説明

半導体装置及びその製造方法

【課題】隣接セル間のキャパシタ容量を小さくし、隣接セル間干渉を抑制する。
【解決手段】本発明の半導体装置は、半導体基板2と、半導体基板2の上に形成されたゲート絶縁膜8と、ゲート絶縁膜8上に形成された浮遊ゲート電極9と、半導体基板2の表面に形成された素子分離溝3と、素子分離溝3内に埋め込まれた下部と、半導体基板2の表面から上方に突出した上部とからなる素子分離絶縁膜5とを有し、素子分離絶縁膜5内には上部から下部にわたり空洞部が形成されたものである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フラッシュメモリ装置などに好適するものであって、微細化が進んだときに、隣接セル間干渉を抑制することが可能な半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、フラッシュメモリ装置などの半導体装置は、微細な素子分離構造を形成するためSTI(Shallow Trench Isolation)による素子分離構造を採用している。このSTI構造では、半導体基板の表面に細長い素子分離溝を形成し当該素子分離溝内に素子分離用の絶縁膜を形成することで素子領域を分離するように構成している。近年、半導体装置は大容量化への需要拡大に伴い、トランジスタやセル構造の微細化が急速に進められている。その中でセル配線ピッチが狭くなることによる隣接セル間の影響は、微細化が進むにつれて大きな課題の一つになっている。そこで、隣接セル間干渉を抑制する、即ち、隣接セル間のキャパシタ容量を小さくするために、素子間を空間、即ち、エアギャップで絶縁するようにした構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
この特許文献1に開示されている構成においては、素子分離溝内に埋め込まれたシリコン酸化膜内にエアギャップを設けている。この構成の場合、エアギャップの上端部の位置は、シリコン基板の活性領域の上面の位置とほほ同じ位置になっている。上記特許文献1が出願された頃は、微細化が今ほど進んでいないので、上記構成のエアギャップで隣接セル間干渉を十分抑制することができた。しかし、微細化が更に進むと、上記構成のエアギャップでは、隣接セル間干渉を十分抑制することができないという問題点が発生する。
【特許文献1】特開2001−15616号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、隣接セル間のキャパシタ容量を小さくし、隣接セル間干渉を抑制することができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の半導体装置は、表面に素子分離溝が形成され、前記素子分離溝により素子領域が区画形成された半導体基板と、前記半導体基板の前記素子領域上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された浮遊ゲート電極と、前記素子分離溝内に埋め込まれた下部および前記半導体基板の表面から突出した上部からなる素子分離絶縁膜であって、前記上部は前記浮遊ゲート電極の側面に接触した側面部と、前記半導体基板からの高さが前記浮遊ゲート電極の上面の高さより低い上面部とを有した素子分離絶縁膜とを具備し、前記素子分離絶縁膜内には前記下部から前記上部にわたり空洞部が形成されたところに特徴を有する。
【0006】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、前記多結晶シリコン膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、前記シリコン窒化膜、前記多結晶シリコン膜、前記ゲート絶縁膜および前記半導体基板をエッチングして素子分離溝を形成する工程と、前記素子分離溝内に、上端部が前記半導体基板の活性領域の上面の位置よりも上方へ突出して前記多結晶シリコン膜間に配置されるように第1の素子分離絶縁膜を形成する工程と、前記多結晶シリコン膜の側面にシリコン膜を前記素子分離溝内へ突出するように形成する工程と、前記シリコン膜をマスク材として前記第1の素子分離絶縁膜をエッチングして、前記第1の素子分離絶縁膜に溝部を形成する工程と、前記溝部が埋まらない成膜条件で、前記第1の素子分離絶縁膜上に第2の素子分離絶縁膜を形成する工程とを備えたところに特徴を有する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、隣接セル間のキャパシタ容量を小さくすることができて、隣接セル間干渉を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
(第1の実施形態)
以下、本発明をNAND型のフラッシュメモリ装置に適用した第1の実施形態について、図1ないし図12を参照しながら説明する。尚、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、本実施形態に係る特徴部分を中心に示すもので、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。
