JP2009239028A - 半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】同一基板上に形成されたメモリセル、トランジスタ及び抵抗素子それぞれの特性を向上させる。
【解決手段】半導体記憶装置は、半導体基板11と、半導体基板11に設けられ、かつトンネル絶縁膜15、電荷蓄積層16、ブロック絶縁膜17、制御ゲート電極18が順に積層された積層ゲート構造14を有するメモリセルMTと、半導体基板11上にゲート絶縁膜22を介して設けられたゲート電極23を有するトランジスタSTと、半導体基板11上に設けられ、かつ多結晶シリコンからなる抵抗素子24とを具備する。制御ゲート電極18は、全体がシリサイド層からなり、ゲート電極23は、その上部の一部にシリサイド層を含む。
【選択図】 図12
【解決手段】半導体記憶装置は、半導体基板11と、半導体基板11に設けられ、かつトンネル絶縁膜15、電荷蓄積層16、ブロック絶縁膜17、制御ゲート電極18が順に積層された積層ゲート構造14を有するメモリセルMTと、半導体基板11上にゲート絶縁膜22を介して設けられたゲート電極23を有するトランジスタSTと、半導体基板11上に設けられ、かつ多結晶シリコンからなる抵抗素子24とを具備する。制御ゲート電極18は、全体がシリサイド層からなり、ゲート電極23は、その上部の一部にシリサイド層を含む。
【選択図】 図12
Description
本発明は、半導体記憶装置及びその製造方法に係り、例えばフラッシュメモリを備えた半導体記憶装置及びその製造方法に関する。
不揮発性半導体メモリとしては、データの書き込み及び消去を電気的に行うEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)の一種であるフラッシュメモリが知られている。さらに、フラッシュメモリセルの一種としてMONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)型のフラッシュメモリセルが知られている。このMONOS型セルは、金属/酸化膜/窒化膜/酸化膜/半導体領域の構造を有するセルトランジスタを用いており、微細化に適した構造を有している。例えばセルトランジスタの電荷蓄積層として窒化シリコンを用いたものは、浮遊ゲート型のセルトランジスタよりも低電圧書き込み、及び低電圧消去動作が可能である。
ところで、セルトランジスタにおいて、ゲート電極に用いられる多結晶シリコンをFUSI(fully silicided)化した構造が使用されている。このようにゲート電極をFUSI化することで、セルトランジスタの特性を向上させることができる。しかし、従来の製造方法では、セルトランジスタのゲート電極をFUSI化すると、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのゲート電極、及び多結晶シリコンを用いた抵抗素子もFUSI化されてしまい、以下の問題が発生する。
すなわち、MOSトランジスタにおいては、閾値電圧の変動が大きくなるため、動作特性の変動が大きくなってしまう。抵抗素子においては、その抵抗値が小さくなるため、素子面積が大きくなってしまう。
一方で、MOSトランジスタのゲート電極を全くシリサイド化しない場合は、ゲート電極の抵抗値が大きくなるため、電圧降下が問題となり、動作速度が低下してしまう。
また、この種の関連技術として、電界効果トランジスタのゲート電極を、フルシリサイドゲートと、部分的にシリサイド化されたシリサイド付きゲートとに作り分ける技術が開示されている(特許文献1参照)。
特開2005−228868号公報
本発明は、同一基板上に形成されたメモリセルトランジスタ、MOSトランジスタ及び抵抗素子それぞれの特性を向上させることが可能な半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。
本発明の第1の視点に係る半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられ、かつトンネル絶縁膜、電荷蓄積層、ブロック絶縁膜、制御ゲート電極が順に積層された積層ゲート構造を有するメモリセルと、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極を有するトランジスタと、前記半導体基板上に設けられ、かつ多結晶シリコンからなる抵抗素子とを具備する。前記制御ゲート電極は、全体がシリサイド層からなり、前記ゲート電極は、その上部の一部にシリサイド層を含む。
本発明の第2の視点に係る半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられ、かつトンネル絶縁膜、電荷蓄積層、ブロック絶縁膜、制御ゲート電極が順に積層された積層ゲート構造を有するメモリセルと、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極を有するトランジスタと、前記半導体基板上に設けられ、かつ多結晶シリコンからなる抵抗素子とを具備する。前記制御ゲート電極及び前記ゲート電極はそれぞれ、全体がシリサイド層からなる。
本発明の第3の視点に係る半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板の第1の領域上にトンネル絶縁膜、電荷蓄積層、ブロック絶縁膜、多結晶シリコンからなる制御ゲート電極が順に積層された積層ゲート構造を有するメモリセルを形成する工程と、前記半導体基板の第2の領域上にゲート絶縁膜を介して設けられかつ多結晶シリコンからなるゲート電極を有するトランジスタを形成する工程と、前記半導体基板の第3の領域上に、多結晶シリコンからなる抵抗素子を形成する工程と、ゲート電極間に絶縁層を埋め込む工程と、前記抵抗素子の上面及び側面にバリア膜を形成する工程と、前記第2の領域における前記絶縁層を第1の深さまでエッチバックし、前記ゲート電極の一部を露出する工程と、前記第1の領域における前記絶縁層を前記第1の深さより深い第2の深さまでエッチバックし、前記制御ゲート電極の一部を露出する工程と、前記制御ゲート電極及び前記ゲート電極の露出部分に、金属膜を形成する工程と、前記金属膜と多結晶シリコンとが反応するように、熱処理を施す工程とを具備する。
