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JP2011049282A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

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JP2011049282A JP2009195360A JP2009195360A JP2011049282A JP 2011049282 A JP2011049282 A JP 2011049282A JP 2009195360 A JP2009195360 A JP 2009195360A JP 2009195360 A JP2009195360 A JP 2009195360A JP 2011049282 A JP2011049282 A JP 2011049282A
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史朗 蒲原
Kosei Kumihashi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a low voltage MISFET of high performance, and a highly reliable MONOS type nonvolatile memory and a high voltage MISFET. <P>SOLUTION: A silicide is prevented from being formed on a dummy gate electrode by using a cap oxide film as a mask, in a forming area of the low voltage MISFET used in a logic circuit or the like, and a forming step is simplified when forming a gate of the low voltage MISFET using a damascene process by a high-k film 18 and a metal gate electrode 20. The reliability of an element is secured by removing once a gate insulating film damaged by an RIE when removing the dummy gate electrode, and by forming newly a gate oxide film 17. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)型不揮発性メモリを有する半導体装置およびその製造方法に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor) type nonvolatile memory and a technique effective when applied to a manufacturing method thereof.

MONOS構造を有する不揮発性メモリは、たとえばゲート絶縁膜が2層の酸化シリコン膜の間に窒化シリコン膜の層が形成されたONO(Oxide Nitride Oxide)膜からなるFETであり、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリのメモリセルとして広く使用されている。   A non-volatile memory having a MONOS structure is an FET composed of an ONO (Oxide Nitride Oxide) film in which a silicon nitride film is formed between two silicon oxide films, for example, a non-volatile memory such as a flash memory. It is widely used as a memory cell of a volatile memory.

また、近年はロジック(Logic)回路に使用されるMISFET(Metal insulator Semiconductor Field Effect Transistor)の微細化が強く要求されており、MISFETを微細化するための構造の一つとして、高い誘電率を有する二酸化ハフニウムなどを用いたhigh−k膜をゲート絶縁膜とするMISFETが注目されている。   In recent years, there has been a strong demand for miniaturization of MISFETs (Metal insulator Semiconductor Field Effect Transistors) used in logic circuits, and has a high dielectric constant as one of the structures for miniaturizing MISFETs. A MISFET using a high-k film using hafnium dioxide or the like as a gate insulating film has attracted attention.

そこで、半導体素子の微細化に伴い、さらなる素子の面積縮小とコスト削減を目的として、MONOS型不揮発性メモリ、それに加えて高電圧MISFETなど、ロジックMISFETに比べてそれほど速度を要求されないレガシーなポリシリコンゲートMISFETの領域と、high−k膜+メタルゲートMISFETを含み高い性能が要求されるロジックMISFETの領域を同時に作り込むことを検討した。   Therefore, with the miniaturization of semiconductor elements, legacy polysilicon that does not require much speed compared to logic MISFETs, such as MONOS type non-volatile memories and high voltage MISFETs, for the purpose of further reducing element area and cost. It was examined that a gate MISFET region and a logic MISFET region including a high-k film + metal gate MISFET and required to have high performance were simultaneously formed.

特許文献1(特開2002−110824号公報)には、導電膜(フローティングゲート電極)上に形成された高誘電率のゲート絶縁膜を介してメタル膜(コントロールゲート電極)が形成された不揮発性メモリセル部と、半導体基板表面に形成された高誘電率のゲート絶縁膜を介してメタル膜(ゲート電極)が形成された周辺トランジスタとを同一基板上に有する不揮発性半導体記憶装置を実現する技術が開示されている。   In Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-110824), a non-volatile structure in which a metal film (control gate electrode) is formed through a high dielectric constant gate insulating film formed on a conductive film (floating gate electrode). Technology for realizing a nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell portion and a peripheral transistor having a metal film (gate electrode) formed on the same substrate through a high dielectric constant gate insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate Is disclosed.

特許文献2(特開2004−266203号公報)には、MONOS型不揮発性記憶素子において、書き替え回数に伴うドレイン電流の減少(電流駆動能力の低下)を抑制し、半導体素子の長期信頼性を確保し、高集積化させることができる技術が開示されている。   Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-266203) discloses that in a MONOS type nonvolatile memory element, a decrease in drain current (decrease in current driving capability) accompanying the number of rewrites is suppressed, and long-term reliability of a semiconductor element is improved. A technique that can be secured and highly integrated is disclosed.

特許文献3(特開2006−19351号公報)には、ゲート絶縁膜に高誘電率膜を用いたMISFETにおいて、相対的に高いON電流と、相対的に低いしきい値電圧とを有するMISFETを形成し、高誘電率膜の一部にアニールによる反応層が形成されることを防ぐ技術が開示されている。また、絶縁膜からなる保護膜をダミーゲートの上部に形成することでダミーゲート上にシリサイドが形成されることを防ぎ、ダミーゲートの除去工程を容易にしている。   Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-19351) discloses a MISFET having a relatively high ON current and a relatively low threshold voltage in a MISFET using a high dielectric constant film as a gate insulating film. A technique for forming and preventing a reaction layer from being formed by annealing on a part of the high dielectric constant film is disclosed. Further, by forming a protective film made of an insulating film on the upper part of the dummy gate, it is possible to prevent silicide from being formed on the dummy gate and to facilitate the process of removing the dummy gate.

特許文献4(特開2007−12922号公報)には、ダミーゲートを形成してソース・ドレイン領域を形成した後にダミーゲートを除去し、ダマシン構造を有するゲート電極を形成することでゲート電極を低抵抗化し、信頼性を向上させ、製造コストおよび微細化に対して有利な半導体装置を実現する技術が開示されている。この文献では、ゲート電極下部の高誘電率膜とシリコン基板との間には絶縁膜が形成されている。   In Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-12922), a dummy gate is formed, a source / drain region is formed, then the dummy gate is removed, and a gate electrode having a damascene structure is formed to reduce the gate electrode. A technique for realizing a semiconductor device that is resistant, improves reliability, and is advantageous for manufacturing cost and miniaturization is disclosed. In this document, an insulating film is formed between the high dielectric constant film below the gate electrode and the silicon substrate.

特開2002−110824号公報JP 2002-110824 A 特開2004−266203号公報JP 2004-266203 A 特開2006−19351号公報JP 2006-19351 A 特開2007−12922号公報JP 2007-12922 A

従来のポリシリコンからなるゲート電極を有するMISFETは微細化が進むにつれ、ゲート抵抗の増大や、ポリシリコンゲートの空乏化、P型ゲート電極からチャネルへのB(ホウ素)の漏れ、ゲートエッジラフネスおよびしきい値電圧Vthのばらつきが顕在化し、信頼性が低下する問題がある。この問題を解決する方法として、MISFETのゲート絶縁膜に高い誘電率を有するhigh−k膜を使用することが検討されている。   As miniaturization of conventional MISFETs having a gate electrode made of polysilicon proceeds, the gate resistance increases, the polysilicon gate is depleted, B (boron) leakage from the P-type gate electrode to the channel, gate edge roughness and There is a problem that variations in the threshold voltage Vth become obvious and reliability is lowered. As a method for solving this problem, the use of a high-k film having a high dielectric constant as the gate insulating film of the MISFET has been studied.

ゲート絶縁膜としてhigh−k膜を形成し、その上に金属材料を用いたメタルゲート電極を形成するプロセスは、ゲート長0.1μm以下、ゲート酸化膜3nm以下の領域においてデバイスの高性能化が狙える。しかし、ゲート電極を形成した後にソース・ドレイン領域を形成するゲートファーストプロセスでは、例えばソース・ドレイン活性化アニールなどの1000℃程の加熱を行うプロセスにより、デバイスが容易に劣化する。   The process of forming a high-k film as a gate insulating film and forming a metal gate electrode using a metal material on the high-k film improves the performance of the device in a region where the gate length is 0.1 μm or less and the gate oxide film is 3 nm or less. Aim. However, in the gate first process in which the source / drain regions are formed after the gate electrode is formed, the device is easily deteriorated by a process of heating at about 1000 ° C. such as source / drain activation annealing.

それに対し、ソース・ドレイン領域の形成後にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成するゲートラストプロセスでは、ソース・ドレイン領域の活性化アニールの工程の後にゲート電極およびhigh−k膜を形成するので、ゲート電極およびhigh−k膜が高熱にさらされることがない。また、ゲートラストプロセスの一例として、層間絶縁膜の形成後に溝を形成し、その溝の内部にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成するダマシンプロセスにおいては、ゲート電極材料にTi(チタン)などを含むメタルを用いる方法がある。これにより、従来のポリシリコンなどからなるゲート電極から不純物(たとえばB(ホウ素)やBF(フッ化ホウ素))がゲート絶縁膜に染み出すことを防ぎ、メタルゲート電極とhigh−k膜との間で反応物が生成されることを防ぐことが可能である。 On the other hand, in the gate last process in which the gate insulating film and the gate electrode are formed after the formation of the source / drain region, the gate electrode and the high-k film are formed after the activation annealing step of the source / drain region. And the high-k film is not exposed to high heat. As an example of the gate last process, in a damascene process in which a groove is formed after an interlayer insulating film is formed, and a gate insulating film and a gate electrode are formed inside the groove, the gate electrode material includes Ti (titanium) or the like. There is a method using metal. This prevents impurities (for example, B (boron) or BF 2 (boron fluoride)) from leaking into the gate insulating film from the conventional gate electrode made of polysilicon or the like, and prevents the metal gate electrode and the high-k film from It is possible to prevent the formation of reactants between the two.

ただし、ダマシンメタルゲートプロセスは、工程数の増加によりコストが増えるという問題と、メタルゲート電極を形成する前にゲート電極形成領域に形成されるダミーゲートを除去する際のRIE(Reactive Ion Etching)工程により、ダミーゲートの下のゲート絶縁膜または半導体基板にダメージが生じる問題がある。また、メタルゲートの材料となる金属膜のエッチ残りにより、回路の誤作動が起こる問題がある。   However, the damascene metal gate process has a problem that the cost increases due to an increase in the number of processes, and an RIE (Reactive Ion Etching) process for removing the dummy gate formed in the gate electrode formation region before forming the metal gate electrode. As a result, there is a problem that the gate insulating film or the semiconductor substrate under the dummy gate is damaged. In addition, there is a problem that a malfunction of the circuit occurs due to the etching residue of the metal film that is the material of the metal gate.

したがって、ロジックMISなどに使用される低電圧MIS、MONOSメモリおよび高電圧MISFETを同時に形成する場合、単にそれらを同一半導体基板上に形成するのではなく、各素子の劣化を軽減し、なおかつ工程数をできるだけ増やさないように形成する必要がある。   Therefore, when simultaneously forming a low voltage MIS, a MONOS memory and a high voltage MISFET used for a logic MIS or the like, they are not simply formed on the same semiconductor substrate, but the deterioration of each element is reduced, and the number of processes is reduced. It is necessary to form so as not to increase as much as possible.

本発明の目的は、同一半導体基板上に、高性能な低電圧MIS、MONOSメモリおよび高信頼な高電圧MISFETを形成する技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique for forming a high-performance low-voltage MIS, a MONOS memory, and a highly reliable high-voltage MISFET on the same semiconductor substrate.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

本願の一発明による半導体装置は、
半導体基板の主面の第1領域に形成された不揮発性メモリと、前記半導体基板の主面の第2領域に形成された第1MISFETと、前記半導体基板の主面の第3領域に形成され、かつ前記第1MISFETよりも低電圧で動作する第2MISFETとを有する半導体装置であって、
前記不揮発性メモリは、
前記第1領域の前記半導体基板の主面上に、少なくとも電位障壁膜と前記電位障壁膜上に積層された電荷保持膜とを含む第1ゲート絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
前記第1領域の前記半導体基板に形成された第1ソース領域および第1ドレイン領域と、
を有し、
前記第1MISFETは、
前記第2領域の前記半導体基板の主面上に第2ゲート絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、
前記第2領域の前記半導体基板に形成された第2ソース領域および第2ドレイン領域と、
を有し、
前記第2MISFETは、
前記第3領域の前記半導体基板の主面上に、前記第2ゲート絶縁膜よりも薄い第3ゲート絶縁膜を介して形成された第3ゲート電極と、
前記第3ゲート電極の側面および底面に接して形成された、前記第2ゲート絶縁膜よりも誘電率の高い第1高誘電率膜と、
前記第3領域の前記半導体基板に形成された第3ソース領域および第3ドレイン領域と、
前記半導体基板の主面上であって前記第3ゲート電極の側方に形成された層間絶縁膜を有し、
前記第3領域における前記層間絶縁膜の上面の高さは、前記第2ゲート電極上に形成された前記層間絶縁膜の上面の高さに比べて低く、前記第3ゲート電極の上面の高さと略同一の高さであることを特徴とするものである。
A semiconductor device according to an invention of the present application is:
A non-volatile memory formed in the first region of the main surface of the semiconductor substrate; a first MISFET formed in the second region of the main surface of the semiconductor substrate; and a third region of the main surface of the semiconductor substrate; And a second MISFET that operates at a lower voltage than the first MISFET,
The nonvolatile memory is
A first gate electrode formed on a main surface of the semiconductor substrate in the first region via a first gate insulating film including at least a potential barrier film and a charge retention film stacked on the potential barrier film; ,
A first source region and a first drain region formed in the semiconductor substrate of the first region;
Have
The first MISFET is
A second gate electrode formed on a main surface of the semiconductor substrate in the second region via a second gate insulating film;
A second source region and a second drain region formed in the semiconductor substrate of the second region;
Have
The second MISFET is
A third gate electrode formed on a main surface of the semiconductor substrate in the third region via a third gate insulating film thinner than the second gate insulating film;
A first high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of the second gate insulating film, formed in contact with a side surface and a bottom surface of the third gate electrode;
A third source region and a third drain region formed in the semiconductor substrate of the third region;
An interlayer insulating film formed on a main surface of the semiconductor substrate and on a side of the third gate electrode;
The height of the upper surface of the interlayer insulating film in the third region is lower than the height of the upper surface of the interlayer insulating film formed on the second gate electrode, and the height of the upper surface of the third gate electrode. It is characterized by having substantially the same height.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

同一半導体基板上に、高性能な低電圧MIS、MONOSメモリおよび高信頼な高電圧MISFETのそれぞれを有する半導体装置を提供することができる。   A semiconductor device having each of a high-performance low-voltage MIS, a MONOS memory, and a highly reliable high-voltage MISFET can be provided on the same semiconductor substrate.

本発明の実施の形態1である半導体装置を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 図2に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 3 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 2; 図3に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 4 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 3; 図4に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 4; 図5に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 5; 図6に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 7 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 6; 図7に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 8 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 7; 図8に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 9 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 8; 図9に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 9; 図10に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 11 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 10; 図11に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 12 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 11; 図12に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 13 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 12; 図13に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 14 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 13; 図14に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 15 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 14; 図15に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 16 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 15; 図16に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 17 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 16; 図17に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 18 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 17; 図18に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 19 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 18; 本発明の実施の形態2である半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 2 of this invention. 図20に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 21 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 20; 図21に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 22 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 21; 図22に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 23 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 22; 図23に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 24 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 23; 図24に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 25 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 24; 図25に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 26 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 25; 本発明の実施の形態3である半導体装置を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the semiconductor device which is Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3である半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 3 of this invention. 図28に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 29 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 28; 図29に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 30 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 29; 図30に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 31 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 30; 図31に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 32 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 31; 本発明の実施の形態4である半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 4 of this invention. 図33に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 34 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 33; 図34に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 35 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 34; 図35に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 36 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 35; 図36に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 37 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 36; 図37に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 38 is an essential part cross sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device following FIG. 37; 図38に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 39 is an essential part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 38; 図39に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 40 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 39; 図40に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 41 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 40; 図41に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 42 is an essential part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 41; 図42に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。FIG. 43 is a main part cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 42;

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。   In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.

また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。   Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、実施の形態等において構成要素等について、「Aからなる」、「Aよりなる」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。   Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say. In addition, in the embodiment, etc., when “consisting of A” or “consisting of A” is used to exclude other elements, unless specifically stated that only those elements are stated. It goes without saying that it is not.

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。   Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.

また、材料等について言及するときは、特にそうでない旨明記したとき、または、原理的または状況的にそうでないときを除き、特定した材料は主要な材料であって、副次的要素、添加物、付加要素等を排除するものではない。たとえば、シリコン部材は特に明示した場合等を除き、純粋なシリコンの場合だけでなく、添加不純物、シリコンを主要な要素とする2元、3元等の合金(たとえばSiGe)等を含むものとする。   In addition, when referring to materials, etc., unless specified otherwise, or in principle or not in principle, the specified material is the main material, and includes secondary elements, additives It does not exclude additional elements. For example, unless otherwise specified, the silicon member includes not only pure silicon but also an additive impurity, a binary or ternary alloy (for example, SiGe) having silicon as a main element.

また、以下の実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Also, components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof is omitted.

