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JP3369043B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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JP3369043B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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JP3369043B2
JP3369043B2 JP10911696A JP10911696A JP3369043B2 JP 3369043 B2 JP3369043 B2 JP 3369043B2 JP 10911696 A JP10911696 A JP 10911696A JP 10911696 A JP10911696 A JP 10911696A JP 3369043 B2 JP3369043 B2 JP 3369043B2
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film
polysilicon
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oxide film
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裕幸 橋上
雅昭 吉田
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】この発明は、2層ポリシリコ
ン構造の容量素子あるいは2層ポリシリコン構造の不揮
発性メモリなどの半導体装置の製造方法に関する。 【0002】 【従来の技術】2層ポリシリコンの層間膜として、シリ
コン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜を積層し
た、いわゆるONO(Oxide/Nitride/O
xide)複合絶縁膜を有する2層ポリシリコン構造の
容量素子を含む半導体装置、あるいは浮遊ゲートを有す
る2層ポリシリコン構造の不揮発性メモリを含む半導体
装置の製造方法においては、プロセスを簡易化するため
に2層ポリシリコン素子の上部電極と周辺トランジスタ
のゲート電極を同層のポリシリコンで形成する場合が多
い。 【0003】上記のようなプロセス(以下、2層ポリシ
リコンプロセスと称す。)においては、ONO複合絶縁
膜のトップ酸化膜と周辺トランジスタのゲート酸化膜を
同時に熱酸化によって形成している。 【0004】ところで、不揮発性メモリの場合、IEE
E Trasactions onElectron
Devices Vol.2 February 19
91の386頁から391頁の「ONO Inter−
poly Dielectric Scaling f
or Nonvolatile Memory App
lications」に記載されているように、データ
保持特性を確保するためにはONO複合絶縁膜のトップ
酸化膜は最低30Åは必要だとされている。 【0005】一方、近年の素子の微細化、高速化によ
り、ゲート酸化膜はますます薄膜化及び低温酸化の傾向
が進んでいる。このため、上記2層ポリシリコンプロセ
スでは、同時に形成されるONO複合絶縁膜のシリコン
窒化膜上のトップ酸化膜は十分な膜厚が確保できず、2
層ポリシリコン間のリーク特性が劣化し、容量素子特性
や不揮発性メモリのデータ保持特性を著しく低下させる
という問題がある。 【0006】また、あらかじめ熱酸化により十分な膜厚
のONO複合絶縁膜のトップ酸化膜を形成した後、周辺
トランジスタのゲート酸化膜を形成したとしてもゲート
酸化前の基板洗浄プロセスによりONO複合絶縁膜のト
ップ酸化膜はほとんどエッチングされてしまい、その後
のゲート酸化では結局十分な膜厚のONO複合絶縁膜の
トップ酸化膜は得られない。 【0007】上記問題を避けるには、形成したONO複
合絶縁膜上を2層ポリシリコン素子の上部電極ポリシリ
コンで覆った後、周辺トランジスタのゲート電極である
3層目のポリシリコンを形成する方法(以下、3層ポリ
シリコンプロセスと称す。)がある。 【0008】しかしながら、この3層ポリシリコンプロ
セスの場合、製造工数の増大だけでなく、表面を酸化さ
れたポリシリコン膜の微細エッチング加工が困難な事や
周辺トランジスタのゲート酸化前に2層ポリシリコン素
子を微細加工してしまう場合においても、3層目のポリ
シリコン電極形成の熱処理が既形成の2層ポリシリコン
素子特性に悪影響を及ぼすという問題がある。 【0009】また、特開平6−232414号公報に
は、十分な膜厚の最上層酸化膜を有する半導体装置を製
造する方法として、通常、半導体の製造プロセスでは行
われていないが、2層ポリシリコン素子の上部電極を形
