JP5023415B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、詳しくはDRAM(Dynamic Random Access Memory)からなる半導体装置およびその製造方法、ならびにDRAMとロジック素子とを混載した半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
年々加速される微細化競争によって、特に大容量のDRAMと高速ロジック素子とを1チップに搭載する複合デバイスの開発が行われている。その構成の一例としては、DRAMのメモリセルゲートを基板上に積み上げ、メモリセルトランジスタの拡散層の取り出しには、いわゆるセルフアラインコンタクトを用い、一方、ロジック素子はセルフアラインコンタクトを用いずに形成するという構成のものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、積み上げ型のDRAMもさまざまな問題が顕在化してきている。
【0004】
トランジスタ性能を維持するため、DRAMメモリセルの縮小とともに基板濃度はますます高くなってきていて、DRAM領域の接合リークも厳しい状態に近づいている。このため、メガビット級のDRAMでの接合リークの抑制が困難になってきている。すなわち、従来は余裕を持って制御可能であったDRAMのデータ保持特性の維持が困難なものとなってきている。このままでは世代ごとにキャパシタ容量を増大させていくしか有効な手段が見当たらない。
【0005】
また、DRAMセルの縮小化にともない、拡散層と取り出し電極との接触面積が狭くなり、世代ごとに2倍の勢いでコンタクト抵抗が上昇するようになっている。0.1μm以降の世代では、このコンタクト抵抗が数kΩになることが予想され、メモリセルのワードトランジスタのオン抵抗に匹敵してくるようになると予想される。したがって、セルトランジスタのみならず、このコンタクト抵抗のばらつきがDRAM動作に厳しく影響してくるようになり、製造上、一層の精密性が要求されるようになって来ている。
【0006】
また、DRAMセルの縮小化にともない、ワード線とその脇に形成される拡散層の取り出しコンタクトとの層間絶縁距離は世代ごとに近づきつつある。メガビット級のDRAMを製造する上で、この耐圧を確保するためには20nm〜30nmが限界の距離といわれている。そのため、0.1μm以降の世代のDRAMでは、この耐圧限界距離以下の距離で拡散層の取り出しコンタクトを形成することが必要になってしまう。
【0007】
従来は、タングステンシリサイド(WSi2 )/ドープトポリシリコンのポリサイド構造の採用で遅延を押さえてきたDRAMのワード線も、近年の微細化とともに、アスペクト比も厳しくなり、また、ワード線の遅延を抑えるための十分な低抵抗を得ることが困難となってきた。特に高速動作を要求される積み上げDRAMなどでは、このワード線遅延がDRAMのアクセスタイムに影響する深刻な問題となる。ゲートの抵抗を下げる技術として、サリサイドによる配線の低抵抗化が実用化されている。しかしながら、DRAMメモリセルのゲートに適用するためには、オフセット酸化シリコン膜を使えなくなることによるDRAMメモリセル縮小化の障害とデータ保持特性の維持のために、DRAMの拡散層にはサリサイドを形成しないプロセスを必要とするなどの困難から通常は採用できない。
【0008】
また、DRAMの記憶ノードコンタクトもそのセルサイズから余裕の無い開口が必須であり、拡散層コンタクトと同様、耐圧限界での開口が必要となり、その狭いコンタクト径で抵抗上昇を効率的に抑制する技術が必要になっている。
【0009】
一方、ロジック部のトランジスタ性能の向上も目覚しく、特にpチャネルトランジスタのオフリークを抑制するp+ ゲート電極が一般に用いられるように成ってきている。ところがこのp+ ゲートは、不純物のホウ素が熱処理によって基板側に拡散してしまう。いわゆる「突き抜け」の問題を含んでおり、pチャネルトランジスタの特性ばらつきやゲート電極の空乏化といった深刻な問題を引き起こすことが知られている。DRAMの拡散層コンタクトに広く用いられている。ドープトポリシリコンは熱処理による活性化が不可欠な材料であり、混載する際の整合性には注意を要している。
【0010】
このように、現在の0.18μm世代では、何とか許容できている技術であっても、今後の0.1μm世代以降では、何らかの対策が必要となり、チップの性能トレンドを維持するためには、積み上げ型のDRAM構造の抜本的な改良が必要となると予想される。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置およびその製造方法である。
【0012】
本発明の第1の半導体装置は、半導体基板に形成された素子分離領域と、前記素子分離領域により分離された前記半導体基板中に形成されたウエル拡散層と、前記半導体基板および前記素子分離領域に形成されたもので前記ウエル拡散層上に前記半導体基板の一部を残した状態で形成された溝と、前記溝の底部と前記ウエル拡散層との間の前記半導体基板に形成されたチャネル拡散層と、前記溝内にゲート絶縁膜を介して埋め込まれたワード線と、前記溝側壁の前記半導体基板表面側に形成された拡散層と、前記ワード線上層に形成されたシリサイド層と、前記ワード線上に絶縁膜を介して前記ワード線にオーバラップする状態で前記拡散層に接続された取り出し電極とを備えたものである。
【0013】
上記第1の半導体装置では、チャネルが形成される溝下部とウエル拡散層との間の半導体基板にチャネル拡散層が形成されていることから、溝とウエル拡散層との間の領域の不純物濃度は溝周囲の半導体基板の不純物濃度よりも高くなる。また、ソース・ドレインとなる拡散層下部の半導体基板濃度は極めて低くなっていることから、ソース・ドレインとなる拡散層の接合の電界が弱められるので、ppmオーダーでの接合リークの抑制が可能になり、それによって、データ保持特性が極めてよくなる。
【0014】
ワード線上層にシリサイド層が形成されていることから、ワード線の抵抗が低減され、遅延の問題が回避されて、動作速度が向上する。それとともに、ワード線へのコンタクト抵抗が低減される。
【0015】
しかも、半導体基板表面側に拡散層が形成され、その半導体基板に形成された溝内にゲート絶縁膜を介してワード線が埋め込まれていることから、チャネルはワード線が形成されている溝底部側の半導体基板を廻り込むように形成される。そのため、実効的なチャネル長が十分に確保されるため、バックバイアスを印加して、短チャネル効果が厳しいメモリ素子(例えばDRAM)のトランジスタ特性が安定化される。
【0016】
また、拡散層は、その深さ方向に不純物濃度が薄くなっていることから、メモリ素子領域の拡散層下部の半導体基板濃度をセルトランジスタに要求されるほどに濃くしなくともよいので、接合の電界が緩和され、メモリ素子のセル縮小化にともない厳しくなるデータ保持特性の性能が維持される。
【0017】
また、ゲート絶縁膜を介して半導体基板に形成された溝内に埋め込まれたワード線上に、絶縁膜を介してこのワード線にオーバラップする状態で、半導体基板表面に形成した拡散層に接続される取り出し電極が形成されていることから、ワード線上の絶縁膜を20nm〜30nm以上の十分な膜厚を確保することが可能になる。それによって、拡散層に接続される取り出し電極との耐圧が確保される。そのため、メモリ素子の拡散層上の全面がコンタクトに使用されるので、実効面積を有効に使用できる。よって、セルデザインで実現可能な最低の抵抗値が実現されるので、コンタクト抵抗の低減が図れる。
【0018】
本発明の第1の半導体装置の製造方法は、半導体基板に素子分離領域を形成した後該半導体基板上にバッファ層を形成する工程と、前記素子分離領域によって分離された前記半導体基板中にウエル拡散層を形成する工程と、前記ウエル拡散層上に前記半導体基板の一部を残した状態で前記バッファ層および前記半導体基板および前記素子分離領域のワード線を形成する位置に溝を形成する工程と、前記溝の底部と前記ウエル拡散層との間の前記半導体基板にチャネル拡散層を形成する工程と、前記溝内および前記半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板上に前記溝を埋め込む導電層を形成する工程と、前記溝の内部に前記導電層を残した状態で前記溝の上部および前記半導体基板上の前記導電層を除去することにより前記溝内に残した前記導電層でワード線を形成する工程と、前記溝側壁上部の前記半導体基板に拡散層を形成する工程と、前記ワード線上の前記溝側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、層を形成する工程と、前記溝の上部を埋め込むように前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記ワード線上に前記絶縁膜を介して前記ワード線にオーバラップする状態でメモリ素子領域に形成した前記拡散層に達する接続孔を形成する工程と、前記接続孔内に取り出し電極を形成する工程とを備えている。
【0019】
上記第1の半導体装置の製造方法では、バッファ層を形成していることにより、その後、溝の底部における半導体基板にチャネル拡散層を形成する不純物を導入する際に、バッファ層がマスクとなって、選択的に溝の底部の半導体基板に不純物が導入され、チャネル拡散層が形成される。
【0020】
このように、溝下部とウエル拡散層との間の半導体基板にチャネル拡散層を形成することから、溝とウエル拡散層との間の領域の不純物濃度は溝周囲の半導体基板の不純物濃度よりも高くなる。また、ソース・ドレインとなる拡散層下部の半導体基板濃度は極めて低くい状態に保つことができるので、ソース・ドレインとなる拡散層の接合の電界が弱められる。このため、ppmオーダーでの接合リークの抑制が可能になり、それによって、データ保持特性が極めてよくなる半導体装置が形成される。
【0021】
また、ゲート絶縁膜を介して半導体基板に形成された溝内に埋め込まれたワード線上に、絶縁膜を介してこのワード線にオーバラップする状態で、半導体基板表面に形成した拡散層に接続される取り出し電極を形成することから、ワード線上の絶縁膜を20nm〜30nm以上の十分な膜厚を確保することが可能になる。それによって、拡散層に接続される取り出し電極との耐圧が確保される。そのため、メモリ素子の拡散層上の全面がコンタクトに使用されるので、実効面積を有効に使用できる。よって、セルデザインで実現可能な最低の抵抗値が実現されるので、コンタクト抵抗の低減が図れる。
【0022】
さらに、ワード線上層にシリサイド層を形成することから、ワード線の抵抗が低減され、遅延の問題が回避される。それとともに、ワード線へのコンタクト抵抗が低減される。
【0023】
また、半導体基板表面側に拡散層を形成し、その半導体基板に形成した溝内にゲート絶縁膜を介してワード線を埋め込むように形成することから、チャネルはワード線が形成されている溝底部側の半導体基板を廻り込むように形成される。そのため、実効的なチャネル長が十分に確保されるため、バックバイアスを印加して、短チャネル効果が厳しいメモリ素子(例えばDRAM)のトランジスタ特性が安定化される。
【0024】
また、メモリ素子領域の拡散層を、その深さ方向に不純物濃度が薄くなるように形成することから、メモリ素子領域の拡散層下部の半導体基板濃度をセルトランジスタに要求されるほどに濃くしなくともよいので、接合の電界が緩和され、メモリ素子のセル縮小化にともない厳しくなるデータ保持特性の性能が維持される。
【0025】
本発明の第2の半導体装置は、メモリ素子とロジック素子とを同一半導体基板上に形成した半導体装置である。すなわち、前記メモリ素子のトランジスタは、半導体基板に形成された素子分離領域と、前記素子分離領域により分離された前記半導体基板中に形成されたウエル拡散層と、前記半導体基板および前記素子分離領域に形成されたもので前記ウエル拡散層上に前記半導体基板の一部を残した状態で形成された溝と、前記溝の底部と前記ウエル拡散層との間の前記半導体基板に形成されたチャネル拡散層と、前記溝内にゲート絶縁膜を介して埋め込まれたワード線と、前記溝側壁の前記半導体基板表面側に形成された拡散層と、前記ワード線上層に形成されたシリサイド層と、前記ワード線上に絶縁膜を介して前記ワード線にオーバラップする状態で前記拡散層に接続された取り出し電極とを備えたものである。前記ロジック素子のトランジスタは、前記半導体基板上に形成されたもので、ポリシリコン電極と金属系電極とが積層されたポリメタル構造のゲート電極と、前記ゲート電極の両側における前記半導体基板表面側に形成された拡散層と、前記拡散層上層に形成されたシリサイド層とを備えたもので、前記ロジック素子のゲート電極は、前記半導体基板上に、ポリシリコン層と該ポリシリコン層とのエッチング選択性を有する材料からなるダミー層を順に形成し、その後前記ポリシリコン層と前記ダミー層とを加工して、ロジック素子領域の半導体基板上に前記ゲート絶縁膜を介して、前記ポリシリコン層と前記ダミー層とでダミーゲートを形成し、その後前記ダミーゲートの両側の半導体基板表面にロジック素子の低濃度拡散層を形成し、その後前記ダミーゲートの側壁にサイドウォール絶縁膜を形成し、その後前記ダミーゲートの両側の半導体基板に前記ダミーゲート側に前記低濃度拡散層を介して前記拡散層を形成し、その後前記溝の上部を埋め込むとともに前記ダミーゲートを覆うように絶縁膜を形成し、その後前記絶縁膜表面を平坦化するとともに前記ダミーゲートの上部を露出させ、さらに前記ダミー層を除去して前記ポリシリコン層を露出させてゲート溝を形成し、その後前記ダミーゲートのポリシリコン層に不純物をドーピングし、その後前記取り出し電極及び前記ポリシリコン層を活性化する熱処理を行い、その後前記ゲート溝に金属系電極に置き換えて形成されたものである。
【0026】
上記第2の半導体装置では、チャネルが形成される溝下部とウエル拡散層との間の半導体基板にチャネル拡散層が形成されていることから、溝とウエル拡散層との間の領域の不純物濃度は溝周囲の半導体基板の不純物濃度よりも高くなる。また、ソース・ドレインとなる拡散層下部の半導体基板濃度は極めて低くなっていることから、ソース・ドレインとなる拡散層の接合の電界が弱められるので、ppmオーダーでの接合リークの抑制が可能になり、それによって、データ保持特性が極めてよくなる。
【0027】
ワード線上層にシリサイド層が形成されていることから、ワード線の抵抗が低減され、遅延の問題が回避され、動作速度が向上する。それとともに、ワード線へのコンタクト抵抗が低減される。また、ロジック素子の拡散層上にシリサイド層が形成されていることから、この拡散層へのコンタクト抵抗が低減される。
【0028】
しかも、半導体基板表面側に拡散層が形成され、その半導体基板に形成された溝内にゲート絶縁膜を介してワード線が埋め込まれていることから、チャネルはワード線が形成されている溝底部側の半導体基板を廻り込むように形成される。そのため、実効的なチャネル長が十分に確保されるため、バックバイアスを印加して、短チャネル効果が厳しいメモリ素子(例えばDRAM)のトランジスタ特性が安定化される。
【0029】
また、拡散層は、その深さ方向に不純物濃度が薄くなっていることから、メモリ素子領域の拡散層下部の半導体基板濃度をセルトランジスタに要求されるほどに濃くしなくともよいので、接合の電界が緩和され、メモリ素子のセル縮小化にともない厳しくなるデータ保持特性の性能が維持される。
【0030】
また、ゲート絶縁膜を介して半導体基板に形成された溝内に埋め込まれたワード線上に、絶縁膜を介してこのワード線にオーバラップする状態で、半導体基板表面に形成した拡散層に接続される取り出し電極が形成されていることから、ワード線上の絶縁膜を20nm〜30nm以上の十分な膜厚を確保することが可能になる。それによって、拡散層に接続される取り出し電極との耐圧が確保される。そのため、メモリ素子の拡散層上の全面がコンタクトに使用されるので、実効面積を有効に使用できる。よって、セルデザインで実現可能な最低の抵抗値が実現されるので、コンタクト抵抗の低減が図れる。
【0031】
本発明の第2の半導体装置の製造方法は、メモリ素子とロジック素子とを同一半導体基板上に形成する半導体装置の製造方法において、前記半導体基板に素子分離領域を形成した後該半導体基板上にバッファ層を形成する工程と、前記素子分離領域によって分離されたメモリ素子領域の前記半導体基板中にウエル拡散層を形成する工程と、前記ウエル拡散層上に前記半導体基板の一部を残した状態で前記バッファ層および前記半導体基板および前記素子分離領域のワード線を形成する位置に溝を形成する工程と、前記溝の底部と前記ウエル拡散層との間の前記半導体基板にチャネル拡散層を形成する工程と、前記溝内および前記半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、メモリ素子領域の前記半導体基板上に前記溝を埋め込む導電層を形成する工程と、前記素子分離領域によって分離されたロジック素子領域の前記半導体基板にウエル拡散層を形成する工程と、前記半導体基板上にポリシリコン層と該ポリシリコン層とのエッチング選択性を有する材料からなるダミー層を順に形成する工程と、前記ポリシリコン層と前記ダミー層とを加工し、ロジック素子領域の半導体基板上に前記ゲート絶縁膜を介して前記ポリシリコン層と前記ダミー層とでダミーゲートを形成する工程と、前記溝の内部に前記導電層を残した状態で前記溝の上部および前記半導体基板上の前記導電層を除去することにより前記溝内に残した前記導電層でワード線を形成する工程と、前記溝側壁上部の前記半導体基板に拡散層を形成する工程と、前記ダミーゲートの両側の半導体基板表面にロジック素子の低濃度拡散層を形成する工程と、前記ダミーゲートの側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記ダミーゲートの両側の半導体基板に前記ダミーゲート側に前記低濃度拡散層を介して拡散層を形成する工程と、前記ワード線上の前記溝側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記ワード線上層および前記ロジック素子の拡散層上層にシリサイド層を形成する工程と、前記溝の上部を埋め込むとともに前記ダミーゲートを覆うように絶縁膜を形成する工程と、前記ワード線上に前記絶縁膜を介して前記ワード線にオーバラップする状態でメモリ素子領域に形成した前記拡散層に達する接続孔を形成する工程と、前記接続孔内に取り出し電極を形成する工程と、前記絶縁膜表面を平坦化するとともに前記ダミーゲートの上部を露出させ、さらに前記ダミー層を除去して前記ポリシリコン層を露出させてゲート溝を形成する工程と、前記ダミーゲートのポリシリコン層に不純物をドーピングする工程と、前記取り出し電極及び前記ポリシリコン層を活性化する熱処理を行う工程と、前記ゲート溝に金属系電極を形成する工程とを備えた半導体装置の製造方法である。
【0032】
上記第2の半導体装置の製造方法では、バッファ層を形成していることにより、その後、溝の底部における半導体基板にチャネル拡散層を形成する不純物を導入する際に、バッファ層がマスクとなって、選択的に溝の底部の半導体基板に不純物が導入され、チャネル拡散層が形成される。
【0033】
このように、溝下部とウエル拡散層との間の半導体基板にチャネル拡散層を形成することから、溝とウエル拡散層との間の領域の不純物濃度は溝周囲の半導体基板の不純物濃度よりも高くなる。また、ソース・ドレインとなる拡散層下部の半導体基板濃度は極めて低くい状態に保つことができるので、ソース・ドレインとなる拡散層の接合の電界が弱められる。このため、ppmオーダーでの接合リークの抑制が可能になり、それによって、データ保持特性が極めてよくなる半導体装置が形成される。
【0034】
また、ゲート絶縁膜を介して半導体基板に形成された溝内に埋め込まれたワード線上に、絶縁膜を介してこのワード線にオーバラップする状態で、半導体基板表面に形成した拡散層に接続される取り出し電極を形成することから、ワード線上の絶縁膜を20nm〜30nm以上の十分な膜厚を確保することが可能になる。それによって、拡散層に接続される取り出し電極との耐圧が確保される。そのため、メモリ素子の拡散層上の全面がコンタクトに使用されるので、実効面積を有効に使用できる。よって、セルデザインで実現可能な最低の抵抗値が実現されるので、コンタクト抵抗の低減が図れる。
【0035】
さらに、ワード線上層にシリサイド層を形成することから、ワード線の抵抗が低減され、遅延の問題が回避される。また、ロジック素子の拡散層上にシリサイド層を形成することから、この拡散層へのコンタクト抵抗が低減される。
【0036】
また、半導体基板表面側に拡散層を形成し、その半導体基板に形成した溝内にゲート絶縁膜を介してワード線を埋め込むように形成することから、チャネルはワード線が形成されている溝底部側の半導体基板を廻り込むように形成される。そのため、実効的なチャネル長が十分に確保されるため、バックバイアスを印加して、短チャネル効果が厳しいメモリ素子(例えばDRAM)のトランジスタ特性が安定化される。
【0037】
また、メモリ素子領域の拡散層を、その深さ方向に不純物濃度が薄くなるように形成することから、メモリ素子領域の拡散層下部の半導体基板濃度をセルトランジスタに要求されるほどに濃くしなくともよいので、接合の電界が緩和され、メモリ素子のセル縮小化にともない厳しくなるデータ保持特性の性能が維持される。
【0038】
また、ロジック素子領域に形成するダミーゲートにポリシリコン層とダミー層との積層構造を用いることによって、メモリ素子領域の拡散層の取り出し電極を形成した後にダミー層を除去し、ダミーゲートのポリシリコン層に不純物をドーピングすることが可能になる。その後、熱処理を行い、金属ゲート電極を形成することから、熱処理によるpチャネルゲート電極におけるホウ素の突き抜けの問題が最小限に抑えられる。
【0039】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置に係る一実施の形態を、図1の概略構成断面図によって説明する。
【0040】
図1に示すように、半導体基板11は、例えば1×1017/cm3 程度のp型不純物濃度を有するシリコン基板で構成されている。上記半導体基板11には、メモリ素子領域(以下DRAMとして説明し、図面ではDRAM領域と記す)、標準電圧ロジック領域、高電圧ロジック領域等を分離する素子分離領域12が形成されている。この素子分離領域12は、例えばSTI(Shallow Trench Isolation )技術によって、例えば0.1μm〜0.2μm程度の深さに形成される。さらに半導体基板11上には、素子分離領域12上を覆うバッファ層71が
例えば酸化シリコン膜で例えば20nm〜40nmの厚さに形成されている。
【0041】
上記バッファ層71は製造上、必要なものである。すなわち、バッファ層71は、ウエル拡散層13を形成する際の緩衝膜の機能を有するものであり、後に説明するメモリ素子のトランジスタ(アクセストランジスタ)の基板濃度を調整するイオン注入時にDRAMの接合となる領域に対してイオン注入のストッパとして機能するものであり、さらに、溝14に埋め込まれたワード線18の表面にシリサイド層27を形成する際に、DRAM領域の拡散層19にシリサイド層27が形成されるのを防止する機能を有する。
【0042】
上記メモリ素子領域の半導体基板11中には、ウエル拡散層13が、例えば上面が150nm〜200nmよりも深い状態で、下面が素子分離領域12の深さよりもやや深い状態に、かつ深さ方向の厚さが例えば0.8μm程度となるように形成されている。このウエル拡散層13は、P形であり、例えばホウ素を導入して形成されるものであり、例えばイオン注入で形成する場合には、イオン種にホウ素を用い、ドーズ量を例えば5×1012/cm2 〜7×1012/cm2 程度とする。
【0043】
さらに、必要に応じて、素子分離領域12下方の半導体基板11に素子分離拡散層(図示せず)が形成されていてもよい。
【0044】
さらに、バッファ層71を貫通し、上記素子分離領域12および半導体基板11には、DRAM領域のワード線(ゲート電極も含む)が形成される溝14を形成されている。この溝14の深さは、例えば100nm〜150nm程度であり、先に形成したウエル拡散層13とこの溝14の底部との間に半導体基板11が残るように形成されている。なお、半導体基板11に形成された溝14の深さと素子分離領域12に形成された溝14の深さとが多少の差を生じてもよい。
【0045】
また、上記溝14底部のエッジ部分は、セルトランジスタの電界集中を避けるために、いわゆるラウンド形状に形成されていることが望ましく、また、溝14の幅がメモリ素子のアクセストランジスタのチャネル長になるので、溝14の側壁はできうる限り半導体基板11表面に対して垂直に形成されることが望ましい。
【0046】
さらに、上記溝14の底部と上記ウエル拡散層13との間の半導体基板11にはチャネル拡散層15が形成されている。DRAM領域のワードトランジスタの上記チャネル拡散層15として、高濃度(例えば1.0×1018/cm3 〜1.0×1019/cm3 )にしなければならない領域は、半導体基板11を掘り下げた溝14底部の半導体基板11(11a)部分であり、溝14の側壁や上部における半導体基板11は極めて低濃度でよい。したがって、後述する拡散層19下部の半導体基板11部分は、極めて低濃度(例えば1.0×1017/cm3 〜1.0×1018/cm3 )で形成されている。
【0047】
上記溝14の内面および半導体基板11上等には、ゲート絶縁膜16が形成されている。上記ゲート絶縁膜15は、最先端のロジックのトランジスタよりもやや厚めの膜厚を有し、またゲート長もやや長く形成されるため、この世代であっても、熱酸化による酸化シリコン膜の適用が可能である。したがって、DRAM領域の上記ゲート絶縁膜15は、例えば1.5nm〜5nm程度の厚さの酸化シリコン膜で形成されている。
【0048】
さらに各溝14を埋め込むように上記ゲート絶縁膜16を介して、例えばリンドープトポリシリコン膜からなるワード線(ゲート電極も含む)18が形成されている。このワード線18は、下層がポリシリコン層で形成され、上層がシリサイド(例えばサリサイド)層21で形成されている。また、上記ワード線18のポリシリコン層上の溝14側壁には、サイドウォール絶縁膜20が例えば窒化シリコン膜で形成されている。また、上記ワード線18は、少なくとも後に説明する取り出し電極24との耐圧が確保される距離として、その表面が溝14の上部の半導体基板11表面より少なくとも30nm〜100nm程度下がるように、好ましくは50nm〜90nm程度下がるように形成されている。この実施の形態では、例えば50nm程度下がった状態に形成されている。そのため、後述する拡散層の取り出し電極24との耐圧距離が確保されている。
【0049】
さらに、上記シリサイド層21は、例えばコバルトシリサイド(CoSi2 )、チタンシリサイド(TiSi2 )ニッケルシリサイド(NiSi2 )等を用いられている。上記サイドウォール絶縁膜20はシリサイド層21と拡散層19との間の耐圧を確保する機能を有する。なお、半導体基板11に形成された溝14の深さと素子分離領域12に形成された溝14の深さに多少の差を生じていても差し支えはない。
【0050】
さらに、DRAM領域の半導体基板11には、ソース・ドレインとなる拡散層19が形成されている。この拡散層19には、N形の不純物としてリンが用いられ、濃度が1×1017/cm3 〜1×1018/cm3 となっている。そのため、この領域の半導体基板11は1×1016/cm3 〜×1017/cm3 程度の非常に薄い濃度に設定されている。
【0051】
よって、このN−P接合は超グレーディッド接合(非常に緩やかな濃度勾配の接合)となる。このような状態の接合では、逆バイアス時の電界を緩和し、メガビット級のDRAMでわずかppmオーダーの不良ビットに起きる通常よりも2桁程度も悪い接合リークの電流抑制に劇的に寄与する。この不良ビットのデータ保持特性がDRAMのチップ性能を支配しており、今後のDRAMでデータ保持特性を維持する重要な技術となっている。
【0052】
例えば、基板濃度が5×1016/cm3 程度であるならば、85℃で500ms以上のデータ保持特性が基体でき、これは実に4世代〜5世代も前のデータのデータ保持特性に匹敵する性能を発揮すると予想される。また、DRAM領域のアクセストランジスタは、半導体基板11をいわゆるラウンドする形でチャネルが形成されることから、実効的なチャネル長を長く確保することもでき、バックバイアスを印加して使う、短チャネル効果が厳しいDRAMセルのトランジスタ特性の安定化を図ることもできる。
【0053】
上記半導体基板11上の全面には、第1の絶縁膜(絶縁膜)22が形成されている。この第1の絶縁膜22は、表面が平坦化されている。さらに、全面にキャップ絶縁膜80が例えば窒化シリコン膜で形成されている。このキャップ絶縁膜80はサリサイド形成部の接合リークを抑制するのに効果的であるが、不要であれば形成する必要はない。
【0054】
さらに、全面に第1の絶縁膜(絶縁膜)22が形成されている。この第1の絶縁膜22には、キャップ絶縁膜80、バッファ層71等を貫通してDRAM領域の拡散層19に達する接続孔23が形成されている。この接続孔23は、拡散層19の表面全面で取り出し電極をコンタクトさせることが可能なように、接続孔23の開口径をでき得る限り大きく形成することが望ましい。それによってコンタクト抵抗の低減が図られる。
【0055】
また、図面では、多少アライメントずれを起こした状態をわざと記載したが、接続孔開口時に過剰なオーバエッチングを施さなければ、接続孔23内に形成されるワード線の取り出し電極24の物理的な距離を確保することが可能となる。なお、上部からみた投影デザインでは、この接続孔23が完全にワード線(ゲート電極)18にオーバラップする形となっている。上記接続孔23内には、例えばリンドープトポリシリコンで形成される取り出し電極24が形成されている。
【0056】
また、取り出し電極24上面が第2の絶縁膜22表面と同一面になるように、上記第2の絶縁膜22の表面は平坦化されている。さらに、第2の絶縁膜22上には、取り出し電極24を覆うエッチングストップ層25が形成されている。
【0057】
上記エッチングストップ層25、上記第1の絶縁膜22およびキャップ絶縁膜80には、DRAM領域のワード線18上のシリサイド層21に達する接続孔26が形成されている。上記接続孔26内には取り出し電極27が形成されている。上記取り出し電極27は、窒化チタン膜からなる密着層85を介して接続孔26内を埋め込むように形成されたタングステン膜86からなる。
【0058】
上記エッチングストップ層25上には、上記取り出し電極27を覆う第2の絶縁膜31が形成されている。この第2の絶縁膜31は例えば酸化シリコン膜を50nm〜150nmの厚さに堆積して形成されている。
【0059】
上記第2の絶縁膜31、エッチングストップ層25には、取り出し電極24に接続するビットコンタクトホール32が形成されている。また第2の絶縁膜31上にはビット線34が形成されていて、その一部は上記ビットコンタクトホール32を通じて取り出し電極24に接続されている。また、第2の絶縁膜31上にはローカル配線35が形成されている。上記ビット線34およびローカル配線35は、例えばタングステン膜37により形成され、その下部に密着層36が形成され、その上部にキャップ層38が形成されている。
【0060】
上記第2の絶縁膜22上には、上記ビット線34およびローカル配線35を覆うエッチングストッパ層41および第3の絶縁膜42が形成されている。このエッチングストッパ層41は、ALD窒化シリコン膜で、例えば30nm〜50nmの厚さに形成されている。
【0061】
上記第3の絶縁膜42から上記エッチングストッパ層25にかけて、記憶ノードコンタクトの取り出し電極24、24に達する記憶ノードコンタクトを形成する接続孔43が形成されている。この接続孔43内においては上記エッチングストッパ層41がビット線と記憶ノードコンタクトとの耐圧が確保される膜厚のサイドウォールとしてビット線34の側壁に残る。さらに上記接続孔43内には取り出し電極24に接続する記憶ノードコンタクト44が形成されている。この記憶ノードコンタクト44は、例えばタングステン、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、酸化ルテニウム等の材料で形成されている。なお、上記第3の絶縁膜42表面は、例えば、記憶ノードコンタクト44上面とともに平坦化されている。
【0062】
上記第3の絶縁膜42上には第4の絶縁膜45が形成されている。この第4の絶縁膜45には、キャパシタが形成される凹部46が、その底部に上記記憶ノードコンタクト44上面が露出するように形成されている。その凹部46内には、熱処理が不要なMIM(Metal/insulator/Metal)構造のキャパシタ91が形成されている。MIM構造のキャパシタ91は0.1μm以降のDRAMでは必須になると予想され、現在では、一例として、電極92、94にルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO)系材料が用いられ、電極92、94間に形成される誘電体膜93にはBST(BaTiO3 とSrTiO3 との混晶)系の膜が採用されている。
【0063】
