FR2595507A1 - METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR MEMORY ELEMENT - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE FABRICATION D'UN ELEMENT DE MEMOIRE A SEMI-CONDUCTEURS. IL CONSISTE A FORMER UNE TRANCHEE DANS UN SUBSTRAT SEMI-CONDUCTEUR, A FORMER UN FILM D'OXYDE 3 DANS LE FOND ET SUR UNE PAROI LATERALE DE LA TRANCHEE, AINSI QUE SUR UNE SURFACE DU SUBSTRAT, A FORMER UN FILM A DEPOSITION SELECTIVE 5 UNIQUEMENT SUR LE FILM D'OXYDE DANS LE FOND DE LA TRANCHEE, CE FILM DEPOSE SELECTIVEMENT ETANT CONSTITUE DE SILICIUM CONTENANT OU NON DE L'AZOTE, ET A FAIRE CROITRE SELECTIVEMENT DU SILICIUM POLYCRISTALLIN 6 UNIQUEMENT SUR LE FILM A DEPOSITION SELECTIVE AFIN DE FORMER UN CONDENSATEUR EN TRANCHEE. DOMAINE D'APPLICATION: FABRICATION DE MEMOIRES VIVES DYNAMIQUES, ETC.THE INVENTION RELATES TO A PROCESS FOR MANUFACTURING A SEMICONDUCTOR MEMORY ELEMENT. IT CONSISTS OF FORMING A TRENCH IN A SEMICONDUCTOR SUBSTRATE, FORMING A FILM OF 3 OXIDE IN THE BOTTOM AND ON A SIDE WALL OF THE TRENCH, AS WELL AS ON A SURFACE OF THE SUBSTRATE, FORMING A FILM WITH SELECTIVE DEPOSITION 5 ONLY ON THE OXIDE FILM IN THE BOTTOM OF THE SLICE, THIS FILM DEPOSITS SELECTIVELY CONSISTING OF SILICON CONTAINING OR NOT CONTAINING NITROGEN, AND TO GROW POLYCRYSTALLINE 6 SILICON ONLY ON THE SELECTIVE DEPOSITION FILM IN ORDER TO FORM A CONDENSER IN SLICE. FIELD OF APPLICATION: MANUFACTURING OF DYNAMIC RAMS, ETC.
Description
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un élément de mémoire àThe invention relates to a method of manufacturing a memory element to
semi-conducteur utilisant unsemiconductor using a
condensateur en "tranchée" ou "sillon", et plus particulière- capacitor in "trench" or "furrow", and more particularly
ment un procédé pour former aisément un condensateur en "tranchée". La densité d'implantation des mémoires vives dynamiques (DRAM) et des mémoires à semi-conducteurs à métal et oxyde (MOS) a augmenté au fil des ans, et on passe du temps des mémoires de 64 à 256 kbits à celui des a process for easily forming a "trench" capacitor. The density of Dynamic Random Access Memory (DRAM) and Metal-oxide Semiconductor (MOS) memories has increased over the years, and 64 to 256 kbits of memory are being
mémoires de 1 Mbit ou 1 Gbit.memories of 1 Mbit or 1 Gbit.
Une cellule de mémoire capacitive classique est constituée d'un condensateur destiné à stocker une' charge de signal et d'un transistor MOS destiné à extraire la charge du signal pour la lecture. Pour obtenir une densité d'implantation plus grande, le condensateur qui occupe la plus grande partie de la surface de la cellule doit être réalisé de façon à être compact, car la microgravure du A conventional capacitive memory cell consists of a capacitor for storing a signal load and a MOS transistor for extracting the signal load for reading. To obtain a higher implantation density, the capacitor occupying most of the surface of the cell must be designed to be compact, because the microgravure of the
transistor MOS présente des limitations. MOS transistor has limitations.
Diverses techniques ont été proposées pour réduire la dimension du condensateur dans la cellule de mémoire. Si la dimension du condensateur est simplement réduite dans un plan à deux dimensions, la quantité de charge du signal est réduite. Pour compenser ceci, on doit réduire l'épaisseur de la couche isolante placée entre les Various techniques have been proposed to reduce the capacitor size in the memory cell. If the capacitor size is simply reduced in a two-dimensional plane, the amount of signal charge is reduced. To compensate for this, the thickness of the insulating layer placed between the
électrodes ou on doit utiliser une matière ayant une cons- electrodes or a material having a con-
tante diélectrique plus élevée que celle du SiO2. Une cellule de mémoire du type à condensateur en tranchée est proposée pour réduire l'étendue plane du condensateur dielectric aunt higher than that of SiO2. A trench capacitor type memory cell is proposed to reduce the capacitor plane extent
sans faire appel à la matière spéciale indiquée ci-dessus. without resorting to the special material indicated above.
