JP2008016499A - Semiconductor device, and its fabrication process - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に、トレンチ分離領域を備えた半導体装置と、その製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a semiconductor device having a trench isolation region and a manufacturing method thereof.
半導体装置では、半導体基板(シリコン基板)の表面に所定の機能を有する複数の素子が形成される。複数の素子は、それぞれ所定の素子形成領域に形成される。その複数の素子を互いに電気的に分離するために、素子形成領域とこれに隣接する他の素子形成領域との間に素子分離領域が形成される。 In a semiconductor device, a plurality of elements having a predetermined function are formed on the surface of a semiconductor substrate (silicon substrate). The plurality of elements are each formed in a predetermined element formation region. In order to electrically isolate the plurality of elements from each other, an element isolation region is formed between the element formation region and another element formation region adjacent thereto.
そのような素子分離領域の一つに、STI(Shallow Trench Isolation)と称される分離構造がある。STIは、シリコン基板の表面に形成されたトレンチにシリコン酸化膜等の絶縁膜を埋め込むことによって形成される分離構造であるが、その形成方法にはさまざまな手法がある。たとえば自己整合型STI(Self Aligned STI)と称される分離構造は、トランジスタのゲート酸化膜等を半導体基板の表面に形成した後にトレンチを形成し、そのトレンチにシリコン酸化膜等の絶縁膜を埋め込むことによって形成される分離構造である。 One of such element isolation regions is an isolation structure called STI (Shallow Trench Isolation). STI is an isolation structure formed by embedding an insulating film such as a silicon oxide film in a trench formed on the surface of a silicon substrate. There are various methods for forming the STI. For example, in an isolation structure called self-aligned STI (Self Aligned STI), a trench is formed after a gate oxide film of a transistor is formed on the surface of a semiconductor substrate, and an insulating film such as a silicon oxide film is embedded in the trench. It is the separation structure formed by this.
この自己整合型STIでは、ゲート酸化膜を形成した後にトレンチを形成することで、トレンチを形成した後でゲート酸化膜を形成する一般的なSTIと比べて、トレンチの側壁がトレンチを形成した後の熱処理によって酸化されることが抑制されて、酸化によってトレンチの側壁に発生する圧縮応力を大幅に低減することができる。このようなメリットを有していることから、自己整合型STIは、圧縮応力に伴う結晶欠陥対策として適用されている。 In this self-aligned STI, the trench is formed after the gate oxide film is formed, so that the sidewall of the trench is formed after the trench is formed as compared with the general STI in which the gate oxide film is formed after the trench is formed. Oxidation by the heat treatment is suppressed, and the compressive stress generated on the side wall of the trench due to oxidation can be greatly reduced. Because of such merits, the self-aligned STI is applied as a countermeasure against crystal defects accompanying compressive stress.
次に、そのような自己整合型STIを適用した半導体装置の一例として、ゲート酸化膜の膜厚のそれぞれ異なる2種類のトランジスタを用いたフラッシュメモリについて説明する。この種のフラッシュメモリでは、膜厚のより薄いゲート酸化膜は、メモリセル領域に形成されるメモリセルトランジスタのゲート酸化膜(トンネル酸化膜)として適用され、膜厚のより厚いゲート酸化膜は、メモリセルトランジスタを制御する周辺回路領域に形成されるMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのゲート酸化膜として適用される。 Next, a flash memory using two types of transistors having different gate oxide film thicknesses will be described as an example of a semiconductor device to which such a self-aligned STI is applied. In this type of flash memory, the thinner gate oxide film is applied as the gate oxide film (tunnel oxide film) of the memory cell transistor formed in the memory cell region, and the thicker gate oxide film is It is applied as a gate oxide film of a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor formed in a peripheral circuit region for controlling a memory cell transistor.
このような膜厚が異なるゲート酸化膜は次のようにして形成される。まず、半導体基板の表面に第1の熱酸化処理(1回目)を施すことによって、所定の膜厚を有する酸化膜が形成される。次に、周辺回路が形成される周辺回路領域に位置する酸化膜の部分を残して、メモリセルが形成されるメモリセル領域に位置する酸化膜の部分を除去することによって、半導体基板の表面を露出させる。 Such gate oxide films having different thicknesses are formed as follows. First, a first thermal oxidation process (first time) is performed on the surface of the semiconductor substrate to form an oxide film having a predetermined film thickness. Next, the surface of the semiconductor substrate is removed by removing the portion of the oxide film located in the memory cell region where the memory cell is formed, leaving the portion of the oxide film located in the peripheral circuit region where the peripheral circuit is formed. Expose.
次に、第2の熱酸化処理(2回目)を施すことによって、メモリセル領域では露出した半導体基板の表面が酸化されて、メモリセルトランジスタのゲート酸化膜が形成される。一方、周辺回路領域では、すでに形成された酸化膜がさらに成長して周辺回路を構成するMOSトランジスタのゲート酸化膜が形成される。 Next, by performing a second thermal oxidation process (second time), the exposed surface of the semiconductor substrate is oxidized in the memory cell region, and a gate oxide film of the memory cell transistor is formed. On the other hand, in the peripheral circuit region, the already formed oxide film is further grown to form the gate oxide film of the MOS transistor constituting the peripheral circuit.
周辺回路領域のMOSトランジスタのゲート酸化膜厚は、1回目の熱酸化処理と2回目の熱酸化処理によって決まり、メモリセル領域に形成されるメモリセルトランジスタのゲート酸化膜の膜厚は、2回目の熱酸化処理によって決まる。このため、第1の熱酸化処理と第2の熱酸化処理は、膜厚の異なるゲート酸化膜がそれぞれ所望の膜厚となるように条件が設定される。こうして膜厚の異なるゲート酸化膜が形成された後では、メモリセル領域と周辺回路領域とでは、それぞれのゲート酸化膜の膜厚の差に起因する段差(絶対段差)が生じている。 The gate oxide film thickness of the MOS transistor in the peripheral circuit region is determined by the first thermal oxidation process and the second thermal oxidation process, and the gate oxide film thickness of the memory cell transistor formed in the memory cell area is the second time. It depends on the thermal oxidation treatment. Therefore, the conditions for the first thermal oxidation process and the second thermal oxidation process are set so that the gate oxide films having different film thicknesses have the desired film thicknesses. After the gate oxide films having different thicknesses are formed in this way, a step (absolute step) is caused in the memory cell region and the peripheral circuit region due to the difference in thickness of the respective gate oxide films.
自己整合型STIでは、このようにしてゲート酸化膜が形成された後、ゲート酸化膜およびシリコン基板に素子分離のためのトレンチ(開口部)が形成される。そのトレンチにシリコン酸化膜を埋め込んで、化学的機械研磨処理(CMP:Chemical Mechanical Polishing)を施すことにより、トレンチ等の内部に位置するシリコン酸化膜の部分を残して、それ以外の部分に位置するシリコン酸化膜の部分が除去される。こうして、自己整合型STIが形成される。 In the self-aligned STI, after the gate oxide film is formed in this way, a trench (opening) for element isolation is formed in the gate oxide film and the silicon substrate. By burying a silicon oxide film in the trench and performing chemical mechanical polishing (CMP), the silicon oxide film portion located inside the trench is left, and the other portion is located. A portion of the silicon oxide film is removed. Thus, a self-aligned STI is formed.
その後、メモリセル領域では、半導体基板上に膜厚のより薄いゲート酸化膜を介在させてフローティングゲート電極部およびコントロールゲート電極部からなるゲート電極部を備えたメモリセルトランジスタが形成される。一方、周辺回路領域では、膜厚のより厚いゲート酸化膜を介在させてゲート電極部を備えたMOSトランジスタが形成される。こうしてフラッシュメモリの主要部分が形成されることになる。なお、自己整合型STIではない、従来の素子分離構造に膜厚の互いに異なるゲート酸化膜を適用したトランジスタの形成方法を開示した文献として、たとえば特許文献1および特許文献2がある。
しかしながら、従来の半導体装置では以下のような問題点があった。自己整合型STIを形成するためのトレンチに充填されるシリコン酸化膜は、ゲート酸化膜上に所定の厚さの導電性膜とマスク材となる絶縁膜を介在させて形成される。上述したように、周辺回路領域に形成されるゲート酸化膜の膜厚はメモリセル領域に形成されるゲート酸化膜の膜厚よりも厚い。そのため、周辺回路領域に形成されるマスク材の上面は、メモリセル領域に形成されるマスク材の上面に対して相対的に高い位置に位置することになる。 However, the conventional semiconductor device has the following problems. The silicon oxide film filled in the trench for forming the self-aligned STI is formed on the gate oxide film with a conductive film having a predetermined thickness and an insulating film serving as a mask material interposed. As described above, the thickness of the gate oxide film formed in the peripheral circuit region is larger than the thickness of the gate oxide film formed in the memory cell region. Therefore, the upper surface of the mask material formed in the peripheral circuit region is positioned at a relatively high position with respect to the upper surface of the mask material formed in the memory cell region.
この状態で、トレンチ埋め込まれるシリコン酸化膜に研磨処理が施されると、相対的に段差の高い周辺回路領域に位置するシリコン酸化膜の部分が完全に除去されても、相対的に段差の低いメモリセル領域に位置するシリコン酸化膜の部分に研磨残渣が生じることがある。シリコン酸化膜の残渣が生じると、そのシリコン酸化膜そのものやその直下に位置するマスク材が異物となって不良の原因となる場合がある。 In this state, when the silicon oxide film embedded in the trench is polished, even if the portion of the silicon oxide film located in the peripheral circuit region having a relatively high step is completely removed, the step is relatively low. Polishing residues may occur in the silicon oxide film portion located in the memory cell region. When a residue of the silicon oxide film is generated, the silicon oxide film itself or the mask material positioned immediately below may become a foreign substance and cause a defect.
また、そのシリコン酸化膜の直下に位置してゲート酸化膜を覆う導電性膜(ポリシリコン膜)によって電気的短絡が生じることがある。また、相対的に段差の低いメモリセル領域と相対的に段差の高い周辺回路領域とで、それぞれのゲート電極部の写真製版の際にフォーカスがずれて所望のレジストパターンが形成されず、ゲート電極部のパターニングの寸法精度が低下する要因にもなった。 In addition, an electrical short circuit may occur due to a conductive film (polysilicon film) that is located immediately below the silicon oxide film and covers the gate oxide film. In addition, in the memory cell region having a relatively low level difference and the peripheral circuit region having a relatively high level difference, a focus resist is shifted at the time of photolithography of each gate electrode part, and a desired resist pattern is not formed. This also causes a decrease in the dimensional accuracy of the patterning of the part.
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は、膜厚の異なるゲート酸化膜を備えたトランジスタがそれぞれ形成される領域の段差が低減される半導体装置を提供することであり、他の目的は、そのような半導体装置の製造方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device in which steps in regions where transistors having different gate oxide films are formed are reduced. Therefore, another object is to provide a method of manufacturing such a semiconductor device.
本発明に係る半導体装置は、複数の第1トレンチ分離領域と第1素子形成領域と複数の第2トレンチ分離領域と第2素子形成領域と第1酸化膜と第1電極部と第2酸化膜と第2電極部とを備えている。複数の第1トレンチ分離領域は、半導体基板の主表面の第1領域に形成されている。第1素子形成領域は、複数の第1トレンチ分離領域のうち、一つの第1トレンチ分離領域と他の第1トレンチ分離領域によって挟まれた半導体基板の領域に形成されている。複数の第2トレンチ分離領域は、第1領域とは異なる半導体基板の主表面の第2領域に形成されている。第2素子形成領域は、複数の第2トレンチ分離領域のうち、一つの第2トレンチ分離領域と他の第2トレンチ分離領域によって挟まれた半導体基板の領域に形成されている。第1酸化膜は、第1素子形成領域に位置する半導体基板の領域の表面上に形成されている。第1電極部は、その第1酸化膜上に形成されている。第2酸化膜は、第2素子形成領域に位置する半導体基板の領域の表面上に形成されている。第2電極部は、その第2酸化膜上に形成されている。第1酸化膜は第2酸化膜よりも厚い。第1酸化膜とその第1酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第1界面は、第2酸化膜とその第2酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第2界面よりも深い位置にある。第1トレンチ分離領域は、第2トレンチ分離領域よりも深い位置にまで形成されている。 The semiconductor device according to the present invention includes a plurality of first trench isolation regions, a first element formation region, a plurality of second trench isolation regions, a second element formation region, a first oxide film, a first electrode portion, and a second oxide film. And a second electrode part. The plurality of first trench isolation regions are formed in the first region on the main surface of the semiconductor substrate. The first element formation region is formed in a region of the semiconductor substrate sandwiched between one first trench isolation region and another first trench isolation region among the plurality of first trench isolation regions. The plurality of second trench isolation regions are formed in a second region on the main surface of the semiconductor substrate different from the first region. The second element formation region is formed in a region of the semiconductor substrate sandwiched between one second trench isolation region and another second trench isolation region among the plurality of second trench isolation regions. The first oxide film is formed on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the first element formation region. The first electrode portion is formed on the first oxide film. The second oxide film is formed on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the second element formation region. The second electrode portion is formed on the second oxide film. The first oxide film is thicker than the second oxide film. The first interface between the first oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the first oxide film is the surface of the second oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located directly below the second oxide film. It is in a position deeper than the second interface. The first trench isolation region is formed deeper than the second trench isolation region.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている、所定の熱酸化処理を施すことにより、半導体基板の主表面における所定の第1領域に第1酸化膜を形成するとともに、第1領域とは異なる第2領域に第1酸化膜よりも薄い第2酸化膜を形成する。第1領域の所定の領域に位置する第1酸化膜の部分およびその第1酸化膜の部分の直下に位置する半導体基板の領域に第1トレンチ分離領域を形成して第1素子形成領域を形成するとともに、第2領域の所定の領域に位置する第2酸化膜の部分およびその第2酸化膜の部分の直下に位置する半導体基板の領域に第2トレンチ分離領域を形成して第2素子形成領域を形成する。第1素子形成領域に位置する半導体基板の領域の表面上に第1酸化膜を介在させて第1電極部を形成する。第2素子形成領域に位置する半導体基板の領域の表面上に第2酸化膜を介在させて第2電極部を形成する。第1酸化膜と第2酸化膜を形成する酸化膜形成工程では、少なくとも第2領域に対してプラズマ窒化処理を施して第2領域に位置する半導体基板の領域における所定の熱酸化処理による第2領域熱酸化を抑制して、第1領域に位置する半導体基板の領域における所定の熱酸化処理による第1領域熱酸化を第2領域熱酸化よりも深い領域にまで進めることにより、第1酸化膜とその第1酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第1界面を、第1酸化膜よりも薄い第2酸化膜とその第2酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第2界面よりも深い位置に形成する。第1トレンチ分離領域と第2トレンチ分離領域を形成するトレンチ分離領域形成工程では、第1界面と第2界面の位置関係に対応して第1トレンチ分離領域を第2トレンチ分離領域よりも深い位置にまで形成する。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the following steps, and performs a predetermined thermal oxidation process to form a first oxide film in a predetermined first region on the main surface of the semiconductor substrate, A second oxide film thinner than the first oxide film is formed in a second region different from the first region. A first element isolation region is formed by forming a first trench isolation region in a portion of the first oxide film located in a predetermined region of the first region and a region of the semiconductor substrate located immediately below the portion of the first oxide film. And forming a second element by forming a second trench isolation region in a portion of the second oxide film located in a predetermined region of the second region and a region of the semiconductor substrate located immediately below the portion of the second oxide film. Form a region. A first electrode portion is formed on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the first element formation region with a first oxide film interposed. A second electrode portion is formed on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the second element formation region with a second oxide film interposed. In the oxide film forming step of forming the first oxide film and the second oxide film, at least a second region is subjected to a plasma nitridation process, and a second thermal oxidation process is performed in a region of the semiconductor substrate located in the second region. By suppressing the region thermal oxidation and proceeding the first region thermal oxidation by the predetermined thermal oxidation process in the region of the semiconductor substrate located in the first region to a region deeper than the second region thermal oxidation, the first oxide film And a region of the semiconductor substrate located immediately below the second oxide film and a second oxide film thinner than the first oxide film at a first interface between the first oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the first oxide film It is formed at a position deeper than the second interface with the surface. In the trench isolation region forming step of forming the first trench isolation region and the second trench isolation region, the first trench isolation region is positioned deeper than the second trench isolation region corresponding to the positional relationship between the first interface and the second interface. Form up to.
本発明に係る他の半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている。所定の熱酸化処理を施すことにより、半導体基板の主表面における所定の第1領域に第1酸化膜を形成するとともに、第1領域とは異なる第2領域に第1酸化膜よりも薄い第2酸化膜を形成する。第1領域の所定の領域に位置する第1酸化膜の部分およびその第1酸化膜の部分の直下に位置する半導体基板の領域に第1トレンチ分離領域を形成して第1素子形成領域を形成するとともに、第2領域の所定の領域に位置する第2酸化膜の部分およびその第2酸化膜の部分の直下に位置する半導体基板の領域に第2トレンチ分離領域を形成して第2素子形成領域を形成する。第1素子形成領域に位置する半導体基板の領域の表面上に第1酸化膜を介在させて第1電極部を形成する。第2素子形成領域に位置する半導体基板の領域の表面上に第2酸化膜を介在させて第2電極部を形成する。第1酸化膜と第2酸化膜とを形成する酸化膜形成工程では、第1領域に位置する半導体基板の領域における所定の熱酸化処理による第1領域熱酸化を、第2領域に位置する半導体基板の領域における所定の熱酸化処理による第2領域熱酸化よりも深い領域にまで進めることにより、第1酸化膜とその第1酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第1界面を、第1酸化膜よりも薄い第2酸化膜とその第2酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第2界面よりも深い位置に形成する。第1トレンチ分離領域と第2トレンチ分離領域とを形成するトレンチ分離領域形成工程では、第1界面と第2界面の位置関係に対応して第1トレンチ分離領域を第2トレンチ分離領域よりも深い位置にまで形成する。 Another semiconductor device manufacturing method according to the present invention includes the following steps. By performing a predetermined thermal oxidation treatment, a first oxide film is formed in a predetermined first region on the main surface of the semiconductor substrate, and a second region thinner than the first oxide film is formed in a second region different from the first region. An oxide film is formed. A first element isolation region is formed by forming a first trench isolation region in a portion of the first oxide film located in a predetermined region of the first region and a region of the semiconductor substrate located immediately below the portion of the first oxide film. And forming a second element by forming a second trench isolation region in a portion of the second oxide film located in a predetermined region of the second region and a region of the semiconductor substrate located immediately below the portion of the second oxide film. Form a region. A first electrode portion is formed on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the first element formation region with a first oxide film interposed. A second electrode portion is formed on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the second element formation region with a second oxide film interposed. In the oxide film forming step of forming the first oxide film and the second oxide film, the first region thermal oxidation by the predetermined thermal oxidation process in the region of the semiconductor substrate located in the first region is changed to the semiconductor located in the second region. By proceeding to a region deeper than the second region thermal oxidation by a predetermined thermal oxidation process in the region of the substrate, the first oxide film and the first surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the first oxide film The interface is formed at a position deeper than the second interface between the second oxide film thinner than the first oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the second oxide film. In the trench isolation region forming step of forming the first trench isolation region and the second trench isolation region, the first trench isolation region is deeper than the second trench isolation region corresponding to the positional relationship between the first interface and the second interface. Form up to the position.
本発明に係る半導体装置では、第1酸化膜とその第1酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第1界面の位置が、第2酸化膜とその第2酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第2界面の位置よりも深い位置にあることで、第1酸化膜の上面の位置とその第1酸化膜よりも薄い第2酸化膜の上面の位置とが同じ位置に近づいて、第1領域と第2領域との段差を大幅に軽減することができる。 In the semiconductor device according to the present invention, the position of the first interface between the first oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the first oxide film is directly below the second oxide film and the second oxide film. The position of the upper surface of the first oxide film and the position of the upper surface of the second oxide film thinner than the first oxide film are located deeper than the position of the second interface with the surface of the region of the semiconductor substrate located at Approaching the same position, the step between the first region and the second region can be greatly reduced.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法では、プラズマ窒化処理を施すことによって第2領域に位置する半導体基板の領域における所定の熱酸化処理による第2領域熱酸化を抑制して、第1領域に位置する半導体基板の領域における所定の熱酸化処理による第1領域熱酸化を第2領域熱酸化よりも深い領域にまで進めることにより、第1酸化膜とその第1酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第1界面は、第1酸化膜よりも薄い第2酸化膜とその第2酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第2界面よりも深い位置に形成される。その結果、第1酸化膜の上面の位置とその第1酸化膜よりも薄い第2酸化膜の上面の位置とが同じ位置に近づいて、第1領域と第2領域との段差を大幅に軽減することができる。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the second region thermal oxidation by the predetermined thermal oxidation process in the region of the semiconductor substrate located in the second region is suppressed by performing the plasma nitriding process, and the first region The first region thermal oxidation by a predetermined thermal oxidation process in the region of the semiconductor substrate located in the region is advanced to a region deeper than the second region thermal oxidation, thereby being positioned immediately below the first oxide film and the first oxide film. The first interface with the surface of the semiconductor substrate region is deeper than the second interface between the second oxide film thinner than the first oxide film and the surface of the semiconductor substrate region located immediately below the second oxide film. Formed. As a result, the position of the upper surface of the first oxide film and the position of the upper surface of the second oxide film thinner than the first oxide film approach the same position, and the step between the first region and the second region is greatly reduced. can do.
さらに、本発明に係る他の半導体装置の製造方法では、第1領域に位置する半導体基板の領域における所定の熱酸化処理による第1領域熱酸化を、第2領域に位置する半導体基板の領域における所定の熱酸化処理による第2領域熱酸化よりも深い領域にまで進めることにより、第1酸化膜とその第1酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第1界面は、第1酸化膜よりも薄い第2酸化膜とその第2酸化膜の直下に位置する半導体基板の領域の表面との第2界面よりも深い位置に形成される。その結果、第1酸化膜の上面の位置とその第1酸化膜よりも薄い第2酸化膜の上面の位置とが同じ位置に近づいて、プラズマ窒化処理を施すことなく第1領域と第2領域との段差を大幅に軽減することができる。 Furthermore, in another method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first region thermal oxidation by the predetermined thermal oxidation process in the region of the semiconductor substrate located in the first region is performed in the region of the semiconductor substrate located in the second region. By proceeding to a region deeper than the second region thermal oxidation by the predetermined thermal oxidation treatment, the first interface between the first oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the first oxide film is the first interface. It is formed at a position deeper than the second interface between the second oxide film thinner than the first oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the second oxide film. As a result, the position of the upper surface of the first oxide film and the position of the upper surface of the second oxide film thinner than the first oxide film approach the same position, and the first region and the second region are not subjected to the plasma nitriding process. Can be greatly reduced.
