JP3799166B2 - Manufacturing method of MOS type semiconductor device - Google Patents

Manufacturing method of MOS type semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP3799166B2
JP3799166B2 JP21995698A JP21995698A JP3799166B2 JP 3799166 B2 JP3799166 B2 JP 3799166B2 JP 21995698 A JP21995698 A JP 21995698A JP 21995698 A JP21995698 A JP 21995698A JP 3799166 B2 JP3799166 B2 JP 3799166B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
oxide film
mos transistor
region
manufacturing
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.)
Expired - Fee Related
Application number
JP21995698A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2000058669A (en
Inventor
暢征 田村
博之 河原
研 三室
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.)
Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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 Panasonic Corp, Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP21995698A priority Critical patent/JP3799166B2/en
Publication of JP2000058669A publication Critical patent/JP2000058669A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3799166B2 publication Critical patent/JP3799166B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、相異なるしきい値電圧を有する2種類のMOSFETを搭載した半導体集積回路等の半導体装置に係り、特に不揮発性メモリセルを含むものの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
通常、不揮発性メモリを搭載した半導体集積回路は、不揮発性メモリセル領域と周辺回路領域とを備えており、周辺回路領域には、相異なるしきい値電圧を有する複数種類のMOSトランジスタが配設される。
【0003】
図3(a)−(c)及び図4(a),(b)は、従来の不揮発性メモリを搭載した半導体集積回路の製造工程の一例を示す断面図である。
【0004】
図3(a)−(c)及び図4(a),(b)において、100はSi基板、101は高しきい値電圧を有する第1MOSトランジスタを形成するための第1トランジスタ形成領域、102は低しきい値電圧を有する第2MOSトランジスタを形成するための第2トランジスタ形成領域、103は不揮発性メモリセル形成領域、104は素子分離用絶縁膜、105はトンネル酸化膜、106はフローティングゲート電極、107はボトム酸化膜、108は中間窒化膜、109はCVD及び熱処理により形成された第1の酸化膜、110はレジストマスク、111は第1MOSトランジスタのゲート絶縁膜、112は第2MOSトランジスタのゲート絶縁膜、113はONO膜のトップ酸化膜、114は第1MOSトランジスタのゲート電極、115は第2MOSトランジスタのゲート電極、116はコントロールゲート電極をそれぞれ示している。
【0005】
まず、図3(a)に示す工程で、Si基板100を、第1トランジスタ形成領域101、第2トランジスタ形成領域102、不揮発性メモリセル形成領域103に区画するための素子分離用絶縁膜104を形成し、不揮発性メモリセル形成領域103に、トンネル酸化膜105、フローティングゲート電極106、ONO膜のボトム酸化膜107、ONO膜の中間窒化膜108を順次積層して形成する。
【0006】
次に、図3(b)に示す工程で、CVD法を用いて、厚みが約6nmのHTO膜を形成した後、熱酸化を行って厚みが約15nmの熱酸化膜を形成し、これらの積層膜からなる第1の酸化膜109を形成する。
【0007】
次に、図3(c)に示す工程で、第2トランジスタ形成領域102を開口したレジストマスク110を形成し、このレジストマスク110を用いてエッチングを行なって、第1の酸化膜109のうち第2トランジスタ形成領域102上にある部分だけを選択的に除去する。
【0008】
次に、図4(a)に示す工程で、熱酸化処理により、第2トランジスタ形成領域102上に、厚みが約5nmのゲート絶縁膜112を形成する。このとき、同時に、第1トランジスタ形成領域101における第1の酸化膜109と基板面との間にも厚みが約2nmの第2の酸化膜112aが形成される。また、不揮発性メモリセル形成領域103においてはONO膜の窒化膜108が酸化されてトップ酸化膜113が形成される。その結果、第1トランジスタ形成領域101には、第2の酸化膜112aと第1の酸化膜109の積層膜からなるゲート絶縁膜111が形成される。ただし、第1トランジスタ形成領域101において、2回目の熱酸化処理を行なう前に基板の酸洗浄,炉前洗浄などを施す際に、第1の酸化膜109の厚みの膜減りが生じるので、最終的なゲート絶縁膜111の厚みは、約15nmとなっている。
【0009】
次に、図4(b)に示す工程で、基板上にポリシリコン膜を堆積した後、これをパターニングして、第1MOSトランジスタのゲート電極114と、第2MOSトランジスタのゲート電極115と、不揮発性メモリセルのコントロールゲート電極116とを形成する。
【0010】
すなわち、高しきい値電圧を有する第1MOSトランジスタは、第1の酸化膜109と第2の酸化膜112aとの積層膜からなる厚みが約15nmの厚いゲート絶縁膜111を有し、低しきい値電圧を有する第2MOSトランジスタは、2回目の熱酸化処理によって形成された酸化膜のみからなる厚みが約5nmの薄いゲート絶縁膜112を有している。このようなゲート絶縁膜の厚みの差によって、互いに異なるしきい値電圧で動作する2種類のトランジスタを周辺回路に配置するように構成されている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の不揮発性メモリセルを有する半導体装置においては、以下のような問題があった。
【0012】
厚膜のゲート絶縁膜111を有する第1のトランジスタ形成領域101で、しきい値電圧のばらつき発生するという問題があった。
【0013】
しかし、この原因だけでは説明のつかないばらつきもあるので、さらに、実験を行なった結果、以下のようなデータが得られた。
【0014】
図5(b)は、上記従来の高しきい値電圧側の第2MOSトランジスタのVg−Id特性を示す図である。同図には、基板電位Vsub をパラメータにとって、5種類の基板電位Vsub についてのVg−Id特性が示されている。ここで、同図に示すように、一部にハンプが現れており、特にハンプの目立たない基板電位Vsub =0(実使用電位)のサンプルにおいても、微分特性を調べるとハンプが生じていることがわかった。
【0015】
このようなハンプは生じる原因は必ずしも明らかにはなっていないが、以下のような原因によるものと一応推定されている。
【0016】
すなわち、図4(a)に示す工程で、熱酸化を行って第1MOSトランジスタ101の第2の酸化膜112aを形成する際、第1トランジスタ形成領域101の素子分離用絶縁膜104領との境界部で局所的な第2の酸化膜112a端部の薄膜化が生じる。その結果、両端部分に他の部分よりも低いしきい値電圧を有する別のトランジスタ(いわゆるエッジトランジスタ)が作動する。これにより、Vg−Id特性のハンプが発生しているものと思われる。また、ゲート絶縁膜111の耐圧劣化・信頼性劣化、さらに境界部の形状に起因した電界集中が起こることによっても、しきい値電圧のばらつきが生じるものと思われる。
【0017】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ゲート絶縁膜の厚みを変えることにより、しきい値電圧が互いに異なる2つのMOSトランジスタを共通の半導体基板上に形成するようにした半導体装置の製造方法において、高しきい値電圧MOSトランジスタのVg−Id特性を改善するための工程を確立することにより、高しきい値電圧MOSトランジスタのしきい値電圧の安定化を図ることにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明が講じた手段は、相異なるしきい値電圧を有する2つのMOSトランジスタをゲート絶縁膜の厚みを変えることにより実現するとともに、先に熱酸化膜を形成した後、CVD酸化膜を積層して、その後、薄い方のゲート絶縁膜を有するMOSトランジスタの熱酸化と同時に、厚い方のゲート絶縁膜を有するMOSトランジスタの熱酸化膜を積層することにある。
【0019】
本発明の半導体装置の製造方法は、第1MOSトランジスタと該第1MOSトランジスタよりも低いしきい値電圧を有する第2MOSトランジスタとを共通の半導体基板上に有する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の上面に、上記第1MOSトランジスタを形成するための第1領域と、上記第2MOSトランジスタを形成するための第2領域とを区画する素子分離領域を形成する第1の工程と、第1回目の熱酸化を行って、上記第1領域及び第2領域の上に第1の熱酸化膜を形成する第2の工程と、CVDを行なって、上記第1の熱酸化膜の上にCVD酸化膜を形成する第3の工程と、上記第1の熱酸化膜及びCVD膜のうち上記第2領域にある部分のみを選択的に除去する第4の工程と、第2回目の熱酸化を行って、上記第2領域には第2の熱酸化膜からなる上記第2MOSトランジスタのゲート絶縁膜を形成する一方、上記第1領域には、上記第1の熱酸化膜,CVD膜及び第2の熱酸化膜の積層膜からなるゲート絶縁膜を形成する第5の工程と、上記第1及び第2の領域における上記各ゲート絶縁膜の上にそれぞれゲート電極を形成する第6の工程とを備えている。
【0020】
この方法により、第1MOSトランジスタのゲート絶縁膜の素子分離用絶縁膜との境界部での薄膜化が抑制され、電界の集中を回避できることによるものと思われるが、第1MOSトランジスタのVg−Id特性におけるハンプを解消し、しきい値電圧のばらつきを抑制することができる。また、第1MOSトランジスタのゲート絶縁膜の耐圧の劣化や信頼性の劣化を抑制できることによっても、しきい値電圧のばらつきを抑制することができる。
【0021】
上記半導体装置の製造工程において、上記第1の工程では、上記素子分離領域により、上記半導体基板上に不揮発性メモリセルを形成するための第3の領域をも区画し、上記第2の工程の前に、上記第3の領域にトンネル絶縁膜及びフローティングゲート電極を形成する工程と、上記フローティングゲート電極の上に少なくとも酸化膜及び窒化膜を含む積層容量膜を形成する工程とをさらに備え、上記第3の工程では、上記第3の領域において上記積層容量膜の酸化膜を形成し、上記第5の工程では、上記容量積層膜の上に不揮発性メモリセルのコントロールゲート電極を形成することにより、ON膜やONO膜からなる積層容量膜を有する不揮発性メモリセルを共通の半導体基板上に形成するための製造工程数を低減することができる。