(実施の形態1)
本実施の形態の半導体装置は、同一基板上にMONOS型不揮発性メモリ(以下、単にMONOSメモリと言う)、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETを有するものである。MONOS型不揮発性メモリは、電位障壁膜であるボトム酸化膜およびトップ酸化膜の間に、電荷蓄積膜である窒化シリコン膜を形成した3層からなる積層構造のゲート絶縁膜を有するFET(Field Effect Transistor)である。高電圧MISFETは、I/O領域の保護素子または電源の昇圧回路などに用いられるMIS型のトランジスタである。低電圧MISFETは、ロジック回路などに使用され、高電圧MISFETよりも低い電圧で動作し、動作が速いなどの高い性能が要求されるMIS型のトランジスタである。また、低電圧MISFETのゲート絶縁膜の膜厚は、高電圧MISFETのゲート絶縁膜の膜厚よりも薄く、高電圧MISFETは低電圧MISFETよりも高い耐圧を有する。
(Embodiment 1)
The semiconductor device of this embodiment has a MONOS type nonvolatile memory (hereinafter simply referred to as a MONOS memory), a high voltage MISFET, and a low voltage MISFET on the same substrate. A MONOS type nonvolatile memory has an FET (Field Effect) having a three-layered gate insulating film in which a silicon nitride film as a charge storage film is formed between a bottom oxide film as a potential barrier film and a top oxide film. Transistor). The high voltage MISFET is a MIS type transistor used for a protection element in the I / O region or a booster circuit for a power supply. The low voltage MISFET is a MIS type transistor that is used in a logic circuit or the like, operates at a voltage lower than that of the high voltage MISFET, and requires high performance such as fast operation. In addition, the film thickness of the gate insulating film of the low voltage MISFET is smaller than the film thickness of the gate insulating film of the high voltage MISFET, and the high voltage MISFET has a higher breakdown voltage than the low voltage MISFET.

図1に、本実施の形態の半導体装置を示す。図1の左側の領域はMONOSメモリの形成領域(すなわち、MONOSメモリ形成領域)を示し、中央の領域は高電圧MISFETの形成領域(すなわち、高電圧MISFET形成領域)を示し、右の領域は低電圧MISFETの形成領域(すなわち、低電圧MISFET形成領域)を示している。   FIG. 1 shows a semiconductor device of the present embodiment. The left region of FIG. 1 shows the MONOS memory formation region (ie, the MONOS memory formation region), the central region shows the high voltage MISFET formation region (ie, the high voltage MISFET formation region), and the right region is low. A voltage MISFET formation region (that is, a low voltage MISFET formation region) is shown.

図1において、符号1はシリコン基板を示し、1aはシリコン基板1の主面に形成されたpウエルを示し、2はpウエル1aの形成されたシリコン基板1の主面に形成され、MONOSメモリ形成領域、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域のそれぞれの境界に形成された素子分離層を示している。   In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a silicon substrate, 1a denotes a p-well formed on the main surface of the silicon substrate 1, and 2 denotes a MONOS memory formed on the main surface of the silicon substrate 1 on which the p-well 1a is formed. The element isolation layer formed in each boundary of a formation area, a high voltage MISFET formation area, and a low voltage MISFET formation area is shown.

符号4は高電圧MISFET形成領域においてpウエル1aの上面に接して形成された厚膜ゲート酸化膜を示し、8はMONOSメモリ形成領域においてpウエル1aの上面に接して形成されたONO膜を示し、9はONO膜8上に接して形成されたMONOSメモリのゲート電極を示し、10は厚膜ゲート酸化膜4上に接して形成された高電圧MISFETのゲート電極を示す。   Reference numeral 4 denotes a thick gate oxide film formed in contact with the upper surface of the p well 1a in the high voltage MISFET formation region, and reference numeral 8 denotes an ONO film formed in contact with the upper surface of the p well 1a in the MONOS memory formation region. , 9 indicates a gate electrode of the MONOS memory formed on the ONO film 8, and 10 indicates a gate electrode of the high voltage MISFET formed on the thick gate oxide film 4.

ここで、ONO膜8は、電位障壁膜であるボトム酸化膜と、ボトム酸化膜上に形成された電荷保持膜である窒化シリコン膜と、窒化シリコン膜上に形成されたトップ酸化膜の三層を含むゲート絶縁膜である。   Here, the ONO film 8 includes three layers of a bottom oxide film that is a potential barrier film, a silicon nitride film that is a charge holding film formed on the bottom oxide film, and a top oxide film that is formed on the silicon nitride film. A gate insulating film containing

符号17は低電圧MISFET形成領域においてpウエル1aの上面に接して形成された、厚膜ゲート酸化膜4よりも厚さが薄いゲート酸化膜を示している。符号18はゲート酸化膜17上に形成された、厚膜ゲート酸化膜4よりも高い誘電率を有する絶縁膜であるhigh−k膜を示し、20はhigh−k膜18上に形成された、メタル材料からなるメタルゲート電極を示している。high−k膜18は、メタルゲート電極20の下面および側壁に接して形成されている。   Reference numeral 17 denotes a gate oxide film that is formed in contact with the upper surface of the p-well 1a in the low-voltage MISFET formation region and is thinner than the thick-film gate oxide film 4. Reference numeral 18 denotes a high-k film formed on the gate oxide film 17, which is an insulating film having a dielectric constant higher than that of the thick gate oxide film 4, and 20 is formed on the high-k film 18. A metal gate electrode made of a metal material is shown. The high-k film 18 is formed in contact with the lower surface and the side wall of the metal gate electrode 20.

符号13はゲート電極9、10、およびhigh−k膜18の側壁であってメタルゲート電極20に接する側壁の反対側の側壁にそれぞれ形成された絶縁膜からなるサイドウォールスペーサを示している。   Reference numeral 13 denotes side wall spacers made of insulating films formed on the side walls of the gate electrodes 9, 10 and the high-k film 18 on the side opposite to the side wall in contact with the metal gate electrode 20.

符号12はサイドウォールスペーサ13の下であってpウエル1aの上面に浅く形成された、MONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETのそれぞれのエクステンション領域を示す。   Reference numeral 12 denotes extension regions of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET, which are formed below the sidewall spacer 13 and shallowly on the upper surface of the p well 1a.

符号14はエクステンション領域12よりも深く形成され、エクステンション領域12の端部であってMONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETのそれぞれのゲート電極のある方の端部の反対側の端部から素子分離層2にかけてpウエル1aの上面に形成された、MONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETのそれぞれのソース・ドレイン領域を示す。   Reference numeral 14 is formed deeper than the extension region 12, and is an end portion of the extension region 12 from the end opposite to the end portion of the gate electrode of each of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET. The source / drain regions of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET formed on the upper surface of the p well 1a over the isolation layer 2 are shown.

符号15はソース・ドレイン領域14およびゲート電極9、10の上面に形成されたシリサイドを示し、16はMONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETのそれぞれを覆うようにシリコン基板1の主面上に形成された層間絶縁膜を示している。   Reference numeral 15 denotes silicide formed on the upper surfaces of the source / drain regions 14 and the gate electrodes 9, 10. Reference numeral 16 denotes a main surface of the silicon substrate 1 so as to cover the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET. The formed interlayer insulating film is shown.

低電圧MISFET形成領域における層間絶縁膜16の上面の高さは、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域に形成された層間絶縁膜16の上面の高さに比べて低く、メタルゲート電極20の上面の高さと略同一の高さとなっている。MONOSメモリのゲート電極9および高電圧MISFETのゲート電極10のそれぞれの上面のシリサイド15は層間絶縁膜16に覆われていて露出していない。また、低電圧MISFETのメタルゲート電極20の上面は層間絶縁膜16に覆われておらず、シリコン基板1の主面側に露出している。つまり、低電圧MISFET形成領域においては、層間絶縁膜16はメタルゲート電極20の側方のみに形成されている。   The height of the upper surface of the interlayer insulating film 16 in the low voltage MISFET forming region is lower than the height of the upper surface of the interlayer insulating film 16 formed in the MONOS memory forming region and the high voltage MISFET forming region. The height is substantially the same as the height of the upper surface. The silicide 15 on the upper surfaces of the gate electrode 9 of the MONOS memory and the gate electrode 10 of the high voltage MISFET is covered with the interlayer insulating film 16 and is not exposed. Further, the upper surface of the metal gate electrode 20 of the low voltage MISFET is not covered with the interlayer insulating film 16 and is exposed to the main surface side of the silicon substrate 1. That is, the interlayer insulating film 16 is formed only on the side of the metal gate electrode 20 in the low voltage MISFET formation region.

なお、高電圧MISFETのゲート絶縁膜である厚膜ゲート酸化膜4の膜厚は、低電圧MISFETのゲート酸化膜17の膜厚よりも厚く形成されている。また、高電圧MISFETのゲート電極10のゲート長は、低電圧MISFETのメタルゲート電極20のゲート長よりも長く形成されている。   Note that the thickness of the thick gate oxide film 4 which is the gate insulating film of the high voltage MISFET is thicker than the thickness of the gate oxide film 17 of the low voltage MISFET. Further, the gate length of the gate electrode 10 of the high voltage MISFET is formed longer than the gate length of the metal gate electrode 20 of the low voltage MISFET.

以下に、図2〜図18を用いて本実施の形態のMONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETの製造方法を工程順に説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET of this embodiment will be described in the order of steps with reference to FIGS.

まず、図2に示すように、シリコン基板(半導体基板)1の主面にドライエッチングによって深さ200〜400nm程度溝を掘り、その溝の中に酸化シリコンを埋め込んだ後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)によってシリコン基板1の主面を平坦化し、所謂、STI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離層2を形成する。その後、熱酸化によりシリコン基板1の主面の全面に酸化膜3を形成した後、酸化膜3をスルー膜としてシリコン基板1の主面にp型の不純物(たとえばBやBF)をイオン注入することにより、シリコン基板1の主面にpウエル1aを形成する。ここで、図2は図1と同様に、左から順にMONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETの形成領域をそれぞれ示している。 First, as shown in FIG. 2, a trench having a depth of about 200 to 400 nm is dug in the main surface of a silicon substrate (semiconductor substrate) 1 by dry etching, and silicon oxide is buried in the trench, and then CMP (Chemical Mechanical Polishing) is performed. ) To flatten the main surface of the silicon substrate 1 and form an element isolation layer 2 having a so-called STI (Shallow Trench Isolation) structure. Thereafter, an oxide film 3 is formed on the entire main surface of the silicon substrate 1 by thermal oxidation, and then p-type impurities (for example, B or BF 2 ) are ion-implanted into the main surface of the silicon substrate 1 using the oxide film 3 as a through film. As a result, a p-well 1 a is formed on the main surface of the silicon substrate 1. Here, FIG. 2 shows the formation regions of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET in order from the left as in FIG.

次に、図3に示すように、pウエル1a上の酸化膜3をドライエッチングまたはウェットエッチングによって除去し、周知の二種ゲート酸化プロセスにより高電圧MISFET形成領域に厚膜ゲート酸化膜4を形成した後、MONOSメモリ形成領域および低電圧MISFET形成領域に薄膜ゲート酸化膜5を形成する。   Next, as shown in FIG. 3, the oxide film 3 on the p-well 1a is removed by dry etching or wet etching, and a thick gate oxide film 4 is formed in the high voltage MISFET formation region by a well-known two-type gate oxidation process. Thereafter, a thin gate oxide film 5 is formed in the MONOS memory formation region and the low voltage MISFET formation region.

すなわち、酸化膜3を除去したシリコン基板1の主面上の全面に厚い酸化シリコン膜をCVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積した後、高電圧MISFET形成領域をフォトレジストで覆う。その後、フォトレジストをマスクとしてMONOSメモリ形成領域および低電圧MISFET形成領域の酸化シリコン膜をドライエッチングまたはウェットエッチングにより選択的に除去し、高電圧MISFET形成領域に前記厚い酸化シリコン膜からなる厚膜ゲート酸化膜4を残して形成した後、フォトレジストをアッシングにより除去する。その後、シリコン基板1を熱酸化してMONOSメモリ形成領域および低電圧MISFET形成領域に薄膜ゲート酸化膜5を形成することで、二種ゲート酸化を行う。このとき、高電圧MISFET形成領域の厚膜ゲート酸化膜4の下のpウエル1aの上面も若干酸化される。   That is, after a thick silicon oxide film is deposited on the entire main surface of the silicon substrate 1 from which the oxide film 3 has been removed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, the high voltage MISFET formation region is covered with a photoresist. Thereafter, using the photoresist as a mask, the silicon oxide film in the MONOS memory formation region and the low voltage MISFET formation region is selectively removed by dry etching or wet etching, and the thick gate gate made of the thick silicon oxide film is formed in the high voltage MISFET formation region. After the oxide film 4 is formed, the photoresist is removed by ashing. Thereafter, the silicon substrate 1 is thermally oxidized to form a thin gate oxide film 5 in the MONOS memory formation region and the low voltage MISFET formation region, thereby performing two-type gate oxidation. At this time, the upper surface of the p well 1a under the thick gate oxide film 4 in the high voltage MISFET formation region is also slightly oxidized.

これにより、高電圧MISFET形成領域に相対的に膜厚の厚い厚膜ゲート酸化膜4が形成され、MONOSメモリ形成領域および低電圧MISFET形成領域に、相対的に膜厚の薄い薄膜ゲート酸化膜5が形成される。その後、CVD法によりシリコン基板1の主面側の全面上に、導体膜であるポリシリコン膜6を堆積する。なお、この後、薄膜ゲート酸化膜5および厚膜ゲート酸化膜4に対して、窒素および酸素雰囲気中で熱処理することで、酸窒化シリコン膜としてもよい。また、薄膜ゲート酸化膜5および酸化膜3の製法は、熱酸化法に限られず、ISSG(In-Situ Steam Generation)酸化処理またはCVD法によって形成してもよい。   Thereby, a relatively thick thick gate oxide film 4 is formed in the high voltage MISFET formation region, and a relatively thin thin gate oxide film 5 is formed in the MONOS memory formation region and the low voltage MISFET formation region. Is formed. Thereafter, a polysilicon film 6 as a conductor film is deposited on the entire main surface side of the silicon substrate 1 by CVD. Thereafter, the thin gate oxide film 5 and the thick gate oxide film 4 may be heat treated in a nitrogen and oxygen atmosphere to form a silicon oxynitride film. Further, the manufacturing method of the thin gate oxide film 5 and the oxide film 3 is not limited to the thermal oxidation method, and may be formed by ISSG (In-Situ Steam Generation) oxidation treatment or CVD method.

次に、図4に示すように、CVD法によりポリシリコン膜6上に酸化シリコン膜を堆積し、低電圧MISFET形成領域の前記酸化シリコン膜上に選択的に形成されたフォトレジスト50をマスクとしたドライエッチングにより、低電圧MISFET形成領域以外の領域の前記酸化シリコン膜を除去し、低電圧MISFET形成領域のポリシリコン膜6の上部に前記酸化シリコン膜からなるキャップ酸化膜7を形成する。   Next, as shown in FIG. 4, a silicon oxide film is deposited on the polysilicon film 6 by the CVD method, and a photoresist 50 selectively formed on the silicon oxide film in the low voltage MISFET formation region is used as a mask. By the dry etching, the silicon oxide film in the region other than the low voltage MISFET formation region is removed, and a cap oxide film 7 made of the silicon oxide film is formed on the polysilicon film 6 in the low voltage MISFET formation region.

次に、図5に示すように、フォトレジスト50をアッシングにより除去した後、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域を覆うフォトレジスト51を形成し、ドライエッチングによってMONOSメモリ形成領域のポリシリコン膜6および薄膜ゲート酸化膜5を除去する。これにより、MONOSメモリ形成領域においてはpウエル1aの上面が露出する。   Next, as shown in FIG. 5, after removing the photoresist 50 by ashing, a photoresist 51 covering the high voltage MISFET formation region and the low voltage MISFET formation region is formed, and polysilicon in the MONOS memory formation region is formed by dry etching. The film 6 and the thin gate oxide film 5 are removed. As a result, the upper surface of the p well 1a is exposed in the MONOS memory formation region.

次に、図6に示すように、フォトレジスト51をアッシングにより除去した後、露出したpウエル1a、ポリシリコン膜6およびキャップ酸化膜7の上面にONO膜8を形成する。ONO膜は、電位障壁膜となるボトム酸化膜、電荷蓄積膜となる窒化シリコン膜および電位障壁膜となるトップ酸化膜の三層を順次CVD法により堆積して形成される。なお、ボトム酸化膜およびトップ酸化膜のそれぞれの部材は酸化シリコンである。また、ボトム酸化膜およびトップ酸化膜のそれぞれはCVD法に限られず、熱酸化法またはISSG酸化処理によって形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 6, after removing the photoresist 51 by ashing, an ONO film 8 is formed on the exposed upper surfaces of the p-well 1 a, the polysilicon film 6, and the cap oxide film 7. The ONO film is formed by sequentially depositing three layers of a bottom oxide film serving as a potential barrier film, a silicon nitride film serving as a charge storage film, and a top oxide film serving as a potential barrier film by a CVD method. Each member of the bottom oxide film and the top oxide film is silicon oxide. Each of the bottom oxide film and the top oxide film is not limited to the CVD method, and may be formed by a thermal oxidation method or an ISSG oxidation treatment.

次に、図7に示すように、CVD法によりONO膜8上にポリシリコン膜を堆積した後、選択的に形成されたフォトレジスト52をマスクとしてドライエッチングを行い、上述のポリシリコン膜およびONO膜8をパターニングすることで、上述のポリシリコン膜からなるゲート電極9をMONOSメモリ形成領域のpウエル1a上にONO膜8を介して形成する。   Next, as shown in FIG. 7, after depositing a polysilicon film on the ONO film 8 by the CVD method, dry etching is performed using the selectively formed photoresist 52 as a mask, and the above-described polysilicon film and ONO are then formed. By patterning the film 8, the gate electrode 9 made of the above polysilicon film is formed on the p-well 1 a in the MONOS memory formation region via the ONO film 8.

