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JP2009267216A - Nonvolatile semiconductor storage device and method for manufacturing the same device - Google Patents

Nonvolatile semiconductor storage device and method for manufacturing the same device Download PDF

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JP2009267216A
JP2009267216A JP2008117006A JP2008117006A JP2009267216A JP 2009267216 A JP2009267216 A JP 2009267216A JP 2008117006 A JP2008117006 A JP 2008117006A JP 2008117006 A JP2008117006 A JP 2008117006A JP 2009267216 A JP2009267216 A JP 2009267216A
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film
high dielectric
gate
region
dielectric film
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Application number
JP2008117006A
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Inventor
Nikka Ko
日華 黄
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the deterioration of device characteristics by preventing the configuring atoms of a high dielectric film in a process from scattering. <P>SOLUTION: In a nonvolatile semiconductor storage device 100 in which a memory cell 110 and a transistor 120 are formed on a silicon substrate 101, at least a sidewall 127 covering the side face of a high dielectric film 124 is formed across a lower gate 122 and a silicon gate 126 on the side face of a laminate film 120T configuring the transistor 120. As the materials of the sidewall 127, a conductor for preventing the configuring atoms of the high dielectric film 124 such as SiGe from scattering is used. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置および不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関し、例えばメモリセルおよび周辺回路が同一基板に形成された不揮発性半導体記憶装置および不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device, for example, a nonvolatile semiconductor memory device in which memory cells and peripheral circuits are formed on the same substrate, and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device.

従来、NAND型フラッシュメモリなどの不揮発性半導体記憶装置においては、小型化および高集積化を実現するために、MONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Semiconductor)構造のメモリセルが採用されるようになってきた。また近年では、メモリセル部の更なる微細化を目的として、電荷蓄積膜である窒化膜上の絶縁膜を従来のシリコン酸化膜よりも高誘電率を有する材料(High−k材料)で形成することが検討されている。   Conventionally, in a nonvolatile semiconductor memory device such as a NAND flash memory, a memory cell having a MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) structure is adopted in order to realize miniaturization and high integration. It has become. In recent years, an insulating film on a nitride film, which is a charge storage film, is formed of a material (High-k material) having a dielectric constant higher than that of a conventional silicon oxide film for the purpose of further miniaturizing the memory cell portion. It is being considered.

上記のような不揮発性半導体記憶装置では、メモリセルとトランジスタなどの周辺回路とが同一の半導体基板に作り込まれることが一般的であった。この際、メモリセルと周辺回路との層構造を同様の構造とすることで、一括した加工が可能となるため、製造工程の煩雑化を回避することが可能である(例えば以下に示す特許文献1参照)。   In the nonvolatile semiconductor memory device as described above, it is general that the memory cell and the peripheral circuit such as a transistor are formed on the same semiconductor substrate. At this time, by making the layer structure of the memory cell and the peripheral circuit the same structure, it is possible to perform batch processing, and thus it is possible to avoid complication of the manufacturing process (for example, Patent Documents shown below) 1).

しかしながら、製造プロセスにおける例えば熱処理の際に高誘電体膜がチャンバ内雰囲気中に露出していると、その構成原子が飛散して酸化膜などの他の層に入り込み、これに固定電荷を形成してしまう場合がある。特にトランジスタなどの周辺回路においては、高精度のしきい値制御が要求されるため、上記のようにゲート絶縁膜に固定電荷が形成されてしまうと、しきい値制御が困難となり、デバイス特性が劣化してしまうという問題が発生する。   However, if the high dielectric film is exposed to the atmosphere in the chamber during, for example, heat treatment in the manufacturing process, the constituent atoms scatter and enter another layer such as an oxide film, forming a fixed charge on this. May end up. Especially in peripheral circuits such as transistors, high-precision threshold control is required. Therefore, if fixed charges are formed in the gate insulating film as described above, threshold control becomes difficult, and device characteristics are reduced. The problem of deterioration occurs.

特開2005−136416号公報JP 2005-136416 A

そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、プロセス中における高誘電体膜の構成原子の飛散を防止することでデバイス特性の劣化を回避できる不揮発性半導体記憶装置および不揮発性半導体記憶装置の製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and a nonvolatile semiconductor memory device and a nonvolatile semiconductor capable of avoiding deterioration of device characteristics by preventing scattering of constituent atoms of a high dielectric film during the process It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a storage device.

かかる目的を達成するために、本発明の一形態による不揮発性半導体記憶装置は、第1領域と第2領域とを含む半導体基板と、窒化膜と、該窒化膜上の第1高誘電体膜と、該第1高誘電体膜上の制御ゲートとを含み、前記半導体基板における前記第1領域上に第1絶縁膜を介して形成された第1積層膜と、下部ゲートと、該下部ゲート上の第2高誘電体膜と、該第2高誘電体膜上の上部ゲートとを含み、前記半導体基板における前記第2領域上に第2絶縁膜を介して形成された第2積層膜と、前記第2積層膜の側面における少なくとも前記第2高誘電体膜の側面を覆うように前記下部ゲートから前記上部ゲートにかけて形成された導電性を有するサイドウォールと、を備えたことを特徴としている。   In order to achieve such an object, a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate including a first region and a second region, a nitride film, and a first high dielectric film on the nitride film. A first stacked film formed on the first region of the semiconductor substrate via a first insulating film, a lower gate, and the lower gate. A second stacked film including an upper second high dielectric film and an upper gate on the second high dielectric film, and formed on the second region of the semiconductor substrate via a second insulating film; And a conductive sidewall formed from the lower gate to the upper gate so as to cover at least the side surface of the second high dielectric film on the side surface of the second laminated film. .

また、本発明の一形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、第1および第2領域を備えた半導体基板上面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、窒化膜と、該窒化膜上の第1高誘電体膜と、該第1高誘電体膜上の制御ゲートとを含む第1積層膜を半導体基板の前記第1領域上における前記絶縁膜上に形成し、下部ゲートと、該下部ゲート上の第2窒化膜と、該第2窒化膜上の第2高誘電体膜と、該第2高誘電体膜上の上部ゲートとを含む第2積層膜を前記半導体基板の前記第2領域上における前記絶縁膜上に形成する積層膜形成工程と、前記第2積層膜の側面における少なくとも前記第2高誘電体膜の側面を覆うように前記下部ゲートから前記上部ゲートにかけて導電性を有するサイドウォールを形成するサイドウォール形成工程と、を含むことを特徴としている。   According to another aspect of the present invention, there is provided a non-volatile semiconductor memory device manufacturing method comprising: an insulating film forming step of forming an insulating film on an upper surface of a semiconductor substrate having first and second regions; a nitride film; A first stacked film including a first high dielectric film and a control gate on the first high dielectric film is formed on the insulating film on the first region of the semiconductor substrate; a lower gate; and A second stacked film including a second nitride film on the lower gate, a second high dielectric film on the second nitride film, and an upper gate on the second high dielectric film is formed on the semiconductor substrate. A laminated film forming step formed on the insulating film in two regions, and conductivity from the lower gate to the upper gate so as to cover at least a side surface of the second high dielectric film on a side surface of the second laminated film. A sidewall forming step of forming a sidewall having It is characterized in that it comprises a.

