN1及びソースSOU1におけるn型の不純物濃度は、5×1019cm−3以上5×1020cm−3以下である。また、ウェルWELのうち選択ゲート電極WGEの下方に位置する部分におけるn型の不純物濃度は、5×1018cm−3以上5×1019cm−3以下である。一方、ウェルWELのうち選択ゲート電極WGEの下方に位置する部分、及び第2の低濃度領域LD2におけるn型の不純物濃度は、5×1016cm−3以上5×1017cm−3以下である。
そして、第2の低濃度領域LD2におけるp型の不純物の実効濃度(すなわちp型の不純物の濃度とn型の不純物濃度の差)は、ウェルWELのうち浮遊ゲート電極FGEの下方に位置する部分におけるp型の不純物の実効濃度よりも低くなっている。
また、第2の低濃度領域LD2におけるn型の不純物濃度は、平面視において浮遊ゲート電極FGEに近づくにつれて小さくなっている。これは、後述するように、第2の低濃度領域LD2のn型の不純物は、スペーサー絶縁膜SINS1が形成された後、斜め方向からイオン注入されているためである。
図3は、図1のA−A´断面における不純物濃度のプロファイルの第2例を示す図である。本図に示す例は、第2の低濃度領域LD2において、n型の不純物濃度が、p型の不純物濃度よりも高くなっている点を除いて、図2に示した例と同様である。このため、第2の低濃度領域LD2は、n型の不純物領域になっている。ただし、第2の低濃度領域LD2におけるn型の不純物の実効濃度(すなわちn型の不純物の濃度とp型の不純物濃度の差)は、第1の低濃度領域LD1におけるn型の不純物の実効濃度よりも低くなっている。
図4〜図7は、図1に示した半導体装置SDの製造方法の一例を示す断面図である。本図に示す工程の概略は、以下の通りである。まず、基板SUBにウェルWELを形成する。次いで、基板SUBのうちウェルWELが形成されている領域に、絶縁膜GINS1および浮遊ゲート電極FGEを形成する。次いで、浮遊ゲート電極FGEにスペーサー絶縁膜SINS1を形成する。次いで、ウェルWELに、ウェルに斜め方向からn型の不純物イオンを注入することにより、第2の低濃度領域LD2(低濃度領域)を形成する。この工程において第2の低濃度領域LD2は、ウェルWELのうち、スペーサー絶縁膜SINS1の下方に位置する部分の他、浮遊ゲート電極FGEで覆われていない領域にも形成される。次いで、第2の低濃度領域LD2のうちスペーサー絶縁膜SINS1で覆われていない領域に、p型の不純物イオンを注入する。次いで、選択ゲート電極WGEを形成し、さらに、ドレインDRN1及びソースSOU1を形成する。なお、基板SUBには、必要なタイミングで素子分離膜(図示せず)が形成されている。この素子分離膜は、例えばSTI構造を有している。以下、詳細に説明する。
まず図4(a)に示すように、基板SUBにp型の不純物イオンを注入する。これにより、基板SUBにはウェルWELが形成される。次いで、基板SUBを熱酸化することにより、絶縁膜GINS1を形成する。絶縁膜GINS1は、基板SUBのうち素子分離膜が形成されていない領域に形成される。次いで、絶縁膜GINS1上に、導電膜CNL1を形成する。導電膜CNL1は、例えばポリシリコン膜であり、例えばプラズマCVD法を用いて形成される。
次いで、導電膜CNL1上に、絶縁膜GINS2となる絶縁膜、制御ゲート電極CGEとなる導電膜、及びマスク膜MSKを、この順に形成する。これらの膜は、例えばプラズマCVD法を用いて形成される。次いで、マスク膜MSK上にレジストパターン(図示せず)を形成し、このレジストパターンをマスクとしてマスク膜MSKを選択的にエッチングする。これにより、マスク膜MSKには開口パターンが形成される。次いで、マスク膜MSKをマスクとしたエッチングを行う。これにより、制御ゲート電極CGE及び絶縁膜GINS2が形成される。なお、制御ゲート電極CGEを形成するときのエッチングにおいて、絶縁膜GINS2はエッチングストッパーとして機能する。また、絶縁膜GINS2をエッチングする時において、導電膜CNL1はエッチングストッパーとして機能する。
