JP4322477B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は異なる膜材料または膜厚の複数のゲート絶縁膜を有する半導体装置及びその製造方法に関し、特にゲート絶縁膜の作り分けがなされる半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気的に書き込み消去可能な不揮発性半導体記憶装置(EEPROM)のひとつとして、シリコン窒化膜中に電荷を蓄積するMONOS型EEPROMが知られている。MONOSはMetal−Oxide−Nitride−Oxide−Semiconductorを表し、典型的には、金属−酸化シリコン膜−窒化シリコン膜−酸化シリコン膜−半導体を表す。MONOS型EEPROMではメモリセルのゲート絶縁膜はONO蓄積膜であるのに対して、周辺回路を構成するトランジスタはシリコン酸化膜をゲート絶縁膜とするMOS構造である。従って、MONOS型EEPROMの製造においては両者を作り分ける必要がある。
【0003】
異なるゲート絶縁膜を持つトランジスタを作り分ける方法においては、ゲート絶縁膜の信頼性、メモリセルの高性能化、十分なプロセスマージンの確保の3点を満たすことが重要である。
【0004】
異なるゲート絶縁膜を持つトランジスタを作り分ける方法として特開平8−330436号公報記載の方法がある。この公知例では、LOCOS法によって素子分離を形成した後に、膜厚の異なる2種類のゲート酸化膜及びゲート電極を形成する。このLOCOS法に代わり、トレンチ型素子分離法が、近年、用いられるようになっている。トレンチ型素子分離法はLOCOS法と比較して、微細な素子分離幅で、良好な素子分離耐圧を実現できる特徴がある。
【0005】
図60(a)〜(e)に示されるトレンチ型素子分離法を用いて、MONOSメモリセルとMOS周辺トランジスタを作り分ける方法を説明する。ここでは、先の公知例である特開平8−330436号公報記載の技術同様に、素子分離形成後にゲート絶縁膜とゲート電極を形成する。なお、図において、MCはメモリセル領域、PTRは周辺トランジスタ領域を示す。
【0006】
まず、図60(a)に示されるように、半導体基板200上に素子分離領域201を形成する。次に、図60(b)に示されるように、犠牲酸化膜をウェットエッチングにより除去し、周辺回路トランジスタのゲート絶縁膜202及びゲート電極203を形成する。さらに周辺回路領域をレジスト層204で覆う。
【0007】
次に、図60(c)に示されるように、メモリセル領域のゲート電極及びゲート酸化膜を除去する。次に、半導体基板200全面にメモリセルのゲート絶縁膜であるONO膜205を堆積した後で、メモリセルゲート電極206を堆積する。続いてメモリセル領域をレジスト層207で覆い、周辺回路領域におけるメモリセルゲート電極206及びONO膜205を除去する。次に、図60(d)に示されるように、レジスト層207を除去する。これにより、周辺MOSトランジスタとMONOSメモリセルとを作り分けることが可能である。
【0008】
しかし、この方法には以下のような問題点がある。第1の問題点はONO膜の不均一性に関するものである。素子分離端は平坦ではなく、段差が存在するためにONO膜を均一な膜厚、膜質で堆積させることが困難である。このことはメモリセルのプログラム特性やデータ保持特性のばらつきの原因となる。
【0009】
第2の問題点は図60(d)中の領域TPの拡大図である図60(e)に示されるように、寄生トランジスタに関するものである。ゲート絶縁膜形成前のウェットエッチング時に素子分離端で素子分離トレンチの埋め込み酸化膜の一部がエッチングされる。そこにゲート電極が入り込むことによって、寄生トランジスタが形成される。このためメモリセル、周辺トランジスタともに特性ばらつきの原因となる。
【0010】
本従来例では最初に周辺トランジスタ、次にメモリセルトランジスタを形成したが、作り分けの順序を変えてもこの問題は解決されない。以上の課題は素子分離領域形成後にゲート絶縁膜を作り分けたことに起因する。次に説明する従来例では素子分離領域形成に先立ってゲート絶縁膜を作り分けることで以上の問題を解決する。
【0011】
上記の課題を解決する方法として、例えば、「1998 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers,pp.102-103, "A self-Aligned STI Process Integration for Low Cost and Highly Reliable 1Gbit Flash Memories", Y. Takeuchi et al.」には、ゲート絶縁膜とゲート電極形成後にトレンチ素子分離を形成する自己整合トレンチ素子分離法が記載される。図61(a)〜(d)を用いて、このMONOSセルとMOS周辺トランジスタを作り分ける製造方法の工程を説明する。
【0012】
まず、図61(a)に示されるように、ウエル、チャネルの不純物注入を行い、メモリセル用ウエル205、周辺回路用ウエル206を形成する。次に、ONO膜207とシリコン酸化膜208を作り分けて形成する。次に、ポリシリコンからなるゲート電極209及びマスク用シリコン窒化膜210を堆積する。次に、図61(b)に示されるように、素子分離トレンチ211を半導体基板200中に形成する。露出した表面上にシリコン酸化膜212を堆積して、素子分離トレンチ211を埋め込む。
【0013】
次に、図61(c)に示されるように、マスク用シリコン窒化膜210上表面が露出するまで、シリコン酸化膜212をCMP(Chemical Mechanical Polishing)方法にて除去して、表面を平坦化する。次に、図61(d)に示されるように、マスク用シリコン窒化膜210を除去して、タングステンシリサイド層213を堆積する。次に、メモリセル素子分離領域214、境界部素子分離領域215、周辺回路素子分離領域216を形成して、各ゲート電極を加工する。この方法では、図61(e)で示したようなONO膜の不均一性や素子分離酸化膜がエッチングされるといった問題が解決される。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は異なる膜材料または膜厚の複数のゲート絶縁膜を有する半導体装置の製造方法の信頼性を高めることを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の視点によれば、半導体装置の製造方法が提供され、これは、第1及び第2領域と前記第1及び第2領域間で両領域に接して配置された境界部とを含む主表面を有する半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜の前記第1領域及び前記境界部内の部分上に第1下側電極層を配設する一方、前記第1絶縁膜の前記第2領域内の部分を除去して前記主表面を露出させる工程と、前記第1領域及び前記境界部内の前記第1下側電極層上及び前記第2領域内の前記主表面上に第2絶縁膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜は、前記第1絶縁膜と異なる膜材料または膜厚を有することと、前記第2絶縁膜の前記第2領域及び前記境界部内の部分上に第2下側電極層を配設する一方、前記第2絶縁膜の前記第1領域内の部分を除去して前記第1下側電極層を露出させるとともに、前記境界部内で前記第2絶縁膜及び前記第2下側電極層の端部を前記第1下側電極層の端部の上面上に積層した積層部を形成する工程と、前記第1及び第2下側電極層に対して自己整合的に前記第1及び第2領域内の前記主表面をエッチングして、前記第1及び第2領域内に素子分離のためのトレンチを形成するのと同時に、前記境界部内の前記主表面を上側からパターンエッチングして、前記境界部内に素子分離のためのトレンチを形成し、前記境界部内の前記トレンチの底部に前記積層部に起因する上向きの凸部分を形成する工程と、前記第1、第2領域内及び前記境界部内の前記トレンチを絶縁層で埋め込んで素子分離領域を形成する工程と、前記第1及び第2下側電極層上に上側電極層を形成する工程と、前記第1及び第2下側電極層及び前記上側電極層をパターンエッチングして前記第1及び第2領域内に第1及び第2ゲート電極を形成する工程と、を具備することを特徴とする。
【0016】
本発明の第2の視点によれば、半導体装置の製造方法が提供され、これは、第1及び第2領域と前記第1及び第2領域間で両領域に接して配置された境界部とを含む主表面を有する半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜の前記第1領域及び前記境界部内の部分上に第1下側電極層を配設する一方、前記第1絶縁膜の前記第2領域内の部分を除去して前記主表面を露出させる工程と、前記第1領域及び前記境界部内の前記第1下側電極層上及び前記第2領域内の前記主表面上に第2絶縁膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜は、前記第1絶縁膜と異なる膜材料または膜厚を有することと、前記第2絶縁膜の前記第2領域及び前記境界部内の部分上に第2下側電極層を配設する一方、前記第2絶縁膜の前記第1領域内の部分を除去して前記第1下側電極層を露出させる工程と、前記境界部内で前記第2下側電極層の端部と前記第1下側電極層の端部との間にギャップを形成する工程と、前記第1及び第2下側電極層に対して自己整合的に前記第1及び第2領域内の前記主表面をエッチングして、前記第1及び第2領域内に素子分離のためのトレンチを形成するのと同時に、前記境界部内の前記主表面を上側からパターンエッチングして、前記境界部内に素子分離のためのトレンチを形成し、前記境界部内の前記トレンチの底部に前記ギャップに起因する下向きの凸部分を形成する工程と、前記第1、第2領域内及び前記境界部内の前記トレンチを絶縁層で埋め込んで素子分離領域を形成する工程と、前記第1及び第2下側電極層上に上側電極層を形成する工程と、前記第1及び第2下側電極層及び前記上側電極層をパターンエッチングして前記第1及び第2領域内に第1及び第2ゲート電極を形成する工程と、を具備することを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、本発明の開発の過程において、図61(a)〜(d)を参照して述べたような半導体装置及びその製造方法の問題点について研究した。その結果、本発明者等は、以下に述べるような知見を得た。
【0018】
図61(d)に示した半導体装置においては、MONOSトランジスタとMOSトランジスタの境界部素子分離領域215のトレンチ素子分離深さは、MONOS領域素子分離領域214のトレンチ深さ及びMOS領域素子分離領域216のトレンチ深さと同じである。一方で、境界部素子分離領域215でのトレンチ幅は他のトランジスタ領域の素子分離領域214、216トレンチ幅と比較して広い。
【0019】
トレンチ素子分離領域においては、図61(b)のようにトレンチを酸化膜で埋め込んだ後、図61(c)のようにCMPによって、埋め込み酸化膜を平坦化する。しかし、境界部のトレンチ幅が広いことによって、図62(a)、(b)に示すような問題が引き起こされる。
【0020】
第1の問題として、トレンチの埋め込み性が挙げられる。境界部のトレンチは幅が広いため、埋め込み酸化膜の膜厚が薄い場合、図62(a)に示されるように、境界部のトレンチ中央部に埋め込み不十分な領域Qが形成される。後の工程で、ウェットエッチングを用いた場合、この埋め込み不十分な領域において、大きくエッチングされて埋め込み性不良となる。この問題を解決するには、埋め込み酸化膜を厚く堆積する必要があるが、酸化膜の堆積のみならず後のCMP工程でのポリッシュ(polish)量も増大させることになるので、プロセスコストを増大させてしまう。
【0021】
第2の問題として、CMPの均一性が挙げられる。CMPの特性として、広いスペース部が大きく削られるディッシング(Dishing)がある。境界部のトレンチは幅が広いので、ディッシングが起こり易い。この場合、図62(b)に示されるように、ディッシングがトランジスタ領域にまで影響して、ゲート電極形状を変形させてしまうので、プロセスマージン及び歩留まりを低下させてしまう。
【0022】
以上の問題は、いずれも境界部のトレンチが、トランジスタ領域と深さは同じであるのに、幅が広いことに起因する。この問題を解決しようとして、境界部のトレンチの幅を狭くすると、素子分離耐圧が低下する。この場合、ウエル間の耐圧が不十分となってしまうので、この方法で問題を解決することは困難である。このため、異なる2種類以上のゲート絶縁膜を有する半導体装置に関しては、信頼性が高く、十分なプロセスマージンとデバイス性能を両立させる装置構造及び及び製造方法が必要となる。
【0023】
以下に、このような知見に基づいて構成された本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【0024】
(第1の実施の形態)
図1(a)は第1の実施の形態に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図である。図1(b)、図2(a)、(b)は、それぞれ、第1の実施の形態の変更例に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図である。本実施の形態に特徴的なことは、ゲート絶縁膜の膜種、例えば膜材料や膜厚、の異なる2種類のトランジスタ(、例えば、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2)が同一半導体基板上に存在し、両者の境界部BSが、素子分離領域の形状または電極の構造に関し、両者のそれら(第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2における素子分離部の形状または電極の構造)と異なるものを含むことである。具体的には、境界部BSには、部分によって深さの異なるトレンチ型の素子分離領域、または部分によって厚さの異なる電極構造が配設される。
【0025】
図1(a)に示された半導体記憶装置は、半導体基板1上に配置された、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2、及びこれらの間に挟まれて両者に接する境界部BSを有する。第1トランジスタ領域TR1が高耐圧系トランジスタ領域である場合、半導体基板1上に形成されるゲート絶縁膜2はその厚さが10nm〜40nm程度のシリコン酸化膜で形成される。第2トランジスタ領域TR2が低電圧系トランジスタ領域である場合、半導体基板1上に形成されるゲート絶縁膜3はその厚さが1nm〜10nm程度のシリコン酸化膜で形成される。第2トランジスタ領域TR2がメモリセル領域である場合、ゲート絶縁膜3はその厚さが1nm〜10nm程度のシリコン酸化膜、またはその厚さが10nm〜50nm程度ONO膜で形成される。
【0026】
図1(a)の装置では、上述の3種類のトランジスタ領域のうち少なくとも2つを隣り合わせて、それぞれのゲート絶縁膜の種類または、ゲート絶縁膜厚を異ならせて配置する。なお、半導体基板1はその中に半導体基板と逆導電型のウエルが表面付近に形成されていてもよい。さらに逆導電型のウエル上にさらに半導体基板と同一導電型の別のウエルが形成されていてもよい(以下同様)。
【0027】
第1トランジスタ領域TR1においては、ゲート絶縁膜2上に下側電極層4が形成され、その上に上側電極層5が形成され、第1ゲート電極6が形成される。半導体基板1中には、第1ゲート電極6をマスクとして注入された1対のソース/ドレイン拡散層7が形成される。第1ゲート電極6とソース/ドレイン拡散層7が第1トランジスタ8を形成する。下側電極層4及び上側電極層5にはいずれもポリシリコン層などが用いられる。
【0028】
図1(a)に示された境界部BSにはトレンチ型の素子分離領域9が配設される。素子分離領域9のトレンチの底部には、上に凸となった凸部分10を有する段差が形成され、トレンチは部分的に深さが異なる。第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2をつなぐ方向における凸部分10の幅は100nm〜10000nm程度、望ましくは100nm〜1000nm程度である。トレンチの底部の深い部分からの凸部分10の高さは10nm〜300nm程度、望ましくは30nm〜100nm程度である。この高さは隣接する第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2におけるゲート電極材料の膜厚に依存して変化する。また、素子分離領域9底部の上に凸となった部分10の幅は、製造工程におけるリソグラフィの合わせずれを考慮して与えられていて、例えば、100nm〜10000nm程度である。
【0029】
境界部BSに隣接した第2トランジスタ領域TR2においては、ゲート絶縁膜3上に下側電極層11が形成され、その上に上側電極層12が形成され、第2ゲート電極13が形成される。半導体基板1中には、第2ゲート電極13をマスクとして注入された1対のソース/ドレイン拡散層14が形成される。第2ゲート電極13とソース/ドレイン拡散層14が第2トランジスタ15を形成する。下側電極層11及び上側電極層12にはいずれもポリシリコン層などが用いられる。また、左右のトランジスタ8、15と素子分離領域9との間に別の素子分離領域を設けることもできる。
【0030】
図1(b)に示された半導体記憶装置では、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2の構成が図1(a)と同様で、境界部BSでの構成が図1(a)に示された構成と異なる。素子分離領域9の周囲において、下側電極層4が第1ゲート絶縁膜2上に形成され、下側電極層11が第2ゲート絶縁膜3上に形成される。さらに素子分離領域9及びその周囲の下側電極層4、11上に上側電極層16が形成され、ゲート構造17が形成される。
【0031】
この構成においては、ゲート構造17は、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2のゲート電極6、13と電気的に絶縁されていることが望ましい。また、左右のトランジスタ8、15と素子分離領域9との間に別の素子分離領域を設けることもできる。
【0032】
図1(a)、(b)に示される構成では、境界部BSにおいて素子分離領域9のトレンチの底に段差があり、特に上に凸になっている凸部10が存在することに特徴がある。さらに素子分離領域9のトレンチの深さも第1トランジスタ領域TR1側の部分と、第2トランジスタ領域TR2側の部分とで異なる。
【0033】
この図1(a)、(b)に示される構造では素子分離領域9の中央において素子分離深さが浅くなっているために、良好な埋め込み性が得られ製造の際の歩留まりが向上する。その一つの理由は、半導体基板中に形成された素子分離トレンチを絶縁物で埋め込む工程において、埋め込みアスペクト比が小さくなって、埋め込み特性が向上するためである。別の理由は、素子分離トレンチに絶縁物を埋め込む工程において、素子分離中央部上表面で窪みが形成される程度が減少し、絶縁物上表面を所定高さになるまで平坦化し除去する際のディッシングが防止できるためである。
【0034】
さらに、図1(b)で示される素子分離領域9上のゲート構造17は、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2のゲート構造と同じであるため、加工が容易である。
【0035】
図2(a)に示された半導体記憶装置では、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2の構成が図1(a)、(b)と同様で、境界部BSでの構成が図1(a)、(b)に示された構成と異なる。境界部BSにおいて、第1トランジスタ領域TR1側から中央までは第1ゲート絶縁膜2が形成され、第2トランジスタ領域TR2側から中央までは第2ゲート絶縁膜3が形成される。境界部BSにおいて、第1ゲート絶縁膜2の一部の上面及び第2ゲート絶縁膜3の一部の上面には、下側電極層4と同一材料の電極層20が形成される。この電極層20の第2トランジスタ領域TR2側の側面には第2ゲート絶縁膜3と同一材料から成る側壁絶縁膜21が形成される。境界部BSにおける電極層20の高さは第1トランジスタ領域TR1における下側電極層4及び第2トランジスタ領域TR2における下側電極層11の高さよりも低い。
【0036】
素子分離領域は、ウエル分離などで必要な場合、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2と境界部BSとの間に形成される。
【0037】
この形状では、境界部BSにトランジスタ領域におけるゲート電極層の一部を残すように加工することで、トランジスタ領域のゲート加工マージンが向上する。特に、トランジスタ領域に微細なメモリセルトランジスタなどが形成される場合には、そのゲート加工マージン向上効果が顕著である。また、図1(a)、(b)に示されたような特殊形状となる素子分離領域を作成しないので、加工が容易である。
【0038】
さらに、境界部BSにおいて半導体基板がエッチングされることがなく、境界部BSの電極層を除去していない。このため、エッチングするべき電極層の膜厚もトランジスタのゲート電極膜厚と同じであるので境界部BSの加工に起因する歩留まり低下が無い。
【0039】
図2(b)に示された半導体記憶装置では、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2の構成が図1(a)、(b)と同様で、境界部BSでの構成が図1(a)、(b)に示された構成と異なる。図2(a)の構造同様、境界部BSにおいて、第1トランジスタ領域TR1側から中央まで第1ゲート絶縁膜2が形成され、第2トランジスタ領域TR2側から中央まで第2ゲート絶縁膜3が形成される。境界部BSにおいて、第1ゲート絶縁膜2上に下側電極層4と同一材料で同一膜厚の第1電極層22が形成される。また、境界部BSにおいて、第2ゲート絶縁膜3上に第2電極層23の水平部分が形成され、第1電極層22とは、絶縁膜24を介して隣接する。この第2電極層23は下側電極層11と同一材料、同一膜厚を有する。
【0040】
絶縁膜24はその膜厚が第2ゲート絶縁膜3と同一である。境界部BSにおいて、第2電極層23はその水平部上に積み増しされた垂直部と、垂直部から第1トランジスタ領域TR1側に延びる積層部とを有する。すなわち、第1電極層22の一部上に絶縁膜24を介して、第2電極層23が積層される。さらに、第1及び第2電極層22、23上に積層電極層25が形成される。第1電極層22、第2電極層23、絶縁膜24及び積層電極層25により、ゲート構造18が形成される。このような構造であるため、境界部BSにおいては、ゲート構造18の高さは第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2において形成されたトランジスタの高さよりも高く形成される。
【0041】
図2(b)に示された半導体記憶装置は、このように境界部BSにおいてゲート構造が積層構造になっている部分が存在することに特徴がある。この部分では半導体基板1上に第1ゲート絶縁膜2と、下側電極層4と同じ膜厚、組成を有する第1電極層22と、が積層される。また、その上に第2ゲート絶縁膜と同じ膜厚、組成を有する絶縁膜24を挟んで上側電極層11と同じ膜厚、組成を有する第2電極層23が積層される。また電気的に接続された第1及び第2電極層22、23の下に第1及び第2ゲート絶縁膜2、3の両方が存在する。
【0042】
図2(b)で示された構造では、ゲート構造18の幅は、例えば、100nm〜10000nm程度、望ましくは500nm〜1000nm程度である。ゲート構造18の高さは境界部BSの最も高い部分で、第2トランジスタ領域TR2における第2トランジスタ15の高さに下側電極層4の高さと第1ゲート絶縁膜2の高さを加えた値となる。
【0043】
素子分離領域は、ウエル分離などで必要な場合、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2と境界部BSとの間に形成される。
【0044】
こうした構造を採ることによって、同一半導体基板上に少ない工程数で複数のトランジスタを形成することが可能となる。
【0045】
また、境界部BSにおいて半導体基板がエッチングされることがなく、境界部BSの積層ゲートを加工していない。このため、エッチングすべき電極層の膜厚もトランジスタのゲート電極膜厚と同じであるので、境界部BSの加工に起因する歩留まり低下が無い。特に図2(b)に示される構造の場合、境界部BSの積層構造のゲート電極はエッチングする必要が無いので歩留まりが向上する。
【0046】
図3(a)、(b)は、本実施の形態における第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2をそれぞれのゲート電極の延伸方向にそって示す断面図である。
【0047】
図3(a)に示されるように、第1トランジスタ領域TR1においては、複数の素子分離領域26が半導体基板1中に形成される。素子分離領域26間に下側電極層4が形成される。下側電極層4上には上側電極層5が形成される。上側電極層5上には、図1(a)、(b)及び図2(a)、(b)において図示を省略する層間絶縁膜27が形成される。
【0048】
図3(b)に示されるように、第2トランジスタ領域TR2においては、複数の素子分離領域26が半導体基板1中に形成される。素子分離領域26間に下側電極層11が形成される。下側電極層11上には上側電極層12が形成される。この上側電極層12上には、図1(a)、(b)及び図2(a)、(b)において図示を省略する層間絶縁膜27が形成される。
【0049】
図3(a)、(b)に示されるように、本実施の形態によれば、素子分離領域がゲート電極に対して自己整合的に形成される。このため、ゲート電極が素子分離端において、従来技術において説明したようにゲート絶縁膜側面に落ち込むことがない。これにより、素子分離領域端に寄生トランジスタが形成されることを防ぎ、トランジスタを高性能化することができる。
【0050】
また、本実施の形態によれば、素子分離トレンチ形成に先立ってゲート絶縁膜を形成し、ゲート電極及びゲート絶縁膜に対して自己整合的に素子分離トレンチを形成するプロセス(以下、自己整合STIプロセスと呼ぶ)を採用する。このため、素子分離領域形成用のダミー絶縁膜やダミーゲートの堆積や除去工程がないため、工程数が少なくて済む。また本実施の形態における製造工程ではゲート絶縁膜上にフォトレジストを直接塗布する工程が無いのでゲート絶縁膜の信頼性を向上することが可能となる。
【0051】
次に、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。まず、図1(a)に示された構造の製造方法を図4(a)乃至図8を用いて説明する。
【0052】
図4(a)に示されるように、半導体基板1の上表面に犠牲酸化膜(図示せず)を形成する。次に、ウエル不純物やチャネル不純物を必要に応じて注入し、その後、犠牲酸化膜を除去する。つづいて半導体基板1上にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の第1ゲート絶縁膜2及び多結晶シリコン等の下側電極層4を形成する。
【0053】
次に、図4(b)に示されるように、第1トランジスタ領域TR1及びここから境界部BSの中央までをフォトレジスト層30で覆い、その他の領域のゲート電極層及びゲート絶縁膜を除去する。除去の方法はウェットエッチング等の等方性エッチングでもRIE等の異方性エッチングのどちらでもよい。
【0054】
次に、図4(c)に示されるように、フォトレジスト層30を除去した後、半導体基板1全面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の第2ゲート絶縁膜3及び多結晶シリコン等の下側電極層11を形成する。このとき、第1トランジスタ領域TR1では、下側電極層4上に第2ゲート絶縁膜3及び下側電極層11が形成された積層構造となる。ここで、第1トランジスタ領域TR1における下側電極層4と第2トランジスタ領域TR2における下側電極層11は異なる物質及び膜厚を用いてもよい。しかし、これらが同一物質及び同一膜厚であれば後の工程でゲート電極を同時にエッチングすることが容易である。
【0055】
次に、図5(a)に示されるように、第2トランジスタ領域TR2及びここから境界部BSの中央までをフォトレジスト層31で覆い、その他の領域のゲート電極層及びゲート絶縁膜を除去する。除去の方法はウェットエッチング等の等方性エッチングでもRIE等の異方性エッチングのどちらでもよい。このとき、フォトレジスト層31の一部が残された下側電極層4の端部にかかるようにする。合わせずれを考慮して、フォトレジスト層30、31の端部の位置が重なる場合と重ならない場合とがあるが、ここでは重なる場合を例とする。すなわち、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2の作り分けの境界部BSではゲート電極が積層構造のまま残るようにする。
【0056】
次に、図5(b)に示されるように、フォトレジスト層31を除去した後、第1マスク層32及び第2マスク層33を堆積する。第1マスク層32には、例えば、シリコン窒化膜を用い、第2マスク層33には、例えば、シリコン酸化膜を用いる。次に、図5(c)に示されるように、素子分離領域の形成のためのフォトレジスト層34を第2マスク層33上に堆積し、素子分離パターンを形成する。フォトレジスト層34は、素子分離領域が形成されない部分の上方に配置される。
【0057】
次に、図6(a)に示されるように、第1マスク層32、第2マスク層33を異方性エッチングにより除去し、境界部BSの素子分離領域に対応する部分の下側電極層4、11を露出させる。次に、図6(b)に示されるように、第2マスク層33から露出した下側電極層4、11を異方性エッチングにより除去する。
【0058】
このさい、作り分けの境界部BSの素子分離領域に対応する部分においては、エッチング前に二つの下側電極層が積層されているため、エッチングされるのは、下側電極層11のみである。下側電極層4は電極層20として、半導体基板1上に残る。また、境界部BSにおいて、第2ゲート絶縁膜3が側壁絶縁膜21として残る。さらにこの側壁絶縁膜21から第2トランジスタ領域TR2側に向かって、下側電極層11が境界部BSから離れるに従って膜厚が減少するように残膜35として残る。
【0059】
次に、図6(c)に示されるように、素子分離領域形成のために半導体基板1をエッチングする。素子分離領域として形成される半導体基板1中のトレンチ36の深さは、例えば、50nm〜300nm程度、望ましくは150nm〜250nm程度である。作り分けの境界部BSにおいて、図6(b)で示される電極層20、絶縁膜21及び残膜21からなる段差のため、トレンチ36の底部に凸部10が形成される。この凸部10の段差量は図6(b)で残った電極層20の膜厚とエッチングの条件に依存するが、例えば、10nm〜300nm程度、望ましくは30nm〜100nm程度である。
【0060】
また、トレンチ36の底の深さも第1トランジスタ領域TR1側の部分と第2トランジスタ領域TR2側の部分とで異なる。これは第1ゲート絶縁膜2と第2ゲート絶縁膜3の膜厚の違いを反映し、ゲート絶縁膜が薄い部分ほど溝部の深さが深くなる。ここでは、第1トランジスタ領域TR1側のトレンチ36底部の深さが、第2トランジスタ領域TR2側のトレンチ36底部の深さよりも5nm〜50nm程度、望ましくは10nm〜30nm程度だけ浅く形成される。これは、第1ゲート絶縁膜2の方が第2ゲート絶縁膜3よりも5nm〜50nm程度、望ましくは10nm〜30nm程度だけ膜厚が厚いためである。このとき、第1及び第2下側電極層4、11に対して自己整合的に第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2内の半導体基板1をエッチングして、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2内に素子分離領域26(図3(a)、(b)参照)のためのトレンチを同時に形成する。
【0061】
次に、図7(a)に示されるように、シリコン酸化膜等の絶縁物37を、境界部BS内のトレンチ36及び第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2内のトレンチに埋め込むとともに、第2マスク層33上に堆積する。境界部BSでは、素子分離深さが浅くなっているので埋め込み性は良好である。次に、図7(b)に示されるように、CMP等の方法で第1マスク層32をストッパとして絶縁物37をエッチバックする。エッチバック後は、絶縁物37の上部はほぼ平坦となる。
【0062】
次に、図7(c)に示されるように、第1マスク層32を除去した後、半導体基板1上の露出面の全面に上側電極層5、12を堆積する。上側電極層5、12は、多結晶シリコン、または多結晶シリコンと金属もしくはシリコンと金属の化合物の積層膜、または金属もしくはシリコンと金属の化合物の単層膜とからなる。次に、図8に示されるように、ゲート電極層を加工するためのフォトレジスト層38を堆積しパターンを形成する。この際、境界部BSではフォトレジスト層38を残さず、このため、後の工程において、境界部BSのゲート電極層は除去される。
【0063】
次に、図1(a)に示されるように、フォトレジスト層38をマスクとして、ゲート電極層を異方性エッチングして、第1ゲート電極6、第2ゲート電極13及び素子分離領域9を形成する。その後、後酸化等で加工のダメージを回復させる。次に、第1ゲート電極6及び第2ゲート電極13をマスクとして、半導体基板1中に拡散層不純物を注入して、ソース/ドレイン拡散層7、14を形成する。なお、ゲート電極層上にシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等のマスク層を堆積させ、これをマスクとしてゲート電極層を加工してもよい。
【0064】
この後で、図示はしないが層間絶縁膜、コンタクトプラグ、配線等を形成して半導体装置を完成させる。このように境界部BSに素子分離領域が形成される場合には、図1(a)のように素子分離領域の底部に段差が残る。
【0065】
次に、図1(b)に示される構造の製造方法を説明する。図7(c)の工程までは、図1(a)の構造の製造方法とその製造方法は同一である。
【0066】
次に、図9に示されるように、ゲート電極層を加工するためのフォトレジスト層38及び素子分離上の電極層を形成するためのフォトレジスト層39を堆積し、パターンを形成する。ここで、フォトレジスト層39は図9における左右方向の幅が、絶縁物37の左右方向の幅よりも大きく、絶縁物37の側面にゲート電極層がエッチング後に残るのに十分な幅を持つように形成される。
【0067】
次に、図1(b)に示されるように、フォトレジスト層38、39をマスクとして、ゲート電極層を異方性エッチングして、第1ゲート電極6、第2ゲート電極13、ゲート構造17及び素子分離領域9を形成する。その後、後酸化等で加工のダメージを回復させる。次に、第1ゲート電極6及び第2ゲート電極13をマスクとして、半導体基板1中に拡散層不純物を注入して、ソース/ドレイン拡散層7、14を形成する。なお、ゲート電極層上にシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等のマスク層を堆積させ、これをマスクとしてゲート電極層を加工してもよい。
【0068】
この後で、図示はしないが層間絶縁膜、コンタクトプラグ、配線等を形成して半導体装置を完成させる。このように境界部BSが素子分離領域となっている場合には図1(b)のように素子分離領域の底部に段差が残る。
【0069】
次に、図2(a)に示される構造の製造方法を説明する。図5(b)の工程までは、図1(a)の構造の製造方法とその製造方法は同一である。
【0070】
次に、図10(a)に示されるように、素子分離領域形成のためのフォトレジスト層40を第2マスク層33上に被覆する。このように、作り分けの境界部BSにフォトレジストを残し、素子分離領域を形成しないことになる。第2マスク層33を異方性エッチングした後、図10(b)に示されるように、フォトレジスト層40を除去して、第2マスク層33を露出させる。このとき、図示はしていないが、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2内で第2マスク層33がエッチングされている部分がある。
【0071】
次に、先の図6(b)〜図7(b)と同様な工程を経て、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2内に素子分離領域26(図3(a)、(b)参照)を形成する。このときの境界部BSの形状を図11(a)に示す。次に、図11(b)に示されるように、第1マスク層32を除去した後で、露出した下側電極層4、11上に上側電極層5、12を形成する。このように境界部BSをレジストで覆ったために、ゲート電極層が積層構造のまま残る。
【0072】
次に、図12(a)に示されるように、ゲート電極層を加工するためのフォトレジスト層41を堆積し、パターンを形成する。次に、図12(b)に示されるように、フォトレジスト層41をマスクとして、ゲート電極層を異方性エッチングして、第1ゲート電極6、第2ゲート電極13を形成する。その後、後酸化等で加工のダメージを回復させる。次に、第1ゲート電極6及び第2ゲート電極13をマスクとして、半導体基板1中に拡散層不純物を注入して、ソース/ドレイン拡散層7、14及び境界部BSにおける拡散層42を形成する。なお、ゲート電極層上にシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等のマスク層を堆積させ、これをマスクとしてゲート電極層を加工してもよい。
【0073】
