JP2005340840A - リセスチャンネルmosfetの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 リセスチャンネルMOSFETの製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板上に絶縁膜パターンを形成した後、その上にシリコン酸化膜を蒸着する。絶縁膜パターンを平坦化終了点としてシリコン酸化膜を平坦化させることで、絶縁膜パターンの間にシリコン酸化膜マスクパターンを形成して絶縁膜パターンを除去する。シリコン酸化膜マスクパターンをエッチングマスクとして利用して基板をエッチングすることでリセストレンチを形成するリセスチャンネルMOSFETの製造方法。これにより、シリコン酸化膜の蒸着時に、基板に形成されているリセスを除去する効果がある。
【選択図】 図10A

Description

本発明は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)製造方法に係り、特に、高集積半導体回路に更に適当な構造を有するリセスチャンネルMOSFETの製造方法に関する。
MOSFETの高集積化によりチャンネルの長さも短くなり、短チャンネル効果及びソース/ドレインパンチスルー現象による影響を排除しがたい。特に、デザインルールが徐々に縮小するにつれて短チャンネル効果及びイオン注入量の増加などによって漏れ電流が増加して、DRAMのリフレッシュタイム確保が難しくなる。次第に微細化されるMOSFETで使用するために、例えば、特許文献1及び特許文献2に開示されたような多様なMOSFETが提示されている。
リセスチャンネルMOSFETは、デバイス縮小によるチャンネル長の縮小を克服するために、トランジスタのチャンネルとなる領域にリセストレンチを形成してチャンネル長を増加させることで、結果的にデバイス面積を縮小させる構造の素子である。そして、ソースとドレインとの距離を長くしてセルの閾電圧を確保した状態でチャンネル領域へのカウンタドーピング(B/BFイオン注入)を最小化することで、動的リフレッシュはもとより、静的リフレッシュも向上させうる素子である。
従来には、図1ないし図4に示したような方法でリセスチャンネルMOSFETのリセスチャンネル形成のためのリセストレンチを形成している。
まず、図1を参照すれば、シリコン酸化膜を利用して基板10に素子の活性領域を定義するように素子分離膜15を形成した後、リセストレンチを形成するためのマスク層30としてパッド酸化膜20とシリコン酸化窒化膜(SiON)25とを基板10の前面に形成する。次いで、リセストレンチの定義のためにマスク層30上にフォトレジストパターン35を形成する。ここで、フォトレジストパターン35の間隔dがリセストレンチの幅となる。ところが、素子デザインルールの縮小によって、狭い間隔のフォトレジストパターン35を形成することはブリッジ問題により次第に難しくなっている。
次いで、図2のように、フォトレジストパターン35をエッチングマスクとして利用してマスク層30をエッチングすることで、パッド酸化膜パターン20aとシリコン酸化窒化膜パターン25aとからなるマスクパターン30aを形成する。ところが、この過程でシリコン酸化窒化膜25と素子分離膜15との間に、選択比不足により素子分離膜15が凹んでリセス40が発生するという問題がある。
フォトレジストパターン35を除去した後、図3を参照して、マスクパターン30aをエッチングマスクとして利用して基板10をエッチングすることでリセストレンチ45を形成する。その時、図2のステップで発生したリセス40が更に深くなるという問題がある。
図4は、マスクパターン30aを除去した状態の図面である。図2のステップで発生したリセス40は、マスクパターン30aの除去のための洗浄により更に深くなる。そのようなリセス40は、素子分離膜15の部位に寄生トランジスタの形成を引き起こすか、または静的リフレッシュの低下を引き起こし得る。さらに、後続工程でリセス40にゲート導電層が満たされて、リセストレンチ45に満たされるゲート導電層と短絡する恐れがある。
特開平11−074527号公報 特開2001−015591号公報
