JP2004158585A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】動作速度の向上とトランジスタ特性の向上とを同時に達成可能で、かつ微細化に適するDRAM構成の半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体半導体基板1とその上部を覆う酸化シリコン膜2および窒化シリコン膜3からなる層間絶縁膜とに形成されたトレンチ41内に、誘電膜42を介して上部電極43を埋め込んでなるトレンチ・キャパシタ4と、上端側および下端側にS/D(ソース/ドレイン拡散層)61a,61bを備え、下端側のS/D61aを上部電極43に接続させた状態で上部電極43上に立設された柱状の半導体層61、および半導体層61の高さ方向の中央部を囲む筒状にゲート絶縁膜62を介して配置されたゲート電極63を有する縦型のMOSトランジスタ6とを備えたことを特徴とする半導体装置である。
【選択図】 図1
【解決手段】半導体半導体基板1とその上部を覆う酸化シリコン膜2および窒化シリコン膜3からなる層間絶縁膜とに形成されたトレンチ41内に、誘電膜42を介して上部電極43を埋め込んでなるトレンチ・キャパシタ4と、上端側および下端側にS/D(ソース/ドレイン拡散層)61a,61bを備え、下端側のS/D61aを上部電極43に接続させた状態で上部電極43上に立設された柱状の半導体層61、および半導体層61の高さ方向の中央部を囲む筒状にゲート絶縁膜62を介して配置されたゲート電極63を有する縦型のMOSトランジスタ6とを備えたことを特徴とする半導体装置である。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にはトレンチ・キャパシタとMOSトランジスタとを備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
システム機能のワンチップ化に対する要求にともない、システムのメモリとして用いられてきたDRAM(Dynamic Random Access Memory)に対しても、LOGIC等の他機能と共に1チップ化する要求が高まってきている。このような他機能と混載される、いわゆる組み込み型DRAM(Embedded DRAM)には、記憶容量としてトレンチ・キャパシタ備えたトレンチ・キャパシタ型のDRAMが用いられている。
【0003】
トレンチ・キャパシタ型のDRAMは、基板の表面層に設けられたトレンチ・キャパシタと、基板の表面側に設けられたMOSトランジスタとを、基板の表面層に形成されたBuried Strapと呼ばれる拡散層によって接続した構成となっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した構成のDRAMには、次のような課題があった。
【0005】
すなわち、トレンチ・キャパシタ型のDRAMでは、MOSトランジスタとトレンチ・キャパシタとの接続部分となる部分のBuried Strapの抵抗(いわゆるBS抵抗)が高いと、DRAMの動作速度の遅延を招くため、この部分の不純物濃度にはある程度の高さが要求される。しかし、Buried Strapの不純物濃度を高くすると、この部分の不純物がMOSトランジスタにまで拡散し、トランジスタ特性の劣化を招くと言った問題が生じ、動作速度の向上とトランジスタ特性の向上とを同時に達成することが困難であった。
【0006】
また、MOSトランジスタに対してBuried Strapを水平方向に設ける必要があり、セルサイズの微細化を妨げる要因となっている。また微細化に関してはこれまで装置技術(主にリソグラフィー技術)に依存していたが、特に0.10μm世代以降、セルサイズ0.1μm2以下になるとゲートとビットコンタクトの形成が非常に難しくなってくるため、DRAMセルデザイン的に従来技術でさらに微細化可能となるようなデザインの工夫が要求される。
【0007】
さらに、上述したようなEmbedded DRAMにおいては、高速、低消費電力などの個々の製品要求を満足させるデバイス設計が高付加価値の点で重要になってくる。また、DRAMプロセスがLOGICの信頼性に与える影響やCMOSプロセスとの整合性も重要である。
【0008】
高速化に関してはこれまで周辺LOGICトランジスタの高速化と配線の低抵抗化で高速化を図ってきたが、今後セルサイズの縮小と共にセルトランジスタの能力も考慮する必要がある。と同時に、DRAMの永遠の課題である電荷保持特性の維持も重要で、これまでの電荷保持特性を維持しながら高速化を図っていくことが課題で、これらトレードオフの関係にある課題を達成することは難しい。
【0009】
そこで本発明は、動作速度の向上とトランジスタ特性の向上とを同時に達成可能で、かつ微細化に適するDRAM構成の半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明の半導体装置は、トレンチ・キャパシタと縦型のMOSトランジスタとを備えた半導体装置である。このうち、トレンチ・キャパシタは、半導体基板とその上部を覆う層間絶縁膜とに形成された溝内に、誘電膜を介して上部電極を埋め込んでなる。また、MOSトランジスタは、トレンチ・キャパシタの上部電極上に半導体層を立設させ、半導体層の高さ方向の中央部を囲む筒状にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けている。そして、半導体層の上端側および下端側に設けられたソース/ドレイン拡散層のうち、下端側のソース/ドレイン拡散層が、上部電極に接続された構成になっている。また、本発明は上述した構成の半導体装置を製造する方法でもある。
【0011】
このような構成の半導体装置においては、トレンチ・キャパシタの溝内に埋め込まれた上部電極の直上に縦型MOSトランジスタの半導体層を接続させた状態で立設させたことにより、トレンチ・キャパシタの直上に縦型のMOSトランジスタを重ねた構成となり、これらの素子で構成されるセルの面積が最小限にまで縮小される。また、トレンチ・キャパシタの上部電極とMOSトランジスタのソース/ドレイン拡散層とが、拡散層などの接続部材を介することなく直接接続されているため、この接続部材の抵抗による遅延がない。しかも、半導体基板上に層間絶縁膜を介してMOSトランジスタを設けた構成であり、MOSトランジスタと半導体基板とがコンタクトする部分がないため、基板リーク電流の発生も抑えられる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、各実施形態においては、トレンチ・キャパシタとMOSトランジスタとで構成されるDRAM構成の半導体装置に本発明を適用した実施の形態を説明する。
【0013】
(第1実施形態)
第1実施形態を、半導体装置、その製造方法の順に説明する。
【0014】
<半導体装置>
図1(1)は本発明の半導体装置の一構成例を示す断面図であり、図1(2)は図1(1)に対応する平面図である。尚、図1(2)においては6個のDRAMセルを図示しており、このうちの1個分のDRAMセルaのA−A’断面が図1(1)に対応している。
【0015】
これらの図に示す半導体装置は、記憶容量としてトレンチ・キャパシタを備えたDRAM構成の半導体装置であり、単結晶シリコンからなる半導体基板1上が酸化シリコン膜2とその上層の窒化シリコン膜3とからなる層間絶縁膜で覆われると共に、この半導体基板1の表面層にトレンチ・キャパシタ4が設けられ、各トレンチ・キャパシタ4の直上となる窒化シリコン膜3上にMOSトランジスタ6が設けられた構成となっている。
【0016】
このうちトレンチ・キャパシタ4は、窒化シリコン膜3、酸化シリコン膜2および半導体基板1に形成されたトレンチ(溝)41を用いて構成されている。そして、このトレンチ41の内壁を覆う誘電膜42を介して、トレンチ41内に上部電極(ストレージ電極)43が埋め込まれ、またトレンチ41の周囲の半導体基板1部分に拡散層からなる下部電極(プレート電極)44が形成されて、誘電膜42を上部電極42と下部電極44とで狭持した構成となっている。
【0017】
ここで、上部電極43は、例えば不純物を含有するポリシリコンで構成されていることとし、窒化シリコン膜3の表面側に露出する状態で設けられていることとする。また、半導体基板1の極表面層には、下部電極44から連続する拡散層が取り出し電極45として設けられている。
【0018】
そして、MOSトランジスタ6は、縦型のMOSトランジスタであり、トレンチ・キャパシタ4上に立設された半導体層61、半導体層61の外周にゲート絶縁膜62を介して密着配置された筒状のゲート電極63を備えており、半導体層61の上部にはビットコンタクト71が配置されている。
【0019】
ここで、半導体層61は、トレンチ・キャパシタ4の上部電極43に接続された状態で、この上部に立設されている。この半導体層61には、上部電極43に接続される下方部分にはソース/ドレイン拡散層(以下、S/D)61aが設けられ、ビットコンタクト71に接続される上方部分にS/D61bが設けられており、これらのS/D61a,61bに挟まれた高さ部分が、チャネル形成領域となる。
【0020】
このうち、下方のS/D61aは、トレンチ・キャパシタ4の上部電極43に、ノードコンタクトを介することなく直接接続されており、例えば上部電極43からの不純物拡散、さらにはゲート電極63と窒化シリコン膜3との間の半導体層61の下方部分を覆う第1絶縁膜65からの不純物拡散によって形成されていることとする。
