JP2003046080A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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JP2003046080A
JP2003046080A JP2001228436A JP2001228436A JP2003046080A JP 2003046080 A JP2003046080 A JP 2003046080A JP 2001228436 A JP2001228436 A JP 2001228436A JP 2001228436 A JP2001228436 A JP 2001228436A JP 2003046080 A JP2003046080 A JP 2003046080A
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groove
semiconductor substrate
polysilicon layer
impurity diffusion
forming
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JP2001228436A
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Tomoya Sanuki
朋也 佐貫
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】パターン占有面積の縮小と電荷の保持特性を改
善できる半導体装置及びその製造方法を提供することを
目的としている。 【解決手段】半導体装置は、半導体基板11と、前記半
導体基板の主表面に形成された溝14と、前記溝の開口
部近傍の前記半導体基板中に形成され、ゲート電極とし
て働く第1の不純物拡散領域15と、前記溝の側壁にお
ける前記第1の不純物拡散領域の表面に形成されたゲー
ト絶縁膜18と、前記溝の上部に埋め込まれ、前記ゲー
ト絶縁膜を介在して前記第1の不純物拡散領域に対向
し、チャネル領域として働く第1のポリシリコン層19
と、前記溝内の第1のポリシリコン層下に形成された導
電層17と、前記第1のポリシリコン層上に形成され、
ソースまたはドレイン領域として働く第2のポリシリコ
ン層20とを具備する縦型トランジスタを備えることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、縦型トランジスタ
を備えた半導体装置及びその製造方法に関し、例えばト
レンチ型DRAMのメモリセル構造に好適であり、汎用
DRAMやDRAM/ロジック混載デバイス等に使用さ
れるものである。
【0002】
【従来の技術】情報通信分野の発展に伴い、DRAMの
大容量化への要求はますます強くなってきている。この
ような大容量化に対応するために、256Mビットの汎
用DRAMやCMOSIII世代のDRAM/ロジック混
載デバイスでは、埋め込みストラップ(Buried Srtap)
を用いたトレンチ構造を採用している。現状のトレンチ
セル構造では、半導体基板の主表面に形成した溝内にト
レンチキャパシタを形成し、この溝の開口部近傍にトラ
ンスファゲートトランジスタを形成している。上記トレ
ンチキャパシタは、溝内に埋め込まれたポリシリコン層
を一方の電極、溝の側壁及び底部の基板表面に形成され
た絶縁膜をキャパシタ絶縁膜、溝の側壁及び底部周辺の
基板中に形成された不純物拡散層を他方の電極として形
成される。上記トランスファゲートトランジスタは、D
RAM周辺のロジック回路部と同じ構造のトランジスタ
である。上記トランスファゲートトランジスタのソース
またはドレイン領域(不純物拡散領域)は、埋め込みス
トラップを介して上記溝内のポリシリコン層と電気的に
接続されている。
【0003】さらに大容量化を進めて行くためには、セ
ル面積を縮小するだけでなく、セル面積の縮小に伴って
トレンチキャパシタの容量も小さくなることから、セル
に保持されている電荷をより長い時間保持できるデバイ
ス構造を採用する等の手法が必要となる。
【0004】近年、セル面積を縮小するために、トラン
スファゲートトランジスタを縦型に配置する方法が提案
されており、例えばIEDM Tech. Dig., P 25, 1999, U.G
ruening, et al. "A Novel Trench DRAM Cell with VER
I BEST for 4Gb/16Gb"には、埋め込みストラップを基板
深くに形成し、トレンチの側壁部をチャネル領域として
用いる縦型トランジスタを有するセル構造が発表されて
いる。
【0005】しかしながら、このセル構造は、埋め込み
ストラップを持つ構造のため、電荷を保持する特性を決
めている最大の要因である埋め込みストラップからのジ
ャンクションリークは改善できない。
【0006】その他には、埋め込みストラップ部からの
ジャンクションリークをなくすために、埋め込みストラ
ップを設けずに、溝内部に形成したポリシリコン層をチ
ャネル領域として用いる縦型トランジスタを有するセル
構造も提案されている。
【0007】このセル構造では、縦型トランジスタのゲ
ート電極もポリシリコン等を用いて形成することになる
が、チャネル領域が単結晶シリコン(基板)の場合に比
べて、ポリシリコン層の表面に耐圧や信頼性が高い良質
なゲート酸化膜を形成するのが難しく、縦型トランジス
タの耐圧や信頼性の低下を招くとともに、十分な電荷保
持特性が得られない恐れがある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の縦
型トランジスタを有する半導体装置及びその製造方法で
は、パターン占有面積を縮小しようとすると縦型トラン
ジスタの耐圧や信頼性の低下を招くという問題があっ
た。