【0022】
上記半導体装置の製造方法において、上記第3の工程の後に、アニール処理を施す工程をさらに備えることにより、CVD酸化膜の緻密化を図ることができる。
【0023】
その場合、上記アニール処理は、窒素雰囲気中で行なうことが好ましく、さらに、上記アニール処理の温度は上記CVD酸化膜の堆積温度と同等もしくはそれ以上であることが好ましい。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の半導体装置の製造方法における実施形態について、図1を参照しながら説明する。図1(a)−(c)及び図2(a)−(c)は、本実施形態に係る不揮発性メモリを搭載した半導体集積回路の製造工程を示す断面図である。
【0025】
図1(a)−(c)及び図2(a)−(b)において、1は高しきい値電圧を有する第1MOSトランジスタを形成するための第1トランジスタ形成領域、2は低しきい値電圧を有する第2MOSトランジスタを形成するための第2トランジスタ形成領域、3は不揮発性メモリセル形成領域、4は素子分離用絶縁膜、5はトンネル酸化膜、6はフローティングゲート電極、7はボトム酸化膜、8は中間窒化膜、10は第1回目の熱酸化により形成される第1の熱酸化膜、11はCVD酸化膜、12は第1MOSトランジスタのゲート絶縁膜、13は第2MOSトランジスタのゲート絶縁膜、14はONO膜のトップ酸化膜、16は第1MOSトランジスタのゲート電極、17は第2MOSトランジスタのゲート電極、18はコントロールゲート電極、20はレジストマスク、50はSi基板をそれぞれ示している。
【0026】
まず、図1(a)に示す工程で、Si基板50を、第1トランジスタ形成領域1、第2トランジスタ形成領域2、不揮発性メモリセル形成領域3に区画するための素子分離用絶縁膜4を形成し、不揮発性メモリセル形成領域3に、トンネル酸化膜5、フローティングゲート電極6、ONO膜のボトム酸化膜7、ONO膜の中間窒化膜8を順次積層して形成する。
【0027】
次に、図1(b)に示す工程で、850℃で第1回目の熱酸化を行って、第1トランジスタ形成領域1及び第2トランジスタ形成領域2の上に、厚みが約12nmの第1の熱酸化膜10を形成する。
【0028】
次に、図1(c)に示す工程で、800℃でCVDを行なって、厚みが約10nmのHTO膜膜からなるCVD酸化膜11を形成する。このとき、不揮発性メモリセル形成領域3では、トップ酸化膜はONO膜の中間窒化膜8上であるため熱酸化による膜厚増加はほとんど見られず、ほぼ中間窒化膜8上のCVD酸化膜11のみが形成される。
【0029】
次に、図2(a)に示す工程で、第2トランジスタ形成領域2を開口したレジストマスク20を形成し、このレジストマスク20を用いてエッチングを行なって、第1の熱酸化膜10及びCVD酸化膜11のうち第2トランジスタ形成領域2上にある部分だけをウェットエッチングにより除去する。
【0030】
次に、図2(b)に示す工程で、熱酸化処理により、第2トランジスタ形成領域2上に、厚みが約5nmの熱酸化膜からなるゲート絶縁膜13を形成する。このとき、同時に、第1トランジスタ形成領域1における第1の熱酸化膜10と基板面との間にも厚みが約1nmの第2の熱酸化膜13aが形成される。また、不揮発性メモリセル形成領域3においてはONO膜の窒化膜8が酸化されてトップ酸化膜14が形成される。その結果、第1トランジスタ形成領域1には、第1の熱酸化膜10,CVD膜11及び第2の熱酸化膜13aの積層膜からなるゲート絶縁膜12が形成される。ただし、第1トランジスタ形成領域1において、2回目の熱酸化処理を行なう前に基板の酸洗浄,炉前洗浄などを施す際に、第1の熱酸化膜10,CVD酸化膜11の厚みの膜減りが生じるので、最終的なゲート絶縁膜12の厚みは、約15nmとなっている。
【0031】
次に、図2(c)に示す工程で、基板上にポリシリコン膜を堆積した後、例えば800℃で30分間の間、窒素雰囲気下でアニールを施す。このアニールにより、CVDにより形成されたCVD酸化膜11が緻密化される。なお、800℃以上の高温でアニールを行なってもよい。
【0032】
その後、ポリシリコン膜をパターニングして、第1MOSトランジスタのゲート電極14と、第2トランジスタのゲート電極115と、コントロールゲート電極6とを形成する。
【0033】
すなわち、高しきい値電圧を有する第1MOSトランジスタは、第1の熱酸化膜10と、CVD酸化膜11と、第2の熱酸化膜13aとの積層膜からなる厚みが約15nmの厚いゲート絶縁膜12を有し、低しきい値電圧を有する第2MOSトランジスタは、2回目の熱酸化処理によって形成された酸化膜のみからなる厚みが約5nmの薄いゲート絶縁膜13を有している。このようなゲート絶縁膜の厚みの差によって、互いに異なるしきい値電圧で動作する2種類のトランジスタを周辺回路に配置するように構成されている。
【0034】
すなわち、高しきい値側MOSトランジスタは、第1の熱酸化膜10と、CVD酸化膜11と、第2の熱酸化膜13aとの積層膜からなる厚みが約15nmの厚いゲート絶縁膜12を有し、低しきい値電圧側MOSトランジスタは、2回目の熱酸化処理によって形成された酸化膜のみからなる厚みが約5nmの薄いゲート絶縁膜13を有している。このようなゲート絶縁膜の厚みの差によって、互いに異なるしきい値電圧で動作する2種類のトランジスタを周辺回路に配置するように構成されている。
【0035】
本実施形態の製造方法によれば、周辺回路部に配置される2つのMOSトランジスタのゲート絶縁膜12,13を形成する工程において、上記従来の製造方法とは異なり、まず、第1の熱酸化膜10を形成してからCVD熱酸化膜11を形成している。そして、その後、第2トランジスタ形成領域2において、第2MOSトランジスタのゲート絶縁膜13を形成するための第2回目も熱酸化を行うが、その際、第1トランジスタ形成領域1には、厚みが約1nmの極めて薄い第2の熱酸化膜13aが形成される。
【0036】
その結果、本実施形態の方法によると、形成される高しきい値電圧の第1MOSトランジスタ1のVg−Id特性が改善されることがわかった。
【0037】
図5(a)は、本実施形態によって形成された高しきい値電圧のMOSトランジスタのVg−Id特性を示す図である。図5(a)に示されるように、図5(b)に示す従来の高しきい値電圧側MOSトランジスタのVg−Id特性に比べて、ハンプがほとんど現れていない。このような本実施形態の方法と従来の方法とによる半導体装置の特性の相違は、Vg−Id特性の微分係数を比較するとより顕著であり、本実施形態の製造方法により、高しきい値電圧側MOSトランジスタのしきい値電圧のばらつきも抑制されることがわかった。
【0038】
なお、上述のような第2回目の熱酸化において、図5(a),(b)に示されるVg−Id特性の相違が現れる原因は、完全に解明されたわけではないが、第1トランジスタ形成領域1の素子分離用絶縁膜4との境界部でのゲート絶縁膜12の薄膜化の発生が防止され、この境界部における電界の集中が回避されていることによるものと推定される。
【0039】
また、本実施形態の製造方法によって、高しきい値電圧側MOSトランジスタのゲート絶縁膜12の耐圧劣化・信頼性劣化を抑制することができ、これによっても、しきい値電圧のばらつきを抑制することができる。
【0040】
なお、本実施形態では、Si基板20に不揮発性メモリセル形成領域3が存在している場合について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、不揮発性メモリセル領域を有していない半導体装置にも適用することができる。ただし、不揮発性メモリセルを共通の半導体基板上に設ける際には、本実施形態の製造方法を用いることにより、工程数をできる限り低減することができる。
【0041】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、高しきい値電圧側の第1MOSトランジスタと低しきい値電圧側の第2MOSトランジスタとを共通の半導体基板上に設けるようにした半導体装置の製造方法として、先に第1の熱酸化膜を形成した後、CVD酸化膜を積層して、その後、第2MOSトランジスタのゲート絶縁膜形成のための熱酸化を行なうときに、第1MOSトランジスタのCVD酸化膜の下方に第2の熱酸化膜を形成するようにしたので、第1MOSトランジスタのVg−Id特性の改善や耐圧,信頼性の劣化の抑制により、しきい値電圧のばらつきを抑制することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程のうちCVD酸化膜を形成するまでの工程を示す断面図である。
【図2】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程のうちCVD酸化膜を形成してからの工程を示す断面図である。
【図3】従来の半導体装置の製造工程のうちCVD酸化膜の第2MOSトランジスタの部分を選択的に除去するまでの工程を示す断面図である。
【図4】従来の半導体装置の製造工程のうちCVD酸化膜を選択的に除去してからの工程を示す断面図である。
【図5】本発明の実施形態に係る半導体装置中の高しきい値電圧側MOSトランジスタのVg−Id特性と、従来の半導体装置中の高しきい値電圧側MOSトランジスタのVg−Id特性とを順に示す図である。
【符号の説明】
1 第1トランジスタ形成領域
2 第2トランジスタ形成領域
3 不揮発性メモリセル形成領域
4 素子分離用絶縁膜
5 トンネル酸化膜
6 フローティングゲート電極
7 ONO膜のボトム酸化膜
8 ONO膜の中間窒化膜
10 第1の熱酸化膜
11 CVD膜
12 ゲート絶縁膜(第1MOSトランジスタ)
13 ゲート絶縁膜(第2MOSトランジスタ)
13a 第2の熱酸化膜
14 ONO膜のトップ酸化膜
16 ゲート電極(第1MOSトランジスタ)
17 ゲート電極(第2MOSトランジスタ)
18 コントロールゲート電極
20 レジストマスク
50 Si基板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device such as a semiconductor integrated circuit on which two types of MOSFETs having different threshold voltages are mounted, and more particularly to a method for manufacturing a device including a nonvolatile memory cell.
[0002]
[Prior art]
Usually, a semiconductor integrated circuit equipped with a nonvolatile memory has a nonvolatile memory cell region and a peripheral circuit region, and a plurality of types of MOS transistors having different threshold voltages are arranged in the peripheral circuit region. Is done.
[0003]
FIGS. 3A to 3C and FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process of a semiconductor integrated circuit equipped with a conventional nonvolatile memory.