La figure 1 du dessin annexé et décrit ci-après est une coupe transversale schématique montrant la structure Figure 1 of the accompanying drawing and described below is a schematic cross section showing the structure
fondamentale d'une cellule de mémoire du type à condensa- fundamental of a condenser-type memory cell
teur en tranchée classique.in trench.
En référence à la figure 1, la cellule de mémoire comprend un condensateur à tranchée ou en tranchée destiné à stocker une charge de signal, et un transistor MOS destiné à extraire la charge de signal du condensateur à tranchée pour la lecture. Le condensateur est formé de la manière suivante: Una tranchée ou sillon profond 2 est formé dans un substrat 1 de silicium par attaque ionique réactive ou analogue. Un film 3 d'oxyde est formé sur la surface Referring to FIG. 1, the memory cell comprises a trench or trench capacitor for storing a signal charge, and a MOS transistor for extracting the signal charge from the trench capacitor for reading. The capacitor is formed as follows: A trench or deep groove 2 is formed in a silicon substrate 1 by reactive ion etching or the like. An oxide film 3 is formed on the surface
de la paroi intérieure de la tranchée 2. Du silicium poly- of the inner wall of trench 2. Polysilicon
cristallin est déposé de façon à recouvrir la totalité de la surface y compris la tranchée 2. Le film de silicium polycristallin est attaqué en retour jusqu'à ce que la surface du substrat 1 soit à découvert. Dans cet état, il ne reste du silicium polycristallin 4 que dans la tranchée 2. Le substrat 1 est opposé au silicium polycristallin 4 à travers le film d'oxyde 3 de façon à constituer ainsi The crystalline film is deposited so as to cover the entire surface including trench 2. The polycrystalline silicon film is etched back until the surface of the substrate 1 is exposed. In this state, only polycrystalline silicon 4 remains in trench 2. Substrate 1 is opposite polycrystalline silicon 4 through oxide film 3 so as to constitute
un condensateur à tranchée.a trench capacitor.
Il estdifficile de détecter un temps final d'atta- It is difficult to detect a final time of attack
que dans le processus de rétro-attaque ou d'attaque en retour du silicium polycristallin déposé sur la surface du substrat, à l'exclusion de la tranchée 2. Par conséquent, le procédé only in the back-etching or back-etching process of the polycrystalline silicon deposited on the surface of the substrate, excluding trench 2. Therefore, the process
de fabrication ne peut pas être simplifié ou facilité. manufacturing can not be simplified or facilitated.
L'invention a pour objet de résoudre les problèmes classiques décrits cidessus, et elle a aussi pour objet de proposer un procédé de fabrication d'un élément de mémoire à semi-conducteurs comprenant les étapes qui consistent: The object of the invention is to solve the conventional problems described above, and also to propose a method for manufacturing a semiconductor memory element comprising the steps of:
à former une tranchée dans un susbstrat semi- to form a trench in a semi-substrate
conducteur; à former un film d'oxyde dans le fond et sur une paroi latérale de la tranchée ainsi que sur une surface du substrat; driver; forming an oxide film in the bottom and on a side wall of the trench and on a surface of the substrate;
à former un film de silicium ou un film de sili- to form a silicon film or a silicon film
cium contenant de l'azote uniquement sur le film d'oxyde au fond de la tranchée; et Cium containing nitrogen only on the oxide film at the bottom of the trench; and
à faire croître sélectivement du silicium poly- to selectively grow polysilicon
cristallin uniquement sur le film de silicium ou sur le film de silicium contenant de l'azote, afin de former ainsi only on the silicon film or on the silicon-containing silicon film, so as to form
un condensateur à tranchée.a trench capacitor.