【0009】また、従来のトレンチセル構造を有する半
導体装置及びその製造方法では、トレンチキャパシタの
近傍にトランジスタを縦型に配置してパターン占有面積
を縮小しようとすると、電荷の保持特性が低下したり、
埋め込みストラップからジャンクションリークが発生す
るという問題があった。
【0010】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、耐圧や信頼性の低
下を招くことなくパターン占有面積の縮小化を図れる縦
型トランジスタを有する半導体装置及びその製造方法を
提供することにある。
【0011】また、本発明の目的は、パターン占有面積
を縮小しても、電荷の保持特性の低下や埋め込みストラ
ップからのジャンクションリークを抑制できるトレンチ
セル構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供す
ることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の縦型トランジス
タを備える半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基
板の主表面に形成された溝と、前記溝の開口部近傍の前
記半導体基板中に形成され、ゲート電極として働く第1
の不純物拡散領域と、前記溝の側壁における前記第1の
不純物拡散領域の表面に形成されたゲート絶縁膜と、前
記溝の上部に埋め込まれ、前記ゲート絶縁膜を介在して
前記第1の不純物拡散領域に対向し、チャネル領域とし
て働く第1のポリシリコン層と、前記溝内の第1のポリ
シリコン層下に形成された導電層と、前記第1のポリシ
リコン層上に形成され、ソースまたはドレイン領域とし
て働く第2のポリシリコン層とを具備することを特徴と
している。
【0013】また、本発明の半導体装置は、半導体基板
と、前記半導体基板の主表面に形成された溝と、前記溝
の下部に形成されたトレンチキャパシタと、前記溝の上
部に、電流通路の一端が前記トレンチキャパシタの一方
の電極と電気的に接続されて形成され、前記溝の開口部
近傍の前記半導体基板中に形成された第1の不純物拡散
領域をゲート電極とする縦型トランジスタとを具備する
ことを特徴としている。
【0014】本発明の縦型トランジスタを備える半導体
装置の製造方法は、半導体基板中に第1の不純物拡散領
域を形成する工程と、前記半導体基板上にこの半導体基
板とエッチング選択比のあるマスク層を形成する工程
と、前記マスク層を用いて、前記半導体基板の主表面か
ら前記第1の不純物拡散領域に達する深さの溝を形成す
る工程と、前記溝の底部近傍の側壁に第1の絶縁膜を形
成する工程と、前記溝の下部に、前記第1の不純物拡散
領域に電気的に接続された導電層を埋め込み形成する工
程と、前記溝の上部の側壁を酸化して、ゲート絶縁膜と
して働く第2の絶縁膜を形成する工程と、前記溝内の前
記導電層上にチャネル領域として働く第1のポリシリコ
ン層を埋め込み形成する工程と、前記マスク層を除去
し、前記第1のポリシリコン層の上部を前記半導体基板
の主表面から露出させる工程と、前記溝の上部の前記第
1のポリシリコン層及び前記半導体基板の主表面におけ
る前記溝の開口部近傍に不純物を導入し、前記第1のポ
リシリコン層中にソースまたはドレイン領域として働く
第2の不純物拡散領域、前記半導体基板における前記溝
の開口部近傍にゲート電極として働く第3の不純物拡散
領域を形成する工程とを具備することを特徴としてい
る。
【0015】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板上にこの半導体基板とエッチング選択比のあ
るマスク層を形成する工程と、前記マスク層を用いて、
前記半導体基板の主表面に溝を形成する工程と、前記溝
の下部にトレンチキャパシタを形成する工程と、前記溝
の下部に、前記第1の不純物拡散領域に電気的に接続さ
れた導電層を埋め込み形成する工程と、前記溝の上部の
側壁を酸化して、ゲート絶縁膜として働く絶縁膜を形成
する工程と、前記溝内にチャネル領域として働く第1の
ポリシリコン層を埋め込み形成する工程と、前記マスク
層を除去し、前記第1のポリシリコン層の上部を前記半
導体基板の主表面から露出させる工程と、前記溝の上部
の前記第1のポリシリコン層及び前記半導体基板の主表
面における前記溝の開口部近傍に不純物を導入し、前記
第1のポリシリコン層中にソースまたはドレイン領域と
して働く第2の不純物拡散領域、前記半導体基板におけ
る前記溝の開口部近傍にゲート電極として働く第3の不
純物拡散領域を形成する工程とを具備することを特徴と
している。
【0016】上記のような構成並びに製造方法によれ
ば、溝の開口部近傍の半導体基板中に形成した不純物拡
散領域をゲート電極として用い、ゲート絶縁膜は上記半
導体基板を酸化して形成できるため、耐圧が高く且つ信
頼性も高いゲート絶縁膜を得ることができる。
【0017】よって、耐圧や信頼性の低下を招くことな
くパターン占有面積の縮小化を図れる。また、トレンチ
セルを形成したときに、パターン占有面積を縮小して
も、電荷の保持特性の低下や埋め込みストラップからの
ジャンクションリークを抑制できる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図1及び図2はそれぞれ、
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置について説
明するためのもので、図1は縦型トランジスタの断面
図、図2は縦型トランジスタのパターン平面図であり、
図2のX−X’線に沿った断面が図1に対応する。
【0019】図1に示すように、半導体基板(例えばシ
リコン基板)11中にN型の不純物拡散領域12が形
成されている。上記半導体基板11の主表面にはSTI
(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離領域13
