JP3726760B2

JP3726760B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP3726760B2
Application number: JP2002042541A
Authority: JP
Inventors: 良和糟谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: US6664155B2; US20030166320A1; JP2003243619A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メモリ領域とロジック回路領域とを含む半導体装置の製造方法に関し、特に、メモリ領域に形成される不揮発性記憶装置が１つのワードゲートに対して２つの電荷蓄積領域を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
不揮発性半導体記憶装置のひとつのタイプとして、チャネル領域とコントロールゲートとの間のゲート絶縁層が酸化シリコン層と窒化シリコン層との積層体からなり、窒化シリコン層に電荷がトラップされるＭＯＮＯＳ（Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor）型もしくはＳＯＮＯＳ（Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon）型と呼ばれるタイプがある。
【０００３】
ＭＯＮＯＳ型の不揮発性半導体記憶装置として、図２４に示すデバイスが知られている（文献：Ｙ．Hayashi，et al ，2000 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers p.122-p.123）。
【０００４】
このＭＯＮＯＳ型のメモリセル１００は、半導体基板１０上に第１ゲート絶縁層１２を介してワードゲート１４が形成されている。そして、ワードゲート１４の両側には、それぞれサイドウォール状の第１コントロールゲート２０と第２コントロールゲート３０とが配置されている。第１コントロールゲート２０の底部と半導体基板１０との間には、第２ゲート絶縁層２２が存在し、第１コントロールゲート２０の側面とワードゲート１４との間には絶縁層２４が存在する。同様に、第２コントロールゲート３０の底部と半導体基板１０との間には、第２ゲート絶縁層２２が存在し、第２コントロールゲート３０の側面とワードゲート１４との間には絶縁層２４が存在する。そして、隣り合うメモリセルの、対向するコントロールゲート２０とコントロールゲート３０との間の半導体基板１０には、ソース領域またはドレイン領域を構成する不純物層１６，１８が形成されている。
【０００５】
このように、ひとつのメモリセル１００は、ワードゲート１４の側面に２つのＭＯＮＯＳ型メモリ素子を有する。また、これらの２つのＭＯＮＯＳ型メモリ素子は独立に制御される。したがって、ひとつのメモリセル１００は、２ビットの情報を記憶することができる。
【０００６】
このようなＭＯＮＯＳ型のメモリセルを含むメモリ領域と、メモリの周辺回路などを含むロジック回路領域とを同一基板上に形成する製造方法として、基本的にメモリ領域のメモリセルを形成し、次にロジック回路領域の周辺回路を形成することにより、メモリ領域とロジック回路領域とを形成し、その上層に絶縁層を介して種々の配線層を形成する製造方法が考えられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記製造方法の一工程として、酸化シリコン層等の絶縁層を形成後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ：化学的・機械的研磨）法を用いて研磨することが行われている。
【０００８】
この絶縁層の研磨工程後の上面は、その後の各種工程を精度よく実行するために、例えば、この絶縁層の上層に形成される配線等を精度よく形成するために、平坦であることが好ましい。しかしながら、この研磨の速度は一様でなく、例えば、ロジック回路領域の方がメモリ領域に対して比較的速く研磨されて、研磨後の絶縁層の上面に段差が発生する場合がある。
【０００９】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、メモリ領域とロジック回路領域とを含む半導体装置の製造方法の絶縁層を研磨する工程において、研磨後の絶縁層をより平坦化する技術を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の半導体装置の製造方法は、不揮発性記憶装置を含むメモリ領域と、該不揮発性記憶装置の周辺回路を含むロジック回路領域とを含む半導体装置の製造方法であって、
形成される半導体素子間を絶縁するために半導体層の表面に形成された素子分離領域と、前記半導体層の上方に形成され、前記不揮発性記憶装置のワードゲートを形成するためにパターニングされた第１導電層と、該第１導電層の上方に形成されたストッパ層と、前記メモリ領域内の該第１導電層の両側面にＯＮＯ膜を介して形成されたサイドウォール状のコントロールゲートと、を有する半導体基板を準備する工程と、
前記ロジック回路領域内の前記ストッパ層をパターニングする工程と、
前記メモリ領域と前記ロジック回路領域との全面にレジスト層を形成し、該レジスト層をパターニングする工程と、
パターニングされた前記レジスト層に基づいて、前記ロジック回路領域内の前記第１導電層をパターニングして、該ロジック回路領域内に絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極を形成するとともに、パターニングされた前記ストッパ層に基づいてロジック回路領域内の前記素子分離領域の上方にダミーゲート層を形成する工程と、
