JP2006060056A - Method for manufacturing semiconductor memory device and the semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トランジスタのソースまたはドレインを構成する一方の不純物領域に、上層のキャパシタの下部電極が接続されている構造を有するDRAM(半導体記憶装置)の製造方法と、当該半導体記憶装置とに関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a DRAM (semiconductor memory device) having a structure in which a lower electrode of an upper capacitor is connected to one impurity region constituting a source or drain of a transistor, and the semiconductor memory device It is.
図6に、いわゆるスタック形キャパシタを備えるDRAMの断面構造例を示す(特許文献1参照)。なお、図6は2つのDRAMセルを示している。
半導体基板100に素子分離絶縁層101が形成されている。素子分離絶縁層101間の半導体表面部がDRAMセルトランジスタの活性領域となる。
この活性領域に、ドレイン領域(D)102と、ドレイン領域(D)の一方向両側にそれぞれ一定距離をおいてソース領域(S)103が形成されている。ドレイン領域(D)102とソース領域(S)103との間の活性領域がセルトランジスタのチャネル形成領域である。
FIG. 6 shows an example of a cross-sectional structure of a DRAM having a so-called stacked capacitor (see Patent Document 1). FIG. 6 shows two DRAM cells.
An element
In this active region, the drain region (D) 102 and the source region (S) 103 are formed at a certain distance on both sides in one direction of the drain region (D). An active region between the drain region (D) 102 and the source region (S) 103 is a channel formation region of the cell transistor.
各チャネル形成領域上に、ゲート絶縁膜104とゲート電極105のゲート積層体が形成されている。ゲート積層体上に第1絶縁膜106と第2絶縁膜107が堆積され、当該第1および第2絶縁膜106と107に、ドレイン領域(D)102を開口するビットコンタクト、ならびに、ソース領域(S)103を開口するストレージノードのコンタクトが開口し、これらのビットコンタクトおよびストレージノードのコンタクトにコンタクトプラグ108が埋め込まれている。ビットコンタクト内のコンタクトプラグ108は、断面箇所と異なる第2の絶縁膜107上位置に設けられ破線によって示すビット線BLに接続されている。第2の絶縁膜107上およびビット線BL上に第3の絶縁膜109が堆積され、さらに、その上に第4の絶縁膜110が堆積されている。
A gate stacked body of the
第4の絶縁膜110にキャパシタ溝が形成され、このキャパシタ溝にMIM構造のスタック形のキャパシタ111が形成されている。キャパシタ111は、下部電極111A、高誘電体膜111Bおよび上部電極111Cから構成されている。
キャパシタの下部電極111Aは、ストレージノードプラグ112により、その直下のコンタクトプラグ108Aに接続され、これによってキャパシタ111とソース領域(S)103との接続が達成されている。
A capacitor groove is formed in the fourth
The
このようなDRAMセルの製造では、まず、半導体基板100にトレンチ構造の素子分離絶縁層101、セルトランジスタのゲート絶縁膜104、ゲート電極(ワード線の一部)105、ならびに、ドレイン領域(D)102およびソース領域(S)103を従来のMOSトランジスタの形成技術を用いて形成する。
つぎに、第1の絶縁膜106を堆積し、たとえばPまたはAsがドープされた多結晶シリコンを用いたコンタクトプラグ108を形成し、第2の絶縁膜107およびビット線BLを形成する。
第3の絶縁膜109を堆積し、たとえば窒化チタンTiNからなるストレージノードプラグ112を形成する。
In the manufacture of such a DRAM cell, first, an element
Next, a first
A third
つぎに、第4の絶縁膜110を堆積し、それに溝を形成し、ルテニウムRu元素を含む溶液の塗布・乾燥、ルテニウムを含む原料によるCVDにより下部電極111Aを形成する。
その後、高誘電体膜111Bを形成し、下部電極111Aと同様にして上部電極111Cを形成して、当該キャパシタ111を完成させる。
Thereafter, a high
半導体メモリ(DRAM)の集積化にともない、キャパシタ容量およびデータ保持特性をどう向上させていくかが大きな課題となっている。キャパシタ容量の観点からはメモリセルシュリンクにともなうキャパシタの占有面積の縮小、データ保持特性の観点ではジャンクションリーク、サブスレッショルドリークが問題となる。 With the integration of semiconductor memories (DRAM), how to improve capacitor capacity and data retention characteristics has become a major issue. From the viewpoint of capacitor capacity, reduction of the area occupied by the capacitor due to memory cell shrinkage, and from the viewpoint of data retention characteristics, junction leakage and subthreshold leakage are problems.
