JP2001015707A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacture thereof

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JP2001015707A
JP2001015707A JP11186409A JP18640999A JP2001015707A JP 2001015707 A JP2001015707 A JP 2001015707A JP 11186409 A JP11186409 A JP 11186409A JP 18640999 A JP18640999 A JP 18640999A JP 2001015707 A JP2001015707 A JP 2001015707A
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trench
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase capacity of a capacitor formed in a trench hole, using conventional etching technology. SOLUTION: At a semiconductor substrate 10, there are formed trench hole 3, a pillar 6 formed at the bottom surface of the trench hole 3, comprises a conductive layer formed at the bottom surface toward an opening end, an insulating film 4 formed on a trench hole sidewall and a pillar surface, and at least a conductive film 9, which is embedded in the trench hole. A capacitor is formed where the semiconductor substrate and pillar are set as first electrode, the insulating film is a ferroelectric, and the conductive film is a second electrode. Since a large sidewall area in the trench hole can be assured using a pillar, a capacitor of large capacity is formed easily.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、とくに半導体基板にトレンチ孔にキ
ャパシタを形成する方法及びキャパシタの構造に関する
ものである。
The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a method of forming a capacitor in a trench in a semiconductor substrate and a structure of the capacitor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体装置において、DRAMな
どに用いられる深いトレンチ孔を用いたキャパシタの形
成にはリソグラフィ(Lithogrphy)の限界まで小さくした
孔を形成し、これを深く掘ることにより高い容量のキャ
パシタを形成してきた。従来のキャパシタが形成された
半導体基板を図13に示す。半導体基板には、半導体装
置を構成するトランジスタなどが形成されているが、こ
の図では、トランジスタ部分は記載を省略し、キャパシ
タ部分のみを示す(図13(b))。半導体基板100
は、例えば、シリコン半導体から構成されている。半導
体基板100主面には第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜が
積層されている。第1の絶縁膜は、シリコン窒化膜(S
iN)101からなり、第2の絶縁膜は、TEOS膜1
02から構成されている。TEOS膜は、テトラエトキ
シシランのガスを用いて化学気相成長法により得られる
シリコン酸化物からなる絶縁膜である。また、半導体基
板100主面にはトレンチ孔103が形成されており、
その側面には誘電体膜104が形成されている。そし
て、TEOS膜102の上及びトレンチ孔内部にはポリ
シリコンなどの半導体層105が形成されている。ここ
で、誘電体膜104を誘電体とし、半導体基板100及
び半導体層105を第1及び第2の電極とするキャパシ
タが構成される。このキャパシタに半導体基板に形成さ
れたMOSトランジスタを組み合わせて、例えば、DR
AMのメモリ素子が形成される。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a semiconductor device, in forming a capacitor using a deep trench hole used in a DRAM or the like, a hole reduced to the limit of lithography (Lithogrphy) is formed. Capacitors have been formed. FIG. 13 shows a semiconductor substrate on which a conventional capacitor is formed. Although a transistor and the like forming the semiconductor device are formed on the semiconductor substrate, the transistor part is omitted in this figure, and only the capacitor part is shown (FIG. 13B). Semiconductor substrate 100
Is made of, for example, a silicon semiconductor. A first insulating film and a second insulating film are stacked on the main surface of the semiconductor substrate 100. The first insulating film is a silicon nitride film (S
iN) 101, and the second insulating film is a TEOS film 1
02. The TEOS film is an insulating film made of silicon oxide obtained by a chemical vapor deposition method using a gas of tetraethoxysilane. Further, a trench hole 103 is formed in the main surface of the semiconductor substrate 100,
A dielectric film 104 is formed on the side surface. A semiconductor layer 105 such as polysilicon is formed on the TEOS film 102 and inside the trench hole. Here, a capacitor is configured in which the dielectric film 104 is a dielectric and the semiconductor substrate 100 and the semiconductor layer 105 are the first and second electrodes. By combining this capacitor with a MOS transistor formed on a semiconductor substrate, for example, DR
An AM memory element is formed.

【0003】次に、このキャパシタの形成方法を説明す
る。まず、半導体基板100にマスク材料の下地材料と
して、膜厚5nmのシリコン酸化膜(SiO2 )(図示
せず)を形成し、その上に膜厚220nmのシリコン窒
化膜101を形成し、その上に膜厚700nmのTEO
S膜102を積層させる。そして、これらの積層体をマ
スク材料として用いる。この下地材料に対して、TEO
S膜102上にフォトレジスト106を塗布し、フォト
レジスト106に周知のリソグラフィによりトレンチ孔
パタ−ンを形成する(図12(a))。次に、このフォ
トレジスト106をエッチングマスクとしてTEOS膜
102、シリコン窒化膜101、シリコン酸化膜のエッ
チングを行う。その後、フォトレジスト106の剥離を
行い、これをシリコン半導体基板100に対するエッチ
ングマスクとして用いる(図12(b))。したがっ
て、この後の半導体基板エッチングで行われるRIE(R
eactive Ion Etching)などの異方性エッチングは、この
TEOS膜102をマスクとして用い、TEOSに対し
て選択比の取れるエッチング条件でエッチングを行うこ
とにより、深いトレンチ孔を形成することが可能になる
(図13(a))。このようにして形成したトレンチに
対して、シリコン窒化物もしくはシリコン酸化物の薄膜
を誘電体膜104として成長させ、さらにトレンチ孔1
03内に導電性材料であるポリシリコン膜105を堆積
させることにより、キャパシタを形成する(図13
(b))。
Next, a method of forming the capacitor will be described. First, a 5-nm-thick silicon oxide film (SiO 2 ) (not shown) is formed as a base material of a mask material on a semiconductor substrate 100, and a 220-nm-thick silicon nitride film 101 is formed thereon. 700nm thick TEO
The S film 102 is stacked. Then, these laminates are used as a mask material. TEO for this base material
A photoresist 106 is applied on the S film 102, and a trench hole pattern is formed on the photoresist 106 by well-known lithography (FIG. 12A). Next, the TEOS film 102, the silicon nitride film 101, and the silicon oxide film are etched using the photoresist 106 as an etching mask. Thereafter, the photoresist 106 is peeled off, and this is used as an etching mask for the silicon semiconductor substrate 100 (FIG. 12B). Therefore, RIE (R
In the anisotropic etching such as eactive ion etching, a deep trench hole can be formed by using the TEOS film 102 as a mask and performing etching under an etching condition capable of obtaining a selectivity with respect to TEOS ( FIG. 13A). A silicon nitride or silicon oxide thin film is grown as a dielectric film 104 on the thus formed trench,
A capacitor is formed by depositing a polysilicon film 105 as a conductive material in the substrate 03 (FIG. 13).
(B)).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように半
導体基板に形成されたトレンチ孔をキャパシタとして用
いた場合、トレンチ内壁面に相当する部分の表面積によ
ってキャパシタンス容量が決定される。したがって、キ
ャパシタの容量を大きく確保しようとすると、トレンチ
孔の深さを深くするか、もしくは、トレンチ孔の幅を大
きくする必要がある。一方、半導体素子の微細化に伴っ
てトレンチ幅を大きく確保するには限界が出てきた。こ
のためキャパシタンス容量の確保のためにはトレンチ孔
を深くすることが避けられないことであった。また、ト
レンチ孔を深くエッチングしようとすると、マスク材料
であるTEOS膜の厚膜化にも限界があるため、限られ
た厚さのTEOS膜をなるべくエッチングしないように
しながら、しかも半導体基板のトレンチ孔を深くエッチ
ングしなければならず、TEOS膜のエッチング速度に
対するシリコンのエッチング速度を極めて大きく取れる
ようなエッチング条件での半導体基板のエッチングが必
須であった。しかし、TEOS膜に対するシリコンの選
択比を高く維持しつつ、しかも所望のエッチング形状を
得るような条件を見いだすのは容易ではなく、必然的に
エッチングの深さは限界があった。本発明は、このよう
な事情によりなされたものであり、従来のエッチング技
術を用いながらトレンチ孔に形成されたキャパシタの容
量を大きくする半導体装置及びその製造方法を提供す
る。
However, when the trench hole formed in the semiconductor substrate is used as a capacitor, the capacitance is determined by the surface area of a portion corresponding to the inner wall surface of the trench. Therefore, in order to secure a large capacitance of the capacitor, it is necessary to increase the depth of the trench hole or increase the width of the trench hole. On the other hand, with the miniaturization of semiconductor elements, there has been a limit in securing a large trench width. For this reason, it has been inevitable to make the trench hole deep in order to secure the capacitance capacity. Further, when the trench hole is to be etched deeply, there is a limit in increasing the thickness of the TEOS film serving as a mask material. Therefore, the TEOS film having a limited thickness is not etched as much as possible. Must be etched deeply, and the etching of the semiconductor substrate must be performed under such etching conditions that the silicon etching rate can be set to be extremely large relative to the TEOS film etching rate. However, it is not easy to find conditions for obtaining a desired etching shape while maintaining a high selection ratio of silicon to the TEOS film, and the etching depth is necessarily limited. The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a semiconductor device that increases the capacitance of a capacitor formed in a trench hole using a conventional etching technique, and a method of manufacturing the same.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板の
トレンチ孔の底面に形成され、この底面から開口端に向
かって形成された導電層からなるピラーと、トレンチ孔
側壁及びピラー表面に形成された絶縁膜と、少なくとも
前記トレンチ孔に埋め込まれた導電膜とを具備し、半導
体基板及びピラーを第1の電極、絶縁膜を誘電体、導電
膜を第2の電極とするキャパシタを形成することを特徴
としている。ピラ−を用いてトレンチ孔内の側壁面積を
大きく確保することが可能であるので大容量のキャパシ
タを形成することが容易である。また、トレンチ孔内壁
に沿って絶縁膜カラーを形成させた後、カラー内側にポ
リシリコンを堆積させ、その後にカラーを選択エッチン
グにより除去することにより、トレンチ孔内にピラ−を
形成することを特徴としている。この方法によると、ピ
ラーを自己整合的に形成することが可能になる。このた
め、余分なリソグラフィ工程を行うことなく容易にピラ
−を形成することができる。
According to the present invention, there is provided a pillar formed of a conductive layer formed on the bottom surface of a trench hole of a semiconductor substrate and formed from the bottom surface toward an opening end, and formed on the side wall of the trench hole and the surface of the pillar. And a conductive film embedded in at least the trench hole, forming a capacitor using the semiconductor substrate and the pillar as a first electrode, the insulating film as a dielectric, and the conductive film as a second electrode. It is characterized by: Since a large side wall area in the trench hole can be secured by using the pillar, it is easy to form a large-capacity capacitor. Further, after forming an insulating film collar along the inner wall of the trench hole, polysilicon is deposited inside the collar, and then the collar is removed by selective etching to form a pillar in the trench hole. And According to this method, the pillars can be formed in a self-aligned manner. Therefore, pillars can be easily formed without performing an extra lithography step.