前記メモリ領域と前記ロジック回路領域との全面に絶縁層を形成する工程と、前記メモリ領域内の前記ストッパ層が露出するように、前記絶縁層を研磨する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記製造方法によれば、パターニングされたロジック回路領域内のストッパ層に基づいて、ロジック回路領域内の素子分離領域上にダミーゲート層を形成することにより、ロジック回路領域内のゲート電極およびダミーゲート層の形成密度を、メモリ領域のパタンーニングされた第１導電層の形成密度に近くなるようにすることができる。これによって、ロジック回路領域における絶縁層の凹凸の発生密度をメモリ領域における凹凸の発生密度に近づけることができる。また、メモリ領域とロジック回路領域の絶縁層の表面段差が小さくなるように、絶縁層を形成することができる。そして、絶縁層を研磨することによって発生し得る絶縁層の表面段差を抑制して、研磨後の絶縁層をより平坦化することが可能である。
【００１２】
また、本発明の第２の半導体装置の製造方法は、不揮発性記憶装置を含むメモリ領域と、該不揮発性記憶装置の周辺回路を含むロジック回路領域とを含む半導体装置の製造方法であって、
形成される半導体素子間を絶縁するための素子分離領域を、半導体層の表面に形成する工程と、
前記半導体層の上方に、第１絶縁層を形成する工程と、
前記第１絶縁層の上方に、第１導電層を形成する工程と、
前記第１導電層の上方に、ストッパ層を形成する工程と、
前記メモリ領域内の前記ストッパ層と前記第１導電層とをパターニングする工程と、
前記メモリ領域と前記ロジック回路領域との全面にＯＮＯ膜を形成する工程と、
前記ＯＮＯ膜の上方に、第２導電層を形成する工程と、
前記第２導電層を異方性エッチングすることにより、少なくとも前記メモリ領域内の前記第１導電層の両側面に、前記ＯＮＯ膜を介してサイドウォール状のコントロールゲートを形成する工程と、
前記ロジック回路領域内の前記ストッパ層をパターニングする工程と、
前記メモリ領域と前記ロジック回路領域との全面にレジスト層を形成し、該レジスト層をパターニングする工程と、
パターニングされた前記レジスト層に基づいて、前記ロジック回路領域内の前記第１導電層をパターニングして、該ロジック回路領域内に絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極を形成するとともに、パターニングされた前記ストッパ層に基づいてロジック回路領域内の前記素子分離領域の上方にダミーゲート層を形成する工程と、
少なくとも前記ゲート電極の両側面にサイドウォール絶縁層を形成する工程と、
前記不揮発性記憶装置のソース領域またはドレイン領域となる第１不純物層と、前記絶縁ゲート電界効果トランジスタのソース領域またはドレイン領域となる第２不純物層とを形成する工程と、
前記第１不純物層と前記第２不純物層と前記ゲート電極との表面にシリサイド層を形成する工程と、
前記メモリ領域と前記ロジック回路領域との全面に第２絶縁層を形成する工程と、
前記メモリ領域内の前記ストッパ層が露出するように、前記第２絶縁層を研磨する工程と、
前記メモリ領域内の前記ストッパ層を除去する工程と、
前記メモリ領域内の前記第１導電層をパターニングして、該メモリ領域内に前記不揮発性記憶装置のワードゲートを形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
上記第２の半導体装置の製造方法においても、第１の半導体装置の製造方法と同様に、第２絶縁層を研磨することによって発生し得る第２絶縁層の表面段差を抑制して、研磨後の第２絶縁層をより平坦化することが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本実施の形態に係る製造方法によって得られた半導体装置のメモリ領域のレイアウトを示す平面図である。図３は、本実施の形態に係る半導体装置の一部分を示す平面図である。図４は、図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００１５】
図１〜図４に示す半導体装置は、ＭＯＮＯＳ型不揮発性記憶装置（以下、「メモリセル」という）１００が複数の行および列に格子状に配列されてメモリセルアレイを構成しているメモリ領域１０００と、メモリの周辺回路などを含むロジック回路領域２０００とを含む。
【００１６】
Ａ．デバイスの構造：
まず、図１および図２を参照しながら、メモリ領域１０００のレイアウトについて説明する。
【００１７】
図１には、メモリ領域１０００の一部である第１のブロックＢ１と、これに隣り合う第２のブロックＢ２とが示されている。図２には、第１のブロックＢ１と、第１のブロックＢ１のコンタクト構造とが示されている。
【００１８】
第１のブロックＢ１と第２のブロックＢ２との間の一部領域には、素子分離領域３００が形成されている。各ブロックＢ１，Ｂ２においては、Ｘ方向（行方向）に延びる複数のワード線５０（ＷＬ）と、Ｙ方向（列方向）に延びる複数のビット線６０（ＢＬ）とが設けられている。一本のワード線５０は、Ｘ方向に配列された複数のワードゲート１４に接続されている。ビット線６０は不純物層１６，１８によって構成されている。
【００１９】
第１および第２コントロールゲート２０，３０を構成する導電層４０は、各不純物層１６，１８を囲むように形成されている。すなわち、第１，第２コントロールゲート２０，３０は、それぞれＹ方向に延びており、１組の第１，第２コントロールゲート２０，３０の一方の端部は、Ｘ方向に延びる導電層４０によって互いに接続されている。また、１組の第１，第２コントロールゲート２０，３０の他方の端部はともに１つの共通コンタクト部２００に接続されている。したがって、各第１，第２コントロールゲート２０，３０は、メモリセルのコントロールゲートの機能と、Ｙ方向に配列された各コントロールゲートを接続する配線としての機能とを有する。
【００２０】
単一のメモリセル１００は、１つのワードゲート１４と、このワードゲート１４の両側に形成された第１，第２コントロールゲート２０，３０と、これらのコントロールゲート２０，３０の外側であって、半導体基板内に形成された不純物層１６，１８とを含む。そして、不純物層１６，１８は、それぞれ隣り合うメモリセル１００によって共有される。
【００２１】
Ｙ方向に互いに隣り合う不純物層１６であって、ブロックＢ１に形成された不純物層１６とブロックＢ２に形成された不純物層１６とは、半導体基板内に形成されたコンタクト用不純物層４００によって互いに電気的に接続されている。このコンタクト用不純物層４００は、不純物層１６に対し、コントロールゲートの共通コンタクト部２００とは反対側に形成される。
【００２２】
