JP2008166415A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】特性バラツキを低減し、動作信頼性を向上出来る半導体装置及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 メモリセルMTと、第2素子分離領域によって互いに電気的に分離された第2半導体領域上に形成された抵抗素子と、前記第2素子分離領域直下に形成された第3半導体領域47とを具備し、抵抗素子は、前記第2半導体領域10上に第3絶縁膜60を介在して形成された導電体層12と、前記導電体層12の両端に電気的に接続された第1電極14、15及び第2電極14、15と、前記第1、第2電極14、15を電気的に分離する電極分離領域44とを備え、前記電極分離領域44に隣接する前記第2素子分離領域は表面に凹部38を有し、前記第3半導体領域47は、前記第1導電型と逆導電型の第2導電型を有し、前記第2素子分離領域の前記凹部38直下に設けられている。
【選択図】図7A semiconductor device capable of reducing characteristic variation and improving operation reliability and a method of manufacturing the same are provided.
A memory cell, a resistance element formed on a second semiconductor region electrically isolated from each other by a second element isolation region, and a third semiconductor region formed immediately below the second element isolation region. 47, and the resistance element is electrically connected to the conductor layer 12 formed on the second semiconductor region 10 with the third insulating film 60 interposed therebetween, and to both ends of the conductor layer 12. The first electrode 14, 15 and the second electrode 14, 15, and an electrode separation region 44 that electrically separates the first and second electrodes 14, 15, and the second electrode adjacent to the electrode separation region 44. The element isolation region has a recess 38 on the surface, the third semiconductor region 47 has a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and is located immediately below the recess 38 in the second element isolation region. Is provided.
[Selection] Figure 7
Description
この発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。例えば、NAND型フラッシュメモリを備えた半導体装置の構成に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof. For example, the present invention relates to a configuration of a semiconductor device including a NAND flash memory.
従来、不揮発性半導体メモリとしてEEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)が知られている。EEPROMのメモリセルは通常、半導体基板に電荷蓄積層と制御ゲートとが積層された積層ゲートを備えたMISFET構造を有する。このメモリセルは、電荷蓄積層に電荷を注入した状態と、その電荷を放出した状態とのしきい値の差により、データを不揮発に記憶する。 Conventionally, EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory) is known as a nonvolatile semiconductor memory. An EEPROM memory cell usually has a MISFET structure including a stacked gate in which a charge storage layer and a control gate are stacked on a semiconductor substrate. This memory cell stores data in a nonvolatile manner due to a difference in threshold between the state in which charges are injected into the charge storage layer and the state in which charges are released.
NAND型EEPROMにおいては、電荷蓄積層への電子の注入(データ書き込み)、及び電荷蓄積層からの電子の放出(データ消去)は、電荷蓄積層と半導体基板との間に設けられたトンネル絶縁膜を介したトンネル電流によって行われる。NOR型EEPROMにおいても、データ消去時における短チャネル効果の影響を受けにくくするために、電荷蓄積層からの電子の放出はトンネル電流によって行われる。 In the NAND-type EEPROM, a tunnel insulating film provided between the charge storage layer and the semiconductor substrate is used to inject electrons into the charge storage layer (data writing) and to release electrons from the charge storage layer (data erasure). This is done by a tunneling current through Even in the NOR type EEPROM, in order to make it less susceptible to the short channel effect at the time of data erasing, electrons are emitted from the charge storage layer by a tunnel current.
上記データの消去は、単位時間あたりに消去されるメモリセル数を増やすために、複数のメモリセルについて同時行われる。この際、メモリセルが形成されているウェル領域に10V以上、例えば20Vの正電圧が印加される。他方、データの書き込み時には、ウェル領域を0Vに保ち、ソース及びドレインに10V以上の正電圧が印加される。これにより、ウェル領域の充放電に要する電力を削減し、動作速度を向上出来る。 The data is erased simultaneously for a plurality of memory cells in order to increase the number of memory cells erased per unit time. At this time, a positive voltage of 10 V or more, for example, 20 V, is applied to the well region where the memory cell is formed. On the other hand, when writing data, the well region is kept at 0V, and a positive voltage of 10V or more is applied to the source and drain. Thereby, the power required for charging / discharging the well region can be reduced, and the operation speed can be improved.
また例えばNAND型EEPROMでは、選択メモリセルに直列接続された非選択メモリセルの閾値のバラツキを十分に小さくすることで、読み出し電流のバラツキを低減する必要がある。そこで、データの書き込み時において印加すべき上記正電圧は、例えば0.5V以下のバラツキ範囲で制御する必要がある。 Further, for example, in the NAND type EEPROM, it is necessary to reduce the variation in the read current by sufficiently reducing the variation in the threshold value of the non-selected memory cells connected in series to the selected memory cell. Therefore, it is necessary to control the positive voltage to be applied at the time of data writing in a variation range of 0.5 V or less, for example.
更に従来のEEPROMでは、外部から与えられた信号によって、上記EEPROMの消去、書き込み、及び読み出しの動作を切り替えている。従って、外部入力によってウェル電圧を変化させ、または読み出しデータを外部へ出力させるための論理周辺回路が必要となる。これらは、現在では消費電力削減のためにCMOS回路を用いて形成されている。そして外部入出力用の電圧としては、上記消去動作や書き込み動作時に使用される電圧よりはるかに低い5V以下、例えば3.3Vや1.8Vの電圧が使用される。 Further, in the conventional EEPROM, the erase, write, and read operations of the EEPROM are switched by a signal given from the outside. Therefore, a logic peripheral circuit for changing the well voltage by external input or outputting read data to the outside is required. These are currently formed using CMOS circuits to reduce power consumption. As the voltage for external input / output, a voltage of 5 V or less, for example, 3.3 V or 1.8 V, which is much lower than the voltage used during the erase operation or the write operation is used.
上記論理周辺回路では、消去や書き込み時に使用される正電圧をフィードバック制御するために、この正電圧を抵抗分割によって低電圧に変換する手法が採られる。この場合、抵抗分割に使用する抵抗素子は、抵抗素子における消費電力を低減できる点で、抵抗値が高いほど好ましい。更に論理周辺回路では、消去や書き込み時に使用される正電圧を発生するために、チャージポンプ回路が使用される。チャージポンプ回路では、電荷を蓄積する容量素子が必要となる。従ってチャージポンプ回路の小型化には、占有面積が小さく且つ容量の大きい容量素子を用いることが重要となる(例えば特許文献1参照)。 In the logic peripheral circuit, in order to feedback control the positive voltage used at the time of erasing or writing, a technique of converting the positive voltage into a low voltage by resistance division is adopted. In this case, it is preferable that the resistance element used for resistance division has a higher resistance value in that power consumption in the resistance element can be reduced. Further, in the logic peripheral circuit, a charge pump circuit is used to generate a positive voltage used at the time of erasing and writing. In the charge pump circuit, a capacitive element that accumulates charges is required. Therefore, it is important to use a capacitor element having a small occupation area and a large capacitance for downsizing the charge pump circuit (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら従来の抵抗素子及び容量素子であると、その特性のバラツキが大きく、EEPROMの動作マージンが小さくなるという問題があった。
この発明は、特性バラツキを低減し、動作信頼性を向上出来る半導体装置及びその製造方法を提供する。 The present invention provides a semiconductor device capable of reducing characteristic variation and improving operation reliability, and a method for manufacturing the same.
この発明の一態様に係る半導体装置は、半導体基板中に形成された第1素子分離領域と、前記第1素子分離領域によって互いに電気的に分離された第1半導体領域と、前記第1半導体領域上に形成され、データ保持可能なメモリセルと、前記半導体基板中に形成された第2素子分離領域と、前記第2素子分離領域によって互いに電気的に分離されたストライプ形状の第2半導体領域と、前記第2半導体領域上に形成された前記ストライプ形状の抵抗素子と、前記抵抗素子の一端及び他端にそれぞれ接続された第1、第2金属配線層と、前記第2素子分離領域直下の前記半導体基板内に形成された第3半導体領域とを具備し、前記メモリセルは、前記第1半導体領域上に第1絶縁膜を介在して形成された第1導電型の浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極上に第2絶縁膜を介在して形成された制御ゲート電極とを備え、前記抵抗素子は、前記第2半導体領域上に第3絶縁膜を介在して形成された導電体層と、前記導電体層の前記ストライプ形状における長手方向の両端にそれぞれ電気的に接続され、且つ前記第1、第2金属配線層にそれぞれ接続された第1電極及び第2電極と、前記第1、第2電極を電気的に分離する電極分離領域とを備え、前記導電体層は、前記前記第2素子分離領域に対して自己整合的に形成され、前記浮遊ゲート電極と前記導電体層とは同一の材料を用いて形成され、前記制御ゲート電極と前記第1、第2電極とは同一の材料を用いて形成され、前記電極分離領域に隣接する前記第2素子分離領域は、表面に凹部を有し、前記第3半導体領域は、前記第1導電型と逆導電型の第2導電型を有し、前記第2素子分離領域の前記凹部直下に設けられている。 A semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a first element isolation region formed in a semiconductor substrate, a first semiconductor region electrically isolated from each other by the first element isolation region, and the first semiconductor region. A memory cell capable of holding data; a second element isolation region formed in the semiconductor substrate; and a stripe-shaped second semiconductor region electrically isolated from each other by the second element isolation region; , The stripe-shaped resistance element formed on the second semiconductor region, first and second metal wiring layers respectively connected to one end and the other end of the resistance element, and immediately below the second element isolation region A third semiconductor region formed in the semiconductor substrate, the memory cell having a first conductivity type floating gate electrode formed on the first semiconductor region with a first insulating film interposed therebetween; Floating A control gate electrode formed on the gate electrode with a second insulating film interposed therebetween, and the resistance element includes a conductor layer formed on the second semiconductor region with a third insulating film interposed therebetween, A first electrode and a second electrode electrically connected to both ends of the stripe shape of the conductor layer in the longitudinal direction and respectively connected to the first and second metal wiring layers; An electrode isolation region for electrically separating two electrodes, and the conductor layer is formed in a self-aligned manner with respect to the second element isolation region, and the floating gate electrode and the conductor layer are the same The control gate electrode and the first and second electrodes are formed using the same material, and the second element isolation region adjacent to the electrode isolation region has a recess on the surface. And the third semiconductor region has the first conductive region. A second conductivity type type conductivity type opposite, are provided immediately below the recess of the second isolation region.
また、この発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に、抵抗素子として機能する第1導電型の半導体層を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜及び前記半導体層を貫通するようにして、第1方向に沿ったストライプ形状の第1の溝を、前記半導体基板内に、前記第1方向に直交する第2方向に沿って複数形成する工程と、前記第1の溝内に絶縁膜を埋め込むことにより、素子分離領域を形成する工程と、前記半導体層上にゲート間絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート間絶縁膜の一部を除去して第1開口部及び第2開口部を形成し、該第1、第2開口部内に前記半導体層を露出させる工程と、前記第1開口部及び前記第2開口部を被覆するようにして、前記半導体層上、前記ゲート間絶縁膜上、及び前記素子分離領域上に、前記抵抗素子の電極層を形成する工程と、前記電極層を、前記第2方向で隣接する前記素子分離領域に挟まれた前記半導体層及び前記ゲート間絶縁膜を被覆するように、前記第1方向に沿ったストライプ形状にパターニングして、前記素子分離領域の上面を露出させる工程と、前記電極層の一部を除去して前記ゲート間絶縁膜を露出させることで前記電極層を前記第1方向に沿った2つの領域に分割することにより、互いに電気的に分離され、且つそれぞれ第1、第2開口部を介して前記半導体層に接する第1電極及び第2電極を形成する工程と、前記電極層の一部を除去する工程において、該電極層の除去される領域に前記第2方向で隣接する領域の前記素子分離領域の前記絶縁膜の表面を除去して、該絶縁膜内に第2の溝を形成する工程と、前記第1、第2電極上、及び前記電極層が除去された領域における前記半導体層上に、前記第1方向に沿ったストライプ形状の第1マスク材を形成する工程と、前記第1マスク材をマスクに用いた第2導電型の第1不純物のイオン注入を行うことにより、前記第2の溝直下の領域における前記半導体基板中に前記第1不純物を注入して、不純物注入層を形成する工程と、前記第1マスク材を除去した後、前記素子分離領域の上面を被覆し、且つ前記第1方向に沿ったストライプ形状の第2マスク材を形成する工程と、前記第2マスク材をマスクに用いた第1導電型の第2不純物のイオン注入を行うことにより、前記第2の溝直下の領域に対する前記第2不純物の注入を防止しつつ、前記第2不純物を前記半導体層中及び前記第1、第2電極中に注入する工程と、前記第1、第2電極上にコンタクトプラグを形成する工程とを具備する。 According to another aspect of the invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a gate insulating film over a semiconductor substrate; and forming a first conductivity type semiconductor layer functioning as a resistance element over the gate insulating film. And a second direction perpendicular to the first direction in the semiconductor substrate, the stripe-shaped first groove extending in the first direction so as to penetrate the gate insulating film and the semiconductor layer. A step of forming an isolation region by embedding an insulating film in the first trench, a step of forming an inter-gate insulating film on the semiconductor layer, and a step between the gates Removing a part of the insulating film to form a first opening and a second opening and exposing the semiconductor layer in the first and second openings; and the first opening and the second opening On the semiconductor layer so as to cover the part Forming a resistance element electrode layer on the inter-gate insulating film and the element isolation region; and the semiconductor layer sandwiched between the element isolation regions adjacent to each other in the second direction. And patterning the stripe shape along the first direction so as to cover the inter-gate insulating film, exposing the upper surface of the element isolation region, and removing the electrode layer to remove the gate. The semiconductor layer is electrically separated from each other by dividing the electrode layer into two regions along the first direction by exposing an inter-layer insulating film, and through the first and second openings, respectively. In the step of forming the first electrode and the second electrode in contact with each other and the step of removing a part of the electrode layer, the element isolation region of the region adjacent to the region where the electrode layer is removed in the second direction Of the insulating film Removing the surface to form a second groove in the insulating film; and the first direction on the first and second electrodes and on the semiconductor layer in the region where the electrode layer has been removed. Forming a stripe-shaped first mask material along the first and second ion implantations of the second conductivity type first impurity using the first mask material as a mask, thereby forming a region immediately below the second groove Implanting the first impurity into the semiconductor substrate to form an impurity implanted layer, and removing the first mask material, covering the upper surface of the element isolation region, and in the first direction Forming a second mask material having a stripe shape along the second mask material, and performing ion implantation of a second impurity of the first conductivity type using the second mask material as a mask, to the region immediately below the second groove While preventing the implantation of the second impurity, The method includes a step of injecting the second impurity into the semiconductor layer and the first and second electrodes, and a step of forming contact plugs on the first and second electrodes.