次に、図8に示すように、フォトレジスト52をアッシングにより除去した後、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域の一部に形成したフォトレジスト53およびキャップ酸化膜7をマスクとしてドライエッチングをする。これにより、ポリシリコン膜6および厚膜ゲート酸化膜4のそれぞれの一部を除去し、ポリシリコン膜6からなる高電圧MISFETのゲート電極10を、高電圧MISFET形成領域においてpウエル1a上に厚膜ゲート酸化膜4を介して形成する。   Next, as shown in FIG. 8, after removing the photoresist 52 by ashing, dry etching is performed using the photoresist 53 and the cap oxide film 7 formed in a part of the MONOS memory formation region and the high-voltage MISFET formation region as a mask. To do. Thereby, a part of each of the polysilicon film 6 and the thick gate oxide film 4 is removed, and the gate electrode 10 of the high voltage MISFET made of the polysilicon film 6 is thickened on the p well 1a in the high voltage MISFET formation region. A film is formed via a gate oxide film 4.

次に、図9に示すように、フォトレジスト53をアッシングにより除去した後、MONOSメモリ形成領域、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域の一部に形成したフォトレジスト54をマスクとしたドライエッチングによりキャップ酸化膜7、ポリシリコン膜6および薄膜ゲート酸化膜5を選択的に除去する。これにより、低電圧MISFET形成領域にポリシリコン膜6からなるダミーゲート電極11を、pウエル1a上に薄膜ゲート酸化膜5を介して形成する。   Next, as shown in FIG. 9, after the photoresist 53 is removed by ashing, the photoresist 54 formed in a part of the MONOS memory formation region, the high-voltage MISFET formation region, and the low-voltage MISFET formation region is used as a mask. The cap oxide film 7, the polysilicon film 6, and the thin gate oxide film 5 are selectively removed by etching. Thus, a dummy gate electrode 11 made of the polysilicon film 6 is formed on the p-well 1a via the thin gate oxide film 5 in the low voltage MISFET formation region.

次に、図10に示すように、フォトレジスト54をアッシングにより除去してシリコン基板1を洗浄した後、ゲート電極9、10およびキャップ酸化膜7をマスクとしてpウエル1aの上面にn型の不純物(たとえばAs(ヒ素)やP(リン))をイオン注入することにより、エクステンション領域12を形成する。このエクステンション領域12は、MONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETのそれぞれのソース領域またはドレイン領域の一部を構成し、不純物の拡散層をLDD構造にするために形成する。   Next, as shown in FIG. 10, after the photoresist 54 is removed by ashing to clean the silicon substrate 1, n-type impurities are formed on the upper surface of the p-well 1a using the gate electrodes 9, 10 and the cap oxide film 7 as a mask. The extension region 12 is formed by ion implantation of (for example, As (arsenic) or P (phosphorus)). The extension region 12 forms part of the source region or drain region of each of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET, and is formed to make the impurity diffusion layer have an LDD structure.

次に、図11に示すように、シリコン基板1の主面側の全面上に窒化シリコン膜をCVD法により堆積した後、ドライエッチングによって窒化シリコン膜を一部除去し、ゲート電極9、10およびダミーゲート電極11の側壁に接する窒化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ13を形成する。サイドウォールスペーサ13の部材は酸化シリコンなどを用いてもよいし、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜を使用してもよい。   Next, as shown in FIG. 11, after a silicon nitride film is deposited on the entire main surface side of the silicon substrate 1 by the CVD method, a part of the silicon nitride film is removed by dry etching, and the gate electrodes 9, 10 and Sidewall spacers 13 made of a silicon nitride film in contact with the side walls of the dummy gate electrode 11 are formed. As a member of the sidewall spacer 13, silicon oxide or the like may be used, or a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film may be used.

次に、図12に示すように、ゲート電極9、10、キャップ酸化膜7およびサイドウォールスペーサ13をマスクとしてpウエル1aの上面にn型の不純物(たとえばAsやP)をエクステンション領域12よりも高濃度でイオン注入し、注入した不純物の活性化のためのアニールを行うことにより、pウエル1aの上面にソース・ドレイン領域14を形成する。このソース・ドレイン領域14は、MONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETのそれぞれのソース領域またはドレイン領域の一部を構成している。   Next, as shown in FIG. 12, n-type impurities (for example, As or P) are introduced into the upper surface of the p-well 1 a from the extension region 12 using the gate electrodes 9 and 10, the cap oxide film 7 and the sidewall spacer 13 as a mask. Source / drain regions 14 are formed on the upper surface of the p-well 1a by ion implantation at a high concentration and annealing for activating the implanted impurities. The source / drain region 14 constitutes a part of the source region or drain region of each of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET.

なお、MONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETのそれぞれのエクステンション領域12はそれぞれの領域に形成されたサイドウォールスペーサ13の下部のpウエル1aの表面に形成されている。また、このソース・ドレイン領域14は、エクステンション領域12よりも接合深さが深い領域であり、エクステンション領域12よりも高い不純物濃度を有する領域である。また、ソース・ドレイン領域14は、MONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETのそれぞれの領域のpウエル1aの上面において、エクステンション領域12のゲート側の反対側の端部から素子分離層2の側面にかけて形成されている。   The extension regions 12 of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET are formed on the surface of the p well 1a below the sidewall spacer 13 formed in each region. Further, the source / drain region 14 is a region having a junction depth deeper than that of the extension region 12, and a region having an impurity concentration higher than that of the extension region 12. The source / drain region 14 is formed on the side surface of the element isolation layer 2 from the end of the extension region 12 opposite to the gate side on the upper surface of the p well 1a in each region of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET. It is formed over.

次に、図13に示すように、公知のサリサイドプロセスにより、ゲート電極9、10およびソース・ドレイン領域14のそれぞれの表面にシリサイド15を形成する。シリサイド化の手順としては、まずシリコン基板1の主面上にスパッタリングにより金属膜を堆積し、次にシリコン基板1を熱処理した後、未反応の金属膜をウェットエッチングで除去することでシリサイド15を完成する。シリサイド15の部材として、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイド、チタンシリサイド、またはプラチナシリサイドを形成するようにしてもよい。なお、このときダミーゲート電極11上のキャップ酸化膜7の表面にはシリサイドは形成されない。   Next, as shown in FIG. 13, silicide 15 is formed on the surfaces of the gate electrodes 9 and 10 and the source / drain regions 14 by a known salicide process. As a silicidation procedure, first, a metal film is deposited on the main surface of the silicon substrate 1 by sputtering, and then the silicon substrate 1 is heat treated, and then the unreacted metal film is removed by wet etching to remove the silicide 15. Complete. As a member of the silicide 15, nickel silicide, cobalt silicide, titanium silicide, or platinum silicide may be formed. At this time, no silicide is formed on the surface of the cap oxide film 7 on the dummy gate electrode 11.

本実施の形態では、ダミーゲート電極11の形成工程において、ダミーゲート電極11の上部にキャップ酸化膜を形成することでダミーゲート電極11上にシリサイドが形成されることを防いでいる。これにより、後の工程でダミーゲート電極11を除去し、high−k膜18およびメタルゲート電極20を形成する際のダマシンプロセスを可能としている。   In the present embodiment, in the step of forming the dummy gate electrode 11, a cap oxide film is formed on the dummy gate electrode 11 to prevent silicide from being formed on the dummy gate electrode 11. This enables a damascene process when removing the dummy gate electrode 11 in a later step and forming the high-k film 18 and the metal gate electrode 20.

次に、図14に示すように、シリコン基板1の主面上に薄い窒化シリコン膜からなるエッチングストッパ膜(図示しない)をCVD法により堆積する。その後、シリコン基板1の主面上に厚い酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜16を、ゲート電極9、10およびダミーゲート電極11のそれぞれの上部を覆うようにCVD法により堆積した後、CMPにより層間絶縁膜16の表面を研磨し、平坦化する。   Next, as shown in FIG. 14, an etching stopper film (not shown) made of a thin silicon nitride film is deposited on the main surface of the silicon substrate 1 by the CVD method. Thereafter, an interlayer insulating film 16 made of a thick silicon oxide film is deposited on the main surface of the silicon substrate 1 by the CVD method so as to cover the upper portions of the gate electrodes 9, 10 and the dummy gate electrode 11, and then the interlayer is formed by CMP. The surface of the insulating film 16 is polished and planarized.

次に、図15に示すように、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域を覆うように層間絶縁膜16上に形成したフォトレジスト55をマスクとして、ダミーゲート電極11の表面が露出するまで層間絶縁膜16およびキャップ酸化膜7をエッチバックする。これにより、低電圧MISFET形成領域の層間絶縁膜16とキャップ酸化膜7を除去する。これにより、低電圧MISFET形成領域においては、層間絶縁膜16はダミーゲート電極11の上部には形成されておらず、その上面の高さはダミーゲート電極11の上面の高さとほぼ同一となり、ダミーゲート電極11の側方のpウエル1a上のみに形成された状態となる。   Next, as shown in FIG. 15, using the photoresist 55 formed on the interlayer insulating film 16 so as to cover the MONOS memory formation region and the high voltage MISFET formation region as a mask, the interlayer is exposed until the surface of the dummy gate electrode 11 is exposed. The insulating film 16 and the cap oxide film 7 are etched back. Thereby, the interlayer insulating film 16 and the cap oxide film 7 in the low voltage MISFET formation region are removed. Thereby, in the low voltage MISFET formation region, the interlayer insulating film 16 is not formed on the upper portion of the dummy gate electrode 11, and the height of the upper surface thereof is substantially the same as the height of the upper surface of the dummy gate electrode 11. The gate electrode 11 is formed only on the p well 1a on the side.

このエッチバックにより層間絶縁膜16の上面には、低電圧MISFET形成領域の端部において段差が形成される。つまり、低電圧MISFET形成領域における層間絶縁膜16の上面の高さを、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域における層間絶縁膜16の上面の高さよりも低くエッチバックする。なお、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域の層間絶縁膜16はフォトレジスト55に覆われているためエッチバックされず、ゲート電極9、10は層間絶縁膜16に覆われたままである。   By this etch back, a step is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 16 at the end of the low voltage MISFET formation region. That is, the height of the upper surface of the interlayer insulating film 16 in the low voltage MISFET forming region is etched back lower than the height of the upper surface of the interlayer insulating film 16 in the MONOS memory forming region and the high voltage MISFET forming region. Note that the interlayer insulating film 16 in the MONOS memory forming region and the high voltage MISFET forming region is not etched back because it is covered with the photoresist 55, and the gate electrodes 9 and 10 are still covered with the interlayer insulating film 16.

次に、図16に示すように、フォトレジスト55をアッシングにより除去した後、ドライエッチングまたはウェットエッチングによりポリシリコン膜からなるダミーゲート電極11を除去し、続いて薄膜ゲート酸化膜5を除去する。   Next, as shown in FIG. 16, after removing the photoresist 55 by ashing, the dummy gate electrode 11 made of a polysilicon film is removed by dry etching or wet etching, and then the thin gate oxide film 5 is removed.

次に、図17に示すように、シリコン基板1を熱酸化することにより、低電圧MISFET形成領域の露出したpウエル1aの上面にゲート酸化膜17を形成した後、ゲート酸化膜17上、サイドウォールスペーサ13の内壁および上面上および層間絶縁膜16上にhigh−k膜18およびメタル膜19を順次堆積する。なお、high−k膜18は本実施の形態の厚膜ゲート酸化膜4のようなゲート絶縁膜に使われる部材のひとつである窒化シリコンよりも高い誘電率を有する膜である。このような膜として、ハフニウム系の酸化膜を使用することができる。例えば、HfO、HfONまたはHFSiONなどの誘電率の高い物質をCVD法やALD(Atomic Layer Deposition)法で堆積することで形成できる。また、メタル膜19は、WやTiNなどをスパッタリングで堆積することで形成できる。 Next, as shown in FIG. 17, the silicon substrate 1 is thermally oxidized to form a gate oxide film 17 on the upper surface of the p-well 1a exposed in the low-voltage MISFET formation region. A high-k film 18 and a metal film 19 are sequentially deposited on the inner wall and upper surface of the wall spacer 13 and on the interlayer insulating film 16. The high-k film 18 is a film having a higher dielectric constant than silicon nitride, which is one of the members used for the gate insulating film such as the thick gate oxide film 4 of the present embodiment. As such a film, a hafnium-based oxide film can be used. For example, it can be formed by depositing a substance having a high dielectric constant such as HfO 2 , HfON, or HFSiON by a CVD method or an ALD (Atomic Layer Deposition) method. The metal film 19 can be formed by depositing W, TiN or the like by sputtering.

なお、図16の工程において薄膜ゲート酸化膜5を除去した後に図17の工程で再度ゲート酸化膜17を形成する理由は、図16の工程においてダミーゲート電極11を除去するためのRIEにより薄膜ゲート酸化膜5がプラズマダメージを受けるためである。ダメージを受けたゲート絶縁膜を含むMISFETはその特性が劣化するため、ダメージを受けた酸化膜を、たとえばウェットエッチングにより除去し、新たにゲート酸化膜17を形成することでMISFETの特性が劣化することを防ぐことができる。   The reason why the gate oxide film 17 is formed again in the step of FIG. 17 after the thin gate oxide film 5 is removed in the step of FIG. 16 is that the thin film gate is formed by RIE for removing the dummy gate electrode 11 in the step of FIG. This is because the oxide film 5 receives plasma damage. Since the characteristics of the MISFET including the damaged gate insulating film are deteriorated, the characteristics of the MISFET are deteriorated by removing the damaged oxide film by, for example, wet etching and newly forming the gate oxide film 17. Can be prevented.

次に、図18に示すように、層間絶縁膜16上のメタル膜19およびhigh−k膜18を、MONOSメモリ形成領域、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域のそれぞれの層間絶縁膜16の上面が露出するまでCMPにより研磨することで、メタル膜19からなるメタルゲート電極20を形成する。これにより、メタルゲート電極20の側面および底面にはhigh−k膜18が形成され、high−k膜18の下部には、pウエル1aの表面との間にゲート酸化膜17が形成されている形となり、このhigh−k膜18およびゲート酸化膜17が低電圧MISFETのゲート絶縁膜として働く。   Next, as shown in FIG. 18, the metal film 19 and the high-k film 18 on the interlayer insulating film 16 are formed on the interlayer insulating film 16 in each of the MONOS memory forming region, the high voltage MISFET forming region, and the low voltage MISFET forming region. The metal gate electrode 20 made of the metal film 19 is formed by polishing by CMP until the upper surface of the metal is exposed. As a result, a high-k film 18 is formed on the side and bottom surfaces of the metal gate electrode 20, and a gate oxide film 17 is formed below the high-k film 18 between the surface of the p-well 1a. The high-k film 18 and the gate oxide film 17 serve as a gate insulating film of the low voltage MISFET.

このとき、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域における層間絶縁膜16の上面高さは、低電圧MISFET形成領域における層間絶縁膜16の上面高さよりも高く、高電圧MISFET形成領域と低電圧MISFET形成領域との境界における層間絶縁膜16の上面には段差が存在する。ここでのCMPによる研磨工程は、層間絶縁膜16上面の高低差をなくしてシリコン基板1の主面側の層間絶縁膜16の全面を一様に平坦化するものではなく、MONOSメモリ形成領域、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFETのそれぞれの層間絶縁膜16の上面が露出するまでの研磨にとどめ、高低差のある層間絶縁膜16上面の形状を保つものとする。このため、ゲート電極9、10およびその上部のシリサイド15は層間絶縁膜16に覆われたままである。   At this time, the upper surface height of the interlayer insulating film 16 in the MONOS memory formation region and the high voltage MISFET formation region is higher than the upper surface height of the interlayer insulating film 16 in the low voltage MISFET formation region, and the high voltage MISFET formation region and the low voltage MISFET There is a step on the upper surface of the interlayer insulating film 16 at the boundary with the formation region. The polishing process by CMP here does not eliminate the level difference of the upper surface of the interlayer insulating film 16 and uniformly flatten the entire surface of the interlayer insulating film 16 on the main surface side of the silicon substrate 1. Polishing is performed until the upper surface of each interlayer insulating film 16 of the high voltage MISFET formation region and the low voltage MISFET is exposed, and the shape of the upper surface of the interlayer insulating film 16 having a difference in height is maintained. For this reason, the gate electrodes 9 and 10 and the silicide 15 thereabove are still covered with the interlayer insulating film 16.

メタルゲート電極20を形成する際に層間絶縁膜16の上面を全面一様に平坦化した場合、ゲート電極9、10の上部に形成されたシリサイド15を除去してしまうが、本実施の形態では、層間絶縁膜16の上面に高低差を形成することによりシリサイド15を除去してしまうことを防ぎ、後に形成するコンタクトプラグとシリサイド15の接続部における高抵抗化を抑えている。   When the upper surface of the interlayer insulating film 16 is uniformly planarized when forming the metal gate electrode 20, the silicide 15 formed on the upper portions of the gate electrodes 9 and 10 is removed. By forming a height difference on the upper surface of the interlayer insulating film 16, the silicide 15 is prevented from being removed, and the increase in resistance at the connection portion between the contact plug and the silicide 15 formed later is suppressed.