このコンタクト用不純物層４００上には、コンタクト３５０が形成されている。不純物層１６によって構成されたビット線６０は、このコンタクト３５０によって、上層の配線層に電気的に接続される。
【００２３】
同様に、Ｙ方向に互いに隣り合う２つの不純物層１８は、共通コンタクト部２００が配置されていない側において、コンタクト用不純物層４００によって互いに電気的に接続されている（図２参照）。
【００２４】
図１からわかるように、１つのブロックにおいて、複数の共通コンタクト部２００の平面レイアウトは、不純物層１６と不純物層１８とで交互に異なる側に形成され、千鳥配置となる。同様に、図２に示すように、１つのブロックにおいて、複数のコンタクト用不純物層４００の平面レイアウトは、不純物層１６と不純物層１８とで交互に異なる側に形成され、千鳥配置となる。
【００２５】
次に、図３および図４を参照しながら、半導体装置の平面構造および断面構造について説明する。メモリ領域１０００と隣り合う位置に、例えばメモリの周辺回路を構成するロジック回路領域２０００が形成されている。メモリ領域１０００とロジック回路領域２０００とは、素子分離領域３００によって電気的に分離されている。メモリ領域１０００には、少なくともメモリセル１００が形成されている。ロジック回路領域２０００には、少なくともロジック回路を構成する絶縁ゲート電界効果トランジスタ（以下、「ＭＯＳトランジスタ」という）５００が形成されている。
【００２６】
まず、メモリ領域１０００について説明する。
【００２７】
図４に示すように、メモリセル１００は、半導体基板１０の上方に第１ゲート絶縁層１２を介して形成されたワードゲート１４と、半導体基板１０内に形成された、ソース領域またはドレイン領域を構成する不純物層１６，１８と、ワードゲート１４の両側に沿ってそれぞれ形成された、サイドウォール状の第１および第２のコントロールゲート２０，３０とを含む。また、不純物層１６，１８上には、シリサイド層９２が形成されている。
【００２８】
第１コントロールゲート２０は、半導体基板１０の上方に第２ゲート絶縁層２２を介して形成され、かつ、ワードゲート１４の一方の側面に対してサイド絶縁層２４を介して形成されている。同様に、第２コントロールゲート３０は、半導体基板１０の上方に第２ゲート絶縁層２２を介して形成され、かつ、ワードゲート１４の他方の側面に対してサイド絶縁層２４を介して形成されている。
【００２９】
第２ゲート絶縁層２２およびサイド絶縁層２４は、ＯＮＯ膜である。具体的には、第２ゲート絶縁層２２およびサイド絶縁層２４は、ボトム酸化シリコン層（第１酸化シリコン層（Ｏ））、窒化シリコン層（Ｎ）、トップ酸化シリコン層（第２酸化シリコン層（Ｏ））の積層膜である。
【００３０】
第２ゲート絶縁層２２の第１酸化シリコン層は、チャネル領域と電荷蓄積領域との間に電位障壁（potential barrier）を形成する。
【００３１】
第２ゲート絶縁層２２の窒化シリコン層は、キャリア（たとえば電子）をトラップする電荷蓄積領域として機能する。
【００３２】
第２ゲート絶縁層２２の第２酸化シリコン層は、コントロールゲートと電荷蓄積領域との間に電位障壁（potential barrier）を形成する。
【００３３】
サイド絶縁層２４は、ワードゲート１４と、コントロールゲート２０，３０とをそれぞれ電気的に分離させる。また、サイド絶縁層２４の上端は、ワードゲート１４と第１，第２コントロールゲート２０，３０とのショートを防ぐために、コントロールゲート２０，３０の上端に比べ、半導体基板１０に対して上方に位置している。
【００３４】
なお、サイド絶縁層２４と第２ゲート絶縁層２２とは、同一の成膜工程で形成され、それぞれの層構造は等しくなる。
【００３５】
そして、隣り合うメモリセル１００において、隣り合う第１コントロールゲート２０と第２コントロールゲート３０との間には、埋め込み絶縁層７０が形成される。この埋め込み絶縁層７０は、少なくともコントロールゲート２０，３０が露出しないようにこれらを覆っている。具体的には、埋込み絶縁層７０の上面は、サイド絶縁層２４の上端よりも半導体基板１０に対して上方に位置している。埋込み絶縁層７０をこのように形成することで、ワードゲート１４およびワード線５０に対する第１，第２コントロールゲート２０，３０の電気的分離をより確実に行うことができる。
【００３６】
共通コンタクト部２００には、コントロールゲート２０，３０に所定の電位を供給するための導電層が形成される。共通コンタクト部２００は、第１コンタクト絶縁層２１２、第２コンタクト絶縁層２１０、第１コンタクト導電層２１４、第２コンタクト導電層２３２、第３コンタクト絶縁層２５２および第３コンタクト導電層２６０から構成されている。
【００３７】
第１コンタクト絶縁層２１２は、第１ゲート絶縁層１２と同一の工程で形成される。
【００３８】
第２コンタクト絶縁層２１０は、第２ゲート絶縁層２２およびサイド絶縁層２４と同一の工程で形成される。従って、第２コンタクト絶縁層２１０は、第１酸化シリコン層と窒化シリコン層と第２酸化シリコン層の積層体から構成されている。
【００３９】
第１コンタクト導電層２１４は、ワードゲート１４と同一の工程で形成される。第１コンタクト導電層２１４は、第２コンタクト絶縁層２１０の外側に形成されている。
【００４０】
第２コンタクト導電層２３２は、第２コンタクト絶縁層２１０の内側に形成されている。第２コンタクト導電層２３２は、第１，第２コントロールゲート２０，３０の形成と同一の工程によって、これらのコントロールゲート２０，３０と連続するように形成される。従って、第２コンタクト導電層２３２と、コントロールゲート２０，３０とは、同一の材質で形成されている。
【００４１】
第３コンタクト絶縁層２５２は、第２コンタクト導電層２３２の内側に形成されている。第３コンタクト絶縁層２５２は、サイドウォール絶縁層１５２と同一の工程によって形成される。
【００４２】
第３コンタクト導電層２６０は、ワード線５０と同一の工程で形成され、第１コンタクト導電層２１４と第２コンタクト導電層２３２とに接続されている。
【００４３】