成する前に洗浄し、その際のONOのトップ酸化膜の目
減り分を見越してシリコン窒化膜上の熱酸化膜の上に更
にCVDシリコン酸化膜を形成する方法が提案されてい
る。 【0010】しかしながら、この方法では、洗浄で目減
りする酸化膜厚の制御が困難でONO複合絶縁膜のトッ
プ酸化膜上のCVD酸化膜を十分厚く設定する必要があ
り、しかもその膜厚はウェハ面内で大きくバラつくこと
は避けられない。従って、所望の2層ポリシリコン間の
容量が得られなかったり、容量特性が大きくバラつくと
いう問題がある。 【0011】また、耐圧やリーク電流特性の悪化しない
構造の2層ポリシリコン容量を含む半導体装置を製造す
る方法が特開平5−291499号公報に開示されてい
る。 【0012】この方法は、2層ポリシリコン素子容量に
おいて、下層ポリシリコンのグレイン成長によるポリシ
リコンと酸化膜界面のアスピリティの増大が2層ポリシ
リコン素子容量の耐圧やリーク電流特性を劣化させると
いう問題を解決するものであり、このために層間絶縁膜
を窒化膜一酸化膜(NO構造)にしている。 【0013】しかしながら、この方法では、シリコン窒
化膜上のシリコン酸化膜を熱酸化で形成すると下層ポリ
シリコンとシリコン窒化膜界面に重大な悪影響を及ぼ
す。そこで、シリコン窒化膜上にポリシリコン膜をCV
Dで形成し、その後熱酸化で酸化膜に変換することで上
記界面への悪影響を低減するというものである。 【0014】このように、上記層間絶縁膜構造をとるた
めには、シリコン窒化膜を熱酸化できず、副次的にシリ
コン窒化膜上のシリコン酸化膜をポリシリコン膜の熱酸
化でシリコン酸化膜に変換しているもので、しかもその
ポリシリコン膜はなるべく薄い方がよいとしており、2
層ポリシリコンプロセスにおけるトップ酸化膜の膜厚が
十分に取ることができないという上記問題点は解決され
ていない。 【0015】 【発明が解決しようとする課題】この発明は、上述した
従来の問題点を解消するためになされたものにして、2
層ポリシリコンプロセスのままで2層ポリシリコン素子
の特性及び信頼性の劣化を防止する半導体装置の製造方
法を提供するものである。 【0016】 【課題を解決するための手段】この発明は、層間膜とし
て複合絶縁膜を有する2層ポリシリコン素子領域を含む
半導体装置の製造方法において、絶縁下地上に低抵抗化
されたポリシリコンからなる第一の導電体を形成し、所
望の形状にパターニングする工程と、前記第一の導電体
上にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが積層された複
合絶縁膜層を形成する工程と、前記複合絶縁膜層上に
リシリコン層からなる保護膜層を形成する工程と、2層
ポリシリコン素子領域以外の領域を開口させるレジスト
パターンを形成し、該領域の前記保護膜層、前記複合絶
縁膜層及び前記第一の導電体を除去する工程と、2層ポ
リシリコン素子領域以外の活性領域の半導体基板表面を
露出させる工程と、露出した前記2層ポリシリコン素子
領域以外の活性領域の半導体基板表面を洗浄する工程
と、前記2層ポリシリコン素子領域以外の活性領域上に
ゲート酸化膜を形成し、且つ前記複合絶縁膜層上に形成
された保護層としてのポリシリコン層を完全に酸化しシ
リコン酸化膜とする工程と、低抵抗化されたポリシリコ
ンからなる第二の導電体を形成し、所望の形状にパター
ニングして前記2層ポリシリコン素子の上部電極と前記
2層ポリシリコン素子領域以外の領域のトランジスタの
ゲート電極を形成する工程と、を備えたことを特徴とす
る。 【0017】 【0018】 【0019】 【0020】上記したように、この発明は、ONO複合
絶縁膜上に基板洗浄プロセスのマスクとなるポリシリコ
ン膜を保護膜として形成し、その後周辺トランジスタの
ゲート酸化を行うことにより、2層ポリシリコンプロセ
スのままで2層ポリシリコン素子特性及び信頼性を劣化
させることなく半導体装置を製造できる。すなわち、こ
の発明では、保護膜により洗浄プロセスでONO複合絶
縁膜のトップ酸化膜は目減りせず、安定した所望の膜厚
に設定できる。また、2層ポリシリコン層間のONO膜
のトップ酸化膜として、保護膜として用いたポリシリコ
ン膜を周辺ゲート酸化時に完全に酸化された酸化膜を用
いることにより、熱酸化では得られない厚い膜厚のトッ
プ酸化膜が実現できる。従って2層ポリシリコン層間の
ONO膜のリーク特性、あるいは不揮発性メモリのデー
タ保持特性を更に向上することができる。さらに、シリ
コン窒化膜上の熱酸化という高温処理の時間が低減で
き、プロセスの低温化にも有利である。 【0021】 【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
き図面を参照して説明する。図1及び図2は、この発明
を不揮発性メモリに適用した場合の実施の形態を示す工
程別断面図である。 【0022】まず、既知の方法により、シリコン半導体
基板1上にNウェル領域10、Pウェル領域11を形成
