特許第6407609号(P6407609)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6407609
(24)【登録日】2018年9月28日
(45)【発行日】2018年10月17日
(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 27/11573 20170101AFI20181004BHJP
   H01L 27/11546 20170101ALI20181004BHJP
   H01L 21/336 20060101ALI20181004BHJP
   H01L 29/788 20060101ALI20181004BHJP
   H01L 29/792 20060101ALI20181004BHJP
   H01L 27/10 20060101ALI20181004BHJP
【FI】
   H01L27/11573
   H01L27/11546
   H01L29/78 371
   H01L27/10 481
【請求項の数】12
【全頁数】52
(21)【出願番号】特願2014-158245(P2014-158245)
(22)【出願日】2014年8月1日
(65)【公開番号】特開2016-35973(P2016-35973A)
(43)【公開日】2016年3月17日
【審査請求日】2017年5月19日
(73)【特許権者】
【識別番号】302062931
【氏名又は名称】ルネサスエレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100080001
【弁理士】
【氏名又は名称】筒井 大和
(74)【代理人】
【識別番号】100113642
【弁理士】
【氏名又は名称】菅田 篤志
(74)【代理人】
【識別番号】100117008
【弁理士】
【氏名又は名称】筒井 章子
(74)【代理人】
【識別番号】100147430
【弁理士】
【氏名又は名称】坂次 哲也
(72)【発明者】
【氏名】川嶋 祥之
(72)【発明者】
【氏名】茶木原 啓
(72)【発明者】
【氏名】梅田 恭子
(72)【発明者】
【氏名】西田 彰男
【審査官】 加藤 俊哉
(56)【参考文献】
【文献】 特開2013−093546(JP,A)
【文献】 特開2004−103902(JP,A)
【文献】 特開2003−218232(JP,A)
【文献】 特開2011−124256(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 27/11573
H01L 21/336
H01L 27/10
H01L 27/11546
H01L 29/788
H01L 29/792
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
(a)半導体基板を用意する工程、
(b)前記半導体基板の第1主面の第1領域で、前記半導体基板の前記第1主面に、第1絶縁膜を形成し、前記半導体基板の前記第1主面の第2領域で、前記半導体基板の前記第1主面に、前記第1絶縁膜と同層に第2絶縁膜を形成する工程、
(c)前記第1絶縁膜上に、第1導電膜を形成し、前記第2絶縁膜上に、前記第1導電膜と同層に第2導電膜を形成する工程、
(d)前記第1導電膜をパターニングし、前記第1導電膜からなる第1ゲート電極を形成し、前記第1ゲート電極と前記半導体基板との間の前記第1絶縁膜からなる第1ゲート絶縁膜を形成し、前記第2導電膜を残す工程、
(e)前記第1領域で、前記半導体基板の前記第1主面、および、前記第1ゲート電極の表面に、内部に電荷蓄積部を有する第3絶縁膜を形成する工程、
(f)前記第3絶縁膜上に、第3導電膜を形成する工程、
(g)前記第3導電膜をエッチバックすることにより、前記第1ゲート電極の側壁上に前記第3絶縁膜を介して前記第3導電膜を残して第2ゲート電極を形成する工程、
(h)前記第2ゲート電極で覆われていない部分の前記第3絶縁膜を除去し、前記第2ゲート電極と前記半導体基板との間、および、前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極との間に、前記第3絶縁膜を残す工程、
(i)前記(h)工程の後、前記第1領域において、前記第1ゲート電極、前記第2ゲート電極および前記第3絶縁膜を覆い、前記第2領域において、前記第2導電膜を覆うように、第5絶縁膜を形成する工程、
(j)前記(i)工程後、前記第1領域の前記第5絶縁膜が残されるように、前記2領域において、前記第5絶縁膜、前記第2導電膜および前記第2絶縁膜を除去する工程、
(k)前記(j)工程の後、前記第2領域で、前記半導体基板の前記第1主面に、第1導電型の第1半導体領域を形成する工程、
(l)前記第1領域の前記第5絶縁膜が残された状態において、前記第1半導体領域上に、第4絶縁膜を形成する工程、
(m)前記第4絶縁膜上に第4導電膜を形成する工程、
(n)前記第4導電膜をパターニングし、前記第4導電膜からなる第3ゲート電極を形成し、前記第3ゲート電極と前記第1半導体領域との間の前記第4絶縁膜からなる第2ゲート絶縁膜を形成する工程、
を有する、半導体装置の製造方法。
【請求項2】
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
(o)前記(a)工程の後、前記第1領域で、前記半導体基板の前記第1主面に、第2導電型の第2半導体領域を形成する工程、
を有し、
前記(b)工程では、前記第2半導体領域上に、前記第1絶縁膜を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項3】
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
(p)前記(a)工程の後、前記半導体基板の前記第1主面の第3領域で、前記半導体基板の前記第1主面に、第3導電型の第3半導体領域を形成する工程、
を有し、
前記(b)工程では、前記第3半導体領域上に、前記第1絶縁膜と同層に第6絶縁膜を形成し、
前記(c)工程では、前記第6絶縁膜上に、前記第1導電膜と同層に第5導電膜を形成し、
前記(d)工程では、前記第5導電膜をパターニングし、前記第5導電膜からなる第4ゲート電極を形成し、前記第4ゲート電極と前記第3半導体領域との間の前記第6絶縁膜からなる第3ゲート絶縁膜を形成し、
前記第6絶縁膜の膜厚は、前記第4絶縁膜の膜厚よりも厚い、半導体装置の製造方法。
【請求項4】
請求項記載の半導体装置の製造方法において、
前記(p)工程では、前記第1領域で、前記半導体基板の前記第1主面に、第4導電型の第4半導体領域を形成し、
前記(b)工程では、前記第4半導体領域上に、前記第1絶縁膜を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項5】
請求項記載の半導体装置の製造方法において、
前記(i)工程では、前記第5絶縁膜を、前記第4ゲート電極を覆うように形成し、
前記(j)工程では、前記第1領域および前記第3領域の前記第5絶縁膜が残されるように、前記2領域において、前記第5絶縁膜、前記第2導電膜および前記第2絶縁膜を除去する、半導体装置の製造方法。
【請求項6】
請求項記載の半導体装置の製造方法において、
前記第4導電膜の膜厚は、前記第5導電膜の膜厚よりも薄い、半導体装置の製造方法。
【請求項7】
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
(q)前記(c)工程の後、前記第1導電膜上に、第7絶縁膜を形成する工程、
を有し、
前記(d)工程では、前記第7絶縁膜および前記第1導電膜をパターニングし、前記第1ゲート電極上の前記第7絶縁膜からなる第1キャップ絶縁膜を形成し、
前記(e)工程では、前記第1ゲート電極の側面、および、前記第1キャップ絶縁膜の表面に、前記第3絶縁膜を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項8】
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記(h)工程では、前記第2ゲート電極と前記半導体基板との間、および、前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極との間に残された部分の前記第3絶縁膜からなる第4ゲート絶縁膜を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項9】
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記第3絶縁膜は、第1酸化シリコン膜と、前記第1酸化シリコン膜上の第1窒化シリコン膜と、前記第1窒化シリコン膜上の第2酸化シリコン膜と、を含み、
前記(e)工程は、
(e1)前記第1領域で、前記半導体基板の前記第1主面、および、前記第1ゲート電極の表面に、前記第1酸化シリコン膜を形成する工程、
(e2)前記第1酸化シリコン膜上に、前記第1窒化シリコン膜を形成する工程、
(e3)前記第1窒化シリコン膜上に、前記第2酸化シリコン膜を形成する工程、
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項10】
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体装置は、不揮発性メモリを有し、
前記不揮発性メモリは、前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とにより形成される、半導体装置の製造方法。
【請求項11】
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記(b)工程では、前記第1絶縁膜と一体的に前記第2絶縁膜を形成し、
前記(c)工程では、前記第1導電膜と一体的に前記第2導電膜を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項12】
請求項記載の半導体装置の製造方法において、
前記(b)工程では、前記第1絶縁膜と一体的に前記第6絶縁膜を形成し、
前記(c)工程では、前記第1導電膜と一体的に前記第5導電膜を形成する、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、例えば、半導体基板に形成された半導体素子を備える半導体装置の製造方法に好適に利用できるものである。
【背景技術】
【0002】
半導体基板上に例えば不揮発性メモリなどのメモリセルなどが形成されたメモリセル領域と、半導体基板上に例えばMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)などからなる周辺回路が形成された周辺回路領域とを有する半導体装置が、広く用いられている。
【0003】
例えば不揮発性メモリとして、MONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)膜を用いたスプリットゲート型セルからなるメモリセルを形成する場合がある。このとき、メモリセルは、制御ゲート電極を有する制御トランジスタと、メモリゲート電極を有するメモリトランジスタとの2つのMISFETにより形成される。また、メモリトランジスタのゲート絶縁膜は、例えば酸化シリコン膜と、窒化シリコン膜と、酸化シリコン膜と、を含み、ONO(Oxide Nitride Oxide)膜と称される積層膜からなる。
【0004】
特開2004−200504号公報(特許文献1)には、半導体集積回路装置において、基板の主面のメモリセル形成領域には、メモリセルが形成され、基板の主面の低圧pMIS(Metal Insulator Semiconductor)形成領域には、低耐圧p型MISFETが形成される技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2004−200504号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記したメモリセル領域と周辺回路領域とを有する半導体装置の製造工程では、周辺回路領域で、活性領域を形成した後、ONO膜、および、メモリゲート電極用の導電膜を形成することがある。
【0007】
ところが、ONO膜は、比較的高温で形成される。したがって、ONO膜を形成する前に、周辺回路領域で、既に半導体領域としてのウェルが形成されていた場合には、ONO膜を形成する際に、周辺回路領域でウェルに導入された不純物が高温で拡散し、ウェルにおける不純物の濃度分布が変化する。したがって、周辺回路領域に形成されるMISFETの閾値電圧などが変動し、不揮発性メモリを備えた半導体装置の性能を向上させることができない。
【0008】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0009】
一実施の形態によれば、半導体装置の製造方法において、第1領域で、半導体基板の主面上に、第1導電膜からなる制御ゲート電極を形成する。次いで、制御ゲート電極を覆うように、絶縁膜および第2導電膜を形成し、第2導電膜をエッチバックすることにより、制御ゲート電極の側壁上に絶縁膜を介して第2導電膜を残してメモリゲート電極を形成する。次いで、第2領域で、半導体基板の主面に半導体領域を形成し、半導体領域上に、第3導電膜を形成する。その後、第3導電膜からなるゲート電極を形成する。
【発明の効果】
【0010】
一実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】実施の形態1の半導体装置の要部断面図である。
図2】実施の形態1の半導体装置におけるメモリセルの等価回路図である。
図3】「書込」、「消去」および「読出」時におけるメモリセルの各部位への電圧の印加条件の一例を示す表である。
図4】実施の形態1の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。
図5】実施の形態1の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。
図6】実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
図7】実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
図8】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図9】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図10】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図11】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図12】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図13】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図14】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図15】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図16】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図17】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図18】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図19】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図20】実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図21】比較例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
図22】実施の形態2の半導体装置の要部断面図である。
図23】実施の形態2の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。
図24】実施の形態2の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。
図25】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図26】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図27】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図28】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図29】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図30】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図31】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図32】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図33】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図34】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図35】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図36】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図37】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図38】実施の形態2の半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【0013】
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【0014】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【0015】
以下、代表的な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【0016】