実施の形態1
ここでは、ゲート酸化膜の膜厚の異なる2種類のトランジスタを備えた半導体装置の第1の例について説明する。ゲート酸化膜の厚い方の膜厚は30nmであり、薄い方の膜厚は5nmである。まず、その製造方法について説明する。
Here, a first example of a semiconductor device including two types of transistors having different gate oxide film thicknesses will be described. The thicker film of the gate oxide film is 30 nm, and the thinner film is 5 nm. First, the manufacturing method will be described.
図1に示すように、所定の熱酸化処理(1回目)を施すことにより半導体基板1の主表面における周辺回路が形成される周辺回路領域RA(第1領域)に熱酸化膜2aが形成されるとともに、メモリセルが形成されるメモリセル領域RB(第2領域)に熱酸化膜2bが形成される。熱酸化膜2a,2bの膜厚は、後の工程において行われるプラズマ窒化処理によって半導体基板(シリコン基板)1と窒素とが反応するのを防止するために、約10nm以上とすることが望ましい。なお、図1に示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の表面の位置を表す。
As shown in FIG. 1, a
次に、熱酸化膜2a,2b上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図2に示すように、周辺回路領域RAに位置する熱酸化膜2aを覆うレジストパターン70が形成される。そのレジストパターン70をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図3に示すように、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜2bが除去される。その後、レジストパターン70が除去される。
Next, by applying a photoresist (not shown) on the
次に、窒化処理条件として、たとえばステージ温度:約400℃、圧力:約6.67Pa、RFパワー:約1.5kW、Arガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約40cm3/min(40sccm)の条件のもとで窒素のプラズマが生成される。そして、その生成されたプラズマに半導体基板1を約30秒間晒すことによって、図4に示すように、周辺回路領域RAでは熱酸化膜2aに窒素(窒素原子)50が導入されるとともに、メモリセル領域RBでは露出した半導体基板1の領域の表面に窒素(窒素原子)50が導入される。
Next, as nitriding conditions, for example, stage temperature: about 400 ° C., pressure: about 6.67 Pa, RF power: about 1.5 kW, Ar gas flow rate: about 1000 cm 3 / min (1000 sccm), N 2 gas flow rate: about Nitrogen plasma is generated under the condition of 40 cm 3 / min (40 sccm). Then, by exposing the
このとき、周辺回路領域RAでは、窒素50は熱酸化膜2a中にとどまって熱酸化膜2aと半導体基板1の領域の表面との界面にまでは到達せず、半導体基板1の領域の表面は窒化されない。一方、メモリセル領域RBに露出した半導体基板1の領域の表面には窒素50が導入されることで、シリコンが窒化されて窒化層が形成されることになる。
At this time, in the peripheral circuit region RA, the
次に、所定のエッチングを施すことにより、図5に示すように、周辺回路領域RAに露出した熱酸化膜2aが除去される。このとき、熱酸化膜2aとともに熱酸化膜2aに導入された窒素50も除去されることになる。一方、メモリセル領域RBでは、窒素50は半導体基板1中のシリコンと強く結びついているために窒素50が除去されることはない。なお、このエッチングにおいては、メモリセル領域RBを覆うレジストパターンを形成する必要はない。
Next, by performing predetermined etching, as shown in FIG. 5, the
次に、熱酸化条件として、たとえば温度:約850℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約5500cm3/min(5500sccm)、H2ガス流量:約9900cm3/min(9900sccm)のもとで、熱酸化処理(2回目)を約17分30秒間施すことによって、図6および図7に示すように、半導体基板1の領域の表面が窒化していない周辺回路領域RAでは、膜厚約30nmの熱酸化膜3aが形成される。一方、半導体基板1の表面が窒化されているメモリセル領域RBでは、窒化層によって熱酸化が抑制されて、熱酸化膜3aよりも薄い膜厚約5nmの熱酸化膜3bが形成される。この熱酸化により、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差Sは約13nmとなる。この段差Sの値は、後述する比較例の場合における対応する段差約27nmと比べると、約50%の段差を低減できることになる。なお、図6に示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の表面の位置を表す。すなわち、本実施の形態では、段差Sは、熱酸化膜3aの膜厚と熱酸化膜3bの膜厚との膜厚差よりも小さくなるといえる。
Next, as thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 850 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 5500 cm 3 / min (5500 sccm), H 2 gas flow rate: about 9900 cm 3 / min (9900 sccm) In the peripheral circuit region RA in which the surface of the region of the
また、熱酸化が抑制されるメモリセル領域RBと比べると、周辺回路領域RAでは、半導体基板1の領域の表面からより深い領域にまで熱酸化が進む。そのため、周辺回路領域RAにおける熱酸化膜3aと半導体基板1の領域の表面との界面10aは、メモリセル領域RBにおける熱酸化膜3bと半導体基板1の領域の表面との界面10bよりも距離Dだけ深いところに位置することになる。この距離Dは、熱酸化による膜厚増加が半導体基板1の領域の表面から外側と内側とに向ってそれぞれほぼ同じ比率で進むとすると、膜厚約30nmの酸化膜9aと膜厚約5nmの酸化膜9bとでは、段差Sとほぼ同じ距離(約13nm)になる。なお、図7に示される断面構造は、図6に示される断面構造をスケールを変えて示すものである。
Further, in the peripheral circuit region RA, thermal oxidation proceeds from the surface of the region of the
こうして、周辺回路領域RAでは、熱酸化膜3aが膜厚の厚い方のゲート酸化膜となる酸化膜9aとして形成される。一方、メモリセル領域RBでは、熱酸化膜3bが膜厚の薄い方のゲート酸化膜となる酸化膜9bとして形成される。次に、図8に示すように、たとえばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、半導体基板1上にポリシリコン膜11a,11bが形成され、さらに、そのポリシリコン膜11a,11b上にシリコン窒化膜12a,12bが形成される。このシリコン窒化膜12a,12bが形成された状態における周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差Sは、熱酸化膜3a,3bが形成された状態における段差Sとほぼ同じ段差(約13nm)である。
Thus, in the peripheral circuit region RA, the
次に、シリコン窒化膜12a,12b上に、トレンチを形成するためのレジストパターン(図示せず)が形成される。そのレジストパターンをマスクとしてシリコン窒化膜12a,12bおよびポリシリコン膜11a,11bおよび酸化膜9a,9bに異方性エッチングを施すことにより、図9に示すように、周辺回路領域RAでは、半導体基板1の領域の表面を露出する開口部13aが形成され、メモリセル領域RBでは、半導体基板1の領域の表面を露出する開口部13bが形成される。このとき、界面10aと界面10bの位置(高さ)関係に対応して、周辺回路領域RAの開口部13aの底は、メモリセル領域RAの開口部13bの底よりも深いところに位置する。
Next, a resist pattern (not shown) for forming a trench is formed on the
次に、図10に示すように、シリコン窒化膜マスクをマスクとして、開口部13a,13bの底に露出した半導体基板1の領域に異方性エッチングをさらに施すことにより、周辺回路領域RAではトレンチ14aが形成され、メモリセル領域RBではトレンチ14bが形成される。このとき、開口部13a,13bの底に露出した半導体基板1の領域の表面(界面10a,10b)の位置(高さ)関係に対応して、トレンチ14aの底は、トレンチ14bの底よりも距離D(約13nm)だけ深いところに位置することになる。こうして、周辺回路領域RAでは、一つのトレンチ14aと他のトレンチ14aとによって挟まれた半導体基板1の領域に素子形成領域EAが形成される。また、メモリセル領域RBでは、一つのトレンチ14bと他のトレンチ14bとによって挟まれた半導体基板1の領域に素子形成領域EBが形成される。
Next, as shown in FIG. 10, by using the silicon nitride film mask as a mask, the region of the
次に、図11に示すように、所定の熱酸化処理を施すことにより、トレンチ14a,14bの側壁に熱酸化膜15a,15bがそれぞれ形成される。次に、たとえばCVD法によりトレンチ14a,14bを充填するように、シリコン窒化膜12a,12b上にシリコン酸化膜16が形成される。次に、図12に示すように、シリコン酸化膜16に化学的機械研磨処理を施すことにより、シリコン窒化膜12a,12bの上面上に位置するシリコン酸化膜16の部分が除去されて、シリコン窒化膜12a,12bの上面が露出する。このとき、後述する比較例と比べて、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差S(約13nm)が約50%低減されていることで、メモリセル領域PBにおいて研磨されずに残されるシリコン酸化膜16の部分(研磨残渣)を大幅に低減することができる。
Next, as shown in FIG. 11,
その後、半導体基板1をフッ酸等に浸漬することにより、トレンチ14a,14bに充填されたシリコン酸化膜16a,16bの上面がそれぞれ所望の位置(高さ)になるまでシリコン酸化膜16a,16bにエッチングが施される。次に、半導体基板1を熱リン酸に浸漬することにより、図13に示すように、マスクとして使用したシリコン窒化膜12a,12bが選択的に除去されて、ポリシリコン膜11a,11bの表面が露出する。こうして、周辺回路領域RAでは、トレンチ14aに充填されたシリコン酸化膜16aを含むトレンチ分離領域TAが形成され、メモリセル領域RBでは、トレンチ14bに充填されたシリコン酸化膜16bを含むトレンチ分離領域TBが形成される。このトレンチ分離領域TA,TBは自己整合型STIとなる。
Thereafter, by immersing the
次に、図14に示すように、たとえばCVD法により、ポリシリコン膜11a,11bを覆うように半導体基板1上にドープトポリシリコン膜17が形成される。次に、そのドープトポリシリコン膜17上に、周辺回路領域RAではドープトポリシリコン膜17を覆い、メモリセル領域RBではフローティングゲート電極部の一部となる部分をパターニングするためのレジストパターン72が形成される。
Next, as shown in FIG. 14, a doped
そのレジストパターン72をマスクとして、ドープトポリシリコン膜17に異方性エッチングを施すことにより、メモリセル領域RBでは、フローティングゲート電極部の一部となるドープトポリシリコン膜17bが形成され、周辺回路領域RAでは、エッチングされずにドープトポリシリコン膜17aとしてそのまま残される。その後、図15に示すように、レジストパターン72が除去される。
By performing anisotropic etching on the doped
次に、図16に示すように、たとえばCVD法により、ドープトポリシリコン膜17a,17bを覆うように半導体基板1上にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜を順次積層することによりONO(Oxide Nitride Oxide)膜18が形成される。次に、図17に示すように、そのONO膜18上に、メモリセル領域RBではONO膜18を覆い、周辺回路領域RAではゲート電極部が形成される所定の領域に位置するONO膜18の部分を露出するレジストパターン73が形成される。
Next, as shown in FIG. 16, an ONO is formed by sequentially stacking a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film on the
次に、そのレジストパターン73をマスクとしてONO膜18にエッチングを施すことにより、周辺回路領域RAでは、ゲート電極部が形成される所定の領域に位置するONO膜18の部分が除去される。メモリセル領域RBでは、エッチングされずにONO膜18として残される。その後、図18に示すように、レジストパターン73が除去される。
Next, by etching the
次に、図19に示すように、たとえばCVD法によりONO膜18を覆うように、半導体基板1上にポリシリコン膜および金属シリサイド膜を含むポリサイド膜19が形成される。次に、図20に示すように、たとえばCVD法によりそのポリサイド膜19上にシリコン窒化膜20が形成される。シリコン窒化膜20はゲート電極部をパターニングする際のマスクとなる。
Next, as shown in FIG. 19, a
次に、図21および図22に示すように、シリコン窒化膜20上に、周辺回路領域RAではゲート電極部をパターニングし、メモリセル領域RBでは、コントロールゲート電極部およびフローティングゲート電極部を含むゲート電極部をパターニングするためのレジストパターン74が形成される。なお、図22は、図21の紙面に垂直な方向の断面図である。そのレジストパターン74をマスクとしてシリコン窒化膜20に異方性エッチングを施すことにより、エッチングマスクとしてのシリコン窒化膜20a,20b(図24参照)が形成される。その後、レジストパターン74が除去される。
Next, as shown in FIGS. 21 and 22, the gate electrode portion is patterned on the
そのシリコン窒化膜20a,20bをマスクとしてポリサイド膜19、ONO膜18ドープトポリシリコン膜17a,17b、ポリシリコン膜11a,11b等に異方性エッチングを施すことにより、図23および図24に示すように、周辺回路領域RAではMOSトランジスタT1のゲート電極部21が形成される。なお、図24は、図23の紙面に垂直な方向の断面図である。そのゲート電極部21は、ポリシリコン膜11a、ドープトポリシリコン膜17aおよびポリサイド膜19aによって構成される。また、ドープトポリシリコン膜17aとポリサイド膜19aとは、ONO膜18aが除去された部分を介して電気的に接続されている。
Using the
一方、メモリセル領域RBでは、フローティングゲート電極部22およびコントロールゲート電極部23を含むメモリセルトランジスタT2のゲート電極部24が形成される。そのフローティングゲート電極部22はポリシリコン膜11bおよびドープトポリシリコン膜17bによって構成され、コントロールゲート電極部23はポリサイド膜19bによって構成される。ここで、周辺回路領域RAのゲート電極部21とメモリセル領域RBのゲート電極部24はほぼ同じ膜構成により形成されているため、電極部のみの高さはほぼ同じ高さとなる。こうして、半導体装置の主要部分が形成されることになる。
On the other hand, in the memory cell region RB, the
このようにして形成された半導体装置においては、まず、周辺回路領域RAでは、トレンチ分離領域TAによって挟まれた半導体基板1の領域に素子形成領域EAが形成されている。一方、メモリセル領域RBでは、トレンチ分離領域TBによって挟まれた半導体基板1の領域に素子形成領域EBが形成されている。
In the semiconductor device thus formed, first, in the peripheral circuit region RA, the element formation region EA is formed in the region of the
その素子形成領域EAでは、半導体基板1の表面上にゲート酸化膜9aを介在させてゲート電極部21を含むMOSトランジスタT1が形成されている。ゲート電極部21は、ポリシリコン膜11a、ドープトポリシリコン膜17aおよびポリサイド膜19aによって構成される。また、ドープトポリシリコン膜17aとポリサイド膜19aとは、ONO膜18aが除去された部分を介して互いに電気的に繋がっている。
In the element formation region EA, the MOS transistor T1 including the
一方、メモリセル領域RBでは、半導体基板1の表面上にゲート酸化膜9bを介在させて、フローティングゲート電極部22、ONO膜18bおよびコントロールゲート電極部23からなるゲート電極部24を含むメモリセルトランジスタT2が形成されている。フローティングゲート電極部22は、ポリシリコン膜11bとドープトポリシリコン膜17bの2層構造とされる。また、ポリシリコン膜11bとドープトポリシリコン膜17bとの界面は、トレンチ分領域TBのシリコン酸化膜16bの上面よりも低い位置にある。
On the other hand, in the memory cell region RB, a memory cell transistor including a
ゲート酸化膜9aの膜厚はゲート酸化膜9bの膜厚よりも厚く形成されている。ゲート酸化膜9aとそのゲート酸化膜9aの直下に位置する半導体基板1の領域の表面との界面10aは、ゲート酸化膜9bとそのゲート酸化膜9bの直下に位置する半導体基板1の領域の表面との界面10bよりも深い位置にある。また、トレンチ分離領域TAの底は、トレンチ分離領域TBの底よりも深い位置にあり、トレンチ分離領域TAはトレンチ分離領域TBよりも深い位置にまで形成されている。
The
(比較例)
次に、上述した半導体装置による効果について、比較例との関係で説明する。まず、その比較例に係る半導体装置の製造方法について説明する。
(Comparative example)
Next, the effect of the semiconductor device described above will be described in relation to a comparative example. First, a method for manufacturing a semiconductor device according to the comparative example will be described.