【0006】すなわち、本発明の半導体装置は、半導体
素子及びキャパシタが形成された半導体基板と、前記半
導体基板主面に形成された所定の開口径を有するトレン
チ孔と、前記トレンチ孔の底面に形成され、この底面か
ら開口端に向かって形成された導電層からなるピラー
と、前記トレンチ孔側壁及び前記ピラー表面に形成され
た絶縁膜と、少なくとも前記トレンチ孔に埋め込まれた
導電膜とを具備し、前記キャパシタは、前記半導体基板
及び前記ピラーを第1の電極、前記絶縁膜を誘電体、前
記導電膜を第2の電極としていることを第1の特徴とし
ている。また、本発明の半導体装置は、半導体素子及び
キャパシタが形成された半導体基板と、前記半導体基板
主面に形成された所定の開口径を有する第1のトレンチ
孔と、前記第1のトレンチ孔の底面に形成され、この底
面から開口端に向かって形成された導電層からなるピラ
ーと、前記ピラーの上面から底面に向かって形成された
第2のトレンチ孔と、前記第1及び第2のトレンチ孔内
部及び前記ピラー表面に形成された絶縁膜と、少なくと
も前記第1及び第2のトレンチ孔に埋め込まれた導電膜
とを具備し、前記キャパシタは、前記半導体基板及び前
記ピラーを第1の電極、前記絶縁膜を誘電体、前記導電
膜を第2の電極としていることを第2の特徴としてい
る。
That is, a semiconductor device according to the present invention comprises a semiconductor substrate on which a semiconductor element and a capacitor are formed, a trench having a predetermined opening diameter formed on a main surface of the semiconductor substrate, and a trench formed on a bottom surface of the trench. A pillar made of a conductive layer formed from the bottom surface toward the opening end; an insulating film formed on the trench hole side wall and the surface of the pillar; and a conductive film embedded at least in the trench hole. The first feature of the capacitor is that the semiconductor substrate and the pillar are a first electrode, the insulating film is a dielectric, and the conductive film is a second electrode. Further, the semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate on which a semiconductor element and a capacitor are formed, a first trench hole having a predetermined opening diameter formed on the main surface of the semiconductor substrate, and a first trench hole having a predetermined opening diameter. A pillar formed on the bottom surface and formed of a conductive layer formed from the bottom surface toward the opening end; a second trench hole formed from the top surface of the pillar toward the bottom surface; and the first and second trenches An insulating film formed inside the hole and on the surface of the pillar; and a conductive film buried at least in the first and second trench holes, wherein the capacitor connects the semiconductor substrate and the pillar to a first electrode. The second feature is that the insulating film is a dielectric and the conductive film is a second electrode.

【0007】本発明の半導体装置の製造方法は、半導体
基板主面に所定の開口径を有するトレンチ孔を形成する
工程と、前記トレンチ孔側壁上に絶縁膜を形成する工程
と、前記半導体基板主面上及び前記側壁に絶縁膜が形成
されたトレンチ孔内部に導電層を充填させる工程と、前
記半導体基板主面上の導電層をエッチング除去して前記
導電層を前記トレンチ孔内部にのみ残す工程と、前記ト
レンチ孔側壁に形成された絶縁膜をエッチング除去し
て、前記トレンチ孔の底面に、この底面から開口端に向
かって形成された前記導電層から構成されたピラーを形
成する工程とを具備したことを第1の特徴としている。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板主
面に所定の開口径を有する第1のトレンチ孔を形成する
工程と、前記第1のトレンチ孔側壁上に絶縁膜を形成す
る工程と、前記半導体基板主面上及び前記側壁に絶縁膜
が形成された第1のトレンチ孔内部に導電層を充填させ
る工程と、前記半導体基板主面上の導電層をエッチング
除去して前記導電層を前記第1のトレンチ孔内部にのみ
残す工程と、前記第1のトレンチ孔側壁に形成された絶
縁膜をエッチング除去して、前記第1のトレンチ孔の底
面に、この底面から開口端に向かって形成された前記導
電層から構成された第1のピラーを形成する工程と、前
記第1のピラー及びこの第1のピラーと対向する第1の
トレンチ孔側壁を酸化させる工程と、前記第1のトレン
チ孔の底面をエッチングして前記第1のトレンチ孔の下
にこの第1のトレンチ孔と連続してなる第2のトレンチ
孔を形成すると共に前記第1のピラーの下に、第1のト
レンチ孔側壁に酸化により形成された酸化膜をマスクに
して異方性エッチングを行うことにより、この第1のピ
ラーと連続してなる第2のピラーを形成する工程とを具
備していることを第2の特徴としている。
According to a method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a trench hole having a predetermined opening diameter on a main surface of a semiconductor substrate, a step of forming an insulating film on a side wall of the trench hole, Filling a conductive layer in a trench hole in which an insulating film is formed on the surface and the side wall, and etching away the conductive layer on the main surface of the semiconductor substrate to leave the conductive layer only in the trench hole And etching the insulating film formed on the side wall of the trench hole to form a pillar formed on the bottom surface of the trench hole from the conductive layer formed from the bottom surface toward the opening end. The first feature is that it is provided.
Also, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first trench hole having a predetermined opening diameter on a main surface of a semiconductor substrate, and a step of forming an insulating film on a side wall of the first trench hole. Filling a conductive layer in a first trench hole in which an insulating film is formed on the main surface of the semiconductor substrate and the side wall, and etching the conductive layer on the main surface of the semiconductor substrate to remove the conductive layer. Leaving only the inside of the first trench hole, and removing the insulating film formed on the side wall of the first trench hole by etching to form a bottom surface of the first trench hole from the bottom toward the opening end. Forming a first pillar made of the formed conductive layer; oxidizing the first pillar and a first trench hole side wall facing the first pillar; Edge the bottom of the trench hole Forming a second trench hole continuous with the first trench hole under the first trench hole, and oxidizing the first trench hole side wall under the first pillar. A second feature of forming a second pillar continuous with the first pillar by performing anisotropic etching using the formed oxide film as a mask. .