さらに、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見やすくするためにハッチングを省略する場合もある。
【0017】
(実施の形態1)
<半導体装置の構造>
初めに、本実施の形態1の半導体装置の構造を、図面を参照して説明する。図1は、実施の形態1の半導体装置の要部断面図である。図2は、実施の形態1の半導体装置におけるメモリセルの等価回路図である。
【0018】
図1に示すように、半導体装置は、半導体基板1を有している。半導体基板1は、例えば1〜10Ωcm程度の比抵抗を有するp型の単結晶シリコンなどからなる半導体ウェハである。
【0019】
半導体装置は、半導体基板1の主面1aの一部の領域として、メモリセル領域1A、ならびに、周辺回路領域1Bおよび1Cを有している。メモリセル領域1AにはメモリセルMC1が形成されており、周辺回路領域1BにはMISFETQHが形成されており、周辺回路領域1CにはMISFETQLが形成されている。メモリセル領域1Aと周辺回路領域1Bは隣り合っていなくてもよく、メモリセル領域1Aと周辺回路領域1Cは隣り合っていなくてもよく、周辺回路領域1Bと周辺回路領域1Cとは隣り合っていなくてもよい。しかし、理解を簡単にするために、図1の断面図においては、メモリセル領域1Aの隣に周辺回路領域1Bを図示し、周辺回路領域1Bの隣に周辺回路領域1Cを図示している。
【0020】
ここで、周辺回路とは、不揮発性メモリ以外の回路であり、例えばCPU(Central Processing Unit)などのプロセッサ、制御回路、センスアンプ、カラムデコーダ、ロウデコーダ、入出力回路などである。周辺回路領域1Bに形成されるMISFETQH、および、周辺回路領域1Cに形成されるMISFETQLは、周辺回路用のMISFETである。
【0021】
周辺回路領域1Bは、高圧系MIS(Metal Insulator Semiconductor)領域であり、周辺回路領域1Cは低圧系MIS領域である。したがって、周辺回路領域1Bに形成されるMISFETQHは、高耐圧のMISFETであり、周辺回路領域1Cに形成されるMISFETQLは、低耐圧のMISFETである。周辺回路領域が、高圧系MIS領域と、低圧系MIS領域と、を含むことにより、各種の回路を形成することができる。
【0022】
初めに、メモリセル領域1Aに形成されたメモリセルMC1の構成を具体的に説明する。
【0023】
メモリセル領域1Aにおいて、半導体装置は、活性領域AR1と素子分離領域IR1とを有している。素子分離領域IR1は、素子を分離するためのものであり、素子分離領域IR1には、素子分離膜2が形成されている。活性領域AR1は、素子分離領域IR1により規定、すなわち区画され、素子分離領域IR1により他の活性領域と電気的に分離されており、活性領域AR1には、p型ウェルPW1が形成されている。すなわち、活性領域AR1は、p型ウェルPW1が形成された領域である。p型ウェルPW1は、p型の導電型を有する。
【0024】
図1に示すように、メモリセル領域1Aのp型ウェルPW1には、メモリトランジスタMTおよび制御トランジスタCTからなるメモリセルMC1が形成されている。メモリセル領域1Aには、実際には複数のメモリセルMC1がアレイ状に形成されており、図1には、そのうちの1つのメモリセルMC1の断面が示されている。メモリセルMC1は、半導体装置に備えられた不揮発性メモリに含まれている。
【0025】
メモリセルMC1は、スプリットゲート型のメモリセルである。すなわち、図1に示すように、メモリセルMC1は、制御ゲート電極CGを有する制御トランジスタCTと、制御トランジスタCTに接続され、メモリゲート電極MGを有するメモリトランジスタMTと、を有している。
【0026】
図1に示すように、メモリセルMC1は、n型の半導体領域MSと、n型の半導体領域MDと、制御ゲート電極CGと、メモリゲート電極MGと、を有している。n型の半導体領域MSと、n型の半導体領域MDとは、p型の導電型とは反対の導電型であるn型の導電型を有する。また、メモリセルMC1は、制御ゲート電極CG上に形成されたキャップ絶縁膜CP1と、キャップ絶縁膜CP1上に形成されたキャップ絶縁膜CP2と、を有している。さらに、メモリセルMC1は、制御ゲート電極CGと半導体基板1のp型ウェルPW1との間に形成されたゲート絶縁膜GItと、メモリゲート電極MGと半導体基板1のp型ウェルPW1との間、および、メモリゲート電極MGと制御ゲート電極CGとの間に形成されたゲート絶縁膜GImと、を有している。
【0027】
制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGは、それらの互いに対向する側面、すなわち側壁の間にゲート絶縁膜GImを介した状態で、半導体基板1の主面1aに沿って延在し、並んで配置されている。制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGの延在方向は、図1の紙面に垂直な方向である。制御ゲート電極CGは、半導体領域MDと半導体領域MSとの間に位置する部分のp型ウェルPW1上に、すなわち半導体基板1の主面1a上に、ゲート絶縁膜GItを介して形成されている。また、メモリゲート電極MGは、半導体領域MDと半導体領域MSとの間に位置する部分のp型ウェルPW1上に、すなわち半導体基板1の主面1a上に、ゲート絶縁膜GImを介して形成されている。また、半導体領域MS側にメモリゲート電極MGが配置され、半導体領域MD側に制御ゲート電極CGが配置されている。制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGは、メモリセルMC1、すなわち不揮発性メモリを形成するゲート電極である。
【0028】
なお、制御ゲート電極CG上に形成されたキャップ絶縁膜CP1およびキャップ絶縁膜CP2も、半導体基板1の主面1aに沿って延在している。
【0029】
制御ゲート電極CGとメモリゲート電極MGとは、間にゲート絶縁膜GImを介在して互いに隣り合っており、メモリゲート電極MGは、制御ゲート電極CGの側面上、すなわち側壁上に、ゲート絶縁膜GImを介してサイドウォールスペーサ状に形成されている。また、ゲート絶縁膜GImは、メモリゲート電極MGと半導体基板1のp型ウェルPW1の間の領域と、メモリゲート電極MGと制御ゲート電極CGとの間の領域の、両領域にわたって延在している。
【0030】
制御ゲート電極CGとp型ウェルPW1との間に形成されたゲート絶縁膜GItは、制御トランジスタCTのゲート絶縁膜として機能する。また、メモリゲート電極MGとp型ウェルPW1との間に形成されたゲート絶縁膜GImは、メモリトランジスタMTのゲート絶縁膜として機能する。
【0031】
ゲート絶縁膜GItは、絶縁膜3aからなる。絶縁膜3aは、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜もしくは酸窒化シリコン膜、または、窒化シリコン膜よりも高い比誘電率を有する高誘電率膜、すなわちいわゆるHigh−k膜からなる。なお、本願において、High−k膜または高誘電率膜というときは、窒化シリコンよりも誘電率(比誘電率)が高い膜を意味する。絶縁膜3aとしては、例えば、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜または酸化ランタン膜などの金属酸化物膜を用いることができる。
【0032】
ゲート絶縁膜GImは、絶縁膜8からなる。絶縁膜8は、酸化シリコン膜8aと、酸化シリコン膜8a上の電荷蓄積部としての窒化シリコン膜8bと、窒化シリコン膜8b上の酸化シリコン膜8cと、を含み、ONO膜と称される積層膜からなる。なお、メモリゲート電極MGとp型ウェルPW1との間のゲート絶縁膜GImは、前述したように、メモリトランジスタMTのゲート絶縁膜として機能する。一方、メモリゲート電極MGと制御ゲート電極CGとの間のゲート絶縁膜GImは、メモリゲート電極MGと制御ゲート電極CGとの間を絶縁、すなわち電気的に分離するための絶縁膜として機能する。
【0033】
絶縁膜8のうち、窒化シリコン膜8bは、電荷を蓄積するための絶縁膜であり、電荷蓄積部として機能する。すなわち、窒化シリコン膜8bは、絶縁膜8中に形成されたトラップ性絶縁膜である。このため、絶縁膜8は、その内部に電荷蓄積部を有する絶縁膜とみなすことができる。
【0034】
窒化シリコン膜8bの上下に位置する酸化シリコン膜8cおよび酸化シリコン膜8aは、電荷を閉じ込める電荷ブロック層として機能することができる。窒化シリコン膜8bを酸化シリコン膜8cおよび酸化シリコン膜8aで挟んだ構造とすることで、窒化シリコン膜8bへの電荷の蓄積が可能となる。酸化シリコン膜8a、窒化シリコン膜8bおよび酸化シリコン膜8cは、前述したように、ONO膜とみなすこともできる。
【0035】
制御ゲート電極CGは、導電膜4aからなる。導電膜4aは、シリコンからなり、例えばn型の不純物を導入した多結晶シリコン膜であるn型ポリシリコン膜などからなる。具体的には、制御ゲート電極CGは、パターニングされた導電膜4aからなる。
【0036】
メモリゲート電極MGは、導電膜9からなる。導電膜9は、シリコンからなり、例えばn型の不純物を導入した多結晶シリコン膜であるn型ポリシリコン膜などからなる。メモリゲート電極MGは、半導体基板1上に制御ゲート電極CGを覆うように形成された導電膜9を異方性エッチング、すなわちエッチバックし、制御ゲート電極CGの側壁上に絶縁膜8を介して導電膜9を残すことにより形成されている。このため、メモリゲート電極MGは、そのメモリゲート電極MGと隣接する制御ゲート電極CGの第1の側に位置する側壁上に、絶縁膜8を介してサイドウォールスペーサ状に形成されている。
【0037】
制御ゲート電極CG上には、キャップ絶縁膜CP1を介してキャップ絶縁膜CP2が形成されている。そのため、メモリゲート電極MGは、そのメモリゲート電極MGと隣接する制御ゲート電極CG上に形成されたキャップ絶縁膜CP2の第1の側に位置する側壁上に、絶縁膜8を介してサイドウォールスペーサ状に形成されている。
【0038】
キャップ絶縁膜CP1は、シリコンと酸素とを含有する絶縁膜5からなる。絶縁膜5は、例えば酸化シリコン膜などからなる。キャップ絶縁膜CP2は、シリコンと窒素とを含有する絶縁膜6からなる。絶縁膜6は、例えば窒化シリコン膜などからなる。
【0039】
キャップ絶縁膜CP2は、制御ゲート電極CGを保護する保護膜であり、導電膜4をパターニングして制御ゲート電極CGを形成する際のハードマスク膜であり、または、導電膜9をエッチバックしてメモリゲート電極MGを形成する際にメモリゲート電極MGの高さを調整するためのスペーサ膜である。スペーサ膜としてのキャップ絶縁膜CP2を形成することにより、制御ゲート電極CGの膜厚を、メモリゲート電極MGの高さよりも小さくすることができる。
【0040】
半導体領域MSは、ソース領域またはドレイン領域の一方として機能する半導体領域であり、半導体領域MDは、ソース領域またはドレイン領域の他方として機能する半導体領域である。ここでは、半導体領域MSは、例えばソース領域として機能する半導体領域であり、半導体領域MDは、例えばドレイン領域として機能する半導体領域である。半導体領域MSおよび半導体領域MDの各々は、n型の不純物が導入された半導体領域からなり、それぞれLDD(Lightly doped drain)構造を備えている。
【0041】
ソース用の半導体領域MSは、n型半導体領域11aと、n型半導体領域11aよりも高い不純物濃度を有するn型半導体領域12aと、を有している。また、ドレイン用の半導体領域MDは、n型半導体領域11bと、n型半導体領域11bよりも高い不純物濃度を有するn型半導体領域12bと、を有している。n型半導体領域12aは、n型半導体領域11aよりも接合深さが深く、かつ、不純物濃度が高く、また、n型半導体領域12bは、n型半導体領域11bよりも接合深さが深く、かつ、不純物濃度が高い。
【0042】
メモリゲート電極MGおよび制御ゲート電極CGの互いに隣接していない側の側壁上には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜またはそれらの積層膜などの絶縁膜からなるサイドウォールスペーサSWが形成されている。つまり、ゲート絶縁膜GImを介して制御ゲート電極CGに隣接する側とは逆側のメモリゲート電極MGの側壁上、すなわち側面上と、ゲート絶縁膜GImを介してメモリゲート電極MGに隣接する側とは逆側の制御ゲート電極CGの側壁上、すなわち側面上とに、サイドウォールスペーサSWが形成されている。
【0043】
なお、メモリゲート電極MGとサイドウォールスペーサSWとの間、制御ゲート電極CGとサイドウォールスペーサSWとの間、および、制御ゲート電極CGとゲート絶縁膜GImとの間には、図示しない側壁絶縁膜が介在していてもよい。
【0044】
型半導体領域11aは、メモリゲート電極MGの側面に対して自己整合的に形成され、n型半導体領域12aは、サイドウォールスペーサSWの側面に対して自己整合的に形成されている。このため、低濃度のn型半導体領域11aは、メモリゲート電極MGの側壁上のサイドウォールスペーサSWの下に形成され、高濃度のn型半導体領域12aは、低濃度のn型半導体領域11aの外側に形成されている。したがって、低濃度のn型半導体領域11aは、メモリトランジスタMTのチャネル領域としてのp型ウェルPW1に隣接するように形成されている。また、高濃度のn型半導体領域12aは、低濃度のn型半導体領域11aに接し、メモリトランジスタMTのチャネル領域としてのp型ウェルPW1からn型半導体領域11aの分だけ離間するように形成されている。
【0045】
型半導体領域11bは、制御ゲート電極CGの側面に対して自己整合的に形成され、n型半導体領域12bは、サイドウォールスペーサSWの側面に対して自己整合的に形成されている。このため、低濃度のn型半導体領域11bは、制御ゲート電極CGの側壁上のサイドウォールスペーサSWの下に形成され、高濃度のn型半導体領域12bは、低濃度のn型半導体領域11bの外側に形成されている。したがって、低濃度のn型半導体領域11bは、制御トランジスタCTのチャネル領域としてのp型ウェルPW1に隣接するように形成されている。また、高濃度のn型半導体領域12bは、低濃度のn型半導体領域11bに接し、制御トランジスタCTのチャネル領域としてのp型ウェルPW1からn型半導体領域11bの分だけ離間するように形成されている。
【0046】
メモリゲート電極MG下のゲート絶縁膜GImの下には、メモリトランジスタのチャネル領域が形成され、制御ゲート電極CG下のゲート絶縁膜GItの下には、制御トランジスタCTのチャネル領域が形成されている。
【0047】
型半導体領域12a上、または、n型半導体領域12b上、すなわちn型半導体領域12aまたはn型半導体領域12bの上面には、サリサイド(Salicide:Self Aligned Silicide)技術などにより、金属シリサイド層13が形成されている。金属シリサイド層13は、例えばコバルトシリサイド層、ニッケルシリサイド層、または、プラチナ添加ニッケルシリサイド層などからなる。金属シリサイド層13により、拡散抵抗やコンタクト抵抗を低抵抗化することができる。なお、金属シリサイド層13は、メモリゲート電極MG上に形成されていてもよい。
【0048】
次に、周辺回路領域1Bに形成された高耐圧のMISFETQHの構成を具体的に説明する。
【0049】
周辺回路領域1Bにおいて、半導体装置は、活性領域AR2と素子分離領域IR2とを有している。素子分離領域IR2は、素子を分離するためのものであり、素子分離領域IR2には、素子分離膜2が形成されている。活性領域AR2は、素子分離領域IR2により規定、すなわち区画され、素子分離領域IR2により他の活性領域と電気的に分離されており、活性領域AR2には、p型ウェルPW2が形成されている。すなわち、活性領域AR2は、p型ウェルPW2が形成された領域である。p型ウェルPW2は、p型の導電型を有する。
【0050】
なお、前述したように、図1の断面図においては、理解を簡単にするために、メモリセル領域1Aの隣に周辺回路領域1Bを図示している。そのため、図1の断面図においては、メモリセル領域1Aの素子分離領域IR1が、周辺回路領域1Bの素子分離領域IR2でもある例を図示している。
【0051】
図1に示すように、周辺回路領域1Bのp型ウェルPW2には、高耐圧のMISFETQHが形成されている。周辺回路領域1Bには、実際には複数の高耐圧のMISFETQHが形成されており、図1には、そのうちの1つの高耐圧のMISFETQHのゲート幅方向に垂直な断面が示されている。
【0052】
図1に示すように、高耐圧のMISFETQHは、n型半導体領域11cおよびn型半導体領域12cからなる半導体領域と、p型ウェルPW2上に形成されたゲート絶縁膜GIHと、ゲート絶縁膜GIH上に形成されたゲート電極GEHと、を有している。n型半導体領域11cおよびn型半導体領域12cは、半導体基板1のp型ウェルPW2の上層部に形成されている。n型半導体領域11cおよびn型半導体領域12cは、p型の導電型とは反対の導電型であるn型の導電型を有する。
【0053】
ゲート絶縁膜GIHは、MISFETQHのゲート絶縁膜として機能する。ゲート絶縁膜GIHは、絶縁膜23bからなる。絶縁膜23bは、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜もしくは酸窒化シリコン膜、または、窒化シリコン膜よりも高い比誘電率を有する高誘電率膜、すなわちいわゆるHigh−k膜からなる。High−k膜からなる絶縁膜23bとして、例えば、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜または酸化ランタン膜などの金属酸化物膜を用いることができる。
【0054】
ゲート電極GEHは、導電膜24bからなる。導電膜24bは、シリコンからなり、例えばn型の不純物を導入した多結晶シリコン膜であるn型ポリシリコン膜などからなる。具体的には、ゲート電極GEHは、パターニングされた導電膜24bからなる。導電膜24bとして、制御ゲート電極CGに含まれる導電膜4aとは異なる導電膜を用いることができる。そのため、ゲート電極GEHの膜厚TEHを、制御ゲート電極CGの膜厚TGと異ならせることができる。
【0055】
なお、ゲート電極GEH上に金属シリサイド層13が形成されている場合には、ゲート電極GEHの膜厚TEHを、ゲート電極GEHの下面から、ゲート電極GEH上に形成された金属シリサイド層13の上面までの距離と定義することができる。
【0056】
