JP2016192431A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】不揮発性メモリのメモリセルは、半導体基板SB上に絶縁膜GFを介して形成された制御ゲート電極CGと、半導体基板SB上に絶縁膜MZを介して形成され、制御ゲート電極CGに絶縁膜MZを介して隣り合うメモリゲート電極MGと、を有している。絶縁膜MZは、酸化シリコン膜からなる絶縁膜MZ1と、絶縁膜MZ1上の窒化シリコン膜からなる絶縁膜MZ2と、絶縁膜MZ2上の絶縁膜MZ3とを有し、絶縁膜MZ3は、酸窒化シリコン膜を含んでいる。メモリゲート電極MGと半導体基板SBとの間において、絶縁膜MZ2,MZ3の端部T2a,T3aは、メモリゲート電極MGの下面KM1の端部T6よりも、側面SM1側に位置している。メモリゲート電極MGと半導体基板SBとの間において、絶縁膜MZが形成されていない領域には、酸化シリコン膜OX1が埋め込まれている。
【選択図】図2
Description
<半導体装置の構造について>
本実施の形態および以下の実施の形態の半導体装置は、不揮発性メモリ(不揮発性記憶素子、フラッシュメモリ、不揮発性半導体記憶装置)を備えた半導体装置である。本実施の形態および以下の実施の形態では、不揮発性メモリは、nチャネル型MISFET(MISFET:Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を基本としたメモリセルをもとに説明を行う。また、本実施の形態および以下の実施の形態での極性(書込・消去・読出時の印加電圧の極性やキャリアの極性)は、nチャネル型MISFETを基本としたメモリセルの場合の動作を説明するためのものであり、pチャネル型MISFETを基本とする場合は、印加電位やキャリアの導電型等の全ての極性を反転させることで、原理的には同じ動作を得ることができる。
次に、不揮発性のメモリセルMCの動作例について、図4を参照して説明する。
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図23は、本発明者が検討した検討例のメモリセルMC101を示す部分拡大断面図であり、上記図2に相当する領域が示されている。
本実施の形態の半導体装置は、不揮発性メモリのメモリセルMCを備える半導体装置である。本実施の形態の半導体装置は、半導体基板SBと、半導体基板SB上に絶縁膜GF(第1ゲート絶縁膜)を介して形成された制御ゲート電極CG(第1ゲート電極)と、半導体基板SB上に絶縁膜MZ(積層絶縁膜)を介して形成され、制御ゲート電極CGと絶縁膜MZを介して隣り合うメモリゲート電極MG(第2ゲート電極)と、を有している。絶縁膜MZは、絶縁膜MZ1(第1酸化シリコン膜)と、絶縁膜MZ1上の絶縁膜MZ2(第1窒化シリコン膜)と、絶縁膜MZ2上の絶縁膜MZ3(第1絶縁膜)と、を有している。絶縁膜MZ1は、酸化シリコン膜からなり、絶縁膜MZ2は、窒化シリコン膜からなり、電荷蓄積機能を有しており、絶縁膜MZ3は、酸窒化シリコン膜を含み、本実施の形態の場合は、絶縁膜MZ3は、酸窒化シリコン膜からなる。メモリゲート電極MGは、半導体基板SBに対向する下面KM1と、絶縁膜MZを介して制御ゲートCLGに隣接する側の側面SM1(第1側面)と、側面SM1とは反対側の側面SM2(第2側面)と、を有している。メモリゲート電極MGの下面KM1と半導体基板SBとの間において、絶縁膜MZ2の端部T2a(第1端部)と絶縁膜MZ3の端部T3a(第2端部)とは、メモリゲート電極MGの下面KM1の側面SM2側の端部T6(第3端部)よりも、側面SM1側に位置している。そして、メモリゲート電極MGの下面KM1と半導体基板SBとの間において、絶縁膜MZが形成されていない領域には、酸化シリコン膜OX1(第2酸化シリコン膜)が埋め込まれている。
図24は、本実施の形態2の半導体装置の要部断面図である。図24は、上記実施の形態1の上記図2に対応するものであり、メモリセルMCの部分拡大断面図が示されている。本実施の形態2のメモリセルMCを、以下ではメモリセルMC2と称することとする。
図29は、本実施の形態3の半導体装置の要部断面図である。図29は、上記実施の形態1の上記図2に対応するものであり、メモリセルMCの部分拡大断面図が示されている。本実施の形態3のメモリセルMCを、以下ではメモリセルMC3と称することとする。
図34は、本実施の形態4の半導体装置の要部断面図である。図34は、上記実施の形態1の上記図2に対応するものであり、メモリセルMCの部分拡大断面図が示されている。本実施の形態4のメモリセルMCを、以下ではメモリセルMC4と称することとする。
図36は、本実施の形態5の半導体装置の要部断面図である。図36は、上記実施の形態1の上記図2に対応するものであり、メモリセルMCの部分拡大断面図が示されている。本実施の形態5のメモリセルMCを、以下ではメモリセルMC5と称することとする。
CG 制御ゲート電極
CLG 制御ゲート
CP キャップ絶縁膜
CT コンタクトホール
EX,EX1,EX2 n−型半導体領域
GF 絶縁膜
KM1,KM2 下面
IL1 層間絶縁膜
IL2 絶縁膜
M1 配線
MC,MC2,MC3,MC4,MC5,MC101 メモリセル
MD,MS 半導体領域
MG メモリゲート電極
MZ,MZ1,MZ2,MZ3,MZ4,MZ5 絶縁膜
OS1,OS2 オフセットスペーサ
OX,OX1,OX2 酸化シリコン膜
