JP2006013516A - 半導体メモリ素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 炭素含有膜を下部モールド層として利用して、シリンダー型のキャパシタ下部電極を形成する半導体メモリ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板上に炭素含有膜を形成し、炭素含有膜上に、炭素含有膜の上面を一部露出させる第1ホールを限定する絶縁膜パターンを形成し、炭素含有膜の露出された部分をドライエッチングして、ストレージノードホールを限定する炭素含有膜パターンを形成し、ストレージノードホール内に下部電極を形成し、ストレージノードホール内に下部電極を覆う誘電膜を形成し、ストレージノードホール内に誘電膜を覆う上部電極を形成する半導体メモリ素子の製造方法。下部モールド層の形成のための炭素含有膜のドライエッチング時、炭素含有膜の等方性エッチング特性を利用して、上部より下部でさらに大きい外径サイズを持つストレージノードホールを形成できる。
【選択図】 図1H

Description

本発明は、半導体メモリ素子の製造方法に係り、特に、微細なセル面積に形成されるシリンダー型下部電極を持つ半導体メモリ素子の製造方法に関する。
半導体メモリ素子の超高集積化につれて、デザインルールが段々減少して、半導体メモリ素子において単位メモリセルが占める面積が減りつつある。DRAM(Dynamic Random Access Memory)素子において、メモリセルに使われるキャパシタは、その占める面積が減っていることにも拘らず、一般的に許容できるデータ入出力特性及び再生特性を提供するのに十分な最小キャパシタンスを提供することが要求される。このような要求に応じて、工程マージン及び空間の減少は、メモリセルキャパシタのデザインに大きい影響を及ぼした。減少した空間に最小キャパシタンスを維持できるキャパシタを製造するために、三次元構造を持ちつつ高い高さを持ついろいろな構造のキャパシタの下部電極構造が提案された。その中で、シリンダー型下部電極が、キャパシタの有効面積を増加させるのに有利なために広く使われており、シリンダー型下部電極構造及びその形成方法に関する多様な技術が提案された(例えば、特許文献1)。
通常的に、シリンダー型下部電極を形成するために、まず埋め込みコンタクトが形成された半導体基板上に、エッチング阻止膜及びモールド酸化膜を形成し、前記モールド酸化膜及びエッチング阻止膜を順にドライエッチングして、前記埋め込みコンタクトを露出させるノードホールを限定するモールド酸化膜パターン及びエッチング阻止膜パターンを形成した後、前記モールド酸化膜パターンを利用して、シリンダー型下部電極を形成する。前記下部電極が形成された後には、前記モールド酸化膜パターンはまたウェットエッチング方法で除去する。これまで提案されたシリンダー型下部電極の形成方法では、前記エッチング阻止膜として主にシリコン窒化膜を形成した。
しかし、これまで提案された方法でシリンダー型下部電極を形成するところにおいて、前記モールド酸化膜パターンのウェットエッチング時、エッチング液が下部電極と前記エッチング阻止膜との界面を通じて下部に侵入して、下部構造物に損傷を負わせるという問題がある。このような現象を防止するためには、前記エッチング阻止膜を厚く形成して、エッチング液の侵入経路を長くする必要がある。しかし、エッチング阻止膜をシリコン窒化膜で形成した場合には、エッチング阻止膜が厚くなれば、前記ノードホールを形成するために前記エッチング阻止膜をドライエッチングする間に、上部の構造物が破られるか、損傷するという問題が発生する。また、エッチング阻止膜が厚くなるにつれて、下部電極の外壁と前記エッチング阻止膜パターンとが接する面積ほど下部電極の表面積が減少して、所望のキャパシタンスを得られなくなる。
すなわち、前記問題を防止するためには、エッチング阻止膜を厚くするには限界があり、したがって、下部電極を高めるためには、モールド酸化膜を高める方法に依存せざるを得ない。しかし、モールド酸化膜が高くなれば、ストレージノードホールの形成のためのドライエッチング時、ストレージノードホールが深くなるほどその断面プロファイルの変形が激しくて、所望の断面プロファイルを維持し難く、下部電極が底部面積を十分に確保できなくなる。このような問題は、デザインルールが小さくなるほどさらに深刻になって、所望のキャパシタンスを確保できないだけでなく、下部電極が倒れることによって、隣接したOCS(One Cylinder Stack)キャパシタの下部電極間にツインビットフェールが発生する可能性が高くなる。
米国特許第6,653,186号明細書
本発明の目的は、前記のような従来技術の問題点を解決しようとするものであり、狭くなったメモリセル面積内で、所望のキャパシタンスの確保に有利な下部電極構造及びその周辺構造を持つ半導体メモリ素子の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、モールド酸化膜パターンを除去するためのウェットエッチング時、エッチング液の侵入による下部構造物の損傷を防止できる半導体メモリ素子の製造方法を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明の第1様態による半導体メモリ素子の製造方法では、導電領域を持つ半導体基板上に炭素含有膜を形成する。前記炭素含有膜上に、前記炭素含有膜の上面を一部露出させる第1ホールを限定する絶縁膜パターンを形成する。前記第1ホールを通じて露出された炭素含有膜をドライエッチングして、前記導電領域を露出させる第2ホールを限定する炭素含有膜パターンを形成する。前記第1ホール及び第2ホール内にシリンダー型のキャパシタ下部電極を形成する。前記絶縁膜パターンをウェットエッチングによって除去する。前記炭素含有膜パターンを除去する。
前記絶縁膜パターンを形成するために、先ず、前記炭素含有膜上に絶縁膜を形成する。次いで、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、前記絶縁膜をドライエッチングする。
前記炭素含有膜パターンを形成するために、前記炭素含有膜をドライエッチングする間、前記第2ホールの形成と同時に前記フォトレジストパターンが除去される。
前記炭素含有膜パターンは、垂直プロファイルの側壁を持つように形成できる。または、前記炭素含有膜パターンの形成工程では、前記炭素含有膜を等方性ドライエッチングして、前記第1ホールよりさらに大きい外径サイズを持つ前記第2ホールを形成することもできる。