図25に示すように、熱酸化処理を施すことにより半導体基板101の主表面における周辺回路領域RAに熱酸化膜102aが形成されるとともに、メモリセル領域RBに熱酸化膜102bが形成される。なお、図25に示される点線は熱酸化処理前の半導体基板101の表面の位置を表す。次に、熱酸化膜102a,102bの表面に所定の写真製版処理を施すことにより、図26に示すように、周辺回路領域RAに位置する熱酸化膜102aを覆うレジストパターン170が形成される。そのレジストパターン170をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図27に示すように、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜102bが除去される。その後、レジストパターン170が除去される。
As shown in FIG. 25, thermal oxidation treatment forms a
次に、図28に示すように、所定の熱酸化処理を施すことによって、周辺回路領域RAでは、熱酸化膜102aが成長して膜厚約30nmの熱酸化膜103aが形成される。一方、メモリセル領域RBでは、露出した半導体基板101の領域の表面が酸化されて、熱酸化膜103aよりも薄い膜厚約5nmの熱酸化膜103bが形成される。この熱酸化膜103aが膜厚が厚い方のゲート酸化膜となる酸化膜109aとして形成され、熱酸化膜103bが膜厚が薄い方のゲート酸化膜となる酸化膜109bとして形成されることになる。なお、図28において、メモリセル領域RBに示される点線は熱酸化処理前の半導体基板101の表面の位置を表す。
Next, as shown in FIG. 28, by performing a predetermined thermal oxidation process, in the peripheral circuit region RA, the
特に、この酸化膜109aは、1回目の熱酸化処理によって形成される熱酸化膜102aが除去されることなく2回目の熱酸化処理において所望の膜厚の熱酸化膜103aとして形成される。そのため、周辺回路領域RAの半導体基板101の領域の表面から下方に向って熱酸化される領域は、熱酸化膜102aを除去した後に2回目の熱酸化処理において所望の膜厚の熱酸化膜103aを形成する場合と比べて浅いものとなる。
In particular, the
したがって、酸化膜109a,109bの膜厚が、本実施の形態に係る半導体装置の酸化膜9a,9bの膜厚とほぼ同じ膜厚であっても、図29に示すように、酸化膜109aが形成される周辺回路領域RAと酸化膜109bが形成されるメモリセル領域RBとの段差(絶対段差)SSは、約27nmとなる。
Therefore, even if the
また、周辺回路領域RAにおける熱酸化膜103aと半導体基板101の領域の表面との界面110aと、メモリセル領域RBにおける熱酸化膜103bと半導体基板101の領域の表面との界面110bとの高さの差DD(図28参照)も約2nm程度であり、メモリセル領域RBの界面110bの方が深くなる。ただし、メモリセル領域RBのゲート酸化膜がこの比較例のように薄い場合には、図29に示すように、マクロ的には界面110aと界面110bはほぼ同じ位置(高さ)に位置することになる。なお、図29に示される断面構造は、図28に示される断面構造をスケールを変えて示すものである。
Further, the height of the
次に、図30に示すように、たとえばCVD法により、半導体基板101上にポリシリコン膜111a,111bが形成され、さらに、そのポリシリコン膜111a,111b上にシリコン窒化膜112a,112bが形成される。このシリコン窒化膜112a,112bが形成された状態における周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差SSは、酸化膜109a,109bが形成された状態における段差Sとほぼ同じ段差(約27nm)である。
Next, as shown in FIG. 30,
次に、シリコン窒化膜112a,112b上に、トレンチを形成するためのレジストパターン(図示せず)が形成される。そのレジストパターンをマスクとしてシリコン窒化膜112a,112bおよびポリシリコン膜111a,111bおよび酸化膜109a,109bに異方性エッチングを施すことにより、図31に示すように、周辺回路領域RAでは、半導体基板101の領域の表面を露出する開口部113aが形成され、メモリセル領域RBでは、半導体基板101の領域の表面を露出する開口部113bが形成される。このとき、界面110aと界面110bの位置(高さ)関係に対応して、周辺回路領域RAの開口部113aの底は、メモリセル領域RAの開口部113bの底よりは多少浅いが、マクロ的に見るとほぼ同じ位置(高さ)に位置する。
Next, a resist pattern (not shown) for forming a trench is formed on the
さらに、シリコン窒化膜マスクをマスクとして、開口部113a,113bの底に露出した半導体基板101の領域に異方性エッチングを施すことにより、図32に示すように、周辺回路領域RAではトレンチ114aが形成され、メモリセル領域RBではトレンチ114bが形成される。このとき、界面110a,110bの位置(高さ)関係に対応して、トレンチ114aの底は、トレンチ114bの底より多少浅いが、マクロ的に見るとほぼ同じ位置(高さ)に位置することになる(丸枠内参照)。
Further, by performing anisotropic etching on the region of the
こうして、周辺回路領域RAでは、一つのトレンチ114aと他のトレンチ114aとによって挟まれた半導体基板101の領域に素子形成領域EAが形成される。一方、メモリセル領域RBでは、一つのトレンチ114bと他のトレンチ14bとによって挟まれた半導体基板101の領域に素子形成領域EBが形成される。次に、図33に示すように、所定の熱酸化処理を施すことにより、トレンチ114a,114bの側壁に熱酸化膜115a,115bがそれぞれ形成される。次に、たとえばCVD法によりトレンチ114a,114bを充填するように、シリコン窒化膜112a,112b上にシリコン酸化膜116が形成される。次に、図34に示すように、そのシリコン酸化膜116に化学的機械研磨処理が施される。
Thus, in the peripheral circuit region RA, the element formation region EA is formed in the region of the
このとき、相対的に段差の高い周辺回路領域RAでは、シリコン窒化膜112aの上面上に位置するシリコン酸化膜116の部分が除去されて、シリコン窒化膜112aの上面が露出する。一方、相対的に段差の低いメモリセル領域RBでは、シリコン窒化膜112bの上面上に位置するシリコン酸化膜116の部分が完全には除去されずに、シリコン酸化膜116の研磨残渣が生じることがある(丸枠内参照)。
At this time, in the peripheral circuit region RA having a relatively high level difference, the portion of the
その後、半導体基板101をフッ酸等に浸漬することにより、トレンチ114a,114bに充填されたシリコン酸化膜116a,116bの上面がそれぞれ所望の位置(高さ)になるまでシリコン酸化膜116a,116bにエッチングが施される。次に、半導体基板101を熱リン酸に浸漬することにより、図35に示すように、マスクとして使用したシリコン窒化膜112a,112bが選択的に除去されて、ポリシリコン膜111a,111bの表面が露出する。こうして、周辺回路領域RAでは、トレンチ114aに充填されたシリコン酸化膜116aを含むトレンチ分離領域TAが形成され、メモリセル領域RBでは、トレンチ114bに充填されたシリコン酸化膜116bを含むトレンチ分離領域TBが形成される。ここで、メモリセル領域RBでは、化学的機械研磨処理によるシリコン酸化膜116が完全には除去されなかったため、トレンチ分離領域TBのポリシリコン膜111bの上面からの高さが、周辺回路領域RAにおけるトレンチ分離領域TAのポリシリコン膜111aの上面からの高さよりも高くなる。
Thereafter, by immersing the
次に、図36に示すように、たとえばCVD法により、ポリシリコン膜111a,111bを覆うように半導体基板101上にドープトポリシリコン膜117が形成される。次に、そのドープトポリシリコン膜117上に、周辺回路領域RAではドープトポリシリコン膜117を覆い、メモリセル領域RBではフローティングゲート電極の一部をパターニングするためのレジストパターン172が形成される。
Next, as shown in FIG. 36, a doped
次に、図37に示すように、そのレジストパターン172をマスクとして、ドープトポリシリコン膜117に異方性エッチングを施すことにより、メモリセル領域RBでは、フローティングゲート電極部の一部となるドープトポリシリコン膜117bが形成され、周辺回路領域RAでは、エッチングされずにドープトポリシリコン膜117aとしてそのまま残される。その後、レジストパターン172が除去される。
Next, as shown in FIG. 37, by using the resist
次に、図38に示すように、たとえばCVD法により、ドープトポリシリコン膜117a,117bを覆うように半導体基板101上にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜を順次積層することによりONO膜118が形成される。次に、そのONO膜118上にメモリセル領域RBではONO膜118を覆い、周辺回路領域RAではゲート電極部が形成される所定の領域に位置するONO膜118の部分を露出するレジストパターン173が形成される。
Next, as shown in FIG. 38, a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film are sequentially stacked on the
次に、そのレジストパターン173をマスクとしてONO膜118にエッチングを施すことにより、周辺回路領域RAでは、ゲート電極部が形成される所定の領域に位置するONO膜118の部分が除去される。メモリセル領域RBでは、エッチングされずにONO膜118として残される。その後、レジストパターン173が除去される。
Next, by etching the
次に、図39に示すように、たとえばCVD法によりONO膜118を覆うように、半導体基板101上にポリシリコン膜および金属シリサイド膜を含むポリサイド膜119が形成される。次に、たとえばCVD法によりそのポリサイド膜119上にシリコン窒化膜120が形成される。シリコン窒化膜120はゲート電極部をパターニングする際のマスクとなる。
Next, as shown in FIG. 39, a
次に、図40および図41に示すように、シリコン窒化膜120上に、周辺回路領域RAではゲート電極部をパターニングし、メモリセル領域RBでは、コントロールゲート電極部およびフローティングゲート電極部を含むゲート電極部をパターニングするためのレジストパターン174が形成される。なお、図41は、図40の紙面に垂直な方向の断面図である。そのレジストパターン174をマスクとしてシリコン窒化膜120に異方性エッチングを施すことにより、エッチングマスクとしてのシリコン窒化膜120a,120b(図43参照)が形成される。その後、レジストパターン174が除去される。
Next, as shown in FIGS. 40 and 41, the gate electrode portion is patterned in the peripheral circuit region RA on the
そのシリコン窒化膜120a,120bをマスクとしてポリサイド膜119、ONO膜118、ドープトポリシリコン膜117a,117b、ポリシリコン膜112a,112b等に異方性エッチングを施すことにより、図42および図43に示すように、周辺回路領域RAではMOSトランジスタT1のゲート電極部121が形成される。なお、図43は図42の紙面に垂直な方向の断面図である。そのゲート電極部121は、ポリシリコン膜111a、ドープトポリシリコン膜117aおよびポリサイド膜119aによって構成される。また、ドープトポリシリコン膜117aとポリサイド膜119aとは、ONO膜118が除去された部分を介して電気的に接続されている。
By performing anisotropic etching on the
一方、メモリセル領域RBでは、フローティングゲート電極部122およびコントロールゲート電極部123を含むメモリセルトランジスタT2のゲート電極部124が形成される。フローティングゲート電極部122はポリシリコン膜111bおよびドープトポリシリコン膜117bによって構成され、コントロールゲート電極部123はポリサイド膜119bによって構成される。こうして、比較例に係る半導体装置の主要部分が形成されることになる。
On the other hand, in the memory cell region RB, the
上述した比較例に係る半導体装置では、ゲート酸化膜109a,109bとして熱酸化膜103a,103bが形成された状態において、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差SSは約27nmである(図29参照)。そのため、トレンチ114a,114bに充填するシリコン酸化膜116に化学的機械研磨処理を施す際に、相対的に段差の低いメモリセル領域RBでは、シリコン窒化膜112bの上面上に位置するシリコン酸化膜116の部分が完全には除去されずに、シリコン酸化膜116の研磨残渣が生じることがある。
In the semiconductor device according to the comparative example described above, the step SS between the peripheral circuit region RA and the memory cell region RB is about 27 nm in the state where the
シリコン酸化膜116の研磨残渣が生じると、たとえば図44に示すように、そのシリコン酸化膜116の残渣の直下に位置するシリコン窒化膜の部分が除去されずに残渣112dとして残ってしまうことがある。一方、シリコン窒化膜112bの下に位置するドープトポリシリコン膜111bは、メモリセル領域RBのメモリセルトランジスタが形成される領域以外の所定の領域では除去する必要がある。
When a polishing residue of the
そのため、本来シリコン窒化膜112bを除去すべきところ、そのような領域においてシリコン窒化膜の残渣112dが発生した場合には、そのシリコン窒化膜の残渣112dの直下に位置するドープトポリシリコン膜111bが除去されずに残ってしまい、その残されたドープトポリシリコン膜111bの部分によって電気的な短絡が生じるおそれがある。また、除去されずに残されるシリコン酸化膜116や、シリコン窒化膜112d等の残渣が異物となって、半導体装置の不良の原因の一つにもなる。なお、図44に示すシリコン窒化膜の残渣112dは、素子形成領域EBに生じた残渣だけを意図するものではなく、メモリセル領域RBにおける素子形成領域EB以外の領域に生じた残渣をも意図するものである。
Therefore, when the
また、メモリセル領域RBのトレンチ分離領域TBのポリシリコン膜111bの上面からの高さが、周辺回路領域RAにおけるトレンチ分離領域TAのポリシリコン膜111aの上面からの高さよりも高い。したがって、ポリシリコン膜117bのパターニング時に、トレンチ分離領域TBの上方に突き出した部分の側面にポリシリコン膜の残渣が形成され、ショートの原因となるおそれがある。
The height of the trench isolation region TB in the memory cell region RB from the upper surface of the
また、比較例に係る半導体装置では、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差SS(約27nm)に伴って、ゲート電極部をパターニングする際の写真製版においてデフォーカスが発生することがある。そのため、たとえば、図41に示すように、所望のレジストパターン174とは寸法が異なるレジストパターン274が形成されてしまい、図43に示すように、所定寸法とは異なるゲート電極部224が形成されて、所定寸法のゲート電極部124を形成することができないことがある。
In the semiconductor device according to the comparative example, defocusing may occur in photoengraving when the gate electrode portion is patterned due to the step SS (about 27 nm) between the peripheral circuit region RA and the memory cell region RB. . Therefore, for example, as shown in FIG. 41, a resist
これに対して、本実施の形態に係る半導体装置では、メモリセル領域RBに露出した半導体基板1の領域の表面にプラズマ窒化処理を施すことによって、2回目の熱酸化処理を施す際に熱酸化が抑制されることになる。これにより、ゲート酸化膜となる酸化膜9a,9bが形成された状態では、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差は約13nmであり、比較例に係る半導体装置の段差(約27nm)と比べて、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差は約50%低減されている。
On the other hand, in the semiconductor device according to the present embodiment, the surface of the region of the
つまり、プラズマ窒化処理を施すことによってメモリセル領域RB(第2領域)に位置する半導体基板1の領域における熱酸化処理による熱酸化(第2領域熱酸化)を抑制して、周辺回路領域RA(第1領域)に位置する半導体基板1の領域における熱酸化処理による熱酸化(第1領域熱酸化)を第2領域熱酸化よりも深い領域にまで進めることにより、酸化膜9a(第1酸化膜)とその酸化膜9aの直下に位置する半導体基板1の領域の表面との界面10a(第1界面)は、酸化膜9aよりも薄い酸化膜9b(第2酸化膜)とその酸化膜9bの直下に位置する半導体基板1の領域の表面との界面10b(第2界面)よりも深い位置に形成される。そのため、酸化膜9aの上面の位置とその酸化膜9aよりも薄い酸化膜9bの上面の位置とが同じ位置(高さ)に近づいて、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差は大幅に軽減される。
That is, by performing the plasma nitridation process, the thermal oxidation (second area thermal oxidation) by the thermal oxidation process in the area of the
これにより、トレンチ14a,14bを充填するシリコン酸化膜16に化学的機械研磨処理を施す際にシリコン酸化膜16の残渣が生じることが抑制されて、シリコン酸化膜16の残渣が生じることに起因する比較例に係る半導体装置のような電気的な短絡を防止することができる。また、異物となる残渣が低減されて、半導体装置の不良を低減することもできる。
Thereby, when the
さらに、本実施の形態に係る半導体装置では、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差が大幅に低減されることで、ゲート電極部をパターニングする際の写真製版においてデフォーカスが発生するのを防止することができて、所定寸法のレジストパターン74を形成することができる。これにより、所望のゲート電極部21,24を寸法精度よく形成することができる。
Furthermore, in the semiconductor device according to the present embodiment, the step between the peripheral circuit region RA and the memory cell region RB is significantly reduced, and defocusing occurs in photolithography when the gate electrode portion is patterned. Thus, a resist
また、比較例に係る半導体装置では、周辺回路領域RAに形成されるトレンチ分離領域TAの底とメモリセル領域RBに形成されるトレンチ分離領域TBの底とは、界面110a,110bの位置(高さ)関係に対応して、周辺回路領域RAに形成されるトレンチ分離領域TAの底の方が浅くなる。(マクロ的には、図35の点線に示すように2つの底はほぼ同じ位置に位置する)。そのため、より高い電圧で駆動されるゲート酸化膜の厚いMOSトランジスタが形成される周辺回路領域RAと、より低い電圧で駆動されるゲート酸化膜の薄いメモリセルトランジスタが形成されるメモリセル領域RBとの分離耐圧のマージンが低いおそれがある。
In the semiconductor device according to the comparative example, the bottom of the trench isolation region TA formed in the peripheral circuit region RA and the bottom of the trench isolation region TB formed in the memory cell region RB are located at the positions of the
これに対して、本実施の形態に係る半導体装置では、周辺回路領域RAにおける熱酸化膜3aと半導体基板1の領域の表面との界面10aが、メモリセル領域RBにおける熱酸化膜3bと半導体基板1の領域の表面との界面10bよりも距離Dだけ深いところに位置することによって、周辺回路領域RAに形成されるトレンチ分離領域TAの底は、メモリセル領域RBに形成されるトレンチ分離領域TBの底よりも距離D(約13nm)だけ深いところに位置することになる(図10参照)。これにより、トレンチ分離領域TA,TBの底の位置が同じ比較例に係る半導体装置と比べて、より高い電圧が適用される周辺回路領域RAと、より低い電圧が適用されるメモリセル領域RBとの分離耐圧を向上させることができる。
In contrast, in the semiconductor device according to the present embodiment, the
さらに、比較例に係る半導体装置では、周辺回路領域RAの酸化膜109aは2回の熱酸化によって形成され、メモリセル領域RBの酸化膜109bは1回の熱酸化によって形成される。特に、酸化膜109aの形成においては、1回目の熱酸化によって形成される熱酸化膜103aの表面にレジストパターン170が形成されて、メモリセル領域RBに形成された熱酸化膜102bがウェットエッチングによって除去されるため、レジストやエッチング液による汚染のおそれがある。そのため、ゲート酸化膜109aの信頼性が損なわれることがある。
Further, in the semiconductor device according to the comparative example, the
これに対して、本実施の形態に係る半導体装置では、周辺回路領域RAの酸化膜9aとメモリセル領域RBの酸化膜9bとは、いずれも2回目の熱酸化処理によって形成されて、熱酸化処理の回数としては1回の熱酸化処理によって形成されることになる。そして、周辺回路領域RAの酸化膜9aでは、1回目の熱酸化処理によって形成されてレジストパターンによって覆われる熱酸化膜3aが除去される。これにより、レジストやエッチング液による汚染のおそれがなくなって、比較例に係る半導体装置と比べて、酸化膜9bを含めてゲート酸化膜となる酸化膜9aの信頼性を向上することができる。
On the other hand, in the semiconductor device according to the present embodiment, both the
また、本実施の形態に係る半導体装置では、比較例に係る半導体装置と比べて、プラズマ窒化処理の工程と、1回目の熱酸化処理において周辺回路領域RAに形成される熱酸化膜3aを除去する工程が追加されるだけであり、工程の増加を最小限に抑えて、半導体装置の段差を大幅に低減することができる。
Further, in the semiconductor device according to the present embodiment, compared with the semiconductor device according to the comparative example, the
(プラズマ窒化)
上述したように、本実施の形態に係る半導体装置では、ゲート酸化膜を形成する際にプラズマ窒化処理を施すことにより、熱酸化処理による半導体基板の酸化を抑制することで膜厚の薄いゲート酸化膜が形成される。そこで、プラズマ窒化による耐酸化性と酸化膜厚の制御性について説明する。
(Plasma nitriding)
As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the gate oxide film having a thin film thickness is formed by suppressing the oxidation of the semiconductor substrate by the thermal oxidation process by performing the plasma nitriding process when forming the gate oxide film. A film is formed. Therefore, the oxidation resistance by plasma nitriding and the controllability of the oxide film thickness will be described.
試料として、まず、半導体基板(シリコン基板)の表面にベース酸化膜として膜厚約1.8nmの熱酸化膜を形成したものを用いた。その半導体基板に種々の条件のもとでプラズマ窒化処理を施した後、所定の再酸化処理を施すことによって形成される熱酸化膜の膜厚(光学膜厚)を測定した。再酸化処理として、半導体基板の表面に膜厚12nmの熱酸化膜が形成される条件とした。 As a sample, a semiconductor substrate (silicon substrate) having a thermal oxide film having a thickness of about 1.8 nm as a base oxide film was used. After subjecting the semiconductor substrate to plasma nitriding under various conditions, the film thickness (optical film thickness) of the thermal oxide film formed by applying predetermined re-oxidation treatment was measured. The reoxidation treatment was performed under the condition that a thermal oxide film having a film thickness of 12 nm was formed on the surface of the semiconductor substrate.
その結果を図45に示す。横軸は再酸化後の酸化膜の光学膜厚であり、エリプソメータにより屈折率nを1.42として測定された値である。縦軸に示されるプラズマ窒化条件のうち、条件Aは、圧力:約66.7Pa、RFパワー:約1.2kW、Ar/N2=約1000cm3/min(1000sccm)/約40cm3/min(40sccm)である。条件Bは、圧力:約6.67Pa、RFパワー:約1.5kW、Ar/N2=約1000cm3/min(1000sccm)/約40cm3/min(40sccm)である。条件Cは、圧力:約4.0Pa、RFパワー:約2.0kW、Ar/N2=約500cm3/min(500sccm)/約200cm3/min(200sccm)である。また、窒化なしの試料は、プラズマ窒化処理を施さずにベース酸化膜が形成された半導体基板に再酸化処理を施したものである。なお、ステージの温度はいずれも約400℃である。 The result is shown in FIG. The horizontal axis represents the optical film thickness of the oxide film after reoxidation, which is a value measured by an ellipsometer with a refractive index n of 1.42. Among the plasma nitriding conditions shown on the vertical axis, the condition A is as follows: pressure: about 66.7 Pa, RF power: about 1.2 kW, Ar / N 2 = about 1000 cm 3 / min (1000 sccm) / about 40 cm 3 / min ( 40 sccm). Condition B is pressure: about 6.67 Pa, RF power: about 1.5 kW, Ar / N 2 = about 1000 cm 3 / min (1000 sccm) / about 40 cm 3 / min (40 sccm). Condition C is: pressure: about 4.0 Pa, RF power: about 2.0 kW, Ar / N 2 = about 500 cm 3 / min (500 sccm) / about 200 cm 3 / min (200 sccm). The non-nitrided sample is obtained by re-oxidizing a semiconductor substrate on which a base oxide film is formed without performing plasma nitriding. The stage temperature is about 400 ° C.
図45に示すように、たとえば条件Bに示されるように、プラズマ窒化条件が同じ条件でも窒化時間を長くすることで窒化による耐酸化性が進み、再酸化後の膜厚をより薄くすることができる。また、窒化時間が同じ(60秒)でも、条件A,B,Cに示すように、窒化が進むにしたがい再酸化後の膜厚をより薄くすることができる。こうして、プラズマ窒化条件を振分けることによって、同じ熱酸化条件でも半導体基板に形成される酸化膜(酸窒化膜)の膜厚を制御できることがわかる。 As shown in FIG. 45, for example, as shown in condition B, by increasing the nitriding time even under the same plasma nitriding conditions, the oxidation resistance by nitriding advances, and the film thickness after reoxidation can be made thinner. it can. Even when the nitriding time is the same (60 seconds), as shown in the conditions A, B, and C, the film thickness after reoxidation can be made thinner as nitriding progresses. Thus, it can be seen that by distributing the plasma nitriding conditions, the film thickness of the oxide film (oxynitride film) formed on the semiconductor substrate can be controlled even under the same thermal oxidation conditions.
次に、プラズマ窒化処理による耐酸化性と半導体基板に形成されるベース酸化膜の膜厚との関係について説明する。まず、半導体基板(シリコン基板)の表面にベース酸化膜として、膜厚が1.8nm、2.4nm、5.5nmの熱酸化膜をそれぞれ形成した。その半導体基板に所定のプラズマ窒化処理を施した後、所定の再酸化処理を施すことによって形成される熱酸化膜の膜厚(光学膜厚)を測定した。プラズマ窒化処理として、上述した条件Cのプラズマ窒化処理を60秒施した。 Next, the relationship between the oxidation resistance by plasma nitriding and the thickness of the base oxide film formed on the semiconductor substrate will be described. First, a thermal oxide film having a film thickness of 1.8 nm, 2.4 nm, and 5.5 nm was formed as a base oxide film on the surface of a semiconductor substrate (silicon substrate). The semiconductor substrate was subjected to a predetermined plasma nitriding treatment and then subjected to a predetermined re-oxidation treatment to measure the thickness (optical film thickness) of the thermal oxide film formed. As the plasma nitriding treatment, the above-described condition C plasma nitriding treatment was performed for 60 seconds.
その結果を図46に示す。横軸は、再酸化によって半導体基板の表面に形成される酸化膜厚(モニタ膜厚)を示す。縦軸は再酸化後の光学膜厚である。図46に示すように、再酸化条件が同じ(たとえば再酸化膜厚約12nm)でも、ベース酸化膜の膜厚が異なれば、再酸化後の酸化膜の膜厚(光学膜厚)が異なり、ベース酸化膜の膜厚を変えることで、再酸化後の酸化膜の仕上がり膜厚を制御できることがわかる。 The result is shown in FIG. The horizontal axis represents the oxide film thickness (monitor film thickness) formed on the surface of the semiconductor substrate by reoxidation. The vertical axis represents the optical film thickness after reoxidation. As shown in FIG. 46, even if the reoxidation conditions are the same (for example, the reoxidation film thickness is about 12 nm), the film thickness (optical film thickness) of the oxide film after reoxidation is different if the film thickness of the base oxide film is different. It can be seen that by changing the thickness of the base oxide film, the finished film thickness of the oxide film after reoxidation can be controlled.