なお、低電圧MISFET形成領域の層間絶縁膜16はその上面の端部に段差を有するため、層間絶縁膜16の段差部の側壁の近傍にhigh−k膜18およびメタル膜19の研磨残り(図示しない)が生じる可能性がある。   Since the interlayer insulating film 16 in the low-voltage MISFET formation region has a step at the end of the upper surface thereof, the polishing residue of the high-k film 18 and the metal film 19 (shown in the drawing) near the side wall of the stepped portion of the interlayer insulating film 16. May not occur).

本実施の形態では、層間絶縁膜16上面の段差部において研磨残りが発生することを防ぐために、CMPの研磨用のパッドを通常より柔らかいものに換えて研磨を行う。これにより、層間絶縁膜16上面の高低差のある形状を保ちつつ、研磨残りの発生を防ぎ、少量の研磨残りが生じても問題ない精度で層間絶縁膜16の表面を研磨することができ、メタル膜19のエッチ残りにより回路の誤動作がおこるのを防ぐことを可能としている。   In this embodiment, in order to prevent the occurrence of polishing residue at the stepped portion on the upper surface of the interlayer insulating film 16, polishing is performed by changing the CMP polishing pad to a softer one than usual. Thereby, while maintaining the shape of the upper surface of the interlayer insulating film 16 with a height difference, it is possible to prevent the occurrence of polishing residue and polish the surface of the interlayer insulating film 16 with no problem even if a small amount of polishing residue occurs, It is possible to prevent the malfunction of the circuit due to the etching residue of the metal film 19.

次に、図19に示すように、公知の配線プロセスにより配線を行う。すなわち、層間絶縁膜16上にさらに層間絶縁膜30を堆積しその上面をCMPにより研磨した後、層間絶縁膜30の表面からゲート電極9、10、メタルゲート電極20およびシリサイド15のそれぞれに達するコンタクトホール31を形成する。続いて、コンタクトホール31内に導体を充填してコンタクトプラグ32を形成した後、周知の技術であるダマシンプロセスによって、層間絶縁膜30およびコンタクトプラグ32上にダマシン配線33および層間絶縁膜34を形成することで、本実施の形態の半導体装置を完成する。ここで、コンタクトプラグ32は、チタンおよび窒化チタン等のバリアメタル膜と、タングステン膜によって構成されている。また、ダマシン配線33は、タンタルまたは窒化タンタル等のバリアメタル膜と、銅を主成分とする導体膜によって構成されている。   Next, as shown in FIG. 19, wiring is performed by a known wiring process. That is, after further depositing an interlayer insulating film 30 on the interlayer insulating film 16 and polishing the upper surface thereof by CMP, the contacts reaching the gate electrodes 9, 10, the metal gate electrode 20 and the silicide 15 from the surface of the interlayer insulating film 30. Hole 31 is formed. Subsequently, after filling the contact hole 31 with a conductor to form a contact plug 32, a damascene wiring 33 and an interlayer insulating film 34 are formed on the interlayer insulating film 30 and the contact plug 32 by a damascene process which is a well-known technique. Thus, the semiconductor device of this embodiment is completed. Here, the contact plug 32 is composed of a barrier metal film such as titanium and titanium nitride, and a tungsten film. The damascene wiring 33 is composed of a barrier metal film such as tantalum or tantalum nitride and a conductor film containing copper as a main component.

本実施の形態では、ダマシンプロセスを用いてhigh−k膜18およびメタルゲート電極20を形成するため、high−k膜18およびメタルゲート電極20がソース・ドレイン領域活性化のためのアニールにさらされることなく、高性能で高信頼な低電圧MISFETを形成している。   In the present embodiment, since the high-k film 18 and the metal gate electrode 20 are formed using the damascene process, the high-k film 18 and the metal gate electrode 20 are exposed to annealing for activating the source / drain regions. Therefore, a high-performance and highly reliable low-voltage MISFET is formed.

また、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域において従来のポリシリコンゲートを使うため、MONOSメモリおよび高電圧MISFETのゲート絶縁膜にダミーゲート電極除去のためのRIEによるプラズマダメージが生じることがない。   Further, since conventional polysilicon gates are used in the MONOS memory formation region and the high voltage MISFET formation region, plasma damage due to RIE for removing the dummy gate electrode does not occur in the gate insulating films of the MONOS memory and the high voltage MISFET.

また、本実施の形態におけるダマシンメタルゲートプロセスでは、ダミーゲート電極上部にキャップ酸化膜を形成し、また、キャップ酸化膜の除去工程においてゲート電極上のシリサイドを除去しないことで工程数の増加を抑えている。また、通常よりも柔らかいパッドを用いたCMP研磨を行うことにより、メタル膜のエッチ残りによる基板の汚染の発生を防いでいる。   In the damascene metal gate process in this embodiment, a cap oxide film is formed on the dummy gate electrode, and the silicide on the gate electrode is not removed in the cap oxide film removal process, thereby suppressing an increase in the number of processes. ing. Further, by performing CMP polishing using a pad softer than usual, the occurrence of contamination of the substrate due to the remaining etching of the metal film is prevented.

以上により本実施の形態は、工程数を抑えた上で、高性能な低電圧MISFETと同時に高信頼なMONOSメモリおよび高電圧MISFETのそれぞれを同一の半導体基板上に形成することができるため、半導体装置の製造時にかかるコストの削減を可能としている。   As described above, the present embodiment can form a high-reliability MONOS memory and a high-voltage MISFET on the same semiconductor substrate simultaneously with a high-performance low-voltage MISFET while suppressing the number of steps. The cost for manufacturing the device can be reduced.

(実施の形態2)
前記実施の形態1ではMONOSメモリおよび高電圧MISFETのゲート電極にポリシリコンを使用した半導体装置の製造工程を記載した。図25に示すように、本実施の形態の半導体装置は、MONOSメモリのゲート電極をメタルゲート電極20とし、ONO膜のトップ酸化膜をhigh−k膜18としたものである。ここで、図25の符号21はボトム酸化膜、22は窒化シリコン膜をそれぞれ示しており、ボトム酸化膜21の下面はMONOSメモリ形成領域のpウエル1a上に接し、両端はサイドウォールスペーサ13に接している。窒化シリコン膜22はボトム酸化膜21上に接して形成され、窒化シリコン膜22上には、下面及び側面にhigh−k膜18が形成されたメタルゲート電極20が形成されている。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the manufacturing process of the semiconductor device using polysilicon for the gate electrodes of the MONOS memory and the high voltage MISFET is described. As shown in FIG. 25, the semiconductor device according to the present embodiment is configured such that the gate electrode of the MONOS memory is the metal gate electrode 20 and the top oxide film of the ONO film is the high-k film 18. Here, reference numeral 21 in FIG. 25 denotes a bottom oxide film, and 22 denotes a silicon nitride film. The bottom surface of the bottom oxide film 21 is in contact with the p-well 1a in the MONOS memory formation region, and both ends are connected to the sidewall spacers 13. It touches. The silicon nitride film 22 is formed on and in contact with the bottom oxide film 21, and the metal gate electrode 20 with the high-k film 18 formed on the lower surface and side surfaces is formed on the silicon nitride film 22.

以下に、図20〜図26を用いて本実施の形態のMONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETの製造方法を工程順に説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET of this embodiment will be described in the order of steps with reference to FIGS.

まず、前記実施の形態1における図6の工程までは、前記実施の形態1と同様に行う。すなわち、シリコン基板1の主面に素子分離層2、pウエル1a、薄膜ゲート酸化膜5および厚膜ゲート酸化膜4を形成する。続いて、厚膜ゲート酸化膜4および薄膜ゲート酸化膜5の形成されたシリコン基板1の主面上にポリシリコン膜6を堆積した後、低電圧MISFET形成領域のポリシリコン膜6上にキャップ酸化膜7を選択的に形成し、MONOSメモリ形成領域におけるポリシリコン膜6をパターニングして除去する。続いて、MONOSメモリ形成領域の露出したpウエル1a上、高電圧MISFET形成領域のポリシリコン膜6上および低電圧MISFET形成領域のキャップ酸化膜7上にONO膜8を堆積する。   First, the steps up to the step of FIG. 6 in the first embodiment are performed in the same manner as in the first embodiment. That is, the element isolation layer 2, the p well 1a, the thin gate oxide film 5, and the thick gate oxide film 4 are formed on the main surface of the silicon substrate 1. Subsequently, after depositing a polysilicon film 6 on the main surface of the silicon substrate 1 on which the thick gate oxide film 4 and the thin gate oxide film 5 are formed, cap oxidation is performed on the polysilicon film 6 in the low voltage MISFET formation region. A film 7 is selectively formed, and the polysilicon film 6 in the MONOS memory formation region is patterned and removed. Subsequently, an ONO film 8 is deposited on the p-well 1a exposed in the MONOS memory formation region, the polysilicon film 6 in the high-voltage MISFET formation region, and the cap oxide film 7 in the low-voltage MISFET formation region.

次に、図20に示すように、MONOSメモリ形成領域のpウエル1a上に、上部にキャップ酸化膜24が形成されたダミーゲート電極23を形成する。ここでは、前記実施の形態1の図6の工程の後に、ONO膜8の上部にポリシリコン膜および酸化シリコン膜をCVD法で順次堆積し、フォトレジスト56をマスクとしたドライエッチングをする。これにより、酸化シリコン膜、ポリシリコン膜およびONO膜8を選択的に除去することで、ポリシリコン膜からなるダミーゲート電極23およびダミーゲート電極23上部の酸化シリコン膜からなるキャップ酸化膜24を形成する。   Next, as shown in FIG. 20, a dummy gate electrode 23 having a cap oxide film 24 formed thereon is formed on the p-well 1a in the MONOS memory formation region. Here, after the step of FIG. 6 of the first embodiment, a polysilicon film and a silicon oxide film are sequentially deposited on the ONO film 8 by the CVD method, and dry etching is performed using the photoresist 56 as a mask. Thus, by selectively removing the silicon oxide film, the polysilicon film, and the ONO film 8, a dummy gate electrode 23 made of a polysilicon film and a cap oxide film 24 made of a silicon oxide film on the dummy gate electrode 23 are formed. To do.

次に、図21に示すように、フォトレジスト56をアッシングにより除去した後、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域のポリシリコン膜6、キャップ酸化膜7、厚膜ゲート酸化膜4および薄膜ゲート酸化膜5をパターニングする。これにより、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域のそれぞれにおいて、pウエル1a上に厚膜ゲート酸化膜4および薄膜ゲート酸化膜5を介してゲート電極10およびダミーゲート電極11をそれぞれ形成する。   Next, as shown in FIG. 21, after removing the photoresist 56 by ashing, the polysilicon film 6, the cap oxide film 7, the thick gate oxide film 4 and the thin film in the high voltage MISFET formation region and the low voltage MISFET formation region. The gate oxide film 5 is patterned. As a result, in each of the high voltage MISFET formation region and the low voltage MISFET formation region, the gate electrode 10 and the dummy gate electrode 11 are formed on the p well 1a via the thick gate oxide film 4 and the thin gate oxide film 5, respectively. .

次に、図22に示すように、キャップ酸化膜7、24およびゲート電極10をマスクとしてpウエル1aの上面にn型の不純物(たとえばAsやP)をイオン注入することにより、ウエル1aの上面にエクステンション領域12を形成する。その後、シリコン基板1の主面側の全面上に窒化シリコン膜をCVD法により堆積した後、ドライエッチングによって窒化シリコン膜をエッチングし、ゲート電極10およびダミーゲート電極11、23のそれぞれの側壁に窒化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ13を形成する。   Next, as shown in FIG. 22, n-type impurities (for example, As or P) are ion-implanted into the upper surface of the p-well 1a using the cap oxide films 7 and 24 and the gate electrode 10 as a mask, whereby the upper surface of the well 1a. The extension region 12 is formed on the substrate. Thereafter, a silicon nitride film is deposited on the entire main surface side of the silicon substrate 1 by a CVD method, and then the silicon nitride film is etched by dry etching to nitride each side wall of the gate electrode 10 and the dummy gate electrodes 11 and 23. Sidewall spacers 13 made of a silicon film are formed.

次に、図23に示すように、ゲート電極10、キャップ酸化膜7、24およびサイドウォールスペーサ13をマスクとしてpウエル1aの上面にn型の不純物(たとえばAsやP)をエクステンション領域12よりも高濃度でイオン注入し、注入した不純物の活性化のためのアニールを行うことにより、pウエル1aの上面にソース・ドレイン領域14を形成する。その後、公知のサリサイドプロセスにより、ゲート電極10およびソース・ドレイン領域14のそれぞれの表面にシリサイド15を形成する。なお、このときキャップ酸化膜7および24の表面にはシリサイドは形成されない。   Next, as shown in FIG. 23, an n-type impurity (for example, As or P) is applied to the upper surface of the p well 1a from the extension region 12 using the gate electrode 10, the cap oxide films 7 and 24, and the sidewall spacer 13 as a mask. Source / drain regions 14 are formed on the upper surface of the p-well 1a by ion implantation at a high concentration and annealing for activating the implanted impurities. Thereafter, silicide 15 is formed on the respective surfaces of the gate electrode 10 and the source / drain regions 14 by a known salicide process. At this time, no silicide is formed on the surfaces of the cap oxide films 7 and 24.

本実施の形態では、ダミーゲート電極11、23の形成工程において、ダミーゲート電極11、23のそれぞれの上部にキャップ酸化膜を形成することにより、ダミーゲート電極11、23上にシリサイドが形成されることを防いでいる。これにより、後の工程でダミーゲート電極11、23を除去し、ダマシンプロセスを可能としている。   In the present embodiment, silicide is formed on the dummy gate electrodes 11 and 23 by forming a cap oxide film on each of the dummy gate electrodes 11 and 23 in the step of forming the dummy gate electrodes 11 and 23. It prevents that. As a result, the dummy gate electrodes 11 and 23 are removed in a later process, thereby enabling a damascene process.

次に、図24に示すように、シリコン基板1の主面側の全面上に薄い窒化シリコン膜からなる湿気防止膜(図示しない)をCVD法により堆積し、続いてシリコン基板1の主面側の全面上に厚い酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜16をCVD法により堆積した後、CMPにより層間絶縁膜16の表面を研磨し、平坦化する。その後、高電圧MISFET形成領域を覆うように層間絶縁膜16上に形成したフォトレジストをマスクとして、層間絶縁膜16およびキャップ酸化膜7、24をダミーゲート電極11、23の上面が露出するまでエッチバックする。このエッチバックにより層間絶縁膜16の上面には、MONOSメモリ形成領域および低電圧MISFET形成領域のそれぞれの端部において段差が形成されるため、MONOSメモリ形成領域および低電圧MISFET形成領域のそれぞれの層間絶縁膜16の上面の高さは、高電圧MISFET形成領域の層間絶縁膜16の上面の高さより低くなる。このとき、高電圧MISFET形成領域の層間絶縁膜16はフォトレジストに覆われておりエッチバックされないため、ゲート電極10の上面およびゲート電極10上に形成されたシリサイド15は層間絶縁膜16に覆われたままである。   Next, as shown in FIG. 24, a moisture prevention film (not shown) made of a thin silicon nitride film is deposited on the entire main surface side of the silicon substrate 1 by the CVD method, and then the main surface side of the silicon substrate 1 is formed. Then, an interlayer insulating film 16 made of a thick silicon oxide film is deposited on the entire surface by CVD, and then the surface of the interlayer insulating film 16 is polished and planarized by CMP. Thereafter, using the photoresist formed on the interlayer insulating film 16 so as to cover the high voltage MISFET formation region as a mask, the interlayer insulating film 16 and the cap oxide films 7 and 24 are etched until the upper surfaces of the dummy gate electrodes 11 and 23 are exposed. Back. By this etch back, a step is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 16 at the end portions of the MONOS memory formation region and the low-voltage MISFET formation region, so that the interlayers of the MONOS memory formation region and the low-voltage MISFET formation region respectively. The height of the upper surface of the insulating film 16 is lower than the height of the upper surface of the interlayer insulating film 16 in the high voltage MISFET formation region. At this time, since the interlayer insulating film 16 in the high voltage MISFET formation region is covered with the photoresist and is not etched back, the upper surface of the gate electrode 10 and the silicide 15 formed on the gate electrode 10 are covered with the interlayer insulating film 16. It remains.

続いて、フォトレジストを除去した後、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより、ポリシリコン膜からなるダミーゲート電極11、23、薄膜ゲート酸化膜5およびONO膜8の上面のトップ酸化膜を除去し、ONO膜8を構成していた窒化シリコン膜22およびボトム酸化膜21を残す。   Subsequently, after removing the photoresist, the top oxide film on the upper surfaces of the dummy gate electrodes 11 and 23, the thin gate oxide film 5 and the ONO film 8 made of a polysilicon film is removed by dry etching or wet etching, and the ONO film The silicon nitride film 22 and the bottom oxide film 21 constituting 8 are left.

