JP4584736B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置、特に、絶縁膜に電荷を蓄積する半導体装置に関する。
従来より、いわゆるMONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)型のメモリように誘電体膜を積層させた電荷蓄積膜を備え、電荷蓄積膜に蓄積する電荷量を制御することで、情報の記憶を行う不揮発性半導体メモリが知られている。誘電体膜に離散的に存在する電荷トラップに電荷を蓄積する不揮発性半導体メモリは、連続的なエネルギーをとる導電体中の電荷に比較すると、誘電体中の電荷が外部に抜け難いという堅牢性を有する。例えば、MONOS型の電荷蓄積は、酸化膜、窒化膜、酸化膜が積層されたONO膜(Oxide-Nitride-Oxide)であるが、基板と窒化膜との間に配置される薄い酸化膜に欠陥があったとしても、窒化膜に蓄積された電荷は殆ど漏れない。
従来の不揮発性半導体メモリには、半導体層上にワード線として形成されたゲート電極を複数のメモリセルに亘って設け、このゲート線に沿って電荷蓄積膜を設けた構造がある。この不揮発性半導体メモリでは、ゲート電極の両側に設けられた電荷蓄積膜に個別に電荷の蓄積することによって、各メモリセルで2ビットの情報を記憶する。このメモリ構造では、ゲート電極は、複数のメモリセルに亘って半導体層上に形成されている。電荷蓄積膜は、例えば、酸化膜、窒化膜、酸化膜を順次積層させたONO膜である。下層の酸化膜及び窒化膜は、ゲート電極の側壁部として断面視L字状に形成されており、上層の酸化膜は窒化膜のL字状を埋めるように形成されている。
このような不揮発性半導体メモリでは、ゲート電極の電圧、ソースドレイン間の電圧を制御することによって、シリコン窒化膜中の電荷トラップに電子を注入し、情報の記憶を行う。電荷は、シリコン窒化膜中、及び、シリコン窒化膜のシリコン酸化膜との界面に存在する電荷トラップに蓄積される。
各メモリセルに2ビットの情報を記憶する不揮発性半導体メモリの他の構造が、例えば、特許文献1に記載されている。この不揮発性半導体メモリは、半導体基板上に第1の誘電体膜と、第1のメモリゲート電極であるゲート電極とが略同一形状で設けられており、ゲート電極及び半導体基板の表面を第2の誘電体膜で覆っている。第1の誘電体膜及び第2の誘電体膜は、電荷蓄積膜であり、それぞれ、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜を順次積層させたONO膜である。また、第2の誘電体膜を介してゲート電極の側壁部には第2のメモリゲート電極である導電性側壁部が形成されている。この導電性側壁部はワード線に接続されている。また、一方の導電性側壁部の外側において半導体基板に一方のソースドレイン領域が形成され、このソースドレイン領域に第1のビット線が接続されている。また、他方の側壁部直下から外側に亘って半導体基板に他方のソースドレイン領域形成され、このソースドレイン領域に第2のビット線が接続されている。
この不揮発性半導体メモリでは、ゲート電極(第1のメモリゲート電極)下方のチャンネルを制御するメモリトランジスタMTaと、導電性側壁部(第2のメモリゲート電極)の下方のチャンネルを制御するメモリトランジスタMTbとによって、各メモリセルに2ビットのデータを記憶する。データの記憶は、第1のビット線と第2のビット線との間の電圧、第1のメモリゲート電極の電圧、及び第2のメモリゲート電極の電圧を制御することにより、第1の誘電体膜及び第2の誘電体膜に個別に電荷を注入することによって行われる。
特開2003−78045号公報
上述したようなワード線としてのゲート電極の両側の側壁部部に電荷蓄積膜を設けたメモリ構造では、窒化膜が、電荷保持のために有効に機能するゲート電極の側壁部部の下部に横方向に延びて形成される横方向部分だけでなく、ゲート電極の側壁に沿って縦方向に連続して形成される縦方向部分を備えている。即ち、情報の記憶に応じてメモリトランジスタの閾値電圧Vtを変化させる(即ちメモリとして機能する)横方向部分に連続して、メモリとして機能しない縦方向部分が連続して形成されている。また、窒化膜は、メモリ素子として機能するアクティブ領域だけでなく、フィールド領域にも連続して形成されている。MONOS型のメモリ構造では、窒化膜中の離散的な電荷トラップに電荷を蓄積するため、電荷の移動のためのエネルギーが導電体に存在する電荷に比較すると高いものの、窒化膜中のトラップ間の電荷授受によって比較的低い温度でも電荷が容易に移動してしまう。従って、上記のように、メモリとして機能する窒化膜の横方向部分が、メモリとして機能しない縦方向部分、及び、メモリ素子として機能しないフィールド領域に繋がっている場合、電荷がゲート電極の側方下部の部分(横方向部分)以外に移動してしまい、メモリセルから情報を読み出す際のセル電流が経時的に変化する問題がある。