が形成されて素子分離が行われ、この素子分離領域13
で分離された領域内に上記不純物拡散領域12に達する
深さの溝14が形成されている。上記素子分離領域13
で区画された領域における溝14の開口部近傍の半導体
基板11の表面領域には、ゲート電極として働くN
の不純物拡散領域15が形成されている。上記溝14の
下部の側壁には、TEOS等からなる絶縁膜カラー16
が形成され、この溝14内の下部がN型のポリシリコ
ン層(または金属層)17で埋め込まれている。また、
上記溝14の上部の側壁には、ゲート絶縁膜として働く
絶縁膜18が形成され、この溝14の上部がチャネル領
域として働くP型ポリシリコン層19で埋め込まれて
いる。上記絶縁膜18は、上記溝14の側壁の半導体基
板11が酸化されて形成される。上記ポリシリコン層1
9上には、ソースまたはドレイン領域として働くN
のポリシリコン層20が形成されている。上記ポリシリ
コン層20の側壁には、側壁絶縁膜21が形成され、そ
の上面にはシリサイド層22が形成されている。上記不
純物拡散領域15上にもシリサイド層23が形成されて
いる。
【0020】上記半導体基板11の主表面上の全面に
は、PSGやBPSG、あるいはこれらの積層構造から
なる層間絶縁膜24が形成され、この層間絶縁膜24の
上記シリサイド層22上にコンタクトホール25が形成
されている。このコンタクトホール25内には金属プラ
グ26が埋め込まれ、上記層間絶縁膜24上に形成され
た金属層27とコンタクトされている。
【0021】図3乃至図11はそれぞれ、上記図1及び
図2に示した縦型トランジスタの製造工程を順次示す断
面図である。まず、図3に示すように、半導体基板11
の深い領域にイオン注入等によりN型の不純物拡散領
域12を形成する。その後、上記半導体基板11の主表
面上にSiN等からなるマスク31を形成し、RIE等
の異方性エッチングを行って溝14を形成する。
【0022】その後、図4に示すように、上記半導体基
板11の主表面上、溝14の側壁及び底部に、CVD法
等により絶縁膜(TEOS)16を堆積形成する。
【0023】次に、RIE等の異方性エッチングを行っ
て半導体基板11の主表面上及び溝14の底部の絶縁膜
16を除去し、溝14の側壁部に残存させる。引き続
き、図5に示すように、上記マスク31上及び溝14内
に、N型のポリシリコン層17を堆積形成する。
【0024】その後、図6に示すように、上記ポリシリ
コン層17をRIE等でエッチバックして、溝14の底
部に残存させる。この時、絶縁膜16もエッチバックさ
れる。
【0025】次に、上記溝14内の半導体基板11の露
出面を熱酸化して、厚さが5nm程度のゲート絶縁膜1
8を形成する。このゲート絶縁膜18は、シリコン表面
を酸化したSiO膜でも良いが、シリコン表面を酸化
した後にシリコン窒化膜を堆積、もしくはシリコン表面
を酸化した酸化膜の表面を窒化して形成したSiO
SiNの積層構造を用いても良い。この際、上記ポリシ
リコン層17の露出面上にも酸化膜18’が形成され
る。その後、図7に示すように、上記マスク31上及び
溝14内にP型ポリシリコン層32を溝14の半径よ
り薄く形成する。
【0026】次に、図8に示すように、RIE等により
上記ポリシリコン層32をエッチバックし、上記溝14
内の上記ポリシリコン層17上の絶縁膜18’を除去す
る。この際、溝14の側壁に形成されているゲート絶縁
膜18は、上記溝14の側壁に残存されているポリシリ
コン層32によって保護される。
【0027】次に、上記溝14内を埋め込むように、マ
スク31上の全面にポリシリコン層を形成し、CMPを
行ってマスク31上のポリシリコン層を除去して平坦化
することにより、図9に示すように上記溝14をポリシ
リコン層33で埋め込む。この時、ポリシリコン層33
の上部は、半導体基板11の主表面よりも上になるよう
にする。
【0028】その後、図10に示すように、上記マスク
31を除去し、STI用の溝を形成して絶縁物を埋め込
み、素子分離領域13を形成する。これによって、縦型
トランジスタ周辺の半導体基板と隣接する縦型トランジ
スタ周辺の半導体基板とが電気的に分離される。
【0029】次に、不純物のイオン注入を行って、図1
1に示すように、ゲート電極として働く不純物拡散領域
15、及びソースまたはドレイン領域20(ポリシリコ
ン層32,33)を形成した後、ソースまたはドレイン
領域として働くポリシリコン層20の側壁部に側壁絶縁
膜21を形成する。そして、サリサイド技術により、上
記不純物拡散領域15上及びポリシリコン層20上にシ
リサイド層23,22を形成する。上記シリサイド層2
3によってゲート電極の低抵抗化が図れ、上記シリサイ
ド層22によってコンタクトの容易化と高信頼性化が図
れる。
【0030】その後、周知の多層配線工程を用いて配線
層を形成する。上記半導体基板11上の全面に層間絶縁
膜24を形成し、シリサイド層22上にコンタクトホー
ル25を開孔した後、金属プラグ26で埋め込む。そし
て、上記層間絶縁膜24上に金属配線層27を形成する
ことにより、図1及び図2に示したような縦型トランジ
スタを形成する。
【0031】上記のような構成並びに製造方法によれ
ば、半導体基板11中に形成した不純物拡散領域14を
ゲート電極として用い、ゲート絶縁膜18を溝14の側
壁の半導体基板11を酸化して形成するので、パターン
占有面積を縮小しても耐圧が高く且つ信頼性も高いゲー
ト絶縁膜14を得ることができる。
【0032】なお、上記図5に示した工程において、上
記マスク31上及び溝14内に、N 型のポリシリコン
層17を堆積形成したが、蒸着等により金属層34を形
成し、図12に示すように、上記金属層34をRIE等
でエッチバックして、溝14の底部に残存させるように
しても良い。
【0033】ポリシリコン層17に代えて金属層34を