上記第4の絶縁膜45上には、上記MIM構造のキャパシタ91を覆う第5の絶縁膜47が形成されている。この第5の絶縁膜47表面は平坦化されている。上記第5の絶縁膜47ないし第1の絶縁膜22には、キャパシタ取り出し電極、ワード線取り出し電極、ローカル配線取り出し電極等を形成するための接続孔111、112、113等が形成されている。
【0064】
各接続孔111、112、113等には、キャパシタ取り出し電極121、ワード線取り出し電極122、ローカル配線取り出し電極123等が形成されている。
【0065】
さらに、第5の絶縁膜47上には第6の絶縁膜48が形成されている。この第6の絶縁膜48には、各電極121、122、123に達する配線溝131、132、133が形成され、各配線溝131〜133には第1の配線141〜143が形成されている。この第1の配線141〜143は例えば銅配線からなる。図示はしないが、さらに必要に応じて上層配線が形成されている。なお、上記電極121〜123および上記配線141〜143には、電極、配線、絶縁膜の材質によって、通常知られている密着層、バリア層が形成されている。
【0066】
上記第1の半導体装置では、チャネルが形成される溝14下部とウエル拡散層13との間の半導体基板11にチャネル拡散層15が形成されていることから、溝14とウエル拡散層13との間の領域の不純物濃度は溝14周囲の半導体基板11の不純物濃度よりも高くなる。また、ソース・ドレインとなる拡散層19下部の半導体基板11濃度は極めて低くなっていることから、拡散層19の接合の電界が弱められるので、ppmオーダーでの接合リークの抑制が可能になり、それによって、データ保持特性が極めてよくなる。
【0067】
ワード線18上層にシリサイド層21が形成されていることから、ワード線18の抵抗が低減され、遅延の問題が回避されて、動作速度が向上する。それとともに、ワード線18へのコンタクト抵抗が低減される。
【0068】
しかも、半導体基板11表面側に拡散層が形成され、その半導体基板に形成された溝内にゲート絶縁膜を介してワード線が埋め込まれていることから、チャネルはワード線が形成されている溝底部側の半導体基板を廻り込むように形成される。そのため、実効的なチャネル長が十分に確保されるため、バックバイアスを印加して、短チャネル効果が厳しいメモリ素子(例えばDRAM)のトランジスタ特性が安定化される。
【0069】
また、拡散層19は、その深さ方向に不純物濃度が薄くなっていることから、メモリ素子領域の拡散層19下部の半導体基板11濃度をセルトランジスタに要求されるほどに濃くしなくともよいので、接合の電界が緩和され、メモリ素子のセル縮小化にともない厳しくなるデータ保持特性の性能が維持される。
【0070】
また、ゲート絶縁膜16を介して半導体基板11に形成された溝14内に埋め込まれたワード線18上に、第1の絶縁膜22を介してこのワード線18にオーバラップする状態で、半導体基板11表面に形成した拡散層19に接続される取り出し電極24が形成されていることから、ワード線18上の第1の絶縁膜22を20nm〜30nm以上の十分な膜厚を確保することが可能になる。それによって、拡散層19に接続される取り出し電極との耐圧が確保される。そのため、メモリ素子の拡散層19上の全面がコンタクトに使用されるので、実効面積を有効に使用できる。よって、セルデザインで実現可能な最低の抵抗値が実現されるので、コンタクト抵抗の低減が図れる。
【0071】
本発明の第1の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を、図21〜図19の概略構成断面図によって説明する。図2〜図19では、メモリ素子とロジック素子とを同一半導体基板に形成する製造方法を示し、前記図1によって説明したのと同様なる構成部品には同一符号を付与する。
【0072】
図2の(1)に示すように、半導体基板11として、例えば1×1017/cm3 程度のp型不純物濃度を有するシリコン基板を用意する。例えばSTI(Shallow Trench Isolation )技術によって、上記半導体基板11に、メモリ素子領域(以下DRAMとして説明し、図面ではDRAM領域と記す)、標準電圧ロジック領域、高電圧ロジック領域等を分離する素子分離領域12を形成する。この素子分離領域12は例えば0.1μm〜0.2μm程度の深さに形成される。次いで、化学的気相成長(以下CVDという、CVDはChemical Vapor Deposition の略)によって素子分離領域12上を覆うように上記半導体基板11上に例えば酸化シリコン膜からなるバッファ層71を例えば20nm〜40nmの厚さに形成する。
【0073】
さらに半導体基板11上にレジスト膜201を形成した後、リソグラフィー技術に用いてDRAM領域のメモリセル形成領域上に開口部202を形成する。
【0074】
次いで上記レジスト膜201をマスクに用いたイオン注入により、上記メモリ素子領域の半導体基板11中に例えばホウ素を導入してウエル拡散層13を形成する。このイオン注入条件としては、イオン種にホウ素を用い、ドーズ量を例えば5×1012/cm2 〜7×1012/cm2 程度とし、後に形成される溝の深さよりも深くなるように、例えば150nm〜200nmよりも深く、素子分離領域12の深さよりもやや深い状態に形成される。また、ウエル拡散層13は深さ方向の厚さを例えば0.8μm程度とする。
【0075】
さらに、必要に応じて、素子分離領域12下方の半導体基板11に素子分離拡散層(図示せず)を形成してもよい。
【0076】
上記バッファ層71は、上記ウエル拡散層13を形成する際の緩衝膜の機能を有するものである。また、後に行うメモリ素子のトランジスタ(アクセストランジスタ)の基板濃度を調整するイオン注入時にDRAMの接合となる領域に対してイオン注入のストッパとして機能する。さらに、溝に埋め込まれたワード線の表面にサリサイドを形成する際に、DRAM領域の拡散層にサリサイドが形成されるのを防止する機能を有する。その後、上記レジスト膜201を除去する。
【0077】
次いで、図3の(2)に示すように、半導体基板11上にレジスト膜203を形成した後、リソグラフィー技術によりDRAM領域のワード線(ゲート電極)となる領域上のレジスト膜203に開口部204を形成する。
【0078】
次いで、図4の(3)に示すように、上記レジスト膜203をエッチングマスクに用いて、バッファ層71、素子分離領域12および半導体基板11をエッチング(例えば連続的にエッチング)して素子分離領域12(フィールド)および半導体基板11に、DRAM領域のワード線(ゲート電極も含む)が形成される溝14を形成する。この溝14の深さは、例えば100nm〜150nm程度であり、先に形成したウエル拡散層13とこの溝14の底部との間に半導体基板11が残るようにする。なお、半導体基板11に形成された溝14の深さと素子分離領域12に形成された溝14の深さとが多少の差を生じてもよい。
【0079】
また、上記溝14はDRAM領域のみに形成されることから、溝14底部のエッジ部分は、セルトランジスタの電界集中を避けるために、いわゆるラウンド形状に形成することが望ましく、また、溝14の幅がメモリ素子のアクセストランジスタのチャネル長になるので、溝14の側壁はできうる限り半導体基板11表面に対して垂直に形成されることが望ましい。なお、DRAM領域に形成されているバッファ層71は素子分離領域12をエッチングする際に同時にエッチングされる。その後、上記レジスト膜203を通常の除去技術によって除去する。
【0080】
なお、この世代で想定している電圧としては、標準ロジック領域は0.5V〜1.2V、高電圧ロジック領域は1.5V〜2.5V、DRAMセルのワード線昇圧は1.5V〜2.5Vである。
【0081】
次いで図5の(4)に示すように、例えば熱酸化法によって上記半導体基板11の露出している全面に犠牲酸化膜(図示せず)を例えば10nm〜20nmの厚さに形成する。
【0082】
次いで、DRAM領域のアクセストランジスタのチャネルドーピングを行って、上記溝14の底部と上記ウエル拡散層13との間にチャネル拡散層15を形成する。
【0083】
DRAM領域のワードトランジスタの上記チャネル拡散層15として、高濃度(例えば1.0×1018/cm3 〜1.0×1019/cm3 )にしなければならない領域は、半導体基板11を掘り下げた溝14底部の半導体基板11(11a)部分であり、溝14の側壁や上部における半導体基板11には基板濃度としてのイオン注入をほとんど行う必要はない。また、上記イオン注入では、半導体基板11表面やロジック素子領域には、最初に設けたバッファ層71がイオン注入のマスクとなるため、新たなマスクを用いないで溝14の底部のみにチャネル拡散層15を形成することが可能になる。したがって、後述する拡散層19(図30参照)下部の半導体基板11部分は、極めて低濃度(例えば1.0×1017/cm3 〜1.0×1018/cm3 )での形成が可能になる。
【0084】
その後、例えばウエットエッチングによって上記犠牲酸化膜(図示せず)を除去する。その後、DRAM領域の上記溝14の内面および半導体基板11上等にゲート絶縁膜16を通常のゲート酸化膜の形成方法により形成する。
【0085】
図6の(5)に示すように、DRAM領域の各溝14を埋め込むように上記ゲート絶縁膜16上にゲート形成膜72をリンドープトポリシリコン膜で形成する。このゲート形成膜72は、DRAM領域のワード線のみに使用されるため、N+ ゲート材料であるリンドープトポリシリコンを用いることができる。また、ゲート形成膜72は50nm〜150nmの膜厚の形成され、その膜厚は特に溝状のワード線を形成するためのみに最適化した膜厚に設定される。
【0086】
図7の(6)に示すように、溝14の内部にゲート形成膜72が残るようゲート形成膜72をエッチバックする。その結果、溝14の内部にゲート形成膜72からなるワード線(一部ゲート電極として機能する)18が形成される。その際、ワード線18の表面が半導体基板11表面より30nm〜100nm程度下がるように上記ゲート形成膜72のエッチバックを行うことで、後に形成される拡散層の取り出し電極との耐圧距離が確保される。このエッチバックでは、ゲート絶縁膜16がエッチングストップ層として機能する。
【0087】
さらに、DRAM領域の半導体基板11にソース・ドレインを形成するためのイオン注入を行い、拡散層19を形成する。このイオン注入条件としては、一例として、イオン注入する不純物にリンを用い、濃度が1×1017/cm3 〜1×1018/cm3 となるように、ドーズ量、注入エネルギーを設定する。バッファ層71を貫通する注入エネルギーであれば十分なため、注入エネルギーを例えば20keV〜50keVに設定し、ドーズ量を1×1018/cm2 〜3×1018/cm2 に設定する。この条件でイオン注入を行えば、DRAM領域の上記拡散層19下層の半導体基板11にはほとんどイオン注入されない。そのため、この領域の半導体基板11は1×1016/cm3 〜×1017/cm3 程度の非常に薄い濃度に設定することが可能となる。
【0088】
よって、このN−P接合は超グレーディッド接合(非常に緩やかな濃度勾配の接合)となる。このような状態の接合では、逆バイアス時の電界を緩和し、メガビット級のDRAMでわずかppmオーダーの不良ビットに起きる通常よりも2桁程度も悪い接合リークの電流抑制に劇的に寄与する。この不良ビットのデータ保持特性がDRAMのチップ性能を支配しており、今後のDRAMでデータ保持特性を維持する重要な技術となっている。
【0089】
例えば、基板濃度が5×1016/cm3 程度であるならば、85℃で500ms以上のデータ保持特性が基体でき、これは実に4世代〜5世代も前のデータのデータ保持特性に匹敵する性能を発揮すると予想される。また、DRAM領域のアクセストランジスタは、半導体基板11をいわゆるラウンドする形でチャネルが形成されることから、実効的なチャネル長を長く確保することもでき、バックバイアスを印加して使う、短チャネル効果が厳しいDRAMセルのトランジスタ特性の安定化を図ることもできる。
【0090】
上記イオン注入では、後のDRAM領域のゲート形成に係る熱処理による拡散を考慮して、やや浅めにイオン注入を行うが、DRAMのゲートが基板埋め込み型であるため、DRAM領域のチャネルは埋め込みゲートを形成する溝14の底部に形成されるので、何ら問題はない。また、後の熱処理によって活性化されるため、特にこの段階で熱処理を行う必要もない。
【0091】
次いで、図8の(7)に示すように、DRAM領域のゲートを保護する保護膜78を例えば薄い窒化シリコン膜(例えば厚さが10nm〜50nm)で形成する。この保護膜78は、後にDRAM領域のワード線18上の側壁にサイドウォール状に形成され、サリサイド形成時に、ワード線18側壁の耐圧確保に寄与する。
【0092】
次いで、図9の(8)に示すように、DRAM領域の保護膜78を例えば反応性イオンエッチング(RIE)によりエッチングしてDRAM領域のワード線18を露出させる。この結果。ワード線線18上の溝14の側壁に保護膜78からなるサイドウォール20が形成される。このサイドウォール20は側壁保護の機能を有する。なお、上記反応性イオンエッチングでは、DRAM領域の拡散層19が露出しないようにすること、すなわち、拡散層19上にバッファ層71を残すようにすることが重要である。
【0093】
さらに、図10の(9)に示すように、通常のシリサイド化技術を用いて、上記DRAM領域のワード線18上にシリサイド層21を選択的に形成する。このようにして、低抵抗を実現する必要が有るDRAM領域のワード線18上に選択的にシリサイド層21が形成される。このシリサイド層としては、例えばコバルトシリサイド(CoSi2 )、チタンシリサイド(TiSi2 )ニッケルシリサイド(NiSi2 )等を用いることができる。
【0094】
その後、全面にキャップ絶縁膜80を例えば窒化シリコン膜で形成する。このキャップ絶縁膜80はサリサイド形成部の接合リークを抑制するのに効果的であるが、不要であれば形成する必要はない。なお、先に記述したように、周辺回路部のトランジスタのゲート電極上にもシリサイド層を形成してサリサイド構造として、ゲート電極の低抵抗化を図っても差し支えはない。
【0095】
次いで、図11の(10)に示すように、全面に第1の絶縁膜(絶縁膜)22を形成した後、CMPによって、第1絶縁膜22表面を平坦化する。上記第1の絶縁膜22表面を平坦化する方法は、平坦化を実現することができる方法であればCMPに限定されることはなく、例えばエッチバック法等を用いることも可能である。その後、上記第1の絶縁膜22上にレジスト膜215を形成した後、リソグラフィー技術によって、上記レジスト膜215にDRAM領域の拡散層取り出しコンタクト用の接続孔パターン216を形成する。
【0096】
次いで、上記レジスト膜215をエッチングマスクに用いてエッチングを行い、図12の(11)に示すように、第1の絶縁膜22を貫通してDRAM領域の拡散層19に達する接続孔23を形成する。このとき、DRAM領域のワード線(ゲート電極)18はコンタクトを取るべき拡散層19よりも半導体基板11表面下に配置されているので、セルフアラインコンタクト等の特別な技術を用いる必要はない。またDRAMの拡散層19全面が取り出し電極とコンタクトできるように、接続孔23の開口径をでき得る限り大きく形成することが望ましい。それによってコンタクト抵抗の低減が図られる。
【0097】
また、図面では、多少アライメントずれを起こした状態をわざと記載したが、接続孔開口時に過剰なオーバエッチングを施さなければ、後の工程で接続孔23内に形成されるワード線取り出し電極の物理的な距離を確保することが可能となる。なお、上部からみた投影デザインでは、この接続孔23が完全にワード線(ゲート電極)18にオーバラップする形となっている。
【0098】
次いで、上記接続孔23内を埋め込むように、第1の絶縁膜22上に、取り出し電極形成膜81を形成する。この取り出し電極形成膜81は、例えばリンドープトポリシリコンで形成される。この拡散層取り出しのための取り出し電極形成膜81は、従来通り、DRAM領域に接合リークの低減を考慮してリンドープトポリシリコンが選択されることが望ましい。なお、この段階では活性化のための熱処理は不要である。
【0099】
その後、図13の(12)に示すように、例えばCMPによって、第1の絶縁膜22上の余剰な取り出し電極形成膜81(リンドープトポリシリコン)を除去して、接続孔23内に拡散層19に接続する取り出し電極形成膜81からなる取り出し電極24を形成するとともに、第1の絶縁膜22を研磨してその表面を平坦化させる。
【0100】
その後、熱処理を行う。この熱処理によって、DRAM領域のポリシリコンからなる取り出し電極24の活性化を行う。この熱処理では、900℃、10秒程度のRTA(Rapid Thermal Annealing )で十分ではあるが、通常の炉を用いた熱アニールを行っても差し支えは無い。なお、これ以降の工程では、高温の熱工程は行われないので、例えば、DRAMと同時にロジック素子を形成する場合には、ロジック素子のゲート電極からホウ素が拡散する、いわゆる「突き抜け」は最小限に抑えられる。
【0101】
次いで、図14の(13)に示すように、第1の絶縁膜22上に、DRAM領域の取り出し電極24を覆うエッチングストップ層25を例えば酸化シリコン膜で全面に形成する。
【0102】
その後、図15の(14)に示すように、エッチングストップ層25上にレジスト膜(図示せず)を形成した後、リソグラフィー技術によって、上記レジスト膜にDRAM領域のワード線取り出しコンタクト用の接続孔パターン(図示せず)を形成する。続いて、上記レジスト膜をエッチングマスクに用いて、上記エッチングストップ層25、上記第1の絶縁膜22およびキャップ絶縁膜80を貫通してDRAM領域のワード線18上のシリサイド層21に達する接続孔26を形成する。
【0103】
その後、上記レジスト膜を除去する。次に、通常のタングステンプラグの形成技術により上記接続孔26に内面に窒化チタン膜からなる密着層85を形成した後、接続孔26内を埋め込むようにタングステン膜86を形成する。その後CMPにより上記エッチングストップ層25上の上記タングステン膜86および密着層85の余剰な部分を除去し、上記接続孔26の内部に取り出し電極27を形成する。
【0104】
次いで、上記取り出し電極27を覆うように上記エッチングストップ層25上の全面に第2の絶縁膜31を例えば酸化シリコン膜を50nm〜150nmの厚さに堆積して形成する。
【0105】
その後、第2の絶縁膜31上にレジスト膜(図示せず)を形成した後、リソグラフィー技術により上記レジスト膜にビットコンタクトを形成する位置に開口部(図示せず)を形成する。そのレジスト膜をマスクに用いたエッチングにより、図16の(15)に示すように、上記エッチングストッパ層25および第2の絶縁膜31に所定の取り出し電極24に達するビットコンタクトホール32を形成する。
【0106】
次いで、ビット線34、ローカル配線35を形成するための配線金属層を形成する。この配線金属層は、まず上記ビットコンタクトホール32の内面および第2の絶縁膜31上に、例えばチタン膜と窒化チタン膜を積層してなる密着層36を形成する。さらにビットコンタクトホール32を埋め込むようにして、上記密着層36上に金属配線の主材料となるタングステン膜37を成膜する。さらにタングステン膜37上にキャップ層38を例えば窒化シリコン膜で形成する。
【0107】
その後、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とによって上記キャップ層38、タングステン膜37、密着層36をパターニングしてビットコンタクトホール32を通じてビットコンタクトの取り出し電極24に接続されるビット線34が形成されるとともに、ローカル配線35が形成される。したがって、ビット線34上およびローカル配線35上にはキャップ層38が形成される。
【0108】
その後、上記第2の絶縁膜31上に、ビット線34を覆うエッチングストッパ層41をALD窒化シリコン膜で、例えば30nm〜50nmの厚さに形成する。
【0109】
次に、図17の(16)に示すように、上記エッチングストッパ層41上に第3の絶縁膜42を形成する。そして、第3の絶縁膜42表面を例えばCMPを用いて平坦化する。次に、上記第3の絶縁膜42上にレジスト膜219を形成した後、リソグラフィー技術により記憶ノードコンタクトを開口するための開口パターン220を形成する。この開口パターン220は、実際の記憶ノードコンタクトが形成される接続孔の口径よりも大きく形成することができる。
【0110】
次いで、上記レジスト膜219をエッチングマスクに用いて、図18の(17)に示すように、上記第3の絶縁膜42からエッチングストップ層25までをエッチングして、記憶ノードコンタクトの取り出し電極24、24に達する記憶ノードコンタクトを形成する接続孔43を形成する。このエッチングでは、上記レジスト膜219〔前記図17の(16)参照〕の他にキャップ層38およびエッチングストッパ層41がエッチングマスクとなっている。なお、上記エッチングストッパ層41は、その一部がエッチングされるが、ビット線と記憶ノードコンタクトとの耐圧が確保される膜厚のサイドウォールとしてビット線34の側壁に残る。その後上記レジスト膜219〔図17の(16)参照〕を除去する。
【0111】
次に、図19の(18)に示すように、上記接続孔43内に取り出し電極24に接続する記憶ノードコンタクト44を形成する。この記憶ノードコンタクト44は、例えば上記接続孔43を埋め込むように上記第3の絶縁膜42上にタングステン、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、酸化ルテニウム等を堆積して材料層を形成した後、第3の絶縁膜42上の余剰な上記材料層を例えばCMPによって除去することによって、接続孔43内に残した上記材料層で形成される。
【0112】
次に、第3の絶縁膜42上に上記記憶ノードコンタクト44等を覆う第4の絶縁膜45を形成する。次いで、第4の絶縁膜45にキャパシタが形成される凹部46を、その底部に上記記憶ノードコンタクト44上面が露出するように形成する。
【0113】
その後、凹部46内に、熱処理が不要なMIM(Metal/insulator/Metal)構造のキャパシタ91を形成する。MIM構造のキャパシタ91は0.1μm以降のDRAMでは必須になると予想され、現在では、一例として、電極92、94には、ルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO)系材料が用いられ、誘電体膜93にはBST(BaTiO3 とSrTiO3 との混晶)系の膜が採用される。
【0114】
次いで、上記第4の絶縁膜45上に、上記MIM構造のキャパシタ91を覆う第5の絶縁膜47を形成する。その後、CMPによって上記第5の絶縁膜47表面を平坦化する。次いで、第5の絶縁膜47ないし第2の絶縁膜31に、キャパシタ取り出し電極、ワード線取り出し電極等を形成するための接続孔111、112、113等を形成する。
【0115】
さらに、接続孔111、112、113等に、キャパシタ取り出し電極121、ワード線取り出し電極122、ローカル配線取り出し電極123等を形成する。さらに、第5の絶縁膜47上に第6の絶縁膜48を形成する。次いで、この第6の絶縁膜48に各電極121、122、123等に達する各配線溝131、132、133を形成し、配線溝131、132、133に配線141、142、143を形成する。この配線141、142、143は例えば銅配線からなる。図示はしないが、さらに必要に応じて上層配線を形成する。なお、上記電極121、122、123および上記配線141、142、143には、電極、配線、絶縁膜の材質によって、通常知られている密着層、バリア層が形成される。
【0116】
上記第1の半導体装置の製造方法では、バッファ層71を形成していることにより、その後、溝14の底部における半導体基板11にチャネル拡散層15を形成する不純物を導入する際に、バッファ層71がマスクとなって、選択的に溝14の底部の半導体基板11に不純物が導入され、チャネル拡散層15が形成される。
【0117】
このように、溝14下部とウエル拡散層13との間の半導体基板11にチャネル拡散層15を形成することから、溝14とウエル拡散層13との間の領域の不純物濃度は溝14周囲の半導体基板11の不純物濃度よりも高くなる。また、ソース・ドレインとなる拡散層19下部の半導体基板11濃度は極めて低くい状態に保つことができるので、拡散層19の接合の電界が弱められる。このため、ppmオーダーでの接合リークの抑制が可能になり、それによって、データ保持特性が極めてよくなる半導体装置が形成される。
【0118】
また、ゲート絶縁膜16を介して半導体基板11に形成された溝14内に埋め込まれたワード線18上に、第2の絶縁膜22を介してこのワード線18にオーバラップする状態で、半導体基板11表面に形成した拡散層19に接続される取り出し電極24を形成することから、ワード線18上の第2の絶縁膜22を20nm〜30nm以上の十分な膜厚を確保することが可能になる。それによって、拡散層19に接続される取り出し電極24との耐圧が確保される。そのため、メモリ素子の拡散層19上の全面がコンタクトに使用されるので、実効面積を有効に使用できる。よって、セルデザインで実現可能な最低の抵抗値が実現されるので、コンタクト抵抗の低減が図れる。
【0119】
さらに、ワード線18上層にシリサイド層21を形成することから、ワード線18の抵抗が低減され、遅延の問題が回避される。それとともに、ワード線18へのコンタクト抵抗が低減される。
【0120】
また、半導体基板11表面側に拡散層19を形成し、その半導体基板11に形成した溝14内にゲート絶縁膜16を介してワード線18を埋め込むように形成することから、チャネルはワード線18が形成されている溝14底部側の半導体基板11を廻り込むように形成される。そのため、実効的なチャネル長が十分に確保されるため、バックバイアスを印加して、短チャネル効果が厳しいメモリ素子(例えばDRAM)のトランジスタ特性が安定化される。
【0121】
また、メモリ素子領域の拡散層19を、その深さ方向に不純物濃度が薄くなるように形成することから、メモリ素子領域の拡散層19下部の半導体基板11濃度をセルトランジスタに要求されるほどに濃くしなくともよいので、接合の電界が緩和され、メモリ素子のセル縮小化にともない厳しくなるデータ保持特性の性能が維持される。
【0122】
本発明の第2の半導体装置に係る一実施の形態を、図20の概略構成断面図によって説明する。
【0123】
図20に示すように、半導体基板11は、例えば1×1017/cm3 程度のp型不純物濃度を有するシリコン基板で構成されている。上記半導体基板11には、メモリ素子領域(以下DRAMとして説明し、図面ではDRAM領域と記す)、標準電圧ロジック領域、高電圧ロジック領域等を分離する素子分離領域12が形成されている。この素子分離領域12は、例えばSTI(Shallow Trench Isolation )技術によって、例えば0.1μm〜0.2μm程度の深さに形成される。さらに半導体基板11上には、素子分離領域12上を覆うバッファ層71が例えば酸化シリコン膜で例えば20nm〜40nmの厚さに形成されている。
【0124】
上記バッファ層71は製造上、必要なものである。すなわち、バッファ層71は、ウエル拡散層13を形成する際の緩衝膜の機能を有するものであり、後に説明するメモリ素子のトランジスタ(アクセストランジスタ)の基板濃度を調整するイオン注入時にDRAMの接合となる領域に対してイオン注入のストッパとして機能するものであり、さらに、溝14に埋め込まれたワード線18の表面にシリサイド層27を形成する際に、DRAM領域の拡散層19にシリサイド層27が形成されるのを防止する機能を有する。
【0125】
上記メモリ素子領域の半導体基板11中には、ウエル拡散層13が、例えば上面が150nm〜200nmよりも深い状態で、下面が素子分離領域12の深さよりもやや深い状態に、かつ深さ方向の厚さが例えば0.8μm程度となるように形成されている。このウエル拡散層13は、P形であり、例えばホウ素を導入して形成されるものであり、例えばイオン注入で形成する場合には、イオン種にホウ素を用い、ドーズ量を例えば5×1012/cm2 〜7×1012/cm2 程度とする。
【0126】
さらに、必要に応じて、素子分離領域12下方の半導体基板11に素子分離拡散層(図示せず)が形成されていてもよい。
【0127】
さらに、バッファ層71を貫通し、上記素子分離領域12および半導体基板11には、DRAM領域のワード線(ゲート電極も含む)が形成される溝14を形成されている。この溝14の深さは、例えば100nm〜150nm程度であり、先に形成したウエル拡散層13とこの溝14の底部との間に半導体基板11が残るように形成されている。なお、半導体基板11に形成された溝14の深さと素子分離領域12に形成された溝14の深さとが多少の差を生じてもよい。
【0128】
また、上記溝14底部のエッジ部分は、セルトランジスタの電界集中を避けるために、いわゆるラウンド形状に形成されていることが望ましく、また、溝14の幅がメモリ素子のアクセストランジスタのチャネル長になるので、溝14の側壁はできうる限り半導体基板11表面に対して垂直に形成されることが望ましい。
【0129】
さらに、上記溝14の底部と上記ウエル拡散層13との間の半導体基板11にはチャネル拡散層15が形成されている。DRAM領域のワードトランジスタの上記チャネル拡散層15として、高濃度(例えば1.0×1018/cm3 〜1.0×1019/cm3 )にしなければならない領域は、半導体基板11を掘り下げた溝14底部の半導体基板11(11a)部分であり、溝14の側壁や上部における半導体基板11は極めて低濃度でよい。したがって、後述する拡散層19下部の半導体基板11部分は、極めて低濃度(例えば1.0×1017/cm3 〜1.0×1018/cm3 )で形成されている。
【0130】
上記溝14の内面および半導体基板11上等には、ゲート絶縁膜16が形成されている。上記ゲート絶縁膜15は、最先端のロジックのトランジスタよりもやや厚めの膜厚を有し、またゲート長もやや長く形成されるため、この世代であっても、熱酸化による酸化シリコン膜の適用が可能である。したがって、DRAM領域の上記ゲート絶縁膜15は、例えば1.5nm〜5nm程度の厚さの酸化シリコン膜で形成されている。
【0131】
さらに各溝14を埋め込むように上記ゲート絶縁膜16を介して、例えばリンドープトポリシリコン膜からなるワード線(ゲート電極も含む)18が形成されている。このワード線18は、下層がポリシリコン層で形成され、上層がシリサイド(例えばサリサイド)層21で形成されている。また、上記ワード線18のポリシリコン層上の溝14側壁には、サイドウォール絶縁膜20が例えば窒化シリコン膜で形成されている。また、上記ワード線18は、少なくとも後に説明する取り出し電極24との耐圧が確保される距離として、その表面が溝14の上部の半導体基板11表面より少なくとも50nm〜100nm程度下がるように、好ましくは50nm〜90nm程度下がるように形成されている。この実施の形態では、例えば50nm程度下がった状態に形成されている。そのため、後述する拡散層の取り出し電極24との耐圧距離が確保されている。
【0132】
さらに、上記シリサイド層21は、例えばコバルトシリサイド(CoSi2 )、チタンシリサイド(TiSi2 )ニッケルシリサイド(NiSi2 )等を用いられている。上記サイドウォール絶縁膜20はシリサイド層21と拡散層19との間の耐圧を確保する機能を有する。なお、半導体基板11に形成された溝14の深さと素子分離領域12に形成された溝14の深さに多少の差を生じていても差し支えはない。
【0133】
さらに、DRAM領域の半導体基板11には、ソース・ドレインとなる拡散層19が形成されている。この拡散層19には、N形の不純物としてリンが用いられ、濃度が1×1017/cm3 〜1×1018/cm3 となっている。そのため、この領域の半導体基板11は1×1016/cm3 〜×1017/cm3 程度の非常に薄い濃度に設定されている。
【0134】
よって、このN−P接合は超グレーディッド接合(非常に緩やかな濃度勾配の接合)となる。このような状態の接合では、逆バイアス時の電界を緩和し、メガビット級のDRAMでわずかppmオーダーの不良ビットに起きる通常よりも2桁程度も悪い接合リークの電流抑制に劇的に寄与する。この不良ビットのデータ保持特性がDRAMのチップ性能を支配しており、今後のDRAMでデータ保持特性を維持する重要な技術となっている。
【0135】
例えば、基板濃度が5×1016/cm3 程度であるならば、85℃で500ms以上のデータ保持特性が基体でき、これは実に4世代〜5世代も前のデータのデータ保持特性に匹敵する性能を発揮すると予想される。また、DRAM領域のアクセストランジスタは、半導体基板11をいわゆるラウンドする形でチャネルが形成されることから、実効的なチャネル長を長く確保することもでき、バックバイアスを印加して使う、短チャネル効果が厳しいDRAMセルのトランジスタ特性の安定化を図ることもできる。
【0136】
一方、標準電圧ロジック領域の半導体基板11には、NチャネルトランジスタのPウエル拡散層51と、PチャネルトランジスタのNウエル拡散層(図示せず)が形成されている。また高電圧ロジック領域の半導体基板11には、NチャネルトランジスタのPウエル拡散層(図示せず)と、PチャネルトランジスタのNウエル拡散層61が形成されている。なお、必用に応じてチャネルドーピングがなされている。
【0137】
