以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
本実施の形態および以下の実施の形態の半導体装置は、不揮発性メモリ(不揮発性記憶素子、フラッシュメモリ、不揮発性半導体記憶装置)を備えた半導体装置である。ここで説明する不揮発性メモリは、スプリットゲート型のMONOS型メモリ(以下、単にMONOSメモリと呼ぶ)である。本実施の形態および以下の実施の形態では、不揮発性メモリは、nチャネル型MISFET(MISFET:Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を基本としたメモリセルについて説明を行う。
また、本実施の形態および以下の実施の形態での極性(書込・消去・読出時の印加電圧の極性およびキャリアの極性)は、nチャネル型MISFETを基本としたメモリセルの場合の動作を説明するためのものであり、pチャネル型MISFETを基本とする場合は、印加電位およびキャリアの導電型等の全ての極性を反転させることで、原理的には同じ動作を得ることができる。
また、本願でいうマスクとは、一部の対象物をエッチングから保護するために用いる保護膜(エッチングマスク)、または、一部の対象物をイオン注入から保護する保護膜(イオン注入阻止マスク)を指す。
<半導体装置の製造方法について>
本実施の形態の半導体装置の製造方法を、図1〜図13を参照して説明する。
図1〜図13は、本実施の形態の半導体装置の製造工程中の断面図である。ここでは、nチャネル型のMISFET(制御トランジスタおよびメモリトランジスタ)を形成する場合について説明するが、導電型を逆にしてpチャネル型のMISFET(制御トランジスタおよびメモリトランジスタ)を形成することもできる。
半導体装置の製造工程においては、まず、図1に示すように、例えば1〜10Ωcm程度の比抵抗を有するp型の単結晶シリコン(Si)などからなる半導体基板(半導体ウェハ)SBを用意する。続いて、半導体基板SBの主面に溝を形成し、当該溝内に素子分離領域(図示しない)を形成する。素子分離領域は、例えば酸化シリコン膜からなり、STI(Shallow Trench Isolation)法により形成することができる。ただし、素子分離領域は、例えばLOCOS(Local Oxidization of Silicon)法などにより形成してもよい。なお、図1に示す領域は、後にメモリセルが形成される領域である。
続いて、半導体基板SBの主面に対してイオン注入を行うことで、半導体基板SBの主面にp型のウエルWLを形成する。ウエルWLは、p型の不純物(例えばB(ホウ素))を比較的低い濃度で打ち込むことで形成する。ウエルWLは、半導体基板SBの主面から、半導体基板SBの途中深さまで形成される。その後、半導体基板SBに対し熱処理を行って、ウエルWL内の不純物を拡散させる。なお、図示および詳しい説明はしないが、p型の電界効果トランジスタまたはそれを含むメモリセルを形成する領域では、n型の不純物(例えばヒ素(As)またはP(リン))を半導体基板SBの主面にイオン注入することで、n型のウエルを形成する。
続いて、熱酸化などを行って、露出する半導体基板SBの上面に、比較的膜厚が小さい絶縁膜IF1を形成する。これにより、半導体基板SBの上面は、絶縁膜IF1により覆われる。絶縁膜IF1は、例えば酸化シリコン膜からなる。その後、半導体基板SBの主面全面上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、シリコン膜SF1を形成する。これにより、半導体基板SB上には、絶縁膜IF1を介してシリコン膜SF1が形成される。シリコン膜SF1は、後述の制御ゲート電極CGを形成するための導体膜である。
シリコン膜SF1は、成膜時にアモルファスシリコン膜として形成してから、その後の熱処理で、当該アモルファスシリコン膜を、多結晶シリコン膜からなるシリコン膜SF1に変えることもできる。また、シリコン膜SF1は、成膜時に不純物を導入せず、成膜後にn型の不純物(例えばヒ素(As)またはP(リン))をイオン注入し、その後の熱処理で当該不純物を拡散させることにより、低抵抗の導体膜とする。
次に、図2に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法を用いて
異方性エッチングを行うことにより、シリコン膜SF1の一部および絶縁膜IF1の一部をそれぞれ除去する。これにより、半導体基板SBの主面の一部を露出させる。
シリコン膜SF1は、半導体基板SBの主面に沿う第1方向に並ぶ複数のパターンに分割され、これらのシリコン膜SF1のそれぞれは、制御ゲート電極CGを構成する。形成された複数の制御ゲート電極CGのそれぞれは、半導体基板SBの主面に沿う方向であって、当該第1方向に直交する第2方向、つまり図2の奥行き方向に延在している。また、当該エッチング工程により、絶縁膜IF1からなるゲート絶縁膜GIが形成される。
次に、図3に示すように、半導体基板SBの主面全面上に、一部がメモリトランジスタのゲート絶縁膜となる積層膜であるONO(oxide-nitride-oxide)膜ON1を形成する。ONO膜ON1は、半導体基板SBの上面と、ゲート絶縁膜GIおよび制御ゲート電極CGからなる積層膜の側壁および上面とを覆う。
ONO膜ON1は、内部に電荷蓄積部を有する絶縁膜である。具体的には、ONO膜ON1は、半導体基板SB上に形成された第1酸化シリコン膜(ボトム酸化膜)OX1と、第1酸化シリコン膜OX1上に形成された窒化シリコン膜N1と、窒化シリコン膜N1上に形成された犠牲酸化シリコン膜(トップ酸化膜)OX2との積層膜からなる。窒化シリコン膜N1は、電荷蓄積部として機能するトラップ性絶縁膜、つまり電荷蓄積膜である。ここで、犠牲酸化シリコン膜OX2は、後の工程で除去され、メモリセルを形成する他のトップ酸化膜に置き換えられる犠牲膜である。
第1酸化シリコン膜OX1および犠牲酸化シリコン膜OX2は、例えば酸化処理(熱酸化処理)またはCVD法あるいはその組み合わせにより形成することができる。この際の酸化処理には、ISSG酸化を用いることも可能である。上記窒化シリコン膜N1は、例えばCVD法により形成することができる。第1酸化シリコン膜OX1および犠牲酸化シリコン膜OX2のそれぞれの厚みは、例えば2〜10nm程度であり、上記窒化シリコン膜N1の厚みは、例えば5〜15nm程度である。
続いて、ONO膜ON1の表面を覆うように、半導体基板SBの主面全面上に、例えばCVD法を用いてシリコン膜SF2を形成する。これにより、露出していたONO膜ON1の側壁および上面は、シリコン膜SF2により覆われる。つまり、制御ゲート電極CGの側壁には、ONO膜ON1を介してシリコン膜SF2が形成される。ここで形成するシリコン膜SF2の膜厚は、後に形成するメモリセルを構成するメモリゲート電極のゲート長と、当該メモリゲート電極に隣接する絶縁膜からなるサイドウォールの当該ゲート長方向における幅とを足した大きさと同等の大きさを有している。