前記下部電極を形成するために、先ず、前記炭素含有膜パターンの側壁と前記絶縁膜パターンの側壁及び上面に導電層を形成した後、前記第1ホール及び第2ホール内で前記導電層を覆う犠牲膜を形成する。次いで、前記絶縁膜パターンの上面が露出されるまで、前記絶縁膜パターンの上に形成されている前記犠牲膜及び導電層を除去する。次いで、前記犠牲膜を完全に除去する。
前記犠牲膜の除去は、前記絶縁膜パターンの除去と同時に行われる。この時、前記犠牲膜及び絶縁膜パターンを除去するために、ウェットエッチングを利用する。
または、前記犠牲膜の除去は、前記炭素含有膜パターンの除去と同時に行われることもできる。この時、前記犠牲膜及び炭素含有膜を除去するために、アッシング及びストリッピング工程を利用する。
前記目的を達成するために、本発明の第2様態による半導体メモリ素子の製造方法では、導電領域を持つ半導体基板上に炭素含有膜を形成する。前記炭素含有膜上に前記炭素含有膜の上面を一部露出させる絶縁膜パターンを形成する。前記第1ホールを通じて露出された炭素含有膜をドライエッチングして、前記導電領域を露出させる第2ホールを限定する。前記第1ホール及び第2ホール内に下部電極を形成する。前記下部電極及び前記絶縁膜パターン上に誘電膜を形成する。前記誘電膜上に上部電極を形成する。
前記目的を達成するために、本発明の第3様態による半導体メモリ素子の製造方法では、半導体基板上に炭素含有膜を形成する。前記炭素含有膜上に、前記炭素含有膜の上面を一部露出させる絶縁膜パターンを形成する。前記炭素含有膜の露出された部分をドライエッチングして、ストレージノードホールを限定する炭素含有膜パターンを形成する。前記ストレージノードホール内に下部電極を形成する。前記ストレージノードホール内に前記下部電極を覆う誘電膜を形成する。前記ストレージノードホール内に前記誘電膜を覆う上部電極を形成する。
本発明によれば、OCSキャパシタの下部電極を形成するに当って、下部モールド層として比較的高い高さを持つ炭素含有膜パターンを利用する。炭素含有膜パターンの高い高さによって、上部モールド層である酸化膜パターンを除去するためのウェットエッチング時、エッチング液の下部への侵入経路が長くなって、下部構造物がエッチング液によって損傷される恐れがない。また、下部モールド層の形成のための炭素含有膜のドライエッチング時、炭素含有膜の等方性エッチング特性を利用して、上部より下部でさらに大きい外径サイズを持つストレージノードホールを形成することが可能であり、このような構造のストレージノードホール内に形成される下部電極は、その上部に比べて下部の外径サイズがさらに大きい安定した構造を持つ。したがって、OCSキャパシタで下部電極が倒れることを防止でき、ツインビットフェールが発生する恐れなく下部電極を容易に高めることができる。
以下、例示する実施形態はいろいろな他の形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は、当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。添付図面で膜または領域の大きさまたは厚さは、明細書の明確性のために誇張されたものである。
図1Aないし図1Jは、本発明の第1実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第1実施形態では、半導体メモリ素子のOCSキャパシタを製造する方法について説明する。
図1Aを参照すれば、半導体基板10上に層間絶縁膜12を形成する。前記層間絶縁膜12を一部エッチングしてストレージノードコンタクトホールを形成した後、これに導電物質を埋め込んで平坦化して、前記半導体基板10の活性領域に連結される導電性コンタクトプラグ14を形成する。
前記層間絶縁膜12及びコンタクトプラグ14上に、炭素含有膜20を形成する。前記炭素含有膜20は、後続工程でエッチング阻止膜として使用するためのものであり、約1,000〜15,000Åに比較的厚く形成できる。
前記炭素含有膜20は、例えば、非晶質炭素膜、DLC(Diamond Like Carbon)及び黒鉛のように純粋な炭素膜で構成できる。このように純粋な炭素膜で構成される炭素含有膜20を形成するために、例えば、PECVD(Plasma−Enhanced Chemical Vapor Deposition)方法を利用でき、この時、Cの組成を持つ1種の単一ガス、または前記組成を持つ2種以上の混合ガスとH、HeまたはArを工程ガスとして使用して、前記炭素含有膜20を形成できる。
また、前記炭素含有膜20は、脂肪族または芳香族炭化水素化合物、有機高分子化合物、または炭素含有低誘電物質で構成できる。前記有機高分子化合物としてフォトレジスト材料を使用できる。前記炭素含有低誘電物質の代表的な例として、SiLKTM(Dow Chemical Company製品)、SiCOH複合材料、非晶質水素化シリコンカーバイド(a−SiC:H)を挙げられる。SiLKTM膜は、スピンコーティングによって得られるSOD(Spin−On−Dielectric)高分子膜であり、スピンコーティング後に、約400〜450℃の温度下でベークして得られる。SiCOH複合膜は、例えば、トリメチルシラン、テトラメチルシラン、ヘキサメチルジシロキサン、ビス−トリメチルシリルメタン、または、ビニールトリメチルシランを前駆体として、PECVD方法で得られる。a−SiC:H膜は、トリメチルシランを前駆体として、PECVD方法で得られる。
図1Bを参照すれば、前記炭素含有膜20上に酸化膜30を形成する。前記酸化膜30は、後続工程で下部電極を形成する時、前記炭素含有膜20と共にモールド層として使用するためのものであり、例えば、約10,000〜25,000Åの厚さに形成できる。前記炭素含有膜20の高さH1と、前記酸化膜30の高さH2との和(H1+H2)は、最終的に形成しようとする下部電極の高さによって決定される。望ましくは、前記炭素含有膜20の高さH1は、最終的に形成しようとする下部電極の高さの1/5以上とする。
前記酸化膜30は、PECVD方法によって形成されるTEOS膜(以下、“PE−TEOS膜”という)、スピンコーティング方法で形成されるUSG(Undoped Silicate Glass)膜、BPSG(Borophosphosilicate Glass)膜、PSG(Phosphosilicate Glass)膜、またはポリシラザン膜からなりうる。
前記酸化膜30を例とすれば、600℃以上の比較的高温で形成する場合には、高温雰囲気下で前記炭素含有膜20内の炭素が分解されてガス発生が引き起こされ、その結果、前記炭素含有膜20のリフティング現象が引き起こされる。したがって、前記酸化膜30は、比較的低温、例えば、450℃以下の温度で成膜が可能な膜で形成されることが望ましい。