本発明によれば、特性バラツキを低減し、動作信頼性を向上出来る半導体装置及びその製造方法を提供出来る。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which can reduce characteristic variation and can improve operation | movement reliability, and its manufacturing method can be provided.
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description, common parts are denoted by common reference symbols throughout the drawings. It should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones.
[第1の実施形態]
この発明の第1の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係るNAND型フラッシュメモリの構成の一部を示すブロック図である。
[First Embodiment]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing a part of the configuration of the NAND flash memory according to the present embodiment.
図示するようにNAND型フラッシュメモリ1は、メモリセルアレイ2及び周辺回路3を備えている。まず、メモリセルアレイ2の構成について説明する。
As illustrated, the
図示するようにメモリセルアレイ2は、複数のNANDセルを有している。図1では1行のNANDセルのみを示している。NANDセルの各々は、32個のメモリセルトランジスタMT0〜MT31と、選択トランジスタST1、ST2とを含んでいる。以下では、説明の簡潔化のために、メモリセルトランジスタMT0〜MT31を単にメモリセルトランジスタMTと呼ぶことがある。メモリセルトランジスタMTは、半導体基板上にゲート絶縁膜を介在して形成された電荷蓄積層(例えば浮遊ゲート)と、浮遊ゲート上にゲート間絶縁膜を介在して形成された制御ゲート電極とを有する積層ゲート構造を備えている。なお、メモリセルトランジスタMTの個数は32個に限られず、8個や16個、64個、128個、256個等であってもよく、その数は限定されるものではない。メモリセルトランジスタMTは、隣接するもの同士でソース、ドレインを共有している。そして、選択トランジスタST1、ST2間に、その電流経路が直列接続されるようにして配置されている。直列接続されたメモリセルトランジスタMTの一端側のドレイン領域は選択トランジスタST1のソース領域に接続され、他端側のソース領域は選択トランジスタST2のドレイン領域に接続されている。
As shown, the
同一行にあるメモリセルトランジスタMTの制御ゲート電極はワード線WL0〜WL31のいずれかに共通接続され、同一行にあるメモリセルの選択トランジスタST1、ST2のゲートは、それぞれセレクトゲート線SGD、SGSに共通接続されている。また、メモリセルアレイにおいて同一列にある選択トランジスタST1のドレインはビット線BL0〜BLn(nは自然数)のいずれかに共通接続される。なお説明の簡単化のため、以下ではワード線WL0〜WL31及びビット線BL0〜BLnを、それぞれ単にワード線WL及びビット線BLと呼ぶことがある。選択トランジスタST2のソースはソース線SLに共通接続される。なお、選択トランジスタST1、ST2は必ずしも両方必要ではなく、NANDセルを選択出来るのであればいずれか一方のみが設けられていても良い。 The control gate electrodes of the memory cell transistors MT in the same row are commonly connected to one of the word lines WL0 to WL31, and the gates of the select transistors ST1 and ST2 of the memory cells in the same row are connected to the select gate lines SGD and SGS, respectively. Commonly connected. Further, the drains of the select transistors ST1 in the same column in the memory cell array are commonly connected to any one of bit lines BL0 to BLn (n is a natural number). For simplification of description, the word lines WL0 to WL31 and the bit lines BL0 to BLn are sometimes simply referred to as the word line WL and the bit line BL, respectively. The sources of the selection transistors ST2 are commonly connected to the source line SL. Note that both the selection transistors ST1 and ST2 are not necessarily required, and only one of them may be provided as long as a NAND cell can be selected.
図1では、1行のNANDセルのみ図示しているが、メモリセルアレイ2内には複数行のNANDセルが配置され、同一列にあるNANDセルは同一のビット線BLに接続される。また、同一のワード線WLに接続されたメモリセルトランジスタMTには一括してデータが書き込まれ、この単位は1ページと呼ばれる。更に複数のNANDセルは一括してデータが消去され、この単位はブロックと呼ばれる。
In FIG. 1, only one row of NAND cells is shown, but a plurality of rows of NAND cells are arranged in the
次に上記構成のメモリセルアレイ2の平面構成について図2を用いて説明する。図2は、メモリセルアレイ2の平面図である。図示するように、半導体基板10中には第1方向に沿ったストライプ形状の素子領域AAが、第1方向に直交する第2方向に沿って複数設けられている。隣接する素子領域AA間には素子分離領域STIが形成され、この素子分離領域STIによって素子領域AAは電気的に分離されている。半導体基板10上には、複数の素子領域AAを跨ぐようにして、第2方向に沿ったストライプ形状のワード線WL及びセレクトゲート線SGD、SGSが形成されている。ワード線WLと素子領域AAとが交差する領域には、浮遊ゲートFGが設けられている。そして、ワード線WLと素子領域AAとが交差する領域にはメモリセルトランジスタMTが設けられ、セレクトゲート線SGD、SGSと素子領域AAとが交差する領域には、それぞれ選択トランジスタST1、ST2が設けられている。第1方向で隣接するワード線WL間、セレクトゲート線間、及びワード線とセレクトゲート線との間の素子領域AA中には、メモリセルトランジスタMT及び選択トランジスタST1、ST2のソース領域またはドレイン領域となる不純物拡散層が形成されている。
Next, the planar configuration of the
第1方向で隣接するセレクトゲート線SGD間の素子領域AAに形成される不純物拡散層は、選択トランジスタST1のドレイン領域として機能する。そしてこのドレイン領域上にはコンタクトプラグCP1が形成される。コンタクトプラグCP1は、第1方向に沿って設けられたストライプ形状のビット線BL(図示せず)に接続される。また、第1方向で隣接するセレクトゲート線SGS間の素子領域AAに形成される不純物拡散層は、選択トランジスタST2のソース領域として機能する。そしてこのソース領域上にはコンタクトプラグCP2が形成される。コンタクトプラグCP2は、図示せぬソース線に接続される。 The impurity diffusion layer formed in the element region AA between the select gate lines SGD adjacent in the first direction functions as the drain region of the select transistor ST1. A contact plug CP1 is formed on the drain region. The contact plug CP1 is connected to a stripe-shaped bit line BL (not shown) provided along the first direction. Further, the impurity diffusion layer formed in the element region AA between the select gate lines SGS adjacent in the first direction functions as a source region of the select transistor ST2. A contact plug CP2 is formed on the source region. Contact plug CP2 is connected to a source line (not shown).
次に上記構成のNANDセルの断面構成について図3を用いて説明する。図3は、NANDセルのビット線方向(第1方向)に沿った断面図であり、図2におけるY1−Y1’線に沿った断面図である。また図4は、NANDセルのワード線方向(第2方向)に沿った断面図であり、図2におけるX1−X1’線に沿った断面図である。 Next, a cross-sectional configuration of the NAND cell having the above configuration will be described with reference to FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the bit line direction (first direction) of the NAND cell, and is a cross-sectional view taken along the line Y1-Y1 'in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the word line direction (second direction) of the NAND cell, and is a cross-sectional view taken along line X1-X1 ′ in FIG.
まずは、図3を参照しつつビット線方向の断面構成について説明する。図示するように、p型半導体基板10上にはゲート絶縁膜11が形成され、ゲート絶縁膜11上に、メモリセルトランジスタMT及び選択トランジスタST1、ST2のゲート電極が形成されている。メモリセルトランジスタMT及び選択トランジスタST1、ST2のゲート電極は、ゲート絶縁膜11上に形成された多結晶シリコン層12、多結晶シリコン層12上に形成されたゲート間絶縁膜13、ゲート間絶縁膜13上に形成された多結晶シリコン層14及び金属層15、並びに金属層15上に形成された絶縁膜16を有している。ゲート間絶縁膜13は、例えばシリコン酸化膜、またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層構造であるON膜、NO膜、またはONO膜、またはそれらを含む積層構造、またはTiO2、HfO2、Al2O3、HfAlOx、HfAlSi膜とシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜との積層構造で形成される。またゲート絶縁膜11はトンネル絶縁膜として機能するものである。
First, a cross-sectional configuration in the bit line direction will be described with reference to FIG. As shown in the figure, a
メモリセルトランジスタMTにおいては、多結晶シリコン層12は浮遊ゲート(FG)として機能する。他方、多結晶シリコン層14及び金属層15は、ビット線に直交する方向で隣接するもの同士で共通接続されており、制御ゲート電極(ワード線WL)として機能する。選択トランジスタST1、ST2においては、多結晶シリコン層12、14及び金属層16はワード線方向で隣接するもの同士で共通接続されている。そして、多結晶シリコン層12、14及び金属層15が、セレクトゲート線SGS、SGDとして機能する。なお、多結晶シリコン層12のみがセレクトゲート線として機能しても良い。この場合、選択トランジスタST1、ST2の多結晶シリコン層14及び金属層15の電位は、一定の電位、またはフローティングの状態とされる。ゲート電極間に位置する半導体基板10表面内には、n+型不純物拡散層17が形成されている。不純物拡散層17は隣接するトランジスタ同士で共用されており、ソース(S)またはドレイン(D)として機能する。また、隣接するソースとドレインとの間の領域は、電子の移動領域となるチャネル領域として機能する。これらのゲート電極、不純物拡散層17、及びチャネル領域によって、メモリセルトランジスタMT及び選択トランジスタST1、ST2となるMOSトランジスタが形成されている。
In the memory cell transistor MT, the
上記ゲート電極の側壁には、側壁絶縁膜18が形成されている。側壁絶縁膜18は、隣接するメモリセルトランジスタMTのゲート電極間、及び隣接するメモリセルトランジスタMTと選択トランジスタST1、ST2のゲート電極間を埋め込んでいる。そして半導体基板10上には、上記メモリセルトランジスタMT及び選択トランジスタST1、ST2を被覆するようにして、層間絶縁膜19が形成されている。層間絶縁膜19中には、ソース側の選択トランジスタST2の不純物拡散層(ソース)17に達するコンタクトプラグCP2が形成されている。そして層間絶縁膜19上には、コンタクトプラグCP2に接続される金属配線層20が形成されている。金属配線層20はソース線SLとして機能する。また層間絶縁膜19中には、ドレイン側の選択トランジスタST1の不純物拡散層(ドレイン)17に達するコンタクトプラグCP3が形成されている。そして層間絶縁膜19上に、コンタクトプラグCP3に接続される金属配線層21が形成されている。
A
層間絶縁膜19上には、金属配線層20、21を被覆するようにして、層間絶縁膜22が形成されている。そして層間絶縁膜22中に、金属配線層21に達するコンタクトプラグCP4が形成されている。そして、層間絶縁膜22上には、複数のコンタクトプラグCP4に共通に接続された金属配線層23が形成されている。金属配線層13はビット線BLとして機能するものであり、コンタクトプラグCP3、CP4は、図2におけるコンタクトプラグCP1に相当する。
An interlayer insulating
次に、図4を参照しつつワード線方向の断面構成について説明する。図示するように、p型半導体基板10中には第1方向に沿ったストライプ形状の溝30が、第2方向に沿って複数形成されている。溝30の側壁には、例えばシリコン酸化膜を用いて絶縁膜31が形成され、更に絶縁膜31上に例えばシリコン酸化膜を用いて絶縁膜32が形成され、溝30内は絶縁膜32によって埋め込まれている。これらの絶縁膜31、32によって、素子分離領域STIが形成されている。また、隣接する素子分離領域STI間の領域が、素子領域AAとなる。そして、素子領域AA上に、前述したゲート絶縁膜11及び多結晶シリコン層12が形成されている。なお絶縁膜32は、多結晶シリコン層12の側壁部分にも形成され、多結晶シリコン層12と絶縁膜32との間には、更に絶縁膜33が形成されている。更に、メモリセルアレイ2と周辺回路3との境界部分(図示せず)では、絶縁膜32は多結晶シリコン層12よりも高い位置まで形成されている。そして、上記多結晶シリコン層12及び絶縁膜32上に、前述のゲート間絶縁膜13、多結晶シリコン層12、金属層15、及び絶縁膜16が形成されている。またビット線として機能する金属配線層23は、素子領域AAの直上に位置するように、層間絶縁膜22上に形成されている。
Next, a cross-sectional configuration in the word line direction will be described with reference to FIG. As illustrated, a plurality of stripe-shaped
次に、周辺回路3について説明する。周辺回路は、外部から与えられる命令に従って、メモリセルアレイ2との間でのデータの授受を行い、また電圧を与える。周辺回路は、例えばメモリセルアレイに対してデータを書き込む際に電圧を発生する電圧発生回路を備えている。この電圧発生回路は、背景技術で説明したように、電圧を降圧するための抵抗素子や、逆に昇圧するためのチャージポンプ回路を備えている。以下では、上記抵抗素子の構成について説明する。勿論、以下で説明する抵抗素子の用途は降圧にのみ限定されるものでは無い。本抵抗素子は、上記説明したNAND型フラッシュメモリのメモリセルアレイと同一の半導体基板10上に形成される。図5は、本実施形態に係る抵抗素子の平面図である。また図6乃至図8は本実施形態に係る抵抗素子の断面図であり、それぞれ図5におけるX2−X2’線、X3−X3’線、及びY2−Y2’線に沿った断面図である。なお図5の平面図は、後述する絶縁膜18、16表面のレベルにおける平面構造を示している。
Next, the
図5においては、2つの抵抗素子が直列接続されている様子を示している。そして、2つの抵抗素子の一端はそれぞれ金属配線層39に接続され、他端は共通の金属配線層38に接続されている。すなわち、2つの抵抗素子は2つの金属配線層39間に直列接続されている。そして、2本の金属配線層39間の電位差が2つの抵抗素子によって半分に分圧され、分圧された電圧を金属配線層38から取り出すことが出来る。なお、図5では2つの抵抗素子によって金属配線層39間の電圧を1/2にする構成を示しているが、勿論、抵抗素子の数や、各々の抵抗素子の抵抗値を変えることで、分圧比を変えることが出来る。
FIG. 5 shows a state in which two resistance elements are connected in series. One end of each of the two resistance elements is connected to the