【0009】
まず、本実施形態に係るNAND型フラッシュメモリ装置の電気的構成を説明する。フラッシュメモリ装置は、メモリセルアレイが構成されるメモリセル領域と、当該メモリセルアレイを駆動するための周辺回路が構成された周辺回路領域とに区画されている。尚、本実施形態においては、両領域内の特徴的な構造が同一部分であるため、以下の説明では、メモリセル領域内の構造について主として説明を行う。図1は、NAND型のフラッシュメモリ装置のメモリセル領域内のメモリセルアレイの一部の等価回路図である。
【0010】
NAND型フラッシュメモリ装置1のメモリセルアレイArは、2個の選択ゲートトランジスタTrs1、Trs2間に対して直列接続された複数個(例えば32個)のメモリセルトランジスタTrmとからなるNANDセルユニットSuが行列状に形成されることにより構成されている。
【0011】
NANDセルユニットSu内において、複数個のメモリセルトランジスタTrmは、隣接するもの同士でソース/ドレイン領域を共用して形成されている。図1中X方向(ワード線方向、ゲート幅方向に相当)に配列されたメモリセルトランジスタTrmは、ワード線(制御ゲート線)WLにより共通接続されている。
【0012】
また、図1中X方向に配列された選択ゲートトランジスタTrs1は、選択ゲート線SGL1で共通接続され、選択ゲートトランジスタTrs2は選択ゲート線SGL2で共通接続されている。選択ゲートトランジスタTrs1のドレイン領域にはビット線コンタクトCB(図2参照)が接続されている。このビット線コンタクトCBは図1中X方向に直交するY方向(ゲート長方向、ビット線方向に相当)に延びるビット線BLに接続されている。また、選択ゲートトランジスタTrs2はソース領域を介してソース線SLに接続されている。
【0013】
図2はメモリセル領域の一部のレイアウトパターンを示す平面図である。図2に示すように、メモリセル領域Mには、STI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離領域Sbが図2中Y方向に沿って形成されている。この素子分離領域Sbは、X方向に所定間隔で複数本並設されており、これにより素子領域(活性領域:アクティブエリア)Saが図2中のY方向に沿って形成されX方向に複数に区画形成されている。
【0014】
ワード線WLは、素子領域Saに交差してX方向に沿って形成されており、Y方向に離間して複数本形成されている。また、選択ゲートトランジスタのゲート電極SGを接続するための選択ゲート線SGL1が図2中X方向に沿って形成されている。これらの選択ゲート線SGL1は、Y方向に一対形成されており、当該一対の選択ゲート線SGL1間に位置した複数の素子領域Sa上にはビット線コンタクトCBがそれぞれ形成されている。
【0015】
ワード線WLと交差する素子領域Sa上にはメモリセルトランジスタのゲート電極MGが形成されている。選択ゲート線SGL1と交差する素子領域Sa上には選択ゲートトランジスタのゲート電極SGが構成されている。
【0016】
図3は、各メモリセルのワード線方向(チャネル幅方向)に沿う断面図(図2中のA−A線に沿う断面図)を模式的に示しており、メモリセルトランジスタのゲート電極MGを中心に示している。この図3に示すように、シリコン基板(半導体基板)2の上部には素子分離溝3が複数形成されており、複数の素子領域Saを図2に示すX方向に分離している。素子分離溝3により区画形成されたシリコン基板2の素子領域Sa上には、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜(トンネル絶縁膜)8、浮遊ゲート電極FGとしての多結晶シリコン膜9が形成されている。また、素子分離領域Sbには素子分離絶縁膜4が形成されている。この素子分離絶縁膜4は素子分離溝3内に埋め込まれた下部と、シリコン基板2の素子領域(活性領域)Saの表面から上方に突出した上部から構成されている。シリコン基板2から突出した素子分離絶縁膜4の上部は、その側面が素子分離絶縁膜4に隣接してシリコン基板2の素子領域Sa上に形成された浮遊ゲート電極FGの側面と接触しており、かつ、シリコン基板2に対する上面の高さが浮遊ゲート電極FGの上面の高さより低くなるよう形成されている。
【0017】
また、素子分離絶縁膜4は、素子分離溝3の内部および浮遊ゲート電極FGの側面間に埋め込まれた本体部であるシリコン酸化膜5と、このシリコン酸化膜5の上に高密度プラズマCVD(HDP−CVD)法により形成された蓋部であるシリコン酸化膜(HDP膜)6とから構成されている。上記シリコン酸化膜5は、塗布型絶縁膜(例えばポリシラザン膜)で構成されている。上記シリコン酸化膜5には、その上面からシリコン基板2の表面から所定距離下方の位置にかけて溝部7が形成されている。シリコン酸化膜6がこの溝部7内を埋め込まないように形成されることで、素子分離絶縁膜4中に空洞部(エアギャップ)7が形成されている。このエアギャップ7は、素子分離溝3の側面間及び浮遊ゲート電極FGの側面間に位置するように配設されている。エアギャップ7の上端部は、浮遊ゲート電極FGの下端面と上端面との間、即ち、浮遊ゲート電極FGの側面の中間部分に位置するように構成されている。