【0021】
一方、S/D61bは、例えばビットコンタクト71側からの不純物拡散、さらにはゲート電極63とビットコンタクト71との間の半導体層61の上方部分を覆う第2絶縁膜66からの不純物拡散によって形成されていることとする。
【0022】
また、ゲート電極63は、半導体層61のチャネル形成領域、すなわちS/D61aとS/D61bとの間の高さ位置に、ゲート絶縁膜62を介して半導体層61に密着させた状態で設けられている。このゲート電極63は、例えばポリシリコンからなり、その露出表面がシリサイド膜67で覆われていることとする。そして、一方に隣接するセルのゲート電極63、およびシリサイド層67は、一連に形成されており、ワード線68を構成している[図1(2)参照]。尚、図1(1)の断面図においては図面上奥行き方向にワード線68が延設されていることになる。
【0023】
そして、ビットコンタクト71は、半導体層61の上部に設けられた導電層669を介して、S/D61bに接続されていることとする。尚、この導電層69の最下層は、例えばS/D61bを形成するための不純物を含有するポリシリコン層であることとする。
【0024】
このような構成の半導体装置においては、トレンチ・キャパシタ4のトレンチ41内に埋め込まれた上部電極43の直上にMOSトランジスタ6の半導体層61を接続させた状態で立設させたことにより、トレンチ・キャパシタ4の直上に縦型のMOSトランジスタ6を重ねた構成となり、これらの素子を平面視的に完全に重ね合わせることができるため、DRAMセルの面積を最小限にまで縮小することができる。
【0025】
また、トレンチ・キャパシタ4の上部電極43とMOSトランジスタ7のソース/ドレイン拡散層61aとが、従来の拡散層(Buried Strap)などの接続部材を介することなく直接接続されているため、この接続部材の抵抗(BS抵抗)による遅延がなく、高速動作の維持が可能である。
【0026】
しかも、半導体基板1上に酸化シリコン膜2および窒化シリコン膜3などの層間絶縁膜を介してMOSトランジスタ6を設けた構成であり、MOSトランジスタ6と半導体基板1とがコンタクトする部分がない。これにより、MOSトランジスタにおけるリーク電流の発生が抑えられるため、DRAMのリテンション特性の向上を図ることも可能である。
【0027】
したがって、DRAMにおけるセル面積の微細化と、素子特性の向上(動作速度の向上とトランジスタ特性の向上)とを同時に達成することが可能である。
【0028】
また、本構成のDRAMにおいては、縦型のMOSトランジスタを用いたことにより、ゲート幅が柱状の半導体層61の周辺長となるため、セル面積と比較して実行ゲート長を大きくすることができ、セル電流を大きくすることができる。
【0029】
<製造方法>
次に、図1を用いて説明した構成の半導体装置の製造方法を、図2〜図10の断面工程図に基づいて説明する。
【0030】
先ず、図2(1)に示すように、単結晶シリコンからなる半導体基板1の表面を酸化させて酸化シリコン膜2(膜厚10nm)を形成し、この酸化シリコン膜2上に窒化シリコン膜3(膜厚200nm)を形成する。そして、この窒化シリコン膜3上に、次に行われる半導体基板1に対するトレンチエッチングにおいてマスクとして用いられるBSG(boro silicate glass)膜101(膜厚300nm)を形成する。そして、このBSG膜101上に、さらにレジストパターン102を形成する。尚、ここで形成する酸化シリコン膜2、窒化シリコン膜3およびBSG膜101は、次工程のトレンチエッチングの深さに対応させた十分な厚膜で形成されることとする。
【0031】
その後、レジストパターン102をマスクにしてBSG膜101をパターニングし、さらに窒化シリコン膜3、酸化シリコン膜2および半導体基板1の表面層をエッチングする。この際、パターニングされたBSG膜101をマスクに用いて、半導体基板1を十分な深さにエッチングする。
【0032】
これにより、図2(2)に示すように、半導体基板1の表面層に深さ8μmのトレンチ41を形成する。その後、BSG膜(101)をウェットエッチングにて除去する。
【0033】
次いで、図2(3)に示すように、トレンチ41の内壁を覆う状態で、窒化シリコン膜3上にAsSG(arseno silicate glass)膜103(膜厚50nm)を形成する。このAsSG膜103は、As濃度が注入ドーズ量1E21個/cm2以上の十分に濃い膜にする。そして、この上面に、ここでの図示を省略したLP−TEOS膜(膜厚30nm:図示省略)を形成する。尚、LP−TEOS膜とは、TEOS(tetraethoxy silane)ガスを用いたLP(low pressure)−CVD(chemical vapor deposition)法によって形成した酸化シリコン膜であることとする。
【0034】
その後、図3(4)に示すように、アニール処理(1000℃、10分)を行うことで、AsSG膜(103)中のAsを半導体基板1中に固相拡散させ、隣接するトレンチ間をAs拡散層44で繋げ、このAs拡散層44をトレンチ・キャパシタの下部電極44とする。尚、アニール処理が終了した後には、AsSG膜(103)およびこの上面のLP−TEOS膜を除去する。
【0035】
次いで、図3(5)に示すように、トレンチ41の内壁を覆う状態で、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とからなる誘電膜42を形成する。ここでは先ず、LP−CVD法によって窒化シリコン膜を4nmの膜厚で形成した後、パイロジェニック酸化法(800℃)によって酸化シリコン膜を10nmの膜厚で形成し、トレンチ41の内壁に生じる自然酸化膜を含めた、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜からなるONO膜を形成する。
【0036】
次に、図3(6)に示すように、トレンチ41内を、Asをドープしたポリシリコンで埋め込み、これをトレンチ・キャパシタの上部電極43とする。この際、先ず、トレンチ41内が埋め込まれるようにAsをドープしたポリシリコン膜をCVD法によって成膜し、窒化シリコン膜3上のポリシリコン膜部分をCMP(chemical mechanical polishing)によって除去する。このCMPは、窒化シリコン膜3をストッパとして行い、窒化シリコン膜3の表面と同じ高さにポリシリコン膜が埋め込まれた状態に残す。ただし、CMPによって、窒化シリコン膜3も多少削れるため、その残膜はおよそ100nmとなる。
【0037】
以上により、窒化シリコン膜3、酸化シリコン膜2および半導体基板1に形成されたトレンチ41の内壁を覆う誘電膜42を、上部電極42と下部電極44とで狭持してなるトレンチ・キャパシタ4を形成する。
【0038】
そして次に、図4(7)に示すように、イオン注入によって、キャパシタの取り出し電極45としてのNwellを形成し、下部電極44を構成する全ての拡散層をこの取り出し電極45で導通させる。この取り出し電極45(Nwell)は、トレンチ41と比較して浅く設計されることとし、例えば1μmの深さであることとする。また、このイオン注入の際には、DRAMの形成領域を開口するマスクを用いて行う。尚、イオン注入後の活性化は1015℃、10秒程度の高温処理を行うため、これより、各窒化シリコン膜3−酸化シリコン膜2間、および誘電膜を構成する窒化シリコン膜−酸化シリコン膜間の界面準位が除去される。
【0039】
次に、図4(8)に示すように、下層から順に、TEOS膜201(膜厚200nm)、PSG(phospho silicate glass)膜202(膜厚50nm)、TEOS膜203(膜厚20nm)、N+ポリシリコン膜からなるダミーゲート層204(150nm)、TEOS膜205(膜厚20nm)、PSG膜206(膜厚50nm)、窒化シリコン膜207(膜厚100nm)を成膜した積層膜201〜207を形成する。
【0040】
ここで、PSG膜202,206は、後の工程でトランジスタのソース/ドレイン形成のための不純物拡散源として形成する。また、ダミーゲート層204は、後にゲート電極を形成する部分に形成され、上下の絶縁膜(すなわちここではTEOS膜203,205)に対して選択的なエッチングが可能な材質で形成されることとする。さらに、ダミーゲート層204を挟んで設けられたTEOS膜203,205は、後の工程で形成されるソース/ドレインとゲート電極とを分離し、またソース/ドレインスペーサを兼ねるものとして形成され、不純物を含有していないこととする。
【0041】
そして、ダミーゲート層204を挟んだ下層側の3層の膜201〜203が、図1で説明した第1絶縁膜65となる。また、ダミーゲート層204を挟んだ上層側の3層の膜205〜207が、図1で説明した第2絶縁膜66となる。
【0042】
その後、図4(9)に示すように、先の工程で形成した積層膜201〜207を、それぞれの膜質に適した条件で上層側から順次パターンエッチングし、各トレンチ・キャパシタ4の上部電極43に達する接続孔208を形成する。この際、ここでの図示を省略したレジストパターンをマスクに用いたRIEを行う。
【0043】
次いで、図5(10)に示すように、接続孔208内を完全に埋め込む状態で、CVD法によりノンドープのポリシリコン膜209を形成し、その後、積層膜の最上層の窒化シリコン膜207をストッパーとしてポリシリコン膜209をCMP研磨し、接続孔208内のみにポリシリコン膜209を残す。