【0008】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板主面に所定の開口径を有する第1のトレンチ
孔を形成する工程と、前記第1のトレンチ孔側壁上に絶
縁膜を形成する工程と、前記半導体基板主面上及び前記
側壁に絶縁膜が形成された第1のトレンチ孔内部に導電
層を充填させる工程と、前記半導体基板主面上の導電層
をエッチング除去して前記導電層を前記第1のトレンチ
孔内部にのみ残す工程と、前記第1のトレンチ孔側壁に
形成された絶縁膜をエッチング除去して、前記第1のト
レンチ孔の底面に、この底面から開口端に向かって形成
された前記導電層から構成された第1のピラーを形成す
る工程と、前記第1のピラー表面及びこの第1のピラー
と対向する第1のトレンチ孔側壁を酸化させる工程と、
前記第1のトレンチ孔の底面をエッチングして前記第1
のトレンチ孔の下にこの第1のトレンチ孔と連続してな
る第2のトレンチ孔を形成すると共に前記第1のピラー
の下にこの第1のピラーと連続してなる第2のピラーを
形成する工程と、前記第1及び第2のピラーを、前記第
1のピラ−の表面に酸化により形成された酸化膜をマス
クとして異方性エッチングを行うことにより、前記第1
及び第2のピラ−内に第2のトレンチ孔を形成する工程
を具備していることを第3の特徴としている。
Further, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention
Forming a first trench hole having a predetermined opening diameter on the main surface of the semiconductor substrate, forming an insulating film on the side wall of the first trench hole, insulating the main surface of the semiconductor substrate and the side wall; Filling a conductive layer inside the first trench hole where the film is formed, and etching away the conductive layer on the main surface of the semiconductor substrate to leave the conductive layer only inside the first trench hole; An insulating film formed on the side wall of the first trench hole is removed by etching, and a first layer formed of the conductive layer formed on the bottom surface of the first trench hole from the bottom surface toward the opening end; Forming a pillar, and oxidizing a surface of the first pillar and a sidewall of a first trench hole facing the first pillar;
Etching the bottom surface of the first trench hole to form the first trench hole;
Forming a second trench continuous with the first trench below the trench, and forming a second pillar continuous with the first pillar below the first pillar. And performing anisotropic etching of the first and second pillars using an oxide film formed on the surface of the first pillar by oxidation as a mask.
And a step of forming a second trench hole in the second pillar.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して発明の実施
の形態を説明する。まず、図1乃至図3を参照して第1
の実施例を説明する。図1乃至図3は、キャパシタ形成
工程を説明する半導体基板の断面図である。半導体基板
には半導体装置を構成するトランジスタなどの半導体素
子やキャパシタのような回路素子が形成されているが、
この図では、トランジスタ部分は記載を省略し、キャパ
シタ部分を示す(図1(a))。半導体基板10は、例
えば、シリコン半導体から構成されている。半導体基板
10主面には下地層であるシリコン酸化膜(SiO2
8を介して第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜が積層されて
いる。第1の絶縁膜は、シリコン窒化膜(SiN)1か
らなり、第2の絶縁膜は、TEOS膜2から構成されて
いる。また、半導体基板10主面にはトレンチ孔3が形
成されている。トレンチ孔3内部には底面から開口端に
向かってポリシリコンのピラー6が形成されている。ト
レンチ孔3の底面及び側面とピラー6表面には誘電体膜
4が形成されている。そしてTEOS膜2の上及びトレ
ンチ孔内部にはポリシリコンなどの導電層5が形成され
ている。ここで誘電体膜4を誘電体とし、半導体基板1
0とピラー6を第1の電極とし、導電層5を第2の電極
とするキャパシタが構成される。このキャパシタに半導
体基板のMOSトランジスタを組み合わせて、例えば、
DRAMのメモリ素子が形成される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, referring to FIG. 1 to FIG.
An example will be described. 1 to 3 are cross-sectional views of a semiconductor substrate illustrating a capacitor forming process. Semiconductor elements such as transistors and circuit elements such as capacitors that constitute a semiconductor device are formed on a semiconductor substrate.
In this figure, the description of the transistor portion is omitted, and the capacitor portion is shown (FIG. 1A). The semiconductor substrate 10 is made of, for example, a silicon semiconductor. On the main surface of the semiconductor substrate 10, a silicon oxide film (SiO 2 ) as an underlayer is provided.
The first insulating film and the second insulating film are stacked via the gate insulating film 8. The first insulating film is made of a silicon nitride film (SiN) 1, and the second insulating film is made of a TEOS film 2. Further, a trench hole 3 is formed in the main surface of the semiconductor substrate 10. Polysilicon pillars 6 are formed inside the trench holes 3 from the bottom to the opening ends. A dielectric film 4 is formed on the bottom and side surfaces of the trench 3 and on the surface of the pillar 6. A conductive layer 5 such as polysilicon is formed on the TEOS film 2 and inside the trench hole. Here, the dielectric film 4 is a dielectric and the semiconductor substrate 1
A capacitor in which 0 and the pillar 6 are used as a first electrode, and the conductive layer 5 is used as a second electrode. By combining this capacitor with a MOS transistor on a semiconductor substrate, for example,
A DRAM memory element is formed.

【0010】次に、この実施例のキャパシタ形成方法を
説明する。まず、半導体基板10にマスク材料の下地材
料として、膜厚5nmのシリコン酸化膜(SiO2 )8
を形成し、その上に膜厚200nmのシリコン窒化膜1
を形成し、その上に膜厚700nmのTEOS膜2を積
層させる。そして、これらの積層体をマスク材料として
用いる。この下地材料に対して、TEOS膜2上にフォ
トレジスト(図示せず)を塗布し、フォトレジストに周
知のリソグラフィによりトレンチ孔パタ−ンを形成す
る。次に、このフォトレジストをエッチングマスクとし
てTEOS膜2、シリコン窒化膜1、シリコン酸化膜8
のエッチングを行う。その後、フォトレジストを剥離
し、これをシリコン半導体基板10に対するエッチング
マスクとして用いる。したがって、この後の半導体基板
エッチングで行われるRIEなどの異方性エッチング
は、このTEOS膜2をマスクとして用い、TEOSに
対して選択比の取れるエッチング条件でエッチングを行
うことにより、深さ9μmのトレンチ孔3を形成する
(図1(b))。トレンチ孔3を形成する異方性エッチ
ングには、マグネトロンRIE装置を用い、エッチング
ガスとしてHBr、O2 、NF3 を用い、圧力100m
Torrで処理を行う。トレンチ孔3は、孔断面が短径
=0.2μm、長径=0.34μmの楕円形である。図
3(b)は、半導体基板の平面図である。トレンチ孔3
は、断面形状が楕円形であり、ピラー6もこれに合わせ
て断面形状が楕円形である。ピラー6とトレンチ孔3の
側壁との距離は、約0.07μmになっている。
Next, a method of forming a capacitor according to this embodiment will be described. First, a 5-nm-thick silicon oxide film (SiO 2 ) 8 is formed on a semiconductor substrate 10 as a base material of a mask material.
Is formed, and a 200 nm-thick silicon nitride film 1 is formed thereon.
Is formed, and a 700 nm-thick TEOS film 2 is laminated thereon. Then, these laminates are used as a mask material. A photoresist (not shown) is applied to the base material on the TEOS film 2, and a trench pattern is formed on the photoresist by well-known lithography. Next, using this photoresist as an etching mask, the TEOS film 2, the silicon nitride film 1, the silicon oxide film 8
Is etched. After that, the photoresist is stripped, and this is used as an etching mask for the silicon semiconductor substrate 10. Therefore, in the subsequent anisotropic etching such as RIE performed in the etching of the semiconductor substrate, the TEOS film 2 is used as a mask and the etching is performed under the etching conditions that can obtain a selectivity with respect to TEOS. A trench hole 3 is formed (FIG. 1B). For the anisotropic etching for forming the trench holes 3, a magnetron RIE apparatus is used, and HBr, O 2 , and NF 3 are used as etching gases at a pressure of 100 m.
Processing is performed in Torr. The trench hole 3 has an elliptical cross section with a minor axis of 0.2 μm and a major axis of 0.34 μm. FIG. 3B is a plan view of the semiconductor substrate. Trench hole 3
Has an elliptical cross-sectional shape, and the cross-sectional shape of the pillar 6 is also elliptical accordingly. The distance between the pillar 6 and the side wall of the trench hole 3 is about 0.07 μm.

【0011】このようにして形成したトレンチ孔3内に
BSG(Boron Silicate Glass)膜7を20nm程度堆積
させる(図1(c))。その後、BSG膜7をRIE(R
eactive Ion Etching)などの異方性エッチングにより全
面エッチバックを行い、トレンチ孔3底面に半導体基板
10のシリコン面を露出させると共にトレンチ孔3側壁
にBSG膜7のカラー(以下、カラーBSG膜という)
7′を形成させる(図2(a))。次に、低圧CVD
(Chemical Vapour Deposition)法により膜厚300n
m程度のポリシリコン層5を堆積させて、トレンチ孔3
内にこれを埋め込み(図2(b))、その後、半導体基
板10表面より低い位置までポリシリコン層5をエッチ
バックしてピラー6を形成する(図2(c))。ポリシ
リコン層5のエッチバックには、ダウンフロ−タイプの
ドライエッチング装置を用い、ポリシリコン層の表面
は、半導体基板のシリコン界面より50nm低くなるよ
うな高さに制御している。その後、カラーBSG膜7′
をTEOS、シリコン窒化物、シリコン酸化物、シリコ
ンに対して高選択にエッチングを行う。カラーBSG膜
のエッチングは、気相HFによるエッチング方法を用い
ることによりTEOSに対しても高い選択比を維持しな
がら、BSGのみのエッチングを行うことができる。こ
のエッチングによりトレンチ孔3内に導電性のピラー6
が形成される(図3(a))。
A BSG (Boron Silicate Glass) film 7 is deposited to a thickness of about 20 nm in the trench 3 thus formed (FIG. 1C). Thereafter, the BSG film 7 is removed by RIE (R
The whole surface is etched back by anisotropic etching such as eactive ion etching to expose the silicon surface of the semiconductor substrate 10 on the bottom surface of the trench hole 3 and the color of the BSG film 7 on the side wall of the trench hole 3 (hereinafter referred to as a color BSG film).
7 'is formed (FIG. 2A). Next, low pressure CVD
300n film thickness by (Chemical Vapor Deposition) method
m of polysilicon layer 5 is deposited, and trench hole 3 is formed.
Then, the polysilicon layer 5 is etched back to a position lower than the surface of the semiconductor substrate 10 to form pillars 6 (FIG. 2C). The etch-back of the polysilicon layer 5 is performed by using a down-flow type dry etching apparatus, and the surface of the polysilicon layer is controlled to be 50 nm lower than the silicon interface of the semiconductor substrate. Then, the color BSG film 7 '
Is etched with high selectivity for TEOS, silicon nitride, silicon oxide, and silicon. In the etching of the color BSG film, only the BSG can be etched while maintaining a high selectivity with respect to TEOS by using an etching method using a gas phase HF. By this etching, conductive pillars 6 are formed in trench holes 3.
Is formed (FIG. 3A).