次に、図4に示すように、ドライエッチング法により、シリコン膜SF2をエッチバックすることで、ONO膜ON1の上面を露出させる。ここでは、半導体基板SBの主面に接するONO膜ON1の一部の上面、および、制御ゲート電極CGの直上のONO膜ON1の上面を露出させる。
当該エッチバック工程では、シリコン膜SF2を異方性エッチング(エッチバック)することにより、ゲート絶縁膜GIおよび制御ゲート電極CGからなる積層膜の両方の側壁の横に、ONO膜ON1を介して、シリコン膜SF2をサイドウォール状に残す。これにより残ったサイドウォール状のシリコン膜SF2は、ダミーメモリゲート電極DMGを構成する。ダミーメモリゲート電極DMGは、後の工程で除去され、メモリセルを形成するための他のメモリゲート電極に置き換えられる犠牲膜である。
ダミーメモリゲート電極DMGのゲート長は、後に形成するメモリセルを構成するメモリゲート電極のゲート長と、当該メモリゲート電極に隣接する絶縁膜からなるサイドウォールの当該ゲート長方向における幅とを足した大きさと同等の大きさを有している。
次に、図5に示すように、制御ゲート電極CGの両側の側壁のうち、一方に隣接するダミーメモリゲート電極DMGを覆うフォトレジスト膜PR1を形成する。フォトレジスト膜PR1は当該一方のダミーメモリゲート電極DMGの全体を覆い、他方のダミーメモリゲート電極DMGを露出している。フォトレジスト膜PR1の第1方向における一方の端部は、制御ゲート電極CG上のONO膜ON1の直上で終端している。
その後、フォトレジスト膜PR1をマスクとして用いてイオン注入を行うことにより、半導体基板SBの主面に拡散領域(不純物拡散領域、n+型半導体領域)DF1を形成する。続いて、フォトレジスト膜PR1を除去する。拡散領域DF1は、後に形成するメモリセルのソース領域を構成する半導体領域である。
具体的には、n型不純物(ヒ素(As)およびリン(P))を、フォトレジスト膜PR1、制御ゲート電極CGの一部、および、一部のダミーメモリゲート電極DMGをマスクとして用いて半導体基板SBの主面にイオン注入法を用いて比較的高い濃度で導入する。このとき打ち込まれる不純物イオンは、フォトレジスト膜PR1およびダミーメモリゲート電極DMGから露出するONO膜ON1を通過して半導体基板SBの主面に注入され、これにより拡散領域DF1が形成される。
このイオン注入工程においてn型不純物としてヒ素(As)およびリン(P)の2種類の不純物イオンを導入して拡散領域DF1を形成しているのは、後に形成されるメモリセルのリーク特性を改善するためである。このような場合、リンからなる不純物イオンを注入する際の注入条件としては、注入エネルギーを10keVとし、ドーズ量を2×1015cm−2とする。また、ヒ素からなる不純物イオンを注入する際の注入条件としては、注入エネルギーを20keVとし、ドーズ量を2×1015cm−2とする。
ここで、フォトレジスト膜PR1およびダミーメモリゲート電極DMGから露出するONO膜ON1には比較的高い濃度で不純物イオン打ち込まれる。これにより、ONO膜ON1はダメージを受ける。このようにダメージを受けた部分のONO膜ON1をメモリセルの電荷保持膜として使用した場合、電荷の保持特性が劣化する問題が生じる。
また、拡散領域DF1の形成深さは比較的深いため、拡散領域DF1の形成工程では、不純物イオンが、フォトレジスト膜PR1から露出するダミーメモリゲート電極DMGの内部を通過して、ダミーメモリゲート電極DMGの直下の犠牲酸化シリコン膜OX2に注入され得る。この場合、犠牲酸化シリコン膜OX2がダメージを受けるため、このようなこのような犠牲酸化シリコン膜OX2をメモリセルの電荷保持膜のトップ酸化膜として使用した場合、電荷の保持特性が劣化する問題が生じる。なお、ここでは、ダミーメモリゲート電極DMGの直下の窒化シリコン膜N1および第1酸化シリコン膜OX1にも、不純物イオンが導入される。
ここで拡散領域DF1を形成した直後には、拡散領域DF1の活性化のための熱処理を行わない。不純物注入を行った半導体領域に対する活性化アニールは、図11を用いて後述するソース・ドレイン領域の形成工程の後に行う。
次に、図6に示すように、例えばウェットエッチングを行うことで、制御ゲート電極CGの両側の側壁に隣り合って形成されたダミーメモリゲート電極DMGのそれぞれを除去し、その後、犠牲酸化シリコン膜OX2を除去する。これにより、窒化シリコン膜N1を露出する。
次に、図7に示すように、窒化シリコン膜N1の表面を覆うように、半導体基板SBの主面全面上に、例えばCVD法を用いて第2酸化シリコン膜(トップ酸化膜)OX3を形成する。これにより、露出していた窒化シリコン膜N1の側壁および上面は、第2酸化シリコン膜OX3により覆われる。ここで、第1酸化シリコン膜OX1、窒化シリコン膜N1および第2酸化シリコン膜OX3は、ONO膜ON2を構成する。
続いて、半導体基板SBの主面全面上に、例えばCVD法を用いてシリコン膜SF3を形成する。これにより、露出していたONO膜ON2の側壁および上面は、シリコン膜SF3により覆われる。つまり、制御ゲート電極CGの側壁には、ONO膜ON2を介してシリコン膜SF3が形成される。シリコン膜SF3は、成膜時にノンドープのアモルファスシリコン膜として形成する。つまり、成膜時のシリコン膜SF3は真性半導体である。また、シリコン膜SF3は、例えば図11を用いて後述するソース・ドレイン領域の形成後に行われる熱処理により、多結晶化してポリシリコンとなる膜である。
シリコン膜SF3は、図3に示したシリコン膜SF2よりも膜厚が小さい。
ここでいう膜厚とは、特定の膜の場合、当該膜の下地の表面に対して垂直な方向における当該膜の厚さをいう。例えば、ONO膜ON2の上面などのように、半導体基板SBの主面に沿う面の上に、当該面に沿ってシリコン膜SF3が形成された場合、シリコン膜SF3の膜厚とは、半導体基板SBの主面に対して垂直な方向におけるシリコン膜SF3の厚さをいう。また、ONO膜ON2の側壁のように、半導体基板SBの主面に対して垂直な壁に接して形成される部分のシリコン膜SF3の場合、シリコン膜SF3の膜厚とは、当該側壁に対して垂直な方向におけるシリコン膜SF3の厚さをいう。
次に、図8に示すように、ドライエッチング法により、シリコン膜SF3をエッチバックすることで、ONO膜ON2の上面を露出させる。ここでは、半導体基板SBの主面に接するONO膜ON2の一部の上面、および、制御ゲート電極CGの直上のONO膜ON2の上面を露出させる。
当該エッチバック工程では、シリコン膜SF3を異方性エッチング(エッチバック)することにより、ゲート絶縁膜GIおよび制御ゲート電極CGからなる積層膜の両方の側壁の横に、ONO膜ON2を介して、シリコン膜SF3をサイドウォール状に残す。これにより、上記積層膜の両側の側壁のうち、一方の側壁に、ONO膜ON2を介してサイドウォール状に残存したシリコン膜SF3からなるメモリゲート電極MGが形成される。