本発明によれば、プロセス中における高誘電体膜の構成原子の飛散を防止することでデバイス特性の劣化を回避できる不揮発性半導体記憶装置および不揮発性半導体記憶装置の製造方法を実現することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to realize a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device that can avoid deterioration of device characteristics by preventing scattering of constituent atoms of the high dielectric film during the process. It becomes.

以下、本発明の実施の形態を図面と共に詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の説明において、各図は本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎず、従って、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。さらに、後述において例示する数値は一例に過ぎず、従って、本発明は例示された数値に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. Moreover, in the following description, each figure has shown only the shape, the magnitude | size, and positional relationship so that the content of this invention can be understood, Therefore, this invention was illustrated in each figure. It is not limited to only the shape, size, and positional relationship. Furthermore, the numerical value illustrated below is only an example, and therefore the present invention is not limited to the illustrated numerical value.

〔構成〕
図1は、本実施の形態にかかる不揮発性半導体記憶装置100の構成の一例を模式的に示す断面図である。なお、図1では、基板(シリコン基板101)と垂直な面であってメモリセル110およびトランジスタ120それぞれをチャネル長方向に沿った面で切断した際の断面を示す。
〔Constitution〕
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the present embodiment. Note that FIG. 1 illustrates a cross section when the memory cell 110 and the transistor 120 are each cut along a plane perpendicular to the substrate (silicon substrate 101) along the channel length direction.

図1に示すように、本実施の形態で例示する不揮発性半導体記憶装置100は、半導体基板としてのシリコン基板101におけるメモリセル形成領域110A(例えば第1領域)上に形成されたメモリセル110と、同じくシリコン基板101における周辺回路形成領域120A(例えば第2領域)上に形成されたトランジスタ120とを備える。シリコン基板101には、例えばしきい値調整のために所定の不純物がドーピングされている。また、シリコン基板101には1つ以上のメモリセル形成領域110Aおよび周辺回路形成領域120Aが配列されている。各メモリセル形成領域110Aおよび周辺回路形成領域120A間は、適宜、素子分離絶縁膜102により電気的に分離されている。   As shown in FIG. 1, the nonvolatile semiconductor memory device 100 exemplified in this embodiment includes a memory cell 110 formed on a memory cell formation region 110A (for example, a first region) in a silicon substrate 101 as a semiconductor substrate. The transistor 120 is also formed on the peripheral circuit formation region 120A (for example, the second region) in the silicon substrate 101. The silicon substrate 101 is doped with a predetermined impurity for adjusting a threshold value, for example. In addition, one or more memory cell formation regions 110A and peripheral circuit formation regions 120A are arranged on the silicon substrate 101. Each memory cell formation region 110A and peripheral circuit formation region 120A are appropriately electrically separated by an element isolation insulating film 102.

(メモリセルの構成)
図1におけるメモリセル110は、シリコン基板101上にトンネル酸化膜111(例えば第1絶縁膜)を介して形成されたメサ状の積層膜110T(例えば第1積層膜)と、シリコン基板101の上層部分であって積層膜110T下の領域を挟む対の領域に形成されたソース118sおよびドレイン118dとを有する。また、積層膜110Tは、下層から順に、例えば電荷蓄積膜113(例えば窒化膜)と高誘電体膜114(例えば第1高誘電体膜)とメタルゲート115およびシリコンゲート116(例えば制御ゲート)とを含んで構成されている。
(Memory cell configuration)
A memory cell 110 in FIG. 1 includes a mesa-shaped stacked film 110T (for example, a first stacked film) formed on a silicon substrate 101 via a tunnel oxide film 111 (for example, a first insulating film), and an upper layer of the silicon substrate 101. A source 118s and a drain 118d formed in a pair of regions sandwiching a region below the stacked film 110T. The stacked film 110T includes, for example, a charge storage film 113 (for example, a nitride film), a high dielectric film 114 (for example, a first high dielectric film), a metal gate 115, and a silicon gate 116 (for example, a control gate) in order from the lower layer. It is comprised including.

上記のメモリセル110において、シリコン基板101上面に形成されたトンネル酸化膜111は、シリコン基板101と上層の電荷蓄積膜113とを電気的に分離するための絶縁膜であり、例えばシリコン酸化(SiO)膜などで構成することができる。その膜厚は、例えば4〜5nm程度とすることができる。 In the memory cell 110 described above, the tunnel oxide film 111 formed on the upper surface of the silicon substrate 101 is an insulating film for electrically separating the silicon substrate 101 and the upper charge storage film 113 from, for example, silicon oxide (SiO 2). 2 ) It can be composed of a film or the like. The film thickness can be about 4-5 nm, for example.

トンネル酸化膜111上の電荷蓄積膜113は、いわゆる浮遊ゲートとして機能する膜であり、データの書き込み時にトンネル酸化膜111を通過して注入されたトンネル電子をトラップすることでデータを保持する膜である。電荷蓄積膜113は、例えばシリコン酸化(SiN)膜で形成することができ、その膜厚は例えば5nm程度とすることができる。   The charge storage film 113 on the tunnel oxide film 111 is a film that functions as a so-called floating gate, and is a film that holds data by trapping tunnel electrons injected through the tunnel oxide film 111 when data is written. is there. The charge storage film 113 can be formed of, for example, a silicon oxide (SiN) film, and the film thickness can be about 5 nm, for example.

電荷蓄積膜113上の高誘電体膜114は、電荷蓄積膜113と上層の制御ゲートとを電気的に分離するための膜であり、例えばハフニウム酸化物(HfO)やハフニウム珪化酸化窒化物(HfSiON)やアルミナ(Al)やジルコニウム酸化物(ZrO)など、トンネル酸化膜111に用いられているシリコン酸化物(SiO)よりも比誘電率の大きい高誘電体(High−k)材料を用いて形成される。このように、電荷蓄積膜113(浮遊ゲート)と制御ゲートとの間に高誘電体膜114を配置することで、従来のようにシリコン酸化膜を配置した場合よりも、電荷蓄積膜113(浮遊ゲート)と制御ゲートとの間の容量結合を増大させることが可能となる。この結果、高誘電体膜114の薄膜化が可能となり、不揮発性半導体記憶装置100の更なる微細化が可能となる。本実施の形態では、高誘電体膜114を例えばHfOで形成し、その膜厚を例えば10〜17nm程度とする。 The high dielectric film 114 on the charge storage film 113 is a film for electrically separating the charge storage film 113 from the upper control gate. For example, hafnium oxide (HfO) or hafnium silicide oxynitride (HfSiON). ), Alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO), or the like, a high dielectric (High-k) material having a relative dielectric constant larger than that of silicon oxide (SiO 2 ) used for the tunnel oxide film 111. It is formed using. In this way, by disposing the high dielectric film 114 between the charge storage film 113 (floating gate) and the control gate, the charge storage film 113 (floating) can be achieved as compared with the case where the silicon oxide film is disposed as in the prior art. It is possible to increase the capacitive coupling between the gate) and the control gate. As a result, the high dielectric film 114 can be thinned, and the nonvolatile semiconductor memory device 100 can be further miniaturized. In the present embodiment, the high dielectric film 114 is formed of, for example, HfO, and the thickness thereof is, for example, about 10 to 17 nm.

