JP2009231456A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置とその製造方法に関し、特に同一の素子領域中に動作機能の異なるMIS(Metal Insulator Semiconductor)型トランジスタを設ける半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device in which MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistors having different operation functions are provided in the same element region.
近年の半導体装置は、動作機能の異なるMIS型トランジスタを半導体基板の同一の素子領域中に混載することにより、複雑な動作が可能となり、高い付加価値を有する。例えば、メモリトランジスタとこのメモリトランジスタの動作を制御するアドレストランジスタとを同一の素子領域中に作り込むものである。
また、メモリトランジスタへのデータの書き込みなどを制御するためのトランジスタは、駆動電圧が5V、あるいは30Vといった高耐圧トランジスタが必要である。このような高耐圧トランジスタと通常のトランジスタとを併載している。
なお、アドレストランジスタは、通常のロジックを構成するトランジスタ(ロジックトランジスタ)と素子構造は変わらない。
In recent semiconductor devices, MIS type transistors having different operation functions are mixedly mounted in the same element region of a semiconductor substrate, so that a complex operation is possible and high added value is obtained. For example, a memory transistor and an address transistor that controls the operation of the memory transistor are formed in the same element region.
In addition, a transistor for controlling data writing to the memory transistor needs to be a high voltage transistor with a driving voltage of 5V or 30V. Such a high breakdown voltage transistor and a normal transistor are mounted together.
The address transistor has the same element structure as a transistor (logic transistor) constituting a normal logic.
メモリトランジスタとアドレストランジスタとは、電気的な動作が異なるため、この電気的な動作に応じたゲート絶縁膜が必要である。
メモリトランジスタのゲート絶縁膜は、そのゲート電極と半導体基板との間で電荷の授受を行い、この電荷を蓄積する役割を有する絶縁膜を含む複数の絶縁膜を積層してなる積層膜構造を有するメモリ絶縁膜で構成され、アドレストランジスタのゲート絶縁膜は、そのゲート電極と半導体基板との間で電荷の授受を行わない、つまり電荷の授受は発生しない。
Since the memory transistor and the address transistor have different electrical operations, a gate insulating film corresponding to the electrical operation is necessary.
The gate insulating film of the memory transistor has a laminated film structure in which a plurality of insulating films including an insulating film having a function of accumulating charges are transferred between the gate electrode and the semiconductor substrate. The gate insulating film of the address transistor does not transfer charges between the gate electrode and the semiconductor substrate, that is, does not transfer charges.
さらに高耐圧トランジスタを併載する場合には、高耐圧トランジスタは、アドレストランジスタのゲート絶縁膜よりも厚いゲート絶縁膜により構成され、高いゲート電界に耐えうる構造が採用される。 Further, when a high breakdown voltage transistor is mounted together, the high breakdown voltage transistor is constituted by a gate insulating film thicker than the gate insulating film of the address transistor and adopts a structure that can withstand a high gate electric field.
一方、半導体基板上に半導体回路を構成するとき、素子領域を区画、あるいは規定するために設ける素子分離膜は、半導体装置に不可欠な要素である。素子分離領域の形成には従来、選択酸化膜が広く利用されてきた。選択酸化膜とは半導体基板上に形成する素子領域に対応した部位にシリコン窒化膜などの耐酸化性の薄膜を設け、熱酸化して部分的に酸化膜を形成する方法で得られる素子分離膜である。
この選択酸化膜にはシリコン酸化膜を採用しているため電気的、機械的信頼性が高く、且つ製造方法が簡便であるという利点がある。
On the other hand, when a semiconductor circuit is formed on a semiconductor substrate, an element isolation film provided for partitioning or defining an element region is an indispensable element for a semiconductor device. Conventionally, a selective oxide film has been widely used for forming an element isolation region. A selective oxide film is an element isolation film obtained by a method in which an oxidation-resistant thin film such as a silicon nitride film is provided at a portion corresponding to an element region formed on a semiconductor substrate, and the oxide film is partially formed by thermal oxidation. It is.
Since this selective oxide film employs a silicon oxide film, there are advantages of high electrical and mechanical reliability and a simple manufacturing method.
さて、上記のようなメモリトランジスタ、アドレストランジスタ、および高耐圧トランジスタを組み合わせて混載する半導体装置において課題となるのが、素子分離膜で規定される素子分離領域と素子領域との境界で生じるリーク電流の発生である。 In a semiconductor device in which a memory transistor, an address transistor, and a high breakdown voltage transistor are combined and mounted as described above, a problem is a leakage current generated at the boundary between the element isolation region and the element region defined by the element isolation film. Is the occurrence of
半導体装置に用いるMIS型トランジスタにおいて、アドレストランジスタに用いる例えば350nm以下のゲート幅に対応したゲート絶縁膜の膜厚は8nm程度であるが、メモリトランジスタや高耐圧トランジスタを混載する場合は、それぞれの用途に適したゲート絶縁膜を素子に応じて個別に設ける必要がある。 In a MIS transistor used in a semiconductor device, a gate insulating film corresponding to a gate width of, for example, 350 nm or less used for an address transistor is about 8 nm. However, when a memory transistor or a high breakdown voltage transistor is mixedly mounted, It is necessary to provide a gate insulating film suitable for each element depending on the element.
例えば、MONOS型のメモリトランジスタの場合は、半導体基板側から順に、トンネル膜の膜厚が2nm、電荷蓄積層窒化膜が10nm、上層酸化膜厚が3nm程度の累積膜となる。
5V耐圧の高耐圧トランジスタならば、ゲート絶縁膜厚は20nm、30V耐圧の高耐圧トランジスタならば、ゲート絶縁膜厚は80nmとなり、いずれも同一基板上に複数の種類のゲート絶縁膜が存在する形態となる。
For example, in the case of a MONOS type memory transistor, a cumulative film having a tunnel film thickness of 2 nm, a charge storage layer nitride film of 10 nm, and an upper oxide film thickness of about 3 nm in this order from the semiconductor substrate side.