本発明は、基板の素子分離膜の部位にリセスを発生させずにリセストレンチを形成できるリセスチャンネルMOSFETの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、半導体基板上に絶縁膜パターンを形成する。前記絶縁膜パターンが形成された基板上にシリコン酸化膜を蒸着した後、前記絶縁膜パターンを平坦化終了点として前記シリコン酸化膜を平坦化させることで、前記絶縁膜パターンの間にシリコン酸化膜マスクパターンを形成する。前記シリコン酸化膜マスクパターンが形成された結果物から前記絶縁膜パターンを除去した後、前記シリコン酸化膜マスクパターンをエッチングマスクとして利用して、前記基板をエッチングすることでリセストレンチを形成する。前記リセストレンチが形成された結果物から前記シリコン酸化膜マスクパターンを除去する。
ここで、前記絶縁膜パターンは、各絶縁膜パターンの幅よりも絶縁膜パターンの間隔を広く形成することが好ましい。
本発明の他の態様によれば、半導体基板上にパッド酸化膜とシリコン酸化窒化膜とを順に形成して絶縁膜を形成する。前記絶縁膜上にリセストレンチが形成される領域を覆うフォトレジストパターンを形成する。前記フォトレジストパターンをエッチングマスクとして利用して前記絶縁膜をエッチングすることで、それぞれパッド酸化膜パターンとシリコン酸化窒化膜パターンとからなる絶縁膜パターンを形成する。前記フォトレジストパターンを除去した後、前記絶縁膜パターンが形成された基板上にシリコン酸化膜を蒸着した後、前記シリコン酸化窒化膜パターンを平坦化終了点として前記シリコン酸化膜を平坦化させることで、前記絶縁膜パターンの間にシリコン酸化膜マスクパターンを形成する。前記シリコン酸化膜マスクパターンが形成された結果物で前記シリコン酸化窒化膜パターンを除去し、前記シリコン酸化膜マスクパターンをエッチングマスクとして利用して、前記パッド酸化膜パターンと前記基板とをエッチングすることでリセストレンチを形成する。前記リセストレンチが形成された結果物で前記シリコン酸化膜マスクパターンを除去する。
本発明によるリセスチャンネルMOSFETの製造方法によれば、マスクパターンのためのシリコン酸化膜蒸着により素子分離膜に発生されうるリセスが埋め込まれる。したがって、従来方法に比べて素子分離膜リセスが最小化し、後続工程でリセスが更に深くなるなどの問題がない。リセスが基板表面に露出されないため、素子分離膜の部位に寄生トランジスタの形成が引き起こされるか、または静的リフレッシュが低下する問題もない。さらに、後続工程でリセスにゲート導電層が満たされる恐れがないため、リセストレンチに満たされるゲート導電層と短絡する恐れがまったくない。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。しかし、本発明の実施例は、多様な形態に変形でき、本発明の範囲が下記で記述する実施例に限定されるものではない。
図5は、本発明の製造方法によって製造しようとするリセスチャンネルMOSFETのセルアレイレイアウトである。
図5を参照すれば、行及び列に沿って活性領域112が反復的に配置されている。活性領域112以外の部分は素子分離膜115である。活性領域112当り2つずつのゲートGが活性領域112を横切って延びるように配置される。
図6A、図7A、図8A、図9A、図10A及び図11Aは、図5のA−A’線の断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。そして、図6B、図7B、図8B、図9B、図10B及び図11Bは、図5のB−B’線の断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。
まず、図6A及び図6Bを参照すれば、シリコン酸化膜を利用して半導体基板110に素子の活性領域(図5の112)を定義する素子分離膜115を形成する。その後、パッド酸化膜120とシリコン酸化窒化膜(SiON)125とを基板110の前面に順に形成して絶縁膜130を形成する。
素子分離膜115としては、公知のSTI(Shallow Trench Isolation)を形成できる。そして、絶縁膜130を形成する前に、所望のリセストレンチの深さに合わせてチャンネル調整用のイオン注入と表面ソース/ドレインイオン注入とを行ってもよい。
絶縁膜130のうちパッド酸化膜120は、シリコン酸化膜などで形成でき、通常的な蒸着方法、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)、SACVD(Sub−Atmospheric CVD)、LPCVD(Low Pressure CVD)またはPECVD(Plasma Enhanced CVD)、または熱酸化法で形成してもよい。CVDを利用する場合に、SiH、Si及びNOガスを反応ガスとして使用してMTO(middle temperature oxide)で形成できる。パッド酸化膜120は、例えば約100Åの厚さに形成する。