PE−TEOS膜は、PECVD方法によって約400℃で成膜が可能であり、USG膜は、スピンコーティング方法によって約450〜540℃で成膜が可能である。また、ポリシラザン膜は、スピンコーティング方法によって約400〜700℃で成膜が可能である。したがって、前記酸化膜30をPE−TEOS膜、USG膜、またはポリシラザン膜で形成することが望ましい。
前記酸化膜30上に、ストレージノードホール領域を限定するフォトレジストパターン40を約5,000〜10,000Åの厚さに形成する。
図1Cを参照すれば、前記フォトレジストパターン40をエッチングマスクとして、前記酸化膜30をドライエッチングして酸化膜パターン30aを形成する。前記酸化膜30のドライエッチングは、CF系列のエッチングガス、例えば、CまたはCガスとArガスとを使用して進む。その結果、前記酸化膜パターン30aに形成された第1ホール42を通じて、前記炭素含有膜20の上面が一部露出される。
図1Dを参照すれば、前記酸化膜パターン30aをエッチングマスクとして、前記炭素含有膜20の露出された部分をドライエッチングして、第2ホール43を通じて前記コンタクトプラグ14を露出させる炭素含有膜パターン20aを形成する。前記第1ホール42及び第2ホール43は、ストレージノードホール44を構成する。前記炭素含有膜20のドライエッチング時、Oガスをメインソースガスとして使用するプラズマエッチング方法を利用する。この時、前記メインソースガスと共にN、Ar及びHeのうち選択される少なくとも一つの不活性ガスを同時に供給できる。また、前記炭素含有膜20が、例えばSiCOH複合膜またはa−SiC:H膜のようにSiを含有している場合には、ソースガスにFを含めてエッチング工程を行う。
図1Dに示すように、前記炭素含有膜パターン20aの側壁に垂直プロファイルを持たせるために、前記炭素含有膜20のエッチングのためのソースガスとしてHBr、NH、またはHを追加して、前記炭素含有膜20の等方性エッチング特性を抑制し、かつエッチング速度を高める。
前記炭素含有膜20のドライエッチングのためのエッチング条件として、約100〜1,500Wのパワー、そして、約3mT〜100mTの圧力条件を適用できる。この時、エッチング温度が高くなれば、前記炭素含有膜20が等方性エッチング特性を表すので、エッチング温度をなるべく低く設定する必要がある。前記炭素含有膜パターン20aの側壁が垂直プロファイルを維持できるように、約20〜80℃のエッチング温度を適用することが望ましい。
前記フォトレジストパターン40は、前記炭素含有膜20のドライエッチング後に別途の工程で除去できる。または、前記炭素含有膜20がフォトレジスト材料と同じ有機高分子物質で構成された場合、前記炭素含有膜20のエッチング条件下で、前記フォトレジストパターン40が、前記炭素含有膜20のドライエッチングと同時に除去されることもできる。この場合、前記フォトレジストパターン40を除去するために、別途の工程を経る必要がないために、工数が減る効果がある。
また、前記炭素含有膜20のドライエッチング条件下では、酸化膜に対する前記炭素含有膜20のエッチング選択比が非常に高い。すなわち、前記炭素含有膜20をドライエッチングする間、前記酸化膜パターン30aの損傷が全くなく、したがって、後続工程で形成される下部電極のプロファイルに悪影響を及ぼす恐れがない。
図1Eを参照すれば、前記ストレージノードホール44を通じて露出されている前記炭素含有膜パターン20aの側壁及び前記酸化膜パターン30aの側壁と、前記酸化膜パターン30aの上面とに、下部電極形成用導電層50を約200〜400Åの厚さに形成する。前記導電層50は、例えば、ドーピングされたポリシリコンまたはTiNからなることもあり、Pt膜、Ru膜、Ir膜などの貴金属物質またはこれらの酸化物からなることもある。前記導電層50は、前記例示された物質からなる単一膜、または2層以上の物質層からなる複合膜で形成されることもできる。前記導電層50は、例えば、CVDまたはALD(Atomic Layer Deposition)方法を利用して形成できる。
図1Fを参照すれば、前記導電層50が形成された結果物の全面に犠牲膜60を形成する。前記犠牲膜60は、前記ストレージノードホール44内で前記導電層50を覆うように形成される。
前記犠牲膜60は、ギャップフィリング特性に優れた酸化物、例えば、USG、SiO、またはポリシラザンからなるか、またはフォトレジスト材料からなる。
図1Gを参照すれば、前記酸化膜パターン30aが露出されるまで、前記酸化膜パターン30aの上面上に形成されている前記犠牲膜60及び導電層50を、CMP(Chemical Mechanical Polishing)工程またはエッチバック工程によって除去して、各セルごとに分離されている下部電極50aを形成する。
図1Hを参照すれば、前記酸化膜パターン30aを除去する。前記酸化膜パターン30aを除去するために、通常的に広く使われる酸化膜除去用のエッチング液を使用し、例えば、HF及びNH4Fの混合液からなるエッチング液を使用できる。この時、前記下部電極50aの周囲に残っている炭素含有膜パターン20aは、従来技術でエッチング阻止膜で形成したシリコン窒化膜に比べて高い高さH1を持つので、前記酸化膜パターン30aがウェットエッチングされる間に、エッチング液の下部構造物への侵入距離Lが長い。したがって、前記酸化膜パターン30aがウェットエッチングされる間、前記下部電極50aの下に形成されている下部構造物が、エッチング液によって損傷する恐れがない。
ここで、前記犠牲膜60が酸化物からなる場合、図1Hに示すように、前記酸化膜パターン30aの除去と同時に前記犠牲膜60が除去される。図示していないが、前記犠牲膜60がフォトレジスト材料からなる場合には、前記酸化膜パターン30aの除去後にも、前記犠牲膜60が除去されずに残ってしまう。これについては、後述する。
図1Iを参照すれば、前記炭素含有膜パターン20aを、アッシング及びストリッピング方法を利用して除去する。その結果、前記下部電極50aの外部側壁が完全に露出される。
図1Hを参照して既に説明したように、前記犠牲膜60がフォトレジスト材料からなる場合には、前記酸化膜パターン30aの除去後にも前記犠牲膜60が除去されずに残っており、このように残っている前記犠牲膜60は、前記炭素含有膜パターン20aの除去のためのアッシング及びストリッピング工程時、前記炭素含有膜パターン20aの除去と同時に除去される。このように、前記犠牲膜60は、その構成物質によって、前記酸化膜パターン30aの除去と同時に、または、前記炭素含有膜パターン20aの除去と同時に除去されるので、前記犠牲膜60を除去するために別途の工程を行う必要がない。