次に、ロジック回路領域２０００においては、ＭＯＳトランジスタ５００が形成されている。ＭＯＳトランジスタ５００は、半導体基板１０の上方に第３ゲート絶縁層１２２を介して形成されたゲート電極１４２と、半導体基板１０内に形成されたソース領域またはドレイン領域を構成する不純物層１６２，１８２と、ゲート電極１４２の両側面に沿ってそれぞれ形成されたサイドウォール絶縁層１５２とを含む。さらに、不純物層１６２，１８２の上面にはシリサイド層１９２が形成され、ゲート電極１４２の上面にはシリサイド層１９４が形成されている。
【００４４】
ロジック回路領域２０００においては、ＭＯＳトランジスタ５００は絶縁層２７０によって覆われている。この絶縁層２７０は、埋込み絶縁層７０と同一の工程で形成される。
【００４５】
メモリ領域１０００とロジック回路領域２０００との境界領域には、図３および図４に示すように、ワードゲート１４およびゲート電極１４２と同一の材質からなる境界部１４０ｃが形成される。この境界部１４０ｃは、ワードゲート１４およびゲート電極１４２と同一の成膜工程で形成される。また、境界部１４０ｃの少なくとも一部は、素子分離領域３００の上方に形成される。
【００４６】
境界部１４０ｃの一方の側面（メモリ領域１０００側）には、コントロールゲート２０，３０と同一の材質のサイドウォール状導電層２０ａが形成されている。このサイドウォール状導電層２０ａは、Ｙ方向に延びており、共通コンタクト部２００を介して隣り合うコントロールゲート３０と電気的に接続されている。このサイドウォール状導電層２０ａは、メモリセルのコントロールゲートとしては利用されない。しかしながら、サイドウォール状導電層２０ａを隣り合うコントロールゲート３０と電気的に接続させることによって、サイドウォール状導電層２０ａと隣り合うコントロールゲート３０の電気特性を、他のコントロールゲートの電気特性と等しくすることができる。
【００４７】
また、境界部１４０ｃの他の側面（ロジック回路領域２０００側）には、ＭＯＳトランジスタ５００のサイドウォール絶縁層１５２の形成と同一の工程によって形成されたサイドウォール状絶縁層１５２が形成されている。
【００４８】
メモリセル１００およびＭＯＳトランジスタ５００などが形成された半導体基板１０上には、層間絶縁層７２が形成されている。そして、層間絶縁層７２には、例えば共通コンタクト部２００の第３コンタクト導電層２６０に到達するコンタクトホールが形成されている。このコンタクトホール内に、タングステンプラグまたは銅プラグなどの導電層８２が充填され、この導電層８２は層間絶縁層７２上に形成された配線層８０と接続されている。
【００４９】
Ｂ．半導体装置の基本的な製造方法：
次に、実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するために、まず、その前提となる基本的な製造方法について、図５〜図１６を参照しながら説明する。なお、図５〜図１６の各断面図は、図３のＡ−Ａ線に沿った部分に対応する。また、図５〜図１６において、図１〜図４で示す部分と実質的に同一の部分には同一の符号を付し、重複する記載は省略する。
【００５０】
（１）図５に示すように、まず、半導体基板１０の表面に、トレンチアイソレーション法によって素子分離領域３００を形成する。そして、イオン注入によって、コンタクト用不純物層４００（図１参照）を半導体基板１０内に形成する。
【００５１】
次いで、半導体基板１０の表面に、ゲート絶縁層となる絶縁層１２０を形成する。なお、この絶縁層１２０が本発明の第１絶縁層に相当する。次いで、ワードゲート１４とゲート電極１４２とになるゲート層１４０を絶縁層１２０上に堆積する。ゲート層１４０はドープトポリシリコンからなる。次いで、後のＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ：化学的・機械的研磨）工程において、研磨終了の目安となるストッパ層Ｓ１００をゲート層１４０上に形成する。ストッパ層Ｓ１００は、窒化シリコン層からなる。
【００５２】
（２）図６に示すように、メモリ領域１０００にパターニングされたゲート層１４０ａを形成する。例えば、ストッパ層Ｓ１００（図５参照）の上に、ロジック回路領域２０００の全てを覆い、さらに、メモリ領域１０００の一部にまで張り出したレジスト層（図示しない）を形成する。次いで、このレジスト層をマスクとしてストッパ層Ｓ１００をパターニングする。その後、パターニングされたストッパ層をマスクとして、ゲート層１４０をエッチングする。この結果、図６に示すように、メモリ領域１０００では、ゲート層１４０がパターニングされゲート層１４０ａとなる。一方、この工程では、ロジック回路領域２０００内のゲート層１４０はパターニングされない（以後、ロジック回路領域内のゲート層１４０を便宜的に１４０ｂと呼ぶ）。
【００５３】
パターニング後の様子を平面的に示したのが図７である。このパターニングによって、メモリ領域１０００内のゲート層１４０およびストッパ層Ｓ１００の積層体には、開口部１６０，１８０が設けられる。開口部１６０，１８０は、後のイオン注入によって不純物層１６，１８が形成される領域にほぼ対応している。そして、後の工程で、開口部１６０，１８０の側面に沿ってサイド絶縁層とコントロールゲートとが形成される。
【００５４】
（３）図８に示すように、半導体基板１０上に、ＯＮＯ膜２２０を全面的に形成する。ＯＮＯ膜２２０は、第１酸化シリコン層（Ｏ）、窒化シリコン層（Ｎ）および第２酸化シリコン層（Ｏ）を順次堆積させることで形成される。第１酸化シリコン層は、たとえば熱酸化法、ＣＶＤ法を用いて成膜することができる。窒化シリコン層は、たとえばＣＶＤ法によって成膜することができる。第２酸化シリコン層は、ＣＶＤ法、具体的には高温酸化法（ＨＴＯ）を用いて成膜することができる。これらの各層を成膜した後、アニール処理を行い、各層を緻密化することが好ましい。
【００５５】
ＯＮＯ膜２２０は、後のパターニングによって、第２ゲート絶縁層２２およびサイド絶縁層２４、ならびに第２コンタクト絶縁層２１０となる（図４参照）。
【００５６】
（４）図９に示すように、ドープトポリシリコン層２３０を、ＯＮＯ膜２２０上に全面的に形成する。ドープトポリシリコン層２３０は、後にエッチングされて、コントロールゲート２０，３０を構成する導電層４０（図１参照）および共通コンタクト部２００の第２導電層２３２（図３参照）となる。
【００５７】
次いで、共通コンタクト部が形成される領域に、レジスト層Ｒ１００を形成する。
【００５８】