実施の形態2
ここでは、ゲート酸化膜の膜厚の異なる2種類のトランジスタを備えた半導体装置の第2の例について説明する。まず、その製造方法について説明する。図47に示すように、所定の熱酸化処理(1回目)を施すことにより半導体基板1の周辺回路領域RAに熱酸化膜2aが形成されるとともに、メモリセル領域RBに熱酸化膜2bが形成される。熱酸化膜2a,2bの膜厚は、後の工程において行われるプラズマ窒化処理による窒化の程度が前述したプラズマ窒化処理(実施の形態1)よりも強いために、前述した半導体装置の場合の膜厚(10nm以上)よりも厚くしておくことが好ましい。なお、図47に示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の表面の位置を表す。
Here, a second example of a semiconductor device including two types of transistors having different gate oxide film thicknesses will be described. First, the manufacturing method will be described. As shown in FIG. 47, by performing a predetermined thermal oxidation process (first time), a
次に、熱酸化膜2a,2b上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図48に示すように、周辺回路領域RAに位置する熱酸化膜2aを覆うレジストパターン70が形成される。そのレジストパターン70をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図49に示すように、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜2bが除去される。その後、レジストパターン70が除去される。
Next, by applying a photoresist (not shown) on the
次に、半導体基板1にプラズマ窒化処理が施される。このとき、このプラズマ窒化処理と後の工程において行われる2回目と3回目の熱酸化処理によって、所望の熱酸化膜厚を得るために、前述したプラズマ窒化処理も窒化の程度が強い条件が設定される。その窒化処理条件として、たとえばステージ温度:約400℃、圧力:約6.67Pa、RFパワー:約1.5kW、Arガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約40cm3/min(40sccm)の条件のもとで窒素のプラズマが生成される。そして、その生成されたプラズマに半導体基板1を約45秒間晒すことによって、図50に示すように、周辺回路領域RAでは熱酸化膜2aに窒素(窒素原子)50が導入されるとともに、メモリセル領域RBでは露出した半導体基板1の領域の表面に窒素(窒素原子)50が導入される。こうして、メモリセル領域RBに露出した半導体基板1の領域の表面に窒素50が導入されることで、シリコンが窒化されて窒化層が形成される。
Next, a plasma nitridation process is performed on the
次に、所定のエッチングを施すことにより、図51に示すように、周辺回路領域RAに露出した熱酸化膜2aが除去される。このとき、熱酸化膜2aとともに熱酸化膜2aに導入された窒素50も除去されることになる。なお、このエッチングにおいては、メモリセル領域RBを覆うレジストパターンを形成する必要はない。
Next, by performing predetermined etching, as shown in FIG. 51, the
次に、熱酸化条件として、たとえば温度:約850℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約5500cm3/min(5500sccm)、H2ガス流量:約9900cm3/min(9900sccm)のもとで、熱酸化処理(2回目)を約21分30秒間施すことによって、図52に示すように、半導体基板1の領域の表面が窒化していない周辺回路領域RAでは、膜厚の厚い熱酸化膜3aが形成される。一方、半導体基板1の表面が窒化されているメモリセル領域RBでは、窒化層によって熱酸化が抑制されて、熱酸化膜3aよりも薄い熱酸化膜3bが形成される。
Next, as thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 850 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 5500 cm 3 / min (5500 sccm), H 2 gas flow rate: about 9900 cm 3 / min (9900 sccm) Then, by performing the thermal oxidation process (second time) for about 21 minutes and 30 seconds, as shown in FIG. 52, in the peripheral circuit region RA where the surface of the region of the
なお、2回目の熱酸化処理では、後述する3回目の熱酸化処理によって、周辺回路領域RAに形成される熱酸化膜の上面とメモリセル領域RBに形成される熱酸化膜の上面とがほぼ同じ位置(高さ)になるように熱酸化条件が設定される。また、図52において、周辺回路領域RAに示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の表面の位置を表す。
Note that in the second thermal oxidation process, the upper surface of the thermal oxide film formed in the peripheral circuit region RA and the upper surface of the thermal oxide film formed in the memory cell region RB are substantially the same due to the third thermal oxidation process described later. Thermal oxidation conditions are set so as to be at the same position (height). In FIG. 52, the dotted line shown in the peripheral circuit region RA represents the position of the surface of the
次に、熱酸化膜3a,3b上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図53に示すように、メモリセル領域RBに位置する熱酸化膜3bを覆うレジストパターン71が形成される。そのレジストパターン71をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図54に示すように、周辺回路領域RAに露出している熱酸化膜3aが除去される。その後、レジストパターン71が除去される。
Next, by applying a photoresist (not shown) on the
次に、熱酸化条件として、たとえば温度:約850℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約5500cm3/min(5500sccm)、H2ガス流量:約9900cm3/min(9900sccm)のもとで、熱酸化処理(3回目)を約17分30秒間施すことによって、図55に示すように、半導体基板1の領域の表面が窒化されていない周辺回路領域RAでは熱酸化膜4aが形成される。一方、半導体基板1の領域の表面が窒化されているメモリセル領域RBでは、窒化層によって熱酸化が抑制されて熱酸化膜4aよりも薄い熱酸化膜4bが形成される。
Next, as thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 850 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 5500 cm 3 / min (5500 sccm), H 2 gas flow rate: about 9900 cm 3 / min (9900 sccm) Thus, by performing the thermal oxidation process (third time) for about 17 minutes 30 seconds, as shown in FIG. 55, the
図55に示すように、2回目の熱酸化処理と3回目の熱酸化処理によって、周辺回路領域RAに形成される熱酸化膜4aの上面とメモリセル領域RBに形成される熱酸化膜4bの上面とがほぼ同じ位置(高さ)になって、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差はほぼなくなる。なお、図55において、周辺回路領域RAに示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の表面の位置を表す。一方、メモリセル領域RAに示される点線は、熱酸化膜3bと半導体基板1の領域の表面との界面の位置を表す。
As shown in FIG. 55, the upper surface of the
その後、前述した図9および図10に示す工程と同様の工程を経て、図56に示すように、トレンチ14a,14bを充填するように、シリコン窒化膜12a,12b上にシリコン酸化膜16が形成される。次に、図57に示すように、シリコン酸化膜16に化学的機械研磨処理を施すことにより、シリコン窒化膜12a,12bの上面上に位置するシリコン酸化膜16の部分が除去されて、シリコン窒化膜12a,12bの上面が露出する。このとき、比較例に係る半導体装置の場合と比べて、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差(絶対段差)がほぼなくなっていることで、メモリセル領域PBにおいて研磨されずに残されるシリコン酸化膜16の部分(研磨残渣)はほとんどなくなる。
Thereafter, through steps similar to those shown in FIGS. 9 and 10, the
次に、図13に示す工程と同様の工程を経て、図58に示すように、周辺回路領域RAでは、トレンチ14aに充填されたシリコン酸化膜16aを含むトレンチ分離領域TAが形成され、メモリセル領域RBでは、トレンチ14bに充填されたシリコン酸化膜16bを含むトレンチ分離領域TBが形成される。
Next, through a process similar to that shown in FIG. 13, as shown in FIG. 58, trench isolation region TA including
その後、図14〜図21に示す工程と同様の工程を経て、図59および図60に示すように、シリコン窒化膜20上に、周辺回路領域RAではゲート電極部をパターニングし、メモリセル領域RBでは、コントロールゲート電極部およびフローティングゲート電極部を含むゲート電極部をパターニングするためのレジストパターン74が形成される。次に、そのレジストパターン74をマスクとしてシリコン窒化膜20に異方性エッチングを施すことにより、エッチングマスクとしてのシリコン窒化膜20a,20b(図62参照)が形成される。その後、レジストパターン74が除去される。
14 to FIG. 21, the gate electrode portion is patterned in the peripheral circuit region RA on the
次に、シリコン窒化膜20a,20bをマスクとしてポリサイド膜19、ONO膜18ドープトポリシリコン膜17a,17b、ポリシリコン膜11a,11b等に異方性エッチングを施すことにより、図61および図62に示すように、周辺回路領域RAでは、MOSトランジスタT1のゲート電極部21が形成される。そのゲート電極部21は、ポリシリコン膜11a、ドープトポリシリコン膜17aおよびポリサイド膜19aによって構成される。また、ドープトポリシリコン膜17aとポリサイド膜19aとは、ONO膜18が除去された部分を介して電気的に接続されている。
Next, anisotropic etching is performed on the
一方、メモリセル領域RBでは、フローティングゲート電極部22およびコントロールゲート電極部23を含むメモリセルトランジスタT2のゲート電極部24が形成される。フローティングゲート電極部22はポリシリコン膜11bおよびドープトポリシリコン膜17bによって構成され、コントロールゲート電極23はポリサイド膜19bによって構成される。こうして、半導体装置の主要部分が形成されることになる。
On the other hand, in the memory cell region RB, the
上述した半導体装置では、ゲート酸化膜を形成する際にプラズマ窒化処理を施すことによって、前述した半導体装置(実施の形態1)による効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、本実施の形態に係る半導体装置では、周辺回路領域RAに形成されるゲート酸化膜となる熱酸化膜4aの上面の位置と、メモリセル領域RBに形成されるゲート酸化膜となる熱酸化膜4bの上面の位置が同じ位置(高さ)になる。
In the semiconductor device described above, by performing plasma nitriding when forming the gate oxide film, the following effects can be obtained in addition to the effects of the semiconductor device (Embodiment 1) described above. That is, in the semiconductor device according to the present embodiment, the position of the upper surface of the
これにより、トレンチ14a,14bを充填するシリコン酸化膜16に化学的機械研磨処理を施す際にシリコン酸化膜16の残渣をほぼなくすことができる。その結果、シリコン酸化膜16の残渣が生じることに起因する比較例に係る半導体装置のような電気的な短絡を確実に防止することができるとともに、半導体装置の不良を確実に低減することができる。また、ゲート電極部をパターニングする際の写真製版においてデフォーカスが発生するのを確実に防止することができて、所望のゲート電極部を精度よく形成することができる。
Thereby, when the
こうして本実施の形態に係る半導体装置では、前述した半導体装置(実施の形態1)の場合と比べて、熱酸化処理の工程が1工程増えることになるが、熱酸化条件とともにプラズマ窒化処理の窒化条件を調整することで、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差をほぼなくすことができる。なお、熱酸化膜4aの上面の位置と熱酸化膜4bの上面の位置が同じ位置(高さ)になるとは、厳密に同じ位置になることを意図するものではなく、成膜時の膜厚のばらつきやエッチング時の除去量のバラツキ(±10%程度)など、製造上の誤差を当然に含むものである。
Thus, in the semiconductor device according to the present embodiment, the number of steps of the thermal oxidation treatment is increased by one step as compared with the case of the semiconductor device (the first embodiment) described above, but the nitridation of the plasma nitriding treatment is performed together with the thermal oxidation conditions. By adjusting the conditions, the step between the peripheral circuit region RA and the memory cell region RB can be almost eliminated. Note that the position of the upper surface of the
実施の形態3
ここでは、ゲート酸化膜の膜厚の異なる2種類のトランジスタを備えた半導体装置の第3の例について説明する。まず、その製造方法について説明する。図63に示すように、所定の熱酸化処理(1回目)を施すことにより半導体基板1の周辺回路領域RAに熱酸化膜2aが形成されるとともに、メモリセル領域RBに熱酸化膜2bが形成される。この熱酸化膜2a,2bの膜厚は約15nmとされる。なお、図63に示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の表面の位置を表す。
Here, a third example of a semiconductor device including two types of transistors having different gate oxide film thicknesses will be described. First, the manufacturing method will be described. As shown in FIG. 63, by performing a predetermined thermal oxidation process (first time), a
次に、半導体基板1にプラズマ窒化処理が施される。この窒化処理では、窒素が半導体基板1の表面に到達しない条件のもとで行われる。その窒化処理条件として、たとえばステージ温度:約400℃、圧力:約6.67Pa、RFパワー:約1.5kW、Arガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約40cm3/min(40sccm)の条件のもとで窒素のプラズマが生成される。そして、その生成されたプラズマに半導体基板1を約60秒間晒すことによって、図64に示すように、周辺回路領域RAでは熱酸化膜2aに窒素(窒素原子)50が導入されるとともに、メモリセル領域RBでは熱酸化膜2bに窒素(窒素原子)50が導入される。
Next, a plasma nitridation process is performed on the
次に、熱酸化膜2a,2b上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図65に示すように、メモリセル領域RBに位置する熱酸化膜2bを覆うレジストパターン70が形成される。そのレジストパターン70をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図66に示すように、周辺回路領域RAに露出している熱酸化膜2aが除去される。その後、レジストパターン70が除去される。
Next, by applying a photo resist (not shown) on the
次に、熱酸化条件として、たとえば温度:約850℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約5500cm3/min(5500sccm)、H2ガス流量:約9900cm3/min(9900sccm)のもとで、熱酸化処理(2回目)を約17分30秒間施すことによって、図67に示すように、半導体基板1の領域の表面が露出した周辺回路領域RAでは、熱酸化膜3aが形成される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜3bが形成される。このとき、メモリセル領域RBでは熱酸化膜2bに窒素50が導入されていることで、熱酸化膜3bの膜厚は窒素が導入されていない場合と比べて薄くなる。
Next, as thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 850 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 5500 cm 3 / min (5500 sccm), H 2 gas flow rate: about 9900 cm 3 / min (9900 sccm) Then, by performing the thermal oxidation process (second time) for about 17 minutes and 30 seconds, as shown in FIG. 67, the
なお、この2回目の熱酸化処理では、この2回目の熱酸化処理と後述する3回目の熱酸化処理によって、周辺回路領域RAに形成される熱酸化膜の膜厚が所望の膜厚になるように熱酸化条件が設定される。また、図67において、周辺回路領域RAに示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。
In the second thermal oxidation process, the film thickness of the thermal oxide film formed in the peripheral circuit region RA becomes a desired film thickness by the second thermal oxidation process and the third thermal oxidation process described later. Thus, thermal oxidation conditions are set. In FIG. 67, the dotted line shown in the peripheral circuit region RA represents the position of the surface of the region of the
次に、熱酸化膜3a,3b上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図68に示すように、周辺回路領域RAに位置する熱酸化膜2aを覆うレジストパターン71が形成される。そのレジストパターン71をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図69に示すように、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜3bが除去される。その後、レジストパターン71が除去される。
Next, by applying a photoresist (not shown) on the
次に、熱酸化条件として、たとえば温度:約800℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、H2ガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約8900cm3/min(8900sccm)のもとで、熱酸化処理(3回目)を約30分間施すことによって、図70に示すように、周辺回路領域RAでは、熱酸化膜3aが成長して熱酸化膜4aが形成される。一方、半導体基板1の領域の表面が露出したメモリセル領域RBでは、その半導体基板1の領域の表面が酸化されて熱酸化膜4bが形成される。
Next, as thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 800 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 1000 cm 3 / min (1000 sccm), H 2 gas flow rate: about 1000 cm 3 / min (1000 sccm), N 2 As shown in FIG. 70, the
なお、3回目の熱酸化処理では、メモリセル領域RBに形成される熱酸化膜4bの膜厚が所望の膜厚になるように熱酸化条件が設定される。また、図70において、周辺回路領域RAに示される点線は、熱酸化処理前の熱酸化膜3aと半導体基板1の領域の表面との界面の位置を表し、メモリセル領域RBに示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。
In the third thermal oxidation process, thermal oxidation conditions are set so that the
2回目の熱酸化処理と3回目の熱酸化処理によって、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差Sは約11nmとなる。この段差Sの値は、前述した比較例の場合における対応する段差約27nmと比べると、十分に軽減されていることになる。こうして、周辺回路領域RAでは、熱酸化膜4aが膜厚の厚い方のゲート酸化膜となる酸化膜9aとして形成される。一方、メモリセル領域RBでは、熱酸化膜4bが膜厚の薄い方のゲート酸化膜となる酸化膜9bとして形成される。
By the second thermal oxidation process and the third thermal oxidation process, the step S between the peripheral circuit region RA and the memory cell region RB becomes about 11 nm. The value of the step S is sufficiently reduced as compared with the corresponding step of about 27 nm in the comparative example described above. Thus, in the peripheral circuit region RA, the
その後、前述した図9および図10に示す工程と同様の工程を経て、図71に示すように、トレンチ14a,14bを充填するように、シリコン窒化膜12a,12b上にシリコン酸化膜16が形成される。次に、図72に示すように、シリコン酸化膜16に化学的機械研磨処理を施すことにより、シリコン窒化膜12a,12bの上面上に位置するシリコン酸化膜16の部分が除去されて、シリコン窒化膜12a,12bの上面が露出する。このとき、比較例に係る半導体装置の場合と比べて、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差Sが軽減されていることで、メモリセル領域PBにおいて研磨されずに残されるシリコン酸化膜16の部分(研磨残渣)はほとんどなくなる。
Thereafter, through the same steps as those shown in FIGS. 9 and 10, the
次に、図13に示す工程と同様の工程を経て、図73に示すように、周辺回路領域RAでは、トレンチ14aに充填されたシリコン酸化膜16aを含むトレンチ分離領域TAが形成され、メモリセル領域RBでは、トレンチ14bに充填されたシリコン酸化膜16bを含むトレンチ分離領域TBが形成される。
Next, through a process similar to that shown in FIG. 13, as shown in FIG. 73, trench isolation region TA including
その後、図14〜図21に示す工程と同様の工程を経て、図74および図75に示すように、シリコン窒化膜20上に、周辺回路領域RAではゲート電極部をパターニングし、メモリセル領域RBでは、コントロールゲート電極およびフローティングゲート電極を含むゲート電極部をパターニングするためのレジストパターン74が形成される。次に、そのレジストパターン74をマスクとしてシリコン窒化膜20に異方性エッチングを施すことにより、エッチングマスクとしてのシリコン窒化膜20a,20b(図77参照)が形成される。その後、レジストパターン74が除去される。
14 to 21, the gate electrode portion is patterned in the peripheral circuit region RA on the
次に、シリコン窒化膜20a,20bをマスクとしてポリサイド膜19、ONO膜18ドープトポリシリコン膜17a,17b、ポリシリコン膜12a,12b等に異方性エッチングを施すことにより、図76および図77に示すように、周辺回路領域RAではMOSトランジスタT1のゲート電極部21が形成される。そのゲート電極部21は、ポリシリコン膜11a、ドープトポリシリコン膜17aおよびポリサイド膜19aによって構成される。また、ドープトポリシリコン膜17aとポリサイド膜19aとは、ONO膜18が除去された部分を介して電気的に接続されている。
Next, anisotropic etching is performed on the
一方、メモリセル領域RBでは、フローティングゲート電極部22およびコントロールゲート電極部19bを含むゲート電極部24が形成される。フローティングゲート電極部22はポリシリコン膜11bおよびドープトポリシリコン膜17bによって構成され、コントロールゲート電極23はポリサイド膜19bによって構成される。こうして、半導体装置の主要部分が形成されることになる。
On the other hand, in memory cell region RB,
上述した半導体装置では、前述した半導体装置(実施の形態1)による効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、本実施の形態に係る半導体装置では、プラズマ窒化処理において、半導体基板1の表面に到達しないように窒素50が導入される。これにより、半導体基板1へのダメージを軽減してゲート酸化膜となる酸化膜4a,4bの信頼性をより向上することができる。
In the semiconductor device described above, the following effects can be obtained in addition to the effects obtained by the semiconductor device described above (Embodiment 1). That is, in the semiconductor device according to the present embodiment,
実施の形態4
上述した各実施の形態では、ゲート酸化膜の膜厚の異なる2種類のトランジスタを備えた半導体装置について説明した。次に、その膜厚の異なる2種類のゲート酸化膜の製造方法を応用した、ゲート酸化膜の膜厚の異なる3種類のトランジスタを備えた半導体装置の第1の例について説明する。まず、その製造方法について説明する。
In each of the above-described embodiments, the semiconductor device including two types of transistors having different gate oxide film thicknesses has been described. Next, a first example of a semiconductor device provided with three types of transistors having different gate oxide film thicknesses by applying a method for manufacturing two types of gate oxide films having different film thicknesses will be described. First, the manufacturing method will be described.