後、選択的に素子分離領域にフィールド酸化膜2を形成
する(図1(a)参照)。 【0023】続いて、活性領域の基板1表面を露出さ
せ、基板洗浄後、膜厚100〜300Å程度のメモリ部
のゲート酸化膜3を形成する。このゲート酸化膜3は、
例えば、温度850〜950℃のウェット(WET)酸
化により形成される(図1(b)参照)。 【0024】次に、メモリの浮遊電極となる膜厚500
〜3000Å程度の第一のポリシリコン膜4をゲート酸
化膜2上に形成する。このポリシリコン膜4は、例え
ば、温度600〜800℃のCVD法により基板上に形
成され、リンなどの不純物を例えば、加速電圧30Ke
V、ドーズ量5E15程度の注入条件で導入するか、あ
るいは既知のリンガラスからの固相拡散により導入し、
低抵抗化する。更に、メモリ間の浮遊電極の分離のため
のパターニングを行う(図1(c)参照)。 【0025】更に、例えば、温度850〜1000℃の
ドライ(DRY)酸化により、ポリシリコン4表面に膜
厚100〜300Åのシリコン酸化膜を形成し、続け
て、例えば、温度700〜800℃のCVD法により、
シリコン窒化膜を形成し、このシリコン窒化膜を例え
ば、温度850〜1000℃のWET酸化により、膜厚
30〜50Åのシリコン酸化膜を形成して、ONO複合
絶縁膜5を形成する(図1(d)参照)。 【0026】次に、ONO複合絶縁膜5上に保護膜層と
して膜厚100〜1000Å程度のシリコン窒化膜6を
形成する。このシリコン窒化膜6は、前記と同様のCV
D法により、ONO複合絶縁膜5上に形成する(図1
(e)参照)。 【0027】続いて、周辺トランジスタ領域を開口させ
るレジストパターンを形成し、周辺トランジスタ領域の
上記図1(b)から図1(e)で示す工程で形成したシ
リコン窒化膜6、ONO複合絶縁膜5及び第一のポリシ
リコン膜4を除去し、全面エッチングにて周辺トランジ
スタ領域の活性領域の半導体基板1表面を露出させる
(図2(a)参照)。 【0028】そして、基板洗浄後、露出した基板1表面
に周辺トランジスタの膜厚100〜200Å程度のゲー
ト酸化膜7を形成する。このゲート酸化膜7は、例え
ば、温度850〜950℃のWET酸化により形成され
る(図2(b)参照)。 【0029】なお、この周辺トランジスタのゲート酸化
前の洗浄プロセス時において、ONO複合絶縁膜5のト
ップ酸化膜は保護膜としてのシリコン窒化膜6によって
覆われているので膜減りあるいは除去されることがな
い。 【0030】従って、このONO複合絶縁膜5上に形成
される2層目のポリシリコン膜とのデータ保持特性の劣
化を防止できる。 【0031】その後、メモリの制御電極及び周辺トラン
ジスタのゲート電極となる膜厚2000〜4000Å程
度の第二のポリシリコン膜8を基板1全面に形成する。
この第二のポリシリコン膜8は、例えば、温度600〜
800℃のCVD法により形成し、リンなどの不純物を
既知のリンガラスからの固相拡散により導入し、低抵抗
化する(図2(c)参照)。 【0032】続いて、2回の写真製版、エッチングによ
りメモリ部の2層ポリシリコンゲート及び周辺トランジ
スタのゲートを微細加工する(図2(d)参照)。 【0033】更に、既知の方法により、各トランジスタ
のソース、ドレイン領域を形成し、更に既知の配線工程
にて半導体装置を完成させる。 【0034】このように、この実施の形態においては、
工程数の少ない2層ポリシリコンプロセスにより不揮発
性メモリのデータ保持特性を劣化させることがない半導
体装置を製造することができる。 【0035】次に、この発明を2層ポリシリコン容量素
子を含む半導体装置に適用した場合の実施の形態につき
説明する。図3及び図4は、この発明を2層ポリシリコ
ン容量素子を含む半導体装置に適用した場合の実施の形
態を示す工程別断面図である。 【0036】まず、既知の方法により、シリコン半導体
基板1上にNウェル領域10、Pウェル領域11を形成
後、選択的に素子分離領域にフィールド酸化膜2を形成
する(図3(a)参照)。 【0037】続いて、容量素子の下部電極となる膜厚5
00〜3500Å程度の第一のポリシリコン膜14を形
成する。この第一のポリシリコン膜14は、例えば、温
度600〜800℃のCVD法により基板1全面に形成
し、リンなどの不純物を、例えば加速エネルギー30K
eV、ドーズ量5E15程度の注入条件で導入するか、
あるいは既知のリンガラスからの固相拡散により導入
し、低抵抗化する(図3(b)参照)。 【0038】更に、例えば、温度850〜1000℃の
DRY酸化により、ポリシリコン膜14表面に膜厚10
0〜300Åのシリコン酸化膜を形成し、続けて、例え
ば温度700〜800℃のCVD法により、シリコン酸
化膜上にシリコン窒化膜を形成し、これを例えば温度8
50〜1000℃のWET酸化により膜厚30〜50Å
のシリコン酸化膜を形成して、ONO複合絶縁膜15を
形成する(図3(c)参照)。 【0039】次に、ONO複合絶縁膜15上に保護膜と
