FR2781923A1 - Capacitor, especially for a DRAM, is produced by self-aligned formation of a capacitor ring structure on a semiconductor substrate having a MOS transistor - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE FABRICATION D'UN CONDENSATEURMETHOD FOR MANUFACTURING A CAPACITOR
SUR UN SUBSTRAT AYANT UN TRANSISTOR MOS ON A SUBSTRATE HAVING A MOS TRANSISTOR
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un condensa- The invention relates to a method for manufacturing a condensate.
teur dans un circuit intégré (Cl), et elle concerne plus particulièrement un procédé de fabrication d'un condensateur dans une mémoire vive dyna- tor in an integrated circuit (Cl), and it relates more particularly to a process for manufacturing a capacitor in a dynamic random access memory.
mique (ou DRAM).mique (or DRAM).
La figure 1 montre une seule cellule de mémoire comprenant un transistor de transfert T et un condensateur C d'une mémoire DRAM. La source du transistor de transfert T est connectée à un conducteur de bit BL correspondant. Le drain du transistor de transfert T est connecté à une électrode de stockage 10 du condensateur C, et la grille du transistor FIG. 1 shows a single memory cell comprising a transfer transistor T and a capacitor C of a DRAM memory. The source of the transfer transistor T is connected to a corresponding bit conductor BL. The drain of the transfer transistor T is connected to a storage electrode 10 of the capacitor C, and the gate of the transistor
de transfert T est connectée à un conducteur de mot WL correspondant. transfer terminal T is connected to a corresponding word conductor WL.
Une électrode 12 opposée à l'électrode de stockage 10 est connectée de An electrode 12 opposite the storage electrode 10 is connected from
façon à recevoir une tension d'alimentation constante, et une couche di- so as to receive a constant supply voltage, and a di-
électrique 14 est formée entre l'électrode de stockage 10 et l'électrode electric 14 is formed between the storage electrode 10 and the electrode
opposée 12.opposite 12.
Pour augmenter la capacité de stockage dans le condensateur, à côté de l'utilisation pour la couche diélectrique d'un matériau ayant une constante dielectrique élevée, ou de la maîtrise de la qualité et de To increase the storage capacity in the capacitor, alongside the use for the dielectric layer of a material having a high dielectric constant, or the control of the quality and
l'épaisseur de dépôt pour la couche dielectrique, on peut également ob- the deposit thickness for the dielectric layer, one can also obtain
tenir une capacité élevée en augmentant l'aire de surface de l'électrode hold a high capacity by increasing the surface area of the electrode
de stockage. Cependant, au fur et à mesure que la dimension de la mé- storage. However, as the size of the mete
moire devient plus petite, la fabrication d'une électrode de stockage ayant une plus grande aire de surface sur le substrat plus petit devient moire becomes smaller, making a storage electrode having a larger surface area on the smaller substrate becomes
un problème important.a significant problem.
Dans une seule puce, pour augmenter le volume de stockage de données, on augmente la densité d'enregistrement d'une mémoire dans un circuit intégré. La densité élevée d'une mémoire procure une structure d'enregistrement avec un plus haut niveau d'intégration. Normalement, on augmente la densité d'un dispositif à Cl en réduisant les dimensions des conducteurs d'interconnexion, de grilles de transistors ou de régions d'isolation de dispositifs. La réduction de la dimension de dispositifs et de structures est effectuée conformément à la règle de conception pour In a single chip, to increase the volume of data storage, the recording density of a memory in an integrated circuit is increased. The high density of a memory provides a recording structure with a higher level of integration. Normally, the density of an IC device is increased by reducing the dimensions of the interconnection conductors, transistor gates or device isolation regions. The size reduction of devices and structures is carried out in accordance with the design rule for
la fabrication de semiconducteurs.semiconductor manufacturing.
Pour augmenter l'aire de surface d'une électrode inférieure, c'est-à- dire une électrode de stockage, une structure de surface inégale, par exemple une structure de couronne, une structure de cylindre, une structure d'ailettes, une structure en arbre, ou une structure de cavité, est adaptée pour procurer une plus grande aire de surface. On forme en To increase the surface area of a lower electrode, i.e. a storage electrode, an uneven surface structure, e.g. a crown structure, a cylinder structure, a fin structure, a tree structure, or cavity structure, is adapted to provide a larger surface area. We train in
outre sur la surface des structures ci-dessus un matériau à grains hémi- in addition to the surface of the above structures a semi-grained material
sphériques, pour augmenter l'aire de surface. Avec la formation de la structure à grains hémisphériques, le gain de capacité s'élève jusqu'à spherical, to increase the surface area. With the formation of the hemispherical grain structure, the capacity gain rises up to
1,8.1.8.
