JP2005197749A - 垂直型デバイスの性能に与えるコーナー・デバイスの影響を減らすための窒化sti(浅いトレンチ分離)ライナー酸化物 - Google Patents

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Abstract

【課題】平面デバイスを使用するプロセス・フローに統合できる垂直型DRAM用の構造を提供する。
【解決手段】集積回路デバイスを製造する方法は、基板内のトレンチをエッチングするステップと、下部端にある蓄積キャパシタ24と、これを覆うゲート導体30およびホウ素ドープ・チャネルを有する垂直型MOSFETと、を有するDRAMセルを形成するステップとを有する。当該方法には、DRAMセルに隣接するトレンチと、DRAMセルのいずれかの側にあるシリコン酸窒化分離ライナーとを形成するステップが含まれる。次に、DRAMセルのいずれかの側のトレンチ内に分離領域が形成される。その後、ホウ素含有チャネル領域を含むDRAMセルは、支持デバイスを形成するなどの熱処理による高温にさらされる。窒化物含有分離ライナーは、本質的に窒素の無い酸化物含有分離ライナーに比べて、チャネル領域内でのホウ素の分離を減らす。
【選択図】 図1

Description

本発明は半導体プロセスに関し、具体的に言えば、垂直型ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)と他の支持回路との両方を有し、DRAMにおけるコーナー・デバイスの影響を減らす分離トレンチを含む、集積回路の製造に関する。
垂直型ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)回路は、有効セル・サイズを小さくしメモリ密度を上げるために用いられてきた。通常、垂直型DRAMメモリ・セルは垂直型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を有し、当該MOSFETはその下にあるトレンチ・キャパシタに接続される。垂直型MOSFETでは、トランジスタのチャネル領域の表面は、一般に基板の主表面と垂直である。
DRAM回路は、垂直アレイ(array)および平面支持(planar support)デバイス、たとえば論理回路向けのプロセス・ステップを分けることによって形成可能である。しかしながら、埋め込み型の垂直型DRAMの製造が平面支持デバイスの製造工程流れに組み込まれる複合型DRAM回路の製造には、重要な課題が存在する。これらの問題の中には、熱使用量(thermal budget)の増加、すなわち、垂直型デバイス用の注入(implant)が受ける高温での時間の累積的影響がある。熱処理は、通常、DRAMゲート側壁層および支持領域内の平面ゲート酸化物などの酸化膜の成長に関連し、1000〜1200℃に達する場合がある。垂直型デバイス用の注入がこうした大掛かりな熱処理の前に実施された場合、分離(segregation)が生じることが多い。たとえば、酸化物ライナーを備えた浅いトレンチ分離(STI:Shallow Trench Isolation)を用いて、DRAMを分離することができる。このような場合、DRAMのトランジスタ部分のコーナー・デバイスは、ホウ素のライナーへの分離によるSTIライナーの酸化によって影響を受ける可能性があり、高温にさらされる結果としてゲート導体に隣接するチャネルに空乏(depletion)が発生する。
したがって、特にゲートおよびSTIに隣接する領域内でのホウ素の枯渇(depletion)による、垂直型DRAMの望ましくないコーナー・デバイスの影響を減らす構造が求められている。
従来技術の問題および欠点を念頭に置くと、本発明の目的は平面デバイスを使用するプロセス・フローに首尾よく統合できる垂直型DRAM用の構造を提供することである。
本発明の他の目的は、DRAMのトランジスタ部分におけるコーナーの影響を減らす、平面支持デバイスを使用して垂直型DRAMを製造する統合的な方法を提供することである。
本発明の他の目的は、後続の熱処理中に隣接する分離トレンチへのドーパント(dopant)の分離を阻止する、垂直型DRAMを製造するための構造および方法を提供することである。
本発明の他の目的および利点は、一部は自明となり、一部は本明細書から明らかとなろう。