図1Jを参照すれば、前記下部電極50a上に誘電膜70及び上部電極80を順に形成して、キャパシタ90を完成する。
図2Aないし図2Dは、本発明の第2実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために工程順序によって示す断面図である。第2実施形態は、第1実施形態とほぼ同一であるが、OCSキャパシタで、下部電極の下部外径が上部外径に比べて大きいサイズを持つ構造を形成する方法について説明する。図2Aないし図2Dにおいて、第1実施形態と同じ参照符号は同一部材を表し、これらについての詳細な説明は省略する。
図2Aを参照すれば、図1Aないし図1Cを参照して説明したような方法で酸化膜パターン30aを形成した後、前記酸化膜パターン30aをエッチングマスクとして、図1Dを参照して第1実施形態で説明した方法と同様に、前記炭素含有膜20の露出された部分をドライエッチングして、前記コンタクトプラグ14の上面を露出させるホールを形成する。但し、第1実施形態と異なる点は、前記炭素含有膜20のドライエッチング時、Oガスをメインソースガスとして使用するプラズマエッチング方法を利用するが、前記炭素含有膜20の等方性エッチング効果を得るために、エッチングガス内でのHBr、NH、またはHの含有量を、第1実施形態の場合に比べて減らし、エッチング温度も第1実施形態の場合に比べて高く設定する。その結果、前記コンタクトプラグ14を露出させるストレージノードホール144を限定する炭素含有膜パターン120aが形成される。前記ストレージノードホール144のうち、前記炭素含有膜パターン120aによって限定されるホールの外径D1は、前記酸化膜パターン30aによって限定されるホールの外径D2よりさらに大きいサイズを持つ。すなわち、前記炭素含有膜パターン120a内に形成されるストレージノードホール144の外径D1は、前記酸化膜パターン30a内に形成されるストレージノードホール144の外径D2よりさらに大きい。
図2Bを参照すれば、図1Eないし図1Gを参照して説明したような方法で、前記ストレージノードホール144の内部及び前記酸化膜パターン30aの上面に下部電極形成用導電層を形成し、その上に犠牲膜60を形成した後、前記犠牲膜60及び導電層をCMP工程またはエッチバック工程によって除去して、各セルごとに分離されている下部電極150を形成する。上部より下部でさらに大きい外径サイズを持つストレージノードホール内に形成した前記下部電極150は、その上部に比べて下部の外径サイズがさらに大きい安定した構造を持つ。したがって、OCSキャパシタで下部電極の倒れることを防止でき、ツインビットフェールが発生する恐れがない。
図2Cを参照すれば、図1H及び図1Iを参照して説明したような方法で、前記酸化膜パターン30a、犠牲膜60、及び炭素含有膜パターン120aを除去する。
図2Dを参照すれば、図1Jを参照して説明したような方法で、前記下部電極150上に誘電膜70及び上部電極80を順に形成して、キャパシタ190を完成する。
図3Aないし図3Cは、本発明の第3実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第3実施形態では、半導体メモリ素子の凹形(concave type)キャパシタを製造する方法について説明する。図3Aないし図3Cにおいて、第1実施形態と同じ参照符号は同一部材を表し、これらについての詳細な説明は省略する。
図3Aを参照すれば、図1Aないし図1Gを参照して説明したような方法で、下部電極50aを形成する工程まで進む。但し、ノード分離のためのCMP工程時、前記下部電極50aを保護するために形成する犠牲膜60’は、前記酸化膜パターン30aとのエッチング選択比を確保するために、フォトレジスト材料で形成する。そして、前記炭素含有膜パターン20aは、キャパシタが完成された後、前記下部電極50aの周囲で除去されずに残っているため、SiLKTM、SiCOH複合材料、a−SiC:Hのような低誘電物質で形成することが望ましい。
図3Bを参照すれば、前記犠牲膜60をアッシング及びストリッピング工程によって除去して、前記下部電極50aの内壁を露出させる。
図3Cを参照すれば、前記図1Jを参照して説明したような方法で、前記下部電極50a上に誘電膜70及び上部電極80を順に形成して、キャパシタ290を完成する。
図4Aないし図4Cは、本発明の第4実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第4実施形態では、半導体メモリ素子の凹形キャパシタを製造する方法について説明する。第4実施形態は、第3実施形態とほぼ同一であるが、凹形キャパシタで、下部電極の下部外径が上部外径に比べて大きいサイズを持つ構造を形成する方法について説明する。図4Aないし図4Cにおいて、第1実施形態、第2実施形態及び第3実施形態と同じ参照符号は同一部材を表し、これらについての詳細な説明は省略する。
図4Aを参照すれば、図2A及び図2Bを参照して説明したような方法で、下部電極150を形成する工程まで進む。但し、ノード分離のためのCMP工程時、前記下部電極150を保護するために形成する犠牲膜60’は、前記酸化膜パターン30aとのエッチング選択比を確保するために、フォトレジスト材料で形成する。そして、前記炭素含有膜パターン120aは、キャパシタが完成された後、前記下部電極150の周囲で除去されずに残っているため、SiLKTM、SiCOH複合材料、a−SiC:Hのような低誘電物質で形成することが望ましい。
図4Bを参照すれば、前記犠牲膜60をアッシング及びストリッピング工程によって除去して、前記下部電極150の内壁を露出させる。
図4Cを参照すれば、前記図1Jを参照して説明したような方法で、前記下部電極150上に誘電膜70及び上部電極80を順に形成して、キャパシタ390を完成する。
本発明によれば、OCSキャパシタの下部電極を形成するところに当って、モールド層として、下部に形成された比較的高さの高い炭素含有膜パターンと、その上に形成される酸化膜パターンとを利用する。前記炭素含有膜パターンの高い高さによって、前記酸化膜パターンを除去するためのウェットエッチング時、エッチング液の下部への侵入経路が長くなって、下部構造物がエッチング液によって損傷される恐れがない。