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、各制御ゲート電極CGの一方の側壁と隣り合うメモリゲート電極MGを覆い、かつ、当該制御ゲート電極CGの他方の側壁と隣り合うシリコン膜SF3を露出するフォトレジストパターン(図示しない)を半導体基板SB上に形成する。その後、そのフォトレジストパターンをエッチングマスクとしてエッチングを行うことにより、制御ゲート電極CGを挟んでメモリゲート電極MGの反対側に形成されたシリコン膜SF3を除去する。その後、当該フォトレジストパターンを除去する。このとき、メモリゲート電極MGは、フォトレジストパターンで覆われているため、エッチングされずに残存する。
続いて、ONO膜ON2のうち、メモリゲート電極MGに覆われずに露出している部分をエッチング(例えばウェットエッチング)によって除去する。この際、メモリゲート電極MGの直下のONO膜ON2は除去されずに残る。同様に、ゲート絶縁膜GIおよび制御ゲート電極CGを含む積層膜と、メモリゲート電極MGとの間に位置するONO膜ON2は、除去されずに残る。他の領域のONO膜ON2は除去されるため、半導体基板SBの上面が露出し、また、制御ゲート電極CGの上面が露出する。また、制御ゲート電極CGの側壁であって、メモリゲート電極MGに覆われていない方の側壁が露出する。
このとき、図5を用いて説明したイオン注入工程においてフォトレジスト膜PR1およびダミーメモリゲート電極DMGから露出していたためにイオン注入を受けたONO膜ON1は、全て除去される。
ここで、メモリゲート電極MGと拡散領域DF1とは、メモリゲート電極MGのゲート長方向(第1方向)において、互いに離間している。これは、図5を用いて説明したイオン注入工程においてマスクとして用いたダミーメモリゲート電極DMGのゲート長が、メモリゲート電極MGのゲート長よりも大きいためである。ここでいうダミーメモリゲート電極DMGのゲート長とは、制御ゲート電極CGのゲート長方向(第1方向)におけるダミーメモリゲート電極DMGの幅を指す。
このようにして、制御ゲート電極CGと隣り合うように、半導体基板SB上に、内部に電荷蓄積部を有するONO膜ON2を介して、メモリゲート電極MGが形成される。メモリゲート電極MGは、制御ゲート電極CGに隣り合う領域において、半導体基板SBの主面上にONO膜ON2を介して形成される。つまり、ONO膜ON2は、L字型の断面形状を有している。
次に、図9に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、半導体基板SB上にフォトレジスト膜PR2を形成する。フォトレジスト膜PR2は、制御ゲート電極CGの直上で終端し、拡散領域DF1およびメモリゲート電極MGを覆うレジストパターンである。つまり、フォトレジスト膜PR2は、制御ゲート電極CGの横の領域のうち、メモリゲート電極MGおよび拡散領域DF1が形成されていない方の半導体基板SBの主面を露出している。
続いて、フォトレジスト膜PR2をマスクとして用いてイオン注入を行うことで、半導体基板SBの主面にエクステンション領域(不純物拡散領域、n−型半導体領域)EX2を形成する。すなわち、例えばヒ素(As)などのn型の不純物を、フォトレジスト膜PR2および制御ゲート電極CGの一部をマスク(イオン注入阻止マスク)として用いて半導体基板SBの主面にイオン注入法で導入することにより、エクステンション領域EX2を形成する。その後、フォトレジスト膜PR2を除去する。
図示はしていないが、フォトレジスト膜PR2およびエクステンション領域EX2の形成前に、ゲート絶縁膜GI、制御ゲート電極CG、ONO膜ON2およびメモリゲート電極MGからなる構造体の側壁を覆うオフセットスペーサを、例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、またはそれらの積層膜などにより形成してもよい。
次に、図10に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、半導体基板SB上にフォトレジスト膜PR3を形成する。フォトレジスト膜PR3は、制御ゲート電極CGの直上で終端し、エクステンション領域EX2を覆い、拡散領域DF1およびメモリゲート電極MGを露出するレジストパターンである。つまり、フォトレジスト膜PR3は、制御ゲート電極CGの横の領域のうち、メモリゲート電極MGおよび拡散領域DF1が形成されている方の半導体基板SBの主面を露出している。
続いて、フォトレジスト膜PR3をマスクとして用いてイオン注入を行うことで、半導体基板SBの主面にエクステンション領域(不純物拡散領域、n−型半導体領域)EX1を形成する。すなわち、例えばヒ素(As)などのn型の不純物を、フォトレジスト膜PR3、制御ゲート電極CGの一部およびメモリゲート電極MGなどをマスク(イオン注入阻止マスク)として用いて半導体基板SBの主面にイオン注入法で導入することにより、エクステンション領域EX1を形成する。その後、フォトレジスト膜PR3を除去する。
エクステンション領域EX1は、拡散領域DF1の形成のために行うイオン注入に比べ、低いドーズ量、低いエネルギーで行うイオン注入により形成される。したがって、エクステンション領域EX1の形成工程でメモリゲート電極MGの上面に打ち込まれた不純物イオンは、メモリゲート電極MGの下面まで達しない。
ここで、第1酸化シリコン膜OX1および窒化シリコン膜N1には、図5を用いて説明したイオン注入により不純物イオンであるリン(P)およびヒ素(As)が導入されている。これに対し、メモリゲート電極MGは拡散領域形成用のマスクとして用いられておらず、エクステンション領域EX1の形成のためにヒ素(As)を打ち込むイオン注入工程でのみ、マスクとして用いられている。
したがって、第1酸化シリコン膜OX1および窒化シリコン膜N1のそれぞれの内部におけるヒ素(As)の濃度に対するリン(P)の濃度の大きさに比べて、メモリゲート電極MG内におけるヒ素(As)の濃度に対するリン(P)の濃度の大きさは小さい。すなわち、ONO膜ON2内におけるヒ素(As)の濃度に対するリン(P)の濃度の大きさに比べて、メモリゲート電極MG内におけるヒ素(As)の濃度に対するリン(P)の濃度の大きさは小さい。これは、完成したメモリセルにおいても同様である。
したがって、第1酸化シリコン膜OX1および窒化シリコン膜N1に比べ、第2酸化シリコン膜OX3は、不純物濃度が低い。これは、完成したメモリセルにおいても同様である。
次に、図11に示すように、上記構造体の両側の側壁を覆う絶縁膜であるサイドウォールSWを形成する。サイドウォールSWは、例えばCVD法を用いて半導体基板SB上に例えば酸化シリコン膜および窒化シリコン膜を順に形成した後、異方性エッチングにより当該酸化シリコン膜および当該窒化シリコン膜を一部除去し、半導体基板SBの上面、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれの上面を露出させることにより、自己整合的に形成することができる。
つまり、一対のサイドウォールSWのうち、一方はメモリゲート電極MGの側壁に接して形成され、もう一方は制御ゲート電極CGの側壁に接して形成される。サイドウォールSWは積層膜により形成することが考えられるが、図では当該積層膜を構成する膜同士の界面を示していない。