型半導体領域11cおよびn型半導体領域12cからなる半導体領域は、n型の不純物が導入されたソース用およびドレイン用の半導体領域であり、メモリセルMC1の半導体領域MSおよびMDと同様に、LDD構造を備えている。すなわち、n型半導体領域12cは、n型半導体領域11cよりも接合深さが浅くかつ不純物濃度が高い。
【0057】
ゲート電極GEHの側壁上には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜またはそれらの積層膜などの絶縁膜からなるサイドウォールスペーサSWが形成されている。
【0058】
型半導体領域12c上、すなわちn型半導体領域12cの上面には、メモリセルMC1におけるn型半導体領域12a上、または、n型半導体領域12b上と同様に、サリサイド技術などにより、金属シリサイド層13が形成されている。なお、金属シリサイド層13は、ゲート電極GEH上に形成されていてもよい。
【0059】
次に、周辺回路領域1Cに形成された低耐圧のMISFETQLの構成を具体的に説明する。
【0060】
周辺回路領域1Cにおいて、半導体装置は、活性領域AR3と素子分離領域IR3とを有している。素子分離領域IR3は、素子を分離するためのものであり、素子分離領域IR3には、素子分離膜2が形成されている。活性領域AR3は、素子分離領域IR3により規定、すなわち区画され、素子分離領域IR3により他の活性領域と電気的に分離されており、活性領域AR3には、p型ウェルPW3が形成されている。すなわち、活性領域AR3は、p型ウェルPW3が形成された領域である。p型ウェルPW3は、p型の導電型を有する。
【0061】
なお、前述したように、図1の断面図においては、理解を簡単にするために、周辺回路領域1Bの隣に周辺回路領域1Cを図示している。そのため、図1の断面図においては、周辺回路領域1Bの素子分離領域IR2が、周辺回路領域1Cの素子分離領域IR3でもある例を図示している。
【0062】
図1に示すように、周辺回路領域1Cのp型ウェルPW3には、低耐圧のMISFETQLが形成されている。周辺回路領域1Cには、実際には複数のMISFETQLが形成されており、図1には、そのうちの1つのMISFETQLのゲート幅方向に垂直な断面が示されている。
【0063】
図1に示すように、低耐圧のMISFETQLは、n型半導体領域11dおよびn型半導体領域12dからなる半導体領域と、p型ウェルPW3上に形成されたゲート絶縁膜GILと、ゲート絶縁膜GIL上に形成されたゲート電極GELと、を有している。n型半導体領域11dおよびn型半導体領域12dは、半導体基板1のp型ウェルPW3の上層部に形成されている。n型半導体領域11dおよびn型半導体領域12dは、p型の導電型とは反対の導電型であるn型の導電型を有する。
【0064】
ゲート絶縁膜GILは、MISFETQLのゲート絶縁膜として機能する。ゲート絶縁膜GILは、絶縁膜23cからなる。絶縁膜23cとして、MISFETQHのゲート絶縁膜GIHに含まれる絶縁膜23bと同層に形成された絶縁膜を用いることができる。
【0065】
ゲート電極GELは、導電膜24cからなる。導電膜24cとして、MISFETQHのゲート電極GEHに含まれる導電膜24bと同層に形成された導電膜を用いることができる。また、ゲート電極GELの膜厚TELを、ゲート電極GEHの膜厚TEHと等しくすることができる。
【0066】
なお、ゲート電極GEL上に金属シリサイド層13が形成されている場合には、ゲート電極GELの膜厚TELを、ゲート電極GELの下面から、ゲート電極GEL上に形成された金属シリサイド層13の上面までの距離と定義することができる。
【0067】
型半導体領域11dおよびn型半導体領域12dからなる半導体領域は、n型の不純物が導入されたソース用およびドレイン用の半導体領域であり、メモリセルMC1の半導体領域MSおよびMDと同様に、LDD構造を備えている。すなわち、n型半導体領域12dは、n型半導体領域11dよりも接合深さが深くかつ不純物濃度が高い。
【0068】
ゲート電極GELの側壁上には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜またはそれらの積層膜などの絶縁膜からなるサイドウォールスペーサSWが形成されている。
【0069】
型半導体領域12d上、すなわちn型半導体領域12dの上面には、メモリセルMC1におけるn型半導体領域12a上、または、n型半導体領域12b上と同様に、サリサイド技術などにより、金属シリサイド層13が形成されている。なお、金属シリサイド層13は、ゲート電極GEL上に形成されていてもよい。
【0070】
なお、図示は省略するが、低耐圧のMISFETQLは、ハロー領域を有していてもよい。ハロー領域の導電型は、n型半導体領域11dとは逆の導電型で、かつp型ウェルPW3とは同じ導電型である。ハロー領域は、短チャネル特性(パンチスルー)抑制のために形成される。ハロー領域は、n型半導体領域11dを包み込むように形成され、ハロー領域におけるp型の不純物濃度は、p型ウェルPW3におけるp型の不純物濃度よりも高い。
【0071】
前述したように、周辺回路領域1Bに形成されるMISFETQHは、高耐圧のMISFETであり、周辺回路領域1Cに形成されるMISFETQLは、低耐圧のMISFETである。高耐圧のMISFETQHは、例えば半導体装置とその外部の装置との間で電流の入出力を行う回路において用いられる素子である。一方、低耐圧のMISFETQLは、例えばロジック回路などを構成し、高速で動作することを求められる素子である。そのため、高耐圧のMISFETQHのゲート長は、低耐圧のMISFETQLのゲート長よりも長い。また、高耐圧のMISFETQHの駆動電圧は、低耐圧のMISFETQLの駆動電圧よりも高く、高耐圧のMISFETQHの耐圧は、低耐圧のMISFETQLの耐圧よりも高い。
【0072】
好適には、ゲート絶縁膜GIHの膜厚TIHは、ゲート絶縁膜GILの膜厚TILよりも厚い。これにより、高耐圧のMISFETQHの駆動電圧を、低耐圧のMISFETQLの駆動電圧よりも高くすることができる。
【0073】
または、好適には、p型ウェルPW2におけるp型の不純物濃度は、p型ウェルPW3におけるp型の不純物濃度よりも低い。これにより、高耐圧のMISFETQHの駆動電圧を、低耐圧のMISFETQLの駆動電圧よりも高くすることができる。
【0074】
なお、n型半導体領域11cの下面の深さ位置を、n型半導体領域11dの下面の深さ位置よりも深くすることができ、n型半導体領域12cの下面の深さ位置を、n型半導体領域12dの下面の深さ位置と略等しくすることができる。このとき、高耐圧のMISFETQHでは、n型半導体領域12cの下面の深さ位置は、n型半導体領域11cの下面の深さ位置よりも浅い。一方、低耐圧のMISFETQLでは、n型半導体領域12dの下面の深さ位置は、n型半導体領域11dの下面の深さ位置よりも深い。
【0075】
次に、メモリセル領域1Aに形成されたメモリセルMC1上、周辺回路領域1Bに形成されたMISFETQH上、および、周辺回路領域1Cに形成されたMISFETQL上の構成を具体的に説明する。
【0076】
半導体基板1上には、キャップ絶縁膜CP2、ゲート絶縁膜GIm、メモリゲート電極MG、ゲート電極GEH、ゲート電極GELおよびサイドウォールスペーサSWを覆うように、絶縁膜14が形成されている。絶縁膜14は、例えば窒化シリコン膜などからなる。
【0077】
絶縁膜14上には、層間絶縁膜15が形成されている。層間絶縁膜15は、酸化シリコン膜の単体膜、あるいは、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との積層膜などからなる。層間絶縁膜15の上面は平坦化されている。
【0078】
層間絶縁膜15にはコンタクトホールCNTが形成されており、コンタクトホールCNT内に、導電体部として導電性のプラグPGが埋め込まれている。
【0079】
プラグPGは、コンタクトホールCNTの底部、および、側壁上すなわち側面上に形成された薄いバリア導体膜と、このバリア導体膜上にコンタクトホールCNTを埋め込むように形成された主導体膜と、により形成されている。図1では、図面の簡略化のために、プラグPGを構成するバリア導体膜および主導体膜を一体化して示してある。なお、プラグPGを構成するバリア導体膜は、例えば、チタン(Ti)膜、窒化チタン(TiN)膜、またはそれらの積層膜とすることができ、プラグPGを構成する主導体膜は、タングステン(W)膜とすることができる。
【0080】
コンタクトホールCNTおよびそれに埋め込まれたプラグPGは、n型半導体領域12a、12b、12cおよび12d上、制御ゲート電極CG上、メモリゲート電極MG上、ゲート電極GEH上、ならびに、ゲート電極GEL上などに形成される。コンタクトホールCNTの底部では、例えばn型半導体領域12a、12b、12cおよび12dの各々の表面上の金属シリサイド層13の一部、制御ゲート電極CGの表面上の金属シリサイド層13の一部、または、メモリゲート電極MGの表面上の金属シリサイド層13の一部が露出される。あるいは、コンタクトホールCNTの底部では、例えばゲート電極GEHまたはゲート電極GELの表面上の金属シリサイド層13の一部などが露出される。そして、その露出部にプラグPGが接続される。なお、図1においては、n型半導体領域12b、12cおよび12dの各々の表面上の金属シリサイド層13の一部が、コンタクトホールCNTの底部で露出して、そのコンタクトホールCNTを埋めるプラグPGと電気的に接続された断面が示されている。
【0081】
プラグPGが埋め込まれた層間絶縁膜15上には、例えば銅(Cu)を主導電材料とする埋込配線としてのダマシン配線として、第1層目の配線が形成されており、その第1層目の配線上には、ダマシン配線として、上層の配線も形成されているが、ここではその図示および説明は省略する。また、第1層目の配線およびそれよりも上層の配線は、ダマシン配線に限定されず、配線用の導電膜をパターニングして形成することもでき、例えばタングステン(W)配線またはアルミニウム(Al)配線などとすることもできる。
【0082】
次に、メモリセル領域1Aに形成されたメモリセルMC1の動作を説明する。図3は、「書込」、「消去」および「読出」時におけるメモリセルの各部位への電圧の印加条件の一例を示す表である。
【0083】
図3の表には、「書込」、「消去」および「読出」時のそれぞれにおいて、メモリゲート電極MGに印加される電圧Vmg、半導体領域MSに印加される電圧Vs、制御ゲート電極CGに印加される電圧Vcg、および、半導体領域MDに印加される電圧Vdが記載されている。また、図3の表には、「書込」、「消去」および「読出」時のそれぞれにおいて、p型ウェルPW1に印加される電圧Vbが記載されている。なお、図3の表に示したものは電圧の印加条件の好適な一例であり、これに限定されるものではなく、必要に応じて種々変更可能である。
【0084】
本実施の形態1では、メモリトランジスタの絶縁膜8中の電荷蓄積部である窒化シリコン膜8bへの電子の注入を「書込」と定義し、ホール、すなわち正孔の注入を「消去」と定義する。さらに、電源電圧Vddを1.5Vとする。
【0085】
書き込み方式は、いわゆるソースサイド注入(Source Side Injection:SSI)方式と呼ばれるホットエレクトロン書き込みを用いることができる。例えば図3の「書込」の欄に示すような電圧を、書き込みを行うメモリセルMC1の各部位に印加し、メモリセルMC1のゲート絶縁膜GIm中の窒化シリコン膜8b中に電子を注入する。ホットエレクトロンは、主としてメモリゲート電極MG下にゲート絶縁膜GImを介して位置する部分のチャネル領域で発生し、ゲート絶縁膜GIm中の電荷蓄積部である窒化シリコン膜8bに注入される。注入されたホットエレクトロンは、ゲート絶縁膜GIm中の窒化シリコン膜8b中のトラップ準位に捕獲され、その結果、メモリトランジスタの閾値電圧(Vth)が上昇する。
【0086】
消去方法は、バンド間トンネル(Band-To-Band Tunneling:BTBT)現象によるホットホール注入消去方式を用いることができる。つまり、BTBT現象により発生したホール、すなわち正孔を電荷蓄積部、すなわちゲート絶縁膜GIm中の窒化シリコン膜8bに注入することにより消去を行う。例えば図3の「消去」の欄に示すような電圧を、消去を行うメモリセルMC1の各部位に印加し、BTBT現象によりホールを発生させ電界加速することでメモリセルMC1のゲート絶縁膜GIm中の窒化シリコン膜8b中にホールを注入し、それによってメモリトランジスタの閾値電圧を低下させる。
【0087】
消去方法は、直接トンネル現象を利用したホール注入による消去方式も用いることができる。つまり、直接トンネル現象によりホールを電荷蓄積部、すなわちゲート絶縁膜GIm中の窒化シリコン膜8bに注入することにより消去を行う。図3の「消去」の欄では図示を省略するが、メモリゲート電極MGに印加される電圧Vmgを、例えば正の電圧である12Vとし、p型ウェルPW1に印加される電圧Vbを、例えば0Vとする。これにより、メモリゲート電極MG側からホールが、酸化シリコン膜8cを介して直接トンネル現象により電荷蓄積部、すなわち窒化シリコン膜8bに注入され、窒化シリコン膜8b中の電子を相殺することにより消去が行われる。あるいは、窒化シリコン膜8bに注入されたホールが窒化シリコン膜8b中のトラップ準位に捕獲されることにより消去が行われる。これによりメモリトランジスタの閾値電圧が低下し、消去状態となる。このような消去方法を用いた場合には、BTBT現象による消去方法を用いた場合と比較し、消費電流を低減することができる。
【0088】
読出し時には、例えば図3の「読出」の欄に示すような電圧を、読出しを行うメモリセルMC1の各部位に印加する。読出し時のメモリゲート電極MGに印加する電圧Vmgを、書き込み状態におけるメモリトランジスタの閾値電圧と消去状態におけるメモリトランジスタの閾値電圧との間の値にすることで、書き込み状態と消去状態とを判別することができる。
【0089】
<半導体装置の製造方法>
次に、本実施の形態1の半導体装置の製造方法について説明する。
【0090】
図4および図5は、実施の形態1の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。図6図20は、実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。図6図20の断面図には、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cの要部断面図が示されており、メモリセル領域1AにメモリセルMC1が、周辺回路領域1BにMISFETQHが、周辺回路領域1CにMISFETQLが、それぞれ形成される様子が示されている。
【0091】
前述したように、メモリセル領域1Aと周辺回路領域1Bは隣り合っていなくてもよく、メモリセル領域1Aと周辺回路領域1Cは隣り合っていなくてもよく、周辺回路領域1Bと周辺回路領域1Cは隣り合っていなくてもよい。しかし、理解を簡単にするために、図6図20の断面図においては、メモリセル領域1Aの隣に周辺回路領域1Bを図示し、周辺回路領域1Bの隣に周辺回路領域1Cを図示している。
【0092】
また、本実施の形態1においては、メモリセル領域1Aにnチャネル型の制御トランジスタCTおよびメモリトランジスタMTを形成する場合について説明するが、導電型を逆にしてpチャネル型の制御トランジスタCTおよびメモリトランジスタMTをメモリセル領域1Aに形成することもできる。
【0093】
同様に、本実施の形態1においては、周辺回路領域1Bにnチャネル型のMISFETQHを形成する場合について説明するが、導電型を逆にしてpチャネル型のMISFETQHを周辺回路領域1Bに形成することもでき、また、周辺回路領域1BにCMISFET(Complementary MISFET)などを形成することもできる。さらに同様に、本実施の形態1においては、周辺回路領域1Cにnチャネル型のMISFETQLを形成する場合について説明するが、導電型を逆にしてpチャネル型のMISFETQLを周辺回路領域1Cに形成することもでき、また、周辺回路領域1CにCMISFETなどを形成することもできる。
【0094】
図6に示すように、まず、例えば1〜10Ωcm程度の比抵抗を有するp型の単結晶シリコンなどからなる半導体ウェハとしての半導体基板1を用意、すなわち準備する(図4のステップS1)。
【0095】
次に、図6に示すように、素子分離膜2を形成する(図4のステップS2)。素子分離膜2は、半導体基板1の主面1aのメモリセル領域1Aにおいて、活性領域AR1を区画する素子分離領域IR1となる。また、素子分離膜2は、半導体基板1の主面1aの周辺回路領域1Bにおいて、活性領域AR2を区画する素子分離領域IR2となり、半導体基板1の主面1aの周辺回路領域1Cにおいて、活性領域AR3を区画する素子分離領域IR3となる。
【0096】
素子分離膜2は、酸化シリコンなどの絶縁体からなり、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法またはLOCOS(Local Oxidization of Silicon)法などにより形成することができる。例えば、素子分離領域IR1、IR2およびIR3に素子分離用の溝を形成した後、この素子分離用の溝内に、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜を埋め込むことで、素子分離膜2を形成することができる。
【0097】
次に、図6に示すように、メモリセル領域1Aで、活性領域AR1に、p型ウェルPW1を形成する(図4のステップS3)。p型ウェルPW1は、例えばホウ素(B)などのp型の不純物を、半導体基板1に、イオン注入法などで導入することにより、形成することができる。p型ウェルPW1は、半導体基板1の主面1aから所定の深さにわたって形成される。
【0098】
次に、例えばフッ酸(HF)水溶液を用いたウェットエッチングなどにより半導体基板1の表面の自然酸化膜を除去し、半導体基板1の表面を洗浄することによって、半導体基板1の表面を清浄化する。これにより、半導体基板1の表面が露出され、メモリセル領域1Aでp型ウェルPW1の表面が露出される。
【0099】
次に、図6に示すように、半導体基板1の主面1a全面に、絶縁膜3および導電膜4を形成する(図4のステップS4)。
【0100】
ステップS4では、まず、図6に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、半導体基板1の主面1aに、絶縁膜3を形成する。絶縁膜3のうち、メモリセル領域1Aに形成される部分を絶縁膜3aと称し、周辺回路領域1Bに形成される部分を絶縁膜3bと称し、周辺回路領域1Cに形成される部分を絶縁膜3cと称する。絶縁膜3bは、絶縁膜3aと同層に形成され、絶縁膜3cは、絶縁膜3aと同層に形成される。絶縁膜3aは、メモリセルMC1のゲート絶縁膜GIt(後述する図7参照)用の絶縁膜である。また、絶縁膜3aは、p型ウェルPW1上に形成される。