図示するように、半導体基板10中には、第1方向に沿ったストライプ形状の素子領域AAが、第2方向に沿って例えば4本形成されている。そして、素子領域AA上に、上記抵抗素子が形成されている。なお図5においては、4本の素子領域AAのうち、中央の2本の素子領域AA上に形成された抵抗素子のみが実際の抵抗素子として機能し、外側の2本はダミーの抵抗素子となる。以下、説明の簡単化の為、ダミーとなる素子を「ダミー素子」と呼び、実際の抵抗素子として機能する素子を「抵抗素子」と呼ぶことにする。すなわち、第1方向に沿ったストライプ形状の2本の抵抗素子が2本のダミー素子によって第2方向で挟まれている。勿論、ダミー素子によって挟まれる抵抗素子は2つ以上であっても良い。なお、ダミー素子と抵抗素子とはほぼ同一の構成を有しているため、以下では抵抗素子の構成について説明するが、特に断らない限り、両者の構成は同一である。
As shown in the figure, in the
素子領域AA間の領域には、素子分離領域STIが形成されている。素子分離領域STIの構成は、メモリセルアレイ2内の素子分離領域STIと同一の構成である。すなわち、半導体基板10中に形成された溝30の表面に形成された絶縁膜31と、絶縁膜31上に形成された絶縁膜32によって、素子分離領域STIが形成されている。
An element isolation region STI is formed in a region between the element regions AA. The configuration of the element isolation region STI is the same as that of the element isolation region STI in the
素子領域AA上には、ゲート絶縁膜60を介在して多結晶シリコン層12が形成されている。また多結晶シリコン層12上には、ゲート間絶縁膜13を介在して多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16が順次形成されている。各素子領域AA内において、上記ゲート間絶縁膜13、多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16は、第1方向に沿って3つの領域に分割されている(図5参照)。以下、3つの領域をそれぞれ領域A1、A2、A3と呼ぶことにする。また図5においては、素子領域AAと多結晶シリコン層12との平面パターンは同一であるので、両者を参照符号12(AA)と示している。なお、領域A1、A3は抵抗素子における第1方向に沿った両端部分の領域であり、領域A2は第1方向に沿って領域A1、A3に挟まれた中央部分の領域である。
A
素子分離領域STI内の絶縁膜32は、多結晶シリコン層12の表面よりも高い位置まで形成されている。また、多結晶シリコン層12と例えばシリコン酸化膜を用いて形成された絶縁膜32との間には、例えばシリコン酸化膜により絶縁膜33が形成されている。絶縁膜33は、絶縁膜32を堆積する際のシリコン基板10への欠陥導入を低減させるために堆積されている。従って、シリコン基板10への欠陥導入が少ない場合には、絶縁膜33は形成されていてもいなくても良い。更に、領域A2では、多結晶シリコン層12において絶縁膜33と接する領域内に、不純物注入領域35が形成されている。この不純物注入領域35は、その他の多結晶シリコン層12に比べて抵抗率が高くされ、導電性が低くされている。更に、領域A1とA2との間の領域、及び領域A2とA3との間の領域における素子分離領域STIでは、絶縁膜32の一部が除去されており、図7に示すような溝38が形成されている。半導体基板10において、溝38の直下に位置する領域には、絶縁膜31に接するようにしてp+型不純物注入層47が形成されている。また、領域A1、A3においては、ゲート間絶縁膜13の一部が除去され、これによって開口部34が形成されている。そして開口部34を介して、多結晶シリコン層12と14とが電気的に接続されている。
The insulating
上記のように、領域A1、A2、A3毎に分離された多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16の側壁上、並びに溝38の側壁上には、更に側壁絶縁膜18が形成されている。そして、上記抵抗素子を被覆するようにして、半導体基板10上に層間絶縁膜19が形成されている。層間絶縁膜19中には、領域A1、A3における金属層15に達するコンタクトプラグ37、36がそれぞれ形成される。更に層間絶縁膜19中には、コンタクトプラグ37、36にそれぞれ接続される金属配線層39、38が形成されている。金属配線層38は、コンタクトプラグ36を介在して2つの抵抗素子を接続する。
As described above, the
上記構成において、領域A1からA3にわたって線状に形成された多結晶シリコン層12が、抵抗素子において実質的に抵抗として機能する領域である。また、領域A1、A3における多結晶シリコン層14及び金属層15は、抵抗素子における電極として機能する。
In the above configuration, the
つまり、抵抗素子の構成は次のように説明することが出来る。1つの抵抗素子は、第1方向に沿った線状領域(多結晶シリコン層12)を備えている。この線状領域が実質的な抵抗部分として機能する。そして、線状領域の両端部分(領域A1、A3)上には、抵抗素子の電極として機能する多結晶シリコン層14及び金属層15が形成されている。これらの電極は、電極分離領域とも言うべき領域44によって、互いに電気的に分離されている。線状領域と、多結晶シリコン層14及び金属層15とは、開口部34によって電気的に接続されている。そして、領域A1、A3において、金属層15上にコンタクトプラグ37、36がそれぞれ形成されて、1つの抵抗素子が形成されている。領域A1とA3との間の領域A2においても、多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16が形成されている。しかし、領域A2における多結晶シリコン層14及び金属層15は、ゲート間絶縁膜13によって多結晶シリコン層12と電気的に分離される。
That is, the configuration of the resistance element can be described as follows. One resistance element includes a linear region (polycrystalline silicon layer 12) along the first direction. This linear region functions as a substantial resistance portion. A
そして、上記構成の抵抗素子が、第2方向に沿って2つ配置されている。更に、同様の構成の2つのダミー素子が、第2方向において2つの抵抗素子を挟むようにして配置されている。2つの抵抗素子は、金属配線層38によって直列接続され、直列接続された2つの抵抗素子は、2つの金属配線層39間に接続されている。なお、ダミー素子の場合にはコンタクトプラグ36、37及び金属配線層38、39は形成されない。
And the two resistive elements of the said structure are arrange | positioned along the 2nd direction. Further, two dummy elements having the same configuration are arranged so as to sandwich the two resistance elements in the second direction. The two resistance elements are connected in series by the
前述の通り、抵抗素子は第2方向に沿って周期的に複数並列に配置されていれば良く、その数は2つの限られるものでは無い。また各抵抗素子の多結晶シリコン層12の第2方向の幅、及び隣接間隔は、同一とされる。なお、多結晶シリコン層12、14、金属層15は導電体層であれば良いが、図2乃至図4で説明したメモリセルアレイと同一の材料によって形成される。
As described above, it is sufficient that a plurality of resistance elements are periodically arranged in parallel along the second direction, and the number is not limited to two. In addition, the width in the second direction and the adjacent interval of the
次に、上記構成のNAND型フラッシュメモリの製造方法について、特にメモリセルアレイと抵抗素子とに着目して、図9乃至図39を用いて説明する。
まず図9乃至図12を参照しつつ第1の工程について説明する。図9は抵抗素子の平面図であり、図5と同様の領域を示している。図10はメモリセルアレイの断面図であり、図4と同様の領域を示している。図11及び図12は、図9におけるX2−X2’線及びY2−Y2’線に沿った断面図である。前述の通り、メモリセルアレイ2及び周辺回路3内の抵抗素子は同一のp型半導体基板(シリコン基板)10上に形成される。
Next, a method for manufacturing the NAND flash memory having the above configuration will be described with reference to FIGS. 9 to 39, particularly focusing on the memory cell array and the resistance elements.
First, the first step will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a plan view of the resistance element, and shows the same region as FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view of the memory cell array and shows the same region as FIG. 11 and 12 are sectional views taken along lines X2-X2 'and Y2-Y2' in FIG. As described above, the resistance elements in the
まず、図10に示すように、メモリセルアレイ2において素子分離領域STIを形成するための溝30と、多結晶シリコン層12及び素子領域AAとが自己整合的に加工される。メモリセルアレイ2において多結晶シリコン層12は、浮遊ゲート電極として機能する。また、周辺回路3において素子分離領域STIを形成するための溝30と、多結晶シリコン層12及び素子領域AAとが自己整合的に加工される。そして、メモリセルアレイ2及び周辺回路3において多結晶シリコン層12は、その角部において、半導体基板10の下向きへの落ち込みはないように形成される。上記について以下に詳述する。
First, as shown in FIG. 10, in the
まず、p型半導体基板(シリコン基板、または半導体基板表面に形成されたp型半導体領域)上に、不揮発性メモリセル(メモリセルトランジスタMT)のトンネル(tunnel)酸化膜となるゲート絶縁膜11を、膜厚4nmから12nmの範囲のシリコン酸化膜、または、シリコンオキシナイトライド膜を用いて、メモリセルアレイ2中に形成する。更に、上記p型半導体基板10上に、抵抗素子と半導体基板10との電気的分離をもたらすための絶縁膜となるゲート絶縁膜60を、膜厚13nmから40nmの範囲のシリコン酸化膜、または、シリコンオキシナイトライド膜を用いて、周辺回路3内に形成する。
First, a
このゲート絶縁膜60は、例えば13nm以上とすることで、5V以上の高い電圧が多結晶シリコン層12と半導体基板10との間に印加されてもトンネルリークが生じることを抑制し、抵抗素子の信頼性劣化を抑えることができる。また、このゲート絶縁膜60は、例えば、5V以上の電圧を印加する高耐圧トランジスタのゲート絶縁膜として、共通に形成してもよい。これにより、例えば、フラッシュメモリの書き込みを行うために必要な10V以上の高電圧を抵抗分割して低電圧を得るために、本抵抗素子を用いて高電圧が多結晶シリコン層12に印加された場合でも、信頼性の高い素子を実現できる。また、半導体基板10の濃度としては、例えば、ボロン表面濃度を1016cm−3以上添加することによって、反転閾値を高くでき、これにより半導体基板10に対する浮遊ゲート電極容量を小さくすることができる。その結果、抵抗素子の寄生容量をより小さくして、寄生容量によるCR遅延増大の小さい素子を実現することができる。
The
引き続き、ゲート絶縁膜11、60上に多結晶シリコン層12及びキャップ層40を順次形成する。多結晶シリコン層12は、メモリセルトランジスタMTにおいては浮遊ゲート電極として機能し、抵抗素子においては実質的な抵抗部分として機能する。そして多結晶シリコン層に、導電性不純物としてn型不純物であるリンまたは砒素が1018cm−3から1022cm−3の範囲で添加されたn型半導体となっている。多結晶シリコン層12は、例えばSiGe層に置き換えられても良い。多結晶シリコン層12は、その膜厚が20nm〜200nm、絶縁膜40はその膜厚が20nm〜300nm程度に形成される。また絶縁膜40の材料としては、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜を用いることが出来る。
Subsequently, the
次に、フォトリソグラフィ工程とエッチングにより、素子分離領域STIとなる領域に溝30を掘る。具体的にはキャップ層40(シリコン窒化膜またはシリコン酸化膜)、多結晶シリコン層12、ゲート絶縁膜11、60、及び半導体基板10を順次エッチングする。これにより、素子分離領域STI形成用の溝30が、多結晶シリコン層12及びキャップ層40と自己整合的に形成される事になる。メモリセルアレイ2中において、半導体基板10中に掘る溝30の深さは、例えば、100nmから400nmの範囲であり、溝30の幅及び間隔は10nm以上140nm以下である。
Next, a
周辺回路3内における溝30の幅及び間隔は、メモリセルアレイ2内よりも十分大きい値とされる。これにより、寸法ばらつきによる抵抗変化を小さくする。このため、周辺回路3内において抵抗素子及びダミー素子形成領域の溝30の幅及び間隔は、図9に示すようにキャップ層40の間隔および幅に相当し、150nm以上500nm以下に形成されるのが望ましい。また、ここで、ダミー素子部分の素子領域AAは、抵抗素子と並列に同じ幅で抵抗素子と同じ幅の溝で形成され、少なくとも1つ抵抗素子に隣接して形成されることが、パターンの不均一性による寸法変動を防止し、より均一な幅の抵抗素子を形成するのに望ましい。これは、周期的パターンはリソグラフィとして寸法変動を小さくできることと、エッチングの場合に溝幅に依存してエッチング深さやエッチング側面テーパーが変化するマイクロローディング効果を防止できることに起因する。また、キャップ層40の長手方向の長さ(第1方向に沿った長さ)は、キャップ層40の幅(第2方向に沿った長さ)より十分長く、例えば、1μm以上1mm以下とする。以上の結果、図9乃至図12に示す構成が得られる。
The width and interval of the
次に、図13乃至図15を参照しつつ第2の工程について説明する。図13はメモリセルアレイの断面図であり、図10と同様の領域を示している。図14及び図15は、図9におけるX2−X2’線及びY2−Y2’線に沿った方向に対応する断面図である。 Next, the second step will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a cross-sectional view of the memory cell array and shows the same region as FIG. 14 and 15 are cross-sectional views corresponding to directions along the lines X2-X2 'and Y2-Y2' in FIG.
図示するように、溝30を形成した後、必要に応じて薄い絶縁膜31、33を形成する。絶縁膜31、33は例えば熱酸化法や酸素プラズマ、またはhigh temperature oxide(700℃から900℃の範囲でのシリコン酸化膜堆積法;以後HTOと呼ぶ)により形成したシリコン酸化膜である。絶縁膜31は、半導体基板10の溝30表面上に形成され、絶縁膜33は多結晶シリコン層12の側面上に形成され、その膜厚は例えば1nmから30nm程度である。
As shown in the drawing, after forming the
これにより、溝30と多結晶シリコン層12及び素子領域AAとが自己整合的に加工され、多結晶シリコン層12は素子分離領域STIへの落ち込みはないように形成される。これは、メモリセルトランジスタMTの微細化を実現すると共に、素子領域AAのコーナー部を覆うように多結晶シリコン層12が形成される事がない為、電界集中の効果によるメモリセルトランジスタMT特性のバラツキを抑制する事ができる。本実施形態では、メモリセルアレイ2及び周辺回路3において多結晶シリコン層12が形成される場合について示しているが、互いに異なる材料に置き換えられても良い。しかし、両者が共に多結晶シリコン層である場合には、ゲート絶縁膜60についても、素子領域AAのコーナー部を覆うように多結晶シリコン層12が形成される事がない為、電界集中の効果による耐圧劣化や、容量特性のバラツキを抑制する事ができる。
As a result, the
次に、溝30内部に、例えばHDP(High Density Plasma)法、またはHTO法、並びにHARP、ポリシラザンなどのシリコン酸化膜へ転換される膜等により、絶縁膜32(シリコン酸化膜)を埋め込む。その後、CMP(Chemical Mechanical Polish)等の方法で、キャップ層40の上面をエッチングストッパとして用いて絶縁膜32を平坦化する。以上の結果、素子分離領域STIが完成する。なお、溝30内に埋め込まれている絶縁膜32は、浮遊ゲートの端部に自己整合的にがキャップ層40若干低下した形状で埋め込まれる。以上の結果、図13乃至図15に示す構成が得られる。
Next, an insulating film 32 (silicon oxide film) is buried in the
次に、図16乃至図18を参照しつつ第3の工程について説明する。図16はメモリセルアレイの断面図であり、図10と同様の領域を示している。図17及び図18は、図9におけるX2−X2’線及びY2−Y2’線に沿った方向に対応する断面図である。 Next, the third step will be described with reference to FIGS. FIG. 16 is a cross-sectional view of the memory cell array and shows the same region as FIG. 17 and 18 are cross-sectional views corresponding to directions along the lines X2-X2 'and Y2-Y2' in FIG.