絶縁膜130のうちシリコン酸化窒化膜125の厚さは、例えば、約800ないし850Åに形成する。しかし、それより小さく形成してもよい。ここで、シリコン酸化窒化膜125の代りにシリコン窒化膜を形成してもよい。シリコン窒化膜は、500℃ないし850℃の温度でSiHとNHとの反応を利用して蒸着できる。シリコン酸化窒化膜は、シリコン窒化膜を蒸着する工程条件に酸素ソースを更に追加して蒸着すればよい。
次いで、絶縁膜130上にリセストレンチが形成される領域を覆うフォトレジストパターン135を形成する。フォトレジストパターン135の幅よりもフォトレジストパターン135内のパターン間隔を広く形成する。そのような構造では、フォトレジストパターン135の幅CDがリセストレンチの幅となる。しかし、従来には、フォトレジストパターンの間隔によりリセストレンチの幅が決定され、狭い間隔のフォトレジストパターンを具現することが難しいため、素子デザインルールの縮小に難しさがあった。本発明のように、小さなCDのフォトレジストパターンを具現することは、小さなCDのバータイプのフォトリソグラフィプロファイルを具現するか、または具現できるサイズ(すなわち、目標幅よりも広い幅)のフォトリソグラフィ工程後にフォトレジストトリミングなどの工程進行で目標幅を合わせることが可能であるため、フォトレジストパターン135の幅CDによりリセストレンチの幅が決定される本発明の方法が素子デザインルールの縮小に更に適しているという長所がある。
次いで、図7A及び図7Bのように、フォトレジストパターン135をエッチングマスクとして利用して絶縁膜130をエッチングすることで、それぞれパッド酸化膜パターン120aとシリコン酸化窒化膜パターン125aとからなる絶縁膜パターン130aを形成する。シリコン酸化窒化膜125のエッチング時にはフッ化炭素系ガスを使用する。例えば、C系、C系ガス、例えば、CF、CHF、C、C、CH、CHF、CH、C、Cなどのようなガスまたはそれらの混合ガスを使用する。その時、雰囲気ガスとしては、Arガスを使用できる。絶縁膜パターン130aは、フォトレジストパターン135状にエッチングされるため、絶縁膜パターン130aの幅よりも絶縁膜パターン130aパターンの間隔を広く形成する。その過程で、シリコン酸化窒化膜125と素子分離膜115との間に選択比の不足により素子分離膜115にリセス140が発生することもある。
フォトレジストパターン135を除去した後、図8A及び図8Bを参照すれば、基板110上にシリコン酸化膜を蒸着する。シリコン酸化膜としては、BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)膜、SOG(Spin On Glass)膜、USG(Undoped Silicate Glass)膜、FOX(Flowable Oxide;Si−O−H系)膜、HDP−CVD(High Density Plasma−Chemical Vapor Deposition)法を利用して形成したシリコン酸化膜、プラズマを利用して形成したTEOS(tetraethylorthosilicate)膜などを蒸着できる。その後、シリコン酸化窒化膜パターン125aを平坦化終了点としてシリコン酸化膜を平坦化させることで、絶縁膜パターン130aの間にシリコン酸化膜マスクパターン142を形成する。そのように、本発明でシリコン酸化膜マスクパターン142は、一種のダマシン工程を利用して形成する。
シリコン酸化膜マスクパターン142のためのシリコン酸化膜蒸着により、図7A及び図7Bを参照して説明したステップで発生したリセス140は、シリコン酸化膜で埋め込まれる。したがって、従来方法に比べて素子分離膜リセスが最小化し、後続工程でリセス140が更に深くなるなどの問題がない。リセス140が基板110表面に露出されないため、素子分離膜115の部位に寄生トランジスタの形成が引き起こされるか、または静的リフレッシュが低下するという問題もない。さらに、後続工程でリセス140にゲート導電層が満たされる恐れがないため、リセストレンチに満たされるゲート導電層と短絡する恐れもまったくない。
図9A及び図9Bは、図8A及び図8Bの結果物でシリコン酸化窒化膜パターン125aを除去した状態の図面である。シリコン酸化窒化膜パターン125aの除去にはリン酸ストリップなどの湿式エッチング方法を利用できる。そのように、リセストレンチが形成される領域には、パッド酸化膜パターン120aが覆っている状態となり、リセストレンチのためのエッチングマスクとしてはシリコン酸化膜マスクパターン142が残る。
