KR100725477B1 - Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배리어성을 갖는 절연막 사이드 월 스페이서를 갖는 반도체 장치를 제공한다. 반도체 장치는 반도체 기판 위에 형성된 게이트 산화막과 게이트 전극과; 반도체 기판내에 형성된 소스/드레인 영역과; 게이트 전극 측벽상에 형성된 2 층 이상의 적층 사이드 월 스페이서로서, 최외층 이외의 층으로서 질화막을 포함하고, 최외층은 산화막 또는 산화질화막으로 형성되고, 하면이 반도체 기판 또는 게이트 산화막 또는 질화막 이외의 다른 사이드 월 스페이서층과 접해 있는 제1 적층 사이드 월 스페이서; 를 갖는다. 또한, 불휘발성 메모리의 적층 게이트 전극 구조와; 적층 게이트 전극 구조의 측벽상에 형성되어, 중간층으로서 반도체 기판에 접하지 않는 질화막을 포함하는 3층 이상의 제2 적층 사이드 월 스페이서를 갖는 것도 할 수 있다. The present invention provides a semiconductor device having an insulating film sidewall spacer having barrier properties. The semiconductor device includes a gate oxide film and a gate electrode formed on the semiconductor substrate; Source / drain regions formed in the semiconductor substrate; A laminated sidewall spacer of two or more layers formed on the sidewall of the gate electrode, the nitride layer being formed as a layer other than the outermost layer, and the outermost layer is formed of an oxide film or an oxynitride film, and a lower surface thereof is other side than the semiconductor substrate or the gate oxide film or nitride film. A first laminated sidewall spacer in contact with the wall spacer layer; Has A stacked gate electrode structure of the nonvolatile memory; It is also possible to have three or more second laminated sidewall spacers formed on the sidewalls of the laminated gate electrode structure and including a nitride film which is not in contact with the semiconductor substrate as an intermediate layer.
Description
본 발명은 반도체 장치와 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 배리어성을 갖는 사이드 월 스페이서(side wall spacer)를 갖는 고집적도 반도체 장치와 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, and more particularly, to a highly integrated semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device having sidewall spacers having barrier properties.
최근 미세화의 요구로부터 셀프-얼라인드 콘택트(Self-Aligned Contact, SAC)를 이용하기 위해서 질화실리콘막을 이용한 사이드 월 스페이서가 이용되고 있다. 질화실리콘막은 산화 실리콘막으로 형성된 층간 절연막 사이에서 에칭에 대하여 선택성을 갖는 에칭 스토퍼로서 기능할 수 있는 배리어성의 절연막이다. Recently, in order to use self-aligned contacts (SACs) from the demand for miniaturization, sidewall spacers using silicon nitride films have been used. The silicon nitride film is a barrier insulating film that can function as an etching stopper having selectivity for etching between interlayer insulating films formed of a silicon oxide film.
MOSFET의 고집적화, 미세화와 함께 디바이스 사이즈가 축소되고 있다. 소스/드레인 영역의 pn 접합 깊이도 얕아져, 저항값이 커지는 경향이 있다. 소스/드레인 영역의 저저항화를 도모하기 위해서는 소스/드레인 영역 위에 실리사이드층을 형성하는 것이 유효하다. Device sizes are shrinking along with higher integration and miniaturization of MOSFETs. The pn junction depth of the source / drain regions also becomes shallow, and the resistance value tends to be large. In order to reduce the resistance of the source / drain regions, it is effective to form a silicide layer over the source / drain regions.
도 7A~7E는 종래의 반도체 장치의 제조 방법의 주요 공정을 도시하는 단면도이다. 7A to 7E are cross-sectional views showing main steps of the conventional method for manufacturing a semiconductor device.
도 7A에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(11) 표면에 소자 분리 홈을 에칭으 로 형성하고, 절연물을 매립하여 샬로우 트렌치 아이솔레이션(shallow trench isolation, STI)(12)을 형성한다. 또, STI 대신에 국소 산화(LOCOS)를 이용해도 좋다. 소자 분리 영역에서 획정된 활성 영역 표면을 열산화하여 게이트 산화막(13)을 형성한다. 게이트 산화막(13)상에 화학적 기상 증착(CVD)에 의해 다결정 실리콘막을 퇴적하고, 레지스트 패턴을 이용한 에칭에 의해 게이트 전극(14)을 형성한다. As shown in Fig. 7A, an element isolation groove is formed on the surface of the
게이트 전극(14)의 에칭에 있어서 HBr 및 C12로 이루어지는 혼합 가스를 에칭 가스로서 사용하여 실리콘과 실리콘 산화막과의 에칭 속도가 크게 다른 고선택비의 리액티브 이온 에칭을 행한다. 이 에칭은 실리콘 산화막의 에칭 속도가 실리콘에 대한 에칭 속도와 비교하여 매우 느리기 때문에 폴리실리콘을 에칭할 때 게이트 산화막(13)은 간신히 에칭될 뿐으로 에칭을 정지할 수 있다. 활성 영역 표면상에 게이트 산화막(13)을 남긴 상태로 다결정 실리콘막의 에칭을 종료시킨다. 이 때문에, 활성 영역 표면에는 에칭에 의한 손상이 생기기 어렵다. In the etching of the
패터닝된 게이트 전극(14)을 마스크로서, 예컨대 n 형 불순물을 이온 주입함으로써, 소스/드레인의 익스텐션 영역(15)을 형성한다. 익스텐션 영역(15)은 펀치 스루를 방지하기 위해서 얕은 접합 깊이를 갖도록 형성한다. By using the patterned
도 7B에 도시한 바와 같이 게이트 전극(14)을 덮도록 질화실리콘막을 CVD에 의해 퇴적하고, 에치백을 행하여 평탄 표면상의 질화실리콘막을 제거한다. 게이트 전극(14) 측벽 상에만 질화실리콘막의 사이드 월 스페이서(16)가 남는다. CHF3 가스를 주 에칭 가스로 함으로써 게이트 산화막(13)을 남긴 상태로 에칭을 종료시킬 수 있다. 이 때문에, 활성 영역 표면에 에칭에 의해 손상이 생기는 것을 방지할 수 있다. As shown in Fig. 7B, a silicon nitride film is deposited by CVD to cover the
도 7C에 도시한 바와 같이, 희석 불소산 수용액을 이용하여 사이드 월 스페이서 양측에 노출되어 있는 게이트 산화막(13)을 제거한다. 질화 실리콘의 사이드 월 스페이서(16)는 에칭되지 않는다. 이때, 노출되어 있는 게이트 산화막(13)이 에칭될 뿐만 아니라 사이드 월 스페이서(16) 하부의 게이트 산화막(13)도 측방에서의 에칭을 받아 게이트 전극 방향으로 후퇴한다. 이 때문에 사이드 월 스페이서(16)가 오버행(overhang) 형상이 된다. As shown in Fig. 7C, the
도 7D에 도시한 바와 같이, 게이트 전극(14), 사이드 월 스페이서(16)를 마스크로서 예컨대 n 형 불순물의 이온 주입을 행하고, 깊은 접합을 갖는 소스/드레인 영역(17)을 형성한다. 이와 같이 하여, MOSFET의 기본 구조가 형성된다. As shown in Fig. 7D, the
도 7E에 도시한 바와 같이, 소스/드레인 영역(17)을 형성한 후, 기판 표면에 실리사이드화 가능한 금속, 예컨대 Ti, Co 등을 스퍼터링으로 퇴적한다. 1차 실리사이드화 반응을 행하고 미반응 금속을 제거한 후, 2차 실리사이드화 반응을 행하여 소스/드레인 영역 및 게이트 전극 표면에 실리사이드층(18)을 형성한다. As shown in Fig. 7E, after forming the source /
게이트 전극을 덮어 기판 표면상에 산화실리콘 등의 층간 절연막(21)을 CVD에 의해 퇴적한다. 층간 절연막(21)을 관통하는 컨택트홀을 형성하고, Ti층, TiN 층 등을 스퍼터링으로 형성하여 W 층을 CVD 로 퇴적함으로써 컨택트홀 내에 금속층을 매립하고 불필요한 부분을 제거하여 도전성 플러그(22)를 형성한다. An
여기서, 도 7C에 도시한 바와 같이, 희석 불소산 수용액 처리시 질화 실리콘 사이드 월 스페이서(16) 하부에 언더컷이 생긴다. 나중 공정에서 금속이 언더컷부로 들어가서 제거되지 않고 남으면 쇼트의 원인이 된다. 또한, 언더컷 부분에 실리사이드층이 형성되면 체적 팽창에 의해 사이드 월 스페이서(16)에 스트레스를 주는 경우도 있다. Here, as shown in FIG. 7C, undercuts are generated under the silicon
일본특개평 제9-162396호 공보는 소스/드레인 영역의 형성 방법을 교시하는데, 게이트 전극의 사이드 월 스페이서로서 게이트 전극 및 게이트 절연막의 측벽을 덮는 질화막 사이드 월과 그 위에 형성된 산화막 사이드 월의 적층 사이드 월 구성을 개시한다. 질화막 사이드 월의 전체 표면상에 산화막 사이드 월이 형성되어 있기 때문에, 상기와 같은 언더컷이 생기지 않는다고 사료된다. 단지, 질화막 사이드 월이 기판 표면에 접해 있기 때문에, 질화막 사이드 월이 기판에 스트레스를 부여하는 것을 피하기 어렵다. 또한, 게이트 전극 패턴의 드라이 에칭에 있어서 게이트 절연막도 제거하면 기판 표면이 에칭되어 손상이 생기는 경우가 있다. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 9-162396 teaches a method of forming a source / drain region, which is a stacked side of a nitride film sidewall covering sidewalls of a gate electrode and a gate insulating film as sidewall spacers of a gate electrode and an oxide sidewall formed thereon. Start the month configuration. Since the oxide film sidewalls are formed on the entire surface of the nitride film sidewalls, it is considered that such undercut does not occur. However, since the nitride film sidewall is in contact with the substrate surface, it is difficult to avoid the stress of the nitride film sidewall on the substrate. In the dry etching of the gate electrode pattern, if the gate insulating film is also removed, the substrate surface may be etched and damage may occur.