従来、キャパシタ占有面積の縮小にともない、単位面積あたりの容量値を上げる様々な工夫がされている。上記特許文献1もその一環であり、高誘電体膜111Bを形成するために下部電極111Aおよび上部電極111Cの材料、その形成方法に特徴を有する。
Conventionally, various devices for increasing the capacitance value per unit area have been made with the reduction of the capacitor occupation area. The above-mentioned Patent Document 1 is also a part thereof, and is characterized by the material of the
ただし、上記特許文献1の技術ではキャパシタ111の蓄積容量が向上しても、ジャンクションリークおよびサブスレッショルドリークが大きく、データ保持特性が低下することに対する対策がなされていない。
However, in the technique of the above-mentioned Patent Document 1, even if the storage capacity of the
ジャンクションリークおよびサブスレッショルドリークを抑えるために、ストレージノード拡散層、すなわち上記特許文献1ではソース領域103のN型不純物濃度を低くし、薄層化することが有効である。なぜなら、ストレージノード拡散層(ソース領域103)を深く、かつ高濃度に形成すると周囲のP型領域との間で電界強度が大きくなってバンドの曲がりが急峻となりジャンクションリークが増大し、また、セルトランジスタをオフしているときのドレイン領域102とソース領域103との間にオフリーク(サブスレッショルドリーク)が増大するからである。
In order to suppress junction leakage and subthreshold leakage, it is effective to reduce the N-type impurity concentration in the storage node diffusion layer, that is, in the above-mentioned Patent Document 1, by reducing the N-type impurity concentration in the
ただし、ストレージノード拡散層の濃度を低くすると、当該拡散層のシート抵抗が上昇し、セルトランジスタの駆動力が劣化する。その結果、DRAMセル自体のランダムアクセススピードが低下し、高性能化の要求を十分満たせないという問題がある。 However, when the concentration of the storage node diffusion layer is lowered, the sheet resistance of the diffusion layer increases, and the driving capability of the cell transistor deteriorates. As a result, there is a problem that the random access speed of the DRAM cell itself is lowered and the demand for high performance cannot be sufficiently satisfied.
このような低濃度、薄層のストレージノード拡散層(ソース領域103)のリーク低減のためには水素を供給して、結晶欠陥による未結合手(ダングリングボンド)を水素で終端させ、表面準位を減らすことが有効であることが知られている。 In order to reduce the leakage of such a low concentration, thin storage node diffusion layer (source region 103), hydrogen is supplied, and dangling bonds (dangling bonds) due to crystal defects are terminated with hydrogen. It is known that reducing the position is effective.
本発明が解決しようとする課題は、水素供給が容易かつ効率的な構造を有する半導体記憶装置と、その製造方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor memory device having a structure in which hydrogen supply is easy and efficient, and a manufacturing method thereof.
本発明に係る半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板に形成されているトランジスタの一方の不純物領域に対し、コンタクトホールを介して下部電極が接続するキャパシタを形成する工程を含む半導体記憶装置の製造方法であって、前記トランジスタ上に層間絶縁膜を形成し、当該層間絶縁膜に前記不純物領域を開口するコンタクトホールを形成するコンタクト開口ステップと、前記コンタクトホールの側面および底面を覆う水素含有絶縁膜を形成し、水素雰囲気中で熱処理を行って前記水素含有絶縁膜に接触する前記不純物領域に水素を供給する水素供給ステップと、前記水素含有絶縁膜をエッチングし、前記コンタクトホールの側面に水素含有絶縁膜の一部を前記不純物領域に接するように残存させるエッチングステップと、前記コンタクトホールを導電材料で埋め込んでプラグを形成し、当該プラグ上に下部電極が接続するように前記キャパシタを形成するキャパシタ形成ステップとを含む。 A method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention includes a step of forming a capacitor in which a lower electrode is connected through a contact hole to one impurity region of a transistor formed on a semiconductor substrate. A contact opening step of forming an interlayer insulating film on the transistor, forming a contact hole in the interlayer insulating film to open the impurity region, and a hydrogen-containing insulating film covering a side surface and a bottom surface of the contact hole A hydrogen supply step for supplying hydrogen to the impurity region in contact with the hydrogen-containing insulating film by performing a heat treatment in a hydrogen atmosphere; etching the hydrogen-containing insulating film; and hydrogen-containing side surfaces of the contact holes An etching step for leaving a part of the insulating film in contact with the impurity region; Forming a plug by filling the Kutohoru a conductive material, and a capacitor formation step of the lower electrode on the plug to form the capacitor to connect.
このような製造方法によれば、水素含有絶縁膜が水素供給源となって前記一方の不純物領域に水素が供給される。
より詳細には、水素含有絶縁膜をコンタクトホールの底面および側面に形成した後の熱処理で水素含有絶縁膜内の水素が不純物領域に供給され、また熱処理時の雰囲気中の水素が水素含有絶縁膜を介して不純物領域に供給される。さらに、水素含有絶縁膜をエッチングしてコンタクトホールの側面に残した後でも、その残存したサイドウォール形状の水素含有絶縁膜は不純物と接していることから、その後の熱処理においても、当該サイドウォール形状の水素含有絶縁膜から水素が不純物領域に供給される。
According to such a manufacturing method, hydrogen is supplied to the one impurity region using the hydrogen-containing insulating film as a hydrogen supply source.
More specifically, hydrogen in the hydrogen-containing insulating film is supplied to the impurity region in the heat treatment after the hydrogen-containing insulating film is formed on the bottom and side surfaces of the contact hole, and hydrogen in the atmosphere at the time of the heat treatment is hydrogen-containing insulating film To be supplied to the impurity region. Further, even after the hydrogen-containing insulating film is etched and left on the side surface of the contact hole, the remaining sidewall-shaped hydrogen-containing insulating film is in contact with impurities, so that the shape of the sidewall is not changed in the subsequent heat treatment. Hydrogen is supplied from the hydrogen-containing insulating film to the impurity region.