図10A及び図10Bを参照して、シリコン酸化膜マスクパターン142をエッチングマスクとして利用して、パッド酸化膜パターン120aと基板110とをエッチングすることでリセストレンチ145を形成する。その時、シリコン酸化膜マスクパターン142を利用して露出されたパッド酸化膜パターン120aを先ず除去した後に、基板110をエッチングしてリセストレンチ145を形成する2ステップ方法で形成できる。その代りに、パッド酸化膜パターン120aと基板110とを同時にエッチングしてもよい。リセストレンチ145の深さは、例えば、約1000−1500Åに形成できる。基板110のエッチングとしては、ClとSFとの混合ガスを使用する反応性イオンエッチング(reactive ion etch:RIE)法を利用できる。リセストレンチ145の形成後、シリコン酸化膜マスクパターン142がある状態でリセストレンチ145の底部にローカルイオン注入を行っても良い。
そのように、本発明によれば、従来のマスク層パターニング工程を応用してシリコン酸化窒化膜パターン125aの形成後に、シリコン酸化膜蒸着及びシリコン酸化窒化膜パターン125aの除去を通じて、シリコン酸化膜マスクパターン142の構造を形成して素子分離膜115のリセスを補完し、次世代級DRAMで従来のような狭い間隔のフォトリソグラフィ工程の難しさを克服できる。
図11A及び図11Bは、シリコン酸化膜マスクパターン142を除去した状態の図面である。シリコン酸化膜マスクパターン142の除去には、HF希釈液またはBOE(Buffered Oxide Etchant)を利用できる。基板110上のシリコン酸化膜マスクパターン142が除去され、一部のシリコン酸化膜マスクパターン残留物142’の素子分離膜115の一部を形成する。リセストレンチ145のエッチング後に残ったシリコン酸化膜マスクパターン142の除去時に素子分離膜115にリセスが発生することもある。しかし、そのような問題は、シリコン酸化膜マスクパターン142の高さを最小化して、エッチング後の残量を最少化することで克服できる。シリコン酸化膜マスクパターン142は、リセストレンチ145のエッチングが進められる間に選択比を考慮してその高さを決定するが、既存のリセストレンチエッチング条件の場合には酸化膜選択比が10:1以上であるため、本発明では約300Åならば十分であると判断される。それは、最初の絶縁膜130、特に、シリコン酸化窒化膜125の蒸着の厚さを従来の工程に比べて減らして具現してもよい。
次いで、CDE(chemical dry etch)法を利用して半導体基板110を選択的に更にエッチングしてもよい。そのCDEの目的は、リセストレンチ145の曲がった上部コーナー側でエッチングされていないシリコンを除去し、曲がった下部コーナーを丸くするためのものである。
図12は、本発明による方法で形成したリセストレンチ145にそれぞれゲートGを形成した状態を示す。そのようなゲートGを形成するには、リセストレンチ145の内壁にゲート酸化膜150を形成する。ゲート酸化膜150は、例えば、シリコン酸化膜、チタン酸化膜あるいはタンタル酸化膜を蒸着して形成する。ゲートポリシリコン層155を十分に蒸着してリセストレンチ145を完全に満たした後、金属層、例えば、ゲートWSi層160とキャッピング膜165とを順次に積層してパターニングする。ゲートポリシリコン層155は、LPCVDで500℃ないし700℃の温度で蒸着できる。不純物がドーピングされていない状態で蒸着した後、ヒ素(As)またはリン(P)をイオン注入でドーピングさせて導電性を持たせてもよく、蒸着時にインシチュ(in−situ)で不純物をドーピングしてドープトポリシリコン状態に蒸着してもよい。キャッピング膜165は、ゲートポリシリコン層155とゲートWSi層160とを保護するために形成するものであって、キャッピング膜用の絶縁物質としてはシリコン窒化物を蒸着できる。
このようにゲートポリシリコン層155、ゲートWSi層160及びキャッピング膜165からなるゲートスタック側壁を取り囲むスペーサ170を形成する。ゲートG、特に、キャッピング膜165とスペーサ170とをイオン注入マスクとしてソース/ドレインイオン注入を行うことで基板110内部にソース/ドレイン175を形成する。ソース/ドレイン175は、ゲート酸化膜150によりゲートポリシリコン層155及びゲートWSi層160と絶縁されている。