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、半導体基板SB上にフォトレジスト膜PR4を形成する。フォトレジスト膜PR4は、制御ゲート電極CGの直上で終端し、エクステンション領域EX1、拡散領域DF1、メモリゲート電極MGおよびメモリゲート電極MGに隣接するサイドウォールSWを覆い、制御ゲート電極CGに隣接するサイドウォールSWおよびエクステンション領域EX2を露出するレジストパターンである。つまり、フォトレジスト膜PR4は、制御ゲート電極CGの横の領域のうち、エクステンション領域EX2が形成されている方の半導体基板SBの主面を露出している保護膜である。
続いて、フォトレジスト膜PR4をマスクとして用いてイオン注入を行うことで、半導体基板SBの主面に拡散領域(不純物拡散領域、n+型半導体領域)DF2を形成する。
具体的には、n型不純物(ヒ素(As)およびリン(P))を、フォトレジスト膜PR4、制御ゲート電極CGの一部およびサイドウォールSWなどをマスクとして用いて半導体基板SBの主面にイオン注入法を用いて比較的高い濃度で導入する。続いて、フォトレジスト膜PR4を除去する。
このイオン注入工程においてn型不純物としてヒ素(As)およびリン(P)の2種類の不純物イオンを導入して拡散領域DF2を形成しているのは、メモリセルMCのリーク特性を改善するためである。このような場合、リンからなる不純物イオンを注入する際の注入条件としては、注入エネルギーを10keVとし、ドーズ量を2×1015cm−2とする。また、ヒ素からなる不純物イオンを注入する際の注入条件としては、注入エネルギーを20keVとし、ドーズ量を2×1015cm−2とする。
エクステンション領域EX1、EX2のそれぞれは、拡散領域DF1、DF2のいずれよりも形成深さ(接合深さ)が小さい。エクステンション領域EX1は拡散領域DF1と接して形成され、エクステンション領域EX2は拡散領域DF2と接して形成されている。上記のようにして、エクステンション領域EX1およびエクステンション領域EX1よりも不純物濃度が高い拡散層である拡散領域DF1と、エクステンション領域EX2およびエクステンション領域EX2よりも不純物濃度が高い拡散層である拡散領域DF2とからなる一対のソース・ドレイン領域が形成される。当該ソース・ドレイン領域は、LDD(Lightly Doped Drain)構造を有している。
つまり、拡散領域DF1、DF2のそれぞれの間にはエクステンション領域EX1、EX2が並んで形成されている。また、エクステンション領域EX1、EX2の間の半導体基板SBの主面近傍のウエルWLは、メモリセルMCの動作時にチャネルが形成されるチャネル領域である。
制御トランジスタおよびメモリトランジスタは、それぞれMISFETを構成している。MISFETでは、不純物濃度が比較的高い拡散領域と、不純物濃度が比較的低いエクステンション領域とによりソース・ドレイン領域を形成し、エクステンション領域を拡散領域よりもMISFETのチャネル領域に近い位置に形成することで、ソース・ドレイン領域の抵抗値の増大を防ぎつつ、拡散領域の形成深さを浅くすることができ、また、ホットエレクトロンの発生を防ぐことができる。したがって、LDD構造を形成することで、ショートチャネルMISFETの信頼性を高めることができるため、半導体装置の微細化が容易となる効果を得ることができる。
続いて、ソース領域およびドレイン領域を構成する半導体領域(エクステンション領域EX1、EX2、拡散領域DF1、DF2)などに導入された不純物を活性化するための熱処理である活性化アニールを行う。
制御ゲート電極CGと、その横の一対のソース・ドレイン領域とは、制御トランジスタを構成している。また、メモリゲート電極MGと、その横の一対のソース・ドレイン領域とは、メモリトランジスタを構成している。具体的には、エクステンション領域EX1および拡散領域DF1は、制御トランジスタおよびメモリトランジスタのソース領域を構成しており、エクステンション領域EX2および拡散領域DF2は、制御トランジスタおよびメモリトランジスタのドレイン領域を構成している。
当該制御トランジスタおよび当該メモリトランジスタは、スプリットゲート型のMONOSメモリのメモリセルMCを構成している。したがって、上記の工程により、メモリセルMCを形成することができる。
本実施の形態では、メモリゲート電極MGは拡散領域形成用のマスクとして用いられておらず、エクステンション領域EX1の形成のために行うイオン注入工程でのみ、マスクとして用いられている。このため、メモリゲート電極MGの不純物濃度は、拡散領域DF1、DF2のいずれよりも小さい。これは、完成したメモリセルにおいても同様である。
また、第1酸化シリコン膜OX1および窒化シリコン膜N1には、図5を用いて説明したイオン注入により不純物イオンであるリン(P)およびヒ素(As)が導入されているが、第2酸化シリコン膜OX3が形成された後、第2酸化シリコン膜OX3上のメモリゲート電極MGは拡散領域形成用のマスクとして用いられていない。また、上記のように、エクステンション領域EX1の形成のために行うイオン注入工程において、メモリゲート電極MGの上面に打ち込まれた不純物イオンは、第2酸化シリコン膜OX3まで達しない。
次に、図12に示すように、シリサイド層S1を形成する。シリサイド層S1は、いわゆるサリサイド(Salicide:Self Aligned Silicide)プロセスを行うことによって、形成することができる。具体的には、次のようにしてシリサイド層S1を形成することができる。
すなわち、まず、拡散領域DF1、DF2、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれの上面上を含む半導体基板SBの主面全面上に、シリサイド層S1の形成用の金属膜を形成(堆積)する。当該金属膜は、単体の金属膜(純金属膜)または合金膜を用いることができる。当該金属膜は、例えば、コバルト(Co)膜、ニッケル(Ni)膜、またはニッケル白金合金膜からなり、スパッタリング法などを用いて形成することができる。
それから、半導体基板SBに対して熱処理(シリサイド層S1形成用の熱処理)を施すことによって、拡散領域DF1、DF2、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGの各表層部分を、当該金属膜と反応させる。これにより、拡散領域DF1、DF2、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれの上面に接して、シリサイド層S1が形成される。その後、未反応の当該金属膜をウェットエッチングなどにより除去し、図12に示す構造を得る。シリサイド層S1は、例えばコバルトシリサイド層、ニッケルシリサイド層、または、ニッケル白金シリサイド層とすることができる。