特許文献1には、窒化膜中での電荷の移動によるセル電流の経時的な変化の問題については言及されていない。
本発明の目的は、絶縁膜に電荷を蓄積する半導体装置において、蓄積電荷の経時的な変化を抑制することにある。
本発明に係る半導体装置は、半導体層と、前記半導体層に形成され、その上面が前記半導体層の表面よりも高く形成された素子分離絶縁膜と、前記半導体層上及び前記素子分離絶縁膜上に連続して線状に形成された導電体膜と、前記導電膜と前記半導体層との間に前記導電膜に沿って形成された絶縁膜と、前記導電体膜の側壁に前記導電体膜に沿って形成された側壁部と、前記導電体膜の両側において前記半導体層の表面に形成された不純物拡散領域と、を備えた半導体装置であって、前記半導体層上の前記側壁部は、第1酸化膜と、前記第1酸化膜の上層に形成され電荷をトラップする第1窒化膜と、前記第1窒化膜の上層に形成された第2酸化膜とからなり、前記半導体層と前記素子分離絶縁膜とによって形成される段差部上の前記側壁部は、第1酸化膜と、前記第1酸化膜の上層に前記第1酸化膜に接触して形成された第2酸化膜とからなり、前記素子分離絶縁膜上の前記側壁部は、第1酸化膜と、前記第1酸化膜の上層に形成された第2窒化膜と、前記第2窒化膜の上層に形成された第2酸化膜とからなる。
この半導体装置は、第1窒化膜に電荷を蓄積することによって情報を記憶する場合に、第1絶縁膜上の領域と分離された第1窒化膜において電荷を蓄積する。従って、情報の記憶のために第1窒化膜に蓄積した電荷が第1絶縁膜上の領域に移動することを防止し、情報の記憶のために蓄積した電荷の経時的な変化を抑制できる。
(1)構造
図1は本発明の一実施形態に係る半導体装置100の平面図である。図3(f)左図は図1のA−A断面図であり、図3(f)右図は図1のB−B断面図である。図5(f)左図は図1のC−C断面図であり、図5(f)右図は図1のD−D断面図である。図6は、図1のE−E断面図である。
半導体装置100は、MONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)型の不揮発性半導体メモリ装置である。半導体装置100は、半導体層101と、素子分離絶縁膜102と、半導体層101上に形成されたメモリトランジスタMTとを備えている。素子分離絶縁膜102以外の半導体層101の領域がメモリ素子として機能するアクティブ領域であり、素子分離絶縁膜102の領域がメモリ素子として機能しないフィールド領域である。
メモリトランジスタMTは、熱酸化膜103と、ゲート電極(導電膜)104と、シリコン酸化膜105と、シリコン窒化膜106bと、シリコン酸化膜107とを備えている。
半導体層101は、バルクシリコン基板、SOI基板、SOS基板等のシリコン層である。図1に示すように、半導体層101の複数の領域には、平面視略矩形の素子分離絶縁膜102が形成されている。素子分離絶縁膜102は、例えば、STI(Shallow Trench Isolation)法により形成されたSTIシリコン酸化膜である。図3(f)右図に示すように、素子分離絶縁膜102は、半導体層101の表面よりも所定の高さ(例えば10nm)だけ高く形成されている。素子分離絶縁膜102は、図3(f)右図に示すように、半導体層101との境界において段差部102aを有している。段差部102aの所定の高さは10nm以上であることが好ましい。この理由は、後述するシリコン窒化膜106の成膜において、図3(d)右図に示すように、段差部102aの側壁102bの部分で、段差部102aの上面102c及び下面102dの部分よりも薄くなるように形成するためである。
熱酸化膜103は、図3(f)右図に示すように、半導体層101上(アクティブ領域)にゲート電極104に沿って形成されている。熱酸化膜103は、半導体層101を熱酸化することにより形成されるシリコン酸化膜である。図3(f)左図に示すように、熱酸化膜103は、ゲート電極104よりも両側に広く形成されている。熱酸化膜103は、アクティブ領域において、ゲート電極104に沿って線状に形成されている。
