JP2006173429A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 特性の良好なトレンチゲート型トランジスタを有する半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 P型シリコン基板101上にシリコン窒化膜103を形成し、シリコン窒化膜103に所定のパターンの開口を形成し、シリコン窒化膜108をマスクとして用いて半導体基板101にゲートトレンチ104を形成した後、ゲートトレンチ104の内部および開口内にポリシリコン膜106を埋め込むことにより、ゲート電極を自己整合的に形成する。さらに、シリコン窒化膜103の全面にコバルトなどの高融点金属107をスパッタ法により堆積させた後、アニール処理を行い、さらに余剰金属を除去することにより、ポリシリコン膜106の表面にこれらの金属のシリサイド108を形成する。
【選択図】 図7

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、トレンチゲート型のMOSトランジスタを有する半導体装置の製造方法に関するものである。
近年、DRAM(Dynamic Random Access Memory)セルの微細化に伴い、セルアレイのアクセストランジスタ(以下、セルトランジスタという)のゲート長も短くせざるを得なくなってきている。しかしながら、ゲート長が短くなればなるほどトランジスタの短チャネル効果が顕著になり、サブスレッショルド電流の増大によりトランジスタの閾値電圧(Vth)が低下するという問題がある。また、Vthの低下を抑制すべく基板濃度を増大させた場合には接合リークが増大するため、DRAMにおいてはリフレッシュ特性の悪化が深刻な問題となる。
この問題を回避するため、シリコン基板上に形成した溝にゲート電極を埋め込む、いわゆるトレンチゲート型トランジスタ(リセスチャネルトランジスタともいう)が注目されている(特許文献1乃至3参照)。トレンチゲート型トランジスタによれば、有効チャネル長(ゲート長)を物理的かつ十分に確保することができ、F値が90nm以下の微細なDRAMも実現可能である。
従来のトレンチゲート型のセルランジスタを有するDRAMの製造方法は以下に示す通りである。まず、図16に示すように、P型シリコン基板201上にSTI(Shallow Trench Isolation)等の素子分離領域202を形成した後、P型シリコン基板201上に保護絶縁膜203を形成し、これをパターニングした後、保護絶縁膜203をマスクとして用いてP型シリコン基板201をドライエッチングすることにより、図17に示すように、ゲート電極を形成すべき所定の領域に溝(ゲートトレンチ)204を形成する。
次に、図18に示すように、保護絶縁膜203を除去し、P型シリコン基板201を熱酸化することにより、ゲートトレンチ204の内部を含むシリコン基板201の全面にシリコン酸化膜を形成する。これにより、ゲートトレンチ204の内壁にはゲート絶縁膜205が形成された状態となる。その後、図19に示すように、ポリシリコン(Poly-Si)膜206およびシリサイド膜207を順次形成し、フォトレジストをマスクとして用いてゲート電極となる部分以外のポリシリコン膜206およびシリサイド膜207をパターニングすることにより、図20に示すように、トレンチゲート電極209が完成する。その後、図21に示すように、ゲート電極209の両側にリン(P)をイオン注入して、トランジスタのソース/ドレイン領域となるN型拡散層210を形成することにより、トレンチゲート型のセルトランジスタが完成する。さらに、図示しないが、一般的な方法を用いて各種配線やセルキャパシタを積層することによりDRAMが完成する。
特開平9−232535号公報 特開2002−261256号公報 特開2003−78033号公報
しかしながら、上述した従来の製造方法においては次のような問題がある。図22に示すように、ゲートトレンチ204に対してフォトレジストによるマスクパターン211の位置ずれが生じた場合、図23に示すように、ゲート電極209の側面とゲートトレンチ204の内壁との間の隙間であるスリット領域212及びN型拡散層210とゲートトレンチ204と間の間隔であるオフセット領域213が形成されてしまう。スリット領域212は接合リークの増大をもたらし、オフセット領域213はソース/ドレイン間の電気的特性に悪影響を与えることから、これらが形成された場合にはセルトランジスタの特性が悪化するという問題がある。
本発明は上記の問題を解決すべくなされたものであって、本発明の目的は、特性の良好なトレンチゲート型トランジスタを有する半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明の上記目的は、半導体基板上に保護絶縁膜を形成する第1の工程と、前記保護絶縁膜に所定のパターンの開口を形成する第2の工程と、前記保護絶縁膜をマスクとして用いて前記半導体基板にゲートトレンチを形成する第3の工程と、前記ゲートトレンチの内部および前記開口内に電極材料を埋め込む第4の工程と、前記保護絶縁膜を除去する第5の工程とを有する半導体装置の製造方法によって達成される。
本発明によれば、ゲートトレンチを形成する際のマスクとして用いる保護絶縁膜を、ゲート電極を形成する際のマスクとしてそのまま用いて、ゲート電極をゲートトレンチに対して自己整合的(セルフアライン)に形成するので、ゲート電極の位置にずれが生じることがなく、そのためスリット領域やオフセット領域が形成されるようなことがない。したがって、特性の良好なトレンチゲート型トランジスタを有する半導体装置を製造することができる。
本発明において、前記第4の工程は、前記保護絶縁膜上及び前記ゲートトレンチの内部に前記電極材料を堆積させる電極材料成膜工程と、前記保護絶縁膜上の前記電極材料の不要部分を除去する工程とを含むことが好ましい。また、前記電極材料成膜工程は、前記ゲートトレンチの内部をポリシリコン膜で完全に埋める工程と、前記半導体基板上の全面に高融点金属膜を形成した後、熱処理することにより前記ポリシリコン膜の表面をシリサイド化する工程とを含むことが好ましい。これによれば、トレンチゲート電極の低抵抗化を図ることができる。