【0044】
次に、図5(11)に示すように、ポリシリコン膜209に対してP型不純物をイオン注入する。このイオン注入は、MOSトランジスタの閾値電圧を設定するものであり、例えばホウ素イオン(B+)を40keV、1E13個/cm2、注入角度7°に保って回転注入する。その後、アニール処理を行うことにより、B+をポリシリコン膜209中に十分に拡散させると共に、活性化させる。これにより、半導体層61を得る。
【0045】
その後、図6(12)に示すように、半導体層61および窒化膜207上に、下層から順にN+ポリシリコン膜301、タングステンシリサイド膜302、およびO3TEOS膜303を成膜する。このうち、最下層のN+ポリシリコン膜301は、後の工程でトランジスタのソース/ドレイン形成のための不純物拡散源ともなるため、十分に高い不純物濃度(例えば1E21個/cm2以上)で形成することとする。また、タングステンシリサイド膜302に変えて、N+ポリシリコン膜301と共に加工する場合の加工性に優れ、かつ高温熱処理に耐え得る高融点金属、またはそのシリサイドを用いても良い。そして、これらのN+ポリシリコン膜301およびタングステンシリサイド膜302が、図1で説明した導電膜69となる。尚、O3TEOS膜303は、その後の加工処理において導電膜69を保護する保護膜として形成する。ここで、O3TEOS膜303とは、TEOS(tetraethoxy silane)ガスとO3とを成膜ガスとして用いた酸化シリコン膜であることとする。
【0046】
次いで、図6(13)に示すように、導電層69をビットコンタクトが接続される島状にパターニングする。この際、O3TEOS膜303上に形成したレジストパターン304をマスクに用い、半導体層61が露出しないように、半導体層61よりも一回り大きい島状に、導電層69および第2絶縁膜66をエッチングする。そして、ダミーゲート層204を露出させると共に、半導体層69の側壁を全周にわたって第2絶縁膜66で覆った状態とする。尚、このエッチング終了後には、レジストパターン304を除去する。
【0047】
次に、図7(14)に示すように、O3TEOS膜303、導電層69および第2絶縁膜66の側壁に、窒化シリコンからなるサイドウォール305を形成する。この際、CVD法によって窒化シリコン膜を成膜した後、この窒化シリコン膜をエッチバックすることで、島状にパターニングされたO3TEOS膜303、導電層69および第2絶縁膜66の側壁にのみに窒化シリコン膜を残し、これをサイドウォールとする。このサイドウォールは、30nmの膜厚に形成されることとする。
【0048】
その後、図7(15)に示すように、等方性エッチングによって、ダミーゲートとして形成したダミーゲート層(204)を除去する。これにより、下層の第1絶縁膜65を露出させ、この第1絶縁膜65と、これよりも上層の第1絶縁膜65との間に半導体層61の中央部高さの側壁部分を露出させる。この等方性エッチングにおいては、第1絶縁膜65の最上層および第2絶縁膜66の最下層を構成するTEOS膜203,205、サイドウォール305を構成する窒化シリコン、さらには半導体層61を構成する低濃度のポリシリコンに対して、ダミーゲート層(204)の選択比が大きくなるエッチング条件を採用し、第1絶縁膜65および第2絶縁膜66の中間層のPSG膜202,206を露出させないことが重要である。
【0049】
次に、図8(16)に示すように、半導体層61の側壁露出面をパイロジェニック酸化法(800℃)によって酸化させ、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜62(膜厚9nm)を形成する。
【0050】
その後さらに、1000℃、10秒間のアニール処理を行うことで半導体層61内に周辺領域から不純物を固相拡散させ、これによりトレンチ・キャパシタ4の上部電極43に接合されたS/D61aと、導電層69に接合されたS/D61bを形成する。
【0051】
この場合、上部電極43に接合された下方のS/D61aは、上部電極43を構成するAsをドープしたポリシリコン、および第1絶縁膜65の中間層を構成するPSG膜202からの固層拡散により形成される。一方、上方のS/D61bは、導電層69を構成するN+ポリシリコン膜301、および第2絶縁膜66を構成するPSG膜206からの固層拡散により形成される。またこの熱処理においては、S/D61a,61b間に、チャネル形成領域として所定幅の間隔が設けられるように熱処理の時間を調整することが重要である。
【0052】
以上の後、図8(17)に示すように、サイドウォール305の下方のくびれ部分を埋め込み、ゲート絶縁膜62を介して半導体層61に密着させる状態で、ゲート電極63を形成する。この際、先ず、サイドウォール305の下方のくびれ部分を埋め込むように、CVD法によってN+ポリシリコン膜を成膜する。このN+ポリシリコン膜は、ゲートの空乏化を低減する為に十分高い不純物濃度(例えば1021個/cm2以上)で形成することとする。その後、このN+ポリシリコン膜をエッチバックし、隣接する半導体層61の間隔が密な部分にN+ポリシリコン膜を残すと共に、疎な部分のN+ポリシリコン膜を除去してゲート電極63を形成し、複数のゲート電極63部分を接続させて形成する。
【0053】
例えば、図面上横方向に配列されている半導体層61間の間隔は狭いため、このエッチバックにおいてこれらの半導体層61間にはポリシリコン膜が残され、ゲート電極63は一連に繋がって形成される。一方、図面上奥行き方向に配列されている半導体層61間の間隔は、ある程度広く保たれており、このエッチバックにおいてこれらの半導体層61間のポリシリコン膜は除去され、これによりゲート電極63は図面上横方向に接続された形状に形成される。
【0054】
以上の後、さらにポリシリコンをエッチバックしてなるゲート電極63上に、コバルト(Co)またはニッケル(Ni)からなる金属膜を形成し、熱処理によってシリコンと反応させて反応部分にシリサイド膜67形成する。これにより、ポリシリコンからなるゲート電極63の露出表面のみにシリサイド膜67を自己整合的に形成する。これにより、ポリシリコンからなるゲート電極63の表面をシリサイド膜67で覆った層構造のワード線68を形成する。
【0055】
以上により、トレンチ・キャパシタ4上に立設された半導体層61、半導体層61の外周にゲート絶縁膜62を介して密着配置された筒状のゲート電極63を備えたMOSトランジスタ6を形成する。
【0056】
次いで、図9(18)に示すように、半導体基板1の上方に形成されたMOSトランジスタ6を埋め込む状態で酸化シリコンからなる層間絶縁膜401を形成し、この表面をCMP処理によって平坦化する。
【0057】
その後、図9(19)に示すように、層間絶縁膜401およびO3TEOS膜303に、島状にパターニングした導電層69に達する接続孔402を形成する。この際、レジストパターン(図示省略)をマスクに用いて層間絶縁膜401およびO3TEOS膜303をエッチングするが、O3TEOS膜303側壁が窒化シリコンからなるサイドウォール305で覆われているため、このサイドウォール305の範囲内においては、マスクずれが生じてもワード線68にエッチングが達することのないセルフアラインコンタクト構造となっている。
【0058】
次に、この接続孔402内を埋め込む状態でビットコンタクト71を形成する。
【0059】
以上の後、図10(20)に示すように、層間絶縁膜401上に、ビットコンタクト71に接続されたビットライン73を金属配線にて形成し、半導体装置を完成させる。この際、層間絶縁膜401上に形成した金属膜を、レジストパターン(図示省略)をマスクに用いてエッチングする。
【0060】
このような製造方法によれば、図1を用いて説明したように、平面視的に、トレンチ・キャパシタ4の直上に、縦型のMOSトランジスタ6、さらにはビットコンタクト71を完全に重ねた構成のDRAM構成の半導体装置を得ることが可能になる。
【0061】
そして、縦型のMOSトランジスタ6を用いたことにより、MOSトランジスタ6のゲート長は、図4(8)を用いて説明した工程で形成されるダミーゲート層204の膜厚によって制御されることになる。したがって、精度の高いゲート長の制御が可能である。
【0062】
また、図8(17)を用いて説明したように、ゲート電極63を形成する層(ここではN+ポリシリコン膜)をエッチバックすることで、隣接する半導体層61の間隔が密な部分のみにN+ポリシリコン膜が残り、複数のゲート電極63部分が接続されるため、自己整合的にワード線を形成することが可能になる。また、ゲート電極63の表面に、自己整合的にシリサイド層を形成することも可能である。
【0063】
しかも、図9(19)を用いて説明したように、縦型のMOSトランジスタ6の半導体層61上に積層された導電層69に対してビットコンタクト71を接続させるため、ビットコンタクト71の取り出しが浅く、接続孔402の形成が容易である。しかも、接続孔402を形成する際には、導電層69の側壁に設けたサイドウォール306に対して選択的に層間絶縁膜401をエッチングしているため、セルフアラインコンタクトとなり、接続孔402の加工が容易である。
【0064】