形成すれば、図13に示すように、ゲート絶縁膜18を
形成するときに、金属層34の表面に酸化膜等の絶縁膜
が形成されるのを防止でき、図8に示した絶縁膜18’
の除去工程を不要にして製造工程の簡単化が図れる。
【0034】図14及び図15はそれぞれ、本発明の第
2の実施の形態に係る半導体装置について説明するため
のもので、図14はメモリセル構造の断面図、図15は
パターン平面図であり、図15のY−Y’線に沿った断
面が図14に対応する。
【0035】半導体基板(例えばシリコン基板)41の
主表面には、STI構造の素子分離領域42が形成され
て素子分離が行われている。上記素子分離領域42で分
離された素子領域には、溝43が形成され、この溝43
の下部にトレンチキャパシタ44が、上部にトランスフ
ァゲートトランジスタ45が形成されている。
【0036】上記トレンチキャパシタ44は、溝43の
底部に埋め込まれたN型のポリシリコン層46を一方
の電極、上記溝の側壁及び底部に形成された絶縁膜47
をキャパシタ絶縁膜、上記溝43の側壁及び底部周辺の
半導体基板41中に形成され上記キャパシタ絶縁膜47
を介在して対向する不純物拡散領域48を他方の電極と
して形成されている。
【0037】上記トランスファゲートトランジスタ45
は、溝43に埋め込み形成されたポリシリコン層49を
チャネル領域とし、溝43の開口部近傍の不純物拡散領
域50をゲート電極とする。チャネル領域49とゲート
電極50は、溝43の側壁に形成されたゲート絶縁膜5
1によって電気的に絶縁されている。このゲート絶縁膜
51は、上記溝14内の半導体基板41の表面が酸化さ
れて形成される。
【0038】半導体基板41のゲート電極として働く領
域50は、上記STI構造の素子分離領域42によって
素子分離されている。上記チャネル領域49上に形成さ
れ、ソースまたはドレイン領域として働くポリシリコン
層52の側壁には、側壁絶縁膜53が形成され、その上
面にはシリサイド層54が形成されている。上記ゲート
電極50上にもシリサイド層55が形成されている。す
なわち、上記ゲート電極50の上部とソースまたはドレ
イン領域52は側壁絶縁膜53によって分離されたサリ
サイド構造を持つ。
【0039】上記溝43の側壁のトレンチキャパシタ4
4とトランスファゲートトランジスタ45の間の領域に
は、TEOS等からなる絶縁膜カラー56が形成されて
いる。また、上記チャネル領域とトンネルキャパシタの
一方の電極との間には、N型のポリシリコン層(また
は金属層)57が埋め込まれている。
【0040】上記半導体基板41の主表面上の全面に
は、PSGやBPSG、あるいはこれらの積層構造から
なる層間絶縁膜58が形成され、この層間絶縁膜58の
上記シリサイド層54上にコンタクトホール59が形成
されている。このコンタクトホール59内には金属プラ
グ60が埋め込まれ、上記層間絶縁膜58上に形成され
た金属層(ビット線)61とコンタクトされている。
【0041】上記トレンチセルは、図15に示すように
千鳥配列されており、上記ゲート電極50は、溝43を
囲むように形成され、隣のセルのゲート電極と互いに繋
がっている。上記連続したゲート電極50は、ワード線
として働く。一方、ビット線としての金属層61は、隣
接する列をまたぐように配置されている。
【0042】図16乃至図27はそれぞれ、上記図14
及び図15に示したトレンチセルの製造工程を順次示す
断面図である。まず、周知の汎用DRAMやDRAM/
ロジック混載デバイス等のプロセスを用いて、トレンチ
キャパシタ44、このトレンチキャパシタ44と半導体
基板41を電気的に分離するためのTEOS等の絶縁膜
カラー56、及びポリシリコン層46の形成を行う。
【0043】すなわち、図16に示すように、半導体基
板41の主表面上にSiN等からなるマスク71を形成
し、RIE等の異方性エッチングを行って溝43を形成
する。その後、上記マスク71上、溝の側壁及び底部に
N型の不純物がドープされ、拡散源となるポリシリコン
層72を形成する。
【0044】次に、上記ポリシリコン層72上にポリシ
リコンとエッチング選択比の高い材料層73を形成し、
溝43内をこの材料層73で埋め込んだ後、エッチバッ
クして溝43の底部に残存させる。そして、熱処理を行
い、上記ポリシリコン層72中のN型不純物を溝43の
下部の側壁及び底部から拡散させてトレンチキャパシタ
の電極として働くN型不純物拡散領域48を形成する
(図17参照)。
【0045】その後、上記ポリシリコン層72及び材料
層73を除去した後、熱酸化を行って、図18に示すよ
うに、溝43の側壁及び底部にキャパシタ絶縁膜47を
形成する。このゲート絶縁膜47は、シリコン表面を酸
化したSiO膜、シリコン表面を酸化した後にシリコ
ン窒化膜を堆積したSiO/SiNの積層構造、シリ
コン表面を酸化した酸化膜の表面を窒化して形成したS
iO/SiNの積層構造、あるいはこれらに更にSi
を積層したSiO/SiN/SiOの積層構造
等を用いることができる。
【0046】次に、上記マスク71上及び溝43内にポ
リシリコン層46を形成し、エッチバックして、図19
に示すように上記不純物拡散領域48に上記キャパシタ
絶縁膜47を介在して対向する、溝43の底部の領域に
残存させる。このエッチバックの際、溝43の上部の自
然酸化膜も除去される。残存されたポリシリコン層46
は、キャパシタの一方の電極として働く。これによっ
て、溝43の下部にトレンチキャパシタ44が形成され
る。
【0047】その後、図20に示すように、上記マスク
61上、溝43の側壁及び底部に、CVD法等により絶
縁膜(TEOS)56を堆積形成する。
【0048】次に、RIE等の異方性エッチングを行っ
てマスク71上及び溝43の底部の絶縁膜56を除去
し、溝43の側壁部に残存させる。引き続き、図21に
示すように、上記マスク71上及び溝43内に、N
のポリシリコン層57を堆積形成し、エッチバックして