In the case of a high withstand voltage transistor having a withstand voltage of 5V, the gate insulating film thickness is 20 nm, and in the case of a high withstand voltage transistor having a withstand voltage of 30V, the gate insulating film thickness is 80 nm. It becomes.
これら複数のゲート絶縁膜を形成するためには、混載する素子ごとにゲート絶縁膜を順番に形成する。例えば、メモリトランジスタとアドレストランジスタを混載する場合には、メモリトランジスタ用の第1のゲート絶縁膜を形成したあと、アドレストランジスタ用の第2のゲート絶縁膜を形成する。 In order to form the plurality of gate insulating films, the gate insulating films are sequentially formed for each element to be mounted. For example, when a memory transistor and an address transistor are mixedly mounted, a first gate insulating film for the memory transistor is formed, and then a second gate insulating film for the address transistor is formed.
具体的には、メモリトランジスタとアドレストランジスタとを設ける素子領域を形成し、その上部全面に第1のゲート絶縁膜を形成する。その後、メモリトランジスタ領域の上部の第1の絶縁膜をエッチングしないようにし、さらにアドレストランジスタ領域上の第1のゲート絶縁膜をエッチングして除去し、このエッチングした領域上に熱酸化膜等の絶縁膜を設け、これを第2のゲート絶縁膜とする。 Specifically, an element region in which a memory transistor and an address transistor are provided is formed, and a first gate insulating film is formed on the entire upper surface thereof. Thereafter, the first insulating film on the upper portion of the memory transistor region is not etched, and the first gate insulating film on the address transistor region is removed by etching, and an insulating film such as a thermal oxide film is formed on the etched region. A film is provided and this is used as a second gate insulating film.
このとき、素子分離膜も同時にエッチングされて後退し、素子領域の傾斜部が拡張して素子分離膜端の下面が露出し、素子領域が凸形状となる。この露出した端部にゲート絶縁膜またはゲート電極が接触すると、メモリトランジスタ領域、あるいはアドレストランジスタ領域のリークが増大するのである。
このようなリークの問題を回避するため、様々な対策が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
At this time, the element isolation film is also etched and retracted simultaneously, the inclined portion of the element region is expanded, the lower surface of the end of the element isolation film is exposed, and the element region has a convex shape. When the gate insulating film or the gate electrode is in contact with the exposed end portion, the leakage of the memory transistor region or the address transistor region increases.
In order to avoid such a leakage problem, various countermeasures have been proposed (for example, see Patent Document 1).
特許文献1に示した従来技術について説明する。図11は特許文献1に示した従来技術のMIS型トランジスタの断面図である。なお、この図は主旨を逸脱しないようにしつつ説明しやすいように書き直したものである。また、同じ機能を有するものについては同じ番号を付与している。 The prior art shown in Patent Document 1 will be described. FIG. 11 is a cross-sectional view of a conventional MIS transistor disclosed in Patent Document 1. In FIG. This figure has been rewritten for easy explanation without departing from the gist. Moreover, the same number is given about what has the same function.
図11において、10は半導体基板、31は浅溝素子分離膜、33は第1の絶縁膜、34は第2の絶縁膜、35は第1の絶縁膜と第2の絶縁膜との境界、37はゲート電極である。38はソース領域、39はドレイン領域である。図11に示した図は、異なる絶縁膜が素子分離膜の端部に形成されている様子を示している。
なお、第1の絶縁膜33側が高耐圧トランジスタ領域、第2の絶縁膜34側がロジックトランジスタ領域である。
In FIG. 11, 10 is a semiconductor substrate, 31 is a shallow trench isolation film, 33 is a first insulating film, 34 is a second insulating film, 35 is a boundary between the first insulating film and the second insulating film,
The first
半導体基板10の表面にはトレンチ分離法を用いた浅溝素子分離膜31を備え、半導体基板10の素子領域には厚いゲート絶縁膜を有する高耐圧トランジスタを構成する第1の絶縁膜33、およびロジックトランジスタを構成する第2の絶縁膜34を設けている。
さらに、第1の絶縁膜33および第2の絶縁膜34の上面にゲート電極37を備え、第1の絶縁膜33と第2の絶縁膜34との境界35は、ロジックトランジスタ領域の内部に設けられている。
A surface of the
Furthermore, a
このような構造を有する特許文献1に示した従来技術は、同一の素子領域中に異なるゲート絶縁膜を有するMIS型トランジスタ素子を混載しても、高耐圧トランジスタ領域のゲートリーク電流の発生を防止することができるという特徴がある。 The conventional technique shown in Patent Document 1 having such a structure prevents generation of gate leakage current in the high breakdown voltage transistor region even when MIS type transistor devices having different gate insulating films are mixedly mounted in the same element region. There is a feature that can be.
特許文献1に示した従来技術は、第2の絶縁膜34を設ける場合に、第1の絶縁膜33
と第2の絶縁膜34との境界35が後退し、ロジックトランジスタ領域の接合リーク電流発生を防止できず、かつメモリトランジスタを混載できないという問題が発生することがわかった。
In the prior art disclosed in Patent Document 1, when the second
It has been found that the
さらに、第1の絶縁膜33と第2の絶縁膜34との境界35の段差により、ロジックトランジスタ領域のゲート材料のエッチング残りが生じ、ロジックトランジスタ領域のゲートリーク電流を防止できないという問題も発生することがわかった。
Furthermore, the level difference at the
ところで、半導体基板に絶縁膜を形成する場合、この絶縁膜の電気特性を安定化するため、半導体基板は洗浄工程を行う。洗浄工程は、例えばフッ酸、硫酸、塩酸等の水溶液を用い半導体表面を清浄化する工程である。 By the way, when an insulating film is formed on a semiconductor substrate, the semiconductor substrate is subjected to a cleaning process in order to stabilize the electrical characteristics of the insulating film. The cleaning step is a step of cleaning the semiconductor surface using, for example, an aqueous solution of hydrofluoric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid or the like.