高誘電体膜114上のメタルゲート115は、高誘電体膜114と上層のシリコンゲート116とが直接接触することを防止するための膜である。本実施の形態によるシリコンゲート116は例えば不純物を含むことで導電性を備えたポリシリコンなどで形成することができるが、一般的にポリシリコン膜と高誘電体膜とを接触させると、これらの界面で不具合が生じ、結果的に半導体装置の動作電圧が上昇してしまう場合がある。さらに、ポリシリコン膜の内部でいわゆるフォノン振動が発生し、電子の流れが阻害されてしまう場合もある。そこで本実施の形態のように、高誘電体膜114とシリコンゲート116(ポリシリコン膜)との間に金属製の膜であるメタルゲート115を設けることで、高誘電体膜114とシリコンゲート116(ポリシリコン膜)とが直接接触することを回避できる。この結果、高誘電体膜114の特性を十分に発揮させ、高性能の不揮発性半導体記憶装置100を実現することが可能となる。本実施の形態では、メタルゲート115を例えばタンタル窒化物(TaN)とタングステン(W)とタングステン窒化物(WN)との積層膜で形成し、その合計の膜厚を例えば10〜13nm程度とする。ただし、本発明ではこれに限定されず、例えばチタン窒化物(TiN)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、銀(Ag)またはWなどで形成された単層膜、もしくはこれらのうちいずれかを含む多層膜など、メタルゲートとして使用可能な種々の膜を適用することができる。   The metal gate 115 on the high dielectric film 114 is a film for preventing the high dielectric film 114 and the upper silicon gate 116 from coming into direct contact. The silicon gate 116 according to the present embodiment can be formed of, for example, polysilicon having conductivity by containing impurities. Generally, when the polysilicon film and the high dielectric film are brought into contact with each other, these silicon gates 116 can be formed. In some cases, a defect occurs at the interface, resulting in an increase in the operating voltage of the semiconductor device. Furthermore, so-called phonon vibrations may occur inside the polysilicon film, which may hinder the flow of electrons. Therefore, as in the present embodiment, by providing a metal gate 115 which is a metal film between the high dielectric film 114 and the silicon gate 116 (polysilicon film), the high dielectric film 114 and the silicon gate 116 are provided. Direct contact with the (polysilicon film) can be avoided. As a result, the characteristics of the high dielectric film 114 can be fully exhibited, and the high-performance nonvolatile semiconductor memory device 100 can be realized. In the present embodiment, the metal gate 115 is formed of, for example, a laminated film of tantalum nitride (TaN), tungsten (W), and tungsten nitride (WN), and the total film thickness is, for example, about 10 to 13 nm. . However, the present invention is not limited to this, and is formed of, for example, titanium nitride (TiN), molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), platinum (Pt), silver (Ag), or W. Various films that can be used as a metal gate, such as a single layer film or a multilayer film including any one of them, can be used.

メタルゲート115上のシリコンゲート116は、上述したように、例えば所定の不純物を含むことで導電性を備えたポリシリコン膜で形成される。その膜厚は、例えば100nm程度とすることができる。このシリコンゲート116とその下層のメタルゲート115との二層が、メモリセル110における制御ゲートを形成する。   As described above, the silicon gate 116 on the metal gate 115 is formed of a polysilicon film having conductivity by containing a predetermined impurity, for example. The film thickness can be about 100 nm, for example. The two layers of the silicon gate 116 and the metal gate 115 below it form a control gate in the memory cell 110.

また、シリコン基板101の上層部分であって積層膜110T下の領域を挟む対の領域には、ソース118sおよびドレイン118dが形成されている。ソース118sおよびドレイン118dは、所定の不純物を注入し、これを拡散および活性化させることで低抵抗化された不純物拡散領域である。本実施の形態において、所定の不純物としては、例えばリン(P)イオンやヒ素(As)イオンなどのようなn型の導電性を有するドーパント、あるいは、ボロン(B)イオンなどのようなp型の導電性を有するドーパントを適用することができる。なお、シリコン基板101上層におけるソース118sおよびドレイン118dで挟まれた領域は、書き込み時または動作時にチャネルが形成される、いわゆるチャネル形成領域として機能する。   In addition, a source 118s and a drain 118d are formed in a pair of regions sandwiching a region below the stacked film 110T in the upper layer portion of the silicon substrate 101. The source 118s and the drain 118d are impurity diffusion regions whose resistance is lowered by injecting predetermined impurities, diffusing and activating them. In this embodiment, as the predetermined impurity, for example, a dopant having n-type conductivity such as phosphorus (P) ion or arsenic (As) ion, or p-type such as boron (B) ion. A dopant having the following conductivity can be applied. Note that a region sandwiched between the source 118s and the drain 118d in the upper layer of the silicon substrate 101 functions as a so-called channel formation region in which a channel is formed during writing or operation.

(トランジスタの構成)
また、図1におけるトランジスタ120は、シリコン基板101上にゲート酸化膜121(例えば第2絶縁膜)を介して形成されたメサ状の積層膜120T(例えば第2積層膜)と、積層膜120Tの側面に形成されたサイドウォール127と、シリコン基板101の上層部分であって積層膜120Tおよびサイドウォール127下の領域を挟む対の領域に形成されたソース128sおよびドレイン128dとを有する。また、積層膜120Tは、下層から順に、例えば下部ゲート122と絶縁膜123と高誘電体膜124(例えば第2高誘電体膜)とメタルゲート125およびシリコンゲート126(例えば上部ゲート)とを含んで構成されている。
(Configuration of transistor)
1 includes a mesa-like stacked film 120T (for example, a second stacked film) formed on a silicon substrate 101 via a gate oxide film 121 (for example, a second insulating film), and a stacked film 120T. A side wall 127 formed on the side surface, and a source 128s and a drain 128d formed in a pair of regions sandwiching the region below the stacked film 120T and the side wall 127 in the upper layer portion of the silicon substrate 101 are provided. The stacked film 120T includes, for example, a lower gate 122, an insulating film 123, a high dielectric film 124 (for example, a second high dielectric film), a metal gate 125, and a silicon gate 126 (for example, an upper gate) in order from the lower layer. It consists of

上記のトランジスタ120において、シリコン基板101上面に形成されたゲート酸化膜121は、上層の下部ゲート122とシリコン基板101とを電気的に分離するための膜であり、例えばメモリセル110におけるトンネル酸化膜111と同じ膜(シリコン酸化膜)で形成することができる。その膜厚も、例えば4〜5nm程度とすることができる。   In the transistor 120, the gate oxide film 121 formed on the upper surface of the silicon substrate 101 is a film for electrically separating the upper lower gate 122 and the silicon substrate 101, for example, a tunnel oxide film in the memory cell 110. The same film (silicon oxide film) as 111 can be formed. The film thickness can also be about 4-5 nm, for example.

ゲート酸化膜121上の下部ゲート122は、トランジスタ120を駆動する際の実効ゲートであり、例えば所定の不純物を含むことで導電性を備えたポリシリコン膜などで形成することができる。また、その膜厚は、例えば20nm程度とすることができる。   The lower gate 122 on the gate oxide film 121 is an effective gate for driving the transistor 120, and can be formed of, for example, a polysilicon film having conductivity by containing a predetermined impurity. Moreover, the film thickness can be about 20 nm, for example.