溝43内に残存させる。この時、絶縁膜56もエッチバ
ックされ、図22に示すようになる。
【0049】引き続き、上記溝43内の半導体基板41
の露出面を熱酸化して、厚さが5nm程度のゲート絶縁
膜51を形成する。このゲート絶縁膜51は、シリコン
表面を酸化したSiO膜でも良いし、シリコン表面を
酸化した後にシリコン窒化膜を堆積、もしくはシリコン
表面を酸化した酸化膜の表面を窒化して形成したSiO
/SiNの積層構造を用いても良い。この際、上記ポ
リシリコン層57の露出面上にも酸化膜51’が形成さ
れる。
【0050】次に、図23に示すように、上記マスク7
1上及び溝43内にP型ポリシリコン層74を溝43
の半径よりも薄く形成する。
【0051】その後、図24に示すように、RIE等に
より上記ポリシリコン層74をエッチバックし、上記溝
43内の上記ポリシリコン層57上の絶縁膜51’を除
去する。この際、溝43の側壁に形成されているゲート
絶縁膜51は、上記溝43の側壁に残存されているポリ
シリコン層74によって保護される。
【0052】次に、上記溝43内を埋め込むように、マ
スク71上の全面にポリシリコン層75を形成し、CM
Pを行ってマスク71上のポリシリコン層75を除去し
て平坦化することにより、図25に示すように上記溝4
3をポリシリコン層75で埋め込む。この時、ポリシリ
コン層75の上部は、半導体基板41の主表面よりも上
になるようにする。
【0053】その後、図26に示すように、上記マスク
71を除去し、STI用の溝を形成して絶縁物を埋め込
み、素子分離領域42を形成する。これによって、トレ
ンチキャパシタ周辺の半導体基板と隣接するトレンチキ
ャパシタ周辺の半導体基板とが電気的に分離される。こ
の際、DRAMセル領域周辺のロジック回路部の素子分
離も同時に行うことができる。
【0054】次に、図27に示すように、不純物のイオ
ン注入を行って、ゲート電極として働く不純物拡散領域
50、及びソースまたはドレイン領域として働くポリシ
リコン層52(74,75)を形成した後、ポリシリコ
ン層52の側壁部に側壁絶縁膜53を形成する。そし
て、サリサイド技術により、上記不純物拡散領域50上
及びポリシリコン層52上にシリサイド層55,54を
形成する。上記シリサイド層55によってゲート電極の
低抵抗化が図れ、上記シリサイド層54によってコンタ
クトの容易化と高信頼性化が図れる。この時、セル領域
周辺のロジック回路部に対しては、上記トレンチセルの
製造工程と同一工程で、不純物のイオン注入、ポリシリ
コンゲートの側壁絶縁膜の形成、ソース,ドレイン領域
上及びゲート電極上へのシリサイド層の形成等を行う。
【0055】その後、周知の多層配線工程を用いて配線
層を形成する。すなわち、上記半導体基板41上の全面
に層間絶縁膜58を形成し、シリサイド層54上にコン
タクトホール59を開孔した後、金属プラグ60で埋め
込む。その後、上記層間絶縁膜58上にビット線として
働く金属配線層61を形成することにより、図14及び
図15に示したようなトレンチセルを形成する。
【0056】本実施の形態によれば、DRAM及びDR
AM/ロジック混載デバイスで求められているセル面積
の縮小を実現することができる。埋め込みストラップを
持たない縦型トランジスタ構造を用いていることによ
り、トレンチセル構造における電荷の保持特性を改善す
ることができる。更に、溝の側壁の半導体基板を熱酸化
して絶縁膜を形成するので、従来のシリコン基板上と同
程度の特性の良いゲート絶縁膜を得ることができる。
【0057】なお、上記図22に示した工程において、
上記マスク71上及び溝43内に、N型のポリシリコ
ン層57を堆積形成したが、蒸着等により金属層76を
形成し、図28に示すように、上記金属層76をRIE
等でエッチバックして、溝43の底部に残存させるよう
にしても良い。
【0058】ポリシリコン層57に代えて金属層76を
形成すれば、図29に示すように、ゲート絶縁膜51を
形成するときに、金属層76の表面に酸化膜等の絶縁膜
が形成されるのを防止でき、図23に示した絶縁膜5
1’の除去工程を不要にして製造工程の簡単化が図れ
る。
【0059】以上第1及び第2の実施の形態を用いて本
発明の説明を行ったが、本発明は上記各実施の形態に限
定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱し
ない範囲で種々に変形することが可能である。また、上
記各実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、
開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種
々の発明が抽出され得る。例えば各実施の形態に示され
る全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、
発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なく
とも1つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている
効果の少なくとも1つが得られる場合には、この構成要
件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【0060】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
耐圧や信頼性の低下を招くことなくパターン占有面積の
縮小化を図れる縦型トランジスタを有する半導体装置及
びその製造方法が得られる。
【0061】また、パターン占有面積を縮小しても、電
荷の保持特性の低下や埋め込みストラップからのジャン
クションリークを抑制できるトレンチセル構造を有する
半導体装置及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置に