以上では、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記した実施例に限定されるものではなく多様な変形が可能である。本発明は、特許請求の範囲により定義される本発明の思想及び範囲内に含まれうる代案、変形及び等価を含む。
本発明によるリセスチャンネルMOSFETの製造方法は、小さなCDのバータイプのフォトリソグラフィプロファイルを具現するか、または具現可能なサイズのフォトリソグラフィ工程後にフォトレジストトリミングなどの工程を進めてリセストレンチ幅を減らしうるため、素子デザインルールの縮小に適している。
従来のリセスチャンネルMOSFETのリセストレンチの形成方法をステップ別に示した断面図である。 従来のリセスチャンネルMOSFETのリセストレンチの形成方法をステップ別に示した断面図である。 従来のリセスチャンネルMOSFETのリセストレンチの形成方法をステップ別に示した断面図である。 従来のリセスチャンネルMOSFETのリセストレンチの形成方法をステップ別に示した断面図である。 本発明の製造方法によって製造しようというリセスチャンネルMOSFETのセルアレイレイアウトである。 図5のA−A’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 図5のB−B’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 図5のA−A’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 図5のB−B’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 図5のA−A’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 図5のB−B’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 図5のA−A’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 図5のB−B’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 図5のA−A’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 図5のB−B’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 図5のA−A’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 図5のB−B’断面に対応する本発明の製造方法による工程別断面図である。 本発明の方法で形成したリセストレンチにゲートを形成した状態を示す。
符号の説明
110 半導体基板
115 素子分離膜
120 パッド酸化膜
125 シリコン酸化窒化膜
130 絶縁膜
135 フォトレジストパターン
140 リセス
142 シリコン酸化膜マスクパターン
145 リセストレンチ

Claims (14)

  1. 半導体基板上に絶縁膜パターンを形成するステップと、
    前記絶縁膜パターンが形成された基板上にシリコン酸化膜を蒸着した後、前記絶縁膜パターンを平坦化終了点として前記シリコン酸化膜を平坦化させることによって、前記絶縁膜パターンの間にシリコン酸化膜マスクパターンを形成するステップと、
    前記シリコン酸化膜マスクパターンが形成された結果物から前記絶縁膜パターンを除去するステップと、
    前記シリコン酸化膜マスクパターンをエッチングマスクとして利用して前記基板をエッチングすることでリセストレンチを形成するステップと、
    前記リセストレンチが形成された結果物から前記シリコン酸化膜マスクパターンを除去するステップと、
    前記リセストレンチ内で延びるゲートを形成するステップと、
    を含むことを特徴とするリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  2. 前記絶縁膜は、パッド酸化膜とシリコン窒化膜との組合せまたはパッド酸化膜とシリコン酸化窒化膜との組合せで形成することを特徴とする請求項1に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  3. 前記絶縁膜パターンは、各絶縁膜パターンの幅よりも絶縁膜パターンの間隔を広く形成することを特徴とする請求項1に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  4. 