して膜厚100〜1000Å程度のシリコン窒化膜16
を形成する。このシリコン窒化膜16は、前記と同様の
CVD法で形成する(第3図(d)参照)。 【0040】そして、写真製版、エッチングにより、周
辺トランジスタ領域の前記図3(b)から図3(d)で
示す工程で形成したポリシリコン膜14、ONO複合絶
縁膜15及びシリコン窒化膜16を除去し、基板1表面
を露出する。また同時に容量素子領域では所望の下部電
極形状に前記ポリシリコン膜14、ONO複合絶縁膜1
5及びシリコン窒化膜16をパターニングする(図4
(a)参照)。 【0041】続いて、基板洗浄後、例えば、温度850
〜950℃のWET酸化により、例えば膜厚100〜2
00Åの周辺トランジスタのゲート酸化膜17を形成す
る(図4(b)参照)。 【0042】なお、この周辺トランジスタのゲート酸化
前の洗浄プロセス時において、ONO複合絶縁膜15の
トップ酸化膜は保護膜としてのシリコン窒化膜16によ
って覆われているので膜減りあるいは除去されることが
ない。 【0043】従って、2層ポリシリコン容量素子の2層
ポリシリコン層間のONO膜のリーク特性の劣化が防止
できる。 【0044】次に、容量素子の上部電極及び周辺トラン
ジスタのゲート電極となる膜厚2000〜4000Å程
度の第二のポリシリコン膜18を形成する。この第二の
ポリシリコン膜18は、例えば、温度600〜800℃
のCVD法により形成し、リンなどの不純物を既知のリ
ンガラスからの固相拡散により導入し、低抵抗化する
(図4(c)参照)。 【0045】その後、写真製版、エッチングにより同時
に容量素子の上部電極及び周辺トランジスタゲートを微
細加工する(図4(d)参照)。 【0046】更に、既知の方法により各トランジスタの
ソース、ドレイン領域を形成、更に既知の配線工程にて
半導体装置を完成させる。 【0047】このように、この実施の形態においては、
工程数の少ない2層ポリシリコンプロセスにより2層ポ
リシリコン構造の容量素子のリーク電流特性を劣化させ
ることがない半導体装置を製造することができる。 【0048】また、上記した実施の形態においては、保
護膜として、シリコン窒化膜6、16を用いたが、保護
膜としてポリシリコン膜を用いても良い。ポリシリコン
膜をこの保護膜として用いると、このポリシリコン膜は
周辺トランジスタのゲート酸化時に一部あるいはすべて
酸化される。 【0049】保護膜としてシリコン窒化膜6、16から
ポリシリコン膜に変えた場合、複合絶縁膜5、15をシ
リコン酸化膜−シリコン窒化膜のON構造にしてもよ
く、その場合はポリシリコン膜が完全に酸化されて形成
されたシリコン酸化膜が窒化膜上の酸化膜、いわゆるト
ップ酸化膜の役目を果たし、最終的に2層ポリシリコン
間の複合絶縁膜はONO構造となる。 【0050】 【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、ポリシリコン層間膜としてONO複合絶縁膜を有す
る2層ポリシリコン構造の容量素子を含む半導体装置、
あるいは浮遊ゲートを有する2層ポリシリコン構造の不
揮発性メモリを含む半導体装置の製造方法において、周
辺トランジスタのゲート酸化前の洗浄プロセス時にON
Oトップ酸化膜は保護膜によって覆われているので膜減
りあるいは除去されることがなくなる。従って、容量素
子の2層ポリシリコン層間のONO膜のリーク特性、あ
るいは不揮発性メモリのデータ保持特性を劣化させるこ
となく、しかも工程数の少ない2層ポリシリコンプロセ
スで上記半導体装置を製造することができる。 【0051】また、2層ポリシリコン層間のONO膜の
トップ酸化膜として、保護膜として用いたポリシリコン
膜を周辺ゲート酸化時に完全に酸化された酸化膜を用い
ることにより熱酸化では得られない厚い膜厚のトップ酸
化膜が実現できる。従って2層ポリシリコン層間のON
O膜のリーク特性、あるいは不揮発性メモリのデータ保
持特性を更に向上することができる。さらに、シリコン
窒化膜上の熱酸化という高温処理の時間が低減でき、プ
ロセスの低温化にも有利である。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device such as a capacitor element having a two-layer polysilicon structure or a nonvolatile memory having a two-layer polysilicon structure. 2. Description of the Related Art A so-called ONO (Oxide / Nitride / O / O) in which a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film are stacked as an interlayer film of two-layer polysilicon.