この後で、図示はしないが層間絶縁膜、コンタクトプラグ、配線等を形成して半導体装置を完成させる。このように境界部BSに素子分離領域が無く、ゲート電極層が除去された場合には図12(b)に示されるような形状となる。
【0074】
しかし、境界部BSはゲート電極層が積層構造となっているためにエッチング残りが生じた場合には図2(a)の形状となる。すなわち、第1ゲート電極6、第2ゲート電極13、電極層20及び側壁絶縁膜21をマスクとして、半導体基板1中に拡散層不純物を注入して、ソース/ドレイン拡散層7、14を形成する。この場合でもゲート電極のショート等の問題はまったく無い。また、境界部BSのゲート電極を完全に除去する場合よりもエッチング時間を短縮することができる。また、エッチング条件をトランジスタ領域のみに合わせて最適化すればよいのでトータルの加工マージンはむしろ向上する。
【0075】
次に、図2(b)に示される構造の製造方法を説明する。図11(b)の工程までは、図2(a)の構造の製造方法とその製造方法は同一である。
【0076】
次に、図13に示されるように、ゲート電極層を加工するためのフォトレジスト層41及び境界部BSのゲート構造18を形成するためのフォトレジスト層43を堆積し、パターンを形成する。次に、図2(b)に示されるように、フォトレジスト層41、43をマスクとして、ゲート電極層を異方性エッチングして、第1ゲート電極6、第2ゲート電極13、及びゲート構造18を形成する。その後、後酸化等で加工のダメージを回復させる。次に、第1ゲート電極6、第2ゲート電極13及びゲート構造18をマスクとして、半導体基板1中に拡散層不純物を注入して、ソース/ドレイン拡散層7、14を形成する。なお、ゲート電極層上にシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等のマスク層を堆積させ、これをマスクとしてゲート電極層を加工してもよい。
【0077】
この後で、図示はしないが層間絶縁膜、コンタクトプラグ、配線等を形成して半導体装置を完成させる。このように、図2(b)に示された形状では、境界部BSの半導体基板1上に、エッチングによる加工が施されていない電極層が積層されたゲート構造が形成される。
【0078】
一般に、作り分けの境界部BSは特殊な形状となっているためゲート電極の加工が難しい。この方法では境界部BSのゲート電極をエッチングする必要がないので加工が容易となり歩留まりが向上する。特に図2(b)に示されるように、境界部BSにおいてゲート電極が積層構造となっている場合には、特に加工が困難であるので、この部分を加工しなくてよいことの効果が大きい。
【0079】
このように本実施の形態においては、ゲート絶縁膜の膜厚または膜種の異なる2種類以上のトランジスタを持つ半導体装置において、ゲート絶縁膜を素子分離トレンチ形成に先立って作り分け、境界部BSの構造を工夫することによって工程数を削減し、かつ、半導体装置を高性能化することができる。
【0080】
さらに本実施の形態においては、異なる2種類以上のゲート絶縁膜を有する半導体装置内のそれぞれのトランジスタ領域が接する境界部BSにおいて、トレンチ素子分離またはゲート電極の形状と作り分けのプロセスを工夫する。こうして、信頼性が高く、十分なプロセスマージンとデバイス性能を両立させることができる。
【0081】
特に、本実施の形態は、素子分離領域がゲート電極に対して自己整合的に形成された不揮発性半導体装置において有用である。
【0082】
本実施の形態では、ゲート絶縁膜の作り分けをトレンチ素子分離形成前に行っていて、かつ、作り分け時にフォトレジストがゲート絶縁膜に直接塗布されないようになっている。
【0083】
本実施の形態によれば、素子分離端での素子分離酸化膜のエッチングが無く、かつ、ゲート絶縁膜の信頼性が高い半導体装置を提供できる。さらに、メモリセルのゲート絶縁膜としてONO膜を使用した場合には、素子分離端において、ONO膜厚が不均一になることを防ぐことができる。
【0084】
図1(a)、(b)に記載された構造では、境界部BSのトレンチ素子分離の底部が上に凸となっている。図7(a)に示されるように、トレンチ埋め込み時に、トレンチ底部の形状を上面が反映し、境界部BS中央で埋め込み酸化膜上表面が上に凸となる。幅が広い素子分離領域は、CMP処理時にディッシングしやすい。しかし、埋め込み形状が上に凸となっていることが、これと相殺するので、図7(b)に示されるように、平坦にCMP処理を行うことができる。このように、図62に示された従来の素子分離領域におけるトレンチの埋め込み不良やCMPでのディッシングがないためにプロセスマージンが増大し、歩留まりが向上する。
【0085】
図1(a)、(b)では、トレンチの深さが左右で異なる場合を例に挙げたが、トレンチの深さが左右で同じでも、上に凸の部分があれば、上記の効果を得ることができる。また、STI底部を流れるリーク電流が減少するという効果もある。これは、凸部の段差のために、STI底部の辺が長くなり、リークパスが形成されにくくなるためである。
【0086】
また、図2(a)に示された構成では、加工前のゲート電極は、図12(a)に示されるように、境界部BSにおいて、トランジスタ領域のゲート電極よりも厚く積み重なっている。ここで、境界部BSのゲート電極を完全に除去しようとした場合、トランジスタ領域よりも境界部BSにおいて、エッチングすべき量が多くなる。このような状態で、境界部BSのゲート電極を完全に除去しようとすると、トランジスタ領域ではエッチング量が多すぎて、半導体基板自体がエッチングされてしまう。このオーバーエッチングを防ぐための加工マージンを確保することは困難である。しかし、図2(a)に示される本実施の形態においては、境界部BSのゲート電極もトランジスタ領域のゲート電極と同じ量だけエッチングするので、エッチング量はトランジスタ領域のみで決めることができるので、加工マージンを十分に確保できる。
【0087】
図1(b)及び図2(b)に示される実施の形態においては、図9及び図10(a)に示されるように、ゲート加工時に境界部BSをフォトレジストで覆うことで、境界部BSのゲート電極をエッチングしないようにする。特に図2(b)及び図10(b)に示した境界部BSにおいては、ゲート電極の構造がトランジスタ領域と異なるために、トランジスタ領域と同時にエッチングすることが困難である。図1(b)及び図2(b)に示される本実施の形態では、エッチング量をトランジスタ領域のみで決めることができるので、加工マージンを十分に確保することが可能である。
【0088】
図2(a)に示されるような境界部BSのゲート電極を一部残す方法は、ゲート電極をエッチングするとき、境界部BSをレジストで覆う必要が無い。このため、合わせ余裕等を取る必要が無く、境界部BSのゲート電極のための領域を小さくすることができる。一方、図2(b)に示されるような境界部BSのゲート電極を全部残す方法では、境界部BSのゲート電極のパターンが大きい。このため、このゲート電極がはがれてダストとなる可能性が無く、歩留まりを高くすることができる。
【0089】
(第2の実施の形態)
図14(a)は第2の実施の形態に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図である。図14(b)、図15(a)、(b)は、それぞれ、第2の実施の形態の変更例に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図である。本実施の形態に特徴的なことは、ゲート絶縁膜の膜種、例えば膜材料や膜厚、の異なる2種類のトランジスタ(、例えば、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2)が同一半導体基板上に存在し、両者の境界部BSが、素子分離領域の形状または電極の構造に関し、両者のそれら(第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2における素子分離部の形状または電極の構造)と異なるものを含むことである。具体的には、境界部BSには、部分によって深さの異なるトレンチ型の素子分離領域等が配設される。
【0090】
図14(a)に示された半導体記憶装置は、半導体基板1上に配置された、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2、及びこれらの間に挟まれて両者に接する境界部BSを有する。第1トランジスタ領域TR1が高耐圧系トランジスタ領域である場合、半導体基板1上に形成されるゲート絶縁膜2はその厚さが10nm〜40nm程度のシリコン酸化膜で形成される。第2トランジスタ領域TR2が低電圧系トランジスタ領域である場合、半導体基板1上に形成されるゲート絶縁膜3はその厚さが1nm〜10nm程度のシリコン酸化膜で形成される。第2トランジスタ領域TR2がメモリセル領域である場合、ゲート絶縁膜3はその厚さが1nm〜10nm程度のシリコン酸化膜、またはその厚さが10nm〜50nm程度ONO膜で形成される。
【0091】
図14(a)の装置では、上述の3種類のトランジスタ領域のうち少なくとも2つを隣り合わせて、それぞれのゲート絶縁膜の種類または、ゲート絶縁膜厚を異ならせて配置する。なお、半導体基板1はその中に半導体基板と逆導電型のウエルが表面付近に形成されていてもよい。さらに逆導電型のウエル上にさらに半導体基板と同一導電型の別のウエルが形成されていてもよい(以下同様)。
【0092】
第1トランジスタ領域TR1においては、ゲート絶縁膜2上に下側電極層4が形成され、その上に上側電極層5が形成され、第1ゲート電極6が形成される。半導体基板1中には、第1ゲート電極6をマスクとして注入された1対のソース/ドレイン拡散層7が形成される。第1ゲート電極6とソース/ドレイン拡散層7が第1トランジスタ8を形成する。下側電極層4及び上側電極層5にはいずれもポリシリコン層などが用いられる。
【0093】
図1(a)に示された境界部BSにはトレンチ型の素子分離領域50が配設される。素子分離領域50のトレンチの底部には、下に凸となった凸部分51を有する段差が形成され、トレンチは部分的に深さが異なる。第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2をつなぐ方向における凸部分51の幅は100nm〜10000nm程度、望ましくは100nm〜1000nm程度である。トレンチの底部の浅い部分からの凸部分51の高さ(深さ)は10nm〜300nm程度、望ましくは30nm〜100nm程度である。この高さは隣接する第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2におけるゲート電極材料の膜厚に依存して変化する。また、素子分離領域9底部の下に凸となった部分51の幅は、製造工程におけるリソグラフィの合わせずれを考慮して与えられていて、例えば、100nm〜10000nm程度である。
【0094】
境界部BSに隣接した第2トランジスタ領域TR2においては、ゲート絶縁膜3上に下側電極層11が形成され、その上に上側電極層12が形成され、第2ゲート電極13が形成される。半導体基板1中には、第2ゲート電極13をマスクとして注入された1対のソース/ドレイン拡散層14が形成される。第2ゲート電極13とソース/ドレイン拡散層14が第2トランジスタ15を形成する。下側電極層11及び上側電極層12にはいずれもポリシリコン層などが用いられる。
【0095】
図14(a)に示された構造の場合、素子分離領域50が、境界部BSの左右のトランジスタ領域に近い部分よりも境界部BSの中央においてその深さが大きい。このため、素子分離耐圧が向上する。この素子分離領域の底は、隣接するトランジスタ領域のゲート絶縁膜が厚いほど、その深さが浅く、ゲート絶縁膜が薄いほど、その深さが深く形成される。また、素子分離領域50のトレンチの底に段差があり、素子分離領域の底の深さが、第1トランジスタ領域TR1側の部分と、第2トランジスタ領域TR2側の部分とで、5nm〜50nm程度、望ましくは10nm〜30nm程度だけ異なる。これは、第1ゲート絶縁膜2の方が第2ゲート絶縁膜3よりも5nm〜50nm程度、望ましくは10nm〜30nm程度だけ膜厚が厚いためである。また、左右のトランジスタ8、15と素子分離領域50との間に別の素子分離領域を設けることもできる。
【0096】
図14(b)に示された半導体記憶装置では、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2の構成が図14(a)と同様で、境界部BSでの構成が図14(a)に示された構成と異なる。素子分離領域50の周囲において、下側電極層4が第1ゲート絶縁膜2上に形成され、下側電極層11が第2ゲート絶縁膜3上に形成される。さらに素子分離領域50及びその周囲の下側電極層4、11上に上側電極層16が形成され、ゲート構造17が形成される。
【0097】
この構成においては、ゲート構造17は、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2のゲート電極6、13と電気的に絶縁されていることが望ましい。また、左右のトランジスタ8、15と素子分離領域50の間に別の素子分離領域を設けることもできる。
【0098】
図14(a)、(b)に示される構成では、境界部BSにおいて素子分離領域50のトレンチの底に段差があり、特に下に凸になっている凸部51が存在することに特徴がある。さらに素子分離領域50のトレンチの深さも第1トランジスタ領域TR1側の部分と、第2トランジスタ領域TR2側の部分とで異なる。この素子分離領域の底は、隣接するトランジスタ領域のゲート絶縁膜が厚いほど、その深さが浅く、ゲート絶縁膜が薄いほど、その深さが深く形成される。
【0099】
素子分離領域50の中央において素子分離深さが深くなっているため、素子分離領域の幅を小さく形成して、高集積化させても良好な素子分離耐圧を得ることができる。すなわち、従来のトランジスタ領域と境界部BSにおいてトレンチ深さが一定であった場合に比べて、トレンチ幅を狭くし、素子を微細化することができる。
【0100】
さらに、図14(b)で示される素子分離領域50上のゲート構造17は、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2のゲート構造と同じであるため、加工が容易である。
【0101】
図15(a)に示された半導体記憶装置では、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2の構成が図14(a)、(b)と同様で、境界部BSでの構成が図14(a)、(b)に示された構成と異なる。境界部BSには、半導体基板1中に掘り込まれた凹部52が配設される。
【0102】
素子分離領域は、ウエル分離などで必要な場合、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2と境界部BSとの間に形成される。
【0103】
この形状では、境界部BSに図14(a)、(b)に示されたような特殊形状となる素子分離領域を作成しないので、加工が容易である。
【0104】
図15(b)に示された半導体記憶装置では、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2の構成が図14(a)、(b)と同様で、境界部BSでの構成が図14(a)、(b)に示された構成と異なる。図15(a)の構造同様、境界部BSにおいて、素子分離領域が形成されていない。境界部BSには、半導体基板1の上に直接、電極層53が形成される。電極層53は上側電極層5、12と同じ組成で、その高さは上側電極層5、12と同じである。
【0105】
また、電極層53の第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2側の側面には、第1及び第2導電側壁54、55が形成される。第1導電側壁54は、下側電極層4と同じ組成で、電極層53の出っ張りと第1ゲート絶縁膜2との間に配設される。第2導電側壁55は下側電極層11と同じ組成で、電極層53の出っ張りと第2ゲート絶縁膜3との間に配設される。このような構造であるため、境界部BSのゲート構造の高さは第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2において形成されたトランジスタの高さと等しくなる。
【0106】
素子分離領域は、ウエル分離などで必要な場合、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2と境界部BSとの間に形成される。
【0107】
図15(b)に示された半導体記憶装置は、このように境界部BSにおいて電極層53が直接半導体基板と接する部分が存在することに特徴がある。また境界部BSにおいて、電極層53の両側には、第1及び第2ゲート絶縁膜2、3の両方が存在する。これらの構造をとることによって、同一半導体基板上に少ない工程数で複数のトランジスタを形成することが可能となる。
【0108】
図15(b)に示される構造においては、境界部BSにおいて半導体基板がエッチングされることがなく、境界部BSの電極層を除去していない。このため、エッチングするべき導電体の膜厚もトランジスタのゲート電極膜厚と同じであるので境界部BSの加工に起因する歩留まり低下が無い。
【0109】
また本実施の形態における製造工程では、ゲート絶縁膜上にフォトレジストを直接塗布する工程が無いのでゲート絶縁膜の信頼性を向上することが可能となる。特に図15(b)に示される構造の場合、境界部BSではゲート電極を残すパターンとするために、境界部BSの特殊な構造のゲート電極はエッチングする必要が無いので歩留まりが向上する。
【0110】
本実施の形態においても、第1の実施の形態同様に図3(a)、(b)に示される構造を有する。ゲート電極が素子分離端において、ゲート絶縁膜側面に落ち込むことがないため、素子分離領域端に寄生トランジスタが形成されることを防ぎ、トランジスタを高性能化することができる。また、自己整合型STIプロセスを採用し、素子分離領域形成用のダミー絶縁膜やダミーゲートの堆積や除去工程がないため、工程数が少なくて済む。
【0111】
次に、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。まず、図14(a)に示された構造の製造方法を図16(a)乃至図20を用いて説明する。
【0112】
図16(a)に示されるように、半導体基板1の上表面に犠牲酸化膜(図示せず)を形成する。次に、ウエル不純物やチャネル不純物を必要に応じて注入し、その後、犠牲酸化膜を除去する。つづいて半導体基板1上にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の第1ゲート絶縁膜2及び多結晶シリコン等の下側電極層4を形成する。
【0113】
次に、図16(b)に示されるように、第1トランジスタ領域TR1及びここから境界部BSの途中までをフォトレジスト層56で覆い、その他の領域のゲート電極層及びゲート絶縁膜を除去する。除去の方法はウェットエッチング等の等方性エッチングでもRIE等の異方性エッチングのどちらでもよい。
【0114】
次に、図16(c)に示されるように、半導体基板1全面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の第2ゲート絶縁膜3及び多結晶シリコン等の下側電極層11を形成する。このとき、第1トランジスタ領域TR1では、下側電極層4上に第2ゲート絶縁膜3及び下側電極層11が形成された積層構造となる。ここで、第1トランジスタ領域TR1における下側電極層4と第2トランジスタ領域TR2における下側電極層11は異なる物質及び膜厚を用いてもよい。しかし、これらが同一物質及び同一膜厚であれば後の工程でゲート電極を同時にエッチングすることが容易である。
【0115】
次に、図17(a)に示されるように、第2トランジスタ領域TR2及びここから境界部BSの途中までをフォトレジスト層57で覆い、その他の領域のゲート電極層及びゲート絶縁膜を除去する。除去の方法はウェットエッチング等の等方性エッチングでもRIE等の異方性エッチングのどちらでもよい。このとき、フォトレジスト層57の端部が残された下側電極層4の端部から離れるようにする。すなわち、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2の作り分けの境界部BSの中央では下側電極層4、11がともに除去され、半導体基板1の表面が露出するようにする。
【0116】
次に、図17(b)に示されるように、フォトレジスト層57を除去した後、第1マスク層58及び第2マスク層59を堆積する。第1マスク層56には、例えば、シリコン窒化膜を用い、第2マスク層59には、例えば、シリコン酸化膜を用いる。次に、図17(c)に示されるように、素子分離領域の形成のためのフォトレジストレジスト層60を第2マスク層59上に堆積し、素子分離パターンを形成する。フォトレジスト層60は、素子分離領域が形成されない部分の上方に配置される。
【0117】
次に、図18(a)に示されるように、フォトレジスト層60を用いて第2マスク層59及び第1マスク層58の素子分離パターンで開口されるように、異方性エッチングにより除去する。このとき、作り分けの境界部BSの中央ではエッチング前にゲート電極が存在しなかったために、エッチング後には半導体基板1が表面に露出する。次に、図18(b)に示されるように、第1マスク層58及び第2マスク層59が被覆していない部分の下側電極層4、11を異方性エッチングにより除去する。このとき、境界部BSの中央では、半導体基板1がエッチングされ、凹部44が形成される。
【0118】
次に、図18(c)に示されるように、素子分離領域形成のために半導体基板1をエッチングする。素子分離領域として形成される半導体基板1中トレンチ61の深さは、例えば、50nm〜300nm程度、望ましくは150nm〜250nm程度である。作り分けの境界部BSは図18(a)で示した段差のためにトレンチ61の底で下に凸の形状となる。凸部の段差は図18(a)で残った下側電極層4、11の膜厚とエッチングの条件に依存するが一般には10nm〜300nm程度、望ましくは30nm〜100nm程度である。
【0119】
また、トレンチ61の底の深さも第1トランジスタ領域TR1側の部分と第2トランジスタ領域TR2側の部分とで異なる。ここでは、第1トランジスタ領域TR1側のトレンチ61底部の深さが、第2トランジスタ領域TR2側のトレンチ61底部の深さよりも5nm〜50nm程度、望ましくは10nm〜30nm程度だけ浅く形成される。これは、第1ゲート絶縁膜2の方が第2ゲート絶縁膜3よりも膜厚が厚いためである。このとき、第1及び第2下側電極層4、11に対して自己整合的に第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2内の半導体基板1をエッチングして、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2内に素子分離領域26(図3(a)、(b)参照)のためのトレンチを同時に形成する。
【0120】
次に、図19(a)に示されるように、シリコン酸化膜等の絶縁物62で、境界部BS内のトレンチ61及び第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2内のトレンチを埋め込み、CMP等の方法で第1マスク層58をストッパとして絶縁物62をエッチバックする。次に、図19(b)に示されるように、第1マスク層58を除去した後、半導体基板1の全面に上側電極層5、12を堆積する。上側電極層5、12は、多結晶シリコン、または多結晶シリコンと金属もしくはシリコンと金属の化合物の積層膜、または金属もしくはシリコンと金属の化合物の単層膜からなる。次に、図19(c)に示されるように、ゲート電極を加工するためのフォトレジスト層63を堆積し、ゲート電極パターンを形成する。
【0121】
次に、図14(a)に示されるように、フォトレジスト層63をマスクとしてゲート電極を異方性エッチングして、第1ゲート電極6及び第2ゲート電極13を形成する。その後、後酸化等で加工のダメージを回復させる。次に、拡散層不純物を注入して、ソース/ドレイン拡散層7、14を形成する。このとき、境界部BSではレジスト層を残さず、境界部BSのゲート電極は除去する。もちろん、ゲート電極上にシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等のマスク層を堆積させ、これをマスクとしてゲート電極を加工してもよい。
【0122】
さらに図示はしないが層間絶縁膜、コンタクトプラグ、配線等を形成して半導体装置を完成させる。このように境界部BSに素子分離領域が形成される場合には、素子分離トレンチの底に下方凸部51として段差が残る。なお、また境界部BSは素子分離トレンチが深くなっているので埋め込み形状もそれを反映して下に凸となる場合もある。その場合は図20に示されるように、上表面に凹部64が形成される。
【0123】
次に、図14(b)に示される構造の製造方法を説明する。図19(b)に示される工程までは、図14(a)に示される構造の製造方法と同様である。上記の製造工程ではゲート電極加工のフォトレジスト層を境界部BSで開口する方法を示したが、ここでは、境界部BSにフォトレジスト層を残す方法が用いられる。すなわち、図21に示されるように、作り分けの境界部BSにフォトレジスト層65を残すパターンを使用する。この際、トレンチ61の幅よりも外側にフォトレジスト層65の開口部が設けられる。
【0124】
次に、図14(b)に示されるように、フォトレジスト層65をマスクとしてゲート電極を異方性エッチングして、第1ゲート電極6及び第2ゲート電極13を形成する。この際、素子分離領域50の周囲において、下側電極層4を第1ゲート絶縁膜2上に残し、下側電極層11を第2ゲート絶縁膜3上に残す。さらに素子分離領域50及びその周囲の下側電極層4、11上に上側電極層16を残し、ゲート構造17が形成される。この後に後酸化等で加工のダメージを回復させる。次に、半導体基板1中へ拡散層不純物を注入して、第1トランジスタ領域TR1のソース/ドレイン拡散層7及び第2トランジスタ領域TR2のソース/ドレイン拡散層14を形成する。なお、ゲート電極上にシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等のマスク層を堆積させ、これをマスクとしてゲート電極を加工してもよい。
【0125】
なお、また境界部BSは素子分離トレンチが深くなっているので、埋め込み形状もそれを反映して下に凸となる場合もある。その場合は図22に示されるように、上表面に凹部64が形成され、その凹部64を埋め込んで、上側電極層16が形成される。
【0126】
次に、図15(a)に示される構造の製造方法を説明する。この構造の製造方法は図17(b)までの工程は図14(a)に示される構造の製造方法と同様である。
【0127】
次に、図23(a)に示されるように、素子分離領域形成のためのフォトレジスト層67を第2マスク層59上に被覆する。第2マスク層59を異方性エッチングしたの後、図23(b)に示されるように、フォトレジスト層67を除去し、第2マスク層59上表面を露出させる。このとき、図示はしていないが、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2内で第2マスク層59がエッチングされている部分がある。
【0128】
次に、先の図18(a)〜図19(a)と同様な工程を経て、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2内に素子分離領域26(図3(a)、(b)参照)を形成する。このときの境界部BSの形状を図24(a)に示す。この際、第1マスク層58の上表面に存在する窪み68上には第2マスク層59が残る。
【0129】
次に、図24(b)に示されるように、第2マスク層59及び第1マスク層58を除去して、下側電極層4、11上表面及び半導体基板1の上表面を露出させて、これらの上表面上に上側電極層5、12を形成する。次に、図25(a)に示されるように、ゲート電極形成用フォトレジスト層69を上側電極層5、12上に形成する。
【0130】
次に、図25(b)に示されるように、フォトレジスト層69をマスクにエッチングを行い、第1ゲート電極6及び第2ゲート電極13を形成する。この後に後酸化等で加工のダメージを回復させる。次に、半導体基板1中へ拡散層不純物を注入して、第1トランジスタ領域TR1のソース/ドレイン拡散層7及び第2トランジスタ領域TR2のソース/ドレイン拡散層14を形成する。この工程では、境界部BSもマスクで覆われていないため、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2のソース/ドレイン拡散層と同様な拡散層が境界部BSにも形成される。なお、境界部BSをフォトレジスト層で覆うことにより、ソース/ドレイン拡散層が形成されないようにしてもよい。
【0131】
このように、境界部BSが素子分離領域で無く、ゲート電極が除去された場合には図25(b)のような形状となる。しかし、境界部BSはゲート電極が半導体基板に直接接するためにエッチングの選択比を確保することが困難で、半導体基板がエッチングされた場合には図15(a)の形状となる。この場合でもゲート電極が残っていないため、ゲート電極のショート等の問題はまったく無い。
【0132】
次に、図15(b)に示される構造の製造方法を説明する。図24(b)までの工程は、図15(a)に示される構造の製造方法と同様である。
【0133】
次に、図26に示されるように、上側電極層5、12上に、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2のゲート電極及び境界部BSのゲート構造を形成するためのフォトレジスト層70を形成する。境界部BS周辺においては、窪み68よりも外側に広がるようにフォトレジスト層70が形成される。次に、図15(b)に示されるように、フォトレジスト層70をマスクにゲート電極層がエッチングされ、第1ゲート電極6、第2ゲート電極13、電極層53、第1導電側壁54及び第2導電側壁55が形成される。この図15(b)に示される構造では、境界部BSの半導体基板に直接接触した電極層が残る。
【0134】
作り分けの境界部BSは特殊な形状となっているためゲート電極の加工が難しい。しかし、この方法では境界部BSのゲート電極加工をする必要がないので、他の方法に比べて、加工が容易となり歩留まりが向上する。境界部BSにおいてゲート電極が半導体基板に直接接触する場合には、特に加工が困難であるので、この部分を加工しなくてよいと効果が大きい。
【0135】
従来の問題であった図62(a)、(b)に示されるトレンチの埋め込み不良やCMPでのディッシングは、境界部BSでトレンチ幅が広いことに起因する。従って、本実施の形態のようにトレンチ底部を下に凸にして、かつ、トレンチ幅を従来よりも狭くすることで、素子分離耐圧を損なうことなく、埋め込み不良及びディッシングを防止できる。なお、この際の境界部BSにおけるトレンチのアスペクト比(縦横比)は増大するが、メモリセル領域におけるトレンチのアスペクト比よりも小さくなるようにしておけば、アスペクト比増大による埋め込み特性低下の顕在化を防げる。
【0136】
図15(a)に示されるように、境界部BSにおいて、ゲート電極を全く残さず、半導体基板を掘り込む方法においては、境界部BSにゲート電極が残らないのでダストが発生することがない。また、レジストで境界部BSを覆うことも無いので、境界部BSの面積を小さくすることができる。
【0137】
また、図25(a)で示される製造方法においては、加工前のゲート電極はトランジスタ領域より厚くなっていない。このため、エッチング量はトランジスタ領域における必要量に合わせることができる。また、半導体基板がエッチングされるのは、境界部BSだけであるので、エッチングによるダメージは問題とならない。
【0138】
また、図15(b)に示される境界部BSにおいて、電極層53、54、55(ゲート構造の導電性部分)を残して、かつ、電極層が半導体基板(ウエル)と電気的に接続する方法においては、ゲート電極の加工をトランジスタ領域のみに合わせることができる。特に、電極層(ゲート構造の導電性部分)をウエルと電気的に接続することで、ウエルの抵抗が下がり、ウエルの昇圧、降圧が高速化するので、デバイス性能が向上する。また、電極層を通じて、ウエルまたは半導体基板に電位を与えることが可能であるので、別にウエルコンタクトや基板コンタクトを設ける必要がない。
【0139】
(第3の実施の形態)
本実施の形態における半導体装置の断面図を図27(a)、(b)に示す。本実施の形態に特徴的なことはゲート絶縁膜の膜種または膜厚の異なる3種類のトランジスタ(、例えば、第1乃至第3トランジスタ領域TR1、TR2、TR3)が同一半導体基板上に存在し、隣接する2つのトランジスタ領域の境界部BSにおいて、素子分離領域の形状または電極の構造に関し、隣接する2つのトランジスタ領域のそれらと異なるものを含むことである。
【0140】
図27(a)に示される構造においては、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2は、図1(a)に示される構造と同様になっている。さらに第2及び第3トランジスタ領域TR2、TR3の間には、その底部に上に凸の凸部71を有する素子分離領域72が配設される。また、第3トランジスタ領域TR3には、第3ゲート絶縁膜73が半導体基板1上に形成される。この第3ゲート絶縁膜73は第1ゲート絶縁膜2とも第2ゲート絶縁膜3ともその組成または膜厚が異なる。この第3ゲート絶縁膜73上には下側電極層74と上側電極層75が積層された第3ゲート電極76が形成される。
【0141】
この第3ゲート電極76をマスクとして、半導体基板1中には、ソース/ドレイン拡散層77が形成され、第3トランジスタ78が形成される。
【0142】
図27(a)に示す例では、境界部BSにおいて素子分離領域9、27のトレンチの底に段差があり、特に上に凸になっている凸部10、71が存在することに特徴がある。さらに素子分離領域9の深さも第1トランジスタ領域TR1側の部分と第2トランジスタ領域TR2側の部分とで異なる。また、素子分離領域72の深さも第2トランジスタ領域TR2側の部分と第3トランジスタ領域TR3側の部分とで異なる。ここでは、第2トランジスタ領域TR2のゲート絶縁膜3は第3トランジスタ領域TR3のゲート絶縁膜73よりも厚さが薄いために、素子分離領域72の底部はその厚さ分、第3トランジスタ領域TR3の素子分離領域の方がその底部の深さが浅く形成される。
【0143】
また、図27(b)に示す例では、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2の間の境界部BSの構造が、第2及び第3トランジスタ領域TR2、TR3の間の境界部BSの構造と異なることに特徴がある。第2及び第3トランジスタ領域TR2、TR3の境界部BSにおいて素子分離領域80の底に凸部は存在せず、接する領域によって深さが異なるための段差があるのみである。第2ゲート絶縁膜3の膜厚よりも第3ゲート絶縁膜81の膜厚の方が厚く形成されるため、素子分離領域80の第2トランジスタ領域TR2側において、深さが深く形成される。
【0144】
第3トランジスタ領域TR3においては、半導体基板1上に第3ゲート絶縁膜81が形成され、この第3ゲート絶縁膜81上に下側電極層82及び上側電極層83からなる第3ゲート電極84が形成される。この第3ゲート電極84をマスクに半導体基板1中に形成されたソース/ドレイン拡散層85が設けられ、第3トランジスタ86が配設される。
【0145】
これらの構造を採ることによって、STI形成用のダミー絶縁膜やダミーゲートの堆積や除去工程が不要な自己整合STIプロセスとなり、同一半導体基板上に少ない工程数で複数のトランジスタを形成することが可能となる。また図27(a)の構造における製造工程ではゲート絶縁膜上にフォトレジストを直接塗布する工程が無いのでゲート絶縁膜の信頼性を向上することが可能となる。
【0146】
図27(b)の構造における製造工程では作り分けたゲート電極を除去する工程が削減されるために製造プロセスを簡略化してコストを低くすることができる。
【0147】
図28(a)は、第1トランジスタ領域TR1のゲート電極の構造を表す断面図である。図28(b)は、第2トランジスタ領域TR2のゲート電極の構造を表す断面図である。図28(c)は、第3トランジスタ領域TR3のゲート電極の構造を表す断面図である。図28(a)〜(c)で示すように、本実施の形態におけるトランジスタはゲート電極が素子分離領域に対して自己整合的に形成される。このため、ゲート電極が素子分離端においてゲート絶縁膜側面に落ち込むことがない。従って、ため、素子分離端に寄生トランジスタが形成されることを防ぎトランジスタを高性能化することができる。
【0148】
図27(a)、(b)で示した作り分けの境界部BSの構造は、境界部BSでゲート電極が重なり合わせ、素子分離トレンチを形成し、かつ、ゲート電極を除去する方法により形成される。しかし、第1の実施の形態及び第2の実施の形態で説明したのと同様に、境界部BSでの重なりの有無、素子分離トレンチの有無及びゲート電極除去の有無を任意に組み合わせることができる。さらに各作り分けの境界の構造は同一構造に統一してもよいし、別々の構造としてもよい。
【0149】
以下に本実施の形態における図27(a)に示される構造の半導体装置の製造方法の一例を説明する。図29(a)乃至30(a)は図4(a)乃至図5(a)に示される工程と同様である。
【0150】
次に、図30(b)に示されるように、第3トランジスタ領域TR3とその境界部BSを露出させるフォトレジスト層91を用いて、エッチングを行う。次に、図30(c)に示されるように、フォトレジスト層91を除去した後で、第3ゲート絶縁膜73を全体に堆積し、その上に下側電極層74を形成する。次に、図31(a)に示されるように、第3トランジスタ領域TR3とその境界部BSにフォトレジスト層92を設け、エッチングを行う。これにより、第1トランジスタ領域TR1に下側電極層4を露出させ、境界部BSから第2トランジスタ領域TR2にかけて下側電極層11を露出させる。