Dans la technique classique de fabrication d'une électrode infé- In the conventional technique of manufacturing an inferior electrode
rieure ayant une structure de couronne, comme représenté sur la figure 2, on définit un motif dans une couche de silicium polycristallin 25, par photolithographie, pour former une électrode inférieure sur un substrat semiconducteur 20. Le substrat 20 comprend en outre un conducteur de having a crown structure, as shown in FIG. 2, a pattern is defined in a polycrystalline silicon layer 25, by photolithography, to form a lower electrode on a semiconductor substrate 20. The substrate 20 further comprises a conductor
mot 21 d'une structure métal-oxyde-semiconducteur (MOS), un conduc- word 21 of a metal-oxide-semiconductor (MOS) structure, a conduc-
teur de bit 22, une région de source/drain 23 et une couche d'isolation bit counter 22, source / drain region 23 and an insulating layer
24. Du fait de la restriction imposée par la photo-résolution et par la rè- 24. Due to the restriction imposed by photo-resolution and by the
gle de conception, au cours de l'exposition, la largeur u de la branche supérieure de la structure de couronne ne peut pas être réduite de façon illimitée, et par conséquent la possibilité d'augmenter de l'aire de surface gle of design, during the exposure, the width u of the upper branch of the crown structure can not be reduced indefinitely, and therefore the possibility of increasing the surface area
est limitée.is limited.
Un but de l'invention est donc de procurer un procédé de fabri- An object of the invention is therefore to provide a method of manufacturing
cation d'un condensateur ayant une structure de couronne, par un pro- cation of a capacitor having a crown structure, by a pro-
cessus auto-aligné. La restriction relative à la règle de conception et à la self aligned alignment. The restriction on the design rule and the
photo-résolution est éliminée, et le défaut d'alignement au cours de l'ex- photo-resolution is eliminated, and the misalignment during the ex-
position est réduit.position is reduced.
Pour atteindre ces buts et avantages, et conformément à son objet, I'invention, telle qu'elle est mise en oeuvre et décrite ici de façon générale, porte sur un procédé de fabrication d'un condensateur. Sur un substrat semiconducteur ayant un transistor metal-oxyde-semiconducteur, comprenant une région de source/drain connectée à un conducteur de bit, on forme une première couche d'isolation de façon à recouvrir le transistor et le substrat. On définit un motif dans la première couche d'isolation pour former un trou de passage qui pénètre à travers la pre- mière couche d'isolation, de façon a mettre à nu une région de source/drain du transistor. On forme une couche de silicium polycristallin To achieve these aims and advantages, and in accordance with its object, the invention, as it is implemented and described here generally, relates to a process for manufacturing a capacitor. On a semiconductor substrate having a metal-oxide-semiconductor transistor, comprising a source / drain region connected to a bit conductor, a first insulation layer is formed so as to cover the transistor and the substrate. A pattern is defined in the first layer of insulation to form a through hole which penetrates through the first layer of insulation, so as to expose a source / drain region of the transistor. A layer of polycrystalline silicon is formed
sur la première couche d'isolation et cette couche remplit le trou de pas- on the first layer of insulation and this layer fills the pass-through hole
sage. On forme une couche de nitrure de silicium sur la couche de sili- wise. A layer of silicon nitride is formed on the layer of silicon.