図示するように、キャップ層40を除去する。その結果、周辺回路3の表面においては、多結晶シリコン層12表面よりも絶縁膜32表面が高く位置する形状が露出する。なお絶縁膜40がシリコン窒化膜である場合には、例えばホットリン酸といった薬液で処理すれば、容易に除去する事ができる。
As shown, the
次に全面にフォトレジスト41を全面に塗布する。そして、メモリセルアレイ2におけるフォトレジスト41を、フォトリソグラフィ技術とエッチングとにより除去する。ついで、酸化膜のエッチバックにより、メモリセルアレイ2における絶縁膜32、33を、所望の高さに落とし込む。落とし込む高さとしては、多結晶シリコン層12(浮遊ゲート電極)とゲート絶縁膜11との境界の高さより下にならないようにする。このように、浮遊ゲート電極12の上面および側面を露出させることにより、次の効果が得られる。すなわち、浮遊ゲート電極12の上面だけを露出させた場合よりも、メモリセルトランジスタMTの浮遊ゲート電極12と制御ゲート電極(多結晶シリコン層14及び金属層15)との容量を大きく出来る。よって、より絶縁耐圧が低い材料をゲート間絶縁膜13に用いても信頼性高いメモリセルを形成することができる。
Next, a
なお、上記工程においては、抵抗素子及びダミー素子における絶縁膜32、33をエッチバックしないことにより、抵抗素子の信頼性を向上出来る。すなわち、多結晶シリコン層14に例えば10V以上の高電圧を印加し、半導体基板10に0Vを印加するような場合であっても、絶縁膜32を挟んだ絶縁耐圧を確保でき、より信頼性の高い抵抗素子を実現できる。また、多結晶シリコン層12、14を、ゲート間絶縁膜13を介した容量素子として用いた場合(第2の実施形態として述べる)にも、より信頼性の高い容量素子が実現できる。以上の結果、図16乃至図18の構成が得られる。
In the above process, the reliability of the resistance element can be improved by not etching back the insulating
次に、図19乃至図22を参照しつつ第4の工程について説明する。図19は抵抗素子の平面図であり、図5と同様の領域を示している。図20はメモリセルアレイの断面図であり、図10と同様の領域を示している。図21及び図22は、図19におけるX2−X2’線及びY2−Y2’線に沿った断面図である。 Next, the fourth step will be described with reference to FIGS. FIG. 19 is a plan view of the resistance element, and shows the same region as FIG. FIG. 20 is a cross-sectional view of the memory cell array and shows the same region as FIG. 21 and 22 are sectional views taken along lines X2-X2 'and Y2-Y2' in FIG.
図示するように、フォトレジスト41を例えばアッシャーや硫酸過酸化水素水混合液にて剥離する。その後、メモリセルアレイ2及び周辺回路3内において、多結晶シリコン層12上に、例えば、8nm〜20nm程度の膜厚のシリコン酸化膜、または、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の3層構造を有するゲート間絶縁膜13を全面堆積する。3層構造を有する場合の膜厚としては、例えばそれぞれ3nmから10nmの範囲、3nmから10nmの範囲、3nmから10nmの範囲とする。
As shown in the figure, the
更に、全面にフォトレジスト42を塗布する。そして抵抗素子形成部分の素子領域AAにおいて第1方向に沿った両端部分におけるフォトレジスト42を、フォトリソグラフィ技術とエッチングによりとり除く。その結果、図示するような開口部43が形成される。開口部43内には、ゲート間絶縁膜13の表面が露出される。この際、開口部43は、第1方向に沿って延びた形状とする。この開口部43は、領域34を形成するためのものである。従って、第1方向に沿って延びた形状とすることにより、多結晶シリコン層12、14の接触面積を大きくし、接触部分における寄生抵抗を低減出来る。またこの開口部43は、図19に示すように、上面形状において素子領域AA内部に位置するように形成することが望ましい。これは、図27及び図28を用いて後に述べるエッチング工程において、いずれのエッチング断面においてもゲート間絶縁膜13が残存させることが出来るからである。これにより、図27及び図28で説明するエッチングの均一性を向上出来る。
Further, a
また、開口部43の幅(第2方向に沿った長さ)は、当然ながら素子領域AAの幅よりも小さく、例えば20nm以上100nm以下、内側に形成される。また、開口部43の長さ(第1方向に沿った長さ)は、例えば50nm以上10μm以下とする。抵抗素子は、メモリセルトランジスタMTに要求されるような最小デザイン寸法で設計する必要は無い。よって開口部43は、素子領域AAを形成するよりも安価な解像度の低いリソグラフィ装置で形成することができる。また、このとき、ダミー素子部分のフォトレジスト42に開口部43を設ける必要は必ずしもない。
The width of the opening 43 (the length along the second direction) is naturally smaller than the width of the element region AA, and is formed inside, for example, 20 nm to 100 nm. Further, the length of the opening 43 (length along the first direction) is, for example, not less than 50 nm and not more than 10 μm. The resistance element does not need to be designed with the minimum design size required for the memory cell transistor MT. Therefore, the
次に、図23乃至図25を参照しつつ第5の工程について説明する。図23はメモリセルアレイの断面図であり、図10と同様の領域を示している。図24及び図25は、図19におけるX2−X2’線及びY2−Y2’線に沿った方向に対応する断面図である。 Next, the fifth step will be described with reference to FIGS. FIG. 23 is a cross-sectional view of the memory cell array, showing the same region as FIG. 24 and 25 are cross-sectional views corresponding to the directions along the lines X2-X2 'and Y2-Y2' in FIG.
図示するように、まずシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜をエッチングする異方性エッチングにより、開口部43内に露出されたゲート間絶縁膜13を除去する。引き続き、メモリセルアレイ2及び周辺回路3内において、例えば10nmから300nmの範囲の膜厚で多結晶シリコン層14を堆積する。更に多結晶シリコン層14上に、WSi、CoSi、NiSi、W、またはAlを材料に用いた金属層15を堆積する。更に、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を材料に用いて、絶縁膜16を10nmから500nmの膜厚に堆積する。多結晶シリコン層14は、導電性不純物としてn型不純物であるリンまたは砒素を1018cm−3から1022cm−3の範囲で添加されたn型半導体となっている。以上の結果、図23乃至図25の構成が得られる。
As shown in the drawing, first, the inter-gate insulating
次に、図26乃至図28を参照しつつ第6の工程について説明する。図26は抵抗素子の平面図であり、図5と同様の領域を示している。図27及び図28は、図26におけるX2−X2’線及びY2−Y2’線に沿った断面図である。 Next, the sixth step will be described with reference to FIGS. FIG. 26 is a plan view of the resistance element, and shows the same region as FIG. 27 and 28 are sectional views taken along lines X2-X2 'and Y2-Y2' in FIG.
図示するように、周辺回路3内において、異方性のエッチングにより多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16をエッチングする。多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16は、素子領域AAと同様に第1方向に沿ったストライプ形状で、且つ、素子領域AAを被覆するような形状に加工される。その際、多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16は、図26に示すように、素子領域AAの端部から外側に0.02μmから0.5μm程度突出した形状とされる。従って、これらの層14〜16は、多結晶シリコン層12の上面も完全に被覆する。本工程では、抵抗素子およびダミー素子の幅はメモリセルトランジスタMTより十分に大きいので、メモリセルアレイ2と同様の高精度および高解像度のリソグラフィとエッチングをする必要は必ずしもない。すなわち、メモリセルアレイのフォトリソグラフィとエッチングと別工程とすれば、より解像度の低い安価なリソグラフィで行うことが出来る。この場合、抵抗素子及びダミー素子の素子領域AA端部から0.02μm〜0.5μmまでの範囲で広げた幅は、素子領域AAとの合わせ精度より大きければ、多結晶シリコン層12、14のゲート間絶縁膜13を介した容量はほとんど変動しないため、安価なリソグラフィを用いても寄生容量の精度のよい抵抗素子が実現できる。また、本構成を容量素子として用いる第2の実施形態の場合には、寄生容量のばらつきが小さい容量素子が実現できる。
As shown in the drawing, in the
更に、本工程においては、メモリセルアレイ2においても多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16のエッチングが行われる。メモリセルアレイ2においては、これらの層14〜16は第2方向に沿ったストライプ形状に加工される(図2参照)。その結果、図3及び図4に示すような、メモリセルトランジスタMT及び選択トランジスタSTの積層ゲートが完成する。
Further, in this step, the
次に、図29乃至図31を参照しつつ第7の工程について説明する。図29は抵抗素子の平面図であり、図5と同様の領域を示している。図30及び図31は、図29におけるX3−X3’線及びY2−Y2’線に沿った断面図である。 Next, the seventh step will be described with reference to FIGS. FIG. 29 is a plan view of the resistance element, and shows the same region as FIG. 30 and 31 are sectional views taken along lines X3-X3 'and Y2-Y2' in FIG.
図29及び図31に示すように、フォトリソグラフィ技術と異方性のエッチングにより、周辺回路3内における多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16のエッチングを行う。本エッチングは、上記各層14〜16を第2方向に沿って除去するように行われる。その結果、各層14〜16は、領域A1、A2、A3に分離される。各領域は領域44によって電気的に分離される。この際エッチングは、領域44の位置が、開口部34よりも素子領域AAの中央部よりとなるように行われる。すなわち、領域A1、A3のそれぞれが開口部34を完全に被覆するようにして行われる。領域44の第1方向に沿った長さは、例えば50nm以上1μm以下である。前述の通り、抵抗素子においては安価な解像度の低いリソグラフィ装置で形成することができる。
As shown in FIGS. 29 and 31, the
また、領域A2に属する各層14〜16が開口部34に接しないようにすることにより、これらの層14〜16を電気的にフローティング状態にできる。また、これにより、開口部34より素子領域AAの領域に近い部分で片側に形成する場合よりも、多結晶シリコン層12、14間の電位差を小さく保つことができ、より高耐圧で信頼性の高い抵抗素子を実現することができる。
In addition, by preventing the
本工程におけるエッチングは、多結晶シリコン層14に対してシリコン酸化膜のエッチング速度が遅いエッチング条件が用いられる。その結果、図30及び図31に示すようにゲート間絶縁膜13が残存される。これにより、領域44において多結晶シリコン層12の一部もエッチングされることが防止出来る(図31参照)。すなわち、抵抗素子の実質的な抵抗部分として機能する領域の面積が低下することを防止でき、より精度の高い抵抗素子を実現できる。
The etching in this step uses etching conditions in which the etching rate of the silicon oxide film is slower than that of the
本工程では、領域44を形成するために、同一行に位置する領域44形成予定領域を含んだストライプ状の開口部を有するマスク材が形成される。すると、第2方向に沿って隣接する領域44間の領域においては、素子分離領域STIの絶縁膜32が露出されている。従って図30に示すように上記領域における絶縁膜32の表面もエッチングされ、素子分離領域STIの表面に凹部38が形成される。この凹部38の底は、素子領域AA表面より低く、その深さは半導体基板10との界面から0.03μm〜0.20μm程度とされる。
In this step, in order to form the
次に、図32乃至図35を参照しつつ第8の工程について説明する。図32は抵抗素子の平面図であり、図5と同様の領域を示している。図33及び図35は、図32におけるX2−X2’線、X3−X3’線、及びY2−Y2’線に沿った断面図である。 Next, the eighth step will be described with reference to FIGS. FIG. 32 is a plan view of the resistance element, and shows the same region as FIG. 33 and 35 are sectional views taken along lines X2-X2 ', X3-X3', and Y2-Y2 'in FIG.