この製造方法では、好ましくは、前記層間絶縁膜を、水素含有絶縁膜を含む複数の絶縁膜を積層させることによって形成する。このようにすることによって、その後の熱処理時に、この層間絶縁膜内の水素含有絶縁膜から、これに接触したサイドウォール形状の水素含有絶縁膜を通して、あるいは、層間絶縁膜内の他の絶縁膜を透過して、水素がトランジスタの不純物領域に供給される。 In this manufacturing method, the interlayer insulating film is preferably formed by laminating a plurality of insulating films including a hydrogen-containing insulating film. By doing so, during the subsequent heat treatment, the hydrogen-containing insulating film in the interlayer insulating film is passed through the sidewall-shaped hydrogen-containing insulating film in contact therewith, or another insulating film in the interlayer insulating film. Through the hydrogen, hydrogen is supplied to the impurity region of the transistor.
この製造方法では、好ましくは、前記キャパシタ形成ステップが、さらに、一方が水素含有絶縁膜からなりエッチングレートが異なる2種類の絶縁膜を交互に成膜する多層絶縁膜の形成ステップと、前記多層絶縁膜に前記プラグの上部を開口するキャパシタ溝を形成する溝形成ステップと、前記キャパシタ溝内の側面で前記多層絶縁膜の一方を後退させるためのエッチングステップと、側面に凹凸が形成された前記キャパシタ溝に下部電極を形成し、当該下部電極上に、キャパシタ誘電体膜と上部電極とを順次形成する電極形成ステップとを含む。
この場合も、多層絶縁膜に水素含有絶縁膜を含むことから、その後の熱処理時に、この層間絶縁膜内の水素含有絶縁膜から、コンタクトを介してあるいは層間絶縁膜を透過して水素がトランジスタの不純物領域に供給される。
In this manufacturing method, preferably, the capacitor forming step further includes a multilayer insulating film forming step in which two types of insulating films, one of which is a hydrogen-containing insulating film and having different etching rates, and the multilayer insulating film are formed. A groove forming step for forming a capacitor groove that opens the upper portion of the plug in the film; an etching step for retracting one of the multilayer insulating films at a side surface in the capacitor groove; and the capacitor having irregularities formed on the side surface An electrode forming step of forming a lower electrode in the groove and sequentially forming a capacitor dielectric film and an upper electrode on the lower electrode;
Also in this case, since the hydrogen-containing insulating film is included in the multilayer insulating film, during the subsequent heat treatment, hydrogen is transmitted from the hydrogen-containing insulating film in the interlayer insulating film through the contact or through the interlayer insulating film. Supplied to the impurity region.
以上の様々な箇所に形成されている水素含有絶縁膜は、シラン(SiH4)ガスを用いたプラズマCVD法により形成することが望ましい。 The hydrogen-containing insulating films formed at the various locations described above are preferably formed by a plasma CVD method using silane (SiH 4 ) gas.
本発明に係る半導体記憶装置は、半導体基板に形成されているトランジスタと、当該トランジスタ上の層間絶縁膜と、トランジスタの一方の不純物領域に対し前記層間絶縁膜に形成されているコンタクトホールを介して下部電極が接続するキャパシタとを有する半導体記憶装置であって、前記層間絶縁膜のコンタクトホールの内壁に、下端が前記トランジスタの一方の不純物領域に接する水素含有絶縁膜が形成され、当該水素含有絶縁膜に周囲を囲まれた当該コンタクトホール内部に前記一方の不純物領域と層間絶縁膜上の前記キャパシタの下部電極を接続する導電性プラグが形成されている。
好ましくは、前記層間絶縁膜が、水素含有絶縁膜を含む複数の絶縁膜から構成されている。
好ましくは、一方が水素含有絶縁膜からなりエッチングレートが異なる2種類の絶縁膜が交互に積層されている多層絶縁膜が前記層間絶縁膜上に形成され、前記キャパシタが、前記多層絶縁膜の溝内に形成され前記一方の不純物領域と前記コンタクトを介して接続されている下部電極と、下部電極上のキャパシタ誘電体膜と、キャパシタ誘電体膜上の上部電極とを備える。
A semiconductor memory device according to the present invention includes a transistor formed on a semiconductor substrate, an interlayer insulating film on the transistor, and a contact hole formed in the interlayer insulating film with respect to one impurity region of the transistor. A semiconductor memory device having a capacitor connected to a lower electrode, wherein a hydrogen-containing insulating film having a lower end in contact with one impurity region of the transistor is formed on an inner wall of a contact hole of the interlayer insulating film, A conductive plug that connects the one impurity region and the lower electrode of the capacitor on the interlayer insulating film is formed in the contact hole surrounded by the film.
Preferably, the interlayer insulating film is composed of a plurality of insulating films including a hydrogen-containing insulating film.
Preferably, a multilayer insulating film in which two types of insulating films, one of which is a hydrogen-containing insulating film and having different etching rates, are alternately stacked is formed on the interlayer insulating film, and the capacitor is a groove of the multilayer insulating film. A lower electrode connected to the one impurity region via the contact; a capacitor dielectric film on the lower electrode; and an upper electrode on the capacitor dielectric film.
本発明によれば、水素供給が容易かつ効率的な構造を有する半導体記憶装置と、その製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor memory device having a structure in which hydrogen supply is easy and efficient, and a manufacturing method thereof.