【0101】
図6に示す例では、絶縁膜3bは、絶縁膜3aと一体的に形成され、絶縁膜3cは、絶縁膜3aと一体的に形成される。しかし、絶縁膜3bは、絶縁膜3aと離れて形成されてもよく、絶縁膜3cは、絶縁膜3aと離れて形成されてもよい。
【0102】
絶縁膜3aとして前述したように、絶縁膜3として、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜もしくは酸窒化シリコン膜、またはHigh−k膜、すなわち高誘電率膜を用いることができ、絶縁膜3として使用可能な材料例は、絶縁膜3aとして前述した通りである。また、絶縁膜3を、熱酸化法、スパッタリング法、原子層堆積(Atomic Layer Deposition:ALD)法または化学的気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)法などを用いて形成することができる。
【0103】
ステップS4では、次に、図6に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、絶縁膜3上に、導電膜4を形成する。導電膜4のうち、メモリセル領域1Aに形成される部分を導電膜4aと称し、周辺回路領域1Bに形成される部分を導電膜4bと称し、周辺回路領域1Cに形成される部分を導電膜4cと称する。導電膜4bは、導電膜4aと同層に形成され、導電膜4cは、導電膜4aと同層に形成される。導電膜4aは、メモリセルMC1の制御ゲート電極CG(後述する図7参照)用の導電膜である。
【0104】
図6に示す例では、導電膜4bは、導電膜4aと一体的に形成され、導電膜4cは、導電膜4aと一体的に形成される。しかし、導電膜4bは、導電膜4aと離れて形成されてもよく、導電膜4cは、導電膜4aと離れて形成されてもよい。
【0105】
好適には、導電膜4は、多結晶シリコン膜、すなわちポリシリコン膜からなる。このような導電膜4を、CVD法などを用いて形成することができる。導電膜4の膜厚を、絶縁膜3を覆うように十分な程度の厚さとすることができる。また、成膜時は導電膜4をアモルファスシリコン膜として成膜してから、その後の熱処理でアモルファスシリコン膜を多結晶シリコン膜とすることもできる。
【0106】
導電膜4として、例えばリン(P)またはヒ素(As)などのn型の不純物またはホウ素(B)などのp型の不純物を導入して低抵抗率としたものを用いることが、好ましい。不純物は、導電膜4の成膜時または成膜後に導入することができる。導電膜4の成膜時に不純物を導入する場合には、導電膜4の成膜用のガスにドーピングガスを含ませることで、不純物が導入された導電膜4を成膜することができる。一方、シリコン膜の成膜後に不純物を導入する場合には、意図的には不純物を導入せずにシリコン膜を成膜した後に、このシリコン膜に不純物をイオン注入法などで導入することにより、不純物が導入された導電膜4を形成することができる。
【0107】
次に、図6に示すように、半導体基板1の主面1a全面に、すなわち導電膜4上に、絶縁膜5および絶縁膜6を形成する(図4のステップS5)。
【0108】
ステップS5では、まず、図6に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、導電膜4上に、絶縁膜5を形成する。この絶縁膜5は、キャップ絶縁膜CP1(後述する図7参照)用の絶縁膜である。
【0109】
例えばシリコン膜からなる導電膜4の表面を熱酸化することにより、例えば6nm程度の厚さを有する酸化シリコン膜からなる絶縁膜5を形成することができる。または、シリコン膜からなる導電膜4の表面を熱酸化することに代え、CVD法を用いて酸化シリコン膜からなる絶縁膜5を形成することもできる。
【0110】
また、絶縁膜5の材料については、酸化シリコン膜に代え、他の材料からなる絶縁膜を用いることができる。あるいは、絶縁膜5を形成せず、導電膜4上に絶縁膜6を直接形成することもできる。
【0111】
ステップS5では、次に、図6に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、絶縁膜5上に、絶縁膜6を形成する。例えば窒化シリコン膜からなる絶縁膜6を、例えばCVD法などを用いて形成することができる。
【0112】
次に、図7に示すように、絶縁膜6、絶縁膜5および導電膜4をパターニングする(図4のステップS6)。このステップS6では、例えばフォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、絶縁膜6、絶縁膜5および導電膜4を、パターニングする。
【0113】
まず、絶縁膜6上にレジスト膜を形成する。次いで、メモリセル領域1Aのうち、制御ゲート電極CGを形成する予定の領域以外の領域で、レジスト膜を貫通して絶縁膜6に達する開口部を形成し、開口部が形成されたレジスト膜からなるレジストパターンを形成する。このとき、メモリセル領域1Aのうち、制御ゲート電極CGを形成する予定の領域に配置された部分の絶縁膜6、ならびに、周辺回路領域1Bおよび1Cに配置された部分の絶縁膜6は、レジスト膜に覆われている。
【0114】
次いで、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、絶縁膜6、絶縁膜5および導電膜4を、例えばドライエッチングなどによりエッチングしてパターニングする。これにより、メモリセル領域1Aで、導電膜4aからなる制御ゲート電極CGが形成され、制御ゲート電極CGと半導体基板1のp型ウェルPW1との間の絶縁膜3aからなるゲート絶縁膜GItが形成される。すなわち、制御ゲート電極CGは、メモリセル領域1Aで、半導体基板1のp型ウェルPW1上に、ゲート絶縁膜GItを介して形成される。
【0115】
また、制御ゲート電極CG上に形成された部分の絶縁膜5からなるキャップ絶縁膜CP1が形成され、キャップ絶縁膜CP1を介して制御ゲート電極CG上に形成された部分の絶縁膜6からなるキャップ絶縁膜CP2が形成される。一方、周辺回路領域1Bおよび1Cでは、絶縁膜6、絶縁膜5および導電膜4が残される。周辺回路領域1Bでは、導電膜4bが残され、周辺回路領域1Cでは、導電膜4cが残される。その後、レジストパターン、すなわちレジスト膜を除去する。
【0116】
なお、メモリセル領域1Aにおいて、制御ゲート電極CGで覆われない部分の絶縁膜3aは、ステップS6のドライエッチングを行うことによって、または、ステップS6のドライエッチングの後にウェットエッチングを行うことによって、除去され得る。そして、メモリセル領域1Aのうち、制御ゲート電極CGが形成されていない部分では、半導体基板1のp型ウェルPW1が露出する。
【0117】
なお、図示は省略するが、ステップS6では、制御ゲート電極CGおよびキャップ絶縁膜CP1を形成した後、キャップ絶縁膜CP1および制御ゲート電極CGをマスクとして、p型ウェルPW1にn型の不純物をイオン注入法により導入してもよい。
【0118】
次に、図8に示すように、周辺回路領域1Bおよび1Cで、絶縁膜6を除去する(図4のステップS7)。
【0119】
このステップS7では、まず、メモリセル領域1Aで、キャップ絶縁膜CP2および制御ゲート電極CGを覆うように、レジスト膜(図示は省略)を形成する。また、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の絶縁膜6、ならびに、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4、すなわち導電膜4bおよび4cを覆うように、レジスト膜(図示は省略)を形成する。
【0120】
次いで、レジスト膜をパターン露光した後、現像することにより、レジスト膜をパターニングし、周辺回路領域1Bおよび1Cで、レジスト膜を除去し、メモリセル領域1Aで、レジスト膜を残す。これにより、メモリセル領域1Aで残された部分のレジスト膜からなるレジストパターンが形成される。
【0121】
次いで、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、絶縁膜6を例えばドライエッチングなどによりエッチングして除去する。これにより、図8に示すように、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の絶縁膜6を完全に除去することができる。その後、メモリセル領域1Aに残された部分のレジスト膜、すなわちレジストパターンを除去する。
【0122】
なお、図8に示すように、絶縁膜5の膜厚は、絶縁膜6の膜厚に比べて薄いため、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の絶縁膜6をエッチングして除去する際に、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の絶縁膜5も除去される。
【0123】
次に、図9に示すように、絶縁膜8および導電膜9を形成する(図4のステップS8)。
【0124】
ステップS8では、まず、図9に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、半導体基板1の主面1aに、メモリトランジスタMTのゲート絶縁膜GIm(後述する図11参照)用の絶縁膜8を形成する。このとき、メモリセル領域1Aでは、露出した部分の半導体基板1の主面1a、制御ゲート電極CGの側面、ならびに、キャップ絶縁膜CP2の上面および側面に、絶縁膜8が形成される。また、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4の上面および側面に、絶縁膜8が形成される。すなわち、絶縁膜8は、半導体基板1の主面1a、制御ゲート電極CGの側面、キャップ絶縁膜CP2の表面、ならびに、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4の表面を覆うように、形成される。
【0125】
絶縁膜8は、前述したように、内部に電荷蓄積部を有する絶縁膜であり、絶縁膜として、下から順に形成された酸化シリコン膜8a、窒化シリコン膜8bおよび酸化シリコン膜8cの積層膜からなる。
【0126】
絶縁膜8のうち、酸化シリコン膜8aを、例えば900℃程度の温度で熱酸化法またはISSG酸化法などにより形成することができる。その後に例えば1025℃程度の高温で窒化処理を実施してもよい。また、絶縁膜8のうち、窒化シリコン膜8bを、例えばCVD法により形成することができる。さらに、絶縁膜8のうち、酸化シリコン膜8cを、例えばCVD法により形成することができる。
【0127】
まず、露出した部分の半導体基板1の主面1aと、制御ゲート電極CGの側面と、キャップ絶縁膜CP2の上面および側面と、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4の上面および側面とに、例えば熱酸化法またはISSG酸化法により酸化シリコン膜8aを形成する。このとき、露出した部分の半導体基板1の主面1a、制御ゲート電極CGの側面、キャップ絶縁膜CP2の上面および側面、ならびに、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4の上面および側面が、酸化される。酸化シリコン膜8aの厚みは、例えば4nm程度とすることができる。
【0128】
他の形態として、酸化シリコン膜8aをALD法で形成することもできる。このとき、露出した部分の半導体基板1の主面1a、制御ゲート電極CGの側面、キャップ絶縁膜CP2の上面および側面、ならびに、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4の上面および側面に酸化シリコンが成長する。したがって、このときも、露出した部分の半導体基板1の主面1a、制御ゲート電極CGの側面、キャップ絶縁膜CP2の上面および側面、ならびに、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4の上面および側面が、酸化膜で覆われることになる。
【0129】
次に、酸化シリコン膜8a上に窒化シリコン膜8bを例えばCVD法で形成し、さらに窒化シリコン膜8b上に酸化シリコン膜8cを例えばCVD法、熱酸化法またはその両方で形成する。これにより、酸化シリコン膜8a、窒化シリコン膜8bおよび酸化シリコン膜8cの積層膜からなる絶縁膜8を形成することができる。
【0130】
メモリセル領域1Aに形成された絶縁膜8は、メモリゲート電極MG(後述する図10参照)のゲート絶縁膜として機能し、電荷保持機能を有する。絶縁膜8は、電荷蓄積部としての窒化シリコン膜8bを、電荷ブロック層としての酸化シリコン膜8aと酸化シリコン膜8cとで挟んだ構造を有している。そして、酸化シリコン膜8aおよび8cからなる電荷ブロック層のポテンシャル障壁高さが、窒化シリコン膜8bからなる電荷蓄積部のポテンシャル障壁高さに比べ、高くなる。
【0131】
なお、本実施の形態1においては、トラップ準位を有する絶縁膜として、窒化シリコン膜8bを用いるが、窒化シリコン膜8bを用いた場合、信頼性の面で好適である。しかし、トラップ準位を有する絶縁膜としては、窒化シリコン膜に限定されず、例えば酸化アルミニウム(アルミナ)膜、酸化ハフニウム膜または酸化タンタル膜など、窒化シリコン膜よりも高い誘電率を有する高誘電率膜を用いることができる。
【0132】
本実施の形態1では、ステップS8のうち絶縁膜8を形成する工程を行った後で、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4を除去し、周辺回路領域1Bにp型ウェルPW2(後述する図13参照)を形成し、周辺回路領域1Cにp型ウェルPW3(後述する図13参照)を形成する。絶縁膜8を形成する工程は、前述したように、例えば1025℃程度の高温処理が行われる。したがって、絶縁膜8を形成した後、p型ウェルPW2およびPW3を形成する本実施の形態1では、p型ウェルPW2またはPW3に導入されたn型の不純物が、絶縁膜8を形成する際に高温で拡散することを防止することができる。そして、p型ウェルPW2における不純物の濃度分布、または、p型ウェルPW3における不純物の濃度分布が変化することを、防止することができる。
【0133】
ステップS8では、次に、図9に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、絶縁膜8上に、導電膜9を形成する。
【0134】
好適には、導電膜9は、例えば多結晶シリコン膜、すなわちポリシリコン膜からなる。このような導電膜9を、CVD法などを用いて形成することができる。また、成膜時は導電膜9をアモルファスシリコン膜として成膜してから、その後の熱処理でアモルファスシリコン膜を多結晶シリコン膜とすることもできる。
【0135】
導電膜9として、例えばリン(P)またはヒ素(As)などのn型の不純物またはホウ素(B)などのp型の不純物を導入して低抵抗率としたものを用いることが、好ましい。不純物は、導電膜9の成膜時または成膜後に導入することができる。導電膜9の成膜後のイオン注入で導電膜9に不純物を導入することもできるが、導電膜9の成膜時に導電膜9に不純物を導入することもできる。導電膜9の成膜時に不純物を導入する場合には、導電膜9の成膜用のガスにドーピングガスを含ませることで、不純物が導入された導電膜9を成膜することができる。
【0136】
次に、図10に示すように、異方性エッチング技術により導電膜9をエッチバックして、メモリゲート電極MGを形成する(図4のステップS9)。
【0137】
このステップS9では、導電膜9の膜厚の分だけ導電膜9をエッチバックすることにより、制御ゲート電極CGの両側の側壁上、すなわち側面上に、絶縁膜8を介して導電膜9をサイドウォールスペーサ状に残し、他の領域の導電膜9を除去する。
【0138】
これにより、図10に示すように、メモリセル領域1Aにおいて、制御ゲート電極CGの両側の側壁のうち、第1の側、すなわちその制御ゲート電極CGと隣接するメモリゲート電極MGが配置される側の側壁上に、絶縁膜8を介してサイドウォールスペーサ状に残された導電膜9からなる、メモリゲート電極MGが形成される。また、制御ゲート電極CGの両側の側壁のうち、第1の側と反対側、すなわちその制御ゲート電極CGと隣接するメモリゲート電極MGが配置される側と反対側の側壁上に、絶縁膜8を介してサイドウォールスペーサ状に残された導電膜9からなる、スペーサSP1が形成される。
【0139】
メモリゲート電極MGは、絶縁膜8上に、絶縁膜8を介して制御ゲート電極CGと隣り合うように形成される。メモリゲート電極MGとスペーサSP1とは、制御ゲート電極CGの互いに反対側となる側壁上に形成されており、制御ゲート電極CGを挟んでほぼ対称な構造を有している。
【0140】
制御ゲート電極CG上には、キャップ絶縁膜CP1を介してキャップ絶縁膜CP2が形成されている。したがって、メモリゲート電極MGは、キャップ絶縁膜CP2の第1の側の側壁上に、絶縁膜8を介してサイドウォールスペーサ状に残された導電膜9からなる。また、スペーサSP1は、キャップ絶縁膜CP2の第1の側と反対側の側壁上に、絶縁膜8を介してサイドウォールスペーサ状に残された導電膜9からなる。
【0141】
なお、周辺回路領域1Bに残された部分の導電膜4すなわち導電膜4bの側面上、および、周辺回路領域1Cに残された部分の導電膜4すなわち導電膜4cの側面上にも、絶縁膜8を介してサイドウォールスペーサ状に残された導電膜9により、スペーサSP1が形成される。
【0142】
ステップS9で形成されたメモリゲート電極MGと半導体基板1のp型ウェルPW1との間、および、メモリゲート電極MGと制御ゲート電極CGとの間には、絶縁膜8が介在しており、このメモリゲート電極MGは、絶縁膜8に接触した導電膜9からなる。
【0143】
ステップS9のエッチバック工程を行った段階で、絶縁膜8のうちメモリゲート電極MGおよびスペーサSP1のいずれにも覆われていない部分、すなわち、メモリゲート電極MGおよびスペーサSP1のいずれにも覆われていない部分の絶縁膜8が、露出される。メモリセル領域1Aにおけるメモリゲート電極MG下の絶縁膜8が、メモリトランジスタMTのゲート絶縁膜GIm(後述する図11参照)となる。また、ステップS8にて形成される導電膜9の膜厚を調整することで、メモリゲート長を調整することができる。
【0144】
次に、図11に示すように、スペーサSP1および絶縁膜8を除去する(図4のステップS10)。
【0145】