[0004]
3 (a)-(c) and FIGS. 4 (a) and 4 (b), 100 is a Si substrate, 101 is a first transistor formation region for forming a first MOS transistor having a high threshold voltage, 102 Is a second transistor formation region for forming a second MOS transistor having a low threshold voltage, 103 is a nonvolatile memory cell formation region, 104 is an element isolation insulating film, 105 is a tunnel oxide film, and 106 is a floating gate electrode 107 is a bottom oxide film, 108 is an intermediate nitride film, 109 is a first oxide film formed by CVD and heat treatment, 110 is a resist mask, 111 is a gate insulating film of the first MOS transistor, and 112 is a gate of the second MOS transistor. Insulating film, 113 is a top oxide film of ONO film, 114 is a gate electrode of the first MOS transistor, 1 5 denotes a gate electrode of the second 2MOS transistor, 116 denotes a control gate electrode, respectively.
[0005]
First, in the process shown in FIG. 3A, an element isolation insulating film 104 for partitioning the Si substrate 100 into a first transistor formation region 101, a second transistor formation region 102, and a nonvolatile memory cell formation region 103 is formed. In the non-volatile memory cell formation region 103, a tunnel oxide film 105, a floating gate electrode 106, a bottom oxide film 107 of an ONO film, and an intermediate nitride film 108 of an ONO film are sequentially stacked.
[0006]
Next, in the step shown in FIG. 3B, an CVD method is used to form an HTO film having a thickness of about 6 nm, and then thermal oxidation is performed to form a thermal oxide film having a thickness of about 15 nm. A first oxide film 109 made of a laminated film is formed.
[0007]
Next, in the step shown in FIG. 3C, a resist mask 110 having an opening in the second transistor formation region 102 is formed, and etching is performed using the resist mask 110. Only a portion on the two-transistor formation region 102 is selectively removed.
[0008]
Next, in the step shown in FIG. 4A, a gate insulating film 112 having a thickness of about 5 nm is formed on the second transistor formation region 102 by thermal oxidation. At the same time, a second oxide film 112a having a thickness of about 2 nm is also formed between the first oxide film 109 and the substrate surface in the first transistor formation region 101. In the nonvolatile memory cell formation region 103, the nitride film 108 of the ONO film is oxidized to form a top oxide film 113. As a result, a gate insulating film 111 made of a stacked film of the second oxide film 112 a and the first oxide film 109 is formed in the first transistor formation region 101. However, in the first transistor formation region 101, the thickness of the first oxide film 109 is reduced when the substrate is subjected to acid cleaning, pre-furnace cleaning, etc. before performing the second thermal oxidation process. A typical thickness of the gate insulating film 111 is about 15 nm.
[0009]
Next, in the step shown in FIG. 4B, after depositing a polysilicon film on the substrate, it is patterned to form a gate electrode 114 of the first MOS transistor, a gate electrode 115 of the second MOS transistor, and a non-volatile property. A control gate electrode 116 of the memory cell is formed.
[0010]
That is, the first MOS transistor having a high threshold voltage has a thick gate insulating film 111 having a thickness of about 15 nm formed of a laminated film of the first oxide film 109 and the second oxide film 112a, and has a low threshold. The second MOS transistor having a value voltage has a thin gate insulating film 112 having a thickness of about 5 nm made of only an oxide film formed by the second thermal oxidation process. Due to the difference in thickness of the gate insulating film, two types of transistors that operate with different threshold voltages are arranged in the peripheral circuit.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, the semiconductor device having the conventional nonvolatile memory cell has the following problems.
[0012]
There is a problem in that variations in threshold voltage occur in the first transistor formation region 101 having the thick gate insulating film 111.
[0013]
However, there are variations that cannot be explained only by this cause. As a result of further experiments, the following data was obtained.
[0014]
FIG. 5B is a diagram showing Vg-Id characteristics of the conventional second MOS transistor on the high threshold voltage side. This figure shows Vg-Id characteristics for five types of substrate potentials Vsub with the substrate potential Vsub as a parameter. Here, as shown in the figure, some humps appear, and in particular, even in a sample with a substrate potential Vsub = 0 (actual use potential) where the hump is inconspicuous, humps occur when the differential characteristics are examined. I understood.
[0015]
The cause of such a hump is not necessarily clear, but it is presumed that it is due to the following cause.
[0016]