図78に示すように、所定の熱酸化処理(1回目)を施すことにより半導体基板1の周辺回路領域RAのうち、領域RA1(第1領域)に熱酸化膜2aが形成され、領域RA2(第3領域)に熱酸化膜2bが形成される。一方、メモリセル領域RB(第2領域)に熱酸化膜2bが形成される。この熱酸化膜2a,2b,2cの膜厚は約15nmとされる。なお、周辺回路領域RAはメモリセル領域RB以外の領域を示し、この場合、領域RA1は、たとえば高耐圧MOSトランジスタが形成される領域とされ、領域RA2はたとえば低耐圧MOSトランジスタが形成される領域とされる。なお、図78に示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。
As shown in FIG. 78, by performing a predetermined thermal oxidation process (first time), a
次に、熱酸化膜2a〜2c上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図79に示すように、周辺回路領域RAに位置する熱酸化膜2a,2cを覆うレジストパターン70が形成される。そのレジストパターン70をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図80に示すように、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜2bが除去される。その後、レジストパターン70が除去される。
Next, by applying a photo resist (not shown) on the
次に、半導体基板1にプラズマ窒化処理(1回目)が施される。その窒化処理条件として、たとえばステージ温度:約400℃、圧力:約6.67Pa、RFパワー:約1.5kW、Arガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約40cm3/min(40sccm)の条件のもとで窒素のプラズマが生成される。そして、その生成されたプラズマに半導体基板1を約15秒間晒すことによって、図81に示すように、周辺回路領域RAでは熱酸化膜2a,2cに窒素(窒素原子)50が導入されるとともに、メモリセル領域RBでは露出した半導体基板1の領域の表面に窒素(窒素原子)50が導入される。これにより、メモリセル領域RBの半導体基板1の領域の表面では、シリコンが窒化されて窒化層が形成されることになる。なお、このプラズマ窒化処理(1回目)の条件は、後述する2回目のプラズマ窒化処理と、2回目の熱酸化処理によって、メモリセル領域RBに形成される熱酸化膜がゲート酸化膜としての所望の膜厚になるように設定される。
Next, a plasma nitriding process (first time) is performed on the
次に、熱酸化膜2a〜2c上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図82に示すように、周辺回路領域RAのうち領域RA1に位置する熱酸化膜2aを覆うレジストパターン71が形成される。そのレジストパターン71をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図83に示すように、周辺回路領域RAうち領域RA2に露出している熱酸化膜2cが除去される。このとき、熱酸化膜2cに導入された窒素50も熱酸化膜2cとともに除去されることになる。その後、レジストパターン71が除去される。
Next, a photoresist (not shown) is applied on the
次に、半導体基板1にプラズマ窒化処理(2回目)が施される。その窒化処理条件として、たとえばステージ温度:約400℃、圧力:約6.67Pa、RFパワー:約1.5kW、Arガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約40cm3/min(40sccm)の条件のもとで窒素のプラズマが生成される。そして、その生成されたプラズマに半導体基板1を約15秒間晒すことによって、図84に示すように、周辺回路領域RAのうち領域RA1では熱酸化膜2aに窒素(窒素原子)50が導入され、領域RA2では露出した半導体基板1の領域の表面に窒素(窒素原子)50が導入される。一方、メモリセル領域RBでは露出した半導体基板1の領域の表面に窒素(窒素原子)50が導入される。
Next, a plasma nitriding process (second time) is performed on the
これにより、領域RA2の半導体基板1の領域の表面では、シリコンが窒化されて窒化層が形成されることになる。また、メモリセル領域RBの半導体基板1の領域の表面では、1回目のプラズマ窒化処理によって形成された窒化層に加えて、さらにシリコンが窒化されることによってより厚い窒化層が形成されることになる。なお、このプラズマ窒化処理(2回目)の条件は、後述する2回目の熱酸化処理によって、周辺回路領域RAのうちの領域RA2に形成される熱酸化膜がゲート酸化膜としての所望の膜厚になるように設定される。
Thereby, silicon is nitrided and a nitride layer is formed on the surface of the region of the
次に、図85に示すように、所定のエッチングを施すことにより領域RA1に露出している熱酸化膜2aが除去される。次に、熱酸化条件として、たとえば温度:約850℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約5500cm3/min(5500sccm)、H2ガス流量:約9900cm3/min(9900sccm)のもとで、熱酸化処理(2回目)を約17分30秒間施すことによって、図86に示すように、周辺回路領域RAのうち、領域RA1では露出した半導体基板1の領域の表面が酸化されて熱酸化膜3aが形成され、領域RA2では熱酸化膜3cが形成される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜3bが形成される。
Next, as shown in FIG. 85, the
このとき、領域RA2に露出した半導体基板1の領域の表面には窒化層が形成され、メモリセル領域RBに露出した半導体基板1の領域の表面にはさらに厚い窒化層が形成されているため、メモリセル領域RBでは領域RA2に対して半導体基板1の領域の表面の酸化が抑制されることになる。これにより、メモリセル領域RBに形成される熱酸化膜3bは領域RA2に形成される熱酸化膜3cよりも薄くなる。一方、領域RA1に露出した半導体基板1の領域の表面には窒化層は形成されていないため、領域RA1に形成される熱酸化膜3aは、窒化層が形成された領域RA2およびメモリセル領域RBにそれぞれ形成される熱酸化膜3c、3bよりも厚くなる。なお、この熱酸化処理(2回目)の条件は、周辺回路領域RAのうちの領域RA1に形成される熱酸化膜がゲート酸化膜としての所望の膜厚になるように設定される。
At this time, a nitride layer is formed on the surface of the region of the
このようにして形成される熱酸化膜3aの膜厚はたとえば約30nmとなり、熱酸化膜3bの膜厚は約5nmとなり、熱酸化膜3cの膜厚は約10nmとなる。そして、最も厚い熱酸化膜3aと最も薄い熱酸化膜3bとの段差Sは約13nm程度となる。こうして、周辺回路領域RAのうち、領域RA1では熱酸化膜3aが高耐圧MOSトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9aとして形成され、領域RA2では熱酸化膜3cが低耐圧MOSトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9cとして形成される。一方、メモリセル領域RBでは、熱酸化膜3bがメモリセルトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9bとして形成される。なお、図86において、領域RA1、領域RA2およびメモリセル領域RBにそれぞれ示される点線は、熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。
The thickness of the
その後、前述した図9および図10に示す工程と同様の工程を経て、図87に示すように、トレンチ14a〜14cを充填するように、シリコン窒化膜12a〜12c上にシリコン酸化膜16が形成される。次に、図88に示すように、シリコン酸化膜16に化学的機械研磨処理を施すことにより、シリコン窒化膜12a〜12cの上面上に位置するシリコン酸化膜16の部分が除去されて、シリコン窒化膜12a〜12cの上面が露出する。このとき、後述する比較例に係る半導体装置の場合と比べて、周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差が軽減されていることで、メモリセル領域PBにおいて研磨されずに残されるシリコン酸化膜16の部分(研磨残渣)はほとんどなくなる。
Thereafter, through steps similar to those shown in FIGS. 9 and 10, the
次に、図13に示す工程と同様の工程を経て、図89に示すように、周辺回路領域RAでは、トレンチ14aに充填されたシリコン酸化膜16aを含むトレンチ分離領域TAが形成されるとともに、トレンチ14cに充填されたシリコン酸化膜16cを含むトレンチ分離領域TCが形成される。一方、メモリセル領域RBでは、トレンチ14bに充填されたシリコン酸化膜16bを含むトレンチ分離領域TBが形成される。
Next, through a process similar to the process shown in FIG. 13, as shown in FIG. 89, trench isolation region TA including
その後、図14〜図21に示す工程と同様の工程を経て、図90および図91に示すように、シリコン窒化膜20上に、周辺回路領域RAではゲート電極部をパターニングし、メモリセル領域RBでは、コントロールゲート電極およびフローティングゲート電極を含むゲート電極部をパターニングするためのレジストパターン74が形成される。次に、そのレジストパターン74をマスクとしてシリコン窒化膜20に異方性エッチングを施すことにより、エッチングマスクとしてのシリコン窒化膜20a〜20c(図93参照)が形成される。その後、レジストパターン74が除去される。
Thereafter, the same steps as those shown in FIGS. 14 to 21 are performed. As shown in FIGS. 90 and 91, the gate electrode portion is patterned in the peripheral circuit region RA on the
次に、シリコン窒化膜20a,20bをマスクとしてポリサイド膜19、ONO膜18ドープトポリシリコン膜17a〜17c、ポリシリコン膜11a〜11c等に異方性エッチングを施すことにより、図92および図93に示すように、周辺回路領域RAでは、領域RA1に高耐圧MOSトランジスタT1のゲート電極部21が形成され、領域RA2に低耐圧MOSトランジスタT3のゲート電極部25が形成される。ゲート電極部21は、ポリシリコン膜11a、ドープトポリシリコン膜17aおよびポリサイド膜19aによって構成され、ゲート電極部25は、ポリシリコン膜11c、ドープトポリシリコン膜17cおよびポリサイド膜19cによって構成される。また、ドープトポリシリコン膜17a、17cとポリサイド膜19a、19cとは、ONO膜18が除去された部分を介してそれぞれ電気的に接続されている。
Next, anisotropic etching is performed on the
一方、メモリセル領域RBでは、フローティングゲート電極部22およびコントロールゲート電極23を含むメモリセルトランジスタT2のゲート電極部24が形成される。そのフローティングゲート電極部22はポリシリコン膜11cおよびドープトポリシリコン膜17bによって構成され、コントロールゲート電極部19bはポリサイド膜19bによって構成される。こうして、半導体装置の主要部分が形成されることになる。本実施の形態に係る半導体装置では、プラズマ窒化処理が施されていない領域RA1、プラズマ窒化処理が1回施された領域RA2およびプラズマ窒化処理が2回施された領域RBに対して熱酸化処理を施すことによって、それぞれ膜厚の異なる熱酸化膜3a〜3cが形成される点にポイントがある。
On the other hand, in the memory cell region RB, the
(比較例)
次に、上述した半導体装置による効果について、比較例との関係で説明する。まず、その比較例に係る半導体装置の製造方法について説明する。
(Comparative example)
Next, the effect of the semiconductor device described above will be described in relation to a comparative example. First, a method for manufacturing a semiconductor device according to the comparative example will be described.
図94に示すように、熱酸化処理(1回目)を施すことにより半導体基板101の主表面における周辺回路領域RAでは熱酸化膜102a,102cが形成されるとともに、メモリセル領域RBでは熱酸化膜102bが形成される。図94において、領域RA1,RA2,RBにそれぞれ示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。次に、熱酸化膜102a〜102cの表面に所定の写真製版処理を施すことにより、図95に示すように、周辺回路領域RAのうち領域RA1に位置する熱酸化膜102aを覆うレジストパターン170が形成される。
As shown in FIG. 94, by performing thermal oxidation (first time),
そのレジストパターン170をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図96に示すように、周辺回路領域RAのうち領域RA2に露出している熱酸化膜102cが除去されるとともに、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜102bが除去される。その後、レジストパターン170が除去される。
By performing predetermined etching using resist
次に、図97に示すように、所定の熱酸化処理(2回目)を施すことによって、周辺回路領域RAのうち領域RA1では熱酸化膜103aが形成されるとともに、領域RA2では熱酸化膜103cが形成される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜103cの膜厚とほぼ同じ膜厚の熱酸化膜103bが形成される。なお、図97において、領域RA1に示される点線は熱酸化処理前の熱酸化膜102aと半導体基板1の領域の表面との界面の位置を表す。一方、領域RA2および領域RBに示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。
Next, as shown in FIG. 97, by performing a predetermined thermal oxidation process (second time), the
次に、熱酸化膜103a〜103cの表面に所定の写真製版処理を施すことにより、図98に示すように、周辺回路領域RAの領域RA1に位置する熱酸化膜103aと領域RA2に位置する熱酸化膜103cをそれぞれ覆うレジストパターン171が形成される。そのレジストパターン171をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図99に示すように、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜103bが除去される。その後、レジストパターン171が除去される。
Next, by performing a predetermined photoengraving process on the surfaces of the
次に、図100に示すように、所定の熱酸化処理(3回目)を施すことによって、周辺回路領域RAのうち領域RA1では熱酸化膜104aが形成されるとともに、領域RA2では熱酸化膜104aの膜厚よりも薄い熱酸化膜104cが形成される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜104cの膜厚よりも薄い熱酸化膜104bが形成される。
Next, as shown in FIG. 100, by performing a predetermined thermal oxidation process (third time), the
この熱酸化膜104aが高耐圧MOSトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜109aとして形成され、熱酸化膜104cが低耐圧MOSトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜109cとして形成されることになる。一方、熱酸化膜103bがメモリセルトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜109bとして形成されることになる。こうして、酸化膜9aは3回の熱酸化処理によって所望の膜厚に形成され、酸化膜9cは2回の熱酸化処理によって所望の膜厚に形成される。一方、酸化膜9bは1回の熱酸化処理によって所望の膜厚に形成される。
This
特に、周辺回路領域RAのうちの領域RA1に位置する酸化膜109aは、1回目の熱酸化処理によって形成される熱酸化膜102aと2回の熱酸化処理によって形成される熱酸化膜103aが除去されることなく、3回目の熱酸化処理において所望の膜厚の熱酸化膜104aとして形成される。そのため、領域RA1に位置する半導体基板101の領域の表面から下方に向って熱酸化される領域は、熱酸化膜102aおよび熱酸化膜103aを除去した後に3回目の熱酸化処理において所望の膜厚の熱酸化膜104aを形成する場合と比べて浅いものとなる。
In particular, the
したがって、酸化膜109a〜109cの膜厚が、本実施の形態に係る半導体装置の酸化膜9a〜9cの膜厚とそれぞれほぼ同じ膜厚であっても、酸化膜109aが形成される領域RA1と酸化膜109bが形成されるメモリセル領域RBとの段差(絶対段差)SSは、本実施の形態に係る半導体装置よりも大きくなる。
Therefore, even if the
その後、前述した図9および図10に示す工程と同様の工程を経て、図101に示すように、トレンチ114a〜114cを充填するように、シリコン窒化膜112a〜112c上にシリコン酸化膜116が形成される。次に、図102に示すように、シリコン酸化膜116に化学的機械研磨処理を施すことにより、シリコン窒化膜112a〜112cの上面上に位置するシリコン酸化膜116の部分が除去されて、シリコン窒化膜112a〜112cの上面が露出する。
Thereafter, through steps similar to those shown in FIGS. 9 and 10, the
このとき、相対的に段差の高い領域RA1では、シリコン窒化膜112aの上面上に位置するシリコン酸化膜116の部分が除去されて、シリコン窒化膜112aの上面が露出する。一方、相対的に段差の低いメモリセル領域RBでは、シリコン窒化膜112bの上面上に位置するシリコン酸化膜116の部分が完全には除去されずに、シリコン酸化膜116の研磨残渣が生じることがある。
At this time, in the region RA1 having a relatively high level difference, the portion of the
次に、図13に示す工程と同様の工程を経て、図103に示すように、周辺回路領域RAでは、トレンチ114aに充填されたシリコン酸化膜116aを含むトレンチ分離領域TAが形成されるとともに、トレンチ114cに充填されたシリコン酸化膜116cを含むトレンチ分離領域TCが形成される。一方、メモリセル領域RBでは、トレンチ114bに充填されたシリコン酸化膜116bを含むトレンチ分離領域TBが形成される。
Next, through a process similar to the process shown in FIG. 13, as shown in FIG. 103, in the peripheral circuit region RA, the trench isolation region TA including the
ここで、領域RA2およびメモリセル領域RBでは、化学的機械研磨処理によりシリコン酸化膜116が完全には除去されなかったため、トレンチ分離領域TC,TBのポリシリコン膜111c、111bの上面からの高さが、領域RA1におけるトレンチ分離領域TAのポリシリコン膜111aの上面からの高さよりも高くなる。
Here, in the region RA2 and the memory cell region RB, since the
その後、図14〜図21に示す工程と同様の工程を経て、図104および図105に示すように、シリコン窒化膜120上に、周辺回路領域RAでは領域RA1と領域RA2のそれぞれにおいてゲート電極部をパターニングし、メモリセル領域RBでは、コントロールゲート電極部およびフローティングゲート電極部を含むゲート電極部をパターニングするためのレジストパターン174が形成される。次に、そのレジストパターン174をマスクとしてシリコン窒化膜120に異方性エッチングを施すことにより、エッチングマスクとしてのシリコン窒化膜120a〜120c(図107参照)が形成される。その後、レジストパターン174が除去される。
Thereafter, the same steps as those shown in FIGS. 14 to 21 are performed. As shown in FIGS. 104 and 105, on the
次に、シリコン窒化膜120a〜120cをマスクとしてポリサイド膜119、ONO膜118ドープトポリシリコン膜117a〜117c、ポリシリコン膜111a〜111c等に異方性エッチングを施すことにより、図106および図107に示すように、周辺回路領域RAでは、領域RA1に高耐圧MOSトランジスタT1のゲート電極部121が形成され、領域RA2に低耐圧MOSトランジスタT3のゲート電極部125が形成される。ゲート電極部121は、ポリシリコン膜111a、ドープトポリシリコン膜117aおよびポリサイド膜119aによって構成され、ゲート電極部125は、ポリシリコン膜111c、ドープトポリシリコン膜117cおよびポリサイド膜119cによって構成される。また、ドープトポリシリコン膜117a、117cとポリサイド膜119a、119cとは、ONO膜118が除去された部分を介してそれぞれ電気的に接続されている。
Next, anisotropic etching is performed on the
一方、メモリセル領域RBでは、フローティングゲート電極部122およびコントロールゲート電極部123を含むメモリセルトランジスタT2のゲート電極部124が形成される。フローティングゲート電極部122は、ポリシリコン膜111bおよびドープトポリシリコン膜117bによって構成され、コントロールゲート電極部123はポリサイド膜119bによって構成される。こうして、比較例に係る半導体装置の主要部分が形成されることになる。
On the other hand, in the memory cell region RB, the
上述した比較例に係る半導体装置では、ゲート酸化膜となる酸化膜109a〜109cとして熱酸化膜104a〜104cが形成された状態において、周辺回路領域RAのうちの領域RA1とメモリセル領域RBとの段差SSは、本実施の形態に係る半導体装置における対応する段差Sよりも大きい。そのため、トレンチ114a〜114cに充填するシリコン酸化膜116に化学的機械研磨処理を施す際に、相対的に段差の低いメモリセル領域RBでは、シリコン窒化膜112bの上面上に位置するシリコン酸化膜116の部分が完全には除去されずにシリコン酸化膜116の研磨残渣が生じることがある。
In the semiconductor device according to the comparative example described above, in the state where the
そうすると、すでに説明したように、そのシリコン窒化膜の残渣の直下に位置するドープトポリシリコン膜111bが除去されずに残ってしまい、その残されたドープトポリシリコン膜111bの部分によって電気的な短絡が生じるおそれがある。また、除去されずに残されるシリコン酸化膜116等の残渣が異物となって、半導体装置の不良の原因の一つにもなる。
Then, as already described, the doped
また、領域RA2およびメモリセル領域RBでは、領域RA1よりもトレンチ分離領域の高さがより高くなる。したがって、ポリシリコン膜のパターニング時に、トレンチ分離領域TB,TCの上方に突き出した部分の側面にポリシリコン膜の残渣が形成され、ショートの原因となるおそれがある。 In the region RA2 and the memory cell region RB, the height of the trench isolation region is higher than that in the region RA1. Therefore, when the polysilicon film is patterned, a residue of the polysilicon film is formed on the side surface of the portion protruding above the trench isolation regions TB and TC, which may cause a short circuit.
また、比較例に係る半導体装置では、特に、周辺回路領域RAのうちの領域RA1とメモリセル領域RBとの段差SSに伴って、ゲート電極部をパターニングする際の写真製版においてデフォーカスが発生することがある。そのため、たとえば、図105に示すように、所望のレジストパターン174とは寸法が異なるレジストパターン274が形成されてしまい、図107に示すように、所定寸法とは異なるゲート電極部224,225が形成されて、所望のゲート電極部124,125を形成することができないことがある。
In the semiconductor device according to the comparative example, defocusing occurs particularly in photolithography when the gate electrode portion is patterned due to the step SS between the region RA1 in the peripheral circuit region RA and the memory cell region RB. Sometimes. Therefore, for example, as shown in FIG. 105, a resist
これに対して、本実施の形態に係る半導体装置では、ゲート酸化膜となる酸化膜9a〜9cとして熱酸化膜3a〜3cが形成された状態では、特に、周辺回路領域RAの領域RA1とメモリセル領域RBとの段差Sは約13nmであり、比較例に係る半導体装置の段差と比べて十分にその段差が軽減されている。
In contrast, in the semiconductor device according to the present embodiment, in the state where
これにより、トレンチ14a〜14cを充填するシリコン酸化膜16に化学的機械研磨処理を施す際にシリコン酸化膜16の残渣が生じることが抑制されて、シリコン酸化膜16の残渣が生じることに起因する比較例に係る半導体装置のような電気的な短絡を防止することができる。また、異物となる残渣が低減されて、半導体装置の不良を低減することもできる。
Thereby, when the
さらに、比較例に係る半導体装置では、周辺回路領域RAのうち領域RA1に形成されるトレンチ分離領域TAの底とメモリセル領域RBに形成されるトレンチ分離領域TBの底とは、界面110a,110bの位置(高さ)関係に対応して、トレンチ分離領域TAの底がレンチ分離領域TBの底よりも浅いかほぼ同じ位置(高さ)に位置することになる。そのため、高耐圧MOSトランジスタが形成される周辺回路領域RAの領域RA1と、メモリセルトランジスタが形成されるメモリセル領域RBとの分離耐圧のマージンが低いおそれがある。
Further, in the semiconductor device according to the comparative example, the bottom of the trench isolation region TA formed in the region RA1 in the peripheral circuit region RA and the bottom of the trench isolation region TB formed in the memory cell region RB are
これに対して、本実施の形態に係る半導体装置では、周辺回路領域RAの領域RA1における熱酸化膜3aと半導体基板1の領域の表面との界面10aが、メモリセル領域RBにおける熱酸化膜3bと半導体基板1の領域の表面との界面10bよりも深いところに位置することによって、領域RA1に形成されるトレンチ分離領域TAの底は、メモリセル領域RBに形成されるトレンチ分離領域TBの底よりもより深いところに位置することになる。
In contrast, in the semiconductor device according to the present embodiment, the
これにより、比較例に係る半導体装置と比べて、より高い電圧が適用される周辺回路領域RAにおける領域RA1と、より低い電圧が適用されるメモリセル領域RBとの分離耐圧を向上させることができる。 Thereby, as compared with the semiconductor device according to the comparative example, the isolation breakdown voltage between the region RA1 in the peripheral circuit region RA to which a higher voltage is applied and the memory cell region RB to which a lower voltage is applied can be improved. .