（５）図１０に示すように、ドープトポリシリコン層２３０（図９参照）をレジスト層Ｒ１００をマスクとして全面的に異方性エッチングすることにより、第１および第２コントロールゲート２０，３０および第２コンタクト導電層２３２を形成する。
【００５９】
すなわち、このエッチング工程によって、メモリ領域１０００の開口部１６０，１８０（図７参照）の側面に沿って、サイドウォール状のコントロールゲート２０，３０が形成される。これと同時に、レジスト層Ｒ１００（図９参照）でマスクされた部分には、第２コンタクト導電層２３２が形成される。一方、ロジック回路領域２０００内に堆積されたドープトポリシリコン層２３０は完全に除去される。但し、境界領域においては、ゲート層１４０ｂの一方の端部（メモリ領域１０００側）の側面に、ドープトポリシリコン層２３０がサイドウォール状に残存することになる。その後、レジスト層Ｒ１００は除去される。
【００６０】
（６）図１１に示すように、メモリ領域１０００の全てを覆い、さらにロジック回路領域の一部にまで張り出したレジスト層Ｒ２００を形成する。次いで、レジスト層Ｒ２００をマスクとしてロジック回路領域２０００におけるＯＮＯ膜２２０とストッパ層Ｓ１００とを除去する。このエッチング工程によって、境界領域を除くロジック回路領域２０００内のストッパ層Ｓ１００は全て除去される。
【００６１】
このとき、メモリ領域１０００とロジック回路領域２０００との境界領域に位置するゲート層１４０ｂであって、上記（２）のエッチング工程で使用されるレジスト層と、この（６）のエッチング工程で使用されるレジスト層Ｒ２００とに共に覆われていた領域は、後の工程で境界部１４０ｃ（図４参照）となる。また、このパターニングによって形成されたストッパ層Ｓ１００ａは、メモリ領域１０００内の他のストッパ層Ｓ１００より幅が大きい。その後、レジスト層Ｒ２００は除去される。
【００６２】
（７）図１２に示すように、ゲート電極１４２を形成するためのレジスト層Ｒ３００を形成する。このレジスト層Ｒ３００は、メモリ領域１０００の全てと、ロジック回路領域２０００内の所定の部分とを覆うようにパターニングされている。次いで、レジスト層Ｒ３００をマスクとしてゲート層１４０ｂ（図１１参照）をエッチングすることにより、ロジック回路領域２０００内にゲート電極１４２を形成する。また、このエッチングによって、境界領域にはレジスト層Ｒ３００とストッパ層Ｓ１００ａとをマスクとして自己整合的に境界部１４０ｃがパターニングされる。
【００６３】
その後、レジスト層Ｒ３００は除去される。次いで、Ｎ型不純物をドープすることで、ロジック回路領域２０００においてソース領域およびドレイン領域のエクステンション層１６１，１８１が形成される。
【００６４】
（８）図１３に示すように、メモリ領域１０００およびロジック回路領域２０００において、酸化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの絶縁層２５０を全面的に形成する。
【００６５】
（９）図１４に示すように、絶縁層２５０（図１２参照）を全面的に異方性エッチングすることにより、ロジック回路領域２０００において、ゲート電極１４２の両側面にサイドウォール絶縁層１５２が形成される。これと共に、境界部１４０ｃのロジック回路領域２０００側の側面にサイドウォール絶縁層１５２が形成さる。また、コントロールゲート２０，３０上には絶縁層１５２ａが残存させられる。また、第２コンタクト導電層２３２を覆う第３コンタクト絶縁層２５２が形成される。さらに、このエッチングによって、後の工程でシリサイド層が形成される領域、例えば、後のイオン注入によって、メモリ領域１００の不純物層１６，１８が形成される領域、ロジック回路領域２００の不純物層１６２，１８２が形成される領域、及びロジック回路領域２０００のゲート電極１４２に堆積された絶縁層は除去され、半導体基板が露出する。
【００６６】
次いで、Ｎ型不純物をイオン注入することにより、半導体基板１０内に、メモリ領域１０００のソース領域またはドレイン領域を構成する不純物層１６，１８、およびロジック回路領域２０００のソース領域またはドレイン領域を構成する不純物層１６２，１８２を形成する。
【００６７】
次いで、シリサイド形成用の金属を全面的に堆積させる。シリサイド形成用の金属とは、例えば、チタンやコバルトである。その後、不純物層１６，１８，１６２，１８２と、ゲート電極１４２との上に形成された金属をシリサイド化反応させることにより、不純物層１６，１８の上面にシリサイド層９２を形成させ、不純物層１６２，１８２の上面にシリサイド層１９２を形成させ、ゲート電極１４２の上面にシリサイド層１９４を形成させる。従って、このシリサイド工程によって、ロジック回路領域２０００のＭＯＳトランジスタ５００（図４参照）は、ゲート電極と、ソース領域またはドレイン領域とが共に自己整合的にシリサイド化される。また、同一のシリサイド工程によって、メモリ領域１０００のメモリセル１００（図４参照）は、ソース領域またはドレイン領域の表面が自己整合的にシリサイド化される。
【００６８】
次いで、メモリ領域１０００およびロジック回路領域２０００において、酸化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの絶縁層２７０を全面的に形成する。絶縁層２７０は、ストッパ層Ｓ１００とＳ１００ａとを覆うように形成される。
【００６９】
（１０）図１５に示すように、絶縁層２７０をＣＭＰ法を用いて、ストッパ層Ｓ１００，Ｓ１００ａが露出するまで研磨し、絶縁層２７０を平坦化する。この研磨によって、コントロールゲート２０，３０をはさんで対向する２つのサイド絶縁層２４の間に絶縁層２７０が残存され、埋込み絶縁層７０となる。
【００７０】
このとき、メモリ領域１０００においては、ゲート層１４０ａおよびストッパ層Ｓ１００の側面に形成されたサイド絶縁層２４の上端は、第１，第２コントロールゲート２０，３０の上端に比べ、半導体基板１０に対して上方に位置する。また、ロジック回路領域２０００においては、ＭＯＳトランジスタ５００は絶縁層２７０によって完全に覆われている。
【００７１】
従って、この研磨工程が終わった段階で、ワードゲート１４となるゲート層１４０ａと境界部１４０ｃとの上方にはそれぞれストッパ層Ｓ１００とＳ１００ａとが存在することになる。一方、ゲート電極１４２の上方にはストッパ層は無く、絶縁層２７０が存在することになる。