플래시 메모리 장치는 플로팅 게이트 전극 중에 정보를 전하의 형태로 축적하는 불휘발성 반도체 기억 장치이며, 간단한 소자 구성을 갖고 있기 때문에, 대규모 집적 회로 장치를 구성하는 데 적합하다. The flash memory device is a nonvolatile semiconductor memory device that stores information in the form of electric charge in the floating gate electrode. Since the flash memory device has a simple device configuration, it is suitable for constructing a large scale integrated circuit device.
플래시 메모리 장치에서는 정보의 기록 및 소거가 플로팅 게이트 전극에의 핫 캐리어의 주입 및 Fowler-Nordheim 형 터널 효과에 의한 방출에 의해 이루어진다. 이러한 플래시 메모리 장치의 기록, 소거 동작을 위해서는 고전압이 필요하며, 주변 회로에 전원 전압을 승압하는 승압 회로가 설치된다. 승압 회로의 트랜지스터는 고전압으로 동작해야 한다. In the flash memory device, the writing and erasing of information is performed by the injection of hot carriers into the floating gate electrode and the release by the Fowler-Nordheim type tunnel effect. A high voltage is required for the write and erase operations of the flash memory device, and a booster circuit for boosting a power supply voltage is provided in a peripheral circuit. The transistors in the boost circuit must operate at high voltages.
최근에는, 플래시 메모리 장치를 고속 논리 회로와 같이 동일 기판상에 집적화하여 복합 기능을 갖는 반도체 집적 회로를 형성하는 것이 행해지고 있다. 고속 논리 회로를 구성하는 트랜지스터는 저전압으로 고속 동작을 해야 한다. 고속 동작을 하기 위해서는 누설 전류가 생기더라도 게이트 절연막을 얇게 하는 것이 바람직하다. 또한, 저소비 전력으로 동작하는 회로가 요구되는 경우도 있다. 저소비 전력화를 위해서, 누설 전류를 감소시키기 위해서는 게이트 절연막을 어느 정도 두텁게 하는 것이 바람직하다. 이러한 요구를 만족시키기 위해는, 동일 반도체 기판상에 복수의 전원 전압으로 동작하여 게이트 절연막의 두께가 상이한 복수 종류의 트랜지스터를 형성하는 것이 요구된다. In recent years, integrating a flash memory device on the same substrate as a high speed logic circuit has been performed to form a semiconductor integrated circuit having a complex function. Transistors constituting the high speed logic circuit must operate at high speed with low voltage. For high speed operation, it is preferable to thin the gate insulating film even if a leakage current occurs. In addition, a circuit that operates with low power consumption may be required. In order to reduce the power consumption, it is preferable to thicken the gate insulating film to some extent in order to reduce the leakage current. In order to satisfy this demand, it is required to form a plurality of transistors having different thicknesses of the gate insulating film by operating with a plurality of power supply voltages on the same semiconductor substrate.
플래시 메모리 셀의 리텐션(retention) 특성은 플로팅 게이트 전극의 전하 유지 성능에 의존한다. 리텐션 특성을 향상시키기 위해서는, 플로팅 게이트 전극을 양질의 절연막으로 둘러싸는 것이 바람직하다. 통상, 실리콘막으로 형성된 플로팅 게이트 전극의 하면은 터널 절연층, 상면은 ONO 막으로 덮어져 있고, 그 측벽상에도 열 산화막이 형성된다. 또한 그 위에 양질의 질화실리콘막을 형성하는 것이 바람직하다. 열 산화막은 축적한 전하가 누설되는 것을 막는 배리어성의 절연막이며, 질화실리콘막은 외부에서 SiH 기나 수분이 침입하는 것을 막는 배리어성의 절연막이다. The retention characteristic of the flash memory cell depends on the charge retention performance of the floating gate electrode. In order to improve the retention characteristics, it is preferable to surround the floating gate electrode with a high quality insulating film. Usually, the lower surface of the floating gate electrode formed of the silicon film is covered with the tunnel insulating layer and the upper surface is covered with the ONO film, and a thermal oxide film is also formed on the sidewall. It is also preferable to form a high quality silicon nitride film thereon. The thermal oxide film is a barrier insulating film which prevents leakage of accumulated charges, and the silicon nitride film is a barrier insulating film which prevents intrusion of SiH groups or moisture from the outside.
일본특허공개 제2003-23114호 공보는 플래시 메모리 셀, 저전압 동작 트랜지터, 고전압 동작 트랜지스터를 동일 반도체 기판상에 형성하는 방법을 개시한다. 플래시 메모리 셀의 적층 게이트 전극의 측벽상 및 그 밖의 트랜지스터의 게이트 전극 측벽상에는 동시에 사이드 월 스페이서가 형성된다. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2003-23114 discloses a method of forming a flash memory cell, a low voltage operation transistor, and a high voltage operation transistor on the same semiconductor substrate. Side wall spacers are simultaneously formed on the sidewalls of the stacked gate electrodes of the flash memory cells and on the gate electrode sidewalls of the other transistors.
도 8A~8D는 플래시 메모리 셀, 저전압 동작 트랜지스터, 고전압 동작 트랜지스터를 동시에 작성하는 반도체 장치의 제조 방법의 일예를 개략적으로 도시한다. 8A to 8D schematically show an example of a method of manufacturing a semiconductor device for simultaneously creating a flash memory cell, a low voltage operation transistor, and a high voltage operation transistor.