本発明の第4の視点に係る半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板の第1の領域上にトンネル絶縁膜、電荷蓄積層、ブロック絶縁膜、多結晶シリコンからなる制御ゲート電極が順に積層された積層ゲート構造を有するメモリセルを形成する工程と、前記半導体基板の第2の領域上にゲート絶縁膜を介して設けられかつ多結晶シリコンからなるゲート電極を有するトランジスタを形成する工程と、前記半導体基板の第3の領域上に、多結晶シリコンからなる抵抗素子を形成する工程と、ゲート電極間に絶縁層を埋め込む工程と、前記抵抗素子の上面及び側面に、バリア膜を形成する工程と、前記制御ゲート電極の上部と前記ゲート電極の上部とが露出するように、前記絶縁層を同じ深さエッチバックする工程と、前記制御ゲート電極及び前記ゲート電極の露出部分に、第1の金属膜を形成する工程と、前記第1の金属膜と多結晶シリコンとが反応するように、熱処理を施す工程と、前記ゲート電極の露出部分を覆うレジスト層を形成する工程と、前記制御ゲート電極の露出部分に、第2の金属膜を形成する工程と、前記第2の金属膜と多結晶シリコンとが反応するように、熱処理を施す工程とを具備する。
本発明によれば、同一基板上に形成されたメモリセルトランジスタ、MOSトランジスタ及び抵抗素子それぞれの特性を向上させることが可能な半導体記憶装置及びその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る半導体記憶装置は、同一の半導体基板上に設けられたメモリセル、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、及び抵抗素子を備えている。メモリセルは、不揮発性半導体メモリの一種でありかつ電気的に書き換えが可能なフラッシュメモリから構成される。フラッシュメモリの種類としては特に限定されず、NAND型、NOR型、AND型、DINOR(Divided bit-line NOR)型等のいずれを用いてもよい。なお、本実施形態では、NAND型フラッシュメモリを一例にあげて説明する。NAND型フラッシュメモリは、ブロック単位でデータの消去が行われるメモリである。
第1の実施形態に係る半導体記憶装置は、同一の半導体基板上に設けられたメモリセル、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、及び抵抗素子を備えている。メモリセルは、不揮発性半導体メモリの一種でありかつ電気的に書き換えが可能なフラッシュメモリから構成される。フラッシュメモリの種類としては特に限定されず、NAND型、NOR型、AND型、DINOR(Divided bit-line NOR)型等のいずれを用いてもよい。なお、本実施形態では、NAND型フラッシュメモリを一例にあげて説明する。NAND型フラッシュメモリは、ブロック単位でデータの消去が行われるメモリである。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るNAND型フラッシュメモリに含まれる1個のブロックの構成を示す回路図である。
ブロックは、X方向に沿って順に配置された(m+1)個のNANDストリングを備えている(mは、0以上の自然数)。各NANDストリングは、選択トランジスタST1、ST2、及び(n+1)個のメモリセルトランジスタMTを備えている(nは、0以上の自然数)。(m+1)個のNANDストリングにそれぞれ含まれる選択トランジスタST1は、ドレインがビット線BL0〜BLmに接続され、ゲートが選択ゲート線SGDに共通接続されている。また、選択トランジスタST2は、ソースがソース線SLに共通接続され、ゲートが選択ゲート線SGSに共通接続されている。
ブロックは、X方向に沿って順に配置された(m+1)個のNANDストリングを備えている(mは、0以上の自然数)。各NANDストリングは、選択トランジスタST1、ST2、及び(n+1)個のメモリセルトランジスタMTを備えている(nは、0以上の自然数)。(m+1)個のNANDストリングにそれぞれ含まれる選択トランジスタST1は、ドレインがビット線BL0〜BLmに接続され、ゲートが選択ゲート線SGDに共通接続されている。また、選択トランジスタST2は、ソースがソース線SLに共通接続され、ゲートが選択ゲート線SGSに共通接続されている。
各NANDストリングにおいて、(n+1)個のメモリセルトランジスタMTは、選択トランジスタST1のソースと選択トランジスタST2のドレインとの間に、それぞれの電流経路が直列接続されるように配置されている。すなわち、複数のメモリセルトランジスタMTは、隣接するもの同士で拡散領域(ソース領域若しくはドレイン領域)を共有するような形でY方向に直列接続される。
そして、最もドレイン側に位置するメモリセルトランジスタMTから順に、制御ゲート電極がワード線WL0〜WLnにそれぞれ接続されている。従って、ワード線WL0に接続されたメモリセルトランジスタMTのドレインは選択トランジスタST1のソースに接続され、ワード線WLnに接続されたメモリセルトランジスタMTのソースは選択トランジスタST2のドレインに接続されている。
ワード線WL0〜WLnは、ブロック内のNANDストリング間で、メモリセルトランジスタMTの制御ゲート電極を共通に接続している。つまり、ブロック内において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、同一のワード線WLに接続される。この同一のワード線WLに接続される(m+1)個のメモリセルトランジスタMTは1ページとして取り扱われ、このページごとにデータの書き込み及びデータの読み出しが行われる。
また、ビット線BL0〜BLmは、ブロック間で、選択トランジスタST1のドレインを共通に接続している。つまり、複数のブロック内において同一列にあるNANDストリングは、同一のビット線BLに接続される。
図2は、メモリセルトランジスタMTの構成を示す断面図である。本実施形態のメモリセルトランジスタMTは、MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)型のメモリセルである。また、メモリセルトランジスタMTは半導体基板11のメモリ領域に設けられている。
p型導電性の半導体基板11は、例えばp型半導体基板、p型ウェルを有する半導体基板、p型半導体層を有するSOI(Silicon on Insulating substance)型基板等である。p型半導体基板(p−sub)11内には、互いに離間して形成された2個のn+型拡散領域(ソース/ドレイン領域)12及び13が設けられている。n+型拡散領域12及び13は、p型半導体基板11内に高濃度のn+型不純物(P(リン)、As(ヒ素)等)を導入して形成される。