ステップS10では、まず、フォトリソグラフィを用いて、メモリゲート電極MGが覆われ、かつ、スペーサSP1が露出されるようなレジストパターン(図示せず)を半導体基板1上に形成する。そして、形成されたレジストパターンをエッチングマスクとしたドライエッチングにより、スペーサSP1を除去する。一方、メモリゲート電極MGは、レジストパターンで覆われていたので、エッチングされずに残される。その後、このレジストパターンを除去する。
【0146】
ステップS10では、次に、メモリゲート電極MGで覆われていない部分の絶縁膜8を、例えばウェットエッチングなどのエッチングによって除去する。この際、メモリセル領域1Aにおいて、メモリゲート電極MGとp型ウェルPW1との間、および、メモリゲート電極MGと制御ゲート電極CGとの間に位置する絶縁膜8は、除去されずに残され、他の領域に位置する絶縁膜8は除去される。このとき、メモリセル領域1Aにおいて、メモリゲート電極MGとp型ウェルPW1との間に残された部分、および、メモリゲート電極MGと制御ゲート電極CGとの間に残された部分の絶縁膜8からなるゲート絶縁膜GImが形成される。
【0147】
なお、ステップS10において、絶縁膜8のうち、酸化シリコン膜8cおよび窒化シリコン膜8bが除去され、酸化シリコン膜8aが除去されずに残されるように、エッチングを行うこともできる。
【0148】
次に、図12に示すように、絶縁膜21および絶縁膜22を形成する(図4のステップS11)。
【0149】
ステップS11では、まず、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、半導体基板1の主面1aに、絶縁膜21を形成する。このとき、絶縁膜21は、メモリセル領域1Aで、露出した部分の半導体基板1の主面1a、制御ゲート電極CG、キャップ絶縁膜CP2、および、メモリゲート電極MGを覆うように、形成される。また、絶縁膜21は、周辺回路領域1Bに残された部分の導電膜4すなわち導電膜4b、および、周辺回路領域1Cに残された部分の導電膜4すなわち導電膜4cを覆うように、形成される。
【0150】
例えば、露出した部分の半導体基板1の主面1aと、制御ゲート電極CGの側面と、キャップ絶縁膜CP2の上面および側面と、メモリゲート電極MGの表面と、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4の上面および側面とに、CVD法により酸化シリコン膜からなる絶縁膜21を形成する。このとき、露出した部分の半導体基板1の主面1a、制御ゲート電極CGの側面、キャップ絶縁膜CP2の上面および側面、メモリゲート電極MGの表面、ならびに、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4の上面および側面が、酸化膜で覆われる。
【0151】
他の形態として、酸化シリコン膜からなる絶縁膜21をALD法で形成することもできる。このとき、露出した部分の半導体基板1の主面1a、制御ゲート電極CGの側面、キャップ絶縁膜CP2の上面および側面、メモリゲート電極MGの表面、ならびに、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4の上面および側面が、酸化雰囲気で熱処理される。したがって、このときも、露出した部分の半導体基板1の主面1a、制御ゲート電極CGの側面、キャップ絶縁膜CP2の上面および側面、メモリゲート電極MGの表面、ならびに、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4の上面および側面が、酸化されることになる。
【0152】
ステップS11では、次に、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、絶縁膜21上に、絶縁膜22を形成する。例えば窒化シリコン膜からなる絶縁膜22を、例えばCVD法などを用いて形成することができる。
【0153】
次に、図13に示すように、周辺回路領域1Bおよび1Cで、絶縁膜22、絶縁膜21および導電膜4を除去する(図5のステップS12)。
【0154】
ステップS12では、まず、メモリセル領域1Aで、絶縁膜21および絶縁膜22を介して、キャップ絶縁膜CP2および制御ゲート電極CGを覆うように、レジスト膜(図示は省略)を形成する。また、絶縁膜21および絶縁膜22を介して、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4を覆うように、レジスト膜(図示は省略)を形成する。
【0155】
次いで、レジスト膜をパターン露光した後、現像することにより、レジスト膜をパターニングし、周辺回路領域1Bおよび1Cで、レジスト膜を除去し、メモリセル領域1Aで、レジスト膜を残す。これにより、メモリセル領域1Aで残された部分のレジスト膜からなるレジストパターンが形成される。
【0156】
次いで、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、絶縁膜22、絶縁膜21および導電膜4を例えばドライエッチングなどによりエッチングして除去する。これにより、図13に示すように、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分の導電膜4を完全に除去することができる。すなわち、周辺回路領域1Bで導電膜4bを除去し、周辺回路領域1Cで導電膜4cを除去することができる。その後、メモリセル領域1Aに残された部分のレジスト膜、すなわちレジストパターンを除去する。
【0157】
ステップS11およびステップS12を行って、メモリセル領域1Aで、絶縁膜21および絶縁膜22を残す。これにより、ステップS12よりも後の工程(ステップS13〜ステップS16)で、例えば絶縁膜23を形成する際などに、制御ゲート電極CGまたはメモリゲート電極MGと隣り合う部分に位置するp型ウェルPW1の上層部が酸化されてゲートバーズピークが形成されることを防止または抑制することができる。あるいは、ステップS12よりも後の工程(ステップS13〜ステップS16)で、例えば絶縁膜23を形成する際などに、制御ゲート電極CGまたはメモリゲート電極MGの表面が酸化されて例えばゲート長が変動することを防止または抑制することができる。したがって、不揮発性メモリの特性が劣化することを、防止または抑制することができ、不揮発性メモリを備えた半導体装置の性能を向上させることができる。
【0158】
なお、周辺回路領域1Bに高耐圧のMISFETQH(後述する図19参照)を形成しない場合には、絶縁膜21および絶縁膜22を形成しなくてもよい。すなわち、周辺回路領域1Bに高耐圧のMISFETQHを形成しない場合には、ステップS10を行った後、ステップS11を行わず、ステップS12において導電膜4を除去した後、ステップS13の工程を行ってもよい。周辺回路領域1Bに高耐圧のMISFETQHを形成しない場合には、後述するステップS14において、例えば絶縁膜23を形成する際などに、酸化雰囲気で熱処理される時間が短くなる。そのため、絶縁膜21および絶縁膜22が形成されない場合でも、前述したゲートバーズピークが形成されること、または、制御ゲート電極CGまたはメモリゲート電極MGの表面が酸化されることを、防止または抑制することができる。
【0159】
また、ステップS12における導電膜4bおよび4cを除去する工程については、例えばステップS6の後であって、ステップS12の前の、いずれかの時点で行うこともできる。ただし、導電膜4bおよび4cを、ステップS12で、すなわち後述するステップS13の直前に、除去することにより、p型ウェルPW2およびPW3が形成される部分の半導体基板1の主面1aを保護することができる。
【0160】
次に、図13に示すように、周辺回路領域1Bで活性領域AR2にp型ウェルPW2を形成し、周辺回路領域1Cで活性領域AR3にp型ウェルPW3を形成する(図5のステップS13)。p型ウェルPW2およびp型ウェルPW3は、p型ウェルPW1と同様に、例えばホウ素(B)などのp型の不純物を、半導体基板1に、イオン注入法などで導入することにより、形成することができる。p型ウェルPW2およびp型ウェルPW3は、半導体基板1の主面1aから所定の深さにわたって形成される。
【0161】
好適には、p型ウェルPW2におけるp型の不純物濃度は、p型ウェルPW3におけるp型の不純物濃度よりも低い。これにより、高耐圧のMISFETQH(後述する図19参照)の駆動電圧を、低耐圧のMISFETQL(後述する図19参照)の駆動電圧よりも高くすることができる。
【0162】
次に、例えばフッ酸(HF)水溶液を用いたウェットエッチングなどにより半導体基板1の表面の自然酸化膜を除去し、半導体基板1の表面を洗浄することによって、半導体基板1の表面を清浄化する。これにより、周辺回路領域1Bおよび1Cで、半導体基板1の表面、すなわちp型ウェルPW2およびPW3の表面が露出される。
【0163】
次に、図14に示すように、半導体基板1の主面1a全面に、絶縁膜23および導電膜4を形成する(図5のステップS14)。
【0164】
ステップS14では、まず、図14に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、半導体基板1の主面1aに、絶縁膜23を形成する。絶縁膜23のうち、メモリセル領域1Aに形成される部分を絶縁膜23aと称し、周辺回路領域1Bに形成される部分を絶縁膜23bと称し、周辺回路領域1Cに形成される部分を絶縁膜23cと称する。絶縁膜23bは、絶縁膜23aと同層に形成され、絶縁膜23cは、絶縁膜23aと同層に形成される。絶縁膜23bは、MISFETQH(後述する図19参照)のゲート絶縁膜GIH(後述する図16参照)用の絶縁膜であり、絶縁膜23cは、MISFETQL(後述する図19参照)のゲート絶縁膜GIL(後述する図16参照)用の絶縁膜である。また、絶縁膜23bは、p型ウェルPW2上に形成され、絶縁膜23cは、p型ウェルPW3上に形成される。
【0165】
図14に示す例では、絶縁膜23bは、絶縁膜23aと一体的に形成され、絶縁膜23cは、絶縁膜23aと一体的に形成される。しかし、絶縁膜23bは、絶縁膜23aと離れて形成されてもよく、絶縁膜23cは、絶縁膜23aと離れて形成されてもよい。
【0166】
絶縁膜23bとして前述したように、絶縁膜23として、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜もしくは酸窒化シリコン膜、またはHigh−k膜、すなわち高誘電率膜を用いることができ、絶縁膜23として使用可能な材料例は、絶縁膜23bとして前述した通りである。また、絶縁膜23を、熱酸化法、スパッタリング法、ALD法またはCVD法などを用いて形成することができる。
【0167】
前述したように、周辺回路領域1Bに形成されるMISFETQH(後述する図19参照)は、高耐圧のMISFETであり、周辺回路領域1Cに形成されるMISFETQL(後述する図19参照)は、低耐圧のMISFETである。そのため、好適には、ゲート絶縁膜GIH(後述する図16参照)用の絶縁膜23bの膜厚TIbは、ゲート絶縁膜GIL(後述する図16参照)用の絶縁膜23cの膜厚TIcよりも厚い。このような場合、絶縁膜23bを、p型ウェルPW2の上面を酸化することにより形成される絶縁膜と、例えばCVD法により形成される絶縁膜との積層膜からなるものとし、絶縁膜23cを、p型ウェルPW3の上面を酸化することにより形成される絶縁膜からなるものとする。このような方法により、絶縁膜23bの膜厚TIbを絶縁膜23cの膜厚TIcよりも厚くすることができる。
【0168】
ステップS14では、次に、図14に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、絶縁膜23上に、導電膜24を形成する。導電膜24のうち、メモリセル領域1Aに形成される部分を導電膜24aと称し、周辺回路領域1Bに形成される部分を導電膜24bと称し、周辺回路領域1Cに形成される部分を導電膜24cと称する。導電膜24bは、導電膜24aと同層に形成され、導電膜24cは、導電膜24aと同層に形成される。導電膜24bは、MISFETQH(後述する図19参照)のゲート電極GEH(後述する図16参照)用の導電膜であり、導電膜24cは、MISFETQL(後述する図19参照)のゲート電極GEL(後述する図16参照)用の導電膜である。
【0169】
図14に示す例では、導電膜24bは、導電膜24aと一体的に形成され、導電膜24cは、導電膜24aと一体的に形成される。しかし、導電膜24bは、導電膜24aと離れて形成されてもよく、導電膜24cは、導電膜24aと離れて形成されてもよい。
【0170】
好適には、導電膜24は、多結晶シリコン膜、すなわちポリシリコン膜からなる。このような導電膜24を、CVD法などを用いて形成することができる。導電膜24の膜厚を、絶縁膜23を覆うように十分な程度の厚さとすることができる。また、成膜時は導電膜24をアモルファスシリコン膜として成膜してから、その後の熱処理でアモルファスシリコン膜を多結晶シリコン膜とすることもできる。
【0171】
導電膜24として、例えばリン(P)またはヒ素(As)などのn型の不純物またはホウ素(B)などのp型の不純物を導入して低抵抗率としたものを用いることが、好ましい。不純物は、導電膜24の成膜時または成膜後に導入することができる。導電膜24の成膜時に不純物を導入する場合には、導電膜24の成膜用のガスにドーピングガスを含ませることで、不純物が導入された導電膜24を成膜することができる。一方、シリコン膜の成膜後に不純物を導入する場合には、意図的には不純物を導入せずにシリコン膜を成膜した後に、このシリコン膜に不純物をイオン注入法などで導入することにより、不純物が導入された導電膜24を形成することができる。
【0172】
導電膜24cの膜厚TEcを、導電膜24bの膜厚TEbと等しくすることができ、導電膜24bの膜厚TEbおよび導電膜24cの膜厚TEcの各々を、制御ゲート電極CGの膜厚TGと異ならせることができる。
【0173】
次に、図15に示すように、メモリセル領域1Aで、導電膜24を除去する(図5のステップS15)。
【0174】
ステップS15では、まず、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、導電膜24を覆うように、レジスト膜(図示は省略)を形成する。次いで、レジスト膜をパターン露光した後、現像することにより、レジスト膜をパターニングし、メモリセル領域1Aで、レジスト膜を除去し、周辺回路領域1Bおよび1Cで、レジスト膜を残す。これにより、周辺回路領域1Bおよび1Cで残された部分のレジスト膜からなるレジストパターンが形成される。
【0175】
次いで、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、導電膜24を例えばドライエッチングなどによりエッチングして除去する。これにより、図15に示すように、メモリセル領域1Aに残された部分の導電膜24、すなわち導電膜24aを除去することができる。その後、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分のレジスト膜、すなわちレジストパターンを除去する。
【0176】
なお、ステップS15では、図15に示すように、メモリセル領域1Aで、導電膜24を除去する際に、メモリセル領域1Aで、導電膜24とともに絶縁膜23を除去してもよい。
【0177】
あるいは、ステップS15では、メモリセル領域1Aで、導電膜24および絶縁膜23を除去する際に、メモリセル領域1Aに残された部分の絶縁膜22および絶縁膜21を除去してもよい。ただし、導電膜24および絶縁膜23を除去する際に、メモリセル領域1Aに残された部分の絶縁膜22および絶縁膜21を除去した場合には、その後、後述するステップS16の工程を行う前に、メモリセル領域1Aで、再び絶縁膜21および絶縁膜22に相当する絶縁膜を形成しておくことが好ましい。
【0178】
次に、図16に示すように、周辺回路領域1Bおよび1Cで、導電膜24をパターニングする(図5のステップS16)。このステップS16では、例えばフォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、周辺回路領域1Bおよび1Cで、導電膜24をパターニングする。
【0179】
まず、半導体基板1の主面1a全面に、レジスト膜を形成する。次いで、周辺回路領域1Bのうち、ゲート電極GEHを形成する予定の領域以外の領域で、レジスト膜を貫通して導電膜24に達する開口部を形成し、周辺回路領域1Cのうち、ゲート電極GELを形成する予定の領域以外の領域で、レジスト膜を貫通して導電膜24に達する開口部を形成する。そして、周辺回路領域1Bおよび1Cで開口部が形成されたレジスト膜からなるレジストパターンを形成する。このとき、周辺回路領域1Bのうち、ゲート電極GEHを形成する予定の領域に配置された部分の導電膜24b、周辺回路領域1Cのうち、ゲート電極GELを形成する予定の領域に配置された部分の導電膜24cは、レジスト膜に覆われている。また、メモリセル領域1Aに残された部分の絶縁膜22は、レジスト膜に覆われている。
【0180】
次いで、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、導電膜24を、例えばドライエッチングなどによりエッチングしてパターニングする。
【0181】
これにより、周辺回路領域1Bで、導電膜24bからなるゲート電極GEHが形成され、ゲート電極GEHと半導体基板1のp型ウェルPW2との間の絶縁膜23bからなるゲート絶縁膜GIHが形成される。すなわち、ゲート電極GEHは、周辺回路領域1Bで、半導体基板1のp型ウェルPW2上に、ゲート絶縁膜GIHを介して形成される。
【0182】
また、周辺回路領域1Cで、導電膜24cからなるゲート電極GELが形成され、ゲート電極GELと半導体基板1のp型ウェルPW3との間の絶縁膜23cからなるゲート絶縁膜GILが形成される。すなわち、ゲート電極GELは、周辺回路領域1Cで、半導体基板1のp型ウェルPW3上に、ゲート絶縁膜GILを介して形成される。
【0183】
一方、メモリセル領域1Aでは、メモリゲート電極MGおよび制御ゲート電極CGは、絶縁膜21および絶縁膜22を介してレジストパターンで覆われているため、メモリゲート電極MGおよび制御ゲート電極CGはエッチングされない。その後、レジストパターン、すなわちレジスト膜を除去する。
【0184】
なお、周辺回路領域1Bにおいて、ゲート電極GEHで覆われない部分の絶縁膜23bは、ステップS16のドライエッチングを行うことによって、または、ステップS16のドライエッチングの後にウェットエッチングを行うことによって、除去され得る。また、周辺回路領域1Cにおいて、ゲート電極GELで覆われない部分の絶縁膜23cは、ステップS16のドライエッチングを行うことによって、または、ステップS16のドライエッチングの後にウェットエッチングを行うことによって、除去され得る。