特許文献1に示した従来技術のゲート絶縁膜に、一般的なシリコン酸化膜を用いるとする。そのとき、自然酸化膜の除去の目的で上述の洗浄工程(フッ酸水溶液の使用)を行うと、シリコン酸化膜はフッ酸水溶液に可溶であり、自然酸化膜が除去されるとともに境界35が後退し、浅溝素子分離膜31の端部の膜減りが発生してしまう。
It is assumed that a general silicon oxide film is used for the conventional gate insulating film disclosed in Patent Document 1. At that time, if the above-described cleaning process (use of hydrofluoric acid aqueous solution) is performed for the purpose of removing the natural oxide film, the silicon oxide film is soluble in the hydrofluoric acid aqueous solution, and the natural oxide film is removed and the
つまり、特許文献1に示した従来技術は、ゲート電極37を設ける時の高耐圧トランジスタ領域のゲート材料のエッチング残りを防止できるが、浅溝素子分離膜31の端部の膜減りが発生素子領域の傾斜部が拡張して素子分離膜端の下面が露出し、素子領域が凸形状となる。この露出した端部にゲート絶縁膜またはゲート電極が接触すると、ロジックトランジスタ領域のリークが増大するのである。
That is, the prior art disclosed in Patent Document 1 can prevent the remaining etching of the gate material in the high breakdown voltage transistor region when the
また、メモリトランジスタを混載するような場合には、このフッ酸水溶液によりメモリ絶縁膜がエッチングされ、メモリ素子としての動作不良を発生させるのである。 In addition, when a memory transistor is mixedly mounted, the memory insulating film is etched by this hydrofluoric acid aqueous solution, causing a malfunction of the memory element.
さらにロジックトランジスタ領域では、境界35の段差により、ゲート材料をエッチングする場合にエッチング残りが発生するため、ゲートリーク電流が発生し、半導体装置の電気特性が悪化するといった問題も生ずるのである。
Further, in the logic transistor region, due to the step of the
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであって、メモリトランジスタ、ロジックトランジスタ、または高耐圧トランジスタを混載する半導体装置において、トランジスタのリークを防止する半導体装置を提供するものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor device that prevents leakage of a transistor in a semiconductor device in which a memory transistor, a logic transistor, or a high voltage transistor is embedded. It is.
上記課題を解決するために本発明の半導体装置は次のような構成を採用する。 In order to solve the above problems, the semiconductor device of the present invention employs the following configuration.
半導体基板の表面に選択的に素子領域を設け、素子領域の周囲に傾斜部を有して素子領域を取り囲むように半導体基板の表面に素子分離膜を設け、
素子領域に第1のMIS型トランジスタと第2のMIS型トランジスタとを設ける半導体装置において、
傾斜部の上部に、第1のMIS型トランジスタを構成する第1のゲート絶縁膜または前記第2のMIS型トランジスタを構成する第2のゲート絶縁膜を設けることを特徴とする。
An element region is selectively provided on the surface of the semiconductor substrate, an element isolation film is provided on the surface of the semiconductor substrate so as to surround the element region with an inclined portion around the element region,
In a semiconductor device in which a first MIS transistor and a second MIS transistor are provided in an element region,
A first gate insulating film constituting the first MIS transistor or a second gate insulating film constituting the second MIS transistor is provided on the inclined portion.
第1のゲート絶縁膜または第2のゲート絶縁膜は、それぞれのMIS型トランジスタを構成するチャネル領域の上部と傾斜部の上部とで、その膜厚が異なることを特徴とする。 The first gate insulating film or the second gate insulating film is characterized in that the film thickness differs between the upper portion of the channel region and the upper portion of the inclined portion constituting each MIS transistor.
それぞれのMIS型トランジスタを構成するソース領域またはドレイン領域の上部に第1のゲート絶縁膜または第2のゲート絶縁膜を設けることを特徴とする。 A first gate insulating film or a second gate insulating film is provided above a source region or a drain region constituting each MIS transistor.
それぞれの第1のMIS型トランジスタを構成するゲート電極同士が対向するようにそれぞれのMIS型トランジスタを配置し、ゲート電極同士に挟まれる領域を共通領域とし、共通領域を、それぞれのMIS型トランジスタのソース領域またはドレイン領域とすることを特徴とする。 The MIS transistors are arranged so that the gate electrodes constituting the first MIS transistors are opposed to each other, a region sandwiched between the gate electrodes is defined as a common region, and the common region is defined as the MIS transistor. A source region or a drain region is used.
共通領域の上部に、第1のゲート絶縁膜と第2のゲート絶縁膜との境界を設けることを特徴とする。 A boundary between the first gate insulating film and the second gate insulating film is provided above the common region.
第1のMIS型トランジスタは、メモリトランジスタであり、第1のゲート絶縁膜は、電荷を蓄積する役割を有する絶縁膜を含む複数の絶縁膜を積層する積層膜であり、
第2のMIS型トランジスタは、第1のMIS型トランジスタを制御するアドレストランジスタであり、第2のゲート絶縁膜は、単層膜であることを特徴とする。
The first MIS transistor is a memory transistor, and the first gate insulating film is a stacked film in which a plurality of insulating films including an insulating film having a role of accumulating charges are stacked.
The second MIS transistor is an address transistor that controls the first MIS transistor, and the second gate insulating film is a single layer film.
本発明の半導体装置は、素子領域の周囲の素子分離膜の傾斜部の上部に、MIS型トランジスタを構成する第1のゲート絶縁膜または第2のゲート絶縁膜を設けている。これにより、動作機能の異なるMIS型トランジスタを混載するような場合でも、製造過程での素子領域の周囲の傾斜部の膜減りを抑えることができる。
よって、素子領域端部の拡張および露出を抑制することができ、ロジックトランジスタのリークを防止することができる。
また、ロジックトランジスタの電気特性が安定化することで、半導体装置の歩留りも向上する。
In the semiconductor device of the present invention, the first gate insulating film or the second gate insulating film constituting the MIS transistor is provided on the upper part of the inclined portion of the element isolation film around the element region. Thereby, even when MIS transistors having different operation functions are mixedly mounted, it is possible to suppress the film loss of the inclined portion around the element region in the manufacturing process.