4A, when the second oxide film 112a of the first MOS transistor 101 is formed by thermal oxidation in the step shown in FIG. 4A, the boundary between the first transistor formation region 101 and the element isolation insulating film 104 region. The local thinning of the end portion of the second oxide film 112a occurs at this portion. As a result, another transistor (so-called edge transistor) having a lower threshold voltage at the both end portions than the other portions operates. Thereby, it seems that the hump of the Vg-Id characteristic has generate | occur | produced. In addition, it is considered that variations in threshold voltage also occur due to the breakdown voltage / reliability degradation of the gate insulating film 111 and the electric field concentration due to the shape of the boundary.
[0017]
The present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to form two MOS transistors having different threshold voltages on a common semiconductor substrate by changing the thickness of the gate insulating film. In the semiconductor device manufacturing method, the threshold voltage of the high threshold voltage MOS transistor is stabilized by establishing a process for improving the Vg-Id characteristics of the high threshold voltage MOS transistor. There is to plan.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The means taken by the present invention to achieve the above object is to realize two MOS transistors having different threshold voltages by changing the thickness of the gate insulating film, and after forming the thermal oxide film first. Then, a CVD oxide film is laminated, and then, a thermal oxide film of a MOS transistor having a thicker gate insulating film is laminated simultaneously with a thermal oxidation of the MOS transistor having a thinner gate insulating film.
[0019]
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device having a first MOS transistor and a second MOS transistor having a threshold voltage lower than that of the first MOS transistor on a common semiconductor substrate. A first step of forming an element isolation region for partitioning a first region for forming the first MOS transistor and a second region for forming the second MOS transistor on the upper surface of the first MOS transistor; A second step of forming a first thermal oxide film on the first region and the second region by performing thermal oxidation; and a CVD oxide film on the first thermal oxide film by performing CVD. Performing a third step of selectively removing only a portion of the first thermal oxide film and the CVD film in the second region, and a second thermal oxidation. , The second territory The gate insulating film of the second MOS transistor made of the second thermal oxide film is formed, while the first thermal oxide film, the CVD film and the second thermal oxide film are stacked in the first region. And a sixth step of forming a gate electrode on each of the gate insulating films in the first and second regions, respectively.
[0020]
This method is considered to be because the thinning at the boundary between the gate insulating film of the first MOS transistor and the element isolation insulating film is suppressed, and the concentration of the electric field can be avoided, but the Vg-Id characteristic of the first MOS transistor. The hump in the can be eliminated, and variations in threshold voltage can be suppressed. Moreover, variation in threshold voltage can also be suppressed by suppressing deterioration in breakdown voltage and reliability in the gate insulating film of the first MOS transistor.
[0021]
In the manufacturing process of the semiconductor device, in the first step, a third region for forming a nonvolatile memory cell on the semiconductor substrate is also partitioned by the element isolation region. The method further includes: forming a tunnel insulating film and a floating gate electrode in the third region; and forming a stacked capacitor film including at least an oxide film and a nitride film on the floating gate electrode, In the third step, an oxide film of the stacked capacitor film is formed in the third region, and in the fifth step, a control gate electrode of a nonvolatile memory cell is formed on the capacitor stacked film. In addition, the number of manufacturing steps for forming a nonvolatile memory cell having a stacked capacitor film made of an ON film or ONO film on a common semiconductor substrate can be reduced.
[0022]
In the method of manufacturing the semiconductor device, the CVD oxide film can be densified by further including a step of performing an annealing process after the third step.
[0023]
In that case, the annealing treatment is preferably performed in a nitrogen atmosphere, and the temperature of the annealing treatment is preferably equal to or higher than the deposition temperature of the CVD oxide film.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIGS. 1A to 1C and 2A to 2C are cross-sectional views showing a manufacturing process of a semiconductor integrated circuit on which the nonvolatile memory according to this embodiment is mounted.
[0025]