PG プラグ
PS1,PS2 シリコン膜
PW p型ウエル
SB 半導体基板
SD1,SD2 n+型半導体領域
SL 金属シリサイド層
SM1,SM2,SM3,SM4 側面
SP シリコンスペーサ
SW サイドウォールスペーサ
T1a,T1b,T2a,T2b,T3a,T3b,T4a,T4b,T5a,T5b,T6 端部
T7 上端部
YG1,YG2,YG3 矢印
ZM1 絶縁膜
Claims (20)
- 不揮発性メモリのメモリセルを備える半導体装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に第1ゲート絶縁膜を介して形成され、前記メモリセルを構成する第1ゲート電極と、
前記半導体基板上に積層絶縁膜を介して形成され、前記第1ゲート電極と前記積層絶縁膜を介して隣り合い、前記メモリセルを構成する第2ゲート電極と、
を有し、
前記積層絶縁膜は、第1酸化シリコン膜と、前記第1酸化シリコン膜上の第1窒化シリコン膜と、前記第1窒化シリコン膜上の第1絶縁膜とを有し、
前記第1窒化シリコン膜は、電荷蓄積機能を有し、
前記第1絶縁膜は、酸窒化シリコン膜を含み、
前記第2ゲート電極は、前記半導体基板に対向する下面と、前記積層絶縁膜を介して前記第1ゲート電極に隣接する側の第1側面と、前記第1側面とは反対側の第2側面と、を有し、
前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間において、前記第1窒化シリコン膜の第1端部と前記第1絶縁膜の第2端部とは、前記第2ゲート電極の前記下面の前記第2側面側の第3端部よりも、前記第1側面側に位置し、
前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間において、前記積層絶縁膜が形成されていない領域には、第2酸化シリコン膜が埋め込まれている、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間において、前記第1絶縁膜の前記第2端部は、前記第1窒化シリコン膜の前記第1端部よりも、前記第1側面側に位置する、半導体装置。 - 請求項2記載の半導体装置において、
前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間において、前記第1窒化シリコン膜の一部上に、前記第2酸化シリコン膜が重なっている、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第2ゲート電極の前記第2側面上に形成された第1側壁絶縁膜を有し、
前記第2酸化シリコン膜は、前記第1側壁絶縁膜と一体的に形成されている、半導体装置。 - 請求項4記載の半導体装置において、
前記第2ゲート電極の前記第2側面上に前記第1側壁絶縁膜を介して形成された第2側壁絶縁膜を更に有する、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記半導体基板に形成された、前記メモリセルを構成するソースまたはドレイン用の第1半導体領域および第2半導体領域を有し、
前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極は、前記半導体基板上に、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域との間に配置されている、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第2ゲート電極から前記積層絶縁膜の前記第1窒化シリコン膜に第1極性の電荷を注入することによって、前記メモリセルの消去動作を行う、半導体装置。 - 請求項7記載の半導体装置において、
前記メモリセルの消去では、トンネリングにより、前記積層絶縁膜の前記第1窒化シリコン膜に前記第1極性の電荷が注入される、半導体装置。 - 請求項8記載の半導体装置において、
前記半導体基板から前記積層絶縁膜の前記第1窒化シリコン膜に前記第1極性とは反対の第2極性の電荷を注入することにより、前記メモリセルの書き込みを行う、半導体装置。 - 請求項9記載の半導体装置において、
前記メモリセルの書き込みでは、ソースサイド注入により、前記積層絶縁膜の前記第1窒化シリコン膜の前記第1ゲート電極側に前記第2極性の電荷が注入される、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第1絶縁膜は、前記酸窒化シリコン膜からなる単層の膜である、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第1絶縁膜は、前記酸窒化シリコン膜と、前記酸窒化シリコン膜上の第2絶縁膜とを有する積層膜であり、
前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間において、前記酸窒化シリコン膜の第4端部と前記第2絶縁膜の第5端部とは、前記第2ゲート電極の前記下面の前記第3端部よりも、前記第1側面側に位置する、半導体装置。 - 請求項12記載の半導体装置において、
前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間において、前記第2絶縁膜の前記第5端部は、前記酸窒化シリコン膜の前記第4端部よりも、前記第1側面側に位置する、半導体装置。 - 請求項13記載の半導体装置において、