Therefore, expansion and exposure of the end portion of the element region can be suppressed, and leakage of the logic transistor can be prevented.
In addition, since the electrical characteristics of the logic transistor are stabilized, the yield of the semiconductor device is also improved.
以下、図面を用いて本発明を実施するための最適な形態の半導体装置の構造とその製造方法とを説明する。なお、以下に示す本発明の実施形態については、メモリトランジスタとそれを制御するアドレストランジスタとを混載する場合を例にして説明する。
アドレストランジスタとしてMOS(Metal Oxide Semiconductor)型トランジスタを用い、メモリトランジスタとしてMONOS(Metal Oxide Nitride Oxxide Semiconductor)型のメモリトランジスタとを用いる例で説明する。なお、MOS型トランジスタは、ゲート絶縁膜に酸化膜を用いるMIS型トランジスタである。
そして、それぞれのトランジスタを構成するゲート電極同士が対向するように配置し、それぞれのゲート電極同士に挟まれる領域を共通領域とし、そこをソース領域とする構成を例にして説明する。
Hereinafter, a structure of a semiconductor device and a manufacturing method thereof in an optimum mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments of the present invention, a case where a memory transistor and an address transistor that controls the memory transistor are mixedly mounted will be described as an example.
An example in which a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor is used as the address transistor and a MONOS (Metal Oxide Semiconductor) memory transistor is used as the memory transistor will be described. Note that the MOS transistor is a MIS transistor that uses an oxide film as a gate insulating film.
An example in which the gate electrodes constituting each transistor are arranged so as to face each other, a region sandwiched between the gate electrodes is set as a common region, and the source region is used as the common region will be described.
また、その構造は、シリコン半導体基板にウエルを用いずに素子領域を設け、選択酸化法によって素子分離膜を形成し、イオン注入法によって拡散層を形成した場合を例に説明する。各図の説明において同じ機能を有するものには同じ番号を付与している。 The structure will be described by taking as an example the case where an element region is provided in a silicon semiconductor substrate without using a well, an element isolation film is formed by a selective oxidation method, and a diffusion layer is formed by an ion implantation method. In the description of each drawing, the same number is assigned to the component having the same function.
[本発明の第1の実施形態の構造の説明:図1]
図1を用いて本発明の半導体装置の第1の実施形態の構造を説明する。
図1(a)は、本発明の半導体装置の平面図である。また、図1(b)は、図1(a)に示す切断線A−A´での端面図である。 図1において、10は半導体基板、11は素子分離膜である。9はメモリトランジスタとアドレストランジスタとを設ける素子領域である。3は第1のゲート絶縁膜、4は第2のゲート絶縁膜である。7は第1のゲート電極、8は第2のゲート電極である。22は共通領域であって、ソース領域である。21a,21bはドレイン領域である。23は素子分離膜の傾斜部である。
[Description of Structure of First Embodiment of the Present Invention: FIG. 1]
The structure of the first embodiment of the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1A is a plan view of the semiconductor device of the present invention. FIG. 1B is an end view taken along a cutting line AA ′ shown in FIG. In FIG. 1, 10 is a semiconductor substrate, and 11 is an element isolation film. An
70は第1のMIS型トランジスタであって、MONOS型メモリトランジスタである。80は第2のMIS型トランジスタであって、MOS型アドレストランジスタである。
MONOS型メモリトランジスタ70は、第1のゲート絶縁膜3,第1のゲート電極7,ドレイン領域21a,ソース領域22で構成している。
MOS型アドレストランジスタ80は、第2のゲート絶縁膜4,第2のゲート電極8,ドレイン領域21b,ソース領域22で構成している。これら双方のトランジスタは、ソース領域22を共通にしている。なお、それぞれのゲート電極の下部の半導体基板10がチャネル領域となる。
The
The
MONOS型メモリトランジスタ70の第1のゲート電極7とMOS型アドレストランジスタ80の第2のゲート電極8とは、そのゲート長方向を対向するとともに平行して設けている。これら2つのゲート電極に挟まれた部分がソース領域22である。
The
本発明の半導体装置は、図1に示すように、半導体基板10上に選択酸化法を用いた素子分離膜11を設ける。素子分離膜11を設けていない領域が素子領域9となる。この素子領域9と素子分離膜11との境界部分、いわゆるバーズビークの上部を傾斜部23としている。そして、その傾斜部23の上部に第1のゲート絶縁膜3を備えている。
In the semiconductor device of the present invention, an
本発明の半導体装置は、傾斜部23の上部に第1のゲート絶縁膜3を設けることにより、その製造工程において、エッチング工程による傾斜部23の後退を防止することができる。
これにより素子領域9の端部が凸形状となる、あるいは素子領域9の端部が露出することはなく、第1のゲート絶縁膜3や第1のゲート電極7、または第2ゲート絶縁膜4や第2のゲート電極8が露出部と接触することはなく、素子領域9からのリーク電流は発生しないのである。
In the semiconductor device of the present invention, by providing the first
As a result, the end of the
図1(a)に示すように、MONOS型メモリトランジスタ70の第1のゲート絶縁膜3は、そのチャネル領域より一回り大きく設けている。すなわち、第1のゲート絶縁膜3は、第1のゲート電極7のゲート長方向(チャネル幅方向ともいう)の端部を素子分離膜11の上部を覆う位置まで延長しており、そのゲート幅方向(チャネル長方向ともいう)の端部を第1のゲート電極7の端部よりソース領域22およびドレイン領域21a方向にそれぞれ延長して設けている。そして、すでに説明したように、第1のゲート絶縁膜3は、チャネル幅方向では傾斜部23の上部にも設けている。
このような構成とすることによって、第1のゲート電極7が素子領域9と接することはないため、リーク電流の発生はない。
As shown in FIG. 1A, the first
With such a configuration, the
さらに、チャネル長方向においては、第1のゲート絶縁膜3と第1のゲート電極7との重ね合わせの余裕度が向上し、合わせずれによるゲートリーク電流も防止することができる。
Further, in the channel length direction, the allowance for overlaying the first
以上説明した例では、傾斜部23の上部にMONOS型メモリトランジスタ70の第1のゲート絶縁膜3を設ける構成を説明したが、この第1のゲート絶縁膜3の代わりにMOS型アドレストランジスタ80の第2のゲート絶縁膜4を用いてもよい。
In the example described above, the configuration in which the first
[本発明の第2の実施形態の構造の説明:図2]
次に、図2を用いて本発明の半導体装置の第2の実施形態の構造を説明する。
図2(a)は、本発明の半導体装置の平面図である。また、図2(b)は、図2(a)に示す切断線B−B´での端面図である。すでに説明した同一の構成には同一の番号を付
与している。
[Description of Structure of Second Embodiment of the Present Invention: FIG. 2]
Next, the structure of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 2A is a plan view of the semiconductor device of the present invention. FIG. 2B is an end view taken along the cutting line BB ′ shown in FIG. The same numbers are assigned to the same configurations already described.