モールド層の形成のために下部に高さの高い炭素含有膜を形成するので、炭素含有膜上には比較的高さの低い酸化膜を形成しても、下部電極の高さを高めることができる。すなわち、高さの高い下部電極を形成する場合にも、ストレージノードホールの形成のための酸化膜のエッチング量が、従来の場合に比べて減る。酸化膜のエッチング深さが深くなるほど、ストレージノードホールの断面プロファイル変形が大きくなるという問題が発生する従来技術とは違って、本発明による方法を利用することによって、深いストレージノードホールを形成する場合にも、ストレージノードホールの深さによって所望の断面プロファイルを維持できる。
そして、モールド層の形成のための炭素含有膜のドライエッチング時、炭素含有膜の等方性エッチング特性を利用して、上部より下部でさらに大きい外径サイズを持つストレージノードホールを形成することができ、このような構造のストレージノードホール内に形成される下部電極は、その上部に比べて下部の外径サイズがさらに大きい安定した構造を持ち、したがって、OCSキャパシタで下部電極の倒れることを防止でき、ツインビットフェールが発生する恐れがなく、かつ下部電極の高さを容易に高めることができる。
また、モールド層として利用される炭素含有膜パターンは、凹形キャパシタの下部電極を形成する場合にも同じく適用でき、この場合には、前記炭素含有膜の構成材料として低誘電物質を利用することによって、優秀な絶縁特性を持つ絶縁膜を提供できる。
したがって、本発明による方法によれば、小さなデザインルールを持つ高集積化された半導体メモリ素子を製造する場合にも、十分なキャパシタンスを確保できる構造の下部電極を容易に形成できる。
以上、本発明を望ましい実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想及び範囲内で当業者によっていろいろな変形及び変更が可能である。
本発明による半導体メモリ素子の製造方法は、小さな面積のメモリセル内で、十分なキャパシタンスを確保できる下部電極を持つ超高集積化された半導体メモリ素子の具現に好適に適用できる。
本発明の第1実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第1実施形態では、半導体メモリ素子のOCSキャパシタを製造する方法について説明する。 本発明の第1実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第1実施形態では、半導体メモリ素子のOCSキャパシタを製造する方法について説明する。 本発明の第1実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第1実施形態では、半導体メモリ素子のOCSキャパシタを製造する方法について説明する。 本発明の第1実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第1実施形態では、半導体メモリ素子のOCSキャパシタを製造する方法について説明する。 本発明の第1実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第1実施形態では、半導体メモリ素子のOCSキャパシタを製造する方法について説明する。 本発明の第1実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第1実施形態では、半導体メモリ素子のOCSキャパシタを製造する方法について説明する。 本発明の第1実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第1実施形態では、半導体メモリ素子のOCSキャパシタを製造する方法について説明する。 本発明の第1実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第1実施形態では、半導体メモリ素子のOCSキャパシタを製造する方法について説明する。 本発明の第1実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第1実施形態では、半導体メモリ素子のOCSキャパシタを製造する方法について説明する。 本発明の第1実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。第1実施形態では、半導体メモリ素子のOCSキャパシタを製造する方法について説明する。 本発明の第2実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。 本発明の第2実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。 本発明の第2実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。 本発明の第2実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。 本発明の第3実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。 本発明の第3実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。 本発明の第3実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。 本発明の第4実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。 本発明の第4実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。 本発明の第4実施形態による半導体メモリ素子の製造方法を説明するために、工程順序によって示す断面図である。
符号の説明
10 半導体基板
12 層間絶縁膜
14 導電性コンタクトプラグ
20a 炭素含有膜パターン
50a 下部電極
H1 炭素含有膜の高さ
L エッチング液の下部構造物への侵入距離

Claims (64)

  1. 導電領域を持つ半導体基板上に炭素含有膜を形成する工程と、
    前記炭素含有膜上に、前記炭素含有膜の上面を一部露出させる第1ホールを限定する絶縁膜パターンを形成する工程と、
    前記第1ホールを通じて露出された炭素含有膜をドライエッチングして、前記導電領域を露出させる第2ホールを限定する炭素含有膜パターンを形成する工程と、
    前記第1ホール及び第2ホール内にシリンダー型のキャパシタ下部電極を形成する工程と、
    前記絶縁膜パターンをウェットエッチングによって除去する工程と、
    前記炭素含有膜パターンを除去する工程と、を含むことを特徴とする半導体メモリ素子の製造方法。