さらに、標準電圧ロジック領域のNチャネルトランジスタの形成領域における半導体基板11(Pウエル拡散層51)には、Nチャネルトランジスタの低濃度拡散層52、52が形成されている。また標準電圧ロジック領域のpチャネルトランジスタの形成領域における半導体基板11には、Pチャネルトランジスタの低濃度拡散層(図示せず)が形成されている。
【0138】
さらに、高電圧ロジック領域のPチャネルトランジスタの形成領域における半導体基板11(Nウエル拡散層61)には、Pチャネルトランジスタの低濃度拡散層62、62が形成されている。また高電圧ロジック領域のNチャネルトランジスタの形成領域における半導体基板11には、Nチャネルトランジスタの低濃度拡散層(図示せず)が形成されている。
【0139】
このロジック素子領域の半導体基板11(素子分離領域12も含む)上には、ロジック素子のゲート絶縁膜17が形成されている。この世代では、ゲート絶縁膜を膜厚に応じて作り分けるのが一般的であり、レジストプロセスを用いて作り分けが行われている。ゲート絶縁膜には酸化シリコンもしくは耐熱性が必要な場合には窒化シリコンが用いられている。また、Pチャネルゲートからのホウ素(B)の突き抜けを防止するために、Pチャネルゲートには例えば酸窒化シリコン膜が用いられている。
【0140】
一方、上記標準電圧ロジック領域の半導体基板11上には、ゲート絶縁膜17を介してゲート電極51が形成されている。このゲート電極51は、下層がリンドープトポリシリコンからなるポリシリコン層で形成され、上層がダミー層を置き換えて形成した密着層と金属層との積層膜からなる金属系ゲート電極で形成され、上記密着層には例えば窒化チタン層が用いられ、金属層にはタングステン層が用いられている。さらに、ゲート電極51の側壁にはゲート絶縁膜17を介してサイドウォール54が形成されている。上記サイドウォール54下部における半導体基板11には上記低濃度拡散層52、52が形成され、この低濃度拡散層52、52を介したゲート電極51の両側の半導体基板11には拡散層55、55が形成されている。この拡散層55の上層にはシリサイド層58が形成されている。このシリサイド層58としては、例えばコバルトシリサイド(CoSi2 )、チタンシリサイド(TiSi2 )ニッケルシリサイド(NiSi2 )等を用いることができる。
【0141】
また、上記高電圧ロジック領域の半導体基板11上には、ゲート絶縁膜17を介してゲート電極61が形成されている。このゲート電極61は、下層がホウ素ドープトポリシリコンからなるポリシリコン層で形成され、上層がダミー層を置き換えて形成した密着層と金属層との積層膜からなる金属系ゲート電極で形成され、上記密着層には例えば窒化チタン層が用いられ、金属層にはタングステン層が用いられている。さらに、ゲート電極61の側壁にはゲート絶縁膜17を介してサイドウォール64が形成されている。上記サイドウォール64下部における半導体基板11には上記低濃度拡散層62、62が形成され、この低濃度拡散層62、62を介したゲート電極61の両側の半導体基板11には拡散層65、65が形成されている。この拡散層65の上層にはシリサイド層68が形成されている。このシリサイド層58としては、例えばコバルトシリサイド(CoSi2 )、チタンシリサイド(TiSi2 )ニッケルシリサイド(NiSi2 )等を用いることができる。
【0142】
上記サイドウォール54、64は、窒化シリコンよりも低応力でウエット処理による剥離性のよい酸化シリコンで形成することが好ましい。または、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜もしくは酸化窒化シリコン膜で形成することも可能である。
【0143】
また、ロジック領域の素子分離領域12上には、上記ゲート電極51と同様な構造のゲート電極(ゲート配線)51が形成されている。
【0144】
上記半導体基板11上の全面には、第1の絶縁膜(絶縁膜)19が形成されている。この第1の絶縁膜19は、表面が平坦化されていて、上記ロジック領域のゲート電極51、61の各表面が同一平面上にある。
【0145】
さらに、全面にキャップ絶縁膜80が例えば窒化シリコン膜で形成されている。このキャップ絶縁膜80はサリサイド形成部の接合リークを抑制するのに効果的であるが、不要であれば形成する必要はない。
【0146】
さらに、全面に第1の絶縁膜(絶縁膜)22が形成されている。この第1の絶縁膜22には、キャップ絶縁膜80、バッファ層71等を貫通してDRAM領域の拡散層19に達する接続孔23が形成されている。この接続孔23は、拡散層19の表面全面で取り出し電極をコンタクトさせることが可能なように、接続孔23の開口径をでき得る限り大きく形成することが望ましい。それによってコンタクト抵抗の低減が図られる。
【0147】
また、図面では、多少アライメントずれを起こした状態をわざと記載したが、接続孔開口時に過剰なオーバエッチングを施さなければ、接続孔23内に形成されるワード線の取り出し電極24の物理的な距離を確保することが可能となる。なお、上部からみた投影デザインでは、この接続孔23が完全にワード線(ゲート電極)18にオーバラップする形となっている。上記接続孔23内には、例えばリンドープトポリシリコンで形成される取り出し電極24が形成されている。
【0148】
また、取り出し電極24上面、ゲート電極51、61各上面が第2の絶縁膜22表面と同一面になるように、上記第2の絶縁膜22の表面は平坦化されている。さらに、第2の絶縁膜22上には、取り出し電極24、ゲート電極51、61を覆うエッチングストップ層25が形成されている。
【0149】
上記エッチングストップ層25、上記第1の絶縁膜22およびキャップ絶縁膜80には、DRAM領域のワード線18上のシリサイド層21、ロジック領域のトランジスタのシリサイド層57、67に達する接続孔26、58、68が形成されている。上記接続孔26、58、68内には取り出し電極27、59、69が形成されている。上記取り出し電極27、59、69は、窒化チタン膜からなる密着層を介して接続孔26、58、68内を埋め込むように形成されたタングステン膜からなる。
【0150】
上記エッチングストップ層25上には、上記取り出し電極27、59、69を覆う第2の絶縁膜31が形成されている。この第2の絶縁膜31は例えば酸化シリコン膜を50nm〜150nmの厚さに堆積して形成されている。
【0151】
上記第2の絶縁膜31、エッチングストップ層25には、取り出し電極24に接続するビットコンタクトホール32と取り出し電極59に接続するローカルハッチングコンタクトホール33が形成されている。また第2の絶縁膜31上にはビット線34が形成されていて、その一部は上記ビットコンタクトホール32を通じて取り出し電極24に接続されている。また、第2の絶縁膜31上にはローカル配線35が形成されていて、その一部は上記ローカル配線コンタクトホール33を通じて取り出し電極59に接続されている。上記ビット線34およびローカル配線35は、例えばタングステン膜37により形成され、その下部に密着層36が形成され、その上部にキャップ層38が形成されている。
【0152】
上記第2の絶縁膜22上には、上記ビット線34およびローカル配線35を覆うエッチングストッパ層41および第3の絶縁膜42が形成されている。このエッチングストッパ層41は、ALD窒化シリコン膜で、例えば30nm〜50nmの厚さに形成されている。
【0153】
上記第3の絶縁膜42から上記エッチングストッパ層25にかけて、記憶ノードコンタクトの取り出し電極24、24に達する記憶ノードコンタクトを形成する接続孔43が形成されている。この接続孔43内においては上記エッチングストッパ層41がビット線と記憶ノードコンタクトとの耐圧が確保される膜厚のサイドウォールとしてビット線34の側壁に残る。さらに上記接続孔43内には取り出し電極24に接続する記憶ノードコンタクト44が形成されている。この記憶ノードコンタクト44は、例えばタングステン、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、酸化ルテニウム等の材料で形成されている。なお、上記第3の絶縁膜42表面は、例えば、記憶ノードコンタクト44上面とともに平坦化されている。
【0154】
上記第3の絶縁膜42上には第4の絶縁膜45が形成されている。この第4の絶縁膜45には、キャパシタが形成される凹部46が、その底部に上記記憶ノードコンタクト44上面が露出するように形成されている。その凹部46内には、熱処理が不要なMIM(Metal/insulator/Metal)構造のキャパシタ91が形成されている。MIM構造のキャパシタ91は0.1μm以降のDRAMでは必須になると予想され、現在では、一例として、電極92、94にルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO)系材料が用いられ、電極92、94間に形成される誘電体膜93にはBST(BaTiO3 とSrTiO3 との混晶)系の膜が採用されている。
【0155】
上記第4の絶縁膜45上には、上記MIM構造のキャパシタ91を覆う第5の絶縁膜47が形成されている。この第5の絶縁膜47表面は平坦化されている。上記第5の絶縁膜47ないし第1の絶縁膜22には、キャパシタ取り出し電極、ワード線取り出し電極、ローカル配線取り出し電極、ロジック領域の拡散層取り出し電極、ロジック領域のゲート取り出し電極等を形成するための接続孔111、112、113、114〜116、117等が形成されている。
【0156】
各接続孔111、112、113、114〜116、117等には、キャパシタ取り出し電極121、ワード線取り出し電極122、ローカル配線取り出し電極123、標準電圧ロジック領域の拡散層取り出し電極124、高電圧ロジック領域の拡散層取り出し電極125,126、ロジック領域のゲート取り出し電極127等が形成されている。
【0157】
さらに、第5の絶縁膜47上には第6の絶縁膜48が形成されている。この第6の絶縁膜48には、各電極121、122、123、124,127、125、126に達する配線溝131、132、133、134、135、136が形成され、各配線溝131〜136には第1の配線141〜146が形成されている。この第1の配線141〜146は例えば銅配線からなる。図示はしないが、さらに必要に応じて上層配線が形成されている。なお、上記電極121〜127および上記配線141〜146には、電極、配線、絶縁膜の材質によって、通常知られている密着層、バリア層が形成されている。
【0158】
上記第2の半導体装置では、チャネルが形成される溝14下部とウエル拡散層13との間の半導体基板11にチャネル拡散層15が形成されていることから、溝14とウエル拡散層13との間の領域の不純物濃度は溝14周囲の半導体基板11の不純物濃度よりも高くなる。また、ソース・ドレインとなる拡散層19下部の半導体基板11濃度は極めて低くなっていることから、ソース・ドレインとなる拡散層19の接合の電界が弱められるので、ppmオーダーでの接合リークの抑制が可能になり、それによって、データ保持特性が極めてよくなる。
【0159】
ワード線18上層にシリサイド層21が形成されていることから、ワード線18の抵抗が低減され、遅延の問題が回避され、動作速度が向上する。それとともに、ワード線18へのコンタクト抵抗が低減される。また、ロジック素子の拡散層55、65上にシリサイド層57、67が形成されていることから、この拡散層55、65へのコンタクト抵抗が低減される。
【0160】
しかも、半導体基板11表面側に拡散層19が形成され、その半導体基板11に形成された溝14内にゲート絶縁膜16を介してワード線18が埋め込まれていることから、チャネルはワード線18が形成されている溝14底部側の半導体基板11を廻り込むように形成される。そのため、実効的なチャネル長が十分に確保されるため、バックバイアスを印加して、短チャネル効果が厳しいメモリ素子(例えばDRAM)のトランジスタ特性が安定化される。
【0161】
また、拡散層19は、その深さ方向に不純物濃度が薄くなっていることから、メモリ素子領域の拡散層19下部の半導体基板11濃度をセルトランジスタに要求されるほどに濃くしなくともよいので、接合の電界が緩和され、メモリ素子のセル縮小化にともない厳しくなるデータ保持特性の性能が維持される。
【0162】
また、ゲート絶縁膜16を介して溝14内に埋め込まれたワード線18上に、第1の絶縁膜22を介してこのワード線18にオーバラップする状態で、半導体基板11表面に形成した拡散層19に接続される取り出し電極24が形成されていることから、ワード線18上の第2の絶縁膜22を20nm〜30nm以上の十分な膜厚を確保することが可能になる。それによって、拡散層19に接続される取り出し電極24との耐圧が確保される。そのため、メモリ素子の拡散層19上の全面がコンタクトに使用されるので、実効面積を有効に使用できる。よって、セルデザインで実現可能な最低の抵抗値が実現されるので、コンタクト抵抗の低減が図れる。
【0163】
本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を、図21〜図46の概略構成断面図によって説明する。図21〜図46では、メモリ素子とロジック素子とを同一半導体基板に形成する製造方法を示し、前記図20によって説明したのと同様なる構成部品には同一符号を付与する。
【0164】
図21の(1)に示すように、半導体基板11として、例えば1×1017/cm3 程度のp型不純物濃度を有するシリコン基板を用意する。例えばSTI(Shallow Trench Isolation )技術によって、上記半導体基板11に、メモリ素子領域(以下DRAMとして説明し、図面ではDRAM領域と記す)、標準電圧ロジック領域、高電圧ロジック領域等を分離する素子分離領域12を形成する。この素子分離領域12は例えば0.1μm〜0.2μm程度の深さに形成される。次いで、化学的気相成長(以下CVDという、CVDはChemical Vapor Deposition の略)によって素子分離領域12上を覆うように上記半導体基板11上に例えば酸化シリコン膜からなるバッファ層71を例えば20nm〜40nmの厚さに形成する。
【0165】
さらに半導体基板11上にレジスト膜201を形成した後、リソグラフィー技術に用いてDRAM領域となる部分のレジスト膜201を除去し、ロジック領域(以下、標準電圧ロジック領域と高電圧ロジック領域とをロジック領域という)上にレジスト膜201を残す。
【0166】
次いで上記レジスト膜201をマスクに用いたイオン注入により、上記メモリ素子領域の半導体基板11中に例えばホウ素を導入してウエル拡散層13を形成する。このイオン注入条件としては、イオン種にホウ素を用い、ドーズ量を例えば5×1012/cm2 〜7×1012/cm2 程度とし、後に形成される溝の深さよりも深くなるように、例えば150nm〜200nmよりも深く、素子分離領域12の深さよりもやや深い状態に形成される。また、ウエル拡散層13は深さ方向の厚さを例えば0.8μm程度とする。
【0167】
さらに、必要に応じて、素子分離領域12下方の半導体基板11に素子分離拡散層(図示せず)を形成してもよい。
【0168】
上記バッファ層71は、上記ウエル拡散層13を形成する際の緩衝膜の機能を有するものである。また、後に行うメモリ素子のトランジスタ(アクセストランジスタ)の基板濃度を調整するイオン注入時にDRAMの接合となる領域に対してイオン注入のストッパとして機能する。さらに、溝に埋め込まれたワード線の表面にサリサイドを形成する際に、DRAM領域の拡散層にサリサイドが形成されるのを防止する機能を有する。
【0169】
さらに、図22の(2)に示すように、半導体基板11上にレジスト膜203を形成した後、リソグラフィー技術によりDRAM領域のワード線(ゲート電極)となる領域上のレジスト膜203に開口部204を形成する。
【0170】
次いで、図23の(3)に示すように、上記レジスト膜203をエッチングマスクに用いて、バッファ層71、素子分離領域12および半導体基板11をエッチング(例えば連続的にエッチング)して素子分離領域12(フィールド)および半導体基板11に、DRAM領域のワード線(ゲート電極も含む)が形成される溝14を形成する。この溝14の深さは、例えば100nm〜150nm程度であり、先に形成したウエル拡散層13とこの溝14の底部との間に半導体基板11が残るようにする。なお、半導体基板11に形成された溝14の深さと素子分離領域12に形成された溝14の深さとが多少の差を生じてもよい。
【0171】
また、上記溝14はDRAM領域のみに形成されることから、溝14底部のエッジ部分は、セルトランジスタの電界集中を避けるために、いわゆるラウンド形状に形成することが望ましく、また、溝14の幅がメモリ素子のアクセストランジスタのチャネル長になるので、溝14の側壁はできうる限り半導体基板11表面に対して垂直に形成されることが望ましい。なお、DRAM領域に形成されているバッファ層71は素子分離領域12をエッチングする際に同時にエッチングされる。その後、上記レジスト膜203を通常の除去技術によって除去する。
【0172】
なお、この世代で想定している電圧としては、標準ロジック領域は0.5V〜1.2V、高電圧ロジック領域は1.5V〜2.5V、DRAMセルのワード線昇圧は1.5V〜2.5Vである。
【0173】
次いで図24の(4)に示すように、例えば熱酸化法によって上記半導体基板11の露出している全面に犠牲酸化膜(図示せず)を例えば10nm〜20nmの厚さに形成する。
【0174】
次いで、DRAM領域のアクセストランジスタのチャネルドーピングを行って、上記溝14の底部と上記ウエル拡散層13との間にチャネル拡散層15を形成する。
【0175】
DRAM領域のワードトランジスタの上記チャネル拡散層15として、高濃度(例えば1.0×1018/cm3 〜1.0×1019/cm3 )にしなければならない領域は、半導体基板11を掘り下げた溝14底部の半導体基板11(11a)部分であり、溝14の側壁や上部における半導体基板11には基板濃度としてのイオン注入をほとんど行う必要はない。また、上記イオン注入では、半導体基板11表面やロジック素子領域には、最初に設けたバッファ層71がイオン注入のマスクとなるため、新たなマスクを用いないで溝14の底部のみにチャネル拡散層15を形成することが可能になる。したがって、後述する拡散層19(図30参照)下部の半導体基板11部分は、極めて低濃度(例えば1.0×1017/cm3 〜1.0×1018/cm3 )での形成が可能になる。
【0176】
その後、例えばウエットエッチングによって上記犠牲酸化膜(図示せず)を除去する。その後、DRAM領域の上記溝14の内面および半導体基板11上等にゲート絶縁膜16を通常のゲート酸化膜の形成方法により形成する。
【0177】
図25の(5)に示すように、DRAM領域の各溝14を埋め込むように上記ゲート絶縁膜16上にゲート形成膜72をリンドープトポリシリコン膜で形成する。このゲート形成膜72は、DRAM領域のワード線のみに使用され、Pチャネルのトランジスタには使用されないため、N+ ゲート材料であるリンドープトポリシリコンを用いることができる。また、ゲート形成膜72は50nm〜150nmの膜厚の形成され、その膜厚は特に溝状のワード線を形成するためのみに最適化した膜厚に設定される。さらに、ゲート形成膜72上にレジスト膜205を形成した後、リソグラフィー技術によりDRAM領域上のレジスト膜205を残してロジック領域上のレジスト膜205を除去する。
【0178】
次いで、図26の(6)に示すように、上記レジスト膜205をマスクにしてロジック素子領域上のゲート形成膜72およびゲート絶縁膜16およびバッファ層71をエッチングにより除去する。このエッチングでは、ゲート形成膜72のエッチングではバッファ層71がエッチングストッパとなり、これによって、ロジック素子領域の半導体基板11表面が露出される。さらに、このエッチングでは、バッファ層71を除去するエッチングはフッ酸系のウエットエッチングが望ましい。その後、レジスト膜205を除去する。
【0179】
その後、図27の(7)に示すように、ロジック素子領域の表面に犠牲酸化膜(図示せず)を形成する。次いで、標準電圧ロジック領域のNチャネルトランジスタの形成領域上を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、続いてそのレジスト膜をマスクに用いて半導体基板11にイオン注入を行い、NチャネルトランジスタのPウエル拡散層51を形成する。その際、必用に応じてチャネルドーピングを行うこともできる。その後、上記レジスト膜を除去する。同様にして、標準電圧ロジック領域のPチャネルトランジスタの形成領域上を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、続いてそのレジスト膜をマスクに用いて半導体基板11にイオン注入を行い、PチャネルトランジスタのNウエル拡散層61を形成する。その際、必用に応じてチャネルドーピングを行うこともできる。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0180】
次に、上記犠牲酸化膜を除去する。そして、DRAM領域上に残したゲート形成膜72上およびロジック素子領域の半導体基板11(素子分離領域12も含む)上にロジック素子のゲート絶縁膜17を形成する。この世代では、ゲート絶縁膜を膜厚に応じて作り分けるのが一般的であり、レジストプロセスを用いて作り分けを行う。ゲート絶縁膜には酸化シリコンもしくは耐熱性が必要な場合には窒化シリコンを用いる。また、Pチャネルゲートからのホウ素(B)の突き抜けを防止するために、Pチャネルゲートには例えば酸窒化シリコン膜を用いる。これらの処理時には、DRAM領域はリンドープトポリシリコンからなるゲート形成膜72で覆われているため、その表面は酸化されるが、チャネル領域は熱処理がかかるのみで酸化等の影響はない。
【0181】
図28の(8)に示すように、半導体基板11、素子分離領域12およびゲート形成膜72上に上記ゲート絶縁膜17を介してポリシリコン層73を、例えばノンドープトポリシリコンで形成する。そして、Nチャネル領域のゲート電極形成層にリンをイオン注入してN型のゲート電極形成層とする。このポリシリコン層73はロジック領域のトランジスタのゲート電極に最適化されているため、例えばその膜厚は70nm〜200nm、好ましくは100nm程度に形成することが好ましい。なおPチャネル領域のポリシリコン層73にはイオン注入を行わず、ノンドープ状態としておく。これによって、その後のLDD(Lightly Doped Drain )形成やサイドウォール形成時におけるホウ素(B)の突き抜けは無くなる。
【0182】
その後、上記ポリシリコン層73上にダミー層74を形成する。このダミー層74は、例えば、窒化タングステン膜とタングステン膜とを積層して形成する。また、上記ダミー層74は、後のロジック素子領域のポリシリコン層73を露出させるために行うウエットエッチングのために選択される膜種であり、抵抗自体は関係がない。絶縁膜の酸化シリコン膜とポリシリコン層73とに高選択比でウエットエッチングできるものなら何でもよい。次いで、上記ダミー層74上にバッファ層75を例えば酸化シリコン膜で形成する。
【0183】
次に、上記バッファ層75上の全面にレジスト膜を形成した後、リソグラフィー技術によって、そのレジスト膜を加工してロジック素子領域のゲート電極を形成するためのレジストパターン207を形成する。
【0184】
次いで、図29の(9)に示すように、上記レジストパターン207をマスクに用いて、上記バッファ層75、ダミー層74、ポリシリコン層73をエッチング加工して、各ロジック素子領域にダミーゲート76を形成する。上記バッファ層75は、後のサリサイド形成時に金属系電極上のタングステンにサリサイドが形成されるのを防ぐために堆積しているが、汚染や加工上の問題がない場合には、特には不要である。また、周辺部のゲート電極にサリサイド構造を採用する場合には不要である。その後、レジストパターン207を除去する。
【0185】
図30の(10)に示すように、半導体基板11上にダミーゲート76を覆うレジスト膜209を形成した後、リソグラフィー技術に用いてDRAM領域となる部分のレジスト膜209を除去し、ロジック領域上にレジスト膜209を残す。
【0186】
その後、上記レジスト膜209をマスクにして、溝14の内部にポリシリコン層73が残るようこのポリシリコン層73をエッチバックする。その結果、溝14の内部にポリシリコン層73からなるワード線(一部ゲート電極として機能する)18が形成される。その際、ワード線18の表面が半導体基板11表面より50nm〜100nm程度下がるように上記ポリシリコン層73のエッチバックを行うことで、後に形成される拡散層の取り出し電極との耐圧距離が確保される。このエッチバックでは、ゲート絶縁膜16がエッチングストップ層として機能する。
【0187】
さらに、上記レジスト膜209をマスクに用いて、DRAM領域の半導体基板11にソース・ドレインを形成するためのイオン注入を行い、拡散層19を形成する。このイオン注入条件としては、一例として、イオン注入する不純物にリンを用い、濃度が1×1017/cm3 〜1×1018/cm3 となるように、ドーズ量、注入エネルギーを設定する。バッファ層71を貫通する注入エネルギーであれば十分なため、注入エネルギーを例えば20keV〜50keVに設定し、ドーズ量を1×1018/cm2 〜3×1018/cm2 に設定する。この条件でイオン注入を行えば、DRAM領域の上記拡散層19下層の半導体基板11にはほとんどイオン注入されない。そのため、この領域の半導体基板11は1×1016/cm3 〜×1017/cm3 程度の非常に薄い濃度に設定することが可能となる。
【0188】
よって、このN−P接合は超グレーディッド接合(非常に緩やかな濃度勾配の接合)となる。このような状態の接合では、逆バイアス時の電界を緩和し、メガビット級のDRAMでわずかppmオーダーの不良ビットに起きる通常よりも2桁程度も悪い接合リークの電流抑制に劇的に寄与する。この不良ビットのデータ保持特性がDRAMのチップ性能を支配しており、今後のDRAMでデータ保持特性を維持する重要な技術となっている。
【0189】
例えば、基板濃度が5×1016/cm3 程度であるならば、85℃で500ms以上のデータ保持特性が基体でき、これは実に4世代〜5世代も前のデータのデータ保持特性に匹敵する性能を発揮すると予想される。また、DRAM領域のアクセストランジスタは、半導体基板11をいわゆるラウンドする形でチャネルが形成されることから、実効的なチャネル長を長く確保することもでき、バックバイアスを印加して使う、短チャネル効果が厳しいDRAMセルのトランジスタ特性の安定化を図ることもできる。
【0190】
その後、上記レジスト膜209を除去する。上記イオン注入では、後のDRAM領域のゲート形成に係る熱処理による拡散を考慮して、やや浅めにイオン注入を行うが、DRAMのゲートが基板埋め込み型であるため、DRAM領域のチャネルは埋め込みゲートを形成する溝14の底部に形成されるので、何ら問題はない。また、後の熱処理によって活性化されるため、特にこの段階で熱処理を行う必要もない。
【0191】
図31の(11)に示すように、標準電圧ロジック領域のNチャネルトランジスタの形成領域上を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、続いてそのレジスト膜およびダミーゲート76をマスクに用いて半導体基板11(Pウエル拡散層51)にイオン注入を行い、Nチャネルトランジスタの低濃度拡散層52、52を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。同様にして、標準電圧ロジック領域のPチャネルトランジスタの形成領域上を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、続いてそのレジスト膜およびダミーゲート(図示せず)をマスクに用いて半導体基板11にイオン注入を行い、Pチャネルトランジスタの低濃度拡散層(図示せず)を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0192】
さらに、同様にして、高電圧ロジック領域のPチャネルトランジスタの形成領域上を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、続いてそのレジスト膜およびダミーゲート76をマスクに用いて半導体基板11(Nウエル拡散層61)にイオン注入を行い、Pチャネルトランジスタの低濃度拡散層62、62を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。同様にして、高電圧ロジック領域のpチャネルトランジスタの形成領域上を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、続いてそのレジスト膜およびゲート電極(図示せず)をマスクに用いて半導体基板11にイオン注入を行い、Nチャネルトランジスタの低濃度拡散層(図示せず)を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0193】
次いで、図32の(12)に示すように、DRAM領域のゲートを保護する保護膜78を例えば薄い窒化シリコン膜(例えば厚さが10nm〜50nm)で形成する。この保護膜78は、後にDRAM領域のワード線18上の側壁にサイドウォール状に形成され、サリサイド形成時に、ワード線18側壁の耐圧確保に寄与する。
【0194】
次いで、サイドウォール形成膜79を全面に形成する。このサイドウォール形成膜79は、窒化シリコンよりも低応力でウエット処理による剥離性のよい酸化シリコンで形成することが好ましい。または、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜もしくは酸化窒化シリコン膜で形成することも可能である。上記保護膜78は、後にDRAM内で周辺回路用トランジスタのサイドウォール形成膜79を除去する際のエッチングストッパとなるとともに、後にDRAM領域のワード線18上の側壁にサイドウォール状に形成され、サリサイド形成時に、溝14側壁の耐圧確保に寄与する。
【0195】
その後、図33の(13)に示すように、全面にレジスト膜211を形成し、例えばリソグラフィー技術によってロジック領域のレジスト膜211を除去し、DRAM領域のレジスト膜211は残して、DRAM領域を保護しておく。その状態で、上記サイドウォール形成膜79をエッチバックする。
【0196】
その結果、標準電圧ロジック領域のダミーゲート76の側壁にサイドウォール形成膜79でサイドウォール54が形成され、高電圧ロジック領域のダミーゲート76の側壁にサイドウォール形成膜79でサイドウォール64が形成される。上記エッチングでは、ダミーゲート76上の保護膜78はその膜厚によってはエッチング除去される。その後、上記レジスト膜211を除去する。
【0197】
次いで、図34の(14)に示すように、標準電圧ロジック領域のnチャネルトランジスタの形成領域上を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、続いてそのレジスト膜およびダミーゲート76、サイドウォール54をマスクに用いて半導体基板11にイオン注入を行い、ダミーゲート76側に低濃度拡散層52を残すようにnチャネルトランジスタの拡散層55、55を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。同様にして、標準電圧ロジック領域のpチャネルトランジスタの形成領域上を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、続いてそのレジスト膜およびダミーゲート(図示せず)、サイドウォール(図示せず)をマスクに用いて半導体基板11にイオン注入を行い、ダミーゲート側に低濃度拡散層(図示せず)を残すようにpチャネルトランジスタの拡散層(図示せず)を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0198】
さらに、同様にして、高電圧ロジック領域のnチャネルトランジスタの形成領域上を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、続いてそのレジスト膜およびダミーゲート76をマスクに用いて半導体基板11にイオン注入を行い、ダミーゲート76側に低濃度拡散層62を残すようにしてnチャネルトランジスタの拡散層65、65を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。同様にして、高電圧ロジック領域のpチャネルトランジスタの形成領域上を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、続いてそのレジスト膜およびダミーゲート(図示せず)をマスクに用いて半導体基板11にイオン注入を行い、ダミーゲート側(図示せず)に低濃度拡散層(図示せず)を残すようにしてpチャネルトランジスタの拡散層(図示せず)を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0199】