【0151】
次に、図31(b)に示されるように、フォトレジスト層92を除去して、露出表面に順次、第1マスク層93、第2マスク層94を形成する。第1マスク層93は、例えば、シリコン窒化膜で、第2マスク層94は、例えば、シリコン酸化膜である。その後、第1の実施の形態の製造方法として示された図5(c)から図8までの工程と同様の方法により素子分離領域及びゲート電極を加工する。さらに図示はしないが層間絶縁膜、コンタクトプラグ、配線等を形成して半導体装置を完成させる。
【0152】
本実施の形態の方法では、ゲート絶縁膜上にフォトレジストが直接接触する工程が無いためにゲート絶縁膜の高い信頼性を確保することができる。また作り分けの境界部BSの構造は図27(a)で示した構造に限られず、第1の実施の形態及び第2の実施の形態に示される別の構造を用いてもよいし、複数種類の構造を組み合わせてもよい。さらに本実施の形態の方法を用いることで4種類以上のゲート絶縁膜及びゲート電極を作り分けることもできる。
【0153】
次に、図27(b)に示された構造の製造方法の一例を説明する。
【0154】
まず、半導体基板の表面に犠牲酸化膜を形成する。ウエル不純物やチャネル不純物を必要に応じて注入した後、犠牲酸化膜を除去する。次に、図32(a)に示されるように、半導体基板1上にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の第1ゲート絶縁膜2及び多結晶シリコン等の下側電極層4を形成する。
【0155】
次に、図32(b)に示されるように、第1トランジスタ領域TR1となる部分をフォトレジスト層95で覆い、その他の領域のゲート電極及びゲート絶縁膜を除去する。除去の方法はウェットエッチング等の等方性エッチングでもRIE等の異方性エッチングのどちらでもよい。
【0156】
次に、図32(c)に示されるように、半導体基板1全面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の酸化膜96を形成する。次に、図32(d)に示されるように、第3トランジスタ領域TR3をフォトレジスト層97で覆い、その他の領域の酸化膜96を除去する。
【0157】
次に、図33(a)に示されるように、露出表面上に第2ゲート絶縁膜3及び下側電極層11、82を形成する。酸化膜96の上には第2ゲート絶縁膜3が形成され、膜厚が厚くなって、第3ゲート絶縁膜81として第3トランジスタ領域TR3に形成される。下側電極層11と下側電極層82は異なる物質及び膜厚を用いてもよい。しかし、これらが同一物質及び同一膜厚であれば後の工程でゲート電極を同時にエッチングすることが容易である。
【0158】
次に、図33(b)に示されるように、第2及び第3トランジスタ領域TR2、TR3となる部分をフォトレジスト層98で覆い、その他の領域の下側電極層11、82及び第2ゲート絶縁膜3を除去する。除去の方法はウェットエッチング等の等方性エッチングでもRIE等の異方性エッチングのどちらでもよい。このとき、フォトレジストの一部が第1トランジスタ領域TR1側の境界部BSにかかるようにする。そのため、第1及び第2トランジスタ領域TR1、TR2の作り分けの境界部BSではゲート電極が積層構造のまま残る。
【0159】
次に、図33(c)に示されるように、第1マスク層99及び第2マスク層100を堆積する。第1マスク層99は、例えば、シリコン窒化膜であり、第2マスク層100は、例えば、シリコン酸化膜である。この後、図6(a)乃至図7(c)の工程と同様の工程により素子分離トレンチ、素子分離領域を形成する。
【0160】
次に、図34(a)、(b)に示される構造を、図5(c)乃至図8の工程と同様の工程により形成する。次に、フォトレジスト層101をゲート電極形成用マスクとして用いて、図1(a)を参照して説明した工程と同様に、ゲート電極を加工する。第2及び第3トランジスタ領域TR2、TR3の境界部BSでは、下側電極層11、82が共通に用いられているため、その膜厚には境界部BSにおいて差は生じていない。そのため、素子分離領域80の底部は第2ゲート絶縁膜と第3ゲート絶縁膜の膜厚の差分の段差が生じている。すなわち、膜厚の厚い第3トランジスタに隣接した側の境界部BSの素子分離領域80の深さが第2トランジスタに隣接した側の素子分離領域80の深さよりも浅く形成される。さらに図示はしないが層間絶縁膜、コンタクトプラグ、配線等を形成して半導体装置を完成させる。
【0161】
図27(a)に示された半導体装置の製造方法に対して、図27(b)に示された半導体装置の製造方法では、第2トランジスタ領域TR2の下側電極層11と第3トランジスタ領域TR3の下側電極層82を共通に堆積する。このため、除去工程が省略され、工程を簡略化することができる。
【0162】
作り分けの境界部BSの構造は図27(a)、(b)で示した構造に限られず、第1の実施の形態及び第2の実施の形態で示した別の構造を用いてもよいし、複数の構造を組み合わせてもよい。さらに本実施の形態を用いることで4種類以上のゲート絶縁膜及びゲート電極を作り分けることもできる。また、高耐圧系トランジスタのゲート絶縁膜上にのみフォトレジストが直接塗布される形態となっているために、メモリセルの信頼性を損なうことなく、作り分けの工程数を削減することができる。
【0163】
(第4の実施の形態)
本実施の形態における半導体装置は、不揮発性記憶装置のひとつであるMONOS型セル構造をもつNAND型EEPROM、NOR型EEPROM、AND型EEPROM、またはVirtual Ground Array型EEPROMのいずれかに適用する。本実施の形態にかかる作り分けの境界部BS近傍の断面図を図35乃至図37に示す。
【0164】
図38には、選択トランジスタに挟まれて複数のメモリセルが直列に配置されたNANDメモリセルブロックの等価回路図が示される。すなわち、不揮発性メモリセルM0〜M15が直列に接続され、メモリセルM0の一端が選択トランジスタS1を介して、データ転送線BLに接続され、メモリセルM15の一端が選択トランジスタS2を介して、共通ソース線SLに接続される。
【0165】
それぞれのメモリセルM0〜M15の制御電極は、データ転送線WL0〜WL15に接続される。また、データ転送線に沿った複数のメモリセルブロックから1つのメモリセルブロックを選択して、データ転送線に接続するため、選択トランジスタS1の制御電極はブロック選択線SSLに接続される。さらに、選択トランジスタS2の制御電極は、ブロック選択線GSLに接続され、点線で示される領域で、NANDメモリセルブロックAを形成する。
【0166】
ここでは、メモリセルブロックA内に16個のメモリセルが接続される状態を示す。しかし、データ転送線及びデータ選択線に接続するメモリセルの数は複数であればよく、2n 個(nは正の整数)であることがアドレスデコードをする上で望ましい。また、選択トランジスタとして、メモリセルトランジスタと同じ構造を用いる必要は必ずしもなく、図39に示されるように、選択トランジスタS1、S2として、通常のMOSトランジスタを用いることができる。
【0167】
MONOS型不揮発性メモリは、メモリセルを構成するMONOS型トランジスタ、周辺低電圧回路を構成する比較的薄いゲート酸化膜を持つMOSトランジスタ(以下LV系トランジスタと呼ぶ)、周辺高電圧回路を構成する比較的厚いゲート酸化膜を持つMOSトランジスタ(以下HV系トランジスタ)の少なくとも3種類のトランジスタを含む。MONOSメモリセルとLV系トランジスタは第1乃至第3の実施の形態による方法によって作り分けられ、その境界部BSは、例えば図35に示す形状を有する。しかし、第1乃至第3の実施の形態で説明したのと同様に、境界部BSでの重なりの有無、素子分離トレンチの有無及びゲート電極除去の有無を任意に組み合わせることができる。
【0168】
図35に断面が示される半導体装置において、例えば、1014cm-3 1019cm-3の不純物濃度でボロンを含むP型半導体基板102上にメモリセル領域MC、低圧系(LV系)トランジスタ領域LV、及び高圧系(HV系)トランジスタ領域HV、並びに、それ等の間の境界部BSが配置される。基板102内にN型ウエル102nとP型ウエル102pとが形成される。N型ウエル102n内にP型ウエル102pが形成されると、P型半導体基板102と独立にP型ウエル102pに電圧印加できる。これにより、消去時の昇圧回路負荷を減らし、消費電力を抑えることができる。
【0169】
メモリセル領域MCにおいて、トンネルゲート絶縁膜103を介して電荷蓄積層104が形成される。トンネルゲート絶縁膜103は、例えば、1から10nmの厚さのシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜からなる。電荷蓄積層104は、例えば、3nm〜50nmの厚さのSiN、SiONからなる。この上に、例えば、厚さが2nm〜10nmの間のシリコン酸化膜からなるブロック絶縁膜105が形成される。
【0170】
このブロック絶縁膜105の上には、制御ゲート106が10nm〜500nmの厚さで形成され、メモリセルゲート107及び選択ゲート108が構成される。制御ゲート106は、例えば、ポリシリコンやWSi(タングステンシリサイド)とポリシリコンとのスタック構造、または、NiSi、MoSi、TiSi、CoSiとポリシリコンのスタック構造、金属とポリシリコンのスタック構造、またはシリコンの金属化合物や金属の単層構造からなる。さらに、制御ゲート106の上に、10nm〜300nm程度の厚さのシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなるマスク絶縁膜が配置される。
【0171】
LV系トランジスタ領域LVにおいては、基板102上にLV系ゲート絶縁膜113が形成され、その上にLV系ゲート109が形成される。HV系トランジスタ領域HVにおいては、基板102上にHV系ゲート絶縁膜110が形成され、その上にHV系ゲート111が形成される。
【0172】
これら各領域MC、LV、HVにおけるゲート電極の両側には、例えば、5nm〜200nmの厚さのシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜からなる側壁絶縁膜119が形成される。また、基板102の表面にN型拡散層であるソース/ドレイン拡散層112が形成される。これらソース/ドレイン拡散層112とメモリセルゲート107により、MONOS型不揮発性EEPROMセルが形成される。電荷蓄積層のゲート長は、例えば、0.5μm以下0.01μm以上である。
【0173】
これらソース/ドレイン型拡散層112は、例えば、リンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017cm-3から1021cm-3となるように、例えば、深さ10nm〜500nmの間で形成される。さらに、これらソース/ドレイン拡散層112はメモリセル同士で直列に接続され、NAND接続が実現される。また、選択ゲート108の一端側のソース/ドレイン拡散層112はコンタクトプラグ115を介してデータ転送線116に接続される。
【0174】
選択ゲート108は、メモリセルゲート107の制御ゲート106と同層で形成される。コンタクトプラグ115は、例えば、N型またはP型にドープされたポリシリコンやタングステン、及びタングステンシリサイド、Al、TiN、Tiなどが充填され、導電体領域となる。データ転送線116はタングステンやタングステンシリサイド、チタン、チタンナイトライド、またはアルミニウムからなる。
【0175】
選択ゲート108は、メモリセルゲート107の電荷蓄積層104と同様な構成のゲート絶縁膜117を介して基板102と対向し、選択トランジスタを形成する。選択ゲート108のゲート長は、メモリセルゲートのゲート長よりも長く、例えば、1μm以下0.02μm以上に形成される。これにより、ブロック選択時と非選択時のオンオフ比を大きく確保でき、誤書き込みや誤読み出しを防止できる。
【0176】
これらの各素子は、例えば、SiO2 やSiNからなる層間膜118によって充填される。さらに、この層間膜118上部には、例えば、SiO2 やSiN、または、ポリイミドからなる絶縁膜保護層(図示せず)や、例えば、W、AlやCuからなる上部配線(図示せず)が形成される。
【0177】
メモリセル領域MCとLV系トランジスタ領域との間には図1(a)に示されるような構造の第1素子分離領域120が配設される。LV系トランジスタとHV系トランジスタ領域HVとの間には、図27(b)に示されるような構造の第2素子分離領域121が配設される。
【0178】
LV系トランジスタ領域LVのソース/ドレイン拡散層112にはコンタクトプラグ122が接続される。コンタクトプラグ122は配線123に接続される。また、HV系トランジスタ領域HVのソース/ドレイン拡散層112にはコンタクトプラグ124が接続される。コンタクトプラグ124は配線125に接続される。
【0179】
本実施の形態では、MONOS型EEPROMセルを用いるため、後述する浮遊ゲート型EEPROMセルよりも書き込み電圧及び消去電圧を低電圧化することができる。このため、周辺回路トランジスタにおいて、素子分離間隔を狭めてゲート絶縁膜厚を薄膜化しても耐圧を維持することができる。
【0180】
よって、高電圧が印加される回路の面積を小さくでき、よりチップ面積を縮小することができる。さらに、浮遊ゲート型メモリセルと比較して、電荷蓄積層104の厚さを20nm以下に小さくできる。このため、ゲート形成時のアスペクト比を低減でき、ゲート電極の加工形状を向上させ、層間膜118のゲート間の埋め込み特性も向上させることができ、耐圧を向上させることができる。
【0181】
また、浮遊ゲート電極を形成するためのプロセスやスリット作成プロセスが不要であり、よりプロセス工程を短くすることができる。また、電荷蓄積層104が絶縁体で、1つ1つの電荷トラップに電荷が捕獲されるので、放射線に対して電荷が抜けにくく強い耐性を持たせることができる。さらに、電荷蓄積層104の側壁絶縁膜が薄膜化しても、電荷蓄積層104に捕獲された電荷がすべて抜けてしまうことなく良好な保持特性を維持できる。
【0182】
図35に示される選択トランジスタはメモリセルトランジスタと同じMONOS構造をとっている。この場合、選択トランジスタとメモリセルトランジスタを作り分けるための工程を省略できるので製造コストが削減される。また作り分けのための余裕をとる必要が無いので選択トランジスタとメモリセル間の距離を小さくすることが可能で素子面積を縮小することができる。
【0183】
図35に示される構造においては、ゲートが形成されていない基板102上には、ゲート絶縁膜は存在しない。
【0184】
図36は図35に示す構造の変更例を示す。ここでは、図35における第1素子分離領域120がなく、代わりにメモリセル領域MCとLV系トランジスタ領域LVとの間の境界部BSにゲート構造130が形成される。ゲート構造130において、基板102上で、メモリセル領域MC側には選択ゲート108のゲート絶縁膜117が設けられ、メモリセル領域MCから遠い側にはLV系ゲート絶縁膜113が設けられる。ゲート絶縁膜117とLV系ゲート絶縁膜113との間に直接基板102に接触するようにゲート電極材料が配設される。このゲート構造の側壁には、絶縁膜119が配設される。ゲート構造130は、絶縁膜や導電体の組成を変えて、図15(b)に示される境界部BSにおける電極層53と同様な方法で形成される。
【0185】
図37は図35に示す構造の別の変更例を示す。ここでは、図35に示される構造において、メモリセル領域MC側のゲート電極加工時に、ゲート絶縁膜が同時に加工されずに残される場合の構造である。すなわち、メモリセル領域MC及びこれに隣接する境界部BSの部分において、半導体基板表面には、トンネルゲート絶縁膜103及び電荷蓄積層104が形成される。
【0186】
図37におけるメモリセル領域MCとLV系トランジスタ領域LVの境界部BSの構造として、図40(a)乃至図40(h)に示した構造をとることができる。また、LV系ゲート絶縁膜とHV系ゲート絶縁膜とを入れ替えることで、メモリセル領域MCとHV系トランジスタ領域HVの境界部BSにもこれらの構造は適用できる。すなわち、図40(a)乃至図40(h)は、NAND型MONOS半導体記憶装置の境界部BSに適用可能である。
【0187】
なお、それぞれの境界部BSにおいて、ゲート絶縁膜を設けないで、基板102を露出させた構造とすれば、図35及び図36に示される半導体装置の境界部BSに適用できる。また、それぞれの境界部BSに拡散層112を形成しない構造としてもよい。さらに各作り分けの境界の構造は同一構造に統一してもよいし、場所によって異なる別々の構造としてもよい。
【0188】
図40(a)に示される境界部BSにおいては、図1(a)に示される構造と同様の素子分離領域132が基板102中に形成される。素子分離領域132のメモリセル領域MC側にはトンネルゲート絶縁膜103及び電荷蓄積層104が形成される。素子分離領域132の両側で基板102中にソース/ドレイン拡散層112が形成される。素子分離領域132のトレンチの底部には上に凸となった凸部を有する段差が形成される。このような境界部BSの構造を採ることで、STI埋め込み性を向上させ、ディッシングを防止し、面積を縮小することができる。
【0189】
図40(b)に示される境界部BSにおいては、図40(a)に示された構造において、素子分離領域132を覆って選択ゲート108と同じゲート構造が形成される。このような境界部BSの構造を採ることで、STI埋め込み性を向上させ、ディッシングを防止し、ゲート加工を容易とすることができる。
【0190】
図40(c)に示される境界部BSにおいては、図14(a)に示される構造と同様の素子分離領域133を、図40(a)における素子分離領域132と置き換えて形成する。このような境界部BSの構造を採ることで、STIの耐圧を向上させ、面積縮小を可能とすることができる。
【0191】
図40(d)に示される境界部BSにおいては、図40(b)に示される構造において、素子分離領域132を図40(c)に示される素子分離領域133と入れ替えて構成する。このような境界部BSの構造を採ることで、STIの耐圧を向上させ、ゲート加工を容易とすることができる。
【0192】
図40(e)に示される境界部BSにおいては、図2(a)に示される構造と同様の構造が形成される。境界部BSの中央で基板102上には、メモリセル領域MC及びLV系トランジスタ領域LVのゲート構造の構成材料から形成されるゲート構造134が形成される。ゲート構造134において、基板102上でメモリセル領域MC側にONO膜131、LV系トランジスタ領域LV側にLV系ゲート絶縁膜113が形成される。ONO膜131及び絶縁膜113上に電極層20、側壁絶縁膜119等が形成される。ゲート構造134からメモリセル領域MC側で基板102上にトンネルゲート絶縁膜103及び電荷蓄積層104が形成される。ゲート構造134の両側で基板102中にはソース/ドレイン拡散層112が形成される。このような境界部BSの構造を採ることで、ゲート加工を容易としSTI起因の不良を回避することができる。
【0193】
図40(f)に示される境界部BSにおいては、図2(b)に示される構造と同様の境界部BSの構造を有する。境界部BSの中央で基板102上には、メモリセル領域MC及びLV系トランジスタ領域LVのゲート構造の構成材料から形成されるゲート構造135が形成される。ゲート構造135において、基板102上でメモリセル領域MC側にONO膜131、LV系トランジスタ領域LV側にLV系ゲート絶縁膜113が配設される。ONO膜131上には、制御ゲート108と同様の積層ゲート構造が設けられ、LV系ゲート絶縁膜113上には、LV系ゲート109の下層構造が設けられる。このゲート構造135の側面には絶縁膜119が形成される。このような境界部BSの構造を採ることで、ダストを低減し、STI起因の不良を回避することができる。
【0194】
図40(g)に示される境界部BSにおいては、図15(a)に示される構造と同様の境界部BSの構造を有する。境界部BSの中央で基板102の表面に凹部136が形成される。凹部136からメモリセル領域MC側で基板102上にトンネルゲート絶縁膜103及び電荷蓄積層104が形成される。このような境界部BSの構造を採ることで、ダストを低減し、STI起因の不良を回避することができる。
【0195】
図40(h)に示される境界部BSにおいては、図15(b)において示されるゲート構造130と同様の構造が示される。ここでは、境界部中央で半導体基板102の表面に凹部が形成されているが、図15(b)と同様に平坦であってもよい。なお、このゲート構造においては、基板102の表面に絶縁膜を介さずに電極層が直接接する。このような境界部BSの構造を採ることで、ゲート加工が容易で、ダストを低減し、STI起因の不良を回避し、アスペクト比を一致させることができる。
【0196】
図41(a)には、メモリセルのゲート上で、データ転送線に垂直な方向での断面が示される。また、図41(b)には、周辺トランジスタのゲート上で、データ転送線に垂直な方向での断面が示される。
【0197】
図41(a)、(b)に示されるように、素子分離領域300によって、基板102及びゲート絶縁膜の側面が覆われる。このため、トンネルゲート絶縁膜103を形成する前のエッチングで素子分離領域の端部が露出することがなく、ゲート電極106が基板102の表面よりも下方に来ることをメモリセル及び周辺トランジスタの両方で防ぐことができる。これは、この構造が自己整合STI方法によって形成されるためである。このようにして、素子分離領域300とトンネルゲート絶縁膜103との境界での電界集中や閾値低下した寄生トランジスタが生じにくい。さらにバーズビークに起因する書き込み閾値の低下現象であるサイドウオーク現象が生じにくくなるため、より信頼性の高いトランジスタを形成できる。
【0198】
図42には、NOR型MONOS型メモリセルの等価回路図が示される。データ転送線BL1、BL2とソース線SLとの間にそれぞれのメモリセルM01、M02、M11、M12、M21、M22のソース、ドレインが接続される。それぞれのゲートにはデータ選択線WL0、WL1、WL2が接続される。このようなNOR型MONOS型メモリセルにおいても本実施の形態の上記構造を適宜、変更して適用することができる。
【0199】
図43には、選択トランジスタに挟まれて複数のメモリセルが直列に配置されたAND型MONOS型メモリセルブロックの等価回路図が示される。不揮発性メモリセルM0〜M15が並列に接続される。メモリセルM0〜M15の一端が選択トランジスタS1を介して、データ転送線BLに接続される。メモリセルM0〜M15の他端が選択トランジスタS2を介して、共通ソース線SLに接続される。
【0200】
それぞれのメモリセルM0〜M15の制御電極は、データ転送線WL0〜WL15に接続される。また、データ転送線に沿った複数のメモリセルブロックから1つのメモリセルブロックを選択して、データ転送線に接続するため、選択トランジスタS1の制御電極はブロック選択線SSLに接続される。さらに、選択トランジスタS2の制御電極は、ブロック選択線GSLに接続され、点線で示される領域で、ANDメモリセルブロックBを形成する。
【0201】
ここでは、メモリセルブロックB内に16個のメモリセルが接続される状態を示す。しかし、データ転送線及びデータ選択線に接続するメモリセルの数は複数であればよく、2n 個(nは正の整数)であることがアドレスデコードをする上で望ましい。また、選択トランジスタとして、メモリセルトランジスタと同じ構造を用いる必要は必ずしもない。例えば、図44に示されるように、選択トランジスタS1、S2として、通常のMOSトランジスタを用いることができる。
【0202】
このようなAND型MONOS型メモリセルにおいても本実施の形態の上記構造を適宜、変更して適用することができる。
【0203】
次に、図45(a)乃至図48(c)を用いて図35に示される本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の一例を説明する。まず、半導体基板102の表面に犠牲酸化膜(図示せず)を形成する。ウエル不純物やチャネル不純物を必要に応じて注入した後、犠牲酸化膜を除去する。
【0204】
次に、図45(a)に示されるように、半導体基板102上に、例えば、1から10nmの厚さからなるシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜からなるトンネルゲート絶縁膜103を形成する。次に、例えば、SiN、SiONからなる電荷蓄積層104を3nm〜50nmの厚さで形成形成する。次に、例えば、厚さが2nm〜10nmの間のシリコン酸化膜からなるブロック絶縁膜105を形成する。その上に、例えば、ポリシリコン層137を10nm〜500nmの厚さで堆積する。
【0205】
次に、図45(b)に示されるように、メモリセル領域MCとなる部分をフォトレジスト層138で覆い、その他の領域のポリシリコン層137、ブロック絶縁膜105、電荷蓄積層104、及びトンネルゲート絶縁膜103を除去する。除去の方法はウェットエッチング等の等方性エッチングでもRIE等の異方性エッチングのどちらでもよい。次に、図45(c)に示されるように、半導体基板102全面に、例えば、5から50nmの厚さからなるシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜からなるHV系トランジスタのゲート絶縁膜110を形成する。
【0206】
次に、図46(a)に示されるように、HV系トランジスタ領域HVをフォトレジスト層139で覆い、その他の領域からHV系トランジスタのゲート絶縁膜110を除去する。次に、図46(b)に示されるように、フォトレジスト層139を除去して、半導体基板102全面に、例えば、厚さ1nm〜10nmの間のシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜からなるLV系ゲート絶縁膜113を形成し、HV系ゲート絶縁膜110を所定膜厚に形成する。このHV系ゲート絶縁膜110を介して、例えば、ポリシリコン層140を、例えば、10nm〜500nmの厚さで堆積する。
【0207】
このとき、メモリセル領域MCは、メモリセルのポリシリコン層137上にLV系トランジスタ用ゲート絶縁膜113及びポリシリコン層140が形成された積層構造となる。ここで、メモリセルのゲート電極とLV系トランジスタのゲート電極は異なる物質及び膜厚を用いてもよい。しかし、同一物質及び同一膜厚であればゲート電極を同時にエッチングすることが容易である。
【0208】
次に、図46(c)に示されるように、LV系トランジスタ及びHV系トランジスタの領域(周辺回路領域)をフォトレジスト層141で覆い、その他の領域のポリシリコン層140及びLV系ゲート絶縁膜を除去する。除去の方法はウェットエッチング等の等方性エッチングでもRIE等の異方性エッチングのどちらでもよい。このとき、フォトレジスト層141の一部がメモリセル領域MCにかかるようにする。そのため、メモリセル領域MCと周辺回路領域の作り分けの境界部BSではゲート電極が積層構造のまま残る。
【0209】
次に、フォトレジスト層141を除去し、図47(a)に示されるように、第1マスク層142及び第2マスク層143を堆積する。第1マスク層142は、例えば、シリコン窒化膜で第2マスク層143は、例えば、シリコン酸化膜である。次に、図47(b)に示されるように、素子分離領域の形成のためのフォトレジスト層144を堆積し、素子分離パターンを形成する。ここでは作り分けの境界部BSにレジストを残さず素子分離領域とする方法を説明する。
【0210】
次に、図47(c)に示されるように、フォトレジスト層144、第2マスク層143、及び第1マスク層142を異方性エッチングにより除去した後、ポリシリコン層140を異方性エッチングにより除去する。続いて素子分離領域形成のために半導体基板102をエッチングして素子分離トレンチ145、146を形成する。素子分離トレンチ145、146の深さは、例えば、50nm〜300nm程度である。
【0211】
メモリセル領域MCとLV系トランジスタ領域LVの作り分けの境界部BSでは図46(b)で生じた段差が図47(b)で残ったために素子分離領域の底で上に凸の形状となる。凸部の段差は図46(b)における段差とエッチングの条件に依存するが、例えば、10nm〜300nm程度、望ましくは30nm〜100nm程度である。また素子分離トレンチの深さも接する領域によって異なり、これはメモリセル領域MCのONO膜厚と、LV系トランジスタ領域LVのゲート絶縁膜と、HV系トランジスタ領域HVとの膜厚の違いを反映し、ゲート絶縁膜が薄いほど素子分離の深さが深くなる。LV系トランジスタ領域LVとHV系トランジスタ領域HVの作り分けの境界部BSでは、図46(b)で生じた段差が図47(b)で残ったために素子分離トレンチ146の底部の深さが異なる。
【0212】
次に、図48(a)に示されるように、シリコン酸化膜等の絶縁膜で素子分離トレンチ145、146を埋め込み、CMP等の方法で第1マスク層142をストッパとして埋め込み材をエッチバックする。境界部BSにおける素子分離領域は素子分離深さが浅くなっているので埋め込み性は良好でありエッチバック後は、素子分離絶縁膜の上部はほぼ平坦となる。第1マスク層142を除去した後、露出面全面にゲート電極層140を堆積する。ゲート電極層140は、多結晶シリコン、または多結晶シリコンと金属もしくはシリコンと金属の化合物の積層膜、または金属もしくはシリコンと金属の化合物の単層膜からなる。さらに、10nm〜300nm程度の厚さのシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなるマスク絶縁膜104が堆積される。
【0213】
次に、図48(b)に示されるように、ゲート電極を加工するためのフォトレジスト層148を堆積し、パターンを形成する。次に、図48(c)に示されるように、フォトレジスト層148をマスクとしてゲート電極を異方性エッチングする。その後、後酸化等で加工のダメージを回復させる。次に、必要に応じてゲート側壁絶縁膜119を形成して拡散層不純物を注入して、ソース/ドレイン拡散層112を形成する。
【0214】
このとき、境界部BSはレジストを残さず、境界部BSのゲート電極は除去する。もちろん、ゲート電極上にシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等のマスク層を堆積させ、これをマスクとしてゲート電極を加工してもよい。さらに図示はしないが層間絶縁膜、コンタクトプラグ、配線等を形成して図35に示されるような半導体装置を完成させる。
【0215】
なお、半導体基板上に半導体基板と反対導電型の第1ウエルを設け、さらにその上に半導体基板と同一導電型の第2ウエルを設けるツインウエル構成としてもよい。
【0216】
本実施の形態では第1乃至第3実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、周辺回路を形成するトランジスタは、MOS構造でゲート酸化膜厚の異なる2種類のトランジスタが例示される。しかし、周辺回路を構成するトランジスタはそのゲート酸化膜厚が3種類以上ある場合でも本実施の形態は適用できる。
【0217】
(第5の実施の形態)
本実施の形態における半導体装置は、不揮発性記憶装置のひとつである浮遊ゲート型セル構造を持つNAND型EEPROM、NOR型EEPROM、AND型EEPROM、またはVirtual Ground Array型EEPROMのいずれかに適用する。浮遊ゲート型不揮発性メモリではメモリセルを構成するメモリセルトランジスタ、周辺低電圧回路を構成する比較的薄いゲート酸化膜のMOSトランジスタ(以下LV系トランジスタ)、周辺高電圧回路を構成する比較的厚いゲート酸化膜のMOSトランジスタ(以下HV系トランジスタ)の少なくとも3種類のトランジスタが必要である。
【0218】
本実施の形態においても図38または図39に示したNAND型メモリセルの等価回路、図42に示したNOR型メモリセルの等価回路、図43または図44に示したAND型メモリセルの等価回路の構成がそのまま適用できる。
【0219】
本実施の形態にかかる作り分けの境界部BSの近傍の断面図を図49乃至図51に示す。
【0220】
ここで、浮遊ゲート型メモリセルとLV系トランジスタは第1乃至第3の実施の形態による方法によって作り分けられ、その境界部BSは、例えば図49に示す形状になっている。しかし、第1乃至第3の実施の形態で説明したのと同様に、境界部BSでの重なりの有無、素子分離トレンチの有無及びゲート電極除去の有無を任意に組み合わせることができる。
【0221】
図49に断面が示される半導体装置において、例えば、1014cm-3 1019cm-3の不純物濃度でボロンを含むP型半導体基板150上にメモリセル領域MC、低圧系(LV系)トランジスタ領域LV、及び高圧系(HV系)トランジスタ領域HV、並びに、それ等の間の境界部BSが配置される。基板150内にN型ウエル150nとP型ウエル150pとが形成される。N型ウエル150n内にP型ウエル150pが形成されると、P型半導体基板150と独立にP型ウエル150pに電圧印加できる。これにより、消去時の昇圧回路負荷を減らし、消費電力を抑えることができる。
【0222】
メモリセル領域MCにおいて、トンネルゲート絶縁膜151を介して電荷蓄積層152が形成される。トンネルゲート絶縁膜151は、例えば、3nm〜15nmの厚さのシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜からなる。電荷蓄積層152は、例えば、10nm〜500nmの厚さのリンまたは砒素を1018cm-3から1021cm-3添加したポリシリコンからなる。
【0223】
電荷蓄積層152に対して自己整合的に、例えば、シリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜301(図53(a)参照)が形成される。これは、例えば、半導体基板150上にトンネルゲート絶縁膜151及び電荷蓄積層152を全面堆積した後、パターニングして半導体基板150に達するまで、半導体基板150を、例えば、0.50nm〜300nmの深さまでエッチングし、絶縁膜を埋め込むことで形成することができる。このようにトンネルゲート絶縁膜151及び電荷蓄積層152を段差のない平面に全面形成できるので、より均一性の向上した特性の揃った製膜を行うことができる。
【0224】
この上に、インターポリ絶縁膜153を介して制御ゲート電極154が形成される。インターポリ絶縁膜153は、例えば、5nm〜30nmの厚さのシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜、またはシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜からなる。ゲート電極154は、例えば、10nm〜500nmの厚さの、リン、砒素、またはボロンを1017cm-3から1021cm-3を不純物添加したポリシリコン、または、WSi(タングステンシリサイド)とポリシリコンとのスタック構造、または、NiSi、MoSi、TiSi、CoSiとポリシリコンのスタック構造からなる。トンネルゲート絶縁膜151、電荷蓄積層152、インターポリ絶縁膜153、ゲート電極154からなる積層構造にてメモリセルゲート161と選択ゲート162が形成される。さらに、制御ゲート電極154の上に、10nm〜300nm程度の厚さのシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなるマスク絶縁膜が配置される。
【0225】
LV系トランジスタ領域LVにおいては、基板150上にLV系ゲート絶縁膜155が形成され、その上にLV系ゲート電極156が形成される。HV系トランジスタ領域HVにおいては、基板150上にHV系ゲート絶縁膜157が形成され、その上にHV系ゲート電極158が形成される。選択トランジスタ、LV系トランジスタ、HV系トランジスタには、ゲート絶縁膜に接するゲート電極に直接電位を与えるための端子が配設される。
【0226】
図49に示すように、これらゲート電極の両側には、例えば、5nm〜200nmの厚さのシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜からなる側壁絶縁膜159が形成される。また、基板150の表面にN型ソース/ドレイン拡散層160が形成される。これらソース/ドレイン型拡散層160は、例えば、リンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017cm-3から1021cm-3となるように深さ10nm〜500nmの間で形成される。さらに、これらソース/ドレイン拡散層160は隣接するメモリセルトランジスタ同士で共有され、NAND接続が実現される。これらソース/ドレイン拡散層160、メモリセルゲート161、及び選択ゲート162により、電荷蓄積層152に蓄積された電荷量を情報量とする浮遊ゲート型EEPROMセルが形成される。そのゲート長は、例えば、0.5μm以下0.01μm以上である。
【0227】
選択ゲート162の一端側のソース/ドレイン拡散層160はコンタクトプラグ163を介してデータ転送線167に接続される。データ転送線167は、タングステンやタングステンシリサイド、チタン、チタンナイトライド、またはアルミニウムからなる。コンタクトプラグ163は、例えば、N型またはP型にドープされたポリシリコンやタングステン、及びタングステンシリサイド、Al、TiN、Tiなどが充填され、導電体領域となる。
【0228】
選択ゲート162は、選択トランジスタを形成する。選択ゲート162のゲート長は、メモリセルゲート161のゲート長よりも長く、例えば、1μm以下0.02μm以上に形成される。これにより、ブロック選択時と非選択時のオンオフ比を大きく確保でき、誤書き込みや誤読み出しを防止できる。
【0229】