  2. 前記炭素含有膜は、非晶質炭素、DLS(Diamond Like Carbon)、黒鉛、脂肪族または芳香族炭化水素化合物、有機高分子化合物、SiLKTM、SiCOH複合材料、またはa−SiC:Hからなることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  3. 前記炭素含有膜は、PECVDまたはスピンコーティング方法によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  4. 前記絶縁膜パターンは、PE−TEOS、USG、BPSG、PSG、またはポリシラザンからなることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  5. 前記絶縁膜パターンを形成する工程は、
    前記炭素含有膜上に絶縁膜を形成する工程と、
    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、前記絶縁膜をドライエッチングする工程と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  6. 前記絶縁膜は、PECVDまたはスピンコーティング方法によって形成されることを特徴とする請求項5に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  7. 前記絶縁膜は、450℃以下の温度下で形成されることを特徴とする請求項5に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  8. 前記炭素含有膜パターンを形成するために、前記炭素含有膜をドライエッチングする間、前記第2ホールの形成と同時に前記フォトレジストパターンが除去されることを特徴とする請求項5に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  9. 前記炭素含有膜パターンは、垂直プロファイルの側壁を持つように形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  10. 前記炭素含有膜パターンの形成時、前記炭素含有膜を20〜80℃の温度下でドライエッチングすることを特徴とする請求項9に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  11. 前記炭素含有膜パターンの形成時、エッチングガスとしてOガスと、不活性ガスと、HBr、NH及びHのうち選択される少なくとも一つの追加ガスを使用して、前記炭素含有膜をドライエッチングすることを特徴とする請求項9に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  12. 前記炭素含有膜パターンの形成工程では、前記炭素含有膜を等方性ドライエッチングして、前記第1ホールよりさらに大きい外径サイズを持つ前記第2ホールを形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  13. 前記炭素含有膜パターンの形成工程では、エッチングガスとしてOガスと不活性ガスとを使用して、前記炭素含有膜をドライエッチングすることを特徴とする請求項12に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  14. 前記炭素含有膜の高さは、前記下部電極の高さの1/5以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  15. 前記炭素含有膜パターンは、アッシング及びストリッピングによって除去されることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  16. 前記下部電極を形成する工程は、
    前記炭素含有膜パターンの側壁と前記絶縁膜パターンの側壁及び上面に、導電層を形成する工程と、
    前記第1ホール及び第2ホール内で、前記導電層を覆う犠牲膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜パターンの上面が露出されるまで、前記絶縁膜パターンの上に形成されている前記犠牲膜及び導電層を除去する工程と、
    前記犠牲膜を完全に除去する工程と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  17. 前記犠牲膜は、USG、SiO、ポリシラザン、またはフォトレジスト材料からなることを特徴とする請求項16に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  18. 前記犠牲膜及び導電層を除去する工程は、CMP工程またはエッチバック工程によって行うことを特徴とする請求項16に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  19. 前記犠牲膜を完全に除去するために、ウェットエッチングを行うことを特徴とする請求項16に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  20. 前記犠牲膜を完全に除去する工程は、前記絶縁膜パターンの除去と同時に行われることを特徴とする請求項19に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  21. 前記犠牲膜を完全に除去するために、アッシング及びストリッピング工程を行うことを特徴とする請求項16に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  22. 前記犠牲膜を完全に除去する工程は、前記炭素含有膜パターンの除去と同時に行われることを特徴とする請求項21に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  23. 前記炭素含有膜パターンの除去後には、前記下部電極の外部側壁が完全に露出されることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  24. 前記下部電極上に誘電膜を形成する工程と、
    前記誘電膜上に上部電極を形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項23に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  25. 導電領域を持つ半導体基板上に炭素含有膜を形成する工程と、