【００７２】
（１１）ストッパ層Ｓ１００，Ｓ１００ａ（図１５参照）を熱りん酸で除去する。この結果、少なくともゲート層１４０ａと境界部１４０ｃとの上面が露出する。その後、全面的にドープトポリシリコン層を堆積させる。
【００７３】
次いで、図１６に示すように、堆積形成したドープトポリシリコン層上にパターニングされたレジスト層Ｒ４００を形成する。レジスト層Ｒ４００をマスクとして、上記ドープトポリシリコン層をパターニングすることにより、ワード線５０と第３コンタクト導電層２６０とが形成される。
【００７４】
さらに、レジスト層Ｒ４００をマスクとして、ゲート層１４０ａ（図１５参照）のエッチングが行われる。このエッチングにより、ワード線５０が上方に形成されないゲート層１４０ａが除去される。その結果、アレイ状に配列したワードゲート１４を形成することができる。ゲート層１４０ａの除去領域は、後に形成されるＰ型不純物層（素子分離用不純物層）１５の領域と対応する（図３参照）。
【００７５】
なお、このエッチング工程では、第１，第２のコントロールゲート２０、３０をなす導電層４０は、埋込み絶縁層７０で覆われているために、エッチングされずに残る。また、ロジック回路領域２０００のＭＯＳトランジスタ５００は、絶縁層２７０によって完全に覆われているため、このエッチングによって影響を受けることは無い。
【００７６】
次いで、Ｐ型不純物を半導体基板１０に全面的にドープする。これにより、Ｙ方向におけるワードゲート１４の相互間の領域にＰ型不純物層（素子分離用不純物層）１５（図３参照）が形成される。このＰ型不純物層１５によって、不揮発性半導体記憶装置１００相互の素子分離がより確実に行われる。
【００７７】
（１２）次いで、第１層間絶縁層を形成した後、公知の方法でコンタクトホールを形成し、コンタクトホール内の導電層および第１配線層を形成できる。例えば、図４に示すように、層間絶縁層７２にコンタクトホールを形成した後、共通コンタクト部２００と接続された導電層８２および配線層８０を形成する。この工程では、ロジック回路領域２０００においても同様にコンタクト部および配線層を形成することができる。
【００７８】
以上の工程により、図１〜図４に示す半導体装置を製造することができる。
【００７９】
Ｃ．ＣＭＰ法を用いた絶縁層研磨の特徴：
図１７は、上記（１０）で説明したＣＭＰ法を用いた研磨工程の特徴を示す説明図である。図１７は、半導体装置のメモリ領域およびロジック回路領域の要部を模式的に示す断面図である。図１７（Ａ）に示すように、形成された絶縁層２７０の上面は、絶縁層２７０を形成する下層の段差、すなわち、メモリ領域１００のゲート層１４０ａやロジック回路領域のゲート電極１４２に応じて凹凸が発生する。具体的には、メモリ領域１０００ではゲート層１４０ａが形成される密度が比較的高く、ロジック回路領域２０００ではゲート電極１４２が形成される密度が比較的低いため、凹凸の発生密度はメモリ領域１０００で比較的高く、ロジック回路領域２０００で比較的低くなる。特に、メモリ領域１０００の複数のメモリセル１００が配列形成される領域では、ロジック回路領域２０００に比べて凹凸の発生密度が高くなる。ＣＭＰ法を用いた研磨においては、この凹凸の発生密度に起因して、絶縁層２７０の研磨速度に差が発生する場合がある。具体的には、比較的発生密度の小さいロジック回路領域２０００の方が比較的発生密度の高いメモリ領域１０００に比べて早く研磨される。このため、図１７（Ｂ）に示すように、メモリ領域１０００のストッパ層Ｓ１００ａが露出する前に、ロジック回路領域２０００のゲート電極１４２が露出してしまう場合が発生する。
【００８０】
ゲート電極１４２が露出すると、上記（１１）の工程においてメモリセル１００のワードゲート１４をパターニングする際に、ＭＯＳトランジスタ５００がエッチングガスに晒され、特性上影響を受ける場合がある。
【００８１】
また、メモリ領域１０００の複数のメモリセル１００が配列形成される領域では、凹凸の発生密度が比較的高いため、凸凹の発生密度が比較的低いロジック回路領域２０００に比べて、絶縁層２７０の上面の高さが高くなる傾向にあり、絶縁層２７０の表面に段差が発生する。この表面段差および上記研磨速度の差によって、ＣＭＰ法を用いた研磨後の絶縁層２７０の上面は平坦化されずに段差が発生する。
【００８２】
絶縁層２７０の上層に形成される配線等の微細化が進んでおり、絶縁層２７０が平坦でなく段差があると、その上層に形成される配線等の微細化が困難となる場合がある。
【００８３】
以上説明したように、上記（１０）で説明したＣＭＰ法を用いた研磨工程には、ＭＯＳトランジスタ５００がエッチングガスに晒され、特性上影響を受けることがあるという特徴を有している。また、絶縁層２７０の上層に形成される配線等の微細化が困難となることがあるという特徴を有している。
【００８４】
Ｄ．実施の形態に係る半導体装置製造方法：
そこで、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、以下の手順で半導体装置を製造する。
【００８５】
上記（１）から（５）の工程（図１ないし図１０参照）を実行後、上記（６）の工程（図１１参照）を実行する。ただし、本工程においては、図１８に示すように、レジスト層Ｒ２００に替えてレジスト層Ｒ２００Ａを形成する。このレジスト層Ｒ２００Ａは、レジスト層Ｒ２００と同じ部分に加えて、後の工程でロジック回路領域２０００内の素子分離領域３００上にゲート（以下、「ダミーゲート」と呼ぶ）層１４０ｄ（図１９参照）を形成するために、ロジック回路領域２０００内の素子分離領域３００上の所定の部分をも覆うように形成される。
【００８６】
次いで、レジスト層Ｒ２００Ａをマスクとしてロジック回路領域２０００におけるＯＮＯ膜２２０とストッパ層Ｓ１００とを除去する。このエッチング工程によって、境界領域と、ダミーゲート層１４０ｄに対応するストッパ層Ｓ１００ｄとを除くロジック回路領域２０００内のストッパ層Ｓ１００は全て除去される。なお、ストッパ層Ｓ１００ｄの幅は、ゲート層１４０ａの幅に等しく設定されている。
【００８７】