これらの各素子は、例えば、SiO2 やSiNからなる層間膜165によって充填される。さらに、この層間膜165上部には、例えば、SiO2 やSiN、または、ポリイミドからなる絶縁膜保護層(図示せず)や、例えば、W、AlやCuからなる上部配線(図示せず)が形成される。
【0230】
メモリセル領域MCとLV系トランジスタ領域LVとの間には図1(a)に示されるような構造の第1素子分離領域166が配設される。LV系トランジスタとHV系トランジスタ領域HVとの間には、図27(b)に示されるような構造の第2素子分離領域167が配設される。
【0231】
LV系トランジスタ領域LVのソース/ドレイン拡散層160にはコンタクトプラグ168が接続される。コンタクトプラグ168は配線169に接続される。また、HV系トランジスタ領域HVのソース/ドレイン拡散層160にはコンタクトプラグ170が接続される。コンタクトプラグ170は配線171に接続される。
【0232】
図49に示される選択トランジスタはメモリセルトランジスタと同じ積層ゲート構造を採っている。この場合、選択トランジスタとメモリセルトランジスタを作り分けるための工程を省略できるので製造コストが削減される。また作り分けのための余裕をとる必要が無いので、選択トランジスタとメモリセル間の距離を小さくすることが可能で素子面積を縮小することができる。
【0233】
図49に示される構造においては、ゲートが形成されていない基板150上には、ゲート絶縁膜は存在しない。
【0234】
図50は図49に示す構造の変更例を示す。ここでは、図49に示される構造に対して、メモリセル領域MCにおける制御ゲート、LV系トランジスタ領域LVにおけるLV系ゲート、及びHV系トランジスタ領域HVにおけるHV系ゲートの構造が異なり、他は同一である。
【0235】
制御ゲート172では、半導体基板150上にトンネルゲート絶縁膜151を介して、メモリセルゲート161におけるゲート電極154が積層される。その周囲に側壁絶縁膜159が形成される。LV系ゲート173では、半導体基板150上にLV系ゲート絶縁膜155を介して、メモリセルゲート161におけるゲート電極154が積層される。その周囲に側壁絶縁膜159が形成される。HV系ゲート174では、半導体基板150上にHV系ゲート絶縁膜157を介して、メモリセルゲート161におけるゲート電極154が積層される。その周囲に側壁絶縁膜159が形成される。すなわち、図49では周辺回路を構成するトランジスタや選択トランジスタもメモリセルと同様の積層ゲートを有するが、図50のように単層ゲートとしてもよい。
【0236】
図51は図49に示す構造の別の変更例を示す。ここでは、図50に示される構造に対して、各トランジスタ領域のゲート絶縁膜がそれぞれの領域の露出した半導体基板150表面を被覆する点が異なり、他は同一である。すなわち、図49及び図50においては、ゲート電極をエッチングした領域にはゲート絶縁膜は存在しないが、図51に示すように半導体基板150全面にゲート絶縁膜を残してもよい。
【0237】
図49におけるメモリセル領域MCとLV系トランジスタ領域LVの境界部BSの構造として、図52(a)乃至図52(h)に示した構造を採ることができる。ここで、LV系ゲート絶縁膜とHV系ゲート絶縁膜とを入れ替えることで、メモリセル領域MCとHV系トランジスタ領域HVの境界部BSにもこれらの構造は適用できる。
【0238】
各作り分けの境界の構造は同一構造に統一してもよいし、場所によって異なる別々の構造としてもよい。また、それぞれの境界部BSにおいて、拡散層160を形成しない構造としてもよい。
【0239】
図52(a)に示される境界部BSにおいては、図1(a)に示される構造と同様の素子分離領域166が基板150中に形成される。素子分離領域166の両側で基板150中にソース/ドレイン拡散層160が形成される。素子分離領域166のトレンチの底部には上に凸となった凸部を有する段差が形成される。このような境界部BSの構造を採ることで、STI埋め込み性を向上させ、ディッシングを防止し、面積を縮小することができる。
【0240】
図52(b)に示される境界部BSにおいては、図52(a)に示された構造において、素子分離領域166を覆ってゲート構造が形成される。このゲート構造は、境界部BSのトンネルゲート絶縁膜151、及びLV系ゲート絶縁膜155上に選択ゲート162と同じ構造を有しし、素子分離領域166上には電荷蓄積層152を除いた選択ゲート162と同じ構造を有する。このような境界部BSの構造を採ることで、STI埋め込み性を向上させ、ディッシングを防止し、ゲート加工を容易とすることができる。
【0241】
図52(c)に示される境界部BSにおいては、図14(a)に示される構造と同様の素子分離領域175を図52(a)における素子分離領域166と置き換えて形成する。このような境界部BSの構造を採ることで、STIの耐圧を向上させ、面積縮小を可能とすることができる。
【0242】
図52(d)に示される境界部BSにおいては、図52(b)に示される構造において、素子分離領域166を図52(c)に示される素子分離領域175と入れ替えて構成する。このような境界部BSの構造を採ることで、STIの耐圧を向上させ、ゲート加工を容易とすることができる。
【0243】
図52(e)に示される境界部BSにおいては、図2(a)に示される構造と同様の構造が形成される。境界部BSの中央で基板150上には、メモリセル領域MC及びLV系トランジスタ領域LVのゲート構造の構成材料から形成されるゲート構造176が形成される。ゲート構造176において、基板150上でメモリセル領域MC側にトンネル絶縁膜151、LV系トランジスタ領域LV側にLV系ゲート絶縁膜155が形成される。トンネル絶縁膜151及び絶縁膜155上に電極層20、側壁絶縁膜159等が形成される。ゲート構造176の両側で基板150中にはソース/ドレイン拡散層160が形成される。このような境界部BSの構造を採ることで、ゲート加工を容易としSTI起因の不良を回避することができる。
【0244】
図52(f)に示される境界部BSにおいては、図2(b)に示される構造と同様の境界部BSの構造を有する。境界部BSの中央で基板150上には、メモリセル領域MC及びLV系トランジスタ領域LVのゲート構造の構成材料から形成されるゲート構造177が形成される。ゲート構造177において、基板150上でメモリセル領域MC側にトンネル絶縁膜151、LV系トランジスタ領域LV側にLV系ゲート絶縁膜155が配設される。トンネル絶縁膜151上には、制御ゲート162と同様の積層ゲート構造が設けられ、LV系ゲート絶縁膜155上には、LV系ゲート電極156の下層構造が設けられる。このゲート構造177の側面には絶縁膜159が形成される。このような境界部BSの構造を採ることで、ダストを低減し、STI起因の不良を回避することができる。
【0245】
図52(g)に示される境界部BSにおいては、図15(a)に示される構造と同様の境界部BSの構造を有し、基板150上には凹部178が配設される。このような境界部BSの構造を採ることで、ダストを低減し、STI起因の不良を回避することができる。
【0246】
図52(h)に示される境界部BSにおいては、図15(b)において示される選択ゲート162と同様の構造が示される。ここでは、境界部中央で半導体基板150の表面に凹部が形成されているが、図15(b)と同様に平坦であってもよい。なお、このゲート構造においては、基板150表面に絶縁膜を介さずに電極層が直接接する。このような境界部BSの構造を採ることで、ゲート加工が容易で、ダストを低減し、STI起因の不良を回避し、アスペクト比を一致させた境界部BSを有する。
【0247】
図53(a)には、メモリセルのゲート上で、データ転送線に垂直な方向での断面が示される。また、図53(b)には、周辺トランジスタのゲート上で、データ転送線に垂直な方向での断面が示される。
【0248】
図53(a)、(b)に示されるように、素子分離領域301によって、基板150及びゲート絶縁膜の側面が覆われる。このため、トンネルゲート絶縁膜151を形成する前のエッチングで素子分離領域の端部が露出することがなく、ゲート電極154が基板150の表面よりも下方に来ることをメモリセル及び周辺トランジスタの両方で防ぐことができる。このようにして、素子分離領域301とトンネルゲート絶縁膜151との境界での電界集中や閾値低下した寄生トランジスタが生じにくい。さらにバーズビークに起因する書き込み閾値の低下現象であるサイドウオーク現象が生じにくくなるため、より信頼性の高いトランジスタを形成できる。
【0249】
次に、図54(a)乃至図57(c)を用いて図49に示される本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の一例を説明する。まず、半導体基板150の表面に犠牲酸化膜(図示せず)を形成する。ウエル不純物やチャネル不純物を必要に応じて注入した後、犠牲酸化膜を除去する。
【0250】
次に、図54(a)に示されるように、半導体基板150上に、例えば、3nm〜15nmの厚さからなるシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜から形成されたトンネルゲート絶縁膜151を形成する。次に、例えば、ポリシリコンを10nm〜500nmの厚さで堆積して、電荷蓄積層152を形成する。
【0251】
次に、図54(b)に示されるように、メモリセル領域MCとなる部分をフォトレジスト層180で覆い、その他の領域のゲート電極及びゲート絶縁膜を除去する。除去の方法はウェットエッチング等の等方性エッチングでもRIE等の異方性エッチングのどちらでもよい。次に、図54(c)に示されるように、半導体基板150全面に、例えば、5nm〜50nmの厚さからなるシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜からなるHV系トランジスタのゲート絶縁膜157を形成する。
【0252】
次に、図55(a)に示されるように、HV系トランジスタ領域HVをフォトレジスト層181で覆い、その他の領域からHV系トランジスタ領域HVのゲート絶縁膜を除去する。次に、図55(b)に示されるように、半導体基板150全面に、例えば、厚さが、例えば、1nm〜10nmの間のシリコン酸化膜、またはオキシナイトライド膜からなるLV系トランジスタのゲート絶縁膜155を形成する。さらにその上に、例えば、ポリシリコンを10nm〜500nmの厚さで堆積する。
【0253】
このとき、メモリセル領域MCは、メモリセルのゲート電極上にLV系トランジスタのゲート絶縁膜155及び第1ゲート電極182が形成された積層構造となる。また、あらかじめ形成されていたHV系トランジスタのゲート絶縁膜157の膜厚も増加する。ここで、メモリセルのゲート電極とLV系トランジスタのゲート電極は異なる物質及び膜厚を用いてもよい。しかし、同一物質及び同一膜厚であればゲート電極を同時にエッチングすることが容易である。
【0254】
次に、図55(c)に示されるように、LV系トランジスタ及びHV系トランジスタの領域(周辺回路領域)をフォトレジスト層183で覆い、その他の領域のゲート電極及びゲート絶縁膜を除去する。除去の方法はウェットエッチング等の等方性エッチングでもRIE等の異方性エッチングのどちらでもよい。このとき、フォトレジスト層183の一部がメモリセル領域MCにかかるようにする。そのため、メモリセル領域MCと周辺回路領域の作り分けの境界部BSではゲート電極が積層構造のまま残る。
【0255】
次に、図56(a)に示されるように、フォトレジスト層183を除去して、第1マスク層184及び第2マスク層185を堆積する。第1マスク層184は、例えば、シリコン窒化膜で、第2マスク層185は、例えば、シリコン酸化膜である。次に、図56(b)に示されるように、素子分離領域の形成のためのフォトレジストマスク186を堆積し、素子分離パターンを形成する。ここでは作り分けの境界部BSにレジストを残さず素子分離領域とする方法を説明する。
【0256】
次に、フォトマスク186、第2マスク層185を異方性エッチングにより除去した後、第1ゲート電極152、182を異方性エッチングにより除去する。続いて素子分離領域形成のために半導体基板150をエッチングして第1及び第2素子分離トレンチを形成する。素子分離トレンチの深さは、例えば、50nm〜300nm程度である。
【0257】
作り分けの境界部BSは図56(b)で示した段差のために素子分離領域の底で上に凸の形状となる。凸部の段差は図56(b)における段差とエッチングの条件に依存するが、例えば、10nm〜300nm程度、望ましくは30nm〜100nm程度である。また素子分離領域の底の深さも接する領域によって異なり、これはメモリセルのトンネル絶縁膜厚とLV系トランジスタのゲート絶縁膜とHV系トランジスタのゲート絶縁膜との膜厚の違いを反映し、ゲート絶縁膜が薄いほど素子分離領域の深さが深くなる。
【0258】
さらにシリコン酸化膜等の絶縁膜で素子分離領域溝を埋め込み、CMP等の方法で第1マスク層184をストッパとして埋め込み材をエッチバックする。素子分離境界部BSは素子分離深さが浅くなるので埋め込み性は良好でありエッチバック後は、素子分離絶縁膜の上部はほぼ平坦となる。第1マスク層184を除去し、LV系トランジスタ領域LV及びHV系トランジスタ領域HVの第1ゲート電極182を、電荷蓄積層152と同様の膜厚とする。その後、素子分離トレンチに埋め込んだ絶縁膜をエッチバックする。このときの形状を図56(c)に示す。
【0259】
次に、図57(a)に示されるように、例えば、厚さ5nm〜30nmの間のシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜、またはシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜からなるインターポリ絶縁膜153を形成する。次に、図57(b)に示されるように、半導体基板150全面にゲート電極154を堆積する。ゲート電極154は、多結晶シリコン、または多結晶シリコンと金属もしくはシリコンと金属の化合物の積層膜、または金属もしくはシリコンと金属の化合物の単層膜からなる。次に、10nm〜300nm程度の厚さのシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなるマスク絶縁膜が堆積される。次に、ゲート電極を加工するためのフォトレジスト層187を堆積しパターンを形成する。次に、フォトレジスト層187をマスクとしてゲート電極を異方性エッチングする。次に、後酸化等で加工のダメージを回復させる。
【0260】
次に、図57(c)に示されるように、必要に応じてゲート側壁絶縁膜159を形成して拡散層不純物を注入して、ソース/ドレイン拡散層160を形成する。このとき、境界部BSはレジストを残さず、境界部BSのゲート電極は除去する。さらに図示はしないが層間絶縁膜、コンタクトプラグ、配線等を形成して図47に示されるように、半導体装置を完成させる。
【0261】
本実施の形態の製造方法においても、第1乃至第3の実施の形態及び第4の実施の形態における製造方法の効果がMONOS特有の効果以外の点で同様に得られる。
【0262】
(第6の実施の形態)
本実施の形態は、図58にその境界部BS付近での断面構造が示されるようにMONOS型メモリセル構造のAND型EEPROMに適用する。図58は図35に示す構造のさらに別の変更例ということができる。ここでは、メモリセル領域MCとメモリセルのための選択トランジスタ領域STRとの間に境界部BSが配設される。この境界部BSには、図40(g)、図15(a)に示される構造と同様に基板102の表面に凹部136が形成される。凹部136からメモリセル領域MC側で基板102上にトンネルゲート絶縁膜103及び電荷蓄積層104が形成される。望ましくは、選択トランジスタ128のゲート絶縁膜を、LV系ゲート絶縁膜113と共通とすれば、工程を簡略化することができる。メモリセルブロックの等価回路は図43または図44に示される通りである。境界部BSの構造は図40(a)〜(h)のいずれでもよく、工程数及び加工の容易さ等の観点から好ましい形態を用いることができる。
【0263】
次に、図59(a)には、メモリセルのゲート上で、データ転送線に垂直な方向での断面が示される。また、図59(b)には、選択トランジスタのゲート上で、データ転送線に垂直な方向での断面が示される。
【0264】
図59(a)、(b)に示されるように、素子分離領域302によって、基板102の側面が覆われる。このため、ONO膜131を形成する前のエッチングで素子分離領域の端部が露出することがなく、ゲート電極106、108が基板102の表面よりも下方に来ることをメモリセル及び周辺トランジスタの両方で防ぐことができる。このため、基板102とONO膜131との境界でのゲート集中や閾値低下した寄生トランジスタが生じにくい。さらにバーズビークに起因する書き込み閾値の低下現象であるサイドウオーク現象が生じにくくなるため、より信頼性の高いトランジスタを形成できる。
【0265】
選択トランジスタをMOSトランジスタとすることで、動作のための電圧ストレスによる閾値の変動がなくなる。このため、信頼性の高い不揮発性メモリを実現することができる。本実施の形態においても第1乃至第3の実施の形態及び第4の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【0266】
なお、以上の各実施の形態においては、周辺回路トランジスタに先立ってメモリセルトランジスタを形成したが、作りわけの順序はこれに限定されず、周辺回路トランジスタを先に作ってもよい。また第4の実施の形態乃至第6の実施の形態ではメモリセル領域MCとLV系トランジスタ領域LV、HV系トランジスタ領域HVとLV系トランジスタ領域LVが、それぞれ境界を介して隣り合っている。しかし、領域の隣接の態様はこれに限定されず、例えば、メモリセル領域MCとHV系トランジスタ領域HVとが境界部を介して隣接してもよい。
【0267】
【発明の効果】
本発明によれば、異なる膜材料または膜厚の複数のゲート絶縁膜を有する半導体装置の製造方法の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)、(b)は、それぞれ、本発明の第1の実施の形態及びその変更例に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図2】(a)、(b)は、それぞれ、第1の実施の形態の別の変更例に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図3】(a)、(b)は、それぞれ、第1の実施の形態における第1及び第2トランジスタ領域のゲート電極を延伸方向にそって示す断面図。
【図4】(a)〜(c)は、図1(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図5】(a)〜(c)は、図4(c)に続く、図1(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図6】(a)〜(c)は、図5(c)に続く、図1(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図7】(a)〜(c)は、図6(c)に続く、図1(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図8】図7(c)に続く、図1(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図9】図1(b)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図10】(a)、(b)は、図2(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図11】(a)、(b)は、図10(b)に続く、図2(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図12】(a)、(b)は、図11(b)に続く、図2(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図13】図2(b)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図14】(a)、(b)は、それぞれ、本発明の第2の実施の形態及びその変更例に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図15】(a)、(b)は、それぞれ、第2の実施の形態の別の変更例に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図16】(a)〜(c)は、図14(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図17】(a)〜(c)は、図16(c)に続く、図14(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図18】(a)〜(c)は、図17(c)に続く、図14(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図19】(a)〜(c)は、図18(c)に続く、図14(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図20】図19(c)に続く、図14(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図21】図14(b)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図22】図21に続く、図14(b)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図23】(a)、(b)は、図15(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図24】(a)、(b)は、図23(b)に続く、図15(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図25】(a)、(b)は、図24(b)に続く、図15(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図26】図15(b)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図27】(a)、(b)は、それぞれ、本発明の第3の実施の形態及びその変更例に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図28】(a)〜(c)は、それぞれ、第3の実施の形態における第1、第2、及び第3トランジスタ領域のゲート電極を延伸方向にそって示す断面図。
【図29】(a)〜(c)は、図27(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図30】(a)〜(c)は、図29(c)に続く、図27(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図31】(a)、(b)は、図30(c)に続く、図27(a)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図32】(a)〜(d)は、図27(b)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図33】(a)〜(c)は、図32(d)に続く、図27(b)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図34】(a)、(b)は、図33(c)に続く、図27(b)に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図35】本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図36】第4の実施の形態の変更例に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図37】第4の実施の形態の別の変更例に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図38】第4の実施の形態に係る半導体装置のNAND型MONOS型メモリセルを示す等価回路図。
【図39】第4の実施の形態に係る半導体装置のNAND型MONOS型メモリセルを示す別の等価回路図。
【図40】(a)〜(h)は、それぞれ、図37に示された装置において、メモリセル領域とLV系トランジスタ領域との間の境界部として使用可能な構造を示す断面図。
【図41】(a)、(b)は、それぞれ、第4の実施の形態のNAND型MONOS型半導体装置のメモリセル領域及び周辺トランジスタ領域を示す断面図。
【図42】第4の実施の形態に係る半導体装置のNOR型MONOS型メモリセルを示す等価回路図。
【図43】第4の実施の形態に係る半導体装置のAND型MONOS型メモリセルを示す等価回路図。
【図44】第4の実施の形態に係る半導体装置のAND型MONOS型メモリセルを示す別の等価回路図。
【図45】(a)〜(c)は、図35に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図46】(a)〜(c)は、図45(c)に続く、図35に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図47】(a)〜(c)は、図46(c)に続く、図35に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図48】(a)〜(c)は、図47(c)に続く、図35に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図49】本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図50】第5の実施の形態の変更例に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図51】第5の実施の形態の別の変更例に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図52】(a)〜(h)は、それぞれ、図51に示された装置において、メモリセル領域とLV系トランジスタ領域との間の境界部として使用可能な構造を示す断面図。
【図53】(a)、(b)は、それぞれ、第5の実施の形態のNAND型浮遊ゲート型半導体装置のメモリセル領域及び周辺トランジスタ領域を示す断面図。
【図54】(a)〜(c)は、図49に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図55】(a)〜(c)は、図54(c)に続く、図49に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図56】(a)〜(c)は、図55(c)に続く、図49に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図57】(a)〜(c)は、図56(c)に続く、図49に示された構造の製造方法を示す断面図。
【図58】本発明の第6の実施の形態に係る半導体装置の境界部付近を示す断面図。
【図59】(a)、(b)は、それぞれ、第6の実施の形態のAND型MONOS型半導体装置のメモリセル領域及び周辺トランジスタ領域を示す断面図。
【図60】(a)〜(d)は、従来のトレンチ型素子分離法を示す断面図で、(e)は図60(d)中の領域TPを拡大して示す断面図。
【図61】(a)〜(d)は、従来の自己整合トレンチ素子分離法を示す断面図。
【図62】(a)、(b)は、それぞれ、図61(a)〜(d)に示す方法の問題点を説明するための断面図。
【符号の説明】
TR1、TR2、TR3…トランジスタ領域
BS…境界部
MC…メモリセル領域
PTR…周辺トランジスタ領域
LV…低圧系トランジスタ領域
HV…高圧系トランジスタ領域
1、102…半導体基板
2、3、73…ゲート絶縁膜
4、11、74、82…下側電極層
5、12、16、75、83…上側電極層
6、13、76、84…ゲート電極
7、14、77、85、112、160…ソース/ドレイン拡散層
8、15、78、86…トランジスタ
9、26、50、72、80、120、121、132、133、145、146、166、167、175、300、301、302…素子分離領域
10、71…凸部
17、18、134、176…ゲート構造
20、22、23、25、53…電極層
21、119、159…側壁絶縁膜
30、31、34、38、39、40、41、43、56、57、60、63、65、67、69、70、91、92、95、97、98、101、138、139、141、144、148、180、181、183、186、187…フォトレジスト層
32、33、58、59、93、94、99、100、142、143、184、185…マスク層
36、61、145、146…トレンチ
44、52、64、136、178…凹部
37、62…絶縁物
42…拡散層
51…下方凸部分
54、55…導電側壁
103、151…トンネルゲート絶縁膜
104、152…電荷蓄積層
106、154…制御ゲート電極
107、161…メモリセルゲート
108、162…選択ゲート
109、156、173…LV系ゲート
111、158、174…HV系ゲート
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a plurality of gate insulating films of different film materials or film thicknesses and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device in which gate insulating films are separately formed and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
As one of electrically erasable and erasable nonvolatile semiconductor memory devices (EEPROMs), a MONOS type EEPROM that accumulates charges in a silicon nitride film is known. MONOS represents Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor, and typically represents a metal-silicon oxide film-silicon nitride film-silicon oxide film-semiconductor. In the MONOS type EEPROM, the gate insulating film of the memory cell is an ONO storage film, whereas the transistor constituting the peripheral circuit has a MOS structure having a silicon oxide film as a gate insulating film. Therefore, it is necessary to make both separately in the manufacture of the MONOS type EEPROM.
[0003]
In the method of separately forming transistors having different gate insulating films, it is important to satisfy the following three points: reliability of the gate insulating film, high performance of the memory cell, and securing of a sufficient process margin.
[0004]
There is a method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-330436 as a method for separately forming transistors having different gate insulating films. In this known example, after element isolation is formed by the LOCOS method, two types of gate oxide films and gate electrodes having different thicknesses are formed. In recent years, a trench type element isolation method has been used instead of the LOCOS method. Compared with the LOCOS method, the trench type element isolation method has a feature that a fine element isolation width and a good element isolation withstand voltage can be realized.
[0005]
A method of separately forming a MONOS memory cell and a MOS peripheral transistor using the trench type element isolation method shown in FIGS. 60A to 60E will be described. Here, the gate insulating film and the gate electrode are formed after the element isolation formation, as in the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-330436, which is a known example. In the figure, MC indicates a memory cell region and PTR indicates a peripheral transistor region.
[0006]
First, as illustrated in FIG. 60A, the element isolation region 201 is formed on the semiconductor substrate 200. Next, as shown in FIG. 60B, the sacrificial oxide film is removed by wet etching to form the gate insulating film 202 and the gate electrode 203 of the peripheral circuit transistor. Further, the peripheral circuit region is covered with a resist layer 204.
[0007]
Next, as shown in FIG. 60C, the gate electrode and the gate oxide film in the memory cell region are removed. Next, after depositing an ONO film 205 which is a gate insulating film of a memory cell over the entire surface of the semiconductor substrate 200, a memory cell gate electrode 206 is deposited. Subsequently, the memory cell region is covered with a resist layer 207, and the memory cell gate electrode 206 and the ONO film 205 in the peripheral circuit region are removed. Next, as shown in FIG. 60D, the resist layer 207 is removed. Thereby, it is possible to make a peripheral MOS transistor and a MONOS memory cell separately.
[0008]
However, this method has the following problems. The first problem relates to the nonuniformity of the ONO film. The element isolation edge is not flat and there is a step, so that it is difficult to deposit the ONO film with a uniform film thickness and film quality. This causes variations in the program characteristics and data retention characteristics of the memory cells.