図2に示す構成と図1に示す構成との違いは、ソース領域とドレイン領域と傾斜部23との上部の構造である。
The difference between the configuration shown in FIG. 2 and the configuration shown in FIG. 1 is the structure of the upper part of the source region, the drain region, and the
すなわち、図2に示すMONOS型メモリトランジスタ70の第1のゲート絶縁膜3は、その形状がゲート長方向とゲート幅方向とにそれぞれ延長しており、図1に示す構成と同一であるが、ドレイン領域21a,21bと共通領域であるソース領域22との上部に第2のゲート絶縁膜4を設けている。また、この第2のゲート絶縁膜4を傾斜部23の上部にも設けている。
That is, the first
図2(a)に示すように、第1のゲート絶縁膜3と第2のゲート絶縁膜4とは、ソース領域22の上部およびドレイン領域21aの上部でその境界がある。
また、図2(b)に示すように、MOS型アドレストランジスタ80の領域の傾斜部23の上部に設ける第2のゲート絶縁膜4とドレイン領域21aの上部に設ける第2のゲート絶縁膜4とは、境目がなく一体に形成している。
As shown in FIG. 2A, the first
Further, as shown in FIG. 2B, the second
本発明の第2の実施形態では、第1のゲート絶縁膜3と第2のゲート絶縁膜4との膜厚は、同一とした例で説明している。これにより、図2(b)に示すように、素子領域9の双方のゲート絶縁膜は、段差がない。
In the second embodiment of the present invention, the first
本発明の第2の実施形態の半導体装置は、傾斜部23の上部に第2のゲート絶縁膜4を設けることにより、その製造工程において、第1の実施形態と同様に、エッチング工程による傾斜部23の後退を防止することができ、素子領域9からのリーク電流は発生しないのである。
In the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, the second
さらに、図2に例示した構成のように、第1のゲート絶縁膜3と第2のゲート絶縁膜4との膜厚を同一とすることで、その境界の段差が緩和され、第1のゲート電極7および第2のゲート電極8をエッチングする際のエッチング残りを抑制できるのである。
Further, as in the configuration illustrated in FIG. 2, by making the film thicknesses of the first
[本発明の第3の実施形態の構造の説明:図3]
次に、図3を用いて本発明の半導体装置の第3の実施形態の構造を説明する。
図3(a)は、本発明の半導体装置の平面図である。また、図3(b)は、図3(a)に示す切断線C−C´での端面図である。すでに説明した同一の構成には同一の番号を付与している。
[Description of Structure of Third Embodiment of the Present Invention: FIG. 3]
Next, the structure of the third embodiment of the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3A is a plan view of the semiconductor device of the present invention. FIG. 3B is an end view taken along a cutting line CC ′ shown in FIG. The same numbers are assigned to the same configurations already described.
図3に示す構成と図1,図2に示す構成との違いは、ソース領域とドレイン領域と傾斜部23との上部の構造であって、図3に示す構成は、いわば図1,図2に示す構成を合わせたような構成となっている。
The difference between the configuration shown in FIG. 3 and the configuration shown in FIGS. 1 and 2 is the structure of the upper part of the source region, the drain region, and the
すなわち、図3に示すMONOS型メモリトランジスタ70の第1のゲート絶縁膜3は、その形状がゲート長方向とゲート幅方向とにそれぞれ延長しており、図1,図2に示す構成と同一である。そして、ドレイン領域21a,21bと共通領域であるソース領域22との上部に第2のゲート絶縁膜4を設けており、図2に示す構成と同一である。さらに、第1のゲート絶縁膜3を傾斜部23の上部にも設けており、図1に示す構成と同一である。
That is, the first
図3(a)に示すように、第1のゲート絶縁膜3と第2のゲート絶縁膜4とは、ソース領域22の上部およびドレイン領域21aの上部でその境界がある。
As shown in FIG. 3A, the first
本発明の第3の実施形態では、第1のゲート絶縁膜3と第2のゲート絶縁膜4との膜厚は、同一とした例で説明している。これにより、図3(b)に示すように、素子領域9の双方のゲート絶縁膜は、段差がない。
In the third embodiment of the present invention, the first
本発明の第3の実施形態の半導体装置の効果は、すでに説明した第1の実施形態と第2の実施形態と同様に、傾斜部23の上部に設けた第1のゲート絶縁膜3により、その製造工程において、傾斜部23の後退を防止することができる。さらに、図3に例示した構成のように、第1のゲート絶縁膜3と第2のゲート絶縁膜4との膜厚を同一とすることで、その境界の段差が緩和され、第1のゲート電極7および第2のゲート電極8をエッチングする際のエッチング残りを抑制できる。
The effect of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention is that the first
[本発明の第4の実施形態の構造の説明:図4]
次に、図4を用いて本発明の半導体装置の第4の実施形態の構造を説明する。
図4(a)は、本発明の半導体装置の平面図である。また、図4(b)は、図4(a)に示す切断線D−D´での端面図である。図4において、5は上部絶縁膜である。すでに説明した同一の構成には同一の番号を付与している。
[Description of Structure of Fourth Embodiment of the Present Invention: FIG. 4]
Next, the structure of the fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4A is a plan view of the semiconductor device of the present invention. FIG. 4B is an end view taken along the cutting line DD ′ shown in FIG. In FIG. 4, 5 is an upper insulating film. The same numbers are assigned to the same configurations already described.