さらに、上記一連の製造工程においては、重ね合わせ加工のためのマスクは、▲1▼図2(1)、(2)のトレンチ41形成、▲2▼図4(7)の取り出し電極45形成、▲3▼図4(9)の半導体層のための接続孔208形成、▲4▼図6(13)の島状のパターン形成、▲5▼図9(19)のビットコンタクト71のための接続孔402形成、および▲6▼図10(20)のビットライン73形成の6つのマスク形成で良い。
【0065】
しかも、このDRAMが、LOGIC混載のEmbedded DRAMである場合、▲1▼〜▲6▼のうち、▲2▼,▲5▼,▲6▼の3つのマスクをLOGIC MOSの形成と兼ねることができる。したがって、本構成のDRAMに特有のマスクは3枚のみとなり、従来のため、Embedded DRAMの製造と比較すると、マスク数を大幅に削減することが可能である。
【0066】
また、上述した重ね合わせ各加工▲1▼〜▲6▼の際には、直下の層との合わせのみを調整すれば良く、複数の下層レイヤーとの合わせずれを考慮する必要がない。したがって、重ね合わせが容易であるだけではなく、精度の向上を図ることも可能になる。
【0067】
尚、上述した製造方法をLOGICプロセスと適合させる場合には、例えば図8(17)でシリサイド層67を形成した後、図9(19)でビットコンタクト71を形成する前にLOGICプロセスを組み込むこととする。これにより、DRAMプロセスにおける熱処理の影響を及ぼすことなくLOGIC部を形成することが可能になる。したがって、例えばLOGIC部のMOSトランジスタのゲート絶縁膜に酸窒化シリコン膜を用いた場合に問題となるNBTI(Negative Bias Temperature Instability)を抑えることも可能になり、LOGIC部におけるMOSトランジスタの特性を確保することができる。
【0068】
(第2実施形態)
次に本発明の第2実施形態を、半導体装置、その製造方法の順に説明する。
【0069】
<半導体装置>
図11は、第2実施形態の半導体装置の構成を説明するための断面図である。この図に示す第2実施形態の半導体装置と、図1を用いて説明した第1実施形態の半導体との異なる点は、半導体層の構成にあり、他の構成は同様であることとする。
【0070】
すなわち第2実施形態の半導体装置の半導体層61は、円柱状の半導体層61のその中心部に、その中心軸に沿って配置された絶縁層81を備えている。
【0071】
このような半導体装置によれば、MOSトランジスタ6が、完全空乏型となり、基板浮遊効果を抑えることが可能になる。このためノイズに対して強いMOSトランジスタ6を構成することが可能になる。
【0072】
<製造方法>
図11を用いて説明した構成の半導体装置を製造する場合、先ず、第1実施形態において図2(1)〜図4(9)を用いて説明した工程を同様に行い、半導体基板1上の積層膜201〜207に各トレンチ・キャパシタ4の上部電極43に達する接続孔208を形成する。
【0073】
その後、図12(10a)に示すように、接続孔208の内壁を覆うと共に、接続孔208の中央部に空間を残した状態で積層膜201〜207上にノンドープのポリシリコン膜209を形成する。そしてさらに、このポリシリコン膜209で覆われた接続孔208内を完全に埋め込む状態で、酸化シリコンからなる絶縁膜81を形成する。
【0074】
次いで、図12(b)に示すように、積層膜201〜207の最上層の窒化シリコン膜207をストッパとして、絶縁膜81およびポリシリコン膜209をCMP研磨し、中央部の絶縁膜81を囲む状態で接続孔208内にのみにポリシリコン膜209、および絶縁膜81を残す。
【0075】
以上の工程を行った後、第1実施形態において図5(11)〜図10(20)を用いて説明した工程を同様に行うことで、図11を用いて説明した半導体装置が得られる。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体装置によれば、トレンチ・キャパシタの溝内に埋め込まれた上部電極の直上に縦型MOSトランジスタの半導体層を接続させた状態で立設させたことにより、トレンチ・キャパシタの直上に縦型のMOSトランジスタを完全に重ねた構成とすることが可能になる、セルの面積を最小限にまで縮小することが可能になると共に、トレンチ・キャパシタの上部電極とMOSトランジスタのソース/ドレイン拡散層とを直接接続することで、接続部の抵抗による動作遅延の問題を解消することが可能になる。さらに、半導体基板上に層間絶縁膜を介してMOSトランジスタを設けた構成を採用したことにより、MOSトランジスタの基板リーク電流の発生も抑えられる。この結果、DRAM構成の半導体装置においても、動作速度の向上とトランジスタ特性の向上とを同時に達成可能で、かつさらなるセル構造の微細化が可能となる。
【0077】
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、マスク数を最小限に抑えた上記構成の半導体装置の製造が可能である。特に、この半導体装置がLOGIC混載のDRAMである場合、LOGIC部の製造と複数のマスクを共有することで、従来と比較してマスク数を削減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の半導体装置の構成を示す図である。
【図2】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(1)〜(3)である。
【図3】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(4)〜(6)である。
【図4】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(7)〜(9)である。
【図5】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(10),(11)である。
【図6】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(12),(13)である。
【図7】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(14),(15)である。
【図8】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(16),(17)である。
【図9】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(18),(19)である。
【図10】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(20)である。
【図11】第2実施形態の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図12】第2実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(10a),(10b)である。
【符号の説明】
1…半導体基板、2…酸化シリコン膜(層間絶縁膜)、3…窒化シリコン膜(層間絶縁膜)、4…トレンチ・キャパシタ、6…MOSトランジスタ、41…キャパシタ(溝)、42…誘電膜、43…上部電極、45…取り出し電極、61a,61b…S/D(ソース/ドレイン拡散層)、61…半導体層、62…ゲート絶縁膜、63…ゲート電極、65…第1絶縁膜、66…第2絶縁膜、69…導電層、71…ビットコンタクト、81…絶縁層、204…ダミーゲート層、208…接続孔、308…サイドウォール、401…層間絶縁膜、402…接続孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にはトレンチ・キャパシタとMOSトランジスタとを備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
システム機能のワンチップ化に対する要求にともない、システムのメモリとして用いられてきたDRAM(Dynamic Random Access Memory)に対しても、LOGIC等の他機能と共に1チップ化する要求が高まってきている。このような他機能と混載される、いわゆる組み込み型DRAM(Embedded DRAM)には、記憶容量としてトレンチ・キャパシタ備えたトレンチ・キャパシタ型のDRAMが用いられている。
【0003】
トレンチ・キャパシタ型のDRAMは、基板の表面層に設けられたトレンチ・キャパシタと、基板の表面側に設けられたMOSトランジスタとを、基板の表面層に形成されたBuried Strapと呼ばれる拡散層によって接続した構成となっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した構成のDRAMには、次のような課題があった。
【0005】
すなわち、トレンチ・キャパシタ型のDRAMでは、MOSトランジスタとトレンチ・キャパシタとの接続部分となる部分のBuried Strapの抵抗(いわゆるBS抵抗)が高いと、DRAMの動作速度の遅延を招くため、この部分の不純物濃度にはある程度の高さが要求される。しかし、Buried Strapの不純物濃度を高くすると、この部分の不純物がMOSトランジスタにまで拡散し、トランジスタ特性の劣化を招くと言った問題が生じ、動作速度の向上とトランジスタ特性の向上とを同時に達成することが困難であった。
【0006】