xide) In a method of manufacturing a semiconductor device including a capacitor element having a two-layer polysilicon structure having a composite insulating film or a semiconductor device including a nonvolatile memory having a two-layer polysilicon structure having a floating gate, a process is simplified. In many cases, the upper electrode of a two-layer polysilicon element and the gate electrode of a peripheral transistor are formed of the same layer of polysilicon. In the above-described process (hereinafter, referred to as a two-layer polysilicon process), a top oxide film of an ONO composite insulating film and a gate oxide film of a peripheral transistor are simultaneously formed by thermal oxidation. Incidentally, in the case of a nonvolatile memory, the IEEE
E Transactions on Electron
Devices Vol. 2 February 19
91, pages 386 to 391, "ONO Inter-
poly Dielectric Scaling f
or Nonvolatile Memory App
As described in “lications”, the top oxide film of the ONO composite insulating film is required to be at least 30 ° in order to secure data retention characteristics. On the other hand, with the recent miniaturization and speeding up of elements, the gate oxide film has been increasingly thinned and oxidized at low temperatures. For this reason, in the above-mentioned two-layer polysilicon process, the top oxide film on the silicon nitride film of the ONO composite insulating film formed at the same time cannot secure a sufficient film thickness.
There is a problem that the leak characteristic between the layer polysilicons is deteriorated, and the capacitance element characteristic and the data retention characteristic of the nonvolatile memory are remarkably reduced. Further, even if a top oxide film of an ONO composite insulating film having a sufficient thickness is formed in advance by thermal oxidation, and then a gate oxide film of a peripheral transistor is formed, an ONO composite insulating film is formed by a substrate cleaning process before gate oxidation. Of the ONO composite insulating film having a sufficient thickness cannot be obtained by the subsequent gate oxidation. In order to avoid the above problem, a method of forming a third layer of polysilicon which is a gate electrode of a peripheral transistor after covering the formed ONO composite insulating film with an upper electrode polysilicon of a two-layer polysilicon element. (Hereinafter, referred to as a three-layer polysilicon process). However, in the case of the three-layer polysilicon process, not only the number of manufacturing steps is increased, but also it is difficult to perform fine etching of the oxidized surface of the polysilicon film, and the two-layer polysilicon process is performed before the gate oxidation of the peripheral transistor. Even when the element is finely processed, there is a problem that the heat treatment for forming the third-layer polysilicon electrode has a bad influence on the characteristics of the already formed two-layer polysilicon element. Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-232414 discloses a method of manufacturing a semiconductor device having an uppermost oxide film having a sufficient thickness, which is not usually performed in a semiconductor manufacturing process. A method has been proposed in which the silicon oxide film is cleaned before forming the upper electrode, and a CVD silicon oxide film is further formed on the thermal oxide film on the silicon nitride film in anticipation of the reduction in the top oxide film of ONO at that time. ing. However, in this method, it is difficult to control the thickness of the oxide film reduced by the cleaning, and it is necessary to set the CVD oxide film on the top oxide film of the ONO composite insulating film to be sufficiently thick. It is inevitable that there will be large variations within. Therefore, there is a problem in that a desired capacitance between the two-layer polysilicon cannot be obtained, or that the capacitance characteristics vary greatly. A method of manufacturing a semiconductor device including a two-layer polysilicon capacitor having a structure in which the breakdown voltage and the leakage current characteristics are not deteriorated is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-291499. This method has a problem that, in a two-layer polysilicon element capacitor, an increase in the aspirity at the interface between the polysilicon and the oxide film due to the grain growth of the lower layer polysilicon deteriorates the withstand voltage and leak current characteristics of the two-layer polysilicon element capacitor. Therefore, the interlayer insulating film is formed of a nitride film and a mono-oxide film (NO structure). However, in this method, when the silicon oxide film on the silicon nitride film is formed by thermal oxidation, the interface between the lower polysilicon and the silicon nitride film is seriously affected. Therefore, a polysilicon film is formed on the silicon nitride film by CV.
D is formed thereon, and then converted into an oxide film by thermal oxidation, thereby reducing the adverse effect on the interface. As described above, in order to obtain the above-mentioned interlayer insulating film structure, the silicon nitride film cannot be thermally oxidized, and the silicon oxide film on the silicon nitride film is secondarily formed by the thermal oxidation of the polysilicon film. The polysilicon film should be as thin as possible.
The above-mentioned problem that the thickness of the top oxide film in the layer polysilicon process cannot be sufficiently obtained has not been solved. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems.
It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device which prevents deterioration of characteristics and reliability of a two-layer polysilicon element in a single-layer polysilicon process. According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device including a two-layer polysilicon element region having a composite insulating film as an interlayer film. Forming a first conductor consisting of, patterning a desired shape, and forming a composite insulating film layer in which a silicon oxide film and a silicon nitride film are laminated on the first conductor, port on the composite insulating film layer
Forming a coercive Mamorumaku layer consisting Rishirikon layer, the area other than the two-layer polycrystalline silicon device area to form a resist pattern to be opened, the protective film layer of the region, the composite insulating layer and said first Removing the conductor, exposing the semiconductor substrate surface in the active region other than the two-layer polysilicon element region, and cleaning the exposed semiconductor substrate surface in the active region other than the two-layer polysilicon element region Forming a gate oxide film on an active region other than the two-layer polysilicon element region , and forming a gate oxide film on the composite insulating film layer
Completely protected polysilicon layer as a protective layer
A step of forming a silicon oxide film , forming a second conductor made of low-resistance polysilicon, patterning it into a desired shape, and forming an upper electrode of the two-layer polysilicon element and the two-layer polysilicon element region Forming a gate electrode of the transistor in a region other than the other region. As described above, according to the present invention, a polysilicon is used as a mask for a substrate cleaning process on an ONO composite insulating film.