当業者であれば明らかな上記および他の目的および利点は、第一の態様で、基板の深いトレンチ内に形成された蓄積キャパシタ(storage capacitor)、および深いトレンチ(deep trench)内の蓄積キャパシタを覆うゲート導体を有する、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)セルと、DRAMセルのいずれかの側にある分離領域とを備えるものであって、当該分離領域がゲート導体の下に延在する、集積回路デバイスを対象とする本発明で達成される。当該デバイスには、分離領域に隣接し、少なくともそれぞれの分離領域とゲート導体との間に延在する、窒化化合物を有するライナーも含まれる。
好ましくは、ライナーはシリコン酸窒化(silicon−oxy−nitride)化合物を有し、分離領域の側面および下に延在する。DRAMセルの蓄積キャパシタは、分離領域およびライナーの下に延在することも可能である。
ゲート導体に隣接する領域には、通常、ホウ素などのドーパントが含まれ、さらに集積回路デバイスにはゲート導体とドーパント含有領域との間にあり分離領域間に延在する酸化膜が含まれる。酸化膜および分離領域は、ライナーが後続のDRAMセルの熱処理中のコーナー領域でのドーパントの枯渇を少なくするように、ゲート導体のコーナー領域およびドーパント含有領域を画定する。
通常、ゲート導体およびホウ素ドープ・チャネルを有する垂直型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)が、蓄積キャパシタを覆う。さらに集積回路デバイスは、DRAMセルに隣接する平面支持デバイスを含むことが可能であり、当該平面支持デバイスは熱によって生成される酸化膜を含む。
他の態様では、本発明は、基板を準備すること、基板内のトレンチをエッチングすること、およびトレンチ内でダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)セルを形成することを含む、集積回路を製造する方法を対象とするものである。DRAMセルは、トレンチの下部端にある蓄積キャパシタと、トレンチ内の蓄積キャパシタを覆うゲート導体とを有する。次に当該方法は、ゲート導体に隣接する基板内の領域をドーピングすること、およびDRAMセルに隣接するトレンチを形成することを含み、当該トレンチはゲート導体の下に延在する。トレンチ内では、DRAMセルのいずれかの側でゲート導体に隣接した窒化化合物を有する分離ライナーが形成される。さらに当該方法には、DRAMセルのいずれかの側でトレンチ内に分離領域を形成することも含まれる。その後、ゲート導体に隣接するドーパント含有領域を含むDRAMセルは、たとえば分離領域に隣接する基板上に支持デバイスを形成するなどの熱処理により、高温(elevated temperature)にさらされる。窒化物含有分離ライナーは、本質的に窒素の無い酸化物含有分離ライナーに比べて、熱処理の結果としてのゲート導体に隣接した領域内でのドーパントの枯渇を少なくする。ドーパントは好ましくはホウ素であり、ライナーは好ましくはシリコン酸窒化化合物を含む。
ゲート導体に隣接する基板内の領域は、通常、垂直型MOSFETのチャネルを有する。好ましくは、ライナーはDRAMセルのいずれかの側のトレンチの壁上に形成され、その結果ライナーは分離領域の側面(alongside)および下(below)に延在する。
さらに当該方法は、ゲート導体とドーパント含有領域との間に酸化膜を形成すること、およびドーパント含有領域が分離領域間に延在することを含むことができる。酸化膜および分離領域は、ゲート導体のコーナー領域およびドーパント含有領域を画定し、ライナーは、後続の熱処理中のコーナー領域におけるドーパントの枯渇を減少させる。
他の態様では、本発明は、集積回路デバイスと、基板内の活性領域(active region)間の深いトレンチ内に形成されたDRAMセルとともに、活性領域を有するシリコン基板を備えた集積回路デバイスを形成するための方法とを対象とするものである。DRAMセルにはポリシリコン・ゲート導体が含まれる。さらに集積回路デバイスは、シリコン基板の活性領域およびポリシリコン・ゲート導体に沿って形成され連続して延在する酸化および窒化された側壁層を有する。好ましくは、DRAMセルは、ゲート導体を有し、ゲート導体と基板内の活性領域のうちの少なくとも1つとの間にゲート酸化膜を含む、垂直型MOSFETを備える。さらに集積回路デバイスは、DRAMセルのいずれかの側に形成された分離領域および基板内の活性領域用のライナーとしての、酸化および窒化された側壁層のペアを含む。