    前記炭素含有膜上に、前記炭素含有膜の上面を一部露出させる第1ホールを限定する絶縁膜パターンを形成する工程と、
    前記第1ホールを通じて露出された炭素含有膜をドライエッチングして、前記導電領域を露出させる第2ホールを限定する炭素含有膜パターンを形成する工程と、
    前記第1ホール及び第2ホール内に下部電極を形成する工程と、
    前記下部電極及び前記絶縁膜パターン上に誘電膜を形成する工程と、
    前記誘電膜上に上部電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体メモリ素子の製造方法。
  26. 前記上部電極は、前記第1ホール及び第2ホール内に形成されることを特徴とする請求項25に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  27. 前記炭素含有膜は、非晶質炭素、DLS、黒鉛、脂肪族または芳香族炭化水素化合物、有機高分子化合物、SiLKTM、SiCOH複合材料、またはa−SiC:Hからなることを特徴とする請求項25に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  28. 前記炭素含有膜は、PECVDまたはスピンコーティング方法によって形成されることを特徴とする請求項25に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  29. 前記絶縁膜パターンは、PE−TEOS、USG、BPSG、PSG、またはポリシラザンからなることを特徴とする請求項25に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  30. 前記絶縁膜パターンを形成する工程は、
    前記炭素含有膜上に絶縁膜を形成する工程と、
    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、前記絶縁膜をドライエッチングする工程と、を含むことを特徴とする請求項25に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  31. 前記絶縁膜は、PECVDまたはスピンコーティング方法によって形成されることを特徴とする請求項30に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  32. 前記絶縁膜は450℃以下の温度下で形成されることを特徴とする請求項30に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  33. 前記炭素含有膜パターンを形成するために、前記炭素含有膜をドライエッチングする間、前記第2ホール形成と同時に前記フォトレジストパターンが除去されることを特徴とする請求項30に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  34. 前記炭素含有膜パターンは、垂直プロファイルの側壁を持つように形成されることを特徴とする請求項25に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  35. 前記炭素含有膜パターンの形成時、前記炭素含有膜を20〜80℃の温度下でドライエッチングすることを特徴とする請求項34に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  36. 前記炭素含有膜パターンの形成時、エッチングガスとしてOガスと、不活性ガスと、HBr、NH及びHのうち選択される少なくとも一つの追加ガスとを使用して、前記炭素含有膜をドライエッチングすることを特徴とする請求項34に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  37. 前記炭素含有膜パターンの形成工程では、前記炭素含有膜を等方性ドライエッチングして、前記第1ホールよりさらに大きい外径サイズを持つ前記第2ホールを形成することを特徴とする請求項25に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  38. 前記炭素含有膜パターンの形成工程では、エッチングガスとしてOガスと不活性ガスとを使用して、前記炭素含有膜をドライエッチングすることを特徴とする請求項37に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  39. 前記炭素含有膜の高さは、前記下部電極の高さの1/5以上であることを特徴とする請求項25に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  40. 前記下部電極を形成する工程は、
    前記炭素含有膜パターンの側壁と前記絶縁膜パターンの側壁及び上面に導電層を形成する工程と、
    前記第1ホール及び第2ホール内で前記導電層を覆う犠牲膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜パターンの上面が露出されるまで、前記絶縁膜パターンの上に形成されている前記犠牲膜及び導電層を除去する工程と、
    前記犠牲膜を完全に除去する工程と、を含むことを特徴とする請求項25に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  41. 前記犠牲膜は、フォトレジスト材料からなることを特徴とする請求項40に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  42. 前記犠牲膜及び導電層を除去する工程は、CMP工程またはエッチバック工程によって行うことを特徴とする請求項40に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  43. 前記犠牲膜を完全に除去するために、アッシング及びストリッピング工程を行うことを特徴とする請求項40に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  44. 半導体基板上に炭素含有膜を形成する工程と、
    前記炭素含有膜上に前記炭素含有膜の上面を一部露出させる絶縁膜パターンを形成する工程と、
    前記炭素含有膜の露出された部分をドライエッチングして、ストレージノードホールを限定する炭素含有膜パターンを形成する工程と、
    前記ストレージノードホール内に下部電極を形成する工程と、