도 8A에 도시한 바와 같이, 소자 분리 영역을 형성한 실리콘 기판(11)의 표면이 열산화되어 터널 산화막(25)을 형성한다. 터널 산화막(25) 위에 플로팅 게이트 전극을 형성하기 위한 아몰퍼스 실리콘막(26)을 퇴적한다. 아몰퍼스 실리콘막(26) 위에 산화막(27a), 질화막(27b), 산화막(27c)으로 구성된 소위 ONO막(27)을 형성한다. 또, 아몰퍼스 실리콘막은 그 후의 열처리에 의해 다결정 실리콘막이 된다. As shown in Fig. 8A, the surface of the
레지스트 패턴을 이용하여 ONO막(27), 실리콘막(26)을 패터닝하고, 플래시 메모리의 플로팅 게이트 및 그 위의 ONO 막을 형성한다. 이때, 저전압 동작 트랜지스터 영역 및 고전압 동작 트랜지스터 영역의 ONO막, 실리콘막은 전부 제거한다. The resist pattern is used to pattern the
플래시 메모리 셀 영역을 레지스트 마스크로 덮고, 트랜지스터 영역 표면에 형성된 터널 산화막을 희석 불소산 수용액으로 제거한다. 레지스트 패턴을 제거하고 기판 표면이 열 산화되어 고전압 트랜지스터용이 두꺼운 게이트 산화막(13a)을 형성한다. The flash memory cell region is covered with a resist mask, and the tunnel oxide film formed on the surface of the transistor region is removed with a dilute hydrofluoric acid aqueous solution. The resist pattern is removed and the substrate surface is thermally oxidized to form a thick
플래시 메모리 셀 영역 및 고전압 동작 트랜지스터 영역을 레지스트 마스크로 덮고, 저전압 트랜지스터 영역 표면에 형성된 게이트 산화막을 제거한다. 레지스트 패턴을 제거한 후, 열 산화에 의해 저전압 동작 트랜지스터용의 얇은 게이트 산화막(13b)을 성장한다. 이와 같이 하여, 트랜지스터 영역에 두꺼운 게이트 산화막, 얇은 게이트 산화막이 형성된다. 3 종류 이상 두께의 게이트 산화막을 형성하는 경우, 같은 공정을 반복하여 두꺼운 게이트 산화막으로부터 순차 얇은 게이트 산화막을 형성한다. The flash memory cell region and the high voltage operation transistor region are covered with a resist mask, and the gate oxide film formed on the surface of the low voltage transistor region is removed. After the resist pattern is removed, the thin
그 후, 기판 전체 면에 다결정 실리콘막(28)을 퇴적하여 레지스트 마스크를 이용하여 패터닝함으로써, 컨트롤 게이트 전극(28c)을 형성함과 동시에, 트랜지스터 영역에서 게이트 전극(28a, 28b)을 형성한다. 실리콘막(26, 28)의 표면을 열산화함으로써 열산화막(29)을 형성한다. Thereafter, the
이와 같이 형성된 게이트 전극을 적어도 일부 마스크로서 이용하여 소스/드레인 영역의 이온 주입을 행한다. 플래시 메모리 셀 영역에서는, 예컨대 n 형 영역(31, 32, 33)이 형성되고, 트랜지스터 영역에서는 익스텐션 영역(15)이 형성된다. Ion implantation of the source / drain regions is performed using the gate electrode thus formed as at least part of the mask. In the flash memory cell region, for example, n-
도 8B에 도시한 바와 같이, 기판 전체면 상에 질화실리콘막을 감압(LP) CVD에 의해 퇴적하여 에칭함으로써 게이트 전극 및 적층 게이트 전극의 측벽상에만 사이드 월 스페이서(16)를 남긴다. As shown in Fig. 8B, the silicon nitride film is deposited and etched on the entire surface of the substrate by reduced pressure (LP) CVD to leave the
도 8C에 도시한 바와 같이, 플래시 메모리 셀 영역을 포토레지스트 패턴(PR)으로 덮고, 트랜지스터 영역에 이온 주입을 행함으로써 깊은 접합을 갖는 소스/드레인 영역(17)을 형성한다. 또, 고전압 트랜지스터와 저전압 트랜지스터를 레지스트 마스크로 분리하여 각각의 영역에 별개의 이온 주입을 행해도 좋다. As shown in FIG. 8C, the source /
도 8D에 도시한 바와 같이, 게이트 전극 및 적층 게이트 전극을 형성한 기판 상에 산화 실리콘 등의 층간 절연막(21)을 퇴적하고, 컨택트홀을 개구한다. 컨택트 홀 내에 도전층을 매립하고, 불필요부를 제거함으로써 도전성 플러그(22)를 형성한다. As shown in Fig. 8D, an
이와 같이 하여, 플래시 메모리 셀 및 게이트 절연막의 두께가 상이한, 동작 전압이 상이한 복수 종류의 트랜지스터를 형성할 수 있다. In this manner, a plurality of transistors having different operating voltages having different thicknesses of the flash memory cell and the gate insulating film can be formed.
플래시 메모리 셀에 있어서는, 적층 게이트 전극 측벽상에 양질의 열 산화막이 형성되고, 그 위에 LPCVD 에 의한 양질의 질화실리콘막(16)으로 덮는 것이 요구된다. 치밀하게 양질의 질화실리콘막을 형성하기 위해서는 예컨대 700℃ 이상의 성막 온도로 LPCVD를 행하는 것이 요구된다. In a flash memory cell, it is required to form a high quality thermal oxide film on the sidewalls of the stacked gate electrodes, and to cover the high quality
트랜지스터 영역에서는 LPCVD 에 의한 질화실리콘막 등의 배리어성을 갖는 절연막 형성 전에 얕은 접합 깊이를 갖는 익스텐션 영역(15)이 형성되어 있다. 이 익스텐션 영역에 대하여 700℃ 이상의 열처리를 행하면 불순물의 열확산이 생겨서 원하는 형상을 유지할 수 없게 될 가능성이 있다. In the transistor region, an
논리 회로에서 소스/드레인 영역의 저저항화를 도모하기 위해서는 도 7E에 도시한 바와 같이 실리콘 표면에 실리사이드층을 형성하는 것이 요구된다. 실리사이드층 형성 이전에는 기판 표면을 희석 HF 수용액에 의해 청정화해야 한다. 그러면, 도 7A~7E의 제조 공정에 대하여 설명한 바와 같이, 사이드 월 스페이서 하부에 사이드 에칭된 공극이 발생하여 사이드 월 스페이서가 오버행 형상이 된다. 오버행이 생기면 쇼트 등의 원인이 될 가능성이 있다. In order to reduce the resistance of the source / drain regions in the logic circuit, it is required to form a silicide layer on the silicon surface as shown in Fig. 7E. Prior to silicide layer formation, the substrate surface must be cleaned by dilute HF aqueous solution. Then, as described about the manufacturing process of FIGS. 7A-7E, the space | gap side-etched below the sidewall spacer generate | occur | produces and a sidewall spacer becomes overhang shape. If an overhang occurs, it may cause a short or the like.
이와 같이, 복수 종류의 반도체 소자를 동일 반도체 기판상에 형성하여 각 반도체 소자의 특성을 최적화하고자 하면 다른 반도체 소자에 예기하지 않는 불이 익을 주게 되는 경우가 있다. As described above, when plural kinds of semiconductor elements are formed on the same semiconductor substrate to optimize the characteristics of each semiconductor element, there may be a case where other semiconductor elements have an unexpected advantage.
특허문헌Patent Literature
일본특개평 제9-162396호 공보 Japanese Patent Laid-Open No. 9-162396
일본특허공개 제2003-23114호 공보Japanese Patent Publication No. 2003-23114
(발명의 개시)(Initiation of invention)
본 발명의 목적은 배리어성을 갖는 절연막으로 형성된 사이드 월 스페이서를 가지며, 또한 사이드 월 스페이서 작성에 의한 문제점을 생기게 하지 않는 반도체 장치를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device having sidewall spacers formed of an insulating film having barrier properties and which does not cause a problem due to sidewall spacers.
본 발명의 다른 목적은 플래시 메모리 셀과 저전압 동작 트랜지스터나 고전압 동작 트랜지스터를 집적화하고, 또한 이종 트랜지스터를 혼재함으로 인한 문제점을 생기게 하지 않는 반도체 장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device integrating a flash memory cell with a low voltage operation transistor or a high voltage operation transistor, and which does not cause a problem by mixing heterogeneous transistors.
본 발명의 또 다른 목적은 이들 반도체 장치를 제조하는 데 알맞은 반도체 장치의 제조법을 제공하는 것이다. It is still another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device suitable for manufacturing these semiconductor devices.
본 발명의 한 관점에 따르면, 반도체 기판과 ; 상기 반도체 기판상에 형성된 제1 게이트 산화막과 ; 상기 제1 게이트 산화막상에 형성된 제1 게이트 전극과 ; 상기 제1 게이트 전극 양측의 상기 반도체 기판내에 형성된 제1 소스/드레인 영역과 ; 상기 제1 게이트 전극 측벽상에 형성된 2 층 이상의 적층 사이드 월 스페이서로서, 최외층 이외의 층으로서 질화막을 포함하고, 최외층은 산화막 또는 산화 질화막으로 형성되고, 하면이 상기 반도체 기판 또는 제1 게이트 산화막 또는 질화막 이외의 다른 사이드 월 스페이서층과 접해 있는 제1 적층 사이드 월 스페이서를 갖는 반도체 장치가 제공된다. According to one aspect of the invention, a semiconductor substrate; A first gate oxide film formed on the semiconductor substrate; A first gate electrode formed on the first gate oxide film; First source / drain regions formed in the semiconductor substrate on both sides of the first gate electrode; Two or more laminated sidewall spacers formed on the sidewalls of the first gate electrode, the nitride layer being formed as a layer other than the outermost layer, and the outermost layer is formed of an oxide film or an oxynitride film, and a lower surface thereof is formed of the semiconductor substrate or the first gate oxide film. Or a semiconductor device having a first laminated sidewall spacer in contact with a sidewall spacer layer other than a nitride film.