ついて説明するためのもので、縦型トランジスタの断面
図。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置に
ついて説明するためのもので、縦型トランジスタのパタ
ーン平面図。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法について説明するためのもので、第1の工程を
示す断面図。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法について説明するためのもので、第2の工程を
示す断面図。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法について説明するためのもので、第3の工程を
示す断面図。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法について説明するためのもので、第4の工程を
示す断面図。
【図7】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法について説明するためのもので、第5の工程を
示す断面図。
【図8】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法について説明するためのもので、第6の工程を
示す断面図。
【図9】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法について説明するためのもので、第7の工程を
示す断面図。
【図10】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第8の工程
を示す断面図。
【図11】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第9の工程
を示す断面図。
【図12】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置
及びその製造方法の変形例について説明するためのもの
で、製造工程の途中を示す断面図。
【図13】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置
及びその製造方法の変形例について説明するためのもの
で、図12に示した工程に続く製造工程を示す断面図。
【図14】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
について説明するためのもので、メモリセルの断面図。
【図15】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
について説明するためのもので、メモリセルのパターン
平面図。
【図16】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第1の工程
を示す断面図。
【図17】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第2の工程
を示す断面図。
【図18】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第3の工程
を示す断面図。
【図19】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第4の工程
を示す断面図。
【図20】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第5の工程
を示す断面図。
【図21】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第6の工程
を示す断面図。
【図22】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第7の工程
を示す断面図。
【図23】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第8の工程
を示す断面図。
【図24】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第9の工程
を示す断面図。
【図25】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第10の工
程を示す断面図。
【図26】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第11の工
程を示す断面図。
【図27】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法について説明するためのもので、第12の工
程を示す断面図。
【図28】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
及びその製造方法の変形例について説明するためのもの
で、製造工程の途中を示す断面図。
【図29】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
及びその製造方法の変形例について説明するためのもの
で、図28に示した工程に続く製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
11…半導体基板(シリコン基板)、 12…N型の不純物拡散領域、 13…素子分離領域、 14…溝、 15…N型の不純物拡散領域(ゲート電極)、 16…絶縁膜カラー、 17…N型のポリシリコン層、 18…ゲート絶縁膜、 19…P型ポリシリコン層(チャネル領域)、 20…N型のポリシリコン層(ソースまたはドレイン