The emission layer is formed as a coercive Mamorumaku, followed by performing gate oxidation of the peripheral transistors, can manufacture the semiconductor device without degrading the double-layer polycrystalline silicon device characteristics and reliability remain double-layer polycrystalline silicon process. That is, in the present invention, the top oxide film of the ONO composite insulating film can be set to a stable and desired thickness without being reduced by the protective film in the cleaning process. ONO film between two polysilicon layers
Polysilicon used as a protective film as a top oxide film
Use oxide film completely oxidized during peripheral gate oxidation
The thickness of the top layer, which cannot be obtained by thermal oxidation.
Oxide film can be realized. Therefore, between the two polysilicon layers
ONO film leakage characteristics or non-volatile memory data
Data holding characteristics can be further improved. In addition,
Reduces the time of high-temperature treatment called thermal oxidation on corn nitride film
This is advantageous for lowering the temperature of the process. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 and FIG. 2 are sectional views for respective steps showing an embodiment when the present invention is applied to a nonvolatile memory. First, an N-well region 10 and a P-well region 11 are formed on a silicon semiconductor substrate 1 by a known method, and then a field oxide film 2 is selectively formed in an element isolation region (see FIG. 1A). ). Subsequently, the surface of the substrate 1 in the active region is exposed, and after cleaning the substrate, a gate oxide film 3 of a memory portion having a thickness of about 100 to 300 ° is formed. This gate oxide film 3
For example, it is formed by wet (WET) oxidation at a temperature of 850 to 950 ° C. (see FIG. 1B). Next, a film thickness 500 to be a floating electrode of the memory
A first polysilicon film 4 of about 3000 ° is formed on gate oxide film 2. The polysilicon film 4 is formed on the substrate by, for example, a CVD method at a temperature of 600 to 800 ° C., and is doped with impurities such as phosphorus, for example, at an acceleration voltage of 30 Ke.
V, introduced under an implantation condition of a dose amount of about 5E15, or introduced by solid-phase diffusion from a known phosphorus glass,
Lower the resistance. Further, patterning for separating floating electrodes between memories is performed (see FIG. 1C). Further, a silicon oxide film having a thickness of 100 to 300 ° is formed on the surface of the polysilicon 4 by, for example, dry (DRY) oxidation at a temperature of 850 to 1000 ° C., followed by a CVD at a temperature of 700 to 800 ° C. By law,
A silicon nitride film is formed, and this silicon nitride film is formed, for example, by WET oxidation at a temperature of 850 to 1000 ° C. to form a silicon oxide film having a thickness of 30 to 50 °, thereby forming an ONO composite insulating film 5 (FIG. d)). Next, a silicon nitride film 6 having a thickness of about 100 to 1000 ° is formed on the ONO composite insulating film 5 as a protective film layer. This silicon nitride film 6 has the same CV
Formed on the ONO composite insulating film 5 by the D method (FIG. 1)
(E)). Subsequently, a resist pattern for opening the peripheral transistor region is formed, and the silicon nitride film 6 and the ONO composite insulating film 5 formed in the peripheral transistor region by the steps shown in FIGS. 1B to 1E. Then, the first polysilicon film 4 is removed, and the surface of the semiconductor substrate 1 in the active region of the peripheral transistor region is exposed by etching the entire surface (see FIG. 2A). Then, after cleaning the substrate, a gate oxide film 7 having a thickness of about 100 to 200.degree. The gate oxide film 7 is formed by, for example, WET oxidation at a temperature of 850 to 950 ° C. (see FIG. 2B). In the cleaning process before the gate oxidation of the peripheral transistor, since the top oxide film of the ONO composite insulating film 5 is covered with the silicon nitride film 6 as a protective film, the film may be reduced or removed. Absent. Therefore, it is possible to prevent the data retention characteristic from deteriorating from that of the second polysilicon film formed on the ONO composite insulating film 5. Thereafter, a second polysilicon film 8 having a thickness of about 2,000 to 4,000 ° serving as a control electrode of the memory and a gate electrode of the peripheral transistor is formed on the entire surface of the substrate 1.