n+型拡散領域12及び13間でp型半導体基板11上には、積層ゲート構造14が形成されている。具体的には、積層ゲート構造14は、p型半導体基板11上に、トンネル絶縁膜15、電荷蓄積層16、ブロック絶縁膜17、制御ゲート電極18が順に積層されて構成されている。
p型半導体基板11としては、例えばシリコン(Si)が用いられる。トンネル絶縁膜15としては、例えば酸化シリコンが用いられる。電荷蓄積層16としては、例えば窒化シリコンが用いられる。
ブロック絶縁膜17としては、酸化アルミニウム(例えば、Al2O3)と窒化シリコンとの積層膜、或いは、酸化アルミニウムと窒化チタンとの積層膜等が用いられる。ブロック絶縁膜17に含まれる窒化物は、アルミニウムが制御ゲート電極18としてのシリコン内に拡散するのを防ぐために設けられている。酸化アルミニウムと制御ゲート電極18との間に窒化シリコン等を設けることで、アルミニウムとシリコンとが反応するのを防ぐことができるため、ブロック絶縁膜17の特性劣化を防ぐことができる。
本実施形態の制御ゲート電極18は、多結晶シリコン電極が完全にシリサイド化されたFUSI(fully silicided)ゲート電極によって構成されている。多結晶シリコンと反応させる金属としては、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、チタン(Ti)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等が用いられる。制御ゲート電極18をFUSI化することによって、制御ゲート電極18の仕事関数が大きくなり、制御ゲート電極18とブロック絶縁膜17との界面のバリアハイトが高くなる。この結果、ブロック絶縁膜17へのリーク電流を低減することができ、ひいてはメモリセルトランジスタMTのデータ消去特性を向上させることができる。
図3は、選択トランジスタSTの構成を示す断面図である。選択トランジスタSTは、nチャネルMOSトランジスタから構成される。また、選択トランジスタSTは、メモリセルトランジスタMTが形成される半導体基板11と同じ基板の周辺トランジスタ領域に設けられている。
p型半導体基板11内には、互いに離間して形成された2個のn+型拡散領域(ソース/ドレイン領域)19及び20が設けられている。n+型拡散領域19及び20は、p型半導体基板11内に高濃度のn+型不純物(P(リン)、As(ヒ素)等)を導入して形成される。
n+型拡散領域19及び20間でp型半導体基板11上には、ゲート構造21が形成されている。具体的には、ゲート構造21は、p型半導体基板11上に、ゲート絶縁膜22、ゲート電極23が順に積層されて構成されている。ゲート絶縁膜22としては、例えば酸化シリコンが用いられる。
本実施形態のゲート電極23は、多結晶シリコン電極が部分的にシリサイド化されて構成されている。すなわち、ゲート電極23は、ゲート絶縁膜22上に設けられかつシリサイド化されていない多結晶シリコン電極23Aと、多結晶シリコンの上部の一部がシリサイド化されたシリサイド電極23Bとから構成されている。
選択トランジスタSTは、これのゲート電極をFUSI化すると、ゲート電極の仕事関数が大きくなり、閾値電圧が大きくなってしまう。一方、ゲート電極を多結晶シリコンのみ(全くシリサイド化しない)で形成した場合、ゲート電極の抵抗が大きくなり、この結果、選択トランジスタSTの動作速度が低下する。本実施形態では、部分的にシリサイド化されたゲート電極23を選択トランジスタSTに使用することで、閾値電圧の変動を抑えつつ、動作速度を向上させることができる。
図4は、抵抗素子(R)24の構成を示す断面図である。本実施形態の半導体記憶装置は、抵抗素子24を備えている。この抵抗素子24は、メモリセルトランジスタMT及び選択トランジスタSTが形成される半導体基板11と同じ基板の抵抗領域に設けられている。この半導体基板11内には、素子分離絶縁膜25が形成されている。この素子分離絶縁膜25上に多結晶シリコンを抵抗体とする抵抗素子24が形成されている。
抵抗素子をシリサイド化すると、抵抗が小さくなり、所望の抵抗値を得るのに素子面積が大きくなってしまう。そこで、本実施形態の抵抗素子24は、全くシリサイド化されていない多結晶シリコンから構成されている。これにより、抵抗素子24の素子面積を小さくすることができるため、半導体記憶装置の面積を小さくすることが可能となる。
次に、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について図面を参照して説明する。
図5に示すように、抵抗領域の半導体基板11内に、素子分離絶縁膜25を形成する。メモリ領域の半導体基板11上に、トンネル絶縁膜15、電荷蓄積層16、ブロック絶縁膜17、制御ゲート電極18を順に堆積し、リソグラフィー法及びRIE(Reactive Ion Etching)法を用いてこれらを所望の形状にパターニングすることで、メモリセルトランジスタMTに含まれる積層ゲート構造14を形成する。また、周辺トランジスタ領域の半導体基板11上に、ゲート絶縁膜22、ゲート電極23を順に堆積し、これらを所望の形状にパターニングすることで、選択トランジスタSTに含まれるゲート構造21を形成する。
さらに、抵抗領域の素子分離絶縁膜25上に、多結晶シリコン層を堆積し、この多結晶シリコン層をパターニングすることで、所望の形状を有する抵抗素子24を形成する。なお、この状態では、制御ゲート電極18及びゲート電極23はそれぞれ、多結晶シリコンから構成されている。なお、この状態では、制御ゲート電極18、ゲート電極23及び抵抗素子24はそれぞれ、多結晶シリコンから構成されている。
また、制御ゲート電極18、ゲート電極23及び抵抗素子24は、例えば、多結晶シリコン層を半導体基板11上に堆積して、RIE等により加工することにより同時に形成できる。その結果、少ない工程で制御ゲート電極18、ゲート電極23及び抵抗素子24を形成できる。
その後、半導体基板11内に不純物を導入することで、拡散領域(ソース/ドレイン領域)を形成する。なお、拡散領域については、図示を省略している。以下の製造工程を示す図面についても同様である。