図33乃至図35に示すように、領域44に露出された多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16の側壁上、並びに素子分離領域STIの凹部38に露出された絶縁膜32の側壁上に、側壁絶縁膜18が5nm〜500nm程度の膜厚に、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を材料に用いて形成される。また、この側壁絶縁膜18は、周辺回路3内に形成される図示せぬMOSトランジスタの、LDD領域形成時のマスクとして使用される。LDD領域を形成することで、MOSトランジスタにおいてソースまたはドレイン電極(図示せず)とゲート電極(例えば多結晶シリコン層14及び金属層15)との間の絶縁耐圧や接合耐圧を確保出来る。また側壁絶縁膜18は、後の工程で形成するコンタクトプラグ36、37と、領域A2における多結晶シリコン層14及び金属層15との電気的分離を確保する役割をも果たす。側壁絶縁膜18は、例えば次の方法によって形成出来る。すなわち、多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16、32上にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を堆積した後、異方性イオンエッチングにより、多結晶シリコン層14、金属層15、絶縁膜16、及び凹部38内における絶縁膜32の側壁にのみ残存させる。この側壁絶縁膜18は、メモリセルアレイ2において積層ゲートの側壁絶縁膜18と同一の工程によって形成されても良いし、別の工程にて形成されても良い。
As shown in FIGS. 33 to 35, the insulating
引き続き、全面にフォトレジスト45を塗布し、フォトリソグラフィ工程によってフォトレジスト45を図32に示すようにパターニングする。すなわちフォトレジスト45は、第1方向に沿ったストライプ形状を有し、その幅は多結晶シリコン層12の幅(第2方向に沿った長さ)よりも小さい。そしてフォトレジスト45は、領域A1、A2、A3においては、絶縁膜16に完全に戴置されるように形成される。つまり図32に示すように、領域A1、A2、A3においては、第2方向に沿ってフォトレジスト45の両側に、当該フォトレジスト45が戴置される絶縁膜16、18の上面が露出する。更に領域44においては、フォトレジスト45は多結晶シリコン層12上に形成され、フォトレジスト45の両側に、当該フォトレジスト45が戴置される多結晶シリコン層12の上面が露出する。更に、領域A1、A2、A3において側壁絶縁膜18間の素子分離領域STIの上面、及び領域44において多結晶シリコン層12間の素子分離領域STIの上面も露出されている。なお、このフォトレジスト塗布工程とフォトリソグラフィ工程は、次に述べる、p型のソース拡散層及びドレイン拡散層を形成するためのp型不純物の選択的なイオン注入するために行われるフォトレジスト塗布工程とフォトリソグラフィ工程と同じ工程を用いることにより、工程数の増大を防ぐことができる。
Subsequently, a
すなわち、フォトリソグラフィ工程の後、同一の半導体基板10上に形成されたp型MISFETのソース及びドレイン拡散層を形成するために、p型不純物のイオン注入が行われる。p型注入不純物としては、ボロン、または、BF2が用いられ、注入エネルギーとしては、2keVから40keVの間のエネルギーで、1014cm−2から1016cm−2の注入量が用いられる。
That is, after the photolithography process, ion implantation of p-type impurities is performed in order to form the source and drain diffusion layers of the p-type MISFET formed on the
このイオン注入により、領域44の溝部、及び絶縁膜32の凹部の底部を介して、半導体基板10中にp型不純物が注入される。このp型不純物が注入されて、p型不純物の濃度が周囲よりも高い領域を、以下p+型不純物注入層47と呼ぶ。注入層47の濃度は、例えば1016cm−3〜5×1018cm−3であり、深さは、半導体基板10と絶縁膜31の界面から0.03μm〜0.5μm程度である。
By this ion implantation, a p-type impurity is implanted into the
また、フォトレジスト45の開口部内には、領域44における多結晶シリコン層12の縁部が露出されている。従って、露出された多結晶シリコン層12内部にもp型不純物は注入される。その結果、領域44内における多結晶シリコン層12の側壁部にもp型不純物注入層35が形成される。その結果、多結晶シリコン層12においては、p型不純物注入層35において電子濃度が下がる。その結果、絶縁膜33、32を介したリーク電流を減少させることが出来る。
Further, in the opening portion of the
更に、領域44の多結晶シリコン層12に沿って多結晶シリコン層14のエッチング残りが生じた場合でも、残った多結晶シリコン層14にp型不純物が注入される。従って、多結晶シリコン層14のエッチング残り部分の電子濃度を下げて導電性を下げることができる。その結果、領域44を挟んだ多結晶シリコン層14間を流れるリーク電流を減少させることができる。なお、フォトレジスト45の境界としては、領域44における凹部38を開口するように形成し、望ましくは、多結晶シリコン層12の上面の縁部、端からの距離として、50nm以下の領域が開口されるように形成するのが望ましい。
Further, even when an etching residue of the
以上の構成とすることにより、領域44においても、多結晶シリコン層12の中央部にp型不純物が注入されることがない。また、領域44内の多結晶シリコン層12上にゲート間絶縁膜13がエッチングにより剥離される場合には、多結晶シリコン層12もエッチングされ、そのエッチング深さもばらつく問題が生じる。従って、多結晶シリコン層12を抵抗素子として用いる場合には、その部分にイオン注入される不純物の深さおよびドーズ量もばらつく。しかし本実施形態であると、領域44においても多結晶シリコン層12の中央部にp型不純物が注入されることがないため、上記問題が緩和される。よって、領域44内の多結晶シリコン層12の抵抗上昇の増大に起因して抵抗素子としての精度が下がる問題が緩和される。
With the above configuration, the p-type impurity is not implanted into the central portion of the
次に、図36乃至図39を参照しつつ第9の工程について説明する。図36は抵抗素子の平面図であり、図5と同様の領域を示している。図37乃至図39は、図36におけるX2−X2’線、X3−X3’線、及びY2−Y2’線に沿った断面図である。 Next, the ninth step will be described with reference to FIGS. FIG. 36 is a plan view of the resistance element, and shows the same region as FIG. 37 to 39 are sectional views taken along lines X2-X2 ', X3-X3', and Y2-Y2 'in FIG.
フォトレジスト45を除去した後、再度全面にフォトレジスト46を塗布する。そして、フォトレジスト46をフォトリソグラフィ工程により、図36乃至図38に示すようにパターニングする。すなわちフォトレジスト46は、第1方向に沿ったストライプ形状の開口部を有し、且つその開口部内に、領域44内の多結晶シリコン層12表面、及び領域A1〜A3内の絶縁膜16表面が露出するようにパターニングされる。そしてこの際、隣接する抵抗素子間の絶縁膜32上、及びp型不純物注入層35の上面を、フォトレジスト46が被覆するようにパターニングする。従って、領域44においては、多結晶シリコン層12の中央部、すなわち図32乃至図35においてp型不純物が注入されなかった領域の上面が露出されることとなる。つまり、領域44において、多結晶シリコン層12の端部から第2方向に沿って50nm以上離れた領域が露出される。なお本工程は、後述するn型ソースドレイン拡散層を形成するn型不純物を選択的にイオン注入するために行われるフォトレジスト塗布工程とフォトリソグラフィ工程と同じ工程を用いることにより、工程数の増大を防ぐことができる。
After removing the
上記フォトリソグラフィ工程の後、同一の半導体基板10上に形成された図示せぬMISFETのn型ソース領域及びドレイン領域を形成するための、n型不純物のイオン注入が行われる。使用されるn型注入不純物はリンまたは砒素であり、注入エネルギーは5keVから60keVの間のエネルギーであり、注入量は1014cm−2から1016cm−2程度である。この際、n型不純物は、MISFETに対してだけではなく、抵抗素子においてフォトレジスト46に被覆されていない領域にも注入される。
After the photolithography process, n-type impurity ion implantation is performed to form an n-type source region and drain region of a MISFET (not shown) formed on the
本工程において、領域44における多結晶シリコン層12の縁部、すなわちp型不純物注入層35にn型不純物が注入されることがない。従って、多結晶シリコン層12において絶縁膜32に沿った部分(すなわち注入層35)の電子濃度を下げて導電性を下げることができ、絶縁膜33、32を通じたリーク電流を減少させることができる。
In this step, n-type impurities are not implanted into the edge of the
また、領域44における多結晶シリコン層12上に、エッチング不足により多結晶シリコン層14が残存するような場合であっても、残存した多結晶シリコン層14の縁部には多結晶シリコン層12と同様、p型不純物が注入され且つn型不純物は注入されない。従って、残存した多結晶シリコン層14の縁部の電子濃度を下げて導電性を下げることができ、領域44をはさんで隣接する多結晶シリコン層14間のリーク電流を減少させることができる。なお、フォトレジスト46の境界としては、領域44において多結晶シリコン層12の上面が露出され、望ましくは、多結晶シリコン層12上面の縁部(端)から第2方向に沿って50nm以上の部分が露出されるように形成する。また図36では、ダミー素子については領域44上でフォトレジスト46を開口させない場合について示しているが、これは本領域が回路素子として用いることがないためであり、勿論抵抗素子部分と同様に開口してもよい。
Further, even when the
また、領域44内のゲート間絶縁膜13がエッチングにより剥離される場合、その下地の多結晶シリコン層12もエッチングされ、そのエッチング深さもばらつく。このため、多結晶シリコン層12を抵抗素子として用いる場合には、その部分にイオン注入される不純物の深さおよびドーズ量もばらつく。しかし本実施形態であると、領域44における多結晶シリコン層12に対してn型不純物が注入される。よって、注入される前よりも電子濃度を上昇させることができる。これにより、領域44内における多結晶シリコン層12の直列抵抗成分の絶対値を低減できる。このため、多結晶シリコン層12を抵抗素子として用いる場合に、図38に示す領域の抵抗値のばらつきを低減でき、抵抗素子としての精度を向上できる。その結果、抵抗値の変動幅が小さいために、相対的な抵抗値の変動が小さく、回路のタイミング発生回路に用いる場合には、タイミング余裕を大きく確保する必要がない。
When the intergate insulating
更に、図38に示すように領域44では、素子分離領域STI内の絶縁膜32の一部が深くエッチングされて、凹部38が形成されている。すると、n型不純物イオンを注入する際、凹部38が深くなると、素子分離絶縁膜STI下の半導体基板10まで注入されるおそれがある。しかし、本実施形態であると、凹部38はフォトレジスト46により埋め込まれる。従って、半導体基板10内にn型不純物が注入される問題が生じない。よって、半導体基板10内にn型不純物が注入された領域と抵抗素子とが容量結合する問題が緩和され、寄生容量が増大を抑制出来る。これにより、抵抗素子のCR時定数が増大する問題もなく、高速動作する回路の抵抗素子として用いることができる。
なお、図36乃至図39で説明したn型不純物の注入工程は、図32乃至図35のp型不純物の注入工程と順番を入れ替えて行っても良いし、連続した工程でなくても良い。また、図36乃至図39で説明したフォトレジストのパターニング工程は、図32乃至図35のフォトレジストのパターニング工程とそれぞれ独立に実施しても、n型不純物が領域47の位置に注入されない効果、および、p型不純物が領域47の位置に注入される効果が独立に得られるので、差し支えない。
Further, as shown in FIG. 38, in the
Note that the n-type impurity implantation step described with reference to FIGS. 36 to 39 may be performed in a different order from the p-type impurity implantation step illustrated in FIGS. 32 to 35 or may not be a continuous step. Further, even if the photoresist patterning process described in FIGS. 36 to 39 is performed independently of the photoresist patterning process of FIGS. 32 to 35, the n-type impurity is not implanted into the
その後、抵抗素子及びメモリセルアレイを被覆するようにして、全面に層間絶縁膜19を形成する。層間絶縁膜19は、例えばBPSG、BSG、またはPSG等のシリケートガラス(Silicate glass)や、HSQ、MSQ、またはSiLK等によって形成され、その膜厚は例えば100nm以上1μm以下である。次に層間絶縁膜19をCMPによって平坦化させる。引き続き、領域A1、A3における金属層15に達するコンタクトホールを、層間絶縁膜19内に例えば20nm〜200nm程度の直径に形成する。更に、層間絶縁膜19表面に、その底部にコンタクトホール上面が位置するような溝を形成する。溝の深さは例えば50nm〜500nm程度である。その後、溝及びコンタクトホール内にTi、TiN、またはTaN等のバリアメタル層を形成し、更にWやCu等を埋め込んだ後、これらをCMPによって平坦化する。その結果、図8に示すような、コンタクトプラグ36、37、及び金属配線層38、39が形成される。図8では、コンタクトプラグ36、37と金属配線層38、39とは別個のものとして示されているが、上記のように同一の工程によって一体化して形成出来る。勿論、コンタクトプラグ36、37を形成の後、WやAlを層間絶縁膜19上に形成し、これをRIEによって配線形状にエッチングすることによって金属配線層38、39を形成しても良い。また、本工程では、メモリセルアレイ2におけるコンタクトプラグCP2、CP3及び金属配線層20、21も形成される。その後、更に層間絶縁膜19上に層間絶縁膜22が形成される。そして、メモリセルアレイ2においてコンタクトプラグCP4及び金属配線層23が形成される。その結果、図2乃至図4に示すメモリセルアレイ2、及び図5乃至図8に示す抵抗素子が完成する。
Thereafter, an
なお、図1では隣接する第2方向で隣接する2本の多結晶シリコン層12を、コンタクトプラグ36及び金属配線層38によって接続した例を示した。本構成とすることで、1つの多結晶シリコン層12に印加される電圧を5V以下にし、また多結晶シリコン層12、14間に発生する電位差を低く保ちつつ、金属配線層37間に発生した20V以上の高電圧を分圧出来、抵抗素子の信頼性を向上出来る。
FIG. 1 shows an example in which two polycrystalline silicon layers 12 adjacent in the second direction adjacent to each other are connected by the
[第2の実施形態]
次に、この発明の第2の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について説明する。本実施形態は、上記第1の実施形態における周辺回路3に含まれる容量素子の構成に関するものである。なお本実施形態に係る容量素子の構成及び製造方法は、上記第1の実施形態で説明した抵抗素子と同様の部分が多いため、以下では抵抗素子と異なる点に着目して説明する。
[Second Embodiment]
Next explained is a semiconductor device and its manufacturing method according to the second embodiment of the invention. The present embodiment relates to the configuration of the capacitive element included in the
本実施形態に係る容量素子は、周辺回路3において、正または負の高電圧を発生するチャージポンプ回路等に使用される。勿論、その用途はチャージポンプ回路にのみ限定されるものでは無い。本容量素子は、第1の実施形態で説明したNAND型フラッシュメモリのメモリセルアレイ2と同一の半導体基板10上に形成される。
The capacitive element according to the present embodiment is used in a
図40は、本実施形態に係る容量素子の平面図である。また図41乃至図43は、本実施形態に係る容量素子の断面図であり、それぞれ図40におけるX4−X4’線、X5−X5’線、及びY3−Y3’線に沿った断面図である。なお図40の平面図は、絶縁膜18、16表面のレベルにおける平面構造を示している。
FIG. 40 is a plan view of the capacitive element according to the present embodiment. 41 to 43 are sectional views of the capacitive element according to the present embodiment, and are sectional views taken along lines X4-X4 ′, X5-X5 ′, and Y3-Y3 ′ in FIG. 40, respectively. . Note that the plan view of FIG. 40 shows a planar structure at the level of the surfaces of the insulating
図40においては、各々が第1方向に沿ったストライプ形状の2つの容量素子が設けられている構成を示している。各容量素子は、金属配線層58と、半導体基板10中に形成されたn型不純物拡散層50との間に形成され、ゲート絶縁膜60及びゲート間絶縁膜13がキャパシタ絶縁膜として機能する。なお本実施形態においては、半導体基板10との容量を大きく確保するためゲート絶縁膜60は、例えばトンネル(tunnel)酸化膜となるゲート絶縁膜11と同じ絶縁膜、すなわち、膜厚4nmから12nmの範囲のシリコン酸化膜、または、シリコンオキシナイトライド膜を用いるのがよい。以下、容量素子の構成について詳細に説明する。
FIG. 40 shows a configuration in which two capacitive elements each having a stripe shape along the first direction are provided. Each capacitive element is formed between the