さらに、比較例に係る半導体装置では、周辺回路領域RAにおける領域RA1の酸化膜109aは3回の熱酸化処理によって形成され、領域RA2の酸化膜109cは2回の熱酸化処理によって形成される。そして、メモリセル領域RBの酸化膜109bは1回の熱酸化処理によって形成される。特に、酸化膜109aの形成においては、まず、1回目の熱酸化処理によって形成される熱酸化膜103aの表面にレジストパターンが形成されて、領域RA2に形成された熱酸化膜102とメモリセル領域RBに形成された熱酸化膜102bがウェットエッチングによって除去される。そして、2回目の熱酸化処理によって形成される熱酸化膜104aの表面にレジストパターンが形成されて、メモリセル領域RBに形成された熱酸化膜104bが除去される。そのため、酸化膜109aには、レジストやエッチング液による汚染のおそれがあり、ゲート酸化膜としての酸化膜109aの信頼性が損なわれることがある。
Further, in the semiconductor device according to the comparative example, the
これに対して、本実施の形態に係る半導体装置では、周辺回路領域RAにおける領域RA1の酸化膜9a、領域RA2の酸化膜9cおよびメモリセル領域RBの酸化膜9bは、2回のプラズマ窒化処理を施すことで、いずれも2回目の熱酸化処理によって形成されており、熱酸化処理の回数としては1回の熱酸化処理によって形成されることになる。これにより、ゲート酸化膜となる熱酸化膜の形成が簡便になってゲート酸化膜の信頼性を確保することができ、また、半導体装置に作用する熱量を低減することができる。
In contrast, in the semiconductor device according to the present embodiment,
さらに、周辺回路領域RAにおける領域RA1の酸化膜9aの形成においては、1回目の熱酸化処理によって形成されてレジストパターン70によって覆われる熱酸化膜3aが除去され、領域RA2の酸化膜9cの形成においても、1回目の熱酸化処理によって形成されてレジストパターン70によって覆われる熱酸化膜3cが除去される。これにより、酸化膜9bも含めて酸化膜9a,9cのレジストやエッチング液による汚染のおそれがなくなって、比較例に係る半導体装置と比べて、ゲート酸化膜となる酸化膜9a,9cの信頼性を向上することができる。
Furthermore, in the formation of the
実施の形態5
次に、ゲート酸化膜の膜厚の異なる3種類のトランジスタを備えた半導体装置の第2の例について説明する。まず、その製造方法について説明する。熱酸化条件として、たとえば温度:約800℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、H2ガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約8900cm3/min(8900sccm)のもとで、熱酸化処理(1回目)を約30分間施すことによって、図108に示すように、周辺回路領域RAのうち領域RA1では熱酸化膜2aが形成され、領域RA2では熱酸化膜2cが形成される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜2bが形成される。なお、この熱酸化処理の条件は、後述するプラズマ窒化処理と2回目の熱酸化処理によって、周辺回路領域RAの領域RA2に形成される熱酸化膜の膜厚が、ゲート酸化膜としての所定の膜厚になるように設定される。また、図108において、領域RA1,RA2およびメモリセル領域RBにそれぞれ示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。
Next, a second example of a semiconductor device provided with three types of transistors having different gate oxide film thicknesses will be described. First, the manufacturing method will be described. As thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 800 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 1000 cm 3 / min (1000 sccm), H 2 gas flow rate: about 1000 cm 3 / min (1000 sccm), N 2 gas flow rate: As shown in FIG. 108, the
次に、熱酸化膜2a〜2c上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図109に示すように、周辺回路領域RAに位置する熱酸化膜2a,2cを覆うレジストパターン70が形成される。そのレジストパターン70をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図110に示すように、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜2bが除去される。その後、レジストパターン70が除去される。
Next, by applying a photoresist (not shown) on the
次に、半導体基板1にプラズマ窒化処理が施される。その窒化処理条件として、たとえばステージ温度:約400℃、圧力:約6.67Pa、RFパワー:約1.5kW、Arガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約40cm3/min(40sccm)の条件のもとで窒素のプラズマが生成される。そして、その生成されたプラズマに半導体基板1を約30秒間晒すことによって、図111に示すように、周辺回路領域RAでは熱酸化膜2a,2cに窒素(窒素原子)50が導入されるとともに、メモリセル領域RBでは露出した半導体基板1の領域の表面に窒素(窒素原子)50が導入される。
Next, a plasma nitridation process is performed on the
このとき、周辺回路領域RAの領域RA1,RA2では、窒素50は熱酸化膜2a,2c中にとどまって熱酸化膜膜2a,2cと半導体基板1の領域の表面との界面にまでは到達せず、半導体基板1の領域の表面は窒化されない。一方、メモリセル領域RBに露出した半導体基板1の領域の表面には窒素が導入されることで、シリコンが窒化されて窒化層が形成されることになる。なお、このプラズマ窒化処理の条件は、後述する2回目の熱酸化処理によって、メモリセル領域RBに形成される熱酸化膜がゲート酸化膜としての所望の膜厚になるように設定される。
At this time, in the regions RA1 and RA2 of the peripheral circuit region RA, the
次に、熱酸化膜2a〜2c上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図112に示すように、周辺回路領域RAのうち領域RA2に位置する熱酸化膜2cを覆うレジストパターン71が形成される。そのレジストパターン71をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図113に示すように、周辺回路領域RAうち領域RA1に露出している熱酸化膜2aが除去される。このとき、熱酸化膜2aとともに熱酸化膜2aに導入された窒素50も除去されることになる。一方、メモリセル領域RBでは、窒素50は半導体基板1中のシリコンと強く結びついているために窒素50が除去されることはない。その後、レジストパターン71が除去される。
Next, a photoresist (not shown) is applied on the
次に、熱酸化条件として、たとえば温度:約850℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約5500cm3/min(5500sccm)、H2ガス流量:約9900cm3/min(9900sccm)のもとで、熱酸化処理(2回目)を約17分30秒間施すことによって、図114に示すように、周辺回路領域RAのうち、領域RA1では熱酸化膜3aが形成され、領域RA2では熱酸化膜3cが形成される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜3bが形成される。
Next, as thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 850 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 5500 cm 3 / min (5500 sccm), H 2 gas flow rate: about 9900 cm 3 / min (9900 sccm) As shown in FIG. 114, the thermal oxidation process (second time) is performed for about 17 minutes and 30 seconds, so that the
このとき、領域RA2とメモリセル領域RBには窒素50が導入されているため、それぞれの半導体基板1の領域の表面の酸化が抑制されることになる。そして、その領域RA2では熱酸化膜2cには窒素50が導入され、メモリセル領域RBでは露出した半導体基板1の領域の表面に窒化層が形成されている。これにより、領域RA2に形成される熱酸化膜3cはメモリセル領域RBに形成される熱酸化膜3bよりも厚くなる。一方、領域RA1に露出した半導体基板1の領域の表面には窒化層は形成されていないため、領域RA1に形成される熱酸化膜3aは、窒素50がそれぞれ導入された領域RA2およびメモリセル領域RBにそれぞれ形成される熱酸化膜3c、3bよりも厚くなる。なお、この熱酸化処理(2回目)の条件は、周辺回路領域RAのうちの領域RA1に形成される熱酸化膜がゲート酸化膜としての所望の膜厚になるように設定される。
At this time, since
このようにして形成される熱酸化膜3aの膜厚はたとえば約30nmとなり、熱酸化膜3bの膜厚は約5nmとなり、熱酸化膜3cの膜厚は約10nmとなる。そして、最も厚い熱酸化膜3aと最も薄い熱酸化膜3bとの段差Sは約13nm程度となる。こうして、周辺回路領域RAのうち、領域RA1では熱酸化膜3aが高耐圧MOSトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9aとして形成され、領域RA2では熱酸化膜3cが低耐圧MOSトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9cとして形成される。一方、メモリセル領域RBでは、熱酸化膜3bがメモリセルトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9bとして形成される。なお、図114において、領域RA1およびメモリセル領域RBにそれぞれ示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表し、領域RA2に示される点線は熱酸化処理前の熱酸化膜2cと半導体基板1の領域の表面との界面の位置を表す。
The thickness of the
その後、前述した図9および図10に示す工程と同様の工程を経て、図115に示すように、トレンチ14a〜14cを充填するように、シリコン窒化膜12a〜12c上にシリコン酸化膜16が形成される。次に、図116に示すように、シリコン酸化膜16に化学的機械研磨処理を施すことにより、シリコン窒化膜12a〜12cの上面上に位置するシリコン酸化膜16の部分が除去されて、シリコン窒化膜12a〜12cの上面が露出する。
Thereafter, the same process as that shown in FIGS. 9 and 10 is performed, and as shown in FIG. 115,
次に、図13に示す工程と同様の工程を経て、図117に示すように、周辺回路領域RAでは、トレンチ14aに充填されたシリコン酸化膜16aを含むトレンチ分離領域TAが形成されるとともに、トレンチ14cに充填されたシリコン酸化膜16cを含むトレンチ分離領域TCが形成される。一方、メモリセル領域RBでは、トレンチ14bに充填されたシリコン酸化膜16bを含むトレンチ分離領域TBが形成される。
Next, through a step similar to the step shown in FIG. 13, as shown in FIG. 117, in peripheral circuit region RA, trench isolation region TA including
その後、図14〜図21に示す工程と同様の工程を経て、図118および図119に示すように、シリコン窒化膜20上に、周辺回路領域RAではゲート電極部をパターニングし、メモリセル領域RBでは、コントロールゲート電極部およびフローティングゲート電極部を含むゲート電極部をパターニングするためのレジストパターン74が形成される。次に、そのレジストパターン74をマスクとしてシリコン窒化膜20に異方性エッチングを施すことにより、エッチングマスクとしてのシリコン窒化膜20a〜20c(図121参照)が形成される。その後、レジストパターン74が除去される。
14 to FIG. 21, the gate electrode portion is patterned in the peripheral circuit region RA on the
次に、シリコン窒化膜20a,20bをマスクとしてポリサイド膜19、ONO膜18ドープトポリシリコン膜17a〜17c、ポリシリコン膜11a〜11c等に異方性エッチングを施すことにより、図120および図121に示すように、周辺回路領域RAでは、領域RA1に高耐圧MOSトランジスタT1のゲート電極部21が形成され、領域RA2に低耐圧MOSトランジスタT3のゲート電極部25が形成される。ゲート電極部21は、ポリシリコン膜11a、ドープトポリシリコン膜17aおよびポリサイド膜19aによって構成され、ゲート電極部25は、ポリシリコン膜11c、ドープトポリシリコン膜17cおよびポリサイド膜19cによって構成される。また、ドープトポリシリコン膜17a、17cとポリサイド膜19a、19cとは、ONO膜18が除去された部分を介してそれぞれ電気的に接続されている。
Next, anisotropic etching is performed on the
一方、メモリセル領域RBでは、フローティングゲート電極部22およびコントロールゲート電極部23を含むメモリセルトランジスタT2のゲート電極部24が形成される。そのフローティングゲート電極部22はポリシリコン膜11cとドープトポリシリコン膜17bによって構成され、コントロールゲート電極部19bはポリサイド膜19bによって構成される。こうして、半導体装置の主要部分が形成されることになる。
On the other hand, in the memory cell region RB, the
前述した半導体装置では、プラズマ窒化処理の回数により窒化の濃度(窒化の程度)に差をもたせて、プラズマ窒化処理が施されていない領域RA1、プラズマ窒化処理が1回施された領域RA2およびプラズマ窒化処理が2回施された領域RBに対して所定の熱酸化処理(3回目)を施すことによって、それぞれ膜厚の異なる酸化膜9a〜9cが最終的に形成される。
In the semiconductor device described above, the concentration of nitridation (degree of nitridation) varies depending on the number of plasma nitriding treatments, so that the region RA1 not subjected to plasma nitriding treatment, the region RA2 subjected to plasma nitriding treatment once, and the plasma By performing a predetermined thermal oxidation process (third time) on the region RB that has been subjected to the nitriding process twice,
これに対して、本実施の形態に係る半導体装置では、プラズマ窒化処理が施されていない領域RA1、酸化膜2cにプラズマ窒化処理が1回施された領域RA2および半導体基板1の領域の表面にプラズマ窒化処理が1回施された領域RBに対して所定の熱酸化処理(2回目)を施すことによって、それぞれ膜厚の異なる酸化膜9a〜9cが最終的に形成される点にポイントがある。
On the other hand, in the semiconductor device according to the present embodiment, the region RA1 that has not been subjected to the plasma nitriding treatment, the region RA2 that has been subjected to the plasma nitriding treatment once on the
つまり、本実施の形態に係る半導体装置では、特に、プラズマ窒化処理が施される領域RA2とメモリセル領域RBに対して、酸化膜の有無により熱酸化処理による耐酸化性に差をもたせることによって、酸化膜2cがある領域RA2に形成される酸化膜9cの膜厚が、酸化膜のないメモリセル領域RBに形成される酸化膜9bの膜厚よりも厚くされる。
That is, in the semiconductor device according to the present embodiment, in particular, the region RA2 and the memory cell region RB to be subjected to the plasma nitridation process are made different in oxidation resistance by the thermal oxidation process depending on the presence or absence of the oxide film. The film thickness of the
このように、本実施の形態に係る半導体装置では、プラズマ窒化処理を施す領域(領域RA2、メモリセル領域RB)と施さない領域(領域RA1)とを形成するとともに、プラズマ窒化処理が施される領域については、熱酸化膜を残す領域(領域RA2)と熱酸化膜を除去する領域(メモリセル領域RB)とを形成することによって、それぞれの領域に最終的に形成される酸化膜の膜厚に差をもたせている。 As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the region to be subjected to plasma nitriding (region RA2, memory cell region RB) and the region not to be subjected (region RA1) are formed, and the plasma nitriding is performed. Regarding the regions, by forming a region where the thermal oxide film is left (region RA2) and a region where the thermal oxide film is removed (memory cell region RB), the thickness of the oxide film finally formed in each region is increased. Have a difference.
上述した半導体装置では、前述した半導体装置(実施の形態4)による効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、上述した半導体装置では、前述した半導体装置と比べてプラズマ窒化処理の工程を1工程減らすことができ、また、熱酸化膜を除去する工程も1工程減らすことができて、工程削減を図ることができる。 In the semiconductor device described above, the following effects can be obtained in addition to the effects obtained by the semiconductor device described above (Embodiment 4). That is, in the semiconductor device described above, the number of steps of plasma nitriding treatment can be reduced by one step compared to the semiconductor device described above, and the number of steps of removing the thermal oxide film can be reduced by one step, thereby reducing the number of steps. be able to.
実施の形態6
次に、ゲート酸化膜の膜厚の異なる3種類のトランジスタを備えた半導体装置の第3の例について説明する。まず、その製造方法について説明する。図122に示すように、所定の熱酸化処理(1回目)を施すことにより半導体基板1の周辺回路領域RAのうち、領域RA1に熱酸化膜2aが形成され、領域RA2に熱酸化膜2bが形成される。一方、メモリセル領域RBに熱酸化膜2bが形成される。この熱酸化膜2a,2b,2cの膜厚は約15nmとされる。なお、特に、熱酸化膜2aは、プラズマ窒化処理を施す際に領域RA1に対するマスクとしての機能を果たす。また、図122において、領域RA1、領域RA2およびメモリセル領域RBにそれぞれ示される点線は、熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。
Next, a third example of a semiconductor device provided with three types of transistors having different gate oxide film thicknesses will be described. First, the manufacturing method will be described. As shown in FIG. 122, by performing a predetermined thermal oxidation process (first time),
次に、熱酸化膜2a,2b,2c上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図123に示すように、周辺回路領域RAのうちの領域RA1に位置する熱酸化膜2aを覆うレジストパターン70が形成される。そのレジストパターン70をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図124に示すように、領域RA2に露出している熱酸化膜2cが除去されるとともに、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜2bが除去される。その後、レジストパターン70が除去される。
Next, a photoresist (not shown) is applied on the
次に、半導体基板1にプラズマ窒化処理が施される。その窒化処理条件として、たとえばステージ温度:約400℃、圧力:約6.67Pa、RFパワー:約1.5kW、Arガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約40cm3/min(40sccm)の条件のもとで窒素のプラズマが生成される。そして、その生成されたプラズマに半導体基板1を約15秒間晒すことによって、図125に示すように、周辺回路領域RAのうち領域RA1では熱酸化膜2aに窒素(窒素原子)50が導入されるとともに、領域RA2では露出した半導体基板1の領域の表面に窒素(窒素原子)50が導入される。一方、メモリセル領域RBでは露出した半導体基板1の領域の表面に窒素(窒素原子)50が導入される。
Next, a plasma nitridation process is performed on the
このとき、周辺回路領域RAの領域RA1では、窒素50は熱酸化膜2a中にとどまって熱酸化膜膜2aと半導体基板1の領域の表面との界面にまでは到達せず、半導体基板1の領域の表面は窒化されない。一方、領域RA2およびメモリセル領域RBのそれぞれに露出した半導体基板1の領域の表面には窒素が導入されることで、シリコンが窒化されて窒化層が形成されることになる。なお、このプラズマ窒化処理の条件は、後述する2回目と3回目の2回の熱酸化処理によって、周辺回路領域RAのうち領域RA2に形成される熱酸化膜がゲート酸化膜としての所望の膜厚になるように設定される。
At this time, in the region RA1 of the peripheral circuit region RA, the
次に、所定のエッチングを施すことにより、図126に示すように、周辺回路領域RAうち領域RA1に露出している熱酸化膜2aが除去される。このとき、熱酸化膜2aとともに熱酸化膜2aに導入された窒素50も除去されることになる。一方、領域RA2およびメモリセル領域RBでは、窒素50は半導体基板1中のシリコンと強く結びついているために窒素50が除去されることはない。
Next, by performing predetermined etching, as shown in FIG. 126,
次に、熱酸化条件として、たとえば温度:約850℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約5500cm3/min(5500sccm)、H2ガス流量:約9900cm3/min(9900sccm)のもとで、熱酸化処理(2回目)を約15分10秒間施すことによって、図127に示すように、周辺回路領域RAのうち、領域RA1では熱酸化膜3aが形成され、領域RA2では熱酸化膜3cが形成される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜3bが形成される。なお、図127において、領域RA1,RA2およびメモリセル領域RBに示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。
Next, as thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 850 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 5500 cm 3 / min (5500 sccm), H 2 gas flow rate: about 9900 cm 3 / min (9900 sccm) Then, by performing the thermal oxidation process (second time) for about 15 minutes and 10 seconds, as shown in FIG. 127, in the peripheral circuit region RA, the
次に、熱酸化膜3a〜3c上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図128に示すように、RA1に位置する熱酸化膜3aおよび領域RA2に位置する熱酸化膜3cを覆うレジストパターン71が形成される。そのレジストパターン71をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図129に示すように、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜3bが除去される。このとき、熱酸化膜3bとともに熱酸化膜3bに導入された窒素50も除去されることになる。その後、レジストパターン71が除去される。
Next, by applying a photoresist (not shown) on the
次に、熱酸化条件として、たとえば温度:約800℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、H2ガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約8900cm3/min(8900sccm)のもとで、熱酸化処理(3回目)を約30分間施すことによって、図130に示すように、周辺回路領域RAのうち、領域RA1では熱酸化膜4aが形成され、領域RA2では熱酸化膜4cが形成される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜4bが形成される。
Next, as thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 800 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 1000 cm 3 / min (1000 sccm), H 2 gas flow rate: about 1000 cm 3 / min (1000 sccm), N 2 As shown in FIG. 130, by performing thermal oxidation treatment (third time) for about 30 minutes under a gas flow rate of about 8900 cm 3 / min (8900 sccm), thermal oxidation is performed in the region RA1 in the peripheral circuit region RA. A
このとき、メモリセル領域RBでは露出した半導体基板1の領域の表面が酸化されて所望の膜厚の熱酸化膜4bが形成される。周辺回路領域RAのうち領域RA2では、熱酸化膜3cに窒素50が導入されていることによって熱酸化が抑制されて、窒素が導入されない場合と比べて膜厚が薄く、そして、熱酸化膜4bよりも厚い熱酸化膜4cが形成される。領域RA1では、窒素が導入されていない熱酸化膜3cが熱酸化によって成長し、熱酸化膜4cよりも厚い熱酸化膜4aが形成されることになる。なお、この熱酸化処理(3回目)の条件は、メモリセル領域RBに形成される熱酸化膜がゲート酸化膜としての所望の膜厚になるように設定される。
At this time, in the memory cell region RB, the exposed surface of the
このようにして形成される熱酸化膜4aの膜厚はたとえば約30nmとなり、熱酸化膜4bの膜厚は約5nmとなり、熱酸化膜4cの膜厚は約10nmとなる。この場合、最も厚い熱酸化膜4aと最も薄い熱酸化膜4bとの段差Sは約15nm程度となる。こうして、周辺回路領域RAのうち、領域RA1では熱酸化膜4aが高耐圧MOSトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9aとして形成され、領域RA2では熱酸化膜4cが低耐圧MOSトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9cとして形成される。一方、メモリセル領域RBでは、熱酸化膜4bがメモリセルトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9bとして形成される。
The thickness of the
なお、図130において、領域RA1に示される点線は熱酸化処理前の熱酸化膜3aと半導体基板1の領域の表面との界面の位置を表し、領域RA2に示される点線は熱酸化処理前の熱酸化膜3cと半導体基板1の領域の表面との界面の位置を表す。一方、メモリセル領域RBの点線は熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。
In FIG. 130, the dotted line shown in the region RA1 represents the position of the interface between the
その後、前述した図9〜図22に示す工程と同様の工程を経て、図131および図132に示すように、周辺回路領域RAでは、領域RA1に高耐圧MOSトランジスタT1のゲート電極部21が形成され、領域RA2に低耐圧MOSトランジスタT3のゲート電極部25が形成される。ゲート電極部21は、ポリシリコン膜11a、ドープトポリシリコン膜17aおよびポリサイド膜19aによって構成され、ゲート電極部25は、ポリシリコン膜11c、ドープトポリシリコン膜17cおよびポリサイド膜19cによって構成される。また、ドープトポリシリコン膜17a、17cとポリサイド膜19a、19cとは、ONO膜18が除去された部分を介してそれぞれ電気的に接続されている。
Thereafter, through steps similar to those shown in FIGS. 9 to 22, the
一方、メモリセル領域RBでは、フローティングゲート電極部22およびコントロールゲート電極部23を含むメモリセルトランジスタT2のゲート電極部24が形成される。そのフローティングゲート電極部22はポリシリコン膜11cとドープトポリシリコン膜17bによって構成され、コントロールゲート電極部23はポリサイド膜19bによって構成される。こうして、半導体装置の主要部分が形成されることになる。
On the other hand, in the memory cell region RB, the
上述した半導体装置では、ゲート酸化膜となる酸化膜9a〜9cとして熱酸化膜4a〜4cが形成された状態では、特に、周辺回路領域RAの領域RA1とメモリセル領域RBとの段差は約15nmであり、比較例に係る半導体装置の段差と比べて十分にその段差が軽減されている。これにより、前述した半導体装置(実施の形態4)と同様に、トレンチ14a〜14cを充填するシリコン酸化膜16に化学的機械研磨処理を施す際にシリコン酸化膜16の残渣が生じることが抑制されて、シリコン酸化膜16の残渣が生じることに起因する比較例に係る半導体装置のような電気的な短絡を防止することができる。また、異物となる残渣が低減されて、半導体装置の不良を低減することもできる。さらに、ゲート電極部をパターニングする際の写真製版においてデフォーカスが発生するのを防止することができて、所望のゲート電極部を精度よく形成することができる。
In the semiconductor device described above, in the state where the
また、領域RA1に形成されるトレンチ分離領域TAの底が、メモリセル領域RBに形成されるトレンチ分離領域TBの底よりもより深いところに位置することによって、比較例に係る半導体装置と比べて、より高い電圧が適用される周辺回路領域RAにおける領域RA1と、より低い電圧が適用されるメモリセル領域RBとの分離耐圧を向上させることができる。 Further, since the bottom of the trench isolation region TA formed in the region RA1 is located deeper than the bottom of the trench isolation region TB formed in the memory cell region RB, compared with the semiconductor device according to the comparative example. The isolation breakdown voltage between the region RA1 in the peripheral circuit region RA to which a higher voltage is applied and the memory cell region RB to which a lower voltage is applied can be improved.