本実施の形態に係る半導体記憶装置(DRAM)は、半導体基板に形成されているトランジスタと、その上方の積層膜構造に形成されている、いわゆるスタック形のキャパシタとを備える。このDRAMでは、ストレージノードのコンタクト内に、いわゆるサイドウォール形状の水素含有絶縁膜を備え、さらに望ましくは、そのストレージノードコンタクトが形成される層間絶縁膜、その上層のキャパシタが形成される絶縁膜にも水素含有絶縁膜を含む。以下、この最も望ましい実施の形態を、図面を参照して詳述する。なお、ここで水素含有絶縁膜としては、いわゆるプラズマCVDにより形成した窒化シリコン(SiN)を例示する。 The semiconductor memory device (DRAM) according to the present embodiment includes a transistor formed on a semiconductor substrate and a so-called stack type capacitor formed in a laminated film structure thereabove. In this DRAM, a so-called sidewall-shaped hydrogen-containing insulating film is provided in the contact of the storage node, and more preferably, an interlayer insulating film in which the storage node contact is formed, and an insulating film in which an upper capacitor is formed. Also includes a hydrogen-containing insulating film. Hereinafter, this most preferred embodiment will be described in detail with reference to the drawings. Here, as the hydrogen-containing insulating film, silicon nitride (SiN) formed by so-called plasma CVD is exemplified.
図1に、本実施の形態に係るDRAMの断面構造を示す。
図解したDRAMセル1は、ソースとドレインの一方がビット線(図示省略)に接続されているセルトランジスタTRと、セルトランジスタTRのソースとドレインの他方に下部電極(ストレージノード電極)が接続されているキャパシタCAPとを備える。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a DRAM according to the present embodiment.
The illustrated DRAM cell 1 has a cell transistor TR in which one of a source and a drain is connected to a bit line (not shown), and a lower electrode (storage node electrode) connected to the other of the source and the drain of the cell transistor TR. A capacitor CAP.
セルトランジスタTRは、半導体基板、たとえばシリコンウエハに形成されているP型ウェル(Pウェル)2に形成されているソース領域3と、不図示のビット線に電気的に接続されているドレイン領域4とを有する。このソース領域3が本発明における「一方の不純物領域」の一実施態様を構成する。ソース領域3とドレイン領域4との間のPウェル2の表面部分が、当該セルトランジスタTRのチャネルが形成されるチャネル形成領域となる。
The cell transistor TR includes a
チャネル形成領域上に、たとえば数nm〜十数nm程度の薄い酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜5と、たとえばN型の多結晶シリコンからなるゲート電極6とが積層されている。ゲート電極6は、図1の断面と直交する方向に長い配線として形成することによりワード線を構成できる。このゲート絶縁膜5とゲート電極6からなる積層体(以下、ゲート積層体という)の配線幅方向の両側に、たとえば酸化シリコンからなるサイドウォールスペーサ層7が形成されている。ソース領域3とドレイン領域4は、このサイドウォールスペーサ層7の直下に端部が重なって位置している。
On the channel formation region, a
ソース領域3とドレイン領域4は、たとえば10〜20nm程度の浅い接合深さを有し、リンや砒素などのN型不純物濃度も通常のMOSトランジスタにおけるソース領域やドレイン領域より低く形成されている。この低濃度薄層であることと上記サイドウォールスペーサ層7に対する位置関係を考慮すると、これらソース領域3とドレイン領域4を、通常のMOSトランジスタにおける、いわゆるエクステンション領域と同じイオン注入条件で形成可能である。したがって、当該DRAMがロジック回路を混載するような場合においては、ロジックトランジスタのプロセスで、高濃度なソース領域やドレイン領域を当該DRAMセル領域に形成されないようにすることによって、当該DRAMセルトランジスタTRをロジックトランジスタと同時に形成できる。
The
DRAMセルトランジスタTRは、厚い酸化膜系の絶縁膜8A、第2のプラズマ窒化膜からなるエッチングストッパ膜8B、薄い酸化膜系の絶縁膜8Cからなる層間絶縁膜8に覆われている。
この中間のエッチングストッパ膜8Bは、水素含有絶縁膜としての第2のプラズマ窒化膜、すなわちシラン(SiH4)ガスを用いたプラズマCVD法により形成された窒化シリコン膜から構成される。窒化シリコン膜は、その上の薄い酸化膜系の絶縁膜8Cのエッチング時にエッチングストッパとして機能することから、以後、エッチングストッパ膜と称する。
The DRAM cell transistor TR is covered with a thick
The intermediate
層間絶縁膜8に、ソース領域3の一部を開口するストレージノードのコンタクトホール8Dが形成されている。このコンタクトホール8D内の側面に、水素含有絶縁膜としての第1のプラズマ窒化膜9、すなわちシラン(SiH4)ガスを用いたプラズマCVD法により形成された窒化シリコン膜が形成されている。このサイドウォール形状の第1のプラズマ窒化膜9は、その下端がソース領域3と接しており、水素の供給源として機能する。