続いて、図6に示すように、トランジスタのゲート電極間(積層ゲート構造14間、ゲート構造21間、及び積層ゲート構造14とゲート構造21との間)に、層間絶縁層30を埋め込み、例えば、RIE法を用いて層間絶縁層30の上面を、積層ゲート構造14及びゲート構造21の上面に合せる。なお、抵抗素子24の周囲(抵抗領域)には、層間絶縁層30は図示していないが、抵抗素子24の側面に層間絶縁膜30が形成される場合もある。層間絶縁層30としては、例えば酸化シリコンが用いられる。
続いて、図7に示すように、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、装置全面に、バリア膜31を堆積する。この工程により、制御ゲート電極18上、ゲート電極23上及び層間絶縁層30上に連続して、かつ、抵抗素子24の上面及び側面がバリア膜31で覆われる。バリア膜31としては、例えば窒化シリコンが用いられる。続いて、バリア膜31上の抵抗素子24間に、層間絶縁層32を埋め込む。層間絶縁層32としては、例えば酸化シリコンが用いられる。
続いて、図8に示すように、リソグラフィー法を用いて、抵抗領域をレジスト層33で覆う。続いて、レジスト層33をマスクとしてメモリ領域及び周辺トランジスタ領域に形成されたバリア膜31を除去する。さらに、メモリ領域及び周辺トランジスタ領域の層間絶縁層30を第1の深さD1までエッチバックする。その後、レジスト層33を除去する。
続いて、図9に示すように、周辺トランジスタ領域の層間絶縁層30及びゲート構造21上に、リソグラフィー法を用いて、レジスト層35を形成する。そして、第1の深さD1より深い第2の深さD2までレジスト層35をマスクとして層間絶縁層30をエッチバックし、制御ゲート電極18の上部の一部(積層ゲート構造14の上部の一部)を露出させる。このように、周辺トランジスタ領域の層間絶縁層30よりもメモリ領域の層間絶縁層30を深くエッチバックすることで、メモリ領域の層間絶縁層30と周辺トランジスタ領域の層間絶縁層30とに段差が形成される。その後、レジスト層35を除去する。
例えば、第1の深さD1は、ゲート電極23の上面からゲート電極23の中間部より上までの深さである。例えば、第2の深さD2は、制御ゲート電極18の上面から制御ゲート電極18の中間部よりも低い深さである。ただし、この第1の深さD1及び第2の深さD2はあくまで一例であり、第2の深さD2が第1の深さD1よりも深い関係を満たしてればよい。
続いて、図10に示すように、積層ゲート構造14及びゲート構造21の上面及び側面に、例えばスパッタ法を用いて、例えばコバルト(Co)からなる金属膜36を堆積する。これにより、ゲート構造21の側面に比べて積層ゲート構造14の側面の方が深い位置まで金属膜36が付着する。この状態で、装置に熱処理を施し、金属膜36と多結晶シリコン(制御ゲート電極18及びゲート電極23)とを反応させる。これにより、図11に示すように、FUSI化された制御ゲート電極18が形成される。また、ゲート電極23は金属膜36と接触する側面が上部に限られるため、ゲート電極23の全てがシリサイド化されない。その結果、ゲート電極23の上部がシリサイド化されて、多結晶シリコン電極23Aとシリサイド電極23Bとからなるゲート電極23が形成される。また、抵抗素子24は、バリア膜31及び層間絶縁層32を介して金属膜36と接触しているため、シリサイド化されない。その後、残存する金属膜36をウェットエッチングする。
続いて、図12に示すように、例えばCVD法を用いて、装置全面に、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層37を堆積する。続いて、例えばCVD法を用いて、層間絶縁層37上に、後の平坦化処理時のストッパーとして用いられるストッパー膜38を堆積する。この時、層間絶縁層30に段差を設けたため、これに起因して、ストッパー膜38は、メモリ領域と周辺トランジスタ領域との境界に段差が生じている。ストッパー膜38としては、例えば窒化シリコンが用いられる。このようにして、本実施形態の半導体記憶装置が形成される。
以上詳述したように本実施形態によれば、同一基板上に、FUSIからなる制御ゲート電極18を有するメモリセルトランジスタMT、部分シリサイド化されたゲート電極23を有する選択トランジスタST、及び多結晶シリコンからなる抵抗素子24を形成することができる。これにより、メモリセルトランジスタMTにおいては、ブロック絶縁膜17へのリーク電流を低減することができ、ひいてはデータ消去特性を向上させることができる。選択トランジスタSTにおいては、閾値電圧の変動を抑えつつ、動作速度を向上させることができる。抵抗素子24においては、素子面積を小さくすることができる。
また、1回の金属膜36の堆積工程と1回の熱処理工程とを実施するだけで、FUSIからなる制御ゲート電極18と部分シリサイド化されたゲート電極23とを同時に形成することができる。これにより、製造コストを低減することが可能となる。さらに、このシリサイド工程において、抵抗素子24がシリサイド化されるのを防ぐことも可能である。
(第1の実施形態の変形例)
図13は、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の変形例を示す断面図である。第1の実施形態ではメモリ領域と周辺トランジスタ領域とが隣接していたが、第1の実施形態の変形例ではこの構成に加えてメモリ領域と周辺トランジスタ領域に隣接していない周辺トランジスタ領域2が形成されている。
図13は、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の変形例を示す断面図である。第1の実施形態ではメモリ領域と周辺トランジスタ領域とが隣接していたが、第1の実施形態の変形例ではこの構成に加えてメモリ領域と周辺トランジスタ領域に隣接していない周辺トランジスタ領域2が形成されている。
この周辺トランジスタ領域2には、選択トランジスタSTと同じ構造を有するnチャネルMOSトランジスタNMTが配置されている。このように、メモリ領域に隣接していない周辺トランジスタ領域2においても第1の実施形態と同様の製造方法により、選択トランジスタSTと同様の構造を有するnチャネルMOSトランジスタNMTが製造できる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、第1の実施形態と異なる製造方法を用いて、FUSIゲート電極を有するメモリセルトランジスタMT、部分シリサイド化されたゲート電極を有する選択トランジスタST、及び多結晶シリコンからなる抵抗素子を備えた半導体記憶装置を製造するようにしている。