次いで、図4(b)に示すように、導電膜CNL1のうち隣り合う制御ゲート電極CGEの間に位置する領域(すなわち消去ゲート電極EGEが形成される領域)を、レジストパターンPR1で覆う。次いで、レジストパターンPR1をマスクとして導電膜CNL1をエッチングする。これにより、浮遊ゲート電極FGEが形成される。このエッチングにおいて、絶縁膜GINS1がエッチングストッパーとして機能する。なお、本図に示す状態において、隣り合う2つの浮遊ゲート電極FGEは互いにつながった状態になっている。
次いで、図4(c)に示すように、レジストパターンPR1を除去する。次いで、マスク膜MSK側面上、制御ゲート電極CGEの側面上、絶縁膜GINS2の側面上、浮遊ゲート電極FGEの上、及び絶縁膜GINS1の上を含む全面上に、スペーサー絶縁膜SINS1,SINS2となる絶縁膜を形成する。本図に示す例において、この絶縁膜は、例えば酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層構造を有している。次いで、この絶縁膜をエッチバックする。これにより、スペーサー絶縁膜SINS1,SINS2が形成される。
次いで、図4(c)に示すように、スペーサー絶縁膜SINS1,SINS2の上を含む全面に、絶縁膜INSL1を形成する。絶縁膜INSL1は、例えば酸化シリコン膜である。
次いで、図5(a)に示すように、レジストパターンPR2を形成する。レジストパターンPR2は、基板SUBのうちドレインDRN1を形成すべき領域を覆っているが、ソースSOU1を形成すべき領域に開口を有している。次いで、レジストパターンPR2及び絶縁膜INSL1をマスクとして、絶縁膜INSL1、浮遊ゲート電極FGE、及び絶縁膜GINS1をエッチングする。これにより、絶縁膜INSL1、浮遊ゲート電極FGE、及び絶縁膜GINS1のうちソースSOU1を形成すべき領域に位置する部分は、除去される。
次いで、図5(b)に示すように、レジストパターンPR3を形成する。レジストパターンPR3は、基板SUBのうちドレインDRN1を形成すべき領域を覆っているが、ソースSOU1を形成すべき領域に開口を有している。次いで、レジストパターンPR3マスクとして、基板SUBにn型の不純物イオンを注入する。これにより、基板SUBにはソースSOU1が形成される。
その後、図5(c)に示すように、レジストパターンPR3を除去する。次いで、浮遊ゲート電極FGEのうち消去ゲート電極EGEが形成されるべき側の側面の上にトンネル絶縁膜として、絶縁膜GINS4を形成する。この工程において、絶縁膜GINS4は、マスク膜MSK1上、スペーサー絶縁膜SINS1,SINS2上、及び基板SUB上にも形成される。
次いで、図6(a)に示すように、レジストパターンPR4を形成する。次いで、レジストパターンPR4をマスクとして絶縁膜GINS4をエッチングする。これにより、絶縁膜GINS4は、スペーサー絶縁膜SINS2上、2つの浮遊ゲート電極FGEの側面上、及び基板SUBのうち2つの浮遊ゲート電極FGEの間に位置する部分を残して除去される。なお、絶縁膜GINS4は、マスク膜MSKの上面のうちスペーサー絶縁膜SINS2側の端部にも残っていてもよい。
なお、後述の図6(b)及び図6(c)で説明する第2の低濃度領域LD2の形成工程とp型の不純物を垂直方向から注入する工程は、絶縁膜GINS4を除去する前に行っても良い。すなわち、図5(c)の状態で行っても良い。その場合、これらの工程の後に絶縁膜GINS4を除去し、その後、基板SUBを熱酸化することで、絶縁膜GINS3および絶縁膜INSLを形成する。