サイドウォール形状の第1のプラズマ窒化膜9に周囲を囲まれたコンタクトホール8Dの内部空間に、たとえば導電性多結晶シリコンからなるプラグ10が埋め込まれている。
A
A
層間絶縁膜8上に、水素含有絶縁膜としての第3のプラズマ窒化膜11Aと、酸化膜系の絶縁膜11Bとを交互に複数回積層することによって、多層絶縁膜11が形成されている。
多層絶縁膜11には、キャパシタ溝が形成されている。キャパシタ溝は、層間絶縁膜8の最上層の薄い酸化膜系の絶縁膜8Cにも形成されている。
キャパシタ溝内の側面部において、この薄い酸化膜系の絶縁膜8Cおよび多層絶縁膜を構成する酸化膜系の絶縁膜11Bが、キャパシタ溝の幅方向外側に後退しており、その結果、当該キャパシタ溝の側面部に凹凸が形成されている。
A multilayer insulating
A capacitor groove is formed in the
On the side surface in the capacitor trench, the thin
このような内面形状(凹凸形状)のキャパシタ溝内に、導電材料からなるキャパシタCAPの下部電極(ストレージノード電極)12Aが形成されている。下部電極12Aは比較的薄い導電層からなることから、キャパシタ溝の内面形状(凹凸形状)を反映して、その表面が波打ったように形成されている。
この波打った部分を含む下部電極12Aの表面に、キャパシタ誘電体膜12Bが薄く形成され、さらにキャパシタ溝より一回り大きな幅の上部電極(プレート電極)12Cがキャパシタ誘電体膜12B表面に形成されている。
プレート電極12Cは、図1の断面とたとえば直交する方向に長い配線として形成されている。プレート電極12C上に表面が平坦な酸化膜系の保護膜13が形成されている。
A lower electrode (storage node electrode) 12A of the capacitor CAP made of a conductive material is formed in the capacitor groove having such an inner surface shape (uneven shape). Since the
A capacitor dielectric film 12B is thinly formed on the surface of the
The plate electrode 12C is formed as a long wiring in a direction orthogonal to the cross section of FIG. An oxide
とくに図示していないが、このような構造のDRAMセルが平面パターン上でマトリクス状に配置され、これによりDRAMセルアレイが形成されている。
上部電極12Cからなるプレート電極線、ワード線およびビット線がDRAMメモリセルアレイの外部に形成されている周辺回路によって、所定の電圧が印加可能になっている。また、ビット線の電位を増幅して読み出す読み出し回路も、当該周辺回路内に形成されている。
Although not particularly illustrated, the DRAM cells having such a structure are arranged in a matrix on a planar pattern, thereby forming a DRAM cell array.
A predetermined voltage can be applied by a peripheral circuit in which plate electrode lines, word lines, and bit lines formed of the upper electrode 12C are formed outside the DRAM memory cell array. A read circuit that amplifies and reads the potential of the bit line is also formed in the peripheral circuit.
このDRAMセル1の構造では、3つのプラズマ窒化膜、すなわちソース領域3に直接接触するサイドウォール形状の第1のプラズマ窒化膜9、当該第1のプラズマ窒化膜9を介してソース領域3に間接的に接する第2のプラズマ窒化膜(エッチングストッパ膜)8B、そして、それらの上層に何層にも重なっている第3のプラズマ窒化膜11Aを有する。繰り返しになるが、これらは何れもシラン(SiH4)ガスを用いたプラズマCVD法により形成され、水素を含むため、形成後のアニール処理時に水素供給源として機能する。つまり、図1に示す構造のDRAMセルでは、セル構造自体に水素供給源を適切かつ十分に配置しており、その結果、ソース領域3への水素供給が十分に達成できるという利点がある。
In the structure of the DRAM cell 1, three plasma nitride films, that is, a first
つぎに、図1に示すセル構造を形成するための製造方法を説明する。
図2(A)〜図5(B)に本実施の形態に係るDRAMの製造途中の断面図を示す。
Next, a manufacturing method for forming the cell structure shown in FIG. 1 will be described.
2A to 5B are cross-sectional views in the middle of manufacturing the DRAM according to this embodiment.
最初に、図2(A)に示すDRAMのセルトランジスタTRを形成する。
セルトランジスタTRの形成では、シリコンウエハからなる半導体基板の表面に、たとえばLOCOS法またはSTI法により素子分離絶縁層(不図示)を形成し、また、P型不純物のイオン注入等によりPウェル2を形成し、さらに、必要に応じてトランジスタのしきい値電圧を調整するためのイオン注入を行う。
Pウェル2の表面にゲート絶縁膜5を熱酸化法により形成した後、ゲート電極6(ワード線)となる多結晶シリコン膜をCVD法で堆積し、エッチングにより、これらをパターンニングする。なお、ゲート電極6上にポリサイドを形成して低抵抗化し、さらに、その上に保護用の絶縁層を形成することも可能である。
つぎに、ゲート電極6にサイドウォールスペーサ層7を形成した後、セルフアラインでイオン注入を行い、ソース領域3およびドレイン領域4を形成する。イオン注入に際して用いる不純物としては、リンまたは砒素を例示することができる。イオン注入条件は、いわゆるエクステンション領域の形成時の条件を用いることが可能である。
First, a DRAM cell transistor TR shown in FIG. 2A is formed.