第2の実施形態は、第1の実施形態と異なる製造方法を用いて、FUSIゲート電極を有するメモリセルトランジスタMT、部分シリサイド化されたゲート電極を有する選択トランジスタST、及び多結晶シリコンからなる抵抗素子を備えた半導体記憶装置を製造するようにしている。
第2の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について図面を参照して説明する。図5〜図7までの製造工程は、第1の実施形態と同じである。続いて、図14に示すように、リソグラフィー法を用いて、抵抗領域をレジスト層33で覆う。続いて、レジスト層33をマスクとしてメモリ領域及び周辺トランジスタ領域に形成されたバリア膜31を除去する。続いて、メモリ領域及び周辺トランジスタ領域に形成された層間絶縁層30を同じ深さだけエッチバックする。なお、制御ゲート電極18の上面とゲート電極23の上面の高さが同じであれば、制御ゲート電極18及びゲート電極23の上部が同じ深さだけ露出される。その後、レジスト33を除去する。
続いて、図15に示すように、積層ゲート構造14及びゲート構造21の上面及び側面に、例えばスパッタ法を用いて、例えばコバルト(Co)からなる金属膜40を堆積する。この状態で、装置に熱処理を施し、金属膜40と多結晶シリコン(制御ゲート電極18及びゲート電極23)とを反応させる。これにより、図16に示すように、ゲート電極23の上部がシリサイド化されて、多結晶シリコン電極23Aとシリサイド電極23Bとからなるゲート電極23が形成される。同様に、制御ゲート電極18の上部がシリサイド化されて、多結晶シリコン電極18Aとシリサイド18Bとからなる制御ゲート電極18が形成される。また、抵抗素子24は、バリア膜31及び層間絶縁層32を介して金属膜36と接触しているため、シリサイド化されない。すなわち、この状態では、制御ゲート電極18は、部分的にシリサイド化されている。その後、残存する金属膜40をウェットエッチングする。
続いて、図17に示すように、積層ゲート構造14の上面及び側面に、例えばスパッタ法を用いて、例えばコバルト(Co)からなる金属膜42を堆積する。その後、リソグラフィー法を用いて、メモリ領域の積層ゲート構造14の上部を覆うようにレジスト層41を形成する。
続いて、図18に示すように、周辺トランジスタ領域及び抵抗領域の金属膜42を取り除いた後、レジスト層41を除去する。この状態で、装置に熱処理を施し、金属膜42と制御ゲート電極18とを反応させる。すなわち、メモリ領域においては、2回シリサイド化されることにより制御ゲート電極18を全てシリサイド化する一方、ゲート電極23は1回シリサイド化することにより、ゲート電極23の上部のみが部分的にシリサイド化される。これにより、図19に示すように、FUSI化された制御ゲート電極18が形成される。その後、残存する金属膜42をウェットエッチングする。
なお、メモリ領域をシリサイド化する回数は2回以上であっても構わない。また、周辺トランジスタ領域をシリサイド化する回数は、ゲート電極23がFUSI化されない限り、メモリ領域をシリサイド化する回数よりも少ない回数であれば良い。
続いて、図20に示すように、例えばCVD法を用いて、装置全面に、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層37を堆積する。続いて、例えばCVD法を用いて、層間絶縁層37上に、後の平坦化処理時のストッパーとして用いられるストッパー膜38を堆積する。このようにして、本実施形態の半導体記憶装置が形成される。
以上詳述したように本実施形態によれば、第1の実施形態と異なる製造方法を用いて、FUSIゲート電極を有するメモリセルトランジスタMT、部分シリサイド化されたゲート電極を有する選択トランジスタST、及び多結晶シリコンからなる抵抗素子を備えた半導体記憶装置を形成することが可能である。
また、本実施形態では、メモリ領域と周辺トランジスタ領域との間に段差が形成されない。これにより、メモリセルトランジスタMT及び選択トランジスタSTの上層に設けられる配線等の形成が容易となる。
(第2の実施形態の変形例)
第2の実施形態の変形例は、第2の実施形態の製造工程を一部変更して、FUSIゲート電極を有するメモリセルトランジスタMT、部分シリサイド化されたゲート電極を有する選択トランジスタST、及び多結晶シリコンからなる抵抗素子を備えた半導体記憶装置を製造するようにしている。
第2の実施形態の変形例は、第2の実施形態の製造工程を一部変更して、FUSIゲート電極を有するメモリセルトランジスタMT、部分シリサイド化されたゲート電極を有する選択トランジスタST、及び多結晶シリコンからなる抵抗素子を備えた半導体記憶装置を製造するようにしている。
図16までの製造工程は、第2の実施形態と同じである。続いて、図21に示すように、リソグラフィー法を用いて、選択トランジスタSTのゲート構造21の上部を覆うように、周辺トランジスタ領域及び抵抗領域にレジスト層41を形成する。続いて、シリサイド18Bの下面より低い第2の深さD2までレジスト層41をマスクとして層間絶縁層30をエッチバックし、多結晶シリコン電極18Aの上部の一部を露出させる。第2の深さD2は、シリサイド18Bの下面より深ければよく、ブロック絶縁膜17の上面より深い、浅いは問わない。
次に、図22に示すように、レジスト層41を除去した後、例えばスパッタ法を用いて、例えばコバルト(Co)からなる金属膜42を堆積する。この状態で、装置に熱処理を施し、金属膜42と制御ゲート電極18とを反応させる。すなわち、メモリ領域においては、2回シリサイド化されることにより制御ゲート電極18を全てシリサイド化する一方、ゲート電極23は1回シリサイド化することにより、ゲート電極23の上部のみが部分的にシリサイド化される。
この第2の実施形態の変形例では、第2の実施形態と同様の効果が得られることに加え、ゲート電極23のシリサイド量の制御が容易になる。例えば、ゲート電極23の上部のシリサイド量を減らしたい場合などに有効である。
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、メモリセルトランジスタMTの制御ゲート電極18、及び選択トランジスタSTのゲート電極23を共に、FUSIゲート電極によって構成するようにしている。
第3の実施形態は、メモリセルトランジスタMTの制御ゲート電極18、及び選択トランジスタSTのゲート電極23を共に、FUSIゲート電極によって構成するようにしている。