【0012】次に、ポリシリコンのピラ−6の表面及び
トレンチ孔3の側壁にキャパシタ絶縁膜(誘電体)4で
あるシリコン窒化膜を成膜させ、キャパシタの対向電極
となるポリシリコン膜9を堆積させてキャパシタを形成
する。このキャパシタは、半導体基板10とピラー6を
第1の電極とし、対向電極であるポリシリコン膜9を第
2の電極とし、キャパシタ絶縁膜4を誘電体とする構成
を有している。また、従来のトレンチ構造(図13
(b))の場合と比較して約1.7倍の表面積を得るこ
とができ、形成されるキャパシタの容量も表面積に比例
して約1.7倍のキャパシタンス容量が得られる。
Next, a silicon nitride film, which is a capacitor insulating film (dielectric) 4, is formed on the surface of the polysilicon pillar 6 and the side wall of the trench hole 3, and a polysilicon film 9 serving as a counter electrode of the capacitor is formed. Deposit to form a capacitor. This capacitor has a configuration in which the semiconductor substrate 10 and the pillar 6 are used as a first electrode, the polysilicon film 9 as a counter electrode is used as a second electrode, and the capacitor insulating film 4 is used as a dielectric. Further, a conventional trench structure (FIG. 13)
As compared with the case (b)), a surface area approximately 1.7 times as large as that of the case (b) can be obtained, and a capacitance of the formed capacitor can be obtained approximately 1.7 times as large as the surface area.

【0013】次に、図4乃至図6を参照して第2の実施
例を説明する。図4乃至図6は、キャパシタ形成工程を
説明する半導体基板の断面図である。半導体基板には、
半導体装置を構成するトランジスタなどの半導体素子や
キャパシタのような回路素子が形成されているが、この
図ではトランジスタ部分は記載を省略し、キャパシタ部
分を示す(図6(b))。半導体基板20は、例えば、
シリコン半導体から構成されている。半導体基板20主
面には下地層であるシリコン酸化膜(SiO2 )(図示
せず)を介して第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜が積層さ
れている。第1の絶縁膜は、シリコン窒化膜(SiN)
21からなり、第2の絶縁膜は、TEOS膜22から構
成されている。また、半導体基板20主面には上部のト
レンチ孔23及び下部のトレンチ孔24が形成されてい
る。トレンチ孔23、24内部には、トレンチ孔24底
面からトレンチ孔23開口端に向かってポリシリコンの
ピラーが形成されている。トレンチ孔24には半導体基
板20から形成された導電性のピラー26が配置され、
トレンチ孔23にはシリコン酸化膜からなりピラー26
につながる絶縁性のピラー26′が配置されている。ま
た、トレンチ孔23の側壁にはシリコン酸化膜28が形
成されている。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 6 are cross-sectional views of the semiconductor substrate illustrating a capacitor forming process. On the semiconductor substrate,
Although a semiconductor element such as a transistor and a circuit element such as a capacitor which constitute a semiconductor device are formed, in this figure, a transistor portion is omitted and a capacitor portion is shown (FIG. 6B). The semiconductor substrate 20 is, for example,
It is composed of a silicon semiconductor. On the main surface of the semiconductor substrate 20, a first insulating film and a second insulating film are stacked via a silicon oxide film (SiO 2 ) (not shown) as a base layer. The first insulating film is a silicon nitride film (SiN)
The second insulating film is composed of a TEOS film 22. An upper trench hole 23 and a lower trench hole 24 are formed in the main surface of the semiconductor substrate 20. Polysilicon pillars are formed inside the trench holes 23 and 24 from the bottom surface of the trench hole 24 toward the opening end of the trench hole 23. Conductive pillars 26 formed from the semiconductor substrate 20 are arranged in the trench holes 24,
A pillar 26 made of a silicon oxide film is formed in the trench 23.
, An insulating pillar 26 'is disposed. Further, a silicon oxide film 28 is formed on the side wall of the trench hole 23.

【0014】このトレンチ構造にキャパシタ(図示せ
ず)が形成される。すなわち、絶縁性のピラー26′を
除去してからトレンチ孔24の底面及び側面とピラー2
6表面にシリコン酸化膜のキャパシタ絶縁膜(誘電体)
を形成し、トレンチ孔23、24内部にはポリシリコン
などの導電層を形成してキャパシタが形成される。ここ
で、キャパシタは、キャパシタ絶縁膜を誘電体とし、半
導体基板20とピラー26を第1の電極とし、導電層を
第2の電極とするように構成されている。このキャパシ
タに半導体基板に形成されたMOSトランジスタを組み
合わせて、例えば、DRAMのメモリ素子が形成され
る。
A capacitor (not shown) is formed in the trench structure. That is, after removing the insulating pillar 26 ', the bottom and side surfaces of the trench hole 24 and the pillar 2 are removed.
6 Capacitor insulation film of silicon oxide film on the surface (dielectric)
Is formed, and a conductive layer such as polysilicon is formed inside the trench holes 23 and 24 to form a capacitor. Here, the capacitor is configured such that the capacitor insulating film is a dielectric, the semiconductor substrate 20 and the pillar 26 are a first electrode, and the conductive layer is a second electrode. By combining this capacitor with a MOS transistor formed on a semiconductor substrate, for example, a DRAM memory element is formed.

【0015】次に、この実施例のキャパシタ形成方法を
説明する。まず、半導体基板20にマスク材料の下地材
料として、膜厚5nmのシリコン酸化膜(SiO2
(図示せず)を形成し、その上に膜厚200nmのシリ
コン窒化膜21を形成し、その上に膜厚700nmのT
EOS膜22を積層させる。そして、これらの積層体を
マスク材料として用いる。この下地材料に対して、TE
OS膜22上にフォトレジスト(図示せず)を塗布し、
フォトレジストに周知のリソグラフィによりトレンチ孔
パタ−ンを形成する。次に、このフォトレジストをエッ
チングマスクとしてTEOS膜22、シリコン窒化膜2
1、シリコン酸化膜のエッチングを行う。その後、フォ
トレジストを剥離し、これをシリコン半導体基板20に
対するエッチングマスクとして用いる。したがって、こ
の後の半導体基板エッチングで行われるRIEなどの異
方性エッチングは、このTEOS膜22をマスクとして
用い、TEOSに対して選択比の取れるエッチング条件
でエッチングを行うことにより、深さ2μmのトレンチ
孔23を形成する(図4(a))。トレンチ孔23を形
成する異方性エッチングには、マグネトロンRIE装置
を用い、エッチングガスとしてHBr、O2 、NF3
用い、圧力100mTorrで処理を行う。
Next, a method of forming a capacitor according to this embodiment will be described. First, a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 5 nm is formed on the semiconductor substrate 20 as a base material of a mask material.
(Not shown), a 200-nm-thick silicon nitride film 21 is formed thereon, and a 700-nm-thick T
The EOS film 22 is laminated. Then, these laminates are used as a mask material. For this base material, TE
A photoresist (not shown) is applied on the OS film 22,
A trench hole pattern is formed in the photoresist by well-known lithography. Next, using this photoresist as an etching mask, the TEOS film 22 and the silicon nitride film 2 are used.
1. Etching of the silicon oxide film is performed. Thereafter, the photoresist is stripped, and this is used as an etching mask for the silicon semiconductor substrate 20. Therefore, in the subsequent anisotropic etching such as RIE performed in the etching of the semiconductor substrate, the TEOS film 22 is used as a mask and the etching is performed under the etching conditions that can obtain a selectivity with respect to TEOS. A trench hole 23 is formed (FIG. 4A). The anisotropic etching for forming the trench holes 23 is performed using a magnetron RIE apparatus, HBr, O 2 , and NF 3 as etching gases at a pressure of 100 mTorr.

