JP2003218245A - Method of manufacturing non-volatile semiconductor memory device - Google Patents
Method of manufacturing non-volatile semiconductor memory deviceInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ゲート誘電体膜が
電荷蓄積能力を有した複数の積層膜からなるメモリトラ
ンジスタと、ゲート誘電体膜が電荷蓄積能力を有しない
周辺トランジスタとを同一の半導体上の異なる場所に有
した不揮発性半導体メモリ装置の製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor transistor in which a gate dielectric film has a plurality of laminated films having a charge storage ability and a peripheral transistor whose gate dielectric film has no charge storage ability in the same semiconductor. The present invention relates to a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having different locations above.
【0002】[0002]
【従来の技術】不揮発性半導体メモリ装置は、誘電体膜
中に形成された電荷蓄積手段(導体または電荷捕獲準
位)に存在する電荷の有無により記憶素子の閾値電圧を
シフトさせ、そのシフト後の閾値電圧値を書き込みおよ
び読み出し用信号に対応させている。2. Description of the Related Art In a nonvolatile semiconductor memory device, the threshold voltage of a storage element is shifted depending on the presence or absence of charges existing in a charge storage means (conductor or charge trap level) formed in a dielectric film, and after the shift. The threshold voltage value of is associated with the write and read signals.
【0003】たとえば、不揮発性半導体メモリ装置の電
荷蓄積手段に電子が蓄えられていて、記憶素子がNMO
Sである場合には、閾値電圧は正の方向にシフトしてい
る。読み出し時には、該当するメモリセルに電圧を印加
するが、この電荷蓄積手段に蓄えられている電子によっ
て、閾値電圧は、この印加電圧より大きくなっているた
め、ビット線には電流は流れない又は流れ難い。逆に、
電荷蓄積手段に電子が蓄えられていないとき又は正孔が
蓄えられている場合には、閾値電圧は負の方向にシフト
しているため、読み出し時のゲート電圧でビット線には
電流が流れる又は流れ易くなる。この電流が“流れる”
又は“流れ易い”、“流れない”又は“流れ難い”を、
言い換えれば電流の大、小(0も含めた)を記憶データ
の論理“0”,“1”に対応させているのが不揮発性半
導体メモリ装置の基本動作原理である。For example, electrons are stored in the charge storage means of a non-volatile semiconductor memory device, and the storage element is an NMO.
If S, then the threshold voltage has shifted in the positive direction. At the time of reading, a voltage is applied to the corresponding memory cell, but since the threshold voltage is higher than this applied voltage due to the electrons stored in this charge storage means, no current flows in the bit line or it flows. hard. vice versa,
When electrons are not stored in the charge storage means or when holes are stored, the threshold voltage shifts in the negative direction, so that a current flows through the bit line at the gate voltage during reading or It becomes easy to flow. This current “flows”
Or "easy to flow", "no flow" or "difficult to flow",
In other words, the basic operation principle of the non-volatile semiconductor memory device is to associate the large and small currents (including 0) with the logic "0" and "1" of the stored data.
【0004】この記憶素子の1つに、その電荷蓄積膜が
酸化膜に上下から挟まれた窒化膜からなるMONOS(M
etal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)型メモリト
ランジスタがある。図1(a)は、このMONOS型メ
モリトランジスタと、周辺回路トランジスタ(メモリ周
辺回路に限らず、ロジック回路のトランジスタ等を含
む)とを同一基板上に集積化した不揮発性メモリの構成
を示す断面図である。図中、左側の領域においてメモリ
トランジスタが形成されている。誘電体分離層20によ
り分離された半導体基板10のP型ウェル(以下、Pウ
ェル)11上に、たとえば酸化シリコンからなる第1の
誘電体膜21aが形成されている。第1の誘電体膜21
a上に、たとえば窒化シリコンからなる第2の誘電体膜
22aが形成され、さらに、その上に、たとえば酸化シ
リコンからなる第3の誘電体膜23aが形成されてい
る。これら第1〜第3の誘電体膜から、電荷蓄積機能を
有する積層誘電体膜SIが構成される。第3の誘電体膜
23aの上層には、たとえばドープド多結晶珪素からな
るゲート電極30aが形成されている。また、ゲート電
極30aの両側部の半導体基板10中には、N型不純物
を低濃度に含有するLDD(Lightly Doped Drain)拡
散層14と、高濃度に含有するソース・ドレイン拡散層
15が形成されている。このメモリトランジスタは、ゲ
ート電極30aと半導体基板10中のチャネル形成領域
の間に、積層誘電体膜SIを有するnチャネル型の電界
効果トランジスタである。ゲート電極30aを被覆して
例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜25が形成され
ており、ソース・ドレイン拡散層15に達するコンタク
トホールが開口されて、ソース・ドレイン電極31が形
成されている。One of the storage elements is a MONOS (M) which has a charge storage film made of a nitride film sandwiched between oxide films from above and below.
There is an et al-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) type memory transistor. FIG. 1A is a cross-sectional view showing the configuration of a non-volatile memory in which the MONOS type memory transistor and peripheral circuit transistors (including not only memory peripheral circuits but also logic circuit transistors and the like) are integrated on the same substrate. It is a figure. In the figure, the memory transistor is formed in the region on the left side. A first dielectric film 21a made of, for example, silicon oxide is formed on a P-type well (hereinafter, P well) 11 of the semiconductor substrate 10 separated by the dielectric separation layer 20. First dielectric film 21
A second dielectric film 22a made of, for example, silicon nitride is formed on a, and a third dielectric film 23a made of, for example, silicon oxide is further formed thereon. A laminated dielectric film SI having a charge storage function is formed from these first to third dielectric films. On the upper layer of the third dielectric film 23a, a gate electrode 30a made of, for example, doped polycrystalline silicon is formed. An LDD (Lightly Doped Drain) diffusion layer 14 containing a low concentration of N-type impurities and a source / drain diffusion layer 15 containing a high concentration of N-type impurities are formed in the semiconductor substrate 10 on both sides of the gate electrode 30a. ing. This memory transistor is an n-channel type field effect transistor having a laminated dielectric film SI between the gate electrode 30a and the channel formation region in the semiconductor substrate 10. An interlayer insulating film 25 made of, for example, silicon oxide is formed to cover the gate electrode 30a, a contact hole reaching the source / drain diffusion layer 15 is opened, and a source / drain electrode 31 is formed.
【0005】図1(a)の右側の領域においては、周辺
回路トランジスタが形成されている。誘電体分離層20
により分離された半導体基板10のPウェル11´上
に、たとえば酸化シリコンからなるゲート誘電体膜21
a´が形成され、その上に、たとえばドープド多結晶珪
素からなるゲート電極30a´が形成されている。ま
た、ゲート電極30a´の両側部の半導体基板10中に
は、N型不純物を低濃度に含有するLDD拡散層14´
と、高濃度に含有するソース・ドレイン拡散層15´が
形成されている。さらに、ゲート電極30a´を被覆し
て例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜25が形成さ
れており、ソース・ドレイン拡散層15´に達するコン
タクトホールが開口されて、ソース・ドレイン電極31
´が形成されている。Peripheral circuit transistors are formed in the region on the right side of FIG. Dielectric isolation layer 20
The gate dielectric film 21 made of, for example, silicon oxide is formed on the P well 11 ′ of the semiconductor substrate 10 separated by
a'is formed, and a gate electrode 30a 'made of, for example, doped polycrystalline silicon is formed thereon. Further, in the semiconductor substrate 10 on both sides of the gate electrode 30a ', the LDD diffusion layer 14' containing a low concentration of N-type impurities.
And a source / drain diffusion layer 15 'containing a high concentration is formed. Further, an interlayer insulating film 25 made of, for example, silicon oxide is formed so as to cover the gate electrode 30a ′, a contact hole reaching the source / drain diffusion layer 15 ′ is opened, and the source / drain electrode 31 is formed.
'Is formed.
【0006】上記構造のMONOS型メモリトランジス
タにおいては、積層誘電体膜SIは、第2の誘電体膜2
2aのバルク中の電荷トラップ(バルクトラップ)や、
第2の誘電体膜22aと第3の誘電体膜23aの界面に
形成された電荷トラップ(界面トラップ)などに電荷を
保持する機能を持つ。ゲート電極30a、半導体基板1
0中のソース・ドレイン拡散層15、および半導体基板
10に適当な電圧を印加することにより、ファウラー・
ノルドハイム(FN)トンネリング電流が生じ、第1の
誘電体膜21aを通してPウェル11から積層誘電体膜
SI中に電子が注入され、これが上記電圧によって形成
される電界により伝導し、トラップに捕獲される。ある
いは逆に、第1の誘電体膜21aを通して積層誘電体膜
SI中からPウェル11へ電子が放出される。In the MONOS type memory transistor having the above structure, the laminated dielectric film SI is composed of the second dielectric film 2
Charge trap (bulk trap) in the bulk of 2a,
It has a function of holding charges in a charge trap (interface trap) formed at the interface between the second dielectric film 22a and the third dielectric film 23a. Gate electrode 30a, semiconductor substrate 1
By applying an appropriate voltage to the source / drain diffusion layer 15 and the semiconductor substrate 10, the Fowler
A Nordheim (FN) tunneling current is generated, electrons are injected from the P well 11 into the laminated dielectric film SI through the first dielectric film 21a, and this is conducted by the electric field formed by the above voltage and trapped by the trap. . Alternatively, conversely, electrons are emitted from the laminated dielectric film SI to the P well 11 through the first dielectric film 21a.