図示するように半導体基板10中には、第1の実施形態で説明した抵抗素子と同様に、第1方向に沿ったストライプ形状の素子領域AAが、第2方向に沿って例えば4本形成されている。そして、素子領域AA上に、上記容量素子が形成されている。なお図40においては、4本の素子領域AAのうち、中央の2本の素子領域AA上に形成された容量素子のみが実際の容量素子として機能し、外側の2本はダミーの容量素子となる。以下、説明の簡単化の為、ダミーとなる素子を「ダミー素子」と呼び、実際の容量素子として機能する素子を「容量素子」と呼ぶことにする。すなわち、2本の容量素子が2本のダミー素子によって第2方向で挟まれている。勿論、ダミー素子によって挟まれる抵抗素子は2つ以上であっても良いし、ダミー素子が設けられなくても良い。なお、ダミー素子と抵抗素子とはほぼ同一の構成を有しているため、以下では抵抗素子の構成について説明するが、特に断らない限り、両者の構成は同一である。
As shown in the drawing, in the
素子領域AA間の領域には、素子分離領域STIが形成されている。素子分離領域STIの構成は、第1の実施形態と同様である。また素子領域AAの表面内には、n型不純物拡散層50が形成されている。素子領域AAの拡散層50上には、ゲート絶縁膜60を介在して多結晶シリコン層12が形成されている。また多結晶シリコン層12上には、ゲート間絶縁膜13を介在して多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16が順次形成されている。各素子領域AA内において、上記ゲート間絶縁膜13、多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16は、第1方向に沿って2つの領域に分割されている(図40及び図43参照)。以下、2つの領域をそれぞれ領域A4、A5と呼び、両者を分離するための領域を領域51と呼ぶことにする。また、領域A5を挟んで領域A4に第1方向に沿って対向する領域においては、ゲート絶縁膜60、多結晶シリコン層12、14、ゲート間絶縁膜13、金属層15、及び絶縁膜16が除去されている。この領域を、以下領域A6と呼ぶ(図40及び図43参照)。領域A6においては、拡散層50の表面内に、n+型不純物拡散層52が形成されている。また図40においては、素子領域AAと拡散層50の平面パターンは同一であるので、両者を参照符号AA(50)と示している。
An element isolation region STI is formed in a region between the element regions AA. The configuration of the element isolation region STI is the same as that of the first embodiment. An n-type
素子分離領域STI内の絶縁膜32は、多結晶シリコン層12の表面よりも高い位置まで形成されている。また、多結晶シリコン層12と絶縁膜32との間には、絶縁膜33が形成されている。更に、領域A2では、多結晶シリコン層12において絶縁膜33と接する領域内に、不純物注入領域35が形成されている。この不純物注入領域35は、その他の多結晶シリコン層12に比べて抵抗率が高くされ、導電性が低くされている。更に、領域A4とA5との間の領域51における素子分離領域STIでは、絶縁膜32の一部が除去されており、図42に示すような溝38が形成されている。半導体基板10において、溝38の直下に位置する領域には、絶縁膜31に接するようにしてp+型不純物注入層47が形成されている。また、領域A4においては、ゲート間絶縁膜13の一部が除去され、これによって開口部53が形成されている。そして開口部53を介して、多結晶シリコン層12と14とが電気的に接続されている。
The insulating
領域A4、A5において、多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16の側壁上、並びに溝38の側壁上には、更に側壁絶縁膜18が形成されている。また領域A5とA6との境界部分におけるゲート間絶縁膜13及び多結晶シリコン層12の側壁上にも、側壁絶縁膜18が形成されている。そして、上記容量素子を被覆するようにして、半導体基板10上に層間絶縁膜19が形成されている。層間絶縁膜19中には、領域A4、A5における金属層15に達するコンタクトプラグ55、56と、拡散層52に達するコンタクトプラグ57が形成される。更に層間絶縁膜19中には、コンタクトプラグ55に接続される金属配線層58、及びコンタクトプラグ56、57に接続される金属配線層59が形成されている。
In the regions A4 and A5, a
上記構成において、領域A4における金属層15及び多結晶シリコン層12、14、並びに領域A4、A5における多結晶シリコン層12が、容量素子の一方電極として機能する。また、領域A4における多結晶シリコン層14及び金属層15、並びに領域A4〜A6における拡散層50、52が、容量素子の他方電極として機能する。そして、ゲート絶縁膜60及びゲート間絶縁膜13が、キャパシタ絶縁膜として機能する。
In the above configuration, the
つまり、本実施形態に係る容量素子の構成は、次のように説明することが出来る。すなわち、1つの容量素子は、第1容量素子と第2容量素子とを含んでいる。まず、多結晶シリコン層12が一方電極として機能し、領域A5における多結晶シリコン層14が他方電極として機能し、領域A5におけるゲート間絶縁膜13がキャパシタ絶縁膜として機能して、第1容量素子が形成される。更に、多結晶シリコン層12が一方電極として機能し、拡散層50が他方電極として機能し、ゲート絶縁膜60がキャパシタ絶縁膜として機能して、第2容量素子が形成される。そして、第1、第2容量素子の他方電極同士は、金属配線層59によって接続される。本構成において、金属配線層58と拡散層50との間に電位差が印加される。このように、本実施形態に係る構成であると、第1容量素子と第2容量素子とが積層されることで、単位面積当たりの容量が向上された容量素子が実現される。そして図40に示すように、上記構成の第1方向に沿ったストライプ形状を有する容量素子が、第2方向に沿って複数配置されている。
That is, the configuration of the capacitive element according to the present embodiment can be described as follows. That is, one capacitive element includes a first capacitive element and a second capacitive element. First, the
なお、容量素子の数は2つに限られるものでは無い。また各容量素子の多結晶シリコン層12の第2方向の幅、及び隣接間隔は同一とされる。なお、多結晶シリコン層12、14、金属層15は導電体層であれば良いが、図2乃至図4で説明したメモリセルアレイと同一の材料によって形成される。
Note that the number of capacitive elements is not limited to two. Further, the width in the second direction of the
次に、上記構成の容量素子の製造方法について、図44乃至図57を用いて説明する。 まず、半導体基板10の表面内にn型不純物を注入して、n型不純物拡散層52を形成する。その後、上記第1の実施形態で説明した図9乃至図25の工程を行って、素子分離領域STI、ゲート絶縁膜60、多結晶シリコン層12、14、ゲート間絶縁膜13、金属層15、及び絶縁膜16を形成する。また、図25における開口部34の代わりに、領域A4において同様の開口部53が形成される。その後の工程について、第1の工程以下として、次に説明する。
Next, a method for manufacturing the capacitor having the above structure will be described with reference to FIGS. First, n-type impurities are implanted into the surface of the
まず図44乃至図46を参照しつつ、第1の工程について説明する。図44は容量素子の平面図であり、図40と同様の領域を示している。図45及び図46は、図44におけるX4−X4’線及びY3−Y3’線に沿った断面図である。 First, the first step will be described with reference to FIGS. FIG. 44 is a plan view of the capacitive element and shows the same region as FIG. 45 and 46 are sectional views taken along lines X4-X4 'and Y3-Y3' in FIG.
図示するように、第1の実施形態で説明した図26乃至図28の工程と同様に、異方性のエッチングにより多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16をエッチングする。すなわち、周辺回路3においては、各層14〜16は第1方向に沿ったストライプ形状に加工され、且つ第2方向に沿って互いに分離される。またこの際、各層14〜16は領域A4、A5に残存されるが、領域A6においては、ゲート間絶縁膜13及び多結晶シリコン層12と共に除去される。その結果、領域A6ではゲート絶縁膜13の表面が露出される。同時に、メモリセルアレイ2においても、各層14〜16のエッチングが行われ、メモリセルトランジスタMTの積層ゲートが形成される。
As shown in the figure, the
第1の実施形態で説明した通り、素子領域AAの端部(すなわち拡散層50及び多結晶シリコン層12)から外側に0.02μmから0.5μm程度突出した形状とされる。本工程では、容量素子およびダミー素子の幅はメモリセルトランジスタMTより十分に大きいので、メモリセルアレイ2と同様の高精度および高解像度のリソグラフィとエッチングをする必要は必ずしもない。すなわち、メモリセルアレイ2のフォトリソグラフィとエッチングと別工程とすれば、より解像度の低い安価なリソグラフィで行うことが出来る。この場合、容量素子及びダミー素子の素子領域AA端部から0.02μm〜0.5μmまでの範囲で広げた幅は、素子領域AAとの合わせ精度より大きければ、多結晶シリコン層12、14のゲート間絶縁膜13を介した容量はほとんど変動しないため、安価なリソグラフィを用いても寄生容量の精度のよい容量素子が実現できる。
As described in the first embodiment, the shape protrudes outward from the end of the element region AA (ie, the
次に図47乃至図49を参照しつつ、第2の工程について説明する。図47は容量素子の平面図であり、図40と同様の領域を示している。図48及び図49は、図47におけるX4−X4’線及びY3−Y3’線に沿った断面図である。 Next, the second step will be described with reference to FIGS. FIG. 47 is a plan view of the capacitive element and shows the same region as FIG. 48 and 49 are sectional views taken along lines X4-X4 'and Y3-Y3' in FIG.
図47及び図49に示すように、フォトリソグラフィ技術と異方性のエッチングにより、周辺回路3内における多結晶シリコン層14、金属層15、及び絶縁膜16のエッチングを行う。本エッチングは、上記各層14〜16を第2方向に沿って除去するように行われる。その結果、各層14〜16は、領域A4、A5に分離される。各領域は領域51によって電気的に分離される。領域51の第1方向に沿った長さは、例えば50nm以上1μm以下である。前述の通り、容量素子においては安価な解像度の低いリソグラフィ装置により、領域51を形成することができる。またエッチングは、領域51の位置が、開口部53に近接するように行われる。これにより、領域A5の第1方向に沿った長さを大きく出来、ゲート間絶縁膜13をキャパシタ絶縁膜として用いた容量素子の、電極対向面積を確保出来る。
As shown in FIGS. 47 and 49, the
本工程におけるエッチングは、多結晶シリコン層14に対してシリコン酸化膜のエッチング速度が遅いエッチング条件が用いられる。その結果図49に示すように、領域51におけるゲート間絶縁膜13が残存される。これにより、領域51において多結晶シリコン層12の一部もエッチングされることが防止出来る。更に第1の実施形態と同様に、図48に示すように、領域51における絶縁膜32の表面もエッチングされ、素子分離領域STI内に凹部38が形成される。
The etching in this step uses etching conditions in which the etching rate of the silicon oxide film is slower than that of the
次に、図50乃至図53を参照しつつ第3の工程について説明する。図50は容量素子の平面図であり、図40と同様の領域を示している。図51乃至図53は、図50におけるX4−X4’線、X5−X5’線、及びY3−Y3’線に沿った断面図である。本工程では、第1の実施形態で説明した図32乃至図35の工程と同様に、まず側壁絶縁膜18を形成する。第1の実施形態と異なる点は、領域A5とA6との境界部分において、多結晶シリコン層12及びゲート間絶縁膜13の側面が露出されているので、この露出した側面にも側壁絶縁膜18が形成される点である。
Next, the third step will be described with reference to FIGS. FIG. 50 is a plan view of the capacitive element, and shows the same region as FIG. 51 to 53 are sectional views taken along lines X4-X4 ', X5-X5', and Y3-Y3 'in FIG. In this step, the
その後、第1の実施形態と同様のp型不純物の注入工程を行う。この際フォトレジスト45は、領域A4、A5において第1方向に沿ったストライプ形状を有し、その幅は多結晶シリコン層12の幅(第2方向に沿った長さ)よりも小さい。そしてフォトレジスト45は、領域A4、A5において絶縁膜16に完全に戴置されるように形成される。つまり図50に示すように、領域A4、A5においては、第2方向に沿ってフォトレジスト45の両側に、当該フォトレジスト45が戴置される絶縁膜16、18の上面が露出する。更に領域51においては、フォトレジスト45は多結晶シリコン層12上に形成され、フォトレジスト45の両側に、当該フォトレジスト45が戴置される多結晶シリコン層12の上面が露出する。更に、領域A4、A5において側壁絶縁膜18間の素子分離領域STIの上面、及び領域51において多結晶シリコン層12間の素子分離領域STIの上面及び凹部38の底面も露出されている。また領域A6では、全面がフォトレジスト45によって被覆される。すなわち、領域A6における拡散層50はフォトレジスト45によって被覆される。
Thereafter, a p-type impurity implantation step similar to that of the first embodiment is performed. At this time, the
フォトリソグラフィ工程の後、同一の半導体基板10上に形成されたp型MISFETのソース及びドレイン拡散層を形成するために、p型不純物のイオン注入が行われる。p型注入不純物としては、ボロン、または、BF2が用いられ、注入エネルギーとしては、2keVから40keVの間のエネルギーで、1014cm−2から1016cm−2の注入量が用いられる。このイオン注入により、領域51の溝部、及び絶縁膜32の凹部の底部を介して、半導体基板10中にp型不純物注入層47が形成される。また、領域51内にもp型不純物注入層35が形成される。その結果、多結晶シリコン層12においては、p型不純物注入層35において電子濃度が下がる。その結果、絶縁膜33、32を介したリーク電流を減少させることが出来る。本工程の詳細、及び注入層35、47による効果は、第1の実施形態において説明した通りである。
After the photolithography process, ion implantation of p-type impurities is performed in order to form the source and drain diffusion layers of the p-type MISFET formed on the
次に、図54乃至図57を参照しつつ第4の工程について説明する。図54は容量素子の平面図であり、図40と同様の領域を示している。図55及び図57は、図54におけるX4−X4’線、X5−X5’線、及びY3−Y3’線に沿った断面図である。本工程では、第1の実施形態で説明した図36乃至図39の工程と同様に、領域51における多結晶シリコン層12の中央部にn型不純物を注入する。
Next, the fourth step will be described with reference to FIGS. FIG. 54 is a plan view of the capacitive element and shows the same region as FIG. 55 and 57 are sectional views taken along lines X4-X4 ', X5-X5', and Y3-Y3 'in FIG. In this step, an n-type impurity is implanted into the central portion of the
フォトレジスト45を除去した後、再度全面にフォトレジスト46を塗布する。そして、フォトレジスト46をフォトリソグラフィ工程により、図54乃至図57に示すようにパターニングする。すなわちフォトレジスト46は、第1方向に沿ったストライプ形状の開口部を有し、且つその開口部内に、領域51内の多結晶シリコン層12表面、及び領域A4、A5内の絶縁膜16表面が露出するようにパターニングされる。そしてこの際、隣接する容量素子間の絶縁膜32上、及びp型不純物注入層35の上面を、フォトレジスト46が被覆するようにパターニングする。更に、領域A6ではフォトレジスト46は除去されて、素子分離領域STI表面と拡散層52表面が露出される。従って、領域51においては、多結晶シリコン層12の中央部、すなわち図50乃至図53においてp型不純物が注入されなかった領域の上面が露出されることとなる。つまり、領域51において、多結晶シリコン層12の端部から第2方向に沿って50nm以上離れた領域が露出される。なお本工程は、後述するn型ソースドレイン拡散層を形成するn型不純物を選択的にイオン注入するために行われるフォトレジスト塗布工程とフォトリソグラフィ工程と同じ工程を用いることにより、工程数の増大を防ぐことができる。
After removing the
上記フォトリソグラフィ工程の後、第1の実施形態で説明した図36乃至図39と同様に、n型不純物のイオン注入が行われる。使用されるn型注入不純物は前述の通り、リンまたは砒素であり、注入エネルギーは5keVから60keVの間のエネルギーであり、注入量は1014cm−2から1016cm−2程度である。 After the photolithography process, ion implantation of n-type impurities is performed as in FIGS. 36 to 39 described in the first embodiment. As described above, the n-type implanted impurity used is phosphorus or arsenic, the implantation energy is an energy between 5 keV and 60 keV, and the implantation amount is about 10 14 cm −2 to 10 16 cm −2 .