[0009]
The second problem relates to the parasitic transistor as shown in FIG. 60E, which is an enlarged view of the region TP in FIG. During the wet etching before forming the gate insulating film, a part of the buried oxide film in the element isolation trench is etched at the element isolation end. A parasitic transistor is formed by the gate electrode entering there. For this reason, both memory cells and peripheral transistors cause characteristic variations.
[0010]
In this conventional example, a peripheral transistor and then a memory cell transistor are formed first, but this problem is not solved even if the order of making is changed. The above problems are caused by the separate formation of the gate insulating film after the element isolation region is formed. In the conventional example described below, the above problems are solved by forming a gate insulating film separately prior to the formation of the element isolation region.
[0011]
As a method for solving the above problem, for example, “1998 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, pp.102-103,“ A self-Aligned STI Process Integration for Low Cost and Highly Reliable 1 Gbit Flash Memories ”, Y. Takeuchi et al. describes a self-aligned trench isolation method that forms trench isolation after formation of a gate insulating film and a gate electrode. 61A to 61D, the steps of the manufacturing method for separately forming the MONOS cell and the MOS peripheral transistor will be described.
[0012]
First, as shown in FIG. 61A, impurity implantation of wells and channels is performed to form a memory cell well 205 and a peripheral circuit well 206. Next, the ONO film 207 and the silicon oxide film 208 are separately formed. Next, a gate electrode 209 made of polysilicon and a mask silicon nitride film 210 are deposited. Next, as shown in FIG. 61B, an element isolation trench 211 is formed in the semiconductor substrate 200. A silicon oxide film 212 is deposited on the exposed surface to fill the element isolation trench 211.
[0013]
Next, as shown in FIG. 61C, the silicon oxide film 212 is removed by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method until the surface on the mask silicon nitride film 210 is exposed, and the surface is flattened. . Next, as shown in FIG. 61 (d), the mask silicon nitride film 210 is removed, and a tungsten silicide layer 213 is deposited. Next, a memory cell element isolation region 214, a boundary element isolation region 215, and a peripheral circuit element isolation region 216 are formed, and each gate electrode is processed. This method solves the problems of ONO film non-uniformity and element isolation oxide film etching as shown in FIG.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention has a plurality of gate insulating films having different film materials or film thicknesses.Manufacturing method of semiconductor deviceThe purpose is to improve the reliability.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
  According to the first aspect of the present invention,A method for manufacturing a semiconductor device is provided, which is provided on a semiconductor substrate having a main surface including first and second regions and a boundary portion disposed between and in contact with the first and second regions. Forming a first insulating film; and disposing a first lower electrode layer on the first region of the first insulating film and a portion in the boundary portion, while in the second region of the first insulating film. And exposing the main surface to form a second insulating film on the first lower electrode layer in the first region and the boundary and on the main surface in the second region The second insulating film has a film material or a film thickness different from that of the first insulating film, and a second lower side on the second region and the portion in the boundary portion of the second insulating film. While disposing the electrode layer, removing the portion in the first region of the second insulating film to remove the first lower electrode And forming a laminated portion in which the end portions of the second insulating film and the second lower electrode layer are laminated on the upper surface of the end portion of the first lower electrode layer in the boundary portion; Etching the main surfaces in the first and second regions in a self-aligned manner with respect to the first and second lower electrode layers to form trenches for element isolation in the first and second regions. Simultaneously with the formation, the main surface in the boundary portion is pattern-etched from above to form a trench for element isolation in the boundary portion, and the bottom portion of the trench in the boundary portion is caused by the stacked portion. A step of forming an upward convex portion, a step of filling the trench in the first and second regions and the boundary portion with an insulating layer to form an element isolation region, and the first and second lower electrode layers Forming an upper electrode layer thereon; And pattern etching the first and second lower electrode layers and the upper electrode layer to form first and second gate electrodes in the first and second regions. .
[0016]
    According to a second aspect of the present invention,A method for manufacturing a semiconductor device is provided, which is provided on a semiconductor substrate having a main surface including first and second regions and a boundary portion disposed between and in contact with the first and second regions. Forming a first insulating film; and disposing a first lower electrode layer on the first region of the first insulating film and a portion in the boundary portion, while in the second region of the first insulating film. And exposing the main surface to form a second insulating film on the first lower electrode layer in the first region and the boundary and on the main surface in the second region The second insulating film has a film material or a film thickness different from that of the first insulating film, and a second lower side on the second region and the portion in the boundary portion of the second insulating film. While disposing the electrode layer, removing the portion in the first region of the second insulating film to remove the first lower electrode Exposing a gap between the end of the second lower electrode layer and the end of the first lower electrode layer within the boundary, and the first and second lower sides Etching the main surface in the first and second regions in a self-aligned manner with respect to the electrode layer to form a trench for element isolation in the first and second regions, and at the same time, the boundary Pattern-etching the main surface in a portion from above, forming a trench for element isolation in the boundary, and forming a downward convex portion due to the gap in the bottom of the trench in the boundary; A step of filling the trenches in the first and second regions and the boundary with an insulating layer to form an element isolation region; and a step of forming an upper electrode layer on the first and second lower electrode layers And the first and second lower electrode layers Fine said upper electrode layer pattern etched and characterized by comprising a step of forming a first and a second gate electrode on the first and second regions.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the course of the development of the present invention, the present inventors studied the problems of the semiconductor device and its manufacturing method as described with reference to FIGS. 61 (a) to (d). As a result, the present inventors have obtained knowledge as described below.
[0018]
In the semiconductor device shown in FIG. 61 (d), the trench element isolation depth of the boundary element isolation region 215 between the MONOS transistor and the MOS transistor is equal to the trench depth of the MONOS region element isolation region 214 and the MOS region element isolation region 216. Is the same as the trench depth. On the other hand, the trench width in the boundary element isolation region 215 is wider than the trench isolation widths 214 and 216 in other transistor regions.
[0019]
In the trench element isolation region, after filling the trench with an oxide film as shown in FIG. 61B, the buried oxide film is flattened by CMP as shown in FIG. However, the wide trench width at the boundary causes problems as shown in FIGS. 62 (a) and 62 (b).
[0020]
The first problem is the trench fillability. Since the boundary trench is wide, when the buried oxide film is thin, an insufficiently buried region Q is formed in the central portion of the trench at the boundary as shown in FIG. When wet etching is used in a later process, the insufficiently embedded region is largely etched, resulting in poor embeddability. To solve this problem, it is necessary to deposit the buried oxide film thickly, but not only the oxide film deposition but also the amount of polish in the subsequent CMP process is increased, which increases the process cost. I will let you.
[0021]
The second problem is CMP uniformity. As a characteristic of CMP, there is dishing in which a wide space portion is greatly sharpened. Since the trench at the boundary is wide, dishing is likely to occur. In this case, as shown in FIG. 62B, dishing affects the transistor region and deforms the gate electrode shape, thereby reducing the process margin and the yield.
[0022]
The above problems are caused by the fact that the trench at the boundary is wide in width although the depth is the same as the transistor region. If the width of the trench at the boundary is narrowed in order to solve this problem, the element isolation breakdown voltage is lowered. In this case, since the withstand voltage between the wells becomes insufficient, it is difficult to solve the problem by this method. For this reason, for a semiconductor device having two or more different types of gate insulating films, an apparatus structure and a manufacturing method that are highly reliable and can achieve both a sufficient process margin and device performance are required.
[0023]
Hereinafter, an embodiment of the present invention configured based on such knowledge will be described with reference to the drawings. In the following description, components having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.
[0024]
(First embodiment)
FIG. 1A is a cross-sectional view showing the vicinity of the boundary portion of the semiconductor device according to the first embodiment. FIGS. 1B, 2A, and 2B are cross-sectional views showing the vicinity of the boundary portion of the semiconductor device according to the modification of the first embodiment. What is characteristic of this embodiment is that two types of transistors (for example, first and second transistor regions TR1 and TR2) having different gate insulating film types, for example, film material and film thickness, are the same semiconductor substrate. The boundary BS between the two is different from both of them in terms of the shape of the element isolation region or the electrode structure (the shape of the element isolation portion or the electrode structure in the first and second transistor regions TR1 and TR2). Is to include things. Specifically, a trench type element isolation region having a different depth depending on the portion or an electrode structure having a different thickness depending on the portion is disposed in the boundary portion BS.
[0025]
The semiconductor memory device shown in FIG. 1A has first and second transistor regions TR1 and TR2 disposed on a semiconductor substrate 1, and a boundary BS sandwiched between and in contact with the first and second transistor regions TR1 and TR2. . When the first transistor region TR1 is a high breakdown voltage transistor region, the gate insulating film 2 formed on the semiconductor substrate 1 is formed of a silicon oxide film having a thickness of about 10 nm to 40 nm. When the second transistor region TR2 is a low voltage transistor region, the gate insulating film 3 formed on the semiconductor substrate 1 is formed of a silicon oxide film having a thickness of about 1 nm to 10 nm. When the second transistor region TR2 is a memory cell region, the gate insulating film 3 is formed of a silicon oxide film having a thickness of about 1 nm to 10 nm or an ONO film having a thickness of about 10 nm to 50 nm.
[0026]
In the apparatus shown in FIG. 1A, at least two of the above-described three types of transistor regions are arranged adjacent to each other with different types of gate insulating films or different gate insulating film thicknesses. The semiconductor substrate 1 may have a well of the opposite conductivity type to the semiconductor substrate formed in the vicinity of the surface thereof. Further, another well having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate may be formed on the opposite conductivity type well (the same applies hereinafter).
[0027]
In the first transistor region TR1, the lower electrode layer 4 is formed on the gate insulating film 2, the upper electrode layer 5 is formed thereon, and the first gate electrode 6 is formed. A pair of source / drain diffusion layers 7 implanted using the first gate electrode 6 as a mask are formed in the semiconductor substrate 1. The first gate electrode 6 and the source / drain diffusion layer 7 form the first transistor 8. A polysilicon layer or the like is used for each of the lower electrode layer 4 and the upper electrode layer 5.
[0028]
A trench type element isolation region 9 is disposed in the boundary portion BS shown in FIG. At the bottom of the trench in the element isolation region 9, a step having a convex portion 10 that is convex upward is formed, and the trench has a partially different depth. The width of the convex portion 10 in the direction connecting the first and second transistor regions TR1 and TR2 is about 100 nm to 10000 nm, preferably about 100 nm to 1000 nm. The height of the convex portion 10 from the deep portion of the bottom of the trench is about 10 nm to 300 nm, preferably about 30 nm to 100 nm. This height changes depending on the film thickness of the gate electrode material in the adjacent first and second transistor regions TR1 and TR2. The width of the portion 10 that protrudes above the bottom of the element isolation region 9 is given in consideration of lithography misalignment in the manufacturing process, and is, for example, about 100 nm to 10000 nm.
[0029]
In the second transistor region TR2 adjacent to the boundary part BS, the lower electrode layer 11 is formed on the gate insulating film 3, the upper electrode layer 12 is formed thereon, and the second gate electrode 13 is formed. A pair of source / drain diffusion layers 14 implanted with the second gate electrode 13 as a mask is formed in the semiconductor substrate 1. The second gate electrode 13 and the source / drain diffusion layer 14 form the second transistor 15. A polysilicon layer or the like is used for each of the lower electrode layer 11 and the upper electrode layer 12. Further, another element isolation region can be provided between the left and right transistors 8 and 15 and the element isolation region 9.
[0030]
In the semiconductor memory device shown in FIG. 1B, the configuration of the first and second transistor regions TR1 and TR2 is the same as that in FIG. 1A, and the configuration at the boundary BS is shown in FIG. Different from the configuration. Around the element isolation region 9, the lower electrode layer 4 is formed on the first gate insulating film 2, and the lower electrode layer 11 is formed on the second gate insulating film 3. Further, the upper electrode layer 16 is formed on the element isolation region 9 and the lower electrode layers 4 and 11 around the element isolation region 9, and a gate structure 17 is formed.
[0031]
In this configuration, the gate structure 17 is preferably electrically insulated from the gate electrodes 6 and 13 of the first and second transistor regions TR1 and TR2. Further, another element isolation region can be provided between the left and right transistors 8 and 15 and the element isolation region 9.
[0032]
1A and 1B is characterized in that there is a step at the bottom of the trench of the element isolation region 9 at the boundary BS, and in particular, there is a convex portion 10 that is convex upward. is there. Further, the depth of the trench in the element isolation region 9 is different between the portion on the first transistor region TR1 side and the portion on the second transistor region TR2 side.
[0033]
In the structure shown in FIGS. 1A and 1B, since the element isolation depth is shallow at the center of the element isolation region 9, good embeddability can be obtained and the manufacturing yield can be improved. One reason is that in the step of embedding the element isolation trench formed in the semiconductor substrate with an insulator, the embedding aspect ratio is reduced and the embedding characteristic is improved. Another reason is that in the step of embedding an insulator in the element isolation trench, the degree of formation of a depression on the upper surface of the element isolation central portion is reduced, and the upper surface of the insulator is flattened to a predetermined height and removed. This is because dishing can be prevented.
[0034]
Furthermore, since the gate structure 17 on the element isolation region 9 shown in FIG. 1B is the same as the gate structure of the first and second transistor regions TR1 and TR2, the processing is easy.
[0035]
In the semiconductor memory device shown in FIG. 2A, the configurations of the first and second transistor regions TR1 and TR2 are the same as those in FIGS. 1A and 1B, and the configuration at the boundary BS is shown in FIG. It differs from the configuration shown in a) and (b). In the boundary portion BS, the first gate insulating film 2 is formed from the first transistor region TR1 side to the center, and the second gate insulating film 3 is formed from the second transistor region TR2 side to the center. In the boundary portion BS, an electrode layer 20 made of the same material as that of the lower electrode layer 4 is formed on a part of the upper surface of the first gate insulating film 2 and a part of the upper surface of the second gate insulating film 3. A sidewall insulating film 21 made of the same material as that of the second gate insulating film 3 is formed on the side surface of the electrode layer 20 on the second transistor region TR2 side. The height of the electrode layer 20 at the boundary BS is lower than the height of the lower electrode layer 4 in the first transistor region TR1 and the lower electrode layer 11 in the second transistor region TR2.
[0036]
The element isolation region is formed between the first and second transistor regions TR1 and TR2 and the boundary portion BS when necessary for well isolation or the like.
[0037]
In this shape, the gate processing margin in the transistor region is improved by processing so that a part of the gate electrode layer in the transistor region is left in the boundary portion BS. In particular, when a fine memory cell transistor or the like is formed in the transistor region, the effect of improving the gate processing margin is remarkable. Further, since an element isolation region having a special shape as shown in FIGS. 1A and 1B is not created, processing is easy.
[0038]
Further, the semiconductor substrate is not etched in the boundary portion BS, and the electrode layer in the boundary portion BS is not removed. For this reason, since the film thickness of the electrode layer to be etched is also the same as the film thickness of the gate electrode of the transistor, there is no decrease in yield due to the processing of the boundary portion BS.
[0039]
In the semiconductor memory device shown in FIG. 2B, the configurations of the first and second transistor regions TR1 and TR2 are the same as those in FIGS. 1A and 1B, and the configuration at the boundary BS is shown in FIG. It differs from the configuration shown in a) and (b). Similar to the structure of FIG. 2A, in the boundary portion BS, the first gate insulating film 2 is formed from the first transistor region TR1 side to the center, and the second gate insulating film 3 is formed from the second transistor region TR2 side to the center. Is done. At the boundary BS, the first electrode layer 22 having the same material and the same thickness as the lower electrode layer 4 is formed on the first gate insulating film 2. In addition, a horizontal portion of the second electrode layer 23 is formed on the second gate insulating film 3 at the boundary BS, and is adjacent to the first electrode layer 22 via the insulating film 24. The second electrode layer 23 has the same material and the same film thickness as the lower electrode layer 11.
[0040]
The thickness of the insulating film 24 is the same as that of the second gate insulating film 3. In the boundary portion BS, the second electrode layer 23 has a vertical portion stacked on the horizontal portion, and a stacked portion extending from the vertical portion toward the first transistor region TR1. That is, the second electrode layer 23 is laminated on a part of the first electrode layer 22 via the insulating film 24. Further, the laminated electrode layer 25 is formed on the first and second electrode layers 22 and 23. A gate structure 18 is formed by the first electrode layer 22, the second electrode layer 23, the insulating film 24, and the stacked electrode layer 25. Due to such a structure, the height of the gate structure 18 is higher than the height of the transistors formed in the first and second transistor regions TR1 and TR2 at the boundary BS.
[0041]
The semiconductor memory device shown in FIG. 2B is characterized in that there is a portion where the gate structure has a stacked structure in the boundary portion BS. In this portion, the first gate insulating film 2 and the first electrode layer 22 having the same film thickness and composition as the lower electrode layer 4 are stacked on the semiconductor substrate 1. Further, a second electrode layer 23 having the same thickness and composition as the upper electrode layer 11 is laminated on the insulating film 24 having the same thickness and composition as the second gate insulating film. Further, both the first and second gate insulating films 2 and 3 exist under the electrically connected first and second electrode layers 22 and 23.
[0042]
In the structure shown in FIG. 2B, the width of the gate structure 18 is, for example, about 100 nm to 10000 nm, and preferably about 500 nm to 1000 nm. The height of the gate structure 18 is the highest part of the boundary BS, and the height of the lower electrode layer 4 and the height of the first gate insulating film 2 are added to the height of the second transistor 15 in the second transistor region TR2. Value.
[0043]
The element isolation region is formed between the first and second transistor regions TR1 and TR2 and the boundary portion BS when necessary for well isolation or the like.
[0044]
By adopting such a structure, a plurality of transistors can be formed on the same semiconductor substrate with a small number of steps.
[0045]
Further, the semiconductor substrate is not etched at the boundary BS, and the stacked gate at the boundary BS is not processed. For this reason, since the film thickness of the electrode layer to be etched is the same as the film thickness of the gate electrode of the transistor, there is no decrease in yield due to the processing of the boundary portion BS. In particular, in the case of the structure shown in FIG. 2B, since the gate electrode having the laminated structure of the boundary portion BS does not need to be etched, the yield is improved.
[0046]
3A and 3B are cross-sectional views showing the first and second transistor regions TR1 and TR2 in the present embodiment along the extending direction of each gate electrode.
[0047]
As shown in FIG. 3A, a plurality of element isolation regions 26 are formed in the semiconductor substrate 1 in the first transistor region TR1. The lower electrode layer 4 is formed between the element isolation regions 26. An upper electrode layer 5 is formed on the lower electrode layer 4. On the upper electrode layer 5, an interlayer insulating film 27 not shown in FIGS. 1A and 1B and FIGS. 2A and 2B is formed.
[0048]
As shown in FIG. 3B, a plurality of element isolation regions 26 are formed in the semiconductor substrate 1 in the second transistor region TR2. The lower electrode layer 11 is formed between the element isolation regions 26. An upper electrode layer 12 is formed on the lower electrode layer 11. On the upper electrode layer 12, an interlayer insulating film 27 not shown in FIGS. 1A and 1B and FIGS. 2A and 2B is formed.
[0049]
As shown in FIGS. 3A and 3B, according to the present embodiment, the element isolation region is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode. Therefore, the gate electrode does not fall on the side surface of the gate insulating film as described in the prior art at the element isolation end. Thereby, it is possible to prevent the formation of a parasitic transistor at the end of the element isolation region, and to improve the performance of the transistor.
[0050]
In addition, according to the present embodiment, a process of forming a gate insulating film prior to the formation of the element isolation trench and forming the element isolation trench in a self-aligned manner with respect to the gate electrode and the gate insulating film (hereinafter referred to as self-aligned STI). Called process). For this reason, since there is no process for depositing or removing a dummy insulating film or dummy gate for forming an element isolation region, the number of processes can be reduced. Further, in the manufacturing process in this embodiment, since there is no step of directly applying a photoresist on the gate insulating film, the reliability of the gate insulating film can be improved.
[0051]
Next, an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described. First, a method for manufacturing the structure shown in FIG. 1A will be described with reference to FIGS.
[0052]
As shown in FIG. 4A, a sacrificial oxide film (not shown) is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 1. Next, well impurities and channel impurities are implanted as necessary, and then the sacrificial oxide film is removed. Subsequently, a first gate insulating film 2 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film and a lower electrode layer 4 such as polycrystalline silicon are formed on the semiconductor substrate 1.
[0053]
Next, as shown in FIG. 4B, the first transistor region TR1 and from here to the center of the boundary BS are covered with a photoresist layer 30, and the gate electrode layer and the gate insulating film in other regions are removed. . The removal method may be either isotropic etching such as wet etching or anisotropic etching such as RIE.
[0054]
Next, as shown in FIG. 4C, after the photoresist layer 30 is removed, a second gate insulating film 3 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film and a polycrystalline silicon layer are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1. The side electrode layer 11 is formed. At this time, the first transistor region TR1 has a stacked structure in which the second gate insulating film 3 and the lower electrode layer 11 are formed on the lower electrode layer 4. Here, the lower electrode layer 4 in the first transistor region TR1 and the lower electrode layer 11 in the second transistor region TR2 may use different materials and film thicknesses. However, if these are the same material and the same film thickness, it is easy to simultaneously etch the gate electrode in a later step.
[0055]
Next, as shown in FIG. 5A, the second transistor region TR2 and from here to the center of the boundary BS are covered with a photoresist layer 31, and the gate electrode layer and the gate insulating film in other regions are removed. . The removal method may be either isotropic etching such as wet etching or anisotropic etching such as RIE. At this time, it is applied to the end portion of the lower electrode layer 4 where a part of the photoresist layer 31 is left. In consideration of misalignment, there are cases where the positions of the end portions of the photoresist layers 30 and 31 overlap with each other, and there are cases where they do not overlap. That is, the gate electrode remains in the laminated structure at the boundary BS where the first and second transistor regions TR1 and TR2 are separately formed.
[0056]
Next, as shown in FIG. 5B, after removing the photoresist layer 31, a first mask layer 32 and a second mask layer 33 are deposited. For example, a silicon nitride film is used for the first mask layer 32, and a silicon oxide film is used for the second mask layer 33, for example. Next, as shown in FIG. 5C, a photoresist layer 34 for forming an element isolation region is deposited on the second mask layer 33 to form an element isolation pattern. The photoresist layer 34 is disposed above the portion where the element isolation region is not formed.
[0057]
Next, as shown in FIG. 6A, the first mask layer 32 and the second mask layer 33 are removed by anisotropic etching, and a portion of the lower electrode layer corresponding to the element isolation region of the boundary BS is formed. 4 and 11 are exposed. Next, as shown in FIG. 6B, the lower electrode layers 4 and 11 exposed from the second mask layer 33 are removed by anisotropic etching.
[0058]
At this time, in the portion corresponding to the element isolation region of the separately formed boundary portion BS, since the two lower electrode layers are laminated before the etching, only the lower electrode layer 11 is etched. . The lower electrode layer 4 remains as the electrode layer 20 on the semiconductor substrate 1. Further, the second gate insulating film 3 remains as the sidewall insulating film 21 in the boundary portion BS. Further, the remaining film 35 remains so that the film thickness decreases from the sidewall insulating film 21 toward the second transistor region TR2 side as the lower electrode layer 11 moves away from the boundary BS.
[0059]
Next, as shown in FIG. 6C, the semiconductor substrate 1 is etched to form an element isolation region. The depth of the trench 36 in the semiconductor substrate 1 formed as the element isolation region is, for example, about 50 nm to 300 nm, and preferably about 150 nm to 250 nm. Due to the step formed by the electrode layer 20, the insulating film 21, and the remaining film 21 shown in FIG. 6B, the convex portion 10 is formed at the bottom of the trench 36 at the boundary portion BS that is separately formed. The step amount of the convex portion 10 depends on the film thickness of the electrode layer 20 remaining in FIG. 6B and the etching conditions, but is, for example, about 10 nm to 300 nm, and preferably about 30 nm to 100 nm.
[0060]
Further, the depth of the bottom of the trench 36 is different between the portion on the first transistor region TR1 side and the portion on the second transistor region TR2 side. This reflects the difference in film thickness between the first gate insulating film 2 and the second gate insulating film 3, and the thinner the gate insulating film, the deeper the groove. Here, the depth of the bottom of the trench 36 on the first transistor region TR1 side is formed to be shallower by about 5 nm to 50 nm, preferably about 10 nm to 30 nm than the depth of the bottom of the trench 36 on the second transistor region TR2 side. This is because the first gate insulating film 2 is thicker than the second gate insulating film 3 by about 5 nm to 50 nm, desirably about 10 nm to 30 nm. At this time, the semiconductor substrate 1 in the first and second transistor regions TR1 and TR2 is etched in a self-aligned manner with respect to the first and second lower electrode layers 4 and 11, and the first and second transistor regions TR1 are etched. , Trenches for the element isolation region 26 (see FIGS. 3A and 3B) are simultaneously formed in TR2.
[0061]
Next, as shown in FIG. 7A, an insulator 37 such as a silicon oxide film is buried in the trench 36 in the boundary BS and the trenches in the first and second transistor regions TR1 and TR2, and the first 2 Deposit on mask layer 33. Since the element isolation depth is shallow at the boundary BS, the embedding property is good. Next, as shown in FIG. 7B, the insulator 37 is etched back using the first mask layer 32 as a stopper by a method such as CMP. After the etch back, the upper portion of the insulator 37 becomes substantially flat.
[0062]
Next, as shown in FIG. 7C, after removing the first mask layer 32, upper electrode layers 5 and 12 are deposited on the entire exposed surface on the semiconductor substrate 1. The upper electrode layers 5 and 12 are made of polycrystalline silicon, a laminated film of polycrystalline silicon and metal or a compound of silicon and metal, or a single layer film of metal or a compound of silicon and metal. Next, as shown in FIG. 8, a photoresist layer 38 for processing the gate electrode layer is deposited to form a pattern. At this time, the photoresist layer 38 is not left at the boundary BS, and therefore, the gate electrode layer at the boundary BS is removed in a later process.
[0063]
Next, as shown in FIG. 1A, the gate electrode layer is anisotropically etched using the photoresist layer 38 as a mask, so that the first gate electrode 6, the second gate electrode 13, and the element isolation region 9 are formed. Form. Thereafter, the processing damage is recovered by post-oxidation or the like. Next, using the first gate electrode 6 and the second gate electrode 13 as a mask, diffusion layer impurities are implanted into the semiconductor substrate 1 to form source / drain diffusion layers 7 and 14. Note that a mask layer such as a silicon nitride film or a silicon oxide film may be deposited on the gate electrode layer, and the gate electrode layer may be processed using the mask layer as a mask.
[0064]
Thereafter, although not shown, an interlayer insulating film, contact plugs, wirings, and the like are formed to complete the semiconductor device. When the element isolation region is formed at the boundary BS in this way, a step remains at the bottom of the element isolation region as shown in FIG.
[0065]
Next, a method for manufacturing the structure shown in FIG. Up to the step of FIG. 7C, the manufacturing method of the structure of FIG. 1A and the manufacturing method thereof are the same.
[0066]
Next, as shown in FIG. 9, a photoresist layer 38 for processing the gate electrode layer and a photoresist layer 39 for forming an electrode layer for element isolation are deposited to form a pattern. Here, the width of the photoresist layer 39 in the left-right direction in FIG. 9 is larger than the width in the left-right direction of the insulator 37 so that the gate electrode layer remains on the side surface of the insulator 37 after etching. Formed.
[0067]
Next, as shown in FIG. 1B, the gate electrode layer is anisotropically etched using the photoresist layers 38 and 39 as a mask, so that the first gate electrode 6, the second gate electrode 13, and the gate structure 17 are etched. And the element isolation region 9 is formed. Thereafter, the processing damage is recovered by post-oxidation or the like. Next, using the first gate electrode 6 and the second gate electrode 13 as a mask, diffusion layer impurities are implanted into the semiconductor substrate 1 to form source / drain diffusion layers 7 and 14. Note that a mask layer such as a silicon nitride film or a silicon oxide film may be deposited on the gate electrode layer, and the gate electrode layer may be processed using the mask layer as a mask.
[0068]
Thereafter, although not shown, an interlayer insulating film, contact plugs, wirings, and the like are formed to complete the semiconductor device. In this way, when the boundary portion BS is an element isolation region, a step remains at the bottom of the element isolation region as shown in FIG.
[0069]
Next, a method for manufacturing the structure shown in FIG. Up to the process of FIG. 5B, the manufacturing method of the structure of FIG.
[0070]
Next, as shown in FIG. 10A, a photoresist layer 40 for forming an element isolation region is coated on the second mask layer 33. In this way, the photoresist is left at the boundary portion BS that is separately formed, and the element isolation region is not formed. After the second mask layer 33 is anisotropically etched, the photoresist layer 40 is removed to expose the second mask layer 33 as shown in FIG. At this time, although not shown, there is a portion where the second mask layer 33 is etched in the first and second transistor regions TR1 and TR2.
[0071]
Next, through the same steps as in FIGS. 6B to 7B, the element isolation region 26 (see FIGS. 3A and 3B) is formed in the first and second transistor regions TR1 and TR2. ). The shape of the boundary portion BS at this time is shown in FIG. Next, as shown in FIG. 11B, after the first mask layer 32 is removed, the upper electrode layers 5 and 12 are formed on the exposed lower electrode layers 4 and 11. Since the boundary portion BS is thus covered with the resist, the gate electrode layer remains in the stacked structure.
[0072]
Next, as shown in FIG. 12A, a photoresist layer 41 for processing the gate electrode layer is deposited to form a pattern. Next, as shown in FIG. 12B, the gate electrode layer is anisotropically etched using the photoresist layer 41 as a mask to form the first gate electrode 6 and the second gate electrode 13. Thereafter, the processing damage is recovered by post-oxidation or the like. Next, using the first gate electrode 6 and the second gate electrode 13 as a mask, diffusion layer impurities are implanted into the semiconductor substrate 1 to form the source / drain diffusion layers 7 and 14 and the diffusion layer 42 at the boundary BS. . Note that a mask layer such as a silicon nitride film or a silicon oxide film may be deposited on the gate electrode layer, and the gate electrode layer may be processed using the mask layer as a mask.
[0073]
Thereafter, although not shown, an interlayer insulating film, contact plugs, wirings, and the like are formed to complete the semiconductor device. When there is no element isolation region at the boundary BS and the gate electrode layer is removed as described above, the shape is as shown in FIG.
[0074]
However, the boundary BS has a shape shown in FIG. 2A when etching residue occurs because the gate electrode layer has a laminated structure. That is, using the first gate electrode 6, the second gate electrode 13, the electrode layer 20 and the sidewall insulating film 21 as a mask, diffusion layer impurities are implanted into the semiconductor substrate 1 to form the source / drain diffusion layers 7 and 14. . Even in this case, there is no problem such as a short circuit of the gate electrode. Further, the etching time can be shortened compared with the case where the gate electrode of the boundary portion BS is completely removed. In addition, the total processing margin is rather improved because the etching conditions need only be optimized in accordance with the transistor region.
[0075]
Next, a manufacturing method of the structure shown in FIG. Up to the step of FIG. 11B, the manufacturing method of the structure of FIG. 2A is the same as the manufacturing method.
[0076]
Next, as shown in FIG. 13, a photoresist layer 41 for processing the gate electrode layer and a photoresist layer 43 for forming the gate structure 18 at the boundary BS are deposited to form a pattern. Next, as shown in FIG. 2B, the gate electrode layer is anisotropically etched using the photoresist layers 41 and 43 as a mask, so that the first gate electrode 6, the second gate electrode 13, and the gate structure are formed. 18 is formed. Thereafter, the processing damage is recovered by post-oxidation or the like. Next, using the first gate electrode 6, the second gate electrode 13 and the gate structure 18 as a mask, diffusion layer impurities are implanted into the semiconductor substrate 1 to form source / drain diffusion layers 7 and 14. Note that a mask layer such as a silicon nitride film or a silicon oxide film may be deposited on the gate electrode layer, and the gate electrode layer may be processed using the mask layer as a mask.