ゲート電極104は、導電膜であり、メモリトランジスタMTの制御電極である。ゲート電極104は、図1に示すようにワード線として複数が並んで形成されている。ゲート電極104は、メモリ素子として機能するアクティブ領域と、各メモリ素子を分離するための素子分離領域とに亘って線状に形成されている。即ち、ゲート電極104は、熱酸化膜3上に形成されるとともに、素子分離絶縁膜102上に形成されている。ゲート電極104は、段差部102aにおいて段差部102aに沿って形成されている。ゲート電極104は、ポリシリコン層104aと、ポリシリコン層104a上に形成されるタングステンシリコン(WS)層104bとから構成されている。ポリシリコン層104aとWS層104bとを合わせたゲート電極104の膜厚は例えば200nmである。
シリコン酸化膜105は、図3(f)左図に示すように、ゲート電極104の両側においてゲート電極104に沿って断面視略L字状に形成されている。シリコン酸化膜105は、ゲート電極104の側壁に側壁に沿って形成されているとともに、熱酸化膜103の表面に連続して形成されている。シリコン酸化膜105は、図5(f)左図及び右図に示すように、素子分離絶縁膜102の境界において段差部102aに沿って形成されている。
シリコン窒化膜106bは、断面視L字状のシリコン酸化膜105の横方向に延びる部分(横方向部分)の直上に横方向に延びて形成されている。シリコン窒化膜106bは、図5(f)左図及び右図に示すように、シリコン酸化膜107によって、アクティブ領域上方の部分とフィールド領域上方の部分とに分離されている。アクティブ領域のシリコン窒化膜106bは、シリコン酸化膜105、シリコン酸化膜107及びシリコン酸化膜109によって完全に覆われている。
シリコン酸化膜107は、図3(f)左図に示すように、ゲート電極104の両側において断面視略L字状に形成されており、図5(f)左図及び右図に示すように、シリコン酸化膜105に沿って、即ちゲート電極104に沿って形成されている。シリコン酸化膜107は、ゲート電極104の側部においてシリコン酸化膜105に接触している。即ち、ゲート電極104の側壁にはシリコン窒化膜106bが形成されていない。また、素子分離絶縁膜102の段差部102aにおいて、シリコン酸化膜107がシリコン酸化膜105に接触して、シリコン窒化膜106bをアクティブ領域の部分とフィールド領域の部分とに分離している。シリコン酸化膜107は、後述するようにシリコン窒化膜の一部を酸化して形成されている。シリコン酸化膜107は、図5(f)左図及び右図に示すように、素子分離絶縁膜102の境界において段差部102aに沿って形成されている。
シリコン酸化膜108は、図3(f)左図に示すように、L字状のシリコン酸化膜107の横方向に延びる部分(横方向部分)上、及び、縦方向に延びる部分(縦方向部分)上に形成されている。シリコン酸化膜108は、シリコン酸化膜107の横方向部分と縦方向部分で形成される空間を埋めるように形成されている。シリコン酸化膜108は、図5(f)右図に示すように、シリコン酸化膜105に沿って、即ちゲート電極104に沿って形成されている。また、シリコン酸化膜108は、素子分離絶縁膜102の境界において段差部102aに沿って形成されている。
ここで、シリコン酸化膜105、シリコン窒化膜106b及びシリコン酸化膜107が電荷蓄積膜としてのONO膜(Oxide-Nitride-Oxide)を構成する。この半導体装置100では、アクティブ領域のシリコン窒化膜106bの内部、及び、シリコン酸化膜105との界面に存在する電子トラップによって電荷が蓄積され、蓄積された電荷によって情報が記憶される。また、シリコン酸化膜105、シリコン窒化膜106b、シリコン酸化膜107及びシリコン酸化膜108が側壁部を構成する。
ソースドレイン領域110は、図6に示すように、ゲート電極104の両側において半導体層101の表面に形成されている。より詳細には、ソースドレイン領域110は、熱酸化膜103、シリコン酸化膜105、シリコン窒化膜106b、シリコン酸化膜107及びシリコン酸化膜108の外側において半導体層101の表面に形成されている。
シリコン酸化膜109は、ゲート電極104及び側壁部を覆うようにアクティブ領域及びフィールド領域の全面に形成される。より詳細には、シリコン酸化膜109は、ゲート電極104、側壁部、熱酸化膜103を覆うとともに、半導体層101上及び素子分離絶縁膜102上に形成されている。