1A to 1C and 2A to 2B, 1 is a first transistor formation region for forming a first MOS transistor having a high threshold voltage, and 2 is a low threshold value. Second transistor formation region for forming a second MOS transistor having a voltage, 3 is a nonvolatile memory cell formation region, 4 is an element isolation insulating film, 5 is a tunnel oxide film, 6 is a floating gate electrode, and 7 is bottom oxidation 8 is an intermediate nitride film, 10 is a first thermal oxide film formed by the first thermal oxidation, 11 is a CVD oxide film, 12 is a gate insulating film of the first MOS transistor, and 13 is a gate of the second MOS transistor. Insulating film, 14 is the top oxide film of ONO film, 16 is the gate electrode of the first MOS transistor, 17 is the gate electrode of the second MOS transistor, and 18 is the control gate. Electrode, 20 is a resist mask, 50 denotes a Si substrate, respectively.
[0026]
First, in the step shown in FIG. 1A, an element isolation insulating film 4 for partitioning the Si substrate 50 into a first transistor formation region 1, a second transistor formation region 2, and a nonvolatile memory cell formation region 3 is formed. Then, a tunnel oxide film 5, a floating gate electrode 6, a bottom oxide film 7 of an ONO film, and an intermediate nitride film 8 of an ONO film are sequentially stacked in the nonvolatile memory cell formation region 3.
[0027]
Next, in the step shown in FIG. 1B, the first thermal oxidation is performed at 850 ° C., and the first transistor having a thickness of about 12 nm is formed on the first transistor formation region 1 and the second transistor formation region 2. The thermal oxide film 10 is formed.
[0028]
Next, in the step shown in FIG. 1C, CVD is performed at 800 ° C. to form a CVD oxide film 11 made of an HTO film having a thickness of about 10 nm. At this time, in the nonvolatile memory cell formation region 3, since the top oxide film is on the intermediate nitride film 8 of the ONO film, almost no increase in film thickness due to thermal oxidation is observed, and the CVD oxide film 11 on the intermediate nitride film 8 is almost not observed. Only formed.
[0029]
Next, in the step shown in FIG. 2A, a resist mask 20 having an opening in the second transistor formation region 2 is formed, and etching is performed using the resist mask 20 to form the first thermal oxide film 10 and the CVD. Only a portion of the oxide film 11 on the second transistor formation region 2 is removed by wet etching.
[0030]
Next, in the step shown in FIG. 2B, a gate insulating film 13 made of a thermal oxide film having a thickness of about 5 nm is formed on the second transistor formation region 2 by thermal oxidation. At the same time, a second thermal oxide film 13a having a thickness of about 1 nm is also formed between the first thermal oxide film 10 and the substrate surface in the first transistor formation region 1. In the nonvolatile memory cell formation region 3, the nitride film 8 of the ONO film is oxidized to form a top oxide film 14. As a result, a gate insulating film 12 composed of a laminated film of the first thermal oxide film 10, the CVD film 11, and the second thermal oxide film 13a is formed in the first transistor formation region 1. However, in the first transistor formation region 1, when the substrate is subjected to acid cleaning, pre-furnace cleaning, and the like before the second thermal oxidation treatment, the first thermal oxide film 10 and the CVD oxide film 11 have a thickness. Since the reduction occurs, the final thickness of the gate insulating film 12 is about 15 nm.
[0031]
Next, in the step shown in FIG. 2C, after a polysilicon film is deposited on the substrate, annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 800 ° C. for 30 minutes, for example. By this annealing, the CVD oxide film 11 formed by CVD is densified. Note that annealing may be performed at a high temperature of 800 ° C. or higher.
[0032]
Thereafter, the polysilicon film is patterned to form the gate electrode 14 of the first MOS transistor, the gate electrode 115 of the second transistor, and the control gate electrode 6.
[0033]
That is, the first MOS transistor having a high threshold voltage has a thick gate insulation having a thickness of about 15 nm formed of a laminated film of the first thermal oxide film 10, the CVD oxide film 11, and the second thermal oxide film 13a. The second MOS transistor having the film 12 and having a low threshold voltage has a thin gate insulating film 13 having a thickness of about 5 nm made of only the oxide film formed by the second thermal oxidation process. Due to the difference in thickness of the gate insulating film, two types of transistors that operate with different threshold voltages are arranged in the peripheral circuit.
[0034]
That is, the high threshold side MOS transistor includes a thick gate insulating film 12 having a thickness of about 15 nm formed of a laminated film of the first thermal oxide film 10, the CVD oxide film 11, and the second thermal oxide film 13a. The low threshold voltage side MOS transistor has a thin gate insulating film 13 having a thickness of about 5 nm made of only an oxide film formed by the second thermal oxidation process. Due to the difference in thickness of the gate insulating film, two types of transistors that operate with different threshold voltages are arranged in the peripheral circuit.
[0035]