次いで、全面にレジスト膜213を形成した後、リソグラフィー技術によって、DRAM領域のレジスト膜213を除去し、上記レジスト膜213でロジック領域を覆うようにパターニングを行う。次いで、上記レジスト膜213をマスクに用いて例えばウエット処理によって、DRAM領域の酸化シリコンからなるサイドウォール形成膜79のエッチバックを行う。このエッチングでは、先に形成されているDRAMのワード線18直上に形成されている窒化シリコンからなる保護膜78がエッチングストッパとなる。
【0200】
また、上記レジスト膜213をそのまま利用して、DRAM領域の保護膜78を例えば反応性イオンエッチング(RIE)によりエッチングしてDRAM領域のワード線18を露出させる。この結果。ワード線線18上の溝14の側壁に保護膜78からなるサイドウォール20が形成される。このサイドウォール20は側壁保護の機能を有する。なお、上記反応性イオンエッチングでは、DRAM領域の拡散層19が露出しないようにすること、すなわち、拡散層19上にバッファ層71を残すようにすることが重要である。その後、上記レジスト膜213を除去する。
【0201】
さらに、図35の(15)に示すように、通常のシリサイド化技術を用いて、上記ロジック領域の各拡散層55、65上、DRAM領域のワード線18上に、シリサイド層57、67、21を選択的に形成する。このとき、ダミーゲート76の頂上部には、酸化シリコン膜からなるバッファ層75が形成されているので、シリサイド層は形成されない。このようにして、低抵抗を実現する必要が有るロジック領域の各拡散層55、65上、DRAM領域のワード線18上に選択的にシリサイド層57、67、21が形成される。このシリサイド層としては、例えばコバルトシリサイド(CoSi2 )、チタンシリサイド(TiSi2 )ニッケルシリサイド(NiSi2 )等を用いることができる。
【0202】
その後、全面にキャップ絶縁膜80を例えば窒化シリコン膜で形成する。このキャップ絶縁膜80はサリサイド形成部の接合リークを抑制するのに効果的であるが、不要であれば形成する必要はない。なお、先に記述したように、周辺回路部のトランジスタのゲート電極上にもシリサイド層を形成してサリサイド構造として、ゲート電極の低抵抗化を図っても差し支えはない。
【0203】
次いで、図36の(16)に示すように、全面に第1の絶縁膜(絶縁膜)22を形成した後、CMPによって、第1絶縁膜22表面を平坦化する。上記第1の絶縁膜22表面を平坦化する方法は、平坦化を実現することができる方法であればCMPに限定されることはなく、例えばエッチバック法等を用いることも可能である。その後、上記第1の絶縁膜22上にレジスト膜215を形成した後、リソグラフィー技術によって、上記レジスト膜215にDRAM領域の拡散層取り出しコンタクト用の接続孔パターン216を形成する。
【0204】
次いで、上記レジスト膜215をエッチングマスクに用いてエッチングを行い、図37の(17)に示すように、第1の絶縁膜22、バッファ層71等を貫通してDRAM領域の拡散層19に達する接続孔23を形成する。このとき、DRAM領域のワード線(ゲート電極)18はコンタクトを取るべき拡散層19よりも半導体基板11表面下に配置されているので、セルフアラインコンタクト等の特別な技術を用いる必要はない。またDRAMの拡散層19全面が取り出し電極とコンタクトできるように、接続孔23の開口径をでき得る限り大きく形成することが望ましい。それによってコンタクト抵抗の低減が図られる。
【0205】
また、図面では、多少アライメントずれを起こした状態をわざと記載したが、接続孔開口時に過剰なオーバエッチングを施さなければ、後の工程で接続孔23内に形成されるワード線取り出し電極の物理的な距離を確保することが可能となる。なお、上部からみた投影デザインでは、この接続孔23が完全にワード線(ゲート電極)18にオーバラップする形となっている。
【0206】
次いで、上記接続孔23内を埋め込むように、第1の絶縁膜22上に、取り出し電極形成膜81を形成する。この取り出し電極形成膜81は、例えばリンドープトポリシリコンで形成される。この拡散層取り出しのための取り出し電極形成膜81は、従来通り、DRAM領域に接合リークの低減を考慮してリンドープトポリシリコンが選択されることが望ましい。なお、この段階では活性化のための熱処理は不要である。
【0207】
その後、図38の(18)に示すように、例えばCMPによって、第1の絶縁膜22上の余剰な取り出し電極形成膜81(リンドープトポリシリコン)を除去して、接続孔23内に拡散層19に接続する取り出し電極形成膜81からなる取り出し電極24を形成するとともに、第1の絶縁膜22を研磨してその表面を平坦化させる。その際、各ロジック領域のダミーゲート76のバッファ層75〔図29の(9)参照〕を除去してダミーゲート76のダミー層74上部を露出させる。
【0208】
次いで、ロジック領域におけるダミーゲート76のダミー層74〔図38の(18)参照〕を除去する。その結果、図39の(19)に示すように、上記各ダミーゲート76のポリシリコン層73上に溝83が形成される。このエッチングは、例えば、硫酸過水もしくはフッ硝酸によるウエットエッチングにより行うことが好ましい。
【0209】
次いで、上記第1の絶縁膜22側の全面にレジスト膜217を形成した後、リソグラフィー技術によって、ロジック素子領域のpチャネルトランジスタの形成領域上に開口部218を形成する。続いてそのレジスト膜217をマスクに用いてノンドープトポリシリコンからなるポリシリコン層73にp型不純物として例えばホウ素をイオン注入する。
【0210】
その後、上記レジスト膜217を除去する。次いで熱処理を行う。この熱処理によって、DRAM領域のポリシリコンからなる取り出し電極24と、ロジック素子領域のゲート電極の不純物がドーピングされたポリシリコン層73の活性化を行う。この熱処理では、900℃、10秒程度のRTA(Rapid Thermal Annealing )で十分ではあるが、通常の炉を用いた熱アニールを行っても差し支えは無い。なお、これ以降の工程では、高温の熱工程は行われないので、ロジック素子領域のゲート電極からホウ素が拡散する、いわゆる「突き抜け」は最小限に抑えられる。
【0211】
そして、図40の(20)に示すように、上記溝83内部を埋め込むように金属系ゲート電極形成膜84を形成する。上記金属系ゲート電極形成膜84は金属膜(例えばタングステン膜)84W/密着膜(例えば窒化チタン膜84T)の積層膜で形成することが一般的である。または、タングステン/窒化タングステン、銅/窒化チタン、ルテニウム等の電極を形成することも可能である。
【0212】
再びCMPによって、第1の絶縁膜22上の余剰な金属系ゲート電極形成膜84を除去する。
【0213】
その結果、図41の(21)に示すように、溝83内に残した金属系ゲート電極形成膜84からなる金属系ゲート電極84Gが形成され、金属系ゲート電極84Gとポリシリコン層73とからなるゲート電極51、61が形成されるとともに、第1の絶縁膜22表面が平坦化される。その際、DRAM領域の拡散層を取り出すための取り出し電極24の上部も研磨されるが、何ら問題はない。
【0214】
次いで、第1の絶縁膜22上に、DRAM領域の取り出し電極24およびロジック素子領域のゲート電極51、61を覆うエッチングストップ層25を例えば酸化シリコン膜で全面に形成する。
【0215】
その後、図42の(22)に示すように、エッチングストップ層25上にレジスト膜(図示せず)を形成した後、リソグラフィー技術によって、上記レジスト膜にDRAM領域のワード線取り出しコンタクト用およびロジック領域の拡散層取り出し電極用の接続孔パターン(図示せず)を形成する。続いて、上記レジスト膜をエッチングマスクに用いて、上記エッチングストップ層25、上記第1の絶縁膜22およびキャップ絶縁膜80を貫通してDRAM領域のワード線18上のシリサイド層21、ロジック領域のトランジスタのシリサイド層57、67に達する接続孔26、58、68を形成する。
【0216】
その後、上記レジスト膜を除去する。次に、通常のタングステンプラグの形成技術により上記接続孔26、58、68に内面に窒化チタン膜からなる密着層85を形成した後、接続孔26、58、68内を埋め込むようにタングステン膜86を形成する。その後CMPにより上記エッチングストップ層25上の上記タングステン膜86および密着層85の余剰な部分を除去し、上記接続孔26、58、68の内部に取り出し電極27、59、69を形成する。
【0217】
次いで、上記取り出し電極27、59、69を覆うように上記エッチングストップ層25上の全面に第2の絶縁膜31を例えば酸化シリコン膜を50nm〜150nmの厚さに堆積して形成する。
【0218】
その後、第2の絶縁膜31上にレジスト膜(図示せず)を形成した後、リソグラフィー技術により上記レジスト膜にビットコンタクトを形成する位置に開口部(図示せず)を形成する。そのレジスト膜をマスクに用いたエッチングにより、図43の(23)に示すように、上記第2の絶縁膜31、エッチングストッパ層25にビットコンタクトホール32およびローカル配線コンタクトホール33を形成する。
【0219】
次いで、ビット線34およびローカル配線35を形成するための配線金属層を形成する。この配線金属層は、まず上記ビットコンタクトホール32およびローカル配線コンタクトホール33の内面および第2の絶縁膜31上に、例えばチタン膜と窒化チタン膜を積層してなる密着層36を形成する。さらにビットコンタクトホール32およびローカル配線コンタクトホール33を埋め込むようにして、上記密着層36上に金属配線の主材料となるタングステン膜37を成膜する。さらにタングステン膜37上にキャップ層38を例えば窒化シリコン膜で形成する。
【0220】
その後、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とによって上記キャップ層38、タングステン膜37、密着層36をパターニングしてビットコンタクトホール32を通じてビットコンタクトの取り出し電極24に接続されるビット線34と、ローカル配線コンタクトホール33を通じて取り出し電極59に接続されるローカル配線35とが形成される。したがって、ビット線34上およびローカル配線35上にはキャップ層38が形成される。
【0221】
その後、上記第2の絶縁膜31上に、ビット線34、ローカル配線35等を覆うエッチングストッパ層41をALD窒化シリコン膜で、例えば30nm〜50nmの厚さに形成する。
【0222】
次に、図44の(24)に示すように、上記エッチングストッパ層41上に第3の絶縁膜42を形成する。そして、第3の絶縁膜42表面を例えばCMPを用いて平坦化する。次に、上記第3の絶縁膜42上にレジスト膜219を形成した後、リソグラフィー技術により記憶ノードコンタクトを開口するための開口パターン220を形成する。この開口パターン220は、実際の記憶ノードコンタクトが形成される接続孔の口径よりも大きく形成することができる。
【0223】
次いで、上記レジスト膜219をエッチングマスクに用いて、図45の(25)に示すように、記憶ノード上記第3の絶縁膜42からエッチングストップ層25までをエッチングして、コンタクトの取り出し電極24、24に達する記憶ノードコンタクトを形成する接続孔43を形成する。このエッチングでは、上記レジスト膜219〔前記図44の(24)参照〕の他にキャップ層38およびエッチングストッパ層41がエッチングマスクとなっている。なお、上記エッチングストッパ層41は、その一部がエッチングされるが、ビット線と記憶ノードコンタクトとの耐圧が確保される膜厚のサイドウォールとしてビット線34の側壁に残る。その後上記レジスト膜219〔図44の(24)参照〕を除去する。
【0224】
次に、図46の(26)に示すように、上記接続孔43内に取り出し電極24に接続する記憶ノードコンタクト44を形成する。この記憶ノードコンタクト44は、例えば上記接続孔43を埋め込むように上記第3の絶縁膜42上にタングステン、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、酸化ルテニウム等を堆積して材料層を形成した後、第3の絶縁膜42上の余剰な上記材料層を例えばCMPによって除去することによって、接続孔43内に残した上記材料層で形成される。
【0225】
次に、第3の絶縁膜42上に上記記憶ノードコンタクト44等を覆う第4の絶縁膜45を形成する。次いで、第4の絶縁膜45にキャパシタが形成される凹部46を、その底部に上記記憶ノードコンタクト44上面が露出するように形成する。
【0226】
その後、凹部46内に、熱処理が不要なMIM(Metal/insulator/Metal)構造のキャパシタ91を形成する。MIM構造のキャパシタ91は0.1μm以降のDRAMでは必須になると予想され、現在では、一例として、電極92、94には、ルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO)系材料が用いられ、誘電体膜93にはBST(BaTiO3 とSrTiO3 との混晶)系の膜が採用される。
【0227】
次いで、上記第4の絶縁膜45上に、上記MIM構造のキャパシタ91を覆う第5の絶縁膜47を形成する。その後、CMPによって上記第5の絶縁膜47表面を平坦化する。次いで、第5の絶縁膜47ないし第2の絶縁膜31に、キャパシタ取り出し電極、ワード線取り出し電極、ローカル配線取り出し電極、ロジック領域の拡散層取り出し電極、ロジック領域のゲート取り出し電極等を形成するための接続孔111、112、113、114〜116、117等を形成する。
【0228】
さらに、接続孔111、112、113、114〜116、117等に、キャパシタ取り出し電極121、ワード線取り出し電極122、ローカル配線取り出し電極123、ロジック領域の拡散層取り出し電極124〜126、ロジック領域のゲート取り出し電極127を形成する。さらに、第5の絶縁膜47上に第6の絶縁膜48を形成する。次いで、この第6の絶縁膜48に各電極121〜127等に達する各配線溝131〜136を形成し、配線溝131〜136に配線141〜146を形成する。この配線141〜146は例えば銅配線からなる。図示はしないが、さらに必要に応じて上層配線を形成する。なお、上記電極121〜127および上記配線141〜146には、電極、配線、絶縁膜の材質によって、通常知られている密着層、バリア層が形成される。
【0229】
上記第2の半導体装置の製造方法では、バッファ層71を形成していることにより、その後、溝14の底部における半導体基板11にチャネル拡散層15を形成する不純物を導入する際に、バッファ層71がマスクとなって、選択的に溝14の底部の半導体基板11に不純物が導入され、チャネル拡散層15が形成される。
【0230】
このように、溝14下部とウエル拡散層13との間の半導体基板11にチャネル拡散層15を形成することから、溝144とウエル拡散層13との間の領域の不純物濃度は溝14周囲の半導体基板11の不純物濃度よりも高くなる。また、ソース・ドレインとなる拡散層19下部の半導体基板11濃度は極めて低くい状態に保つことができるので、ソース・ドレインとなる拡散層19の接合の電界が弱められる。このため、ppmオーダーでの接合リークの抑制が可能になり、それによって、データ保持特性が極めてよくなる半導体装置が形成される。
【0231】
また、ゲート絶縁膜16を介して半導体基板11に形成された溝14内に埋め込まれたワード線8上に、第1の絶縁膜22を介してこのワード線18にオーバラップする状態で、半導体基板11表面に形成した拡散層19に接続される取り出し電極を形成することから、ワード線18上の第1の絶縁膜22を20nm〜30nm以上の十分な膜厚を確保することが可能になる。それによって、拡散層19に接続される取り出し電極24との耐圧が確保される。そのため、メモリ素子の拡散層上の全面がコンタクトに使用されるので、実効面積を有効に使用できる。よって、セルデザインで実現可能な最低の抵抗値が実現されるので、コンタクト抵抗の低減が図れる。
【0232】
さらに、ワード線18上層にシリサイド層21を形成することから、ワード線18の抵抗が低減され、遅延の問題が回避される。また、ロジック素子の拡散層55、65上にシリサイド層57、67を形成することから、この拡散層55、65へのコンタクト抵抗が低減される。
【0233】
また、半導体基板11表面側に拡散層19を形成し、その半導体基板11に形成した溝14内にゲート絶縁膜16を介してワード線18を埋め込むように形成することから、チャネルはワード線18が形成されている溝14底部側の半導体基板11を廻り込むように形成される。そのため、実効的なチャネル長が十分に確保されるため、バックバイアスを印加して、短チャネル効果が厳しいメモリ素子(例えばDRAM)のトランジスタ特性が安定化される。
【0234】
また、メモリ素子領域の拡散層19を、その深さ方向に不純物濃度が薄くなるように形成することから、拡散層19下部の半導体基板11濃度をセルトランジスタに要求されるほどに濃くしなくともよいので、接合の電界が緩和され、メモリ素子のセル縮小化にともない厳しくなるデータ保持特性の性能が維持される。
【0235】
また、ロジック素子領域に形成するダミーゲート76にポリシリコン層73とダミー層74との積層構造を用いることによって、メモリ素子領域の拡散層の取り出し電極を形成した後にダミー層74を除去し、ダミーゲート76のポリシリコン層73に不純物をドーピングすることが可能になる。その後、熱処理を行い、金属ゲート電極形成膜84で金属ゲート電極84Gを形成することから、熱処理によるpチャネルゲート電極におけるホウ素の突き抜けの問題が最小限に抑えられる。
【0236】
上記DRAM領域に用いた技術は、汎用DRAMのメモリチップの製造にも適用することが可能である。
【0237】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の第1、第2の半導体装置およびその製造方法によれば、ワード線上層にシリサイド層が形成されているので、ワード線抵抗の低減が図れ、微細加工化で問題となるワード線の遅延の問題が回避できる。
【0238】
また、半導体基板表面側に拡散層が形成され、その半導体基板に形成された溝内にゲート絶縁膜を介してワード線が埋め込まれているので、チャネルはワード線が形成されている溝底部側の半導体基板を廻り込むように形成される。そのため、メモリ素子領域のセルトランジスタの実効的なチャネル長が十分に確保されるため、バックバイアスを印加して短チャネル効果が厳しいメモリ素子(例えばDRAM)のトランジスタ特性が安定化される。
【0239】
半導体基板に形成した溝内に埋め込まれたワード線上に、サイドウォール、絶縁膜等を介してこのワード線にオーバラップする状態で、半導体基板表面に形成した拡散層に接続される取り出し電極を形成するので、ワード線上の絶縁膜等によって、拡散層と取り出し電極との耐圧を確保することができる。そのため、ワード線よりも高い位置にあるメモリ素子領域の拡散層上の全面をコンタクトに使用できるようになるので、実効面積を有効に使用できる。よって、セルデザインで実現可能な最低の抵抗値を実現することができ、コンタクト抵抗の低減が図れる。
【0240】
したがって、上部投影デザイン的に、メモリ素子領域の拡散層の取り出し電極と、ワード線(ゲート電極)とがオーバラップすることが可能となり、セルの微細化が可能になる。すなわち、基板面方向にはワード線と取り出し電極間の耐圧確保のための距離が必要なくなる。よって、メモリ素子の拡散層上の全面がコンタクトに使用できるので、実効面積を有効に使用でき、セルデザインで実現可能な最低の抵抗値が実現され、コンタクト抵抗の低減が図れる。
【0241】
また、メモリ素子領域の拡散層はその濃度が深さ方向に薄くなるように形成されるので、この拡散層下部の基板濃度をセルトランジスタに要求されるほど濃くする必要がない。そのため、この拡散層の接合の電界を緩和することが可能になり、メモリ素子領域のセル縮小化でますます厳しくなるデータ保持特性の性能を維持することが可能になる。
【0242】
また、第2の半導体装置およびその製造方法によれば、ロジック素子の拡散層上にシリサイド層が形成されているので、この拡散層へのコンタクト抵抗を低減することができる。
【0243】
さらに、ロジック領域の高駆動力トランジスタを実現するためのいわゆるリプレースメントゲート電極を有するロジックトランジスタとメモリ素子との1チップ化が実現される。これによって、ロジック領域のゲートは、熱処理に対するケアが不要となり、ゲート絶縁膜に高誘電率材料を用いることが可能となり、ゲート電極をポリメタル構造で形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図である。
【図2】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(1)である。
【図3】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(2)である。
【図4】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(3)である。
【図5】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(4)である。
【図6】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(5)である。
【図7】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(6)である。
【図8】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(7)である。
【図9】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(8)である。
【図10】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(9)である。
【図11】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(10)である。
【図12】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(11)である。
【図13】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(12)である。
【図14】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(13)である。
【図15】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(14)である。
【図16】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(15)である。
【図17】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(16)である。
【図18】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(17)である。
【図19】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(18)である。
【図20】本発明の半導体装置に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図である。
【図21】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(1)である。
【図22】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(2)である。
【図23】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(3)である。
【図24】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(4)である。
【図25】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(5)である。
【図26】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(6)である。
【図27】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(7)である。
【図28】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(8)である。
【図29】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(9)である。
【図30】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(10)である。
【図31】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(11)である。
【図32】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(12)である。
【図33】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(13)である。
【図34】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(14)である。
【図35】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(15)である。
【図36】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(16)である。
【図37】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(17)である。
【図38】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(18)である。
【図39】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(19)である。
【図40】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(20)である。
【図41】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(21)である。
【図42】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(22)である。
【図43】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(23)である。
【図44】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(24)である。
【図45】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(25)である。
【図46】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例を示す概略構成断面図(26)である。
【符号の説明】
11…半導体基板、12…素子分離領域、13…ウエル拡散層、14…溝、15…チャネル拡散層、16…ゲート絶縁膜、18…ワード線、19…拡散層、21…シリサイド層、22…第1の絶縁膜、24…取り出し電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device composed of a DRAM (Dynamic Random Access Memory) and a manufacturing method thereof, and a semiconductor device in which a DRAM and a logic element are mixedly mounted and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Due to the miniaturization competition accelerated year by year, a composite device in which a large-capacity DRAM and a high-speed logic element are mounted on one chip is being developed. As an example of the configuration, memory cell gates of DRAMs are stacked on a substrate, and so-called self-aligned contacts are used to take out diffusion layers of memory cell transistors, while logic elements are formed without using self-aligned contacts. That is the structure.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, various problems have also become apparent in stacked DRAMs.
[0004]
In order to maintain the transistor performance, the substrate concentration is increasing with the reduction of DRAM memory cells, and the junction leakage in the DRAM region is approaching a severe state. For this reason, it has become difficult to suppress junction leakage in a megabit class DRAM. That is, it has become difficult to maintain the data retention characteristics of a DRAM that could be controlled with a margin. If this is the case, the only effective means is to increase the capacitor capacity for each generation.
[0005]
In addition, with the reduction in the size of DRAM cells, the contact area between the diffusion layer and the extraction electrode is reduced, and the contact resistance is increased at twice the rate of generation. In the generation after 0.1 μm, this contact resistance is expected to be several kΩ, and is expected to be comparable to the on-resistance of the word transistor of the memory cell. Therefore, not only the cell transistor but also the variation in contact resistance severely affects the DRAM operation, and higher precision is required in manufacturing.
[0006]
Further, with the reduction in the size of DRAM cells, the interlayer insulation distance between the word line and the extraction contact of the diffusion layer formed on the side of the word line is getting closer to each generation. It is said that the limit distance is 20 nm to 30 nm in order to secure this withstand voltage when manufacturing a megabit class DRAM. For this reason, in the generation of DRAMs of 0.1 μm or later, it is necessary to form the extraction contact of the diffusion layer at a distance equal to or smaller than the withstand voltage limit distance.