cium polycristallin. On forme sur la couche de nitrure de silicium une polycrystalline cium. A layer of silicon nitride is formed on
couche de résine photosensible, et on forme un motif dans cette der- layer of photosensitive resin, and a pattern is formed therein
nière, pour définir la couche de nitrure de silicium et la couche de sili- niere, to define the silicon nitride layer and the silicon layer
cium polycristallin, de façon a former une structure de cylindre qui com- polycrystalline cium, so as to form a cylinder structure which
prend la couche de nitrure de silicium et la couche de silicium polycristal- takes the layer of silicon nitride and the layer of polycrystalline silicon
lin, y compris le silicium polycristallin qui se trouve à l'intérieur du trou de passage. On enlève une partie de la couche de résine photosensible pour définir la couche de nitrure de silicium, de façon qu'un bord d'une surface supérieure et une paroi latérale de la couche de silicium polycristallin soient à nu. On forme une couche d'oxyde de silicium sur la couche de silicium polycristallin à nu. En enlevant la couche de nitrure de silicium, la couche de silicium polycristallin qui n'est pas recouverte par l'oxyde de flax, including polycrystalline silicon which is inside the through hole. Part of the photosensitive resin layer is removed to define the silicon nitride layer so that an edge of an upper surface and a side wall of the polycrystalline silicon layer are exposed. A layer of silicon oxide is formed on the bare polycrystalline silicon layer. By removing the layer of silicon nitride, the layer of polycrystalline silicon which is not covered by the oxide of
silicium est mise à nu. La couche de silicium polycristallin à nu est enle- silicon is exposed. The bare polycrystalline silicon layer is removed
vee en utilisant la couche d'oxyde de silicium à titre de masque, jusqu'à ce qu'une structure de couronne soit formée. On enlève la couche d'oxyde de silicium. On forme sur la couche de silicium polycristallin une vee using the silicon oxide layer as a mask, until a crown structure is formed. The layer of silicon oxide is removed. A polycrystalline silicon layer is formed
couche de silicium à grains hémisphériques. On forme une couche di- layer of silicon with hemispherical grains. We form a di-
électrique sur la couche de silicium a grains hémisphériques, et on forme electric on the silicon layer with hemispherical grains, and we form
une seconde couche conductrice sur la couche diélectrique. a second conductive layer on the dielectric layer.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront Other characteristics and advantages of the invention will be
mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de better understood on reading the description which follows in a
réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la descrip- embodiment, given by way of nonlimiting example. The rest of the description
tion se réfère aux dessins annexes dans lesquels: tion refers to the accompanying drawings in which:
La figure 1 est un schéma de circuit d'une mémoire DRAM clas- Figure 1 is a circuit diagram of a standard DRAM memory.
sique;if that;
La figure 2 est une coupe d'une électrode inférieure d'un con- Figure 2 is a section through a lower electrode of a con-
densateur de mémoire DRAM classique; et classic DRAM memory densifier; and
Les figures 3A a 31 sont des coupes du processus de fabrica- Figures 3A to 31 are cross-sections of the manufacturing process.
tion d'un condensateur dans une mémoire DRAM, dans un mode de réali- tion of a capacitor in a DRAM memory, in an embodiment
sation préféré conforme à l'invention. preferred station according to the invention.
Sur la figure 3A, on forme sur un substrat en silicium 30 une structure d'isolation de dispositif 31, par exemple une couche d'oxyde de champ avec une épaisseur d'environ 300 nm formée par oxydation locale In FIG. 3A, a device insulation structure 31 is formed on a silicon substrate 30, for example a field oxide layer with a thickness of approximately 300 nm formed by local oxidation
(ou LOCOS), ou une tranchée de faible profondeur. En utilisant un trai- (or LOCOS), or a shallow trench. Using a treat-
tement d'oxydation thermique, on forme une couche d'oxyde de grille 32 sur le substrat 30. On forme une couche de silicium polycristallin dopé, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD), et on définit un motif dans celle-ci pour former une grille (33) (ou un conducteur de mot) sur la couche d'oxyde de grille 32. On forme une région de source/drain 34a, 34b dans le substrat 30. Par une technique classique, on forme une couche de silicium polycristallin et on définit dans celle-ci un motif correspondant à un conducteur de bit 35, pour la connexion à l'une des régions de source/drain 34a, 34b. Le conducteur de mot 33 et thermal oxidation layer, a gate oxide layer 32 is formed on the substrate 30. A doped polycrystalline silicon layer is formed, for example by chemical vapor deposition (or CVD), and a pattern is defined in that here to form a grid (33) (or a word conductor) on the grid oxide layer 32. A source / drain region 34a, 34b is formed in the substrate 30. By a conventional technique, a polycrystalline silicon layer and there is defined therein a pattern corresponding to a bit conductor 35, for connection to one of the source / drain regions 34a, 34b. The word conductor 33 and
le conducteur de bit 35 sont séparés par une couche d'isolation. the bit conductor 35 are separated by an insulation layer.