上部絶縁膜5は、第1のゲート絶縁膜3および第2のゲート絶縁膜4とは異なる膜厚の絶縁膜である。図4に示す構成と図1,図2、図3に示す構成との違いは、傾斜部23の上部に上部絶縁膜5を設ける構造であって、図4に示す構成は、いわば図3に示す構成のうち、傾斜部23の上部に設ける第1のゲート絶縁膜3を上部絶縁膜5に変更した構成となっている。
The upper
すなわち、図4に示すMONOS型メモリトランジスタ70の第1のゲート絶縁膜3は、その形状がゲート長方向とゲート幅方向とにそれぞれ延長しており、図1,図2、図3に示す構成と同一である。そして、ドレイン領域21a,21bと共通領域であるソース領域22との上部に第2のゲート絶縁膜4を設けており、図2,図3に示す構成と同一である。しかし、上部絶縁膜5を傾斜部23の上部に設けている。
That is, the first
図4(a)に示すように、第1のゲート絶縁膜3と第2のゲート絶縁膜4とは、ソース領域22の上部およびドレイン領域21aの上部でその境界がある。
As shown in FIG. 4A, the first
本発明の第4の実施形態では、第1のゲート絶縁膜3と第2のゲート絶縁膜4との膜厚は、同一とした例で説明している。これにより、図4(b)に示すように、素子領域9の双方のゲート絶縁膜は、段差がない。
In the fourth embodiment of the present invention, the first
本発明の第4の実施形態の半導体装置の効果は、すでに説明した第1〜第3の実施形態と同様に、傾斜部23の上部に設けた上部絶縁膜5により、その製造工程において、傾斜部23の後退を防止することができる。さらに、図4に例示した構成のように、第1のゲート絶縁膜3と第2のゲート絶縁膜4との膜厚を同一とすることで、その境界の段差が緩和され、第1のゲート電極7および第2のゲート電極8をエッチングする際のエッチング残りを抑制できる。
The effect of the semiconductor device of the fourth embodiment of the present invention is that the upper insulating
上部絶縁膜5の膜厚は、第1のゲート絶縁膜3や第2のゲート絶縁膜4と異なるが、その膜厚は自由に選択することができる。また、他の構成と兼用することができる。例えば、以下のような場合である。
The film thickness of the upper insulating
本発明の半導体装置には、図4に示す素子領域9の他にも素子領域を設ける場合がある
。例えば、その素子領域に高耐圧のMIS型トランジスタを設ける場合である。そのようなとき、この高耐圧トランジスタを構成するゲート絶縁膜を上部絶縁膜5とすることができる。このようにすることで、別途上部絶縁膜5を設ける必要はなくなる。
その際は、第1のゲート絶縁膜3や第2のゲート絶縁膜4に比べ、上部絶縁膜5の膜厚は、厚くなる。
In the semiconductor device of the present invention, an element region may be provided in addition to the
At that time, the upper insulating
また、他の素子領域に、例えば、微細化したMIS型トランジスタを設ける場合がある。このような微細化したトランジスタは、低電圧動作を要求されるようなアナログスイッチング素子であって、低耐圧トランジスタ構造を有する。そのようなとき、この低耐圧トランジスタを構成するゲート絶縁膜を上部絶縁膜5とすることができる。このようにすることで、別途上部絶縁膜5を設ける必要はなくなる。
その際は、第1のゲート絶縁膜3や第2のゲート絶縁膜4に比べ、上部絶縁膜5の膜厚は、薄くなる。
In addition, for example, a miniaturized MIS transistor may be provided in another element region. Such a miniaturized transistor is an analog switching element that requires a low voltage operation, and has a low breakdown voltage transistor structure. In such a case, the upper insulating
At that time, the upper insulating
さらに、半導体装置の製造途中に設ける膜を用いることができる。例えば、半導体装置の素子領域を清浄化する目的で設ける犠牲酸化膜である。この犠牲酸化膜を傾斜部23の上部に残すように加工すればよいのである。
Furthermore, a film provided during the manufacture of the semiconductor device can be used. For example, a sacrificial oxide film provided for the purpose of cleaning the element region of the semiconductor device. The sacrificial oxide film may be processed so as to remain above the
[製造方法の説明1:図5〜図9]
次に、図5から図9を用いて本発明の半導体装置の製造方法を説明する。
本発明の半導体装置は、特に限定するものではないが、次に示す製造方法によって製造することができる。この製造方法の説明にあっては、図1に示す本発明の第1の実施形態の構造を例にして説明する。図5から図9は、図1(b)と同一の端面の様子を示すものである。なお、実際のMIS型トランジスタの製造方法は複雑であるが、要点だけを説明する。
[Description of Manufacturing Method 1: FIGS. 5 to 9]
Next, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIGS.
The semiconductor device of the present invention is not particularly limited, but can be manufactured by the following manufacturing method. In the description of this manufacturing method, the structure of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described as an example. FIGS. 5 to 9 show the same end face as FIG. 1 (b). Although an actual MIS transistor manufacturing method is complicated, only the main points will be described.
まず、素子分離工程を説明する。
図5に示すように、半導体基板10中に周知の選択酸化法により、素子分離膜11と傾斜部23とを形成する。素子分離膜11により絶縁分離された領域が、半導体装置の素子領域9となる。
First, the element isolation process will be described.