본 발명의 다른 관점에 따르면, (a) 반도체 기판상에 게이트 절연막을 형성하는 공정과 ; (b) 상기 게이트 절연막상에 도전막을 형성하는 공정과 ; (c) 상기 도전막을 에칭하여 게이트 전극을 형성함과 동시에, 상기 게이트 절연막을 노출하는 공정과 ; (d) 상기 게이트 절연막에 대하여 에칭 선택성을 갖는 제1 절연막을 전체면에 퇴적하고, 이방성 에칭에 의해 상기 게이트 전극 측벽상에 제1 사이드 월 스페이서층을 남기는 공정과 ; (e) 상기 게이트 절연막을 에칭하여 상기 반도체 기판의 표면을 노출하는 공정과 ; (f) 상기 반도체 기판 전체면에 제2 절연막을 퇴적하고, 이방성 에칭에 의해 상기 제1 사이드 월 스페이서의 측벽상에 제2 사이드 월 스페이서층을 남기는 공정과 ; (g) 상기 제1, 제2 사이드 월 스페이서를 통해 이온 주입을 행하고, 소스/드레인 영역을 형성하는 공정과 ; (h) 희석 불소산 수용액으로 상기 반도체 기판 표면을 노출하는 공정과 ; (i) 노출한 반도체 기판 표면에 실리사이드층을 형성하는 공정; 을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다. According to another aspect of the invention, (a) forming a gate insulating film on a semiconductor substrate; (b) forming a conductive film on the gate insulating film; (c) etching the conductive film to form a gate electrode and exposing the gate insulating film; (d) depositing a first insulating film having an etching selectivity with respect to the gate insulating film on the entire surface, and leaving a first sidewall spacer layer on the gate electrode sidewall by anisotropic etching; (e) etching the gate insulating film to expose a surface of the semiconductor substrate; (f) depositing a second insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate, and leaving a second sidewall spacer layer on the sidewall of the first sidewall spacer by anisotropic etching; (g) implanting ions through the first and second sidewall spacers to form source / drain regions; (h) exposing the surface of the semiconductor substrate with a dilute hydrofluoric acid aqueous solution; (i) forming a silicide layer on the exposed semiconductor substrate surface; There is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising a.
도 1A ~ 도 1E는 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 공정을 개략적으로 도시하는 반도체 기판의 단면도이다. 1A to 1E are cross-sectional views of a semiconductor substrate schematically showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
도 2A ~ 도 2E는 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 공정을 개략적으로 도시하는 반도체 기판의 단면도이다. 2A to 2E are cross-sectional views of a semiconductor substrate schematically showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
도 3A ~ 도 3E는 본 발명의 제3 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 공정을 개략적으로 도시하는 반도체 기판의 단면도이다. 3A to 3E are cross-sectional views of a semiconductor substrate schematically showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
도 4A ~ 도 4E는 본 발명의 제4 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 공정을 개략적으로 도시하는 반도체 기판의 단면도이다. 4A to 4E are cross-sectional views of a semiconductor substrate schematically showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
도 5A ~ 도 5D는 플래시 메모리 셀의 구성을 개략적으로 설명하는 평면도 및 등가 회로도이다. 5A to 5D are plan views and equivalent circuit diagrams schematically illustrating the configuration of flash memory cells.
도 6A ~ 도 6U는 본 발명의 제5 실시예에 의한 플래시 메모리 셀과 다른 트랜지스터를 혼재한 반도체 장치의 제조 공정을 개략적으로 도시하는 반도체 기판의 단면도이다. 6A to 6U are cross-sectional views of a semiconductor substrate schematically showing a manufacturing process of a semiconductor device in which a flash memory cell and another transistor are mixed according to the fifth embodiment of the present invention.
도 7A ~ 도 7E는 종래 기술에 의한 반도체 장치의 제조 공정을 개략적으로 도시하는 반도체 기판의 단면도이다. 7A to 7E are cross-sectional views of a semiconductor substrate schematically showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the prior art.
도 8A ~ 도 8D는 종래 기술의 플래시 메모리 셀과 다른 트랜지스터를 혼재한 반도체 장치의 제조 공정을 개략적으로 도시하는 반도체 기판의 단면도이다. 8A to 8D are cross-sectional views of a semiconductor substrate schematically showing a manufacturing process of a semiconductor device in which a conventional flash memory cell and another transistor are mixed.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)(The best mode for carrying out the invention)
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 도 1A-lE는 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A to 1E are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
도 1A에 도시한 바와 같이, 예컨대 p 형의 반도체 기판(11)의 표면에 소자 분리용 홈을 형성하여 절연막을 매립하고, 불필요부를 화학 기계 연마(CMP)에 의해 제거하여 STI 형 소자 분리 영역(12)을 형성한다. 소자 분리 영역(12)으로 획정된 활성 영역 표면을 800℃~1100℃에서 열산화하여 게이트 산화막(13)을 형성한다. 게이트 산화막(13)을 덮도록 반도체 기판 표면상에 다결정 실리콘막을 퇴적한다. 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 다결정 실리콘막을 에칭함으로써, 게이트 전극(14)을 패터닝한다. As shown in Fig. 1A, for example, an isolation layer is formed on the surface of a p-
이때, 에칭 가스에는 HBr 및 C12로 이루어지는 혼합 가스를 사용하여 실리콘과 실리콘 산화막과의 에칭 속도가 크게 상이한 고선택비의 리액티브 이온 에칭(RIE)을 행한다. 이 에칭은 Si에 대한 실리콘 산화막의 에칭 속도가 매우 느리기 때문에 폴리실리콘을 에칭할 때 게이트 산화막(13)은 간신히 에칭될 뿐으로 에칭을 정지할 수 있다. 그 후 레지스트 패턴은 제거한다. 형성된 게이트 전극을 마스크로 하여, 예컨대 n 형 불순물을 얕게 이온 주입하여 소스/드레인의 익스텐션 영역(15)을 형성한다. At this time, a high selectivity reactive ion etching (RIE) having a large difference in etching rate between silicon and a silicon oxide film is performed using a mixed gas composed of HBr and C1 2 as the etching gas. Since the etching rate of the silicon oxide film with respect to Si is very slow, the etching can only stop the
도 1B에 도시한 바와 같이, 게이트 전극을 덮도록 질화실리콘막을 퇴적하고, 그 후 에치백을 행하여 게이트 전극(14) 측벽 상에만 질화실리콘막의 사이드 월 스페이서(16)를 남긴다. 이 에칭은 CHF3을 주된 에칭 가스로 한 리액티브 이온 에칭(RIE)에 의해 행하고, 게이트 산화막(13)을 남기도록 한다. 또, 기판에의 손상이 문제가 되지 않는 경우는, 게이트 산화막(13)을 에칭 제거해도 좋다. As shown in Fig. 1B, a silicon nitride film is deposited to cover the gate electrode, and then etched back to leave the
도 1C에 도시한 바와 같이, 남은 게이트 산화막(13) 또는 게이트 산화막을 이미 제거한 경우는 기판 표면에 형성된 자연 산화막을 제거하기 위해서, 산화실리콘의 등방성 에칭을 행한다. 등방성 에칭은 손상이 적은 에칭 방법으로, 예컨대 희석 불소산 수용액, 다운스트림법 드라이 에칭에 의해 행할 수 있다. 등방성 에칭은 측방에도 에칭이 진행되기 때문에, 사이드 월 스페이서(16) 아래쪽의 게이트 산화막(13)이 후퇴한다. 이와 같이 하여 사이드 월 스페이서(16)의 아래에 언더컷이 발생한다. As shown in Fig. 1C, when the remaining
도 1D에 도시한 바와 같이, 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS)를 이용하여 실리콘 산화막(23)을 기판 전체면에 퇴적한다. 산화실리콘막(23)은 언더컷도 매립하여 전체면에 퇴적한다. 예컨대 CF4를 주된 에칭 가스로 한 RIE를 이용하여 이방성 에칭을 행한다. 평탄부상의 산화실리콘막을 제거하여, 질화실리콘막의 사이드 월 스페이서(16) 측면을 덮고, 또한 언더컷 부분을 매립하는 산화실리콘막의 사이드 월 스페이서(23)가 형성된다. As shown in Fig. 1D,
실리사이드 반응에 앞서서 희석 불소산 수용액을 이용하여 반도체 기판(11) 표면상 및 게이트 전극(14) 표면상의 산화실리콘막을 제거하여 청정한 표면을 노출한다. 사이드 월 스페이서는 그 전체 측면이 TEOS 실리콘 산화막으로 형성되어 있기 때문에, 에칭 속도가 균일하여 언더컷은 생기지 않는다. 이 때문에, 예측할 수 없는 쇼트나 왜곡을 방지할 수 있다. Prior to the silicide reaction, the silicon oxide film on the surface of the
도 1E에 도시한 바와 같이, 반도체 기판 표면상에 실리사이드화 가능한 금속, 예컨대 Co 또는 Ti 층을, 예컨대 두께 30 nm 정도 스퍼터링으로 성막한다. 1차 실리사이드화 반응을, 예컨대 550℃, 30 초간 래피드 서멀 어닐링(RTA)으로 행하여, Si와 금속과의 1차 실리사이드화 반응을 생기게 한다. 미반응의 금속층을 제거한 후, 2차 실리사이드화 반응을, 예컨대 800℃, 30초간 RTA으로 행하여 실리사이 드층(18)을 형성한다. As shown in Fig. 1E, a silicideable metal such as Co or Ti layer is formed on the semiconductor substrate surface by sputtering, for example, about 30 nm thick. The primary silicided reaction is carried out, for example, by rapid thermal annealing (RTA) at 550 ° C. for 30 seconds to give rise to a primary silicided reaction of Si and metal. After removing the unreacted metal layer, the secondary silicide reaction is performed by RTA, for example, at 800 ° C. for 30 seconds to form the
언더컷이 생기는 일없이 실리사이드층을 형성할 수 있고 질화실리콘막을 포함하는 사이드 월 스페이서가 형성되어 있기 때문에, 도 7E에 도시한 바와 같은 SAC 공정을 행할 수도 있다.Since a silicide layer can be formed without undercut and the sidewall spacer containing a silicon nitride film is formed, a SAC process as shown in FIG. 7E can also be performed.