According to the manufacturing method of this embodiment, in the step of forming the gate insulating films 12 and 13 of the two MOS transistors arranged in the peripheral circuit portion, unlike the conventional manufacturing method, first, the first thermal oxidation is performed. After the film 10 is formed, the CVD thermal oxide film 11 is formed. After that, in the second transistor formation region 2, thermal oxidation is also performed for the second time for forming the gate insulating film 13 of the second MOS transistor. At this time, the first transistor formation region 1 has a thickness of about A very thin second thermal oxide film 13a of 1 nm is formed.
[0036]
As a result, according to the method of the present embodiment, it was found that the Vg-Id characteristics of the formed high threshold voltage first MOS transistor 1 were improved.
[0037]
FIG. 5A is a diagram showing the Vg-Id characteristics of the high threshold voltage MOS transistor formed according to this embodiment. As shown in FIG. 5A, almost no hump appears compared to the Vg-Id characteristic of the conventional high threshold voltage side MOS transistor shown in FIG. Such a difference in the characteristics of the semiconductor device between the method of the present embodiment and the conventional method is more remarkable when the differential coefficient of the Vg-Id characteristic is compared, and the high threshold voltage is increased by the manufacturing method of the present embodiment. It was found that variations in the threshold voltage of the side MOS transistor were also suppressed.
[0038]
In the second thermal oxidation as described above, the cause of the difference in the Vg-Id characteristics shown in FIGS. 5A and 5B is not completely clarified, but the first transistor is formed. It is presumed that the thinning of the gate insulating film 12 at the boundary with the element isolation insulating film 4 in the region 1 is prevented, and the concentration of the electric field at this boundary is avoided.
[0039]
Further, the manufacturing method according to the present embodiment can suppress the deterioration of the breakdown voltage and the reliability of the gate insulating film 12 of the high threshold voltage side MOS transistor, and also suppress the variation of the threshold voltage. be able to.
[0040]
In the present embodiment, the case where the non-volatile memory cell formation region 3 is present on the Si substrate 20 has been described. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and the non-volatile memory cell region is provided. The present invention can also be applied to semiconductor devices that are not. However, when the nonvolatile memory cells are provided on a common semiconductor substrate, the number of steps can be reduced as much as possible by using the manufacturing method of this embodiment.
[0041]
【The invention's effect】
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the method for manufacturing a semiconductor device in which the first MOS transistor on the high threshold voltage side and the second MOS transistor on the low threshold voltage side are provided on a common semiconductor substrate. First, when the first thermal oxide film is formed, the CVD oxide film is stacked, and then the thermal oxidation for forming the gate insulating film of the second MOS transistor is performed, the CVD oxide film of the first MOS transistor Since the second thermal oxide film is formed below the first MOS transistor, variation in threshold voltage can be suppressed by improving the Vg-Id characteristics of the first MOS transistor and suppressing deterioration of breakdown voltage and reliability. It became so.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a process until a CVD oxide film is formed in a manufacturing process of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a process after forming a CVD oxide film in a manufacturing process of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a process until a second MOS transistor portion of a CVD oxide film is selectively removed in a conventional semiconductor device manufacturing process;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a process after a CVD oxide film is selectively removed in a manufacturing process of a conventional semiconductor device.
FIG. 5 shows Vg-Id characteristics of a high threshold voltage side MOS transistor in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and Vg-Id characteristics of a high threshold voltage side MOS transistor in a conventional semiconductor device. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st transistor formation area 2 2nd transistor formation area 3 Non-volatile memory cell formation area 4 Isolation insulating film 5 Tunnel oxide film 6 Floating gate electrode 7 Bottom oxide film 8 of ONO film 8 Intermediate nitride film 10 of ONO film Thermal oxide film 11 CVD film 12 Gate insulating film (first MOS transistor)
13 Gate insulation film (second MOS transistor)
13a Second thermal oxide film 14 Top oxide film 16 of ONO film Gate electrode (first MOS transistor)
17 Gate electrode (second MOS transistor)
18 Control gate electrode 20 Resist mask 50 Si substrate