新規であると考えられる本発明の特徴および本発明の要素の特徴については、添付の特許請求の範囲に具体的に記載されている。図面は例示のために示したものに過ぎず、必ずしも実寸法の比どおりに図示されたものではない。しかしながら、構成及びプロセス方法の両方に関する本発明それ自体は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することによって、最も良く理解されよう。
本発明の好ましい実施形態を記載するにあたり、本明細書では、同じ番号が本発明の同じ要素(feature)を表す図面の図1〜5を参照することになる。本発明の要素は、図面内で必ずしも実寸法の比を用いて示されるとは限らない。
本発明によれば、垂直型DRAM10のアレイ(array)は図1では断面立面図に、図2では平面図に示されている。各垂直型DRAM10には、トレンチ・キャパシタの上に、好ましくはシリコン基板である半導体ウェハ基板20内に形成された垂直型MOSFETが含まれる。製造工程において、知られたパターン形成およびエッチング技法により、複数の垂直の深いトレンチが上表面からシリコン基板10内部まで形成される。次に知られた処理技法を使用して、各垂直トレンチの底部に、ドープされたポリシリコン・フィル(fill)24の部分を囲む酸化物のトレンチ・カラー22が提供される。ポリシリコン・フィル24はトレンチ・トップ酸化(TTO:trench top oxide)膜26で完全に覆われる、その結果各トレンチの下部内にストレージ・ノード(storage node)として働くトレンチ蓄積キャパシタ24を形成する。図に示されるように、トレンチ蓄積キャパシタ24は、基板10内に深く延在する。酸化物カラー22は、下方にはトレンチの底部近くまで、上方にはTTO26近くまで延在する。ストラップ拡散(strap diffusion)領域36がトレンチに隣接するシリコン基板内に形成され、蓄積キャパシタ24とともに電気的ブリッジを形成する。
各キャパシタ24の上方では、垂直トレンチ内に垂直型トランジスタが形成される。これは、第1に、通常はホウ素によってドープされるトレンチの側壁に沿ってチャネル34を堆積し、次に熱処理によってその上にゲート酸化膜32を成長させることによって行われる。その後、各トレンチの残っている上部内にポリシリコンが堆積され、トレンチ・トップ酸化膜26の上に垂直のゲート導体30を形成する。トレンチ・トップ酸化膜26は、トレンチ上部内のゲート導体30を、DRAMアレイ10のトレンチ下部内のストレージ・ノードから絶縁させる。
図3および4に示されるように、次にDRAM10のアレイの側面に沿って、シリコン基板20内に浅いトレンチ分離(STI)40が形成される。トレンチは第1に、TTO26から下方にカラー22の上部まで延在するように、知られた技法によって形成される。次にこれらのトレンチは、好ましくは、酸化後窒化(たとえばプラズマまたは加熱炉(furnace)による)、またはNO、NO、NHなどの窒素雰囲気ガス内での酸化などの当分野で知られた方法によって形成されたシリコン酸窒化物である、窒化化合物を形成することによって内側が覆われる(lined)。したがって、ゲート導体30とゲート導体間のシリコン基板20活性領域とのそれぞれに沿って延在する連続する側壁には、好ましくは酸化および窒化の両方が行われる。上部付近部分を除くトレンチの側面および底面は、好ましくは窒化物ライナー(liner)によって完全に内部が覆われる。
STI40は、図3に示されるように、DRAMアレイ領域10を基板の平面支持領域(support area)12から分離する。基板20上に形成される支持領域は、ゲート酸化膜16の上にゲート膜14を用いる論理デバイスを含むことができる。DRAMトランジスタの形成に続く平面支持デバイスのこの処理は、一般に1000〜1200℃までの範囲内であることの多い高温を用いて、犠牲酸化膜(sacrificial oxidation layer)の形成および膜およびコンポーネントの熱処理を行う。
DRAM10のセルのコーナー・デバイスは、図5でより詳細に示されている。チャネル34は、通常、ホウ素などのp型のドーパントでドープされる。ゲート酸化膜32およびSTIライナー42によって形成されるコーナー近くのゲート導体30に隣接するチャネル34領域は、通常、コーナーから離れた領域とは異なる特性を有する。分離領域40に対して窒化物ライナー42を使用することによって、様々な酸化膜の熱処理および他の熱処理の結果としてのホウ素の分離が著しく減少することが、思いがけなく見出された。窒化膜を使用することで、STIライナー42へのホウ素の拡散が、本質的に窒素の無い従来技術のSTIライナー酸化物への拡散に比べて少ないことがわかってきた。ライナーと垂直型MOSFET間の活性シリコンとの間の表面のホウ素濃度は、最低1×1015原子/cmは異なることがわかってきた。
したがって本発明は、DRAMがかなりの熱影響を受ける場合に、平面デバイスを用いるプロセス・フローに首尾よく統合することが可能な垂直型DRAMの構造を提供するものである。具体的に言えば、本発明の統合的な製造方法は、DRAMのトランジスタ部分におけるコーナーの影響を減らすものである。
以上、本発明について特定の好ましい実施形態に従って説明してきたが、当業者であれば、本発明の真の範囲および趣旨を逸脱することなく実行可能な多くの修正および強化が、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるものであることを理解されよう。
垂直型DRAMセルのアレイを示す断面立面図である。 図1の垂直型DRAMセルのアレイを示す平面図である。 図1の垂直型DRAMセルのアレイの側面に沿って形成されたSTIを示す断面立面図である。 図3のSTIおよび垂直型DRAMセルのアレイを示す平面図である。 STIライナーおよび垂直ゲート酸化膜に隣接するゲートおよびチャネルのコーナー領域を示す、図4の一部のクローズアップ図である。
符号の説明
10 垂直型DRAM
12 平面支持領域
14 ゲート膜
16 ゲート酸化膜
20 ウェハ基板、シリコン基板
22 トレンチ・カラー
24 ポリシリコン・フィル、(トレンチ)蓄積キャパシタ
26 トレンチ・トップ酸化(TTO)膜
30 ゲート導体
32 ゲート酸化膜
34 チャネル領域
36 ストラップ拡散領域
40 浅いトレンチ分離(STI)
42 STIライナー、窒化物ライナー

Claims (31)

  1. 基板の深いトレンチ内部に形成された蓄積キャパシタと、前記深いトレンチ内の前記蓄積キャパシタを覆うゲート導体とを有する、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)セルと、
    前記ゲート導体の下に延在する、前記DRAMセルのいずれかの側にある分離領域と、
    前記分離領域に隣接する窒化化合物を含み、少なくともそれぞれの分離領域とゲート導体との間に延在するライナーと、
    を有する、集積回路デバイス。
  2. 前記ライナーがシリコン酸窒化化合物を含む、請求項1に記載の集積回路デバイス。
  3. 前記ライナーが前記分離領域の側面および下に延在する、請求項1に記載の集積回路デバイス。
  4. 前記ゲート導体に隣接する領域がドーパントを含むドーパント含有領域であり、さらに前記ゲート導体と前記ドーパント含有領域との間に酸化膜を含み、前記分離領域間に延在するものであって、前記酸化膜および分離領域は前記ゲート導体のコーナー領域およびドーパント含有領域を画定し、前記ライナーは後続のDRAMセルの熱処理中に前記コーナー領域におけるドーパントの枯渇を減らすものである、請求項1に記載の集積回路デバイス。
  5. 前記ゲート導体に隣接する前記ドーパント含有領域がチャネルを有する、請求項4に記載の集積回路デバイス。
  6. 前記ドーパントがホウ素を含む、請求項4に記載の集積回路デバイス。
  7. 前記DRAMセルに隣接する平面支持デバイスをさらに含み、前記平面支持デバイスは熱によって生成される酸化膜を含む、請求項1に記載の集積回路デバイス。
  8. 前記DRAMセルの前記蓄積キャパシタが前記分離領域およびライナーの下に延在する、請求項1に記載の集積回路デバイス。
  9. 前記ゲート導体およびホウ素ドープ・チャネルを有する垂直型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)が前記蓄積キャパシタを覆う、請求項1に記載の集積回路デバイス。
  10. シリコン基板の深いトレンチ内に形成された蓄積キャパシタと、前記深いトレンチ内の前記蓄積キャパシタを覆うゲート導体とを有し、前記ゲート導体に隣接する領域がホウ素ドーパントを含むホウ素ドーパント含有領域である、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)セルと、
    前記ゲート導体の下に延在する、前記DRAMセルのいずれかの側にある分離領域と、
    前記分離領域に隣接するシリコン酸窒化化合物を含み、少なくともそれぞれの分離領域とゲート導体との間に延在する、ライナーと、
    前記ゲート導体と前記ホウ素ドーパント含有領域との間にあり、前記分離領域間に延在する酸化膜であって、前記酸化膜および分離領域は前記ゲート導体のコーナー領域およびホウ素ドーパント含有領域を画定し、前記ライナーは後続のDRAMセルの熱処理中に前記コーナー領域におけるホウ素の枯渇を減らすものである、酸化膜と、
    を有する、集積回路デバイス。
  11. 前記ライナーが前記分離領域の側面および下に延在する、請求項10に記載の集積回路デバイス。
  12. 前記ゲート導体に隣接する前記ホウ素ドーパント含有領域がチャネルを有し、 前記ゲート導体および前記ホウ素ドープ・チャネルを有する垂直型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)が前記蓄積キャパシタを覆う、請求項10に記載の集積回路デバイス。
  13. 前記DRAMセルに隣接する平面支持デバイスをさらに含み、前記平面支持デバイスは熱によって生成される酸化膜を含む、請求項10に記載の集積回路デバイス。
  14. 前記DRAMセルの前記蓄積キャパシタが前記分離領域およびライナーの下に延在するものである、請求項10に記載の集積回路デバイス。
  15. 基板を準備するステップと、
    前記基板内のトレンチをエッチングするステップと、
    前記トレンチの下部端にある蓄積キャパシタと前記トレンチ内の前記蓄積キャパシタを覆うゲート導体とを有するダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)セルを、前記トレンチ内に形成するステップと、
    前記ゲート導体に隣接する前記基板内の領域をドープするステップと、
    前記ゲート導体の下に延在する、DRAMセルに隣接するトレンチを形成するステップと、
    前記ゲート導体に隣接する前記DRAMセルのいずれかの側で前記トレンチ内に窒化化合物を含む分離ライナーを形成するステップと、
    前記DRAMセルのいずれかの側で前記トレンチ内に分離領域を形成するステップと、
    その後、前記ゲート導体に隣接する前記ドーパント含有領域を含む前記DRAMセルを熱処理によって高温にさらすステップと、
    を有する集積回路デバイスを製造する方法であって、
    前記窒化物を含む分離ライナーは、本質的に窒素の無い酸化物含有分離ライナーに比べて、熱処理の結果としての前記ゲート導体に隣接する領域でのドーパントの分離を減らすものである、
    方法。
  16. 前記ドーパントがホウ素である、請求項15に記載の方法。
  17. 前記ライナーがシリコン酸窒化化合物を含む、請求項15に記載の方法。
  18. 前記ライナーは、前記ライナーが前記分離領域の側面および下に延在するように、前記DRAMセルのいずれかの側にある前記トレンチの側壁上に形成される、請求項15に記載の方法。
  19. 前記ゲート導体と前記ドーパント含有領域との間にあり、前記分離領域間に延在する酸化膜を形成するステップであって、前記酸化膜および分離領域は前記ゲート導体のコーナー領域およびドーパント含有領域を画定し、前記ライナーは後続の熱処理中に前記コーナー領域におけるドーパントの枯渇を減らすものである、酸化膜を形成するステップをさらに含む、請求項15に記載の方法。
  20. 前記DRAMセルの前記蓄積キャパシタが前記分離領域およびライナーの下に延在する、請求項15に記載の方法。
  21. 前記熱処理が、前記分離領域に隣接する前記基板上に支持デバイスを形成するステップを含む、請求項15に記載の方法。
  22. 前記ゲート導体に隣接する前記基板内の前記領域が、垂直型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)のチャネルを有する、請求項15に記載の方法。
  23. シリコン基板を準備するステップと、
    前記シリコン基板内のトレンチをエッチングするステップと、
    前記トレンチの下部端にある蓄積キャパシタと、前記トレンチ内の前記蓄積キャパシタを覆うゲート導体と、前記ゲート導体と前記ゲート導体に隣接する前記シリコン基板との間の酸化膜とを有する、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)セルを、前記トレンチ内に形成するステップと、
    前記ゲート導体に隣接する前記シリコン基板内の領域をホウ素でドープするステップと、
    前記ゲート導体の下に延在するトレンチであって、DRAMセルに隣接するトレンチを形成するステップと、
    前記ゲート導体に隣接する前記DRAMセルのいずれかの側で前記トレンチ内にシリコン酸窒化化合物を含む分離ライナーを形成するステップと、
    前記DRAMセルのいずれかの側で前記トレンチ内に分離領域を形成するステップであって、前記酸化膜および分離領域が前記ゲート導体のコーナー領域およびホウ素ドーパント含有領域を画定するものである、分離領域を形成するステップと、
    その後、前記ゲート導体に隣接する前記ドーパント含有領域を含む前記DRAMセルを熱処理によって高温にさらすステップと、
    を有する集積回路デバイスを製造する方法であって、
    前記窒化物含有分離ライナーは、本質的に窒素の無い酸化物含有分離ライナーに比べて、熱処理の結果としての前記ゲート導体に隣接するコーナー領域でのホウ素ドーパントの分離を減らすものである、
    方法。
  24. 前記ライナーは、前記ライナーが前記分離領域の側面および下に延在するように、前記DRAMセルのいずれかの側にある前記トレンチの側壁上に形成される、請求項23に記載の方法。
  25. 前記DRAMセルの前記蓄積キャパシタが前記分離領域およびライナーの下に延在する、請求項23に記載の方法。
  26. 前記熱処理が、前記分離領域に隣接する前記基板上に支持デバイスを形成するステップを含む、請求項23に記載の方法。
  27. 前記ゲート導体に隣接する前記基板内の前記領域が、垂直型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)のチャネルを有する、請求項23に記載の方法。
  28. 活性領域を有するシリコン基板と、
    前記シリコン基板内の前記活性領域間の深いトレンチ内に形成される、ポリシリコン・ゲート導体を有するDRAMセルと、
    前記シリコン基板の活性領域および前記ポリシリコン・ゲート導体に沿って連続して延在する酸化および窒化された側壁層と、
    を有する、集積回路デバイス。
  29. 前記DRAMセルは、前記ゲート導体を有し、前記ゲート導体と前記シリコン基板内の前記活性領域のうちの少なくとも1つとの間にゲート酸化膜とをさらに含む、垂直型MOSFETを備え、前記DRAMセルのいずれかの側の分離領域および前記シリコン基板内の活性領域用のライナーとしての酸化および窒化された側壁層のペアをさらに含むものである、請求項28に記載の集積回路デバイス。
  30. 活性領域を有するシリコン基板を準備するステップと、
    前記シリコン基板内の前記活性領域間の深いトレンチ内に形成される、ポリシリコン・ゲート導体を有するDRAMセルを形成するステップと、
    前記シリコン基板の活性領域および前記ポリシリコン・ゲート導体に沿って連続して延在する酸化および窒化された側壁層を形成するステップと、
    を有する、集積回路デバイスを製造する方法。
  31. 前記DRAMセルを形成するステップは、前記ゲート導体と、前記ゲート導体と前記シリコン基板内の前記活性領域のうちの少なくとも1つとの間のゲート酸化膜とを有する垂直型MOSFETを形成するステップを有し、前記DRAMセルのいずれかの側の分離領域および前記シリコン基板内の活性領域用のライナーとしての酸化および窒化された側壁層のペアを形成するステップをさらに含む、請求項30に記載の方法。
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