[0077]
Thereafter, although not shown, an interlayer insulating film, contact plugs, wirings, and the like are formed to complete the semiconductor device. As described above, in the shape shown in FIG. 2B, a gate structure in which an electrode layer that has not been processed by etching is stacked on the semiconductor substrate 1 in the boundary portion BS is formed.
[0078]
In general, it is difficult to process the gate electrode because the boundary portion BS is made in a special shape. In this method, since it is not necessary to etch the gate electrode at the boundary BS, the processing is facilitated and the yield is improved. In particular, as shown in FIG. 2 (b), when the gate electrode has a laminated structure in the boundary portion BS, it is particularly difficult to process, so that the effect of not having to process this portion is great. .
[0079]
As described above, in the present embodiment, in a semiconductor device having two or more types of transistors having different gate insulating film thicknesses or film types, the gate insulating film is separately formed prior to the formation of the element isolation trench, By devising the structure, the number of steps can be reduced and the performance of the semiconductor device can be improved.
[0080]
Further, in the present embodiment, the process of separating the trench element or the shape and forming of the gate electrode is devised at the boundary BS where the respective transistor regions in the semiconductor device having two or more different types of gate insulating films are in contact. Thus, the reliability is high, and a sufficient process margin and device performance can be achieved at the same time.
[0081]
In particular, this embodiment is useful in a nonvolatile semiconductor device in which the element isolation region is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode.
[0082]
In the present embodiment, the gate insulating film is separately formed before the trench element isolation is formed, and the photoresist is not directly applied to the gate insulating film during the separate formation.
[0083]
According to this embodiment, it is possible to provide a semiconductor device in which the element isolation oxide film is not etched at the element isolation end and the reliability of the gate insulating film is high. Further, when an ONO film is used as the gate insulating film of the memory cell, it is possible to prevent the ONO film thickness from becoming nonuniform at the element isolation end.
[0084]
In the structure described in FIGS. 1A and 1B, the bottom of the trench element isolation at the boundary BS is convex upward. As shown in FIG. 7A, when the trench is buried, the upper surface reflects the shape of the bottom of the trench, and the upper surface of the buried oxide film is convex upward in the center of the boundary BS. The wide element isolation region is easily dished during the CMP process. However, the fact that the embedding shape is convex upward cancels out this, so that CMP processing can be performed flatly as shown in FIG. 7B. As described above, since there is no trench embedding defect or CMP dishing in the conventional element isolation region shown in FIG. 62, the process margin is increased and the yield is improved.
[0085]
In FIGS. 1A and 1B, the case where the trench depths are different on the left and right is taken as an example. Obtainable. Also, there is an effect that the leakage current flowing through the bottom of the STI is reduced. This is because the side of the bottom portion of the STI becomes longer due to the level difference of the convex portion, making it difficult to form a leak path.
[0086]
In the configuration shown in FIG. 2A, the gate electrode before processing is stacked thicker than the gate electrode in the transistor region at the boundary portion BS, as shown in FIG. Here, when the gate electrode of the boundary BS is to be completely removed, the amount to be etched is larger in the boundary BS than in the transistor region. In such a state, if the gate electrode at the boundary BS is to be completely removed, the etching amount is too large in the transistor region, and the semiconductor substrate itself is etched. It is difficult to secure a processing margin for preventing this over-etching. However, in the present embodiment shown in FIG. 2A, since the gate electrode of the boundary BS is also etched by the same amount as the gate electrode of the transistor region, the etching amount can be determined only by the transistor region. A sufficient processing margin can be secured.
[0087]
In the embodiment shown in FIG. 1B and FIG. 2B, as shown in FIG. 9 and FIG. 10A, the boundary portion BS is covered with a photoresist during gate processing, so that the boundary portion is covered. The BS gate electrode is not etched. In particular, in the boundary portion BS shown in FIGS. 2B and 10B, since the structure of the gate electrode is different from that of the transistor region, it is difficult to perform etching at the same time as the transistor region. In the present embodiment shown in FIGS. 1B and 2B, the etching amount can be determined only by the transistor region, so that a sufficient processing margin can be secured.
[0088]
In the method of leaving a part of the gate electrode of the boundary BS as shown in FIG. 2A, it is not necessary to cover the boundary BS with a resist when the gate electrode is etched. For this reason, it is not necessary to take an alignment margin or the like, and the area for the gate electrode of the boundary portion BS can be reduced. On the other hand, in the method of leaving all the gate electrodes at the boundary BS as shown in FIG. 2B, the pattern of the gate electrodes at the boundary BS is large. For this reason, there is no possibility that the gate electrode is peeled off to become dust, and the yield can be increased.
[0089]
(Second Embodiment)
FIG. 14A is a cross-sectional view showing the vicinity of the boundary portion of the semiconductor device according to the second embodiment. FIGS. 14B, 15A, and 15B are cross-sectional views showing the vicinity of the boundary portion of the semiconductor device according to the modification of the second embodiment. What is characteristic of this embodiment is that two types of transistors (for example, first and second transistor regions TR1 and TR2) having different gate insulating film types, for example, film material and film thickness, are the same semiconductor substrate. The boundary BS between the two is different from both of them in terms of the shape of the element isolation region or the electrode structure (the shape of the element isolation portion or the electrode structure in the first and second transistor regions TR1 and TR2). Is to include things. Specifically, in the boundary portion BS, a trench type element isolation region having a different depth depending on the portion is disposed.
[0090]
The semiconductor memory device shown in FIG. 14A has first and second transistor regions TR1 and TR2 disposed on the semiconductor substrate 1, and a boundary BS sandwiched between and in contact with the first and second transistor regions TR1 and TR2. . When the first transistor region TR1 is a high breakdown voltage transistor region, the gate insulating film 2 formed on the semiconductor substrate 1 is formed of a silicon oxide film having a thickness of about 10 nm to 40 nm. When the second transistor region TR2 is a low voltage transistor region, the gate insulating film 3 formed on the semiconductor substrate 1 is formed of a silicon oxide film having a thickness of about 1 nm to 10 nm. When the second transistor region TR2 is a memory cell region, the gate insulating film 3 is formed of a silicon oxide film having a thickness of about 1 nm to 10 nm or an ONO film having a thickness of about 10 nm to 50 nm.
[0091]
In the device shown in FIG. 14A, at least two of the above-described three types of transistor regions are arranged adjacent to each other with different types of gate insulating films or different gate insulating film thicknesses. The semiconductor substrate 1 may have a well of the opposite conductivity type to the semiconductor substrate formed in the vicinity of the surface thereof. Further, another well having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate may be formed on the opposite conductivity type well (the same applies hereinafter).
[0092]
In the first transistor region TR1, the lower electrode layer 4 is formed on the gate insulating film 2, the upper electrode layer 5 is formed thereon, and the first gate electrode 6 is formed. A pair of source / drain diffusion layers 7 implanted using the first gate electrode 6 as a mask are formed in the semiconductor substrate 1. The first gate electrode 6 and the source / drain diffusion layer 7 form the first transistor 8. A polysilicon layer or the like is used for each of the lower electrode layer 4 and the upper electrode layer 5.
[0093]
A trench type element isolation region 50 is disposed at the boundary BS shown in FIG. A step having a convex portion 51 that protrudes downward is formed at the bottom of the trench in the element isolation region 50, and the trench is partially different in depth. The width of the convex portion 51 in the direction connecting the first and second transistor regions TR1 and TR2 is about 100 nm to 10000 nm, preferably about 100 nm to 1000 nm. The height (depth) of the convex portion 51 from the shallow portion of the bottom of the trench is about 10 nm to 300 nm, preferably about 30 nm to 100 nm. This height changes depending on the film thickness of the gate electrode material in the adjacent first and second transistor regions TR1 and TR2. The width of the portion 51 that protrudes below the bottom of the element isolation region 9 is given in consideration of lithography misalignment in the manufacturing process, and is, for example, about 100 nm to 10000 nm.
[0094]
In the second transistor region TR2 adjacent to the boundary part BS, the lower electrode layer 11 is formed on the gate insulating film 3, the upper electrode layer 12 is formed thereon, and the second gate electrode 13 is formed. A pair of source / drain diffusion layers 14 implanted with the second gate electrode 13 as a mask is formed in the semiconductor substrate 1. The second gate electrode 13 and the source / drain diffusion layer 14 form the second transistor 15. A polysilicon layer or the like is used for each of the lower electrode layer 11 and the upper electrode layer 12.
[0095]
In the case of the structure shown in FIG. 14A, the element isolation region 50 has a greater depth at the center of the boundary portion BS than the portion of the boundary portion BS close to the left and right transistor regions. For this reason, the element isolation breakdown voltage is improved. The depth of the bottom of the element isolation region is deeper as the gate insulating film in the adjacent transistor region is thicker, and the depth is deeper as the gate insulating film is thinner. In addition, there is a step at the bottom of the trench of the element isolation region 50, and the depth of the bottom of the element isolation region is about 5 nm to 50 nm between the first transistor region TR1 side portion and the second transistor region TR2 side portion. Preferably, the difference is about 10 nm to 30 nm. This is because the first gate insulating film 2 is thicker than the second gate insulating film 3 by about 5 nm to 50 nm, desirably about 10 nm to 30 nm. Further, another element isolation region can be provided between the left and right transistors 8 and 15 and the element isolation region 50.
[0096]
In the semiconductor memory device shown in FIG. 14B, the configuration of the first and second transistor regions TR1 and TR2 is the same as that in FIG. 14A, and the configuration at the boundary BS is shown in FIG. Different from the configuration. Around the element isolation region 50, the lower electrode layer 4 is formed on the first gate insulating film 2, and the lower electrode layer 11 is formed on the second gate insulating film 3. Further, the upper electrode layer 16 is formed on the element isolation region 50 and the lower electrode layers 4 and 11 around the element isolation region 50, and the gate structure 17 is formed.
[0097]
In this configuration, the gate structure 17 is preferably electrically insulated from the gate electrodes 6 and 13 of the first and second transistor regions TR1 and TR2. Further, another element isolation region can be provided between the left and right transistors 8 and 15 and the element isolation region 50.
[0098]
14A and 14B is characterized in that there is a step at the bottom of the trench of the element isolation region 50 in the boundary portion BS, and in particular, there is a convex portion 51 that is convex downward. is there. Further, the depth of the trench in the element isolation region 50 is different between the portion on the first transistor region TR1 side and the portion on the second transistor region TR2 side. The depth of the bottom of the element isolation region is deeper as the gate insulating film in the adjacent transistor region is thicker, and the depth is deeper as the gate insulating film is thinner.
[0099]
Since the element isolation depth is deep at the center of the element isolation region 50, a good element isolation withstand voltage can be obtained even if the width of the element isolation region is reduced to achieve high integration. That is, the trench width can be narrowed and the element can be miniaturized as compared with the case where the trench depth is constant in the conventional transistor region and the boundary BS.
[0100]
Furthermore, since the gate structure 17 on the element isolation region 50 shown in FIG. 14B is the same as the gate structure of the first and second transistor regions TR1 and TR2, processing is easy.
[0101]
In the semiconductor memory device shown in FIG. 15A, the configurations of the first and second transistor regions TR1 and TR2 are the same as those in FIGS. 14A and 14B, and the configuration at the boundary BS is shown in FIG. It differs from the configuration shown in a) and (b). In the boundary BS, a recess 52 dug in the semiconductor substrate 1 is disposed.
[0102]
The element isolation region is formed between the first and second transistor regions TR1 and TR2 and the boundary portion BS when necessary for well isolation or the like.
[0103]
In this shape, since the element isolation region having a special shape as shown in FIGS. 14A and 14B is not created in the boundary portion BS, the processing is easy.
[0104]
In the semiconductor memory device shown in FIG. 15B, the configuration of the first and second transistor regions TR1 and TR2 is the same as that in FIGS. 14A and 14B, and the configuration at the boundary BS is shown in FIG. It differs from the configuration shown in a) and (b). Similar to the structure of FIG. 15A, no element isolation region is formed in the boundary portion BS. An electrode layer 53 is formed directly on the semiconductor substrate 1 at the boundary BS. The electrode layer 53 has the same composition as the upper electrode layers 5 and 12 and the height thereof is the same as that of the upper electrode layers 5 and 12.
[0105]
Further, first and second conductive side walls 54 and 55 are formed on the side surfaces of the electrode layer 53 on the first and second transistor regions TR1 and TR2 side. The first conductive sidewall 54 has the same composition as that of the lower electrode layer 4 and is disposed between the protrusion of the electrode layer 53 and the first gate insulating film 2. The second conductive side wall 55 has the same composition as the lower electrode layer 11 and is disposed between the protrusion of the electrode layer 53 and the second gate insulating film 3. Because of this structure, the height of the gate structure at the boundary BS is equal to the height of the transistors formed in the first and second transistor regions TR1 and TR2.
[0106]
The element isolation region is formed between the first and second transistor regions TR1 and TR2 and the boundary portion BS when necessary for well isolation or the like.
[0107]
The semiconductor memory device shown in FIG. 15B is characterized in that there is a portion where the electrode layer 53 is in direct contact with the semiconductor substrate in the boundary portion BS. In the boundary BS, both the first and second gate insulating films 2 and 3 exist on both sides of the electrode layer 53. With these structures, a plurality of transistors can be formed on the same semiconductor substrate with a small number of steps.
[0108]
In the structure shown in FIG. 15B, the semiconductor substrate is not etched at the boundary BS, and the electrode layer at the boundary BS is not removed. For this reason, since the thickness of the conductor to be etched is the same as the thickness of the gate electrode of the transistor, there is no reduction in yield due to the processing of the boundary portion BS.
[0109]
In the manufacturing process in this embodiment, since there is no step of directly applying a photoresist on the gate insulating film, the reliability of the gate insulating film can be improved. In particular, in the case of the structure shown in FIG. 15B, since the gate electrode is left in the boundary portion BS, the gate electrode having a special structure in the boundary portion BS does not need to be etched, so that the yield is improved.
[0110]
The present embodiment also has the structure shown in FIGS. 3A and 3B as in the first embodiment. Since the gate electrode does not fall on the side surface of the gate insulating film at the element isolation end, a parasitic transistor can be prevented from being formed at the end of the element isolation region, and the performance of the transistor can be improved. In addition, since a self-aligned STI process is employed and there is no process for depositing or removing a dummy insulating film or dummy gate for forming an element isolation region, the number of processes can be reduced.
[0111]
Next, an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described. First, a method for manufacturing the structure shown in FIG. 14A will be described with reference to FIGS.
[0112]
As shown in FIG. 16A, a sacrificial oxide film (not shown) is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 1. Next, well impurities and channel impurities are implanted as necessary, and then the sacrificial oxide film is removed. Subsequently, a first gate insulating film 2 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film and a lower electrode layer 4 such as polycrystalline silicon are formed on the semiconductor substrate 1.
[0113]
Next, as shown in FIG. 16B, the first transistor region TR1 and the portion from here to the middle of the boundary BS are covered with a photoresist layer 56, and the gate electrode layer and the gate insulating film in other regions are removed. . The removal method may be either isotropic etching such as wet etching or anisotropic etching such as RIE.
[0114]
Next, as shown in FIG. 16C, a second gate insulating film 3 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film and a lower electrode layer 11 such as polycrystalline silicon are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1. At this time, the first transistor region TR1 has a stacked structure in which the second gate insulating film 3 and the lower electrode layer 11 are formed on the lower electrode layer 4. Here, the lower electrode layer 4 in the first transistor region TR1 and the lower electrode layer 11 in the second transistor region TR2 may use different materials and film thicknesses. However, if these are the same material and the same film thickness, it is easy to simultaneously etch the gate electrode in a later step.
[0115]
Next, as shown in FIG. 17A, the second transistor region TR2 and the portion from here to the middle of the boundary BS are covered with a photoresist layer 57, and the gate electrode layer and the gate insulating film in other regions are removed. . The removal method may be either isotropic etching such as wet etching or anisotropic etching such as RIE. At this time, the end portion of the photoresist layer 57 is separated from the end portion of the lower electrode layer 4 that remains. That is, the lower electrode layers 4 and 11 are both removed at the center of the boundary portion BS where the first and second transistor regions TR1 and TR2 are separately formed so that the surface of the semiconductor substrate 1 is exposed.
[0116]
Next, as shown in FIG. 17B, after removing the photoresist layer 57, a first mask layer 58 and a second mask layer 59 are deposited. For example, a silicon nitride film is used for the first mask layer 56, and a silicon oxide film is used for the second mask layer 59, for example. Next, as shown in FIG. 17C, a photoresist resist layer 60 for forming an element isolation region is deposited on the second mask layer 59 to form an element isolation pattern. The photoresist layer 60 is disposed above the portion where the element isolation region is not formed.
[0117]
Next, as shown in FIG. 18A, the photoresist layer 60 is used to remove the second mask layer 59 and the first mask layer 58 by anisotropic etching so as to be opened in the element isolation pattern. . At this time, since the gate electrode does not exist before the etching at the center of the boundary portion BS, the semiconductor substrate 1 is exposed on the surface after the etching. Next, as shown in FIG. 18B, the lower electrode layers 4 and 11 that are not covered by the first mask layer 58 and the second mask layer 59 are removed by anisotropic etching. At this time, in the center of the boundary BS, the semiconductor substrate 1 is etched, and a recess 44 is formed.
[0118]
Next, as shown in FIG. 18C, the semiconductor substrate 1 is etched to form an element isolation region. The depth of the trench 61 in the semiconductor substrate 1 formed as the element isolation region is, for example, about 50 nm to 300 nm, and preferably about 150 nm to 250 nm. The separately created boundary BS has a downwardly convex shape at the bottom of the trench 61 due to the step shown in FIG. Although the level difference of the convex portion depends on the film thickness of the lower electrode layers 4 and 11 remaining in FIG. 18A and the etching conditions, it is generally about 10 nm to 300 nm, and preferably about 30 nm to 100 nm.
[0119]
Further, the depth of the bottom of the trench 61 is different between the portion on the first transistor region TR1 side and the portion on the second transistor region TR2 side. Here, the depth of the bottom of the trench 61 on the first transistor region TR1 side is formed to be shallower by about 5 nm to 50 nm, preferably about 10 nm to 30 nm than the depth of the bottom of the trench 61 on the second transistor region TR2 side. This is because the first gate insulating film 2 is thicker than the second gate insulating film 3. At this time, the semiconductor substrate 1 in the first and second transistor regions TR1 and TR2 is etched in a self-aligned manner with respect to the first and second lower electrode layers 4 and 11, and the first and second transistor regions TR1 are etched. , Trenches for the element isolation region 26 (see FIGS. 3A and 3B) are simultaneously formed in TR2.
[0120]
Next, as shown in FIG. 19A, the trench 61 in the boundary BS and the trenches in the first and second transistor regions TR1 and TR2 are embedded with an insulator 62 such as a silicon oxide film, and the like. In this way, the insulator 62 is etched back using the first mask layer 58 as a stopper. Next, as shown in FIG. 19B, after removing the first mask layer 58, upper electrode layers 5 and 12 are deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1. The upper electrode layers 5 and 12 are made of polycrystalline silicon, a laminated film of polycrystalline silicon and metal or a compound of silicon and metal, or a single layer film of metal or silicon and a compound of metal. Next, as shown in FIG. 19C, a photoresist layer 63 for processing the gate electrode is deposited to form a gate electrode pattern.
[0121]
Next, as shown in FIG. 14A, the gate electrode is anisotropically etched using the photoresist layer 63 as a mask to form the first gate electrode 6 and the second gate electrode 13. Thereafter, the processing damage is recovered by post-oxidation or the like. Next, diffusion layer impurities are implanted to form source / drain diffusion layers 7 and 14. At this time, the resist layer is not left at the boundary BS, and the gate electrode at the boundary BS is removed. Of course, a mask layer such as a silicon nitride film or a silicon oxide film may be deposited on the gate electrode, and the gate electrode may be processed using the mask layer as a mask.
[0122]
Further, although not shown, an interlayer insulating film, contact plugs, wirings and the like are formed to complete the semiconductor device. Thus, when the element isolation region is formed in the boundary part BS, a step remains as the downward convex part 51 at the bottom of the element isolation trench. In addition, since the element isolation trench is deep in the boundary portion BS, the embedded shape may be projected downward to reflect it. In that case, as shown in FIG. 20, a recess 64 is formed on the upper surface.
[0123]
Next, a method for manufacturing the structure shown in FIG. The process up to the step shown in FIG. 19B is the same as the manufacturing method of the structure shown in FIG. In the above manufacturing process, the method of opening the photoresist layer for gate electrode processing at the boundary BS is shown, but here, the method of leaving the photoresist layer at the boundary BS is used. That is, as shown in FIG. 21, a pattern is used that leaves the photoresist layer 65 at the boundary portion BS. At this time, the opening of the photoresist layer 65 is provided outside the width of the trench 61.
[0124]
Next, as shown in FIG. 14B, the gate electrode is anisotropically etched using the photoresist layer 65 as a mask to form the first gate electrode 6 and the second gate electrode 13. At this time, the lower electrode layer 4 is left on the first gate insulating film 2 and the lower electrode layer 11 is left on the second gate insulating film 3 around the element isolation region 50. Further, the gate structure 17 is formed by leaving the upper electrode layer 16 on the element isolation region 50 and the lower electrode layers 4 and 11 around it. Thereafter, the processing damage is recovered by post-oxidation or the like. Next, diffusion layer impurities are implanted into the semiconductor substrate 1 to form the source / drain diffusion layer 7 in the first transistor region TR1 and the source / drain diffusion layer 14 in the second transistor region TR2. Note that a mask layer such as a silicon nitride film or a silicon oxide film may be deposited on the gate electrode, and the gate electrode may be processed using the mask layer as a mask.
[0125]
In addition, since the element isolation trench is deep in the boundary portion BS, the embedded shape may be projected downward to reflect it. In that case, as shown in FIG. 22, a recess 64 is formed on the upper surface, and the upper electrode layer 16 is formed by filling the recess 64.
[0126]
Next, a method for manufacturing the structure shown in FIG. In the manufacturing method of this structure, the steps up to FIG. 17B are the same as the manufacturing method of the structure shown in FIG.
[0127]
Next, as shown in FIG. 23A, a photoresist layer 67 for forming an element isolation region is covered on the second mask layer 59. After anisotropic etching of the second mask layer 59, as shown in FIG. 23B, the photoresist layer 67 is removed to expose the upper surface of the second mask layer 59. At this time, although not shown, there is a portion where the second mask layer 59 is etched in the first and second transistor regions TR1 and TR2.
[0128]
Next, through the same steps as in FIGS. 18A to 19A, the element isolation region 26 (see FIGS. 3A and 3B) is formed in the first and second transistor regions TR1 and TR2. ). The shape of the boundary portion BS at this time is shown in FIG. At this time, the second mask layer 59 remains on the depression 68 existing on the upper surface of the first mask layer 58.
[0129]
Next, as shown in FIG. 24B, the second mask layer 59 and the first mask layer 58 are removed, and the upper surfaces of the lower electrode layers 4 and 11 and the upper surface of the semiconductor substrate 1 are exposed. The upper electrode layers 5 and 12 are formed on the upper surfaces of these. Next, as shown in FIG. 25A, a gate electrode forming photoresist layer 69 is formed on the upper electrode layers 5 and 12.
[0130]
Next, as shown in FIG. 25B, the first gate electrode 6 and the second gate electrode 13 are formed by etching using the photoresist layer 69 as a mask. Thereafter, the processing damage is recovered by post-oxidation or the like. Next, diffusion layer impurities are implanted into the semiconductor substrate 1 to form the source / drain diffusion layer 7 in the first transistor region TR1 and the source / drain diffusion layer 14 in the second transistor region TR2. In this step, since the boundary BS is not covered with a mask, a diffusion layer similar to the source / drain diffusion layers of the first and second transistor regions TR1 and TR2 is also formed in the boundary BS. Note that the source / drain diffusion layer may not be formed by covering the boundary BS with a photoresist layer.
[0131]
Thus, when the boundary portion BS is not an element isolation region and the gate electrode is removed, the shape is as shown in FIG. However, the boundary BS is difficult to ensure the etching selectivity because the gate electrode is in direct contact with the semiconductor substrate. When the semiconductor substrate is etched, the boundary BS takes the shape of FIG. Even in this case, since the gate electrode does not remain, there is no problem such as a short circuit of the gate electrode.
[0132]
Next, a method for manufacturing the structure shown in FIG. The steps up to FIG. 24B are the same as the manufacturing method of the structure shown in FIG.
[0133]
Next, as shown in FIG. 26, a photoresist layer 70 for forming the gate electrode of the first and second transistor regions TR1 and TR2 and the gate structure of the boundary BS is formed on the upper electrode layers 5 and 12. Form. Around the boundary BS, a photoresist layer 70 is formed so as to spread outside the recess 68. Next, as shown in FIG. 15B, the gate electrode layer is etched using the photoresist layer 70 as a mask, and the first gate electrode 6, the second gate electrode 13, the electrode layer 53, the first conductive sidewall 54, and the like. A second conductive side wall 55 is formed. In the structure shown in FIG. 15B, an electrode layer that is in direct contact with the semiconductor substrate at the boundary BS remains.
[0134]
It is difficult to process the gate electrode because the specially formed boundary BS has a special shape. However, in this method, since it is not necessary to process the gate electrode of the boundary BS, the processing becomes easier and the yield is improved as compared with other methods. When the gate electrode is in direct contact with the semiconductor substrate at the boundary BS, it is particularly difficult to process, so that it is very effective if this portion is not processed.
[0135]
62 (a) and 62 (b), which are conventional problems, are caused by the fact that the trench width is wide at the boundary BS, as shown in FIGS. Therefore, by making the bottom of the trench project downward as in the present embodiment and making the trench width narrower than in the prior art, it is possible to prevent filling defects and dishing without impairing the element isolation breakdown voltage. Note that the aspect ratio (aspect ratio) of the trench at the boundary BS at this time increases, but if the aspect ratio of the trench in the memory cell region is made smaller than that, the burying characteristics are reduced due to the increased aspect ratio. Can be prevented.
[0136]
As shown in FIG. 15A, in the method of digging a semiconductor substrate without leaving any gate electrode at the boundary BS, no dust is generated because the gate electrode does not remain at the boundary BS. Further, since the boundary portion BS is not covered with the resist, the area of the boundary portion BS can be reduced.
[0137]
In the manufacturing method shown in FIG. 25A, the gate electrode before processing is not thicker than the transistor region. Therefore, the etching amount can be adjusted to the required amount in the transistor region. Further, since the semiconductor substrate is etched only at the boundary portion BS, damage due to etching does not cause a problem.
[0138]
Further, at the boundary BS shown in FIG. 15B, the electrode layers 53, 54, and 55 (conductive portions of the gate structure) are left and the electrode layers are electrically connected to the semiconductor substrate (well). In the method, the gate electrode can be processed only in the transistor region. In particular, by electrically connecting the electrode layer (conductive portion of the gate structure) to the well, the resistance of the well is lowered, and the step-up / step-down of the well is increased, so that the device performance is improved. Further, since a potential can be applied to the well or the semiconductor substrate through the electrode layer, it is not necessary to provide a well contact or a substrate contact separately.
[0139]
(Third embodiment)
27A and 27B are cross-sectional views of the semiconductor device in this embodiment. A characteristic feature of this embodiment is that three types of transistors (for example, first to third transistor regions TR1, TR2, and TR3) having different gate insulating film types or film thicknesses exist on the same semiconductor substrate. In the boundary BS between two adjacent transistor regions, the shape of the element isolation region or the electrode structure is different from those of the two adjacent transistor regions.
[0140]
In the structure shown in FIG. 27A, the first and second transistor regions TR1 and TR2 are the same as the structure shown in FIG. Further, between the second and third transistor regions TR2 and TR3, there is disposed an element isolation region 72 having a convex portion 71 on the bottom. A third gate insulating film 73 is formed on the semiconductor substrate 1 in the third transistor region TR3. The composition or film thickness of the third gate insulating film 73 is different from that of the first gate insulating film 2 and the second gate insulating film 3. A third gate electrode 76 in which a lower electrode layer 74 and an upper electrode layer 75 are stacked is formed on the third gate insulating film 73.
[0141]
Using the third gate electrode 76 as a mask, a source / drain diffusion layer 77 is formed in the semiconductor substrate 1, and a third transistor 78 is formed.
[0142]
The example shown in FIG. 27A is characterized in that there is a step at the bottom of the trench of the element isolation regions 9 and 27 in the boundary portion BS, and in particular, there are convex portions 10 and 71 that are convex upward. . Further, the depth of the element isolation region 9 is different between the portion on the first transistor region TR1 side and the portion on the second transistor region TR2 side. The depth of the element isolation region 72 is also different between the portion on the second transistor region TR2 side and the portion on the third transistor region TR3 side. Here, since the gate insulating film 3 in the second transistor region TR2 is thinner than the gate insulating film 73 in the third transistor region TR3, the bottom of the element isolation region 72 is the thickness of the third transistor region TR3. The element isolation region is formed with a shallow depth at the bottom.
[0143]
In the example shown in FIG. 27B, the structure of the boundary BS between the first and second transistor regions TR1 and TR2 is the same as the structure of the boundary BS between the second and third transistor regions TR2 and TR3. It is characterized by being different. There is no protrusion at the bottom of the element isolation region 80 at the boundary BS between the second and third transistor regions TR2 and TR3, and there is only a step difference in depth depending on the contact region. Since the third gate insulating film 81 is formed thicker than the second gate insulating film 3, the depth is formed deeper on the second transistor region TR 2 side of the element isolation region 80.
[0144]
In the third transistor region TR3, a third gate insulating film 81 is formed on the semiconductor substrate 1, and a third gate electrode 84 composed of a lower electrode layer 82 and an upper electrode layer 83 is formed on the third gate insulating film 81. It is formed. A source / drain diffusion layer 85 formed in the semiconductor substrate 1 is provided using the third gate electrode 84 as a mask, and a third transistor 86 is provided.
[0145]
By adopting these structures, it becomes a self-aligned STI process that does not require the deposition and removal process of the dummy insulating film and dummy gate for forming the STI, and a plurality of transistors can be formed on the same semiconductor substrate with a small number of processes. It becomes. Further, in the manufacturing process in the structure of FIG. 27A, since there is no step of directly applying a photoresist on the gate insulating film, the reliability of the gate insulating film can be improved.
[0146]
In the manufacturing process in the structure of FIG. 27B, since the process of removing the gate electrode that has been prepared is reduced, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced.
[0147]
FIG. 28A is a cross-sectional view illustrating the structure of the gate electrode of the first transistor region TR1. FIG. 28B is a cross-sectional view illustrating the structure of the gate electrode of the second transistor region TR2. FIG. 28C is a cross-sectional view illustrating the structure of the gate electrode of the third transistor region TR3. As shown in FIGS. 28A to 28C, the gate electrode of the transistor in this embodiment is formed in a self-aligned manner with respect to the element isolation region. For this reason, the gate electrode does not fall on the side surface of the gate insulating film at the element isolation end. Therefore, it is possible to prevent the formation of a parasitic transistor at the element isolation end and improve the performance of the transistor.
[0148]
27 (a) and 27 (b) are formed by a method in which the gate electrodes overlap each other at the boundary BS to form an element isolation trench and remove the gate electrode. The However, as described in the first and second embodiments, the presence / absence of overlap at the boundary BS, the presence / absence of element isolation trenches, and the presence / absence of gate electrode removal can be arbitrarily combined. . Further, the structure of the boundary of each creation may be unified into the same structure, or may be a separate structure.
[0149]
An example of a method for manufacturing the semiconductor device having the structure shown in FIG. 27A in this embodiment will be described below. 29A to 30A are the same as the steps shown in FIGS. 4A to 5A.