【0016】トレンチ孔は、孔断面が短径=0.2μ
m、長径=0.34μmの楕円形である。このように形
成されたトレンチ孔23内にBSG膜27を20nm程
度堆積させる(図4(b))。その後、BSG膜27を
RIEなどの異方性エッチングにより全面エッチバック
を行い、トレンチ孔23底面に半導体基板20のシリコ
ン面を露出させると共にトレンチ孔23側壁にBSG膜
7のカラー(以下、カラーBSG膜という)7′を形成
させる(図4(c))。次に、低圧CVD法により膜厚
300nm程度のポリシリコン層25を堆積させて、ト
レンチ孔23内にこれを埋め込み(図5(a))、その
後、半導体基板20表面より低い位置までポリシリコン
層25をエッチバックしてピラー25′を形成させる
(図5(b))。ポリシリコン層25のエッチバックに
はダウンフロ−タイプのドライエッチング装置を用い、
エッチングバックされたポリシリコン層の表面は、半導
体基板20のシリコン界面より50nm低くなるような
高さに制御している。その後、カラーBSG膜27′を
TEOS、シリコン窒化物、シリコン酸化物、シリコン
に対して高選択にエッチングを行う。カラーBSG膜の
エッチングは、気相HFによるエッチング方法を用いる
ことによりTEOSに対しても高い選択比を維持しなが
ら、BSGのみのエッチングを行うことができる。
The trench hole has a cross section of a minor axis = 0.2 μm.
m, an elliptical shape with a major axis = 0.34 μm. A BSG film 27 is deposited to a thickness of about 20 nm in the trench hole 23 thus formed (FIG. 4B). Thereafter, the entire surface of the BSG film 27 is etched back by anisotropic etching such as RIE to expose the silicon surface of the semiconductor substrate 20 on the bottom surface of the trench hole 23 and to color the BSG film 7 (hereinafter, color BSG) on the side wall of the trench hole 23. A film 7 'is formed (FIG. 4C). Next, a polysilicon layer 25 having a thickness of about 300 nm is deposited by a low-pressure CVD method, and is buried in the trench holes 23 (FIG. 5A). Thereafter, the polysilicon layer is lowered to a position lower than the surface of the semiconductor substrate 20. 25 is etched back to form pillars 25 '(FIG. 5B). For etching back the polysilicon layer 25, a down-flow type dry etching apparatus is used.
The height of the surface of the etched-back polysilicon layer is controlled to be 50 nm lower than the silicon interface of the semiconductor substrate 20. Thereafter, the color BSG film 27 'is etched with high selectivity for TEOS, silicon nitride, silicon oxide, and silicon. In the etching of the color BSG film, only the BSG can be etched while maintaining a high selectivity with respect to TEOS by using an etching method using a gas phase HF.

【0017】このエッチングによりトレンチ孔23内に
高さが1.8μmで短径が0.06μmの楕円形である
導電性のピラー25′が形成される(図5(c))。次
に、熱酸化工程により、ポリシリコンのピラー25′全
体を酸化して、絶縁性のピラー26′が形成されると共
にトレンチ孔23の底面及び側壁にシリコン酸化膜28
が形成される(図6(a))。その後、最初、シリコン
酸化膜がエッチングされる条件(SiO2 =40nmエ
ッチング相当)のエッチングを行い、続いて、TEO
S、シリコン酸化膜に対して高選択に半導体基板のシリ
コンをエッチングできる条件でトレンチ孔のエッチング
を行う。SiO2 =40nm相当のエッチングには、マ
グネトロンRIE装置を用い、HBr、NF3 ガスを用
い、圧力100mTorrで2分間のエッチングを行
う。また、TEOS,シリコン酸化膜に対して高選択に
シリコンをエッチングする条件としては、マグネトロン
RIE装置を用い、エッチングガスとして、HBr、O
2 、NF3 を用い、圧力100mTorrにて6分間の
エッチングを行った。
By this etching, an elliptical conductive pillar 25 'having a height of 1.8 μm and a minor axis of 0.06 μm is formed in the trench hole 23 (FIG. 5C). Next, the entirety of the polysilicon pillar 25 'is oxidized by a thermal oxidation process to form an insulating pillar 26', and a silicon oxide film 28 is formed on the bottom and side walls of the trench hole 23.
Is formed (FIG. 6A). After that, first, etching is performed under the conditions for etching the silicon oxide film (equivalent to etching of SiO 2 = 40 nm).
S, etching of the trench hole is performed under the condition that the silicon of the semiconductor substrate can be etched with high selectivity to the silicon oxide film. For the etching corresponding to SiO 2 = 40 nm, etching is performed for 2 minutes at a pressure of 100 mTorr using HBr and NF 3 gas using a magnetron RIE apparatus. The conditions for etching silicon with high selectivity with respect to the TEOS and silicon oxide films are as follows: a magnetron RIE apparatus is used, and HBr, O
2 , etching was performed for 6 minutes at a pressure of 100 mTorr using NF 3 .

【0018】これにより、半導体基板のシリコン界面か
らの深さが8μmのトレンチ孔24(トレンチ孔24の
部分の深さは6μmである)が形成されると共にトレン
チ孔24内にピラー26が形成される。このようにして
形成したトレンチ孔23、24内に、ピラ−トレンチに
対して、キャパシタ絶縁膜(誘電体)である膜厚8nm
のシリコン窒化膜を成膜してから、トレンチ孔23、2
4内にポリシリコン膜を埋め込むことにより、従来のト
レンチ構造を用いた場合と比較して約1.5倍の表面積
を持つキャパシタを得ることができる。
As a result, a trench hole 24 having a depth of 8 μm from the silicon interface of the semiconductor substrate (the depth of the portion of the trench hole 24 is 6 μm) is formed, and a pillar 26 is formed in the trench hole 24. You. In the trench holes 23 and 24 thus formed, a film thickness of 8 nm as a capacitor insulating film (dielectric) is formed with respect to the pillar trench.
After the silicon nitride film is formed, the trench holes 23, 2
By embedding the polysilicon film in the capacitor 4, a capacitor having a surface area about 1.5 times as large as that of a conventional trench structure can be obtained.

【0019】次に、図7及び図8を参照して第3の実施
例を説明する。この実施例では、第2の実施例の上部ピ
ラーがその全部を酸化されているのに対し、表面のみが
酸化されることに特徴がある。図7及び図8は、キャパ
シタ形成工程を説明する半導体基板の断面図である。半
導体基板には、半導体装置を構成するトランジスタなど
の半導体素子やキャパシタのような回路素子が形成され
ているが、この図では、トランジスタ部分は記載を省略
し、キャパシタ部分を示す(図8(b))。半導体基板
30は、例えば、シリコン半導体から構成されている。
半導体基板30主面には下地層であるシリコン酸化膜
(SiO2 )(図示せず)を介して第1の絶縁膜及び第
2の絶縁膜が積層されている。第1の絶縁膜は、シリコ
ン窒化膜(SiN)31からなり、第2の絶縁膜は、T
EOS膜32から構成されている。また、半導体基板3
0主面には上部のトレンチ孔33及び下部のトレンチ孔
34が形成されている。トレンチ孔33、34内部に
は、トレンチ孔34底面からトレンチ孔33開口端に向
かってポリシリコンのピラーが形成されている。トレン
チ孔34には半導体基板30から形成された導電性のピ
ラー36が配置され、トレンチ孔33にはシリコン酸化
膜からなり、ピラー36につながる絶縁性のピラー37
が配置されている。またトレンチ孔33の側壁にはシリ
コン酸化膜38が形成されている。ピラー36、37に
はトレンチ孔39が形成されている。
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS. This embodiment is characterized in that the upper pillar of the second embodiment is entirely oxidized, whereas only the surface is oxidized. 7 and 8 are cross-sectional views of the semiconductor substrate illustrating a capacitor forming process. On the semiconductor substrate, semiconductor elements such as transistors constituting the semiconductor device and circuit elements such as capacitors are formed. In this figure, the transistor part is omitted, and the capacitor part is shown (FIG. 8B )). The semiconductor substrate 30 is made of, for example, a silicon semiconductor.
On the main surface of the semiconductor substrate 30, a first insulating film and a second insulating film are stacked via a silicon oxide film (SiO 2 ) (not shown) as a base layer. The first insulating film is made of a silicon nitride (SiN) film 31 and the second insulating film is made of T
It is composed of an EOS film 32. In addition, the semiconductor substrate 3
On the 0 main surface, an upper trench hole 33 and a lower trench hole 34 are formed. Polysilicon pillars are formed inside the trench holes 33 and 34 from the bottom surface of the trench hole 34 toward the opening end of the trench hole 33. A conductive pillar 36 formed from the semiconductor substrate 30 is arranged in the trench hole 34, and an insulating pillar 37 made of a silicon oxide film and connected to the pillar 36 is formed in the trench hole 33.
Is arranged. Further, a silicon oxide film 38 is formed on the side wall of the trench hole 33. The pillars 36 and 37 have trench holes 39 formed therein.