下部ゲート122上の絶縁膜123、高誘電体膜124、メタルゲート125およびシリコンゲート126は、それぞれメモリセル110における電荷蓄積膜113、高誘電体膜114、メタルゲート125およびシリコンゲート116と同一工程で形成された膜である。よって、説明の簡略化のため、これらの詳細についての説明は省略する。なお、このような積層膜120T中のシリコンゲート126とメタルゲート125との二層が、トランジスタ120における上部ゲートを形成する。   The insulating film 123, the high dielectric film 124, the metal gate 125, and the silicon gate 126 on the lower gate 122 are the same processes as the charge storage film 113, the high dielectric film 114, the metal gate 125, and the silicon gate 116 in the memory cell 110, respectively. It is the film | membrane formed by. Therefore, for the sake of simplification of description, description of these details is omitted. Note that the two layers of the silicon gate 126 and the metal gate 125 in the stacked film 120T form an upper gate in the transistor 120.

また、積層膜120Tにおける少なくとも高誘電体膜124の側面には、周辺回路形成領域120A上に形成された高誘電体膜124がプロセス中の例えば熱処理中において露出することを防止するためのサイドウォール127が形成されている。本実施の形態では、例えば積層膜120Tにおける下部ゲート122からシリコンゲート126にかけての側面にサイドウォール127が形成されている。   Further, sidewalls for preventing the high dielectric film 124 formed on the peripheral circuit formation region 120A from being exposed at least on the side surface of the high dielectric film 124 in the laminated film 120T, for example, during heat treatment during the process. 127 is formed. In the present embodiment, for example, the sidewall 127 is formed on the side surface from the lower gate 122 to the silicon gate 126 in the stacked film 120T.

サイドウォール127は、高誘電体膜124の構成原子の特に金属元素がプロセス中の例えば熱処理中に飛散することを防止するための膜である。これにより、高誘電体膜124の構成原子がプロセス中に飛散して例えばゲート酸化膜121内に入り込み、これに固定電荷を形成することを防止できる。この結果、不揮発性半導体記憶装置100におけるトランジスタ120のしきい値制御が困難となることを回避できる。   The sidewall 127 is a film for preventing the constituent elements of the high dielectric film 124, in particular, metal elements from being scattered during the process, for example, during heat treatment. Thereby, it is possible to prevent the constituent atoms of the high dielectric film 124 from being scattered during the process and entering the gate oxide film 121, for example, and forming a fixed charge on the gate oxide film 121. As a result, it is possible to avoid difficulty in controlling the threshold value of the transistor 120 in the nonvolatile semiconductor memory device 100.

また、本実施の形態では、高誘電体膜124の構成原子と反応することでシリケートやシリサイドなどの反応物を形成することが可能な材料を用いてサイドウォール127を形成することが好ましい。これにより、高誘電体膜124から拡散した構成原子と反応して高誘電体膜124とサイドウォール127との界面に反応膜127aが形成されるように構成されるため、高誘電体膜124から拡散した構成原子をサイドウォール127内部に封じ込めることがより確実に達成される。すなわち、サイドウォール127が、物理的に構成原子の飛散を防止する膜として機能するだけでなく、化学的に構成原子の飛散を防止する膜としても機能するため、高誘電体膜124を構成する原子の飛散防止効果をより高めることが達成される。   In this embodiment mode, the sidewall 127 is preferably formed using a material capable of forming a reactant such as silicate or silicide by reacting with the constituent atoms of the high dielectric film 124. Thus, the reaction film 127a is formed at the interface between the high dielectric film 124 and the sidewall 127 by reacting with the constituent atoms diffused from the high dielectric film 124. It is more reliably achieved that the diffused constituent atoms are contained inside the sidewall 127. That is, the sidewall 127 not only functions as a film that physically prevents the scattering of constituent atoms, but also functions as a film that chemically prevents the scattering of constituent atoms, thereby forming the high dielectric film 124. Further enhancement of the effect of preventing atom scattering is achieved.

さらに、本実施の形態では、図示しない上層配線などと電気的に接続される上部ゲートとトランジスタ120の実効ゲートである下部ゲート122とを電気的に接続するための構成としてもサイドウォール127を使用する。これにより、例えばトランジスタ120の積層膜120Tにおける絶縁性の膜(絶縁膜123、高誘電体膜124など)にスルーホールを形成し、これに導電性の材料を埋め込むことで上部ゲートと下部ゲート122とを電気的に接続するという煩雑な構成および製造工程が不要となるため、結果的に不揮発性半導体記憶装置100の構成および製造方法が複雑化することを回避できる。なお、本実施の形態では、サイドウォール127を下部ゲート122からシリコンゲート126にかけて形成しているが、サイドウォール127は下部ゲート122から少なくとも上部ゲートの一部であるメタルゲート125にかけて形成されればよい。   Further, in this embodiment, the side wall 127 is also used as a configuration for electrically connecting an upper gate electrically connected to an upper wiring (not shown) and the like and a lower gate 122 which is an effective gate of the transistor 120. To do. Thereby, for example, a through hole is formed in an insulating film (the insulating film 123, the high dielectric film 124, etc.) in the stacked film 120T of the transistor 120, and a conductive material is embedded in the through hole to thereby form the upper gate and the lower gate 122. Therefore, it is possible to avoid the complicated configuration and manufacturing method of the nonvolatile semiconductor memory device 100 as a result. In this embodiment, the sidewall 127 is formed from the lower gate 122 to the silicon gate 126. However, if the sidewall 127 is formed from the lower gate 122 to the metal gate 125 that is at least a part of the upper gate. Good.

以上のような高誘電体膜124の構成原子の飛散防止効果と導電性とを兼ね備えた材料としては、例えばシリコンゲルマニウム(SiGe)が存在する。ただし、これに限定されず、例えば高誘電体膜124の構成原子のうちの金属元素を含有することなく導電性を有するポリシリコン膜、チタン(Ti)またはTi合金膜、銅(Cu)またはCu合金膜、モリブデン(Mo)またはMo合金膜、金(Au)またはAu合金膜、白金(Pt)またはPt合金膜、銀(Ag)またはAg合金膜、および、タングステン(W)またはW合金膜などのような導電性を有する単層膜、もしくはこれらのうちいずれかを含むような導電性の多層膜など、高誘電体膜124(114)の構成原子が飛散することを防止可能な膜であって導電性を有する膜であれば如何なる膜を用いてサイドウォール127を形成しても良い。なお、本実施の形態では、SiGeを用いてサイドウォール127を形成した場合を例に挙げる。また、そのゲート長方向における最も肉厚な部分の膜厚は、例えば5〜10nm程度とすることができる。   For example, silicon germanium (SiGe) exists as a material having both the effect of preventing the scattering of constituent atoms of the high dielectric film 124 and conductivity. However, the present invention is not limited to this. For example, a polysilicon film, titanium (Ti) or Ti alloy film, copper (Cu) or Cu having conductivity without containing a metal element among the constituent atoms of the high dielectric film 124. Alloy film, molybdenum (Mo) or Mo alloy film, gold (Au) or Au alloy film, platinum (Pt) or Pt alloy film, silver (Ag) or Ag alloy film, tungsten (W) or W alloy film, etc. A film capable of preventing the constituent atoms of the high dielectric film 124 (114) from scattering, such as a single-layer film having conductivity, or a conductive multilayer film including any one of them. The sidewall 127 may be formed using any film as long as it has conductivity. In this embodiment, the case where the sidewall 127 is formed using SiGe is taken as an example. Moreover, the film thickness of the thickest part in the gate length direction can be about 5-10 nm, for example.