続いて、半導体基板SBの主面全面上に、メモリセルMCを覆うように、層間絶縁膜IL1を形成する。層間絶縁膜IL1は、例えば酸化シリコン膜の単体膜からなり、例えばCVD法などを用いて形成することができる。ここでは、例えば制御ゲート電極CGの膜厚よりも厚い膜厚で層間絶縁膜IL1を形成する。
続いて、層間絶縁膜IL1の上面を、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法などを用いて研磨する。その後、複数のコンタクトプラグCPを形成する。
すなわち、フォトリソグラフィ技術を用いて層間絶縁膜IL1上に形成したフォトレジストパターン(図示しない)をエッチングマスクとして用い、層間絶縁膜IL1をドライエッチングする。これにより、層間絶縁膜IL1を貫通するコンタクトホール(開口部、貫通孔)を複数形成する。
各コンタクトホールの底部では、半導体基板SBの主面の一部である拡散領域DF1、DF2のそれぞれの表面上のシリサイド層S1の一部、制御ゲート電極CGの表面上のシリサイド層S1の一部、または、メモリゲート電極MGの表面上のシリサイド層S1の一部などが露出する。
続いて、各コンタクトホール内に、接続用の導電体として、タングステン(W)などからなる導電性のコンタクトプラグCPを複数形成する。コンタクトプラグCPを形成するには、例えば、コンタクトホールの内部を含む層間絶縁膜IL1上に、バリア導体膜(例えばチタン膜、窒化チタン膜、あるいはそれらの積層膜)を形成する。それから、このバリア導体膜上にタングステン膜などからなる主導体膜を、各コンタクトホール内を完全に埋めるように形成してから、コンタクトホールの外部の不要な主導体膜およびバリア導体膜をCMP法またはエッチバック法などによって除去することにより、複数のコンタクトプラグCPを形成することができる。
コンタクトホールに埋め込まれた複数のコンタクトプラグCPは、拡散領域DF1、DF2、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれの上面に、シリサイド層S1を介して電気的に接続される。各コンタクトプラグCPは、拡散領域DF1上のシリサイド層S1の上面、拡散領域DF2上のシリサイド層S1の上面、制御ゲート電極CG上のシリサイド層S1の上面、および、メモリゲート電極MG上のシリサイド層S1の上面などに接続されている。
なお、図面の簡略化のために、図12では、コンタクトプラグCPを構成するバリア導体膜および主導体膜(タングステン膜)を一体化して示している。また、図12の断面図においては、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれに接続されたコンタクトプラグCPを示していない。つまり、ゲート幅方向に延在する制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれに対しては、図示していない領域においてコンタクトプラグCPが接続されている。
次に、図13に示すように、コンタクトプラグCPが埋め込まれた層間絶縁膜IL1上に第1層目の配線M1を含む第1配線層を形成する。配線M1は、所謂シングルダマシン技術を用いて形成することができる。第1配線層は、層間絶縁膜IL2と、層間絶縁膜IL2を貫通する第1層目の配線M1とを有する。配線M1の底面は、コンタクトプラグCPの上面に接続される。その後の工程の図示は省略するが、第1配線層上に、第2配線層および第3配線層などを順に形成して積層配線層を形成した後、半導体ウェハをダイシング工程により個片化し、複数の半導体チップを得る。以上のようにして、本実施の形態の半導体装置が製造される。
<不揮発性メモリの動作について>
次に、不揮発性メモリの動作例について、図15を参照して説明する。
図15は、本実施の形態の「書込」、「消去」および「読出」時における選択メモリセルの各部位への電圧の印加条件の一例を示す表である。図15の表には、「書込」、「消去」および「読出」時のそれぞれにおいて、図13に示されるようなメモリセルMCのメモリゲート電極MGに印加する電圧Vmg、ソース領域に印加する電圧Vs、制御ゲート電極CGに印加する電圧Vcg、ドレイン領域に印加する電圧Vd、および半導体基板上面のp型ウエルに印加するベース電圧Vbが記載されている。
ここでいう選択メモリセルとは、「書込」、「消去」または「読出」を行う対象として選択されたメモリセルを指す。なお、図13に示す不揮発性メモリの例では、各メモリセルのメモリゲート電極MG側の活性領域に形成されてエクステンション領域EX1および拡散領域DF1がソース領域を構成し、制御ゲート電極CG側の活性領域に形成されたエクステンション領域EX2および拡散領域DF2がドレイン領域を構成する。
なお、図15の表に示したものは電圧の印加条件の好適な一例であり、これに限定されるものではなく、必要に応じて種々変更可能である。また、本実施の形態では、メモリトランジスタのONO膜ON2(図13参照)中の電荷蓄積部である窒化シリコン膜N1への電子の注入を「書込」、ホール(hole:正孔)の注入を「消去」と定義する。
また、図15の表において、Aの欄は、書込み方法がSSI方式で、かつ消去方法がBTBT方式の場合に対応し、Bの欄は、書込み方法がSSI方式で、かつ消去方法がFN方式の場合に対応し、Cの欄は、書込み方法がFN方式で、かつ消去方法がBTBT方式の場合に対応し、Dの欄は、書込み方法がFN方式で、かつ消去方法がFN方式の場合に対応している。
SSI方式は、窒化シリコン膜N1にホットエレクトロンを注入することによってメモリセルの書込みを行う動作法とみなすことができ、BTBT方式は、窒化シリコン膜N1にホットホールを注入することによってメモリセルの消去を行う動作法とみなすことができ、FN方式は、電子またはホールのトンネリングによって書込みまたは消去を行う動作法とみなすことができる。FN方式について、別の表現で言うと、FN方式の書込みは、窒化シリコン膜N1にFNトンネル効果により電子を注入することによってメモリセルの書込みを行う動作方式とみなすことができ、FN方式の消去は、窒化シリコン膜N1にFNトンネル効果によりホールを注入することによってメモリセルの消去を行う動作方式とみなすことができる。以下、具体的に説明する。
書込み方式は、いわゆるSSI(Source Side Injection:ソースサイド注入)方式と呼ばれるソースサイド注入によるホットエレクトロン注入で書込みを行う書込み方式(ホットエレクトロン注入書込み方式)と、いわゆるFN方式と呼ばれるFN(Fowler Nordheim)トンネリングにより書込みを行う書込み方式(トンネリング書込み方式)とがある。
SSI方式の書込みでは、例えば図15の表のAの欄またはBの欄の「書込動作電圧」に示されるような電圧(Vmg=10V、Vs=5V、Vcg=1V、Vd=0.5V、Vb=0V)を、書込みを行う選択メモリセルの各部位に印加し、選択メモリセルのONO膜ON2中の窒化シリコン膜N1中に電子を注入することで書込みを行う。