도 2A-2E는 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 2A-2E are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
도 2A, 2B는 도 1A, 1B와 동일한 구성이며, 동일한 공정에 의해 제조할 수 있다. 2A and 2B have the same configuration as that of FIGS. 1A and 1B and can be manufactured by the same process.
도 2C에 도시한 바와 같이, 질화실리콘의 사이드 월 스페이서(16)를 덮도록 TEOS 산화실리콘의 사이드 월 스페이서(23)를 형성한다. TEOS 산화실리콘막은 열산화막보다 에칭율이 빠르다. 사이드 월 스페이서(23)의 형성에 있어서 컨트롤 에칭을 행하여 게이트 산화막(13)을 남기도록 한다. As shown in Fig. 2C, the
도 2D에 도시한 바와 같이, 실리사이드화 반응을 위해 희석 불소산 수용액을 이용하여 기판(11) 표면과 게이트 전극(14) 표면을 노출한다. 이 에칭에 있어서, TEOS 산화실리콘막(23)은 열산화된 게이트 산화막(13)보다도 에칭 속도가 빠르기 때문에, 게이트 산화막(13)과 TEOS 산화실리콘막(23)이 동시에 에칭될 때, 게이트 산화막(13)의 에칭이 지연되어 돌출이 형성되더라도 언더컷은 형성되지 않는다. As shown in FIG. 2D, the surface of the
도 2E에 도시한 바와 같이, 제1 실시예와 마찬가지로 노출한 실리콘 표면상에 실리사이드층(18)을 형성한다. As shown in Fig. 2E, the
본 실시예에 따르면, 사이드 월 스페이서 아래쪽으로는 게이트 산화막이 노 출되지만, 사이드 월 스페이서의 최외층은 게이트 산화막보다도 에칭 레이트가 빠른 산화실리콘막으로 형성되기 때문에, 언더컷은 생기지 않는다. 사이드 월 스페이서는 질화실리콘막을 포함하여 SAC 공정을 행할 수 있다. 질화실리콘막은 기판 표면에는 접하지 않아 과도한 왜곡을 주는 것도 방지된다. According to this embodiment, the gate oxide film is exposed below the sidewall spacer, but since the outermost layer of the sidewall spacer is formed of a silicon oxide film whose etching rate is faster than that of the gate oxide film, no undercut occurs. The side wall spacer may include a silicon nitride film to perform a SAC process. The silicon nitride film does not come into contact with the substrate surface to prevent excessive distortion.
도 3A-3E는 본 발명의 제3 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 3A-3E are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
도 3A는 도 1A와 동일한 구성이며, 동일한 공정에 의해 작성할 수 있다. FIG. 3A is the same as that of FIG. 1A, and can be created by the same process.
도 3B에 도시한 바와 같이 게이트 전극(14)을 덮도록 TEOS에서 형성한 산화 실리콘막, 질화실리콘막을 연속적으로 퇴적하고 에치백을 행하여 게이트 전극(14) 측벽상을 덮는 산화실리콘막(24), 질화실리콘막(16)의 적층 사이드 월 스페이서를 형성한다. 또, TEOS 산화실리콘막 대신에 열 산화에 의한 산화실리콘막을 이용해도 좋다. 사이드 월 스페이서 형성시 질화실리콘막의 에칭에는 CHF3 가스를 주로 한 에칭 가스를 이용하고, 산화실리콘막의 에칭에는 CF4 가스를 주로 한 에칭 가스를 이용한다. 게이트 산화막(2)을 남기는 경우에는 시간을 제한한 컨트롤 에칭을 행한다. As shown in FIG. 3B, a silicon oxide film formed by TEOS and a silicon nitride film formed by TEOS are successively deposited and etched back to cover the
도 3C에 도시한 바와 같이 활성 영역 표면을 노출하도록 희석 불소산 수용액으로 게이트 산화막 또는 실리콘 표면상의 자연 산화막을 제거한다. 기판 표면상의 산화 실리콘막이 제거됨과 동시에, 게이트 산화막(13), 사이드 월 스페이서의 산화실리콘막(24)도 에칭되기 때문에, 질화실리콘막 사이드 월 스페이서(16)의 아래쪽 으로는 언더컷이 생긴다. As shown in FIG. 3C, the gate oxide film or the native oxide film on the silicon surface is removed with dilute hydrofluoric acid solution so as to expose the active region surface. Since the silicon oxide film on the substrate surface is removed, the
도 3D에 도시한 바와 같이, TEOS를 이용한 산화 실리콘막을 퇴적하여 에치백함으로써 사이드 월 스페이서(23)를 형성한다. 사이드 월 스페이서(23)는 질화실리콘막의 사이드 월 스페이서 아래의 언더컷 부분을 매립하여 언더컷이 없는 외표면을 형성한다. As shown in FIG. 3D, the
도 3E에 도시한 바와 같이, 전술의 실시예와 마찬가지로 노출되어 있는 실리콘 표면상에 실리사이드층(18)을 형성한다. As shown in Fig. 3E, the
본 실시예에 따르면, 사이드 월 스페이서가 산화실리콘막, 질화실리콘막, 산화실리콘막의 3 층으로 형성되어 최외측의 사이드 월 스페이서(23)는 기판 표면에 달하기 때문에, 실리사이드층 형성에 앞서는 희석 불소산 수용액의 세정 공정에서 언더컷이 생기는 것을 방지할 수 있다. 사이드 월 스페이서는 질화실리콘막을 포함하여 SAC 공정을 행할 수 있다. 질화실리콘막은 기판 표면에는 접하지 않아 과도한 왜곡을 주는 것도 방지된다. According to this embodiment, since the side wall spacer is formed of three layers of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film, and the outermost
도 4A-4E는 본 발명의 제4 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 4A-4E are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
도 4A는 도 1A와 동일 구성이며, 동일 공정에 의해 작성할 수 있다. FIG. 4A has the same configuration as FIG. 1A and can be produced by the same process.