【0185】
前述したように、絶縁膜23bの膜厚TIb(図14参照)が、絶縁膜23cの膜厚TIc(図14参照)よりも厚いときは、絶縁膜23bからなるゲート絶縁膜GIHの膜厚TIHは、絶縁膜23cからなるゲート絶縁膜GILの膜厚TILよりも厚い。これにより、ゲート絶縁膜GIHを、高耐圧のMISFETQH(後述する図19参照)のゲート絶縁膜とすることができ、ゲート絶縁膜GILを、低耐圧のMISFETQL(後述する図19参照)のゲート絶縁膜とすることができる。
【0186】
また、前述したように、導電膜24cの膜厚TEc(図14参照)を、導電膜24bの膜厚TEb(図14参照)と等しくすることができ、導電膜24bの膜厚TEbおよび導電膜24cの膜厚TEcの各々を、制御ゲート電極CGの膜厚TGと異ならせることができる。したがって、導電膜24cからなるゲート電極GELの膜厚TELを、導電膜24bからなるゲート電極GEHの膜厚TEHと等しくすることができ、ゲート電極GEHの膜厚TEHおよびゲート電極GELの膜厚TELの各々を、制御ゲート電極CGの膜厚TGと異ならせることができる。
【0187】
次に、図17に示すように、絶縁膜22および絶縁膜21を除去する(図5のステップS17)。
【0188】
ステップS17では、まず、メモリセル領域1Aで、絶縁膜21および絶縁膜22を介して、キャップ絶縁膜CP2、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGを覆うように、レジスト膜(図示は省略)を形成する。また、周辺回路領域1Bで、ゲート電極GEHを覆い、周辺回路領域1Cで、ゲート電極GELを覆うように、レジスト膜(図示は省略)を形成する。
【0189】
次いで、レジスト膜をパターン露光した後、現像することにより、レジスト膜をパターニングし、メモリセル領域1Aで、レジスト膜を除去し、周辺回路領域1Bおよび1Cで、レジスト膜を残す。これにより、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分のレジスト膜からなるレジストパターンが形成される。
【0190】
次いで、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、絶縁膜22および絶縁膜21を例えばドライエッチングなどによりエッチングして除去する。これにより、図17に示すように、メモリセル領域1Aに残された部分の絶縁膜22、および、メモリセル領域1Aに残された部分の絶縁膜21を、完全に除去することができる。その後、周辺回路領域1Bおよび1Cに残された部分のレジスト膜、すなわちレジストパターンを除去する。
【0191】
次に、図18に示すように、n型半導体領域11a、11b、11cおよび11dを、イオン注入法などを用いて形成する(図5のステップS18)。このステップS18では、例えばヒ素(As)またはリン(P)などのn型の不純物を、制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MG、ゲート電極GEHおよびゲート電極GELをマスクとして用いて、半導体基板1のp型ウェルPW1、PW2およびPW3に導入する。これにより、n型半導体領域11a、11b、11cおよび11dが形成される。
【0192】
この際、n型半導体領域11aは、メモリセル領域1Aにおいて、メモリゲート電極MGの側面に自己整合して形成され、n型半導体領域11bは、メモリセル領域1Aにおいて、制御ゲート電極CGの側面に自己整合して形成される。さらに、n型半導体領域11cは、周辺回路領域1Bにおいて、ゲート電極GEHの側面に自己整合して形成され、n型半導体領域11dは、周辺回路領域1Cにおいて、ゲート電極GELの側面に自己整合して形成される。
【0193】
図18に示す例では、n型半導体領域11cをイオン注入法により形成する際の注入エネルギーを、n型半導体領域11dをイオン注入法により形成する際の注入エネルギーよりも大きくする。これにより、n型半導体領域11cの下面の深さ位置を、n型半導体領域11dの下面の深さ位置よりも深くすることができる。
【0194】
なお、n型半導体領域11a、11b、11cおよび11dは、同じイオン注入工程で形成することもできる。
【0195】
次に、図19に示すように、制御ゲート電極CGの側壁上、メモリゲート電極MGの側壁上、ゲート電極GEHの側壁上、および、ゲート電極GELの側壁上に、サイドウォールスペーサSWを形成する(図5のステップS19)。
【0196】
まず、半導体基板1の主面1a全面に、サイドウォールスペーサSW用の絶縁膜を形成し、形成された絶縁膜を例えば異方性エッチングによりエッチバックする。このようにして、制御ゲート電極CGの側壁上、メモリゲート電極MGの側壁上、ゲート電極GEHの側壁上、および、ゲート電極GELの側壁上に、選択的にこの絶縁膜を残すことにより、サイドウォールスペーサSWを形成する。このサイドウォールスペーサSWは、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜またはそれらの積層膜などの絶縁膜からなる。
【0197】
次に、図19に示すように、n型半導体領域12a、12b、12cおよび12dを、イオン注入法などを用いて形成する(図5のステップS20)。このステップS20では、例えばヒ素(As)またはリン(P)などのn型の不純物を、制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MG、ゲート電極GEHおよびゲート電極GELと、それらの側壁上のサイドウォールスペーサSWとをマスクとして用いて、半導体基板1のp型ウェルPW1、PW2およびPW3に導入する。これにより、n型半導体領域12a、12b、12cおよび12dが形成される。
【0198】
この際、n型半導体領域12aは、メモリセル領域1Aにおいて、メモリゲート電極MGの側壁上のサイドウォールスペーサSWに自己整合して形成される。また、n型半導体領域12bは、メモリセル領域1Aにおいて、制御ゲート電極CGの側壁上のサイドウォールスペーサSWに自己整合して形成される。さらに、n型半導体領域12cは、周辺回路領域1Bにおいて、ゲート電極GEHの両側壁上のサイドウォールスペーサSWに自己整合して形成され、n型半導体領域12dは、周辺回路領域1Cにおいて、ゲート電極GELの両側壁上のサイドウォールスペーサSWに自己整合して形成される。これにより、LDD構造が形成される。
【0199】
本実施の形態1では、n型半導体領域12cをイオン注入法により形成する際の注入エネルギーを、n型半導体領域12dをイオン注入法により形成する際の注入エネルギーと略等しくする。これにより、n型半導体領域12cの下面の深さ位置を、n型半導体領域12dの下面の深さ位置と略等しくすることができる。したがって、n型半導体領域12cの下面の深さ位置を、n型半導体領域11cの下面の深さ位置よりも浅くすることができ、n型半導体領域12dの下面の深さ位置を、n型半導体領域11dの下面の深さ位置よりも深くすることができる。
【0200】
なお、n型半導体領域12a、12b、12cおよび12dは、互いに異なるイオン注入工程で形成することも可能である。
【0201】
このようにして、n型半導体領域11aとそれよりも高不純物濃度のn型半導体領域12aとにより、メモリトランジスタMTのソース領域として機能するn型の半導体領域MSが形成される。また、n型半導体領域11bとそれよりも高不純物濃度のn型半導体領域12bとにより、制御トランジスタCTのドレイン領域として機能するn型の半導体領域MDが形成される。半導体領域MSは、平面視において、メモリゲート電極MGを挟んで制御ゲート電極CGと反対側に位置する部分のp型ウェルPW1の上層部に、形成される。半導体領域MDは、平面視において、制御ゲート電極CGを挟んでメモリゲート電極MGと反対側に位置する部分のp型ウェルPW1の上層部に、形成される。
【0202】
その後、n型半導体領域11a、11b、11cおよび11d、ならびに、n型半導体領域12a、12b、12cおよび12dなどに導入された不純物を活性化するための熱処理である活性化アニールを行う。
【0203】
これにより、図19に示すように、メモリセル領域1Aで、制御トランジスタCTおよびメモリトランジスタMTが形成され、制御トランジスタCTおよびメモリトランジスタMTにより、不揮発性メモリとしてのメモリセルMC1が形成される。すなわち、制御ゲート電極CGと、ゲート絶縁膜GItと、メモリゲート電極MGと、ゲート絶縁膜GImとにより、不揮発性メモリとしてのメモリセルMC1が形成される。
【0204】
また、図19に示すように、周辺回路領域1Bで、高耐圧のMISFETQHが形成され、周辺回路領域1Cで、低耐圧のMISFETQLが形成される。すなわち、ゲート電極GEHと、ゲート絶縁膜GIHとにより、高耐圧のMISFETQHが形成され、ゲート電極GELと、ゲート絶縁膜GILとにより、低耐圧のMISFETQLが形成される。
【0205】
次に、図20に示すように、金属シリサイド層13、絶縁膜14および層間絶縁膜15を形成する(図5のステップS21)。
【0206】
ステップS21では、まず、図20に示すように、金属シリサイド層13を形成する。半導体基板1の主面1a全面に、キャップ絶縁膜CP2、ゲート絶縁膜GIm、メモリゲート電極MG、ゲート電極GEHおよびGEL、ならびに、サイドウォールスペーサSWを覆うように、金属膜を形成する。金属膜は、例えばコバルト(Co)膜、ニッケル(Ni)膜、または、ニッケル白金合金膜などからなり、スパッタリング法などを用いて形成することができる。そして、半導体基板1に対して熱処理を施すことによって、n型半導体領域12a、12b、12cおよび12dのそれぞれの上層部を、金属膜と反応させる。これにより、n型半導体領域12a、12b、12cおよび12dの各々の上に、金属シリサイド層13がそれぞれ形成される。
【0207】
金属シリサイド層13は、例えばコバルトシリサイド層、ニッケルシリサイド層、または、白金添加ニッケルシリサイド層とすることができる。その後、未反応の金属膜を除去する。このようないわゆるサリサイドプロセスを行うことによって、図20に示すように、n型半導体領域12a、12b、12cおよび12dの各々の上に、金属シリサイド層13を形成することができる。なお、メモリゲート電極MG上、ゲート電極GEH上、および、ゲート電極GEL上にも、金属シリサイド層13を形成することができる。
【0208】
ステップS21では、次に、図20に示すように、絶縁膜14を形成する。キャップ絶縁膜CP2、ゲート絶縁膜GIm、メモリゲート電極MG、ゲート電極GEHおよびGEL、ならびに、サイドウォールスペーサSWを覆うように、絶縁膜14を形成する。絶縁膜14は、例えば窒化シリコン膜からなる。絶縁膜14を、例えばCVD法により形成することができる。
【0209】
ステップS21では、次に、図20に示すように、絶縁膜14上に、層間絶縁膜15を形成する。層間絶縁膜15は、酸化シリコン膜の単体膜、あるいは、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との積層膜などからなる。層間絶縁膜15を、例えばCVD法により形成した後、層間絶縁膜15の上面を平坦化する。
【0210】
次に、図1に示すように、層間絶縁膜15を貫通するプラグPGを形成する(図5のステップS22)。まず、フォトリソグラフィを用いて層間絶縁膜15上に形成したレジストパターン(図示せず)をエッチングマスクとして、層間絶縁膜15をドライエッチングすることにより、層間絶縁膜15にコンタクトホールCNTを形成する。次に、コンタクトホールCNT内に、導電体部として、タングステン(W)などからなる導電性のプラグPGを形成する。
【0211】
プラグPGを形成するには、例えば、コンタクトホールCNTの内部を含む層間絶縁膜15上に、例えば、チタン(Ti)膜、窒化チタン(TiN)膜、またはそれらの積層膜からなるバリア導体膜を形成する。それから、このバリア導体膜上にタングステン(W)膜などからなる主導体膜を、コンタクトホールCNTを埋めるように形成し、層間絶縁膜15上の不要な主導体膜およびバリア導体膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法またはエッチバック法などによって除去する。これにより、プラグPGを形成することができる。なお、図面の簡略化のために、図1では、プラグPGを構成するバリア導体膜および主導体膜を一体化して示してある。
【0212】
コンタクトホールCNTおよびそれに埋め込まれたプラグPGは、n型半導体領域12a、12b、12cおよび12d上、制御ゲート電極CG上、メモリゲート電極MG上、ゲート電極GEH上、ならびに、ゲート電極GEL上などに形成される。コンタクトホールCNTの底部では、例えばn型半導体領域12a、12b、12cおよび12dの各々の上の金属シリサイド層13の一部、制御ゲート電極CG上の金属シリサイド層13の一部、または、メモリゲート電極MG上の金属シリサイド層13の一部が露出される。あるいは、コンタクトホールCNTの底部では、例えばゲート電極GEH上の金属シリサイド層13の一部、または、ゲート電極GEL上の金属シリサイド層13の一部が露出される。
【0213】
なお、図1においては、n型半導体領域12b、12cおよび12dの各々の上の金属シリサイド層13の一部が、コンタクトホールCNTの底部で露出して、そのコンタクトホールCNTを埋めるプラグPGと電気的に接続された断面が示されている。
【0214】
以上のようにして、図1を用いて前述した、本実施の形態1の半導体装置が製造される。なお、プラグPGが埋め込まれた層間絶縁膜15上に、例えば銅(Cu)を主導電膜とする配線を、例えばダマシン技術を用いて形成することができるが、ここでは、その説明を省略する。
【0215】
<周辺回路領域に形成されるMISFETの特性変動について>
次に、周辺回路領域に形成されるMISFETの特性変動について、比較例の半導体装置の製造方法と対比しながら説明する。図21は、比較例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【0216】
比較例の半導体装置の製造方法では、実施の形態1の半導体装置の製造方法と同様に、図4のステップS1およびステップS2に相当する工程を行う。その後、比較例の半導体装置の製造方法では、実施の形態1の半導体装置の製造工程と異なり、図4のステップS3に相当する工程において、周辺回路領域1Bで、活性領域AR2にp型ウェルPW2を形成し、周辺回路領域1Cで、活性領域AR3にp型ウェルPW3を形成する。
【0217】
比較例の半導体装置の製造方法では、その後、図4のステップS4〜ステップS8に相当する工程を行って、図21に示すように、ONO膜としての絶縁膜8および導電膜9を形成する。
【0218】
ところが、ONO膜としての絶縁膜8を形成する際には、前述したように、例えば1025℃程度の高温処理が実施される。したがって、比較例では、絶縁膜8を形成する前に、周辺回路領域1Cで、既に半導体領域としてのp型ウェルPW3が形成されているため、絶縁膜8を形成する際に、p型ウェルPW3に導入されたn型の不純物が高温で拡散し、p型ウェルPW3における不純物の濃度分布が変化する。したがって、周辺回路領域1Cに形成されるMISFETQLの閾値電圧などが変動し、不揮発性メモリを備えた半導体装置の性能を向上させることができない。
【0219】
<本実施の形態の主要な特徴と効果>
一方、本実施の形態1の半導体装置の製造方法では、メモリセル領域1Aで、半導体基板1の主面1a上に、導電膜4aからなる制御ゲート電極CGを形成する。次いで、制御ゲート電極CGを覆うように、ONO膜としての絶縁膜8および導電膜9を形成し、導電膜9をエッチバックすることにより、制御ゲート電極CGの側壁上に絶縁膜8を介して導電膜9を残してメモリゲート電極MGを形成する。次いで、周辺回路領域1Cで、半導体基板1の主面1aにp型ウェルPW3を形成し、p型ウェルPW3上に、導電膜24を形成する。その後、導電膜24からなるゲート電極GELを形成する。
【0220】
ONO膜としての絶縁膜8を形成する工程は、前述したように、例えば1025℃程度の高温処理が行われる。したがって、本実施の形態1によれば、絶縁膜8を形成した後、p型ウェルPW3が形成されるので、p型ウェルPW3に導入されたn型の不純物が、絶縁膜8を形成する際に高温で拡散することを防止することができる。そして、p型ウェルPW3における不純物の濃度分布が変化することを防止することができる。したがって、周辺回路領域1Cに形成されるMISFETQLの閾値電圧などが変動することを防止または抑制することができ、不揮発性メモリを備えた半導体装置の性能を向上させることができる。
【0221】
なお、本実施の形態1では、メモリゲート電極MGを形成した後、p型ウェルPW3を形成する際に、p型ウェルPW2を形成し、p型ウェルPW3上にゲート電極GELを形成する際に、p型ウェルPW2上にゲート電極GEHを形成する場合を例示して説明した。しかし、メモリゲート電極MGを形成した後、p型ウェルPW3を形成する前に、p型ウェルPW2を形成し、p型ウェルPW2上にゲート電極GEHを形成してもよい。
【0222】
(実施の形態2)
実施の形態1の半導体装置の製造方法では、高圧系MIS領域および低圧系MIS領域のいずれにおいても、ONO膜としての絶縁膜を形成した後に、p型ウェルを形成した。それに対して、実施の形態2の半導体装置の製造方法では、低圧系MIS領域では、ONO膜としての絶縁膜を形成した後に、p型ウェルを形成するが、高圧系MIS領域では、ONO膜としての絶縁膜を形成する前に、p型ウェルを形成する。
【0223】
<半導体装置の構造>
初めに、本実施の形態2の半導体装置の構造を、図面を参照して説明する。図22は、実施の形態2の半導体装置の要部断面図である。
【0224】
本実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、半導体装置は、半導体基板1の主面1aの一部の領域として、メモリセル領域1A、ならびに、周辺回路領域1Bおよび1Cを有している。メモリセル領域1AにはメモリセルMC1が形成されており、周辺回路領域1BにはMISFETQHが形成されており、周辺回路領域1CにはMISFETQLが形成されている。
【0225】
本実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、周辺回路領域1Bは、高圧系MIS領域であり、周辺回路領域1Cは低圧系MIS領域である。したがって、周辺回路領域1Bに形成されるMISFETQHは、高耐圧のMISFETであり、周辺回路領域1Cに形成されるMISFETQLは、低耐圧のMISFETである。
