JP3799166B2 - Manufacturing method of MOS type semiconductor device - Google Patents
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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
[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
[0007]
Next, in the step shown in FIG. 3C, a
[0008]
Next, in the step shown in FIG. 4A, a
[0009]
Next, in the step shown in FIG. 4B, after depositing a polysilicon film on the substrate, it is patterned to form a
[0010]
That is, the first MOS transistor having a high threshold voltage has a thick
[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
[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
[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
[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
[0028]
Next, in the step shown in FIG. 1C, CVD is performed at 800 ° C. to form a
[0029]
Next, in the step shown in FIG. 2A, a resist
[0030]
Next, in the step shown in FIG. 2B, a
[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
[0032]
Thereafter, the polysilicon film is patterned to form the
[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
[0034]
That is, the high threshold side MOS transistor includes a thick
[0035]
According to the manufacturing method of this embodiment, in the step of forming the
[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
[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
[0039]
Further, the manufacturing method according to the present embodiment can suppress the deterioration of the breakdown voltage and the reliability of the
[0040]
In the present embodiment, the case where the non-volatile memory
[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
13 Gate insulation film (second MOS transistor)
13a Second
17 Gate electrode (second MOS transistor)
18
Claims (4)
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 .
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.
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.
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.
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