L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une coupe schématique montrant la structure de base d'une cellule de mémoire classique du type à condensateur à tranchée; et les figures 2A à 2E sont des coupes schématiques permettant d'expliquer les étapes de fabrication d'une The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings by way of non-limiting example and in which: Figure 1 is a schematic sectional view showing the basic structure of a conventional trench capacitor type memory cell; and FIGS. 2A to 2E are schematic sections for explaining the manufacturing steps of a
cellule de mémoire à semi-conducteur selon l'invention. semiconductor memory cell according to the invention.
Les figures 2A à 2E sont des coupes schématiques permettant d'expliquer les étapes de fabrication d'un élément FIGS. 2A to 2E are schematic sections for explaining the steps of manufacturing an element
de mémoire à semi-conducteurs selon l'invention. semiconductor memory device according to the invention.
Comme montré sur les figures 2A et 2B, une tranchée 2 d'une profondeur de plusieurs micromètres est formée dans un substrat 1 de silicium par attaque ionique réactive, et un film 3 d'oxyde, constitué de SiO2 ou analogue, est formé sur la surface de la paroi intérieure de la tranchée As shown in FIGS. 2A and 2B, a trench 2 of a depth of several micrometers is formed in a silicon substrate 1 by reactive ion etching, and an oxide film 3, consisting of SiO 2 or the like, is formed on the surface of the inner wall of the trench
2 et sur la surface du substrat 1.2 and on the surface of the substrate 1.
Ensuite, un film déposé sélectivement (par exemple Then, a selectively deposited film (for example
un film de nitrure de silicium, un film de silicium poly- a silicon nitride film, a poly silicon film,
cristallin ou un film de silicium amorphe) est formé sur la surface du film d'oxyde 3 qui correspond à une partie de la surface de la paroi intérieure de la tranchée 2 et à la partie de la surface du substrat. La formation du film déposé sélectivement s'effectue par croissance épitaxiale sous basse pression, résonance cyclotronique d'électrons crystalline lens or an amorphous silicon film) is formed on the surface of the oxide film 3 which corresponds to a part of the surface of the inner wall of the trench 2 and to the part of the surface of the substrate. The formation of the selectively deposited film is carried out by epitaxial growth under low pressure, cyclotron resonance of electrons
ou dépôt chimique en phase vapeur sous plasma ou par photo- or chemical vapor deposition under plasma or by
déposition. Le film déposé sélectivement est attaqué sélecti- deposition. Selectively deposited film is attacked selectively
vement par un procédé de décollement, d'attaque ionique réactive ou analogue afin que le film 5 ne reste que dans by a detachment, reactive ion etching or the like process so that the film 5 remains only in
le fond de la tranchée 2 comme montré sur la figure 2C. the bottom of the trench 2 as shown in Figure 2C.
Le film 5 déposé sélectivement peut également être formé de la manière suivante. En utilisant comme masque un dessin de vernis photosensible, on implante des ions silicium ou azote dans le film d'oxyde 3 au fond de la tranchée 2, à une faible tension d'accélération, afin de dénaturer la surface du film d'oxyde 3 au fond de la tranchée et de former ainsi une couche de surface dénaturée. Dans ce cas, on peut utiliser une épitaxie par faisceau ionique pour former une couche de surface dénaturée sans utiliser de masque, afin d'obtenir le film 5 à déposition sélective. The selectively deposited film can also be formed in the following manner. By using a photoresist pattern as a mask, silicon or nitrogen ions are implanted in the oxide film 3 at the bottom of the trench 2 at a low accelerating voltage in order to denature the surface of the oxide film 3 at the bottom of the trench and thus form a denatured surface layer. In this case, ion beam epitaxy can be used to form a denatured surface layer without the use of a mask to obtain the selective deposition film.
Du silicium polycristallin 6 est déposé sélecti- Polycrystalline silicon 6 is deposited selectively
vement dans la tranchée 2 par un procédé de déposition chimique en phase vapeur, en utilisant des conditions de in trench 2 by a chemical vapor deposition process, using
déposition qui permettent de ne déposer du silicium poly- deposition which allows the deposit of polysilicon
cristallin que dans la tranchée (figure 2D). Ensuite, comme crystalline only in the trench (Figure 2D). Then, as
montré sur la figure 2E, on forme un film 7 d'oxyde. shown in FIG. 2E, a film 7 of oxide is formed.
Enfin, une électrode 8 est formée pour préparer un conden- Finally, an electrode 8 is formed to prepare a conden-
sateur à tranchée.trench.