【0007】上記メモリトランジスタを行列状に並べN
OR型動作可能に接続したメモリセルアレイの等価回路
図を図1(b)に示す。たとえば、セル1のメモリトラ
ンジスタのゲート電極はワード線WL1に接続され、ソ
ース・ドレイン拡散層はビット線BL1a、BL1bに
それぞれ接続されている。また、セル2のメモリトラン
ジスタのゲート電極はワード線WL1に接続され、ソー
ス・ドレイン拡散層はビット線BL2a、BL2bにそ
れぞれ接続されている。このように各線に接続されたメ
モリトランジスタがNOR型にマトリクス状に接続さ
れ、メモリアレイを構成する。The above memory transistors are arranged in a matrix N
An equivalent circuit diagram of a memory cell array operably connected is shown in FIG. For example, the gate electrode of the memory transistor of cell 1 is connected to word line WL1, and the source / drain diffusion layers are connected to bit lines BL1a and BL1b, respectively. Further, the gate electrode of the memory transistor of the cell 2 is connected to the word line WL1, and the source / drain diffusion layers are connected to the bit lines BL2a and BL2b, respectively. In this way, the memory transistors connected to each line are connected in a NOR-type matrix to form a memory array.
【0008】上記MONOS型メモリトランジスタを有
した不揮発性半導体メモリ装置の製造方法について、図
面を参照して説明する。図9(a)〜図11(h)に、
従来の製造方法により形成される不揮発性半導体メモリ
装置の断面図を示す。A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having the MONOS type memory transistor will be described with reference to the drawings. 9 (a) to 11 (h),
FIG. 6 is a cross-sectional view of a nonvolatile semiconductor memory device formed by a conventional manufacturing method.
【0009】図9(a)に示すように、シリコン半導体
基板10に対して、たとえばLOCOS法により酸化シ
リコンからなる誘電体分離層20を形成する。ここで、
誘電体分離層20により分離された図面の左側の活性領
域がメモリトランジスタ形成領域であり、図面の右側の
活性領域が周辺回路トランジスタ形成領域である。As shown in FIG. 9A, a dielectric isolation layer 20 made of silicon oxide is formed on the silicon semiconductor substrate 10 by, for example, the LOCOS method. here,
The active region on the left side of the drawing separated by the dielectric isolation layer 20 is the memory transistor forming region, and the active region on the right side of the drawing is the peripheral circuit transistor forming region.
【0010】周辺回路トランジスタ形成領域をレジスト
膜などで保護し、メモリトランジスタ形成領域に閾値電
圧調整のための不純物のイオン注入、あるいはウェルな
どを形成するためのイオン注入などを行う。これによ
り、図9(b)に示すように、たとえばPウェル11が
メモリトランジスタ形成領域にのみ形成される。The peripheral circuit transistor formation region is protected by a resist film or the like, and impurity ion implantation for adjusting the threshold voltage or ion implantation for forming a well is performed in the memory transistor formation region. As a result, as shown in FIG. 9B, for example, the P well 11 is formed only in the memory transistor formation region.
【0011】図9(c)に示すように、たとえば熱酸化
法により全面に酸化シリコン膜を形成し、第1の誘電体
膜21を形成する。As shown in FIG. 9C, a silicon oxide film is formed on the entire surface by, for example, a thermal oxidation method to form a first dielectric film 21.
【0012】図10(d)に示すように、たとえばCV
D(Chemical Vapor Deposition)法により、活性領域上
の第1の誘電体膜21を被覆して全面に窒化シリコンを
堆積させ、第2の誘電体膜22を形成する。As shown in FIG. 10D, for example, CV
By D (Chemical Vapor Deposition) method, the first dielectric film 21 on the active region is covered and silicon nitride is deposited on the entire surface to form the second dielectric film 22.
【0013】図10(e)に示すように、たとえば熱酸
化法により第2の誘電体膜22表面全域を熱酸化して酸
化シリコン膜を形成し、第3の誘電体膜23を形成す
る。As shown in FIG. 10E, the entire surface of the second dielectric film 22 is thermally oxidized by, for example, a thermal oxidation method to form a silicon oxide film, and a third dielectric film 23 is formed.
【0014】図10(f)に示すように、たとえばCV
D法により第3の誘電体膜23の上にドープド多結晶珪
素を堆積させ、フォトリソグラフィー工程によりレジス
ト膜をパターンニングしてRIE(反応性イオンエッチ
ング)などのエッチングを施し、ゲート電極30aを形
成する。このとき、第1の誘電体膜21a、第2の誘電
体膜22a、第3の誘電体膜23aからなり、電荷蓄積
機能を有する積層誘電体膜SIを同時にゲート電極と同
じパターンにて加工する。As shown in FIG. 10 (f), for example, CV
Doped polycrystalline silicon is deposited on the third dielectric film 23 by the D method, the resist film is patterned by a photolithography process, and etching such as RIE (reactive ion etching) is performed to form the gate electrode 30a. To do. At this time, the laminated dielectric film SI including the first dielectric film 21a, the second dielectric film 22a, and the third dielectric film 23a, which has a charge storage function, is simultaneously processed in the same pattern as the gate electrode. .
【0015】図11(g)に示すように、メモリトラン
ジスタ形成領域をレジスト膜で保護してRIEなどのエ
ッチングを施し、周辺回路トランジスタ形成領域の第1
の誘電体膜21、第2の誘電体膜22、および第3の誘
電体膜23を除去し、周辺回路トランジスタ形成領域に
おいて半導体基板10を露出させる。As shown in FIG. 11 (g), the memory transistor formation region is protected by a resist film and subjected to etching such as RIE to form a first peripheral circuit transistor formation region.
The dielectric film 21, the second dielectric film 22, and the third dielectric film 23 are removed to expose the semiconductor substrate 10 in the peripheral circuit transistor formation region.
【0016】メモリトランジスタ形成領域をレジスト膜
などで保護し、周辺回路トランジスタ形成領域に閾値電
圧調整のための不純物のイオン注入、あるいはウェルな
どを形成するためのイオン注入などを行う。これによ
り、図11(h)に示すように、たとえばPウェル11
´が形成される。たとえば熱酸化法により全面に酸化シ
リコン膜を形成し、周辺回路トランジスタ用のゲート誘
電体膜21´を形成する。このとき、メモリトランジス
タ形成領域においても、ゲート電極30aの両側部のP
ウェル11表面や、ゲート電極30a表面にも酸化シリ
コン膜が形成される。たとえばCVD法によりドープド
多結晶珪素を堆積させ、フォトリソグラフィー工程によ
りパターニングして、周辺回路トランジスタ用のゲート
電極30a´を形成する。次に、ゲート電極30a、ゲ
ート電極30a´をマスクとしてイオン注入し、N型不
純物を低濃度に含有するLDD拡散層14、14´を形
成する。The memory transistor formation region is protected by a resist film or the like, and impurities are ion-implanted in the peripheral circuit transistor formation region to adjust the threshold voltage, or ions are formed to form a well or the like. As a result, as shown in FIG.
'Is formed. For example, a silicon oxide film is formed on the entire surface by a thermal oxidation method, and a gate dielectric film 21 'for peripheral circuit transistors is formed. At this time, also in the memory transistor formation region, P on both sides of the gate electrode 30a is formed.
A silicon oxide film is also formed on the surface of the well 11 and the surface of the gate electrode 30a. For example, doped polycrystalline silicon is deposited by a CVD method and patterned by a photolithography process to form a gate electrode 30a 'for a peripheral circuit transistor. Next, ion implantation is performed using the gate electrodes 30a and 30a 'as masks to form LDD diffusion layers 14 and 14' containing N-type impurities at a low concentration.