また、シリコン基板101の上層部分であって積層膜120T下の領域を挟む対の領域には、ソース128sおよびドレイン128dが形成されている。ソース128sおよびドレイン128dは、メモリセル110におけるソース128sおよびドレイン128dと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。なお、シリコン基板101上層におけるソース128sおよびドレイン128dで挟まれた領域は、動作時にチャネルが形成される、いわゆるチャネル形成領域として機能する。   A source 128s and a drain 128d are formed in a pair of regions sandwiching the region below the stacked film 120T in the upper layer portion of the silicon substrate 101. Since the source 128s and the drain 128d are the same as the source 128s and the drain 128d in the memory cell 110, detailed description thereof is omitted here. Note that a region sandwiched between the source 128s and the drain 128d in the upper layer of the silicon substrate 101 functions as a so-called channel formation region in which a channel is formed during operation.

〔製造方法〕
次に、本実施の形態による不揮発性半導体記憶装置100の製造方法を、図面を用いて詳細に説明する。図2(a)から図6は、本実施の形態による不揮発性半導体記憶装置100の製造方法における各プロセス段階での断面構造を模式的に示す図である。なお、図2(a)から図6では、図1に示す断面に対応する断面を示す。
〔Production method〕
Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. 2A to 6 are diagrams schematically showing a cross-sectional structure at each process stage in the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the present embodiment. 2A to 6 show a cross section corresponding to the cross section shown in FIG.

本製造方法では、まず、しきい値調整用に所定の不純物がドーピングされたシリコン基板101(例えば半導体基板)を準備し、これの上面に、例えばLOCOS(Local Oxidation Of Silicon)法を用いてシリコン酸化膜よりなる素子分離絶縁膜102(図2(a)参照)を形成する。これにより、シリコン基板101上層が、メモリセル形成領域110A(例えば第1領域)と周辺回路形成領域120A(例えば第2領域)とを含む複数の素子形成領域に区画される。続いて、例えば熱酸化法を用いることで、図2(a)に示すように、シリコン基板101上面に、膜厚が例えば4〜5nm程度のシリコン酸化膜111A(例えば絶縁膜)を形成する(例えば絶縁膜形成工程)。なお、素子分離法には、上記のLOCOS法に限らず、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法など、種々の素子分離技術を適用することが可能である。   In this manufacturing method, first, a silicon substrate 101 (for example, a semiconductor substrate) doped with a predetermined impurity is prepared for threshold adjustment, and silicon is formed on the upper surface of the silicon substrate 101 using, for example, a LOCOS (Local Oxidation Of Silicon) method. An element isolation insulating film 102 (see FIG. 2A) made of an oxide film is formed. Thus, the upper layer of the silicon substrate 101 is partitioned into a plurality of element formation regions including a memory cell formation region 110A (for example, a first region) and a peripheral circuit formation region 120A (for example, a second region). Subsequently, for example, by using a thermal oxidation method, as shown in FIG. 2A, a silicon oxide film 111A (for example, an insulating film) having a film thickness of, for example, about 4 to 5 nm is formed on the upper surface of the silicon substrate 101 (see FIG. 2A). For example, an insulating film forming step). The element isolation method is not limited to the above LOCOS method, and various element isolation techniques such as an STI (Shallow Trench Isolation) method can be applied.

次に、例えばリフトオフ法を用いることで、シリコン基板101の周辺回路形成領域120A上におけるシリコン酸化膜111A上に、所定の不純物を含むことで導電性を有するポリシリコン膜122A(例えば第1導電体膜)を選択的に形成する(例えば第1ステップ)。具体的には、シリコン基板101上のシリコン酸化膜111A表面全体に、例えばフォトレジスト液をスピン塗布し、これを露光および現像処理することで、周辺回路形成領域120A上におけるシリコン酸化膜111A上に開口を有するレジスト膜R1(図2(b)参照)を形成する。続いて、例えばスパッタリング法を用いることで、レジスト膜R1上およびこれの開口により露出されているシリコン酸化膜111A上に、ポリシリコンを堆積する。これにより、図2(b)に示すように、膜厚が例えば20nm程度のポリシリコン膜122Aがレジスト膜R1上および周辺回路形成領域120A上におけるシリコン酸化膜111A上に成膜される。その後、例えばアッシングにより、またはアセトンなどの剥離液を用いてレジスト膜R1を除去する。この結果、レジスト膜R1上のポリシリコン膜122Aがリフトオフにより除去されると共に、周辺回路形成領域120A上におけるシリコン酸化膜111A上にポリシリコン膜122Aが形成される。なお、ポリシリコン膜122Aに含まれる所定の不純物は、ポリシリコンの堆積時にドープされたものであっても、成膜後のイオン注入によりドープされたものであっても良い。   Next, by using, for example, a lift-off method, a polysilicon film 122A (for example, a first conductor) having conductivity by including a predetermined impurity on the silicon oxide film 111A on the peripheral circuit formation region 120A of the silicon substrate 101 is used. Film) is selectively formed (for example, the first step). Specifically, for example, a photoresist solution is spin-coated on the entire surface of the silicon oxide film 111A on the silicon substrate 101, and this is exposed and developed, so that the silicon oxide film 111A on the peripheral circuit formation region 120A is formed. A resist film R1 having an opening (see FIG. 2B) is formed. Subsequently, polysilicon is deposited on the resist film R1 and the silicon oxide film 111A exposed through the opening by using, for example, a sputtering method. Thereby, as shown in FIG. 2B, a polysilicon film 122A having a film thickness of, for example, about 20 nm is formed on the silicon oxide film 111A on the resist film R1 and the peripheral circuit formation region 120A. Thereafter, the resist film R1 is removed by, for example, ashing or using a stripping solution such as acetone. As a result, the polysilicon film 122A on the resist film R1 is removed by lift-off, and a polysilicon film 122A is formed on the silicon oxide film 111A on the peripheral circuit formation region 120A. The predetermined impurity contained in the polysilicon film 122A may be doped at the time of deposition of polysilicon or may be doped by ion implantation after film formation.