また、図6に示すように、シリコン酸化膜109上には、層間絶縁膜としてのシリコン酸化膜111が形成されている。シリコン酸化膜109及びシリコン酸化膜111には、ゲート電極104の両側のソースドレイン領域110を露出する開口部が形成されており、各開口部にはタングステン(W)のコンタクト112が形成されている。また、シリコン酸化膜111上には、コンタクト112に接続された配線層113が形成されている。配線層113は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金で形成される。
(2)製造方法
以下、図2乃至図6を参照して半導体装置100の製造方法を説明する。
まず、バルクシリコン基板、SOI基板、SOS基板等の半導体基板を準備する。
図2(a)、図4(a)に示すように、半導体基板の半導体層101に素子分離絶縁膜102をSTI法によって形成する。これにより、半導体層101は、アクティブ領域とフィールド領域とに区画される。アクティブ領域は、素子分離絶縁膜102が形成されず半導体層102の表面が露出された領域であり、メモリとして機能する領域である。フィールド領域は、素子分離絶縁膜102が形成された領域であり、メモリとして機能しない。
素子分離絶縁膜102の形成を図7及び図8を参照して説明する。まず、図7(a)に示すように、半導体層101上を熱酸化してパッド酸化膜201を形成し、さらに図7(b)に示すようにパッド酸化膜201上にシリコン窒化膜202をCVD法によって堆積させる。パッドシリコン酸化膜201上のシリコン酸化膜202の膜厚は、後のCMP法による研磨後に略100nmになるように、100nmにCMP法による研磨分を加えた膜厚にする。その後、素子分離絶縁膜102を形成する予定の領域を露出するレジストパターンをシリコン窒化膜202上に形成し、当該レジストパターンを用いて半導体層101をエッチングすることにより、図7(c)に示すように半導体層101に溝(トレンチ)203を形成する。図7(d)に示すように、トレンチ203内壁を熱酸化して、トレンチ203に埋め込まれるCVD酸化膜との緩衝膜となる熱酸化膜204を形成する。その後、図8(e)に示すように、CVD法によって素子分離絶縁膜となるシリコン酸化膜102を堆積して、トレンチ203内部及びシリコン窒化膜202上に所定の膜厚のシリコン酸化膜202を形成する。
その後、図8(f)に示すように、シリコン窒化膜202をストッパとしてシリコン酸化膜102をCMP法によって研磨して除去する。CMP法による研磨後のシリコン窒化膜202の膜厚は、素子分離絶縁膜102の段差部102aの高さに影響があり、100nm程度になるようにCMP法で研磨する。
次に、フッ酸(HF)処理によってトレンチ203内に残ったシリコン酸化膜102の高さを調整した後に、図8(g)に示すようにシリコン窒化膜202を除去する。最後に、図8(h)に示すようにパッド酸化膜201を除去する。このパッド酸化膜201の除去工程において、シリコン酸化膜205の高さは20nm〜30nm程度低くなる。このような工程経て、半導体層101の表面よりも所定高さだけ高い素子分離絶縁膜(シリコン酸化膜)102を形成する。
本実施形態では、所定高さを10nm以上とする。素子分離絶縁膜102の高さは、パッド酸化膜201上に形成されるシリコン窒化膜202の膜厚、シリコン酸化膜102のCMP法による研磨の程度、及びフッ酸処理によって調整する。上記3つの調整要素を組み合わせても良いし、何れか1つ又は2つの組み合わせでも良い。本実施形態では、シリコン窒化膜の膜厚を100nmで形成し、シリコン酸化膜102の研磨後、フッ酸(HF)によりシリコン酸化膜102の半導体層101表面からの高さを略30nm以上40nm以下に調整し、パッド酸化膜の除去工程においてシリコン酸化膜102の半導体層101表面からの高さを10nm以上に調整する。
素子分離絶縁膜102の形成後、図2(b)、図4(b)に示すように、アクティブ領域の半導体層101に熱酸化膜103を形成し、熱酸化膜103上にゲート電極104を形成する。具体的には、まず、半導体層101表面を熱酸化して熱酸化膜103を形成する。その後、熱酸化膜103上にポリシリコン層、タングステンシリコン(WS)層をそれぞれ略100nm順次積層し、ポリシリコン層、WS層を図1に示す形状にパターニングすることにより、ポリシリコン層104a、WS層104bからなるゲート電極(ワード線)104を形成する。ここでは、ゲート電極104の膜厚は、100nmのポリシリコン層104aと、100nmのWS層104bとを合わせた膜厚であり、200nmである。図2(b)の右図に示すように、ゲート電極104は、半導体層101と素子分離絶縁膜102との境界において、段差部102aの形状に沿って形成される。