【0017】以降の工程としては、たとえば、CVD法
により酸化シリコンを堆積し、エッチバックしてゲート
電極30a、ゲート電極30a´の側部にサイドウォー
ル誘電体膜(不図示)を形成し、これをマスクとしてイ
オン注入し、N型の導電性不純物を高濃度に含有するソ
ース・ドレイン拡散層15、15´を形成する。これに
より、メモリトランジスタと周辺回路トランジスタが形
成される。その後、たとえばCVD法により、これらの
トランジスタを被覆して全面に酸化シリコンを堆積させ
て層間絶縁膜25を形成し、層間絶縁膜25にソース・
ドレイン拡散層15、15´に達するコンタクトホール
を開口する。たとえばスパッタリング法によりアルミニ
ウム合金などの導電膜を堆積させ、パターニングしてソ
ース・ドレイン電極31を形成し、図1(a)に示す不
揮発性半導体メモリ装置の基本構造が完成する。In the subsequent steps, for example, silicon oxide is deposited by the CVD method and etched back to form a side wall dielectric film (not shown) on the sides of the gate electrode 30a and the gate electrode 30a '. Is used as a mask to perform ion implantation to form source / drain diffusion layers 15 and 15 'containing N-type conductive impurities at a high concentration. As a result, memory transistors and peripheral circuit transistors are formed. After that, for example, by CVD, these transistors are covered and silicon oxide is deposited on the entire surface to form an interlayer insulating film 25.
A contact hole reaching the drain diffusion layers 15 and 15 'is opened. For example, a conductive film such as an aluminum alloy is deposited by a sputtering method and patterned to form the source / drain electrodes 31, and the basic structure of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 1A is completed.
【0018】[0018]
【発明が解決しようとする課題】この従来の不揮発性半
導体メモリ装置の製造方法では、MONOS型メモリト
ランジスタの積層誘電体膜SIの形成時に、第2の誘電
体膜として窒化シリコンなどの窒化膜を形成する必要が
ある。このときの形成方法としては、例えば、ジクロル
シラン(DCS)とアンモニアNH3の混合ガスを用
い、基板温度を、600℃を超える値に設定して窒化シ
リコン膜のCVDを行う。In this conventional method of manufacturing a non-volatile semiconductor memory device, a nitride film such as silicon nitride is used as the second dielectric film when the laminated dielectric film SI of the MONOS type memory transistor is formed. Need to be formed. As a forming method at this time, for example, a mixed gas of dichlorosilane (DCS) and ammonia NH 3 is used, and the substrate temperature is set to a value higher than 600 ° C. to perform CVD of the silicon nitride film.
【0019】このときの下地が酸化シリコンなどの場
合、その上に組成が異なる窒化シリコンなどの第2の誘
電体膜をCVDしようとすると、最初のある時間は窒化
シリコンの核成長に費やされ、成長速度が極端に低い時
間が存在する。これはインキュベーション時間と称さ
れ、下地の表面状態によって変動するため、これによっ
てCVDの膜厚制御性が損なわれる。そこで、このイン
キュベーション時間を抑制するために、通常、第2の誘
電体膜(例えば窒化シリコン膜)の形成前に、第1の誘
電体膜(例えば酸化シリコン膜)表面を熱窒化処理する
必要がある。例えば、基板温度を約800℃から100
0℃に保った状態で、酸化シリコン膜の表面をアンモニ
アNH3に数10分間曝し、酸化シリコン膜表面を窒化
する。この熱窒化処理によって、条件にもよるが一般
に、表面から数10nm、場合によっては数μmほどの
シリコン表面層が窒化されてしまう。At this time, when the underlying layer is silicon oxide or the like, if a second dielectric film such as silicon nitride having a different composition is attempted to be deposited on it by CVD, a first certain time is spent for nucleation of silicon nitride. , There are times when the growth rate is extremely low. This is called an incubation time, which varies depending on the surface condition of the underlying layer, so that the CVD film thickness controllability is impaired. Therefore, in order to suppress this incubation time, it is usually necessary to thermally nitrid the surface of the first dielectric film (for example, a silicon oxide film) before forming the second dielectric film (for example, a silicon nitride film). is there. For example, the substrate temperature is about 800 ° C to 100
While maintaining the temperature at 0 ° C., the surface of the silicon oxide film is exposed to ammonia NH 3 for several tens of minutes to nitride the surface of the silicon oxide film. This thermal nitriding treatment generally nitrids a silicon surface layer of several tens nm, and in some cases, several μm, depending on the conditions.
【0020】このような基板への窒素の導入は、メモリ
部以外で特に問題となる。すなわち、周辺のトランジス
タ部では、図11(g)の工程でONO膜(蓄積誘電体
膜SI)を除去し、次の図11(h)の工程で新たにゲ
ート酸化膜21´を付け直す必要があるが、このとき窒
素原子の存在により熱酸化膜の成長が阻害される。ま
た、窒素原子の量がばらついているので熱酸化膜厚が変
動する。その結果、メモリトランジスタ以外のトランジ
スタ(例えば、メモリ周辺回路、ロジックトランジスタ
など)の閾値電圧が変動し、あるいはモビリティが低下
するなどの不利益がある。The introduction of nitrogen into such a substrate is particularly problematic except in the memory section. That is, in the peripheral transistor portion, it is necessary to remove the ONO film (storage dielectric film SI) in the step of FIG. 11G and reattach the gate oxide film 21 ′ in the next step of FIG. 11H. However, at this time, the growth of the thermal oxide film is hindered by the presence of nitrogen atoms. Further, since the amount of nitrogen atoms varies, the thermal oxide film thickness varies. As a result, there are disadvantages such that the threshold voltage of transistors other than the memory transistor (for example, memory peripheral circuits, logic transistors, etc.) fluctuates, or mobility decreases.
【0021】このような不利益を回避するために、周辺
回路やロジックトランジスタのゲート酸化膜形成前に、
犠牲酸化及び犠牲酸化膜除去工程を挿入し、シリコン基
板表面を薄く削り取ることによって、窒化の影響を除去
するなどの対策が施される。この犠牲酸化膜はウエット
エッチングにより除去されるため、犠牲酸化時に消費さ
れたシリコン表面層が均一に、しかもダメージを残すこ
となくエッチングされる。ところが、この通常の工程に
付加された作業は、(1)マスク工程の増加、(2)ウ
エットエッチング時の素子分離膜厚の減少、(3)熱工
程の増加によるスケーリング性の悪化など、種々の問題
をさらに引き起こす。In order to avoid such a disadvantage, before forming the gate oxide film of the peripheral circuit or the logic transistor,
A sacrificial oxidation and sacrificial oxide film removing step is inserted, and the surface of the silicon substrate is thinly shaved to take measures such as removing the effect of nitriding. Since this sacrificial oxide film is removed by wet etching, the silicon surface layer consumed during sacrificial oxidation is etched uniformly and without leaving any damage. However, the operations added to this normal process include various things such as (1) increase in mask process, (2) decrease in element isolation film thickness during wet etching, and (3) deterioration in scaling property due to increase in heat process. Cause more problems.
【0022】本発明の目的は、不揮発性メモリトランジ
スタ以外に通常のMOS型トランジスタを同じ基板上に
集積化した不揮発性半導体メモリ装置において、通常の
MOS型トランジスタ部分で窒素の影響を簡易な方法で
防止し、これによって、製造コストの増加を極力抑制し
ながら、当該トランジスタ特性やスケーリング性を改善
することにある。An object of the present invention is to provide a non-volatile semiconductor memory device in which, in addition to a non-volatile memory transistor, a normal MOS transistor is integrated on the same substrate. This is to prevent the increase of the manufacturing cost and improve the transistor characteristic and the scaling property.
【0023】[0023]
【課題を解決するための手段】本発明の第1の観点に係
る不揮発性半導体メモリ装置は、上述した問題点を解決
するためのものであり、チャネルが形成される半導体上
に、組成が異なる複数の誘電体膜を含み電荷蓄積能力を
有した第1ゲート誘電体膜を介在させて第1ゲート電極
が積層されたメモリトランジスタと、メモリトランジス
タと同じ半導体上の異なる場所に形成され、当該半導体
上に、電荷蓄積能力を有しない第2ゲート誘電体膜を介
在させて第2ゲート電極が積層された周辺トランジスタ
とを有した不揮発性半導体メモリ装置の製造方法であっ
て、第1ゲート誘電体膜を構成する誘電体膜を積層する
工程途中に窒素を含むガスを用いた加熱工程がある場合
に、周辺トランジスタを保護する窒素阻止膜を形成し、
当該加熱工程を行う。A non-volatile semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention is to solve the above-mentioned problems and has a different composition on a semiconductor in which a channel is formed. A memory transistor in which a first gate electrode is laminated with a first gate dielectric film having a plurality of dielectric films and having a charge storage capacity interposed, and a memory transistor formed at different locations on the same semiconductor as the memory transistor. A method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory device, comprising: a peripheral transistor having a second gate electrode stacked with a second gate dielectric film having no charge storage capability interposed between the first gate dielectric and the peripheral transistor. When there is a heating process using a gas containing nitrogen in the process of stacking the dielectric films forming the film, a nitrogen blocking film for protecting the peripheral transistor is formed,
The heating process is performed.