Le silicium polycristallin 6 peut être déposé uniquement sur le film 5 à déposition sélective, mais il n'est pas déposé sur le film 3 d'oxyde se trouvant sur la surface du substrat 1. Par conséquent, à la différence du The polycrystalline silicon 6 can be deposited only on the selective deposition film 5, but it is not deposited on the oxide film 3 on the surface of the substrate 1. Therefore, unlike the
procédé classique, on peut supprimer l'étape de rétro-attaque. conventional method, one can remove the step of retro-attack.
L'épaisseur du silicium polycristallin 6 peut être déterminée The thickness of polycrystalline silicon 6 can be determined
arbitrairement par un choix approprié de la vitesse de dépo- arbitrarily by an appropriate choice of the speed of
sition. Une déposition sélective de silicium polycristallin sition. Selective deposition of polycrystalline silicon
6 uniquement dans la tranchée 2 sera décrite en détail ci- 6 only in Trench 2 will be described in detail below.
dessous. On place dans une chambre de réaction le substrat 1 portant le film 5 obtenu par déposition de silicium ou d'un nitrure de silicium, sur le film d'oxyde 3, au fond de la tranchée 2. On établit dans la chambre de réaction un below. The substrate 1 carrying the film 5 obtained by deposition of silicon or of a silicon nitride on the oxide film 3 at the bottom of the trench 2 is placed in a reaction chamber.
vide prédéterminé. Le substrat 1 est maintenu à une tempéra- predetermined vacuum. Substrate 1 is maintained at a temperature of
ture prédéterminée, par exemple 900 à 1000 C. Du SiH2Cl2 gazeux, du SiCl4 gazeux, du SiH4 gazeux ou un mélange de ces gaz est utilisé comme source de gaz pour la chambre de réaction, sous une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique afin que soit déposé sélectivement le predetermined temperature, for example 900 to 1000 ° C. SiH2Cl2 gas, SiCl4 gas, SiH4 gas or a mixture of these gases is used as a source of gas for the reaction chamber, at a pressure substantially equal to atmospheric pressure so that be selectively
silicium polycristallin 6 uniquement sur le film 5 à déposi- polycrystalline silicon 6 only on the film 5 to be deposited
tion sélective. Dans ce cas, si un gaz porteur tel que HC1, H2 ou un mélange de ces derniers est fourni à la chambre de réaction, on peut améliorer l'efficacité de la déposition et/ou la qualité du film. Par exemple, lorsque l'on utilise selective In this case, if a carrier gas such as HC1, H2 or a mixture thereof is supplied to the reaction chamber, the deposition efficiency and / or the film quality can be improved. For example, when using
SiH2C12, HC1 et H2 gazeux, des débits d'écoulement opti- SiH2C12, HC1 and H2 gas, optimum flow rates
maux de ces gaz sont avantageusement de 0,1 à 1,0 litre/minute the evils of these gases are advantageously from 0.1 to 1.0 liter / minute
1,0 à 2,0 litres/minute et 100 à 200 litres/minute, respecti- 1.0 to 2.0 liters / minute and 100 to 200 liters / minute, respectively
vement. Ces valeurs varient en association avec d'autres conditions de déposition. Les conditions optimales doivent être déterminées pour chaque cycle de déposition. Une vitesse optimale de déposition est déterminée en fonction des caractéristiques souhaitées pour un élément et elle est tively. These values vary in association with other deposition conditions. The optimum conditions must be determined for each deposition cycle. An optimal velocity of deposition is determined according to the characteristics desired for an element and it is
avantageusement comprise entre 0,03 et 0,08 Lm/minute. advantageously between 0.03 and 0.08 Lm / minute.