この後の工程は前記実施の形態1の低電圧MISFET形成領域と同様に行う。すなわち、シリコン基板1を熱酸化することにより、低電圧MISFET形成領域の露出したpウエル1aの上面にゲート酸化膜17を形成した後、層間絶縁膜16上、サイドウォールスペーサ13の内壁および上面上、窒化シリコン膜22上およびゲート酸化膜17上にhigh−k膜18およびメタル膜を堆積する。なお、high−k膜18は、HfO、HfONまたはHfSiONなどをCVD法やALD法で堆積することで形成できる。また、メタル膜は、WやTiNなどをスパッタリングで堆積することで形成できる。 Subsequent steps are performed in the same manner as the low voltage MISFET formation region of the first embodiment. That is, by thermally oxidizing the silicon substrate 1, a gate oxide film 17 is formed on the upper surface of the p-well 1a exposed in the low voltage MISFET formation region, and then on the interlayer insulating film 16 and the inner wall and upper surface of the sidewall spacer 13. Then, a high-k film 18 and a metal film are deposited on the silicon nitride film 22 and the gate oxide film 17. The high-k film 18 can be formed by depositing HfO 2 , HfON, HfSiON, or the like by a CVD method or an ALD method. The metal film can be formed by depositing W, TiN or the like by sputtering.

ここで、薄膜ゲート酸化膜5を除去した後に再度ゲート酸化膜17を形成することで、ダミーゲート電極11を除去するためのRIEによりダメージを受けた薄膜ゲート酸化膜5を使用することを避け、MISFETの特性の劣化を防ぐことができる。   Here, by removing the thin gate oxide film 5 and then forming the gate oxide film 17 again, the use of the thin gate oxide film 5 damaged by RIE for removing the dummy gate electrode 11 is avoided. Degradation of the characteristics of the MISFET can be prevented.

また、ダミーゲート電極11および薄膜ゲート酸化膜5の除去工程において、同時にMONOSメモリ形成領域のダミーゲート電極23およびONO膜8を構成する窒化シリコン膜22上のトップ酸化膜を除去している。ここでトップ酸化膜を除去するのは、ONO膜8上のダミーゲート電極23をRIEにより除去する際、そのプラズマによりトップ酸化膜がダメージを受けるため、ダメージを受けたトップ酸化膜をそのままONO膜8の一部として使用すると、デバイスの信頼性の低下につながるからである。このため、本実施の形態ではトップ酸化膜を除去し、トップ酸化膜の代わりにhigh−k膜18を窒化シリコン膜22上に形成することでMONOSメモリを構成しているため、デバイスの信頼性を確保することができる。   Further, in the step of removing the dummy gate electrode 11 and the thin gate oxide film 5, the top oxide film on the silicon nitride film 22 constituting the dummy gate electrode 23 and the ONO film 8 in the MONOS memory forming region is removed at the same time. Here, the top oxide film is removed because when the dummy gate electrode 23 on the ONO film 8 is removed by RIE, the top oxide film is damaged by the plasma, so that the damaged top oxide film is left as it is. This is because use as part of 8 leads to a decrease in device reliability. Therefore, in this embodiment, since the MONOS memory is configured by removing the top oxide film and forming the high-k film 18 on the silicon nitride film 22 instead of the top oxide film, the reliability of the device is increased. Can be secured.

次に、図25に示すように、層間絶縁膜16上のメタル膜およびhigh−k膜18をCMPによりMONOSメモリ形成領域、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域のそれぞれにおける層間絶縁膜16の上面が露出するまで研磨することで、メタル膜からなるメタルゲート電極20をMONOSメモリ形成領域および低電圧MISFET形成領域にそれぞれ形成する。このとき、ゲート電極10の上面およびゲート電極10上に形成されたシリサイド15は層間絶縁膜16に覆われたままである。   Next, as shown in FIG. 25, the metal film on the interlayer insulating film 16 and the high-k film 18 are subjected to CMP to form the interlayer insulating film 16 in each of the MONOS memory forming region, the high voltage MISFET forming region, and the low voltage MISFET forming region. The metal gate electrode 20 made of a metal film is formed in the MONOS memory formation region and the low-voltage MISFET formation region, respectively, by polishing until the upper surface is exposed. At this time, the silicide 15 formed on the upper surface of the gate electrode 10 and on the gate electrode 10 remains covered with the interlayer insulating film 16.

ここで、本実施の形態では、前記実施の形態1と違い、MONOSメモリのゲート電極はメタルゲート電極20が形成され、ゲート電極20の底面および側面に接してhigh−k膜18が形成されている。これにより、MONOSメモリの高性能化および低消費電力化を可能としている。具体的には、動作の高速化、ゲート空乏化抑制による書き込み・消去電圧の低電圧化およびリテンション(電荷の保持特性)の向上を実現することができる。   Here, in the present embodiment, unlike the first embodiment, a metal gate electrode 20 is formed as a gate electrode of the MONOS memory, and a high-k film 18 is formed in contact with the bottom and side surfaces of the gate electrode 20. Yes. This enables high performance and low power consumption of the MONOS memory. Specifically, it is possible to realize a high-speed operation, a low write / erase voltage by suppressing gate depletion, and an improvement in retention (charge retention characteristics).

このとき、CMPによる研磨はMONOSメモリ形成領域、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域のそれぞれにおける層間絶縁膜16の上面が露出するまで行うが、高電圧MISFET形成領域の端部に形成された段差は除去しない。すなわち、高電圧MISFET形成領域の層間絶縁膜16の上面と、MONOSメモリ形成領域および低電圧MISFET形成領域における層間絶縁膜16の上面との間の高低差を有したままCMPによる研磨工程を終える。このため、研磨工程後のMONOSメモリ形成領域および低電圧MISFET形成領域のそれぞれの層間絶縁膜16の上面の高さは、高電圧MISFET形成領域における層間絶縁膜16の上面の高さよりも低い状態にある。   At this time, polishing by CMP is performed until the upper surface of the interlayer insulating film 16 in each of the MONOS memory formation region, the high voltage MISFET formation region, and the low voltage MISFET formation region is exposed, but is formed at the end of the high voltage MISFET formation region. Do not remove any step. That is, the polishing process by CMP is finished while maintaining a height difference between the upper surface of the interlayer insulating film 16 in the high voltage MISFET formation region and the upper surface of the interlayer insulating film 16 in the MONOS memory formation region and the low voltage MISFET formation region. For this reason, the height of the upper surface of each interlayer insulating film 16 in the MONOS memory forming region and the low voltage MISFET forming region after the polishing process is lower than the height of the upper surface of the interlayer insulating film 16 in the high voltage MISFET forming region. is there.

本実施の形態では、前記実施の形態1と同様に、層間絶縁膜16上面の段差部において研磨残りが発生するのを防ぐために、CMPの研磨用のパッドを通常より柔らかいものに換えて研磨を行う。これにより、層間絶縁膜16上面の高低差のある形状を保ちつつ、研磨残りの発生を防ぎ、少量の研磨残りが生じても問題ない精度で層間絶縁膜16の表面を研磨することができ、メタル膜19のエッチ残りにより回路の誤動作がおこるのを防ぐことを可能としている。   In the present embodiment, as in the first embodiment, in order to prevent polishing residue from occurring at the stepped portion on the upper surface of the interlayer insulating film 16, polishing is performed by changing the CMP polishing pad to a softer one than usual. Do. Thereby, while maintaining the shape of the upper surface of the interlayer insulating film 16 with a height difference, it is possible to prevent the occurrence of polishing residue and polish the surface of the interlayer insulating film 16 with no problem even if a small amount of polishing residue occurs, It is possible to prevent the malfunction of the circuit due to the etching residue of the metal film 19.

また、前記実施の形態1で述べたように、メタルゲート電極20を形成する際に層間絶縁膜16の上面を全面一様に平坦化した場合、ゲート電極10の上部に形成されたシリサイド15を除去してしまうが、本実施の形態では層間絶縁膜16の上面に高低差を形成することでシリサイド15が除去されることを防ぎ、後に形成するコンタクトプラグとシリサイド15の接続部における高抵抗化を抑えている。   Further, as described in the first embodiment, when the upper surface of the interlayer insulating film 16 is uniformly planarized when the metal gate electrode 20 is formed, the silicide 15 formed on the upper portion of the gate electrode 10 is formed. In this embodiment, the height difference is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 16 to prevent the silicide 15 from being removed, and the resistance at the connection portion between the contact plug and the silicide 15 to be formed later is increased. Is suppressed.

なお、メタルゲート電極20の上面の高さはMONOSメモリ形成領域の層間絶縁膜16の上面の高さとほぼ同一に研磨される。メタルゲート電極20の側面および底面にはhigh−k膜18が形成されており、high−k膜18の下面とpウエル1aの上面との間には、低電圧MISFET形成領域においてはゲート酸化膜17が形成され、MONOSメモリ形成領域においてはボトム酸化膜21およびその上部に形成された窒化シリコン膜22が形成されている。   The height of the upper surface of the metal gate electrode 20 is polished substantially the same as the height of the upper surface of the interlayer insulating film 16 in the MONOS memory formation region. A high-k film 18 is formed on the side and bottom surfaces of the metal gate electrode 20, and a gate oxide film is formed between the lower surface of the high-k film 18 and the upper surface of the p-well 1a in the low voltage MISFET formation region. 17 is formed, and a bottom oxide film 21 and a silicon nitride film 22 formed thereon are formed in the MONOS memory formation region.

次に、図26に示すように、層間絶縁膜16上にさらに層間絶縁膜30を堆積し、層間絶縁膜30の表面からゲート電極9、10、メタルゲート電極20およびシリサイド15のそれぞれに達するコンタクトホール31を形成する。続いて、コンタクトホール31内に導体を充填してコンタクトプラグ32を形成した後、周知の技術であるダマシンプロセスによって、層間絶縁膜30およびコンタクトプラグ32上にダマシン配線33および層間絶縁膜34を形成することで、本実施の形態の半導体装置を完成する。   Next, as shown in FIG. 26, an interlayer insulating film 30 is further deposited on the interlayer insulating film 16, and contacts reaching the gate electrodes 9, 10, the metal gate electrode 20, and the silicide 15 from the surface of the interlayer insulating film 30. Hole 31 is formed. Subsequently, after filling the contact hole 31 with a conductor to form a contact plug 32, a damascene wiring 33 and an interlayer insulating film 34 are formed on the interlayer insulating film 30 and the contact plug 32 by a damascene process which is a well-known technique. Thus, the semiconductor device of this embodiment is completed.

本実施の形態の半導体装置では、MONOSメモリおよび低電圧MISFETのゲート絶縁膜が高温のアニールまたはRIEによりダメージを受けるのを防ぎ、デバイス特性の劣化を防いでいるため、高信頼な低電圧MISFETおよびMONOSメモリを形成することが可能である。メタルゲート電極20およびhigh−k膜18を有するMONOSメモリおよび低電圧MISFETを形成することで、MONOSメモリおよび低電圧MISFETの高性能化および低消費電力化を可能としている。   In the semiconductor device of the present embodiment, the gate insulating films of the MONOS memory and the low voltage MISFET are prevented from being damaged by high temperature annealing or RIE, and the device characteristics are prevented from being deteriorated. Therefore, the highly reliable low voltage MISFET and It is possible to form a MONOS memory. By forming the MONOS memory and the low-voltage MISFET having the metal gate electrode 20 and the high-k film 18, the MONOS memory and the low-voltage MISFET can have high performance and low power consumption.

また、本実施の形態では、MONOSメモリおよび低電圧MISFETの形成工程において、ダミーゲート電極上にキャップ酸化膜を形成し、また、層間絶縁膜16の上面に高低差を設けてゲート電極10上のシリサイド15を保護している。   Further, in the present embodiment, a cap oxide film is formed on the dummy gate electrode in the step of forming the MONOS memory and the low voltage MISFET, and a height difference is provided on the upper surface of the interlayer insulating film 16 so as to be on the gate electrode 10. The silicide 15 is protected.

以上により、高性能な低電圧MISFETと同時に高信頼なMONOSメモリおよび高電圧MISFETをそれぞれ同一の半導体基板上に形成することができるため、半導体装置の製造時にかかるコストの削減を可能としている。   As described above, the high-reliability MONOS memory and the high-voltage MISFET can be formed on the same semiconductor substrate simultaneously with the high-performance low-voltage MISFET, so that the cost for manufacturing the semiconductor device can be reduced.

(実施の形態3)
前記実施の形態2では、低電圧MISFET形成領域およびMONOSメモリ形成領域のゲート電極をメタルゲートとし、ゲート絶縁膜にhigh−k膜を使用する半導体装置の製造工程を説明した。本実施の形態では、図27に示すように、低電圧MISFET形成領域、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域の全てのゲートにメタルゲート電極20およびhigh−k膜18を有する半導体装置の製造工程を説明する。
(Embodiment 3)
In the second embodiment, the manufacturing process of the semiconductor device using the gate electrode in the low voltage MISFET formation region and the MONOS memory formation region as a metal gate and using a high-k film as the gate insulating film has been described. In the present embodiment, as shown in FIG. 27, a semiconductor device having a metal gate electrode 20 and a high-k film 18 at all gates in the low voltage MISFET formation region, the MONOS memory formation region, and the high voltage MISFET formation region. The process will be described.

以下に、図27〜図32を用いて本実施の形態のMONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETの製造方法を工程順に説明する。   A method for manufacturing the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET according to the present embodiment will be described below in the order of steps with reference to FIGS.

本実施の形態の半導体装置を完成するには、前記実施の形態1における図4の工程において、ポリシリコン膜6上のキャップ酸化膜を、低電圧MISFET形成領域だけでなく高電圧MISFET形成領域にも形成し、その後の工程は前記実施の形態2とほぼ同様に行えばよい。   In order to complete the semiconductor device according to the present embodiment, the cap oxide film on the polysilicon film 6 is used not only in the low voltage MISFET formation region but also in the high voltage MISFET formation region in the step of FIG. 4 in the first embodiment. The subsequent steps may be performed in substantially the same manner as in the second embodiment.

すなわち、まず、前記実施の形態1における図3の工程までは、前記実施の形態1と同様に行う。pウエル1aおよび素子分離層2が形成され、周知の二種ゲート酸化プロセスにより厚膜ゲート酸化膜4および薄膜ゲート酸化膜5が形成を形成したシリコン基板1の主面側の全面上に、ポリシリコン膜6を堆積する。その後、図28に示すように、ポリシリコン膜6上にキャップ酸化膜7をCVD法により堆積し、フォトレジストをマスクとしたドライエッチングにより、MONOSメモリ形成領域のキャップ酸化膜7を除去し、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域に選択的にキャップ酸化膜7を残す。また、さらにドライエッチングにより、MONOSメモリ形成領域のポリシリコン膜6を選択的に除去する。   That is, first, the steps up to the step of FIG. 3 in the first embodiment are performed in the same manner as in the first embodiment. A p-well 1a and an element isolation layer 2 are formed, and a polysilicon film is formed on the entire main surface of the silicon substrate 1 on which a thick gate oxide film 4 and a thin gate oxide film 5 are formed by a well-known two-type gate oxidation process. A silicon film 6 is deposited. Thereafter, as shown in FIG. 28, a cap oxide film 7 is deposited on the polysilicon film 6 by the CVD method, and the cap oxide film 7 in the MONOS memory forming region is removed by dry etching using a photoresist as a mask. The cap oxide film 7 is selectively left in the voltage MISFET formation region and the low voltage MISFET formation region. Further, the polysilicon film 6 in the MONOS memory formation region is selectively removed by dry etching.

次に、図29に示すように、前記実施の形態2と同様にキャップ酸化膜24を上部に備えたダミーゲート電極23を、ボトム酸化膜、窒化シリコン膜およびトップ酸化膜を順次堆積して形成したONO膜8を介してMONOSメモリ形成領域に形成する。その後、キャップ酸化膜7、ポリシリコン膜6およびゲート酸化膜をパターニングし、上部にキャップ酸化膜7を備えたダミーゲート電極11を高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域のそれぞれに形成する。   Next, as shown in FIG. 29, as in the second embodiment, a dummy gate electrode 23 having a cap oxide film 24 formed thereon is formed by sequentially depositing a bottom oxide film, a silicon nitride film, and a top oxide film. The MONOS memory formation region is formed through the ONO film 8. Thereafter, the cap oxide film 7, the polysilicon film 6 and the gate oxide film are patterned, and the dummy gate electrode 11 having the cap oxide film 7 thereon is formed in each of the high voltage MISFET formation region and the low voltage MISFET formation region.

次に、図30に示すように、前記実施の形態2と同様に、イオン注入によりpウエル1aの上面にエクステンション領域12を形成した後、各ゲートの側壁に接するサイドウォールスペーサ13を形成し、続いてイオン注入によってpウエル1aの上面にソース・ドレイン領域14を形成する。その後、公知のサリサイドプロセスにより、ソース・ドレイン領域14のそれぞれの表面にシリサイド15を形成する。このとき、キャップ酸化膜7、24の表面にはシリサイドは形成されない。   Next, as shown in FIG. 30, after the extension region 12 is formed on the upper surface of the p-well 1a by ion implantation, as in the second embodiment, the sidewall spacer 13 in contact with the sidewall of each gate is formed. Subsequently, source / drain regions 14 are formed on the upper surface of the p-well 1a by ion implantation. Thereafter, silicide 15 is formed on each surface of the source / drain region 14 by a known salicide process. At this time, no silicide is formed on the surfaces of the cap oxide films 7 and 24.