【0226】
本実施の形態2では、実施の形態1と同様に、メモリセルMC1は、n型の半導体領域MSと、n型の半導体領域MDと、制御ゲート電極CGと、メモリゲート電極MGと、を有している。また、メモリセルMC1は、制御ゲート電極CGと半導体基板1との間に形成されたゲート絶縁膜GItと、メモリゲート電極MGと半導体基板1との間、および、メモリゲート電極MGと制御ゲート電極CGとの間に形成されたゲート絶縁膜GImと、を有している。
【0227】
本実施の形態2では、後述するように、制御ゲート電極CGの膜厚TGを、ゲート電極GELの膜厚TELよりも厚くすることができる。そのため、本実施の形態2では、実施の形態1と異なり、制御ゲート電極CGの膜厚TGを、メモリゲート電極MGの高さと等しくすることができるので、制御ゲート電極CG上に、キャップ絶縁膜CP1(図1参照)を介して、キャップ絶縁膜CP2(図1参照)が形成されていなくてもよい。
【0228】
なお、制御ゲート電極CG上に金属シリサイド層13が形成されている場合には、制御ゲート電極CGの膜厚TGを、制御ゲート電極CGの下面から、制御ゲート電極CG上に形成された金属シリサイド層13の上面までの距離と定義することができる。
【0229】
また、本実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、高耐圧のMISFETQHは、n型半導体領域11cおよびn型半導体領域12cからなる半導体領域と、p型ウェルPW2上に形成されたゲート絶縁膜GIHと、ゲート絶縁膜GIH上に形成されたゲート電極GEHと、を有している。
【0230】
一方、本実施の形態2では、実施の形態1とは異なり、ゲート電極GEHは、導電膜4bからなる。導電膜4bとして、メモリセルMC1の制御ゲート電極CGに含まれる導電膜4aと同層に形成された導電膜を用いることができる。そのため、ゲート電極GEHの膜厚TEHを、制御ゲート電極CGの膜厚TGと等しくすることができる。
【0231】
なお、ゲート電極GEH上に金属シリサイド層13が形成されている場合には、ゲート電極GEHの膜厚TEHを、ゲート電極GEHの下面から、ゲート電極GEH上に形成された金属シリサイド層13の上面までの距離と定義することができる。
【0232】
また、本実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、低耐圧のMISFETQLは、n型半導体領域11dおよびn型半導体領域12dからなる半導体領域と、p型ウェルPW3上に形成されたゲート絶縁膜GILと、ゲート絶縁膜GIL上に形成されたゲート電極GELと、を有している。
【0233】
本実施の形態2では、実施の形態1と同様に、ゲート電極GELは、導電膜24cからなる。導電膜24cは、シリコンからなり、例えばn型の不純物を導入した多結晶シリコン膜であるn型ポリシリコン膜などからなる。具体的には、ゲート電極GELは、パターニングされた導電膜24cからなる。導電膜24cとして、メモリセルMC1の制御ゲート電極CGに含まれる導電膜4a、および、MISFETQHのゲート電極GEHに含まれる導電膜4bのいずれとも異なる導電膜を用いることができる。そのため、ゲート電極GELの膜厚TELを、ゲート電極GEHの膜厚TEHと異ならせることができる。
【0234】
なお、ゲート電極GEL上に金属シリサイド層13が形成されている場合には、ゲート電極GELの膜厚TELを、ゲート電極GELの下面から、ゲート電極GEL上に形成された金属シリサイド層13の上面までの距離と定義することができる。
【0235】
本実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、高耐圧のMISFETQHのゲート長は、低耐圧のMISFETQLのゲート長よりも長い。また、高耐圧のMISFETQHの駆動電圧は、低耐圧のMISFETQLの駆動電圧よりも高く、高耐圧のMISFETQHの耐圧は、低耐圧のMISFETQLの耐圧よりも高い。
【0236】
好適には、ゲート絶縁膜GIHの膜厚TIHは、ゲート絶縁膜GILの膜厚TILよりも厚い。これにより、高耐圧のMISFETQHの駆動電圧を、低耐圧のMISFETQLの駆動電圧よりも高くすることができる。
【0237】
または、好適には、p型ウェルPW2におけるp型の不純物濃度は、p型ウェルPW3におけるp型の不純物濃度よりも低い。これにより、高耐圧のMISFETQHの駆動電圧を、低耐圧のMISFETQLの駆動電圧よりも高くすることができる。
【0238】
あるいは、好適には、ゲート電極GELの膜厚TELは、ゲート電極GEHの膜厚TEHよりも薄い。すなわち、ゲート電極GELの膜厚TELは、制御ゲート電極CGの膜厚TGよりも薄い。これにより、低耐圧のMISFETQLのゲート長が高耐圧のMISFETQHのゲート長より短い場合でも、ゲート電極GELを形状精度よく形成することができる。あるいは、周辺回路領域1Cにおいて、隣り合う2つのゲート電極GELの間の間隔が比較的狭い場合でも、隣り合う2つのゲート電極GELの間を絶縁膜14を介して層間絶縁膜15で容易に埋め込むことができる。
【0239】
なお、n型半導体領域11cの下面の深さ位置を、n型半導体領域11dの下面の深さ位置よりも深くすることができ、n型半導体領域12cの下面の深さ位置を、n型半導体領域12dの下面の深さ位置と略等しくすることができる。このとき、高耐圧のMISFETQHでは、n型半導体領域12cの下面の深さ位置は、n型半導体領域11cの下面の深さ位置よりも浅い。一方、低耐圧のMISFETQLでは、n型半導体領域12dの下面の深さ位置は、n型半導体領域11dの下面の深さ位置よりも深い。
【0240】
本実施の形態2でも、メモリセル領域1Aに形成されたメモリセルMC1の動作は、実施の形態1で、メモリセル領域1Aに形成されたメモリセルMC1の動作と同様にすることができる。
【0241】
<半導体装置の製造工程>
図23および図24は、実施の形態2の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。図25図38は、実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。図25図38の断面図には、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cの要部断面図が示されており、メモリセル領域1AにメモリセルMC1が、周辺回路領域1BにMISFETQHが、周辺回路領域1CにMISFETQLが、それぞれ形成される様子が示されている。
【0242】
本実施の形態2では、実施の形態1と同様に、図6のステップS1およびステップS2と同様の工程(図23のステップS31およびステップS32)を行った後、図25に示すように、メモリセル領域1Aで活性領域AR1にp型ウェルPW1を形成する(図23のステップS33)。
【0243】
ただし、本実施の形態2では、実施の形態1とは異なり、p型ウェルPW1を形成する際に、周辺回路領域1Bで活性領域AR2にp型ウェルPW2を形成する。p型ウェルPW1を形成する工程は、図4のステップS3と同様にすることができ、p型ウェルPW2を形成する工程は、図5のステップS13と同様にすることができる。
【0244】
好適には、p型ウェルPW2におけるp型の不純物濃度は、p型ウェルPW3(後述する図31参照)におけるp型の不純物濃度よりも低い。これにより、高耐圧のMISFETQH(後述する図37参照)の駆動電圧を、低耐圧のMISFETQL(後述する図37参照)の駆動電圧よりも高くすることができる。
【0245】
次に、図25に示すように、半導体基板1の主面1a全面に、絶縁膜3および導電膜4を形成する(図23のステップS34)。
【0246】
ステップS34では、まず、図25に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、半導体基板1の主面1aに、絶縁膜3を形成する。絶縁膜3のうち、メモリセル領域1Aに形成される部分を絶縁膜3aと称し、周辺回路領域1Bに形成される部分を絶縁膜3bと称し、周辺回路領域1Cに形成される部分を絶縁膜3cと称する。絶縁膜3bは、絶縁膜3aと同層に形成され、絶縁膜3cは、絶縁膜3aと同層に形成される。絶縁膜3aは、メモリセルMC1(後述する図37参照)のゲート絶縁膜GIt(後述する図26参照)用の絶縁膜であり、絶縁膜3bは、MISFETQH(後述する図37参照)のゲート絶縁膜GIH(後述する図26参照)用の絶縁膜である。また、絶縁膜3aは、p型ウェルPW1上に形成され、絶縁膜3bは、p型ウェルPW2上に形成される。
【0247】
図25に示す例では、絶縁膜3bは、絶縁膜3aと一体的に形成され、絶縁膜3cは、絶縁膜3aと一体的に形成される。しかし、絶縁膜3bは、絶縁膜3aと離れて形成されてもよく、絶縁膜3cは、絶縁膜3aと離れて形成されてもよい。
【0248】
実施の形態1と同様に、絶縁膜3として、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜もしくは酸窒化シリコン膜、またはHigh−k膜、すなわち高誘電率膜を用いることができ、絶縁膜3として使用可能な材料例は、実施の形態1で前述した通りである。また、絶縁膜3を、熱酸化法、スパッタリング法、ALD法またはCVD法などを用いて形成することができる。
【0249】
前述したように、周辺回路領域1Bに形成されるMISFETQH(後述する図37参照)は、高耐圧のMISFETである。そのため、好適には、ゲート絶縁膜GIH(後述する図26参照)用の絶縁膜3bの膜厚TIbは、ゲート絶縁膜GIL(後述する図34参照)用の絶縁膜23cの膜厚TIc(後述する図32参照)よりも厚い。絶縁膜3bを、p型ウェルPW2の上面を酸化することにより形成される絶縁膜と、例えばCVD法により形成される絶縁膜との積層膜からなるものとすることができる。このような方法により、絶縁膜3bの膜厚TIbを絶縁膜23cの膜厚TIcよりも厚くすることができる。
【0250】
なお、図25に示す例では、絶縁膜3cの膜厚は、絶縁膜3bの膜厚TIbと等しいが、絶縁膜3cの膜厚を、絶縁膜3bの膜厚TIbよりも薄くすることもできる。また、図25に示すように、絶縁膜3aの膜厚を、絶縁膜3bの膜厚TIbよりも薄くすることができる。
【0251】
ステップS34では、次に、図25に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、絶縁膜3上に、導電膜4を形成する。導電膜4のうち、メモリセル領域1Aに形成される部分を導電膜4aと称し、周辺回路領域1Bに形成される部分を導電膜4bと称し、周辺回路領域1Cに形成される部分を導電膜4cと称する。導電膜4bは、導電膜4aと同層に形成され、導電膜4cは、導電膜4aと同層に形成される。導電膜4aは、メモリセルMC1(後述する図37参照)の制御ゲート電極CG(後述する図26参照)用の導電膜であり、導電膜4bは、高耐圧のMISFETQH(後述する図37参照)のゲート電極GEH(後述する図26参照)用の導電膜である。
【0252】
図25に示す例では、導電膜4bは、導電膜4aと一体的に形成され、導電膜4cは、導電膜4aと一体的に形成される。しかし、導電膜4bは、導電膜4aと離れて形成されてもよく、導電膜4cは、導電膜4aと離れて形成されてもよい。
【0253】
導電膜4を形成する工程を、図4のステップS4において導電膜4を形成する工程と同様にすることができる。また、導電膜4bの膜厚TEbを、導電膜4aの膜厚TEaと等しくすることができる。
【0254】
次に、図26に示すように、導電膜4をパターニングする(図23のステップS35)。このステップS35では、例えばフォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、導電膜4を、パターニングする。
【0255】
図4のステップS6の工程と同様に、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、導電膜4を、例えばドライエッチングなどによりエッチングしてパターニングする。これにより、メモリセル領域1Aで、導電膜4aからなる制御ゲート電極CGが形成され、制御ゲート電極CGと半導体基板1のp型ウェルPW1との間の絶縁膜3aからなるゲート絶縁膜GItが形成される。すなわち、制御ゲート電極CGは、メモリセル領域1Aで、半導体基板1のp型ウェルPW1上に、ゲート絶縁膜GItを介して形成される。
【0256】
また、周辺回路領域1Bで、導電膜4bからなるゲート電極GEHが形成され、ゲート電極GEHと半導体基板1のp型ウェルPW2との間の絶縁膜3bからなるゲート絶縁膜GIHが形成される。一方、周辺回路領域1Cでは、導電膜4すなわち導電膜4cが残される。
【0257】
なお、メモリセル領域1Aにおいて、制御ゲート電極CGで覆われない部分の絶縁膜3aは、ステップS35のドライエッチングを行うことによって、または、ステップS35のドライエッチングの後にウェットエッチングを行うことによって、除去され得る。そして、メモリセル領域1Aのうち、制御ゲート電極CGが形成されていない部分では、半導体基板1のp型ウェルPW1が露出する。
【0258】
また、周辺回路領域1Bにおいて、ゲート電極GEHで覆われない部分の絶縁膜3bは、ステップS35のドライエッチングを行うことによって、または、ステップS35のドライエッチングの後にウェットエッチングを行うことによって、除去され得る。そして、周辺回路領域1Bのうち、ゲート電極GEHが形成されていない部分では、半導体基板1のp型ウェルPW2が露出する。
【0259】
なお、図示は省略するが、ステップS35では、制御ゲート電極CGを形成した後、制御ゲート電極CGをマスクとして、p型ウェルPW1にn型の不純物をイオン注入法により導入してもよい。
【0260】
前述したように、導電膜4bの膜厚TEb(図25参照)が、導電膜4aの膜厚TEa(図25参照)と等しいときは、導電膜4bからなるゲート電極GEHの膜厚TEHは、導電膜4aからなる制御ゲート電極CGの膜厚TGと等しい。また、膜厚TIbを有する絶縁膜3bからなるゲート絶縁膜GIHの膜厚を膜厚TIHと称する。
【0261】
なお、図26では、導電膜4aをパターニングするとともに、導電膜4bをパターニングし、制御ゲート電極CGを形成するとともに、ゲート電極GEHを形成する例を示している。しかし、導電膜4aと導電膜4bとを別々にパターニングしてもよく、制御ゲート電極CGとゲート電極GEHとを別々に形成してもよい。
【0262】
次に、図27に示すように、絶縁膜8および導電膜9を形成する(図23のステップS36)。
【0263】
ステップS36では、まず、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、半導体基板1の主面1aに、メモリトランジスタMT(後述する図37参照)のゲート絶縁膜GIm(後述する図29参照)用の絶縁膜8を形成する。絶縁膜8を形成する工程を、図4のステップS8における絶縁膜8を形成する工程と同様にすることができる。
【0264】
このとき、メモリセル領域1Aでは、露出した部分の半導体基板1の主面1a、および、制御ゲート電極CGの上面および側面に、絶縁膜8が形成され、周辺回路領域1Bでは、露出した部分の半導体基板1の主面1a、および、ゲート電極GEHの上面および側面に、絶縁膜8が形成される。さらに、周辺回路領域1Cに残された部分の導電膜4すなわち導電膜4cの上面および側面に、絶縁膜8が形成される。すなわち、絶縁膜8は、半導体基板1の主面1a、制御ゲート電極CGの表面、ゲート電極GEHの表面、ならびに、周辺回路領域1Cに残された部分の導電膜4の表面を覆うように、形成される。
【0265】
ステップS36では、次に、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、絶縁膜8上に、導電膜9を形成する。導電膜9を形成する工程を、図4のステップS8における導電膜9を形成する工程と同様にすることができる。
【0266】
次に、図4のステップS9と同様の工程を行って、図28に示すように、異方性エッチング技術により導電膜9をエッチバックし、メモリゲート電極MGを形成する(図23のステップS37)。
【0267】
これにより、図28に示すように、メモリセル領域1Aにおいて、制御ゲート電極CGの両側の側壁のうち、第1の側、すなわちその制御ゲート電極CGと隣接するメモリゲート電極MGが配置される側の側壁上に、絶縁膜8を介してサイドウォールスペーサ状に残された導電膜9からなる、メモリゲート電極MGが形成される。また、制御ゲート電極CGの両側の側壁のうち、第1の側と反対側、すなわちその制御ゲート電極CGと隣接するメモリゲート電極MGが配置される側と反対側の側壁上に、絶縁膜8を介してサイドウォールスペーサ状に残された導電膜9からなる、スペーサSP1が形成される。
【0268】
なお、ゲート電極GEHの側壁上にも、絶縁膜8を介してサイドウォールスペーサ状に残された導電膜9からなる、スペーサSP1が形成される。また、周辺回路領域1Cに残された部分の導電膜4すなわち導電膜4cの側面上にも、絶縁膜8を介してサイドウォールスペーサ状に残された導電膜9により、スペーサSP1が形成される。
【0269】
次に、図4のステップS10と同様の工程を行って、図29に示すように、スペーサSP1および絶縁膜8を除去する(図23のステップS38)。このとき、メモリセル領域1Aにおいて、メモリゲート電極MGとp型ウェルPW1との間に残された部分、および、メモリゲート電極MGと制御ゲート電極CGとの間に残された部分の絶縁膜8からなるゲート絶縁膜GImが形成される。
【0270】
次に、図30に示すように、絶縁膜21および絶縁膜22を形成する(図23のステップS39)。
【0271】
ステップS39では、まず、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、半導体基板1の主面1aに、絶縁膜21を形成する。絶縁膜21を形成する工程を、図4のステップS11における絶縁膜21を形成する工程と同様にすることができる。
【0272】
このとき、絶縁膜21は、メモリセル領域1Aで、露出した部分の半導体基板1の主面1a、制御ゲート電極CG、および、メモリゲート電極MGを覆い、かつ、周辺回路領域1Bで、露出した部分の半導体基板1の主面1a、および、ゲート電極GEHを覆うように、形成される。また、絶縁膜21は、周辺回路領域1Cに残された部分の導電膜4すなわち導電膜4cを覆うように、形成される。
【0273】