また、MOSトランジスタに対してBuried Strapを水平方向に設ける必要があり、セルサイズの微細化を妨げる要因となっている。また微細化に関してはこれまで装置技術(主にリソグラフィー技術)に依存していたが、特に0.10μm世代以降、セルサイズ0.1μm2以下になるとゲートとビットコンタクトの形成が非常に難しくなってくるため、DRAMセルデザイン的に従来技術でさらに微細化可能となるようなデザインの工夫が要求される。
【0007】
さらに、上述したようなEmbedded DRAMにおいては、高速、低消費電力などの個々の製品要求を満足させるデバイス設計が高付加価値の点で重要になってくる。また、DRAMプロセスがLOGICの信頼性に与える影響やCMOSプロセスとの整合性も重要である。
【0008】
高速化に関してはこれまで周辺LOGICトランジスタの高速化と配線の低抵抗化で高速化を図ってきたが、今後セルサイズの縮小と共にセルトランジスタの能力も考慮する必要がある。と同時に、DRAMの永遠の課題である電荷保持特性の維持も重要で、これまでの電荷保持特性を維持しながら高速化を図っていくことが課題で、これらトレードオフの関係にある課題を達成することは難しい。
【0009】
そこで本発明は、動作速度の向上とトランジスタ特性の向上とを同時に達成可能で、かつ微細化に適するDRAM構成の半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明の半導体装置は、トレンチ・キャパシタと縦型のMOSトランジスタとを備えた半導体装置である。このうち、トレンチ・キャパシタは、半導体基板とその上部を覆う層間絶縁膜とに形成された溝内に、誘電膜を介して上部電極を埋め込んでなる。また、MOSトランジスタは、トレンチ・キャパシタの上部電極上に半導体層を立設させ、半導体層の高さ方向の中央部を囲む筒状にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けている。そして、半導体層の上端側および下端側に設けられたソース/ドレイン拡散層のうち、下端側のソース/ドレイン拡散層が、上部電極に接続された構成になっている。また、本発明は上述した構成の半導体装置を製造する方法でもある。
【0011】
このような構成の半導体装置においては、トレンチ・キャパシタの溝内に埋め込まれた上部電極の直上に縦型MOSトランジスタの半導体層を接続させた状態で立設させたことにより、トレンチ・キャパシタの直上に縦型のMOSトランジスタを重ねた構成となり、これらの素子で構成されるセルの面積が最小限にまで縮小される。また、トレンチ・キャパシタの上部電極とMOSトランジスタのソース/ドレイン拡散層とが、拡散層などの接続部材を介することなく直接接続されているため、この接続部材の抵抗による遅延がない。しかも、半導体基板上に層間絶縁膜を介してMOSトランジスタを設けた構成であり、MOSトランジスタと半導体基板とがコンタクトする部分がないため、基板リーク電流の発生も抑えられる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、各実施形態においては、トレンチ・キャパシタとMOSトランジスタとで構成されるDRAM構成の半導体装置に本発明を適用した実施の形態を説明する。
【0013】
(第1実施形態)
第1実施形態を、半導体装置、その製造方法の順に説明する。
【0014】
<半導体装置>
図1(1)は本発明の半導体装置の一構成例を示す断面図であり、図1(2)は図1(1)に対応する平面図である。尚、図1(2)においては6個のDRAMセルを図示しており、このうちの1個分のDRAMセルaのA−A’断面が図1(1)に対応している。
【0015】
これらの図に示す半導体装置は、記憶容量としてトレンチ・キャパシタを備えたDRAM構成の半導体装置であり、単結晶シリコンからなる半導体基板1上が酸化シリコン膜2とその上層の窒化シリコン膜3とからなる層間絶縁膜で覆われると共に、この半導体基板1の表面層にトレンチ・キャパシタ4が設けられ、各トレンチ・キャパシタ4の直上となる窒化シリコン膜3上にMOSトランジスタ6が設けられた構成となっている。
【0016】
このうちトレンチ・キャパシタ4は、窒化シリコン膜3、酸化シリコン膜2および半導体基板1に形成されたトレンチ(溝)41を用いて構成されている。そして、このトレンチ41の内壁を覆う誘電膜42を介して、トレンチ41内に上部電極(ストレージ電極)43が埋め込まれ、またトレンチ41の周囲の半導体基板1部分に拡散層からなる下部電極(プレート電極)44が形成されて、誘電膜42を上部電極42と下部電極44とで狭持した構成となっている。
【0017】
ここで、上部電極43は、例えば不純物を含有するポリシリコンで構成されていることとし、窒化シリコン膜3の表面側に露出する状態で設けられていることとする。また、半導体基板1の極表面層には、下部電極44から連続する拡散層が取り出し電極45として設けられている。
【0018】
そして、MOSトランジスタ6は、縦型のMOSトランジスタであり、トレンチ・キャパシタ4上に立設された半導体層61、半導体層61の外周にゲート絶縁膜62を介して密着配置された筒状のゲート電極63を備えており、半導体層61の上部にはビットコンタクト71が配置されている。
【0019】
ここで、半導体層61は、トレンチ・キャパシタ4の上部電極43に接続された状態で、この上部に立設されている。この半導体層61には、上部電極43に接続される下方部分にはソース/ドレイン拡散層(以下、S/D)61aが設けられ、ビットコンタクト71に接続される上方部分にS/D61bが設けられており、これらのS/D61a,61bに挟まれた高さ部分が、チャネル形成領域となる。
【0020】
このうち、下方のS/D61aは、トレンチ・キャパシタ4の上部電極43に、ノードコンタクトを介することなく直接接続されており、例えば上部電極43からの不純物拡散、さらにはゲート電極63と窒化シリコン膜3との間の半導体層61の下方部分を覆う第1絶縁膜65からの不純物拡散によって形成されていることとする。
【0021】
一方、S/D61bは、例えばビットコンタクト71側からの不純物拡散、さらにはゲート電極63とビットコンタクト71との間の半導体層61の上方部分を覆う第2絶縁膜66からの不純物拡散によって形成されていることとする。
【0022】
また、ゲート電極63は、半導体層61のチャネル形成領域、すなわちS/D61aとS/D61bとの間の高さ位置に、ゲート絶縁膜62を介して半導体層61に密着させた状態で設けられている。このゲート電極63は、例えばポリシリコンからなり、その露出表面がシリサイド膜67で覆われていることとする。そして、一方に隣接するセルのゲート電極63、およびシリサイド層67は、一連に形成されており、ワード線68を構成している[図1(2)参照]。尚、図1(1)の断面図においては図面上奥行き方向にワード線68が延設されていることになる。
【0023】
そして、ビットコンタクト71は、半導体層61の上部に設けられた導電層669を介して、S/D61bに接続されていることとする。尚、この導電層69の最下層は、例えばS/D61bを形成するための不純物を含有するポリシリコン層であることとする。
【0024】
このような構成の半導体装置においては、トレンチ・キャパシタ4のトレンチ41内に埋め込まれた上部電極43の直上にMOSトランジスタ6の半導体層61を接続させた状態で立設させたことにより、トレンチ・キャパシタ4の直上に縦型のMOSトランジスタ6を重ねた構成となり、これらの素子を平面視的に完全に重ね合わせることができるため、DRAMセルの面積を最小限にまで縮小することができる。
【0025】
また、トレンチ・キャパシタ4の上部電極43とMOSトランジスタ7のソース/ドレイン拡散層61aとが、従来の拡散層(Buried Strap)などの接続部材を介することなく直接接続されているため、この接続部材の抵抗(BS抵抗)による遅延がなく、高速動作の維持が可能である。
【0026】
しかも、半導体基板1上に酸化シリコン膜2および窒化シリコン膜3などの層間絶縁膜を介してMOSトランジスタ6を設けた構成であり、MOSトランジスタ6と半導体基板1とがコンタクトする部分がない。これにより、MOSトランジスタにおけるリーク電流の発生が抑えられるため、DRAMのリテンション特性の向上を図ることも可能である。
【0027】
したがって、DRAMにおけるセル面積の微細化と、素子特性の向上(動作速度の向上とトランジスタ特性の向上)とを同時に達成することが可能である。
【0028】
また、本構成のDRAMにおいては、縦型のMOSトランジスタを用いたことにより、ゲート幅が柱状の半導体層61の周辺長となるため、セル面積と比較して実行ゲート長を大きくすることができ、セル電流を大きくすることができる。
【0029】
<製造方法>
次に、図1を用いて説明した構成の半導体装置の製造方法を、図2〜図10の断面工程図に基づいて説明する。
【0030】
先ず、図2(1)に示すように、単結晶シリコンからなる半導体基板1の表面を酸化させて酸化シリコン膜2(膜厚10nm)を形成し、この酸化シリコン膜2上に窒化シリコン膜3(膜厚200nm)を形成する。そして、この窒化シリコン膜3上に、次に行われる半導体基板1に対するトレンチエッチングにおいてマスクとして用いられるBSG(boro silicate glass)膜101(膜厚300nm)を形成する。そして、このBSG膜101上に、さらにレジストパターン102を形成する。尚、ここで形成する酸化シリコン膜2、窒化シリコン膜3およびBSG膜101は、次工程のトレンチエッチングの深さに対応させた十分な厚膜で形成されることとする。
【0031】