領域)、 21…側壁絶縁膜、 22…シリサイド層、 23…シリサイド層、 24…層間絶縁膜、 25…コンタクトホール、 26…金属プラグ、 27…金属層、 31…マスク、 32…P型ポリシリコン層、 33…ポリシリコン層、 41…半導体基板(シリコン基板)、 42…素子分離領域、 43…溝、 44…トレンチキャパシタ、 45…トランスファゲートトランジスタ、 46…N型のポリシリコン層、 47…キャパシタ絶縁膜、 48…不純物拡散領域、 49…ポリシリコン層(チャネル領域)、 50…不純物拡散領域(ゲート電極)、 51…ゲート絶縁膜、 52…ポリシリコン層(ソースまたはドレイン領域)、 53…側壁絶縁膜、 54…シリサイド層、 55…シリサイド層、 56…絶縁膜カラー、 57…N型のポリシリコン層、 58…層間絶縁膜、 59…コンタクトホール、 60…金属プラグ、 61…金属層(ビット線)、 71…マスク、 72…ポリシリコン層、 73…材料層、 74…P型ポリシリコン層、 75…ポリシリコン層、 76…金属層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/8234 H01L 27/10 671A 21/8242 29/78 613B 27/088 617K 27/108 626A 29/786 27/10 625A 27/08 102H Fターム(参考) 5F048 AA01 AA05 AB01 AC10 BA01 BA12 BB01 BB04 BC01 BC03 BC16 BD01 BD07 BF01 BF06 BF15 BF16 BG13 5F083 AD03 AD17 AD60 JA04 JA35 JA53 MA06 MA20 NA01 PR07 PR10 PR39 PR40 ZA12 5F110 AA04 BB06 CC09 DD05 DD13 EE05 EE08 EE22 EE41 FF02 FF03 FF09 GG02 GG13 GG22 GG23 HK09 HK14 HL05 NN62 NN65 NN72 QQ02 QQ04 5F140 AA19 AB09 AC23 AC32 BA13 BB04 BB06 BD01 BD05 BD07 BF01 BF04 BF18 BF54 BH02 BH06 BH28 BH30 BJ01 BJ08 BK13 BK17 BK23 CB04 CE20

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、 前記半導体基板の主表面に形成された溝と、 前記溝の開口部近傍の前記半導体基板中に形成され、ゲ
    ート電極として働く第1の不純物拡散領域と、 前記溝の側壁における前記第1の不純物拡散領域の表面
    に形成されたゲート絶縁膜と、 前記溝の上部に埋め込まれ、前記ゲート絶縁膜を介在し
    て前記第1の不純物拡散領域に対向し、チャネル領域と
    して働く第1のポリシリコン層と、 前記溝内の第1のポリシリコン層下に形成された導電層
    と、 前記第1のポリシリコン層上に形成され、ソースまたは
    ドレイン領域として働く第2のポリシリコン層とを具備
    する縦型トランジスタを備えることを特徴とする半導体
    装置。
  2. 【請求項2】 前記溝の底部近傍の前記半導体基板中に
    形成され、前記導電層と電気的に接続された第2の不純
    物拡散領域を更に具備することを特徴とする請求項1に
    記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記第1の不純物拡散領域上及び前記第
    2のポリシリコン層上の少なくとも一方に形成されたシ
    リサイド層を更に具備することを特徴とする請求項1ま
    たは2に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 半導体基板と、 前記半導体基板の主表面に形成された溝と、 前記溝の下部に形成されたトレンチキャパシタと、 前記溝の上部に、電流通路の一端が前記トレンチキャパ
    シタの一方の電極と電気的に接続されて形成され、前記
    溝の開口部近傍の前記半導体基板中に形成された第1の
    不純物拡散領域をゲート電極とする縦型トランジスタと
    を具備することを特徴とする半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記縦型トランジスタのゲート絶縁膜
    は、前記溝の側壁における前記第1の不純物拡散領域の
    表面に形成されることを特徴とする請求項4に記載の半
    導体装置。
  6. 【請求項6】 前記縦型トランジスタのチャネル領域
    は、前記溝の上部に埋め込まれ、前記ゲート絶縁膜を介
    在して前記第1の不純物拡散領域に対向する第1のポリ
    シリコン層によって形成されることを特徴とする請求項
    5に記載の半導体装置。
  7. 【請求項7】 前記溝内の第1のポリシリコン層下に形
    成され、前記縦型トランジスタと前記トレンチキャパシ
    タの一方の電極とを電気的に接続する第1の導電層を更
    に具備することを特徴とするクレーム6の半導体装置。
  8. 【請求項8】 前記第1のポリシリコン層上に形成さ
    れ、ソースまたはドレイン領域として働く第2のポリシ
    リコン層を更に具備すること特徴とする請求項4乃至7
    いずれか1つの項に記載の半導体装置。
  9. 【請求項9】 前記第2のポリシリコン層上に形成さ
    れ、ソースまたはドレイン領域の引き出し用のコンタク
    ト領域を更に具備することを特徴とする請求項8に記載
    の半導体装置。
  10. 【請求項10】 前記第1の不純物拡散領域上に形成さ
    れる第1のシリサイド層を更に具備することを特徴とす
    る請求項4乃至9いずれか1つの項に記載の半導体装
    置。