【0018】
多結晶シリコン膜9上および素子分離絶縁膜4上には、ONO(Oxide-Nitride-Oxide)膜からなるインターポリ絶縁膜(導電層間絶縁膜)10、制御ゲート電極CGとしての多結晶シリコン膜11が積層形成されている。尚、多結晶シリコン膜11の上に、必要に応じて金属シリサイド膜(図示しない)を積層形成することが好ましい。なお、ゲート絶縁膜8は、シリコン基板2を熱酸化処理することにより形成され、多結晶シリコン膜9、11には、リン等の不純物がドープされている。
【0019】
次に、上記構造に係る製造方法について、図4ないし図12をも参照しながら説明する。尚、図4ないし図12中の(a)は、メモリセル領域Mの製造工程の一段階における縦断面図を模式的に示しており、図4ないし図12中の(b)は、周辺回路領域Pの製造工程の一段階における縦断面図を模式的に示している。メモリセル領域Mと周辺回路領域Pの各構造要素間の違いは、トランジスタのゲート幅、ゲート長、ゲート絶縁膜(シリコン酸化膜)8の膜厚の違いのみであるため、メモリセル領域Mの構造の製造方法を主に説明する。
【0020】
尚、以下の説明では、本実施形態に係る特徴部分を中心に説明するが、本発明では以下に説明する工程のうち何れかを必要に応じて省いても良いし、図示しないその他の部分を構成するのに必要な工程があれば付加しても良い。
【0021】
まず、図4に示すように、シリコン基板2にウエル、チャネル領域形成のためイオン注入を行なった後、シリコン基板2を熱酸化処理して該シリコン基板2の表面上に高電圧トランジスタ用のゲート絶縁膜(シリコン酸化膜)12を例えば35nm形成する。続いて、メモリセル領域(セルアレイ部)M及び、低電圧トランジスタ領域のみ選択的にシリコン酸化膜12を除去した後、ゲート絶縁膜(トンネル絶縁膜、シリコン酸化膜)8を例えば8nm形成することで、ゲート絶縁膜厚を作り分ける。その後、浮遊ゲート電極FGとして多結晶シリコン膜9を例えば100nm程度堆積する。
【0022】
次に、シリコン窒化膜13をマスク材にして、周知のリソグラフィー法及び反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法を用いて素子分離領域(STI:Shallow Trench Isolation)Sbを形成するための素子分離溝3をパターニングする(図5参照)。この後、図6に示すように、素子分離溝3内にシリコン酸化膜5を充填して埋め込み、化学機械的研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法により平坦化する。尚、上記埋め込むシリコン酸化膜5は、例えば塗布型絶縁膜(ポリシラザン膜)で構成することが好ましい。そして、平坦化した後、後述するエアギャップの上端部の位置を調整する目的で、素子分離溝3内のシリコン酸化膜5をエッチバッグする。
【0023】
また、素子分離溝3形成に用いたシリコン窒化膜13は、後の工程においてシリコン膜14のエッチバック用マスク材及びCMPのストッパー材として使用するために残しておく。
【0024】
次に、図7に示すように、露出した浮遊ゲート電極FG(多結晶シリコン膜9)の側面を選択エピタキシャル成長(SEG:Selective Epitaxial Growth)させて、シリコン膜14を素子分離溝3内、即ち、シリコン酸化膜5上に突出させる。この場合、シリコン膜14の成長量、即ち、横方向への突出寸法により、後述するエアギャップの上端部の開口寸法(図8中の左右方向の寸法)を調整する。
【0025】
続いて、図8に示すように、上記成長させたシリコン膜14をマスク材として、素子分離溝3内のシリコン酸化膜5にエアギャップとなる空間部分をRIE法によりエッチングし、溝部7を形成する。このときのエッチング量により、エアギャップ領域の深さを調整することができる。
【0026】
次に、図9に示すように、素子分離溝3内のシリコン酸化膜5上にマスク材として突出したシリコン膜14をRIE法により除去する。その後、図10に示すように、高アスペクトな溝部7の空間部分が埋まらない程度の成膜条件で、浮遊ゲート電極FG(多結晶シリコン膜9)間及びシリコン窒化膜13間をシリコン酸化膜6で埋め戻し、空洞部(エアギャップ)7を形成する。この場合、上記シリコン酸化膜6を、高密度プラズマCVD(HDP−CVD)法により形成されたシリコン酸化膜(HDP酸化膜)で構成すると、溝部7の空間部分が埋まることがない。
【0027】
この後、図11に示すように、上記埋め戻したシリコン酸化膜6をCMP法にて平坦化した後、セルのカップリング比を調整する目的で、素子分離溝3内のシリコン酸化膜6を再エッチバッグする。これにより、本体部であるシリコン酸化膜5と蓋部であるシリコン酸化膜6からなる素子分離絶縁膜4が形成される。続いて、シリコン窒化膜13を除去する。次いで、図12に示すように、例えばONO膜からなるインターポリ絶縁膜10を堆積する。この後、図3に示すように、インターポリ絶縁膜10上に多結晶シリコン膜11を形成して積層ゲート電極を形成する。
【0028】