次に、図2(c)に示すように、シリコン酸化膜111Aおよびポリシリコン膜122Aが形成されたシリコン基板101上全体に、シリコン窒化膜113Aと高誘電体膜114Aと金属膜115Aおよびポリシリコン膜116A(例えば第2導電体膜)とを順次成膜する(例えば第2〜第4ステップ)。具体的には、まず、例えばCVD法もしくはプラズマ窒化法を用いることで、シリコン基板101上面におけるシリコン酸化膜111Aおよびポリシリコン膜122A表面に、膜厚が例えば5nm程度のシリコン窒化膜113Aを形成する。続いて、例えばALD(Atomic Layer Deposition)法を用いることで、シリコン窒化膜113A表面に、膜厚が例えば10〜17nm程度の例えばHfOよりなる高誘電体膜114Aを形成する。続いて、例えばMOCVD(Metal Organic CVD)法を用いることで、高誘電体膜114A表面に、例えばTaNとWとWNとの積層膜よりなる金属膜115Aを、合計の膜厚が例えば10〜13nm程度となるように形成する。続いて、例えばスパッタリング法を用いることで、金属膜115A表面に、膜厚が例えば100nm程度のポリシリコン膜116Aを形成する。なお、ポリシリコン膜116Aは所定の不純物を含むことで導電性を有する。この所定の不純物は、ポリシリコンの堆積時にドープされたものであっても、成膜後のイオン注入によりドープされたものであっても良い。   Next, as shown in FIG. 2C, the silicon nitride film 113A, the high dielectric film 114A, the metal film 115A, and the polysilicon are formed on the entire silicon substrate 101 on which the silicon oxide film 111A and the polysilicon film 122A are formed. A film 116A (for example, a second conductor film) is sequentially formed (for example, second to fourth steps). Specifically, first, a silicon nitride film 113A having a thickness of, for example, about 5 nm is formed on the surface of the silicon oxide film 111A and the polysilicon film 122A on the upper surface of the silicon substrate 101 by using, for example, a CVD method or a plasma nitridation method. . Subsequently, by using, for example, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a high dielectric film 114A made of, for example, HfO having a thickness of, for example, about 10 to 17 nm is formed on the surface of the silicon nitride film 113A. Subsequently, by using, for example, an MOCVD (Metal Organic CVD) method, a metal film 115A made of a stacked film of TaN, W, and WN, for example, on the surface of the high dielectric film 114A has a total film thickness of, for example, 10 to 13 nm. It forms so that it may become. Subsequently, a polysilicon film 116A having a thickness of, for example, about 100 nm is formed on the surface of the metal film 115A by using, for example, a sputtering method. Note that the polysilicon film 116A has conductivity by containing a predetermined impurity. The predetermined impurity may be doped at the time of polysilicon deposition or may be doped by ion implantation after film formation.

以上のように、シリコン窒化膜113Aと高誘電体膜114Aと金属膜115Aとポリシリコン膜116Aとよりなる積層膜を形成すると、次に、例えばCVD法を用いることで、ポリシリコン膜116A表面に、膜厚が例えば300nm程度のシリコン酸化膜を形成する。続いて、形成したシリコン酸化膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることで、メモリセル110における積層膜110Tの上面形状およびトランジスタ120における積層膜120Tの上面形状と対応したパターンのマスク酸化膜M1(図3(a)参照)を形成する。続いて、マスク酸化膜M1をマスクとして用いつつ、例えばRIE(Reactive Ion Etching)などの異方性ドライエッチング技術を用いてポリシリコン膜116Aと金属膜115Aと高誘電体膜114Aとシリコン窒化膜113Aとを順次エッチングする(例えば第5ステップ)。これにより、図3(a)に示すように、シリコン基板101のメモリセル形成領域110A上におけるシリコン酸化膜111A上に、電荷蓄積膜113(例えば第1窒化膜)と高誘電体膜114(例えば第1高誘電体膜)とメタルゲート115およびシリコンゲート116(例えば制御ゲート)とよりなるメサ状の積層膜110t(例えば第1積層膜)が形成されると共に、シリコン基板101の周辺回路形成領域120A上におけるシリコン酸化膜111A上に、下部ゲート122と絶縁膜123(例えば第2窒化膜)と高誘電体膜124(例えば第2高誘電体膜)とメタルゲート125およびシリコンゲート126(例えば上部ゲート)とよりなるメサ状の積層膜120t(例えば第2積層膜)が形成される(例えば積層膜形成工程)。このように、本実施の形態では、メモリセル110と周辺回路であるトランジスタ120とが同様の積層膜構造を有しているため、メモリセル110とトランジスタ120とで区別すること無く、一括して加工することでメモリセル110の積層膜110tおよびトランジスタ120の積層膜120tを形成することが可能である。   As described above, when a laminated film including the silicon nitride film 113A, the high dielectric film 114A, the metal film 115A, and the polysilicon film 116A is formed, next, for example, by using the CVD method, the surface of the polysilicon film 116A is formed. Then, a silicon oxide film having a film thickness of, for example, about 300 nm is formed. Subsequently, the formed silicon oxide film is patterned by using a photolithography technique and an etching technique, so that mask oxidation of a pattern corresponding to the upper surface shape of the stacked film 110T in the memory cell 110 and the upper surface shape of the stacked film 120T in the transistor 120 is performed. A film M1 (see FIG. 3A) is formed. Subsequently, using the mask oxide film M1 as a mask, the polysilicon film 116A, the metal film 115A, the high dielectric film 114A, and the silicon nitride film 113A using an anisotropic dry etching technique such as RIE (Reactive Ion Etching), for example. Are sequentially etched (for example, the fifth step). As a result, as shown in FIG. 3A, the charge storage film 113 (for example, the first nitride film) and the high dielectric film 114 (for example, the first nitride film) are formed on the silicon oxide film 111A on the memory cell formation region 110A of the silicon substrate 101. A mesa-shaped stacked film 110t (for example, the first stacked film) composed of the first high dielectric film), the metal gate 115, and the silicon gate 116 (for example, the control gate) is formed, and the peripheral circuit forming region of the silicon substrate 101 is formed. A lower gate 122, an insulating film 123 (for example, a second nitride film), a high dielectric film 124 (for example, a second high dielectric film), a metal gate 125, and a silicon gate 126 (for example, an upper portion) are formed on the silicon oxide film 111A on 120A. A mesa-shaped laminated film 120t (for example, a second laminated film) formed of a gate is formed (for example, a laminated film forming step). Thus, in this embodiment mode, the memory cell 110 and the transistor 120 which is a peripheral circuit have the same stacked film structure, and thus the memory cell 110 and the transistor 120 are collectively distinguished without being distinguished from each other. By processing, the stacked film 110t of the memory cell 110 and the stacked film 120t of the transistor 120 can be formed.

次に、例えばCVD法を用いることで、図3(b)に示すように、積層膜110tおよび120t並びにシリコン酸化膜111Aが形成されたシリコン基板101上全体に、膜厚が例えば5〜10nm程度のSiGe膜127Aを形成する。次に、例えばフッ素系ガスを用いたRIEによりSiGe膜127Aを異方性ドライエッチングすることで、図4(a)に示すように、積層膜110tおよび120tそれぞれの側面に、ゲート長方向における最も肉厚な部分の膜厚が5〜10nm程度のSiGe膜よりなるサイドウォール117および127を形成する(例えばサイドウォール形成工程)。なお、SiGe膜127Aの異方性ドライエッチングでは、三フッ化塩素(ClF)などのガスをエッチングガスとして用いることができる。 Next, for example, by using the CVD method, as shown in FIG. 3B, the film thickness is, for example, about 5 to 10 nm on the entire silicon substrate 101 on which the stacked films 110t and 120t and the silicon oxide film 111A are formed. The SiGe film 127A is formed. Next, the SiGe film 127A is anisotropically dry-etched by, for example, RIE using a fluorine-based gas, and as shown in FIG. Sidewalls 117 and 127 made of a SiGe film with a thick portion having a thickness of about 5 to 10 nm are formed (for example, a sidewall formation step). Note that in anisotropic dry etching of the SiGe film 127A, a gas such as chlorine trifluoride (ClF 3 ) can be used as an etching gas.