次に、図2(c)、図4(c)に示すように、ゲート電極104、熱酸化膜103、素子分離絶縁膜102を覆うように、半導体基板の全面の上方に膜厚5nm以上10nm以下のシリコン酸化膜105をCVD法によって堆積する。図2(c)右図、図4(c)に示すように、シリコン酸化膜105は、半導体層101と素子分離絶縁膜102との境界において、段差部102aの形状に沿って形成される。
次に、図3(d)、図5(d)に示すように、LPCVD(Low Pressure CVD)法によってシリコン窒化膜106をシリコン酸化膜105上に形成する。図3(d)右図、図4(d)に示すように、シリコン窒化膜106は、半導体層101と素子分離絶縁膜102との境界において、段差部102aの形状に沿って形成される。このLPCVD法では、反応ガスとしてSiHClとNH3とを用い、チャンバ内圧力を0.25Torr未満に制御するとともに、反応ガスの流れる方向を半導体基板の上方から下方に略鉛直方向に制御する。チャンバ内圧力を0.25Torr未満に制御することにより、半導体基板の上方で反応ガスが反応してSiNが発生し易くなる。また、発生したSiNが半導体基板の上方から下方に向かって流れることにより、素子分離領域102の段差部102a及びゲート電極104の側壁でのシリコン窒化膜106の膜厚を他の部分の膜厚よりも薄くすることができる。本実施形態では、縦方向、即ち半導体基板の表面と略鉛直な方向に形成されるシリコン窒化膜106の膜厚を100%とした場合、素子分離領域102の段差部102aの側壁102b及びゲート電極104の側壁でのシリコン窒化膜106の膜厚を略50%の膜厚にすることができる。具体的には、図3(d)、図5(d)に示すように、ゲート電極104の両側の側壁、及び、素子分離絶縁膜102の段差部102aの側壁102bにおいてシリコン窒化膜106の膜厚が10nm、これら以外の部分におけるシリコン窒化膜106の膜厚が20nmになるように、シリコン窒化膜106を形成する。
ここでは、シリコン窒化膜106をLPCVD法によって形成する場合について説明したが、シリコン窒化膜106をプラズマCVD法によって形成しても良い。プラズマCVD法では、反応ガスとしてSiHClとNHとを用い、反応ガスの流れる方向を半導体基板の上方から下方に略鉛直方向にに制御する。RFパワーは、数百W程度にする。
次に、図3(e)、図5(e)に示すように、シリコン窒化膜106を膜厚10nmだけラジカル酸化する。即ち、ゲート電極104の両側の側壁、及び、段差部102aの側壁102bに形成された薄いシリコン窒化膜106(以下、薄膜部という)の膜厚分だけ、シリコン窒化膜106をラジカル酸化する。ラジカル酸化では、Hガス6リットル/分、Oガス12リットル/分の流量でHガス及びOガスをチャンバ内に導入し、ランプ加熱によりチャンバ内温度を900℃以上1000℃以下に制御するとともに、チャンバ内圧力を10Torr以下に制御する。このような低温、低圧でのラジカル酸化によって、シリコン窒化膜106は、10nm当たり3〜4分の速度で酸化される。
ラジカル酸化によりシリコン窒化膜106の薄膜部の膜厚だけシリコン窒化膜106を酸化すると、図3(e)左図に示すように、ゲート電極104の両側の側壁では薄いシリコン窒化膜106が全て酸化されて、酸化により形成されるシリコン酸化膜107がシリコン酸化膜105に接触する。これにより、図3(e)に示すように、シリコン窒化膜106は、シリコン酸化膜107によって、ゲート電極104上面上方のシリコン窒化膜106aと、ゲート電極104の両側下部のシリコン酸化膜106bとに分離される。
また、図3(e)右図に示すように、シリコン窒化膜106aをゲート電極104の延在方向に沿って見ると、素子分離絶縁膜102の段差部102aの側壁102bにおけるシリコン窒化膜106の薄膜部の膜厚全体が酸化されてシリコン酸化膜107に変化している。即ち、素子分離絶縁膜102の側壁102bにおいて、シリコン酸化膜107が、シリコン窒化膜106の下層に形成されたシリコン酸化膜105に接触する。これにより、シリコン窒化膜106aは、アクティブ領域上の部分と、フィールド領域上の部分とに分離される。