次に、図31に示すように、シリコン基板1の主面側の全面上に薄い窒化シリコン膜からなる湿気防止膜(図示しない)をCVD法により堆積する。その後、ダミーゲート電極11、23を覆うようにシリコン基板1の主面側の全面上に厚い酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜16をCVD法により堆積した後、CMPにより層間絶縁膜16の表面を研磨し、平坦化する。その後、ダミーゲート電極11、23の上面が露出するまで層間絶縁膜16の上面およびキャップ酸化膜7、24をエッチバックする。続いて、ドライエッチングまたはウェットエッチングによりポリシリコン膜からなるダミーゲート電極11、23、薄膜ゲート酸化膜5およびMONOSメモリ形成領域のONO膜8の上面のトップ酸化膜を除去し、ONO膜8を構成していた窒化シリコン膜22およびボトム酸化膜21をpウエル1a上に残す。   Next, as shown in FIG. 31, a moisture prevention film (not shown) made of a thin silicon nitride film is deposited on the entire main surface of the silicon substrate 1 by the CVD method. Thereafter, an interlayer insulating film 16 made of a thick silicon oxide film is deposited on the entire main surface of the silicon substrate 1 so as to cover the dummy gate electrodes 11 and 23 by CVD, and then the surface of the interlayer insulating film 16 is formed by CMP. Polish and flatten. Thereafter, the upper surface of the interlayer insulating film 16 and the cap oxide films 7 and 24 are etched back until the upper surfaces of the dummy gate electrodes 11 and 23 are exposed. Subsequently, the dummy gate electrodes 11 and 23 made of a polysilicon film, the thin gate oxide film 5 and the top oxide film on the upper surface of the ONO film 8 in the MONOS memory formation region are removed by dry etching or wet etching to form the ONO film 8. The previously formed silicon nitride film 22 and bottom oxide film 21 are left on the p-well 1a.

なお、高電圧MISFETは低電圧MISFETとほぼ同様の工程により形成されているが、ダミーゲート電極除去工程の後に薄膜ゲート酸化膜5を除去する際、厚膜ゲート酸化膜4は完全には除去されず、その上面の一部のみが除去される。   The high-voltage MISFET is formed by almost the same process as the low-voltage MISFET. However, when the thin gate oxide film 5 is removed after the dummy gate electrode removal process, the thick gate oxide film 4 is completely removed. Instead, only a part of the upper surface is removed.

次に、図27に示すように、この後の工程は前記実施の形態1の低電圧MISFET形成領域と同様に行う。すなわち、シリコン基板1を熱酸化することにより、低電圧MISFET形成領域の露出したpウエル1aの上面にゲート酸化膜17を形成した後、層間絶縁膜16上、サイドウォールスペーサ13の内壁および上面上、ゲート絶縁膜17上、厚膜ゲート酸化膜4上および窒化シリコン膜22上にhigh−k膜18およびメタル膜を順次堆積する。なお、high−k膜18は、HfO、HfONまたはHfSiONなどの誘電率の高い物質をCVD法やALD法で堆積することで形成できる。また、メタル膜は、WやTiNなどをスパッタリングで堆積することで形成できる。 Next, as shown in FIG. 27, the subsequent steps are performed in the same manner as the low voltage MISFET formation region of the first embodiment. That is, by thermally oxidizing the silicon substrate 1, a gate oxide film 17 is formed on the upper surface of the p-well 1a exposed in the low voltage MISFET formation region, and then on the interlayer insulating film 16 and the inner wall and upper surface of the sidewall spacer 13. Then, a high-k film 18 and a metal film are sequentially deposited on the gate insulating film 17, the thick gate oxide film 4 and the silicon nitride film 22. The high-k film 18 can be formed by depositing a substance having a high dielectric constant such as HfO 2 , HfON, or HfSiON by a CVD method or an ALD method. The metal film can be formed by depositing W, TiN or the like by sputtering.

その後、層間絶縁膜16上に堆積したメタル膜およびhigh−k膜18を、層間絶縁膜16の上面が露出するまでCMPにより研磨する。これにより、上面高さが層間絶縁膜16の上面高さとほぼ同一な、メタル膜からなるメタルゲート電極20をMONOSメモリ形成領域、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域のそれぞれに形成する。   Thereafter, the metal film and the high-k film 18 deposited on the interlayer insulating film 16 are polished by CMP until the upper surface of the interlayer insulating film 16 is exposed. As a result, the metal gate electrode 20 made of a metal film whose upper surface height is substantially the same as the upper surface height of the interlayer insulating film 16 is formed in each of the MONOS memory formation region, the high voltage MISFET formation region, and the low voltage MISFET formation region.

ここで、前記実施の形態1における低電圧MISFETと同様に、本実施の形態のMONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETのそれぞれのメタルゲート電極20の側面および底面にはhigh−k膜18が形成されている。また、高電圧MISFETのhigh−k膜18の下面とpウエル1aの上面との間には厚膜ゲート酸化膜4が形成されており、このhigh−k膜18および厚膜ゲート酸化膜4が高電圧MISFETのゲート絶縁膜として働く。   Here, similarly to the low voltage MISFET in the first embodiment, the high-k film 18 is formed on the side surface and the bottom surface of the metal gate electrode 20 of each of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET of the present embodiment. Is formed. Further, a thick gate oxide film 4 is formed between the lower surface of the high-k film 18 of the high voltage MISFET and the upper surface of the p-well 1a, and the high-k film 18 and the thick gate oxide film 4 are formed. It works as a gate insulating film of high voltage MISFET.

次に、図32に示すように、層間絶縁膜16上にさらに層間絶縁膜30を堆積し、層間絶縁膜30の表面からゲート電極9、10、メタルゲート電極20およびシリサイド15のそれぞれに達するコンタクトホール31を形成する。続いて、コンタクトホール31内に導体を充填してコンタクトプラグ32を形成した後、周知の技術であるダマシンプロセスによって、層間絶縁膜30およびコンタクトプラグ32上にダマシン配線33および層間絶縁膜34を形成することで、本実施の形態の半導体装置を完成する。   Next, as shown in FIG. 32, an interlayer insulating film 30 is further deposited on the interlayer insulating film 16, and contacts reaching the gate electrodes 9, 10, the metal gate electrode 20, and the silicide 15 from the surface of the interlayer insulating film 30. Hole 31 is formed. Subsequently, after filling the contact hole 31 with a conductor to form a contact plug 32, a damascene wiring 33 and an interlayer insulating film 34 are formed on the interlayer insulating film 30 and the contact plug 32 by a damascene process which is a well-known technique. Thus, the semiconductor device of this embodiment is completed.

本実施の形態の半導体装置では、前記実施の形態2におけるMONOSメモリおよび低電圧MISFETのように、MONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETの全てのゲート電極を同工程でメタルゲート電極としており、ゲート電極上にシリサイドを形成する必要がない。このため、本実施の形態の半導体装置によれば、前記実施の形態2と同様の効果に加え、層間絶縁膜16の上面の高低差は不要であり、層間絶縁膜16の上面をCMPにより研磨する際に研磨用のパッドに柔らかいものを使用する必要がないため、平坦化が容易となる利点がある。また、層間絶縁膜16の表面に段差がないため、研磨残りの発生を防ぐことができ、さらに、後の配線の形成も容易に行うことができる。   In the semiconductor device of the present embodiment, like the MONOS memory and the low voltage MISFET in the second embodiment, all the gate electrodes of the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET are metal gate electrodes in the same process. There is no need to form silicide on the gate electrode. Therefore, according to the semiconductor device of the present embodiment, in addition to the same effects as those of the second embodiment, there is no need for a difference in height of the upper surface of the interlayer insulating film 16, and the upper surface of the interlayer insulating film 16 is polished by CMP. In this case, since it is not necessary to use a soft pad for polishing, there is an advantage that flattening is easy. In addition, since there is no step on the surface of the interlayer insulating film 16, it is possible to prevent the occurrence of polishing residue and to easily form the subsequent wiring.

なお、高電圧MISFET形成領域においては厚膜ゲート酸化膜4は除去されずに残るため、厚膜ゲート酸化膜4は高電圧MISFET形成領域のダミーゲート電極11を除去する際のRIEによりプラズマダメージを受けたままとなる。   Since the thick gate oxide film 4 remains without being removed in the high voltage MISFET formation region, the thick gate oxide film 4 causes plasma damage due to RIE when the dummy gate electrode 11 in the high voltage MISFET formation region is removed. I'm still receiving it.

(実施の形態4)
前記実施の形態1、2では、半導体基板上にポリシリコンゲートを有するMISFETと、ダマシンプロセスによって形成したメタルゲートとを有するMISFETとを混載させる工程において、層間絶縁膜の上面に段差が形成されていた。本実施の形態では、半導体基板上にポリシリコンゲートを有するMONOSメモリおよび高電圧MISFETと、メタルゲートを有する低電圧MISFETを混載させ、なおかつ層間絶縁膜に段差が形成されない半導体装置の製造工程を説明する。
(Embodiment 4)
In the first and second embodiments, a step is formed on the upper surface of the interlayer insulating film in the step of mounting a MISFET having a polysilicon gate on a semiconductor substrate and a MISFET having a metal gate formed by a damascene process. It was. In the present embodiment, a manufacturing process of a semiconductor device in which a MONOS memory and a high voltage MISFET having a polysilicon gate on a semiconductor substrate and a low voltage MISFET having a metal gate are mixedly mounted and a step is not formed in an interlayer insulating film will be described. To do.

以下に、図33〜図43を用いて本実施の形態のMONOSメモリ、高電圧MISFETおよび低電圧MISFETの製造方法を工程順に説明する。   Hereinafter, a method of manufacturing the MONOS memory, the high voltage MISFET, and the low voltage MISFET according to the present embodiment will be described in the order of steps with reference to FIGS.

まず、図33に示すように、前記実施の形態1と同様の工程で素子分離層2の形成されたシリコン基板1を熱酸化してシリコン基板1の主面に酸化膜を形成した後に、シリコン基板1の主面にp型の不純物(たとえばBやBF)をイオン注入することにより、シリコン基板1の主面にpウエル1aを形成し、前記酸化膜を除去する。その後、pウエル1aの上面に、周知の二種ゲート酸化プロセスにより厚膜ゲート酸化膜4および薄膜ゲート酸化膜5を形成し、それらのゲート酸化膜の形成されたシリコン基板1の主面上にポリシリコン膜6、酸化シリコン膜25、ポリシリコン膜26およびキャップ酸化膜7を順次CVD法により堆積する。 First, as shown in FIG. 33, the silicon substrate 1 on which the element isolation layer 2 is formed is thermally oxidized in the same process as in the first embodiment to form an oxide film on the main surface of the silicon substrate 1, and then silicon A p-type impurity (for example, B or BF 2 ) is ion-implanted into the main surface of the substrate 1 to form a p-well 1a in the main surface of the silicon substrate 1, and the oxide film is removed. Thereafter, a thick gate oxide film 4 and a thin gate oxide film 5 are formed on the upper surface of the p well 1a by a well-known two-type gate oxidation process, and on the main surface of the silicon substrate 1 on which these gate oxide films are formed. A polysilicon film 6, a silicon oxide film 25, a polysilicon film 26, and a cap oxide film 7 are sequentially deposited by the CVD method.

次に、図34に示すように、パターニングされたフォトレジストをマスクとしたドライエッチングにより低電圧MISFET形成領域以外の領域のキャップ酸化膜7、ポリシリコン膜26および酸化シリコン膜25を除去し、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域のポリシリコン膜6の上面を露出した後、フォトレジストを除去する。   Next, as shown in FIG. 34, the cap oxide film 7, the polysilicon film 26, and the silicon oxide film 25 in regions other than the low voltage MISFET formation region are removed by dry etching using a patterned photoresist as a mask, and the MONOS is removed. After exposing the upper surface of the polysilicon film 6 in the memory formation region and the high voltage MISFET formation region, the photoresist is removed.

次に、図35に示すように、フォトレジストをマスクとしたドライエッチングによりMONOSメモリ形成領域のポリシリコン膜6および薄膜ゲート酸化膜5を除去し、pウエル1aの上面を露出させる。その後、フォトレジストを除去し、露出したMONOSメモリ形成領域のpウエル1a、高電圧MISFET形成領域のポリシリコン膜6および低電圧MISFET形成領域のキャップ酸化膜7上に、ボトム酸化膜、窒化シリコン膜およびトップ酸化膜の三層からなるONO膜8をCVD法により堆積する。   Next, as shown in FIG. 35, the polysilicon film 6 and the thin gate oxide film 5 in the MONOS memory formation region are removed by dry etching using a photoresist as a mask, and the upper surface of the p well 1a is exposed. Thereafter, the photoresist is removed, and a bottom oxide film and a silicon nitride film are formed on the exposed p well 1a in the MONOS memory formation region, the polysilicon film 6 in the high voltage MISFET formation region, and the cap oxide film 7 in the low voltage MISFET formation region. And the ONO film 8 consisting of three layers of the top oxide film is deposited by the CVD method.

次に、図36に示すように、CVD法によりONO膜8上にポリシリコン膜を堆積する。その後、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行い、ポリシリコン膜およびONO膜8をパターニングする。これにより、MONOSメモリ形成領域におけるpウエル1a上のONO膜8上部にポリシリコン膜からなるゲート電極9を形成した後、フォトレジストを除去する。   Next, as shown in FIG. 36, a polysilicon film is deposited on the ONO film 8 by the CVD method. Thereafter, dry etching is performed using the photoresist as a mask, and the polysilicon film and the ONO film 8 are patterned. Thus, after the gate electrode 9 made of a polysilicon film is formed on the ONO film 8 on the p well 1a in the MONOS memory formation region, the photoresist is removed.

次に、図37に示すように、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域のゲート電極形成領域にフォトレジストを形成する。その後、フォトレジストおよびキャップ酸化膜7をマスクとしたドライエッチングにより、高電圧MISFET形成領域のポリシリコン膜6および厚膜ゲート酸化膜4の一部を選択的に除去し、pウエル1a上の厚膜ゲート酸化膜4の上部にポリシリコン膜6からなるゲート電極10を形成する。その後、アッシングによりフォトレジストを除去する。   Next, as shown in FIG. 37, a photoresist is formed in the gate electrode formation region of the MONOS memory formation region and the high voltage MISFET formation region. Thereafter, a part of the polysilicon film 6 and the thick gate oxide film 4 in the high voltage MISFET formation region is selectively removed by dry etching using the photoresist and the cap oxide film 7 as a mask, and the thickness on the p well 1a is selectively removed. A gate electrode 10 made of a polysilicon film 6 is formed on the film gate oxide film 4. Thereafter, the photoresist is removed by ashing.

次に、図38に示すように、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域をフォトレジストで覆い、低電圧MISFET形成領域のゲート電極形成領域をフォトレジストで覆う。その後、フォトレジストをマスクとしたドライエッチングにより、キャップ酸化膜7、ポリシリコン膜26、酸化シリコン膜25、ポリシリコン膜6および薄膜ゲート酸化膜5の一部を選択的に除去する。これにより、ポリシリコン膜26、酸化シリコン膜25、ポリシリコン膜6および薄膜ゲート酸化膜5からなり、キャップ酸化膜7が上部に形成されたダミーゲート電極11を形成する。その後、フォトレジストを除去する。   Next, as shown in FIG. 38, the MONOS memory formation region and the high voltage MISFET formation region are covered with a photoresist, and the gate electrode formation region of the low voltage MISFET formation region is covered with a photoresist. Thereafter, the cap oxide film 7, the polysilicon film 26, the silicon oxide film 25, the polysilicon film 6 and a part of the thin gate oxide film 5 are selectively removed by dry etching using a photoresist as a mask. As a result, a dummy gate electrode 11 comprising the polysilicon film 26, the silicon oxide film 25, the polysilicon film 6 and the thin gate oxide film 5 and having the cap oxide film 7 formed thereon is formed. Thereafter, the photoresist is removed.

次に、図39に示すように、ゲート電極9、10およびキャップ酸化膜7をマスクとしてpウエル1aの上面にn型の不純物(たとえばAsやP)をイオン注入することにより、エクステンション領域12を形成する。その後、シリコン基板1の主面側の全面上に窒化シリコン膜をCVD法により堆積した後、ドライエッチングによって窒化シリコン膜をエッチングし、ゲート電極9、10およびダミーゲート電極11の側壁に窒化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ13を形成する。   Next, as shown in FIG. 39, the extension region 12 is formed by ion-implanting n-type impurities (for example, As or P) into the upper surface of the p-well 1a using the gate electrodes 9, 10 and the cap oxide film 7 as a mask. Form. Thereafter, after a silicon nitride film is deposited on the entire main surface side of the silicon substrate 1 by the CVD method, the silicon nitride film is etched by dry etching, and a silicon nitride film is formed on the side walls of the gate electrodes 9, 10 and the dummy gate electrode 11. A side wall spacer 13 made of is formed.

次に、図40に示すように、ゲート電極9、10、キャップ酸化膜7およびサイドウォールスペーサ13をマスクとして、pウエル1aの上面にn型の不純物(たとえばAsやP)をエクステンション領域よりも高濃度でイオン注入する。その後、注入した不純物の活性化のためのアニールを行うことにより、MONOSメモリ形成領域、高電圧MISFET形成領域および低電圧MISFET形成領域のそれぞれのpウエル1aの上面にソース・ドレイン領域14を形成する。続いて、公知のサリサイドプロセスにより、ゲート電極9、10およびソース・ドレイン領域14のそれぞれの表面にシリサイド15を形成する。なお、このときキャップ酸化膜7の表面にはシリサイドは形成されない。   Next, as shown in FIG. 40, n-type impurities (for example, As or P) are applied to the upper surface of p well 1a from the extension region using gate electrodes 9, 10, cap oxide film 7 and sidewall spacer 13 as a mask. Ion implantation at high concentration. Thereafter, annealing for activating the implanted impurities is performed to form source / drain regions 14 on the upper surfaces of the p wells 1a in the MONOS memory formation region, the high voltage MISFET formation region, and the low voltage MISFET formation region. . Subsequently, silicide 15 is formed on the surfaces of the gate electrodes 9 and 10 and the source / drain regions 14 by a known salicide process. At this time, no silicide is formed on the surface of the cap oxide film 7.