次に、積層膜110tおよび120t、サイドウォール117および127並びにシリコン酸化膜111Aが形成されたシリコン基板101上全体にフォトレジスト液をスピン塗布し、これを露光および現像処理することで、図4(b)に示すように、シリコン基板101の周辺回路形成領域120A上に形成された積層膜120tおよびサイドウォール127を覆うレジスト膜R2を形成する。次に、レジスト膜R2をマスクとして用いつつ、例えばメタン(CH)をエッチングガスとしたCDE(Chemical Dry Etching)によるドライエッチングを行なうことで、図5(a)に示すように、メモリセル形成領域110A上の積層膜110t側面に形成されたサイドウォール117を選択的に除去する。ただし、これに限定されず、例えばフッ化水素(HF)と過酸化水素水(H)と酢酸(CHCOOH)とを1:2:3の割合で混ぜた混合液をエッチャントとするウェットエッチングによっても、メモリセル形成領域110A上の積層膜110t側面に形成されたサイドウォール117を除去することが可能である。 Next, a photoresist solution is spin-coated on the entire silicon substrate 101 on which the laminated films 110t and 120t, the sidewalls 117 and 127, and the silicon oxide film 111A are formed, and this is exposed and developed, whereby FIG. As shown in b), a resist film R2 covering the laminated film 120t and the sidewall 127 formed on the peripheral circuit formation region 120A of the silicon substrate 101 is formed. Next, while using the resist film R2 as a mask, for example, dry etching by CDE (Chemical Dry Etching) using methane (CH 4 ) as an etching gas is performed, thereby forming a memory cell as shown in FIG. The sidewall 117 formed on the side surface of the stacked film 110t on the region 110A is selectively removed. However, the present invention is not limited to this. For example, a liquid mixture obtained by mixing hydrogen fluoride (HF), hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 ), and acetic acid (CH 3 COOH) at a ratio of 1: 2: 3 is used as an etchant. The sidewall 117 formed on the side surface of the stacked film 110t on the memory cell formation region 110A can also be removed by wet etching.

次に、アッシングにより、またはアセトンなどの剥離液を用いてレジスト膜R2を除去した後、例えばフッ素系ガスを用いたドライエッチングもしくはリン酸系水溶液を用いたウェットエッチングによって、露出しているシリコン酸化膜111Aを除去する。これにより、図5(b)に示すように、メモリセル形成領域110A上の積層膜110t下にトンネル酸化膜111が形成され、周辺回路形成領域120A上の積層膜120t下にゲート酸化膜121が形成される。そしてこの結果、図5(b)に示すように、シリコン基板101のメモリセル形成領域110A上に、トンネル酸化膜111を介して、電荷蓄積膜113と高誘電体膜114とメタルゲート115とシリコンゲート116とからなるメサ状の積層膜110Tが形成され、シリコン基板101の周辺回路形成領域120A上に、ゲート酸化膜121を介して、下部ゲート122と絶縁膜123と高誘電体膜124とメタルゲート125とシリコンゲート126とからなるメサ状の積層膜120Tが形成される。   Next, after removing the resist film R2 by ashing or using a stripping solution such as acetone, the exposed silicon oxide is etched by dry etching using a fluorine-based gas or wet etching using a phosphoric acid aqueous solution, for example. The film 111A is removed. As a result, as shown in FIG. 5B, a tunnel oxide film 111 is formed under the stacked film 110t on the memory cell formation region 110A, and a gate oxide film 121 is formed under the stacked film 120t on the peripheral circuit formation region 120A. It is formed. As a result, as shown in FIG. 5B, the charge storage film 113, the high dielectric film 114, the metal gate 115, and the silicon are formed on the memory cell formation region 110A of the silicon substrate 101 via the tunnel oxide film 111. A mesa-shaped laminated film 110T composed of the gate 116 is formed, and a lower gate 122, an insulating film 123, a high dielectric film 124, and a metal are formed on the peripheral circuit formation region 120A of the silicon substrate 101 via a gate oxide film 121. A mesa-shaped laminated film 120T composed of the gate 125 and the silicon gate 126 is formed.

次に、例えばイオン注入法を用いることで、積層膜110T並びに積層膜120Tおよびサイドウォール127をマスクとして用いつつ、シリコン基板101上層に所定の不純物イオンを注入する。これにより、図6に示すように、シリコン基板101上層に、積層膜110T下の領域、並びに、積層膜120Tおよびサイドウォール127下の領域を相互に挟む不純物注入領域118aを形成する。次に、例えばアニール装置を用いて所定の不純物が注入されたシリコン基板101を熱処理することで、不純物注入領域118aに注入された不純物を拡散および活性化させる。これにより、図1に示すように、メモリセル形成領域110Aにおけるシリコン基板101上層に積層膜110T下の領域を挟む対のソース118sおよびドレイン118dが形成され、周辺回路形成領域120Aにおけるシリコン基板101上層に積層膜120Tおよびサイドウォール127下の領域を挟む対のソース128sおよびドレイン128dが形成される。また、例えばこの際の熱処理の工程において、高誘電体膜124の構成原子がサイドウォール127へ拡散し、サイドウォール127の構成原子と反応することで、高誘電体膜124とサイドウォール127との界面に反応膜127aが形成される。   Next, for example, by using an ion implantation method, predetermined impurity ions are implanted into the upper layer of the silicon substrate 101 while using the laminated film 110T, the laminated film 120T, and the sidewall 127 as a mask. As a result, as shown in FIG. 6, an impurity implantation region 118 a is formed in the upper layer of the silicon substrate 101, and the region below the stacked film 110 </ b> T, and the region below the stacked film 120 </ b> T and the sidewall 127. Next, the silicon substrate 101 into which a predetermined impurity has been implanted is heat-treated using, for example, an annealing apparatus, thereby diffusing and activating the impurity implanted into the impurity implantation region 118a. As a result, as shown in FIG. 1, a pair of source 118s and drain 118d sandwiching the region under the stacked film 110T is formed in the upper layer of the silicon substrate 101 in the memory cell formation region 110A, and the upper layer of the silicon substrate 101 in the peripheral circuit formation region 120A. A pair of the source 128s and the drain 128d sandwiching the region under the laminated film 120T and the sidewall 127 is formed. Further, for example, in the heat treatment step at this time, the constituent atoms of the high dielectric film 124 diffuse into the sidewall 127 and react with the constituent atoms of the sidewall 127, whereby the high dielectric film 124 and the sidewall 127 are separated. A reaction film 127a is formed at the interface.

以上の工程を経ることで、図1に示す断面構造を有する本実施の形態による不揮発性半導体記憶装置100が製造される。なお、以上の工程の後、層間絶縁膜、ビアコンタクト並びに上層のメタル配線が形成されるが、本実施の形態では、説明の簡略化のため、これらの工程の説明を省略する。   Through the above steps, the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the present embodiment having the cross-sectional structure shown in FIG. 1 is manufactured. Note that after the above steps, an interlayer insulating film, a via contact, and an upper layer metal wiring are formed. However, in this embodiment, description of these steps is omitted for the sake of simplification.

また、上記実施の形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様等に応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは上記記載から自明である。   Further, the above embodiment is merely an example for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to these, and various modifications according to specifications and the like are within the scope of the present invention. It is obvious from the above description that various other embodiments are possible within the scope of the present invention.