その後、図6(b)に示すように、レジストパターンPR4を除去する。次いで、レジストパターンPR5を形成する。レジストパターンPR5は、基板SUBのうち2つの浮遊ゲート電極FGEの間に位置する領域を覆っている。次いで、基板SUBを回転さながら、基板SUBにn型の不純物イオンを斜め方向から注入する。これにより、基板SUBのうちスペーサー絶縁膜SINS1の下方に位置する部分、ならびに浮遊ゲート電極FGE及びレジストパターンPR5で覆われていない部分には、第2の低濃度領域LD2が形成される。なお、このときのイオン注入条件の詳細例については後述する。
次いで、図6(c)に示すように、レジストパターンPR5をマスクとして、p型の不純物を垂直方向から注入する。これにより、第2の低濃度領域LD2のうちスペーサー絶縁膜SINS1の下方に位置する部分を除いた領域には、p型の不純物が注入される。これにより、第2の低濃度領域LD2のうちスペーサー絶縁膜SINS1の下方に位置する部分以外の領域は、実質的に消える。
その後、図7(a)に示すように、レジストパターンPR5を除去する。次いで、熱酸化法により、ドレイン側の基板SUBに絶縁膜GINS3を形成する。ここで同時にソース側の基板SUBも酸化されるので、残されていた絶縁膜GINS4の膜厚が増加することで、絶縁膜INSLが形成される。その後、基板SUBの上に導電膜(例えばポリシリコン膜)をプラズマCVD法により形成する。次いで、この導電膜上にメモリセルを露出するレジストパターン(図示せず)を形成し、この導電膜に対して異方性のドライエッチングを実施する。これにより、メモリセル内で、消去ゲート電極EGEおよび選択ゲート電極WGEが自己整合的に形成される。
次いで、消去ゲート電極EGE、マスク膜MSK、及び選択ゲート電極WGEをマスクとして、基板SUBにn型の不純物をイオン注入する。これにより、基板SUBには第1の低濃度領域LD1が形成される。次いで、基板SUB上に絶縁膜(例えば酸化シリコン膜)を、プラズマCVD法を用いて形成し、この絶縁膜をエッチバックする。これにより、側壁絶縁膜SWが形成される。なお、側壁絶縁膜SWは酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜としても良い。
次いで、図7(b)に示すように、消去ゲート電極EGE、マスク膜MSK、選択ゲート電極WGE、及び側壁絶縁膜SWをマスクとして、基板SUBにn型の不純物をイオン注入する。これにより、ドレインDRN1が形成される。このようにして、図1に示した半導体装置SDが形成される。
図8は、第2の低濃度領域LD2を形成するときのイオン注入の条件を説明するための図である。浮遊ゲート電極FGEの高さをh)、絶縁膜GINS1の厚さをt1、スペーサー絶縁膜SINS1の厚さをt2とする。スペーサー絶縁膜SINS1の下方にイオン注入し、かつ浮遊ゲート電極FGEの下方にはなるべくイオン注入しないようにするためには、イオン注入の角度θは、以下の式の通りにするのが好ましい。
tanθ=t2/h・・・(1)
また、イオン注入における注入エネルギーは、使用するドーパントにおいて、あるエネルギーでの飛程をRp、飛程の標準偏差をσとすると、以下の式(2)が成立する。
注入幅L=(h+t1)/ cosθ=Rp+3σ・・・(2)
この関係が成り立つことで、実効的に斜め注入ドーパントによる低濃度領域の存在範囲は、かなりの精度でスペーサー絶縁膜SINS1の下方に限定される。
例えばウェルWELが有するp型の不純物をBとして、スペーサー絶縁膜SINS1を形成するときのn型の不純物をAsとして、t1=10nm、t2=30nmとする。この場合、h=300nmの場合は、θ=5.7°、L=312nm、好適なAsのイオン注入エネルギーは280keVとなり、h=200nmの場合は、θ=8.5°、L=212nm、好適なAsのイオン注入エネルギーは190keVとなる。また、h=100nmの場合は、θ=16.7°、L=115nm、好適なAsのイオン注入エネルギーは100keVとなり、h=50nmの場合は、θ=31.0°、L=70nm、好適なAsのイオン注入エネルギーは50keVとなる。