また、本実施の形態に係る半導体装置では、メモリセル領域のゲート酸化膜9bには窒素が含まれていない。そのため、メモリセル領域のゲート酸化膜が窒素を含有することによって信頼性等のデバイス特性が劣化する半導体装置に対して、特に、本実施の形態に係る半導体装置は有効である。
In the semiconductor device according to the present embodiment, the
実施の形態7
次に、ゲート酸化膜の膜厚の異なる3種類のトランジスタを備えた半導体装置の第4の例について説明する。まず、その製造方法について説明する。熱酸化条件として、たとえば温度:約800℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、H2ガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約8900cm3/min(8900sccm)のもとで、熱酸化処理(1回目)を約30分間施すことによって、図133に示すように、周辺回路領域RAのうち、領域RA1では熱酸化膜2aが形成され、領域RA2では熱酸化膜2cが形成される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜2bが形成される。なお、図133において、領域RA1,RA2およびメモリセル領域RABにそれぞれ示される点線は熱酸化処理前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。
Next, a fourth example of a semiconductor device provided with three types of transistors having different gate oxide film thicknesses will be described. First, the manufacturing method will be described. As thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 800 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 1000 cm 3 / min (1000 sccm), H 2 gas flow rate: about 1000 cm 3 / min (1000 sccm), N 2 gas flow rate: By performing thermal oxidation treatment (first time) for about 30 minutes at about 8900 cm 3 / min (8900 sccm), as shown in FIG. 133, in the region RA1, the
次に、半導体基板1にプラズマ窒化処理が施される。その窒化処理条件として、たとえばステージ温度:約400℃、圧力:約6.67Pa、RFパワー:約1.5kW、Arガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約40cm3/min(40sccm)の条件のもとで窒素のプラズマが生成される。そして、その生成されたプラズマに半導体基板1を約30秒間晒すことによって、図134に示すように、周辺回路領域RAのうち領域RA1では熱酸化膜2aに窒素(窒素原子)50が導入されるとともに、領域RA2では熱酸化膜2cに窒素(窒素原子)50が導入される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜2bに窒素(窒素原子)50が導入される。なお、このプラズマ窒化処理の条件は、1回目の熱酸化処理と後述する2回目と3回目の熱酸化処理との3回の熱酸化処理によって、周辺回路領域RAのうち領域RA2に形成される熱酸化膜がゲート酸化膜としての所望の膜厚になるように設定される。
Next, a plasma nitridation process is performed on the
次に、熱酸化膜2a〜2c上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図135に示すように、周辺回路領域RAのうちの領域RA2に位置する熱酸化膜2cを覆うとともに、メモリセル領域RBに位置する熱酸化膜2bを覆うレジストパターン70が形成される。そのレジストパターン70をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図136に示すように、領域RA1に露出している熱酸化膜2aが除去される。その後、レジストパターン70が除去される。
Next, a photoresist (not shown) is applied on the
次に、熱酸化条件として、たとえば温度:約850℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約5500cm3/min(5500sccm)、H2ガス流量:約9900cm3/min(9900sccm)のもとで、熱酸化処理(2回目)を約15分10秒間施すことによって、図137に示すように、周辺回路領域RAのうち、領域RA1では熱酸化膜3aが形成され、領域RA2では熱酸化膜3cが形成される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜3bが形成される。
Next, as thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 850 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 5500 cm 3 / min (5500 sccm), H 2 gas flow rate: about 9900 cm 3 / min (9900 sccm) Then, by performing the thermal oxidation process (second time) for about 15 minutes and 10 seconds, as shown in FIG. 137, in the peripheral circuit region RA, the
次に、熱酸化膜3a〜3c上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図138に示すように、領域RA1に位置する熱酸化膜3aおよび領域RA2に位置する熱酸化膜3cを覆うレジストパターン71が形成される。そのレジストパターン71をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図139に示すように、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜3bが除去される。その後、レジストパターン71が除去される。
Next, by applying a photoresist (not shown) on the
次に、熱酸化条件として、たとえば温度:約800℃、圧力:常圧、O2ガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、H2ガス流量:約1000cm3/min(1000sccm)、N2ガス流量:約8900cm3/min(8900sccm)のもとで、熱酸化処理(3回目)を約30分間施すことによって、図140に示すように、周辺回路領域RAのうち、領域RA1では熱酸化膜4aが形成され、領域RA2では熱酸化膜4cが形成される。一方、メモリセル領域RBでは熱酸化膜4bが形成される。
Next, as thermal oxidation conditions, for example, temperature: about 800 ° C., pressure: normal pressure, O 2 gas flow rate: about 1000 cm 3 / min (1000 sccm), H 2 gas flow rate: about 1000 cm 3 / min (1000 sccm), N 2 As shown in FIG. 140, by performing thermal oxidation treatment (third time) for about 30 minutes under a gas flow rate of about 8900 cm 3 / min (8900 sccm), thermal oxidation is performed in the region RA1 in the peripheral circuit region RA. A
このとき、メモリセル領域RBでは露出した半導体基板1の領域の表面が酸化されて所望の膜厚の熱酸化膜4bが形成される。周辺回路領域RAのうち領域RA2では、熱酸化膜3cに窒素50が導入されていることによって熱酸化が抑制されて、窒素が導入されない場合と比べて膜厚が薄く、そして、熱酸化膜4bよりも厚い熱酸化膜4cが形成される。領域RA1では、窒素が導入されていない熱酸化膜3cが熱酸化によって成長し、熱酸化膜4cよりも厚い熱酸化膜4aが形成されることになる。なお、この熱酸化処理(3回目)の条件は、メモリセル領域RBに形成される熱酸化膜がゲート酸化膜としての所望の膜厚になるように設定される。
At this time, in the memory cell region RB, the exposed surface of the
このようにして形成される熱酸化膜4aの膜厚はたとえば約30nmとなり、熱酸化膜4bの膜厚は約5nmとなり、熱酸化膜4cの膜厚は約10nmとなる。この場合、最も厚い熱酸化膜4aと最も薄い熱酸化膜4bとの段差は約14nm程度となる。こうして、周辺回路領域RAのうち、領域RA1では熱酸化膜4aが高耐圧MOSトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9aとして形成され、領域RA2では熱酸化膜4cが低耐圧MOSトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9cとして形成される。一方、メモリセル領域RBでは、熱酸化膜4bがメモリセルトランジスタのゲート酸化膜となる酸化膜9bとして形成される。
The thickness of the
その後、前述した図9〜図22に示す工程と同様の工程を経て、図141および図142に示すように、周辺回路領域RAでは、領域RA1に高耐圧MOSトランジスタT1のゲート電極部21が形成され、領域RA2に低耐圧MOSトランジスタT3のゲート電極部25が形成される。ゲート電極部21は、ポリシリコン膜11a、ドープトポリシリコン膜17aおよびポリサイド膜19aによって構成され、ゲート電極部25は、ポリシリコン膜11c、ドープトポリシリコン膜17cおよびポリサイド膜19cによって構成される。また、ドープトポリシリコン膜17a、17cとポリサイド膜19a、19cとは、ONO膜18が除去された部分を介してそれぞれ電気的に接続されている。
Thereafter, through steps similar to those shown in FIGS. 9 to 22, the
一方、メモリセル領域RBでは、フローティングゲート電極部22およびコントロールゲート電極部23を含むメモリセルトランジスタT2のゲート電極部24が形成される。そのフローティングゲート電極部22はポリシリコン膜11cとドープトポリシリコン膜17bによって構成され、コントロールゲート電極部23はポリサイド膜19bによって構成される。こうして、半導体装置の主要部分が形成されることになる。
On the other hand, in the memory cell region RB, the
上述した半導体装置では、ゲート酸化膜9a〜9cとして熱酸化膜4a〜4cが形成された状態では、特に、周辺回路領域RAの領域RA1とメモリセル領域RBとの段差は約14nmであり、比較例に係る半導体装置の段差と比べて十分にその段差が軽減されている。これにより、前述した半導体装置(実施の形態4)と同様に、トレンチ14a〜14cを充填するシリコン酸化膜16に化学的機械研磨処理を施す際にシリコン酸化膜16の残渣が生じることが抑制されて、シリコン酸化膜16の残渣が生じることに起因する比較例に係る半導体装置のような電気的な短絡を防止することができ、また、異物となる残渣が低減されて、半導体装置の不良を低減することもできる。さらに、ゲート電極部をパターニングする際の写真製版においてデフォーカスが発生するのを防止することができて、所望のゲート電極部を精度よく形成することができる。
In the semiconductor device described above, when the
また、領域RA1に形成されるトレンチ分離領域TAの底が、メモリセル領域RBに形成されるトレンチ分離領域TBの底よりもより深いところに位置することによって、比較例に係る半導体装置と比べて、より高い電圧が適用される周辺回路領域RAにおける領域RA1と、より低い電圧が適用されるメモリセル領域RBとの分離耐圧を向上させることができる。 Further, since the bottom of the trench isolation region TA formed in the region RA1 is located deeper than the bottom of the trench isolation region TB formed in the memory cell region RB, compared with the semiconductor device according to the comparative example. The isolation breakdown voltage between the region RA1 in the peripheral circuit region RA to which a higher voltage is applied and the memory cell region RB to which a lower voltage is applied can be improved.
また、本実施の形態に係る半導体装置では、メモリセル領域のゲート酸化膜9bには窒素が含まれていない。そのため、メモリセル領域のゲート酸化膜が窒素を含有することによって信頼性等のデバイス特性が劣化する半導体装置に対して、特に、本実施の形態に係る半導体装置は有効である。
In the semiconductor device according to the present embodiment, the
上述した各実施の形態では、プラズマ窒化処理によって熱酸化を抑制する効果を利用して膜厚の異なるゲート酸化膜を形成する方法について説明した。ここで、そのまとめとして、トランジスタのゲート酸化膜を形成するための熱酸化処理の回数と、そのゲート酸化膜がレジストパターンによって覆われる回数を図143および図144にそれぞれ示す。 In each of the above-described embodiments, the method of forming gate oxide films having different film thicknesses by utilizing the effect of suppressing thermal oxidation by plasma nitriding processing has been described. Here, as a summary, FIGS. 143 and 144 show the number of thermal oxidation processes for forming a gate oxide film of a transistor and the number of times that the gate oxide film is covered with a resist pattern, respectively.
はじめに、膜厚の異なる2種類のゲート酸化膜を形成する場合の熱酸化処理の回数を図143に示す。まず、実施の形態1の場合、周辺回路領域RAおよびメモリセル領域RBではいずれも1回である。実施の形態2の場合、周辺回路領域RAでは1回、メモリセル領域RBでは2回である。そして、実施の形態3の場合、周辺回路領域RAでは2回、メモリセル領域RBでは1回である。一方、比較例の場合、周辺回路領域RAでは2回、メモリセル領域RBでは1回である。 First, FIG. 143 shows the number of thermal oxidation treatments when two types of gate oxide films having different thicknesses are formed. First, in the case of the first embodiment, both are performed once in the peripheral circuit region RA and the memory cell region RB. In the case of the second embodiment, once in the peripheral circuit region RA and twice in the memory cell region RB. In the case of the third embodiment, it is twice in the peripheral circuit region RA and once in the memory cell region RB. On the other hand, in the comparative example, it is twice in the peripheral circuit area RA and once in the memory cell area RB.
また、ゲート酸化膜がレジストパターンによって覆われる回数を図143に合わせて示す。まず、実施の形態1の場合、周辺回路領域RAおよびメモリセル領域RBではいずれも0回である。実施の形態2の場合、周辺回路領域RAでは0回、メモリセル領域RBでは1回である。そして、実施の形態3の場合、周辺回路領域RAでは1回、メモリセル領域RBでは0回である。一方、比較例の場合、周辺回路領域RAでは1回、メモリセル領域RBでは0回である。 The number of times that the gate oxide film is covered with the resist pattern is also shown in FIG. First, in the case of the first embodiment, the number of times is zero in both the peripheral circuit region RA and the memory cell region RB. In the second embodiment, it is 0 in the peripheral circuit area RA and 1 in the memory cell area RB. In the case of the third embodiment, once in the peripheral circuit area RA and 0 in the memory cell area RB. On the other hand, in the comparative example, it is once in the peripheral circuit region RA and zero in the memory cell region RB.
次に、膜厚の異なる3種類のゲート酸化膜を形成する場合の熱酸化処理の回数を図144に示す。まず、実施の形態4の場合、周辺回路領域RAの領域RA1、領域RA2およびメモリセル領域RBではいずれも1回である。実施の形態5の場合、周辺回路領域RAの領域RA1では1回、領域RA2では2回、メモリセル領域RBでは1回である。実施の形態6の場合、周辺回路領域RAの領域RA1および領域RA2ではいずれも2回、メモリセル領域RBでは1回である。そして、実施の形態7の場合、周辺回路領域RAの領域RA1では2回、領域RA2では3回、メモリセル領域RBでは1回である。一方、比較例の場合、周辺回路領域RAの領域RA1では3回、領域RA2では3回、メモリセル領域RBでは1回である。 Next, FIG. 144 shows the number of thermal oxidation treatments when three types of gate oxide films having different thicknesses are formed. First, in the case of the fourth embodiment, each of the regions RA1, RA2 and memory cell region RB of the peripheral circuit region RA is performed once. In the case of the fifth embodiment, once in the region RA1 of the peripheral circuit region RA, twice in the region RA2, and once in the memory cell region RB. In the case of the sixth embodiment, both are performed twice in region RA1 and region RA2 of peripheral circuit region RA and once in memory cell region RB. In the case of the seventh embodiment, it is twice in the region RA1 of the peripheral circuit region RA, three times in the region RA2, and once in the memory cell region RB. On the other hand, in the comparative example, it is 3 times in the region RA1 of the peripheral circuit region RA, 3 times in the region RA2, and 1 time in the memory cell region RB.
また、ゲート酸化膜がレジストパターンによって覆われる回数を図144に合わせて示す。実施の形態4の場合、周辺回路領域RAの領域RA1、領域RA2およびメモリセル領域RBではいずれも0回である。実施の形態5の場合、周辺回路領域RAの領域RA1では0回、領域RA2では2回、メモリセル領域RBでは0回である。実施の形態6の場合、周辺回路領域RAの領域RA1および領域RA2ではいずれも1回、メモリセル領域RBでは0回である。そして、実施の形態7の場合、周辺回路領域RAの領域RA1では1回、領域RA2では2回、メモリセル領域RBでは0回である。一方、比較例の場合、周辺回路領域RAの領域RA1では2回、領域RA2では1回、メモリセル領域RBでは0回である。 The number of times that the gate oxide film is covered with the resist pattern is also shown in FIG. In the case of the fourth embodiment, the number of times is zero in the region RA1, the region RA2 and the memory cell region RB of the peripheral circuit region RA. In the case of the fifth embodiment, the number of times is zero in the region RA1 of the peripheral circuit region RA, two times in the region RA2, and zero in the memory cell region RB. In the case of the sixth embodiment, the number of times is 1 in the region RA1 and the region RA2 of the peripheral circuit region RA, and 0 in the memory cell region RB. In the case of the seventh embodiment, once in the region RA1 of the peripheral circuit region RA, twice in the region RA2, and 0 in the memory cell region RB. On the other hand, in the comparative example, it is twice in the region RA1 of the peripheral circuit region RA, once in the region RA2, and zero in the memory cell region RB.
この結果とゲート酸化膜としての信頼性を確保する点から、熱酸化処理の回数が最も少なく、また、熱酸化膜がレジストパターンによって全く覆われない実施の形態1および実施の形態4において説明した方法が望ましいと考えられる。 In view of this result and the reliability as the gate oxide film, the number of times of the thermal oxidation treatment is the smallest, and the thermal oxide film is not covered with the resist pattern at all as described in the first and fourth embodiments. The method is considered desirable.
実施の形態8
上述した各実施の形態では、プラズマ窒化処理を施すことによって熱酸化を抑制する効果を利用して膜厚の異なるゲート酸化膜を形成する方法について説明した。プラズマ窒化処理を行わずに段差の軽減された膜厚の異なるゲート酸化膜を形成することもできる。そこで、ここでは、膜厚の異なる2つのゲート酸化膜をプラズマ窒化処理を施さずに形成する方法について説明する。
In each of the above-described embodiments, the method of forming gate oxide films having different film thicknesses by utilizing the effect of suppressing thermal oxidation by performing plasma nitriding treatment has been described. It is also possible to form gate oxide films having different thicknesses with reduced steps without performing plasma nitriding. Therefore, here, a method of forming two gate oxide films having different film thicknesses without performing plasma nitriding treatment will be described.
まず、図145に示すように、所定の熱酸化処理(1回目)を施すことにより周辺回路領域RAに熱酸化膜2aが形成されるとともに、メモリセル領域RBに熱酸化膜2bが形成される。なお、図145において、周辺回路領域RAおよびメモリセル領域RBに示される点線は熱酸化処理を施す前の半導体基板1の領域の表面の位置を表す。
First, as shown in FIG. 145, by performing a predetermined thermal oxidation process (first time), a
次に、熱酸化膜2a,2b上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図146に示すように、メモリセル領域RBに位置する熱酸化膜2bを覆うレジストパターン70が形成される。そのレジストパターン70をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図147に示すように、周辺回路領域RAに露出している熱酸化膜2aが除去される。その後、レジストパターン70が除去される。
Next, by applying a photoresist (not shown) on the
次に、図148に示すように、所定の熱酸化処理(2回目)を施すことにより周辺回路領域RAに露出した半導体基板1の領域の表面に熱酸化膜3aが形成されるとともに、メモリセル領域RBに位置する熱酸化膜2bが成長して熱酸化膜3bが形成される。なお、図148において、周辺回路領域RAに示される点線は熱酸化処理を施す前の半導体基板1の領域の表面の位置を表し、メモリセル領域RBに示される点線は熱酸化処理を施す前の熱酸化膜2bと半導体基板1の領域の表面との界面の位置を表す。
Next, as shown in FIG. 148, by performing a predetermined thermal oxidation process (second time), a
次に、熱酸化膜3a,3b上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図149に示すように、メモリセル領域RBに位置する熱酸化膜3bを覆うレジストパターン71が形成される。そのレジストパターン71をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図150における上段に示すように、周辺回路領域RAに露出している熱酸化膜3aが除去される。その後、レジストパターン71が除去される。
Next, by applying a photoresist (not shown) on the
以下、所定の熱酸化処理(3回目以降)を施すことにより周辺回路領域RAに露出した半導体基板1の領域の表面に熱酸化膜(図示せず)を形成するとともに、メモリセル領域RBに位置する熱酸化膜3bを成長させて熱酸化膜(図示せず)を形成する工程(工程A)と、その後、メモリセル領域RBに成長した熱酸化膜を覆うレジストパターン(図示せず)を形成して、周辺回路領域RAに露出した半導体基板1の領域の表面に形成された熱酸化膜を除去する工程(工程B)とを所定の回数だけ繰り返すことによって、図150における下段に示すように、周辺回路領域RAに露出した半導体基板1の領域の表面に熱酸化膜6aが形成され、メモリセル領域RBに位置する熱酸化膜が成長して熱酸化膜6bが形成される。
Subsequently, a thermal oxide film (not shown) is formed on the surface of the region of the
次に、熱酸化膜2a,2b上にフォトレジスト(図示せず)を塗布して所定の写真製版処理を施すことにより、図151に示すように、周辺回路領域RAに位置する熱酸化膜6aを覆うレジストパターン72が形成される。そのレジストパターン72をマスクとして所定のエッチングを施すことにより、図152に示すように、メモリセル領域RBに露出している熱酸化膜6bが除去される。その後、レジストパターン72が除去される。
Next, by applying a photoresist (not shown) on the
次に、図153に示すように、所定の熱酸化処理(最終回)を施すことにより周辺回路領域RAに露出した半導体基板1の領域の表面にゲート酸化膜9aとなる熱酸化膜7aが形成されるとともに、メモリセル領域RBに露出した半導体基板1の領域の表面にゲート酸化膜9bとなる熱酸化膜7bが形成される。その後、前述した図8〜図23に示す工程と同様の工程を経て、図23および図24に示す半導体装置の主要部分が形成されることになる。
Next, as shown in FIG. 153, a
上述した変形例に係る半導体装置では、プラズマ窒化処理を施さずに、工程Aと工程Bとを所定の回数だけ繰り返すことによって、周辺回路領域RAでは、熱酸化膜と半導体基板1の領域との界面の位置が、メモリセル領域RBに形成される熱酸化膜と半導体基板1の領域との界面の位置に対して徐々に低くなる。これにより、周辺回路領域RAに形成される膜厚の厚いゲート酸化膜9aの上面の位置と、メモリセル領域に形成される膜厚の薄いゲート酸化膜9bの上面の位置がほぼ同じ位置(高さ)となる。
In the semiconductor device according to the above-described modification, the process A and the process B are repeated a predetermined number of times without performing the plasma nitridation process, whereby the thermal oxide film and the region of the
つまり、周辺回路領域RA(第1領域)に位置する半導体基板1の領域における熱酸化処理による熱酸化(第1領域熱酸化)を、メモリセル領域RB(第2領域)に位置する半導体基板1の領域における熱酸化処理による熱酸化(第2領域熱酸化)よりも深い領域にまで進めることにより、酸化膜9a(第1酸化膜)とその酸化膜9aの直下に位置する半導体基板1の領域の表面との界面10a(第1界面)は、酸化膜9aよりも薄い酸化膜9b(第2酸化膜)とその酸化膜9bの直下に位置する半導体基板1の領域の表面との界面10b(第2界面)よりも深い位置に形成される。これにより、酸化膜9aの上面の位置とその酸化膜9aよりも薄い酸化膜9bの上面の位置とが同じ位置に近づいて、プラズマ窒化処理を施すことなく周辺回路領域RAとメモリセル領域RBとの段差が大幅に軽減される。その結果、実施の形態1において説明したのと同様に、シリコン酸化膜の残渣の低減、デフォーカスの低減および分離耐圧の向上の効果を得ることができる。
That is, the thermal oxidation (first region thermal oxidation) by the thermal oxidation process in the region of the
なお、上述した各実施の形態では、半導体装置としてメモリセルトランジスタを備えたフラッシュメモリを例に挙げて説明したが、上述した製造方法はフラッシュメモリに限られず、ゲート酸化膜厚の異なるトランジスタを備えた半導体装置に広く適用することができる。 In each of the above-described embodiments, the flash memory including the memory cell transistor is described as an example of the semiconductor device. However, the manufacturing method described above is not limited to the flash memory, and includes transistors having different gate oxide film thicknesses. The present invention can be widely applied to various semiconductor devices.
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is an example, and the present invention is not limited to this. The present invention is defined by the terms of the claims, rather than the scope described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 半導体装置、2a,2b,2c,3a,3b,3c,4a,4b,4c,6a,6b,7a,7b 熱酸化膜、9a,9b,9c 酸化膜、10a,10b,10c 界面、11,11a,11b,11c ポリシリコン膜、12,12a,12b,12c シリコン窒化膜、13a,13b 開口部、14a,14b,14c トレンチ、15a,15b 熱酸化膜、16,16a,16b,16c シリコン酸化膜、17,17a,17b,17c ドープトポリシリコン膜、18,18a,18b,18c ONO膜、19,19a,19b,19c ポリサイド膜、20,20a,20b,20c シリコン窒化膜、21,24,25 ゲート電極部、22 フローティングゲート電極部、23 コントロールゲート電極部、50 窒素。
1 semiconductor device, 2a, 2b, 2c, 3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c, 6a, 6b, 7a, 7b thermal oxide film, 9a, 9b, 9c oxide film, 10a, 10b, 10c interface, 11, 11a, 11b, 11c polysilicon film, 12, 12a, 12b, 12c silicon nitride film, 13a, 13b opening, 14a, 14b, 14c trench, 15a, 15b thermal oxide film, 16, 16a, 16b, 16c
Claims (16)
複数の前記第1トレンチ分離領域のうち、一つの第1トレンチ分離領域と他の第1トレンチ分離領域によって挟まれた前記半導体基板の領域に形成された第1素子形成領域と、
前記第1領域とは異なる前記半導体基板の主表面の第2領域に形成された複数の第2トレンチ分離領域と、
複数の前記第2トレンチ分離領域のうち、一つの第2トレンチ分離領域と他の第2トレンチ分離領域によって挟まれた前記半導体基板の領域に形成された第2素子形成領域と、
前記第1素子形成領域に位置する前記半導体基板の領域の表面上に形成された第1酸化膜と、
前記第1酸化膜上に形成された第1電極部と、
前記第2素子形成領域に位置する前記半導体基板の領域の表面上に形成された第2酸化膜と、
前記第2酸化膜上に形成された第2電極部と、
を備え、
前記第1酸化膜は前記第2酸化膜よりも厚く、
前記第1酸化膜と前記第1酸化膜の直下に位置する前記半導体基板の領域の表面との第1界面は、前記第2酸化膜と前記第2酸化膜の直下に位置する前記半導体基板の領域の表面との第2界面よりも深い位置にあり、
前記第1トレンチ分離領域は、前記第2トレンチ分離領域よりも深い位置にまで形成された、半導体装置。 A plurality of first trench isolation regions formed in the first region of the main surface of the semiconductor substrate;
A first element formation region formed in a region of the semiconductor substrate sandwiched between one first trench isolation region and another first trench isolation region among the plurality of first trench isolation regions;
A plurality of second trench isolation regions formed in a second region of the main surface of the semiconductor substrate different from the first region;
A second element formation region formed in a region of the semiconductor substrate sandwiched between one second trench isolation region and another second trench isolation region among the plurality of second trench isolation regions;
A first oxide film formed on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the first element formation region;
A first electrode portion formed on the first oxide film;
A second oxide film formed on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the second element formation region;
A second electrode portion formed on the second oxide film;
With
The first oxide film is thicker than the second oxide film,
The first interface between the first oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the first oxide film is the surface of the semiconductor substrate located directly below the second oxide film and the second oxide film. At a position deeper than the second interface with the surface of the region,
The semiconductor device, wherein the first trench isolation region is formed deeper than the second trench isolation region.