前記絶縁膜パターンの形成中に前記基板にリセスが形成され、前記シリコン酸化膜マスクパターンを形成するステップでシリコン酸化膜で前記リセスを埋め込むことを特徴とする請求項1に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  5. 前記ゲートをイオン注入マスクとして前記基板内部にソース/ドレインイオン注入を行うステップを更に含むことを特徴とする請求項1に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  6. 半導体基板上にパッド酸化膜とシリコン酸化窒化膜とを順に形成して絶縁膜を形成するステップと、
    前記絶縁膜上にリセストレンチが形成される領域を覆うフォトレジストパターンを形成するステップと、
    前記フォトレジストパターンをエッチングマスクとして利用して前記絶縁膜をエッチングすることで、それぞれパッド酸化膜パターンとシリコン酸化窒化膜パターンとからなる絶縁膜パターンを形成するステップと、
    前記フォトレジストパターンを除去するステップと、
    前記絶縁膜パターンが形成された基板上にシリコン酸化膜を蒸着した後、前記シリコン酸化窒化膜パターンを平坦化終了点として前記シリコン酸化膜を平坦化させることで前記絶縁膜パターンの間にシリコン酸化膜マスクパターンを形成するステップと、
    前記シリコン酸化膜マスクパターンが形成された結果物から前記シリコン酸化窒化膜パターンを除去するステップと、
    前記シリコン酸化膜マスクパターンをエッチングマスクとして利用して前記パッド酸化膜パターンと前記基板とをエッチングすることでリセストレンチを形成するステップと、
    前記リセストレンチが形成された結果物から前記シリコン酸化膜マスクパターンを除去するステップと、
    前記リセストレンチ内で延びるゲートを形成するステップと、
    を含むことを特徴とするリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  7. 前記フォトレジストパターンは、各フォトレジストパターンの幅よりも絶縁膜パターンの間隔を広く形成することを特徴とする請求項6に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  8. 前記フォトレジストパターンは、目標幅よりも広い幅に形成した後、フォトレジストトリミングの工程で目標幅に合わせることを特徴とする請求項7に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  9. 前記絶縁膜パターンの形成中に前記基板にリセスが形成され、前記シリコン酸化膜マスクパターンを形成するステップでシリコン酸化膜で前記リセスを埋め込むことを特徴とする請求項6に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  10. 前記基板に素子分離膜を形成するステップを更に含み、前記リセスが前記素子分離膜に形成されることを特徴とする請求項9に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  11. 前記リセストレンチを形成するステップは、
    前記シリコン酸化膜マスクパターンを利用して露出された前記パッド酸化膜パターンを先ず除去した後に、前記基板をエッチングして前記リセストレンチを形成する2ステップ方法によることを特徴とする請求項6に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  12. 前記リセストレンチを形成するステップでは、前記パッド酸化膜パターンと前記基板とを同時にエッチングすることを特徴とする請求項6に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  13. 前記リセストレンチを形成した後、前記シリコン酸化膜マスクパターンがある状態で前記リセストレンチの底部にローカルイオン注入を行うステップを更に含むことを特徴とする請求項6に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
  14. 前記ゲートをイオン注入マスクとして前記基板内部にソース/ドレインイオン注入を行うステップを更に含むことを特徴とする請求項6に記載のリセスチャンネルMOSFETの製造方法。
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