In the formation of the cell transistor TR, an element isolation insulating layer (not shown) is formed on the surface of a semiconductor substrate made of a silicon wafer, for example, by the LOCOS method or STI method, and the
After the
Next, after the
形成したセルトランジスタTR上、その周囲のPウェル2の表面や素子分離絶縁層の上に厚い酸化膜系の絶縁膜8A、第2のプラズマ窒化膜8B、薄い酸化膜系の絶縁膜8Cを順次形成する。これにより図2(A)に示すように、複数の膜からなる層間絶縁膜8が形成される。
続いて、ソース領域3の上方で開口するレジスト(不図示)を形成し、これをマスクとして異方性エッチングにより、アスペクト比が大きなストレージノードのコンタクトホール8Dを形成する。
On the formed cell transistor TR, a thick oxide-based insulating
Subsequently, a resist (not shown) opening above the
図2(B)に示すように、コンタクトホール8D内の側面および底面を覆うカバレッジのよい条件で、第1のプラズマ窒化膜9Aを形成する。
この状態で第1回目の水素アニールを施す。水素アニールは、水素雰囲気にウエハをさらし、たとえば数十秒程度のRTA(短時間熱処理)を行う。これにより、水素(H2)がとくにソース領域3およびドレイン領域4に供給され、供給された水素がウェル界面近傍、ジャンクション近傍のダングリングボンドを終端させる。
As shown in FIG. 2B, the first plasma nitride film 9A is formed under conditions with good coverage covering the side and bottom surfaces in the
In this state, the first hydrogen annealing is performed. In the hydrogen annealing, the wafer is exposed to a hydrogen atmosphere and, for example, RTA (short-time heat treatment) for about several tens of seconds is performed. Thereby, hydrogen (H 2 ) is supplied to the
第1のプラズマ窒化膜9Aを、たとえばRIE法などの異方性エッチングにより全面エッチング(エッチバック)する。これにより、図3(A)に示すように、薄い酸化膜系の絶縁膜8C上、および、コンタクトホール8D内の底面部で第1のプラズマ窒化膜9Aが除去され、コンタクトホール8D内の側面にサイドウォール形状の第1のプラズマ窒化膜9が残存する。
The entire surface of first plasma nitride film 9A is etched (etched back) by anisotropic etching such as RIE. As a result, as shown in FIG. 3A, the first plasma nitride film 9A is removed on the thin
コンタクトホール8Dを導電性材料で埋め込んで、たとえばCMPにより表面を平坦化する。これにより図3(B)に示すように、プラグ10が形成される。また、第3のプラズマ窒化膜11Aと酸化膜系の絶縁膜11Bとを交互に多数回、ここでは第3のプラズマ窒化膜11Aを5層、酸化膜系の絶縁膜11Bを4層積層する。これにより、多層絶縁膜11が層間絶縁膜8上に形成される。
この状態で第2回目の水素アニールを、たとえば第1回目の水素アニールと同様に施す。ウェル界面近傍、ジャンクション近傍のダングリングボンドが存在する場合、このダングボンドを供給された水素で終端することができる。
The
In this state, the second hydrogen annealing is performed in the same manner as the first hydrogen annealing, for example. When there is a dangling bond near the well interface or junction, this dangling bond can be terminated with supplied hydrogen.
プラグ10を中心とした領域上に開口するレジスト(不図示)を形成し、これをマスクとした異方性エッチング(ドライエッチング)を行う。このエッチングでは、窒化膜のエッチング条件と酸化膜のエッチング条件を交互に切り替えるが、多層絶縁膜11の最下層の第3のプラズマ窒化膜11Aのエッチング後に、続いて酸化膜のエッチング条件に切り替えて、層間絶縁膜8の薄い酸化膜系の絶縁膜8Cもエッチングする。これにより、プラグ10の上部が露出するが、このときエッチングストッパ膜(第2のプラズマ窒化膜8B)でエッチングレートが極端に遅くなるため、そのときから多少のオーバーエッチングを行ってエッチングを停止する(図4(A)参照)。
A resist (not shown) having an opening is formed on a region around the
レジストを除去後に、等方性エッチングを行う。これにより、プラズマ窒化膜11Aと絶縁膜11Bとのエッチングレート差に起因して、図4(B)に示すように、キャパシタ溝11C内の内壁面に凹凸が形成される。
After removing the resist, isotropic etching is performed. Thereby, due to the etching rate difference between the
つぎに、キャパシタCAPの形成を行う。
最初に、図5(A)に示すように下部電極12Aとなる導電膜をカバレッジのよい方法で成膜する。これによって、この導電膜は、その表面がキャパシタ溝11C内の内壁面の凹凸部分で波打つように形成される。キャパシタ溝11CをレジストR1で埋め込む。具体的には、レジストR1をエッチバックする方法、あるいは、ポジ型のレジストR1の表面部を全面露光し、その表面部を現像液で溶かす方法によって、図5(A)に示すようにレジストR1が残存する。
Next, the capacitor CAP is formed.
First, as shown in FIG. 5A, a conductive film to be the
レジストR1によってキャパシタ溝11C内の下部電極12Aを保護した状態で、その周囲の導電膜をエッチングにより除去する。
With the resist R1 protecting the
レジストR1を除去後、キャパシタ誘電体膜12Bを薄くカバレッジのよい方法によって形成し、さらに、上部電極12Cとなる導電膜をキャパシタ誘電体膜12B上に形成する。
続いて、図5(B)に示すパターンのレジストR2を形成し、これをマスクとして上部電極12Cとなる導電膜をエッチングする。
その後、レジストを除去して保護膜13を形成すると、図1に示すDRAMセル1が完成する。
After removing the resist R1, the capacitor dielectric film 12B is thinly formed by a method with good coverage, and a conductive film to be the upper electrode 12C is formed on the capacitor dielectric film 12B.