  11. 【請求項11】 前記第2のポリシリコン層上に形成さ
    れる第2のシリサイド層を更に具備することを特徴とす
    る請求項4乃至10いずれか1つの項に記載の半導体装
    置。
  12. 【請求項12】 前記トレンチキャパシタは、前記溝の
    側壁及び底部に形成され、キャパシタ絶縁膜として働く
    絶縁膜と、前記溝の底部に埋め込まれ、前記縦型トラン
    ジスタに電気的に接続され、前記トレンチキャパシタの
    一方の電極として働く第2の導電層と、前記半導体基板
    中の前記溝の側壁及び底部に形成され、前記トレンチキ
    ャパシタの他方の電極として働く第2の不純物拡散領域
    とを備えることを特徴とする請求項4乃至11いずれか
    1つの項に記載の半導体記憶装置。
  13. 【請求項13】 半導体基板中に第1の不純物拡散領域
    を形成する工程と、前記半導体基板上にこの半導体基板
    とエッチング選択比のあるマスク層を形成する工程と、 前記マスク層を用いて、前記半導体基板の主表面から前
    記第1の不純物拡散領域に達する深さの溝を形成する工
    程と、 前記溝の底部近傍の側壁に第1の絶縁膜を形成する工程
    と、 前記溝の下部に、前記第1の不純物拡散領域に電気的に
    接続された導電層を埋め込み形成する工程と、 前記溝の上部の側壁を酸化して、ゲート絶縁膜として働
    く第2の絶縁膜を形成する工程と、 前記溝内の前記導電層上にチャネル領域として働く第1
    のポリシリコン層を埋め込み形成する工程と、 前記マスク層を除去し、前記第1のポリシリコン層の上
    部を前記半導体基板の主表面から露出させる工程と、 前記溝の上部の前記第1のポリシリコン層及び前記半導
    体基板の主表面における前記溝の開口部近傍に不純物を
    導入し、前記第1のポリシリコン層中にソースまたはド
    レイン領域として働く第2の不純物拡散領域、前記半導
    体基板における前記溝の開口部近傍にゲート電極として
    働く第3の不純物拡散領域を形成する工程とを具備する
    ことを特徴とする縦型トランジスタを備える半導体装置
    の製造方法。
  14. 【請求項14】 前記マスク層を除去し、前記第1のポ
    リシリコン層の上部を前記半導体基板の主表面から露出
    させる工程の後に、前記半導体基板の主表面に素子分離
    領域を形成する工程を更に具備することを特徴とする請
    求項13に記載の半導体装置の製造方法。
  15. 【請求項15】 前記第1のポリシリコン層の前記半導
    体基板の主表面から突出されている側壁部に側壁絶縁膜
    を形成する工程と、前記第3の不純物拡散領域上及び前
    記第1のポリシリコン層上にシリサイド層を形成する工
    程とを更に具備することを特徴とする請求項13または
    14に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 【請求項16】 半導体基板上にこの半導体基板とエッ
    チング選択比のあるマスク層を形成する工程と、 前記マスク層を用いて、前記半導体基板の主表面に溝を
    形成する工程と、 前記溝の下部にトレンチキャパシタを形成する工程と、 前記溝の下部に、前記第1の不純物拡散領域に電気的に
    接続された導電層を埋め込み形成する工程と、 前記溝の上部の側壁を酸化して、ゲート絶縁膜として働
    く絶縁膜を形成する工程と、 前記溝内にチャネル領域として働く第1のポリシリコン
    層を埋め込み形成する工程と、 前記マスク層を除去し、前記第1のポリシリコン層の上
    部を前記半導体基板の主表面から露出させる工程と、 前記溝の上部の前記第1のポリシリコン層及び前記半導
    体基板の主表面における前記溝の開口部近傍に不純物を
    導入し、前記第1のポリシリコン層中にソースまたはド
    レイン領域として働く第2の不純物拡散領域、前記半導
    体基板における前記溝の開口部近傍にゲート電極として
    働く第3の不純物拡散領域を形成する工程とを具備する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  17. 【請求項17】 前記マスク層を除去し、前記第1のポ
    リシリコン層の上部を前記半導体基板の主表面から露出
    させる工程の後に、前記半導体基板の主表面に素子分離
    領域を形成する工程を更に具備することを特徴とする請
    求項16に記載の半導体装置の製造方法。
  18. 【請求項18】 前記溝の下部にトレンチキャパシタを
    形成する工程は、前記溝の側壁及び底部に第4の不純物
    拡散領域を形成する工程と、前記第4の不純物拡散領域
    に対応する前記溝の側壁及び底部にキャパシタ絶縁膜を
    形成する工程と、前記溝の下部に導電層を埋め込み形成
    する工程とを備えることを特徴とする請求項16または
    17に記載の半導体装置の製造方法。
  19. 【請求項19】 前記第1のポリシリコン層の前記半導
    体基板の主表面から突出されている側壁部に側壁絶縁膜
    を形成する工程と、前記第3の不純物拡散領域上及び前
    記第1のポリシリコン層上にシリサイド層を形成する工
    程とを更に具備することを特徴とする請求項16乃至1
    8いずれか1つの項に記載の半導体装置の製造方法。
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JP2013258426A (ja) * 2008-02-15 2013-12-26 Unisantis Electronics Singapore Pte Ltd 半導体装置の製造方法

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