[0007]
Conventionally, tungsten silicide (WSi)2) / The word line of DRAM that has suppressed the delay by adopting the polycide structure of doped polysilicon has become stricter in aspect ratio with the recent miniaturization, and has a sufficiently low resistance to suppress the delay of the word line. It has become difficult to obtain. In particular, in stacked DRAMs that require high-speed operation, this word line delay becomes a serious problem that affects the access time of the DRAM. As a technique for reducing the resistance of the gate, reducing the resistance of the wiring by salicide has been put into practical use. However, in order to apply to the gate of a DRAM memory cell, no salicide is formed in the diffusion layer of the DRAM in order to prevent the reduction of the DRAM memory cell due to the inability to use the offset silicon oxide film and maintain the data retention characteristics. It is usually not possible due to difficulties such as requiring a process.
[0008]
In addition, the memory node contact of DRAM must have an opening with no margin due to its cell size, and like the diffusion layer contact, an opening at the withstand voltage limit is necessary, and the technology that efficiently suppresses the resistance increase with the narrow contact diameter. Is needed.
[0009]
On the other hand, the transistor performance of the logic part has also improved remarkably.+A gate electrode has become commonly used. However, this p+In the gate, impurity boron is diffused to the substrate side by heat treatment. It includes a so-called “penetration” problem and is known to cause serious problems such as variations in characteristics of p-channel transistors and depletion of gate electrodes. Widely used for DRAM diffusion layer contacts. Doped polysilicon is an indispensable material for activation by heat treatment, and attention must be paid to consistency when mixed.
[0010]
In this way, even if the technology is acceptable in the current 0.18 μm generation, some countermeasures will be required in the future 0.1 μm generation and beyond, and in order to maintain the chip performance trend, it is accumulated. A drastic improvement in the type DRAM structure is expected.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a semiconductor device and a method for manufacturing the same, which have been made to solve the above problems.
[0012]
A first semiconductor device of the present invention includes an element isolation region formed in a semiconductor substrate, a well diffusion layer formed in the semiconductor substrate isolated by the element isolation region, the semiconductor substrate, and the element isolation region And a channel formed in the semiconductor substrate between the bottom of the groove and the well diffusion layer. The groove is formed in a state where a part of the semiconductor substrate is left on the well diffusion layer. A diffusion layer; a word line embedded in the trench through a gate insulating film; a diffusion layer formed on the semiconductor substrate surface side of the trench sidewall; a silicide layer formed on the word line upper layer; A take-out electrode connected to the diffusion layer in a state of being overlapped with the word line via an insulating film on the word line.
[0013]
In the first semiconductor device, since the channel diffusion layer is formed in the semiconductor substrate between the lower portion of the groove where the channel is formed and the well diffusion layer, the impurity concentration in the region between the groove and the well diffusion layer Becomes higher than the impurity concentration of the semiconductor substrate around the trench. In addition, since the concentration of the semiconductor substrate under the diffusion layer that becomes the source / drain is extremely low, the electric field at the junction of the diffusion layer that becomes the source / drain is weakened, so it is possible to suppress junction leakage in the ppm order. Thereby, the data retention characteristic is extremely improved.
[0014]
Since the silicide layer is formed above the word line, the resistance of the word line is reduced, the delay problem is avoided, and the operation speed is improved. At the same time, the contact resistance to the word line is reduced.
[0015]
In addition, since the diffusion layer is formed on the surface of the semiconductor substrate, and the word line is buried in the groove formed in the semiconductor substrate via the gate insulating film, the channel is formed at the bottom of the groove where the word line is formed. It is formed so as to go around the semiconductor substrate on the side. Therefore, since an effective channel length is sufficiently ensured, a back bias is applied to stabilize the transistor characteristics of a memory element (eg, DRAM) having a severe short channel effect.
[0016]
Further, since the impurity concentration of the diffusion layer decreases in the depth direction, the semiconductor substrate concentration below the diffusion layer in the memory element region does not have to be so high as required for the cell transistor. The electric field is relaxed, and the performance of the data retention characteristic that becomes severe as the cell size of the memory element is reduced is maintained.
[0017]
In addition, it is connected to a diffusion layer formed on the surface of the semiconductor substrate on the word line buried in the groove formed in the semiconductor substrate via the gate insulating film, and overlapping with the word line via the insulating film. Therefore, a sufficient film thickness of 20 nm to 30 nm or more can be secured for the insulating film on the word line. Thereby, a withstand voltage with respect to the extraction electrode connected to the diffusion layer is ensured. Therefore, since the entire surface on the diffusion layer of the memory element is used for the contact, the effective area can be used effectively. Therefore, since the lowest resistance value that can be realized by the cell design is realized, the contact resistance can be reduced.
[0018]
According to a first method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming an isolation region on a semiconductor substrate and then forming a buffer layer on the semiconductor substrate, and a well in the semiconductor substrate separated by the isolation region A step of forming a diffusion layer, and a step of forming a groove at a position where word lines of the buffer layer, the semiconductor substrate, and the element isolation region are formed in a state where a part of the semiconductor substrate is left on the well diffusion layer. Forming a channel diffusion layer in the semiconductor substrate between the bottom of the trench and the well diffusion layer, forming a gate insulating film in the trench and on the semiconductor substrate, and on the semiconductor substrate Forming a conductive layer filling the groove, and removing the conductive layer on the semiconductor substrate on the semiconductor substrate while leaving the conductive layer inside the groove. Forming a word line with the conductive layer left in the trench; forming a diffusion layer on the semiconductor substrate above the trench sidewall; and forming a sidewall insulating film on the trench sidewall on the word line. A step of forming a layer, a step of forming an insulating film on the semiconductor substrate so as to fill an upper portion of the groove, and a state of overlapping the word line on the word line via the insulating film. A step of forming a connection hole reaching the diffusion layer formed in the memory element region; and a step of forming an extraction electrode in the connection hole.
[0019]
In the first method for manufacturing a semiconductor device, since the buffer layer is formed, the buffer layer is used as a mask when the impurity for forming the channel diffusion layer is introduced into the semiconductor substrate at the bottom of the trench. Then, impurities are selectively introduced into the semiconductor substrate at the bottom of the trench to form a channel diffusion layer.
[0020]
As described above, since the channel diffusion layer is formed in the semiconductor substrate between the groove lower portion and the well diffusion layer, the impurity concentration in the region between the groove and the well diffusion layer is higher than the impurity concentration of the semiconductor substrate around the groove. Get higher. Further, since the concentration of the semiconductor substrate below the diffusion layer serving as the source / drain can be kept extremely low, the electric field at the junction of the diffusion layer serving as the source / drain is weakened. For this reason, it becomes possible to suppress junction leakage on the order of ppm, thereby forming a semiconductor device with extremely good data retention characteristics.
[0021]
In addition, it is connected to a diffusion layer formed on the surface of the semiconductor substrate on the word line buried in the groove formed in the semiconductor substrate via the gate insulating film, and overlapping with the word line via the insulating film. Therefore, it is possible to secure a sufficient film thickness of 20 nm to 30 nm or more for the insulating film on the word line. Thereby, a withstand voltage with respect to the extraction electrode connected to the diffusion layer is ensured. Therefore, since the entire surface on the diffusion layer of the memory element is used for the contact, the effective area can be used effectively. Therefore, since the lowest resistance value that can be realized by the cell design is realized, the contact resistance can be reduced.
[0022]
Further, since the silicide layer is formed on the upper layer of the word line, the resistance of the word line is reduced and the delay problem is avoided. At the same time, the contact resistance to the word line is reduced.
[0023]
In addition, since the diffusion layer is formed on the semiconductor substrate surface side and the word line is embedded in the groove formed in the semiconductor substrate via the gate insulating film, the channel is the bottom of the groove where the word line is formed. It is formed so as to go around the semiconductor substrate on the side. Therefore, since an effective channel length is sufficiently ensured, a back bias is applied to stabilize the transistor characteristics of a memory element (eg, DRAM) having a severe short channel effect.
[0024]
Further, since the diffusion layer in the memory element region is formed so that the impurity concentration decreases in the depth direction, the concentration of the semiconductor substrate below the diffusion layer in the memory element region is not so high as required for the cell transistor. Therefore, the electric field at the junction is relaxed, and the performance of the data retention characteristic that becomes severe as the cell size of the memory element is reduced is maintained.
[0025]
  A second semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which a memory element and a logic element are formed on the same semiconductor substrate. That is, the transistor of the memory element includes an element isolation region formed in a semiconductor substrate, a well diffusion layer formed in the semiconductor substrate separated by the element isolation region, and the semiconductor substrate and the element isolation region. A groove formed in a state where a part of the semiconductor substrate is left on the well diffusion layer, and a channel diffusion formed in the semiconductor substrate between the bottom of the groove and the well diffusion layer. A layer, a word line embedded in the trench through a gate insulating film, a diffusion layer formed on the trench sidewall on the semiconductor substrate surface side, a silicide layer formed on the word line upper layer, And a take-out electrode connected to the diffusion layer in a state of overlapping the word line via an insulating film on the word line. The transistor of the logic element is formed on the semiconductor substrate, and is formed on a surface of the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode and a gate electrode having a polymetal structure in which a polysilicon electrode and a metal-based electrode are stacked. And a silicide layer formed on the diffusion layer.The gate electrode of the logic element is formed by sequentially forming a polysilicon layer and a dummy layer made of a material having etching selectivity with the polysilicon layer on the semiconductor substrate, and then the polysilicon layer and the dummy layer. And forming a dummy gate with the polysilicon layer and the dummy layer on the semiconductor substrate in the logic element region via the gate insulating film, and then forming a logic element on the surface of the semiconductor substrate on both sides of the dummy gate. Forming a low-concentration diffusion layer, and then forming a sidewall insulating film on the side wall of the dummy gate, and then forming the diffusion layer on the semiconductor gate on both sides of the dummy gate via the low-concentration diffusion layer on the dummy gate side. After that, an insulating film is formed so as to fill the upper portion of the groove and cover the dummy gate, and then the surface of the insulating film is formed The upper portion of the dummy gate is exposed, and the dummy layer is removed to expose the polysilicon layer to form a gate groove, and then the dummy gate polysilicon layer is doped with impurities, and then A heat treatment for activating the extraction electrode and the polysilicon layer is performed, and then the gate groove is replaced with a metal electrode.
[0026]
In the second semiconductor device, since the channel diffusion layer is formed in the semiconductor substrate between the lower part of the groove where the channel is formed and the well diffusion layer, the impurity concentration in the region between the groove and the well diffusion layer Becomes higher than the impurity concentration of the semiconductor substrate around the trench. In addition, since the concentration of the semiconductor substrate under the diffusion layer that becomes the source / drain is extremely low, the electric field at the junction of the diffusion layer that becomes the source / drain is weakened, so it is possible to suppress junction leakage in the ppm order. Thereby, the data retention characteristic is extremely improved.
[0027]
Since the silicide layer is formed above the word line, the resistance of the word line is reduced, the delay problem is avoided, and the operation speed is improved. At the same time, the contact resistance to the word line is reduced. Further, since the silicide layer is formed on the diffusion layer of the logic element, the contact resistance to the diffusion layer is reduced.
[0028]
In addition, since the diffusion layer is formed on the surface of the semiconductor substrate, and the word line is buried in the groove formed in the semiconductor substrate via the gate insulating film, the channel is formed at the bottom of the groove where the word line is formed. It is formed so as to go around the semiconductor substrate on the side. Therefore, since an effective channel length is sufficiently ensured, a back bias is applied to stabilize the transistor characteristics of a memory element (eg, DRAM) having a severe short channel effect.
[0029]
Further, since the impurity concentration of the diffusion layer decreases in the depth direction, the semiconductor substrate concentration below the diffusion layer in the memory element region does not have to be so high as required for the cell transistor. The electric field is relaxed, and the performance of the data retention characteristic that becomes severe as the cell size of the memory element is reduced is maintained.
[0030]
In addition, it is connected to a diffusion layer formed on the surface of the semiconductor substrate on the word line buried in the groove formed in the semiconductor substrate via the gate insulating film, and overlapping with the word line via the insulating film. Therefore, a sufficient film thickness of 20 nm to 30 nm or more can be secured for the insulating film on the word line. Thereby, a withstand voltage with respect to the extraction electrode connected to the diffusion layer is ensured. Therefore, since the entire surface on the diffusion layer of the memory element is used for the contact, the effective area can be used effectively. Therefore, since the lowest resistance value that can be realized by the cell design is realized, the contact resistance can be reduced.
[0031]
  According to a second method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device in which a memory element and a logic element are formed on the same semiconductor substrate, an element isolation region is formed on the semiconductor substrate and then the semiconductor substrate is formed on the semiconductor substrate. A step of forming a buffer layer; a step of forming a well diffusion layer in the semiconductor substrate in the memory element region isolated by the element isolation region; and a state in which a part of the semiconductor substrate is left on the well diffusion layer Forming a groove at a position where the word line of the buffer layer and the semiconductor substrate and the element isolation region is formed, and forming a channel diffusion layer in the semiconductor substrate between the bottom of the groove and the well diffusion layer. A step of forming a gate insulating film in the groove and on the semiconductor substrate; and a conductive layer filling the groove on the semiconductor substrate in the memory element region. A step of forming, forming a well diffusion layer on the semiconductor substrate in the logic device region isolated by the element isolation region, wherein the semiconductor substrateToA step of forming a dummy layer made of a material having etching selectivity between the silicon layer and the polysilicon layer in order, and processing the polysilicon layer and the dummy layer to form the gate insulation on the semiconductor substrate in the logic element region Forming a dummy gate with the polysilicon layer and the dummy layer through a film, and removing the conductive layer on the semiconductor substrate on the semiconductor substrate while leaving the conductive layer inside the groove Forming a word line with the conductive layer left in the trench, forming a diffusion layer on the semiconductor substrate above the trench sidewall, and logic elements on the semiconductor substrate surfaces on both sides of the dummy gate. Forming a low-concentration diffusion layer, forming a sidewall insulating film on a side wall of the dummy gate, and forming a semiconductor substrate on both sides of the dummy gate on the semiconductor substrate. Forming a diffusion layer on the gate side via the low-concentration diffusion layer, forming a sidewall insulating film on the side wall of the groove on the word line, and forming the word line upper layer and the logic element diffusion layer upper layer. A step of forming a silicide layer, a step of forming an insulating film so as to fill the upper portion of the groove and covering the dummy gate, and a memory in a state of overlapping the word line via the insulating film on the word line Forming a connection hole reaching the diffusion layer formed in the element region; forming a take-out electrode in the connection hole; planarizing the insulating film surface and exposing an upper portion of the dummy gate; Removing the dummy layer to expose the polysilicon layer to form a gate groove; and impurity in the polysilicon layer of the dummy gate A step of doping, and performing heat treatment for activating the extraction electrode and the polysilicon layer, a method of manufacturing a semiconductor device including the step of forming a metallic electrode on the gate groove.
[0032]
In the second method for manufacturing a semiconductor device, since the buffer layer is formed, the buffer layer is used as a mask when impurities for forming the channel diffusion layer are introduced into the semiconductor substrate at the bottom of the trench. Then, impurities are selectively introduced into the semiconductor substrate at the bottom of the trench to form a channel diffusion layer.
[0033]
As described above, since the channel diffusion layer is formed in the semiconductor substrate between the groove lower portion and the well diffusion layer, the impurity concentration in the region between the groove and the well diffusion layer is higher than the impurity concentration of the semiconductor substrate around the groove. Get higher. Further, since the concentration of the semiconductor substrate below the diffusion layer serving as the source / drain can be kept extremely low, the electric field at the junction of the diffusion layer serving as the source / drain is weakened. For this reason, it becomes possible to suppress junction leakage on the order of ppm, thereby forming a semiconductor device with extremely good data retention characteristics.
[0034]
In addition, it is connected to a diffusion layer formed on the surface of the semiconductor substrate on the word line buried in the groove formed in the semiconductor substrate via the gate insulating film, and overlapping with the word line via the insulating film. Therefore, it is possible to secure a sufficient film thickness of 20 nm to 30 nm or more for the insulating film on the word line. Thereby, a withstand voltage with respect to the extraction electrode connected to the diffusion layer is ensured. Therefore, since the entire surface on the diffusion layer of the memory element is used for the contact, the effective area can be used effectively. Therefore, since the lowest resistance value that can be realized by the cell design is realized, the contact resistance can be reduced.
[0035]
Further, since the silicide layer is formed on the upper layer of the word line, the resistance of the word line is reduced and the delay problem is avoided. Further, since the silicide layer is formed on the diffusion layer of the logic element, the contact resistance to the diffusion layer is reduced.
[0036]
In addition, since the diffusion layer is formed on the semiconductor substrate surface side and the word line is embedded in the groove formed in the semiconductor substrate via the gate insulating film, the channel is the bottom of the groove where the word line is formed. It is formed so as to go around the semiconductor substrate on the side. Therefore, since an effective channel length is sufficiently ensured, a back bias is applied to stabilize the transistor characteristics of a memory element (eg, DRAM) having a severe short channel effect.
[0037]
Further, since the diffusion layer in the memory element region is formed so that the impurity concentration decreases in the depth direction, the concentration of the semiconductor substrate below the diffusion layer in the memory element region is not so high as required for the cell transistor. Therefore, the electric field at the junction is relaxed, and the performance of the data retention characteristic that becomes severe as the cell size of the memory element is reduced is maintained.
[0038]
Further, by using a laminated structure of a polysilicon layer and a dummy layer for the dummy gate formed in the logic element region, the dummy layer is removed after forming the extraction electrode of the diffusion layer in the memory element region, and the dummy gate polysilicon It becomes possible to dope impurities into the layer. Thereafter, heat treatment is performed to form the metal gate electrode, so that the problem of boron penetration in the p-channel gate electrode due to the heat treatment is minimized.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment according to a semiconductor device of the present invention will be described with reference to a schematic sectional view of FIG.
[0040]
As shown in FIG. 1, the semiconductor substrate 11 is, for example, 1 × 10.17/ CmThreeIt is composed of a silicon substrate having a p-type impurity concentration of about. The semiconductor substrate 11 is formed with an element isolation region 12 for isolating a memory element region (hereinafter referred to as a DRAM and referred to as a DRAM region in the drawing), a standard voltage logic region, a high voltage logic region, and the like. The element isolation region 12 is formed to a depth of, for example, about 0.1 μm to 0.2 μm, for example, by STI (Shallow Trench Isolation) technology. Further, a buffer layer 71 covering the element isolation region 12 is provided on the semiconductor substrate 11.
For example, a silicon oxide film is formed to a thickness of 20 nm to 40 nm, for example.
[0041]
The buffer layer 71 is necessary for manufacturing. That is, the buffer layer 71 has a function of a buffer film when the well diffusion layer 13 is formed. The buffer layer 71 is connected to the DRAM junction during ion implantation for adjusting the substrate concentration of a transistor (access transistor) of a memory element to be described later. In addition, when the silicide layer 27 is formed on the surface of the word line 18 embedded in the groove 14, the silicide layer 27 is formed on the diffusion layer 19 in the DRAM region. It has a function of preventing formation.
[0042]
In the semiconductor substrate 11 in the memory element region, the well diffusion layer 13 has, for example, an upper surface deeper than 150 nm to 200 nm, a lower surface slightly deeper than the depth of the element isolation region 12, and a depth direction. For example, the thickness is about 0.8 μm. The well diffusion layer 13 is P-type, for example, formed by introducing boron. For example, when formed by ion implantation, boron is used as the ion species, and the dose amount is, for example, 5 × 10.12/ Cm2~ 7 × 1012/ Cm2To the extent.
[0043]
Furthermore, an element isolation diffusion layer (not shown) may be formed in the semiconductor substrate 11 below the element isolation region 12 as necessary.
[0044]
Further, a trench 14 is formed in the element isolation region 12 and the semiconductor substrate 11 so as to penetrate the buffer layer 71 and form a word line (including a gate electrode) in the DRAM region. The depth of the groove 14 is, for example, about 100 nm to 150 nm, and is formed so that the semiconductor substrate 11 remains between the well diffusion layer 13 formed previously and the bottom of the groove 14. Note that there may be a slight difference between the depth of the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 and the depth of the groove 14 formed in the element isolation region 12.
[0045]
Further, the edge portion of the bottom of the groove 14 is preferably formed in a so-called round shape in order to avoid the electric field concentration of the cell transistor, and the width of the groove 14 becomes the channel length of the access transistor of the memory element. Therefore, it is desirable that the side wall of the groove 14 be formed as perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 11 as possible.
[0046]
Further, a channel diffusion layer 15 is formed in the semiconductor substrate 11 between the bottom of the groove 14 and the well diffusion layer 13. The channel diffusion layer 15 of the word transistor in the DRAM region has a high concentration (for example, 1.0 × 1018/ CmThree~ 1.0 × 1019/ CmThree) Must be a portion of the semiconductor substrate 11 (11a) at the bottom of the groove 14 where the semiconductor substrate 11 is dug down, and the semiconductor substrate 11 on the side wall and the upper portion of the groove 14 may have a very low concentration. Therefore, the semiconductor substrate 11 portion below the diffusion layer 19 described later has an extremely low concentration (for example, 1.0 × 10 10).17/ CmThree~ 1.0 × 1018/ CmThree).
[0047]
A gate insulating film 16 is formed on the inner surface of the groove 14 and the semiconductor substrate 11. The gate insulating film 15 has a slightly thicker film thickness than a state-of-the-art logic transistor and has a slightly longer gate length. Therefore, even in this generation, application of a silicon oxide film by thermal oxidation is possible. Is possible. Therefore, the gate insulating film 15 in the DRAM region is formed of a silicon oxide film having a thickness of about 1.5 nm to 5 nm, for example.
[0048]
Further, a word line (including a gate electrode) 18 made of, for example, a phosphorus-doped polysilicon film is formed through the gate insulating film 16 so as to fill each groove 14. The word line 18 has a lower layer formed of a polysilicon layer and an upper layer formed of a silicide (for example, salicide) layer 21. A sidewall insulating film 20 is formed of, for example, a silicon nitride film on the side wall of the groove 14 on the polysilicon layer of the word line 18. The word line 18 is preferably 50 nm so that the surface of the word line 18 is at least about 30 nm to 100 nm lower than the surface of the semiconductor substrate 11 above the groove 14 as a distance at which a breakdown voltage is secured with at least a later-described extraction electrode 24. It is formed so as to be lowered by about 90 nm. In this embodiment, for example, it is formed in a state of being lowered by about 50 nm. For this reason, a withstand voltage distance from a take-out electrode 24 of a diffusion layer described later is secured.
[0049]
Further, the silicide layer 21 is made of, for example, cobalt silicide (CoSi).2), Titanium silicide (TiSi)2Nickel silicide (NiSi)2) Etc. are used. The sidewall insulating film 20 has a function of ensuring a breakdown voltage between the silicide layer 21 and the diffusion layer 19. Note that there may be a slight difference between the depth of the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 and the depth of the groove 14 formed in the element isolation region 12.
[0050]
Further, a diffusion layer 19 serving as a source / drain is formed in the semiconductor substrate 11 in the DRAM region. This diffusion layer 19 uses phosphorus as an N-type impurity and has a concentration of 1 × 10 5.17/ CmThree~ 1x1018/ CmThreeIt has become. Therefore, the semiconductor substrate 11 in this region is 1 × 1016/ CmThree~ × 1017/ CmThreeIt is set to a very thin concentration.
[0051]
Therefore, this NP junction is a super-graded junction (a junction with a very gentle concentration gradient). The junction in such a state relaxes the electric field at the time of reverse bias, and dramatically contributes to suppression of junction leakage current that is worse by about two orders of magnitude than usual, which occurs in a defective bit of only ppm order in a megabit class DRAM. The data retention characteristics of the defective bits dominate the DRAM chip performance, and it is an important technique for maintaining the data retention characteristics in future DRAMs.
[0052]
For example, the substrate concentration is 5 × 1016/ CmThreeIf this is the case, a data retention characteristic of 500 ms or more can be obtained at 85 ° C., which is expected to exhibit performance comparable to the data retention characteristic of the previous 4 to 5 generations. In addition, since the access transistor in the DRAM region has a channel formed by rounding the semiconductor substrate 11, the effective channel length can be ensured to be long, and the short channel effect can be used by applying a back bias. Therefore, it is possible to stabilize the transistor characteristics of the DRAM cell which is severe.
[0053]
A first insulating film (insulating film) 22 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 11. The surface of the first insulating film 22 is flattened. Further, a cap insulating film 80 is formed on the entire surface by, for example, a silicon nitride film. The cap insulating film 80 is effective in suppressing junction leakage in the salicide forming portion, but it is not necessary to form the cap insulating film 80 if unnecessary.
[0054]
Further, a first insulating film (insulating film) 22 is formed on the entire surface. In the first insulating film 22, a connection hole 23 that penetrates the cap insulating film 80, the buffer layer 71 and the like and reaches the diffusion layer 19 in the DRAM region is formed. The connection hole 23 is desirably formed as large as possible in the opening diameter of the connection hole 23 so that the extraction electrode can be brought into contact with the entire surface of the diffusion layer 19. Thereby, the contact resistance is reduced.
[0055]
In the drawing, a state where a slight misalignment is intentionally described is described. However, if excessive over-etching is not performed when the connection hole is opened, the physical distance of the extraction electrode 24 of the word line formed in the connection hole 23 is shown. Can be secured. In the projection design seen from above, the connection hole 23 completely overlaps the word line (gate electrode) 18. In the connection hole 23, an extraction electrode 24 made of, for example, phosphorus-doped polysilicon is formed.
[0056]
The surface of the second insulating film 22 is flattened so that the upper surface of the extraction electrode 24 is flush with the surface of the second insulating film 22. Further, an etching stop layer 25 that covers the extraction electrode 24 is formed on the second insulating film 22.
[0057]
A connection hole 26 reaching the silicide layer 21 on the word line 18 in the DRAM region is formed in the etching stop layer 25, the first insulating film 22, and the cap insulating film 80. An extraction electrode 27 is formed in the connection hole 26. The extraction electrode 27 is made of a tungsten film 86 formed so as to be embedded in the connection hole 26 through an adhesion layer 85 made of a titanium nitride film.
[0058]
A second insulating film 31 covering the extraction electrode 27 is formed on the etching stop layer 25. The second insulating film 31 is formed, for example, by depositing a silicon oxide film to a thickness of 50 nm to 150 nm.
[0059]
A bit contact hole 32 connected to the extraction electrode 24 is formed in the second insulating film 31 and the etching stop layer 25. A bit line 34 is formed on the second insulating film 31, and a part of the bit line 34 is connected to the extraction electrode 24 through the bit contact hole 32. A local wiring 35 is formed on the second insulating film 31. The bit line 34 and the local wiring 35 are formed of, for example, a tungsten film 37, an adhesion layer 36 is formed in the lower part thereof, and a cap layer 38 is formed in the upper part thereof.
[0060]
On the second insulating film 22, an etching stopper layer 41 and a third insulating film 42 that cover the bit line 34 and the local wiring 35 are formed. The etching stopper layer 41 is an ALD silicon nitride film and is formed to a thickness of, for example, 30 nm to 50 nm.
[0061]
A connection hole 43 is formed from the third insulating film 42 to the etching stopper layer 25 to form a storage node contact reaching the extraction electrodes 24 and 24 of the storage node contact. In the connection hole 43, the etching stopper layer 41 remains on the side wall of the bit line 34 as a side wall having a film thickness that can ensure the breakdown voltage between the bit line and the storage node contact. Further, a storage node contact 44 connected to the extraction electrode 24 is formed in the connection hole 43. The storage node contact 44 is made of a material such as tungsten, titanium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride, or ruthenium oxide. The surface of the third insulating film 42 is flattened together with the upper surface of the storage node contact 44, for example.
[0062]
A fourth insulating film 45 is formed on the third insulating film 42. In the fourth insulating film 45, a recess 46 in which a capacitor is formed is formed so that the upper surface of the storage node contact 44 is exposed at the bottom. A capacitor 91 having an MIM (Metal / insulator / Metal) structure that does not require heat treatment is formed in the recess 46. The capacitor 91 having the MIM structure is expected to be indispensable for a DRAM of 0.1 μm or more. At present, as an example, the electrodes 92 and 94 are made of a ruthenium (Ru) or ruthenium oxide (RuO) material, and the electrodes 92 and 94 are used. The dielectric film 93 formed therebetween has BST (BaTiOThreeAnd SrTiOThreeA mixed crystal) film is used.
[0063]
A fifth insulating film 47 is formed on the fourth insulating film 45 to cover the MIM structure capacitor 91. The surface of the fifth insulating film 47 is flattened. In the fifth insulating film 47 to the first insulating film 22, connection holes 111, 112, 113 and the like for forming a capacitor extraction electrode, a word line extraction electrode, a local wiring extraction electrode, and the like are formed.
[0064]
In each of the connection holes 111, 112, 113, etc., a capacitor extraction electrode 121, a word line extraction electrode 122, a local wiring extraction electrode 123, and the like are formed.
[0065]
Further, a sixth insulating film 48 is formed on the fifth insulating film 47. In the sixth insulating film 48, wiring grooves 131, 132, 133 reaching the respective electrodes 121, 122, 123 are formed, and first wirings 141-143 are formed in the respective wiring grooves 131-133. . The first wirings 141 to 143 are made of copper wiring, for example. Although not shown, upper layer wiring is further formed as necessary. The electrodes 121 to 123 and the wires 141 to 143 are each formed with a generally known adhesion layer and barrier layer depending on the materials of the electrodes, wires, and insulating films.