The second polysilicon film 8 has a temperature of 600 to
It is formed by a CVD method at 800 ° C., and impurities such as phosphorus are introduced by solid-phase diffusion from a known phosphorus glass to reduce the resistance (see FIG. 2C). Subsequently, the two-layer polysilicon gate of the memory portion and the gate of the peripheral transistor are finely processed by photolithography and etching twice (see FIG. 2D). Further, source and drain regions of each transistor are formed by a known method, and a semiconductor device is completed by a known wiring process. As described above, in this embodiment,
A semiconductor device that does not degrade data retention characteristics of a nonvolatile memory can be manufactured by a two-layer polysilicon process with a small number of steps. Next, an embodiment in which the present invention is applied to a semiconductor device including a two-layer polysilicon capacitor will be described. FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views showing steps in the embodiment in which the present invention is applied to a semiconductor device including a two-layer polysilicon capacitor. First, an N-well region 10 and a P-well region 11 are formed on a silicon semiconductor substrate 1 by a known method, and then a field oxide film 2 is selectively formed in an element isolation region (see FIG. 3A). ). Subsequently, a film thickness 5 to be a lower electrode of the capacitive element
A first polysilicon film 14 of about 00-3500 ° is formed. The first polysilicon film 14 is formed on the entire surface of the substrate 1 by, for example, a CVD method at a temperature of 600 to 800 ° C., and is doped with an impurity such as phosphorus at an acceleration energy of 30 K for example.
Injection under an implantation condition of eV and a dose amount of about 5E15,
Alternatively, it is introduced by known solid-phase diffusion from phosphorus glass to lower the resistance (see FIG. 3B). Further, for example, a DLY oxidation at a temperature of 850 to 1000.degree.
A silicon oxide film of 0 to 300 ° is formed, and then a silicon nitride film is formed on the silicon oxide film by, for example, a CVD method at a temperature of 700 to 800 ° C.
Film thickness 30-50 ° by WET oxidation at 50-1000 ° C
Is formed to form an ONO composite insulating film 15 (see FIG. 3C). Next, a silicon nitride film 16 having a thickness of about 100 to 1000 ° is formed on the ONO composite insulating film 15 as a protective film.
To form This silicon nitride film 16 is formed by the same CVD method as described above (see FIG. 3D). Then, the polysilicon film 14, the ONO composite insulating film 15 and the silicon nitride film 16 formed in the steps shown in FIGS. 3B to 3D in the peripheral transistor region are removed by photolithography and etching. Then, the surface of the substrate 1 is exposed. At the same time, the polysilicon film 14 and the ONO composite insulating film 1 are formed in a desired lower electrode shape in the capacitive element region.
5 and the silicon nitride film 16 are patterned (FIG.
(A)). Subsequently, after cleaning the substrate, for example, at a temperature of 850
950 ° C. by WET oxidation, for example, a film thickness of 100 to 2
Then, a gate oxide film 17 of the peripheral transistor having a thickness of 00 ° is formed (see FIG. 4B). In the cleaning process before the gate oxidation of the peripheral transistor, since the top oxide film of the ONO composite insulating film 15 is covered with the silicon nitride film 16 as a protective film, the film may be reduced or removed. Absent. Therefore, it is possible to prevent the leak characteristic of the ONO film between the two-layer polysilicon layers of the two-layer polysilicon capacitance element from deteriorating. Next, a second polysilicon film 18 having a thickness of about 2,000 to 4,000 degrees is formed to be an upper electrode of the capacitor and a gate electrode of the peripheral transistor. The second polysilicon film 18 is formed, for example, at a temperature of 600 to 800 ° C.
, And impurities such as phosphorus are introduced by solid-phase diffusion from a known phosphorus glass to lower the resistance (see FIG. 4C). Thereafter, the upper electrode of the capacitor and the peripheral transistor gate are finely processed by photolithography and etching at the same time (see FIG. 4D). Further, source and drain regions of each transistor are formed by a known method, and a semiconductor device is completed by a known wiring process. As described above, in this embodiment,
By a two-layer polysilicon process with a small number of steps, a semiconductor device which does not deteriorate the leak current characteristics of a capacitor having a two-layer polysilicon structure can be manufactured. In the above-described embodiment, the silicon nitride films 6 and 16 are used as the protective films, but a polysilicon film may be used as the protective films. When a polysilicon film is used as the protective film, the polysilicon film is partially or entirely oxidized at the time of oxidizing the gate of the peripheral transistor. When the silicon nitride films 6 and 16 are changed to polysilicon films as the protective film, the composite insulating films 5 and 15 may have an ON structure of a silicon oxide film-silicon nitride film. The silicon oxide film formed by complete oxidation serves as an oxide film on the nitride film, that is, a so-called top oxide film, and the composite insulating film between the two-layer polysilicon finally has an ONO structure. As described above, according to the present invention, there is provided a semiconductor device including a capacitance element having a two-layer polysilicon structure having an ONO composite insulating film as a polysilicon interlayer film.
Alternatively, in a method of manufacturing a semiconductor device including a nonvolatile memory having a two-layer polysilicon structure having a floating gate, a peripheral transistor is turned on during a cleaning process before gate oxidation of a peripheral transistor.