本発明の実施の形態にかかる不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the non-volatile semiconductor memory device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法における各プロセス段階での断面構造を模式的に示す図である(1)。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure in each process step in the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by embodiment of this invention (1). 本発明の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法における各プロセス段階での断面構造を模式的に示す図である(2)。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure in each process step in the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by embodiment of this invention (2). 本発明の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法における各プロセス段階での断面構造を模式的に示す図である(3)。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure in each process step in the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by embodiment of this invention (3). 本発明の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法における各プロセス段階での断面構造を模式的に示す図である(4)。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure in each process step in the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by embodiment of this invention (4). 本発明の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法における各プロセス段階での断面構造を模式的に示す図である(5)。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure in each process step in the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by embodiment of this invention (5).

符号の説明Explanation of symbols

100 不揮発性半導体記憶装置、101 シリコン基板、110 メモリセル、110A メモリセル形成領域、110T,110t,120T,120t 積層膜、111 トンネル酸化膜、111A シリコン酸化膜、113 電荷蓄積膜、113A シリコン窒化膜、114,114A,124 高誘電体膜、115,125 メタルゲート、115A 金属膜、116,126 シリコンゲート、116A,122A ポリシリコン膜、117,127 サイドウォール、118a 不純物注入領域、118d,128d ドレイン、118s,128s ソース、120 トランジスタ、120A 周辺回路形成領域、121 ゲート酸化膜、122 下部ゲート、123 絶縁膜、127A SiGe膜、127a 反応膜   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Nonvolatile semiconductor memory device, 101 Silicon substrate, 110 memory cell, 110A memory cell formation area, 110T, 110t, 120T, 120t laminated film, 111 tunnel oxide film, 111A silicon oxide film, 113 charge storage film, 113A silicon nitride film 114, 114A, 124 High dielectric film, 115, 125 metal gate, 115A metal film, 116, 126 silicon gate, 116A, 122A polysilicon film, 117, 127 sidewall, 118a impurity implantation region, 118d, 128d drain, 118s, 128s source, 120 transistor, 120A peripheral circuit formation region, 121 gate oxide film, 122 lower gate, 123 insulating film, 127A SiGe film, 127a reaction film

Claims (5)

第1領域と第2領域とを含む半導体基板と、
窒化膜と、該窒化膜上の第1高誘電体膜と、該第1高誘電体膜上の制御ゲートとを含み、前記半導体基板における前記第1領域上に第1絶縁膜を介して形成された第1積層膜と、
下部ゲートと、該下部ゲート上の第2高誘電体膜と、該第2高誘電体膜上の上部ゲートとを含み、前記半導体基板における前記第2領域上に第2絶縁膜を介して形成された第2積層膜と、
前記第2積層膜の側面における少なくとも前記第2高誘電体膜の側面を覆うように前記下部ゲートから前記上部ゲートにかけて形成された導電性を有するサイドウォールと、
を備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A semiconductor substrate including a first region and a second region;
A nitride film, a first high dielectric film on the nitride film, and a control gate on the first high dielectric film, and formed on the first region of the semiconductor substrate via a first insulating film A first laminated film,
A lower gate, a second high dielectric film on the lower gate, and an upper gate on the second high dielectric film are formed on the second region of the semiconductor substrate via a second insulating film. A second laminated film,
A conductive sidewall formed from the lower gate to the upper gate so as to cover at least the side surface of the second high dielectric film on the side surface of the second laminated film;
A nonvolatile semiconductor memory device comprising:
前記第2高誘電体膜と前記サイドウォールとの界面に、該第2高誘電体膜の構成原子と該サイドウォールの構成原子とが反応することで形成された反応膜を備えたことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。   A reaction film formed by a reaction between constituent atoms of the second high dielectric film and the constituent atoms of the sidewall is provided at the interface between the second high dielectric film and the sidewall. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1. 前記サイドウォールは、SiGe膜、ポリシリコン膜、TiまたはTi合金膜、CuまたはCu合金膜、MoまたはMo合金膜、AuまたはAu合金膜、PtまたはPt合金膜、AgまたはAg合金膜、および、WまたはW合金膜のうち少なくともいずれか1つを含む単層または多層膜で形成されていることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。   The sidewalls are SiGe film, polysilicon film, Ti or Ti alloy film, Cu or Cu alloy film, Mo or Mo alloy film, Au or Au alloy film, Pt or Pt alloy film, Ag or Ag alloy film, and 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is formed of a single layer or a multilayer film including at least one of W or a W alloy film. 第1および第2領域を備えた半導体基板上面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
第1窒化膜と、該第1窒化膜上の第1高誘電体膜と、該第1高誘電体膜上の制御ゲートとを含む第1積層膜を半導体基板の前記第1領域上における前記絶縁膜上に形成し、下部ゲートと、該下部ゲート上の第2窒化膜と、該第2窒化膜上の第2高誘電体膜と、該第2高誘電体膜上の上部ゲートとを含む第2積層膜を前記半導体基板の前記第2領域上における前記絶縁膜上に形成する積層膜形成工程と、
前記第2積層膜の側面における少なくとも前記第2高誘電体膜の側面を覆うように前記下部ゲートから前記上部ゲートにかけて導電性を有するサイドウォールを形成するサイドウォール形成工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性半導体装置の製造方法。
An insulating film forming step of forming an insulating film on the upper surface of the semiconductor substrate having the first and second regions;
A first stacked film including a first nitride film, a first high dielectric film on the first nitride film, and a control gate on the first high dielectric film is formed on the first region of the semiconductor substrate. Forming a lower gate; a second nitride film on the lower gate; a second high dielectric film on the second nitride film; and an upper gate on the second high dielectric film. A laminated film forming step of forming a second laminated film including the second laminated film on the insulating film on the second region of the semiconductor substrate;
Forming a sidewall having conductivity from the lower gate to the upper gate so as to cover at least the side surface of the second high dielectric film on the side surface of the second laminated film;
A method for manufacturing a non-volatile semiconductor device, comprising:
前記積層膜形成工程は、
前記半導体基板の前記第2領域上における前記絶縁膜上に選択的に第1導電体膜を形成する第1ステップと、
前記半導体基板の前記第1領域上における前記絶縁膜上および前記第1導電体膜上に窒化膜を形成する第2ステップと、
前記窒化膜上に高誘電体膜を形成する第3ステップと、
前記高誘電体膜上に第2導電体膜を形成する第4ステップと、
前記第2導電体膜と前記高誘電体膜と前記窒化膜と前記第1導電体膜とを加工することで、前記第1領域上の前記絶縁膜上に前記第1積層膜を形成すると共に前記第2領域上の前記絶縁膜上に前記第2積層膜を形成する第5ステップと、
を含むことを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
The laminated film forming step includes
A first step of selectively forming a first conductor film on the insulating film on the second region of the semiconductor substrate;
A second step of forming a nitride film on the insulating film and the first conductor film on the first region of the semiconductor substrate;
A third step of forming a high dielectric film on the nitride film;
A fourth step of forming a second conductor film on the high dielectric film;
The first conductive film is formed on the insulating film on the first region by processing the second conductive film, the high dielectric film, the nitride film, and the first conductive film. A fifth step of forming the second laminated film on the insulating film on the second region;
The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016536807A (en) * 2013-09-27 2016-11-24 サイプレス セミコンダクター コーポレーション Integration of memory transistors into high-k, metal gate CMOS process flow

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