Subsequently, a resist R2 having a pattern shown in FIG. 5B is formed, and the conductive film to be the upper electrode 12C is etched using the resist R2 as a mask.
Thereafter, when the resist is removed to form the
このような製造方法では、以下の数々の利点がある。
第1に、前述した第1〜第3のプラズマ窒化膜9,8Bおよび11Aの構造を形成途中で2度の水素アニールを行うことによってシリコンのダングリングボンドを水素で終端させ、ソース領域3およびドレイン領域4のジャンクションリークおよびサブシレッショルドリークを低減でき、その結果、DRAMセルの電荷保持特性を大幅に向上できる。
Such a manufacturing method has the following many advantages.
First, by performing hydrogen annealing twice during the formation of the structures of the first to third
より詳細に、キャパシタに導通させるためのコンタクトホール8Dの側壁に第1のプラズマ窒化膜9を形成する際に、コンタクトホール内壁および底面に第1のプラズマ窒化膜9を形成した直後(エッチバック前)に、第1回目の水素アニールを行っている。つまり、コンタクトホール8Dの底(ソース領域3の直上)に第1のプラズマ窒化膜9が残っている状態で水素アニールを行うことにより、必要な場所に均一な水素供給が達成でき、これによってジャンクションリーク等の低減効果が高まる。DRAMのデータ保持特性劣化については、キャパシタリークよりもジャンクションリークのほうが支配的であるため、ジャンクションリークの低減は重要である。
また、多層絶縁膜11を形成後に2回目の水素アニールを行っている。これは、エッチングして凹凸を形成後に水素アニールをした場合はプラズマ窒化膜の絶対量が少ないため、このエッチング前に水素アニールを施すことによってリーク低減効果を完全なものとしている。
More specifically, when the first
Further, the second hydrogen annealing is performed after the multilayer insulating
第2に、キャパシタCAPは凹型構造とし、キャパシタ溝11Cの側壁部に凹凸を形成することによりキャパシタCAPの表面積を増大させている。この凹凸を形成する手段として第3のプラズマ窒化膜11Aおよび絶縁膜11Bの積層膜を形成し、溝形成時に積層膜のエッチレート差を利用して凹凸を形成している。これにより均一な凹凸が必要な程度形成できるという利点がある。
Second, the capacitor CAP has a concave structure, and the surface area of the capacitor CAP is increased by forming irregularities on the side wall of the
第3に、第1のプラズマ窒化膜9が、前述した水素供給源としての役割のほかに、ストレージノードコンタクトのアスペクト比を高くするという利点がある。これにより、フォトリソグラフィの限界解像以下のホール形成も可能であり、セル面積の更なるシュリンクが可能となる。また、コンタクトホールの形成時のマスクズレが生じ、これがゲート電極6と重なった場合でも、この第1のプラズマ窒化膜9が絶縁膜として機能することから、ゲートとソースの短絡が有効に防止できるという利点もある。
Thirdly, the first
第4に、キャパシタ溝形成時のエッチストッパ膜を、第2のプラズマ窒化膜8Bで兼用させているため、キャパシタ溝の良好な形状確保とジャンクションリーク低減のための水素供給源の多様化が同時に達成できている。
Fourth, since the second
第5に、キャパシタCAPが、層間絶縁膜8に埋め込まれたプラグによりセルトランジスタTRのノードに電気的に接続されている下部電極12Aと、キャパシタ誘電体膜12Bと、上部電極12Cとが、ほぼ多層絶縁膜11内に埋め込むように形成されていることから、メモリセル部と周辺回路部の段差が低減されている。また、その一方で、前記したようにキャパシタ電極の表面積がキャパシタ溝内の側面に設けられた凹凸により実効的に増加するので、キャパシタ容量が増大している。このように、占有面積が小さくて平坦性がよいキャパシタCAPが実現されている。
Fifth, the
1…DRAMセル、2…Pウェル、3…ソース領域、4…ドレイン領域、8…層間絶縁膜、8B…第2のプラズマ窒化膜、9…第1のプラズマ窒化膜、10…プラグ、11…多層絶縁膜、11A…第3のプラズマ窒化膜、C…キャパシタ溝、12A…下部電極、12B…キャパシタ誘電体膜、12C…上部電極、TR…トランジスタ、CAP…キャパシタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... DRAM cell, 2 ... P well, 3 ... Source region, 4 ... Drain region, 8 ... Interlayer insulation film, 8B ... 2nd plasma nitride film, 9 ... 1st plasma nitride film, 10 ... Plug, 11 ... Multilayer insulating film, 11A ... third plasma nitride film, C ... capacitor groove, 12A ... lower electrode, 12B ... capacitor dielectric film, 12C ... upper electrode, TR ... transistor, CAP ... capacitor
Claims (10)
前記トランジスタ上に層間絶縁膜を形成し、当該層間絶縁膜に前記不純物領域を開口するコンタクトホールを形成するコンタクト開口ステップと、
前記コンタクトホールの側面および底面を覆う水素含有絶縁膜を形成し、水素雰囲気中で熱処理を行って前記水素含有絶縁膜に接触する前記不純物領域に水素を供給する水素供給ステップと、
前記水素含有絶縁膜をエッチングし、前記コンタクトホールの側面に水素含有絶縁膜の一部を前記不純物領域に接するように残存させるエッチングステップと、
前記コンタクトホールを導電材料で埋め込んでプラグを形成し、当該プラグ上に下部電極が接続するように前記キャパシタを形成するキャパシタ形成ステップと
を含む半導体記憶装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor memory device including a step of forming a capacitor connected to a lower electrode through a contact hole for one impurity region of a transistor formed on a semiconductor substrate,
A contact opening step of forming an interlayer insulating film on the transistor, and forming a contact hole for opening the impurity region in the interlayer insulating film;
Forming a hydrogen-containing insulating film covering the side and bottom surfaces of the contact hole, and performing a heat treatment in a hydrogen atmosphere to supply hydrogen to the impurity region in contact with the hydrogen-containing insulating film;
Etching the hydrogen-containing insulating film and leaving a part of the hydrogen-containing insulating film in contact with the impurity region on the side surface of the contact hole;
Forming a plug by filling the contact hole with a conductive material, and forming the capacitor so that a lower electrode is connected to the plug. A method of 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。 The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the interlayer insulating film is formed by stacking a plurality of insulating films including a hydrogen-containing insulating film.