本工程において、領域51における多結晶シリコン層12の縁部、すなわちp型不純物注入層35にn型不純物が注入されることがない。従って、多結晶シリコン層12において絶縁膜32に沿った部分(すなわち注入層35)の電子濃度を下げて導電性を下げることができ、絶縁膜33、32を通じたリーク電流を減少させることができる。また、領域51において多結晶シリコン層14が残存した場合でも同様の効果が得られる。なお、フォトレジスト46の境界としては、領域51において多結晶シリコン層12の上面が露出され、望ましくは、多結晶シリコン層12上面の縁部(端)から第2方向に沿って50nm以上の部分が露出されるように形成する。また図54では、ダミー素子については領域51上でフォトレジスト46を開口させない場合について示しているが、これは本領域が回路素子として用いることがないためであり、勿論容量素子部分と同様に開口してもよい。
In this step, the n-type impurity is not implanted into the edge of the
また、領域51内のゲート間絶縁膜13がエッチングにより剥離される場合、その下地の多結晶シリコン層12もエッチングされ、そのエッチング深さもばらつく。このため、多結晶シリコン層12にイオン注入される不純物の深さおよびドーズ量もばらつく。しかし本実施形態であると、領域51における多結晶シリコン層12に対してn型不純物が注入される。よって、注入される前よりも電子濃度を上昇させることができる。これにより、領域44内における多結晶シリコン層12の直列抵抗成分の絶対値を低減できる。このため、多結晶シリコン層12を容量素子の電極として使用する場合に、当該電極部分の寄生抵抗値を減少させ、容量素子の精度を向上できる。これらにより、直列寄生抵抗の絶対値および変動幅が小さいために、回路のタイミング発生回路に用いる場合には、時定数が小さい回路を形成でき、より高速動作する回路を作成できる。
When the inter-gate insulating
更に、図56に示すように領域51では、素子分離領域STI内の絶縁膜32の一部が深くエッチングされて、凹部38が形成されている。すると、n型不純物イオンを注入する際、凹部38が深くなると、素子分離絶縁膜STI下の半導体基板10まで注入されるおそれがある。しかし、本実施形態であると、凹部38はフォトレジスト46により埋め込まれる。従って、半導体基板10内にn型不純物が注入される問題が生じない。従って、容量素子の容量の変動幅を小さくでき、回路のタイミング発生回路に用いる場合には、タイミング余裕を小さくしても動作マージンを確保できる。
なお、図54乃至図57で説明したn型不純物の注入工程は、図50乃至図53のp型不純物の注入工程と順番を入れ替えて行っても良いし、連続した工程で無くても良い。また、図54乃至図57で説明したフォトレジストのパターニング工程は、図50乃至図53のフォトレジストのパターニング工程とそれぞれ独立に実施しても、n型不純物が領域47の位置に注入されない効果、および、p型不純物が領域47の位置に注入される効果が独立に得られるので、差し支えない。
Further, as shown in FIG. 56, in the
Note that the n-type impurity implantation step described with reference to FIGS. 54 to 57 may be performed in the same order as the p-type impurity implantation step in FIGS. 50 to 53, or may not be a continuous process. Further, even if the photoresist patterning process described with reference to FIGS. 54 to 57 is performed independently of the photoresist patterning process of FIGS. Also, since the effect of implanting the p-type impurity at the position of the
その後は、第1の実施形態と同様に層間絶縁膜、コンタクトプラグ、及び金属配線層等を形成して、図40乃至図43に示す容量素子が完成する。 Thereafter, interlayer insulating films, contact plugs, metal wiring layers, and the like are formed in the same manner as in the first embodiment, and the capacitive element shown in FIGS. 40 to 43 is completed.
なお、この発明の実施形態は上記に限定されるものでは無い。例えば、素子分離用の絶縁膜や絶縁膜形成法は、シリコンをシリコン酸化膜やシリコン窒化膜に変換する以外の方法を用いても良い。例えば、酸素イオンを堆積したシリコンに注入する方法や、堆積したシリコンを酸化する方法を用いてもかまわない。また、ゲート間絶縁膜13は、Ti02やHfO、Al203、HfAlO、HfSiO、タンタル酸化膜、チタン酸ストロンチウムやチタン酸バリウム、チタン酸ジルコニウム鉛、シリコン酸窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、或いはこれらのそれら積層膜を用いてもよい。
The embodiment of the present invention is not limited to the above. For example, as an insulating film for element isolation or an insulating film forming method, a method other than converting silicon into a silicon oxide film or a silicon nitride film may be used. For example, a method of injecting oxygen ions into the deposited silicon or a method of oxidizing the deposited silicon may be used. Further, the
また上記実施形態では、半導体基板10としてp型シリコン基板を用いる例について説明した。しかし、p型シリコン基板の代わりにn型シリコン基板やSOI基板を用いてもよいし、SiGe混晶、SiGeC混晶など、シリコンを含む他の単結晶半導体基板でもよい。さらに、金属層16は、SiGe混晶、SiGeC混晶、TiSi、NiSi、CoSi、TaSi、WSi、MoSiなどのシリサイドやポリサイド、Ti、A1、Cu、TiN、Wなどの金属を用いることができ、多結晶であってもよいし、これらの積層権造にしてもよい。また、多結晶シリコン層12、14の代わりに、アモルファスシリコン、アモルフアスSiGe、アモルファスSiGeCを用いることができ、これらの積層構造にしてもよい。
In the above embodiment, an example in which a p-type silicon substrate is used as the
また、第2の実施形態で説明した容量素子においても、第1の実施形態における領域A2内の多結晶シリコン層14及び金属層15を、領域A4とA5との間に設けても良い。すなわち、領域A4とA5との間に、ゲート間絶縁膜13を介在して多結晶シリコン層12上に、多結晶シリコン層12及び金属層15を設けても良い。この場合、新たに設けた多結晶シリコン層14及び金属層15は、領域51によって領域A4、A5における多結晶シリコン層14及び金属層15と電気的に分離される。更に第2の実施形態においても第1の実施形態と同様、第2方向に沿って複数配列された容量素子は、金属配線層58または59によって、互いに電気的に接続されていても良い。
In the capacitive element described in the second embodiment, the
すなわち、この発明の第1の実施形態に係る半導体装置は、半導体基板10中に形成された第1素子分離領域(メモリセルアレイ2における素子分離領域STI、図2及び図4参照)と、
前記第1素子分離領域によって互いに電気的に分離された第1半導体領域(メモリセルアレイ2内における素子領域AA、図2及び図4参照)と、
前記第1半導体領域上に形成され、データ保持可能なメモリセル(メモリセルトランジスタMT、図3参照)と、
前記半導体基板10中に形成された第2素子分離領域(周辺回路3における素子分離領域STI、図5乃至図8参照)と、
前記第2素子分離領域によって互いに電気的に分離されたストライプ形状の第2半導体領域(周辺回路3における素子領域AA、図5参照)と、
前記第2半導体領域上に形成された前記ストライプ形状の抵抗素子(周辺回路3における多結晶シリコン層12、14、金属層15、及び領域44、図5乃至図8参照)と、
前記抵抗素子の一端及び他端にそれぞれ接続された第1、第2金属配線層(周辺回路3における金属配線層39、38、図5及び図8参照)と、
前記第2素子分離領域直下の前記半導体基板内に形成された第3半導体領域(周辺回路3におけるp型不純物注入層47、図5及び図7参照)とを具備する。
そして図3に示すように、前記メモリセルは、前記第1半導体領域上に第1絶縁膜11を介在して形成された第1導電型の浮遊ゲート電極12と、前記浮遊ゲート電極12上に第2絶縁膜13を介在して形成された制御ゲート電極14、15とを備える。
また図5乃至図8に示すように前記抵抗素子は、前記第2半導体領域上に第3絶縁膜60を介在して形成された導電体層12と、前記導電体層12の前記ストライプ形状における長手方向の両端にそれぞれ電気的に接続され、且つ前記第1、第2金属配線層39、38にそれぞれ接続された第1電極(領域A1における多結晶シリコン層14及び金属層15、図8参照)及び第2電極(領域A3における多結晶シリコン層14及び金属層15、図8参照)と、前記第1、第2電極を電気的に分離する電極分離領域(領域44、図5及び図8参照)とを備える。
更に、前記導電体層(周辺回路3における多結晶シリコン層12)は、前記第2素子分離領域に対して自己整合的に形成され、
前記浮遊ゲート電極12と前記導電体層12とは同一の材料を用いて形成され、
前記制御ゲート電極14、15と前記第1、第2電極(周辺回路3における多結晶シリコン層14及び金属層15)とは同一の材料を用いて形成され、
前記電極分離領域44に隣接する前記第2素子分離領域は、表面に凹部38(図5及び図7参照)を有し、
前記第3半導体領域47は、前記第1導電型と逆導電型の第2導電型を有し、前記第2素子分離領域の前記凹部38直下に設けられている(図7参照)。
That is, the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention includes a first element isolation region (element isolation region STI in the
A first semiconductor region (element region AA in the
A memory cell (memory cell transistor MT, see FIG. 3) formed on the first semiconductor region and capable of holding data;
A second element isolation region formed in the semiconductor substrate 10 (element isolation region STI in the
Stripe-shaped second semiconductor regions (element regions AA in the
The stripe-shaped resistance element (polycrystalline silicon layers 12 and 14,
First and second metal wiring layers connected to one end and the other end of the resistance element (see metal wiring layers 39 and 38 in the
A third semiconductor region (p-type
As shown in FIG. 3, the memory cell includes a first conductive type floating
Further, as shown in FIGS. 5 to 8, the resistance element includes a
Further, the conductor layer (
The floating
The
The second element isolation region adjacent to the
The
更に、この発明の第2の実施形態に係る半導体装置は、半導体基板10中に形成された第1素子分離領域(メモリセルアレイ2における素子分離領域STI、図2及び図4参照)と、
前記第1素子分離領域によって互いに電気的に分離された第1半導体領域(メモリセルアレイ2内における素子領域AA、図2及び図4参照)と、
前記第1半導体領域上に形成され、データ保持可能なメモリセル(メモリセルトランジスタMT、図3参照)と、
前記半導体基板中に形成された第2素子分離領域(周辺回路3における素子分離領域STI、図40乃至図43参照)と、
前記第2素子分離領域によって互いに電気的に分離された第2半導体領域(周辺回路3における素子領域AA、図40乃至図43参照)と、
前記第2半導体領域上に形成された容量素子(周辺回路3における多結晶シリコン層12、14、ゲート間絶縁膜13、金属層15、及び領域51、図40乃至図43参照)と、
前記容量素子の一方電極及び他方電極にそれぞれ接続された第1、第2金属配線層(周辺回路3における金属配線層59、58、図40及び図43参照)と、
前記第2素子分離領域直下の前記半導体基板内に形成された第3半導体領域(周辺回路3におけるp型不純物注入層47、図40及び図42参照)とを具備する。
そして図3に示すように、前記メモリセルは、前記第1半導体領域上に第1絶縁膜11を介在して形成された第1導電型の浮遊ゲート電極12と、前記浮遊ゲート電極12上に第2絶縁膜13を介在して形成された制御ゲート電極14、15とを備える。
また図40乃至図43に示すように前記容量素子は、前記第2半導体領域上に第3絶縁膜60を介在して形成された導電体層12と、前記導電体層12上に形成された第4絶縁膜13と、前記第4絶縁膜13上に形成され且つ前記第1金属配線層59に接続された第1電極(領域A5における多結晶シリコン層14及び金属層15)と、前記導電体層12に電気的に接続されるように形成され且つ前記第2金属配線層58に接続された第2電極(領域A4における多結晶シリコン層14及び金属層15)と、前記第1、第2電極を電気的に分離する電極分離領域(領域51、図40及び図43参照)とを備える。
更に、前記導電体層(周辺回路3における多結晶シリコン層12)は、前記第2素子分離領域に対して自己整合的に形成され、
前記浮遊ゲート電極12と前記導電体層12とは同一の材料を用いて形成され、
前記制御ゲート電極14、15と前記第1、第2電極(周辺回路3における多結晶シリコン層14及び金属層15)とは同一の材料を用いて形成され、
前記電極分離領域51に隣接する前記第2素子分離領域は、表面に凹部38(図40及び図42参照)を有し、
前記第3半導体領域47は、前記第1導電型と逆導電型の第2導電型を有し、前記第2素子分離領域の前記凹部38直下に設けられている(図42参照)。
Furthermore, the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention includes a first element isolation region (element isolation region STI in the
A first semiconductor region (element region AA in the
A memory cell (memory cell transistor MT, see FIG. 3) formed on the first semiconductor region and capable of holding data;
A second element isolation region (element isolation region STI in the
A second semiconductor region (element region AA in the
A capacitive element formed on the second semiconductor region (polycrystalline silicon layers 12 and 14, intergate insulating
First and second metal wiring layers (refer to metal wiring layers 59 and 58 in the
A third semiconductor region (p-type
As shown in FIG. 3, the memory cell includes a first conductive type floating
As shown in FIGS. 40 to 43, the capacitive element is formed on the
Further, the conductor layer (
The floating
The
The second element isolation region adjacent to the
The
なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the column of the effect of the invention Can be extracted as an invention.