また、ゲート電極104の両側側壁に沿って延びるシリコン窒化膜106を、ゲート電極104の延在方向に沿って見ると、図5(e)左図に示すように、シリコン窒化膜106bがシリコン酸化膜105上に形成されている。同図のC−C断面において、シリコン窒化膜106の酸化部分の膜厚が大きい理由は、この部分では、図3(d)左図に示すように、シリコン窒化膜106の縦方向の膜厚は大きいものの、横方向の膜厚はゲート電極104の側壁の薄膜部に相当するため、横方向に全膜厚が酸化されるためである。また、素子分離絶縁膜102の段差部102aにおいてシリコン酸化膜107が、シリコン窒化膜106の下層に形成されたシリコン酸化膜105と接触している。また、図5(e)右図に示すように、素子分離絶縁膜102の段差部102aにおいてシリコン窒化膜106の薄膜部が全て酸化されて、シリコン酸化膜107が、シリコン窒化膜106の下層に形成されたシリコン酸化膜105に接触する。従って、ゲート電極104の両側に形成されるシリコン窒化膜106bは、ゲート電極104の延在方向に沿って見ると、段差部102aで、アクティブ領域上の部分と、フィールド領域上の部分とに分離される。即ち、メモリ素子として機能するアクティブ領域上のシリコン窒化膜106bは、段差部102aにおいて、シリコン酸化膜107によってフィールド領域上のシリコン窒化膜106bと分離されている。
次に、図3(f)、図5(f)に示すように、シリコン酸化膜107の全面上に、CVD法によってシリコン酸化膜108を堆積し、ゲート電極104の両側において半導体層101の表面が露出するまでエッチバックして、ゲート電極104に側壁部を形成する。即ち、マスクなしでシリコン酸化膜108、シリコン酸化膜107、シリコン窒化膜106a、106b、シリコン酸化膜105、及び、熱酸化膜103をエッチバックして、ゲート電極104の上面及び半導体層101の上面を露出させる。この結果、ゲート電極104の両側には、図3(f)に示すように、シリコン酸化膜105、シリコン窒化膜106b、シリコン酸化膜107、及びシリコン酸化膜108からなる側壁部が形成される。側壁部において、シリコン酸化膜105及びシリコン酸化膜107は断面視略L字状であり、シリコン窒化膜106bがシリコン酸化膜105及びシリコン酸化膜107それぞれの横方向に延びる部分に挟まれている。
次に、ゲート電極104及び側壁部をマスクとしてゲート電極104の両側、即ち側壁部の両側の半導体層101表面に不純物を注入して、図6に示すようなソースドレイン領域(不純物拡散領域)110を形成する。次に、半導体基板の全面にCVD法によってシリコン酸化膜109を10nm堆積する。これにより、ゲート電極104、側壁部、熱酸化膜103、半導体層101及び素子分離絶縁膜102をシリコン酸化膜109で覆う。
次に、図5に示すようにCVD法により層間絶縁膜としてシリコン酸化膜111を形成し、ソースドレイン領域110のぞれぞれを露出する開口部をシリコン酸化膜111及びシリコン酸化膜109に形成し、各開口部をタングステン(W)で埋め込んでコンタクト112を形成した後、シリコン酸化膜111上にコンタクト112と接続される配線層113を形成する。
以上の工程を経て図6に示す半導体装置100が完成する。
(3)作用効果
シリコン窒化膜に電荷を蓄積する不揮発性半導体メモリでは、アクティブ領域上に形成されかつゲート電極側壁部の下部に形成されるシリコン窒化膜が情報の記憶部として機能する。即ち、この部分のシリコン窒化膜が、メモリトランジスタの閾値Vtの値を決め、読み出し電流(セル電流)の大きさを決める。
本実施形態に係る半導体装置100では、シリコン酸化膜105の横方向に延びる部分とシリコン酸化膜107の横方向に延びる部分との間にシリコン窒化膜106bが形成され、シリコン窒化膜106bがゲート電極104の側壁部の下部のみに形成される。即ち、シリコン窒化膜106bは、ゲート電極104の側壁に沿って縦方向に延びる部分(縦方向部分)を持たず、ゲート電極104の側壁部の下部の部分(横方向部分)のみを持つ。従って、アクティブ領域のシリコン窒化膜106bの内部、及び、下層のシリコン酸化膜105との界面に存在する電荷トラップに蓄積された電荷が、電荷トラップ間の移動により、メモリとして機能しない縦方向部分に移動してメモリトランジスタMTの閾値電圧Vtが経時的に変化することを防止できる。即ち、メモリトランジスタMTの閾値電圧Vtが経時的に変化して、読み取り電流(セル電流)が経時的に変化することを防止できる。