【0024】この製造方法では、窒素阻止膜を形成し、
例えばリソグラフィとエッチング技術を用いてメモリ部
の窒素阻止膜を選択的に除去する。この場合、フォトマ
スクが1枚追加され、窒化阻止膜の形成時に多少加熱さ
れるが、このとき従来の犠牲酸化法における基板の熱酸
化ほど高い温度を要しない。また、窒素阻止膜の下には
予め誘電体膜(例えば、シリコン酸化膜)等のストレス
緩和バッファ層を設けることができるので、窒素阻止膜
の除去はドライエッチングを用いて行うことができる。
したがって、ウエットエッチング工程がなく素子分離膜
厚が減少するようなこともない。In this manufacturing method, a nitrogen blocking film is formed,
For example, the nitrogen blocking film in the memory portion is selectively removed using lithography and etching techniques. In this case, one more photomask is added and heated to some extent when the nitriding stop film is formed, but at this time, it does not require a temperature as high as the thermal oxidation of the substrate in the conventional sacrificial oxidation method. Further, since a stress relaxation buffer layer such as a dielectric film (for example, a silicon oxide film) can be previously provided under the nitrogen blocking film, the nitrogen blocking film can be removed by dry etching.
Therefore, there is no need for a wet etching step and the element isolation film thickness does not decrease.
【0025】[0025]
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る不揮発性半導
体メモリ装置の製造方法の実施の形態を、図面を参照し
て説明する。図1(a)は、本実施形態に係る不揮発性
メモリ装置の断面図であり、従来例と同様な構造を有し
ている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A is a cross-sectional view of the nonvolatile memory device according to this embodiment, which has the same structure as the conventional example.
【0026】図中、左側の領域においてメモリトランジ
スタが形成されている。誘電体分離層20により分離さ
れた半導体基板10のP型ウェル(以下、Pウェル)1
1上に、たとえば酸化シリコンからなる第1の誘電体膜
21aが形成されている。第1の誘電体膜21a上に、
たとえば窒化シリコンからなる第2の誘電体膜22aが
形成され、さらに、その上に、たとえば酸化シリコンか
らなる第3の誘電体膜23aが形成されている。これら
第1〜第3の誘電体膜から、電荷蓄積能力を有する積層
誘電体膜SIが構成される。In the figure, a memory transistor is formed in the left region. P-type well (hereinafter, P-well) 1 of the semiconductor substrate 10 separated by the dielectric separation layer 20
A first dielectric film 21a made of, for example, silicon oxide is formed on the first dielectric film 21a. On the first dielectric film 21a,
A second dielectric film 22a made of, for example, silicon nitride is formed, and a third dielectric film 23a made of, for example, silicon oxide is further formed thereon. The first to third dielectric films form a laminated dielectric film SI having a charge storage capability.
【0027】第3の誘電体膜23aの上層には、たとえ
ばドープド多結晶珪素からなるゲート電極30aが形成
されている。また、ゲート電極30aの両側部の半導体
基板10中には、N型不純物を低濃度に含有するLDD
(Lightly Doped Drain )拡散層14と、高濃度に含有
するソース・ドレイン拡散層15が形成されている。こ
のメモリトランジスタが、ゲート電極30aと半導体基
板10中のチャネル形成領域の間に、積層誘電体膜SI
を有するnチャネル型の電界効果トランジスタである。
ゲート電極30aを被覆して例えば酸化シリコンからな
る層間絶縁膜25が形成されており、ソース・ドレイン
拡散層15に達するコンタクトホールが開口されて、ソ
ース・ドレイン電極31が形成されている。On the upper layer of the third dielectric film 23a, a gate electrode 30a made of, for example, doped polycrystalline silicon is formed. Further, in the semiconductor substrate 10 on both sides of the gate electrode 30a, LDD containing a low concentration of N-type impurities.
A (Lightly Doped Drain) diffusion layer 14 and a source / drain diffusion layer 15 containing a high concentration are formed. This memory transistor has a laminated dielectric film SI between the gate electrode 30a and the channel formation region in the semiconductor substrate 10.
It is an n-channel type field effect transistor having.
An interlayer insulating film 25 made of, for example, silicon oxide is formed to cover the gate electrode 30a, a contact hole reaching the source / drain diffusion layer 15 is opened, and a source / drain electrode 31 is formed.
【0028】一方、図1(a)の右側の領域においては
周辺回路トランジスタが形成されている。誘電体分離層
20により分離された半導体基板10のPウェル11´
上に、たとえば酸化シリコンからなるゲート誘電体膜2
1a´が形成され、その上に、たとえばドープド多結晶
珪素からなるゲート電極30a´が形成されている。ま
た、ゲート電極30a´の両側部の半導体基板10中に
は、N型不純物を低濃度に含有するLDD拡散層14´
と、高濃度に含有するソース・ドレイン拡散層15´が
形成されている。さらに、ゲート電極31a´を被覆し
て例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜25が形成さ
れており、ソース・ドレイン拡散層15´に達するコン
タクトホールが開口されて、ソース・ドレイン電極31
´が形成されている。On the other hand, peripheral circuit transistors are formed in the region on the right side of FIG. P well 11 ′ of the semiconductor substrate 10 separated by the dielectric separation layer 20
A gate dielectric film 2 made of, for example, silicon oxide
1a 'is formed, and a gate electrode 30a' made of, for example, doped polycrystalline silicon is formed thereon. Further, in the semiconductor substrate 10 on both sides of the gate electrode 30a ', the LDD diffusion layer 14' containing a low concentration of N-type impurities.
And a source / drain diffusion layer 15 'containing a high concentration is formed. Further, an interlayer insulating film 25 made of, for example, silicon oxide is formed so as to cover the gate electrode 31a ′, a contact hole reaching the source / drain diffusion layer 15 ′ is opened, and the source / drain electrode 31 is formed.
'Is formed.
【0029】上記構造のメモリトランジスタにおいて
は、積層誘電体膜SIは、第2の誘電体膜22aのバル
ク中の電荷トラップ(バルクトラップ)や、第2の誘電
体膜22aと第3の誘電体膜23aの界面に形成された
電荷トラップ(界面トラップ)などに電荷を保持する機
能を持つ。ゲート電極30a、半導体基板10中のソー
ス・ドレイン拡散層15、および半導体基板10に適当
な電圧を印加することにより、ファウラー・ノルドハイ
ム(FN)トンネリング電流が生じ、第1の誘電体膜2
1aを通してPウェル11から積層誘電体膜SI中に電
子が注入され、これが上記電圧によって形成される電界
により伝導し、トラップに捕獲される。あるいは逆に、
第1の誘電体膜21aを通して積層誘電体膜SI中から
Pウェル11に電子が放出される。In the memory transistor having the above structure, the laminated dielectric film SI includes the charge traps (bulk traps) in the bulk of the second dielectric film 22a and the second dielectric film 22a and the third dielectric film 22a. It has a function of retaining charges in a charge trap (interface trap) formed at the interface of the film 23a. By applying an appropriate voltage to the gate electrode 30a, the source / drain diffusion layer 15 in the semiconductor substrate 10, and the semiconductor substrate 10, a Fowler-Nordheim (FN) tunneling current is generated, and the first dielectric film 2 is formed.
Electrons are injected from the P-well 11 into the laminated dielectric film SI through 1a, and the electrons are conducted by the electric field formed by the voltage and trapped by the trap. Or vice versa,
Electrons are emitted from the laminated dielectric film SI to the P well 11 through the first dielectric film 21a.
【0030】上記メモリトランジスタを行列状に並べN
OR型動作可能に接続したメモリセルアレイの等価回路
図を図1(b)に示す。たとえば、セル1のメモリトラ
ンジスタのゲート電極はワード線WL1に接続され、ソ
ース・ドレイン拡散層はビット線BL1a、BL1bに
それぞれ接続されている。また、セル2のメモリトラン
ジスタのゲート電極はワード線WL1に接続され、ソー
ス・ドレイン拡散層はビット線BL2a、BL2bにそ
れぞれ接続されている。このように各線に接続したメモ
リトランジスタがNOR型にマトリクス状に接続され、
メモリアレイを構成する。The memory transistors are arranged in a matrix form N
An equivalent circuit diagram of a memory cell array operably connected is shown in FIG. For example, the gate electrode of the memory transistor of cell 1 is connected to word line WL1, and the source / drain diffusion layers are connected to bit lines BL1a and BL1b, respectively. Further, the gate electrode of the memory transistor of the cell 2 is connected to the word line WL1, and the source / drain diffusion layers are connected to the bit lines BL2a and BL2b, respectively. In this way, the memory transistors connected to each line are connected in a NOR type matrix,
Configure a memory array.