この際、ホットエレクトロンは、2つのゲート電極(メモリゲート電極MGおよび制御ゲート電極CG)間の下のチャネル領域(ソース、ドレイン間)で発生し、メモリゲート電極MGの下の電荷蓄積部である窒化シリコン膜N1にホットエレクトロンが注入される。注入されたホットエレクトロン(電子)は、ONO膜ON2中の窒化シリコン膜N1中のトラップ準位に捕獲され、その結果、メモリトランジスタのしきい値電圧が上昇する。すなわち、メモリトランジスタは書込み状態となる。
FN方式の書込みでは、例えば図15の表のCの欄またはDの欄の「書込動作電圧」に示されるような電圧(Vmg=−12V、Vs=0V、Vcg=0V、Vd=0V、Vb=0V)を、書込みを行う選択メモリセルの各部位に印加し、選択メモリセルにおいて、メモリゲート電極MGから電子をトンネリングさせてONO膜ON2中の窒化シリコン膜N1に注入することで書込みを行う。この際、電子はメモリゲート電極MGからFNトンネリング(FNトンネル効果)により第2酸化シリコン膜(トップ酸化膜)OX3をトンネリングしてONO膜ON2中に注入され、ONO膜ON2中の窒化シリコン膜N1中のトラップ準位に捕獲され、その結果、メモリトランジスタのしきい値電圧が上昇する。すなわち、メモリトランジスタは書込み状態となる。
なお、FN方式の書込みにおいて、半導体基板SBから電子をトンネリングさせて窒化シリコン膜N1に注入することで書込みを行うこともでき、この場合、書込動作電圧は、例えば図15の表のCの欄またはDの欄の「書込動作電圧」の正負を反転させたものとすることができる。
消去方法は、いわゆるBTBT方式と呼ばれるBTBT(Band-To-Band Tunneling:バンド間トンネル現象)によるホットホール注入により消去を行う消去方式(ホットホール注入消去方式)と、いわゆるFN方式と呼ばれるFN(Fowler Nordheim)トンネリングにより消去を行う消去方式(トンネリング消去方式)とがある。
BTBT方式の消去では、BTBTにより発生したホール(正孔)を電荷蓄積部(窒化シリコン膜N1)に注入することにより消去を行う。例えば図15の表のAの欄またはCの欄の「消去動作電圧」に示されるような電圧(Vmg=−6V、Vs=6V、Vcg=0V、Vd=open、Vb=0V)を、消去を行う選択メモリセルの各部位に印加する。これにより、BTBT現象によりホールを発生させ電界加速することで選択メモリセルの窒化シリコン膜N1中にホールを注入し、それによってメモリトランジスタのしきい値電圧を低下させる。すなわち、メモリトランジスタは消去状態となる。
FN方式の消去では、例えば図15の表のBの欄またはDの欄の「消去動作電圧」に示されるような電圧(Vmg=12V、Vs=0V、Vcg=0V、Vd=0V、Vb=0V)を、消去を行う選択メモリセルの各部位に印加し、選択メモリセルにおいて、メモリゲート電極MGからホールをトンネリングさせて窒化シリコン膜N1に注入することで消去を行う。この際、ホールはメモリゲート電極MGからFNトンネリング(FNトンネル効果)により第2酸化シリコン膜(トップ酸化膜)OX3をトンネリングしてONO膜ON2中に注入され、ONO膜ON2中の窒化シリコン膜N1中のトラップ準位に捕獲され、その結果、メモリトランジスタのしきい値電圧が低下する。すなわち、メモリトランジスタは消去状態となる。
なお、FN方式の消去において、半導体基板SBからホールをトンネリングさせて窒化シリコン膜N1に注入することで消去を行うこともでき、この場合、消去動作電圧は、例えば図15の表のBの欄またはDの欄の「消去動作電圧」の正負を反転させたものとすることができる。
読出し時には、例えば図15の表のAの欄、Bの欄、Cの欄またはDの欄の「読出動作電圧」に示されるような電圧を、読出しを行う選択メモリセルの各部位に印加する。読出し時のメモリゲート電極MGに印加する電圧Vmgを、書込み状態におけるメモリトランジスタのしきい値電圧と消去状態におけるしきい値電圧との間の値にすることで、書込み状態と消去状態とを判別することができる。
<本実施の形態の効果について>
以下に、図14に示す比較例の半導体装置の問題点を説明し、本実施の形態の効果について説明する。図14は、比較例の動作を説明する半導体装置の断面図である。
スプリットゲート型のMONOSメモリの形成工程では、制御ゲート電極、ONO膜、メモリゲート電極およびそれらの両側のサイドウォールを形成した後、制御ゲート電極、ONO膜、メモリゲート電極およびサイドウォールをマスクとして用いてイオン注入を行うことで、ソース・ドレイン領域の拡散領域を形成することが考えられる。ここで行う拡散領域の形成用のイオン注入は、不純物イオンのドーズ量および注入エネルギーが高いため、マスクとして用いられたメモリゲート電極には、その上面から深い領域まで不純物イオンが注入される。
このとき、メモリゲート電極の上面に打ち込まれた不純物イオンがメモリゲート電極の途中深さまで達する場合と、メモリゲート電極の上面に打ち込まれた不純物イオンがメモリゲート電極中を通ってメモリゲート電極の直下のONO膜まで達する場合とがある。メモリゲート電極に対する不純物イオンの注入深さは、半導体ウェハ(半導体基板)の全体において均一ではなく、複数のメモリゲート電極同士の間でばらつきが生じる。この場合、後の工程の熱処理(例えば図11を用いて説明したソース・ドレイン領域形成後の熱処理)によりメモリゲート電極が結晶化する際、複数のメモリゲート電極同士の間で不純物の分布に差があることに起因して、複数のメモリゲート電極同士の間で、メモリゲート電極を構成する結晶(グレイン)の形状に差が生じる。
つまり、メモリゲート電極を構成するグレインの粒径などにばらつきが生じる。このため、完成した2以上のメモリセルを同じ電圧条件で動作させようとしても、あるメモリゲート電極中の底部において空乏層が生じているのに対し、他のメモリゲート電極では空乏化が生じない状態が起こり得る。その結果、それらのメモリゲート電極を含むメモリトランジスタのしきい値電圧に差が生じ、複数のメモリセル間で特性にばらつきが生じる。よって、メモリが正常に動作しなくなるため、半導体装置の信頼性が低下する問題が生じる。
このような問題は、結晶化の際のメモリゲート電極中の不純物の分布に起因して起こるものであるので、メモリゲート電極を形成するために設けるシリコン膜を、成膜時に非結晶のシリコン膜(アモルファスシリコン膜)として形成した場合に特に顕著になる。また、拡散領域の形成前にメモリゲート電極が多結晶のシリコン膜(ポリシリコン膜)であったとしても、拡散領域の形成のためのイオン注入により、当該メモリゲート電極の結晶構造が崩されて非結晶状態に戻る場合には、上記問題が顕著になる。
また、上記問題は、複数のメモリゲート電極同士の間での不純物濃度の差により生じるものである。したがって、メモリゲート電極を形成するために設けたシリコン膜に対し、成膜時または成膜の直後の時点で不純物イオンを導入している場合には、その後に形成される各メモリゲート電極に既に不純物が所定の濃度で分布している状態となる。よって、拡散領域形成時にメモリゲート電極に不純物イオンが打ち込まれても、複数のメモリゲート電極間での濃度の差は小さく、上記問題が発生しにくい。