前記第2絶縁膜は、前記酸窒化シリコン膜上の第2窒化シリコン膜と、前記第2窒化シリコン膜上の第3酸化シリコン膜との積層膜からなる、半導体装置。 - 不揮発性メモリのメモリセルを備える半導体装置の製造方法であって、
(a)半導体基板を用意する工程、
(b)前記半導体基板上に、第1ゲート絶縁膜を介して、前記メモリセルを構成する第1ゲート電極を形成する工程、
(c)第1酸化シリコン膜と前記第1酸化シリコン膜上の第1窒化シリコン膜と前記第1窒化シリコン膜上の第1絶縁膜とを有する積層絶縁膜を、前記半導体基板の主面と前記第1ゲート電極の表面とに形成する工程、
(d)前記積層絶縁膜上に、前記積層絶縁膜を介して前記第1ゲート電極に隣り合うように、前記メモリセルを構成する第2ゲート電極を形成する工程、
(e)前記第2ゲート電極で覆われない部分の前記積層絶縁膜を除去する工程、
を有し、
前記第1絶縁膜は、酸窒化シリコン膜を含み、
前記第2ゲート電極は、前記半導体基板に対向する下面と、前記積層絶縁膜を介して前記第1ゲート電極に隣接する側の第1側面と、前記第1側面とは反対側の第2側面と、を有し、
前記(e)工程は、
(e1)前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間に介在する前記積層絶縁膜の一部を除去する工程、
(e2)前記(e1)工程の後、前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間における、前記積層絶縁膜が除去された領域に、第2酸化シリコン膜を埋め込む工程、
を含み、
前記(e1)工程を行うことにより、前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間において、前記第1窒化シリコン膜の第1端部と前記第1絶縁膜の第2端部とは、前記第2ゲート電極の前記下面の前記第2側面側の第3端部よりも、前記第1側面側に位置する、半導体装置の製造方法。 - 請求項15記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e2)工程は、
(e2a)前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間における、前記積層絶縁膜が除去された領域内を埋め、かつ、前記第2ゲート電極を覆うように、前記半導体基板上に前記第2酸化シリコン膜を形成する工程、
(e2b)前記第2酸化シリコン膜を等方性エッチングすることにより、前記第2ゲート電極で覆われずに露出する部分の前記第2酸化シリコン膜を除去し、前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間に位置する部分の前記第2酸化シリコン膜を残す工程、
を有する、半導体装置の製造方法。 - 請求項15記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e2)工程は、
(e2c)前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間における、前記積層絶縁膜が除去された領域内を埋め、かつ、前記第2ゲート電極を覆うように、前記半導体基板上に前記第2酸化シリコン膜を形成する工程、
(e2d)前記第2酸化シリコン膜を異方性エッチングによりエッチバックして、前記第2ゲート電極の前記第2側面上に残存する前記第2酸化シリコン膜からなる側壁絶縁膜を形成する工程、
を有し、
前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間に、前記側壁絶縁膜の一部が埋め込まれている、半導体装置の製造方法。 - 請求項15記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e1)工程は、
(e1a)等方性エッチングにより、前記第2ゲート電極で覆われずに露出する部分の前記第1絶縁膜と、前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間に介在する前記第1絶縁膜の一部とを除去する工程、
(e1b)前記(e1a)工程後、等方性エッチングにより、前記第1絶縁膜で覆われずに露出する部分の前記第1窒化シリコン膜を除去する工程、
を有する、半導体装置の製造方法。 - 請求項18記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e1)工程は、
(e1c)前記(e1b)工程後、等方性エッチングにより、前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間に介在する前記第1絶縁膜の一部を除去する工程、
を更に有し、
前記(e1c)工程を行うことにより、前記第2ゲート電極の前記下面と前記半導体基板との間において、前記第1絶縁膜の前記第2端部は、前記第1窒化シリコン膜の前記第1端部よりも、前記第1側面側に位置する、半導体装置の製造方法。 - 請求項15記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1絶縁膜は、前記酸窒化シリコン膜からなる単層の膜、または、前記酸窒化シリコン膜を含む積層膜からなる、半導体装置の製造方法。
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