[0150]
Next, as shown in FIG. 30B, etching is performed using the photoresist layer 91 that exposes the third transistor region TR3 and its boundary portion BS. Next, as shown in FIG. 30C, after the photoresist layer 91 is removed, a third gate insulating film 73 is deposited on the entire surface, and a lower electrode layer 74 is formed thereon. Next, as shown in FIG. 31A, a photoresist layer 92 is provided in the third transistor region TR3 and its boundary BS, and etching is performed. As a result, the lower electrode layer 4 is exposed in the first transistor region TR1, and the lower electrode layer 11 is exposed from the boundary portion BS to the second transistor region TR2.
[0151]
Next, as shown in FIG. 31B, the photoresist layer 92 is removed, and a first mask layer 93 and a second mask layer 94 are sequentially formed on the exposed surface. The first mask layer 93 is, for example, a silicon nitride film, and the second mask layer 94 is, for example, a silicon oxide film. Thereafter, the element isolation region and the gate electrode are processed by the same method as the steps from FIG. 5C to FIG. 8 shown as the manufacturing method of the first embodiment. Further, although not shown, an interlayer insulating film, contact plugs, wirings and the like are formed to complete the semiconductor device.
[0152]
In the method of this embodiment, since there is no step in which the photoresist directly contacts the gate insulating film, high reliability of the gate insulating film can be ensured. Further, the structure of the boundary portion BS that is separately created is not limited to the structure shown in FIG. 27A, and other structures shown in the first embodiment and the second embodiment may be used. Different types of structures may be combined. Furthermore, by using the method of this embodiment mode, four or more types of gate insulating films and gate electrodes can be formed separately.
[0153]
Next, an example of a manufacturing method of the structure shown in FIG.
[0154]
First, a sacrificial oxide film is formed on the surface of the semiconductor substrate. After implanting well impurities and channel impurities as necessary, the sacrificial oxide film is removed. Next, as shown in FIG. 32A, a first gate insulating film 2 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film and a lower electrode layer 4 such as polycrystalline silicon are formed on the semiconductor substrate 1.
[0155]
Next, as shown in FIG. 32B, the portion to be the first transistor region TR1 is covered with a photoresist layer 95, and the gate electrode and the gate insulating film in other regions are removed. The removal method may be either isotropic etching such as wet etching or anisotropic etching such as RIE.
[0156]
Next, as shown in FIG. 32C, an oxide film 96 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1. Next, as shown in FIG. 32D, the third transistor region TR3 is covered with a photoresist layer 97, and the oxide film 96 in other regions is removed.
[0157]
Next, as shown in FIG. 33A, the second gate insulating film 3 and the lower electrode layers 11 and 82 are formed on the exposed surface. The second gate insulating film 3 is formed on the oxide film 96, and the film thickness is increased to form the third gate insulating film 81 in the third transistor region TR3. Different materials and film thicknesses may be used for the lower electrode layer 11 and the lower electrode layer 82. However, if these are the same material and the same film thickness, it is easy to simultaneously etch the gate electrode in a later step.
[0158]
Next, as shown in FIG. 33 (b), the portions to be the second and third transistor regions TR2 and TR3 are covered with a photoresist layer 98, and the lower electrode layers 11 and 82 and the second gate are formed in other regions. The insulating film 3 is removed. The removal method may be either isotropic etching such as wet etching or anisotropic etching such as RIE. At this time, a part of the photoresist covers the boundary portion BS on the first transistor region TR1 side. Therefore, the gate electrode remains in the laminated structure at the boundary portion BS where the first and second transistor regions TR1 and TR2 are separately formed.
[0159]
Next, as shown in FIG. 33C, a first mask layer 99 and a second mask layer 100 are deposited. The first mask layer 99 is, for example, a silicon nitride film, and the second mask layer 100 is, for example, a silicon oxide film. Thereafter, an element isolation trench and an element isolation region are formed by the same processes as those shown in FIGS. 6A to 7C.
[0160]
Next, the structure shown in FIGS. 34A and 34B is formed by a process similar to the process of FIGS. Next, using the photoresist layer 101 as a gate electrode formation mask, the gate electrode is processed in the same manner as described with reference to FIG. Since the lower electrode layers 11 and 82 are used in common at the boundary BS between the second and third transistor regions TR2 and TR3, there is no difference in the film thickness at the boundary BS. For this reason, a difference in thickness between the second gate insulating film and the third gate insulating film is generated at the bottom of the element isolation region 80. That is, the depth of the element isolation region 80 at the boundary BS on the side adjacent to the thick third transistor is shallower than the depth of the element isolation region 80 on the side adjacent to the second transistor. Further, although not shown, an interlayer insulating film, contact plugs, wirings and the like are formed to complete the semiconductor device.
[0161]
In contrast to the method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 27A, in the method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 27B, the lower electrode layer 11 and the third transistor region of the second transistor region TR2 are used. The lower electrode layer 82 of TR3 is deposited in common. For this reason, a removal process is abbreviate | omitted and a process can be simplified.
[0162]
The structure of the separate boundary portion BS is not limited to the structure shown in FIGS. 27A and 27B, and other structures shown in the first embodiment and the second embodiment may be used. A plurality of structures may be combined. Furthermore, by using this embodiment mode, four or more types of gate insulating films and gate electrodes can be formed separately. Further, since the photoresist is directly applied only on the gate insulating film of the high breakdown voltage transistor, the number of separate steps can be reduced without impairing the reliability of the memory cell.
[0163]
(Fourth embodiment)
The semiconductor device in this embodiment is applied to any of a NAND-type EEPROM, a NOR-type EEPROM, an AND-type EEPROM, or a Virtual Ground Array-type EEPROM having a MONOS-type cell structure which is one of nonvolatile storage devices. Cross-sectional views in the vicinity of the boundary portion BS according to the present embodiment are shown in FIGS.
[0164]
FIG. 38 shows an equivalent circuit diagram of a NAND memory cell block in which a plurality of memory cells are arranged in series between selection transistors. That is, the non-volatile memory cells M0 to M15 are connected in series, one end of the memory cell M0 is connected to the data transfer line BL via the selection transistor S1, and one end of the memory cell M15 is commonly connected via the selection transistor S2. Connected to source line SL.
[0165]
Control electrodes of the respective memory cells M0 to M15 are connected to data transfer lines WL0 to WL15. Further, in order to select one memory cell block from a plurality of memory cell blocks along the data transfer line and connect it to the data transfer line, the control electrode of the selection transistor S1 is connected to the block selection line SSL. Further, the control electrode of the selection transistor S2 is connected to the block selection line GSL, and a NAND memory cell block A is formed in a region indicated by a dotted line.
[0166]
Here, a state in which 16 memory cells are connected in the memory cell block A is shown. However, the number of memory cells connected to the data transfer line and the data selection line only needs to be plural.nThe number (n is a positive integer) is desirable for address decoding. Further, it is not always necessary to use the same structure as the memory cell transistor as the selection transistor, and normal MOS transistors can be used as the selection transistors S1 and S2 as shown in FIG.
[0167]
The MONOS type nonvolatile memory includes a MONOS type transistor constituting a memory cell, a MOS transistor having a relatively thin gate oxide film constituting a peripheral low voltage circuit (hereinafter referred to as an LV transistor), and a comparison constituting a peripheral high voltage circuit. It includes at least three types of transistors, namely MOS transistors (hereinafter referred to as HV transistors) having a thick gate oxide film. The MONOS memory cell and the LV transistor are separately formed by the method according to the first to third embodiments, and the boundary portion BS has, for example, the shape shown in FIG. However, as described in the first to third embodiments, the presence / absence of the overlap at the boundary BS, the presence / absence of the element isolation trench, and the presence / absence of the gate electrode removal can be arbitrarily combined.
[0168]
In the semiconductor device whose cross section is shown in FIG.14cm-3 ~1019cm-3Memory cell region MC, low-voltage (LV) transistor region LV, high-voltage (HV) transistor region HV, and boundary portion BS between them on P-type semiconductor substrate 102 containing boron at an impurity concentration of Is placed. An N-type well 102n and a P-type well 102p are formed in the substrate 102. When the P-type well 102p is formed in the N-type well 102n, a voltage can be applied to the P-type well 102p independently of the P-type semiconductor substrate 102. Thereby, the booster circuit load at the time of erasing can be reduced and the power consumption can be suppressed.
[0169]
In memory cell region MC, charge storage layer 104 is formed via tunnel gate insulating film 103. The tunnel gate insulating film 103 is made of, for example, a silicon oxide film or oxynitride film having a thickness of 1 to 10 nm. The charge storage layer 104 is made of, for example, SiN or SiON having a thickness of 3 nm to 50 nm. On this, for example, a block insulating film 105 made of a silicon oxide film having a thickness of 2 nm to 10 nm is formed.
[0170]
On the block insulating film 105, a control gate 106 is formed with a thickness of 10 nm to 500 nm, and a memory cell gate 107 and a selection gate 108 are configured. The control gate 106 is, for example, a stack structure of polysilicon or WSi (tungsten silicide) and polysilicon, a stack structure of NiSi, MoSi, TiSi, CoSi and polysilicon, a stack structure of metal and polysilicon, or a silicon structure. It consists of a single layer structure of a metal compound or metal. Further, a mask insulating film made of a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 10 nm to 300 nm is disposed on the control gate 106.
[0171]
In the LV transistor region LV, an LV gate insulating film 113 is formed on the substrate 102, and an LV gate 109 is formed thereon. In the HV transistor region HV, an HV gate insulating film 110 is formed on the substrate 102, and an HV gate 111 is formed thereon.
[0172]
Side wall insulating films 119 made of, for example, a silicon nitride film or a silicon oxide film having a thickness of 5 nm to 200 nm are formed on both sides of the gate electrode in each of the regions MC, LV, and HV. A source / drain diffusion layer 112 that is an N-type diffusion layer is formed on the surface of the substrate 102. These source / drain diffusion layers 112 and the memory cell gate 107 form a MONOS type nonvolatile EEPROM cell. The gate length of the charge storage layer is, for example, 0.5 μm or less and 0.01 μm or more.
[0173]
These source / drain diffusion layers 112 are made of, for example, phosphorus, arsenic, or antimony with a surface concentration of 1017cm-3To 10twenty onecm-3For example, it is formed with a depth of 10 nm to 500 nm. Further, these source / drain diffusion layers 112 are connected in series between the memory cells to realize NAND connection. The source / drain diffusion layer 112 on one end side of the selection gate 108 is connected to the data transfer line 116 via the contact plug 115.
[0174]
The selection gate 108 is formed in the same layer as the control gate 106 of the memory cell gate 107. The contact plug 115 is filled with, for example, N-type or P-type doped polysilicon or tungsten, tungsten silicide, Al, TiN, Ti, or the like to form a conductor region. The data transfer line 116 is made of tungsten, tungsten silicide, titanium, titanium nitride, or aluminum.
[0175]
The selection gate 108 is opposed to the substrate 102 through a gate insulating film 117 having the same structure as that of the charge storage layer 104 of the memory cell gate 107 to form a selection transistor. The gate length of the selection gate 108 is longer than the gate length of the memory cell gate, for example, 1 μm or less and 0.02 μm or more. Thereby, a large on / off ratio at the time of block selection and non-selection can be secured, and erroneous writing and erroneous reading can be prevented.
[0176]
Each of these elements is, for example, SiO2And an interlayer film 118 made of SiN. Further, on the interlayer film 118, for example, SiO2An insulating film protective layer (not shown) made of Si, SiN, or polyimide, or an upper wiring (not shown) made of W, Al, or Cu, for example, is formed.
[0177]
A first element isolation region 120 having a structure as shown in FIG. 1A is disposed between the memory cell region MC and the LV transistor region. A second element isolation region 121 having a structure as shown in FIG. 27B is disposed between the LV transistor and the HV transistor region HV.
[0178]
A contact plug 122 is connected to the source / drain diffusion layer 112 of the LV transistor region LV. The contact plug 122 is connected to the wiring 123. A contact plug 124 is connected to the source / drain diffusion layer 112 in the HV transistor region HV. The contact plug 124 is connected to the wiring 125.
[0179]
In this embodiment, since the MONOS type EEPROM cell is used, the writing voltage and the erasing voltage can be lowered as compared with the floating gate type EEPROM cell described later. For this reason, in the peripheral circuit transistor, the withstand voltage can be maintained even if the element isolation interval is narrowed and the gate insulating film thickness is reduced.
[0180]
Therefore, the area of the circuit to which the high voltage is applied can be reduced, and the chip area can be further reduced. Furthermore, the thickness of the charge storage layer 104 can be reduced to 20 nm or less as compared with the floating gate type memory cell. For this reason, the aspect ratio at the time of gate formation can be reduced, the processing shape of the gate electrode can be improved, the embedding characteristics between the gates of the interlayer film 118 can be improved, and the breakdown voltage can be improved.
[0181]
Further, the process for forming the floating gate electrode and the slit creation process are unnecessary, and the process steps can be further shortened. In addition, since the charge storage layer 104 is an insulator and charges are trapped in each charge trap, it is difficult for the charges to escape and strong resistance can be provided. Furthermore, even if the sidewall insulating film of the charge storage layer 104 is thinned, good retention characteristics can be maintained without any charges trapped in the charge storage layer 104 being lost.
[0182]
The selection transistor shown in FIG. 35 has the same MONOS structure as the memory cell transistor. In this case, the manufacturing cost can be reduced because the process for making the selection transistor and the memory cell transistor can be omitted. In addition, since it is not necessary to make a margin for making a difference, the distance between the selection transistor and the memory cell can be reduced, and the element area can be reduced.
[0183]
In the structure shown in FIG. 35, there is no gate insulating film on the substrate 102 where the gate is not formed.
[0184]
FIG. 36 shows a modification of the structure shown in FIG. Here, the first element isolation region 120 in FIG. 35 is not provided, and instead, the gate structure 130 is formed at the boundary BS between the memory cell region MC and the LV transistor region LV. In the gate structure 130, on the substrate 102, the gate insulating film 117 of the selection gate 108 is provided on the memory cell region MC side, and the LV gate insulating film 113 is provided on the side far from the memory cell region MC. A gate electrode material is disposed between the gate insulating film 117 and the LV gate insulating film 113 so as to be in direct contact with the substrate 102. An insulating film 119 is disposed on the side wall of the gate structure. The gate structure 130 is formed by the same method as the electrode layer 53 in the boundary portion BS shown in FIG. 15B by changing the composition of the insulating film and the conductor.
[0185]
FIG. 37 shows another modification of the structure shown in FIG. Here, in the structure shown in FIG. 35, when the gate electrode on the memory cell region MC side is processed, the gate insulating film is left without being processed at the same time. That is, the tunnel gate insulating film 103 and the charge storage layer 104 are formed on the surface of the semiconductor substrate in the memory cell region MC and the boundary portion BS adjacent thereto.
[0186]
As the structure of the boundary BS between the memory cell region MC and the LV transistor region LV in FIG. 37, the structures shown in FIGS. Moreover, these structures can be applied to the boundary BS between the memory cell region MC and the HV transistor region HV by exchanging the LV gate insulator and the HV gate insulator. That is, FIG. 40A to FIG. 40H are applicable to the boundary portion BS of the NAND MONOS semiconductor memory device.
[0187]
Note that if each substrate has a structure in which the substrate 102 is exposed without providing a gate insulating film at each boundary BS, the present invention can be applied to the boundary BS of the semiconductor device shown in FIGS. Moreover, it is good also as a structure which does not form the diffusion layer 112 in each boundary part BS. Furthermore, the structure of the boundary of each creation may be unified into the same structure, or may be different structures depending on places.
[0188]
In the boundary portion BS shown in FIG. 40A, an element isolation region 132 similar to the structure shown in FIG. The tunnel gate insulating film 103 and the charge storage layer 104 are formed on the element isolation region 132 on the memory cell region MC side. Source / drain diffusion layers 112 are formed in the substrate 102 on both sides of the element isolation region 132. A step having a convex portion that is convex upward is formed at the bottom of the trench in the element isolation region 132. By adopting such a boundary BS structure, STI embedding can be improved, dishing can be prevented, and the area can be reduced.
[0189]
In the boundary portion BS shown in FIG. 40B, the same gate structure as the selection gate 108 is formed so as to cover the element isolation region 132 in the structure shown in FIG. By adopting such a boundary BS structure, STI embedding can be improved, dishing can be prevented, and gate processing can be facilitated.
[0190]
In the boundary portion BS shown in FIG. 40C, an element isolation region 133 similar to the structure shown in FIG. 14A is replaced with the element isolation region 132 in FIG. By adopting such a structure of the boundary portion BS, the breakdown voltage of the STI can be improved and the area can be reduced.
[0191]
In the boundary portion BS shown in FIG. 40 (d), the element isolation region 132 is replaced with the element isolation region 133 shown in FIG. 40 (c) in the structure shown in FIG. 40 (b). By adopting such a structure of the boundary portion BS, the breakdown voltage of STI can be improved and gate processing can be facilitated.
[0192]
In the boundary portion BS shown in FIG. 40 (e), a structure similar to the structure shown in FIG. 2 (a) is formed. On the substrate 102 in the center of the boundary BS, a gate structure 134 is formed which is formed from the constituent material of the gate structure of the memory cell region MC and the LV transistor region LV. In the gate structure 134, an ONO film 131 is formed on the memory cell region MC side on the substrate 102, and an LV gate insulating film 113 is formed on the LV transistor region LV side. On the ONO film 131 and the insulating film 113, the electrode layer 20, the sidewall insulating film 119, and the like are formed. A tunnel gate insulating film 103 and a charge storage layer 104 are formed on the substrate 102 on the memory cell region MC side from the gate structure 134. Source / drain diffusion layers 112 are formed in the substrate 102 on both sides of the gate structure 134. By adopting such a structure of the boundary portion BS, gate processing can be facilitated and defects due to STI can be avoided.
[0193]
The boundary portion BS shown in FIG. 40 (f) has the same structure of the boundary portion BS as the structure shown in FIG. 2 (b). On the substrate 102 in the center of the boundary BS, a gate structure 135 is formed which is made of a material constituting the gate structure of the memory cell region MC and the LV transistor region LV. In the gate structure 135, an ONO film 131 is disposed on the substrate 102 on the memory cell region MC side, and an LV gate insulating film 113 is disposed on the LV transistor region LV side. A stacked gate structure similar to the control gate 108 is provided on the ONO film 131, and a lower layer structure of the LV gate 109 is provided on the LV gate insulating film 113. An insulating film 119 is formed on the side surface of the gate structure 135. By adopting such a structure of the boundary portion BS, dust can be reduced and defects due to STI can be avoided.
[0194]
The boundary portion BS shown in FIG. 40 (g) has the structure of the boundary portion BS similar to the structure shown in FIG. 15 (a). A recess 136 is formed in the surface of the substrate 102 at the center of the boundary BS. A tunnel gate insulating film 103 and a charge storage layer 104 are formed on the substrate 102 on the memory cell region MC side from the recess 136. By adopting such a structure of the boundary portion BS, dust can be reduced and defects due to STI can be avoided.
[0195]
In the boundary BS shown in FIG. 40 (h), a structure similar to the gate structure 130 shown in FIG. 15 (b) is shown. Here, a recess is formed on the surface of the semiconductor substrate 102 at the center of the boundary, but it may be flat as in FIG. In this gate structure, the electrode layer is in direct contact with the surface of the substrate 102 without using an insulating film. By adopting such a boundary BS structure, gate processing is easy, dust can be reduced, defects due to STI can be avoided, and the aspect ratio can be matched.
[0196]
FIG. 41A shows a cross section in the direction perpendicular to the data transfer line on the gate of the memory cell. FIG. 41B shows a cross section in the direction perpendicular to the data transfer line on the gates of the peripheral transistors.
[0197]
As shown in FIGS. 41A and 41B, the element isolation region 300 covers the side surfaces of the substrate 102 and the gate insulating film. Therefore, the etching before forming the tunnel gate insulating film 103 does not expose the end portion of the element isolation region, and the gate electrode 106 is below the surface of the substrate 102. Can prevent. This is because this structure is formed by the self-aligned STI method. In this manner, electric field concentration at the boundary between the element isolation region 300 and the tunnel gate insulating film 103 and a parasitic transistor with a lowered threshold value are unlikely to occur. Further, since a sidewalk phenomenon, which is a phenomenon of lowering the write threshold due to bird's beak, is less likely to occur, a more reliable transistor can be formed.
[0198]
FIG. 42 shows an equivalent circuit diagram of a NOR type MONOS type memory cell. Sources and drains of the respective memory cells M01, M02, M11, M12, M21, and M22 are connected between the data transfer lines BL1 and BL2 and the source line SL. Data selection lines WL0, WL1, and WL2 are connected to the respective gates. The above-described structure of the present embodiment can be appropriately modified and applied to such a NOR type MONOS type memory cell.
[0199]
FIG. 43 shows an equivalent circuit diagram of an AND type MONOS type memory cell block in which a plurality of memory cells are arranged in series between selection transistors. Nonvolatile memory cells M0 to M15 are connected in parallel. One end of each of the memory cells M0 to M15 is connected to the data transfer line BL via the selection transistor S1. The other ends of the memory cells M0 to M15 are connected to the common source line SL via the selection transistor S2.
[0200]
Control electrodes of the respective memory cells M0 to M15 are connected to data transfer lines WL0 to WL15. Further, in order to select one memory cell block from a plurality of memory cell blocks along the data transfer line and connect it to the data transfer line, the control electrode of the selection transistor S1 is connected to the block selection line SSL. Further, the control electrode of the selection transistor S2 is connected to the block selection line GSL, and forms an AND memory cell block B in a region indicated by a dotted line.
[0201]
Here, a state in which 16 memory cells are connected in the memory cell block B is shown. However, the number of memory cells connected to the data transfer line and the data selection line only needs to be plural.n The number (n is a positive integer) is desirable for address decoding. Further, it is not always necessary to use the same structure as the memory cell transistor as the selection transistor. For example, as shown in FIG. 44, normal MOS transistors can be used as the selection transistors S1 and S2.
[0202]
Also in such an AND type MONOS type memory cell, the above-described structure of the present embodiment can be appropriately changed and applied.
[0203]
Next, an example of a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of the present embodiment shown in FIG. 35 will be described with reference to FIGS. 45 (a) to 48 (c). First, a sacrificial oxide film (not shown) is formed on the surface of the semiconductor substrate 102. After implanting well impurities and channel impurities as necessary, the sacrificial oxide film is removed.
[0204]
Next, as shown in FIG. 45A, a tunnel gate insulating film 103 made of, for example, a silicon oxide film or an oxynitride film having a thickness of 1 to 10 nm is formed on the semiconductor substrate 102. Next, the charge storage layer 104 made of, for example, SiN or SiON is formed and formed with a thickness of 3 nm to 50 nm. Next, for example, a block insulating film 105 made of a silicon oxide film having a thickness of 2 nm to 10 nm is formed. On top of this, for example, a polysilicon layer 137 is deposited with a thickness of 10 nm to 500 nm.
[0205]
Next, as shown in FIG. 45B, a portion that becomes the memory cell region MC is covered with a photoresist layer 138, and the polysilicon layer 137, the block insulating film 105, the charge storage layer 104, and the tunnel in other regions are covered. The gate insulating film 103 is removed. The removal method may be either isotropic etching such as wet etching or anisotropic etching such as RIE. Next, as shown in FIG. 45C, the gate insulating film 110 of the HV transistor made of a silicon oxide film or an oxynitride film having a thickness of, for example, 5 to 50 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 102. To do.
[0206]
Next, as shown in FIG. 46A, the HV transistor region HV is covered with a photoresist layer 139, and the gate insulating film 110 of the HV transistor is removed from other regions. Next, as shown in FIG. 46B, the photoresist layer 139 is removed, and an LV made of, for example, a silicon oxide film or an oxynitride film having a thickness of 1 nm to 10 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 102. A system gate insulating film 113 is formed, and an HV system gate insulating film 110 is formed to a predetermined thickness. For example, a polysilicon layer 140 is deposited with a thickness of, for example, 10 nm to 500 nm through the HV-based gate insulating film 110.
[0207]
At this time, the memory cell region MC has a laminated structure in which the LV transistor gate insulating film 113 and the polysilicon layer 140 are formed on the polysilicon layer 137 of the memory cell. Here, the gate electrode of the memory cell and the gate electrode of the LV transistor may use different materials and film thicknesses. However, if the same material and the same film thickness are used, it is easy to simultaneously etch the gate electrode.
[0208]
Next, as shown in FIG. 46C, the region (peripheral circuit region) of the LV transistor and the HV transistor is covered with a photoresist layer 141, and the polysilicon layer 140 and the LV gate insulating film in other regions are covered. Remove. The removal method may be either isotropic etching such as wet etching or anisotropic etching such as RIE. At this time, a part of the photoresist layer 141 is applied to the memory cell region MC. Therefore, the gate electrode remains in the stacked structure at the boundary BS where the memory cell region MC and the peripheral circuit region are separately formed.
[0209]
Next, the photoresist layer 141 is removed, and a first mask layer 142 and a second mask layer 143 are deposited as shown in FIG. The first mask layer 142 is, for example, a silicon nitride film, and the second mask layer 143 is, for example, a silicon oxide film. Next, as shown in FIG. 47B, a photoresist layer 144 for forming an element isolation region is deposited to form an element isolation pattern. Here, a method for forming an element isolation region without leaving a resist at the boundary portion BS that is separately formed will be described.
[0210]
Next, as shown in FIG. 47C, after removing the photoresist layer 144, the second mask layer 143, and the first mask layer 142 by anisotropic etching, the polysilicon layer 140 is anisotropically etched. Remove with. Subsequently, the semiconductor substrate 102 is etched to form element isolation trenches 145 and 146 in order to form an element isolation region. The depth of the element isolation trenches 145 and 146 is, for example, about 50 nm to 300 nm.
[0211]
At the boundary BS where the memory cell region MC and the LV transistor region LV are separately formed, the step generated in FIG. 46B remains in FIG. 47B, so that it has a convex shape at the bottom of the element isolation region. . The step of the convex portion depends on the step in FIG. 46B and the etching conditions, but is, for example, about 10 nm to 300 nm, preferably about 30 nm to 100 nm. The depth of the element isolation trench also varies depending on the contact area, which reflects the ONO film thickness of the memory cell region MC, the film thickness difference between the gate insulating film of the LV transistor region LV, and the HV transistor region HV, The thinner the gate insulating film, the deeper the element isolation depth. In the boundary portion BS where the LV transistor region LV and the HV transistor region HV are separately formed, the step generated in FIG. 46B remains in FIG. 47B, so that the depth of the bottom of the element isolation trench 146 is different. .
[0212]
Next, as shown in FIG. 48A, the element isolation trenches 145 and 146 are filled with an insulating film such as a silicon oxide film, and the buried material is etched back using the first mask layer 142 as a stopper by a method such as CMP. . Since the element isolation region in the boundary portion BS has a shallow element isolation depth, the embedding property is good, and the upper part of the element isolation insulating film is almost flat after the etch back. After removing the first mask layer 142, a gate electrode layer 140 is deposited on the entire exposed surface. The gate electrode layer 140 is made of polycrystalline silicon, a laminated film of polycrystalline silicon and metal or a compound of silicon and metal, or a single layer film of metal or a compound of silicon and metal. Further, a mask insulating film 104 made of a silicon oxide film or silicon nitride film having a thickness of about 10 nm to 300 nm is deposited.
[0213]
Next, as shown in FIG. 48B, a photoresist layer 148 for processing the gate electrode is deposited to form a pattern. Next, as shown in FIG. 48C, the gate electrode is anisotropically etched using the photoresist layer 148 as a mask. Thereafter, the processing damage is recovered by post-oxidation or the like. Next, if necessary, a gate sidewall insulating film 119 is formed and a diffusion layer impurity is implanted to form a source / drain diffusion layer 112.
[0214]
At this time, the boundary portion BS does not leave a resist, and the gate electrode of the boundary portion BS is removed. Of course, a mask layer such as a silicon nitride film or a silicon oxide film may be deposited on the gate electrode, and the gate electrode may be processed using the mask layer as a mask. Further, although not shown, an interlayer insulating film, contact plugs, wirings and the like are formed to complete the semiconductor device as shown in FIG.
[0215]
Note that a twin well configuration may be employed in which a first well having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate is provided on the semiconductor substrate, and a second well having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate is provided thereon.
[0216]
In this embodiment, the same effects as those of the first to third embodiments can be obtained. As the transistors forming the peripheral circuit, two types of transistors having a MOS structure and different gate oxide thicknesses are exemplified. However, this embodiment can be applied to the transistors constituting the peripheral circuit even when there are three or more gate oxide film thicknesses.
[0217]
(Fifth embodiment)
The semiconductor device in this embodiment is applied to any of a NAND type EEPROM, a NOR type EEPROM, an AND type EEPROM, or a Virtual Ground Array type EEPROM having a floating gate type cell structure which is one of nonvolatile memory devices. In a floating gate type nonvolatile memory, a memory cell transistor constituting a memory cell, a relatively thin gate oxide MOS transistor (hereinafter referred to as LV transistor) constituting a peripheral low voltage circuit, and a relatively thick gate constituting a peripheral high voltage circuit At least three types of transistors, oxide MOS transistors (hereinafter referred to as HV transistors), are required.
[0218]
Also in the present embodiment, the equivalent circuit of the NAND memory cell shown in FIG. 38 or 39, the equivalent circuit of the NOR memory cell shown in FIG. 42, and the equivalent circuit of the AND memory cell shown in FIG. 43 or FIG. The configuration can be applied as it is.
[0219]
FIG. 49 to FIG. 51 are cross-sectional views of the vicinity of the separately created boundary portion BS according to the present embodiment.
[0220]
Here, the floating gate type memory cell and the LV transistor are separately formed by the method according to the first to third embodiments, and the boundary portion BS has a shape shown in FIG. 49, for example. However, as described in the first to third embodiments, the presence / absence of the overlap at the boundary BS, the presence / absence of the element isolation trench, and the presence / absence of the gate electrode removal can be arbitrarily combined.
[0221]
In the semiconductor device whose cross section is shown in FIG.14cm-3 ~1019cm-3Memory cell region MC, low-voltage (LV) transistor region LV, high-voltage (HV) transistor region HV, and boundary portion BS between them on P-type semiconductor substrate 150 containing boron at an impurity concentration of Is placed. An N-type well 150n and a P-type well 150p are formed in the substrate 150. When the P-type well 150p is formed in the N-type well 150n, a voltage can be applied to the P-type well 150p independently of the P-type semiconductor substrate 150. Thereby, the booster circuit load at the time of erasing can be reduced and the power consumption can be suppressed.
[0222]
In memory cell region MC, charge storage layer 152 is formed through tunnel gate insulating film 151. The tunnel gate insulating film 151 is made of, for example, a silicon oxide film or an oxynitride film having a thickness of 3 nm to 15 nm. The charge storage layer 152 is made of, for example, phosphorus or arsenic having a thickness of 10 nm to 500 nm.18cm-3To 10twenty onecm-3It consists of added polysilicon.
[0223]
An element isolation insulating film 301 (see FIG. 53A) made of, for example, a silicon oxide film is formed in a self-aligned manner with respect to the charge storage layer 152. For example, the tunnel gate insulating film 151 and the charge storage layer 152 are deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 150 and then patterned to reach the semiconductor substrate 150 until the semiconductor substrate 150 reaches a depth of, for example, 0.50 nm to 300 nm. It can be formed by etching up to this point and embedding an insulating film. As described above, since the tunnel gate insulating film 151 and the charge storage layer 152 can be formed on the entire surface without a step, it is possible to perform film formation with improved uniformity and uniform characteristics.