つまり、上記問題は、メモリゲート電極を形成するために設けるシリコン膜に対し、成膜時または成膜の直後の時点で不純物イオンの導入を行わず、エクステンション領域および拡散領域の形成のためのイオン注入工程において初めてメモリゲート電極に対してイオン注入を行うような場合に顕著となる。
また、メモリゲート電極などをマスクとして用いてイオン注入を行い、これにより拡散領域を形成する場合、不純物イオンがメモリゲート電極を貫通し、ONO膜を構成するトップ酸化膜に打ち込まれ、トップ酸化膜がダメージを受ける虞がある。この場合、トップ酸化膜の絶縁膜としての信頼性が低下し、トップ酸化膜の下の窒化シリコン膜に注入されたキャリア(例えば電子)の保持特性が悪化する問題が生じる。つまり、メモリセルにおけるデータの保持特性が悪化する。また、これにより、メモリ動作の信頼性が低下する。よって、半導体装置の信頼性が低下する問題が生じる。
これらの問題を解消するために、比較例として図14に示すように、ダミーONO膜DONおよびダミーメモリゲート電極DMを形成した状態で拡散領域DFを形成し、その後ONO膜およびメモリゲート電極を新たに形成し直すことが考えられる。
つまり、ここでは半導体基板SB上に制御ゲート電極CGおよびダミーONO膜DONを形成した後、制御ゲート電極CGの一方の側壁に隣り合うようにサイドウォール状のダミーメモリゲート電極DMを形成し、続いてダミーメモリゲート電極DMおよび制御ゲート電極CGをマスクとして用いてイオン注入を行う。これにより、制御ゲート電極CGおよびダミーメモリゲート電極DMの横に一対の拡散領域DFを形成する。
このとき、ダミーメモリゲート電極DMにはダミーメモリゲート電極DMの上面から下面近傍に亘って不純物イオンが打ち込まれる。また、ダミーメモリゲート電極DMを貫通した不純物イオンにより、トップ酸化膜である犠牲酸化シリコン膜OX2はダメージを受ける。ここでは、その後の工程でダミーメモリゲート電極DMおよびダミーONO膜DONを除去して制御ゲート電極CGおよび半導体基板SBのそれぞれの表面を露出させ、続いてONO膜(図示しない)およびメモリゲート電極(図示しない)を形成し直す。ここで新たに形成するメモリゲート電極のゲート長は、ダミーメモリゲート電極DMとほぼ同じである。
ここで新たに形成する上記ONO膜を構成するトップ酸化膜は、拡散領域DF形成時のイオン注入によるダメージを受けておらず、上記メモリゲート電極は当該イオン注入を受けていない。したがって、比較例の半導体装置では、メモリゲート電極同士の不純物の分布差に起因するメモリセル同士の特性ばらつきの発生を防ぐことができ、かつ、トップ酸化膜のダメージに起因するデータの保持特性の低下を防ぐことができる。
しかし、比較例では最終的に形成するメモリゲート電極と同等のゲート長のダミーメモリゲート電極DMを形成した状態でイオン注入を行い、これにより拡散領域DFを形成している。よって、メモリゲート電極および制御ゲート電極CGの側壁にサイドウォールを形成した状態でイオン注入を行い、これにより拡散領域を形成する場合に比べて、比較例では一対の拡散領域DF同士の間隔が小さい。したがって、比較例ではソース・ドレイン領域間に電流が流れやすくなるため、メモリセルの非動作時におけるソース・ドレイン領域間のリーク電流、つまりオフ電流の発生を防ぐ特性(カットオフ特性)が劣化する。よって、半導体装置の信頼性が低下する問題が生じる。
このような問題は、半導体装置の微細化が進むとより顕著になるため、この問題を解決しなければ、半導体装置の性能の向上の妨げとなる。
また、比較例のように、拡散領域DFの形成後にONO膜の全体を再度形成する場合、新たなONO膜の成膜工程において半導体基板SBに高い熱が加わるため、拡散領域DFがさらに広範囲に拡がる。よって、上記カットオフ特性がさらに劣化する問題が生じる。また、このようなカットオフ特性の劣化を抑えるために、ONO膜の再形成による熱拡散を考慮した再設計を行うと、半導体装置の製造コストが増大する。
また、比較例では、メモリセルの完成後に残るメモリゲート電極と同程度のゲート長を有するダミーメモリゲート電極DMと、制御ゲート電極CGとをマスクとして用いてイオン注入を行い、これにより拡散領域DFを形成しているため、拡散領域DFは、平面視において、制御ゲート電極CGおよび上記メモリゲート電極に対して一部が重なるか、または接するように形成される。
つまり、拡散領域DFと制御ゲート電極CGは平面視において互いに接しており、それらの間は離間していない。同様に、拡散領域DFと上記メモリゲート電極は平面視において互いに接しており、それらの間は離間していない。このため、拡散領域DFよりもチャネル領域に近い位置に、拡散領域DFよりも不純物濃度が小さいエクステンション領域を形成することが困難となる。
よって、LDD構造を形成することが困難となるため、メモリセルを構成するトランジスタのショートチャネル化が困難となる。これに対し、半導体基板SBの主面に対して斜めの方向からイオン注入を行うことでエクステンション領域を形成することが考えられる。しかし、上記のように一対の拡散領域DF同士の間隔が小さい比較例において、エクステンション領域を形成すると、メモリセルのソース・ドレイン領域間の抵抗値がさらに低下するため、よりカットオフ特性が劣化する問題が生じる。
これに対し、本実施の形態の半導体装置の製造工程では、図3〜図5を用いて説明したように、後に形成するメモリゲート電極MG(図11参照)のゲート長とサイドウォールSW(図11参照)とを足した大きさと同等の厚さを有するシリコン膜SF2およびダミーメモリゲート電極DMGを形成している。つまり、図5を用いて説明した工程では、ゲート長はメモリゲート電極MGよりも大きいダミーメモリゲート電極DMGをマスクとして用いてイオン注入を行っているため、図8に示すように、拡散領域DF1を、平面視においてメモリゲート電極MGから離間させて形成することができる。よって、拡散領域DF1とメモリゲート電極MGとの間の半導体基板SBの主面に、エクステンション領域EX1を形成することができる。
また、ここではソース領域用の拡散領域DF1とドレイン領域用の拡散領域DF2とを、図5を用いて説明した工程において同時に形成せず、図11に示すように、後の工程でサイドウォールSWを形成した後に、サイドウォールSWをマスクとして用いてイオン注入を行うことで、拡散領域DF2を形成している。これにより、拡散領域DF2を、平面視において制御ゲート電極CGから離間した位置に形成することができる。したがって、拡散領域DF2の形成前に形成したエクステンション領域EX2を、チャネル領域と拡散領域DF2との間に残すことができる。
よって、本実施の形態ではメモリセルMC(図13参照)を構成するソース・ドレイン領域においてLDD構造を形成することができる。また、拡散領域DF1、DF2を、互いに十分離間させて形成することができるため、カットオフ特性が劣化することを防ぐことができる。また、拡散領域DF1、DF2を、互いに十分離間させて形成することができるため、エクステンション領域EX1、EX2を形成することで、カットオフ特性が劣化することを防ぐことができる。よって、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