【0020】このトレンチ構造にキャパシタ(図示せ
ず)が形成される。すなわち、絶縁性のピラー37を除
去してからトレンチ孔34、39の底面及び側面とピラ
ー36表面にシリコン酸化膜のキャパシタ絶縁膜(誘電
体)を形成し、トレンチ孔33、34内部にはポリシリ
コンなどの導電層を形成してキャパシタが構成される。
このキャパシタは、キャパシタ絶縁膜を誘電体とし、半
導体基板30とピラー36を第1の電極とし、トレンチ
孔33、34に埋め込まれた導電層を第2の電極とする
ように構成されている。このキャパシタに半導体基板に
形成されたMOSトランジスタを組み合わせて、例え
ば、DRAMのメモリ素子が形成される。
A capacitor (not shown) is formed in the trench structure. That is, after the insulating pillar 37 is removed, a capacitor insulating film (dielectric) of a silicon oxide film is formed on the bottom and side surfaces of the trench holes 34 and 39 and on the surface of the pillar 36, and poly is formed inside the trench holes 33 and 34. A capacitor is formed by forming a conductive layer such as silicon.
This capacitor is configured such that the capacitor insulating film is a dielectric, the semiconductor substrate 30 and the pillar 36 are a first electrode, and the conductive layer embedded in the trench holes 33 and 34 is a second electrode. By combining this capacitor with a MOS transistor formed on a semiconductor substrate, for example, a DRAM memory element is formed.

【0021】次に、この実施例のキャパシタ形成方法を
説明する。図7(a)に記載されたピラー33を形成す
る工程までは、第2の実施例と同じであるので、それま
での説明(図4及び図5(c)参照)を省略する。すな
わち、図7(a)までの工程で、高さ1.8μmで短径
が0.15μmの楕円形であるピラー35は、深さ2μ
mのトレンチ孔33内に形成される。トレンチ孔33
は、孔断面が短径=0.2μm、長径=0.34μmの
楕円形である。次に、熱酸化工程により、トレンチ孔3
3の側壁及び底面とピラー35の表面を酸化して、トレ
ンチ孔33の側壁及び底面上に膜厚20nmのシリコン
酸化膜38及びピラー35表面に膜厚20nmのシリコ
ン酸化膜37が形成される(図7(b))。その後、最
初シリコン酸化膜がエッチングされる条件(SiO2
25nmエッチング相当)のエッチングを行い(図8
(a))、続いて、TEOS、シリコン酸化膜に対して
高選択に半導体基板のシリコンをエッチングできる条件
でトレンチ孔35のエッチングを行う。これにより、半
導体基板30のシリコン界面からの深さが8μmのトレ
ンチ孔34が形成されると共にピラー36、37内部に
もトレンチ孔39が形成される(図8(b)参照)。こ
のようにして形成したトレンチ孔33、34内表面、ピ
ラ−36、37表面トレンチ孔39の内壁に対してキャ
パシタ絶縁膜(誘電体)である膜厚6nmのシリコン窒
化膜を成膜してから、トレンチ孔23、24内にポリシ
リコン膜を埋め込むことにより、従来のトレンチ構造を
用いた場合と比較して約2.1倍の表面積を持つキャパ
シタを得ることができる。
Next, a method of forming a capacitor according to this embodiment will be described. The steps up to the step of forming the pillars 33 shown in FIG. 7A are the same as those in the second embodiment, and the description up to that point (see FIGS. 4 and 5C) is omitted. That is, in the steps up to FIG. 7A, the elliptical pillar 35 having a height of 1.8 μm and a minor axis of 0.15 μm has a depth of 2 μm.
m is formed in the trench hole 33. Trench hole 33
Has an oval cross section with a minor axis of 0.2 μm and a major axis of 0.34 μm. Next, the trench hole 3 is formed by a thermal oxidation process.
By oxidizing the side walls and the bottom surface of the third hole 3 and the surface of the pillar 35, a 20 nm-thick silicon oxide film 38 is formed on the side wall and the bottom surface of the trench hole 33 and a 20 nm-thick silicon oxide film 37 is formed on the surface of the pillar 35 ( FIG. 7 (b). Thereafter, the conditions under which the silicon oxide film is etched first (SiO 2 =
Etching (corresponding to 25 nm etching) is performed (FIG. 8).
(A)) Subsequently, the trench hole 35 is etched under conditions that allow the silicon of the semiconductor substrate to be etched with high selectivity with respect to TEOS and the silicon oxide film. As a result, a trench hole 34 having a depth of 8 μm from the silicon interface of the semiconductor substrate 30 is formed, and a trench hole 39 is also formed inside the pillars 36 and 37 (see FIG. 8B). A 6-nm-thick silicon nitride film, which is a capacitor insulating film (dielectric), is formed on the inner surfaces of the trench holes 33 and 34 and the inner surfaces of the pillar holes 36 and 37 formed in the above manner. By embedding a polysilicon film in trench holes 23 and 24, a capacitor having a surface area approximately 2.1 times that of a conventional trench structure can be obtained.

【0022】次に、図9乃至図11を参照して第4の実
施例を説明する。以上、第1乃至第3の実施例は、半導
体基板に形成されたトレンチ構造のキャパシタを説明し
たが、これを用いる半導体装置には、例えば、DRAM
がある。DRAMは、高ビット集積化のためにメモリセ
ル当たりの構成素子数が少ない図9に示すような1トラ
ンジスタ型のセルを用いており、電荷を記憶するMOS
キャパシタとその電荷を転送するMOSトランジスタの
みで構成されているのが特徴である。
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. As described above, the first to third embodiments have described the trench-structured capacitors formed in the semiconductor substrate.
There is. The DRAM uses a one-transistor type cell as shown in FIG. 9 in which the number of constituent elements per memory cell is small for high bit integration.
It is characterized by being composed only of a capacitor and a MOS transistor for transferring the charge.

【0023】図9は、DRAMメモリの回路図、図10
は、DRAMメモリ素子が形成された半導体基板の断面
図、図11は、メモリ素子パターン部分的に示す半導体
基板の概略平面図である。半導体基板40、例えば、p
型シリコン半導体基板には1メモリセル分のトランジス
タ(Tr)及びキャパシタ(C)が形成されている。半
導体基板40主面にはトレンチ孔47が形成されてい
る。トレンチ孔47内部には、底面から開口端に向かっ
てポリシリコンのピラー41が形成されている。そして
トレンチ孔47の底面及び側面とピラー41表面にはシ
リコン窒化膜の誘電体膜42が形成されている。そし
て、トレンチ孔の上部を除く側壁及び底面近傍の半導体
基板内部には、n型不純物拡散領域44が形成されてい
る。トレンチ孔47の上部側壁の開口端の一部を除いて
基板との短絡を防ぐためにシリコン酸化膜(SiO2
45が形成されている。そして、トレンチ孔47内部に
はポリシリコン膜43、43′、43″が形成されてい
る。このようなトレンチ構造において、ピラー41及び
n型不純物拡散領域44が第1の電極とし、誘電体膜4
2を誘電体とし、ポリシリコン膜43、43′、43″
を第2の電極とするキャパシタ(C)が構成される。
FIG. 9 is a circuit diagram of a DRAM memory, and FIG.
Is a sectional view of a semiconductor substrate on which a DRAM memory element is formed, and FIG. 11 is a schematic plan view of the semiconductor substrate partially showing a memory element pattern. The semiconductor substrate 40, for example, p
A transistor (Tr) and a capacitor (C) for one memory cell are formed on the silicon semiconductor substrate. A trench hole 47 is formed in the main surface of the semiconductor substrate 40. Inside the trench hole 47, a polysilicon pillar 41 is formed from the bottom surface toward the opening end. A dielectric film 42 of a silicon nitride film is formed on the bottom and side surfaces of the trench hole 47 and on the surface of the pillar 41. An n-type impurity diffusion region 44 is formed inside the semiconductor substrate near the side wall and bottom surface except for the upper part of the trench hole. A silicon oxide film (SiO 2 ) for preventing a short circuit with the substrate except for a part of the opening end of the upper side wall of the trench hole 47
45 are formed. Then, polysilicon films 43, 43 ', 43 "are formed inside the trench holes 47. In such a trench structure, the pillar 41 and the n-type impurity diffusion region 44 serve as a first electrode, and a dielectric film is formed. 4
2 as a dielectric, polysilicon films 43, 43 ', 43 "
Is a second electrode, and a capacitor (C) is formed.