図9は、スペーサー絶縁膜SINS1の厚さとドレインDRN1−ソースSOU1間のオン電流との関係を示す図である。具体的には、第2の低濃度領域LD2を形成しない場合(比較例)、第2の低濃度領域LD2におけるn型の不純物濃度がp型の不純物濃度よりも低い場合(第2の低濃度領域LD2がp型の場合)、及び、第2の低濃度領域LD2におけるn型の不純物濃度がp型の不純物濃度よりも高い場合(第2の低濃度領域LD2がn型の場合)について、示している。
比較例において、第2の低濃度領域LD2が厚くなると、基板SUBのうち第2の低濃度領域LD2の下方に位置する部分には反転層ができにくくなる。従って、第2の低濃度領域LD2の厚さが一定値以上になると、オン電流は急激に小さくなる。この場合、メモリセルから誤った情報が読み出される可能性が出てくる。
これに対して、上記した実施形態によれば、基板SUBのうちスペーサー絶縁膜SINS1の下方に位置する部分には、第2の低濃度領域LD2が形成されている。第2の低濃度領域LD2には、n型の不純物が注入されている。このため、第2の低濃度領域LD2における実効的なp型の不純物濃度は、ウェルWELにおける実効的なp型の不純物濃度よりも低い。従って、スペーサー絶縁膜SINS1が設計値より厚くなり、選択ゲート電極WGEと制御ゲート電極CGEの距離が離れても、基板SUBのうち選択ゲート電極WGEと制御ゲート電極CGEの間に位置する部分のオン抵抗は小さくなる。従って、選択ゲート電極WGEと制御ゲート電極CGEの距離が離れていても、選択ゲート電極WGE及び制御ゲート電極CGEの双方に電圧を加えると、ドレインからソースに電流が流れる。このため、メモリセルから誤った情報が読み出されることを抑制できる。
また、第2の低濃度領域LD2において、n型の不純物濃度がp型の不純物濃度よりも低い場合、第2の低濃度領域LD2はp型領域のままであるため、不揮発メモリの書き込み特性は低下しない。
一方、第2の低濃度領域LD2においてn型の不純物濃度がp型の不純物濃度よりも低い場合、第2の低濃度領域LD2はn型領域になる。このため、図11に示すように、選択ゲート電極WGEと制御ゲート電極CGEの距離が離れていた場合に、選択ゲート電極WGE及び制御ゲート電極CGEの双方に電圧を加えると、ドレインからソースにさらに電流が流れやすくなる。従って、メモリセルから誤った情報が読み出されることをさらに抑制できる。
(第2の実施形態)
図10は、第2の実施形態に係る半導体装置SDの製造方法を説明するための断面図である。本実施形態に係る半導体装置SDは、第2の低濃度領域LD2を形成するタイミングを除いて、第1の実施形態に係る半導体装置SDの製造方法と同様である。
詳細には、図10(a)に示すように、まず、基板SUBにウェルWELを形成し、さらに、絶縁膜GINS1、浮遊ゲート電極FGE、絶縁膜GINS2、制御ゲート電極CGE、及びマスク膜MSKを形成する。この工程は、第1の実施形態において図4(a)及び(b)に示したとおりである。
次いで、図10(b)に示すように、レジストパターンPR6を形成する。レジストパターンPR6のパターン形状は、レジストパターンPR5のパターン形状と同様である。次いで、レジストパターンPR5をマスクとして、n型の不純物イオンを基板SUBに垂直な方向から注入する。これにより、第2の低濃度領域LD2が形成される。
その後、レジストパターンPR6を除去する。その後の工程は、図4(b)に示したタイミングで第2の低濃度領域LD2を形成しない点を除いて、第1の実施形態において図4(c)〜図7(b)を用いて説明したとおりである(図10(c))。
本実施形態によっても、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
(第3の実施形態)