次に、図41に示すように、シリコン基板1の主面側の全面上に酸化シリコンからなる層間絶縁膜16を、ゲート電極9、10およびダミーゲート電極11のそれぞれを覆うようにCVD法により堆積する。その後、CMPにより層間絶縁膜16の表面およびキャップ酸化膜7を、ダミーゲート電極11の一部であるポリシリコン膜26の上面が露出するまで研磨し、平坦化する。その後、ドライエッチングまたはウェットエッチングによりポリシリコン膜26、酸化シリコン膜25およびポリシリコン膜6からなるダミーゲート電極11および薄膜ゲート酸化膜5を除去する。   Next, as shown in FIG. 41, an interlayer insulating film 16 made of silicon oxide is formed on the entire main surface side of the silicon substrate 1 by CVD so as to cover each of the gate electrodes 9, 10 and the dummy gate electrode 11. accumulate. Thereafter, the surface of the interlayer insulating film 16 and the cap oxide film 7 are polished and planarized by CMP until the upper surface of the polysilicon film 26 that is a part of the dummy gate electrode 11 is exposed. Thereafter, the dummy gate electrode 11 and the thin gate oxide film 5 made of the polysilicon film 26, the silicon oxide film 25 and the polysilicon film 6 are removed by dry etching or wet etching.

次に、図42に示すように、シリコン基板1を熱酸化することにより、低電圧MISFET形成領域の露出したpウエル1aの上面にゲート酸化膜17を形成した後、層間絶縁膜16上、ゲート酸化膜17上およびサイドウォールスペーサ13の内壁および上面上にhigh−k膜18およびメタル膜をCVD法により順次堆積する。なお、high−k膜18は、HfO、HfONまたはHfSiONなどの高い誘電率を有する物質をCVD法やALD法で堆積することで形成できる。また、メタル膜は、WやTiNなどをスパッタリングで堆積することで形成できる。その後、メタル膜およびhigh−k膜18をCMPにより層間絶縁膜16の上面が露出するまで研磨することで、メタル膜からなるメタルゲート電極20を低電圧MISFET形成領域に形成する。 Next, as shown in FIG. 42, the silicon substrate 1 is thermally oxidized to form a gate oxide film 17 on the upper surface of the p-well 1a exposed in the low voltage MISFET formation region, and then on the interlayer insulating film 16 and the gate. A high-k film 18 and a metal film are sequentially deposited on the oxide film 17 and on the inner wall and upper surface of the sidewall spacer 13 by the CVD method. The high-k film 18 can be formed by depositing a material having a high dielectric constant such as HfO 2 , HfON, or HfSiON by a CVD method or an ALD method. The metal film can be formed by depositing W, TiN or the like by sputtering. Thereafter, the metal film and the high-k film 18 are polished by CMP until the upper surface of the interlayer insulating film 16 is exposed, whereby the metal gate electrode 20 made of the metal film is formed in the low-voltage MISFET formation region.

次に、図43に示すように、公知の配線プロセスにより配線を行う。すなわち、層間絶縁膜16上にさらに層間絶縁膜30を堆積し、層間絶縁膜30の表面からゲート電極9、10、メタルゲート電極20およびシリサイド15のそれぞれに達するコンタクトホール31を形成する。その後、コンタクトホール31内にWなどの導体を充填してコンタクトプラグ32を形成した後、ダマシンプロセスによって層間絶縁膜30およびコンタクトプラグ32上にダマシン配線33および層間絶縁膜34を形成する。これにより、本実施の形態の半導体装置を完成する。   Next, as shown in FIG. 43, wiring is performed by a known wiring process. That is, an interlayer insulating film 30 is further deposited on the interlayer insulating film 16, and contact holes 31 reaching the gate electrodes 9, 10, the metal gate electrode 20, and the silicide 15 from the surface of the interlayer insulating film 30 are formed. Thereafter, a contact plug 32 is formed by filling the contact hole 31 with a conductor such as W, and then a damascene wiring 33 and an interlayer insulating film 34 are formed on the interlayer insulating film 30 and the contact plug 32 by a damascene process. Thereby, the semiconductor device of the present embodiment is completed.

本実施の形態の半導体装置では、前記実施の形態1と同様に、ダマシンプロセスを用いてhigh−k膜18およびメタルゲート電極20を形成するため、high−k膜18およびメタルゲート電極20がソース・ドレイン領域活性化のためのアニールにさらされることがない。また、プラズマダメージを受けた薄膜ゲート酸化膜5を除去し、ゲート酸化膜17を形成することで、完成した半導体装置の低電圧MISFETにプラズマダメージを残さず、高性能で高信頼な低電圧MISFETを形成することを可能としている。   In the semiconductor device of the present embodiment, as in the first embodiment, the high-k film 18 and the metal gate electrode 20 are formed using the damascene process, so that the high-k film 18 and the metal gate electrode 20 are the source. -It is not exposed to annealing for drain region activation. Further, the thin film gate oxide film 5 damaged by the plasma is removed, and the gate oxide film 17 is formed, so that the low voltage MISFET having high performance and high reliability is left without causing plasma damage to the low voltage MISFET of the completed semiconductor device. It is possible to form.

また、本実施の形態の半導体装置では、前記実施の形態1と違い、層間絶縁膜16の上面に段差が形成されていない。このため、層間絶縁膜16の上面をCMPにより研磨する際に研磨用のパッドに柔らかいものを使用する必要がなく、平坦化が容易となり、メタルゲート電極20を容易に精度よく形成できる。また、層間絶縁膜16の上面に段差がないため、後の配線の形成も容易に行うことができる。   Further, in the semiconductor device of the present embodiment, unlike the first embodiment, no step is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 16. Therefore, when polishing the upper surface of the interlayer insulating film 16 by CMP, it is not necessary to use a soft pad for polishing, flattening is facilitated, and the metal gate electrode 20 can be formed easily and accurately. Further, since there is no step on the upper surface of the interlayer insulating film 16, later wiring can be easily formed.

また、前記実施の形態3と違い、本実施の形態ではMONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域にダミーゲート電極を形成しておらず、MONOSメモリ形成領域および高電圧MISFET形成領域においてダミーゲート電極を除去するためのRIE工程がない。このため、本実施の形態のMONOSメモリおよび高電圧MISFETにはプラズマダメージを受けたゲート絶縁膜が残ることがない。   Unlike the third embodiment, in this embodiment, no dummy gate electrode is formed in the MONOS memory formation region and the high voltage MISFET formation region, and the dummy gate electrode is not formed in the MONOS memory formation region and the high voltage MISFET formation region. There is no RIE process for removing. Therefore, the MONOS memory and the high voltage MISFET according to the present embodiment do not leave plasma-damaged gate insulating films.

また、本実施の形態におけるダマシンメタルゲートプロセスでは、ダミーゲート電極11上にキャップ酸化膜7を形成し、ダミーゲート電極11上にシリサイドが形成されることを防ぎ、工程数の増加を抑えることを可能としている。   In the damascene metal gate process in the present embodiment, the cap oxide film 7 is formed on the dummy gate electrode 11 to prevent silicide from being formed on the dummy gate electrode 11 and to suppress the increase in the number of processes. It is possible.

これにより、工程数を抑えた上で、高性能で高信頼な低電圧MISFETと同時に、高信頼なMONOSメモリおよび高電圧MISFETのそれぞれを同一の半導体基板上に形成することができ、半導体装置の製造時にかかるコストの削減を可能としている。   As a result, it is possible to form a high-reliability MONOS memory and a high-voltage MISFET on the same semiconductor substrate simultaneously with a high-performance and high-reliability low-voltage MISFET while suppressing the number of processes. Costs for manufacturing can be reduced.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

本発明は、半導体基板上にMONOS型不揮発性メモリを形成する半導体装置に幅広く利用されるものである。   The present invention is widely used in semiconductor devices in which a MONOS type nonvolatile memory is formed on a semiconductor substrate.

1 シリコン基板
1a pウエル
2 素子分離層
3 酸化膜
4 厚膜ゲート酸化膜
5 薄膜ゲート酸化膜
6、26 ポリシリコン膜
7、24 キャップ酸化膜
8 ONO膜
9、10 ゲート電極
11、23 ダミーゲート電極
12 エクステンション領域
13 サイドウォールスペーサ
14 ソース・ドレイン領域
15 シリサイド
16、30、34 層間絶縁膜
17 ゲート酸化膜
18 high−k膜
19 メタル膜
20 メタルゲート電極
21 ボトム酸化膜
22 窒化シリコン膜
25 酸化シリコン膜
31 コンタクトホール
32 コンタクトプラグ
33 ダマシン配線
50〜56 フォトレジスト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 1a p well 2 Element isolation layer 3 Oxide film 4 Thick film gate oxide film 5 Thin film gate oxide film 6, 26 Polysilicon film 7, 24 Cap oxide film 8 ONO film 9, 10 Gate electrode 11, 23 Dummy gate electrode DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Extension area | region 13 Side wall spacer 14 Source / drain area | region 15 Silicide 16, 30, 34 Interlayer insulation film 17 Gate oxide film 18 high-k film 19 Metal film 20 Metal gate electrode 21 Bottom oxide film 22 Silicon nitride film 25 Silicon oxide film 31 Contact hole 32 Contact plug 33 Damascene wiring 50-56 Photoresist

Claims (20)