[0066]
In the first semiconductor device, since the channel diffusion layer 15 is formed in the semiconductor substrate 11 between the lower portion of the groove 14 where the channel is formed and the well diffusion layer 13, the groove 14 and the well diffusion layer 13 The impurity concentration in the intermediate region is higher than the impurity concentration of the semiconductor substrate 11 around the trench 14. In addition, since the concentration of the semiconductor substrate 11 below the diffusion layer 19 serving as the source / drain is extremely low, the junction electric field of the diffusion layer 19 is weakened, so that junction leakage can be suppressed in the ppm order. Thereby, the data retention characteristic is extremely improved.
[0067]
Since the silicide layer 21 is formed above the word line 18, the resistance of the word line 18 is reduced, the problem of delay is avoided, and the operation speed is improved. At the same time, the contact resistance to the word line 18 is reduced.
[0068]
In addition, since the diffusion layer is formed on the surface side of the semiconductor substrate 11 and the word line is buried in the groove formed in the semiconductor substrate via the gate insulating film, the channel is a groove in which the word line is formed. It is formed so as to go around the semiconductor substrate on the bottom side. Therefore, since an effective channel length is sufficiently ensured, a back bias is applied to stabilize the transistor characteristics of a memory element (eg, DRAM) having a severe short channel effect.
[0069]
Further, since the impurity concentration of the diffusion layer 19 is reduced in the depth direction, the concentration of the semiconductor substrate 11 below the diffusion layer 19 in the memory element region does not have to be as high as required for the cell transistor. The electric field at the junction is relaxed, and the performance of the data retention characteristic that becomes severe as the memory cell shrinks is maintained.
[0070]
In addition, the semiconductor device overlaps the word line 18 via the first insulating film 22 on the word line 18 embedded in the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 via the gate insulating film 16. Since the extraction electrode 24 connected to the diffusion layer 19 formed on the surface of the substrate 11 is formed, the first insulating film 22 on the word line 18 can have a sufficient film thickness of 20 nm to 30 nm or more. It becomes possible. Thereby, a withstand voltage with respect to the extraction electrode connected to the diffusion layer 19 is ensured. Therefore, since the entire surface of the diffusion layer 19 of the memory element is used for the contact, the effective area can be used effectively. Therefore, since the lowest resistance value that can be realized by the cell design is realized, the contact resistance can be reduced.
[0071]
An example of an embodiment according to a first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to schematic configuration sectional views of FIGS. 2 to 19 show a manufacturing method for forming a memory element and a logic element on the same semiconductor substrate, and the same components as those described with reference to FIG. 1 are given the same reference numerals.
[0072]
As shown in (1) of FIG. 2, as the semiconductor substrate 11, for example, 1 × 1017/ CmThreeA silicon substrate having an approximately p-type impurity concentration is prepared. For example, by STI (Shallow Trench Isolation) technology, an element isolation region for isolating a memory element region (hereinafter referred to as a DRAM and referred to as a DRAM region in the drawing), a standard voltage logic region, a high voltage logic region, and the like on the semiconductor substrate 11. 12 is formed. The element isolation region 12 is formed to a depth of about 0.1 μm to 0.2 μm, for example. Next, a buffer layer 71 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the semiconductor substrate 11 so as to cover the element isolation region 12 by chemical vapor deposition (hereinafter referred to as CVD, where CVD is an abbreviation for Chemical Vapor Deposition), for example, 20 nm to 40 nm. The thickness is formed.
[0073]
Further, after a resist film 201 is formed on the semiconductor substrate 11, an opening 202 is formed on the memory cell formation region in the DRAM region using a lithography technique.
[0074]
Next, for example, boron is introduced into the semiconductor substrate 11 in the memory element region by ion implantation using the resist film 201 as a mask to form the well diffusion layer 13. As the ion implantation conditions, boron is used as the ion species, and the dose amount is 5 × 10 5, for example.12/ Cm2~ 7 × 1012/ Cm2For example, it is deeper than 150 nm to 200 nm and slightly deeper than the element isolation region 12 so as to be deeper than the depth of a groove to be formed later. The well diffusion layer 13 has a thickness in the depth direction of, for example, about 0.8 μm.
[0075]
Furthermore, an element isolation diffusion layer (not shown) may be formed in the semiconductor substrate 11 below the element isolation region 12 as necessary.
[0076]
The buffer layer 71 has a function of a buffer film when the well diffusion layer 13 is formed. Further, it functions as a stopper for ion implantation for a region that becomes a junction of the DRAM at the time of ion implantation for adjusting the substrate concentration of a transistor (access transistor) of a memory element to be performed later. In addition, when salicide is formed on the surface of the word line buried in the trench, the salicide is prevented from being formed in the diffusion layer of the DRAM region. Thereafter, the resist film 201 is removed.
[0077]
Next, as shown in FIG. 3B, after a resist film 203 is formed on the semiconductor substrate 11, an opening 204 is formed in the resist film 203 on a region to be a word line (gate electrode) in the DRAM region by lithography. Form.
[0078]
Next, as shown in FIG. 4C, using the resist film 203 as an etching mask, the buffer layer 71, the element isolation region 12, and the semiconductor substrate 11 are etched (for example, continuously etched) to form an element isolation region. 12 (field) and the semiconductor substrate 11 are formed with a trench 14 in which a word line (including a gate electrode) in the DRAM region is formed. The depth of the groove 14 is, for example, about 100 nm to 150 nm, and the semiconductor substrate 11 is left between the well diffusion layer 13 formed earlier and the bottom of the groove 14. Note that there may be a slight difference between the depth of the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 and the depth of the groove 14 formed in the element isolation region 12.
[0079]
Further, since the groove 14 is formed only in the DRAM region, it is desirable that the edge portion at the bottom of the groove 14 be formed in a so-called round shape in order to avoid electric field concentration of the cell transistor. Is the channel length of the access transistor of the memory element, it is desirable that the side wall of the trench 14 be formed as perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 11 as possible. Note that the buffer layer 71 formed in the DRAM region is simultaneously etched when the element isolation region 12 is etched. Thereafter, the resist film 203 is removed by a normal removal technique.
[0080]
As for voltages assumed in this generation, the standard logic region is 0.5 V to 1.2 V, the high voltage logic region is 1.5 V to 2.5 V, and the DRAM cell word line boost is 1.5 V to 2 V. .5V.
[0081]
Next, as shown in FIG. 5D, a sacrificial oxide film (not shown) is formed to a thickness of, for example, 10 nm to 20 nm on the entire exposed surface of the semiconductor substrate 11 by, for example, thermal oxidation.
[0082]
Next, channel doping of the access transistor in the DRAM region is performed to form a channel diffusion layer 15 between the bottom of the trench 14 and the well diffusion layer 13.
[0083]
The channel diffusion layer 15 of the word transistor in the DRAM region has a high concentration (for example, 1.0 × 1018/ CmThree~ 1.0 × 1019/ CmThree) Must be a portion of the semiconductor substrate 11 (11a) at the bottom of the groove 14 where the semiconductor substrate 11 is dug down, and the semiconductor substrate 11 on the side wall or upper portion of the groove 14 needs to be almost ion-implanted as a substrate concentration. There is no. In the above ion implantation, the buffer layer 71 provided first is used as a mask for ion implantation on the surface of the semiconductor substrate 11 and the logic element region. Therefore, the channel diffusion layer is formed only at the bottom of the groove 14 without using a new mask. 15 can be formed. Therefore, the portion of the semiconductor substrate 11 below the diffusion layer 19 (see FIG. 30) described later has an extremely low concentration (for example, 1.0 × 10 1017/ CmThree~ 1.0 × 1018/ CmThree) Can be formed.
[0084]
Thereafter, the sacrificial oxide film (not shown) is removed by wet etching, for example. Thereafter, a gate insulating film 16 is formed on the inner surface of the groove 14 in the DRAM region, the semiconductor substrate 11 and the like by an ordinary gate oxide film forming method.
[0085]
As shown in FIG. 6 (5), a gate forming film 72 is formed of a phosphorus-doped polysilicon film on the gate insulating film 16 so as to fill each groove 14 in the DRAM region. Since this gate formation film 72 is used only for word lines in the DRAM region, N+Phosphorous doped polysilicon, which is a gate material, can be used. The gate formation film 72 is formed to a thickness of 50 nm to 150 nm, and the film thickness is set to a thickness optimized only for forming a groove-like word line.
[0086]
As shown in FIG. 7 (6), the gate formation film 72 is etched back so that the gate formation film 72 remains inside the trench 14. As a result, a word line (partly functioning as a gate electrode) 18 made of the gate formation film 72 is formed in the trench 14. At this time, the gate forming film 72 is etched back so that the surface of the word line 18 is about 30 nm to 100 nm lower than the surface of the semiconductor substrate 11, thereby ensuring a withstand voltage distance from the extraction electrode of the diffusion layer to be formed later. The In this etch back, the gate insulating film 16 functions as an etching stop layer.
[0087]
Further, ion implantation for forming source / drain is performed on the semiconductor substrate 11 in the DRAM region, thereby forming a diffusion layer 19. As an example of the ion implantation conditions, phosphorus is used as an impurity for ion implantation, and the concentration is 1 × 10.17/ CmThree~ 1x1018/ CmThreeThe dose amount and the implantation energy are set so that Since the implantation energy penetrating the buffer layer 71 is sufficient, the implantation energy is set to, for example, 20 keV to 50 keV, and the dose amount is set to 1 × 10.18/ Cm2~ 3x1018/ Cm2Set to. If ion implantation is performed under these conditions, almost no ions are implanted into the semiconductor substrate 11 below the diffusion layer 19 in the DRAM region. Therefore, the semiconductor substrate 11 in this region is 1 × 1016/ CmThree~ × 1017/ CmThreeIt becomes possible to set the density to a very low level.
[0088]
Therefore, this NP junction is a super-graded junction (a junction with a very gentle concentration gradient). The junction in such a state relaxes the electric field at the time of reverse bias, and dramatically contributes to suppression of junction leakage current that is worse by about two orders of magnitude than usual, which occurs in a defective bit of only ppm order in a megabit class DRAM. The data retention characteristics of the defective bits dominate the DRAM chip performance, and it is an important technique for maintaining the data retention characteristics in future DRAMs.
[0089]
For example, the substrate concentration is 5 × 1016/ CmThreeIf this is the case, a data retention characteristic of 500 ms or more can be obtained at 85 ° C., which is expected to exhibit performance comparable to the data retention characteristic of the previous 4 to 5 generations. In addition, since the access transistor in the DRAM region has a channel formed by rounding the semiconductor substrate 11, the effective channel length can be ensured to be long, and the short channel effect can be used by applying a back bias. Therefore, it is possible to stabilize the transistor characteristics of the DRAM cell which is severe.
[0090]
In the above ion implantation, ion implantation is performed slightly shallowly in consideration of diffusion due to heat treatment related to the gate formation of the DRAM region later. However, since the DRAM gate is a substrate buried type, the channel of the DRAM region has a buried gate. Since it is formed at the bottom of the groove 14 to be formed, there is no problem. Further, since it is activated by a subsequent heat treatment, it is not necessary to perform the heat treatment at this stage.
[0091]
Next, as shown in FIG. 8 (7), a protective film 78 that protects the gate of the DRAM region is formed of, for example, a thin silicon nitride film (eg, a thickness of 10 nm to 50 nm). This protective film 78 is later formed in a sidewall shape on the side wall on the word line 18 in the DRAM region, and contributes to securing the breakdown voltage on the side wall of the word line 18 when the salicide is formed.
[0092]
Next, as shown in FIG. 9 (8), the DRAM region protective film 78 is etched by, for example, reactive ion etching (RIE) to expose the word line 18 in the DRAM region. As a result. A side wall 20 made of a protective film 78 is formed on the side wall of the groove 14 on the word line 18. This sidewall 20 has a function of protecting the sidewall. In the reactive ion etching, it is important to prevent the diffusion layer 19 in the DRAM region from being exposed, that is, to leave the buffer layer 71 on the diffusion layer 19.
[0093]
Further, as shown in FIG. 10 (9), a silicide layer 21 is selectively formed on the word line 18 in the DRAM region using a normal silicidation technique. In this manner, the silicide layer 21 is selectively formed on the word line 18 in the DRAM region where low resistance needs to be realized. As this silicide layer, for example, cobalt silicide (CoSi)2), Titanium silicide (TiSi)2Nickel silicide (NiSi)2) Etc. can be used.
[0094]
Thereafter, a cap insulating film 80 is formed on the entire surface by, for example, a silicon nitride film. The cap insulating film 80 is effective in suppressing junction leakage in the salicide forming portion, but it is not necessary to form the cap insulating film 80 if unnecessary. Note that as described above, a silicide layer may be formed also on the gate electrode of the transistor in the peripheral circuit portion to form a salicide structure, so that the resistance of the gate electrode can be reduced.
[0095]
Next, as shown in FIG. 11 (10), after a first insulating film (insulating film) 22 is formed on the entire surface, the surface of the first insulating film 22 is planarized by CMP. The method for planarizing the surface of the first insulating film 22 is not limited to CMP as long as the planarization can be realized, and for example, an etch back method or the like can be used. Thereafter, a resist film 215 is formed on the first insulating film 22, and then a connection hole pattern 216 for a diffusion layer extraction contact in the DRAM region is formed in the resist film 215 by a lithography technique.
[0096]
Next, etching is performed using the resist film 215 as an etching mask to form connection holes 23 that penetrate the first insulating film 22 and reach the diffusion layer 19 in the DRAM region, as shown in FIG. To do. At this time, since the word line (gate electrode) 18 in the DRAM region is disposed below the surface of the semiconductor substrate 11 rather than the diffusion layer 19 to be contacted, it is not necessary to use a special technique such as self-alignment contact. Further, it is desirable to make the opening diameter of the connection hole 23 as large as possible so that the entire surface of the diffusion layer 19 of the DRAM can contact the extraction electrode. Thereby, the contact resistance is reduced.
[0097]
In the drawing, the state in which the alignment is slightly shifted is intentionally described. However, if excessive over-etching is not performed when the connection hole is opened, the physical structure of the word line extraction electrode formed in the connection hole 23 in a later step is described. It is possible to ensure a sufficient distance. In the projection design seen from above, the connection hole 23 completely overlaps the word line (gate electrode) 18.
[0098]
Next, an extraction electrode forming film 81 is formed on the first insulating film 22 so as to fill the connection hole 23. This extraction electrode forming film 81 is formed of, for example, phosphorus-doped polysilicon. As the extraction electrode forming film 81 for extracting the diffusion layer, phosphorus-doped polysilicon is preferably selected in the DRAM region in consideration of reduction of junction leakage as in the conventional case. Note that heat treatment for activation is not necessary at this stage.
[0099]
Thereafter, as shown in FIG. 13 (12), the excessive extraction electrode formation film 81 (phosphorus doped polysilicon) on the first insulating film 22 is removed by, for example, CMP, and the diffusion layer is formed in the connection hole 23. The extraction electrode 24 composed of the extraction electrode forming film 81 connected to the N-type electrode 19 is formed, and the first insulating film 22 is polished to flatten the surface.
[0100]
Thereafter, heat treatment is performed. By this heat treatment, the extraction electrode 24 made of polysilicon in the DRAM region is activated. In this heat treatment, RTA (Rapid Thermal Annealing) at 900 ° C. for about 10 seconds is sufficient. However, thermal annealing using a normal furnace can be performed. In the subsequent steps, since a high-temperature thermal process is not performed, for example, when a logic element is formed simultaneously with a DRAM, so-called “penetration” in which boron diffuses from the gate electrode of the logic element is minimized. Can be suppressed.
[0101]
Next, as shown in FIG. 14 (13), an etching stop layer 25 covering the extraction electrode 24 in the DRAM region is formed on the entire surface of the first insulating film 22 with, for example, a silicon oxide film.
[0102]
Thereafter, as shown in (14) of FIG. 15, after a resist film (not shown) is formed on the etching stop layer 25, a connection hole for a word line extraction contact in the DRAM region is formed in the resist film by lithography. A pattern (not shown) is formed. Subsequently, using the resist film as an etching mask, the connection hole reaching the silicide layer 21 on the word line 18 in the DRAM region through the etching stop layer 25, the first insulating film 22 and the cap insulating film 80. 26 is formed.
[0103]
Thereafter, the resist film is removed. Next, an adhesion layer 85 made of a titanium nitride film is formed on the inner surface of the connection hole 26 by an ordinary tungsten plug formation technique, and then a tungsten film 86 is formed so as to fill the connection hole 26. Thereafter, excess portions of the tungsten film 86 and the adhesion layer 85 on the etching stop layer 25 are removed by CMP, and an extraction electrode 27 is formed in the connection hole 26.
[0104]
Next, a second insulating film 31 is formed, for example, by depositing a silicon oxide film with a thickness of 50 nm to 150 nm on the entire surface of the etching stop layer 25 so as to cover the extraction electrode 27.
[0105]
Then, after forming a resist film (not shown) on the second insulating film 31, an opening (not shown) is formed at a position where a bit contact is formed in the resist film by lithography. By using the resist film as a mask, a bit contact hole 32 reaching the predetermined extraction electrode 24 is formed in the etching stopper layer 25 and the second insulating film 31 as shown in FIG.
[0106]
Next, a wiring metal layer for forming the bit line 34 and the local wiring 35 is formed. For the wiring metal layer, first, an adhesion layer 36 formed by laminating, for example, a titanium film and a titanium nitride film is formed on the inner surface of the bit contact hole 32 and the second insulating film 31. Further, a tungsten film 37 as a main material of the metal wiring is formed on the adhesion layer 36 so as to fill the bit contact hole 32. Further, a cap layer 38 is formed on the tungsten film 37 by, for example, a silicon nitride film.
[0107]
Thereafter, the cap layer 38, the tungsten film 37, and the adhesion layer 36 are patterned by a normal lithography technique and an etching technique to form a bit line 34 connected to the bit contact extraction electrode 24 through the bit contact hole 32. The local wiring 35 is formed. Therefore, the cap layer 38 is formed on the bit line 34 and the local wiring 35.
[0108]
Thereafter, an etching stopper layer 41 covering the bit line 34 is formed on the second insulating film 31 with an ALD silicon nitride film to a thickness of, for example, 30 nm to 50 nm.
[0109]
Next, as shown in FIG. 17 (16), a third insulating film 42 is formed on the etching stopper layer 41. Then, the surface of the third insulating film 42 is planarized using, for example, CMP. Next, after forming a resist film 219 on the third insulating film 42, an opening pattern 220 for opening a storage node contact is formed by lithography. The opening pattern 220 can be formed larger than the diameter of the connection hole in which the actual storage node contact is formed.
[0110]
Next, using the resist film 219 as an etching mask, etching is performed from the third insulating film 42 to the etching stop layer 25 as shown in FIG. A connection hole 43 for forming a storage node contact reaching 24 is formed. In this etching, in addition to the resist film 219 (see (16) in FIG. 17), the cap layer 38 and the etching stopper layer 41 serve as an etching mask. The etching stopper layer 41 is partially etched, but remains on the side wall of the bit line 34 as a side wall having a film thickness that can ensure the breakdown voltage between the bit line and the storage node contact. Thereafter, the resist film 219 (see (16) in FIG. 17) is removed.
[0111]
Next, as shown in FIG. 19 (18), a storage node contact 44 connected to the extraction electrode 24 is formed in the connection hole 43. The storage node contact 44 is formed, for example, by depositing tungsten, titanium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride, ruthenium oxide or the like on the third insulating film 42 so as to fill the connection hole 43 and forming a material layer. The excess material layer on the third insulating film 42 is formed by the material layer left in the connection hole 43 by removing the material layer by CMP, for example.
[0112]
Next, a fourth insulating film 45 covering the storage node contact 44 and the like is formed on the third insulating film 42. Next, a recess 46 in which a capacitor is formed in the fourth insulating film 45 is formed so that the upper surface of the storage node contact 44 is exposed at the bottom.
[0113]
Thereafter, a capacitor 91 having an MIM (Metal / insulator / Metal) structure that does not require heat treatment is formed in the recess 46. The capacitor 91 having the MIM structure is expected to be indispensable for a DRAM of 0.1 μm or more. At present, as an example, the electrodes 92 and 94 are made of a ruthenium (Ru) or ruthenium oxide (RuO) material, The film 93 has BST (BaTiOThreeAnd SrTiOThreeA mixed crystal) film is used.
[0114]
Next, a fifth insulating film 47 that covers the MIM structure capacitor 91 is formed on the fourth insulating film 45. Thereafter, the surface of the fifth insulating film 47 is planarized by CMP. Next, connection holes 111, 112, 113, and the like for forming capacitor extraction electrodes, word line extraction electrodes, and the like are formed in the fifth insulating film 47 to the second insulating film 31.
[0115]
Further, the capacitor extraction electrode 121, the word line extraction electrode 122, the local wiring extraction electrode 123, and the like are formed in the connection holes 111, 112, 113, and the like. Further, a sixth insulating film 48 is formed on the fifth insulating film 47. Next, wiring grooves 131, 132, 133 reaching the electrodes 121, 122, 123, etc. are formed in the sixth insulating film 48, and wirings 141, 142, 143 are formed in the wiring grooves 131, 132, 133. The wirings 141, 142, and 143 are made of copper wiring, for example. Although not shown, an upper layer wiring is further formed as necessary. The electrodes 121, 122, 123 and the wirings 141, 142, 143 are formed with commonly known adhesion layers and barrier layers depending on the materials of the electrodes, wirings, and insulating films.
[0116]
In the first method for manufacturing a semiconductor device, since the buffer layer 71 is formed, the buffer layer 71 is subsequently introduced when an impurity for forming the channel diffusion layer 15 is introduced into the semiconductor substrate 11 at the bottom of the trench 14. As a mask, impurities are selectively introduced into the semiconductor substrate 11 at the bottom of the trench 14 to form a channel diffusion layer 15.
[0117]
As described above, since the channel diffusion layer 15 is formed in the semiconductor substrate 11 between the lower portion of the trench 14 and the well diffusion layer 13, the impurity concentration in the region between the trench 14 and the well diffusion layer 13 is around the trench 14. It becomes higher than the impurity concentration of the semiconductor substrate 11. Further, since the concentration of the semiconductor substrate 11 below the diffusion layer 19 serving as the source / drain can be kept extremely low, the electric field at the junction of the diffusion layer 19 is weakened. For this reason, it becomes possible to suppress junction leakage on the order of ppm, thereby forming a semiconductor device with extremely good data retention characteristics.
[0118]
In addition, the semiconductor device overlaps the word line 18 via the second insulating film 22 on the word line 18 embedded in the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 via the gate insulating film 16. Since the extraction electrode 24 connected to the diffusion layer 19 formed on the surface of the substrate 11 is formed, the second insulating film 22 on the word line 18 can have a sufficient film thickness of 20 nm to 30 nm or more. Become. Thereby, a withstand voltage with respect to the extraction electrode 24 connected to the diffusion layer 19 is ensured. Therefore, since the entire surface of the diffusion layer 19 of the memory element is used for the contact, the effective area can be used effectively. Therefore, since the lowest resistance value that can be realized by the cell design is realized, the contact resistance can be reduced.
[0119]
Further, since the silicide layer 21 is formed on the upper layer of the word line 18, the resistance of the word line 18 is reduced and the problem of delay is avoided. At the same time, the contact resistance to the word line 18 is reduced.
[0120]
Further, since the diffusion layer 19 is formed on the surface side of the semiconductor substrate 11 and the word line 18 is embedded in the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 via the gate insulating film 16, the channel is the word line 18. It is formed so as to go around the semiconductor substrate 11 on the bottom side of the groove 14 in which is formed. Therefore, since an effective channel length is sufficiently ensured, a back bias is applied to stabilize the transistor characteristics of a memory element (eg, DRAM) having a severe short channel effect.
[0121]
Further, since the diffusion layer 19 in the memory element region is formed so that the impurity concentration decreases in the depth direction, the concentration of the semiconductor substrate 11 below the diffusion layer 19 in the memory element region is so high that the cell transistor is required. Since it is not necessary to increase the density, the electric field at the junction is relaxed, and the performance of data retention characteristics that become severe as the memory cell size is reduced is maintained.
[0122]
An embodiment according to a second semiconductor device of the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG.
[0123]
As shown in FIG. 20, the semiconductor substrate 11 is, for example, 1 × 10.17/ CmThreeIt is composed of a silicon substrate having a p-type impurity concentration of about. The semiconductor substrate 11 is formed with an element isolation region 12 for isolating a memory element region (hereinafter referred to as a DRAM and referred to as a DRAM region in the drawing), a standard voltage logic region, a high voltage logic region, and the like. The element isolation region 12 is formed to a depth of, for example, about 0.1 μm to 0.2 μm, for example, by STI (Shallow Trench Isolation) technology. Further, a buffer layer 71 covering the element isolation region 12 is formed on the semiconductor substrate 11 with a thickness of, for example, 20 nm to 40 nm using, for example, a silicon oxide film.
[0124]
The buffer layer 71 is necessary for manufacturing. That is, the buffer layer 71 has a function of a buffer film when the well diffusion layer 13 is formed. The buffer layer 71 is connected to the DRAM junction during ion implantation for adjusting the substrate concentration of a transistor (access transistor) of a memory element to be described later. In addition, when the silicide layer 27 is formed on the surface of the word line 18 embedded in the groove 14, the silicide layer 27 is formed on the diffusion layer 19 in the DRAM region. It has a function of preventing formation.
[0125]
In the semiconductor substrate 11 in the memory element region, the well diffusion layer 13 has, for example, an upper surface deeper than 150 nm to 200 nm, a lower surface slightly deeper than the depth of the element isolation region 12, and a depth direction. For example, the thickness is about 0.8 μm. The well diffusion layer 13 is P-type, for example, formed by introducing boron. For example, when formed by ion implantation, boron is used as the ion species, and the dose amount is, for example, 5 × 10.12/ Cm2~ 7 × 1012/ Cm2To the extent.
[0126]
Furthermore, an element isolation diffusion layer (not shown) may be formed in the semiconductor substrate 11 below the element isolation region 12 as necessary.
[0127]
Further, a trench 14 is formed in the element isolation region 12 and the semiconductor substrate 11 so as to penetrate the buffer layer 71 and form a word line (including a gate electrode) in the DRAM region. The depth of the groove 14 is, for example, about 100 nm to 150 nm, and is formed so that the semiconductor substrate 11 remains between the well diffusion layer 13 formed previously and the bottom of the groove 14. Note that there may be a slight difference between the depth of the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 and the depth of the groove 14 formed in the element isolation region 12.
[0128]
Further, the edge portion of the bottom of the groove 14 is preferably formed in a so-called round shape in order to avoid the electric field concentration of the cell transistor, and the width of the groove 14 becomes the channel length of the access transistor of the memory element. Therefore, it is desirable that the side wall of the groove 14 be formed as perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 11 as possible.
[0129]
Further, a channel diffusion layer 15 is formed in the semiconductor substrate 11 between the bottom of the groove 14 and the well diffusion layer 13. The channel diffusion layer 15 of the word transistor in the DRAM region has a high concentration (for example, 1.0 × 1018/ CmThree~ 1.0 × 1019/ CmThree) Must be a portion of the semiconductor substrate 11 (11a) at the bottom of the groove 14 where the semiconductor substrate 11 is dug down, and the semiconductor substrate 11 on the side wall and the upper portion of the groove 14 may have a very low concentration. Therefore, the semiconductor substrate 11 portion below the diffusion layer 19 described later has an extremely low concentration (for example, 1.0 × 10 10).17/ CmThree~ 1.0 × 1018/ CmThree).
[0130]
A gate insulating film 16 is formed on the inner surface of the groove 14 and the semiconductor substrate 11. The gate insulating film 15 has a slightly thicker film thickness than a state-of-the-art logic transistor and has a slightly longer gate length. Therefore, even in this generation, application of a silicon oxide film by thermal oxidation is possible. Is possible. Therefore, the gate insulating film 15 in the DRAM region is formed of a silicon oxide film having a thickness of about 1.5 nm to 5 nm, for example.
[0131]
Further, a word line (including a gate electrode) 18 made of, for example, a phosphorus-doped polysilicon film is formed through the gate insulating film 16 so as to fill each groove 14. The word line 18 has a lower layer formed of a polysilicon layer and an upper layer formed of a silicide (for example, salicide) layer 21. A sidewall insulating film 20 is formed of, for example, a silicon nitride film on the side wall of the groove 14 on the polysilicon layer of the word line 18. The word line 18 is preferably 50 nm so that the surface of the word line 18 is at least about 50 nm to 100 nm lower than the surface of the semiconductor substrate 11 above the groove 14 as a distance at which a breakdown voltage is secured with at least a later-described extraction electrode 24. It is formed so as to be lowered by about 90 nm. In this embodiment, for example, it is formed in a state of being lowered by about 50 nm. For this reason, a withstand voltage distance from a take-out electrode 24 of a diffusion layer described later is secured.