次いで、上記（７）の工程（図１２参照）を実行する。このとき、図２１に示すように、ゲート層１４０ｂを、レジスト層Ｒ３００をマスクとしてエッチングすることにより、ゲート電極１４２が形成される。また、ストッパ層Ｓ１００ｄをマスクとしてエッチングすることにより、ダミーゲート層１４０ｄが形成される。この場合、ストッパ層１００ｄはエッチングされて、他のストッパ層Ｓ１００，Ｓ１００ａに比べて薄くなる。
【００８８】
なお、ストッパ層Ｓ１００ｄ上にもレジスト層を形成して、レジスト層とストッパ層Ｓ１００ｄをマスクとしてダミーゲート層１４０ｄを形成するようにしてもよい。この場合、ストッパ層１００ｄはエッチングされないので、他のストッパ層Ｓ１００，Ｓ１００ａと同じ厚さとなる。
【００８９】
その後、レジスト層Ｒ３００は除去される。次いで、Ｎ型不純物をドープすることで、ロジック回路領域２０００においてソース領域およびドレイン領域のエクステンション層１６１，１８１が形成される。
【００９０】
次いで、上記（８）および（９）の工程（図１３および図１４参照）を実行する。これにより、図２０に示すように、ＭＯＳトランジスタ５００に加えて、素子分離領域３００上にダミーゲート層１４０ｄと、このダミーゲート層１４０ｄの側面に形成されたサイドウォール絶縁層１５２とが形成される。
【００９１】
絶縁層２７０は、こうして形成されたダミーゲート層１４０ｄを含むロジック回路領域２０００およびメモリ領域１０００において全面的に形成される。
【００９２】
ここで、ダミーゲート層１４０ｄｄは、ロジック回路領域２０００におけるＭＯＳトランジスタ５００のゲート電極１４２およびダミーゲート層１４０ｄの形成密度が、メモリ領域１０００におけるゲート層１４０ａの形成密度に近くなるように形成される。このため、絶縁層２７０は、ロジック回路領域２０００における絶縁層２７０の凹凸の発生密度が、メモリ領域１０００における凹凸の発生密度に近くなるように形成される。また、絶縁層２７０は、メモリ領域１０００とロジック回路領域２０００の絶縁層２７０の表面段差が小さくなるように形成される。
【００９３】
これにより、上記（１０）の工程におけるＣＭＰ法による絶縁層２７０の研磨を実行した場合、ロジック回路領域２０００の研磨の速さをメモリ領域１０００の研磨の速さに近づけることが可能となる。
【００９４】
この結果、図２１に示すように、メモリ領域１０００のストッパ層Ｓ１００ａが露出する前に、ロジック回路領域２０００のゲート電極１４２が露出してしまうことを防止することが可能となる。また、絶縁層２７０をより精度よく平坦化することができる。これにより、絶縁層２７０の上層に形成される配線等の微細化が可能である。
【００９５】
ここで、ダミーゲート層１４０ｄは、上述したロジック回路領域２０００における絶縁層２７０の凹凸の発生密度が、メモリ領域１０００における凹凸の発生密度に近くなるように形成される。具体的には、ダミーゲート層１４０ｄは、ロジック回路領域２０００におけるＭＯＳトランジスタ５００のゲート電極１４２と、ダミーゲート層１４０ｄの形成密度が、メモリ領域１０００におけるゲート層１４０ａの形成密度に近くなるように、素子分離領域３００上に形成される。
【００９６】
本例では、素子分離領域３００上に、ゲート層１４０ａに等しい幅を有する３つのダミーゲート層１４０ｄが形成されている場合を示しているが、これに限定される必要はなく、複数のダミーゲート層１４０ｄが紙面に平行な方向または紙面に垂直な方向に配列形成されるようにしてもよい。すなわち、ダミーゲート層１４０ｄは、ロジック回路領域２０００における絶縁層２７０の凹凸の発生密度が、メモリ領域１０００における凹凸の発生密度に近くなるように形成されれば、どのような大きさや形状であってもよい。また、どのように配列されていてもよい。また、ダミーゲート層１４０ｄと同様に、ロジック回路領域２０００における絶縁層２７０の凹凸の発生密度が、メモリ領域１０００における凹凸の発生密度に近くなるように形成されれば、どのような大きさや形状であってもよい。
【００９７】
なお、図２１では、ストッパ層Ｓ１００ｄが研磨後の絶縁層２７０に覆われているが、ストッパ層Ｓ１００ｄが露出するように形成されていてもよい。ストッパ層Ｓ１００ｄが露出する場合、上記（１２）の工程でストッパ層Ｓ１００ｄは除去される。一方、本例のようにストッパ層Ｓ１００ｄが露出していない場合、ストッパ層Ｓ１００ｄは除去されずに残存することになる。
【００９８】
以上、本発明の一実施の形態について述べたが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の態様をとりうる。たとえば、上記実施の形態では、半導体層としてバルク状の半導体基板を用いたが、ＳＯＩ基板の半導体層を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体装置のメモリ領域のレイアウトを模式的に示す平面図である。
【図２】半導体装置のメモリ領域のレイアウトを模式的に示す別の平面図である。
【図３】半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線に沿った部分を模式的に示す断面図である。
【図５】図１から図４に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図６】図１から図４に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図７】図６に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す平面図である。
【図８】図１から図４に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図９】図１から図４に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１０】図１から図４に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１１】図１から図４に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１２】図１から図４に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１３】図１から図４に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１４】図１から図４に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１５】図１から図４に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１６】図１から図４に示す半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１７】ＣＭＰ法を用いた研磨工程の特徴を示す説明図である。