図11〜図14は、第3の実施形態に係る半導体装置SDの製造方法を示す断面図である。本実施形態によって製造される半導体装置SDは、メモリ領域FMR及びロジック領域LGCRを有している。メモリ領域FMRには、第1の実施形態に示した不揮発メモリが複数形成されている。一方、ロジック領域LGCRには、少なくとも一つのロジック回路が形成されている。このロジック回路は、トランジスタを有している。また、半導体装置SDは、さらにこのトランジスタより高耐圧なトランジスタも有している。このトランジスタは、ロジック回路のトランジスタよりもゲート絶縁膜が厚い。
まず、図11(a)に示すように、基板SUBにウェルWELを形成する。ウェルWELは、メモリ領域FMR及びロジック領域LGCRの双方に形成される。次いで、メモリ領域FMRに、絶縁膜GINS1、導電膜CNL1、絶縁膜GINS2、制御ゲート電極CGE、及びマスク膜MSKを形成する。これらの形成方法は、第1の実施形態と同様である。この工程において、ロジック領域LGCRにも、絶縁膜GINS1及び導電膜CNL1が形成される。
次いで、図11(b)に示すように、レジストパターンPR1を形成し、レジストパターンPR1をマスクとしたエッチングを行う。これにより、浮遊ゲート電極FGEが形成される。またこの工程において、ロジック領域LGCRに位置する導電膜CNL1は除去される。
次いで、図11(c)に示すように、スペーサー絶縁膜SINS1,SINS2を形成する。これらの形成方法は、第1の実施形態と同様である。なお、この工程において、絶縁膜GINS1のうち浮遊ゲート電極FGE又はスペーサー絶縁膜SINS1で覆われていない部分は除去される。
次いで、図11(d)に示すように、絶縁膜INSL1を形成する。絶縁膜INSL1は、ロジック領域LGCRに位置する基板SUB上にも形成される。
次いで、図12(a)に示すように、レジストパターンPR2を形成する。レジストパターンPR2は、ロジック領域LGCRに位置する基板SUBも覆っている。次いで、レジストパターンPR2及び絶縁膜INSL1をマスクとして、浮遊ゲート電極FGE及び絶縁膜GINS1をエッチングする。これにより、浮遊ゲート電極FGE及び絶縁膜GINS1のうちソースSOU1を形成すべき領域に位置する部分は、除去される。
その後、図12(b)に示すように、レジストパターンPR2を除去する。次いで、高耐圧トランジスタのゲート絶縁膜GINS5を、プラズマCVD法やCVD法などの堆積法を用いて形成する。この工程において、メモリ領域FMRに位置する基板SUB上、スペーサー絶縁膜SINS1,SINS2上、マスク膜MSK上、及び浮遊ゲート電極FGEの側面のうち露出している部分の上にもゲート絶縁膜GINS5が形成される。さらに、ロジック領域LGCRに位置する基板SUB上にもゲート絶縁膜GINS5が形成される。
次いで、図12(c)に示すように、レジストパターンPR3を形成する。レジストパターンPR3は、ロジック領域LGCRに位置する基板SUBも覆っている。次いで、レジストパターンPR3マスクとして、基板SUBにn型の不純物イオンを注入する。これにより、基板SUBにはソースSOU1が形成される。さらに、レジストパターンPR3をマスクとしてエッチングを行う。これにより、ゲート絶縁膜GINS5のうちレジストパターンPR3で覆われていない部分(例えばソースSOU1上に位置する部分、浮遊ゲート電極FGEの一方の側面の上に位置する部分、及びスペーサー絶縁膜SINS2の上に位置する部分)は、除去される。
その後、図12(d)に示すように、レジストパターンPR3を除去する。次いで、トンネル絶縁膜として、絶縁膜GINS4を形成する。絶縁膜GINS4は、例えばCVD法で形成されている。なお、メモリ領域FMRのドレイン側及びロジック領域LGCRの絶縁膜GINS5上にも、絶縁膜GINS4が形成されるが、ここでは簡略化のために図12(d)においては、ゲート絶縁膜GINS5上のトンネル絶縁膜GINS4は、絶縁膜GINS5と一体化して示している。