    前記ストレージノードホール内に前記下部電極を覆う誘電膜を形成する工程と、
    前記ストレージノードホール内に前記誘電膜を覆う上部電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体メモリ素子の製造方法。
  45. 前記炭素含有膜は、非晶質炭素、DLS、黒鉛、脂肪族または芳香族炭化水素化合物、有機高分子化合物、SiLKTM、SiCOH複合材料、またはa−SiC:Hからなることを特徴とする請求項44に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  46. 前記炭素含有膜は、PECVDまたはスピンコーティング方法によって形成されることを特徴とする請求項44に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  47. 前記絶縁膜パターンは、PE−TEOS、USG、BPSG、PSG、またはポリシラザンからなることを特徴とする請求項44に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  48. 前記絶縁膜パターンを形成する工程は、
    前記炭素含有膜上に絶縁膜を形成する工程と、
    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、前記絶縁膜をドライエッチングする工程と、を含むことを特徴とする請求項44に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  49. 前記絶縁膜は、PECVDまたはスピンコーティング方法によって形成されることを特徴とする請求項48に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  50. 前記絶縁膜は、450℃以下の温度下で形成されることを特徴とする請求項48に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  51. 前記炭素含有膜パターンを形成するために、前記炭素含有膜をドライエッチングする間、前記ストレージノードホールの形成と同時に、前記フォトレジストパターンが除去されることを特徴とする請求項48に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  52. 前記炭素含有膜パターンは、垂直プロファイルの側壁を持つように形成されることを特徴とする請求項44に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  53. 前記炭素含有膜パターンの形成時、前記炭素含有膜を20〜80℃の温度下でドライエッチングすることを特徴とする請求項52に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  54. 前記炭素含有膜パターンの形成時、エッチングガスとしてOガスと、不活性ガスと、HBr、NH及びHのうち選択される少なくとも一つの追加ガスとを使用して、前記炭素含有膜をドライエッチングすることを特徴とする請求項52に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  55. 前記炭素含有膜パターンの形成工程では、前記炭素含有膜を等方性ドライエッチングして、前記第1ホールよりさらに大きい外径サイズを持つ前記第2ホールを形成することを特徴とする請求項44に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  56. 前記炭素含有膜パターンの形成工程では、エッチングガスとしてOガスと不活性ガスとを使用して、前記炭素含有膜をドライエッチングすることを特徴とする請求項55に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  57. 前記炭素含有膜の高さは、前記下部電極の高さの1/5以上であることを特徴とする請求項44に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  58. 前記下部電極を形成する工程は、
    前記炭素含有膜パターンの側壁と前記絶縁膜パターンの側壁及び上面に導電層を形成する工程と、
    前記ストレージノードホール内で前記導電層を覆う犠牲膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜パターンの上面が露出されるまで、前記絶縁膜パターンの上に形成されている前記犠牲膜及び導電層を除去する工程と、
    前記犠牲膜を完全に除去する工程と、を含むことを特徴とする請求項44に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  59. 前記犠牲膜は、USG、SiO、ポリシラザン、またはフォトレジスト材料からなることを特徴とする請求項58に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  60. 前記犠牲膜及び導電層を除去する工程は、CMP工程またはエッチバック工程によって行うことを特徴とする請求項58に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  61. 前記犠牲膜を完全に除去するために、ウェットエッチングを行うことを特徴とする請求項58に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  62. 前記犠牲膜を完全に除去するために、アッシング及びストリッピング工程を行うことを特徴とする請求項58に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  63. 前記絶縁膜パターンを、前記犠牲膜と同時に除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項58に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  64. 前記炭素含有膜パターンを、前記犠牲膜と同時に除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項58に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
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