Claims (4)

第1MOSトランジスタと該第1MOSトランジスタよりも低いしきい値電圧を有する第2MOSトランジスタとを共通の半導体基板上に有する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の上面に、上記第1MOSトランジスタを形成するための第1領域と、上記第2MOSトランジスタを形成するための第2領域とを区画する素子分離領域を形成する第1の工程と、
第1回目の熱酸化を行って、上記第1領域及び第2領域の上に第1の熱酸化膜を形成する第2の工程と、
CVDを行なって、上記第1の熱酸化膜の上にCVD酸化膜を形成する第3の工程と、
上記第1の熱酸化膜及びCVD膜のうち上記第2領域にある部分のみを選択的に除去する第4の工程と、
第2回目の熱酸化を行って、上記第2領域には第2の熱酸化膜からなる上記第2MOSトランジスタのゲート絶縁膜を形成する一方、上記第1領域には、上記第1の熱酸化膜,CVD膜及び第2の熱酸化膜の積層膜からなる第1MOSトランジスタのゲート絶縁膜を形成する第5の工程と、
上記第1及び第2の領域における上記各ゲート絶縁膜の上にそれぞれゲート電極を形成する第6の工程とを備え、
上記第1の工程では、上記素子分離領域により、上記半導体基板上に不揮発性メモリセルを形成するための第3の領域をも区画し、
上記第2の工程の前に、上記第3の領域にトンネル絶縁膜及びフローティングゲート電極を形成する工程と、上記フローティングゲート電極の上に少なくとも酸化膜及び窒化膜を含む積層容量膜を形成する工程とをさらに備え、
上記第3の工程では、上記第3の領域において上記積層容量膜の酸化膜を形成し、
上記第5の工程では、上記容量積層膜の上に不揮発性メモリセルのコントロールゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device having a first MOS transistor and a second MOS transistor having a threshold voltage lower than that of the first MOS transistor on a common semiconductor substrate,
Forming a first region for forming the first MOS transistor on the upper surface of the semiconductor substrate and an element isolation region for partitioning a second region for forming the second MOS transistor;
A second step of performing a first thermal oxidation to form a first thermal oxide film on the first region and the second region;
A third step of performing CVD to form a CVD oxide film on the first thermal oxide film;
A fourth step of selectively removing only the portion in the second region of the first thermal oxide film and the CVD film;
A second thermal oxidation is performed to form a gate insulating film of the second MOS transistor composed of a second thermal oxide film in the second region, while the first thermal oxidation is performed in the first region. A fifth step of forming a gate insulating film of the first MOS transistor comprising a laminated film of a film, a CVD film, and a second thermal oxide film;
A sixth step of forming a gate electrode on each of the gate insulating films in the first and second regions ,
In the first step, the element isolation region also partitions a third region for forming a nonvolatile memory cell on the semiconductor substrate,
Before the second step, a step of forming a tunnel insulating film and a floating gate electrode in the third region, and a step of forming a stacked capacitor film including at least an oxide film and a nitride film on the floating gate electrode And further comprising
In the third step, an oxide film of the stacked capacitor film is formed in the third region,
In the fifth step, a control gate electrode of a nonvolatile memory cell is formed on the capacitor stacked film .
請求項記載の半導体装置の製造方法において、
上記第3の工程の後に、アニール処理を施す工程をさらに備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 ,
A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of performing an annealing process after the third step.
請求項記載の半導体装置の製造方法において、
上記アニール処理を窒素雰囲気中で行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2 .
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the annealing treatment is performed in a nitrogen atmosphere.
請求項又は記載の半導体装置の製造方法において、
上記アニール処理の温度は上記CVD酸化膜の堆積温度と同等もしくはそれ以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device of Claim 2 or 3 ,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the annealing temperature is equal to or higher than the deposition temperature of the CVD oxide film.
JP21995698A 1998-08-04 1998-08-04 Manufacturing method of MOS type semiconductor device Expired - Fee Related JP3799166B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP21995698A JP3799166B2 (en) 1998-08-04 1998-08-04 Manufacturing method of MOS type semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP21995698A JP3799166B2 (en) 1998-08-04 1998-08-04 Manufacturing method of MOS type semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2000058669A JP2000058669A (en) 2000-02-25
JP3799166B2 true JP3799166B2 (en) 2006-07-19