次いで、図13(a)に示すように、レジストパターンPR4を形成する。レジストパターンPR4は、ロジック領域LGCRに位置する基板SUBも覆っている。次いで、レジストパターンPR4をマスクとしたイオン注入を行うことにより、第2の低濃度領域LD2を形成する。この工程は、第1の実施形態において図6(a),(b)を用いて説明した通りである。
次いで、図13(b)に示すように、レジストパターンPR5を形成し、レジストパターンPR5をマスクとしたエッチングを行うことにより、絶縁膜GINS4及びゲート絶縁膜GINS5のうち不要な部分を除去する。この工程は、第1の実施形態において図6(a)を用いて説明したとおりである。
その後、図13(c)に示すように、レジストパターンPR5を除去する。次いで、熱酸化法により、ドレイン側の基板SUBに絶縁膜GINS3を形成する。ここで同時にソース側の基板SUBも酸化されるので、残されていた絶縁膜GINS4の膜厚が増加することで、絶縁膜INSLが形成される。また、この時にロジック領域LGCRにおいては、トランジスタのゲート絶縁膜となるゲート絶縁膜GINS6が形成される。
その後、基板SUBの上に例えばポリシリコン膜等の導電膜を形成する。図示はしないが、メモリ領域FMRを露出し、且つ、ロジック領域LGCRの一部を覆うレジストパターンを用いて、異方性ドライエッチングにより導電膜を加工する。これにより、消去ゲート電極EGEおよび選択ゲート電極WGEを形成する。この工程は、第1の実施形態において図7(a)を用いて説明した通りである。なお、この工程において、ロジック領域LGCRには、トランジスタのゲート電極GEが形成される。
次いで、図14(a)に示すように、第1の低濃度領域LD1及び側壁絶縁膜SWを形成する。この工程は、第1の実施形態において図7(a)を用いて説明した通りである。
また、この工程において、ロジック領域LGCRには、トランジスタの低濃度領域LD3が形成され、かつ、ゲート電極GEの側壁に側壁絶縁膜SWが形成される。
次いで、図14(b)に示すように、メモリ領域FMRにドレインDRN1を形成する。この工程は、第1の実施形態において図7(b)を用いて説明した通りである。また、この工程において、ロジック領域LGCRには、トランジスタのドレインDRN2及びソースSOU2が形成される。
本実施形態によっても、第1の実施形態と同様の効果が得られる。なお、本実施形態において、第2の低濃度領域LD2を第2の実施形態と同様の方法で形成してもよい。
以上、本発明者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。
CGE 制御ゲート電極
CNL1 導電膜
DRN1 ドレイン
DRN2 ドレイン
EGE 消去ゲート電極
FGE 浮遊ゲート電極
FMR メモリ領域
GE ゲート電極
GINS1 絶縁膜
GINS2 絶縁膜
GINS3 絶縁膜
GINS4 絶縁膜
GINS5 絶縁膜
GINS6 絶縁膜
INSL 絶縁膜
INSL1 絶縁膜
LD1 低濃度領域
LD2 低濃度領域
LD3 低濃度領域
LGCR ロジック領域
MSK マスク膜
PR1 レジストパターン
PR2 レジストパターン
PR3 レジストパターン
PR4 レジストパターン
PR5 レジストパターン
PR6 レジストパターン
SD 半導体装置
SINS1 スペーサ絶縁膜
SINS2 スペーサ絶縁膜
SOU1 ソース
SOU2 ソース
SUB 基板
SW 側壁絶縁膜
WEL ウェル
WGE 選択ゲート電極

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板に形成された第1導電型のウェルと、
    前記基板のうち前記ウェルが形成されている領域に形成された第1絶縁膜と、
    前記第1絶縁膜上に形成された浮遊ゲート電極と、
    前記浮遊ゲート電極の第1の側壁を覆うスペーサー絶縁膜と、
    前記スペーサー絶縁膜を介して前記浮遊ゲート電極に対向する選択ゲート電極と、