また、シリコン窒化膜106bが、素子分離絶縁膜102の境界において、アクティブ領域上の部分と、フィールド領域上の部分とに分離されているため、アクティブ領域上においてシリコン窒化膜106bの電荷トラップに蓄積された電荷が、電荷トラップ間の移動により、フィールド領域上の部分に移動することを防止することができる。この結果、アクティブ領域上のシリコン窒化膜106bに蓄積された電荷がフィールド領域上の部分に移動して、セル電流が経時的に変化することを防止することができる。
また、本実施形態に係る製造方法によれば、アクティブ領域とフィールド領域との境界に段差部102aを設け、LPCVD法において、反応ガスの流れる方向を半導体基板の上方から下方に向かって略鉛直になるように且つチャンバ内圧力を低圧に制御することにより、ゲート電極104の側壁、アクティブ領域とフィールド領域との境界の段差部102aの側壁102bにおいて、他の部分よりも薄くなるようにシリコン窒化膜106を形成する。そして、ゲート電極104の側壁、アクティブ領域とフィールド領域との境界に段差部102aの側壁102bにおいて、シリコン窒化膜106の薄膜部分を完全に酸化する。この結果、ゲート電極104の側壁部において、シリコン窒化膜106の縦方向部分を完全に酸化して、側壁部下部にのみシリコン窒化膜106bを形成することができるとともに、段差部102aの側壁102bでシリコン窒化膜106を完全に酸化することにより、シリコン窒化膜106をアクティブ領域とフィールド領域とで完全に分離することができる。このように、シリコン窒化膜106をセルフアライメントで酸化して、ゲート電極104の側壁部の下部のみに形成するとともに、フィールド領域上の部分と分離されたシリコン窒化膜106bを形成することができるので、シリコン窒化膜106の酸化にマスクを別途使用する必要がなく、製造工程が簡易であり且つコストアップを防止できる。
(4)他の実施形態
なお、上記実施形態では、シリコン窒化膜106をアクティブ領域及びフィールド領域に形成した後に、アクティブ領域上の部分とフィールド領域上の部分とに分離したが、シリコン窒化膜をアクティブ領域及びフィールド領域に形成した後、アクティブ領域上のシリコン窒化膜をマスクして、フィールド領域上のシリコン窒化膜を除去しても良い。メモリとして機能するアクティブ領域上にのみシリコン窒化膜を形成するので、シリコン窒化膜に蓄積される電荷がアクティブ領域以外に移動することを防止し、セル電流が経時的に変化することを抑制できる。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の平面図。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程(A−A断面、B−B断面)。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程(A−A断面、B−B断面)。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程(C−C断面、D−D断面)。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程(C−C断面、D−D断面)。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面図(E−E断面)。 STI法による素子分離絶縁膜の形成工程。 STI法による素子分離絶縁膜の形成工程。
符号の説明
100 半導体装置
101 半導体層
102 素子分離絶縁膜(シリコン酸化膜)
103 熱酸化膜
104 ゲート電極(ワード線)
105 シリコン酸化膜
106 シリコン窒化膜
107 シリコン酸化膜
108 シリコン酸化膜
109 シリコン酸化膜
110 ソースドレイン領域
111 シリコン酸化膜
112 コンタクト
113 配線層

Claims (11)

  1. 半導体層と、
    前記半導体層に形成され、その上面が前記半導体層の表面よりも高く形成された素子分離絶縁膜と、
    前記半導体層上及び前記素子分離絶縁膜上に連続して線状に形成された導電体膜と、
    前記導電膜と前記半導体層との間に前記導電膜に沿って形成された絶縁膜と、
    前記導電体膜の側壁に前記導電体膜に沿って形成された側壁部と、
    前記導電体膜の両側において前記半導体層の表面に形成された不純物拡散領域と、を備えた半導体装置であって、
    前記半導体層上の前記側壁部は、第1酸化膜と、前記第1酸化膜の上層に形成され電荷をトラップする第1窒化膜と、前記第1窒化膜の上層に形成された第2酸化膜とからなり、