【0031】上記の積層誘電体膜SI中に電荷が蓄積さ
れると、この蓄積電荷による電界が発生するため、メモ
リトランジスタの閾値電圧が変化する。この変化により
データの記憶が可能となる。たとえば、セル1の積層誘
電体膜SI中に電子を蓄積した場合に、メモリトランジ
スタがnチャネル型であるとすると、その閾値電圧が正
の方向にシフトしている。読み出し時には、該当するメ
モリセルのゲート電極(ワード線WL1)に電圧を印加
するが、この積層誘電体膜SIに蓄積された電荷によっ
てメモリトランジスタの閾値電圧が印加電圧よりも高く
なっているため、両ビット線BL1a、BL1b間には
電流は流れない。逆に、積層誘電体膜SIにホールを蓄
積した場合に、メモリトランジスタの閾値電圧が負の方
向にシフトしているため、読み出し時のゲート電圧で両
ビット線BL1a、BL1b間に電流が流れる。この電
流が“流れる”、“流れない”を論理“0”、“1”に
対応させて、1ビットのバイナリデータを記憶すること
ができる。あるいは、閾値分布幅を複数に分割すると多
値化が可能となる。以上のことから、積層誘電体膜SI
を有する電界効果型トランジスタに対しデータを書き込
み、読み出すことが可能となる。When charges are accumulated in the above-mentioned laminated dielectric film SI, an electric field is generated by the accumulated charges, so that the threshold voltage of the memory transistor changes. This change makes it possible to store data. For example, when electrons are accumulated in the laminated dielectric film SI of the cell 1, and the memory transistor is an n-channel type, the threshold voltage thereof is shifted in the positive direction. At the time of reading, a voltage is applied to the gate electrode (word line WL1) of the corresponding memory cell, but since the threshold voltage of the memory transistor is higher than the applied voltage due to the charges accumulated in this laminated dielectric film SI, No current flows between the bit lines BL1a and BL1b. On the contrary, when holes are accumulated in the laminated dielectric film SI, the threshold voltage of the memory transistor is shifted in the negative direction, so that a current flows between the bit lines BL1a and BL1b at the gate voltage during reading. 1-bit binary data can be stored by associating "current" and "current not flow" with the logic "0" and "1". Alternatively, if the threshold distribution width is divided into a plurality of values, it is possible to make multi-value. From the above, the laminated dielectric film SI
Data can be written to and read from the field-effect transistor having the.
【0032】消去では、蓄積電荷をFNトンネリング,
ダイレクトトンネリング,その他の方法で基板側に引き
抜くか、逆極性の電荷を注入する。これにより、メモリ
トランジスタの閾値電圧が、消去状態の低いレベルに推
移する。この消去は、通常、メモリセルアレイ一括か、
メモリセルアレイの所定のサブアレイ単位を一括で行う
が、ビットごとの消去も可能である。In erasing, the accumulated charge is FN tunneled,
It is pulled out to the substrate side by direct tunneling or some other method, or charges of opposite polarity are injected. As a result, the threshold voltage of the memory transistor shifts to a low level in the erased state. This erasing is usually done in a batch of memory cell arrays,
Although predetermined sub-array units of the memory cell array are collectively performed, it is possible to erase each bit.
【0033】上記メモリトランジスタを有した不揮発性
半導体メモリ装置の製造方法について、図面を参照して
説明する。図2(a)〜図5(l)は、本実施形態に係
る製造方法により製造する不揮発性半導体メモリ装置の
製造途中の断面図である。A method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device having the above memory transistor will be described with reference to the drawings. 2A to 5L are cross-sectional views of the nonvolatile semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment in the process of being manufactured.
【0034】図2(a)に示すように、シリコン半導体
基板10に対して、たとえばLOCOS法により酸化シ
リコンからなる誘電体分離層20を形成する。ここで、
誘電体分離層20により分離された図面の左側の活性領
域がメモリトランジスタ形成領域であり、図面の右側の
活性領域が周辺回路トランジスタ形成領域である。As shown in FIG. 2A, a dielectric isolation layer 20 made of silicon oxide is formed on the silicon semiconductor substrate 10 by, for example, the LOCOS method. here,
The active region on the left side of the drawing separated by the dielectric isolation layer 20 is the memory transistor forming region, and the active region on the right side of the drawing is the peripheral circuit transistor forming region.
【0035】周辺回路トランジスタ形成領域を図示しな
いレジスト膜などで保護し、メモリトランジスタ形成領
域に閾値電圧調整のための不純物のイオン注入、あるい
はウェルなどを形成するためのイオン注入などを行う。
これにより、図2(b)に示すように、たとえばPウェ
ル11がメモリトランジスタ形成領域にのみ形成され
る。The peripheral circuit transistor formation region is protected by a resist film or the like (not shown), and impurities are ion-implanted in the memory transistor formation region for adjusting the threshold voltage, or ions are formed to form a well or the like.
As a result, as shown in FIG. 2B, for example, the P well 11 is formed only in the memory transistor formation region.
【0036】図2(c)に示すように、たとえば熱酸化
法により全面に、酸化シリコン膜等からなるストレス緩
和バッファ層40を形成する。この二酸化シリコン膜厚
は、次に形成する窒素阻止膜を窒化シリコン等から形成
する場合に必要に応じて必要な膜であり、膜厚に制限は
ないが、その目的からして比較的薄い膜で十分である。
続いて、図3(d)に示すように、窒素阻止膜41とし
て、例えばシリコン窒化膜を堆積する。この窒素阻止膜
厚は、後述するメモリトランジスタ側の熱窒化処理の条
件にもよるが、一般的には、少なくとも2〜3nm以
上、より望ましくは4nm以上必要である。なお、除去
時のエッチングを制御よく行うには、さらに厚い膜厚、
例えば10nm以上あるほうが、より望ましい。この窒
素阻止膜41の窒素阻止効果については後述する。As shown in FIG. 2C, a stress relaxation buffer layer 40 made of a silicon oxide film or the like is formed on the entire surface by, for example, a thermal oxidation method. This silicon dioxide film thickness is a film necessary as needed when the nitrogen blocking film to be formed next is made of silicon nitride or the like, and the film thickness is not limited, but a relatively thin film for that purpose. Is enough.
Subsequently, as shown in FIG. 3D, for example, a silicon nitride film is deposited as the nitrogen blocking film 41. This nitrogen blocking film thickness is generally at least 2 to 3 nm or more, and more preferably 4 nm or more, although it depends on the conditions of the thermal nitriding treatment on the memory transistor side described later. In order to control the etching at the time of removal with good control, a thicker film,
For example, 10 nm or more is more desirable. The nitrogen blocking effect of the nitrogen blocking film 41 will be described later.
【0037】図3(e)に示すように、周辺トランジス
タ形成領域を覆うレジスト膜R1をフォトリソグラフィ
ーにより形成し、これをマスクとしたドライエッチング
法またはウエットエッチング法により、これらの膜4
0、41をメモリトランジスタ形成領域で選択的に除去
する。As shown in FIG. 3E, a resist film R1 covering the peripheral transistor forming region is formed by photolithography, and these films 4 are formed by a dry etching method or a wet etching method using the resist film R1 as a mask.
0 and 41 are selectively removed in the memory transistor formation region.
【0038】レジスト膜R1を除去後、図3(f)の工
程では、メモリトランジスタの電荷蓄積能力を有した積
層誘電体膜となる膜を順次形成する。まず、第1の誘電
体膜21として、例えば基板表面を熱酸化するなどの方
法により酸化シリコン膜(FNトンネリング動作の場
合、いわゆるトンネル酸化膜)を形成する。第1の誘電
体膜21の膜厚に限定はないが、例えば0.5〜3.5
nm程度が一般的である。つぎに、いわゆるインキュベ
ーション時間の抑制を目的として、第1の誘電体膜21
の表面を熱窒化処理する。この処理条件は任意である
が、例えば、基板温度を約800℃から1000℃に保
った状態で、酸化シリコン膜(第1の誘電体膜21)の
表面をアンモニアNH3に数10分間曝し、酸化シリコ
ン膜表面を窒化する。続いて、電荷蓄積層として機能す
る第2の誘電体膜22を堆積する。第2の誘電体膜22
としては、本例では窒素を含む誘電体からなり、窒化シ
リコンのほか、酸化窒化シリコン、フッ化窒化シリコン
の膜を用いる。あるいは、これらの膜の積層膜であって
もよい。これらの膜は、例えば2〜10nm程度のトー
タル厚さを有し、CVD法により堆積される。例えば窒
化シリコンを堆積する場合、ジクロルシラン(DCS)
とアンモニアNH3の混合ガスを用い、基板温度を73
0℃程度に設定して窒化シリコン膜のCVDを行う。最
後に、たとえば熱酸化法により第2の誘電体膜22表面
全域を熱酸化して酸化シリコン膜を、たとえば3nm〜
5nm程度形成する。これにより、第3の誘電体膜23
が形成される。なお、これらの積層膜の形成によって、
周辺回路トランジスタ領域では、窒素阻止膜が厚膜化し
(符号41´)、その表面に酸化シリコン膜が形成され
ることとなる。After removing the resist film R1, in the step of FIG. 3F, a film to be a laminated dielectric film having a charge storage capacity of the memory transistor is sequentially formed. First, as the first dielectric film 21, a silicon oxide film (so-called tunnel oxide film in the case of FN tunneling operation) is formed by, for example, a method of thermally oxidizing the surface of the substrate. The thickness of the first dielectric film 21 is not limited, but is, for example, 0.5 to 3.5.