    前記選択ゲート電極のうち前記スペーサー絶縁膜とは逆側の側面に形成された側壁絶縁膜と、
    前記ウェルに形成され、平面視において前記側壁絶縁膜を介して前記浮遊ゲート電極とは逆側に位置する第1の第2導電型領域と、
    前記ウェルに形成され、平面視において前記浮遊ゲート電極を介して前記第1の第2導電型領域とは逆側に位置する第2の第2導電型領域と、
    前記ウェルに形成され、平面視において前記側壁絶縁膜の下に位置し、前記第1の第2導電型領域よりも第2導電型の不純物濃度が低い第2導電型の第1の低濃度領域と、
    前記ウェルに形成され、平面視において前記スペーサー絶縁膜の下に位置する第2の低濃度領域と、
    を備え、
    前記第2の低濃度領域における第2導電型の不純物濃度は、前記第1の低濃度領域における第2導電型の不純物濃度よりも低く、かつ前記ウェルのうち前記第1絶縁膜の下に位置する部分における第2導電型の不純物濃度よりも高い半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第2の低濃度領域において、第2導電型の不純物濃度は第1導電型の不純物濃度よりも低い半導体装置。
  3. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第2の低濃度領域において、第2導電型の不純物濃度は第1導電型の不純物濃度よりも高い半導体装置。
  4. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第1の低濃度領域における第1導電型の不純物濃度は、前記ウェルにおける第1導電型の不純物濃度よりも高い半導体装置。
  5. 基板に第1導電型のウェルを形成する工程と、
    前記基板のうち前記ウェルが形成されている領域に、第1絶縁膜、及び前記第1絶縁膜上に位置する浮遊ゲート電極を形成する工程と、
    前記浮遊ゲート電極の第1の側壁を覆うスペーサー絶縁膜を形成する工程と、
    前記ウェルに斜め方向から第2導電型の不純物イオンを注入することにより、前記ウェルのうち前記浮遊ゲート電極で覆われていない領域及び前記スペーサー絶縁膜の下方に位置する領域に、低濃度領域を形成する工程と、
    前記低濃度領域のうち前記スペーサー絶縁膜で覆われていない領域に、第1導電型の不純物イオンを注入する工程と、
    前記スペーサー絶縁膜を介して前記浮遊ゲート電極に対向する選択ゲート電極を形成する工程と、
    前記ウェルに、平面視において前記選択ゲート電極及び前記浮遊ゲート電極を介して互いに逆側に位置する第1の第2導電型領域及び第2の第2導電型領域を形成する工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
  6. 基板に第1導電型のウェルを形成する工程と、
    前記基板のうち前記ウェルが形成されている領域に、第1絶縁膜、及び前記第1絶縁膜上に位置する浮遊ゲート電極を形成する工程と、
    前記ウェルに第2導電型の不純物イオンを注入することにより、前記ウェルのうち前記浮遊ゲート電極で覆われていない領域に、低濃度領域を形成する工程と、
    前記浮遊ゲート電極の第1の側壁を覆うスペーサー絶縁膜を形成する工程と、
    前記低濃度領域のうち前記スペーサー絶縁膜で覆われていない領域に、第1導電型の不純物イオンを注入する工程と、
    前記スペーサー絶縁膜を介して前記浮遊ゲート電極に対向する選択ゲート電極を形成する工程と、
    前記ウェルに、平面視において前記選択ゲート電極及び前記浮遊ゲート電極を介して互いに逆側に位置する第1の第2導電型領域及び第2の第2導電型領域を形成する工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
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