図23は、本発明の第3の実施形態に係る選択トランジスタSTの構成を示す断面図である。なお、メモリセルトランジスタMT、及び抵抗素子24の構成は、第1の実施形態で示した図2及び図4と同じである。
選択トランジスタSTは、nチャネルMOSトランジスタから構成される。また、選択トランジスタSTは、メモリセルトランジスタMTが形成される半導体基板11と同じ基板に設けられている。
p型半導体基板11内には、互いに離間して形成された2個のn+型拡散領域19及び20が設けられている。n+型拡散領域19及び20間でp型半導体基板11上には、ゲート構造21が形成されている。具体的には、ゲート構造21は、p型半導体基板11上に、ゲート絶縁膜22、ゲート電極23が順に積層されて構成されている。そして、本実施形態のゲート電極23は、多結晶シリコン電極が完全にシリサイド化されたFUSIゲート電極によって構成されている。多結晶シリコンと反応させる金属としては、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、チタン(Ti)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等が用いられる。
次に、第3の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について図面を参照して説明する。図5〜図7までの製造工程は、第1の実施形態と同じである。
続いて、図24に示すように、リソグラフィー法を用いて、抵抗領域をレジスト層33で覆う。続いて、レジスト層33をマスクとしてメモリ領域及び周辺トランジスタ領域に形成されたバリア膜31を除去する。続いて、メモリ領域及び周辺トランジスタ領域に形成された層間絶縁層30を同じ深さだけエッチバックし、制御ゲート電極18の下部、及びゲート電極23の中間部を露出させる。その後、レジスト層33を除去する。
続いて、図25に示すように、積層ゲート構造14及びゲート構造21の上面及び側面に、例えばスパッタ法を用いて、例えばコバルト(Co)からなる金属膜43を堆積する。この状態で、装置に熱処理を施し、金属膜43と多結晶シリコン(制御ゲート電極18及びゲート電極23)とを反応させる。これにより、図26に示すように、FUSI化された制御ゲート電極18及びゲート電極23が形成される。また、抵抗素子24は、バリア膜31及び層間絶縁層32を介して金属膜36と接触しているため、シリサイド化されない。その後、残存する金属膜43をウェットエッチングする。
続いて、図27に示すように、例えばCVD法を用いて、装置全面に、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層37を堆積する。続いて、例えばCVD法を用いて、層間絶縁層37上に、後の平坦化処理時のストッパーとして用いられるストッパー膜38を堆積する。このようにして、本実施形態の半導体記憶装置が形成される。
以上詳述したように本実施形態によれば、同一基板上に、FUSIからなる制御ゲート電極18を有するメモリセルトランジスタMT、FUSIからなるゲート電極23を有する選択トランジスタST、及び多結晶シリコンからなる抵抗素子24を形成することができる。
また、1回の金属膜43の堆積工程と1回の熱処理工程とを実施するだけで、FUSIからなる制御ゲート電極18とゲート電極23とを同時に形成することができる。これにより、製造コストを低減することが可能となる。さらに、このシリサイド工程において、抵抗素子24がシリサイド化されるのを防ぐことも可能である。
(第4の実施形態)
第4の実施形態の半導体記憶装置は、第1の実施形態と同様に、FUSIからなる制御ゲート電極18を有するメモリセルトランジスタMT、部分シリサイド化されたゲート電極23を有する選択トランジスタST、及び多結晶シリコンからなる抵抗素子24を備えている。さらに、第4の実施形態の半導体記憶装置は、これら素子に加えて、FUSIからなるゲート電極を有するpチャネルMOSトランジスタPMTを同一基板上に備えている。
第4の実施形態の半導体記憶装置は、第1の実施形態と同様に、FUSIからなる制御ゲート電極18を有するメモリセルトランジスタMT、部分シリサイド化されたゲート電極23を有する選択トランジスタST、及び多結晶シリコンからなる抵抗素子24を備えている。さらに、第4の実施形態の半導体記憶装置は、これら素子に加えて、FUSIからなるゲート電極を有するpチャネルMOSトランジスタPMTを同一基板上に備えている。
図26は、本発明の第4の実施形態に係るpチャネルMOSトランジスタPMTの構成を示す断面図である。なお、メモリセルトランジスタMT、nチャネルMOSトランジスタからなる選択トランジスタST、及び抵抗素子24の構成は、第1の実施形態で示した図2乃至図4と同じである。
pチャネルMOSトランジスタPMTは、メモリセルトランジスタMT等が形成される半導体基板11と同じ基板に設けられている。p型半導体基板11内には、n型半導体領域(n型ウェル)50が設けられている。n型ウェル(nwell)50は、p型半導体基板11内に低濃度のn型不純物(P(リン)、As(ヒ素)等)を導入して形成される。
n型ウェル50内には、互いに離間して形成された2個のp+型拡散領域(ソース/ドレイン領域)51及び52が設けられている。p+型拡散領域51及び52は、n型ウェル50内に高濃度のp+型不純物(B(ホウ素)等)を導入して形成される。
p+型拡散領域51及び52間でn型ウェル50上には、ゲート構造53が形成されている。具体的には、ゲート構造53は、n型ウェル50上に、ゲート絶縁膜54、ゲート電極55が順に積層されて構成されている。ゲート絶縁膜54としては、例えば酸化シリコンが用いられる。
本実施形態のゲート電極55は、多結晶シリコン電極が完全にシリサイド化されたFUSIゲート電極によって構成されている。多結晶シリコンと反応させる金属としては、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、チタン(Ti)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等が用いられる。pチャネルMOSトランジスタPMTのゲート電極55をFUSI化することで、埋め込みチャネル型のトランジスタPMTを形成することが可能となる。
次に、第4の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について図面を参照して説明する。