その後、レジストパターン102をマスクにしてBSG膜101をパターニングし、さらに窒化シリコン膜3、酸化シリコン膜2および半導体基板1の表面層をエッチングする。この際、パターニングされたBSG膜101をマスクに用いて、半導体基板1を十分な深さにエッチングする。
【0032】
これにより、図2(2)に示すように、半導体基板1の表面層に深さ8μmのトレンチ41を形成する。その後、BSG膜(101)をウェットエッチングにて除去する。
【0033】
次いで、図2(3)に示すように、トレンチ41の内壁を覆う状態で、窒化シリコン膜3上にAsSG(arseno silicate glass)膜103(膜厚50nm)を形成する。このAsSG膜103は、As濃度が注入ドーズ量1E21個/cm2以上の十分に濃い膜にする。そして、この上面に、ここでの図示を省略したLP−TEOS膜(膜厚30nm:図示省略)を形成する。尚、LP−TEOS膜とは、TEOS(tetraethoxy silane)ガスを用いたLP(low pressure)−CVD(chemical vapor deposition)法によって形成した酸化シリコン膜であることとする。
【0034】
その後、図3(4)に示すように、アニール処理(1000℃、10分)を行うことで、AsSG膜(103)中のAsを半導体基板1中に固相拡散させ、隣接するトレンチ間をAs拡散層44で繋げ、このAs拡散層44をトレンチ・キャパシタの下部電極44とする。尚、アニール処理が終了した後には、AsSG膜(103)およびこの上面のLP−TEOS膜を除去する。
【0035】
次いで、図3(5)に示すように、トレンチ41の内壁を覆う状態で、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とからなる誘電膜42を形成する。ここでは先ず、LP−CVD法によって窒化シリコン膜を4nmの膜厚で形成した後、パイロジェニック酸化法(800℃)によって酸化シリコン膜を10nmの膜厚で形成し、トレンチ41の内壁に生じる自然酸化膜を含めた、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜からなるONO膜を形成する。
【0036】
次に、図3(6)に示すように、トレンチ41内を、Asをドープしたポリシリコンで埋め込み、これをトレンチ・キャパシタの上部電極43とする。この際、先ず、トレンチ41内が埋め込まれるようにAsをドープしたポリシリコン膜をCVD法によって成膜し、窒化シリコン膜3上のポリシリコン膜部分をCMP(chemical mechanical polishing)によって除去する。このCMPは、窒化シリコン膜3をストッパとして行い、窒化シリコン膜3の表面と同じ高さにポリシリコン膜が埋め込まれた状態に残す。ただし、CMPによって、窒化シリコン膜3も多少削れるため、その残膜はおよそ100nmとなる。
【0037】
以上により、窒化シリコン膜3、酸化シリコン膜2および半導体基板1に形成されたトレンチ41の内壁を覆う誘電膜42を、上部電極42と下部電極44とで狭持してなるトレンチ・キャパシタ4を形成する。
【0038】
そして次に、図4(7)に示すように、イオン注入によって、キャパシタの取り出し電極45としてのNwellを形成し、下部電極44を構成する全ての拡散層をこの取り出し電極45で導通させる。この取り出し電極45(Nwell)は、トレンチ41と比較して浅く設計されることとし、例えば1μmの深さであることとする。また、このイオン注入の際には、DRAMの形成領域を開口するマスクを用いて行う。尚、イオン注入後の活性化は1015℃、10秒程度の高温処理を行うため、これより、各窒化シリコン膜3−酸化シリコン膜2間、および誘電膜を構成する窒化シリコン膜−酸化シリコン膜間の界面準位が除去される。
【0039】
次に、図4(8)に示すように、下層から順に、TEOS膜201(膜厚200nm)、PSG(phospho silicate glass)膜202(膜厚50nm)、TEOS膜203(膜厚20nm)、N+ポリシリコン膜からなるダミーゲート層204(150nm)、TEOS膜205(膜厚20nm)、PSG膜206(膜厚50nm)、窒化シリコン膜207(膜厚100nm)を成膜した積層膜201〜207を形成する。
【0040】
ここで、PSG膜202,206は、後の工程でトランジスタのソース/ドレイン形成のための不純物拡散源として形成する。また、ダミーゲート層204は、後にゲート電極を形成する部分に形成され、上下の絶縁膜(すなわちここではTEOS膜203,205)に対して選択的なエッチングが可能な材質で形成されることとする。さらに、ダミーゲート層204を挟んで設けられたTEOS膜203,205は、後の工程で形成されるソース/ドレインとゲート電極とを分離し、またソース/ドレインスペーサを兼ねるものとして形成され、不純物を含有していないこととする。
【0041】
そして、ダミーゲート層204を挟んだ下層側の3層の膜201〜203が、図1で説明した第1絶縁膜65となる。また、ダミーゲート層204を挟んだ上層側の3層の膜205〜207が、図1で説明した第2絶縁膜66となる。
【0042】
その後、図4(9)に示すように、先の工程で形成した積層膜201〜207を、それぞれの膜質に適した条件で上層側から順次パターンエッチングし、各トレンチ・キャパシタ4の上部電極43に達する接続孔208を形成する。この際、ここでの図示を省略したレジストパターンをマスクに用いたRIEを行う。
【0043】
次いで、図5(10)に示すように、接続孔208内を完全に埋め込む状態で、CVD法によりノンドープのポリシリコン膜209を形成し、その後、積層膜の最上層の窒化シリコン膜207をストッパーとしてポリシリコン膜209をCMP研磨し、接続孔208内のみにポリシリコン膜209を残す。
【0044】
次に、図5(11)に示すように、ポリシリコン膜209に対してP型不純物をイオン注入する。このイオン注入は、MOSトランジスタの閾値電圧を設定するものであり、例えばホウ素イオン(B+)を40keV、1E13個/cm2、注入角度7°に保って回転注入する。その後、アニール処理を行うことにより、B+をポリシリコン膜209中に十分に拡散させると共に、活性化させる。これにより、半導体層61を得る。
【0045】
その後、図6(12)に示すように、半導体層61および窒化膜207上に、下層から順にN+ポリシリコン膜301、タングステンシリサイド膜302、およびO3TEOS膜303を成膜する。このうち、最下層のN+ポリシリコン膜301は、後の工程でトランジスタのソース/ドレイン形成のための不純物拡散源ともなるため、十分に高い不純物濃度(例えば1E21個/cm2以上)で形成することとする。また、タングステンシリサイド膜302に変えて、N+ポリシリコン膜301と共に加工する場合の加工性に優れ、かつ高温熱処理に耐え得る高融点金属、またはそのシリサイドを用いても良い。そして、これらのN+ポリシリコン膜301およびタングステンシリサイド膜302が、図1で説明した導電膜69となる。尚、O3TEOS膜303は、その後の加工処理において導電膜69を保護する保護膜として形成する。ここで、O3TEOS膜303とは、TEOS(tetraethoxy silane)ガスとO3とを成膜ガスとして用いた酸化シリコン膜であることとする。
【0046】
次いで、図6(13)に示すように、導電層69をビットコンタクトが接続される島状にパターニングする。この際、O3TEOS膜303上に形成したレジストパターン304をマスクに用い、半導体層61が露出しないように、半導体層61よりも一回り大きい島状に、導電層69および第2絶縁膜66をエッチングする。そして、ダミーゲート層204を露出させると共に、半導体層69の側壁を全周にわたって第2絶縁膜66で覆った状態とする。尚、このエッチング終了後には、レジストパターン304を除去する。
【0047】
次に、図7(14)に示すように、O3TEOS膜303、導電層69および第2絶縁膜66の側壁に、窒化シリコンからなるサイドウォール305を形成する。この際、CVD法によって窒化シリコン膜を成膜した後、この窒化シリコン膜をエッチバックすることで、島状にパターニングされたO3TEOS膜303、導電層69および第2絶縁膜66の側壁にのみに窒化シリコン膜を残し、これをサイドウォールとする。このサイドウォールは、30nmの膜厚に形成されることとする。
【0048】
その後、図7(15)に示すように、等方性エッチングによって、ダミーゲートとして形成したダミーゲート層(204)を除去する。これにより、下層の第1絶縁膜65を露出させ、この第1絶縁膜65と、これよりも上層の第1絶縁膜65との間に半導体層61の中央部高さの側壁部分を露出させる。この等方性エッチングにおいては、第1絶縁膜65の最上層および第2絶縁膜66の最下層を構成するTEOS膜203,205、サイドウォール305を構成する窒化シリコン、さらには半導体層61を構成する低濃度のポリシリコンに対して、ダミーゲート層(204)の選択比が大きくなるエッチング条件を採用し、第1絶縁膜65および第2絶縁膜66の中間層のPSG膜202,206を露出させないことが重要である。
【0049】
次に、図8(16)に示すように、半導体層61の側壁露出面をパイロジェニック酸化法(800℃)によって酸化させ、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜62(膜厚9nm)を形成する。