Since the O-top oxide film is covered with the protective film, the film is not reduced or removed. Therefore, it is possible to manufacture the semiconductor device by a two-layer polysilicon process with a small number of steps without deteriorating the leak characteristics of the ONO film between the two-layer polysilicon layers of the capacitor element or the data holding characteristics of the nonvolatile memory. it can. Further, as the top oxide film of the ONO film between the two polysilicon layers, an oxide film completely oxidized at the time of peripheral gate oxidation of the polysilicon film used as the protective film is used. A top oxide film having a thickness can be realized. Therefore, ON between two polysilicon layers
The leak characteristics of the O film or the data retention characteristics of the nonvolatile memory can be further improved. Furthermore, the time for high-temperature treatment of thermal oxidation on the silicon nitride film can be reduced, which is advantageous for lowering the process temperature.

【図面の簡単な説明】 【図1】この発明を不揮発性メモリに適用した場合の実
施の形態を示す工程別断面図である。 【図2】この発明を不揮発性メモリに適用した場合の実
施の形態を示す工程別断面図である。 【図3】この発明を2層ポリシリコン容量素子を含む半
導体装置に適用した場合の実施の形態を示す工程別断面
図である。 【図4】この発明を2層ポリシリコン容量素子を含む半
導体装置に適用した場合の実施の形態を示す工程別断面
図である。 【符号の説明】 1 半導体基板 2 フィールド酸化膜 4、14 第一のポリシリコン膜 5、15 ONO複合絶縁膜 6、16 シリコン窒化膜(保護膜) 8、18 第二のポリシリコン膜
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sectional view showing each embodiment of an embodiment in which the present invention is applied to a nonvolatile memory. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a process according to an embodiment when the present invention is applied to a nonvolatile memory. FIG. 3 is a cross-sectional view of each step showing an embodiment in which the present invention is applied to a semiconductor device including a two-layer polysilicon capacitor. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the embodiment in which the present invention is applied to a semiconductor device including a two-layered polysilicon capacitor; [Description of Signs] 1 semiconductor substrate 2 field oxide film 4, 14 first polysilicon film 5, 15 ONO composite insulating film 6, 16 silicon nitride film (protective film) 8, 18 second polysilicon film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 29/788 H01L 29/792 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 29/788 H01L 29/792

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 層間膜として複合絶縁膜を有する2層ポ
リシリコン素子領域を含む半導体装置の製造方法におい
て、 絶縁下地上に低抵抗化されたポリシリコンからなる第一
の導電体を形成し、所望の形状にパターニングする工程
と、 前記第一の導電体上にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜
とが積層された複合絶縁膜層を形成する工程と、 前記複合絶縁膜層上にポリシリコン層からなる保護膜層
を形成する工程と、 2層ポリシリコン素子領域以外の領域を開口させるレジ
ストパターンを形成し、該領域の前記保護膜層、前記複
合絶縁膜層及び前記第一の導電体を除去する工程と、 2層ポリシリコン素子領域以外の活性領域の半導体基板
表面を露出させる工程と、 露出した前記2層ポリシリコン素子領域以外の活性領域
の半導体基板表面を洗浄する工程と、 前記2層ポリシリコン素子領域以外の活性領域上にゲー
ト酸化膜を形成し、且つ前記複合絶縁膜層上に形成され
た保護層としてのポリシリコン層を完全に酸化しシリコ
ン酸化膜とする工程と、 低抵抗化されたポリシリコンからなる第二の導電体を形
成し、所望の形状にパターニングして前記2層ポリシリ
コン素子の上部電極と前記2層ポリシリコン素子領域以
外の領域のトランジスタのゲート電極を形成する工程
と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(1) In a method of manufacturing a semiconductor device including a two-layer polysilicon element region having a composite insulating film as an interlayer film, the insulating base is made of low-resistance polysilicon. Forming a first conductor and patterning it into a desired shape; forming a composite insulating film layer in which a silicon oxide film and a silicon nitride film are laminated on the first conductor; forming a coercive Mamorumaku layer of polysilicon layer on the insulating film layer, the area other than the two-layer polycrystalline silicon device area to form a resist pattern to be opened, the protective film layer of the region, the composite insulating film Removing the layer and the first conductor; exposing the semiconductor substrate surface of the active region other than the two-layer polysilicon element region; and exposing the active region other than the exposed two-layer polysilicon element region. A step of cleaning the semiconductor substrate surface, wherein a gate oxide film is formed double-layer polycrystalline silicon element region other than the active region, is and formed on the composite insulating film layer
Completely oxidized the polysilicon layer as a protective layer
A step of the phosphorylation film, the second conductor is formed, the upper electrode and the double-layer polycrystalline silicon device region of patterning to the double-layer polycrystalline silicon element into the desired shape made of low resistance polysilicon Forming a gate electrode of the transistor in a region other than the other region.
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