非単結晶シリコンの第1導電膜と、
前記第1導電膜上に形成される非単結晶シリコンの第2導電膜と
を少なくとも含み、
前記第1導電膜と前記第2導電膜との界面は、前記第1トレンチ分離領域の上面よりも低い位置にあり、
前記第2電極部は、
非単結晶シリコンの第3導電膜と、
前記第3導電膜上に形成される非単結晶シリコンの第4導電膜と
を少なくとも含み、
前記第3導電膜と前記第4導電膜との界面は、前記第2トレンチ分離領域の上面よりも低い位置にある、請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。 The first electrode part is
A non-single crystalline silicon first conductive film;
And at least a second conductive film of non-single crystalline silicon formed on the first conductive film,
The interface between the first conductive film and the second conductive film is at a position lower than the upper surface of the first trench isolation region,
The second electrode part is
A third conductive film of non-single crystal silicon;
A non-single crystalline silicon fourth conductive film formed on the third conductive film,
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein an interface between the third conductive film and the fourth conductive film is at a position lower than an upper surface of the second trench isolation region.
前記第3導電膜と前記第4導電膜を含む下部電極部と、
前記下部電極部上に形成された誘電体膜と、
前記誘電体膜上に形成された上部電極部と
を含む、請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置。 The second electrode part is
A lower electrode portion including the third conductive film and the fourth conductive film;
A dielectric film formed on the lower electrode portion;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising an upper electrode portion formed on the dielectric film.
複数の前記第3トレンチ分離領域のうち、一つの第3トレンチ分離領域と他の第3トレンチ分離領域によって挟まれた前記半導体基板の領域に形成された第3素子形成領域と、
前記第3素子形成領域に位置する前記半導体基板の領域の表面上に形成された第3酸化膜と、
前記第3酸化膜上に形成された第3電極部と
を備え、
前記第3酸化膜は、前記第2酸化膜よりも厚く前記第1酸化膜よりも薄く、
前記第3酸化膜と前記第3酸化膜の直下に位置する前記半導体基板の領域の表面との第3界面は、前記第1界面よりも浅く前記第2界面よりも深い位置にあり、
前記第3トレンチ分離領域は、前記第1トレンチ分離領域よりも浅く前記第2トレンチ分離領域よりも深い位置にまで形成された、請求項1〜6のいずれかに記載の半導体装置。 A plurality of third trench isolation regions formed in a third region of the main surface of the semiconductor substrate different from the first region and the second region;
A third element formation region formed in a region of the semiconductor substrate sandwiched between one third trench isolation region and another third trench isolation region among the plurality of third trench isolation regions;
A third oxide film formed on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the third element formation region;
A third electrode portion formed on the third oxide film,
The third oxide film is thicker than the second oxide film and thinner than the first oxide film,
A third interface between the third oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the third oxide film is shallower than the first interface and deeper than the second interface;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the third trench isolation region is formed at a position shallower than the first trench isolation region and deeper than the second trench isolation region.
前記第1領域の所定の領域に位置する前記第1酸化膜の部分および前記第1酸化膜の部分の直下に位置する前記半導体基板の領域に第1トレンチ分離領域を形成して第1素子形成領域を形成するとともに、前記第2領域の所定の領域に位置する前記第2酸化膜の部分および前記第2酸化膜の部分の直下に位置する前記半導体基板の領域に第2トレンチ分離領域を形成して第2素子形成領域を形成するトレンチ分離領域形成工程と、
前記第1素子形成領域に位置する前記半導体基板の領域の表面上に前記第1酸化膜を介在させて第1電極部を形成する工程と、
前記第2素子形成領域に位置する前記半導体基板の領域の表面上に前記第2酸化膜を介在させて第2電極部を形成する工程と
を備え、
前記酸化膜形成工程では、少なくとも前記第2領域に対してプラズマ窒化処理を施して前記第2領域に位置する前記半導体基板の領域における前記所定の熱酸化処理による第2領域熱酸化を抑制して、前記第1領域に位置する前記半導体基板の領域における前記所定の熱酸化処理による第1領域熱酸化を前記第2領域熱酸化よりも深い領域にまで進めることにより、前記第1酸化膜と前記第1酸化膜の直下に位置する前記半導体基板の領域の表面との第1界面を、前記第1酸化膜よりも薄い前記第2酸化膜と前記第2酸化膜の直下に位置する前記半導体基板の領域の表面との第2界面よりも深い位置に形成し、
前記トレンチ分離領域形成工程では、前記第1界面と前記第2界面の位置関係に対応して前記第1トレンチ分離領域を前記第2トレンチ分離領域よりも深い位置にまで形成する、半導体装置の製造方法。 By performing a predetermined thermal oxidation treatment, a first oxide film is formed in a predetermined first region on the main surface of the semiconductor substrate, and is thinner than the first oxide film in a second region different from the first region. An oxide film forming step of forming a second oxide film;
Forming a first element by forming a first trench isolation region in a portion of the first oxide film located in a predetermined region of the first region and a region of the semiconductor substrate located immediately below the portion of the first oxide film Forming a region, and forming a second trench isolation region in a portion of the second oxide film located in a predetermined region of the second region and a region of the semiconductor substrate located immediately below the portion of the second oxide film A trench isolation region forming step of forming a second element formation region;
Forming a first electrode portion on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the first element formation region with the first oxide film interposed therebetween;
Forming a second electrode portion on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the second element formation region with the second oxide film interposed therebetween,
In the oxide film forming step, at least the second region is subjected to plasma nitridation treatment to suppress the second region thermal oxidation due to the predetermined thermal oxidation treatment in the semiconductor substrate region located in the second region. The first region thermal oxidation by the predetermined thermal oxidation treatment in the region of the semiconductor substrate located in the first region is advanced to a region deeper than the second region thermal oxidation, and thereby the first oxide film and the The semiconductor substrate located immediately below the second oxide film and the second oxide film, the first interface with the surface of the region of the semiconductor substrate located directly below the first oxide film being thinner than the first oxide film Formed at a position deeper than the second interface with the surface of the region,
In the trench isolation region forming step, the first trench isolation region is formed to a position deeper than the second trench isolation region corresponding to the positional relationship between the first interface and the second interface. Method.
前記所定の熱酸化処理の一つとして第1熱酸化処理を施すことにより、半導体基板の主表面に第1熱酸化膜を形成する工程と、
前記半導体基板の主表面における前記第1領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を残して、前記第2領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を除去することにより、前記第2領域に位置する前記半導体基板の領域の表面を露出する工程と、
前記第1領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を残した状態で、前記第2領域に露出した前記半導体基板の領域を含む前記半導体基板にプラズマ窒化処理を施す工程と、
前記第1領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を除去することにより、前記第1領域に位置する前記半導体基板の領域の表面を露出する工程と、
前記所定の熱酸化処理の他の一つとして第2熱酸化処理を施すことにより、前記第1領域に露出した前記半導体基板の領域の表面に第2熱酸化膜を前記第1酸化膜として形成するとともに、前記第2領域に露出した前記半導体基板の領域の表面に第3熱酸化膜を前記第2酸化膜として形成する工程と
を含む、請求項8〜10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 The oxide film forming step includes
Forming a first thermal oxide film on the main surface of the semiconductor substrate by performing a first thermal oxidation process as one of the predetermined thermal oxidation processes;
Removing the portion of the first thermal oxide film located in the second region, leaving the portion of the first thermal oxide film located in the first region on the main surface of the semiconductor substrate; Exposing the surface of the region of the semiconductor substrate located in the region;
Performing a plasma nitriding process on the semiconductor substrate including the region of the semiconductor substrate exposed in the second region, leaving the portion of the first thermal oxide film located in the first region;
Exposing a surface of a region of the semiconductor substrate located in the first region by removing a portion of the first thermal oxide film located in the first region;
By performing a second thermal oxidation process as another one of the predetermined thermal oxidation processes, a second thermal oxide film is formed as the first oxide film on the surface of the region of the semiconductor substrate exposed to the first region. And forming a third thermal oxide film as the second oxide film on the surface of the region of the semiconductor substrate exposed to the second region. 11. The semiconductor device according to claim 8, Manufacturing method.
前記所定の熱酸化処理の一つして第1熱酸化処理を施すことにより、半導体基板の主表面に第1熱酸化膜を形成する工程と、
前記半導体基板の主表面における前記第1領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を残して、前記第2領域に位置する前記熱酸化膜の部分を除去することにより、前記第2領域に位置する前記半導体基板の領域の表面を露出する工程と、
前記第1領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を残した状態で、前記第2領域に露出した前記半導体基板の領域を含む前記半導体基板にプラズマ窒化処理を施す工程と、
前記第1領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を除去して、前記第1領域に位置する前記半導体基板の領域の表面を露出する工程と、
前記所定の熱酸化処理の他の一つとして第2熱酸化処理を施すことにより、前記第1領域に露出した前記半導体基板の領域の表面に第2熱酸化膜を形成するとともに、前記第2領域に露出した前記半導体基板の領域の表面に第3熱酸化膜を形成する工程と、
前記第2領域に位置する前記第3熱酸化膜を残して前記第1領域に位置する前記第2熱酸化膜を除去することにより、前記第1領域に位置する前記半導体基板の領域の表面を露出する工程と、
前記第2領域に位置する前記第3熱酸化膜を残した状態で、前記所定の熱酸化処理のさらに他の一つとして第3熱酸化処理を施すことにより、前記第1領域に位置する前記半導体基板の領域の表面に第4熱酸化膜を前記第1酸化膜として形成するとともに、前記第2領域に位置する前記半導体基板の領域の表面に第5熱酸化膜を前記第2酸化膜として形成する工程と
を含む、請求項8〜10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 The oxide film forming step includes
Forming a first thermal oxide film on the main surface of the semiconductor substrate by performing a first thermal oxidation process as one of the predetermined thermal oxidation processes;
By removing the portion of the thermal oxide film located in the second region, leaving the portion of the first thermal oxide film located in the first region on the main surface of the semiconductor substrate, Exposing the surface of the region of the semiconductor substrate that is located;
Performing a plasma nitriding process on the semiconductor substrate including the region of the semiconductor substrate exposed in the second region, leaving the portion of the first thermal oxide film located in the first region;
Removing a portion of the first thermal oxide film located in the first region to expose a surface of the region of the semiconductor substrate located in the first region;
By performing a second thermal oxidation process as another one of the predetermined thermal oxidation processes, a second thermal oxide film is formed on the surface of the region of the semiconductor substrate exposed in the first region, and the second thermal oxidation process is performed. Forming a third thermal oxide film on the surface of the region of the semiconductor substrate exposed in the region;
The surface of the region of the semiconductor substrate located in the first region is removed by removing the second thermal oxide film located in the first region while leaving the third thermal oxide film located in the second region. An exposure process;
The third thermal oxidation process is performed as another one of the predetermined thermal oxidation processes in a state where the third thermal oxide film located in the second area is left, so that the first thermal oxidation film is located in the first area. A fourth thermal oxide film is formed as the first oxide film on the surface of the semiconductor substrate region, and a fifth thermal oxide film is formed on the surface of the semiconductor substrate region located in the second region as the second oxide film. The manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claims 8-10 including the process to form.
前記所定の熱酸化処理の一つとして第1熱酸化処理を施すことにより、半導体基板の主表面に第1熱酸化膜を形成する工程と、
前記第1領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分および前記第2領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分にプラズマ窒化処理を施す工程と、
前記第2領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を残して前記第1領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を除去することにより、前記第1領域に位置する前記半導体基板の領域の表面を露出する工程と、
前記第2領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を残した状態で、前記所定の熱酸化処理の他の一つとして第2熱酸化処理を施すことにより、前記第1領域に露出した前記半導体基板の領域の表面に第2熱酸化膜を形成するとともに、前記第2領域に第3熱酸化膜を形成する工程と、
前記第1領域に位置する前記第2熱酸化膜の部分を残して前記第2領域に位置する第3熱酸化膜を除去することにより、前記第2領域に位置する前記半導体基板の領域の表面を露出する工程と、
前記第1領域に位置する前記第2熱酸化膜の部分を残した状態で、前記所定の熱酸化処理のさらに他の一つとして第3熱酸化処理を施すことにより、前記第1領域に第4熱酸化膜を前記第1酸化膜として形成するとともに、前記第2領域に露出した前記半導体基板の領域の表面に第5熱酸化膜を前記第2酸化膜として形成する工程と
を含む、請求項8〜10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 The oxide film forming step includes
Forming a first thermal oxide film on the main surface of the semiconductor substrate by performing a first thermal oxidation process as one of the predetermined thermal oxidation processes;
Performing a plasma nitridation process on a portion of the first thermal oxide film located in the first region and a portion of the first thermal oxide film located in the second region;
By removing the portion of the first thermal oxide film located in the first region while leaving the portion of the first thermal oxide film located in the second region, the semiconductor substrate located in the first region is removed. Exposing the surface of the region;
The second thermal oxidation treatment is performed as another one of the predetermined thermal oxidation treatment with the portion of the first thermal oxidation film located in the second region left, and is exposed to the first region. Forming a second thermal oxide film on the surface of the region of the semiconductor substrate and forming a third thermal oxide film in the second region;
The surface of the region of the semiconductor substrate located in the second region by removing the third thermal oxide film located in the second region, leaving a portion of the second thermal oxide film located in the first region Exposing the step,
By applying a third thermal oxidation process as still another one of the predetermined thermal oxidation processes while leaving the portion of the second thermal oxide film located in the first area, Forming a fourth thermal oxide film as the first oxide film, and forming a fifth thermal oxide film as the second oxide film on the surface of the region of the semiconductor substrate exposed in the second region. Item 11. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Items 8 to 10.
前記半導体基板の主表面における前記第1領域および前記第2領域とはそれぞれ異なる第3領域に、前記第1膜厚よりも薄く前記第2膜厚よりも厚い第3膜厚を有する第3酸化膜を形成する工程と、
前記第3酸化膜と前記第3酸化膜の直下に位置する前記半導体基板の領域の表面との第3界面を、前記第1界面より浅く前記第2界面よりも深い位置に形成する工程と
を含み、
前記トレンチ分離領域形成工程は、前記第3領域の所定の領域に位置する前記第3酸化膜の部分および前記前記第3酸化膜の部分の直下に位置する前記半導体基板の領域に、前記第1トレンチ分離領域よりも浅く前記第2トレンチ分離領域よりも深い第3トレンチ分離領域を形成して第3素子形成領域を形成する工程を含み、
前記第3素子形成領域に位置する前記半導体基板の領域の表面上に前記第3酸化膜を介在させて第3電極部を形成する工程を備えた、請求項8〜13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 The oxide film forming step includes
Third oxidation having a third film thickness smaller than the first film thickness and larger than the second film thickness in a third area different from the first area and the second area on the main surface of the semiconductor substrate. Forming a film;
Forming a third interface between the third oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the third oxide film at a position shallower than the first interface and deeper than the second interface; Including
In the trench isolation region forming step, the first oxide film is formed in the third oxide film portion located in a predetermined region of the third region and in the semiconductor substrate region located immediately below the third oxide film portion. Forming a third element formation region by forming a third trench isolation region shallower than the trench isolation region and deeper than the second trench isolation region;
14. The method according to claim 8, further comprising a step of forming a third electrode portion with the third oxide film interposed on a surface of a region of the semiconductor substrate located in the third element formation region. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第1領域の所定の領域に位置する前記第1酸化膜の部分および前記第1酸化膜の部分の直下に位置する前記半導体基板の領域に第1トレンチ分離領域を形成して第1素子形成領域を形成するとともに、前記第2領域の所定の領域に位置する前記第2酸化膜の部分および前記第2酸化膜の部分の直下に位置する前記半導体基板の領域に第2トレンチ分離領域を形成して第2素子形成領域を形成するトレンチ分離領域形成工程と、
前記第1素子形成領域に位置する前記半導体基板の領域の表面上に前記第1酸化膜を介在させて第1電極部を形成する工程と、
前記第2素子形成領域に位置する前記半導体基板の領域の表面上に前記第2酸化膜を介在させて第2電極部を形成する工程と
を備え、
前記酸化膜形成工程では、前記第1領域に位置する前記半導体基板の領域における前記所定の熱酸化処理による第1領域熱酸化を、前記第2領域に位置する前記半導体基板の領域における前記所定の熱酸化処理による第2領域熱酸化よりも深い領域にまで進めることにより、前記第1酸化膜と前記第1酸化膜の直下に位置する前記半導体基板の領域の表面との第1界面を、前記第1酸化膜よりも薄い前記第2酸化膜と前記第2酸化膜の直下に位置する前記半導体基板の領域の表面との第2界面よりも深い位置に形成し、
前記トレンチ分離領域形成工程では、前記第1界面と前記第2界面の位置関係に対応して前記第1トレンチ分離領域を前記第2トレンチ分離領域よりも深い位置にまで形成する、半導体装置の製造方法。 Oxidation that forms a first oxide film in a predetermined first region on the main surface of the semiconductor substrate and forms a second oxide film in a second region different from the first region by performing a predetermined thermal oxidation treatment A film forming step;
Forming a first element by forming a first trench isolation region in a portion of the first oxide film located in a predetermined region of the first region and a region of the semiconductor substrate located immediately below the portion of the first oxide film Forming a region, and forming a second trench isolation region in a portion of the second oxide film located in a predetermined region of the second region and a region of the semiconductor substrate located immediately below the portion of the second oxide film A trench isolation region forming step of forming a second element formation region;
Forming a first electrode portion on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the first element formation region with the first oxide film interposed therebetween;
Forming a second electrode portion on the surface of the region of the semiconductor substrate located in the second element formation region with the second oxide film interposed therebetween,
In the oxide film forming step, the first region thermal oxidation by the predetermined thermal oxidation process in the region of the semiconductor substrate located in the first region is changed to the predetermined region in the region of the semiconductor substrate located in the second region. By proceeding to a region deeper than the second region thermal oxidation by thermal oxidation treatment, the first interface between the first oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the first oxide film is Forming at a position deeper than a second interface between the second oxide film thinner than the first oxide film and the surface of the region of the semiconductor substrate located immediately below the second oxide film;
In the trench isolation region forming step, the first trench isolation region is formed to a position deeper than the second trench isolation region corresponding to the positional relationship between the first interface and the second interface. Method.
第1熱酸化処理を施すことにより、半導体基板の主表面に第1熱酸化膜を形成する工程と、
前記第2領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を残して、前記第1領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を除去することにより、前記第1領域に位置する前記半導体基板の領域の表面を露出する工程と、
前記第2領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を残した状態で、前記第1領域に露出した前記半導体基板の領域を含む前記半導体基板に第2熱酸化処理を施すことにより、半導体基板の主表面に第2熱酸化膜を形成する工程と、
前記第2領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を残して、前記第1領域に位置する前記第2熱酸化膜の部分を除去することにより、前記第1領域に位置する前記半導体基板の領域の表面を露出する工程と、
前記第2領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を残した状態で、前記第1領域に露出した前記半導体基板の領域を含む前記半導体基板に第3熱酸化処理を施すことにより、半導体基板の主表面に第3熱酸化膜を形成する工程と、
前記第1領域に位置する前記第3熱酸化膜の部分を残して、前記第2領域に位置する前記第1熱酸化膜の部分を除去することにより、前記第2領域に位置する前記半導体基板の領域の表面を露出する工程と、
前記第1領域に位置する前記第3熱酸化膜の部分を残した状態で、前記第2領域に露出した前記半導体基板の領域を含む前記半導体基板に第4熱酸化処理を施すことにより、前記第1領域の第3熱酸化膜を前記第1酸化膜として形成するとともに、前記第2領域に露出した前記半導体基板の領域の表面に第4熱酸化膜を前記第2酸化膜として形成する工程と
を含む、請求項15記載の半導体装置の製造方法。 The oxide film forming step includes
Forming a first thermal oxide film on the main surface of the semiconductor substrate by performing a first thermal oxidation treatment;
The semiconductor substrate located in the first region by removing the portion of the first thermal oxide film located in the first region while leaving the portion of the first thermal oxide film located in the second region Exposing the surface of the region of
By subjecting the semiconductor substrate including the region of the semiconductor substrate exposed to the first region to a second thermal oxidation process while leaving a portion of the first thermal oxide film located in the second region, a semiconductor Forming a second thermal oxide film on the main surface of the substrate;
The semiconductor substrate located in the first region by removing the portion of the second thermal oxide film located in the first region while leaving the portion of the first thermal oxide film located in the second region Exposing the surface of the region of
By performing a third thermal oxidation process on the semiconductor substrate including the region of the semiconductor substrate exposed in the first region while leaving a portion of the first thermal oxide film located in the second region, a semiconductor is obtained. Forming a third thermal oxide film on the main surface of the substrate;
The semiconductor substrate located in the second region by removing the portion of the first thermal oxide film located in the second region while leaving the portion of the third thermal oxide film located in the first region Exposing the surface of the region of
By applying a fourth thermal oxidation process to the semiconductor substrate including the region of the semiconductor substrate exposed in the second region while leaving a portion of the third thermal oxide film located in the first region, Forming a third thermal oxide film in the first region as the first oxide film and forming a fourth thermal oxide film as the second oxide film on the surface of the region of the semiconductor substrate exposed in the second region; A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 15, comprising:
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