도 4B에 도시한 바와 같이, 제3 실시예와 마찬가지로 게이트 전극(14)을 덮도록 산화실리콘막(24), 질화실리콘막(16)의 적층을 퇴적하여, 질화실리콘막(16)을 에치백한다. CHF3를 주 에칭 가스로 하는 RIE를 선택성 좋게 행함으로써, 질화실리 콘막(16)의 사이드 월 스페이서를 형성하고, 그 아래의 산화실리콘막(24)은 남는다. As shown in FIG. 4B, a stack of
도 4C에 도시한 바와 같이 기판 전체면 상에 산화실리콘막(23)을 퇴적하고, 에치백을 행하여 평탄부 상의 산화실리콘막(23, 24)을 제거한다. 게이트 전극(14) 측벽 상에 산화실리콘막(24), 질화실리콘막(l6), 산화실리콘막(23)의 3 층의 적층 구조로 이루어지는 사이드 월 스페이서가 형성된다. 게이트 산화막(13)의 상면, 게이트 전극(14)의 측면 상에 제1 산화실리콘막(24)이 구부러진 형상으로 형성되고, 그 위에 질화실리콘막(16), 산화실리콘막(23)의 적층으로 이루어지는 사이드 월 스페이서가 형성된 형상이 된다. 이 단계에서 소스/드레인 영역(17) 형성용의 이온 주입을 행한다. As shown in Fig. 4C, the
도 4D에 도시한 바와 같이, 희석 불소산 수용액을 이용하여 실리콘 기판 표면에 존재할 수 있는 게이트 산화막, 자연 산화막을 제거하여 청정한 실리콘 표면을 노출한다. 게이트 산화막 측면이 노출되어 있지만, 산화 실리콘막(23) 보다도 에칭 속도가 느리기 때문에, 언더컷은 생기지 않는다. As shown in FIG. 4D, the gate oxide film and the natural oxide film which may exist on the surface of the silicon substrate are removed using a dilute hydrofluoric acid aqueous solution to expose a clean silicon surface. Although the gate oxide film side surface is exposed, since the etching speed is slower than that of the
도 4E에 도시한 바와 같이, 도 1E와 같은 실리사이드화 반응을 행하고, 실리콘 표면에 실리사이드층(18)을 형성한다. 언더컷이 없는 실리콘 표면상에 저저항의 실리사이드층이 형성되어 전극 영역의 저항을 저감한다. As shown in Fig. 4E, the same silicide reaction as in Fig. 1E is performed to form the
본 실시예에서는 측벽 측면에 있어서 게이트 산화막과 그 위의 산화 실리콘막이 노출되지만, 게이트 산화막의 에칭 속도는 그 위에 산화 실리콘막의 에칭 속도보다도 느리고, 사이드 에칭이 억제되기 때문에 언더컷이 생기는 것은 방지된다. 사이드 월 스페이서는 층간 절연막의 에칭에 대하여 배리어성을 갖는 절연막인 질화실리콘막을 포함하고, SAC 공정을 행할 수 있다. 질화실리콘막은 기판 표면에는 접하지 않아 과도한 왜곡을 주는 것도 방지된다. In this embodiment, the gate oxide film and the silicon oxide film thereon are exposed on the sidewall side, but the etching rate of the gate oxide film is lower than the etching rate of the silicon oxide film thereon, and the side etching is suppressed, so that the undercut is prevented from occurring. The side wall spacer includes a silicon nitride film which is an insulating film having barrier property against etching of the interlayer insulating film, and can perform a SAC process. The silicon nitride film does not come into contact with the substrate surface to prevent excessive distortion.
이하, 플래시 메모리와 논리 회로용 메모리, 플래시 메모리 구동용 고전압 트랜지스터 등을 혼재하는 반도체 장치의 실시예를 설명한다. An embodiment of a semiconductor device in which a flash memory, a logic circuit memory, a flash memory driving high voltage transistor, and the like are mixed will be described below.
도 5A, 5B는 NOR 형 플래시 메모리의 구성을 도시하는 평면도 및 등가 회로도이다. 도 5A에 도시한 바와 같이, 반도체 기판에 소자 분리 영역(ISO)을 형성하고 활성 영역(AR)을 획정한다. 활성 영역(AR) 상에 터널 산화막을 형성하여 전체면 상에 부동 게이트가 되는 아몰퍼스 실리콘막 및 ONO 막을 퇴적하고, 활성 영역(AR)의 형상에 따른 형태로 패터닝한다. 그 후, ONO 막을 퇴적하고 컨트롤 게이트가 되는 다결정 실리콘막을 퇴적하고 플로팅 게이트와 직교하는 방향으로 패터닝하고, 노출한 아래쪽의 ONO 막, 플로팅 게이트도 패터닝한다. 소스·드레인 영역의 이온 주입을 행하고, 플래시 메모리의 기본 구조를 작성한다. 층간 절연막을 통해 활성 영역(AR)와 교차하는 방향으로 소스 라인(SL)을 형성하고 소스 영역에 접속한다. 또한 층간 절연막을 통해 활성 영역에 따르는 방향으로 비트 라인(BL)을 형성하고 드레인 영역에 접속한다. 5A and 5B are a plan view and an equivalent circuit diagram showing the configuration of a NOR type flash memory. As shown in Fig. 5A, an isolation region ISO is formed on a semiconductor substrate and the active region AR is defined. A tunnel oxide film is formed on the active region AR to deposit an amorphous silicon film and an ONO film serving as a floating gate on the entire surface, and are patterned in a shape corresponding to the shape of the active region AR. Thereafter, an ONO film is deposited, a polycrystalline silicon film serving as a control gate is deposited and patterned in a direction orthogonal to the floating gate, and the exposed ONO film and floating gate are also patterned. Ion implantation of the source and drain regions is performed to create a basic structure of the flash memory. The source line SL is formed in the direction crossing the active region AR through the interlayer insulating layer and connected to the source region. In addition, the bit line BL is formed in the direction along the active region through the interlayer insulating layer and connected to the drain region.
도 5B에 도시한 바와 같이, 플로팅 게이트(FG), 컨트롤 게이트(CG)를 포함하는 각 플래시 메모리 셀(MC)은 공통의 비트 라인(BL)에 접속됨과 동시에, 각각 별개의 소스 라인에 접속되어 개별로 판독하는 것이 가능하다. As shown in FIG. 5B, each of the flash memory cells MC including the floating gate FG and the control gate CG is connected to a common bit line BL and is connected to a separate source line. It is possible to read them individually.
도 5C, 5D는 NAND 형 플래시 메모리의 구성을 도시하는 평면도 및 등가 회로 도이다. 도 5C에 도시한 바와 같이, 도 5A와 같은 활성 영역(AR)을 도면 중 세로 방향으로 획정하도록 소자 분리 영역(ISO)을 형성한다. 각 활성 영역(AR)에 따른 방향으로 플로팅 게이트(FG)를 형성하고, 교차하는 방향으로 컨트롤 게이트(CG)를 형성하고 아래쪽 플로팅 게이트(FG)도 패터닝한다. 5C and 5D are plan views and equivalent circuit diagrams showing the configuration of a NAND type flash memory. As shown in FIG. 5C, the device isolation region ISO is formed to define the active region AR as shown in FIG. 5A in the vertical direction in the drawing. The floating gate FG is formed in the direction corresponding to each active region AR, the control gate CG is formed in the crossing direction, and the lower floating gate FG is also patterned.
도 5D에 도시한 바와 같이, 복수의 플래시 메모리 셀(MC)이 직렬로 접속되고, 선택 게이트(SG)를 통해 판독 회로에 접속되어 있다. 선택 게이트(SG)에 온 전압을 인가하고 판독 대상 셀에 대하여 축적 전하에 따라서 온/오프 상태가 되는 판독 전압을 인가하고, 다른 플래시 메모리 셀(MC)에는 강제적으로 온 상태로 하는 온 전압을 인가한다. 복수의 트랜지스터 구조를 통해 판독 대상의 메모리 셀(MC)의 기억 상태가 판독된다. As shown in FIG. 5D, a plurality of flash memory cells MC are connected in series and connected to a read circuit through the selection gate SG. An on voltage is applied to the selection gate SG, a read voltage that is turned on / off according to the accumulated charge is applied to the read target cell, and an on voltage that is forcibly turned on is applied to the other flash memory cells MC. do. The memory state of the memory cell MC to be read is read out through the plurality of transistor structures.
이하, 플래시 메모리 셀은 도 5A에 도시하는 X-X'선에 따른 단면도를 예로서 설명하는데, NAND 형 플래시 메모리 셀도 마찬가지 공정으로 작성할 수 있는 것은 자명할 것이다. Hereinafter, the cross section of the flash memory cell along the line X-X 'shown in FIG. 5A will be described as an example, but it will be apparent that the NAND type flash memory cell can be created by the same process.