一方が水素含有絶縁膜からなりエッチングレートが異なる2種類の絶縁膜を交互に成膜する多層絶縁膜の形成ステップと、
前記多層絶縁膜に前記プラグの上部を開口するキャパシタ溝を形成する溝形成ステップと、
前記キャパシタ溝内の側面で前記多層絶縁膜の一方を後退させるためのエッチングステップと、
側面に凹凸が形成された前記キャパシタ溝に下部電極を形成し、当該下部電極上に、キャパシタ誘電体膜と上部電極とを順次形成する電極形成ステップと
を含む請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。 The capacitor forming step further comprises:
A step of forming a multilayer insulating film in which two types of insulating films, one of which is a hydrogen-containing insulating film and having different etching rates, are alternately formed;
A groove forming step of forming a capacitor groove opening the upper portion of the plug in the multilayer insulating film;
An etching step for retracting one of the multilayer insulating films at a side surface in the capacitor trench;
The semiconductor memory device according to claim 1, further comprising: an electrode forming step of forming a lower electrode in the capacitor groove having unevenness on a side surface, and sequentially forming a capacitor dielectric film and an upper electrode on the lower electrode. Manufacturing method.
請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the hydrogen-containing insulating film is formed by a plasma CVD method using silane (SiH 4 ) gas.
前記溝形成ステップでは、当該層間絶縁膜内の水素含有絶縁膜より上層の絶縁膜を、水素含有絶縁膜がストッパとなる条件によってエッチングする
請求項3に記載の半導体記憶装置の製造方法。 The interlayer insulating film is formed by laminating a plurality of insulating films including a hydrogen-containing insulating film formed by a plasma CVD method using silane (SiH 4 ) gas,
4. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 3, wherein, in the groove forming step, an insulating film above the hydrogen-containing insulating film in the interlayer insulating film is etched under a condition that the hydrogen-containing insulating film serves as a stopper.
請求項3に記載の半導体記憶装置の製造方法。 4. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 3, wherein in the step of forming the multilayer insulating film, the hydrogen-containing insulating film constituting the multilayer insulating film is formed by a plasma CVD method using silane (SiH 4 ) gas.
請求項3に記載の半導体記憶装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 3, further comprising a heat treatment step of performing a heat treatment in a hydrogen atmosphere after the step of forming the multilayer insulating film.
前記層間絶縁膜のコンタクトホールの内壁に、下端が前記トランジスタの一方の不純物領域に接する水素含有絶縁膜が形成され、当該水素含有絶縁膜に周囲を囲まれた当該コンタクトホール内部に前記一方の不純物領域と層間絶縁膜上の前記キャパシタの下部電極を接続する導電性プラグが形成されている
半導体記憶装置。 A transistor formed on a semiconductor substrate; an interlayer insulating film on the transistor; and a capacitor having a lower electrode connected to one impurity region of the transistor through a contact hole formed in the interlayer insulating film. A semiconductor memory device,
A hydrogen-containing insulating film whose lower end is in contact with one impurity region of the transistor is formed on the inner wall of the contact hole of the interlayer insulating film, and the one impurity is inside the contact hole surrounded by the hydrogen-containing insulating film. A semiconductor memory device in which a conductive plug connecting the region and the lower electrode of the capacitor on the interlayer insulating film is formed.
請求項8に記載の半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 8, wherein the interlayer insulating film includes a plurality of insulating films including a hydrogen-containing insulating film.
前記キャパシタが、
前記多層絶縁膜の溝内に形成され前記一方の不純物領域と前記コンタクトを介して接続されている下部電極と、
下部電極上のキャパシタ誘電体膜と、
キャパシタ誘電体膜上の上部電極と
を備える請求項8に記載の半導体記憶装置。
A multilayer insulating film in which two types of insulating films made of a hydrogen-containing insulating film and having different etching rates are alternately stacked is formed on the interlayer insulating film,
The capacitor is
A lower electrode formed in the trench of the multilayer insulating film and connected to the one impurity region via the contact;
A capacitor dielectric film on the lower electrode;
The semiconductor memory device according to claim 8, further comprising: an upper electrode on the capacitor dielectric film.
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