図29に示すように、周辺トランジスタ領域2の半導体基板11内に、低濃度のn型不純物を導入することで、n型ウェル50を形成する。続いて、n型ウェル50上に、ゲート絶縁膜54、ゲート電極55を順に堆積し、リソグラフィー法及びRIE法を用いてこれらを所望の形状にパターニングすることで、pチャネルMOSトランジスタPMTに含まれるゲート構造53を形成する。また、メモリ領域の半導体基板11上に、トンネル絶縁膜15、電荷蓄積層16、ブロック絶縁膜17、制御ゲート電極18を順に堆積し、これらを所望の形状にパターニングすることで、メモリセルトランジスタMTに含まれる積層ゲート構造14を形成する。また、ゲート電極55にはn型不純物(P(リン)、As(ヒ素)等)がドープされている。
また、周辺トランジスタ領域1の半導体基板11上に、ゲート絶縁膜22、ゲート電極23を順に堆積し、これらを所望の形状にパターニングすることで、選択トランジスタSTに含まれるゲート構造21を形成する。また、ゲート電極23にはゲート電極55と同様にn型不純物(P(リン)、As(ヒ素)等)がドープされている。
さらに、抵抗領域の半導体基板11内に、素子分離絶縁膜25を形成する。そして、この素子分離絶縁膜25上に、多結晶シリコン層を堆積し、この多結晶シリコン層をパターニングすることで、所望の形状を有する抵抗素子24を形成する。なお、この状態では、制御ゲート電極18、ゲート電極23、及びゲート電極55はそれぞれ、多結晶シリコンから構成されている。
また、制御ゲート電極18、ゲート電極23、抵抗素子24及びゲート電極55は、例えば、多結晶シリコン層を半導体基板11上に堆積して、RIE等により加工することにより同時に形成できる。その結果、少ない工程で制御ゲート電極18、ゲート電極23、抵抗素子24及びゲート電極55を形成できる。
その後、半導体基板11及びn型ウェル50内に不純物を導入することで、拡散領域(ソース/ドレイン領域)を形成する。なお、拡散領域については、図示を省略している。以下の製造工程を示す図面についても同様である。
続いて、図30に示すように、トランジスタのゲート電極間(積層ゲート構造14間、ゲート構造21間、積層ゲート構造14とゲート構造21との間、及びゲート構造53の側面)に、層間絶縁層30を埋め込み、例えば、RIE法を用いて層間絶縁層30の上面を積層ゲート構造14及びゲート構造21の上面に合せる。なお、抵抗素子24の周囲(抵抗領域)には、層間絶縁層30は図示していないが、抵抗素子24の側面に層間絶縁膜30が形成される場合もある。層間絶縁層30としては、例えば酸化シリコンが用いられる。
続いて、図31に示すように、例えばCVD法を用いて、装置全面に、バリア膜31を堆積する。その結果、制御ゲート電極18上、ゲート電極23上及び層間絶縁層30上に連続して、かつ、ゲート電極55上、抵抗素子24の上面及び側面がバリア膜31で覆われる。バリア膜31としては、例えば窒化シリコンが用いられる。続いて、バリア膜31上で抵抗素子24間に、層間絶縁層32を埋め込む。層間絶縁層32としては、例えば酸化シリコンが用いられる。なお、ゲート電極55の側面に層間絶縁層30を介してバリア膜31が形成される場合もある。
続いて、図32に示すように、リソグラフィー法を用いて、抵抗領域をレジスト層33で覆う。続いて、レジスト層33をマスクとしてバリア膜31をエッチングすることで、メモリ領域、周辺トランジスタ領域1及び2に形成されたバリア膜31を除去する。続いて、メモリ領域、周辺トランジスタ領域1及び2に形成された層間絶縁層30を第1の深さD1までエッチバックする。その後、レジスト層34を除去する。
続いて、図33に示すように、周辺トランジスタ領域1の層間絶縁層30及びゲート構造21上に、リソグラフィー法を用いて、レジスト層35を形成する。そして、第1の深さD1より深い第2の深さD2までレジスト層35をマスクとして層間絶縁層30をエッチバックし、制御ゲート電極18の上部の一部(積層ゲート構造14の上部の一部)まで露出させる。同様に、周辺トランジスタ領域2の層間絶縁層30をメモリ領域と同じ第2の深さD2までエッチバックし、ゲート電極55の上部の一部(ゲート構造53の上部の一部)まで露出させる。このように、周辺トランジスタ領域1の層間絶縁層30よりもメモリ領域の層間絶縁層30を深くエッチバックすることで、メモリ領域の層間絶縁層30と周辺トランジスタ領域1の層間絶縁層30とに段差が形成される。その後、レジスト層35を除去する。
例えば、第1の深さD1は、ゲート電極23の上面からゲート電極23の中間部より上までの深さである。例えば、第2の深さD2は、制御ゲート電極18及びゲート電極55の上面から制御ゲート電極18の中間部よりも低い深さである。ただし、この第1の深さD1及び第2の深さD2はあくまで一例であり、第2の深さD2が第1の深さD1よりも深い関係を満たしてればよい。
続いて、図34に示すように、積層ゲート構造14、ゲート構造21及びゲート構造53の上面及び側面に、例えばスパッタ法を用いて、例えばコバルト(Co)からなる金属膜36を堆積する。これにより、ゲート構造21に比べて積層ゲート構造14及びゲート構造53の方が深い位置まで金属膜36が付着する。この状態で、装置に熱処理を施し、金属膜36と多結晶シリコン(制御ゲート電極18、ゲート電極23及び55)とを反応させる。これにより、図35に示すように、FUSI化された制御ゲート電極18及びゲート電極55が形成される。また、ゲート電極23の上部がシリサイド化されて、多結晶シリコン電極23Aとシリサイド電極23Bとからなるゲート電極23が形成される。また、抵抗素子24は、バリア膜31及び層間絶縁層32を介して金属膜36と接触しているため、シリサイド化されない。その後、残存する金属膜36をウェットエッチングする。
続いて、図36に示すように、例えばCVD法を用いて、装置全面に、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層37を堆積する。続いて、例えばCVD法を用いて、層間絶縁層37上に、後の平坦化処理時のストッパーとして用いられるストッパー膜38を堆積する。この時、層間絶縁層30に段差を設けたため、これに起因して、ストッパー膜38は、メモリ領域と周辺トランジスタ領域1との境界に段差が生じている。ストッパー膜38としては、例えば窒化シリコンが用いられる。このようにして、本実施形態の半導体記憶装置が形成される。