【0024】一方、半導体基板40の主面にはMOSト
ランジスタ(Tr)が形成されている。すなわち、ソー
ス/ドレイン領域であるn型不純物拡散領域46、46
は、トレンチ孔47に近接して形成されている。また、
ソース/ドレイン領域46、46間の上にゲート酸化膜
48を介してポリシリコン膜などからなるゲート49が
形成されている。ソース/ドレイン領域の一方はキャパ
シタ(C)の第2の電極と電気的に接続されている(第
1の電極は接地されている)。このようなMOSトラン
ジスタとキャパシタは、図9に示すメモリセルを構成し
ている。図11に示すように、半導体基板40には1メ
モリセル50が縦横に繰り返し形成され、セルアレイを
構成している。メモリセル50のn型不純物拡散領域4
4は、隣接するメモリセルのn型不純物拡散領域44′
と接合されている。この実施例のキャパシタは、ピラー
が形成されているので表面積が従来より広く、したがっ
て、容量は従来より1.7倍も大きくなっている。DR
AMは、リフレッシュ動作の頻度、センス動作時の動作
余裕確保及びアルファ線によるソフトエラー率低減のた
めにキャパシタンス容量は、メモリセルの微細化にかか
わらず常に一定値以上の値を確保していく必要がある。
この実施例のキャパシタは、従来より容量が大きくなっ
ているので、DRAMに用いて最適である。
On the other hand, a MOS transistor (Tr) is formed on the main surface of the semiconductor substrate 40. That is, n-type impurity diffusion regions 46, 46 serving as source / drain regions
Are formed near the trench hole 47. Also,
A gate 49 made of a polysilicon film or the like is formed above the source / drain regions 46, 46 with a gate oxide film 48 interposed therebetween. One of the source / drain regions is electrically connected to the second electrode of the capacitor (C) (the first electrode is grounded). Such a MOS transistor and a capacitor constitute a memory cell shown in FIG. As shown in FIG. 11, one memory cell 50 is repeatedly formed vertically and horizontally on a semiconductor substrate 40 to form a cell array. N-type impurity diffusion region 4 of memory cell 50
4 denotes an n-type impurity diffusion region 44 'of an adjacent memory cell.
And is joined. The capacitor of this embodiment has a larger surface area than that of the conventional capacitor due to the formation of the pillar, and therefore has a capacity 1.7 times larger than that of the conventional capacitor. DR
AM is required to maintain a constant value of capacitance at least a certain value regardless of the miniaturization of memory cells in order to ensure the frequency of refresh operation, operation margin during sensing operation, and reduction of soft error rate by alpha rays. There is.
Since the capacitance of this embodiment is larger than that of the conventional capacitor, it is most suitable for use in a DRAM.

【0025】なお、前記実施例では、半導体基板のトレ
ンチ孔形成のための異方性エッチングとしてマグネトロ
ンRIE装置を用いたが、誘導結合型RIE装置や、E
CR−RIE装置あるいは単純な平行平板型のRIE装
置など、各種のエッチング装置を用いることができ、マ
グネトロンRIE装置に限定されない。また、前記実施
例ではピラーとしてポリシリコンを用いたが、アモルフ
ァスシリコン等の半導体材料、炭化珪素(SiC)、シ
リサイド、カ−ボン等、各種の導電性材料など適宜目的
に合わせて各種用いることができる。また、前記実施例
では、トレンチ孔側壁のカラー材料としてBSG、トレ
ンチ孔のハ−ドマスク材料としてTEOSという組み合
わせを用いたが、他の適宜な材料の組み合わせを用いて
もよい。例えば、BSGの代わりに、気相HF処理にお
いてTEOSに対して選択比を得ることのできる材料と
してBPSG(Boron-doped Phospho-Silicate Glass)
や、PSG(Phospho-Silicate Glass)、SOG(Spin On
Glass) 等を用いることも可能である。また、例えば、
ハ−ドマスク材料として、TEOSの代わりに熱酸化膜
やSiN膜などの材料を用いることも可能である。
In the above embodiment, a magnetron RIE apparatus was used for anisotropic etching for forming a trench hole in a semiconductor substrate.
Various etching devices such as a CR-RIE device or a simple parallel plate type RIE device can be used, and the present invention is not limited to a magnetron RIE device. Although polysilicon is used as the pillar in the above-described embodiment, various kinds of conductive materials such as a semiconductor material such as amorphous silicon, various conductive materials such as silicon carbide (SiC), silicide, and carbon may be used as appropriate. it can. Further, in the above-described embodiment, the combination of BSG as the color material for the sidewall of the trench hole and the combination of TEOS as the hard mask material for the trench hole are used. However, another suitable combination of materials may be used. For example, instead of BSG, BPSG (Boron-doped Phospho-Silicate Glass) is used as a material capable of obtaining a selectivity with respect to TEOS in a gas phase HF treatment.
And PSG (Phospho-Silicate Glass), SOG (Spin On
Glass) can be used. Also, for example,
As a hard mask material, a material such as a thermal oxide film or a SiN film can be used instead of TEOS.

【0026】また、前記実施例では、トレンチ形成のた
めのハ−ドマスク材料としてTEOS/SiN/SiO
2 の積層体を用いたが、目的に応じて各種の材料と膜構
成、膜厚などを任意に選択することが可能である。例え
ば、TEOS単層膜もしくは熱酸化膜の単層膜を用いる
こともできる。また、前記実施例ではトレンチエッチン
グのためのハ−ドマスク材料としてTEOSを用いた
が、熱酸化膜などのBSGに対して選択比を得ることの
可能なSiO2 系の材料を用いることもでき、SiN膜
など他の材料を用いることも可能である。また、上記実
施例におけるピラ−の径、ピラ−を酸化する際の酸化
量、トレンチ孔の深さなどの条件は、目的に応じて任意
に選択可能である。また、前記実施例では、垂直形状の
トレンチ孔を形成したが、深いところで細くなった形状
のトレンチ孔や逆に深いところで径が大きい形状のトレ
ンチ孔、途中で太さを変化させたトレンチ孔などの任意
の形状を選択可能である。また、前記実施例では、キャ
パシタ形成のための技術としてピラー形成工程を用いた
がキャパシタ形成以外の目的にも適用可能である。
In the above embodiment, TEOS / SiN / SiO 2 is used as a hard mask material for forming a trench.
Although the two laminates were used, various materials, film configurations, film thicknesses, and the like can be arbitrarily selected according to the purpose. For example, a TEOS single-layer film or a single-layer film of a thermal oxide film can be used. In the above embodiment, TEOS was used as a hard mask material for trench etching. However, a SiO 2 material such as a thermal oxide film, which can obtain a selectivity with respect to BSG, can be used. It is also possible to use another material such as a SiN film. In addition, conditions such as the diameter of the pillar, the amount of oxidation when oxidizing the pillar, and the depth of the trench hole in the above embodiment can be arbitrarily selected according to the purpose. In the above-described embodiment, the vertical trench hole is formed. However, the trench hole becomes narrower at a deeper position, the trench hole has a larger diameter at a deeper position, and the trench hole changes in thickness in the middle. Any shape of can be selected. Further, in the above-described embodiment, the pillar forming step is used as a technique for forming a capacitor, but the present invention can be applied to purposes other than forming a capacitor.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明は、以上の構成により、ピラー構
造をトレンチキャパシタとして使用することでキャパシ
タの表面積を大きくすることができるのでキャパシタの
外径寸法を大きくすることなくキャパシタンス容量を大
きく確保することができる。また、トレンチ孔内にさら
に小さな径のピラ−を自己整合的に形成することが可能
であり、リソグラフィ工程の限界をさらに下回る構造を
容易に形成できる。
According to the present invention, since the surface area of the capacitor can be increased by using the pillar structure as a trench capacitor, the capacitance can be increased without increasing the outer diameter of the capacitor. be able to. Further, a pillar having a smaller diameter can be formed in the trench hole in a self-aligned manner, and a structure which is lower than the limit of the lithography process can be easily formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施例の半導体装置及びその製造工程断
面図。
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment and a manufacturing process thereof.

【図2】第1の実施例の半導体装置の製造工程断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図3】第1の実施例の半導体装置の製造工程断面図及
び平面図。
3A and 3B are a cross-sectional view and a plan view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図4】第2の実施例の半導体装置の製造工程断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図5】第2の実施例の半導体装置の製造工程断面図。FIG. 5 is a sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment;

【図6】第2の実施例の半導体装置の製造工程断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図7】第3の実施例の半導体装置の製造工程断面図。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment.

【図8】第3の実施例の半導体装置の製造工程断面図。FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment.

【図9】第4の実施例のDRAMメモリセルの回路図。FIG. 9 is a circuit diagram of a DRAM memory cell according to a fourth embodiment.

【図10】第4の実施例の半導体装置の断面図。FIG. 10 is a sectional view of a semiconductor device according to a fourth embodiment.

【図11】第4の実施例の半導体装置の平面図。FIG. 11 is a plan view of a semiconductor device according to a fourth embodiment.

【図12】従来の装置の製造工程断面図。FIG. 12 is a sectional view showing a manufacturing process of a conventional device.