ステップS39では、次に、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、絶縁膜21上に、絶縁膜22を形成する。絶縁膜22を形成する工程を、図4のステップS11における絶縁膜22を形成する工程と同様にすることができる。
【0274】
次に、図5のステップS12と同様の工程を行って、図31に示すように、周辺回路領域1Cで、絶縁膜22、絶縁膜21および導電膜4を除去する(図24のステップS40)。
【0275】
本実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、ステップS39およびステップS40を行って、メモリセル領域1Aで、絶縁膜21および絶縁膜22を残す。これにより、ステップS40よりも後の工程(ステップS41〜ステップS44)で、例えば絶縁膜23を形成する際などに、制御ゲート電極CGまたはメモリゲート電極MGと隣り合う部分に位置するp型ウェルPW1の上層部が酸化されてゲートバーズピークが形成されることを防止または抑制することができる。
【0276】
あるいは、ステップS40よりも後の工程(ステップS41〜ステップS44)で、例えば絶縁膜23を形成する際などに、制御ゲート電極CGまたはメモリゲート電極MGの表面が酸化されて例えばゲート長が変動することを防止または抑制することができる。したがって、不揮発性メモリの特性が劣化することを、防止または抑制することができ、不揮発性メモリを備えた半導体装置の性能を向上させることができる。
【0277】
また、本実施の形態2では、ステップS39およびステップS40を行って、周辺回路領域1Bで、絶縁膜21および絶縁膜22を残す。これにより、ステップS40よりも後の工程(ステップS41〜ステップS44)で、例えば絶縁膜23を形成する際などに、ゲート電極GEHと隣り合う部分に位置するp型ウェルPW2の上層部が酸化されてゲートバーズピークが形成されることを防止または抑制することができる。
【0278】
実施の形態1では、図14に示したように、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGを形成した後、ゲート絶縁膜GIH用の絶縁膜23bを形成した。また、ゲート絶縁膜GIH用の絶縁膜23bの膜厚TIbは、ゲート絶縁膜GIL用の絶縁膜23cの膜厚TIcよりも厚い。したがって、実施の形態1では、ゲート絶縁膜GIH用の絶縁膜23bを形成する際に、制御ゲート電極CGまたはメモリゲート電極MGと隣り合う部分に位置するp型ウェルPW1の上層部が酸化されてゲートバーズピークが形成されるおそれがある。あるいは、ゲート絶縁膜GIH用の絶縁膜23bを形成する際に、制御ゲート電極CGまたはメモリゲート電極MGの表面が酸化されて例えばゲート長が変動するおそれがある。
【0279】
一方、本実施の形態2では、ゲート絶縁膜GIH用の絶縁膜3bを形成した後、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGを形成する。したがって、ゲート絶縁膜GIH用の絶縁膜3bを形成する際に、制御ゲート電極CGまたはメモリゲート電極MGの表面が酸化されて例えばゲート長が変動することを防止または抑制することができる。したがって、不揮発性メモリの特性が劣化することを、防止または抑制することができ、不揮発性メモリを備えた半導体装置の性能を向上させることができる。
【0280】
なお、ステップS40における導電膜4cを除去する工程については、例えばステップS35の後であって、ステップS40の前の、いずれかの時点で行うこともできる。ただし、導電膜4cを、ステップS40で、すなわち後述するステップS41の直前に、除去することにより、p型ウェルPW3(後述する図31参照)が形成される部分の半導体基板1の主面1aを保護することができる。
【0281】
次に、図31に示すように、周辺回路領域1Cで活性領域AR3にp型ウェルPW3を形成する(図24のステップS41)。p型ウェルPW3は、p型ウェルPW1およびp型ウェルPW2と同様に、例えばホウ素(B)などのp型の不純物を、半導体基板1に、イオン注入法などで導入することにより、形成することができる。p型ウェルPW3は、半導体基板1の主面1aから所定の深さにわたって形成される。
【0282】
前述したように、好適には、p型ウェルPW3におけるp型の不純物濃度は、p型ウェルPW2におけるp型の不純物濃度よりも高い。これにより、高耐圧のMISFETQH(後述する図37参照)の駆動電圧を、低耐圧のMISFETQL(後述する図37参照)の駆動電圧よりも高くすることができる。
【0283】
次に、例えばフッ酸(HF)水溶液を用いたウェットエッチングなどにより半導体基板1の表面の自然酸化膜を除去し、半導体基板1の表面を洗浄することによって、半導体基板1の表面を清浄化する。これにより、周辺回路領域1Cで、半導体基板1の表面、すなわちp型ウェルPW3の表面が露出される。
【0284】
次に、図32に示すように、半導体基板1の主面1a全面に、絶縁膜23および導電膜24を形成する(図24のステップS42)。
【0285】
ステップS42では、まず、図32に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、半導体基板1の主面1aに、絶縁膜23を形成する。絶縁膜23のうち、メモリセル領域1Aに形成される部分を絶縁膜23aと称し、周辺回路領域1Bに形成される部分を絶縁膜23bと称し、周辺回路領域1Cに形成される部分を絶縁膜23cと称する。絶縁膜23bは、絶縁膜23aと同層に形成され、絶縁膜23cは、絶縁膜23aと同層に形成される。絶縁膜23cは、MISFETQL(後述する図37参照)のゲート絶縁膜GIL(後述する図34参照)用の絶縁膜である。また、絶縁膜23cは、p型ウェルPW3上に形成される。
【0286】
図32に示す例では、絶縁膜23bは、絶縁膜23aと一体的に形成され、絶縁膜23cは、絶縁膜23aと一体的に形成される。しかし、絶縁膜23bは、絶縁膜23aと離れて形成されてもよく、絶縁膜23cは、絶縁膜23aと離れて形成されてもよい。
【0287】
絶縁膜23を形成する工程を、図5のステップS14における絶縁膜23を形成する工程と同様にすることができる。
【0288】
前述したように、周辺回路領域1Bに形成されるMISFETQH(後述する図37参照)は、高耐圧のMISFETであり、周辺回路領域1Cに形成されるMISFETQL(後述する図37参照)は、低耐圧のMISFETである。そのため、好適には、ゲート絶縁膜GIL(後述する図34参照)用の絶縁膜23cの膜厚TIcは、ゲート絶縁膜GIHの膜厚TIHよりも薄い。
【0289】
ステップS42では、次に、図32に示すように、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、絶縁膜23上に、導電膜24を形成する。導電膜24のうち、メモリセル領域1Aに形成される部分を導電膜24aと称し、周辺回路領域1Bに形成される部分を導電膜24bと称し、周辺回路領域1Cに形成される部分を導電膜24cと称する。導電膜24bは、導電膜24aと同層に形成され、導電膜24cは、導電膜24aと同層に形成される。導電膜24cは、MISFETQL(後述する図37参照)のゲート電極GEL(後述する図34参照)用の導電膜である。
【0290】
図32に示す例では、導電膜24bは、導電膜24aと一体的に形成され、導電膜24cは、導電膜24aと一体的に形成される。しかし、導電膜24bは、導電膜24aと離れて形成されてもよく、導電膜24cは、導電膜24aと離れて形成されてもよい。
【0291】
導電膜24を形成する工程を、図5のステップS14における導電膜24を形成する工程と同様にすることができる。
【0292】
導電膜24cの膜厚TEcを、ゲート電極GEHの膜厚TEHよりも薄くすることができる。これにより、低耐圧のMISFETQL(後述する図37参照)のゲート長が高耐圧のMISFETQH(後述する図37参照)のゲート長より短い場合でも、ゲート電極GELを形状精度よく形成することができる。あるいは、周辺回路領域1Cにおいて、隣り合う2つのゲート電極GELの間の間隔が比較的狭い場合でも、後述するステップS49において、隣り合う2つのゲート電極GELの間を絶縁膜14を介して層間絶縁膜15で容易に埋め込むことができる。
【0293】
次に、図33に示すように、メモリセル領域1Aおよび周辺回路領域1Bで、導電膜24を除去する(図5のステップS43)。
【0294】
ステップS43では、まず、メモリセル領域1Aならびに周辺回路領域1Bおよび1Cで、導電膜24を覆うように、レジスト膜(図示は省略)を形成する。次いで、レジスト膜をパターン露光した後、現像することにより、レジスト膜をパターニングし、メモリセル領域1Aおよび周辺回路領域1Bで、レジスト膜を除去し、周辺回路領域1Cで、レジスト膜を残す。これにより、周辺回路領域1Cで残された部分のレジスト膜からなるレジストパターンが形成される。
【0295】
次いで、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、導電膜24を例えばドライエッチングなどによりエッチングして除去する。これにより、図33に示すように、メモリセル領域1Aに配置された部分の導電膜24すなわち導電膜24a、および、周辺回路領域1Bに配置された部分の導電膜24すなわち導電膜24bを、除去することができる。なお、メモリセル領域1Aおよび周辺回路領域1Bで、導電膜24を除去する際に、導電膜24とともに絶縁膜23を除去してもよい。
【0296】
次に、図34に示すように、周辺回路領域1Cで、導電膜24をパターニングする(図24のステップS44)。このステップS44では、例えばフォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、周辺回路領域1Cに残された部分の導電膜24すなわち導電膜24cをパターニングする。
【0297】
図5のステップS16の工程と同様に、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、導電膜24cを、例えばドライエッチングなどによりエッチングしてパターニングする。これにより、周辺回路領域1Cで、導電膜24cからなるゲート電極GELが形成され、ゲート電極GELと半導体基板1のp型ウェルPW3との間の絶縁膜23cからなるゲート絶縁膜GILが形成される。すなわち、ゲート電極GELは、周辺回路領域1Cで、半導体基板1のp型ウェルPW3上に、ゲート絶縁膜GILを介して形成される。
【0298】
一方、メモリセル領域1Aおよび周辺回路領域1Bでは、メモリゲート電極MGおよび制御ゲート電極CGはレジストパターンで覆われているため、メモリゲート電極MGおよび制御ゲート電極CGはエッチングされない。
【0299】
なお、周辺回路領域1Cにおいて、ゲート電極GELで覆われない部分の絶縁膜23cは、ステップS44のドライエッチングを行うことによって、または、ステップS44のドライエッチングの後にウェットエッチングを行うことによって、除去され得る。
【0300】
前述したように、絶縁膜23cの膜厚TIc(図32参照)が、ゲート絶縁膜GIHの膜厚TIHよりも薄いときは、絶縁膜23cからなるゲート絶縁膜GILの膜厚TILは、ゲート絶縁膜GIHの膜厚TIHよりも薄い。これにより、ゲート絶縁膜GIHを、高耐圧のMISFETQH(後述する図37参照)のゲート絶縁膜とすることができ、ゲート絶縁膜GILを、低耐圧のMISFETQL(後述する図37参照)のゲート絶縁膜とすることができる。
【0301】
また、前述したように、導電膜24cの膜厚TEc(図32参照)を、ゲート電極GEHの膜厚TEHよりも薄くことができ、導電膜24cの膜厚TEcを、制御ゲート電極CGの膜厚TGよりも薄くすることができる。したがって、導電膜24cからなるゲート電極GELの膜厚TELを、ゲート電極GEHの膜厚TEHよりも薄くすることができ、導電膜24cからなるゲート電極GELの膜厚TELを、制御ゲート電極CGの膜厚TGよりも薄くすることができる。
【0302】
次に、図35に示すように、絶縁膜22および絶縁膜21を除去する(図24のステップS45)。
【0303】
図5のステップS17の工程と同様に、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、絶縁膜22および絶縁膜21を例えばドライエッチングなどによりエッチングして除去する。これにより、図35に示すように、メモリセル領域1Aおよび周辺回路領域1Bに残された部分の絶縁膜22、ならびに、メモリセル領域1Aおよび周辺回路領域1Bに残された部分の絶縁膜21を、完全に除去することができる。
【0304】
次に、図5のステップS18と同様の工程を行って、図36に示すように、n型半導体領域11a、11b、11cおよび11dを、イオン注入法などを用いて形成する(図24のステップS46)。
【0305】
本実施の形態2では、ゲート電極GEHの膜厚TEHは、ゲート電極GELの膜厚TELよりも厚い。そのため、ゲート電極GEHをマスクとして用いてイオン注入する際の注入エネルギーを、ゲート電極GELをマスクとして用いてイオン注入する際の注入エネルギーよりも大きくすることができる。したがって、n型半導体領域11cの下面の深さ位置を、n型半導体領域11dの下面の深さ位置よりも、容易に深くすることができる。
【0306】
次に、図5のステップS19と同様の工程を行って、図37に示すように、制御ゲート電極CGの側壁上、メモリゲート電極MGの側壁上、ゲート電極GEHの側壁上、および、ゲート電極GELの側壁上に、サイドウォールスペーサSWを形成する(図24のステップS47)。
【0307】
次に、図5のステップS20と同様の工程を行って、図37に示すように、n型半導体領域12a、12b、12cおよび12dを、イオン注入法などを用いて形成する(図24のステップS48)。
【0308】
これにより、図37に示すように、メモリセル領域1Aで、制御トランジスタCTおよびメモリトランジスタMTが形成され、制御トランジスタCTおよびメモリトランジスタMTにより、不揮発性メモリとしてのメモリセルMC1が形成される。すなわち、制御ゲート電極CGと、ゲート絶縁膜GItと、メモリゲート電極MGと、ゲート絶縁膜GImとにより、不揮発性メモリとしてのメモリセルMC1が形成される。
【0309】
また、図37に示すように、周辺回路領域1Bで、高耐圧のMISFETQHが形成され、周辺回路領域1Cで、低耐圧のMISFETQLが形成される。すなわち、ゲート電極GEHと、ゲート絶縁膜GIHとにより、高耐圧のMISFETQHが形成され、ゲート電極GELと、ゲート絶縁膜GILとにより、低耐圧のMISFETQLが形成される。
【0310】
次に、図5のステップS21と同様の工程を行って、図38に示すように、金属シリサイド層13、絶縁膜14および層間絶縁膜15を形成する(図24のステップS49)。
【0311】
次に、図5のステップS22と同様の工程を行って、プラグPGを形成する(図24のステップS50)。これにより、図22に示すように、本実施の形態2の半導体装置が製造される。
【0312】
<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態2の半導体装置の製造方法では、実施の形態1と同様に、メモリセル領域1Aで、半導体基板1の主面1a上に、導電膜4aからなる制御ゲート電極CGを形成する。次いで、制御ゲート電極CGを覆うように、ONO膜としての絶縁膜8および導電膜9を形成し、導電膜9をエッチバックすることにより、制御ゲート電極CGの側壁上に絶縁膜8を介して導電膜9を残してメモリゲート電極MGを形成する。次いで、周辺回路領域1Cで、半導体基板1の主面1aにp型ウェルPW3を形成し、p型ウェルPW3上に、導電膜24を形成する。その後、導電膜24からなるゲート電極GELを形成する。これにより、実施の形態1の半導体装置の製造方法と同様の効果を有する。
【0313】
また、本実施の形態2では、実施の形態1とは異なり、導電膜4aからなる制御ゲート電極CGを形成する前に、周辺回路領域1Bで、半導体基板1の主面1aにp型ウェルPW2を形成する。また、本実施の形態2では、実施の形態1とは異なり、制御ゲート電極CGを形成する際に、p型ウェルPW2上に、導電膜4bからなるゲート電極GEHを形成する。
【0314】
本実施の形態2では、ONO膜としての絶縁膜8を形成する際に、既にp型ウェルPW2が形成されており、p型ウェルPW2に導入されたn型の不純物は、絶縁膜8を形成する際に高温で多少拡散するおそれがある。しかし、p型ウェルPW2に導入されたn型の不純物が多少拡散した場合でも、高耐圧のMISFETQHのゲート長さが低耐圧のMISFETQLのゲート長よりも長いことなどにより、高耐圧のMISFETQHの閾値電圧が変動する変動量は、低耐圧のMISFETQLの閾値電圧が変動する変動量に比べて小さい。すなわち、ONO膜としての絶縁膜8を高温で形成することが高耐圧のMISFETQHの特性に与える影響は、ONO膜としての絶縁膜8を高温で形成することが低耐圧のMISFETQLの特性に与える影響よりも小さい。
【0315】
したがって、ONO膜としての絶縁膜8を形成する際の高温の影響が小さい高耐圧のMISFETQHのゲート電極GEHを、メモリセルMC1の制御ゲート電極CGとともに、絶縁膜8を形成する前に形成することにより、半導体装置の製造工程を簡略化することができる。
【0316】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【0317】
1 半導体基板
1a 主面
1A メモリセル領域
1B、1C 周辺回路領域
2 素子分離膜
3、3a〜3c、5、6、8、14 絶縁膜
4、4a〜4c、9 導電膜
8a、8c 酸化シリコン膜
8b 窒化シリコン膜
11a〜11d n型半導体領域
12a〜12d n型半導体領域
13 金属シリサイド層
15 層間絶縁膜
21〜23、23a〜23c 絶縁膜
24、24a〜24c 導電膜
AR1〜AR3 活性領域
CG 制御ゲート電極
CNT コンタクトホール
CP1、CP2 キャップ絶縁膜
CT 制御トランジスタ
GEH、GEL ゲート電極
GIH、GIL、GIm、GIt ゲート絶縁膜
IR1〜IR3 素子分離領域
MC1 メモリセル
MD、MS 半導体領域
MG メモリゲート電極
MT メモリトランジスタ
PG プラグ
PW1〜PW3 p型ウェル
QH、QL MISFET
SP1 スペーサ
SW サイドウォールスペーサ
TEa、TEb、TEc、TEH、TEL、TG 膜厚
TIb、TIc、TIH,TIL 膜厚
Vb、Vcg、Vd、Vmg、Vs 電圧
図1
図2
図3
図4
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