このような構成を実現させるためには、ダミーメモリゲート電極DMGを形成するために設けたシリコン膜SF2(図3参照)を、メモリゲート電極MGを形成するために設けたシリコン膜SF3(図7参照)よりも大きい膜厚で形成すればよい。
本実施の形態では、比較的膜厚が大きいダミーメモリゲート電極DMGを形成した状態で拡散領域DF1を形成し、その後ダミーメモリゲート電極DMGを除去してから新たにメモリゲート電極MGを形成しており、拡散領域DF2の形成時にはメモリゲート電極MGをフォトレジスト膜PR4(図11参照)により覆っている。このため、メモリゲート電極MGには、拡散領域DF1、DF2の形成のために行うイオン注入時に、不純物イオンは導入されない。したがって、複数のメモリゲート電極MG同士で不純物イオンの分布にばらつきが生じることに起因して、メモリセルMC同士の特性にばらつきが生じることを防ぐことができる。よって、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
ここで、図10に示す工程では、エクステンション領域EX1を形成するために行うイオン注入を、メモリゲート電極MGをマスクとして用いて行っている。しかし、エクステンション領域EX1は、拡散領域DF1の形成のために行うイオン注入に比べ、低いドーズ量、低いエネルギーで注入される。したがって、メモリゲート電極MGの上面に打ち込まれた不純物イオンは、メモリゲート電極MGの下面にまで達しない。つまり、複数のメモリゲート電極MG中の底部のそれぞれでは、不純物イオンの分布のばらつきが生じない。
このため、あるメモリゲート電極中の底部において空乏層が生じているのに対し、他のメモリゲート電極では空乏化が生じないという事態が生じることを防ぐことができる。その結果、それらのメモリゲート電極を含むメモリトランジスタのしきい値電圧に差が生じることに起因して、複数のメモリセルMC間で特性にばらつきが生じることを防ぐことができる。よって、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
また、ここではONO膜ON1(図5参照)を全部除去して新たなONO膜を形成するのではなく、ダミーメモリゲート電極DMGをマスクとして用いて拡散領域DF1を形成した際に、特に不純物が打ち込まれやすい犠牲酸化シリコン膜(トップ酸化膜)OX2(図5参照)のみを、図6を用いて説明した工程において除去している。その後、図7に示すように新たな第2酸化シリコン膜(トップ酸化膜)OX3を形成しているため、ここでは拡散領域DF1の形成のために行うイオン注入によるダメージが、第2酸化シリコン膜OX3に残ることを防ぐことができる。
したがって、第2酸化シリコン膜OX3を含むONO膜ON2(図13参照)を備えたメモリセルMCにおいて、データの保持特性が低下すること、および、メモリセルMCの動作の信頼性が低下することを防ぐことができる。よって、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
また、ここではトップ酸化膜のみを再形成しているため、比較例のようにONO膜全体を再形成する場合に比べて、拡散領域DF1を形成した後に半導体基板SBにかかる熱負荷を軽減することができる。よって、拡散領域DF1内の不純物イオンが成膜による加熱によりさらに拡散することを防ぐことができる。したがって、メモリセルMCのカットオフ特性が劣化することを防ぐことができるため、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
また、図5を用いて説明した工程において、ダミーメモリゲート電極DMGおよびフォトレジスト膜PR1から露出するONO膜ON1には、イオン注入によりダメージが生じ、かつ、ONO膜ON1を構成する第1酸化シリコン膜OX1および窒化シリコン膜N1は、完成したメモリセルMC内に残る。
仮に、ダミーメモリゲート電極のゲート長が、後に形成されるメモリゲート電極のゲート長と同等であって、かつ、最初に形成したONO膜の一部を除去せずに残す場合、拡散領域形成のためのイオン注入により、ダミーメモリゲート電極に隣接する領域のONO膜が受けたダメージが、メモリセルを構成するONO膜内に残る虞がある。これは、ONO膜のうち、ダミーメモリゲート電極から露出している部分が受けたダメージが、当該部分と隣接し、かつ、ダミーメモリゲート電極の直下に位置する部分にも残るためである。
しかし、第1酸化シリコン膜OX1および窒化シリコン膜N1の一部分であって、図5を用いて説明した工程において、メモリゲート電極MGよりもゲート長が大きいダミーメモリゲート電極DMGから露出することでイオン注入によりダメージを受ける部分は、後にメモリゲート電極MGが形成される領域から離間した領域に位置する部分である。また、図8を用いて説明した工程において、メモリゲート電極MGから露出する第1酸化シリコン膜OX1、窒化シリコン膜N1および第2酸化シリコン膜OX3を除去することで、図5を用いて説明したイオン注入によりダメージを受けた第1酸化シリコン膜OX1および窒化シリコン膜N1は全て除去される。
つまり、図5を用いて説明したイオン注入によりダメージを受ける領域の第1酸化シリコン膜OX1および窒化シリコン膜N1は、図8に示す後の工程で残る第1酸化シリコン膜OX1および窒化シリコン膜N1から離間している。言い換えれば、図5を用いて説明したイオン注入によりダメージを受ける領域のONO膜ON1は、図8に示すONO膜ON2の一部の除去工程の後において残る、メモリゲート電極MGの直下のONO膜ON2から離間している。このため、当該ダメージがONO膜ON2に残ることを防ぐことができる。
また、本実施の形態の半導体装置の製造方法では、メモリセルのソース領域およびドレイン領域を別々のイオン注入工程により形成する場合におけるスプリットゲート型のMONOSメモリの製造工程に比べて、マスク数を増大させずに、メモリセルMC(図13参照)を形成して上記効果を得ることができる。ONO膜ON1、ON2を構成する膜と、ダミーメモリゲート電極DMGは、マスクを使用することなく自己整合的に形成することができるためである。
また、メモリセルを構成し、LDD構造を有するソース領域およびドレイン領域を別々のイオン注入工程により形成する場合であって、比較例のように、メモリゲート電極と、ONO膜の全部または一部とを再度形成する場合に比べて、工程数を増大させずに、メモリセルMCを形成して上記効果を得ることができる。よって、本実施の形態では、半導体装置の製造コストの増大を防ぎつつ、上記の効果を得ることができる。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、図9および図10を用いて説明した工程は、どちらを先に行ってもよい。また、図9および図10に示すエクステンション領域EX1、EX2は、同一のイオン注入工程により形成してもよい。