En se référant à la figure 3B, on note qu'on forme une couche d'isolation plane 36, par exemple par CVD, pour recouvrir le conducteur de mot 33 et le conducteur de bit 35. La couche d'isolation plane 36 est par exemple un verre borophosphosilicaté (ou BPSG) formé par CVD à la pression atmosphérique (ou APCVD), ou par CVD renforcé par plasma (ou PECVD). Après le dépôt, on aplanit la couche d'isolation par refusion ou polissage chimio-mécanique (ou CMP). Le processus d'aplanissement Referring to FIG. 3B, it is noted that a flat insulation layer 36 is formed, for example by CVD, to cover the word conductor 33 and the bit conductor 35. The flat insulation layer 36 is by example a borophosphosilicate glass (or BPSG) formed by CVD at atmospheric pressure (or APCVD), or by CVD reinforced by plasma (or PECVD). After deposition, the insulating layer is flattened by remelting or chemo-mechanical polishing (or CMP). The planing process
est avantageux pour les processus de dépôt et de photolithographie sui- is advantageous for the following deposition and photolithography processes
vants. Par exemple, un motif plus exact du trou de passage ou d'autres touts. For example, a more accurate pattern of the through hole or others
structures est obtenu au cours de l'exposition. En procédant par photoli- structures is obtained during the exhibition. By proceeding by photoli-
thographie, on forme un trou de passage 37 qui pénètre à travers la cou- thography, we form a through hole 37 which penetrates through the
che d'isolation 36, de façon que la région de source/drain 34a soit mise à insulation 36, so that the source / drain region 34a is set to
nu à l'intérieur du trou de passage 37. naked inside the through hole 37.
En se référant à la figure 3C, on note qu'on forme une première couche de silicium polycristallin 38 sur la couche d'isolation 36 et qu'elle Referring to FIG. 3C, it is noted that a first polycrystalline silicon layer 38 is formed on the insulation layer 36 and that it
remplit le trou de passage 37. La première couche de silicium polycristal- fills through hole 37. The first layer of polycrystalline silicon
lin 38 est dopée et elle a une épaisseur d'environ 100 nm à 1000 nm. On lin 38 is doped and has a thickness of about 100 nm to 1000 nm. We
forme sur la première couche de silicium polycristallin 38 une couche gé- forms a large layer on the first layer of polycrystalline silicon 38
nérale de nitrure de silicium 39 ayant une épaisseur d'environ 5 nm à 100 of silicon nitride 39 having a thickness of about 5 nm to 100
nm. On forme sur la couche de nitrure de silicium 39 une couche de ré- nm. A layer of silicon is formed on the layer of silicon nitride 39.
sine photosensible 40 dans laquelle on définit un motif. En utilisant à ti- photosensitive sine 40 in which a pattern is defined. Using ti-
tre de masque la couche de résine photosensible 40, on définit le motif be mask the photosensitive resin layer 40, we define the pattern
de la couche de nitrure de silicium 39 et de la première couche de sili- of the silicon nitride layer 39 and of the first silicon layer
cium polycristallin 40, par exemple par attaque par voie sèche, pour for- polycrystalline cium 40, for example by dry etching, for
mer une structure de cylindre comprenant une couche de nitrure de sili- sea cylinder structure comprising a layer of silicon nitride
cium 39a et une première couche de silicium polycristallin 38a, comme représenté sur la figure 3D. La structure de cylindre comprend en outre la première couche de silicium polycristallin qui remplit le trou de passage 37. On enlève une partie de la couche de résine photosensible 40, cium 39a and a first layer of polycrystalline silicon 38a, as shown in FIG. 3D. The cylinder structure also comprises the first layer of polycrystalline silicon which fills the through hole 37. Part of the photosensitive resin layer 40 is removed,
par exemple par un processus par plasma isotrope dans un environne- for example by an isotropic plasma process in an environment
ment d'oxygène, pour transformer en cendre une partie de la couche de résine photosensible 40. La couche de résine photosensible 40a restante présente une forme qui est illustrée sur la figure 3E. On utilise à titre de masque la couche de résine photosensible restante 40a, pour définir la couche de nitrure de silicium 39a. On enlève, par exemple par attaque oxygen, to transform part of the photosensitive resin layer 40 into ash. The remaining photosensitive resin layer 40a has a shape which is illustrated in FIG. 3E. The remaining photosensitive resin layer 40a is used as a mask to define the silicon nitride layer 39a. We remove, for example by attack
par voie sèche, une partie de la couche de nitrure de silicium 39a, c'est- dry, part of the silicon nitride layer 39a, that is
à-dire la partie qui n'est pas recouverte par la couche de résine photo- ie the part which is not covered by the photo-resin layer
sensible 40a. Par consequent, un bord sur la surface supérieure et une paroi latérale de la première couche de silicium polycristallin 38 sont mis à nu, comme représenté sur la figure 3F. D'autre part, seule la surface supérieure centrale de la première couche de silicium polycristallin 38a sensitive 40a. Therefore, an edge on the upper surface and a side wall of the first layer of polycrystalline silicon 38 are exposed, as shown in Figure 3F. On the other hand, only the central upper surface of the first layer of polycrystalline silicon 38a
est recouverte par la couche de nitrure de silicium 39b restante. On en- is covered by the remaining silicon nitride layer 39b. We-
lève ensuite la couche de résine photosensible 40a. then lifts the photoresist layer 40a.