Family

ID=16743681

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP21995698A Expired - Fee Related JP3799166B2 (en) 1998-08-04 1998-08-04 Manufacturing method of MOS type semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3799166B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4991134B2 (en) 2005-09-15 2012-08-01 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2000058669A (en) 2000-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR910007377B1 (en) Semiconductor device
US6225163B1 (en) Process for forming high quality gate silicon dioxide layers of multiple thicknesses
US20060175718A1 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
US20060163641A1 (en) Insulation film semiconductor device and method
JP2000311938A (en) Formation method for element isolation region
US5238863A (en) Process for fabricating gate insulating structure of a charge coupled device
JP2000174132A (en) Manufacture of semiconductor device
US6235585B1 (en) Method for fabricating flash memory device and peripheral area
US6110780A (en) Using NO or N2 O treatment to generate different oxide thicknesses in one oxidation step for single poly non-volatile memory
US6753559B2 (en) Transistor having improved gate structure
US20030219944A1 (en) Method for manufacturing a nonvolatile memory device
KR100195846B1 (en) Method of fabricating semiconductor device
JP3799166B2 (en) Manufacturing method of MOS type semiconductor device
JPS6230351A (en) Manufacture of semiconductor device
US10050131B2 (en) Method of forming a polysilicon sidewall oxide region in a memory cell
US6998304B2 (en) Method for integrated manufacturing of split gate flash memory with high voltage MOSFETS
JP2001176983A (en) Semiconductor device and producing method therefor
JPH10313106A (en) Method of manufacturing semiconductor device
JPH04271177A (en) Manufacture of nonvolatile semiconductor memory
KR100580581B1 (en) Method for manufacturing a semiconductor device
JPH08321607A (en) Method of manufacturing semiconductor device
JPH05183156A (en) Semiconductor device and fabrication thereof
JPH06224442A (en) Mos type integrated circuit with built-in nonvolatile memory and manufacture thereof
JP3371169B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
US20020168818A1 (en) Method to manufacture a split gate P+ EEPROM memory cell

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20040608

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20051122

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20051208

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060411

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060424

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100428

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110428

Year of fee payment: 5

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees