JP2005203513A - Manufacturing method of semiconductor memory and semiconductor memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体記憶装置の製造方法および半導体記憶装置に関し、特に、DRAM(ダイナミックランダムアクセスメモリー)を有する半導体記憶装置の製造方法およびその製造方法で製造した半導体記憶装置に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor memory device and a semiconductor memory device, and more particularly to a method of manufacturing a semiconductor memory device having a DRAM (dynamic random access memory) and a semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method.
近年のVLSI等の半導体装置においては3年で7割の縮小化を実現し、高集積化および高性能化を達成してきた。
例えば、スイッチング用の1トランジスタ(メタル−酸化物−半導体積層体型電界効果トランジスタ(MOSFET)と1メモリキャパシタから1つのメモリセルが構成されるMOS型DRAMは、半導体デバイスにおけるプロセスドライバーとして高集積化の一途をたどっている。
装置の微細化に伴い、メモリセル面積は縮小化されるので、メモリキャパシタの占有面積も縮小化している。
In recent years, semiconductor devices such as VLSI have been reduced by 70% in three years to achieve higher integration and higher performance.
For example, a MOS type DRAM in which one memory cell is composed of one transistor for switching (metal-oxide-semiconductor stacked field effect transistor (MOSFET) and one memory capacitor is highly integrated as a process driver in a semiconductor device. It is going on.
As the device is miniaturized, the area of the memory cell is reduced, so that the area occupied by the memory capacitor is also reduced.
しかしながら、動作マージンを確保し、アルファー線によるソフトエラー耐性を確保して記憶したデータの信頼性を高めるために、メモリキャパシタの蓄積容量はDRAMの世代にかかわらず1ビットあたり20〜30fFと一定値に保たれている。
従って、メモリキャパシタは微細化するに従いその占有面積を縮小化しているにもかかわらず、その蓄積容量は必要量確保する必要があり、そのための様々な工夫がなされてきた。
However, in order to secure an operating margin and to secure the soft error tolerance due to alpha rays, the storage capacity of the memory capacitor is a constant value of 20 to 30 fF per bit regardless of the generation of the DRAM. It is kept in.
Therefore, although the occupation area of the memory capacitor is reduced as the memory capacitor is miniaturized, it is necessary to secure a necessary amount of the storage capacity, and various contrivances have been made for that purpose.
例えば、キャパシタ絶縁膜の膜厚を薄くする方法や、キャパシタ絶縁膜としてより比誘電率の高い材料を用いて蓄積容量を増加させるなどの方法が開発されている。
一方で、キャパシタの電極構造も工夫が加えられており、様々な構造を有するものが開発されている。メモリキャパシタは記憶ノード電極(キャパシタのトランジスタに接続している電極)とプレート電極(キャパシタの接地している電極)とその間のキャパシタ絶縁膜とを有しており、例えば、キャパシタを積み上げ式に構成するスタック型や、半導体基板に対して深さ方向に記憶ノード電極を形成するトレンチ型などの構造とすることで、記憶ノード電極とプレート電極の対向する面の表面積を増加させることにより、キャパシタの蓄積容量を増加させることができる。
For example, a method of reducing the film thickness of the capacitor insulating film and a method of increasing the storage capacity using a material having a higher relative dielectric constant as the capacitor insulating film have been developed.
On the other hand, the electrode structure of the capacitor has been devised, and those having various structures have been developed. The memory capacitor has a storage node electrode (electrode connected to the capacitor transistor), a plate electrode (electrode grounded to the capacitor), and a capacitor insulating film therebetween. For example, the capacitors are stacked. The stack surface type or the trench type structure that forms the storage node electrode in the depth direction with respect to the semiconductor substrate, thereby increasing the surface area of the opposing surface of the storage node electrode and the plate electrode. The storage capacity can be increased.
上記のトレンチ型のキャパシタを有するDRAMについて説明する。
図7(a)は従来例に係るDRAMのメモリセルの断面図であり、図7(b)は平面図である。図7(a)は図7(b)中のX−X’における断面図に相当する。
p型の半導体基板100に形成された活性領域AAとなる第1n型半導体層101を除く領域においてトレンチTRが形成され、トレンチTRの内壁表面から所定の深さで第2n型半導体層102が形成され、これがメモリキャパシタのプレート電極PLとなる。
トレンチTRの内壁表面を被覆してキャパシタ絶縁膜103が形成され、その内側にポリシリコンからなる第3n型半導体層104が埋め込まれて、これがメモリキャパシタの記憶ノード電極MNとなる。
上記のようにして、第2n型半導体層102(プレート電極PL)、キャパシタ絶縁膜103および第3n型半導体層104(記憶ノード電極MN)からメモリキャパシタが構成されている。
A DRAM having the above trench type capacitor will be described.
FIG. 7A is a cross-sectional view of a conventional DRAM memory cell, and FIG. 7B is a plan view. FIG. 7A corresponds to a cross-sectional view taken along the line XX ′ in FIG.
A trench TR is formed in a region excluding the first n-
A capacitor
As described above, the second n-type semiconductor layer 102 (plate electrode PL), the capacitor
第1n型半導体層101(活性領域AA)は、酸化シリコンからなるSTI(Shallow
Trench Isolation)型の素子分離絶縁膜105で分離されており、素子分離絶縁膜105の内部にポリシリコンからなる第4半導体層106が埋め込まれている。
The first n-type semiconductor layer 101 (active area AA) is made of STI (Shallow) made of silicon oxide.
Trench Isolation) type element isolation
また、第1n型半導体層101(活性領域AA)にはチャネル形成領域とこれを挟むようにしてソース・ドレイン領域(不図示)が形成され、チャネル形成領域における第1n型半導体層101(活性領域AA)上に不図示のゲート絶縁膜を介してゲート電極107が形成されている。
以上のようにして、MOSFETが構成されている。
The first n-type semiconductor layer 101 (active region AA) includes a channel formation region and a source / drain region (not shown) sandwiching the channel formation region, and the first n-type semiconductor layer 101 (active region AA) in the channel formation region. A
The MOSFET is configured as described above.
上記のような構成のMOSFETにおいて、一方のソース・ドレインが半導体層106を介して第3n型半導体層104(メモリキャパシタの記憶ノード電極MN)に電気的に接続され、他方のソース・ドレインがビットコンタクト108を介して不図示のビット線に接続されている。さらに、ゲート電極107はワード線に接続されている。
以上のような構成のメモリセルがマトリクス状に集積されて、DRAMが構成されている。
In the MOSFET configured as described above, one source / drain is electrically connected to the third n-type semiconductor layer 104 (the storage node electrode MN of the memory capacitor) via the
A memory cell having the above configuration is integrated in a matrix to form a DRAM.
上記の構成において、第4半導体層106と第1n型半導体層101中のソース・ドレイン領域との接続は、第4半導体層106からの第1n型半導体層101への不純物拡散による接合によって接続されるようになっている。
上記の方法では、トレンチの面積について以下の制約が生じる。
(1)第4半導体層106から第1n型半導体層101への不純物拡散により接合を形成することから、MOSFETの特性を確保するために第4半導体層106を第1n型半導体層101のチャネル形成領域から十分に遠ざける、即ち、トレンチの端部とゲート電極の端部と一定の距離を確保する必要がある。
(2)隣接する別のビットを構成するセルの活性領域AAと一定の距離を確保する必要がある。
In the above configuration, the connection between the
In the above method, the following restrictions are imposed on the area of the trench.
(1) Since a junction is formed by impurity diffusion from the
(2) It is necessary to ensure a certain distance from the active area AA of the cells constituting another adjacent bit.
ところが、トレンチ型キャパシタにおいて上記の制約を満たそうとすると、微細化が進むにつれてトレンチの径を十分に確保することができなくなる。
従って、記憶ノード電極とプレート電極の対向する面の表面積を確保し、メモリキャパシタの蓄積容量を確保するためには、トレンチの深さを5μm以上に設計することが一般的となっている。
However, if an attempt is made to satisfy the above constraints in a trench capacitor, it becomes impossible to sufficiently secure the diameter of the trench as the miniaturization proceeds.
Therefore, in order to secure the surface area of the opposing surfaces of the storage node electrode and the plate electrode and secure the storage capacity of the memory capacitor, it is common to design the trench depth to be 5 μm or more.
一方、特許文献1には、記憶ノード電極、キャパシタ絶縁膜およびプレート電極をトレンチ型キャパシタとして基板の中に埋め込んで平坦化し、絶縁層を挟んで別のシリコン基板を貼り合わせた構造を有するDRAMについての記載がなされている。 On the other hand, Patent Document 1 discloses a DRAM having a structure in which a storage node electrode, a capacitor insulating film, and a plate electrode are buried in a substrate as a trench capacitor and planarized, and another silicon substrate is bonded with an insulating layer interposed therebetween. Is described.
上記のトレンチ型キャパシタが基板の中に埋め込まれてなるDRAMについて説明する。
図8(a)は従来例に係るDRAMのメモリセルの断面図であり、図8(b)は平面図である。図8(a)は図8(b)中のX−X’における断面図に相当する。
半導体基板10に、トレンチ壁部10aとマスク層11によって仕切られたトレンチTRが形成されている。マスク層11はトレンチTR形成時のマスクとなった層である。
また、トレンチTRの内壁表面から所定の深さで第1n型半導体層12が形成され、これがメモリキャパシタのプレート電極PLとなる。
トレンチTRの内壁表面を被覆してキャパシタ絶縁膜13が形成され、その内側にポリシリコンからなる第2n型半導体層14が埋め込まれて、これがメモリキャパシタの記憶ノード電極MNとなる。
上記のようにして、第1n型半導体層12(プレート電極PL)、キャパシタ絶縁膜13および第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)からメモリキャパシタが構成されている。
A DRAM in which the above trench type capacitor is embedded in a substrate will be described.
FIG. 8A is a cross-sectional view of a conventional DRAM memory cell, and FIG. 8B is a plan view. FIG. 8A corresponds to a cross-sectional view taken along line XX ′ in FIG.
A trench TR that is partitioned by the
Further, the first n-
As described above, the first n-type semiconductor layer 12 (plate electrode PL), the capacitor
上記のメモリキャパシタを被覆して、酸化シリコンの層間絶縁膜15が形成されており、その上層に、結晶シリコンからなり、活性領域AAとなる第3n型半導体層16が積層されている。
A silicon oxide
第3n型半導体層16(活性領域AA)は、酸化シリコンからなるSTI型の素子分離絶縁膜17で分離されている。
素子分離絶縁膜17と第3n型半導体層16の境界領域に設けられた第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)に達するコンタクトホールに、ポリシリコンからなる第4半導体層18が埋め込まれている。
The third n-type semiconductor layer 16 (active area AA) is isolated by an STI-type element isolation
A
また、第3n型半導体層16(活性領域AA)には、チャネル形成領域とこれを挟むようにしてソース・ドレイン領域(不図示)が形成され、チャネル形成領域における第3n型半導体層16(活性領域AA)上に不図示のゲート絶縁膜を介してゲート電極19が形成されている。
以上のようにして、MOSFETが構成されている。
Further, in the third n-type semiconductor layer 16 (active region AA), a channel formation region and a source / drain region (not shown) are formed so as to sandwich the channel formation region, and the third n-type semiconductor layer 16 (active region AA) in the channel formation region is formed. A
The MOSFET is configured as described above.
上記のような構成のMOSFETにおいて、一方のソース・ドレインが第4半導体層18を介して第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)に電気的に接続され、他方のソース・ドレインがビットコンタクト20を介して不図示のビット線に接続されている。さらに、ゲート電極19はワード線に接続されている。
以上のような構成のメモリセルがマトリクス状に集積されて、DRAMが構成されている。
In the MOSFET configured as described above, one source / drain is electrically connected to the second n-type semiconductor layer 14 (storage node electrode MN) via the
A memory cell having the above configuration is integrated in a matrix to form a DRAM.
上記のメモリセルを有するDRAMは、MOSFETとメモリキャパシタは、層間絶縁膜15を挟んで縦方向に積層された構造であるので、活性領域AAから制限を受けることなく、メモリキャパシタの面積を最大限に大きくできるので、上述のようにトレンチの深さを必要以上に深く掘る必要がない。また、トレンチの開口径を大きくとれるので、フォトリソグラフィ工程の難易度が下がり、エッチング時間も劇的に短縮できる。
Since the DRAM having the memory cell has a structure in which the MOSFET and the memory capacitor are stacked in the vertical direction with the
上記のメモリセルを有するDRAMのトレンチ型キャパシタが埋め込まれてなる基板部分の製造方法は、以下のようである。
例えば、半導体基板10上に窒化シリコン層11aおよび酸化シリコン層11bの積層体からなる500nm程度の膜厚のマスク層11を形成し、フォトリソグラフィ工程によりマスク層11の上層にトレンチのパターンに開口したレジスト膜をパターン形成し、レジスト膜をマスクとする異方性エッチングによりマスク層11にトレンチのパターンを転写する。
次に、トレンチのパターンに加工されたマスク層11をマスクとする異方性エッチングにより半導体基板10にキャパシタとなるトレンチTRを形成する。
次に、トレンチTRの内壁表層部に第1n型半導体層12(プレート電極PL)を形成し、さらにトレンチTRの内壁表面にキャパシタ絶縁膜13を形成し、トレンチTR内部を埋め込んでポリシリコンを堆積させ、しかる後にポリシリコンをエッチバックするが、トレンチTRの内部のみが残るように、かつトレンチTR内に残るポリシリコン層の表面がマスク層11の表面とほぼ一致するようにしなければならない。このようにして、第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)を形成する。ここで、エッチバックではなくCMP(機械的化学研磨)法を用いてもよい。さらに、酸化シリコンを堆積させ、層間絶縁膜15を形成する。
The manufacturing method of the substrate portion in which the trench type capacitor of the DRAM having the memory cell is embedded is as follows.
For example, a
Next, a trench TR serving as a capacitor is formed in the
Next, the first n-type semiconductor layer 12 (plate electrode PL) is formed on the inner wall surface layer portion of the trench TR, the
上記の基板部分の製造方法に続く工程は、例えばSOI(Silicon on insulator)基板を形成する手法と同様の手法により、層間絶縁膜15の上層に結晶シリコンからなる第3n型半導体層16を形成する。
次に、STI法により素子分離絶縁膜17を形成し、第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)にコンタクトする第4半導体層18を形成し、第3n型半導体層16上にゲート電極19、ソース・ドレイン領域およびビットコンタクト20などを形成して、図8(a)に示す構造とする。
In the process following the above-described method for manufacturing the substrate portion, the third n-
Next, the element
上記の製造方法においては、第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)を形成する工程でポリシリコンに対してエッチバック処理を行うときの半導体基板10へのダメージを回避するために、半導体基板10に対するトレンチTR加工のマスクとして用いたマスク層11を残しておく必要がある。トレンチTR内に第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)を形成する工程でのポリシリコンのエッチバックは、高さの調節が非常に困難となっている。
一方、ポリシリコンに対してCMPによる研磨処理を行うときは、メモリキャパシタ間における基板10のトレンチ壁部10aに対するダメージを回避するため、上記と同様にマスク層11を残しておく必要がある。
In the above manufacturing method, in order to avoid damage to the
On the other hand, when polishing the polysilicon by CMP, it is necessary to leave the
ところで、上記のような理由によりトレンチ壁部10aの上部に残しておくことが必要となっているマスク層11の形状は、微細化が進展してトレンチの間隔が狭まるにつれて、図8(a)中のY部の拡大図に相当する図8(c)に示すように、トレンチエッチング加工後には肩部が取れたいわゆるラウンディング形状RDとなってしまう。
このため、第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)は、もともとマスク層11により各第2n型半導体層14毎に分離される設計であるが、マスク層の形状がラウンディングとなるにつれて隣接するトレンチの第2n型半導体層14との電気的分離が十分ではなくなり、電気的に完全に分離できなくなるおそれがある。
For this reason, the second n-type semiconductor layer 14 (storage node electrode MN) is originally designed to be separated for each second n-
解決しようとする問題点は、マスク層の形状がラウンディングとなるにつれて隣接するトレンチの記憶ノード電極間の電気的分離が十分ではなくなってしまうおそれがある点である。 The problem to be solved is that as the shape of the mask layer becomes rounding, the electrical isolation between the storage node electrodes of adjacent trenches may not be sufficient.
本発明の半導体記憶装置の製造方法は、記憶ノード電極を持つメモリキャパシタとトランジスタを有するメモリセルが複数個配置された半導体記憶装置の製造方法であって、基板に複数のトレンチが並べられたパターンで開口するマスク層を形成する工程と、前記マスク層をマスクとして、トレンチ壁部で仕切られた複数のトレンチを前記基板に並べて形成する工程と、前記マスク層を除去する工程と、前記トレンチの内壁表面から所定の深さまでのプレート電極を形成する工程と、前記トレンチの内壁表面を被覆してキャパシタ絶縁膜を形成する工程と、絶縁化処理で絶縁化する導電性材料により、前記キャパシタ絶縁膜を介して前記トレンチを埋め込み、前記トレンチの深さよりも厚くなるように導電膜を形成する工程と、前記トレンチ壁部の上面に達するまで前記導電膜に対して上面から絶縁化処理を行い、層間絶縁膜を形成しながら、前記導電膜を各トレンチ毎の記憶ノード電極に分離する工程と、前記層間絶縁膜上に半導体層を形成する工程とを有する。 A method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor memory device in which a plurality of memory cells each having a memory capacitor having a storage node electrode and a transistor are arranged, wherein a plurality of trenches are arranged on a substrate. A step of forming a mask layer opened in step, a step of arranging a plurality of trenches partitioned by a trench wall portion on the substrate using the mask layer as a mask, a step of removing the mask layer, A step of forming a plate electrode from the inner wall surface to a predetermined depth; a step of covering the inner wall surface of the trench to form a capacitor insulating film; and a conductive material that is insulated by an insulation process, and the capacitor insulating film. Forming the conductive film so as to be thicker than the depth of the trench; Isolating the conductive film from the upper surface until reaching the upper surface of the portion, forming an interlayer insulating film, and separating the conductive film into storage node electrodes for each trench; and on the interlayer insulating film Forming a semiconductor layer.
上記の本発明の半導体記憶装置の製造方法は、まず、基板に複数のトレンチが並べられたパターンで開口するマスク層を形成し、このマスク層をマスクとして、トレンチ壁部で仕切られた複数のトレンチを基板に並べて形成する。
次に、マスク層を除去し、トレンチの内壁表面から所定の深さまでのプレート電極を形成し、トレンチの内壁表面を被覆してキャパシタ絶縁膜を形成する。
次に、絶縁化処理で絶縁化する導電性材料により、キャパシタ絶縁膜を介してトレンチを埋め込み、トレンチの深さよりも厚くなるように導電膜を形成し、さらに、トレンチ壁部の上面に達するまで導電膜に対して上面から絶縁化処理を行い、層間絶縁膜を形成しながら、導電膜を各トレンチ毎の記憶ノード電極に分離する。
次に、層間絶縁膜上に半導体層を形成する。
In the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, first, a mask layer having a pattern in which a plurality of trenches are arranged on a substrate is formed, and the mask layer is used as a mask to form a plurality of partitions partitioned by trench walls. A trench is formed side by side on the substrate.
Next, the mask layer is removed, a plate electrode is formed from the inner wall surface of the trench to a predetermined depth, and the inner wall surface of the trench is covered to form a capacitor insulating film.
Next, with the conductive material that is insulated by the insulation treatment, the trench is embedded through the capacitor insulating film, a conductive film is formed so as to be thicker than the depth of the trench, and further until the upper surface of the trench wall is reached. The conductive film is insulated from the upper surface, and the conductive film is separated into storage node electrodes for each trench while forming an interlayer insulating film.
Next, a semiconductor layer is formed over the interlayer insulating film.
本発明の半導体記憶装置は、記憶ノード電極を持つメモリキャパシタとトランジスタを有するメモリセルが複数個配置された半導体記憶装置であって、トレンチ壁部で仕切られた複数のトレンチが並べて形成された基板と、前記トレンチの内壁表面から所定の深さで形成されたプレート電極と、前記トレンチの内壁表面を被覆して形成されたキャパシタ絶縁膜と、前記キャパシタ絶縁膜を介して前記トレンチを埋め込んで形成された記憶ノード電極と、前記基板および前記記憶ノード電極と被覆して全面に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され、前記トランジスタが形成された半導体層とを有し、前記トレンチ壁部の上面と前記層間絶縁膜の下面が前記トレンチ壁部の幅をもって接している。 A semiconductor memory device of the present invention is a semiconductor memory device in which a plurality of memory cells having memory capacitors and transistors having storage node electrodes are arranged, and a substrate in which a plurality of trenches partitioned by trench walls are arranged side by side A plate electrode formed at a predetermined depth from the inner wall surface of the trench, a capacitor insulating film formed so as to cover the inner wall surface of the trench, and the trench being embedded through the capacitor insulating film A storage node electrode formed thereon, an interlayer insulating film formed over the substrate and the storage node electrode, and a semiconductor layer formed on the interlayer insulating film and having the transistor formed thereon, The upper surface of the trench wall and the lower surface of the interlayer insulating film are in contact with each other with the width of the trench wall.
上記の本発明の半導体記憶装置は、基板に、トレンチ壁部で仕切られた複数のトレンチが並べて形成されており、このトレンチの内壁表面から所定の深さでプレート電極が形成され、トレンチの内壁表面を被覆してキャパシタ絶縁膜が形成され、キャパシタ絶縁膜を介してトレンチを埋め込んで記憶ノード電極が形成されている。
さらに、基板および記憶ノード電極と被覆して全面に層間絶縁膜が形成されており、この層間絶縁膜上に、トランジスタが形成された半導体層が形成されている。
ここで、トレンチ壁部の上面と層間絶縁膜の下面がトレンチ壁部の幅をもって接している構成である。
In the semiconductor memory device of the present invention described above, a plurality of trenches partitioned by the trench wall portion are formed side by side on the substrate, a plate electrode is formed at a predetermined depth from the inner wall surface of the trench, and the inner wall of the trench A capacitor insulating film is formed so as to cover the surface, and a storage node electrode is formed by filling a trench through the capacitor insulating film.
Further, an interlayer insulating film is formed on the entire surface so as to cover the substrate and the storage node electrode, and a semiconductor layer in which a transistor is formed is formed on the interlayer insulating film.
Here, the upper surface of the trench wall and the lower surface of the interlayer insulating film are in contact with each other with the width of the trench wall.
本発明の半導体記憶装置の製造方法は、絶縁化処理で絶縁化する導電性材料によりトレンチを埋め込み、トレンチ壁部の上面に達するまで導電膜に対して上面から絶縁化処理を行うので、トレンチ壁部の上面と層間絶縁膜の下面がトレンチ壁部の幅をもって接した構造となり、隣接するトレンチの記憶ノード電極間を十分に電気的に分離できる。 In the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, the trench is embedded with a conductive material to be insulated by the insulation process, and the insulation process is performed on the conductive film from the upper surface until reaching the upper surface of the trench wall. The upper surface of the portion and the lower surface of the interlayer insulating film are in contact with each other with the width of the trench wall portion, so that the storage node electrodes of adjacent trenches can be sufficiently electrically separated.
本発明の半導体記憶装置は、トレンチ壁部の上面と層間絶縁膜の下面がトレンチ壁部の幅をもって接した構造であるので、隣接するトレンチの記憶ノード電極間は十分に電気的に分離されている。 Since the semiconductor memory device of the present invention has a structure in which the upper surface of the trench wall and the lower surface of the interlayer insulating film are in contact with each other with the width of the trench wall, the storage node electrodes of adjacent trenches are sufficiently electrically separated. Yes.
以下に、本発明に係る半導体記憶装置であるDRAMおよびその製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of a DRAM which is a semiconductor memory device according to the present invention and a method for manufacturing the same will be described below with reference to the drawings.
第1実施形態
図1(a)は本実施形態に係るDRAMのメモリセルの断面図であり、図1(b)は平面図である。図1(a)は図1(b)中のX−X’における断面図に相当する。
半導体基板(基板)10に、トレンチ壁部10aによって仕切られたトレンチTRが形成されており、トレンチTRの内壁表面から所定の深さで第1n型半導体層12が形成され、これがメモリキャパシタのプレート電極PLとなる。
トレンチTRの内壁表面を被覆してキャパシタ絶縁膜13が形成され、その内側にポリシリコンからなる第2n型半導体層14が埋め込まれて、これがメモリキャパシタの記憶ノード電極MNとなる。
上記のようにして、第1n型半導体層12(プレート電極PL)、キャパシタ絶縁膜13および第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)からメモリキャパシタが構成されている。
First Embodiment FIG. 1A is a sectional view of a memory cell of a DRAM according to this embodiment, and FIG. 1B is a plan view. FIG. 1A corresponds to a cross-sectional view taken along the line XX ′ in FIG.
A trench TR partitioned by a
As described above, the first n-type semiconductor layer 12 (plate electrode PL), the
上記のメモリキャパシタを被覆して、酸化シリコンの層間絶縁膜15が形成されており、その上層に、結晶シリコンからなり、活性領域AAとなる第3n型半導体層16が積層されている。
A silicon oxide
第3n型半導体層16(活性領域AA)は、酸化シリコンからなるSTI型の素子分離絶縁膜17で分離されている。
素子分離絶縁膜17と第3n型半導体層16(活性領域AA)の境界に設けられ、第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)に達するコンタクトホールに、ポリシリコンからなる第4半導体層18(記憶ノードコンタクト)が埋め込まれている。
The third n-type semiconductor layer 16 (active area AA) is isolated by an STI-type element
A
また、第3n型半導体層16(活性領域AA)には、チャネル形成領域とこれを挟むようにしてソース・ドレイン領域(不図示)が形成され、チャネル形成領域における第3n型半導体層16(活性領域AA)上に不図示のゲート絶縁膜を介してゲート電極19が形成されている。
以上のようにして、MOSFETが構成されている。
Further, in the third n-type semiconductor layer 16 (active region AA), a channel formation region and a source / drain region (not shown) are formed so as to sandwich the channel formation region, and the third n-type semiconductor layer 16 (active region AA) in the channel formation region is formed. A
The MOSFET is configured as described above.
上記のような構成のMOSFETにおいて、一方のソース・ドレインが第4半導体層18を介して第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)に電気的に接続され、他方のソース・ドレインがビットコンタクト20を介して不図示のビット線に接続されている。さらに、ゲート電極19はワード線に接続されている。
以上のような構成のメモリセルがマトリクス状に集積されて、DRAMが構成されている。
In the MOSFET configured as described above, one source / drain is electrically connected to the second n-type semiconductor layer 14 (storage node electrode MN) via the
A memory cell having the above configuration is integrated in a matrix to form a DRAM.
上記のメモリセルを有するDRAMは、MOSFETとメモリキャパシタは、層間絶縁膜15を挟んで縦方向に積層された構造であるので、活性領域AAから制限を受けることなく、メモリキャパシタの面積を最大限に大きくできるので、トレンチの深さを必要以上に深く掘る必要がなく、トレンチの開口径を大きくとれるのでフォトリソグラフィ工程の難易度が下がり、エッチング時間も劇的に短縮できる。
Since the DRAM having the memory cell has a structure in which the MOSFET and the memory capacitor are stacked in the vertical direction with the
ここで、図1(a)中のY部の拡大図に相当する図1(c)に示すように、トレンチ壁部10aの上面Sと層間絶縁膜15の下面がトレンチ壁部10aの幅をもって接している構成である。
このため、従来例のようにトレンチを形成するためのマスク層が残され、この形状がラウンディングとなるために記憶ノード電極間の電気的分離が十分ではなくなってしまうおそれはなく、記憶ノード電極間は十分に電気的に分離されている。
Here, as shown in FIG. 1C corresponding to an enlarged view of the Y portion in FIG. 1A, the upper surface S of the
Therefore, the mask layer for forming the trench is left as in the conventional example, and since this shape is rounded, there is no possibility that the electrical isolation between the storage node electrodes is not sufficient. The space is sufficiently electrically separated.
上記の本実施形態に係るDRAMの製造方法について図面を参照して説明する。
まず、図2(a)に示すように、例えば、半導体基板(基板)10上にマスク層を形成し、その上層にフォトリソグラフィ工程によりトレンチのパターンに開口したレジスト膜(不図示)をパターン形成し、レジスト膜をマスクとする異方性エッチングによりトレンチのパターンが転写されたマスク層11とする。マスク層は、例えば窒化シリコン層および酸化シリコン層の積層体からなる500nm程度の膜厚とする。
その後、レジスト膜を除去する。
A method for manufacturing the DRAM according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
First, as shown in FIG. 2A, for example, a mask layer is formed on a semiconductor substrate (substrate) 10, and a resist film (not shown) opened in a trench pattern is formed thereon by a photolithography process. Then, the
Thereafter, the resist film is removed.
次に、図2(b)に示すように、トレンチのパターンに加工されたマスク層11をマスクとする異方性エッチングにより、半導体基板10に対して、トレンチ壁部10aで仕切られたトレンチTRを形成する。トレンチTRはキャパシタとなる領域である。
Next, as shown in FIG. 2B, the trench TR partitioned by the
次に、図3(a)に示すように、例えばトレンチTR内を被覆して全面に、Asなどのn型不純物を含有するアモルファスシリコンを堆積させ、さらに1000℃程度の熱処理を施して、n型不純物をトレンチTRの内壁表層部に拡散させ、トレンチTRの内壁表面から所定の深さで第1n型半導体層12を形成する。これがメモリキャパシタのプレート電極PLとなる。
この後、上記のアモルファスシリコンを除去し、さらにマスク層11を除去する。
Next, as shown in FIG. 3A, for example, amorphous silicon containing n-type impurities such as As is deposited on the entire surface covering the inside of the trench TR, and further heat-treated at about 1000 ° C. The first n-
Thereafter, the amorphous silicon is removed, and the
次に、図3(b)に示すように、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition )法あるいは熱酸化法などにより、トレンチTRの内壁表面にキャパシタ絶縁膜13を形成する。このとき、キャパシタ絶縁膜13トレンチ壁部10aの上面においても形成される。
Next, as shown in FIG. 3B, a
次に、図4(a)に示すように、絶縁化処理により絶縁化可能な導電性材料により、トレンチTR内部を埋め込んで全面に堆積させ、導電膜14aを形成する。トレンチTRを完全に埋め込むために、トレンチTRの上端より200nm程度高く堆積させる。
ここでは、上記の導電性材料として例えばポリシリコンなどのシリコン材料を用い、導電膜14aとして第2n型半導体層を形成する。このようなシリコン材料は、絶縁化処理として熱酸化などの酸化処理を行うことで、絶縁体である酸化シリコンに変質させることが可能である。
Next, as shown in FIG. 4A, the inside of the trench TR is filled with a conductive material that can be insulated by an insulation process and deposited on the entire surface to form a
Here, a silicon material such as polysilicon is used as the conductive material, and the second n-type semiconductor layer is formed as the
次に、図4(b)に示すように、CMP(機械的化学研磨)法などにより、導電膜(第2n型半導体層)14aを平坦化する。このとき、研磨されるのは導電膜14aのみであり、半導体基板10のトレンチ壁部10aに対するダメージはない。
研磨後に残される導電膜14aのトレンチ壁部10aの上面よりも上部における膜厚Dは、後工程でトレンチ壁部10aに達するまで絶縁化(熱酸化)処理を行ったときに、絶縁膜(酸化シリコン膜)が所望の膜厚となるようにして決定する。
Next, as shown in FIG. 4B, the conductive film (second n-type semiconductor layer) 14a is planarized by a CMP (mechanical chemical polishing) method or the like. At this time, only the
The film thickness D above the upper surface of the
次に、図5(a)に示すように、トレンチ壁部10aに達するまで導電膜14aの上面から絶縁化して層間絶縁膜15を形成する。
例えば、導電膜14aとしてポリシリコンを用いた場合には、熱酸化などの酸化処理により酸化シリコン膜とし、処理時間は上記のトレンチ壁部10aの上面よりも上部における膜厚Dによって決定される。トレンチ壁部10aの上部のキャパシタ絶縁膜13は、層間絶縁膜15と一体化する。
このとき、トレンチ壁部10aの上面と層間絶縁膜15の下面がトレンチ壁部10aの幅をもって接した構造となり、隣接するトレンチの記憶ノード電極MNである第2n型半導体層14間を十分に電気的に分離できる。
Next, as shown in FIG. 5A, an insulating
For example, when polysilicon is used as the
At this time, the upper surface of the
次に、図5(b)に示すように、例えばSOI基板を形成する手法と同様の手法により、層間絶縁膜15の上層に、50〜150nmの膜厚の結晶シリコンからなる第3n型半導体層16を形成する。
即ち、例えば、第2のシリコン半導体基板を層間絶縁膜15上に貼り合わせ、所望の膜厚の結晶シリコン層を残すようにして、第2の半導体基板の貼り合わせた面と反対側の面から研削および研磨する方法、あるいは、第2のシリコン半導体基板に所定の深さに予め水素を注入しておき、上記と同様に層間絶縁膜15上に貼り合わせ、熱処理により水素導入領域において分割して結晶シリコン層を残す方法などによる。
Next, as shown in FIG. 5B, for example, a third n-type semiconductor layer made of crystalline silicon having a thickness of 50 to 150 nm is formed on the
That is, for example, the second silicon semiconductor substrate is bonded onto the
次に、図6(a)に示すように、STI法により、素子分離絶縁膜17を形成する。
即ち、例えばシリコンを選択的に除去し、酸化シリコンで停止するような選択比をとれる構成のエッチングガスを用いたエッチングにより、素子分離領域における第3n型半導体層16を除去し、除去により生成された開口部内に酸化シリコンなどの絶縁体を埋め込み、研磨処理などにより開口部の外部の絶縁体を除去して形成する。
素子分離絶縁膜17により分離される活性領域AAは、トレンチTRの上方に位置するように配置する。
Next, as shown in FIG. 6A, an element
That is, for example, the third n-
The active region AA isolated by the element
次に、図6(b)に示すように、第3n型半導体層16の表面から第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)にコンタクトする第4半導体層18(記憶ノードコンタクト)を形成する。
ここでは、第3n型半導体層16と素子分離絶縁膜17の境界領域において第3n型半導体層16の側面が露出するように、第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)に達するコンタクトホールを開口し、例えばポリシリコンなどの導電性材料でコンタクトホールを埋め込んで形成する。
これにより、第2n型半導体層14(記憶ノード電極MN)と第3n型半導体層16(詳しくは、後工程で形成されるMOSFETのソース・ドレイン領域)とが第4半導体層18(記憶ノードコンタクト)により電気的に接続される。
Next, as shown in FIG. 6B, a fourth semiconductor layer 18 (storage node contact) that contacts the second n-type semiconductor layer 14 (storage node electrode MN) from the surface of the third n-
Here, a contact hole reaching the second n-type semiconductor layer 14 (storage node electrode MN) is formed so that the side surface of the third n-
As a result, the second n-type semiconductor layer 14 (storage node electrode MN) and the third n-type semiconductor layer 16 (specifically, the source / drain region of the MOSFET formed in a later step) are connected to the fourth semiconductor layer 18 (storage node contact). ).
さらに、ウェル形成や閾値調整のチャネル不純物などを導入し、必要な熱処理などを行った後、熱酸化処理などにより不図示のゲートで絶縁膜を形成し、その上層にゲート電極19を形成し、ゲート電極19をマスクとして不純物をイオン注入してソース・ドレイン領域を形成する。
ここで、一方のソース・ドレイン領域は上述のように第4半導体層18(記憶ノードコンタクト)に接続するように形成し、また、他方のソース・ドレイン領域に対してビットコンタクト20を形成して上層配線であるビット線に接続する。
以上で、図1(a)に示す構造のDRAMを製造することができる。
Further, after introducing channel impurities or the like for well formation or threshold adjustment, and performing necessary heat treatment, an insulating film is formed with a gate (not shown) by thermal oxidation or the like, and a
Here, one source / drain region is formed to be connected to the fourth semiconductor layer 18 (storage node contact) as described above, and a
As described above, the DRAM having the structure shown in FIG. 1A can be manufactured.
上記の本実施形態に係るDRAMの製造方法によれば、絶縁化処理で絶縁化する導電性材料によりトレンチを埋め込み、トレンチ壁部の上面に達するまで導電膜に対して上面から絶縁化処理を行うので、トレンチ壁部の上面と層間絶縁膜の下面がトレンチ壁部の幅をもって接した構造となり、隣接するトレンチの記憶ノード電極間を十分に電気的に分離できる。 According to the above-described DRAM manufacturing method according to the present embodiment, the trench is buried with the conductive material to be insulated by the insulation process, and the insulation process is performed on the conductive film from the upper surface until reaching the upper surface of the trench wall. Therefore, the upper surface of the trench wall and the lower surface of the interlayer insulating film are in contact with each other with the width of the trench wall, and the storage node electrodes of the adjacent trenches can be sufficiently electrically separated.
また、上記の絶縁化処理工程において、半導体層と接合するための層間絶縁膜の形成工程と各トレンチ間での記憶ノード電極の分離を同時に行うことができ、工程の簡略化ができる。
また、従来のDRAMにおいては、マスク層が残されていたために、トレンチの内壁のマスク層に相当する部分は蓄積容量に寄与しなかったが、本実施形態のDRAMのメモリキャパシタのトレンチにおいては、マスク層を除去しているのでトレンチの内壁全体が蓄積容量に寄与し、トレンチ深さに対してより多くの蓄積容量を確保することができる。
Further, in the above-described insulating treatment process, the process of forming the interlayer insulating film for bonding to the semiconductor layer and the separation of the storage node electrode between the trenches can be performed simultaneously, and the process can be simplified.
Further, in the conventional DRAM, since the mask layer is left, the portion corresponding to the mask layer on the inner wall of the trench does not contribute to the storage capacity. However, in the trench of the memory capacitor of the DRAM of this embodiment, Since the mask layer is removed, the entire inner wall of the trench contributes to the storage capacity, and more storage capacity can be secured with respect to the trench depth.
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、記憶ノード電極の材料は、酸化などの絶縁化処理で絶縁化できる導電性材料でればよく、シリコン系材料に限定されない。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
The present invention is not limited to the above description.
For example, the material of the storage node electrode may be a conductive material that can be insulated by an insulation treatment such as oxidation, and is not limited to a silicon-based material.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明の半導体記憶装置の製造方法は、大容量化および微細化が進められたDRAMを製造する方法に適用できる。 The method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention can be applied to a method for manufacturing a DRAM whose capacity has been increased and miniaturized.
本発明の半導体記憶装置は、大容量化および微細化が進められたDRAMとして適用できる。 The semiconductor memory device of the present invention can be applied as a DRAM whose capacity has been increased and miniaturized.
10…半導体基板、10a…トレンチ壁部、11…マスク層、11a…窒化シリコン層、11b…酸化シリコン層、12…第1n型半導体層、13…キャパシタ絶縁膜、14…第2n型半導体層、14a…導電膜(第2n型半導体層)、15…層間絶縁膜、16…第3n型半導体層、17…素子分離絶縁膜、18…第4半導体層、19…ゲート電極、20…ビットコンタクト、100…半導体基板、101…第1n型半導体層、102…第2n型半導体層、103…キャパシタ絶縁膜、104…第3n型半導体層、105…素子分離絶縁膜、106…第4半導体層、107…ゲート電極、108…ビットコンタクト、PL…プレート電極、MN…記憶ノードコンタクト、AA…活性領域、TR…トレンチ。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
基板に複数のトレンチが並べられたパターンで開口するマスク層を形成する工程と、
前記マスク層をマスクとして、トレンチ壁部で仕切られた複数のトレンチを前記基板に並べて形成する工程と、
前記マスク層を除去する工程と、
前記トレンチの内壁表面から所定の深さまでのプレート電極を形成する工程と、
前記トレンチの内壁表面を被覆してキャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
絶縁化処理で絶縁化する導電性材料により、前記キャパシタ絶縁膜を介して前記トレンチを埋め込み、前記トレンチの深さよりも厚くなるように導電膜を形成する工程と、
前記トレンチ壁部の上面に達するまで前記導電膜に対して上面から絶縁化処理を行い、層間絶縁膜を形成しながら、前記導電膜を各トレンチ毎の記憶ノード電極に分離する工程と、
前記層間絶縁膜上に半導体層を形成する工程と
を有する半導体記憶装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor memory device in which a plurality of memory cells each having a memory capacitor having a storage node electrode and a transistor are arranged,
Forming a mask layer that opens in a pattern in which a plurality of trenches are arranged in a substrate;
Using the mask layer as a mask, forming a plurality of trenches partitioned by trench walls on the substrate; and
Removing the mask layer;
Forming a plate electrode from the inner wall surface of the trench to a predetermined depth;
Forming a capacitor insulating film by covering the inner wall surface of the trench;
A step of filling the trench through the capacitor insulating film with a conductive material that is insulated by an insulation treatment, and forming a conductive film so as to be thicker than the depth of the trench;
Isolating the conductive film from the top surface until reaching the top surface of the trench wall and separating the conductive film into storage node electrodes for each trench while forming an interlayer insulating film;
Forming a semiconductor layer on the interlayer insulating film. A method for manufacturing a semiconductor memory device.
請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。 In the step of forming an interlayer insulating film by performing an insulating process on the conductive film from the upper surface, the upper surface of the trench wall portion and the lower surface of the interlayer insulating film are formed in contact with each other with a width of the trench wall portion. Item 14. A method for manufacturing a semiconductor memory device according to Item 1.
前記半導体層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側部における前記半導体層中にソース・ドレイン領域を形成する工程と
をさらに有する
請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。 After the step of forming the semiconductor layer,
Forming a gate insulating film on the surface of the semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, further comprising: forming a source / drain region in the semiconductor layer on both sides of the gate electrode.
前記半導体層の表面から前記記憶ノード電極に達するコンタクトホールを開口する工程と、
前記コンタクトホールを導電性材料で埋め込む工程と
をさらに有し、前記記憶ノード電極と前記半導体層を接続する
請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。 After the step of forming the semiconductor layer,
Opening a contact hole reaching the storage node electrode from the surface of the semiconductor layer;
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, further comprising: filling the contact hole with a conductive material, and connecting the storage node electrode and the semiconductor layer.
前記絶縁化処理において、酸化処理を行い、酸化シリコンを形成する
請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。 As a conductive material to be insulated by the insulation treatment, silicon is used.
The method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein in the insulating process, an oxidation process is performed to form silicon oxide.
トレンチ壁部で仕切られた複数のトレンチが並べて形成された基板と、
前記トレンチの内壁表面から所定の深さで形成されたプレート電極と、
前記トレンチの内壁表面を被覆して形成されたキャパシタ絶縁膜と、
前記キャパシタ絶縁膜を介して前記トレンチを埋め込んで形成された記憶ノード電極と、
前記基板および前記記憶ノード電極と被覆して全面に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成され、前記トランジスタが形成された半導体層と
を有し、
前記トレンチ壁部の上面と前記層間絶縁膜の下面が前記トレンチ壁部の幅をもって接している
半導体記憶装置。 A semiconductor memory device in which a plurality of memory cells each having a memory capacitor having a storage node electrode and a transistor are arranged,
A substrate in which a plurality of trenches partitioned by trench walls are formed side by side;
A plate electrode formed at a predetermined depth from the inner wall surface of the trench;
A capacitor insulating film formed to cover the inner wall surface of the trench;
A storage node electrode formed by burying the trench through the capacitor insulating film;
An interlayer insulating film formed over the entire surface covering the substrate and the storage node electrode;
A semiconductor layer formed on the interlayer insulating film and having the transistor formed thereon;
An upper surface of the trench wall and a lower surface of the interlayer insulating film are in contact with each other with the width of the trench wall.
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