[0132]
Further, the silicide layer 21 is made of, for example, cobalt silicide (CoSi).2), Titanium silicide (TiSi)2Nickel silicide (NiSi)2) Etc. are used. The sidewall insulating film 20 has a function of ensuring a breakdown voltage between the silicide layer 21 and the diffusion layer 19. Note that there may be a slight difference between the depth of the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 and the depth of the groove 14 formed in the element isolation region 12.
[0133]
Further, a diffusion layer 19 serving as a source / drain is formed in the semiconductor substrate 11 in the DRAM region. This diffusion layer 19 uses phosphorus as an N-type impurity and has a concentration of 1 × 10 5.17/ CmThree~ 1x1018/ CmThreeIt has become. Therefore, the semiconductor substrate 11 in this region is 1 × 1016/ CmThree~ × 1017/ CmThreeIt is set to a very thin concentration.
[0134]
Therefore, this NP junction is a super-graded junction (a junction with a very gentle concentration gradient). The junction in such a state relaxes the electric field at the time of reverse bias, and dramatically contributes to suppression of junction leakage current that is worse by about two orders of magnitude than usual, which occurs in a defective bit of only ppm order in a megabit class DRAM. The data retention characteristics of the defective bits dominate the DRAM chip performance, and it is an important technique for maintaining the data retention characteristics in future DRAMs.
[0135]
For example, the substrate concentration is 5 × 1016/ CmThreeIf this is the case, a data retention characteristic of 500 ms or more can be obtained at 85 ° C., which is expected to exhibit performance comparable to the data retention characteristic of the previous 4 to 5 generations. In addition, since the access transistor in the DRAM region has a channel formed by rounding the semiconductor substrate 11, the effective channel length can be ensured to be long, and the short channel effect can be used by applying a back bias. Therefore, it is possible to stabilize the transistor characteristics of the DRAM cell which is severe.
[0136]
On the other hand, a P-well diffusion layer 51 of an N-channel transistor and an N-well diffusion layer (not shown) of the P-channel transistor are formed on the semiconductor substrate 11 in the standard voltage logic region. Also, a P-well diffusion layer (not shown) of an N-channel transistor and an N-well diffusion layer 61 of a P-channel transistor are formed on the semiconductor substrate 11 in the high voltage logic region. Note that channel doping is performed as necessary.
[0137]
Further, low-concentration diffusion layers 52 and 52 of N-channel transistors are formed in the semiconductor substrate 11 (P-well diffusion layer 51) in the N-channel transistor formation region of the standard voltage logic region. Further, a low-concentration diffusion layer (not shown) of the P-channel transistor is formed on the semiconductor substrate 11 in the p-channel transistor formation region of the standard voltage logic region.
[0138]
Further, low-concentration diffusion layers 62 and 62 of P-channel transistors are formed in the semiconductor substrate 11 (N-well diffusion layer 61) in the formation region of the P-channel transistor in the high voltage logic region. A low concentration diffusion layer (not shown) of the N channel transistor is formed on the semiconductor substrate 11 in the N channel transistor formation region of the high voltage logic region.
[0139]
On the logic element semiconductor substrate 11 (including the element isolation region 12), a logic element gate insulating film 17 is formed. In this generation, the gate insulating film is generally made according to the film thickness, and is made separately using a resist process. As the gate insulating film, silicon oxide or silicon nitride is used when heat resistance is required. In order to prevent boron (B) from penetrating from the P channel gate, for example, a silicon oxynitride film is used for the P channel gate.
[0140]
On the other hand, a gate electrode 51 is formed on the semiconductor substrate 11 in the standard voltage logic region via a gate insulating film 17. The gate electrode 51 is formed of a polysilicon gate layer made of phosphorus-doped polysilicon, and the upper layer is made of a metal gate electrode made of a laminated film of an adhesion layer formed by replacing a dummy layer and a metal layer. For example, a titanium nitride layer is used as the adhesion layer, and a tungsten layer is used as the metal layer. Further, a side wall 54 is formed on the side wall of the gate electrode 51 via the gate insulating film 17. The low concentration diffusion layers 52 and 52 are formed in the semiconductor substrate 11 below the sidewall 54, and the diffusion layers 55 and 55 are formed on the semiconductor substrate 11 on both sides of the gate electrode 51 through the low concentration diffusion layers 52 and 52. Is formed. A silicide layer 58 is formed on the diffusion layer 55. As the silicide layer 58, for example, cobalt silicide (CoSi)2), Titanium silicide (TiSi)2Nickel silicide (NiSi)2) Etc. can be used.
[0141]
A gate electrode 61 is formed on the semiconductor substrate 11 in the high voltage logic region with a gate insulating film 17 interposed therebetween. The gate electrode 61 is formed of a polysilicon gate layer formed of a boron-doped polysilicon layer, and an upper layer of a metal-based gate electrode formed of a laminated film of an adhesion layer formed by replacing a dummy layer and a metal layer, For example, a titanium nitride layer is used as the adhesion layer, and a tungsten layer is used as the metal layer. Further, a sidewall 64 is formed on the side wall of the gate electrode 61 via the gate insulating film 17. The low concentration diffusion layers 62 and 62 are formed in the semiconductor substrate 11 below the sidewall 64, and the diffusion layers 65 and 65 are formed on the semiconductor substrate 11 on both sides of the gate electrode 61 through the low concentration diffusion layers 62 and 62. Is formed. A silicide layer 68 is formed on the diffusion layer 65. As the silicide layer 58, for example, cobalt silicide (CoSi)2), Titanium silicide (TiSi)2Nickel silicide (NiSi)2) Etc. can be used.
[0142]
The sidewalls 54 and 64 are preferably formed of silicon oxide having a lower stress than silicon nitride and good releasability by wet treatment. Alternatively, a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film or a silicon oxynitride film can be used.
[0143]
A gate electrode (gate wiring) 51 having the same structure as the gate electrode 51 is formed on the element isolation region 12 in the logic region.
[0144]
A first insulating film (insulating film) 19 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 11. The surface of the first insulating film 19 is flattened, and the surfaces of the gate electrodes 51 and 61 in the logic region are on the same plane.
[0145]
Further, a cap insulating film 80 is formed on the entire surface by, for example, a silicon nitride film. The cap insulating film 80 is effective in suppressing junction leakage in the salicide forming portion, but it is not necessary to form the cap insulating film 80 if unnecessary.
[0146]
Further, a first insulating film (insulating film) 22 is formed on the entire surface. In the first insulating film 22, a connection hole 23 that penetrates the cap insulating film 80, the buffer layer 71 and the like and reaches the diffusion layer 19 in the DRAM region is formed. The connection hole 23 is desirably formed as large as possible in the opening diameter of the connection hole 23 so that the extraction electrode can be brought into contact with the entire surface of the diffusion layer 19. Thereby, the contact resistance is reduced.
[0147]
In the drawing, a state where a slight misalignment is intentionally described is described. However, if excessive over-etching is not performed when the connection hole is opened, the physical distance of the extraction electrode 24 of the word line formed in the connection hole 23 is shown. Can be secured. In the projection design seen from above, the connection hole 23 completely overlaps the word line (gate electrode) 18. In the connection hole 23, an extraction electrode 24 made of, for example, phosphorus-doped polysilicon is formed.
[0148]
The surface of the second insulating film 22 is flattened so that the upper surface of the extraction electrode 24 and the upper surfaces of the gate electrodes 51 and 61 are flush with the surface of the second insulating film 22. Further, an etching stop layer 25 that covers the extraction electrode 24 and the gate electrodes 51 and 61 is formed on the second insulating film 22.
[0149]
In the etching stop layer 25, the first insulating film 22 and the cap insulating film 80, connection holes 26 and 58 reaching the silicide layer 21 on the word line 18 in the DRAM region and the silicide layers 57 and 67 of the transistor in the logic region. , 68 are formed. Extraction electrodes 27, 59, and 69 are formed in the connection holes 26, 58, and 68. The extraction electrodes 27, 59, and 69 are made of a tungsten film formed so as to fill the connection holes 26, 58, and 68 through an adhesion layer made of a titanium nitride film.
[0150]
A second insulating film 31 is formed on the etching stop layer 25 to cover the extraction electrodes 27, 59, and 69. The second insulating film 31 is formed, for example, by depositing a silicon oxide film to a thickness of 50 nm to 150 nm.
[0151]
A bit contact hole 32 connected to the extraction electrode 24 and a local hatching contact hole 33 connected to the extraction electrode 59 are formed in the second insulating film 31 and the etching stop layer 25. A bit line 34 is formed on the second insulating film 31, and a part of the bit line 34 is connected to the extraction electrode 24 through the bit contact hole 32. A local wiring 35 is formed on the second insulating film 31, and a part of the local wiring 35 is connected to the extraction electrode 59 through the local wiring contact hole 33. The bit line 34 and the local wiring 35 are formed of, for example, a tungsten film 37, an adhesion layer 36 is formed in the lower part thereof, and a cap layer 38 is formed in the upper part thereof.
[0152]
On the second insulating film 22, an etching stopper layer 41 and a third insulating film 42 that cover the bit line 34 and the local wiring 35 are formed. The etching stopper layer 41 is an ALD silicon nitride film and is formed to a thickness of, for example, 30 nm to 50 nm.
[0153]
A connection hole 43 is formed from the third insulating film 42 to the etching stopper layer 25 to form a storage node contact reaching the extraction electrodes 24 and 24 of the storage node contact. In the connection hole 43, the etching stopper layer 41 remains on the side wall of the bit line 34 as a side wall having a film thickness that can ensure the breakdown voltage between the bit line and the storage node contact. Further, a storage node contact 44 connected to the extraction electrode 24 is formed in the connection hole 43. The storage node contact 44 is made of a material such as tungsten, titanium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride, or ruthenium oxide. The surface of the third insulating film 42 is flattened together with the upper surface of the storage node contact 44, for example.
[0154]
A fourth insulating film 45 is formed on the third insulating film 42. In the fourth insulating film 45, a recess 46 in which a capacitor is formed is formed so that the upper surface of the storage node contact 44 is exposed at the bottom. A capacitor 91 having an MIM (Metal / insulator / Metal) structure that does not require heat treatment is formed in the recess 46. The capacitor 91 having the MIM structure is expected to be indispensable for a DRAM of 0.1 μm or more. At present, as an example, the electrodes 92 and 94 are made of a ruthenium (Ru) or ruthenium oxide (RuO) material, and the electrodes 92 and 94 are used. The dielectric film 93 formed therebetween has BST (BaTiOThreeAnd SrTiOThreeA mixed crystal) film is used.
[0155]
A fifth insulating film 47 is formed on the fourth insulating film 45 to cover the MIM structure capacitor 91. The surface of the fifth insulating film 47 is flattened. In the fifth insulating film 47 to the first insulating film 22, a capacitor take-out electrode, a word line take-out electrode, a local wire take-out electrode, a diffusion layer take-out electrode in the logic region, a gate take-out electrode in the logic region, and the like are formed. The connection holes 111, 112, 113, 114 to 116, 117 are formed.
[0156]
In each of the connection holes 111, 112, 113, 114 to 116, 117, etc., there are a capacitor extraction electrode 121, a word line extraction electrode 122, a local wiring extraction electrode 123, a diffusion layer extraction electrode 124 of a standard voltage logic region, and a high voltage logic region. Diffusion layer extraction electrodes 125 and 126, a gate extraction electrode 127 in the logic region, and the like are formed.
[0157]
Further, a sixth insulating film 48 is formed on the fifth insulating film 47. In the sixth insulating film 48, wiring grooves 131, 132, 133, 134, 135, 136 reaching the respective electrodes 121, 122, 123, 124, 127, 125, 126 are formed, and the respective wiring grooves 131-136 are formed. Are formed with first wirings 141 to 146. The first wirings 141 to 146 are made of, for example, copper wiring. Although not shown, upper layer wiring is further formed as necessary. The electrodes 121 to 127 and the wirings 141 to 146 are formed with a generally known adhesion layer and barrier layer depending on the materials of the electrodes, wirings, and insulating films.
[0158]
In the second semiconductor device, since the channel diffusion layer 15 is formed in the semiconductor substrate 11 between the lower portion of the groove 14 where the channel is formed and the well diffusion layer 13, the groove 14 and the well diffusion layer 13 The impurity concentration in the intermediate region is higher than the impurity concentration of the semiconductor substrate 11 around the trench 14. Further, since the concentration of the semiconductor substrate 11 below the diffusion layer 19 serving as the source / drain is extremely low, the electric field at the junction of the diffusion layer 19 serving as the source / drain is weakened. Data retention characteristics are thereby greatly improved.
[0159]
Since the silicide layer 21 is formed above the word line 18, the resistance of the word line 18 is reduced, the problem of delay is avoided, and the operation speed is improved. At the same time, the contact resistance to the word line 18 is reduced. Further, since the silicide layers 57 and 67 are formed on the diffusion layers 55 and 65 of the logic element, the contact resistance to the diffusion layers 55 and 65 is reduced.
[0160]
Moreover, since the diffusion layer 19 is formed on the surface side of the semiconductor substrate 11 and the word line 18 is buried in the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 via the gate insulating film 16, the channel is connected to the word line 18. It is formed so as to go around the semiconductor substrate 11 on the bottom side of the groove 14 in which is formed. Therefore, since an effective channel length is sufficiently ensured, a back bias is applied to stabilize the transistor characteristics of a memory element (eg, DRAM) having a severe short channel effect.
[0161]
Further, since the impurity concentration of the diffusion layer 19 is reduced in the depth direction, the concentration of the semiconductor substrate 11 below the diffusion layer 19 in the memory element region does not have to be as high as required for the cell transistor. The electric field at the junction is relaxed, and the performance of the data retention characteristic that becomes severe as the memory cell shrinks is maintained.
[0162]
Further, the diffusion formed on the surface of the semiconductor substrate 11 on the word line 18 buried in the trench 14 via the gate insulating film 16 so as to overlap the word line 18 via the first insulating film 22. Since the extraction electrode 24 connected to the layer 19 is formed, it is possible to secure a sufficient film thickness of 20 nm to 30 nm or more for the second insulating film 22 on the word line 18. Thereby, a withstand voltage with respect to the extraction electrode 24 connected to the diffusion layer 19 is ensured. Therefore, since the entire surface of the diffusion layer 19 of the memory element is used for the contact, the effective area can be used effectively. Therefore, since the lowest resistance value that can be realized by the cell design is realized, the contact resistance can be reduced.
[0163]
One example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to schematic configuration sectional views of FIGS. 21 to 46 show a manufacturing method for forming the memory element and the logic element on the same semiconductor substrate, and the same reference numerals are given to the same components as described with reference to FIG.
[0164]
As shown in (1) of FIG. 21, as the semiconductor substrate 11, for example, 1 × 1017/ CmThreeA silicon substrate having an approximately p-type impurity concentration is prepared. For example, by STI (Shallow Trench Isolation) technology, an element isolation region for isolating a memory element region (hereinafter referred to as a DRAM and referred to as a DRAM region in the drawing), a standard voltage logic region, a high voltage logic region, and the like on the semiconductor substrate 11. 12 is formed. The element isolation region 12 is formed to a depth of about 0.1 μm to 0.2 μm, for example. Next, a buffer layer 71 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the semiconductor substrate 11 so as to cover the element isolation region 12 by chemical vapor deposition (hereinafter referred to as CVD, where CVD is an abbreviation for Chemical Vapor Deposition), for example, 20 nm to 40 nm. The thickness is formed.
[0165]
Further, after a resist film 201 is formed on the semiconductor substrate 11, the resist film 201 in a portion that becomes a DRAM region is removed using a lithography technique, and a logic region (hereinafter, a standard voltage logic region and a high voltage logic region are divided into logic regions). The resist film 201 is left on.
[0166]
Next, for example, boron is introduced into the semiconductor substrate 11 in the memory element region by ion implantation using the resist film 201 as a mask to form the well diffusion layer 13. As the ion implantation conditions, boron is used as the ion species, and the dose amount is 5 × 10 5, for example.12/ Cm2~ 7 × 1012/ Cm2For example, it is deeper than 150 nm to 200 nm and slightly deeper than the element isolation region 12 so as to be deeper than the depth of a groove to be formed later. The well diffusion layer 13 has a thickness in the depth direction of, for example, about 0.8 μm.
[0167]
Furthermore, an element isolation diffusion layer (not shown) may be formed in the semiconductor substrate 11 below the element isolation region 12 as necessary.
[0168]
The buffer layer 71 has a function of a buffer film when the well diffusion layer 13 is formed. Further, it functions as a stopper for ion implantation for a region that becomes a junction of the DRAM at the time of ion implantation for adjusting the substrate concentration of a transistor (access transistor) of a memory element to be performed later. In addition, when salicide is formed on the surface of the word line buried in the trench, the salicide is prevented from being formed in the diffusion layer of the DRAM region.
[0169]
Further, as shown in FIG. 22B, after a resist film 203 is formed on the semiconductor substrate 11, an opening 204 is formed in the resist film 203 on a region to be a word line (gate electrode) in the DRAM region by lithography. Form.
[0170]
Next, as shown in FIG. 23 (3), using the resist film 203 as an etching mask, the buffer layer 71, the element isolation region 12 and the semiconductor substrate 11 are etched (for example, continuously etched) to form an element isolation region. 12 (field) and the semiconductor substrate 11 are formed with a trench 14 in which a word line (including a gate electrode) in the DRAM region is formed. The depth of the groove 14 is, for example, about 100 nm to 150 nm, and the semiconductor substrate 11 is left between the well diffusion layer 13 formed earlier and the bottom of the groove 14. Note that there may be a slight difference between the depth of the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 and the depth of the groove 14 formed in the element isolation region 12.
[0171]
Further, since the groove 14 is formed only in the DRAM region, it is desirable that the edge portion at the bottom of the groove 14 be formed in a so-called round shape in order to avoid electric field concentration of the cell transistor. Is the channel length of the access transistor of the memory element, it is desirable that the side wall of the trench 14 be formed as perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 11 as possible. Note that the buffer layer 71 formed in the DRAM region is simultaneously etched when the element isolation region 12 is etched. Thereafter, the resist film 203 is removed by a normal removal technique.
[0172]
As for voltages assumed in this generation, the standard logic region is 0.5 V to 1.2 V, the high voltage logic region is 1.5 V to 2.5 V, and the DRAM cell word line boost is 1.5 V to 2 V. .5V.
[0173]
Next, as shown in FIG. 24 (4), a sacrificial oxide film (not shown) is formed to a thickness of, for example, 10 nm to 20 nm on the entire exposed surface of the semiconductor substrate 11 by, eg, thermal oxidation.
[0174]
Next, channel doping of the access transistor in the DRAM region is performed to form a channel diffusion layer 15 between the bottom of the trench 14 and the well diffusion layer 13.
[0175]
The channel diffusion layer 15 of the word transistor in the DRAM region has a high concentration (for example, 1.0 × 1018/ CmThree~ 1.0 × 1019/ CmThree) Must be a portion of the semiconductor substrate 11 (11a) at the bottom of the groove 14 where the semiconductor substrate 11 is dug down, and the semiconductor substrate 11 on the side wall or upper portion of the groove 14 needs to be almost ion-implanted as a substrate concentration. There is no. In the above ion implantation, the buffer layer 71 provided first is used as a mask for ion implantation on the surface of the semiconductor substrate 11 and the logic element region. Therefore, the channel diffusion layer is formed only at the bottom of the groove 14 without using a new mask. 15 can be formed. Therefore, the portion of the semiconductor substrate 11 below the diffusion layer 19 (see FIG. 30) described later has an extremely low concentration (for example, 1.0 × 10 1017/ CmThree~ 1.0 × 1018/ CmThree) Can be formed.
[0176]
Thereafter, the sacrificial oxide film (not shown) is removed by wet etching, for example. Thereafter, a gate insulating film 16 is formed on the inner surface of the groove 14 in the DRAM region, the semiconductor substrate 11 and the like by an ordinary gate oxide film forming method.
[0177]
As shown in (5) of FIG. 25, a gate formation film 72 is formed of a phosphorus-doped polysilicon film on the gate insulating film 16 so as to fill each groove 14 in the DRAM region. This gate formation film 72 is used only for the word line in the DRAM region and not for the P-channel transistor.+Phosphorous doped polysilicon, which is a gate material, can be used. The gate formation film 72 is formed to a thickness of 50 nm to 150 nm, and the film thickness is set to a thickness optimized only for forming a groove-like word line. Further, after a resist film 205 is formed on the gate formation film 72, the resist film 205 on the logic area is removed by using a lithography technique while leaving the resist film 205 on the DRAM area.
[0178]
Next, as shown in FIG. 26 (6), the gate formation film 72, the gate insulating film 16 and the buffer layer 71 on the logic element region are removed by etching using the resist film 205 as a mask. In this etching, in the etching of the gate formation film 72, the buffer layer 71 serves as an etching stopper, thereby exposing the surface of the semiconductor substrate 11 in the logic element region. Further, in this etching, hydrofluoric acid-based wet etching is desirable for removing the buffer layer 71. Thereafter, the resist film 205 is removed.
[0179]
Thereafter, as shown in (7) of FIG. 27, a sacrificial oxide film (not shown) is formed on the surface of the logic element region. Next, a resist film (not shown) having an opening over the N channel transistor formation region in the standard voltage logic region is formed, and then ion implantation is performed on the semiconductor substrate 11 using the resist film as a mask. P well diffusion layer 51 is formed. At that time, channel doping can be performed as necessary. Thereafter, the resist film is removed. Similarly, a resist film (not shown) opened on the P channel transistor formation region in the standard voltage logic region is formed, and then ion implantation is performed on the semiconductor substrate 11 using the resist film as a mask. An N well diffusion layer 61 of the channel transistor is formed. At that time, channel doping can be performed as necessary. Thereafter, the resist film is removed.
[0180]
Next, the sacrificial oxide film is removed. Then, the gate insulating film 17 of the logic element is formed on the gate forming film 72 left on the DRAM region and on the semiconductor substrate 11 (including the element isolation region 12) in the logic element region. In this generation, the gate insulating film is generally made according to the film thickness, and is made separately using a resist process. For the gate insulating film, silicon oxide or silicon nitride is used when heat resistance is required. In order to prevent boron (B) from penetrating from the P channel gate, for example, a silicon oxynitride film is used for the P channel gate. During these processes, the DRAM region is covered with the gate forming film 72 made of phosphorus-doped polysilicon, so that the surface is oxidized, but the channel region is only subjected to heat treatment and is not affected by oxidation or the like.
[0181]
As shown in FIG. 28 (8), a polysilicon layer 73 is formed of, for example, non-doped polysilicon on the semiconductor substrate 11, the element isolation region 12, and the gate formation film 72 through the gate insulating film 17. Then, phosphorus is ion-implanted into the gate electrode formation layer in the N channel region to form an N-type gate electrode formation layer. Since the polysilicon layer 73 is optimized for the gate electrode of the transistor in the logic region, for example, the film thickness is preferably 70 nm to 200 nm, preferably about 100 nm. The polysilicon layer 73 in the P channel region is not ion-implanted and is left in a non-doped state. This eliminates the penetration of boron (B) during subsequent LDD (Lightly Doped Drain) formation and sidewall formation.
[0182]
Thereafter, a dummy layer 74 is formed on the polysilicon layer 73. For example, the dummy layer 74 is formed by stacking a tungsten nitride film and a tungsten film. The dummy layer 74 is a film type selected for wet etching performed to expose the polysilicon layer 73 in the logic element region later, and the resistance itself is not related. Any material can be used as long as it can wet-etch the silicon oxide film of the insulating film and the polysilicon layer 73 with a high selectivity. Next, the buffer layer 75 is formed of, for example, a silicon oxide film on the dummy layer 74.
[0183]
Next, after a resist film is formed on the entire surface of the buffer layer 75, the resist film is processed by lithography to form a resist pattern 207 for forming a gate electrode in the logic element region.
[0184]
Next, as shown in FIG. 29 (9), the buffer layer 75, the dummy layer 74, and the polysilicon layer 73 are etched using the resist pattern 207 as a mask, and a dummy gate 76 is formed in each logic element region. Form. The buffer layer 75 is deposited to prevent salicide from being formed on tungsten on the metal-based electrode during later salicide formation, but is not particularly necessary when there is no contamination or processing problem. . Further, this is not necessary when a salicide structure is adopted for the peripheral gate electrode. Thereafter, the resist pattern 207 is removed.
[0185]
As shown in FIG. 30 (10), after forming a resist film 209 covering the dummy gate 76 on the semiconductor substrate 11, the resist film 209, which becomes a DRAM region, is removed using a lithography technique, and the logic region The resist film 209 is left on.
[0186]
Thereafter, using the resist film 209 as a mask, the polysilicon layer 73 is etched back so that the polysilicon layer 73 remains in the trench 14. As a result, a word line (partly functioning as a gate electrode) 18 made of the polysilicon layer 73 is formed in the trench 14. At that time, the polysilicon layer 73 is etched back so that the surface of the word line 18 is about 50 nm to 100 nm lower than the surface of the semiconductor substrate 11, thereby ensuring a withstand voltage distance from the extraction electrode of the diffusion layer to be formed later. The In this etch back, the gate insulating film 16 functions as an etching stop layer.
[0187]
Further, by using the resist film 209 as a mask, ion implantation for forming a source / drain is performed on the semiconductor substrate 11 in the DRAM region to form a diffusion layer 19. As an example of the ion implantation conditions, phosphorus is used as an impurity for ion implantation, and the concentration is 1 × 10.17/ CmThree~ 1x1018/ CmThreeThe dose amount and the implantation energy are set so that Since the implantation energy penetrating the buffer layer 71 is sufficient, the implantation energy is set to, for example, 20 keV to 50 keV, and the dose amount is set to 1 × 10.18/ Cm2~ 3x1018/ Cm2Set to. If ion implantation is performed under these conditions, almost no ions are implanted into the semiconductor substrate 11 below the diffusion layer 19 in the DRAM region. Therefore, the semiconductor substrate 11 in this region is 1 × 1016/ CmThree~ × 1017/ CmThreeIt becomes possible to set the density to a very low level.
[0188]
Therefore, this NP junction is a super-graded junction (a junction with a very gentle concentration gradient). The junction in such a state relaxes the electric field at the time of reverse bias, and dramatically contributes to suppression of junction leakage current that is worse by about two orders of magnitude than usual, which occurs in a defective bit of only ppm order in a megabit class DRAM. The data retention characteristics of the defective bits dominate the DRAM chip performance, and it is an important technique for maintaining the data retention characteristics in future DRAMs.
[0189]
For example, the substrate concentration is 5 × 1016/ CmThreeIf this is the case, a data retention characteristic of 500 ms or more can be obtained at 85 ° C., which is expected to exhibit performance comparable to the data retention characteristic of the previous 4 to 5 generations. In addition, since the access transistor in the DRAM region has a channel formed by rounding the semiconductor substrate 11, the effective channel length can be ensured to be long, and the short channel effect can be used by applying a back bias. Therefore, it is possible to stabilize the transistor characteristics of the DRAM cell which is severe.
[0190]
Thereafter, the resist film 209 is removed. In the above ion implantation, ion implantation is performed slightly shallowly in consideration of diffusion due to heat treatment related to the gate formation of the DRAM region later. However, since the DRAM gate is a substrate buried type, the channel of the DRAM region has a buried gate. Since it is formed at the bottom of the groove 14 to be formed, there is no problem. Further, since it is activated by a subsequent heat treatment, it is not necessary to perform the heat treatment at this stage.
[0191]
As shown in (11) of FIG. 31, a resist film (not shown) having an opening over the N-channel transistor formation region in the standard voltage logic region is formed, and then the resist film and dummy gate 76 are used as a mask. Then, ion implantation is performed on the semiconductor substrate 11 (P-well diffusion layer 51) to form low-concentration diffusion layers 52 and 52 of N-channel transistors. Thereafter, the resist film is removed. Similarly, a resist film (not shown) opened on the P-channel transistor formation region in the standard voltage logic region is formed, and then the semiconductor substrate is formed using the resist film and dummy gate (not shown) as a mask. 11 is ion-implanted to form a low-concentration diffusion layer (not shown) of the P-channel transistor. Thereafter, the resist film is removed.
[0192]
Further, similarly, a resist film (not shown) opened on the P channel transistor formation region in the high voltage logic region is formed, and then the semiconductor substrate 11 (using the resist film and the dummy gate 76 as a mask) is formed. Ions are implanted into the N well diffusion layer 61) to form lightly doped diffusion layers 62, 62 of the P channel transistor. Thereafter, the resist film is removed. Similarly, a resist film (not shown) opened on the p-channel transistor formation region in the high voltage logic region is formed, and then the semiconductor substrate is formed using the resist film and gate electrode (not shown) as a mask. 11 is ion-implanted to form a low-concentration diffusion layer (not shown) of the N-channel transistor. Thereafter, the resist film is removed.
[0193]
Next, as shown in FIG. 32 (12), a protective film 78 for protecting the gate of the DRAM region is formed of, for example, a thin silicon nitride film (for example, a thickness of 10 nm to 50 nm). This protective film 78 is later formed in a sidewall shape on the side wall on the word line 18 in the DRAM region, and contributes to securing the breakdown voltage on the side wall of the word line 18 when the salicide is formed.