1…NAND型フラッシュメモリ、2…メモリセルアレイ、3…周辺回路、10…半導体基板、11、60…ゲート絶縁膜、12、14…多結晶シリコン層、13…ゲート間絶縁膜、15…金属層、16、18、19、22、31〜33、40…絶縁膜、17、52…n+型不純物拡散層、20、21、23、38、39、58、59…金属配線層、30…溝、34、44、51…領域、35、47…p型不純物注入層、36、37、55〜57…コンタクトプラグ、41、42、45、46…フォトレジスト、43、53…開口部、50…n型拡散層
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1素子分離領域によって互いに電気的に分離された第1半導体領域と、
前記第1半導体領域上に形成され、データ保持可能なメモリセルと、
前記半導体基板中に形成された第2素子分離領域と、
前記第2素子分離領域によって互いに電気的に分離されたストライプ形状の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域上に形成された前記ストライプ形状の抵抗素子と、
前記抵抗素子の一端及び他端にそれぞれ接続された第1、第2金属配線層と、
前記第2素子分離領域直下の前記半導体基板内に形成された第3半導体領域と
を具備し、前記メモリセルは、前記第1半導体領域上に第1絶縁膜を介在して形成された第1導電型の浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極上に第2絶縁膜を介在して形成された制御ゲート電極とを備え、
前記抵抗素子は、前記第2半導体領域上に第3絶縁膜を介在して形成された導電体層と、前記導電体層の前記ストライプ形状における長手方向の両端にそれぞれ電気的に接続され、且つ前記第1、第2金属配線層にそれぞれ接続された第1電極及び第2電極と、前記第1、第2電極を電気的に分離する電極分離領域とを備え、
前記導電体層は、前記前記第2素子分離領域に対して自己整合的に形成され、
前記浮遊ゲート電極と前記導電体層とは同一の材料を用いて形成され、
前記制御ゲート電極と前記第1、第2電極とは同一の材料を用いて形成され、
前記電極分離領域に隣接する前記第2素子分離領域は、表面に凹部を有し、
前記第3半導体領域は、前記第1導電型と逆導電型の第2導電型を有し、前記第2素子分離領域の前記凹部直下に設けられている
ことを特徴とする半導体装置。 A first element isolation region formed in the semiconductor substrate;
A first semiconductor region electrically isolated from each other by the first element isolation region;
A memory cell formed on the first semiconductor region and capable of holding data;
A second element isolation region formed in the semiconductor substrate;
Stripe-shaped second semiconductor regions electrically isolated from each other by the second element isolation region;
The stripe-shaped resistance element formed on the second semiconductor region;
First and second metal wiring layers respectively connected to one end and the other end of the resistance element;
A third semiconductor region formed in the semiconductor substrate immediately below the second element isolation region, and the memory cell is formed by interposing a first insulating film on the first semiconductor region. A conductive floating gate electrode; and a control gate electrode formed on the floating gate electrode with a second insulating film interposed therebetween,
The resistance element is electrically connected to a conductor layer formed on the second semiconductor region with a third insulating film interposed therebetween, and to both ends in the longitudinal direction of the stripe shape of the conductor layer; and A first electrode and a second electrode connected to the first and second metal wiring layers, respectively, and an electrode separation region for electrically separating the first and second electrodes;
The conductor layer is formed in a self-aligned manner with respect to the second element isolation region,
The floating gate electrode and the conductor layer are formed using the same material,
The control gate electrode and the first and second electrodes are formed using the same material,
The second element isolation region adjacent to the electrode isolation region has a recess on the surface,
The third semiconductor region has a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and is provided immediately below the concave portion of the second element isolation region.
前記抵抗素子は、各々の前記第2半導体領域上にそれぞれ形成され、且つ隣接する前記抵抗素子の前記第1、第2電極のいずれかは互いに電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The second semiconductor region is disposed in parallel at a constant width and interval via the second element isolation region,
The resistance element is formed on each of the second semiconductor regions, and any one of the first and second electrodes of the adjacent resistance elements is electrically connected to each other. Item 14. The semiconductor device according to Item 1.
前記第1素子分離領域によって互いに電気的に分離された第1半導体領域と、
前記第1半導体領域上に形成され、データ保持可能なメモリセルと、
前記半導体基板中に形成された第2素子分離領域と、
前記第2素子分離領域によって互いに電気的に分離された第2半導体領域と、
前記第2半導体領域上に形成された容量素子と、
前記容量素子の一方電極及び他方電極にそれぞれ接続された第1、第2金属配線層と、
前記第2素子分離領域直下の前記半導体基板内に形成された第3半導体領域と
を具備し、前記メモリセルは、前記第1半導体領域上に第1絶縁膜を介在して形成された第1導電型の浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極上に第2絶縁膜を介在して形成された制御ゲート電極とを備え、
前記容量素子は、前記第2半導体領域上に第3絶縁膜を介在して形成された導電体層と、前記導電体層上に形成された第4絶縁膜と、前記第4絶縁膜上に形成され且つ前記第1金属配線層に接続された第1電極と、前記導電体層に電気的に接続されるように形成され且つ前記第2金属配線層に接続された第2電極と、前記第1、第2電極を電気的に分離する電極分離領域とを備え、
前記導電体層は、前記前記第2素子分離領域に対して自己整合的に形成され、
前記浮遊ゲート電極と前記導電体層とは同一の材料を用いて形成され、
前記制御ゲート電極と前記第1、第2電極とは同一の材料を用いて形成され、
前記電極分離領域に隣接する前記第2素子分離領域は、表面に凹部を有し、
前記第3半導体領域は、前記第1導電型と逆導電型の第2導電型を有し、前記第2素子分離領域の前記凹部直下に設けられている
ことを特徴とする半導体装置。 A first element isolation region formed in the semiconductor substrate;
A first semiconductor region electrically isolated from each other by the first element isolation region;
A memory cell formed on the first semiconductor region and capable of holding data;
A second element isolation region formed in the semiconductor substrate;
A second semiconductor region electrically isolated from each other by the second element isolation region;
A capacitive element formed on the second semiconductor region;
First and second metal wiring layers respectively connected to one electrode and the other electrode of the capacitive element;
A third semiconductor region formed in the semiconductor substrate immediately below the second element isolation region, and the memory cell is formed by interposing a first insulating film on the first semiconductor region. A conductive floating gate electrode; and a control gate electrode formed on the floating gate electrode with a second insulating film interposed therebetween,
The capacitive element includes a conductor layer formed on the second semiconductor region with a third insulating film interposed therebetween, a fourth insulating film formed on the conductor layer, and a fourth insulating film on the fourth insulating film. A first electrode formed and connected to the first metal wiring layer; a second electrode formed to be electrically connected to the conductor layer and connected to the second metal wiring layer; An electrode separation region for electrically separating the first and second electrodes,
The conductor layer is formed in a self-aligned manner with respect to the second element isolation region,
The floating gate electrode and the conductor layer are formed using the same material,
The control gate electrode and the first and second electrodes are formed using the same material,
The second element isolation region adjacent to the electrode isolation region has a recess on the surface,
The third semiconductor region has a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and is provided immediately below the concave portion of the second element isolation region.
前記ゲート絶縁膜上に、抵抗素子として機能する第1導電型の半導体層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜及び前記半導体層を貫通するようにして、第1方向に沿ったストライプ形状の第1の溝を、前記半導体基板内に、前記第1方向に直交する第2方向に沿って複数形成する工程と、
前記第1の溝内に絶縁膜を埋め込むことにより、素子分離領域を形成する工程と、
前記半導体層上にゲート間絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート間絶縁膜の一部を除去して第1開口部及び第2開口部を形成し、該第1、第2開口部内に前記半導体層を露出させる工程と、
前記第1開口部及び前記第2開口部を被覆するようにして、前記半導体層上、前記ゲート間絶縁膜上、及び前記素子分離領域上に、前記抵抗素子の電極層を形成する工程と、
前記電極層を、前記第2方向で隣接する前記素子分離領域に挟まれた前記半導体層及び前記ゲート間絶縁膜を被覆するように、前記第1方向に沿ったストライプ形状にパターニングして、前記素子分離領域の上面を露出させる工程と、
前記電極層の一部を除去して前記ゲート間絶縁膜を露出させることで前記電極層を前記第1方向に沿った2つの領域に分割することにより、互いに電気的に分離され、且つそれぞれ第1、第2開口部を介して前記半導体層に接する第1電極及び第2電極を形成する工程と、
前記電極層の一部を除去する工程において、該電極層の除去される領域に前記第2方向で隣接する領域の前記素子分離領域の前記絶縁膜の表面を除去して、該絶縁膜内に第2の溝を形成する工程と、
前記第1、第2電極上、及び前記電極層が除去された領域における前記半導体層上に、前記第1方向に沿ったストライプ形状の第1マスク材を形成する工程と、
前記第1マスク材をマスクに用いた第2導電型の第1不純物のイオン注入を行うことにより、前記第2の溝直下の領域における前記半導体基板中に前記第1不純物を注入して、不純物注入層を形成する工程と、
前記第1マスク材を除去した後、前記素子分離領域の上面を被覆し、且つ前記第1方向に沿ったストライプ形状の第2マスク材を形成する工程と、
前記第2マスク材をマスクに用いた第1導電型の第2不純物のイオン注入を行うことにより、前記第2の溝直下の領域に対する前記第2不純物の注入を防止しつつ、前記第2不純物を前記半導体層中及び前記第1、第2電極中に注入する工程と、
前記第1、第2電極上にコンタクトプラグを形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a first conductivity type semiconductor layer functioning as a resistance element on the gate insulating film;
A plurality of stripe-shaped first grooves extending in the first direction so as to penetrate the gate insulating film and the semiconductor layer are formed in the semiconductor substrate along the second direction orthogonal to the first direction. Forming, and
Forming an element isolation region by embedding an insulating film in the first trench;
Forming an intergate insulating film on the semiconductor layer;
Removing a part of the inter-gate insulating film to form a first opening and a second opening, and exposing the semiconductor layer in the first and second openings;
Forming an electrode layer of the resistive element on the semiconductor layer, on the inter-gate insulating film, and on the element isolation region so as to cover the first opening and the second opening;
Patterning the electrode layer in a stripe shape along the first direction so as to cover the semiconductor layer and the inter-gate insulating film sandwiched between the element isolation regions adjacent in the second direction; Exposing the upper surface of the element isolation region;
The electrode layer is separated into two regions along the first direction by removing a part of the electrode layer and exposing the intergate insulating film, thereby being electrically separated from each other, and 1. forming a first electrode and a second electrode in contact with the semiconductor layer through a second opening;
In the step of removing a part of the electrode layer, the surface of the insulating film in the element isolation region in a region adjacent to the region in which the electrode layer is removed in the second direction is removed, Forming a second groove;
Forming a stripe-shaped first mask material along the first direction on the first and second electrodes and on the semiconductor layer in the region where the electrode layer is removed;
By implanting ions of a second conductivity type first impurity using the first mask material as a mask, the first impurity is implanted into the semiconductor substrate in a region immediately below the second groove, thereby Forming an injection layer;
After removing the first mask material, covering the upper surface of the element isolation region and forming a stripe-shaped second mask material along the first direction;
By performing ion implantation of the first conductivity type second impurity using the second mask material as a mask, the second impurity is prevented from being implanted into the region immediately below the second groove. Injecting into the semiconductor layer and the first and second electrodes;
And a step of forming contact plugs on the first and second electrodes.
前記ゲート絶縁膜上に、第1導電型の半導体層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜及び前記半導体層を貫通するようにして、第1方向に沿ったストライプ形状の第1の溝を、前記半導体基板内に、前記第1方向に直交する第2方向に沿って複数形成する工程と、
前記第1の溝内に絶縁膜を埋め込むことにより、素子分離領域を形成する工程と、
前記半導体層上に、容量素子のキャパシタ絶縁膜として機能するゲート間絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート間絶縁膜の一部を除去して開口部を形成し、該開口部内に前記半導体層を露出させる工程と、
前記開口部を被覆するようにして、前記半導体層上、前記ゲート間絶縁膜上、及び前記素子分離領域上に、前記容量素子の電極層を形成する工程と、
前記電極層を、前記第2方向で隣接する前記素子分離領域に挟まれた前記半導体層及び前記ゲート間絶縁膜を被覆するように、前記第1方向に沿ったストライプ形状にパターニングして、前記素子分離領域の上面を露出させる工程と、
前記電極層の一部を除去して前記ゲート間絶縁膜を露出させることで前記電極層を前記第1方向に沿った2つの領域に分割することにより、前記ゲート間絶縁膜によって前記半導体層と電気的に分離された第1電極と、該第1電極に離隔し、且つ前記開口部を介して前記半導体層に接する第2電極とを形成する工程と、
前記電極層の一部を除去する工程において、該電極層の除去される領域に前記第2方向で隣接する領域の前記素子分離領域の前記絶縁膜の表面を除去して、該絶縁膜内に第2の溝を形成する工程と、
前記第1、第2電極上、及び前記電極層が除去された領域における前記半導体層上に、前記第1方向に沿ったストライプ形状の第1マスク材を形成する工程と、
前記第1マスク材をマスクに用いた第2導電型の第1不純物のイオン注入を行うことにより、前記第2の溝直下の領域における前記半導体基板中に前記第1不純物を注入して、不純物注入層を形成する工程と、
前記第1マスク材を除去した後、前記素子分離領域の上面を被覆し、且つ前記第1方向に沿ったストライプ形状の第2マスク材を形成する工程と、
前記第2マスク材をマスクに用いた第1導電型の第2不純物のイオン注入を行うことにより、前記第2の溝直下の領域に対する前記第2不純物の注入を防止しつつ、前記第2不純物を前記半導体層中及び前記第1、第2電極中に注入する工程と、
前記第1、第2電極上にコンタクトプラグを形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a first conductivity type semiconductor layer on the gate insulating film;
A plurality of stripe-shaped first grooves extending in the first direction so as to penetrate the gate insulating film and the semiconductor layer are formed in the semiconductor substrate along the second direction orthogonal to the first direction. Forming, and
Forming an element isolation region by embedding an insulating film in the first trench;
Forming an inter-gate insulating film functioning as a capacitor insulating film of a capacitive element on the semiconductor layer;
Removing a part of the inter-gate insulating film to form an opening, and exposing the semiconductor layer in the opening;
Forming an electrode layer of the capacitive element on the semiconductor layer, the inter-gate insulating film, and the element isolation region so as to cover the opening;
Patterning the electrode layer in a stripe shape along the first direction so as to cover the semiconductor layer and the inter-gate insulating film sandwiched between the element isolation regions adjacent in the second direction; Exposing the upper surface of the element isolation region;
The electrode layer is divided into two regions along the first direction by removing a part of the electrode layer to expose the inter-gate insulating film, so that the inter-gate insulating film and the semiconductor layer are separated from each other. Forming a first electrode electrically separated, and a second electrode spaced apart from the first electrode and in contact with the semiconductor layer through the opening;
In the step of removing a part of the electrode layer, the surface of the insulating film in the element isolation region in a region adjacent to the region in which the electrode layer is removed in the second direction is removed, Forming a second groove;
Forming a stripe-shaped first mask material along the first direction on the first and second electrodes and on the semiconductor layer in the region where the electrode layer is removed;
By implanting ions of a second conductivity type first impurity using the first mask material as a mask, the first impurity is implanted into the semiconductor substrate in a region immediately below the second groove, thereby Forming an injection layer;
After removing the first mask material, covering the upper surface of the element isolation region and forming a stripe-shaped second mask material along the first direction;
By performing ion implantation of the first conductivity type second impurity using the second mask material as a mask, the second impurity is prevented from being implanted into the region immediately below the second groove. Injecting into the semiconductor layer and the first and second electrodes;
And a step of forming contact plugs on the first and second electrodes.
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