As shown in FIG. 5, the
選択酸化法とは、素子領域9に酸化されにくいシリコン窒化膜を選択的に形成し、その後、例えば、1000℃の水蒸気雰囲気中で酸化することにより厚い素子分離膜11を素子領域9を除く部分に形成する方法である。いわゆるフィールド絶縁膜の形成方法として知られている。つまり、素子領域9と素子分離膜11との境界部分、いわゆるバーズビークの上部が傾斜部23となる。
In the selective oxidation method, a silicon nitride film that is not easily oxidized is selectively formed in the
次に、図6を用いて第1の絶縁膜形成工程を説明する。
この工程は、第1のゲート絶縁膜3として3層の積層膜を形成するものであって、酸化膜であるトンネル絶縁膜と、窒化膜であるメモリ窒化膜と、酸化膜であるトップ絶縁膜とを形成する工程である。
順次説明する。温度が約900℃の酸素(O2)と窒素(N2)との分圧雰囲気において、膜厚が約2nmの酸化膜を半導体基板10全面に形成する。これがトンネル絶縁膜になる。続いて温度が約700℃の反応ガスにジクロルシラン(SiH2Cl2)とアンモニア(NH3)とを用いた減圧CVD法により、膜厚が約12nmのシリコン窒化膜を形成する。これがメモリ窒化膜となる。引き続き、温度が約950℃の水蒸気雰囲気において、膜厚が約4nmの酸化膜を形成する。これがトップ絶縁膜となる。
Next, the first insulating film forming step will be described with reference to FIG.
In this step, a three-layered film is formed as the first
A description will be made sequentially. In a partial pressure atmosphere of oxygen (O 2) and nitrogen (N 2) at a temperature of about 900 ° C., an oxide film having a thickness of about 2 nm is formed on the entire surface of the
トンネル絶縁膜は半導体基板10の電荷をトンネリングさせ、メモリ窒化膜に電荷を注入する機能を有し、メモリ窒化膜はトンネリングした電荷をトラップする機能を有する。
トップ絶縁膜は、MONOS型メモリトランジスタ70の第1のゲート電極7からの電荷の注入を防ぐ機能を有する。
The tunnel insulating film has a function of tunneling the charge of the
The top insulating film has a function of preventing charge injection from the
次に、図7を用いて素子領域9の半導体基板10の表面に上述の製造方法で形成した第1のゲート絶縁膜3を所定の形状に加工する工程を説明する。
素子領域9および傾斜部23に所定の形状を有するレジストパターン41を形成する。その後、このレジストパターン41を用いて、第1のゲート絶縁膜3をエッチングする。エッチングガスに主として四フッ化炭素(CF4)を用いたドライエッチング法により、レジストパターンの下部のみに第1のゲート絶縁膜3を残す。その後、アッシングによりレジストパターン41を除去する。
Next, a process of processing the first
A resist
次に、図8を用いて第2のゲート絶縁膜形成工程を説明する。
図8に示すように、塩酸(HCL)と過酸化水素(H2O2)と純水(H2O)との混合液により表面を洗浄した後、温度が約900℃のO2とN2との分圧雰囲気で酸化を行い、膜厚が約8nmの第2のゲート絶縁膜4を全面に形成する。
Next, the second gate insulating film forming step will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 8, after cleaning the surface with a mixed solution of hydrochloric acid (HCL), hydrogen peroxide (H 2 O 2) and pure water (H 2 O), the temperature is about 900 ° C. in a partial pressure atmosphere of O 2 and N 2. Oxidation is performed to form a second
第1のゲート絶縁膜3は、その内部に窒化膜を有しており、この窒化膜が酸化防止膜として機能するため、半導体基板10の表面に第2のゲート絶縁膜4を設ける工程を経ても第1のゲート絶縁膜3の膜厚増加はほとんど発生しない。
また、本説明においては、半導体基板10をP型シリコン半導体としているため、素子分離膜11もシリコン酸化膜となっている。傾斜部23の第2のゲート絶縁膜4の形成に伴って、素子分離膜11の上部も酸化され、その膜厚も増えるが図示は省略する。
The first
In this description, since the
次に、図9を用いてゲート電極形成工程およびソース領域とドレイン領域との形成工程を説明する。
図9に示すように、反応ガスにモノシラン(SiH4)を用いた温度が約650℃の減圧CVD法により、第1のゲート電極7および第2のゲート電極8の構成材料である多結晶シリコンを350nmの膜厚で堆積する。
次に、第1のゲート電極7および第2のゲート電極8を所定の形状を有するように図示しないレジストパターンを形成する。
Next, a gate electrode formation step and a source region and drain region formation step will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 9, polycrystalline silicon, which is a constituent material of the
Next, a resist pattern (not shown) is formed so that the
特に第1のゲート電極7は、そのゲート幅方向(チャネル長方向ともいう)の端部をすでに説明した工程で形成している第1のゲート絶縁膜3より内側になるように形成する。
さらに、エッチングガスに主として塩素(Cl2)を用いたドライエッチングにより第1のゲート電極7を第1のゲート絶縁膜3の上部の所定の位置に形成すると同時に、第2のゲート電極8を第2のゲート絶縁膜4の上部の所定の位置に形成する。その後、アッシングにより図示しないレジストパターンを除去する。
In particular, the
Further, the
引き続き、砒素(As)をイオン注入エネルギー70KeV、ドーズ量3×1015atoms/cm2の条件でイオン注入を行い、N型のソース領域22とドレイン領域21a,21bとの元になる領域を形成する。
その後、温度が約900℃のN2雰囲気でアニールし、ソース領域22とドレイン領域21a,21bとを活性化することにより半導体装置が完成する。
Subsequently, arsenic (As) is ion-implanted under the conditions of an ion implantation energy of 70 KeV and a dose of 3 × 10 15 atoms / cm 2, thereby forming a region serving as a base for the N-
Thereafter, annealing is performed in an N 2 atmosphere at a temperature of about 900 ° C., and the
[製造方法の説明2:図10]
以上、説明した製造方法は、図1に示す本発明の第1の実施形態の構造を例にしているが、次に、図2に示す本発明の第2の実施形態の構造の製造方法も例示しておく。なお、図10は、図2(b)と同一の端面の様子を示すものである。また、既に説明した製造方法と異なる部分である、第2のゲート絶縁膜4の形成工程のみを説明する。
[Description of Manufacturing Method 2: FIG. 10]
The manufacturing method described above takes the structure of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 as an example. Next, the method of manufacturing the structure of the second embodiment of the present invention shown in FIG. Let me illustrate. FIG. 10 shows the same end face as in FIG. In addition, only the step of forming the second