以上詳述したように本実施形態によれば、同一基板上に、FUSIからなる制御ゲート電極18を有するメモリセルトランジスタMT、部分シリサイド化されたゲート電極23を有する選択トランジスタST、FUSIからなるゲート電極55を有するpチャネルMOSトランジスタPMT、及び多結晶シリコンからなる抵抗素子24を形成することができる。
また、1回の金属膜36の堆積工程と1回の熱処理工程とを実施するだけで、FUSIからなる制御ゲート電極18及びゲート電極55と、部分シリサイド化されたゲート電極23とを同時に形成することができる。これにより、製造コストを低減することが可能となる。さらに、このシリサイド工程において、抵抗素子24がシリサイド化されるのを防ぐことも可能である。
また、本実施形態は、nチャネルである選択トランジスタSTのチャネルがサーフェスチャネルであり、pチャネルMOSトランジスタPMTのチャネルがベリードチャネルの場合に効果がある。例えば、ゲート電極23及びゲート電極55にn型不純物がドープされている場合である。pチャネルMOSトランジスタPMTゲート電極55をFUSI化することにより、pチャネルMOSトランジスタPMTをサーフェスチャネルにすることが可能となるからである。その結果、pチャネルMOSトランジスタPMTの特性ばらつきが改善される。
なお、前述した製造方法に限らず、第2の実施形態で示した製造方法を用いて第4の実施形態で示した半導体記憶装置を形成することも可能である。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
MT…メモリセルトランジスタ、ST…選択トランジスタ(nチャネルMOSトランジスタ)、PMT…pチャネルMOSトランジスタ、NMT…nチャネルMOSトランジスタ、SGD,SGS…選択ゲート線、SL…ソース線、WL…ワード線、BL…ビット線、11…半導体基板、12,13…n+型拡散領域、14…積層ゲート構造、15…トンネル絶縁膜、16…電荷蓄積層、17…ブロック絶縁膜、18…制御ゲート電極、19,20…n+型拡散領域、21…ゲート構造、22…ゲート絶縁膜、23…ゲート電極、24…抵抗素子、25…素子分離絶縁膜、30…層間絶縁層、31…バリア膜、32…層間絶縁層、33〜35,41…レジスト層、36,40,42,43…金属膜、37…層間絶縁層、38…ストッパー膜、50…n型ウェル、51,52…p+型拡散領域、53…ゲート構造、54…ゲート絶縁膜、55…ゲート電極。
Claims (5)
- 半導体基板と、
前記半導体基板に設けられ、かつトンネル絶縁膜、電荷蓄積層、ブロック絶縁膜、制御ゲート電極が順に積層された積層ゲート構造を有するメモリセルと、
前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極を有するトランジスタと、
前記半導体基板上に設けられ、かつ多結晶シリコンからなる抵抗素子と、
を具備し、
前記制御ゲート電極は、全体がシリサイド層からなり、
前記ゲート電極は、その上部の一部にシリサイド層を含むことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記メモリセル、前記トランジスタ及び前記抵抗素子上に設けられた層間絶縁層と、
前記層間絶縁層上に設けられた絶縁膜と
をさらに具備し、
前記絶縁膜は、前記メモリセルと前記トランジスタとの間に段差を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 半導体基板と、
前記半導体基板に設けられ、かつトンネル絶縁膜、電荷蓄積層、ブロック絶縁膜、制御ゲート電極が順に積層された積層ゲート構造を有するメモリセルと、
前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極を有するトランジスタと、
前記半導体基板上に設けられ、かつ多結晶シリコンからなる抵抗素子と、
を具備し、
前記制御ゲート電極及び前記ゲート電極はそれぞれ、全体がシリサイド層からなることを特徴とする半導体記憶装置。 - 半導体基板の第1の領域上にトンネル絶縁膜、電荷蓄積層、ブロック絶縁膜、多結晶シリコンからなる制御ゲート電極が順に積層された積層ゲート構造を有するメモリセルを形成する工程と、
前記半導体基板の第2の領域上にゲート絶縁膜を介して設けられかつ多結晶シリコンからなるゲート電極を有するトランジスタを形成する工程と、
前記半導体基板の第3の領域上に、多結晶シリコンからなる抵抗素子を形成する工程と、
ゲート電極間に絶縁層を埋め込む工程と、
前記抵抗素子の上面及び側面にバリア膜を形成する工程と、
前記第2の領域における前記絶縁層を第1の深さまでエッチバックし、前記ゲート電極の一部を露出する工程と、
前記第1の領域における前記絶縁層を前記第1の深さより深い第2の深さまでエッチバックし、前記制御ゲート電極の一部を露出する工程と、
前記制御ゲート電極及び前記ゲート電極の露出部分に、金属膜を形成する工程と、
前記金属膜と多結晶シリコンとが反応するように、熱処理を施す工程と、
を具備することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 - 半導体基板の第1の領域上にトンネル絶縁膜、電荷蓄積層、ブロック絶縁膜、多結晶シリコンからなる制御ゲート電極が順に積層された積層ゲート構造を有するメモリセルを形成する工程と、
前記半導体基板の第2の領域上にゲート絶縁膜を介して設けられかつ多結晶シリコンからなるゲート電極を有するトランジスタを形成する工程と、
前記半導体基板の第3の領域上に、多結晶シリコンからなる抵抗素子を形成する工程と、
ゲート電極間に絶縁層を埋め込む工程と、
前記抵抗素子の上面及び側面に、バリア膜を形成する工程と、
前記制御ゲート電極の上部と前記ゲート電極の上部とが露出するように、前記絶縁層を同じ深さエッチバックする工程と、
前記制御ゲート電極及び前記ゲート電極の露出部分に、第1の金属膜を形成する工程と、
前記第1の金属膜と多結晶シリコンとが反応するように、熱処理を施す工程と、
前記ゲート電極の露出部分を覆うレジスト層を形成する工程と、
前記制御ゲート電極の露出部分に、第2の金属膜を形成する工程と、
前記第2の金属膜と多結晶シリコンとが反応するように、熱処理を施す工程と、
を具備することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
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