Generally, about nm. Next, for the purpose of suppressing the so-called incubation time, the first dielectric film 21 is
The surface of is heat-nitrided. Although this processing condition is arbitrary, for example, the surface of the silicon oxide film (first dielectric film 21) is exposed to ammonia NH 3 for several tens of minutes while the substrate temperature is kept at about 800 ° C. to 1000 ° C. The surface of the silicon oxide film is nitrided. Then, the second dielectric film 22 that functions as a charge storage layer is deposited. Second dielectric film 22
In this example, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a silicon fluoride nitride film is used in this example. Alternatively, it may be a laminated film of these films. These films have a total thickness of, for example, about 2 to 10 nm and are deposited by the CVD method. For example, when depositing silicon nitride, dichlorosilane (DCS)
And a substrate gas temperature of 73 by using a mixed gas of ammonia and NH 3.
The temperature of the silicon nitride film is set to about 0 ° C. and CVD is performed. Finally, the entire surface of the second dielectric film 22 is thermally oxidized by, for example, a thermal oxidation method to form a silicon oxide film with a thickness of, for example, 3 nm to
Form about 5 nm. Thereby, the third dielectric film 23
Is formed. By the formation of these laminated films,
In the peripheral circuit transistor region, the nitrogen blocking film is thickened (reference numeral 41 '), and a silicon oxide film is formed on the surface thereof.
【0039】図4(g)に示す工程では、たとえばCV
D法により第3の誘電体膜23の上にドープド多結晶珪
素を堆積させ、フォトリソグラフィーによりレジスト膜
をパターンニングしてRIE(反応性イオンエッチン
グ)などのエッチングを施し、ゲート電極30aを形成
する。In the step shown in FIG. 4G, for example, CV
Doped polycrystalline silicon is deposited on the third dielectric film 23 by the D method, the resist film is patterned by photolithography, and etching such as RIE (reactive ion etching) is performed to form the gate electrode 30a. .
【0040】図4(h)に示すように、メモリトランジ
スタ形成領域を覆うレジスト膜R2をフォトリソグラフ
ィーにより形成し、これをマスクとしたドライエッチン
グ法またはウエットエッチング法により、基板上の全て
の膜40、41´、23を周辺回路トランジスタ形成領
域で選択的に除去する。このとき、最後のストレス緩和
バッファ層としての酸化シリコン膜40は、基板ダメー
ジ低減の意味からウエットエッチングで除去するとよい
が、この場合でも、その膜厚は極めて薄いため誘電体分
離層20の膜減りは殆どない。続いて、同じレジスト膜
R2によりメモリトランジスタ形成領域を保護しなが
ら、周辺回路トランジスタ形成領域に閾値電圧調整のた
めの不純物のイオン注入、あるいはウェルなどを形成す
るためのイオン注入などを行う。これにより、図4
(h)に示すように、たとえばPウェル11´が形成さ
れる。As shown in FIG. 4H, a resist film R2 covering the memory transistor formation region is formed by photolithography, and all films 40 on the substrate are formed by a dry etching method or a wet etching method using the resist film R2 as a mask. , 41 ', 23 are selectively removed in the peripheral circuit transistor formation region. At this time, the final silicon oxide film 40 serving as the stress relaxation buffer layer may be removed by wet etching in order to reduce substrate damage. However, even in this case, the film thickness of the dielectric isolation layer 20 is reduced because the film thickness is extremely thin. There is almost no. Subsequently, while the memory transistor formation region is protected by the same resist film R2, ion implantation of impurities for adjusting the threshold voltage or ion implantation for forming a well or the like is performed in the peripheral circuit transistor formation region. As a result, FIG.
As shown in (h), for example, a P well 11 'is formed.
【0041】図4(i)の工程では、たとえば熱酸化法
により全面に酸化シリコン膜を形成し、周辺回路トラン
ジスタ用のゲート誘電体膜21´を形成する。このと
き、メモリトランジスタ形成領域において、ゲート電極
30aの表面にも酸化シリコン膜が形成される。In the step of FIG. 4I, a silicon oxide film is formed on the entire surface by, for example, a thermal oxidation method to form a gate dielectric film 21 'for peripheral circuit transistors. At this time, a silicon oxide film is also formed on the surface of the gate electrode 30a in the memory transistor formation region.
【0042】図5(j)の工程では、たとえばCVD法
によりドープド多結晶珪素を堆積させ、フォトリソグラ
フィー工程によりパターニングして、周辺回路トランジ
スタ用のゲート電極30a´を形成する。In the step of FIG. 5 (j), doped polycrystalline silicon is deposited by, for example, a CVD method and patterned by a photolithography step to form a gate electrode 30a 'for a peripheral circuit transistor.
【0043】つぎに、このゲート電極30a´および先
に形成したメモリトランジスタのゲート電極30aをマ
スクとしたRIE等を行う。これによって、図5(k)
に示すように、周辺回路トランジスタのゲート誘電体膜
21´、および、第1の誘電体膜21a、第2の誘電体
膜22a、第3の誘電体膜23aからなり電荷蓄積能力
を有する積層誘電体膜SIを同時にゲート電極と同じパ
ターンにて加工する。Next, RIE or the like is performed using the gate electrode 30a 'and the gate electrode 30a of the memory transistor formed previously as a mask. As a result, FIG.
As shown in FIG. 3, a laminated dielectric having a gate dielectric film 21 ′ of a peripheral circuit transistor, a first dielectric film 21 a, a second dielectric film 22 a, and a third dielectric film 23 a and having a charge storage capability. The body film SI is simultaneously processed in the same pattern as the gate electrode.
【0044】図5(l)に示すように、ゲート電極30
a、ゲート電極30a´をマスクとしてイオン注入し、
N型不純物を低濃度に含有するLDD拡散層14、14
´を形成する。As shown in FIG. 5L, the gate electrode 30
a, the gate electrode 30a 'is used as a mask for ion implantation,
LDD diffusion layers 14, 14 containing a low concentration of N-type impurities
To form ´.
【0045】以降の工程としては、たとえば、CVD法
により酸化シリコンを堆積し、エッチバックしてゲート
電極30a、ゲート電極30a´の側部にサイドウォー
ル誘電体膜(不図示)を形成し、これをマスクとしてイ
オン注入し、N型の導電性不純物を高濃度に含有するソ
ース・ドレイン拡散層15、15´を形成する。これに
より、メモリトランジスタと周辺回路トランジスタが形
成される。その後、たとえばCVD法により、これらの
トランジスタを被覆して全面に酸化シリコンを堆積させ
て層間絶縁膜25を形成し、層間絶縁膜25にソース・
ドレイン拡散層15、15´に達するコンタクトホール
を開口する。たとえばスパッタリング法によりアルミニ
ウム合金などの導電膜を堆積させ、パターニングしてソ
ース・ドレイン電極31、31´を形成し、図1(a)
に示す不揮発性半導体メモリ装置の基本構造が完成す
る。In the subsequent steps, for example, silicon oxide is deposited by the CVD method and etched back to form a side wall dielectric film (not shown) on the side portions of the gate electrode 30a and the gate electrode 30a '. Is used as a mask to perform ion implantation to form source / drain diffusion layers 15 and 15 'containing N-type conductive impurities at a high concentration. As a result, memory transistors and peripheral circuit transistors are formed. After that, for example, by CVD, these transistors are covered and silicon oxide is deposited on the entire surface to form an interlayer insulating film 25.
A contact hole reaching the drain diffusion layers 15 and 15 'is opened. For example, a conductive film such as an aluminum alloy is deposited by a sputtering method and patterned to form the source / drain electrodes 31 and 31 '.
The basic structure of the nonvolatile semiconductor memory device shown in is completed.