図10は、第1のゲート絶縁膜3を素子領域9に形成した後、第2のゲート絶縁膜4を形成する工程を示す断面図である。
図10に示すように、塩酸(HCL)と過酸化水素(H2O2)と純水(H2O)との混合液により表面を洗浄した後、温度が約900℃のO2とN2との分圧雰囲気で酸化を行い、膜厚が約8nmの第2のゲート絶縁膜4を全面に形成する。
第1の絶縁膜3は、その内部に窒化膜を有しており、この窒化膜が酸化防止膜として機能するため、半導体基板10の表面に第2の絶縁膜4を設ける工程を経ても第1の絶縁膜3の膜厚増加はほとんど発生しない。
また、本説明においても、半導体基板10をP型シリコン半導体としているため、素子分離膜11もシリコン酸化膜となっている。傾斜部23の第2のゲート絶縁膜4の形成に伴って、素子分離膜11の上部も酸化され、その膜厚も増えるが図示は省略する。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a process of forming the second
As shown in FIG. 10, after cleaning the surface with a mixed solution of hydrochloric acid (HCL), hydrogen peroxide (H 2 O 2) and pure water (H 2 O), the temperature is about 900 ° C. in a partial pressure atmosphere of O 2 and N 2. Oxidation is performed to form a second
The first
Also in this description, since the
傾斜部23の上部に第2のゲート絶縁膜4を形成する半導体装置の製造方法は、傾斜部23の上部に絶縁膜を残すためのエッチング工程が不要であり、第2のゲート絶縁膜4と第2のゲート電極8の重ね合わせの余裕度が向上し、合わせずれによるゲートリーク電流も防止することができる。
The manufacturing method of the semiconductor device in which the second
以上、説明した製造方法は、一例であって、これに限定するものではない。また、説明を省略した本発明の第3の実施形態および第4の実施形態の製造方法も、説明した製造方法を応用することで、これらの実施形態の構成を実現することができる。 The manufacturing method described above is an example, and the present invention is not limited to this. Also, the manufacturing methods of the third embodiment and the fourth embodiment of the present invention, whose descriptions are omitted, can be realized by applying the manufacturing methods described above.
第3の実施形態は、ドレイン領域21a,21bとソース領域22との上部に第2のゲート絶縁膜4を設けている。これは、第2のゲート絶縁膜4を所定の領域に対して選択的に設けるものであるから、すでに説明したように成膜とエッチング除去とを用いる製造方法で簡単に形成することができる。
第4の実施形態は、傾斜部23の上部に第1のゲート絶縁膜3と第2のゲート絶縁膜4とは異なる絶縁膜を形成するものである。この上部絶縁膜5は、膜厚を自由に選択することができる。この実施形態においても、第3の実施形態と同様に、成膜とエッチング除去とを用いる製造方法で簡単に形成することができる。
In the third embodiment, the second
In the fourth embodiment, an insulating film different from the first
本発明の半導体装置は、異なる素子構造のトランジスタを混載してもリーク電流が発生しない。したがって、高い信頼性が要求される電子機器に搭載する半導体装置に好適である。 In the semiconductor device of the present invention, no leakage current is generated even when transistors having different element structures are mixedly mounted. Therefore, it is suitable for a semiconductor device mounted on an electronic device that requires high reliability.
3 第1のゲート絶縁膜
4 第2のゲート絶縁膜
5 上部絶縁膜
7 第1のゲート電極
8 第2のゲート電極
9 素子領域
10 半導体基板
11 素子分離膜
21a、21b ドレイン領域
22 ソース領域
23 傾斜部
70 MONOS型メモリトランジスタ
80 MOS型アドレストランジスタ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記素子領域に第1のMIS型トランジスタと第2のMIS型トランジスタとを設ける半導体装置において、
前記傾斜部の上部に、前記第1のMIS型トランジスタを構成する第1のゲート絶縁膜または前記第2のMIS型トランジスタを構成する第2のゲート絶縁膜を設けることを特徴とする半導体装置。 An element region is selectively provided on the surface of the semiconductor substrate, and an element isolation film is provided on the surface of the semiconductor substrate so as to surround the element region with an inclined portion around the element region.
In a semiconductor device in which a first MIS transistor and a second MIS transistor are provided in the element region,
A semiconductor device, wherein a first gate insulating film constituting the first MIS transistor or a second gate insulating film constituting the second MIS transistor is provided on the inclined portion.
前記ゲート電極同士に挟まれる領域を共通領域とし、
前記共通領域を、それぞれのMIS型トランジスタのソース領域またはドレイン領域とすることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の半導体装置。 The MIS transistors are arranged so that the gate electrodes constituting the first MIS transistors face each other.
A region sandwiched between the gate electrodes is a common region,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the common region is a source region or a drain region of each MIS transistor.
前記第2のMIS型トランジスタは、前記第1のMIS型トランジスタを制御するアドレストランジスタであり、前記第2のゲート絶縁膜は、単層膜であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の半導体装置。 The first MIS transistor is a memory transistor, and the first gate insulating film is a stacked film in which a plurality of insulating films including an insulating film having a role of accumulating charges are stacked.
6. The method according to claim 1, wherein the second MIS transistor is an address transistor that controls the first MIS transistor, and the second gate insulating film is a single layer film. The semiconductor device as described in any one.
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