【0050】
その後さらに、1000℃、10秒間のアニール処理を行うことで半導体層61内に周辺領域から不純物を固相拡散させ、これによりトレンチ・キャパシタ4の上部電極43に接合されたS/D61aと、導電層69に接合されたS/D61bを形成する。
【0051】
この場合、上部電極43に接合された下方のS/D61aは、上部電極43を構成するAsをドープしたポリシリコン、および第1絶縁膜65の中間層を構成するPSG膜202からの固層拡散により形成される。一方、上方のS/D61bは、導電層69を構成するN+ポリシリコン膜301、および第2絶縁膜66を構成するPSG膜206からの固層拡散により形成される。またこの熱処理においては、S/D61a,61b間に、チャネル形成領域として所定幅の間隔が設けられるように熱処理の時間を調整することが重要である。
【0052】
以上の後、図8(17)に示すように、サイドウォール305の下方のくびれ部分を埋め込み、ゲート絶縁膜62を介して半導体層61に密着させる状態で、ゲート電極63を形成する。この際、先ず、サイドウォール305の下方のくびれ部分を埋め込むように、CVD法によってN+ポリシリコン膜を成膜する。このN+ポリシリコン膜は、ゲートの空乏化を低減する為に十分高い不純物濃度(例えば1021個/cm2以上)で形成することとする。その後、このN+ポリシリコン膜をエッチバックし、隣接する半導体層61の間隔が密な部分にN+ポリシリコン膜を残すと共に、疎な部分のN+ポリシリコン膜を除去してゲート電極63を形成し、複数のゲート電極63部分を接続させて形成する。
【0053】
例えば、図面上横方向に配列されている半導体層61間の間隔は狭いため、このエッチバックにおいてこれらの半導体層61間にはポリシリコン膜が残され、ゲート電極63は一連に繋がって形成される。一方、図面上奥行き方向に配列されている半導体層61間の間隔は、ある程度広く保たれており、このエッチバックにおいてこれらの半導体層61間のポリシリコン膜は除去され、これによりゲート電極63は図面上横方向に接続された形状に形成される。
【0054】
以上の後、さらにポリシリコンをエッチバックしてなるゲート電極63上に、コバルト(Co)またはニッケル(Ni)からなる金属膜を形成し、熱処理によってシリコンと反応させて反応部分にシリサイド膜67形成する。これにより、ポリシリコンからなるゲート電極63の露出表面のみにシリサイド膜67を自己整合的に形成する。これにより、ポリシリコンからなるゲート電極63の表面をシリサイド膜67で覆った層構造のワード線68を形成する。
【0055】
以上により、トレンチ・キャパシタ4上に立設された半導体層61、半導体層61の外周にゲート絶縁膜62を介して密着配置された筒状のゲート電極63を備えたMOSトランジスタ6を形成する。
【0056】
次いで、図9(18)に示すように、半導体基板1の上方に形成されたMOSトランジスタ6を埋め込む状態で酸化シリコンからなる層間絶縁膜401を形成し、この表面をCMP処理によって平坦化する。
【0057】
その後、図9(19)に示すように、層間絶縁膜401およびO3TEOS膜303に、島状にパターニングした導電層69に達する接続孔402を形成する。この際、レジストパターン(図示省略)をマスクに用いて層間絶縁膜401およびO3TEOS膜303をエッチングするが、O3TEOS膜303側壁が窒化シリコンからなるサイドウォール305で覆われているため、このサイドウォール305の範囲内においては、マスクずれが生じてもワード線68にエッチングが達することのないセルフアラインコンタクト構造となっている。
【0058】
次に、この接続孔402内を埋め込む状態でビットコンタクト71を形成する。
【0059】
以上の後、図10(20)に示すように、層間絶縁膜401上に、ビットコンタクト71に接続されたビットライン73を金属配線にて形成し、半導体装置を完成させる。この際、層間絶縁膜401上に形成した金属膜を、レジストパターン(図示省略)をマスクに用いてエッチングする。
【0060】
このような製造方法によれば、図1を用いて説明したように、平面視的に、トレンチ・キャパシタ4の直上に、縦型のMOSトランジスタ6、さらにはビットコンタクト71を完全に重ねた構成のDRAM構成の半導体装置を得ることが可能になる。
【0061】
そして、縦型のMOSトランジスタ6を用いたことにより、MOSトランジスタ6のゲート長は、図4(8)を用いて説明した工程で形成されるダミーゲート層204の膜厚によって制御されることになる。したがって、精度の高いゲート長の制御が可能である。
【0062】
また、図8(17)を用いて説明したように、ゲート電極63を形成する層(ここではN+ポリシリコン膜)をエッチバックすることで、隣接する半導体層61の間隔が密な部分のみにN+ポリシリコン膜が残り、複数のゲート電極63部分が接続されるため、自己整合的にワード線を形成することが可能になる。また、ゲート電極63の表面に、自己整合的にシリサイド層を形成することも可能である。
【0063】
しかも、図9(19)を用いて説明したように、縦型のMOSトランジスタ6の半導体層61上に積層された導電層69に対してビットコンタクト71を接続させるため、ビットコンタクト71の取り出しが浅く、接続孔402の形成が容易である。しかも、接続孔402を形成する際には、導電層69の側壁に設けたサイドウォール306に対して選択的に層間絶縁膜401をエッチングしているため、セルフアラインコンタクトとなり、接続孔402の加工が容易である。
【0064】
さらに、上記一連の製造工程においては、重ね合わせ加工のためのマスクは、▲1▼図2(1)、(2)のトレンチ41形成、▲2▼図4(7)の取り出し電極45形成、▲3▼図4(9)の半導体層のための接続孔208形成、▲4▼図6(13)の島状のパターン形成、▲5▼図9(19)のビットコンタクト71のための接続孔402形成、および▲6▼図10(20)のビットライン73形成の6つのマスク形成で良い。
【0065】
しかも、このDRAMが、LOGIC混載のEmbedded DRAMである場合、▲1▼〜▲6▼のうち、▲2▼,▲5▼,▲6▼の3つのマスクをLOGIC MOSの形成と兼ねることができる。したがって、本構成のDRAMに特有のマスクは3枚のみとなり、従来のため、Embedded DRAMの製造と比較すると、マスク数を大幅に削減することが可能である。
【0066】
また、上述した重ね合わせ各加工▲1▼〜▲6▼の際には、直下の層との合わせのみを調整すれば良く、複数の下層レイヤーとの合わせずれを考慮する必要がない。したがって、重ね合わせが容易であるだけではなく、精度の向上を図ることも可能になる。
【0067】
尚、上述した製造方法をLOGICプロセスと適合させる場合には、例えば図8(17)でシリサイド層67を形成した後、図9(19)でビットコンタクト71を形成する前にLOGICプロセスを組み込むこととする。これにより、DRAMプロセスにおける熱処理の影響を及ぼすことなくLOGIC部を形成することが可能になる。したがって、例えばLOGIC部のMOSトランジスタのゲート絶縁膜に酸窒化シリコン膜を用いた場合に問題となるNBTI(Negative Bias Temperature Instability)を抑えることも可能になり、LOGIC部におけるMOSトランジスタの特性を確保することができる。
【0068】
(第2実施形態)
次に本発明の第2実施形態を、半導体装置、その製造方法の順に説明する。
【0069】
<半導体装置>
図11は、第2実施形態の半導体装置の構成を説明するための断面図である。この図に示す第2実施形態の半導体装置と、図1を用いて説明した第1実施形態の半導体との異なる点は、半導体層の構成にあり、他の構成は同様であることとする。
【0070】
すなわち第2実施形態の半導体装置の半導体層61は、円柱状の半導体層61のその中心部に、その中心軸に沿って配置された絶縁層81を備えている。
【0071】
このような半導体装置によれば、MOSトランジスタ6が、完全空乏型となり、基板浮遊効果を抑えることが可能になる。このためノイズに対して強いMOSトランジスタ6を構成することが可能になる。
【0072】
<製造方法>
図11を用いて説明した構成の半導体装置を製造する場合、先ず、第1実施形態において図2(1)〜図4(9)を用いて説明した工程を同様に行い、半導体基板1上の積層膜201〜207に各トレンチ・キャパシタ4の上部電極43に達する接続孔208を形成する。
【0073】
その後、図12(10a)に示すように、接続孔208の内壁を覆うと共に、接続孔208の中央部に空間を残した状態で積層膜201〜207上にノンドープのポリシリコン膜209を形成する。そしてさらに、このポリシリコン膜209で覆われた接続孔208内を完全に埋め込む状態で、酸化シリコンからなる絶縁膜81を形成する。
【0074】
次いで、図12(b)に示すように、積層膜201〜207の最上層の窒化シリコン膜207をストッパとして、絶縁膜81およびポリシリコン膜209をCMP研磨し、中央部の絶縁膜81を囲む状態で接続孔208内にのみにポリシリコン膜209、および絶縁膜81を残す。
【0075】