【図13】従来の装置の製造工程断面図。FIG. 13 is a sectional view showing a manufacturing process of a conventional device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、21、31、101・・・シリコン窒化膜、2、2
2、32、102・・・TEOS膜、3、23、24、
33、34、39、47、103・・・トレンチ孔、
4、42、104・・・キャパシタ絶縁膜、5、25、
105・・・ポリシリコン層、6、25′、26′、3
5、36、41・・・ピラー、7、27・・・BSG
膜、 7′、27′・・・カラーBSG膜、8、2
8、38、45・・・シリコン酸化膜、9、43、4
3′、43″、105・・・ポリシリコン膜、10、2
0、30、40、100・・・半導体基板、37・・・
シリコン酸化膜(ピラー)、44、44′・・・n型不
純物拡散領域、46・・・ソース/ドレイン領域(n型
不純物拡散領域)、48・・・ゲート酸化膜、 49・
・・ゲート、 50・・・メモリセル。
1, 21, 31, 101... Silicon nitride film, 2, 2
2, 32, 102... TEOS film, 3, 23, 24,
33, 34, 39, 47, 103 ... trench holes,
4, 42, 104 ... capacitor insulating film, 5, 25,
105... Polysilicon layer, 6, 25 ', 26', 3
5, 36, 41 ... pillar, 7, 27 ... BSG
Film, 7 ', 27' ... Color BSG film, 8, 2
8, 38, 45 ... silicon oxide film, 9, 43, 4
3 ′, 43 ″, 105... Polysilicon film, 10, 2
0, 30, 40, 100 ... semiconductor substrate, 37 ...
Silicon oxide films (pillars), 44, 44 '... N-type impurity diffusion regions; 46, source / drain regions (n-type impurity diffusion regions); 48, gate oxide films;
.. Gate, 50... Memory cells.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体素子及びキャパシタが形成された
半導体基板と、前記半導体基板主面に形成された所定の
開口径を有するトレンチ孔と、前記トレンチ孔の底面に
形成され、この底面から開口端に向かって形成された導
電層からなるピラーと、前記トレンチ孔側壁及び前記ピ
ラー表面に形成された絶縁膜と、少なくとも前記トレン
チ孔に埋め込まれた導電膜とを具備し、前記キャパシタ
は、前記半導体基板及び前記ピラーを第1の電極、前記
絶縁膜を誘電体、前記導電膜を第2の電極としているこ
とを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor substrate on which a semiconductor element and a capacitor are formed, a trench hole having a predetermined opening diameter formed on a main surface of the semiconductor substrate, and a bottom formed on a bottom surface of the trench hole. A pillar made of a conductive layer formed toward the substrate, an insulating film formed on the trench hole side wall and the surface of the pillar, and a conductive film embedded at least in the trench hole. A semiconductor device comprising: a substrate and the pillar as a first electrode; the insulating film as a dielectric; and the conductive film as a second electrode.
【請求項2】 半導体素子及びキャパシタが形成された
半導体基板と、前記半導体基板主面に形成された所定の
開口径を有する第1のトレンチ孔と、前記第1のトレン
チ孔の底面に形成され、この底面から開口端に向かって
形成された導電層からなるピラーと、前記ピラーの上面
から底面に向かって形成された第2のトレンチ孔と、前
記第1及び第2のトレンチ孔内部及び前記ピラー表面に
形成された絶縁膜と、少なくとも前記第1及び第2のト
レンチ孔に埋め込まれた導電膜とを具備し、前記キャパ
シタは、前記半導体基板及び前記ピラーを第1の電極、
前記絶縁膜を誘電体、前記導電膜を第2の電極としてい
ることを特徴とする半導体装置。
2. A semiconductor substrate on which a semiconductor element and a capacitor are formed, a first trench having a predetermined opening diameter formed on a main surface of the semiconductor substrate, and a bottom formed on the bottom of the first trench. A pillar made of a conductive layer formed from the bottom surface toward the opening end, a second trench hole formed from the top surface of the pillar toward the bottom surface, the inside of the first and second trench holes, and An insulating film formed on a pillar surface; and a conductive film buried in at least the first and second trench holes, wherein the capacitor connects the semiconductor substrate and the pillar to a first electrode,
A semiconductor device, wherein the insulating film is a dielectric, and the conductive film is a second electrode.
【請求項3】 半導体基板主面に所定の開口径を有する
トレンチ孔を形成する工程と、前記トレンチ孔側壁上に
絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板主面上及び前
記側壁に絶縁膜が形成されたトレンチ孔内部に導電層を
充填させる工程と、前記半導体基板主面上の導電層をエ
ッチング除去して前記導電層を前記トレンチ孔内部にの
み残す工程と、前記トレンチ孔側壁に形成された絶縁膜
をエッチング除去して、前記トレンチ孔の底面に、この
底面から開口端に向かって形成された前記導電層から構
成されたピラーを形成する工程とを具備したことを特徴
とする半導体装置の製造方法。
3. A step of forming a trench hole having a predetermined opening diameter on a main surface of the semiconductor substrate, a step of forming an insulating film on a side wall of the trench hole, and an insulating film on the main surface of the semiconductor substrate and the side wall. Filling the inside of the trench with the conductive layer, etching the conductive layer on the main surface of the semiconductor substrate to leave the conductive layer only inside the trench, and forming the conductive layer only on the sidewall of the trench. Forming a pillar composed of the conductive layer formed from the bottom surface toward the opening end on the bottom surface of the trench hole by etching and removing the formed insulating film. Device manufacturing method.
【請求項4】 半導体基板主面に所定の開口径を有する
第1のトレンチ孔を形成する工程と、前記第1のトレン
チ孔側壁上に絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板
主面上及び前記側壁に絶縁膜が形成された第1のトレン
チ孔内部に導電層を充填させる工程と、前記半導体基板
主面上の導電層をエッチング除去して前記導電層を前記
第1のトレンチ孔内部にのみ残す工程と、前記第1のト
レンチ孔側壁に形成された絶縁膜をエッチング除去し
て、前記第1のトレンチ孔の底面に、この底面から開口
端に向かって形成された前記導電層から構成された第1
のピラーを形成する工程と、前記第1のピラー及びこの
第1のピラーと対向する第1のトレンチ孔側壁を酸化さ
せる工程と、前記第1のトレンチ孔の底面をエッチング
して前記第1のトレンチ孔の下にこの第1のトレンチ孔
と連続してなる第2のトレンチ孔を形成すると共に前記
第1のピラーの下に、第1のトレンチ孔側壁に酸化によ
り形成された酸化膜をマスクにして異方性エッチングを
行うことにより、この第1のピラーと連続してなる第2
のピラーを形成する工程とを具備していることを特徴と
する半導体装置の製造方法。
4. A step of forming a first trench hole having a predetermined opening diameter on a main surface of the semiconductor substrate, a step of forming an insulating film on a side wall of the first trench hole, and a step of forming an insulating film on the main surface of the semiconductor substrate. Filling a conductive layer inside the first trench hole in which an insulating film is formed on the side wall; and etching the conductive layer on the main surface of the semiconductor substrate to remove the conductive layer inside the first trench hole. And removing the insulating film formed on the side wall of the first trench hole by etching to form a conductive layer formed on the bottom surface of the first trench hole from the bottom surface toward the opening end. Composed first
Forming the first pillar, oxidizing the first pillar and the side wall of the first trench hole facing the first pillar, and etching the bottom surface of the first trench hole to form the first pillar. A second trench hole is formed below the trench hole, the second trench hole being continuous with the first trench hole, and an oxide film formed by oxidation on the side wall of the first trench hole is masked below the first pillar. By performing anisotropic etching, the second pillar continuous with the first pillar is formed.
Forming a pillar as described above.
【請求項5】 半導体基板主面に所定の開口径を有する
第1のトレンチ孔を形成する工程と、前記第1のトレン
チ孔側壁上に絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板
主面上及び前記側壁に絶縁膜が形成された第1のトレン
チ孔内部に導電層を充填させる工程と、前記半導体基板
主面上の導電層をエッチング除去して前記導電層を前記
第1のトレンチ孔内部にのみ残す工程と、前記第1のト
レンチ孔側壁に形成された絶縁膜をエッチング除去し
て、前記第1のトレンチ孔の底面に、この底面から開口
端に向かって形成された前記導電層から構成された第1
のピラーを形成する工程と、前記第1のピラー表面及び
この第1のピラーと対向する第1のトレンチ孔側壁を酸
化させる工程と、前記第1のトレンチ孔の底面をエッチ
ングして前記第1のトレンチ孔の下にこの第1のトレン
チ孔と連続してなる第2のトレンチ孔を形成すると共に
前記第1のピラーの下にこの第1のピラーと連続してな
る第2のピラーを形成する工程と、前記第1及び第2の
ピラーを、前記第1のピラ−の表面に酸化により形成さ
れた酸化膜をマスクとして異方性エッチングを行うこと
により、前記第1及び第2のピラ−内に第2のトレンチ
孔を形成する工程を具備していることを特徴とする半導
体装置の製造方法。
5. A step of forming a first trench hole having a predetermined opening diameter on a main surface of the semiconductor substrate, a step of forming an insulating film on a side wall of the first trench hole, and Filling a conductive layer inside the first trench hole in which an insulating film is formed on the side wall; and etching the conductive layer on the main surface of the semiconductor substrate to remove the conductive layer inside the first trench hole. And removing the insulating film formed on the side wall of the first trench hole by etching to form a conductive layer formed on the bottom surface of the first trench hole from the bottom surface toward the opening end. Composed first
Forming the first pillar, oxidizing a surface of the first pillar and a sidewall of the first trench hole facing the first pillar, and etching a bottom surface of the first trench hole to form the first pillar. Forming a second trench continuous with the first trench below the trench, and forming a second pillar continuous with the first pillar below the first pillar. And anisotropically etching the first and second pillars using an oxide film formed by oxidizing the surface of the first pillar as a mask, thereby forming the first and second pillars. Forming a second trench in the semiconductor device.
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