En se référant à la figure 3G, on note qu'on forme par oxyda- Referring to Figure 3G, we note that by oxidation,
tion thermique de la surface de la première couche de silicium polycris- thermal tion of the surface of the first layer of polycrystalline silicon
tallin 38a à nu, une couche d'oxyde de silicium 41 avec une épaisseur tallin 38a bare, a layer of silicon oxide 41 with a thickness
d'environ 10 nm à 300 nm.from about 10 nm to 300 nm.
On enlève la couche de nitrure de silicium restante 39b, par attaque par voie humide en utilisant de l'acide phosphorique chaud a titre The remaining silicon nitride layer 39b is removed by wet attack using hot phosphoric acid as
d'agent d'attaque. Par conséquent, la première couche de silicium poly- attack agent. Therefore, the first layer of poly-
cristallin 38a qui est découverte par la couche d'oxyde de silicium 41 est à nu. En se référant a la figure 3H, on note qu'en utilisant une attaque par voie sèche, on attaque la première couche de silicium polycristallin 38a à nu. En commandant la durée d'attaque, on forme une couche de lens 38a which is discovered by the layer of silicon oxide 41 is exposed. Referring to FIG. 3H, it is noted that by using a dry attack, the first layer of polycrystalline silicon 38a is exposed naked. By controlling the attack duration, a layer of
silicium polycristallin 38b ayant une structure de couronne. polycrystalline silicon 38b having a crown structure.
Dans le processus ci-dessus, on utilise un processus auto- In the above process, we use a self-
aligné pour fabriquer une structure de couronne 38b, de façon que la lar- aligned to make a crown structure 38b, so that the lar-
geur v de la colonne creuse de la structure de couronne 38b ne soit pas restreinte par la photo-résolution au cours de la photolithographie. Ainsi, la largeur v peut être réduite de la manière exigée. Avec la réduction de la largeur v, on obtient une plus grande surface de l'électrode de fond, et geur v of the hollow column of the crown structure 38b is not restricted by the photo-resolution during the photolithography. Thus, the width v can be reduced as required. With the reduction of the width v, a larger surface of the bottom electrode is obtained, and
par conséquent la capacité est augmentée. therefore the capacity is increased.
En se référant à la figure 31, on note qu'on enlève la couche Referring to Figure 31, we note that the layer is removed
d'oxyde 41. On forme sélectivement une couche de silicium a grains hé- of oxide 41. A layer of silicon with heterogeneous grains is selectively formed
misphériques 42 sur la structure de couronne 38b. On dope avec un do- spherical 42 on the crown structure 38b. We dope with a do-
pant la couche de silicium à grains hémisphériques 42. Une électrode inférieure est formée par l'ensemble de la couche de silicium à grains hémisphériques 42 et de la structure de couronne 38b. On forme sur la couche de silicium à grains hémisphériques 42 une couche diélectrique 43, par exemple une couche oxyde/nitrure/oxyde (ONO). On forme une pant the hemispherical grain silicon layer 42. A lower electrode is formed by the assembly of the hemispherical grain silicon layer 42 and the crown structure 38b. A dielectric layer 43 is formed on the silicon layer with hemispherical grains 42, for example an oxide / nitride / oxide (ONO) layer. We form a
électrode supérieure 44 sur la couche diélectrique e43. upper electrode 44 on the dielectric layer e43.
Dans le mode de réalisation, une électrode inférieure ayant une In the embodiment, a lower electrode having a
structure de couronne est formée par un processus auto-aligné. La res- crown structure is formed by a self-aligned process. The res-
triction relative à la règle de conception pour la fabrication, et la réduc- friction relating to the design rule for manufacturing, and reduction
tion de dimension limitée de dispositifs a cause de la photo-résolution, sont éliminées. Avec le dépôt du silicium à grains hémisphériques sur la tion of limited size devices due to photo-resolution, are eliminated. With the deposition of hemispherical grain silicon on the
structure de couronne, I'aire de surface est augmentée encore davan- crown structure, the surface area is further increased
tage. La capacité est encore plus augmentée. floor. The capacity is further increased.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être ap- It goes without saying that many modifications can be made.
portées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'inven- brought to the device described and shown, without departing from the scope of the invention
tion.tion.
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