[0194]
Next, a sidewall formation film 79 is formed on the entire surface. The sidewall formation film 79 is preferably formed of silicon oxide having a lower stress than silicon nitride and good releasability by wet treatment. Alternatively, a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film or a silicon oxynitride film can be used. The protective film 78 serves as an etching stopper when the sidewall forming film 79 of the peripheral circuit transistor is later removed in the DRAM, and is later formed in a sidewall shape on the side wall on the word line 18 in the DRAM region. At the time of formation, it contributes to securing the breakdown voltage of the side wall of the groove 14.
[0195]
Thereafter, as shown in FIG. 33 (13), a resist film 211 is formed on the entire surface, and the resist film 211 in the logic area is removed by, for example, lithography technique, and the DRAM film is left to protect the DRAM area. Keep it. In this state, the sidewall formation film 79 is etched back.
[0196]
As a result, the sidewall 54 is formed on the sidewall of the dummy gate 76 in the standard voltage logic region by the sidewall formation film 79, and the sidewall 64 is formed on the sidewall of the dummy gate 76 in the high voltage logic region by the sidewall formation film 79. The In the etching, the protective film 78 on the dummy gate 76 is removed by etching depending on the film thickness. Thereafter, the resist film 211 is removed.
[0197]
Next, as shown in (14) of FIG. 34, a resist film (not shown) having an opening over the n-channel transistor formation region in the standard voltage logic region is formed, and then the resist film, dummy gate 76, side Ions are implanted into the semiconductor substrate 11 using the wall 54 as a mask, and n-channel transistor diffusion layers 55 and 55 are formed so as to leave the low concentration diffusion layer 52 on the dummy gate 76 side. Thereafter, the resist film is removed. Similarly, a resist film (not shown) having an opening over the p-channel transistor formation region in the standard voltage logic region is formed, followed by the resist film, dummy gate (not shown), and sidewall (not shown). ) As a mask to form a p-channel transistor diffusion layer (not shown) so as to leave a low-concentration diffusion layer (not shown) on the dummy gate side. Thereafter, the resist film is removed.
[0198]
Further, similarly, a resist film (not shown) having an opening over the n-channel transistor formation region in the high voltage logic region is formed, and then the resist film and the dummy gate 76 are used as a mask on the semiconductor substrate 11. Ion implantation is performed to form n-channel transistor diffusion layers 65 and 65 so as to leave the low concentration diffusion layer 62 on the dummy gate 76 side. Thereafter, the resist film is removed. Similarly, a resist film (not shown) opened on the p-channel transistor formation region in the high voltage logic region is formed, and then the semiconductor substrate is formed using the resist film and a dummy gate (not shown) as a mask. 11 is ion-implanted to form a p-channel transistor diffusion layer (not shown) so as to leave a low concentration diffusion layer (not shown) on the dummy gate side (not shown). Thereafter, the resist film is removed.
[0199]
Next, after a resist film 213 is formed on the entire surface, the resist film 213 in the DRAM region is removed by lithography, and patterning is performed so as to cover the logic region with the resist film 213. Next, using the resist film 213 as a mask, the sidewall formation film 79 made of silicon oxide in the DRAM region is etched back, for example, by wet processing. In this etching, the protective film 78 made of silicon nitride formed immediately above the word line 18 of the previously formed DRAM serves as an etching stopper.
[0200]
Further, using the resist film 213 as it is, the protective film 78 in the DRAM region is etched by, for example, reactive ion etching (RIE) to expose the word line 18 in the DRAM region. As a result. A side wall 20 made of a protective film 78 is formed on the side wall of the groove 14 on the word line 18. This sidewall 20 has a function of protecting the sidewall. In the reactive ion etching, it is important to prevent the diffusion layer 19 in the DRAM region from being exposed, that is, to leave the buffer layer 71 on the diffusion layer 19. Thereafter, the resist film 213 is removed.
[0201]
Further, as shown in (15) of FIG. 35, silicide layers 57, 67, 21 are formed on the diffusion layers 55, 65 in the logic region and the word lines 18 in the DRAM region by using a normal silicidation technique. Are selectively formed. At this time, since the buffer layer 75 made of a silicon oxide film is formed on the top of the dummy gate 76, no silicide layer is formed. In this manner, silicide layers 57, 67, and 21 are selectively formed on the diffusion layers 55 and 65 in the logic region where low resistance needs to be realized and on the word line 18 in the DRAM region. As this silicide layer, for example, cobalt silicide (CoSi)2), Titanium silicide (TiSi)2Nickel silicide (NiSi)2) Etc. can be used.
[0202]
Thereafter, a cap insulating film 80 is formed on the entire surface by, for example, a silicon nitride film. The cap insulating film 80 is effective in suppressing junction leakage in the salicide forming portion, but it is not necessary to form the cap insulating film 80 if unnecessary. Note that as described above, a silicide layer may be formed also on the gate electrode of the transistor in the peripheral circuit portion to form a salicide structure, so that the resistance of the gate electrode can be reduced.
[0203]
Next, as shown in (16) of FIG. 36, after a first insulating film (insulating film) 22 is formed on the entire surface, the surface of the first insulating film 22 is planarized by CMP. The method for planarizing the surface of the first insulating film 22 is not limited to CMP as long as the planarization can be realized, and for example, an etch back method or the like can be used. Thereafter, a resist film 215 is formed on the first insulating film 22, and then a connection hole pattern 216 for a diffusion layer extraction contact in the DRAM region is formed in the resist film 215 by a lithography technique.
[0204]
Next, etching is performed using the resist film 215 as an etching mask, and reaches the diffusion layer 19 in the DRAM region through the first insulating film 22 and the buffer layer 71 as shown in FIG. A connection hole 23 is formed. At this time, since the word line (gate electrode) 18 in the DRAM region is disposed below the surface of the semiconductor substrate 11 rather than the diffusion layer 19 to be contacted, it is not necessary to use a special technique such as self-alignment contact. Further, it is desirable to make the opening diameter of the connection hole 23 as large as possible so that the entire surface of the diffusion layer 19 of the DRAM can contact the extraction electrode. Thereby, the contact resistance is reduced.
[0205]
In the drawing, the state in which the alignment is slightly shifted is intentionally described. However, if excessive over-etching is not performed when the connection hole is opened, the physical structure of the word line extraction electrode formed in the connection hole 23 in a later step is described. It is possible to ensure a sufficient distance. In the projection design seen from above, the connection hole 23 completely overlaps the word line (gate electrode) 18.
[0206]
Next, an extraction electrode forming film 81 is formed on the first insulating film 22 so as to fill the connection hole 23. This extraction electrode forming film 81 is formed of, for example, phosphorus-doped polysilicon. As the extraction electrode forming film 81 for extracting the diffusion layer, phosphorus-doped polysilicon is preferably selected in the DRAM region in consideration of reduction of junction leakage as in the conventional case. Note that heat treatment for activation is not necessary at this stage.
[0207]
Thereafter, as shown in FIG. 38 (18), the excessive extraction electrode formation film 81 (phosphorus-doped polysilicon) on the first insulating film 22 is removed by CMP, for example, and the diffusion layer is formed in the connection hole 23. The extraction electrode 24 composed of the extraction electrode forming film 81 connected to the N-type electrode 19 is formed, and the first insulating film 22 is polished to flatten the surface. At this time, the buffer layer 75 (see (9) of FIG. 29) of the dummy gate 76 in each logic region is removed to expose the upper portion of the dummy layer 74 of the dummy gate 76.
[0208]
Next, the dummy layer 74 (see (18) in FIG. 38) of the dummy gate 76 in the logic region is removed. As a result, a groove 83 is formed on the polysilicon layer 73 of each dummy gate 76 as shown in FIG. This etching is preferably performed, for example, by wet etching using sulfuric acid / hydrogen peroxide or hydrofluoric acid.
[0209]
Next, after forming a resist film 217 on the entire surface on the first insulating film 22 side, an opening 218 is formed on the p-channel transistor formation region in the logic element region by lithography. Subsequently, for example, boron is ion-implanted as a p-type impurity into the polysilicon layer 73 made of non-doped polysilicon using the resist film 217 as a mask.
[0210]
Thereafter, the resist film 217 is removed. Next, heat treatment is performed. By this heat treatment, activation of the extraction electrode 24 made of polysilicon in the DRAM region and the polysilicon layer 73 doped with impurities in the gate electrode in the logic element region is performed. In this heat treatment, RTA (Rapid Thermal Annealing) at 900 ° C. for about 10 seconds is sufficient. However, thermal annealing using a normal furnace can be performed. In the subsequent processes, since a high-temperature heat process is not performed, so-called “penetration” in which boron diffuses from the gate electrode in the logic element region is minimized.
[0211]
Then, as shown in FIG. 40 (20), a metal-based gate electrode formation film 84 is formed so as to fill the trench 83. The metal gate electrode formation film 84 is generally formed of a laminated film of a metal film (for example, tungsten film) 84W / adhesion film (for example, titanium nitride film 84T). Alternatively, an electrode of tungsten / tungsten nitride, copper / titanium nitride, ruthenium, or the like can be formed.
[0212]
The excess metal gate electrode formation film 84 on the first insulating film 22 is removed by CMP again.
[0213]
As a result, as shown in (21) of FIG. 41, a metal gate electrode 84G made of the metal gate electrode formation film 84 left in the trench 83 is formed, and the metal gate electrode 84G and the polysilicon layer 73 are formed. The gate electrodes 51 and 61 are formed, and the surface of the first insulating film 22 is planarized. At this time, the upper portion of the extraction electrode 24 for extracting the diffusion layer in the DRAM region is also polished, but there is no problem.
[0214]
Next, an etching stop layer 25 that covers the extraction electrode 24 in the DRAM region and the gate electrodes 51 and 61 in the logic element region is formed on the entire surface of the first insulating film 22 with, for example, a silicon oxide film.
[0215]
Thereafter, as shown in (22) of FIG. 42, after forming a resist film (not shown) on the etching stop layer 25, the word line contact contact and logic region of the DRAM region is formed on the resist film by lithography. A connection hole pattern (not shown) for the diffusion layer extraction electrode is formed. Subsequently, using the resist film as an etching mask, the silicide layer 21 on the word line 18 in the DRAM region and the logic region are penetrated through the etching stop layer 25, the first insulating film 22 and the cap insulating film 80. Connection holes 26, 58 and 68 reaching the silicide layers 57 and 67 of the transistor are formed.
[0216]
Thereafter, the resist film is removed. Next, an adhesion layer 85 made of a titanium nitride film is formed on the inner surface of the connection holes 26, 58, 68 by a normal tungsten plug forming technique, and then the tungsten film 86 is embedded so as to fill the connection holes 26, 58, 68. Form. Thereafter, excess portions of the tungsten film 86 and the adhesion layer 85 on the etching stop layer 25 are removed by CMP, and take-out electrodes 27, 59, and 69 are formed in the connection holes 26, 58, and 68.
[0217]
Next, a second insulating film 31 is formed by depositing, for example, a silicon oxide film with a thickness of 50 nm to 150 nm on the entire surface of the etching stop layer 25 so as to cover the extraction electrodes 27, 59 and 69.
[0218]
Then, after forming a resist film (not shown) on the second insulating film 31, an opening (not shown) is formed at a position where a bit contact is formed in the resist film by lithography. By using the resist film as a mask, a bit contact hole 32 and a local wiring contact hole 33 are formed in the second insulating film 31 and the etching stopper layer 25 as shown in FIG.
[0219]
Next, a wiring metal layer for forming the bit line 34 and the local wiring 35 is formed. As the wiring metal layer, first, an adhesion layer 36 formed by laminating, for example, a titanium film and a titanium nitride film is formed on the inner surfaces of the bit contact hole 32 and the local wiring contact hole 33 and the second insulating film 31. Further, a tungsten film 37 serving as a main material of the metal wiring is formed on the adhesion layer 36 so as to bury the bit contact hole 32 and the local wiring contact hole 33. Further, a cap layer 38 is formed on the tungsten film 37 by, for example, a silicon nitride film.
[0220]
Thereafter, the cap layer 38, the tungsten film 37, and the adhesion layer 36 are patterned by a normal lithography technique and an etching technique, and the bit line 34 connected to the bit contact extraction electrode 24 through the bit contact hole 32 and the local wiring contact are formed. A local wiring 35 connected to the extraction electrode 59 through the hole 33 is formed. Therefore, the cap layer 38 is formed on the bit line 34 and the local wiring 35.
[0221]
Thereafter, an etching stopper layer 41 covering the bit line 34, the local wiring 35, etc. is formed on the second insulating film 31 with an ALD silicon nitride film to a thickness of, for example, 30 nm to 50 nm.
[0222]
Next, as shown in FIG. 44 (24), a third insulating film 42 is formed on the etching stopper layer 41. Then, the surface of the third insulating film 42 is planarized using, for example, CMP. Next, after forming a resist film 219 on the third insulating film 42, an opening pattern 220 for opening a storage node contact is formed by lithography. The opening pattern 220 can be formed larger than the diameter of the connection hole in which the actual storage node contact is formed.
[0223]
Next, using the resist film 219 as an etching mask, as shown in FIG. 45 (25), the storage node is etched from the third insulating film 42 to the etching stop layer 25, and the contact extraction electrode 24, A connection hole 43 for forming a storage node contact reaching 24 is formed. In this etching, in addition to the resist film 219 (see (24) in FIG. 44), the cap layer 38 and the etching stopper layer 41 serve as an etching mask. The etching stopper layer 41 is partially etched, but remains on the side wall of the bit line 34 as a side wall having a film thickness that can ensure the breakdown voltage between the bit line and the storage node contact. Thereafter, the resist film 219 (see (24) in FIG. 44) is removed.
[0224]
Next, as shown in FIG. 46 (26), the storage node contact 44 connected to the extraction electrode 24 is formed in the connection hole 43. The storage node contact 44 is formed, for example, by depositing tungsten, titanium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride, ruthenium oxide or the like on the third insulating film 42 so as to fill the connection hole 43 and forming a material layer. The excess material layer on the third insulating film 42 is formed by the material layer left in the connection hole 43 by removing the material layer by CMP, for example.
[0225]
Next, a fourth insulating film 45 covering the storage node contact 44 and the like is formed on the third insulating film 42. Next, a recess 46 in which a capacitor is formed in the fourth insulating film 45 is formed so that the upper surface of the storage node contact 44 is exposed at the bottom.
[0226]
Thereafter, a capacitor 91 having an MIM (Metal / insulator / Metal) structure that does not require heat treatment is formed in the recess 46. The capacitor 91 having the MIM structure is expected to be indispensable for a DRAM of 0.1 μm or more. At present, as an example, the electrodes 92 and 94 are made of a ruthenium (Ru) or ruthenium oxide (RuO) material, The film 93 has BST (BaTiOThreeAnd SrTiOThreeA mixed crystal) film is used.
[0227]
Next, a fifth insulating film 47 that covers the MIM structure capacitor 91 is formed on the fourth insulating film 45. Thereafter, the surface of the fifth insulating film 47 is planarized by CMP. Next, in order to form a capacitor extraction electrode, a word line extraction electrode, a local wiring extraction electrode, a diffusion layer extraction electrode in the logic region, a gate extraction electrode in the logic region, etc. on the fifth insulating film 47 or the second insulating film 31. The connection holes 111, 112, 113, 114 to 116, 117, etc. are formed.
[0228]
Further, in the connection holes 111, 112, 113, 114 to 116, 117, etc., the capacitor extraction electrode 121, the word line extraction electrode 122, the local wiring extraction electrode 123, the diffusion layer extraction electrodes 124 to 126 in the logic region, and the gate in the logic region. An extraction electrode 127 is formed. Further, a sixth insulating film 48 is formed on the fifth insulating film 47. Next, wiring grooves 131 to 136 reaching the electrodes 121 to 127 are formed in the sixth insulating film 48, and wirings 141 to 146 are formed in the wiring grooves 131 to 136. The wirings 141 to 146 are made of, for example, copper wiring. Although not shown, an upper layer wiring is further formed as necessary. The electrodes 121 to 127 and the wirings 141 to 146 are formed with a generally known adhesion layer and barrier layer depending on the materials of the electrodes, wirings, and insulating films.
[0229]
In the second method for manufacturing a semiconductor device, since the buffer layer 71 is formed, the buffer layer 71 is subsequently introduced when an impurity for forming the channel diffusion layer 15 is introduced into the semiconductor substrate 11 at the bottom of the groove 14. As a mask, impurities are selectively introduced into the semiconductor substrate 11 at the bottom of the trench 14 to form a channel diffusion layer 15.
[0230]
As described above, since the channel diffusion layer 15 is formed in the semiconductor substrate 11 between the lower portion of the trench 14 and the well diffusion layer 13, the impurity concentration in the region between the trench 144 and the well diffusion layer 13 is around the trench 14. It becomes higher than the impurity concentration of the semiconductor substrate 11. Further, since the concentration of the semiconductor substrate 11 under the diffusion layer 19 serving as the source / drain can be kept extremely low, the electric field at the junction of the diffusion layer 19 serving as the source / drain is weakened. For this reason, it becomes possible to suppress junction leakage on the order of ppm, thereby forming a semiconductor device with extremely good data retention characteristics.
[0231]
In addition, the semiconductor device overlaps the word line 18 via the first insulating film 22 on the word line 8 embedded in the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 via the gate insulating film 16. Since the extraction electrode connected to the diffusion layer 19 formed on the surface of the substrate 11 is formed, the first insulating film 22 on the word line 18 can have a sufficient film thickness of 20 nm to 30 nm or more. . Thereby, a withstand voltage with respect to the extraction electrode 24 connected to the diffusion layer 19 is ensured. Therefore, since the entire surface on the diffusion layer of the memory element is used for the contact, the effective area can be used effectively. Therefore, since the lowest resistance value that can be realized by the cell design is realized, the contact resistance can be reduced.
[0232]
Further, since the silicide layer 21 is formed on the upper layer of the word line 18, the resistance of the word line 18 is reduced and the problem of delay is avoided. Further, since the silicide layers 57 and 67 are formed on the diffusion layers 55 and 65 of the logic element, the contact resistance to the diffusion layers 55 and 65 is reduced.
[0233]
Further, since the diffusion layer 19 is formed on the surface side of the semiconductor substrate 11 and the word line 18 is embedded in the groove 14 formed in the semiconductor substrate 11 via the gate insulating film 16, the channel is the word line 18. It is formed so as to go around the semiconductor substrate 11 on the bottom side of the groove 14 in which is formed. Therefore, since an effective channel length is sufficiently ensured, a back bias is applied to stabilize the transistor characteristics of a memory element (eg, DRAM) having a severe short channel effect.
[0234]
Further, since the diffusion layer 19 in the memory element region is formed so that the impurity concentration decreases in the depth direction, the concentration of the semiconductor substrate 11 below the diffusion layer 19 does not have to be as high as required for the cell transistor. Therefore, the electric field at the junction is relaxed, and the performance of the data retention characteristic that becomes severe as the cell size of the memory element is reduced is maintained.
[0235]
Further, by using a laminated structure of the polysilicon layer 73 and the dummy layer 74 for the dummy gate 76 formed in the logic element region, the dummy layer 74 is removed after the extraction electrode of the diffusion layer in the memory element region is formed, and the dummy gate 76 is formed. It becomes possible to dope impurities into the polysilicon layer 73 of the gate 76. Thereafter, heat treatment is performed to form the metal gate electrode 84G with the metal gate electrode formation film 84, so that the problem of boron penetration in the p-channel gate electrode due to the heat treatment can be minimized.
[0236]
The technique used for the DRAM region can also be applied to the manufacture of a general-purpose DRAM memory chip.
[0237]
【The invention's effect】
As described above, according to the first and second semiconductor devices and the method for manufacturing the same of the present invention, the silicide layer is formed on the word line, so that the word line resistance can be reduced and the microfabrication can be achieved. The problem of word line delay can be avoided.
[0238]
In addition, since the diffusion layer is formed on the semiconductor substrate surface side and the word line is embedded in the groove formed in the semiconductor substrate via the gate insulating film, the channel is on the groove bottom side where the word line is formed It is formed so as to go around the semiconductor substrate. Therefore, since the effective channel length of the cell transistor in the memory element region is sufficiently secured, the transistor characteristics of the memory element (for example, DRAM) having a severe short channel effect are stabilized by applying the back bias.
[0239]
A take-out electrode connected to a diffusion layer formed on the surface of the semiconductor substrate is formed on the word line embedded in the groove formed in the semiconductor substrate in a state of overlapping with the word line via a sidewall, an insulating film, etc. Therefore, the withstand voltage between the diffusion layer and the extraction electrode can be ensured by an insulating film or the like on the word line. For this reason, the entire surface of the diffusion layer of the memory element region located higher than the word line can be used for the contact, so that the effective area can be used effectively. Therefore, the lowest resistance value that can be realized by the cell design can be realized, and the contact resistance can be reduced.
[0240]
Therefore, in the upper projection design, the extraction electrode of the diffusion layer in the memory element region and the word line (gate electrode) can overlap, and the cell can be miniaturized. That is, there is no need for a distance for securing a withstand voltage between the word line and the extraction electrode in the substrate surface direction. Therefore, since the entire surface of the diffusion layer of the memory element can be used for the contact, the effective area can be used effectively, the lowest resistance value that can be realized by the cell design is realized, and the contact resistance can be reduced.
[0241]
In addition, since the diffusion layer in the memory element region is formed so that its concentration decreases in the depth direction, it is not necessary to make the substrate concentration below this diffusion layer as high as required for the cell transistor. As a result, the electric field at the junction of the diffusion layer can be relaxed, and the performance of data retention characteristics that become increasingly severe due to the cell reduction in the memory element region can be maintained.
[0242]
Further, according to the second semiconductor device and the manufacturing method thereof, since the silicide layer is formed on the diffusion layer of the logic element, the contact resistance to the diffusion layer can be reduced.
[0243]
In addition, a logic transistor having a so-called replacement gate electrode for realizing a high driving force transistor in the logic region and a memory element can be realized in one chip. As a result, the gate in the logic region does not require care for heat treatment, it is possible to use a high dielectric constant material for the gate insulating film, and the gate electrode can be formed with a polymetal structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of an embodiment of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view (1) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view (2) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view (3) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view (4) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view (5) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view (6) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view (7) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view (8) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view (9) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view (10) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view (11) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view (12) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view (13) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view (14) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view (15) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view (16) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view (17) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view (18) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 21 is a schematic cross-sectional view (1) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
22 is a schematic cross-sectional view (2) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention; FIG.
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view (3) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 24 is a schematic cross-sectional view (4) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 25 is a schematic cross-sectional view (5) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 26 is a schematic cross-sectional view (6) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 27 is a schematic cross-sectional view (7) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 28 is a schematic cross-sectional view (8) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 29 is a schematic cross-sectional view (9) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
30 is a schematic cross-sectional view (10) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention; FIG.
FIG. 31 is a schematic cross-sectional view (11) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 32 is a schematic cross-sectional view (12) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 33 is a schematic cross-sectional view (13) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
34 is a schematic cross-sectional view (14) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention; FIG.
FIG. 35 is a schematic cross-sectional view (15) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 36 is a schematic cross-sectional view (16) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 37 is a schematic cross-sectional view (17) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 38 is a schematic cross-sectional view (18) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 39 is a schematic cross-sectional view (19) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
40 is a schematic cross-sectional view (20) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention; FIG.
41 is a schematic cross-sectional view (21) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention; FIG.
42 is a schematic cross-sectional view (22) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention; FIG.
43 is a schematic cross-sectional view (23) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention; FIG.
44 is a schematic cross-sectional view (24) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention; FIG.
45 is a schematic cross-sectional view (25) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention; FIG.
FIG. 46 is a schematic cross-sectional view (26) showing an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Semiconductor substrate, 12 ... Element isolation region, 13 ... Well diffusion layer, 14 ... Groove, 15 ... Channel diffusion layer, 16 ... Gate insulating film, 18 ... Word line, 19 ... Diffusion layer, 21 ... Silicide layer, 22 ... 1st insulating film, 24 ... extraction electrode

Claims (2)

メモリ素子とロジック素子とを同一半導体基板上に形成する半導体装置の製造方法において、In a method for manufacturing a semiconductor device in which a memory element and a logic element are formed on the same semiconductor substrate,
前記半導体基板に素子分離領域を形成した後該半導体基板上にバッファ層を形成する工程と、Forming an isolation region on the semiconductor substrate and then forming a buffer layer on the semiconductor substrate;
前記素子分離領域によって分離されたメモリ素子領域の前記半導体基板中にウエル拡散層を形成する工程と、Forming a well diffusion layer in the semiconductor substrate of the memory element region isolated by the element isolation region;
前記ウエル拡散層上に前記半導体基板の一部を残した状態で前記バッファ層および前記半導体基板および前記素子分離領域のワード線を形成する位置に溝を形成する工程と、Forming a groove at a position where word lines of the buffer layer and the semiconductor substrate and the element isolation region are formed in a state where a part of the semiconductor substrate is left on the well diffusion layer;
前記溝の底部と前記ウエル拡散層との間の前記半導体基板にチャネル拡散層を形成する工程と、Forming a channel diffusion layer in the semiconductor substrate between the bottom of the trench and the well diffusion layer;
前記溝内および前記半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、Forming a gate insulating film in the trench and on the semiconductor substrate;
メモリ素子領域の前記半導体基板上に前記溝を埋め込む導電層を形成する工程と、Forming a conductive layer filling the groove on the semiconductor substrate in the memory element region;
前記素子分離領域によって分離されたロジック素子領域の前記半導体基板にウエル拡散層を形成する工程と、Forming a well diffusion layer in the semiconductor substrate in the logic element region separated by the element isolation region;
前記半導体基板上にポリシリコン層と該ポリシリコン層とのエッチング選択性を有する材料からなるダミー層を順に形成する工程と、Sequentially forming a dummy layer made of a material having etching selectivity between the polysilicon layer and the polysilicon layer on the semiconductor substrate;
前記ポリシリコン層と前記ダミー層とを加工して、ロジック素子領域の半導体基板上に前記ゲート絶縁膜を介して、前記ポリシリコン層と前記ダミー層とでダミーゲートを形成する工程と、Processing the polysilicon layer and the dummy layer to form a dummy gate with the polysilicon layer and the dummy layer on the semiconductor substrate in the logic element region via the gate insulating film;
前記溝の内部に前記導電層を残した状態で前記溝の上部および前記半導体基板上の前記導電層を除去することにより前記溝内に残した前記導電層でワード線を形成する工程と、Forming a word line with the conductive layer left in the trench by removing the conductive layer on the semiconductor substrate and the upper portion of the trench while leaving the conductive layer inside the trench;
前記溝側壁上部の前記半導体基板に拡散層を形成する工程と、Forming a diffusion layer on the semiconductor substrate above the trench sidewall;
前記ダミーゲートの両側の半導体基板表面にロジック素子の低濃度拡散層を形成する工程と、Forming a low concentration diffusion layer of a logic element on a semiconductor substrate surface on both sides of the dummy gate;
前記ダミーゲートの側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、Forming a sidewall insulating film on the side wall of the dummy gate;
前記ダミーゲートの両側の半導体基板に前記ダミーゲート側に前記低濃度拡散層を介して拡散層を形成する工程と、Forming a diffusion layer on the semiconductor gate on both sides of the dummy gate on the dummy gate side through the low-concentration diffusion layer;
前記ワード線上の前記溝側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、Forming a sidewall insulating film on the trench sidewall on the word line;
前記ワード線上層および前記ロジック素子の拡散層上層にシリサイド層を形成する工程と、Forming a silicide layer on the word line upper layer and the logic element diffusion layer;
前記溝の上部を埋め込むとともに前記ダミーゲートを覆うように絶縁膜を形成する工程と、Forming an insulating film so as to fill the upper portion of the groove and cover the dummy gate;
前記ワード線上に前記絶縁膜を介して前記ワード線にオーバラップする状態でメモリ素子領域に形成した前記拡散層に達する接続孔を形成する工程と、Forming a connection hole reaching the diffusion layer formed in the memory element region in a state overlapping with the word line via the insulating film on the word line;
前記接続孔内に取り出し電極を形成する工程と、Forming an extraction electrode in the connection hole;
前記絶縁膜表面を平坦化するとともに前記ダミーゲートの上部を露出させ、さらに前記ダミー層を除去して前記ポリシリコン層を露出させてゲート溝を形成する工程と、Planarizing the insulating film surface and exposing the upper portion of the dummy gate, further removing the dummy layer to expose the polysilicon layer and forming a gate groove;
前記ダミーゲートのポリシリコン層に不純物をドーピングする工程と、Doping the polysilicon layer of the dummy gate with impurities;
前記取り出し電極及び前記ポリシリコン層を活性化する熱処理を行う工程と、Performing a heat treatment for activating the extraction electrode and the polysilicon layer;
前記ゲート溝に金属系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。And a step of forming a metal-based electrode in the gate groove.
前記拡散層は深さ方向に不純物濃度が薄くなるように形成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the diffusion layer is formed so that an impurity concentration is reduced in a depth direction.
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