Un exemple de formation d'un élément de mémoire à semi-conducteurs utilisant un condensateur à tranchée sera à présent décrit. Comme montré sur la figure 2A, des tranchées An example of forming a semiconductor memory element using a trench capacitor will now be described. As shown in Figure 2A, trenches
2 (une seule tranchée étant illustrée), chacune d'une profon- 2 (only one trench being shown), each of a depth
deur de 5 hm et d'une largeur de 3 gm, ont été formées dans une tranche (substrat) I1 de silicium de 15 cm par attaque ionique réactive. En utilisant un appareil de formation de films obtenu par modification d'un appareil de déposition chimique en phase vapeur à résonance cyclotronique d'électrons disponible dans le commerce, on a formé un film 3 d'oxyde constitué de SiO2, de 100 nm d'épaisseur, sur la surface de la paroi intérieure de chaque tranchée 2 et sur la surface du substrat 1 de silicium en utilisant du SiH4 et du N20 5 μm and a width of 3 μm, were formed in a 15 cm silicon wafer (substrate) 15 by reactive ion etching. Using a film-forming apparatus obtained by modifying a commercially available electron cyclotron resonance vapor phase chemical deposition apparatus, an oxide film of SiO 2, 100 nm thick, was formed. thickness, on the surface of the inner wall of each trench 2 and on the surface of the silicon substrate 1 using SiH4 and N20
gazeux (figure 2B).gaseous (Figure 2B).
Ensuite, on a formé sélectivement un film 5 à déposition sélective, constitué de Si3N4, d'une épaisseur de 50 nm, sur le film 3 d'oxyde constitué de SiO2, au fond Subsequently, a selective deposition film of Si3N4, 50 nm thick, was selectively formed on the SiO2 oxide film 3 at the bottom.
de la tranchée 2, en utilisant du SiH4 et du NH3 gazeux. from trench 2, using SiH4 and gaseous NH3.
Puis on a chauffé à environ 950 C le substrat 1. Dans cet état, l'appareil a été alimenté en SiH2Cl2, HCl et H2 gazeux, constituant respectivement des gaz de source et - p o r t eu r, à des débits d'écoulement de 0,5 litre/minute, 1,35 litre/minute et 150 litres/minute, sous une pression correspondant à la pression atmosphérique, afin que du silicium polycristallin 6 soit déposé sélectivement uniquement dans la tranchée 2 (figure 2D). Conformément aux techniques de formation Substrate 1 was then heated to about 950 C. In this state, the apparatus was supplied with SiH 2 Cl 2, HCl and H 2 gas, respectively constituting source gases and - port eu, at flow rates of 0. , 5 liter / minute, 1.35 liter / minute and 150 liters / minute, under a pressure corresponding to atmospheric pressure, so that polycrystalline silicon 6 is deposited selectively only in trench 2 (Figure 2D). In accordance with training techniques
d'éléments connues dans le domaine de la fabrication des semi- known elements in the field of semi-
conducteurs, un film isolant 7 d'oxyde, constitué de SiO2, conductors, an insulating film 7 of oxide, consisting of SiO 2,
et une électrode 8 d'Al ont par suite été formés. and an Al electrode 8 were subsequently formed.
Comme décrit en détail ci-dessus, le procédé de fabrication d'un élément de mémoire à semi-conducteurs selon cette forme de réalisation de l'invention peut simplifier notablement les étapes de fabrication et permet d'éliminer As described in detail above, the method of manufacturing a semiconductor memory element according to this embodiment of the invention can significantly simplify the manufacturing steps and eliminate
l'étape de rétro-attaque en déposant du silicium poly- the retro-attack step by depositing polysilicon
cristallin uniquement sur la couche de silicium ou sur la couche de silicium contenant de l'azote, formée dans le crystalline only on the silicon layer or on the silicon-containing silicon layer, formed in the
fond de la tranchée.bottom of the trench.
Il va de soi que de nombreuses modifications peu- It goes without saying that many modifications can
vent être apportées au procédé décrit et représenté sans can be made to the process described and shown without
sortir du cadre de l'invention.depart from the scope of the invention.
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EP0394665A1 (en) * | 1989-04-24 | 1990-10-31 | Motorola, Inc. | Selective deposition of amorphous and polycrystalline silicon |
EP0430514A2 (en) * | 1989-11-27 | 1991-06-05 | AT&T Corp. | Substantially facet free selective epitaxial growth process |
EP0430514A3 (en) * | 1989-11-27 | 1991-07-24 | American Telephone And Telegraph Company | Substantially facet free selective epitaxial growth process |
US5168089A (en) * | 1989-11-27 | 1992-12-01 | At&T Bell Laboratories | Substantially facet-free selective epitaxial growth process |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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GB2188776B (en) | 1989-11-01 |
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JPH0691211B2 (en) | 1994-11-14 |
FR2595507B1 (en) | 1991-09-27 |
DE3707195A1 (en) | 1987-09-10 |
JPS62206875A (en) | 1987-09-11 |
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