【0046】この不揮発性メモリ装置の製造方法では、
窒素阻止膜(およびストレス緩和バッファ層)の成膜工
程(図2(c),図3(d))、フォトリソグラフィー
およびエッチング工程(図3(e))、エッチング工程
(図4(h))を追加するだけで、メモリトランジスタ
形成時の熱窒化処理の影響を周辺トランジスタ側で防止
できる。なお、図4(h)のフォトリソグラフィー工程
は、ウェル11´を形成するために本来必要であり、工
程の追加とはならない。In this method of manufacturing a non-volatile memory device,
Nitrogen blocking film (and stress relaxation buffer layer) film forming process (FIGS. 2 (c) and 3 (d)), photolithography and etching process (FIG. 3 (e)), etching process (FIG. 4 (h)) The effect of the thermal nitriding process at the time of forming the memory transistor can be prevented on the peripheral transistor side only by adding The photolithography process of FIG. 4 (h) is originally necessary to form the well 11 ', and is not an additional process.
【0047】図6は、単結晶シリコン基板の窒素濃度
と、再酸化膜厚との関係を調べた予備実験の結果を示す
グラフである。また、図7は、この予備実験で使用した
各種サンプルの基板表面の窒素濃度を比較して示すグラ
フである。図6のグラフより、19nm狙いの酸化条件
で、基板の窒素濃度が1×102 0cm−3付近から酸
化膜厚が低下し始め、基板の窒素濃度が1×1021c
m −3を超えると、1割から3割も膜厚が減少すること
が分る。また、図7のグラフから分るように、本発明を
適用したサンプルA(窒素阻止膜41の厚さ:10n
m)は、全く熱窒化処理を行わなかったリファレンスサ
ンプルDと同等レベルの窒素濃度である。これにより、
窒素阻止膜41が有効に機能していることが確認でき
た。このとき、サンプルAを、窒素阻止の対策や犠牲酸
化を行わなかったサンプルB,Cと比較すると、その基
板窒素濃度が1桁以上2桁近くまで低減されている。FIG. 6 shows the nitrogen concentration of the single crystal silicon substrate.
Shows the results of preliminary experiments that investigated the relationship between the
It is a graph. In addition, FIG. 7 was used in this preliminary experiment.
A graph showing the nitrogen concentration on the substrate surface of various samples in comparison.
It is. From the graph of Fig. 6, the oxidation conditions aiming at 19 nm
And the substrate nitrogen concentration is 1 × 10Two 0cm-3Acid from nearby
The oxide film thickness starts to decrease and the nitrogen concentration of the substrate is 1 × 1021c
m -3If it exceeds, the film thickness will decrease by 10 to 30%.
I understand. Further, as can be seen from the graph of FIG.
Applied sample A (thickness of nitrogen blocking film 41: 10 n
m) is a reference sensor that has not been thermally nitrided at all.
The nitrogen concentration is similar to that of the sample D. This allows
It can be confirmed that the nitrogen blocking film 41 is functioning effectively.
It was At this time, the sample A is treated with a nitrogen blocking measure or a sacrificial acid.
When compared with Samples B and C that were not subjected to
The plate nitrogen concentration is reduced to more than one digit and nearly two digits.
【0048】本発明の製造方法を用いることにより、周
辺回路トランジスタの酸化速度の低下やばらつきや、そ
れに伴う閾値電圧の低下、モビリティの低下が有効に防
止され、良好で均一な特性のトランジスタを周辺回路領
域で形成することが可能となった。また、前述した工程
の追加は全体の工程からすると大幅なコスト増とならな
い。さらに、誘電体分離層の膜減りや加熱総量(サーマ
ルバジェット)の増加抑制ができるため、スケーリング
性に優れたメモリ混載LSIの実現が可能となった。By using the manufacturing method of the present invention, it is possible to effectively prevent the deterioration or variation in the oxidation rate of the peripheral circuit transistors, the accompanying decrease in the threshold voltage, and the decrease in the mobility. It became possible to form in the circuit area. Further, the addition of the above-mentioned steps does not significantly increase the cost from the viewpoint of the whole steps. Furthermore, since it is possible to reduce the film thickness of the dielectric isolation layer and suppress the increase in the total heating amount (thermal budget), it is possible to realize a memory-embedded LSI having excellent scaling properties.
【0049】本発明の不揮発性半導体メモリ装置の構造
および製造方法は、上記の実施の形態に限定されない。
たとえば、上述の説明ではメモリ部分とそれ以外の部分
のトランジスタのゲート電極を別々に形成する方法につ
いて記したが、メモリ部の積層誘電体膜SIと周辺回路
部のゲート誘電体膜21´を形成した後に、ゲート電極
30a,30a´を同時に形成することも可能である。The structure and manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of the present invention are not limited to the above embodiments.
For example, in the above description, the method of forming the gate electrodes of the transistors in the memory portion and the other portions separately is described, but the laminated dielectric film SI of the memory portion and the gate dielectric film 21 'of the peripheral circuit portion are formed. After that, it is possible to form the gate electrodes 30a and 30a 'at the same time.
【0050】また、上述したストレス緩和バッファ層で
ある二酸化シリコン膜と、窒素阻止膜であるシリコン窒
化膜は、マスクの合わせ余裕の関係から素子分離領域な
どの一部に残されていても良い。あるいは、マスク合わ
せ余裕をとらないとしたときは、その合わせずれによる
隙間からエッチングが進み、誘電体分離層の一部が掘れ
た場合もありうる。図8(a)に積層膜の一部が誘電体
分離層上で残った場合、図8(b)に誘電体分離層の表
面部が若干掘れた場合の様子を示す。なお、このような
本発明適用の痕跡は、図4(g)のA部において、図4
(h)のレジスト膜R2形成時のリソグラフィの合わせ
ずれによって起こる。Further, the above-mentioned silicon dioxide film which is the stress relaxation buffer layer and the silicon nitride film which is the nitrogen blocking film may be left in a part of the element isolation region or the like due to the mask alignment margin. Alternatively, if the mask alignment margin is not taken, etching may progress through the gap due to the alignment shift, and a part of the dielectric isolation layer may be dug. FIG. 8A shows a state where a part of the laminated film remains on the dielectric isolation layer, and FIG. 8B shows a state where the surface portion of the dielectric isolation layer is slightly dug. It should be noted that such a trace of application of the present invention can be seen in FIG.
This is caused by misalignment of lithography when forming the resist film R2 in (h).
【0051】メモリトランジスタ構造はMONOS型に
限らず、いわゆるMNOS型であってもよい。また、ゲ
ート電極30a、30a´は1層としているが、ポリサ
イドなどの多層構成としてよい。ソース・ドレイン拡散
層は、LDD構造以外の構造としてもよい。さらに、半
導体メモリ装置のセルアレイ方式としては、NOR型の
ほか、AND型、DINOR型、NAND型など何れで
もよい。電荷の電荷蓄積層への注入は、データの書き込
み、消去のどちらに相当する場合でも構わない。電荷注
入方法もFNトンネリングに限定されない。その他、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であ
る。The memory transistor structure is not limited to the MONOS type, but may be a so-called MNOS type. Further, although the gate electrodes 30a and 30a 'have one layer, they may have a multilayer structure such as polycide. The source / drain diffusion layer may have a structure other than the LDD structure. Further, the cell array system of the semiconductor memory device may be any one of an AND type, a DINOR type, a NAND type in addition to the NOR type. The injection of charges into the charge storage layer may correspond to either data writing or data erasing. The charge injection method is also not limited to FN tunneling. Besides, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
【0052】[0052]
【発明の効果】本発明の不揮発性半導体メモリ装置の製
造方法によれば、不揮発性メモリトランジスタ以外に通
常のMOS型トランジスタを同じ基板上に集積化した不
揮発性半導体メモリ装置において、通常のMOS型トラ
ンジスタ部分で窒素の影響を簡易な方法で防止し、これ
によって、製造コストの増加を極力抑制しながら、当該
トランジスタ特性やスケーリング性を改善することが可
能となった。According to the method of manufacturing a non-volatile semiconductor memory device of the present invention, in the non-volatile semiconductor memory device in which a normal MOS type transistor other than the non-volatile memory transistor is integrated on the same substrate, a normal MOS type By using a simple method, it is possible to prevent the influence of nitrogen on the transistor portion, and it is possible to improve the transistor characteristics and the scaling property while suppressing an increase in manufacturing cost as much as possible.
【図1】(a)は、本発明の実施形態および従来例の不
揮発性半導体メモリ装置の断面図である。(b)は、そ
の不揮発性半導体メモリ装置の4メモリセル分の等価回
路図である。FIG. 1A is a cross-sectional view of a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention and a conventional example. (B) is an equivalent circuit diagram of four memory cells of the nonvolatile semiconductor memory device.