このような構成の本実施形態によれば、素子分離溝3内に埋め込んだシリコン酸化膜5に設けたエアギャップ7の上端部の位置を、シリコン基板2の活性領域(素子領域Sa)の上面の位置よりも上方へ突出させて多結晶シリコン膜9(浮遊ゲート電極FG)の側面の中間部分の間に配置するように構成したので、浮遊ゲート電極FG間のキャパシタ容量を小さくできる。これにより、従来構成に比べて、隣接セル間のキャパシタ容量をより一層小さくすることができるため、微細化が更に進んだときでも隣接セル間干渉を抑制することができる。
【0029】
また、上記実施形態においては、シリコン酸化膜5にエアギャップ7を形成する際に、多結晶シリコン膜9の側面に素子分離溝3内方向へ突出させるように形成したシリコン膜14を、マスク材として利用するように構成したので、エアギャップ7を形成する構成を容易に実現することができる。また、上記実施形態では、シリコン酸化膜5のエッチバック量で、エアギャップ7の高さ、即ち、上端部の位置を調整することができる。
【0030】
(第2の実施形態)
図13ないし図15は、本発明の第2の実施形態を示すもので、第1の実施形態と異なるところは、溝部7を形成する際のマスク材の形成方法にある。尚、第1の実施形態と同一部分については同一符号を付している。また、第1の実施形態に示す製造工程のうち、図4から図6までの工程は、第2の実施形態においても同じである。第2の実施形態では、図6に示す工程を実行した後、図13に示す工程へ進む。
【0031】
即ち、素子分離溝3内のシリコン酸化膜5をエッチバッグした後、図13に示すように、LP−CVD法などでシリコン膜15を堆積する。この後、図14に示すように、シリコン膜15をエッチバックすることにより、シリコン窒化膜13及び多結晶シリコン膜9の側面部にスペーサ(側壁)16を形成する。このスペーサ16は、素子分離溝3内、即ち、シリコン酸化膜5上に突出しており、上記スペーサ16をエアギャップ加工時のマスク材とする。この場合、スペーサ16の素子分離溝3内への突出寸法、即ち、シリコン膜15の堆積量(膜厚)により、エアギャップ7の上端部の開口寸法(図15中の左右方向の寸法)を調整できる。
【0032】
次に、図15に示すように、上記スペーサ16をマスク材として、素子分離溝3内のシリコン酸化膜5にエアギャップ7となる空間部分をRIE法によりエッチングし、溝部7を形成する。このときのエッチング量により、エアギャップ領域の深さを調整することができる。続いて、素子分離溝3内のシリコン酸化膜5上にマスク材として突出したスペーサ16をRIE法により除去する。この後は、第1の実施形態の図10に示す工程へ進み、以下、第1の実施形態と同じ製造工程が実行される。
【0033】
尚、上述した以外の第2の実施形態の構成は、第1の実施形態と同じ構成となっている。従って、第2の実施形態においても、第1の実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0034】
(他の実施形態)
本発明は、上記各実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
【0035】
上記各実施形態では、図11に示す工程において、埋め戻したシリコン酸化膜6をCMP法にて平坦化した後、素子分離溝3内のシリコン酸化膜6を再エッチバッグし、その後、シリコン窒化膜13を除去するように構成したが、これに代えて、埋め戻したシリコン酸化膜6をCMP法にて平坦化した後、シリコン窒化膜13を除去し、その後、素子分離溝3内のシリコン酸化膜6を再エッチバッグするように構成しても良い。
【0036】
また、上記各実施形態では、本発明をNAND型のフラッシュメモリ装置1に適用したが、その他のNOR型のフラッシュメモリ装置に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明の第1の実施形態を示すメモリセル領域の一部の電気的構成図
【図2】メモリセル領域の一部のレイアウトパターンを模式的に示す平面図
【図3】図2中のA−A線に沿う縦断面を模式的に示す図
【図4】製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その1)
【図5】製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その2)
【図6】製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その3)
【図7】製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その4)
【図8】製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その5)
【図9】製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その6)
【図10】製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その7)