[0224]
On this, a control gate electrode 154 is formed via an interpoly insulating film 153. The interpoly insulating film 153 is made of, for example, a silicon oxide film or an oxynitride film having a thickness of 5 nm to 30 nm, or a silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film. The gate electrode 154 is made of, for example, phosphorus, arsenic, or boron having a thickness of 10 nm to 500 nm.17cm-3To 10twenty onecm-3Is doped with polysilicon, or a stacked structure of WSi (tungsten silicide) and polysilicon, or a stacked structure of NiSi, MoSi, TiSi, CoSi and polysilicon. A memory cell gate 161 and a select gate 162 are formed in a stacked structure including a tunnel gate insulating film 151, a charge storage layer 152, an interpoly insulating film 153, and a gate electrode 154. Further, a mask insulating film made of a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of about 10 nm to 300 nm is disposed on the control gate electrode 154.
[0225]
In the LV transistor region LV, an LV gate insulating film 155 is formed on the substrate 150, and an LV gate electrode 156 is formed thereon. In the HV transistor region HV, an HV gate insulating film 157 is formed on the substrate 150, and an HV gate electrode 158 is formed thereon. The selection transistor, the LV transistor, and the HV transistor are provided with a terminal for directly applying a potential to the gate electrode in contact with the gate insulating film.
[0226]
As shown in FIG. 49, sidewall insulating films 159 made of, for example, a silicon nitride film or a silicon oxide film having a thickness of 5 nm to 200 nm are formed on both sides of these gate electrodes. In addition, an N-type source / drain diffusion layer 160 is formed on the surface of the substrate 150. These source / drain type diffusion layers 160 are made of, for example, phosphorus, arsenic, or antimony with a surface concentration of 1017cm-3To 10twenty onecm-3It is formed between 10 nm and 500 nm in depth. Further, these source / drain diffusion layers 160 are shared by adjacent memory cell transistors, and NAND connection is realized. The source / drain diffusion layer 160, the memory cell gate 161, and the select gate 162 form a floating gate type EEPROM cell that uses the amount of charge stored in the charge storage layer 152 as an information amount. The gate length is, for example, 0.5 μm or less and 0.01 μm or more.
[0227]
The source / drain diffusion layer 160 on one end side of the selection gate 162 is connected to the data transfer line 167 via the contact plug 163. The data transfer line 167 is made of tungsten, tungsten silicide, titanium, titanium nitride, or aluminum. The contact plug 163 is filled with, for example, N-type or P-type doped polysilicon or tungsten, tungsten silicide, Al, TiN, Ti, or the like to form a conductor region.
[0228]
The selection gate 162 forms a selection transistor. The gate length of the selection gate 162 is longer than the gate length of the memory cell gate 161, for example, 1 μm or less and 0.02 μm or more. Thereby, a large on / off ratio at the time of block selection and non-selection can be secured, and erroneous writing and erroneous reading can be prevented.
[0229]
Each of these elements is, for example, SiO2And an interlayer film 165 made of SiN. Furthermore, on the interlayer film 165, for example, SiO2An insulating film protective layer (not shown) made of Si, SiN, or polyimide, or an upper wiring (not shown) made of W, Al, or Cu, for example, is formed.
[0230]
A first element isolation region 166 having a structure as shown in FIG. 1A is disposed between the memory cell region MC and the LV transistor region LV. A second element isolation region 167 having a structure as shown in FIG. 27B is disposed between the LV transistor and the HV transistor region HV.
[0231]
A contact plug 168 is connected to the source / drain diffusion layer 160 in the LV transistor region LV. Contact plug 168 is connected to wiring 169. A contact plug 170 is connected to the source / drain diffusion layer 160 in the HV transistor region HV. The contact plug 170 is connected to the wiring 171.
[0232]
The selection transistor shown in FIG. 49 has the same stacked gate structure as the memory cell transistor. In this case, the manufacturing cost can be reduced because the process for making the selection transistor and the memory cell transistor can be omitted. In addition, since there is no need to make a margin for separate production, the distance between the select transistor and the memory cell can be reduced, and the element area can be reduced.
[0233]
In the structure shown in FIG. 49, there is no gate insulating film on the substrate 150 where the gate is not formed.
[0234]
FIG. 50 shows a modification of the structure shown in FIG. Here, the structure of the control gate in the memory cell region MC, the LV gate in the LV transistor region LV, and the HV gate in the HV transistor region HV are different from the structure shown in FIG. is there.
[0235]
In the control gate 172, the gate electrode 154 in the memory cell gate 161 is stacked on the semiconductor substrate 150 via the tunnel gate insulating film 151. A sidewall insulating film 159 is formed around the periphery. In the LV gate 173, the gate electrode 154 in the memory cell gate 161 is stacked on the semiconductor substrate 150 via the LV gate insulating film 155. A sidewall insulating film 159 is formed around the periphery. In the HV gate 174, the gate electrode 154 in the memory cell gate 161 is stacked on the semiconductor substrate 150 via the HV gate insulating film 157. A sidewall insulating film 159 is formed around the periphery. That is, in FIG. 49, the transistors and selection transistors that form the peripheral circuit also have a stacked gate similar to that of the memory cell, but may be a single-layer gate as shown in FIG.
[0236]
FIG. 51 shows another modification of the structure shown in FIG. Here, the structure shown in FIG. 50 is the same as the structure shown in FIG. 50 except that the gate insulating film in each transistor region covers the exposed surface of the semiconductor substrate 150 in each region. That is, in FIGS. 49 and 50, the gate insulating film does not exist in the region where the gate electrode is etched, but the gate insulating film may be left on the entire surface of the semiconductor substrate 150 as shown in FIG.
[0237]
As the structure of the boundary BS between the memory cell region MC and the LV transistor region LV in FIG. 49, the structure shown in FIGS. 52A to 52H can be adopted. Here, these structures can be applied to the boundary BS between the memory cell region MC and the HV transistor region HV by exchanging the LV gate insulating film and the HV gate insulating film.
[0238]
The structure of the boundary of each creation may be unified into the same structure, or may be different structures depending on places. Moreover, it is good also as a structure which does not form the diffusion layer 160 in each boundary part BS.
[0239]
In the boundary portion BS shown in FIG. 52A, an element isolation region 166 similar to the structure shown in FIG. Source / drain diffusion layers 160 are formed in the substrate 150 on both sides of the element isolation region 166. At the bottom of the trench of the element isolation region 166, a step having a convex portion that is convex upward is formed. By adopting such a boundary BS structure, STI embedding can be improved, dishing can be prevented, and the area can be reduced.
[0240]
At the boundary BS shown in FIG. 52B, a gate structure is formed to cover the element isolation region 166 in the structure shown in FIG. This gate structure has the same structure as the selection gate 162 on the tunnel gate insulating film 151 and the LV gate insulating film 155 at the boundary BS, and is selected without the charge storage layer 152 on the element isolation region 166. It has the same structure as the gate 162. By adopting such a boundary BS structure, STI embedding can be improved, dishing can be prevented, and gate processing can be facilitated.
[0241]
In the boundary portion BS shown in FIG. 52C, an element isolation region 175 similar to the structure shown in FIG. 14A is replaced with the element isolation region 166 in FIG. By adopting such a structure of the boundary portion BS, the breakdown voltage of the STI can be improved and the area can be reduced.
[0242]
In the boundary portion BS shown in FIG. 52 (d), the element isolation region 166 is replaced with the element isolation region 175 shown in FIG. 52 (c) in the structure shown in FIG. 52 (b). By adopting such a structure of the boundary portion BS, the breakdown voltage of STI can be improved and gate processing can be facilitated.
[0243]
In the boundary portion BS shown in FIG. 52 (e), a structure similar to the structure shown in FIG. 2 (a) is formed. On the substrate 150 in the center of the boundary BS, a gate structure 176 is formed which is formed from the constituent material of the gate structure of the memory cell region MC and the LV transistor region LV. In the gate structure 176, a tunnel insulating film 151 is formed on the memory cell region MC side on the substrate 150, and an LV gate insulating film 155 is formed on the LV transistor region LV side. On the tunnel insulating film 151 and the insulating film 155, the electrode layer 20, the sidewall insulating film 159, and the like are formed. Source / drain diffusion layers 160 are formed in the substrate 150 on both sides of the gate structure 176. By adopting such a structure of the boundary portion BS, gate processing can be facilitated and defects due to STI can be avoided.
[0244]
The boundary portion BS shown in FIG. 52 (f) has the same structure of the boundary portion BS as the structure shown in FIG. 2 (b). A gate structure 177 is formed on the substrate 150 in the center of the boundary portion BS. The gate structure 177 is formed of a material constituting the gate structure of the memory cell region MC and the LV transistor region LV. In the gate structure 177, a tunnel insulating film 151 is disposed on the substrate 150 on the memory cell region MC side, and an LV gate insulating film 155 is disposed on the LV transistor region LV side. A laminated gate structure similar to the control gate 162 is provided on the tunnel insulating film 151, and a lower layer structure of the LV gate electrode 156 is provided on the LV gate insulating film 155. An insulating film 159 is formed on the side surface of the gate structure 177. By adopting such a structure of the boundary portion BS, dust can be reduced and defects due to STI can be avoided.
[0245]
The boundary portion BS shown in FIG. 52 (g) has the same structure of the boundary portion BS as the structure shown in FIG. 15 (a), and a recess 178 is disposed on the substrate 150. By adopting such a structure of the boundary portion BS, dust can be reduced and defects due to STI can be avoided.
[0246]
In the boundary portion BS shown in FIG. 52 (h), a structure similar to that of the selection gate 162 shown in FIG. 15 (b) is shown. Here, a recess is formed on the surface of the semiconductor substrate 150 at the center of the boundary, but it may be flat as in FIG. In this gate structure, the electrode layer is in direct contact with the surface of the substrate 150 without using an insulating film. By adopting such a structure of the boundary portion BS, the gate processing is easy, dust is reduced, defects due to STI are avoided, and the boundary portion BS has the same aspect ratio.
[0247]
FIG. 53A shows a cross section in the direction perpendicular to the data transfer line on the gate of the memory cell. FIG. 53B shows a cross section in a direction perpendicular to the data transfer line on the gates of the peripheral transistors.
[0248]
As shown in FIGS. 53A and 53B, the element isolation region 301 covers the side surfaces of the substrate 150 and the gate insulating film. Therefore, the etching before forming the tunnel gate insulating film 151 does not expose the end of the element isolation region, and the gate electrode 154 is located below the surface of the substrate 150 in both the memory cell and the peripheral transistor. Can prevent. In this manner, electric field concentration at the boundary between the element isolation region 301 and the tunnel gate insulating film 151 and a parasitic transistor with a lowered threshold value are unlikely to occur. Further, since a sidewalk phenomenon, which is a phenomenon of lowering the write threshold due to bird's beak, is less likely to occur, a more reliable transistor can be formed.
[0249]
Next, an example of a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of the present embodiment shown in FIG. 49 will be described with reference to FIGS. 54 (a) to 57 (c). First, a sacrificial oxide film (not shown) is formed on the surface of the semiconductor substrate 150. After implanting well impurities and channel impurities as necessary, the sacrificial oxide film is removed.
[0250]
Next, as shown in FIG. 54A, a tunnel gate insulating film 151 made of, for example, a silicon oxide film or an oxynitride film having a thickness of 3 nm to 15 nm is formed on the semiconductor substrate 150. . Next, for example, polysilicon is deposited to a thickness of 10 nm to 500 nm to form the charge storage layer 152.
[0251]
Next, as shown in FIG. 54B, the portion to be the memory cell region MC is covered with a photoresist layer 180, and the gate electrode and the gate insulating film in other regions are removed. The removal method may be either isotropic etching such as wet etching or anisotropic etching such as RIE. Next, as shown in FIG. 54C, a gate insulating film 157 of an HV transistor made of, for example, a silicon oxide film or an oxynitride film having a thickness of 5 nm to 50 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 150. To do.
[0252]
Next, as shown in FIG. 55A, the HV transistor region HV is covered with a photoresist layer 181 and the gate insulating film in the HV transistor region HV is removed from other regions. Next, as shown in FIG. 55B, over the entire surface of the semiconductor substrate 150, for example, the gate of an LV transistor made of a silicon oxide film or oxynitride film having a thickness of, for example, between 1 nm and 10 nm. An insulating film 155 is formed. Furthermore, for example, polysilicon is deposited to a thickness of 10 nm to 500 nm.
[0253]
At this time, the memory cell region MC has a stacked structure in which the gate insulating film 155 and the first gate electrode 182 of the LV transistor are formed on the gate electrode of the memory cell. In addition, the thickness of the gate insulating film 157 of the HV transistor formed in advance is also increased. Here, the gate electrode of the memory cell and the gate electrode of the LV transistor may use different materials and film thicknesses. However, if the same material and the same film thickness are used, it is easy to simultaneously etch the gate electrode.
[0254]
Next, as shown in FIG. 55C, the region (peripheral circuit region) of the LV transistor and the HV transistor is covered with a photoresist layer 183, and the gate electrode and the gate insulating film in other regions are removed. The removal method may be either isotropic etching such as wet etching or anisotropic etching such as RIE. At this time, a part of the photoresist layer 183 covers the memory cell region MC. Therefore, the gate electrode remains in the stacked structure at the boundary BS where the memory cell region MC and the peripheral circuit region are separately formed.
[0255]
Next, as shown in FIG. 56A, the photoresist layer 183 is removed, and a first mask layer 184 and a second mask layer 185 are deposited. The first mask layer 184 is, for example, a silicon nitride film, and the second mask layer 185 is, for example, a silicon oxide film. Next, as shown in FIG. 56B, a photoresist mask 186 for forming an element isolation region is deposited to form an element isolation pattern. Here, a method for forming an element isolation region without leaving a resist at the boundary portion BS that is separately formed will be described.
[0256]
Next, after removing the photomask 186 and the second mask layer 185 by anisotropic etching, the first gate electrodes 152 and 182 are removed by anisotropic etching. Subsequently, the semiconductor substrate 150 is etched to form first and second element isolation trenches in order to form an element isolation region. The depth of the element isolation trench is, for example, about 50 nm to 300 nm.
[0257]
The boundary portion BS is formed in a convex shape at the bottom of the element isolation region due to the step shown in FIG. The step of the convex portion depends on the step in FIG. 56B and the etching conditions, but is, for example, about 10 nm to 300 nm, preferably about 30 nm to 100 nm. Also, the depth of the bottom of the element isolation region differs depending on the contact region, which reflects the difference in film thickness between the tunnel insulating film thickness of the memory cell and the gate insulating film of the LV transistor and the gate insulating film of the HV transistor. The thinner the insulating film, the deeper the element isolation region.
[0258]
Further, the isolation region trench is filled with an insulating film such as a silicon oxide film, and the filling material is etched back by using a method such as CMP with the first mask layer 184 as a stopper. Since the element isolation boundary portion BS has a shallow element isolation depth, the embedding property is good, and the upper part of the element isolation insulating film becomes almost flat after the etch back. The first mask layer 184 is removed, and the first gate electrode 182 in the LV transistor region LV and the HV transistor region HV has the same thickness as the charge storage layer 152. Thereafter, the insulating film embedded in the element isolation trench is etched back. The shape at this time is shown in FIG.
[0259]
Next, as shown in FIG. 57A, for example, an interpoly insulation made of a silicon oxide film or oxynitride film having a thickness of 5 nm to 30 nm, or a silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film. A film 153 is formed. Next, as shown in FIG. 57B, a gate electrode 154 is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 150. The gate electrode 154 is made of polycrystalline silicon, a laminated film of polycrystalline silicon and metal or a compound of silicon and metal, or a single layer film of metal or a compound of silicon and metal. Next, a mask insulating film made of a silicon oxide film or silicon nitride film having a thickness of about 10 nm to 300 nm is deposited. Next, a photoresist layer 187 for processing the gate electrode is deposited to form a pattern. Next, the gate electrode is anisotropically etched using the photoresist layer 187 as a mask. Next, the processing damage is recovered by post-oxidation or the like.
[0260]
Next, as shown in FIG. 57 (c), a gate sidewall insulating film 159 is formed as necessary, and diffusion layer impurities are implanted to form a source / drain diffusion layer 160. Next, as shown in FIG. At this time, the boundary portion BS does not leave a resist, and the gate electrode of the boundary portion BS is removed. Further, although not shown, an interlayer insulating film, contact plugs, wirings, and the like are formed to complete the semiconductor device as shown in FIG.
[0261]
Also in the manufacturing method of the present embodiment, the effects of the manufacturing methods in the first to third embodiments and the fourth embodiment can be obtained in the same manner except for the effects unique to MONOS.
[0262]
(Sixth embodiment)
The present embodiment is applied to an AND-type EEPROM having a MONOS-type memory cell structure, as shown in FIG. FIG. 58 can be said to be another modification of the structure shown in FIG. Here, a boundary portion BS is disposed between the memory cell region MC and the select transistor region STR for the memory cell. In the boundary portion BS, a recess 136 is formed on the surface of the substrate 102 in the same manner as the structure shown in FIGS. 40 (g) and 15 (a). A tunnel gate insulating film 103 and a charge storage layer 104 are formed on the substrate 102 on the memory cell region MC side from the recess 136. Desirably, if the gate insulating film of the selection transistor 128 is shared with the LV-based gate insulating film 113, the process can be simplified. An equivalent circuit of the memory cell block is as shown in FIG. The structure of the boundary portion BS may be any of FIGS. 40A to 40H, and a preferable form can be used from the viewpoints of the number of steps and ease of processing.
[0263]
Next, FIG. 59A shows a cross section in the direction perpendicular to the data transfer line on the gate of the memory cell. FIG. 59B shows a cross section in the direction perpendicular to the data transfer line on the gate of the selection transistor.
[0264]
As shown in FIGS. 59A and 59B, the side surface of the substrate 102 is covered with the element isolation region 302. Therefore, the etching before forming the ONO film 131 does not expose the end of the element isolation region, and the gate electrodes 106 and 108 are located below the surface of the substrate 102. Can prevent. For this reason, gate concentration at the boundary between the substrate 102 and the ONO film 131 and a parasitic transistor whose threshold value has decreased are unlikely to occur. Further, since a sidewalk phenomenon, which is a phenomenon of lowering the write threshold due to bird's beak, is less likely to occur, a more reliable transistor can be formed.
[0265]
By making the selection transistor a MOS transistor, fluctuations in the threshold due to voltage stress for operation are eliminated. For this reason, a highly reliable nonvolatile memory can be realized. Also in this embodiment, the same effects as those in the first to third embodiments and the fourth embodiment can be obtained.
[0266]
In each of the above embodiments, the memory cell transistors are formed prior to the peripheral circuit transistors. However, the order of making is not limited to this, and the peripheral circuit transistors may be formed first. In the fourth to sixth embodiments, the memory cell region MC and the LV transistor region LV, and the HV transistor region HV and the LV transistor region LV are adjacent to each other through a boundary. However, the mode of adjacent regions is not limited to this, and for example, the memory cell region MC and the HV transistor region HV may be adjacent to each other via a boundary portion.
[0267]
【The invention's effect】
  According to the present invention, a plurality of gate insulating films having different film materials or film thicknesses are provided.Manufacturing method of semiconductor deviceCan improve the reliability.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views showing the vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention and a modification thereof, respectively.
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views showing the vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to another modification of the first embodiment, respectively.
FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views showing the gate electrodes of the first and second transistor regions in the first embodiment along the extending direction, respectively. FIGS.
4A to 4C are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG.
5A to 5C are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 1A, following FIG. 4C.
6A to 6C are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 1A, following FIG. 5C.
7A to 7C are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 1A, following FIG. 6C.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 1A, following FIG. 7C;
9 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the structure shown in FIG.
FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG.
11A and 11B are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 2A, following FIG. 10B.
12A and 12B are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 2A, following FIG. 11B.
13 is a cross-sectional view showing a manufacturing method of the structure shown in FIG.
14A and 14B are cross-sectional views showing the vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention and a modification thereof, respectively.
FIGS. 15A and 15B are cross-sectional views each showing a vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to another modification of the second embodiment. FIGS.
FIGS. 16A to 16C are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG.
17A to 17C are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 14A, following FIG. 16C.
18A to 18C are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 14A, following FIG. 17C.
19A to 19C are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 14A, following FIG. 18C.
20 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 14A, following FIG. 19C;
21 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the structure shown in FIG.
22 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 14B, following FIG. 21;
23 (a) and 23 (b) are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 15 (a).
24A and 24B are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 15A, following FIG. 23B.
25A and 25B are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 15A, following FIG. 24B.
26 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing the structure shown in FIG.
FIGS. 27A and 27B are cross-sectional views showing the vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention and a modification thereof, respectively. FIGS.
28A to 28C are cross-sectional views showing the gate electrodes of the first, second, and third transistor regions in the third embodiment, respectively, along the extending direction.
29A to 29C are cross-sectional views showing a method of manufacturing the structure shown in FIG.
30A to 30C are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 27A, following FIG. 29C.
FIGS. 31A and 31B are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 27A, following FIG.
32A to 32D are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 27B.
33 (a) to 33 (c) are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 27 (b), following FIG. 32 (d).
34A and 34B are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 27B, following FIG. 33C.
FIG. 35 is a sectional view showing the vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the invention.
FIG. 36 is a cross-sectional view showing the vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to a modification of the fourth embodiment.
FIG. 37 is a cross-sectional view showing the vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to another modification of the fourth embodiment;
FIG. 38 is an equivalent circuit diagram showing a NAND MONOS memory cell of the semiconductor device according to the fourth embodiment.
FIG. 39 is another equivalent circuit diagram showing a NAND MONOS type memory cell of the semiconductor device according to the fourth embodiment.
FIGS. 40A to 40H are cross-sectional views showing structures that can be used as boundaries between the memory cell region and the LV transistor region in the device shown in FIG. 37, respectively.
FIGS. 41A and 41B are cross-sectional views showing a memory cell region and a peripheral transistor region of a NAND MONOS semiconductor device according to the fourth embodiment, respectively.
FIG. 42 is an equivalent circuit diagram showing a NOR type MONOS type memory cell of a semiconductor device according to a fourth embodiment.
FIG. 43 is an equivalent circuit diagram showing an AND MONOS type memory cell of the semiconductor device according to the fourth embodiment.
FIG. 44 is another equivalent circuit diagram showing an AND-type MONOS type memory cell of the semiconductor device according to the fourth embodiment.
45 (a) to 45 (c) are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG.
46 (a) to 46 (c) are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 35, following FIG. 45 (c).
47 (a) to 47 (c) are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 35, following FIG. 46 (c).
48 (a) to 48 (c) are cross-sectional views showing a method of manufacturing the structure shown in FIG. 35, following FIG. 47 (c).
FIG. 49 is a sectional view showing the vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the invention.
FIG. 50 is a cross-sectional view showing the vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to a modification of the fifth embodiment.
FIG. 51 is a cross-sectional view showing the vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to another modification of the fifth embodiment;
52A to 52H are cross-sectional views showing structures that can be used as boundaries between the memory cell region and the LV transistor region in the device shown in FIG. 51, respectively.
FIGS. 53A and 53B are cross-sectional views showing a memory cell region and a peripheral transistor region of a NAND type floating gate type semiconductor device according to a fifth embodiment, respectively.
54 (a) to 54 (c) are cross-sectional views showing a method of manufacturing the structure shown in FIG.
55 (a) to 55 (c) are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 49, following FIG. 54 (c).
56 (a) to 56 (c) are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 49, following FIG. 55 (c).
57 (a) to 57 (c) are cross-sectional views showing a method for manufacturing the structure shown in FIG. 49, following FIG. 56 (c).
FIG. 58 is a sectional view showing the vicinity of a boundary portion of a semiconductor device according to a sixth embodiment of the invention.
FIGS. 59A and 59B are cross-sectional views showing a memory cell region and a peripheral transistor region of an AND type MONOS type semiconductor device according to the sixth embodiment, respectively.
60A to 60D are cross-sectional views showing a conventional trench type element isolation method, and FIG. 60E is an enlarged cross-sectional view showing a region TP in FIG.
61 (a) to 61 (d) are cross-sectional views showing a conventional self-aligned trench isolation method.
FIGS. 62A and 62B are cross-sectional views for explaining problems of the method shown in FIGS. 61A to 61D, respectively.
[Explanation of symbols]
TR1, TR2, TR3 ... transistor region
BS ... Boundary part
MC: Memory cell area
PTR ... Peripheral transistor area
LV ... Low voltage transistor region
HV ... High-voltage transistor region
1, 102 ... Semiconductor substrate
2, 3, 73 ... gate insulating film
4, 11, 74, 82 ... lower electrode layer
5, 12, 16, 75, 83 ... upper electrode layer
6, 13, 76, 84 ... gate electrode
7, 14, 77, 85, 112, 160 ... source / drain diffusion layers
8, 15, 78, 86 ... transistor
9, 26, 50, 72, 80, 120, 121, 132, 133, 145, 146, 166, 167, 175, 300, 301, 302 ... element isolation region
10, 71 ... convex part
17, 18, 134, 176 ... gate structure
20, 22, 23, 25, 53 ... electrode layer
21, 119, 159 ... sidewall insulating film
30, 31, 34, 38, 39, 40, 41, 43, 56, 57, 60, 63, 65, 67, 69, 70, 91, 92, 95, 97, 98, 101, 138, 139, 141, 144, 148, 180, 181, 183, 186, 187 ... Photoresist layer
32, 33, 58, 59, 93, 94, 99, 100, 142, 143, 184, 185 ... mask layer
36, 61, 145, 146 ... trench
44, 52, 64, 136, 178 ... concave portion
37, 62 ... Insulator
42 ... diffusion layer
51 ... downward convex part
54, 55 ... conductive side walls
103, 151 ... Tunnel gate insulating film
104, 152 ... charge storage layer
106, 154... Control gate electrode
107, 161 ... Memory cell gate
108, 162 ... selection gate
109, 156, 173 ... LV gate
111, 158, 174 ... HV system gate

Claims (2)

第1及び第2領域と前記第1及び第2領域間で両領域に接して配置された境界部とを含む主表面を有する半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜の前記第1領域及び前記境界部内の部分上に第1下側電極層を配設する一方、前記第1絶縁膜の前記第2領域内の部分を除去して前記主表面を露出させる工程と、
前記第1領域及び前記境界部内の前記第1下側電極層上及び前記第2領域内の前記主表面上に第2絶縁膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜は、前記第1絶縁膜と異なる膜材料または膜厚を有することと、
前記第2絶縁膜の前記第2領域及び前記境界部内の部分上に第2下側電極層を配設する一方、前記第2絶縁膜の前記第1領域内の部分を除去して前記第1下側電極層を露出させるとともに、前記境界部内で前記第2絶縁膜及び前記第2下側電極層の端部を前記第1下側電極層の端部の上面上に積層した積層部を形成する工程と、
前記第1及び第2下側電極層に対して自己整合的に前記第1及び第2領域内の前記主表面をエッチングして、前記第1及び第2領域内に素子分離のためのトレンチを形成するのと同時に、前記境界部内の前記主表面を上側からパターンエッチングして、前記境界部内に素子分離のためのトレンチを形成し、前記境界部内の前記トレンチの底部に前記積層部に起因する上向きの凸部分を形成する工程と、
前記第1、第2領域内及び前記境界部内の前記トレンチを絶縁層で埋め込んで素子分離領域を形成する工程と、
前記第1及び第2下側電極層上に上側電極層を形成する工程と、
前記第1及び第2下側電極層及び前記上側電極層をパターンエッチングして前記第1及び第2領域内に第1及び第2ゲート電極を形成する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first insulating film on a semiconductor substrate having a main surface including first and second regions and a boundary portion disposed between and in contact with the first and second regions;
The first lower electrode layer is disposed on the first region of the first insulating film and the portion in the boundary portion, and the main surface is removed by removing the portion of the first insulating film in the second region. A step of exposing
Forming a second insulating film on the first lower electrode layer in the first region and the boundary and on the main surface in the second region; and the second insulating film is formed by the first insulating film. Having a film material or film thickness different from the film;
A second lower electrode layer is disposed on the second region of the second insulating film and a portion in the boundary portion, while a portion of the second insulating film in the first region is removed and the first region is removed. A lower electrode layer is exposed, and a laminated portion is formed in which the end portions of the second insulating film and the second lower electrode layer are laminated on the upper surface of the end portion of the first lower electrode layer within the boundary portion. And a process of
Etching the main surfaces in the first and second regions in a self-aligned manner with respect to the first and second lower electrode layers to form trenches for element isolation in the first and second regions. Simultaneously with the formation, the main surface in the boundary portion is pattern-etched from above to form a trench for element isolation in the boundary portion, and the bottom portion of the trench in the boundary portion is caused by the stacked portion. Forming an upward convex portion;
Filling the trenches in the first and second regions and the boundary with an insulating layer to form an element isolation region;
Forming an upper electrode layer on the first and second lower electrode layers;
Pattern-etching the first and second lower electrode layers and the upper electrode layer to form first and second gate electrodes in the first and second regions;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
第1及び第2領域と前記第1及び第2領域間で両領域に接して配置された境界部とを含む主表面を有する半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、Forming a first insulating film on a semiconductor substrate having a main surface including first and second regions and a boundary portion disposed between and in contact with the first and second regions;
前記第1絶縁膜の前記第1領域及び前記境界部内の部分上に第1下側電極層を配設する一方、前記第1絶縁膜の前記第2領域内の部分を除去して前記主表面を露出させる工程と、The first lower electrode layer is disposed on the first region of the first insulating film and the portion in the boundary portion, and the main surface is removed by removing the portion of the first insulating film in the second region. A step of exposing
前記第1領域及び前記境界部内の前記第1下側電極層上及び前記第2領域内の前記主表面上に第2絶縁膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜は、前記第1絶縁膜と異なる膜材料または膜厚を有することと、Forming a second insulating film on the first lower electrode layer in the first region and the boundary and on the main surface in the second region; and the second insulating film is formed by the first insulating film. Having a film material or film thickness different from the film;
前記第2絶縁膜の前記第2領域及び前記境界部内の部分上に第2下側電極層を配設する一方、前記第2絶縁膜の前記第1領域内の部分を除去して前記第1下側電極層を露出させる工程と、A second lower electrode layer is disposed on the second region of the second insulating film and a portion in the boundary portion, while a portion of the second insulating film in the first region is removed and the first region is removed. Exposing the lower electrode layer;
前記境界部内で前記第2下側電極層の端部と前記第1下側電極層の端部との間にギャップを形成する工程と、Forming a gap between the end of the second lower electrode layer and the end of the first lower electrode layer within the boundary;
前記第1及び第2下側電極層に対して自己整合的に前記第1及び第2領域内の前記主表面をエッチングして、前記第1及び第2領域内に素子分離のためのトレンチを形成するのと同時に、前記境界部内の前記主表面を上側からパターンエッチングして、前記境界部内に素子分離のためのトレンチを形成し、前記境界部内の前記トレンチの底部に前記ギャップに起因する下向きの凸部分を形成する工程と、Etching the main surfaces in the first and second regions in a self-aligned manner with respect to the first and second lower electrode layers to form trenches for element isolation in the first and second regions. Simultaneously with the formation, the main surface in the boundary portion is subjected to pattern etching from the upper side to form a trench for element isolation in the boundary portion, and the bottom portion of the trench in the boundary portion faces downward due to the gap. Forming a convex portion of
前記第1、第2領域内及び前記境界部内の前記トレンチを絶縁層で埋め込んで素子分離領域を形成する工程と、Filling the trenches in the first and second regions and the boundary with an insulating layer to form an element isolation region;
前記第1及び第2下側電極層上に上側電極層を形成する工程と、Forming an upper electrode layer on the first and second lower electrode layers;
前記第1及び第2下側電極層及び前記上側電極層をパターンエッチングして前記第1及び第2領域内に第1及び第2ゲート電極を形成する工程と、Pattern-etching the first and second lower electrode layers and the upper electrode layer to form first and second gate electrodes in the first and second regions;
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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