도 6A에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(11)의 활성 영역 표면상에 800℃~1000℃의 열 산화에 의해, 두께 8 nm-10 nm의 터널 산화막(25)을 형성한다. 또한, 도면 중에는 좌측에 플래시 메모리 셀을 형성하는 메모리 영역, 중앙에 저전압 동작 트랜지스터를 형성하는 논리 회로 영역, 우측에 고전압 트랜지스터를 형성하는 주변 회로 영역을 도시한다. 논리 회로 영역에 게이트 산화막 두께가 상이한 복수 종의 트랜지스터를 형성해도 좋다. 각 영역은 각각 STI 등의 소자 분리 영역에 의해 획정되어 있다. 트랜지스터 영역에는 터널 산화막을 형성할 필요는 없지만, 기 판 표면의 열 산화에 의해 동시에 형성되어 버린다. As shown in FIG. 6A, a
도 6B에 도시한 바와 같이, 터널 산화막(25) 위에 두께 80 nm-120 nm, P 농도 5E19(5× 1019)cm-3 정도의 도핑된 아몰퍼스 실리콘막을 약 500℃의 CVD 로 퇴적하고, 그 위에 ONO 막(27)을 형성한다. 또, 도핑된 아몰퍼스 실리콘막은 그 후의 열 처리에 의해 다결정 실리콘막으로 변환된다. As shown in FIG. 6B, a doped amorphous silicon film having a thickness of 80 nm-120 nm and a P concentration of 5E19 (5 × 10 19 ) cm −3 on the
도 6C에 도시한 바와 같이, ONO 막은 산화실리콘막(27a), 질화실리콘막(27b), 산화실리콘막(27c)의 적층으로 형성되어 있다. 우선, 아몰퍼스 실리콘막(26) 상에 두께 5 nm-10 nm의 산화 실리콘막(27a)을 기판 온도 750 ℃ 이상, 예컨대 800℃의 고온 CVD 에 의해 퇴적한다. 산화실리콘막(27a)의 위에, 두께 5 nm-10 nm의 질화실리콘막(27b)을, 예컨대 700℃ 이상의 감압 CVD 에 의해 성막한다. 질화실리콘막(27b)의 표면을 950℃ 에서 열 산화하여, 두께 3 nm-10 nm의 열산화 실리콘막(27c)을 형성한다. As shown in Fig. 6C, the ONO film is formed by laminating a
이와 같이 형성한 ONO 막(27)은 우수한 누설 전류 방지 기능을 갖는다. 70O℃ 이상의 성막 온도를 채용하지만, 트랜지스터 영역에는 아직 확산 영역은 형성되어 있지 않아 문제는 생기지 않는다. The
도 6D에 도시한 바와 같이, 플래시 메모리 셀 영역을 레지스트 패턴(PR1)으로 덮고, 저전압 동작 트랜지스터 영역, 고전압 동작 트랜지스터 영역의 ONO 막(27), 실리콘막(26), 터널 산화막(25)을 제거한다. 소자 분리 영역상의 이들 막도 제거된다. 기판 표면에 손상을 주지 않도록, 터널 산화막(25)의 제거는 희석 HF 수용액에 의한 웨트 에칭에 의해 행한다. As shown in Fig. 6D, the flash memory cell region is covered with a resist pattern PR1, and the
도 6E에 도시한 바와 같이, 기판(11) 표면에 고전압 트랜지스터의 게이트 산화막에 알맞은 두께 10 nm-50 nm의 열 산화막(13a)을 800℃-1100℃의 열 산화로 형성한다. 저전압 동작 트랜지스터 영역에도 같은 산화실리콘막이 형성된다. 플래시 메모리 셀 영역은 ONO 막(27)으로 덮어져 있기 때문에 산화가 진행되지 않는다. As shown in Fig. 6E, a
도 6F에 도시한 바와 같이, 플래시 메모리 셀 영역 및 고전압 동작 트랜지스터 영역을 덮는 레지스트 마스크(PR2)를 형성하여, 저전압 트랜지스터 영역의 산화 실리콘막(13a)을 희석 불소산 수용액에 의해 제거한다. As shown in Fig. 6F, a resist mask PR2 covering the flash memory cell region and the high voltage operation transistor region is formed to remove the
도 6G에 도시한 바와 같이, 800℃-1100℃의 열산화에 의해 저전압 동작 트랜지스터 영역 표면에 두께 1 nm-l0nm의 게이트 산화막(13b)을 형성한다. 이와 같이 하여, 저전압 동작 트랜지스터 영역에서는 얇은 게이트 산화막, 고전압 동작 트랜지스터 영역에서는 두꺼운 게이트 산화막이 형성된다. 또, 트랜지스터의 게이트 산화막을 산화실리콘 대신에, 산화질화실리콘으로 형성할 수도 있다. As shown in Fig. 6G, a
도 6H에 도시한 바와 같이, 예컨대 기판 온도 620℃에서 기판 표면상에 다결정 실리콘막(28)을 CVD에 의해 두께 80 nm-250 nm 퇴적한다. 이 다결정 실리콘막(28)은 그 후 패터닝되어 플래시 메모리 셀에서는 컨트롤 게이트 전극을 형성하고, 트랜지스터 영역에서는 게이트 전극을 형성한다. As shown in Fig. 6H, a
다결정 실리콘막(28) 위에, 예컨대 기판 온도 400℃에서 플라즈마 CVD에 의해 질화실리콘막(34)을 두께 10 nm-25 nm 형성한다. 또, 열 질화실리콘막이나 플라즈마 CVD 에 의한 산화질화실리콘막을 형성하는 것도 가능하다. 이 질화실리콘막은 에치스토퍼나 열 산화시 이온 주입시의 마스크로서 기능하면 되고, 그다지 치밀성, 고품질은 필요로 하지 않는다. A
도 6I에 도시한 바와 같이, 질화실리콘막(34) 위에 플래시 메모리 셀의 적층 게이트 구조의 패턴을 가지고, 저전압 동작 트랜지스터 영역, 고전압 동작 트랜지스터 영역을 덮는 레지스트 패턴(PR3)을 형성한다. 이 레지스트 패턴(PR3)을 마스크로 하고, 플라즈마 질화실리콘막(34), 다결정 실리콘막(28), ONO 막(27), 실리콘막(26)을 에칭한다. 플래시 메모리 셀 영역에서는 실리콘막의 플로팅 게이트 전극(26), 그 위의 ONO 막(27), 컨트롤 게이트 전극(28c), 플라즈마 질화실리콘막(34)이 패터닝된다. 그 후 레지스트 패턴(PR3)은 제거한다. As shown in FIG. 6I, a resist pattern PR3 is formed on the
도 6J에 도시한 바와 같이, 플래시 메모리 셀의 실리콘막 측면상에 800℃-900℃의 열 산화에 의해 보호 산화막(35)을 두께 1 nm-5 nm 형성한다. 열 산화막은 캐리어의 누설에 대하여 높은 배리어성을 갖는 절연막이다. 저전압 동작 트랜지스터 영역, 고전압 동작 트랜지스터 영역에서는 다결정 실리콘막(28) 위를 질화실리콘막(34)이 덮고 있기 때문에 열 산화는 행해지지 않는다. As shown in Fig. 6J, the
도 6K에 도시한 바와 같이, 플래시 메모리 셀의 게이트 전극의 한쪽 측 및 저전압 동작 트랜지스터 영역, 고전압 동작 트랜지스터 영역을 덮는 레지스트 패턴(PR4)을 형성한다. 레지스트 패턴(PR4)의 개구내에 노출된 영역에 대하여, 예컨대 P+ 이온을 가속 에너지 50 keV-80 keV, 도우즈량 1× 1014cm-2-5× 1O14 cm- 2 로 이온 주입하고 드레인용 n 형 영역(31)을 형성한다. 또한 As+ 이온을 가속 에너지 30 keV-50 keV, 도우즈량 1× 1015cm-2- 6× 1O15 cm-2로 이온 주입하여 확산 영역(32)을 형성한다. 그 후 레지스트 마스크(PR4)는 제거한다. As shown in Fig. 6K, a resist pattern PR4 covering one side of the gate electrode of the flash memory cell, the low voltage operation transistor region, and the high voltage operation transistor region is formed. With respect to the area exposed to the opening of the resist pattern (PR4), for example P + ions at an acceleration energy of 50 keV-80 keV, dose 1 × 10 14 cm -2 -5 ×
도 6L에 도시한 바와 같이, 저전압 동작 트랜지스터 영역, 고전압 동작 트랜지스터 영역을 덮는 레지스트 패턴(PR5)을 작성한다. 플래시 메모리 셀 영역에 대하여, As+ 이온을 가속 에너지 20 keV-60 keV, 도우즈량 5× 1014cm-2-3× 1O15 cm-2로 이온 주입하여 확산 영역(32)의 불순물 농도를 높이고, 다른 쪽에 소스용 확산 영역(33)을 형성한다. 그 후 레지스트 패턴 (PR5)은 제거한다. As shown in Fig. 6L, a resist pattern PR5 covering the low voltage operation transistor region and the high voltage operation transistor region is created. In the flash memory cell region, As + ions are implanted with an acceleration energy of 20 keV-60 keV and a dose amount of 5 × 10 14 cm -2 -3 × 10 15 cm -2 to increase the impurity concentration of the
도 6M에 도시한 바와 같이, 기판 온도 600℃로 TEOS 산화실리콘막(36)을 퇴적하고, 다음에 기판 온도 800℃, 0.8 torr의 감압(LP) CVD에 의해 질화실리콘막(37)을 퇴적한다. LP-CVD 에 의한 질화실리콘막은 수분, SiH 기 등의 침입에 대하여 높은 배리어성을 갖는 치밀하고 고품질의 절연막이다. 이방성 에칭을 행하여 평탄 표면상의 LP-CVD 질화실리콘막, TEOS 산화 실리콘막을 CHF3을 주 에칭 가스로 하는 이방성 에칭, CF4 를 주 에칭 가스로 하는 이방성 에칭으로 각각 제거하고, 적층 게이트 전극 측벽상에 산화실리콘막(36), 질화실리콘막(37)의 적층으로 이루어지는 사이드 월 스페이서를 형성한다. 또, TEOS 산화 실리콘막(36)은 생략해도 좋다. As shown in FIG. 6M, the TEOS