【図１８】本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１９】本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２０】本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２１】本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２２】公知のＭＯＮＯＳ型メモリセルを示す断面図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板
１２…第１ゲート絶縁層
１４…ワードゲート
１６，１８…不純物層
２０…第１コントロールゲート
２２…第２ゲート絶縁層
２４…サイド絶縁層
３０…第２コントロールゲート
５０…ワード線
６０…ビット線
７０…埋込み絶縁層
７２…層間絶縁層
８０…配線層
１００…不揮発性記憶装置（メモリセル）
１２０…絶縁層
１２２…第３ゲート絶縁層
１４０，１４０ａ，１４０ｂ…ゲート層
１４０ｃ…境界部
１４０ｄ…ダミーゲート層
１４０ｅ…ダミー境界部
１４２…ゲート電極
１６０，１８０…開口部
１６２，１８２…不純物層
２００…共通コンタクト部
２１０…第２コンタクト絶縁層
２１２…第１コンタクト絶縁層
２１４…第１コンタクト導電層
２２０…ＯＮＯ膜
２３０…ドープドポリシリコン層
２３２…第２コンタクト導電層
２５２…第３コンタクト絶縁層
２６０…第３コンタクト導電層
２７０…絶縁層
３００…素子分離領域
４００…コンタクト用不純物層
５００…絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）
６００…ダミー素子
Ｓ１００…ストッパ層
Ｒ１００、Ｒ２００、Ｒ３００、Ｒ４００、Ｒ５００…レジスト層
Ｒ２００Ａ，Ｒ３００Ａ…レジスト層
１０００…メモリ領域
２０００…ロジック回路領域

Claims

不揮発性記憶装置を含むメモリ領域と、該不揮発性記憶装置の周辺回路を含むロジック回路領域とを含む半導体装置の製造方法であって、
形成される半導体素子間を絶縁するために半導体層の表面に形成された素子分離領域と、前記半導体層の上方に形成され、前記不揮発性記憶装置のワードゲートを形成するためにパターニングされた第１導電層と、該第１導電層の上方に形成されたストッパ層と、前記メモリ領域内の該第１導電層の両側面にＯＮＯ膜を介して形成されたサイドウォール状のコントロールゲートと、を有する半導体基板を準備する工程と、
前記ロジック回路領域内の前記ストッパ層をパターニングする工程と、
前記メモリ領域と前記ロジック回路領域との全面にレジスト層を形成し、該レジスト層をパターニングする工程と、
パターニングされた前記レジスト層に基づいて、前記ロジック回路領域内の前記第１導電層をパターニングして、該ロジック回路領域内に絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極を形成するとともに、パターニングされた前記ストッパ層に基づいてロジック回路領域内の前記素子分離領域の上方にダミーゲート層を形成する工程と、
前記メモリ領域と前記ロジック回路領域との全面に絶縁層を形成する工程と、前記メモリ領域内の前記ストッパ層が露出するように、前記絶縁層を研磨する工程と、を備える、
半導体装置の製造方法。
不揮発性記憶装置を含むメモリ領域と、該不揮発性記憶装置の周辺回路を含むロジック回路領域とを含む半導体装置の製造方法であって、
形成される半導体素子間を絶縁するための素子分離領域を、半導体層の表面に形成する工程と、
前記半導体層の上方に、第１絶縁層を形成する工程と、
前記第１絶縁層の上方に、第１導電層を形成する工程と、
前記第１導電層の上方に、ストッパ層を形成する工程と、
前記メモリ領域内の前記ストッパ層と前記第１導電層とをパターニングする工程と、
前記メモリ領域と前記ロジック回路領域との全面にＯＮＯ膜を形成する工程と、
前記ＯＮＯ膜の上方に、第２導電層を形成する工程と、
前記第２導電層を異方性エッチングすることにより、少なくとも前記メモリ領域内の前記第１導電層の両側面に、前記ＯＮＯ膜を介してサイドウォール状のコントロールゲートを形成する工程と、
前記ロジック回路領域内の前記ストッパ層をパターニングする工程と、
前記メモリ領域と前記ロジック回路領域との全面にレジスト層を形成し、該レジスト層をパターニングする工程と、
パターニングされた前記レジスト層に基づいて、前記ロジック回路領域内の前記第１導電層をパターニングして、該ロジック回路領域内に絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極を形成するとともに、パターニングされた前記ストッパ層に基づいてロジック回路領域内の前記素子分離領域の上方にダミーゲート層を形成する工程と、
少なくとも前記ゲート電極の両側面にサイドウォール絶縁層を形成する工程と、
前記不揮発性記憶装置のソース領域またはドレイン領域となる第１不純物層と、前記絶縁ゲート電界効果トランジスタのソース領域またはドレイン領域となる第２不純物層とを形成する工程と、
前記第１不純物層と前記第２不純物層と前記ゲート電極との表面にシリサイド層を形成する工程と、
前記メモリ領域と前記ロジック回路領域との全面に第２絶縁層を形成する工程と、
前記メモリ領域内の前記ストッパ層が露出するように、前記第２絶縁層を研磨する工程と、
前記メモリ領域内の前記ストッパ層を除去する工程と、
前記メモリ領域内の前記第１導電層をパターニングして、該メモリ領域内に前記不揮発性記憶装置のワードゲートを形成する工程と、を備える、
半導体装置の製造方法。