    前記半導体層と前記素子分離絶縁膜とによって形成される段差部上の前記側壁部は、第1酸化膜と、前記第1酸化膜の上層に前記第1酸化膜に接触して形成された第2酸化膜とからなり、
    前記素子分離絶縁膜上の前記側壁部は、第1酸化膜と、前記第1酸化膜の上層に形成された第2窒化膜と、前記第2窒化膜の上層に形成された第2酸化膜とからなることを特徴とする半導体装置。
  2. 記第1酸化膜及び前記第2酸化膜は前記導電膜の延在方向に対して垂直な断面がL字状であり、前記第1窒化膜は前記第1酸化膜及び前記第2酸化膜それぞれの平面方向に延びる部分の間に形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第1酸化膜、前記第2酸化膜、および前記第1窒化膜は、前記導電体膜の両側に形成されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 半導体層と、前記半導体層に形成され、その上面が前記半導体層の表面よりも高く形成された素子分離絶縁膜とを備えた半導体基板上方に形成される半導体装置の電荷蓄積膜構造であって、
    前記半導体層上及び前記素子分離絶縁膜上に連続して線状に形成された導電体膜と、
    前記導電体膜の側壁に前記導電体膜に沿って形成された側壁部と、を備え、
    前記半導体層上の前記側壁部は、第1酸化膜と、前記第1酸化膜の上層に形成され電荷をトラップする第1窒化膜と、前記第1窒化膜の上層に形成された第2酸化膜とからなり、
    前記半導体層と前記素子分離絶縁膜とによって形成される段差部上の前記側壁部は、第1酸化膜と、前記第1酸化膜の上層に前記第1酸化膜に接触して形成された第2酸化膜とからなり、
    前記素子分離絶縁膜上の前記側壁部は、第1酸化膜と、前記第1酸化膜の上層に形成された第2窒化膜と、前記第2窒化膜の上層に形成された第2酸化膜とからなることを特徴とする半導体装置の電荷蓄積構造
  5. 前記第1酸化膜、前記第2酸化膜、および前記第1窒化膜は、前記導電体膜の両側に形成されていることを特徴とする、請求項4に記載の半導体装置の電荷蓄積構造。
  6. 半導体層を有する半導体基板を準備する工程と、
    前記半導体層に前記半導体層の表面よりも高く第1絶縁膜を形成する工程と、
    前記半導体層上及び前記第1絶縁膜上に線状の導電膜を形成する工程と、
    前記半導体層、前記第1絶縁膜及び前記導電膜を第1酸化膜で覆う工程と、
    前記半導体層と前記第1絶縁膜との段差部の側壁における窒化膜の膜厚が前記半導体層上及び前記第1絶縁膜上の膜厚よりも薄くなるように、前記第1酸化膜上に電荷をトラップする前記窒化膜を形成する工程と、
    前記段差部の側壁における前記窒化膜の膜厚分だけ前記窒化膜を酸化して第2酸化膜を形成し、前記窒化膜を、前記半導体層上方の領域に位置する第1窒化膜と、前記第1絶縁膜上方の領域に位置する第2窒化膜とに分離する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 前記窒化膜を形成する工程では、前記導電膜の側壁の膜厚が前記半導体層上及び前記第1絶縁膜上の膜厚よりも薄くなるように前記窒化膜を形成し、
    前記窒化膜を酸化する工程では、前記導電膜の側壁の全膜厚を酸化することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記窒化膜を形成する工程では、LPCVD法によって前記窒化膜を形成することを特徴とする、請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記LPCVD法では、前記半導体基板の上方から下方に略鉛直に向かうように反応ガスの流れを制御し、チャンバ内圧力を0.25Torrよりも低圧に制御することを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記窒化膜を酸化する工程では、前記窒化膜をラジカル酸化することを特徴とする、請求項に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記ラジカル酸化では、チャンバ内温度を900℃以上1000℃以下、チャンバ内圧力を10mTorrに制御することを特徴とする、請求項に記載の半導体装置の製造方法。
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