도 6N에 도시한 바와 같이, 또한 CF4 를 주 에칭 가스로 한 이방성 에칭을 행하고, 질화실리콘막(34)을 에칭한다. 질화 실리콘의 사이드 월 스페이서(37)도 상부가 에칭된다. 트랜지스터 영역의 질화실리콘막(34)도 제거되어 실리콘막(28)이 노출한다. As shown in FIG. 6N, anisotropic etching is further performed using CF 4 as the main etching gas to etch the
또한, 산화 실리콘막(36)을 형성하지 않는 경우는, 질화실리콘막(37)의 에칭과 질화실리콘막(34)의 에칭을 연속적으로 행할 수도 있다. When the
도 6O에 도시한 바와 같이, 트랜지스터 영역에서 게이트 전극의 패턴을 가지고, 플래시 메모리 영역을 덮는 레지스트 패턴(PR6)을 형성한다. 레지스트 패턴(PR6)을 마스크로 하고, 다결정 실리콘막(28)의 에칭을 행하여 게이트 전극(28a, 28b)을 형성한다. 질화실리콘막(34)을 제거하고 있기 때문에, 에칭 대상층은 실리콘뿐이며, 고정밀도의 에칭이 용이해진다. 그 후 레지스트 패턴(PR6)은 제거한다. As shown in Fig. 6O, a resist pattern PR6 is formed having a pattern of a gate electrode in a transistor region and covering a flash memory region. Using the resist pattern PR6 as a mask, the
도 6P에 도시한 바와 같이, 플래시 메모리 셀 영역 및 고전압 동작 트랜지스터 영역을 덮는 레지스트 패턴(PR7)을 형성하고 저전압 트랜지스터 영역에 n 형 불순물을 이온 주입하여 소스/드레인의 익스텐션 영역(41)을 형성한다. 그 후 레지스트 패턴(PR7)은 제거한다. As shown in FIG. 6P, a resist pattern PR7 covering the flash memory cell region and the high voltage operation transistor region is formed and n-type impurities are implanted into the low voltage transistor region to form the
도 6Q에 도시한 바와 같이, 플래시 메모리 셀 영역 및 저전압 동작 트랜지스터 영역을 덮는 레지스트 패턴(PR8)을 형성한다. 고전압 동작 트랜지스터 영역에 대하여 n 형 불순물을 이온 주입하여, 저농도 드레인(LDD) 영역(42)을 형성한다. 그 후, 레지스트 패턴(PR8)은 제거한다. 또, 조건이 허용되면 저전압 동작 트랜지스터 영역, 고전압 동작 트랜지스터를 분리하지 않고, 동일 공정에서 익스텐션 영역, LDD 영역을 이온 주입해도 된다. As shown in Fig. 6Q, a resist pattern PR8 covering the flash memory cell region and the low voltage operation transistor region is formed. N-type impurities are ion-implanted into the high voltage operation transistor region to form a low concentration drain (LDD)
도 6R에 도시한 바와 같이, 기판 전체면 상에 TEOS 산화실리콘막(44)을 기판 온도 600℃에서 두께 80 nm-150 nm 퇴적하고, 에치백하여 평탄 표면상의 산화 실리 콘막을 제거한다. 플래시 메모리 셀 영역의 적층 게이트 전극 측벽 상에는 산화실리콘막의 사이드 월 스페이서(44c)가 형성되고, 저전압 동작 트랜지스터 영역, 고전압 트랜지스터 영역에서는 게이트 전극(28b, 28a) 측벽 상에 산화 실리콘의 사이드 월 스페이서(44b, 44a)가 형성된다. As shown in Fig. 6R, a TEOS silicon oxide film 44 is deposited on the entire surface of the substrate at a substrate temperature of 600 DEG C and a thickness of 80 nm to 150 nm and etched back to remove the silicon oxide film on the flat surface.
도 6S에 도시한 바와 같이, 전체 활성 영역에 대하여 n 형 불순물을 이온 주입하여, 고농도 소스/드레인 영역(46)을 형성한다. As shown in Fig. 6S, n-type impurities are ion-implanted with respect to all active regions to form a high concentration source /
또한, CM0S 회로를 형성하는 경우는, p-채널 영역, n-채널 영역을 레지스트 패턴으로 분리하여 n 형 불순물, p 형 불순물을 각각 이온 주입한다. In the case of forming the CM0S circuit, the p-channel region and the n-channel region are separated by a resist pattern and ion implantation is performed for n-type impurities and p-type impurities, respectively.
도 6T에 도시한 바와 같이, 기판 표면 및 게이트 전극 표면을 희석 불소산 수용액으로 세정하여 자연 산화막 등을 제거한 뒤, Ti, Co 등 실리사이드화 가능 금속층을 두께 약 30 nm 스퍼터링으로 퇴적한다. 필요에 따라서 추가로 TiN 층을 퇴적하고, 500℃, 30 초 등의 어닐링을 행하여 제1차 실리사이드층을 형성한다. 미반응의 금속층 등을 제거한 후, 예컨대 800℃, 30 초의 2차 어닐링을 행하고, 저저항의 실리사이드층(18)을 형성한다. As shown in Fig. 6T, the substrate surface and the gate electrode surface are washed with a dilute hydrofluoric acid solution to remove the native oxide film and the like, and then a silicideable metal layer such as Ti and Co is deposited by sputtering at a thickness of about 30 nm. A TiN layer is further deposited as needed, and annealing, such as 500 degreeC and 30 second, is formed and a primary silicide layer is formed. After removing the unreacted metal layer or the like, secondary annealing is performed, for example, at 800 ° C. for 30 seconds to form the
사이드 월 스페이서 표면에는 질화실리콘막이 노출되지 않고, 게이트 산화막과 TEOS 산화실리콘막이 기판에 접하도록 노출되어 있기 때문에, 언더컷은 형성되지 않고, 쇼트, 왜곡 등의 문제도 생기지 않는다. Since the silicon nitride film is not exposed on the sidewall spacer surface, and the gate oxide film and the TEOS silicon oxide film are exposed to be in contact with the substrate, no undercut is formed and no problems such as shorting and distortion occur.
도 6U에 도시한 바와 같이, 각 게이트 전극 구조를 덮도록 층간 절연막(21)을 퇴적하고, 필요에 따라서 표면을 평탄화한다. 층간 절연막(21)을 관통하는 컨택트 홀을 형성하고, Ti 층, TiN 층 등을 형성한 후 W 층을 매립하여, 불필요한 부분 을 제거함으로써 W 플러그(22)를 형성한다. 이와 같이 하여, 복수 종류의 반도체 소자를 혼재한 반도체 장치가 형성된다. 필요에 따라서 상층 배선을 형성하고, 다층 배선 구조를 형성한다. 반도체 장치의 일반적 기술에 관해서는, 여러 가지의 공지 기술을 채용할 수 있다(예컨대 미국 특허 제6,492,734호, 제6,500,710호 참조, 이들 전체 내용을 참조하여 받아들인다). As shown in Fig. 6U, an
이상 실시예에 따라서 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이들에 제한되는 것은 아니다. 예컨대 여러 가지의 변경, 개량, 조합이 가능한 것은 당업자에게 자명할 것이다. Although the present invention has been described in accordance with the above embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, and combinations are possible.
고집적화된 반도체 장치에 이용할 수 있다. 복수 종류의 반도체 소자를 혼재한 반도체 집적 회로 장치에 이용할 수 있다. It can be used for highly integrated semiconductor devices. It can be used for the semiconductor integrated circuit device which mixed several types of semiconductor elements.
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