以上の工程を行った後、第1実施形態において図5(11)〜図10(20)を用いて説明した工程を同様に行うことで、図11を用いて説明した半導体装置が得られる。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体装置によれば、トレンチ・キャパシタの溝内に埋め込まれた上部電極の直上に縦型MOSトランジスタの半導体層を接続させた状態で立設させたことにより、トレンチ・キャパシタの直上に縦型のMOSトランジスタを完全に重ねた構成とすることが可能になる、セルの面積を最小限にまで縮小することが可能になると共に、トレンチ・キャパシタの上部電極とMOSトランジスタのソース/ドレイン拡散層とを直接接続することで、接続部の抵抗による動作遅延の問題を解消することが可能になる。さらに、半導体基板上に層間絶縁膜を介してMOSトランジスタを設けた構成を採用したことにより、MOSトランジスタの基板リーク電流の発生も抑えられる。この結果、DRAM構成の半導体装置においても、動作速度の向上とトランジスタ特性の向上とを同時に達成可能で、かつさらなるセル構造の微細化が可能となる。
【0077】
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、マスク数を最小限に抑えた上記構成の半導体装置の製造が可能である。特に、この半導体装置がLOGIC混載のDRAMである場合、LOGIC部の製造と複数のマスクを共有することで、従来と比較してマスク数を削減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の半導体装置の構成を示す図である。
【図2】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(1)〜(3)である。
【図3】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(4)〜(6)である。
【図4】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(7)〜(9)である。
【図5】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(10),(11)である。
【図6】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(12),(13)である。
【図7】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(14),(15)である。
【図8】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(16),(17)である。
【図9】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(18),(19)である。
【図10】第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(20)である。
【図11】第2実施形態の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図12】第2実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面工程図(10a),(10b)である。
【符号の説明】
1…半導体基板、2…酸化シリコン膜(層間絶縁膜)、3…窒化シリコン膜(層間絶縁膜)、4…トレンチ・キャパシタ、6…MOSトランジスタ、41…キャパシタ(溝)、42…誘電膜、43…上部電極、45…取り出し電極、61a,61b…S/D(ソース/ドレイン拡散層)、61…半導体層、62…ゲート絶縁膜、63…ゲート電極、65…第1絶縁膜、66…第2絶縁膜、69…導電層、71…ビットコンタクト、81…絶縁層、204…ダミーゲート層、208…接続孔、308…サイドウォール、401…層間絶縁膜、402…接続孔
Claims (12)
- 半導体基板とその上部を覆う層間絶縁膜とに形成された溝内に、誘電膜を介して上部電極を埋め込んでなるトレンチ・キャパシタと、
上端側および下端側にソース/ドレイン拡散層を備え当該下端側のソース/ドレイン拡散層を前記上部電極に接続させた状態で当該上部電極上に立設された柱状の半導体層、および当該半導体層の高さ方向の中央部を囲む筒状にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極を有する縦型のMOSトランジスタとを備えた
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記上端側のソース/ドレイン拡散層上には、コンタクトが立設されている
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記半導体基板の表面層には、複数の前記トレンチ・キャパシタの下部電極を構成する拡散層と一体に形成された取り出し電極が形成されている
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記半導体層の中央部には、上端側から下端側に掛けて絶縁層が配置されている
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記半導体層の上部には、前記上端側のソース/ドレイン拡散層を形成するための不純物の拡散源となる導電層が設けられ、
前記トレンチ・キャパシタの上部電極には、前記下端側のソース/ドレイン拡散層を形成するための不純物が含有されている
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記層間絶縁膜と前記ゲート電極との間および前記ゲート電極の上部における前記半導体層の周囲には、当該半導体層内にソース/ドレイン拡散層を形成するための不純物の拡散源となる層を備えた絶縁膜が設けられている
ことを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板とその上部を覆う層間絶縁膜に形成された溝内に、誘電膜を介して上部電極を埋め込んでなるトレンチ・キャパシタを形成する第1工程と、
前記層間絶縁膜上に、第1絶縁膜、ダミーゲート層および第2絶縁膜をこの順で積層し、この積層膜にトレンチ・キャパシタの上部電極に達する接続孔を形成する第2工程と、
前記接続孔内を埋め込む状態で柱状の半導体層を形成する第3工程と、
前記第2絶縁膜および前記半導体層上に導電層を形成する第4工程と、
前記導電層および前記第2絶縁膜を、前記半導体層の周囲を囲む島状にパターニングし、次いで前記ダミーゲート層を選択的に除去して当該半導体層の高さ方向中央部の側壁を露出させる第5工程と、
前記半導体層の露出面にゲート絶縁膜を形成する第6工程と、
前記トレンチ・キャパシタの上部電極および前記導電層から前記半導体層内に不純物を固層拡散させることで、当該半導体層の上端側と下端側にソース/ドレイン拡散層を形成する第7工程と、
前記第1絶縁膜上に、前記ゲート絶縁膜を介して前記半導体層の中央部を囲む筒状のゲート電極を形成する第8工程とを行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項7記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2工程では、不純物を含有する絶縁層を不純物を含有しない絶縁層で狭持してなる第1絶縁膜および第2絶縁膜を形成し、
前記第7工程では、前記トレンチ・キャパシタの上部電極および前記導電層と共に、前記第1絶縁膜および第2絶縁膜から前記半導体層内に不純物を固層拡散させる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項7記載の半導体装置の製造方法において、
前記第8工程では、前記島状にパターニングされた前記導電層および前記第2絶縁膜を覆う状態で前記第1絶縁膜上にゲート電極形成層を成膜し、当該ゲート電極形成層をエッチバックすることで、近接して配置された複数の前記半導体層間において接続されたゲート電極を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項7記載の半導体装置の製造方法において、
前記第8工程の後、
前記半導体基板上方を層間絶縁膜で覆い、当該層間絶縁膜に前記導電層に達する接続孔を形成する第9工程と、
前記接続孔内に当該導電層に接続されたコンタクトを形成する第10工程とを行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項10記載の半導体装置の製造方法において、
前記第5工程では、前記導電層および前記第2絶縁膜を島状にパターニングした後、前記ダミーゲート層の選択的な除去を行う前に、当該島状のパターン側壁にサイドウォールを形成し、
前記第9工程では、前記サイドウォールに対して前記層間絶縁膜を選択的にパターンエッチングする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項7記載の半導体装置の製造方法において、
前記第3工程では、前記接続孔の内壁を覆う状態で半導体層を成膜した後、当該接続孔の内部を埋め込む状態で絶縁層を形成し、次いで前記第2絶縁膜上における前記半導体層および絶縁膜層を除去することで、中央部に絶縁層が立設された柱状の半導体層を当該接続孔内に形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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