【図2】(a)〜(c)は、本発明の実施形態の不揮発
性半導体メモリ装置の製造における断面図であり、スト
レス緩和バッファ層の形成までを示す。FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views in manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention, showing up to formation of a stress relaxation buffer layer.
【図3】(d)〜(f)は、図2(c)に続く工程での
断面図であり、メモリトランジスタの積層誘電体膜の形
成までを示す。3 (d) to (f) are cross-sectional views in a process following FIG. 2 (c), showing up to formation of a laminated dielectric film of a memory transistor.
【図4】(g)〜(i)は、図3(f)に続く工程での
断面図であり、周辺回路トランジスタのゲート誘電体膜
の形成までを示す。4 (g) to (i) are cross-sectional views in a step following FIG. 3 (f) showing up to formation of a gate dielectric film of a peripheral circuit transistor.
【図5】(j)〜(l)は、図4(i)に続く工程での
断面図であり、LDD拡散層の形成までを示す。5 (j) to (l) are cross-sectional views in a step following FIG. 4 (i) showing up to formation of an LDD diffusion layer.
【図6】単結晶シリコン基板の窒素濃度と、再酸化膜厚
との関係を調べた予備実験の結果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the results of a preliminary experiment in which the relationship between the nitrogen concentration of a single crystal silicon substrate and the reoxidized film thickness was investigated.
【図7】予備実験で使用した各種サンプルの基板表面の
窒素濃度を比較して示すグラフであり、本発明の効果を
示す。FIG. 7 is a graph showing a comparison of the nitrogen concentrations on the substrate surface of various samples used in the preliminary experiment, showing the effect of the present invention.
【図8】(a)は積層膜の一部が誘電体分離層上で残っ
た場合、(b)に誘電体分離層の表面部が若干掘れた場
合の様子を示す各断面図である。8A is a cross-sectional view showing a state where a part of a laminated film remains on a dielectric isolation layer and FIG. 8B is a state where a surface portion of the dielectric isolation layer is slightly dug.
【図9】(a)〜(c)は、従来の不揮発性半導体メモ
リ装置の製造における断面図であり、第1の誘電体膜の
形成までを示す。9A to 9C are cross-sectional views in manufacturing a conventional nonvolatile semiconductor memory device, showing up to formation of a first dielectric film.
【図10】(d)〜(f)は、図9(c)に続く工程で
の断面図であり、メモリトランジスタのゲート加工まで
を示す。10 (d) to (f) are cross-sectional views in a process following FIG. 9 (c), showing up to the gate processing of the memory transistor.
【図11】(g)、(h)は、図10(f)に続く工程
での断面図であり、LDD拡散層の形成までを示す。11 (g) and 11 (h) are cross-sectional views in a process following FIG. 10 (f), showing up to the formation of the LDD diffusion layer.
10…(シリコン)半導体基板、11,11´…Pウェ
ル、14…LDD拡散層、15…ソース・ドレイン拡散
層、20…誘電体分離層、21、21a…第1の誘電体
膜、22、22a…第2の誘電体膜、23、23a…第
3の誘電体膜、25…層間絶縁膜、30…ゲート電極と
なる導電膜、30a…ゲート電極、31,31´…ソー
ス・ドレイン電極、40…ストレス緩和バッファ層、4
1…窒素阻止膜、R1,R2…レジスト膜、SI…積層
誘電体膜、BL1a等…ビット線、WL1等…ワード線10 ... (Silicon) semiconductor substrate, 11, 11 '... P well, 14 ... LDD diffusion layer, 15 ... Source / drain diffusion layer, 20 ... Dielectric isolation layer, 21, 21a ... First dielectric film, 22, 22a ... 2nd dielectric film, 23, 23a ... 3rd dielectric film, 25 ... Interlayer insulation film, 30 ... Conductive film used as a gate electrode, 30a ... Gate electrode, 31, 31 '... Source / drain electrodes, 40 ... Stress relaxation buffer layer, 4
1 ... Nitrogen blocking film, R1, R2 ... Resist film, SI ... Stacked dielectric film, BL1a etc .... Bit line, WL1 etc .... Word line
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F083 EP18 EP23 EP63 EP68 ER03 ER14 ER22 ER23 JA19 JA32 PR03 PR05 PR12 PR15 PR21 PR29 PR45 PR55 ZA07 5F101 BA45 BB05 BC02 BD02 BD33 BE02 BE05 BE07 BH02 BH03 BH06 BH14 BH15 BH19 BH21 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F term (reference) 5F083 EP18 EP23 EP63 EP68 ER03 ER14 ER22 ER23 JA19 JA32 PR03 PR05 PR12 PR15 PR21 PR29 PR45 PR55 ZA07 5F101 BA45 BB05 BC02 BD02 BD33 BE02 BE05 BE07 BH02 BH03 BH06 BH14 BH15 BH19 BH21
Claims (7)
異なる複数の誘電体膜を含み電荷蓄積能力を有した第1
ゲート誘電体膜を介在させて第1ゲート電極が積層され
たメモリトランジスタと、 メモリトランジスタと同じ半導体上の異なる場所に形成
され、当該半導体上に、電荷蓄積能力を有しない第2ゲ
ート誘電体膜を介在させて第2ゲート電極が積層された
周辺トランジスタとを有した不揮発性半導体メモリ装置
の製造方法であって、 第1ゲート誘電体膜を構成する誘電体膜を積層する工程
途中に窒素を含むガスを用いた加熱工程がある場合に、
周辺トランジスタを保護する窒素阻止膜を形成し、当該
加熱工程を行う不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。1. A first semiconductor device comprising a plurality of dielectric films having different compositions on a semiconductor on which a channel is formed and having a charge storage capability.
A memory transistor in which a first gate electrode is laminated with a gate dielectric film interposed, and a second gate dielectric film formed at a different location on the same semiconductor as the memory transistor and having no charge storage capability on the semiconductor. A method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory device having a peripheral transistor having a second gate electrode stacked with a nitrogen film interposed, wherein nitrogen is added during a process of stacking a dielectric film forming a first gate dielectric film. When there is a heating process using a gas containing
A method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory device, comprising forming a nitrogen blocking film for protecting peripheral transistors and performing the heating step.
記窒素阻止膜を形成する工程と、 メモリトランジスタ部で露出した半導体上に、上記窒素
を含むガスを用いた加熱を含む製法により上記第1ゲー
ト誘電体膜を形成する工程と、 周辺トランジスタ部で、窒素阻止膜を含む半導体上の全
ての膜を除去する工程と、 周辺トランジスタ部で露出した半導体上に上記第2ゲー
ト誘電体膜を形成する工程と、 上記第1ゲート電極および上記第2ゲート電極を個別
に、あるいは一括して形成する工程とを含む請求項1記
載の不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein the nitrogen blocking film is formed on the peripheral transistor portion on the semiconductor, and the semiconductor exposed in the memory transistor portion is heated by using the gas containing nitrogen. Forming a gate dielectric film; removing all films on the semiconductor including the nitrogen blocking film in the peripheral transistor section; and forming the second gate dielectric film on the semiconductor exposed in the peripheral transistor section 2. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising the step of: and a step of forming the first gate electrode and the second gate electrode individually or collectively.
求項1記載の不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。3. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the nitrogen blocking film is made of silicon nitride.
第2の誘電体膜を化学的気相堆積法により形成する工程
とを含む請求項2記載の不揮発性半導体メモリ装置の製
造方法。4. The step of forming the first gate dielectric film includes the step of forming a first dielectric film on the semiconductor, and the step of forming a first dielectric film on the first dielectric film. 3. The method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory device according to claim 2, further comprising the step of forming second dielectric films having different compositions by a chemical vapor deposition method.
の誘電体膜の表面に対し窒素を含むガスを用いた加熱に
より窒化処理を施す工程をさらに含む請求項4記載の不
揮発性半導体メモリ装置の製造方法。5. The first dielectric film is formed after the formation of the first dielectric film.
5. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, further comprising the step of subjecting the surface of the dielectric film to nitriding treatment by heating with a gas containing nitrogen.
化窒化シリコン、フッ化窒化シリコンの何れか1つの又
は複数の材料からなる請求項4記載の不揮発性半導体メ
モリ装置の製造方法。6. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, wherein the second dielectric film is made of one or a plurality of materials selected from silicon nitride, silicon oxynitride, and silicon fluoronitride.
るおそれがあるときは、両者の間にストレス緩和バッフ
ァ層を形成する工程をさらに含む請求項3記載の不揮発
性半導体メモリ装置の製造方法。7. The method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory device according to claim 3, further comprising the step of forming a stress relaxation buffer layer between the nitrogen blocking film and the semiconductor when the nitrogen blocking film may directly contact the semiconductor. .
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- 2002-01-25 JP JP2002016438A patent/JP2003218245A/en active Pending
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