【図11】製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その8)
【図12】製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その9)
【図13】本発明の第2の実施形態を示すもので、製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その10)
【図14】製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その11)
【図15】製造工程の一段階を模式的に示す縦断面図(その12)
【符号の説明】
【0038】
図面中、1はNAND型フラッシュメモリ装置(半導体装置)、2はシリコン基板(半導体基板)、3は素子分離溝、4は素子分離絶縁膜、5はシリコン酸化膜、6はシリコン酸化膜、7は空洞部(溝部)、8はゲート絶縁膜、9は多結晶シリコン膜、10はインターポリ絶縁膜、11は多結晶シリコン膜、14はシリコン膜、15はシリコン膜を示す。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
表面に素子分離溝が形成され、前記素子分離溝により素子領域が区画形成された半導体基板と、
前記半導体基板の前記素子領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成された浮遊ゲート電極と、
前記素子分離溝内に埋め込まれた下部および前記半導体基板の表面から突出した上部からなる素子分離絶縁膜であって、前記上部は前記浮遊ゲート電極の側面に接触した側面部と、前記半導体基板からの高さが前記浮遊ゲート電極の上面の高さより低い上面部とを有した素子分離絶縁膜とを具備し、
前記素子分離絶縁膜内には前記下部から前記上部にわたり空洞部が形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
前記素子分離絶縁膜は、溝部が形成された本体部及び前記本体部上に形成された蓋部からなり、前記空洞部は前記溝部が前記蓋部で覆われることにより形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項3】
前記蓋部上および前記浮遊ゲート電極上に形成された電極間絶縁膜と、前記電極間絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを更に有することを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
【請求項4】
半導体基板の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、
前記シリコン窒化膜、前記多結晶シリコン膜、前記ゲート絶縁膜および前記半導体基板をエッチングして素子分離溝を形成する工程と、
前記素子分離溝内に、上端部が前記半導体基板の活性領域の上面の位置よりも上方へ突出して前記多結晶シリコン膜間に配置されるように第1の素子分離絶縁膜を形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜の側面にシリコン膜を前記素子分離溝内へ突出するように形成する工程と、
前記シリコン膜をマスク材として前記第1の素子分離絶縁膜をエッチングして、前記第1の素子分離絶縁膜に溝部を形成する工程と、
前記溝部が埋まらない成膜条件で、前記第1の素子分離絶縁膜上に第2の素子分離絶縁膜を形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項5】
半導体基板の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、
前記シリコン窒化膜、前記多結晶シリコン膜、前記ゲート絶縁膜および前記半導体基板をエッチングして素子分離溝を形成する工程と、
前記素子分離溝内に、上端部が前記半導体基板の活性領域の上面の位置よりも上方へ突出して前記多結晶シリコン膜間に配置されるように第1の素子分離絶縁膜を形成する工程と、
前記シリコン窒化膜及び前記多結晶シリコン膜の側面にシリコン膜を前記素子分離溝内へ突出するように形成する工程と、
前記シリコン膜をマスク材として前記第1の素子分離絶縁膜をエッチングして、前記第1の素子分離絶縁膜に溝部を形成する工程と、
前記溝部が埋まらない成膜条件で前記第1の素子分離絶縁膜上に第2の素子分離絶縁膜を形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【公開番号】特開2009−267208(P2009−267208A)
【公開日】平成21年11月12日(2009.11.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−116909(P2008−116909)
【出願日】平成20年4月28日(2008.4.28)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【出願人】(598082433)中部東芝エンジニアリング株式会社 (19)
【Fターム(参考)】