半導体基板の主面の第1領域に形成された不揮発性メモリと、前記半導体基板の主面の第2領域に形成された第1MISFETと、前記半導体基板の主面の第3領域に形成され、かつ前記第1MISFETよりも低電圧で動作する第2MISFETとを有する半導体装置であって、
前記不揮発性メモリは、
前記第1領域の前記半導体基板の主面上に、少なくとも電位障壁膜と前記電位障壁膜上に積層された電荷保持膜とを含む第1ゲート絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
前記第1領域の前記半導体基板に形成された第1ソース領域および第1ドレイン領域と、
を有し、
前記第1MISFETは、
前記第2領域の前記半導体基板の主面上に第2ゲート絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、
前記第2領域の前記半導体基板に形成された第2ソース領域および第2ドレイン領域と、
を有し、
前記第2MISFETは、
前記第3領域の前記半導体基板の主面上に、前記第2ゲート絶縁膜よりも薄い第3ゲート絶縁膜を介して形成された第3ゲート電極と、
前記第3ゲート電極の側面および底面に接して形成された、前記第2ゲート絶縁膜よりも誘電率の高い第1高誘電率膜と、
前記第3領域の前記半導体基板に形成された第3ソース領域および第3ドレイン領域と、
前記半導体基板の主面上であって前記第3ゲート電極の側方に形成された層間絶縁膜を有し、
前記第3領域における前記層間絶縁膜の上面の高さは、前記第2ゲート電極上に形成された前記層間絶縁膜の上面の高さに比べて低く、前記第3ゲート電極の上面の高さと略同一の高さであることを特徴とする半導体装置。
A non-volatile memory formed in the first region of the main surface of the semiconductor substrate; a first MISFET formed in the second region of the main surface of the semiconductor substrate; and a third region of the main surface of the semiconductor substrate; And a second MISFET that operates at a lower voltage than the first MISFET,
The nonvolatile memory is
A first gate electrode formed on a main surface of the semiconductor substrate in the first region via a first gate insulating film including at least a potential barrier film and a charge retention film stacked on the potential barrier film; ,
A first source region and a first drain region formed in the semiconductor substrate of the first region;
Have
The first MISFET is
A second gate electrode formed on a main surface of the semiconductor substrate in the second region via a second gate insulating film;
A second source region and a second drain region formed in the semiconductor substrate of the second region;
Have
The second MISFET is
A third gate electrode formed on a main surface of the semiconductor substrate in the third region via a third gate insulating film thinner than the second gate insulating film;
A first high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of the second gate insulating film, formed in contact with a side surface and a bottom surface of the third gate electrode;
A third source region and a third drain region formed in the semiconductor substrate of the third region;
An interlayer insulating film formed on a main surface of the semiconductor substrate and on a side of the third gate electrode;
The height of the upper surface of the interlayer insulating film in the third region is lower than the height of the upper surface of the interlayer insulating film formed on the second gate electrode, and the height of the upper surface of the third gate electrode. A semiconductor device having substantially the same height.
前記不揮発性メモリは、前記第1ゲート電極の側面および底面に接して形成された、前記第2ゲート絶縁膜よりも誘電率の高い第2高誘電率膜を有し、
前記第1領域における前記層間絶縁膜の上面の高さは、前記第2領域における前記層間絶縁膜の上面の高さに比べて低く、前記第1ゲート電極の上面の高さと略同一の高さであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
The nonvolatile memory includes a second high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of the second gate insulating film, which is formed in contact with a side surface and a bottom surface of the first gate electrode.
The height of the upper surface of the interlayer insulating film in the first region is lower than the height of the upper surface of the interlayer insulating film in the second region, and is substantially the same as the height of the upper surface of the first gate electrode. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
前記層間絶縁膜は前記不揮発性メモリの上面を覆っていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the interlayer insulating film covers an upper surface of the nonvolatile memory. 前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極のうち、少なくとも前記第2ゲート電極はポリシリコンを含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein at least the second gate electrode of the first gate electrode and the second gate electrode includes polysilicon. 前記第1ゲート電極および前記第3ゲート電極のうち、少なくとも前記第3ゲート電極は、WまたはTiNを含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least the third gate electrode of the first gate electrode and the third gate electrode contains W or TiN. 半導体基板の主面の第1領域に形成された不揮発性メモリと、前記半導体基板の主面の第2領域に形成された第1MISFETと、前記半導体基板の主面の第3領域に形成され、かつ前記第1MISFETよりも低電圧で動作する第2MISFETとを有する半導体装置であって、
前記不揮発性メモリは、
前記第1領域の前記半導体基板の主面上に、少なくとも電位障壁膜と前記電位障壁膜上に積層された電荷保持膜とを含む第1ゲート絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
前記第1領域の前記半導体基板に形成された第1ソース領域および第1ドレイン領域と、
を有し、
前記第1MISFETは、
前記第2領域の前記半導体基板の主面上に第2ゲート絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、
前記第2領域の前記半導体基板に形成された第2ソース領域および第2ドレイン領域と、
を有し、
前記第2MISFETは、
前記第3領域の前記半導体基板の主面上に、前記第2ゲート絶縁膜よりも薄い第3ゲート絶縁膜を介して形成された第3ゲート電極と、
前記第3領域の前記半導体基板に形成された第3ソース領域および第3ドレイン領域と、
を有し、
前記第1、第2および第3ゲート電極は、それぞれの側面および底面に接して形成された、前記第2ゲート絶縁膜よりも誘電率の高い第1、第2および第3高誘電率膜をそれぞれ有し、
前記半導体基板の主面上に形成された層間絶縁膜を有し、
前記層間絶縁膜の上面の高さは、前記第1、第2および第3ゲート電極の上面の高さと略同一の高さであることを特徴とする半導体装置。
A non-volatile memory formed in the first region of the main surface of the semiconductor substrate; a first MISFET formed in the second region of the main surface of the semiconductor substrate; and a third region of the main surface of the semiconductor substrate; And a second MISFET that operates at a lower voltage than the first MISFET,
The nonvolatile memory is
A first gate electrode formed on a main surface of the semiconductor substrate in the first region via a first gate insulating film including at least a potential barrier film and a charge retention film stacked on the potential barrier film; ,
A first source region and a first drain region formed in the semiconductor substrate of the first region;
Have
The first MISFET is
A second gate electrode formed on a main surface of the semiconductor substrate in the second region via a second gate insulating film;
A second source region and a second drain region formed in the semiconductor substrate of the second region;
Have
The second MISFET is
A third gate electrode formed on a main surface of the semiconductor substrate in the third region via a third gate insulating film thinner than the second gate insulating film;
A third source region and a third drain region formed in the semiconductor substrate of the third region;
Have
The first, second, and third gate electrodes are first, second, and third high dielectric constant films having a dielectric constant higher than that of the second gate insulating film, which are formed in contact with respective side surfaces and bottom surfaces. Each has
Having an interlayer insulating film formed on the main surface of the semiconductor substrate;
The height of the upper surface of the interlayer insulating film is substantially the same as the height of the upper surfaces of the first, second and third gate electrodes.
前記第1、第2および第3ゲート電極は、それぞれWまたはTiNを含むことを特徴とする請求項6記載の半導体装置。   7. The semiconductor device according to claim 6, wherein each of the first, second and third gate electrodes contains W or TiN. 半導体基板の主面の第1領域に形成された不揮発性メモリと、前記半導体基板の主面の第2領域に形成された第1MISFETと、前記半導体基板の主面の第3領域に形成され、かつ前記第1MISFETよりも低電圧で動作する第2MISFETとを有する半導体装置の製造方法であって、
(a)前記第1領域の半導体基板の主面上に、電位障壁膜および前記電位障壁膜上に形成された電荷保持膜を含む第1ゲート絶縁膜を介して第1ゲート電極を形成し、前記第1領域の前記半導体基板の主面に第1ソース領域および第1ドレイン領域を形成する工程と、
(b)前記第2領域の前記半導体基板の主面上に第2ゲート絶縁膜を介して第2ゲート電極を形成し、前記第2領域の前記半導体基板の主面に第2ソース領域および第2ドレイン領域を形成する工程と、
(c)上部に第1キャップ膜を有するダミーゲート電極を、前記第3領域の前記半導体基板の主面上に第3ゲート絶縁膜を介して形成し、前記第3領域の前記半導体基板の主面に第3ソース領域および第3ドレイン領域を形成する工程と、
(d)前記(a)、(b)および(c)工程の後、前記不揮発性メモリ、前記第1MISFETおよび前記第2MISFETのそれぞれの形成領域の前記半導体基板の主面上に、前記第1、第2ゲート電極および前記ダミーゲート電極を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記(d)工程の後、前記第3領域における前記層間絶縁膜の上面および前記第1キャップ膜を、前記ダミーゲート電極の上面が露出するまでエッチバックする工程と、
(f)前記(e)工程の後、前記ダミーゲート電極を除去する工程と、
(g)前記(f)工程の後、前記半導体基板の主面上に前記第2ゲート絶縁膜よりも誘電率の高い高誘電率膜を堆積した後、前記高誘電率膜上にメタル電極材料層を堆積する工程と、
(h)前記(g)工程の後、前記第3領域に形成された前記層間絶縁膜の上面が露出するまで前記高誘電率膜および前記メタル電極材料層を研磨し、前記第3領域に前記メタル電極材料層を含む第1メタルゲート電極を形成する工程と、
を有し、
前記(e)工程におけるエッチバックおよび前記(h)工程における研磨では、前記第1、第2ゲート電極の上面を前記層間絶縁膜から露出させず、前記第3領域における前記層間絶縁膜の上面の高さを、前記第2領域における前記層間絶縁膜の上面の高さよりも低く形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A non-volatile memory formed in the first region of the main surface of the semiconductor substrate; a first MISFET formed in the second region of the main surface of the semiconductor substrate; and a third region of the main surface of the semiconductor substrate; And a method of manufacturing a semiconductor device having a second MISFET that operates at a lower voltage than the first MISFET,
(A) forming a first gate electrode on a main surface of the semiconductor substrate in the first region via a first gate insulating film including a potential barrier film and a charge retention film formed on the potential barrier film; Forming a first source region and a first drain region on a main surface of the semiconductor substrate in the first region;
(B) forming a second gate electrode on a main surface of the semiconductor substrate in the second region via a second gate insulating film, and forming a second source region and a second gate electrode on the main surface of the semiconductor substrate in the second region; Forming two drain regions;
(C) forming a dummy gate electrode having a first cap film on the main surface of the semiconductor substrate in the third region via a third gate insulating film, and forming a main gate electrode of the semiconductor substrate in the third region; Forming a third source region and a third drain region on the surface;
(D) After the steps (a), (b), and (c), on the main surface of the semiconductor substrate in the respective formation regions of the nonvolatile memory, the first MISFET, and the second MISFET, the first, Forming an interlayer insulating film so as to cover the second gate electrode and the dummy gate electrode;
(E) After the step (d), etching back the upper surface of the interlayer insulating film and the first cap film in the third region until the upper surface of the dummy gate electrode is exposed;
(F) After the step (e), removing the dummy gate electrode;
(G) After the step (f), after depositing a high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of the second gate insulating film on the main surface of the semiconductor substrate, a metal electrode material is formed on the high dielectric constant film. Depositing a layer;
(H) After the step (g), the high dielectric constant film and the metal electrode material layer are polished until an upper surface of the interlayer insulating film formed in the third region is exposed, and the third region is Forming a first metal gate electrode including a metal electrode material layer;
Have
In the etch back in the step (e) and the polishing in the step (h), the upper surfaces of the first and second gate electrodes are not exposed from the interlayer insulating film, and the upper surface of the interlayer insulating film in the third region is not exposed. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the height is formed lower than the height of the upper surface of the interlayer insulating film in the second region.
前記(a)工程では、上部に第2キャップ膜を備えた前記第1ゲート電極を形成し、
前記(e)工程では、前記第1領域における前記層間絶縁膜の上面および前記第2キャップ膜を、前記第1ゲート電極の上面が露出するまでエッチバックし、
前記(f)工程では、前記第1ゲート電極を除去し、
前記(h)工程では、前記第1領域に形成された前記層間絶縁膜の上面が露出するまで前記高誘電率膜および前記メタル電極材料層を研磨し、前記第1領域に前記メタル電極材料層を含む第2メタルゲート電極を形成し、
前記(e)工程におけるエッチバックおよび前記(h)工程における研磨では、前記第2ゲート電極の上面を前記層間絶縁膜から露出させず、前記第1領域における前記層間絶縁膜の上面の高さを、前記第1MISHETの形成領域における前記層間絶縁膜の上面の高さよりも低く形成することを特徴とする請求項8記載の半導体装置の製造方法。
In the step (a), the first gate electrode having a second cap film on the top is formed,
In the step (e), the upper surface of the interlayer insulating film and the second cap film in the first region are etched back until the upper surface of the first gate electrode is exposed,
In the step (f), the first gate electrode is removed,
In the step (h), the high dielectric constant film and the metal electrode material layer are polished until the upper surface of the interlayer insulating film formed in the first region is exposed, and the metal electrode material layer is formed in the first region. Forming a second metal gate electrode containing
In the etch back in the step (e) and the polishing in the step (h), the upper surface of the second gate electrode is not exposed from the interlayer insulating film, and the height of the upper surface of the interlayer insulating film in the first region is increased. 9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device is formed to be lower than a height of an upper surface of the interlayer insulating film in a formation region of the first MISHET.
前記(f)工程の後であって前記(g)工程の前に、前記第3ゲート絶縁膜を除去し、前記第3領域において露出した前記半導体基板の主面に第4ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする請求項8記載の半導体装置の製造方法。   After the step (f) and before the step (g), the third gate insulating film is removed, and a fourth gate insulating film is formed on the main surface of the semiconductor substrate exposed in the third region. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8. 前記(a)工程において、前記電荷保持膜と前記第1ゲート電極との間にトップ絶縁膜を形成し、前記(f)工程の後であって前記(e)工程の前に、前記トップ絶縁膜を除去することを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。   In the step (a), a top insulating film is formed between the charge retention film and the first gate electrode, and the top insulation is performed after the step (f) and before the step (e). 10. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the film is removed. 前記(a)、(b)および(c)工程の後であって前記(d)工程の前に、前記第1ゲート電極、第1、第2、第3ソース領域、第1、第2および第3ドレイン領域の上面にシリサイドを形成し、前記第2ゲート電極の上面または前記第1および第2ゲート電極のそれぞれの上面にシリサイドを形成することを特徴とする請求項8記載の半導体装置の製造方法。   After the steps (a), (b) and (c) and before the step (d), the first gate electrode, the first, second and third source regions, the first, second and 9. The semiconductor device according to claim 8, wherein silicide is formed on an upper surface of the third drain region, and silicide is formed on the upper surface of the second gate electrode or on the upper surfaces of the first and second gate electrodes. Production method. 半導体基板の主面の第1領域に形成された不揮発性メモリと、前記半導体基板の主面の第2領域に形成された第1MISFETと、前記半導体基板の主面の第3領域に形成され、かつ前記第1MISFETよりも低電圧で動作する第2MISFETとを有する半導体装置の製造方法であって、
(a)上部に第1キャップ膜を有する第1ゲート電極を、前記第1領域の半導体基板の主面上に電位障壁膜および前記電位障壁膜上に形成された電荷保持膜を含む第1ダミーゲート絶縁膜を介して形成し、前記第1領域の前記半導体基板の主面に第1ソース領域および第1ドレイン領域を形成する工程と、
(b)上部に第2キャップ膜を有する第2ダミーゲート電極を、前記第2領域の前記半導体基板の主面上に第2ゲート絶縁膜を介して形成し、前記第2領域の前記半導体基板の主面に第2ソース領域および第2ドレイン領域を形成する工程と、
(c)上部に第3キャップ膜を有する第3ダミーゲート電極を、前記第3領域の前記半導体基板の主面上に第3ゲート絶縁膜を介して形成し、前記第3領域の前記半導体基板の主面に第3ソース領域および第3ドレイン領域を形成する工程と、
(d)前記(a)、(b)および(c)工程の後、前記不揮発性メモリ、前記第1MISFETおよび前記第2MISFETのそれぞれの形成領域の前記半導体基板の主面上に、前記第1、第2および第3ダミーゲート電極を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記(d)工程の後、前記層間絶縁膜の上面、前記第1、第2、および第3キャップ膜を、前記第1、第2および第3ダミーゲート電極の上面が露出するまでエッチバックする工程と、
(f)前記(e)工程の後、前記第1、第2および第3ダミーゲート電極を除去する工程と、
(g)前記(f)工程の後、前記半導体基板の主面上に前記第2ゲート絶縁膜よりも誘電率の高い高誘電率膜を堆積した後、前記高誘電率膜上にメタル電極材料層を堆積する工程と、
(h)前記(g)工程の後、前記層間絶縁膜の上面が露出するまで前記高誘電率膜および前記メタル電極材料層を研磨し、前記不揮発性メモリ、前記第1および第3領域のそれぞれに前記メタル電極材料層を含む第1、第2および第3メタルゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A non-volatile memory formed in the first region of the main surface of the semiconductor substrate; a first MISFET formed in the second region of the main surface of the semiconductor substrate; and a third region of the main surface of the semiconductor substrate; And a method of manufacturing a semiconductor device having a second MISFET that operates at a lower voltage than the first MISFET,
(A) a first dummy including a first gate electrode having a first cap film on the upper surface, a potential barrier film on the main surface of the semiconductor substrate in the first region, and a charge holding film formed on the potential barrier film; Forming a first source region and a first drain region on a main surface of the semiconductor substrate in the first region, formed through a gate insulating film;
(B) forming a second dummy gate electrode having a second cap film on the main surface of the semiconductor substrate in the second region with a second gate insulating film interposed therebetween, and the semiconductor substrate in the second region; Forming a second source region and a second drain region on the main surface of
(C) forming a third dummy gate electrode having a third cap film on the main surface of the semiconductor substrate in the third region with a third gate insulating film interposed therebetween, and the semiconductor substrate in the third region; Forming a third source region and a third drain region on the main surface of
(D) After the steps (a), (b), and (c), on the main surface of the semiconductor substrate in the respective formation regions of the nonvolatile memory, the first MISFET, and the second MISFET, the first, Forming an interlayer insulating film so as to cover the second and third dummy gate electrodes;
(E) After the step (d), the upper surface of the interlayer insulating film, the first, second, and third cap films are exposed until the upper surfaces of the first, second, and third dummy gate electrodes are exposed. Etch back, and
(F) After the step (e), removing the first, second and third dummy gate electrodes;
(G) After the step (f), after depositing a high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of the second gate insulating film on the main surface of the semiconductor substrate, a metal electrode material is formed on the high dielectric constant film. Depositing a layer;
(H) After the step (g), the high dielectric constant film and the metal electrode material layer are polished until the upper surface of the interlayer insulating film is exposed, and each of the nonvolatile memory, the first and third regions is polished. Forming a first, second and third metal gate electrode including the metal electrode material layer.
前記(f)工程の後であって前記(g)工程の前に、前記第3ゲート絶縁膜を除去し、前記第3領域において露出した前記半導体基板の主面に第4ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。   After the step (f) and before the step (g), the third gate insulating film is removed, and a fourth gate insulating film is formed on the main surface of the semiconductor substrate exposed in the third region. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13. 前記(a)工程において、前記電荷保持膜の上面に接するトップ絶縁膜を形成し、前記(f)工程の後であって前記(g)工程の前に、前記トップ絶縁膜を除去することを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。   In step (a), forming a top insulating film in contact with the upper surface of the charge retention film, and removing the top insulating film after the step (f) and before the step (g). 14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, 前記(a)、(b)および(c)工程の後であって前記(d)工程の前に、前記第1ゲート電極、第1、第2、第3ソース領域、第1、第2および第3ドレイン領域の上面にシリサイドを形成することを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。   After the steps (a), (b) and (c) and before the step (d), the first gate electrode, the first, second and third source regions, the first, second and 14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein silicide is formed on the upper surface of the third drain region. 半導体基板の主面の第1領域に形成された不揮発性メモリと、前記半導体基板の主面の第2領域に形成された第1MISFETと、前記半導体基板の主面の第3領域に形成され、かつ前記第1MISFETよりも低電圧で動作する第2MISFETとを有する半導体装置の製造方法であって、
(a)前記第1領域の半導体基板の主面上に、電位障壁膜および前記電位障壁膜上に形成された電荷保持膜を含む第1ゲート絶縁膜を介して第1ゲート電極を形成し、前記第1領域の前記半導体基板の主面に第1ソース領域および第1ドレイン領域を形成する工程と、
(b)前記第2領域の前記半導体基板の主面上に第2ゲート絶縁膜を介して第2ゲート電極を形成し、前記第2領域の前記半導体基板の主面に第2ソース領域および第2ドレイン領域を形成する工程と、
(c)上部にキャップ膜を有し、少なくとも二層の導電膜を含むダミーゲート電極を、前記第3領域の前記半導体基板の主面上に第3ゲート絶縁膜を介して形成し、前記第3領域の前記半導体基板の主面に第3ソース領域および第3ドレイン領域を形成する工程と、
(d)前記(a)、(b)および(c)工程の後、前記不揮発性メモリ、前記第1MISFETおよび前記第2MISFETのそれぞれの形成領域の前記半導体基板の主面上に、前記第1、第2MISFETおよび前記ダミーゲート電極を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記(d)工程の後、前記層間絶縁膜の上面および前記キャップ膜を、前記ダミーゲート電極の上面が露出するまで研磨する工程と、
(f)前記(e)工程の後、前記ダミーゲート電極を除去する工程と、
(g)前記(f)工程の後、前記半導体基板の主面上に前記第2ゲート絶縁膜よりも誘電率の高い高誘電率膜を堆積した後、前記高誘電率膜上にメタル電極材料層を堆積する工程と、
(h)前記(g)工程の後、前記層間絶縁膜の上面が露出するまで前記高誘電率膜および前記メタル電極材料層を研磨し、前記第3領域に前記メタル電極材料層を含むメタルゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A non-volatile memory formed in the first region of the main surface of the semiconductor substrate; a first MISFET formed in the second region of the main surface of the semiconductor substrate; and a third region of the main surface of the semiconductor substrate; And a method of manufacturing a semiconductor device having a second MISFET that operates at a lower voltage than the first MISFET,
(A) forming a first gate electrode on a main surface of the semiconductor substrate in the first region via a first gate insulating film including a potential barrier film and a charge retention film formed on the potential barrier film; Forming a first source region and a first drain region on a main surface of the semiconductor substrate in the first region;
(B) forming a second gate electrode on a main surface of the semiconductor substrate in the second region via a second gate insulating film, and forming a second source region and a second gate electrode on the main surface of the semiconductor substrate in the second region; Forming two drain regions;
(C) forming a dummy gate electrode having an upper cap film and including at least two conductive films on a main surface of the semiconductor substrate in the third region via a third gate insulating film; Forming a third source region and a third drain region on the main surface of the three regions of the semiconductor substrate;
(D) After the steps (a), (b), and (c), on the main surface of the semiconductor substrate in the respective formation regions of the nonvolatile memory, the first MISFET, and the second MISFET, the first, Forming an interlayer insulating film so as to cover the second MISFET and the dummy gate electrode;
(E) after the step (d), polishing the upper surface of the interlayer insulating film and the cap film until the upper surface of the dummy gate electrode is exposed;
(F) After the step (e), removing the dummy gate electrode;
(G) After the step (f), after depositing a high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of the second gate insulating film on the main surface of the semiconductor substrate, a metal electrode material is formed on the high dielectric constant film. Depositing a layer;
(H) After the step (g), the high dielectric constant film and the metal electrode material layer are polished until the upper surface of the interlayer insulating film is exposed, and the metal gate including the metal electrode material layer in the third region Forming an electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記(f)工程の後であって前記(g)工程の前に、前記第3ゲート絶縁膜を除去し、前記第3領域において露出した前記半導体基板の主面に第4ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする請求項17記載の半導体装置の製造方法。   After the step (f) and before the step (g), the third gate insulating film is removed, and a fourth gate insulating film is formed on the main surface of the semiconductor substrate exposed in the third region. 18. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 17, wherein: 前記(a)、(b)および(c)工程の後であって前記(d)工程の前に、前記第1、第2ゲート電極、前記第1、第2、第3ソース領域、第1、第2および第3ドレイン領域のそれぞれの上面にシリサイドを形成することを特徴とする請求項17記載の半導体装置の製造方法。   After the steps (a), (b) and (c) and before the step (d), the first and second gate electrodes, the first, second and third source regions, the first 18. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 17, wherein silicide is formed on the upper surface of each of the second and third drain regions. 前記(c)工程では、前記二層の導電膜の間に酸化シリコン膜を形成し、前記(f)工程において、前記酸化シリコン膜を除去することを特徴とする請求項17記載の半導体装置の製造方法。   18. The semiconductor device according to claim 17, wherein a silicon oxide film is formed between the two conductive films in the step (c), and the silicon oxide film is removed in the step (f). Production method.
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