また、本発明において、前記電極材料成膜工程は、前記ゲートトレンチの内部に前記ポリシリコン膜による凹部を形成する工程と、前記ポリシリコン膜による凹部内にシリサイド膜を形成する工程とを含むことが好ましい。これによれば、トレンチゲート電極のさらなる低抵抗化を図ることができる。
また、本発明において、前記電極材料成膜工程は、前記ゲートトレンチの内部に前記ポリシリコン膜による凹部を形成する工程と、前記ポリシリコン膜による凹部内に高融点金属膜を形成する工程とを含むことが好ましい。これによっても、トレンチゲート電極のさらなる低抵抗化を図ることができる。
本発明においては、前記保護絶縁膜がシリコン窒化膜であるが好ましい。これによれば、保護絶縁膜上に形成されたゲート電極材料を除去する際にCMPを用いることができ、CMPにて研磨する際のストッパとして保護絶縁膜を利用することができる。
本発明においては、前記ゲート電極を酸化する第6の工程をさらに有することが好ましい。これによれば、トレンチゲート電極の絶縁耐圧を十分に確保することができる。
本発明によれば、ゲートトレンチを形成する際のマスクパターンとして用いる保護絶縁膜を、ゲート電極を形成する際のマスクパターンとしてそのまま用いて、ゲート電極をゲートトレンチに対して自己整合的(セルフアライン)に形成するので、ゲート電極の位置にずれが生じてスリット領域やオフセット領域が形成されるようなことがなく、特性の良好なトレンチゲート型トランジスタを有する半導体装置を製造することができる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の対象をDRAMのセルトランジスタとした場合の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図1乃至図11は、本発明の第1の実施の形態に係るDRAMの製造工程を概略的に示す略断面図である。
DRAMの製造では、まず図1に示すように、P型シリコン基板101上にSTI法により深さ250〜350nm程度の素子分離領域102を形成した後、P型シリコン基板101の表面にCVD法により100〜200nm程度のシリコン窒化膜103を堆積させる。
次に、図2に示すように、シリコン窒化膜103をフォトリソグラフィー技術により選択的に除去することにより、シリコン窒化膜103に所定のパターンの開口103aを形成する。そして、このシリコン窒化膜103をマスクとして用いてP型シリコン基板101をドライエッチングすることにより、図3に示すように、チャネル領域(ゲート電極)を形成すべき所定の領域に深さ100〜200nm程度の溝(ゲートトレンチ)104を形成する。なお、後述するゲート酸化膜の膜質を均一にするため、ゲートトレンチ104の断面形状は曲率が均等な略U字状であることが好ましい。
次に、ゲートトレンチ104の内部に10−13〜10−14/cm程度のボロン(B)をイオン注入してトランジスタの閾値電圧(Vth)の調整(チャネルドープ)を行なった後、図4に示すように、ゲートトレンチ104の内壁に熱酸化により6〜8nm程度のゲート酸化膜105を形成する。なお、チャネルドープの際はゲートトレンチ104内にシリコン酸化膜を形成し、このシリコン酸化膜を介してイオン注入することが好ましく、この場合、ゲート酸化膜105の形成はシリコン酸化膜を除去した後に行われる。
次に、図5に示すように、ゲートトレンチ104の内部を含むP型シリコン基板101の全面にCVD法によりリン(P)などのN型の不純物をドープしたポリシリコン膜(リンドープドポリシリコン膜)106を堆積させる。そして、図6に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法によりシリコン窒化膜103の上面が露出するまでポリシリコン膜106を研磨して、ポリシリコン膜106をゲートトレンチ104の内部及びシリコン窒化膜103の開口103a内に残存させる。このとき、シリコン窒化膜103はCMPに対するストッパとなることから、ポリシリコン膜106の不要な部分だけを確実に除去することができ、しかも表面の十分な平坦性を確保することができる。
次に、ポリシリコン膜106の表面に選択的にシリサイド層108を形成する。このとき、ゲートトレンチ104の形成に用いたシリコン窒化膜103がマスクとしてそのまま用いられる。すなわち、図7に示すように、基板上の全面にスパッタ法によりコバルト(Co)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)といった高融点金属膜107を堆積させる。その後、アニール処理を行って高融点金属膜107とポリシリコン膜106の表面を反応させてシリサイド層108を形成し、さらに、硫酸や塩酸などを用いたウエットエッチングによってポリシリコン膜106と反応しなかった高融点金属膜107の余剰分を除去することにより、図8に示すように、ポリシリコン膜106の表面にこれらの金属のシリサイド層108を形成する。以上により、ポリシリコン膜106及びシリサイド層108からなるゲート電極109が完成する。
そして、図9に示すように、熱燐酸(HPO)を用いてシリコン窒化膜103を除去した後、熱酸化を行うことによりゲート絶縁膜105の補強を行う。これにより、P型シリコン基板101の表面、ポリシリコン膜106の露出面及びシリサイド109の表面が酸化されて、ゲート絶縁膜105の端部付近に新たなゲート絶縁膜105eが形成されるので、ゲート絶縁膜105の絶縁耐圧を高めることができる。この後は、図10に示すように、シリコン基板101上のうちゲート電極109の両側の領域に1014〜1015/cm程度のリン(P)をイオン注入して、トランジスタのソース/ドレイン領域となるN型拡散層110を形成する。以上により、本実施の形態のトレンチゲート型トランジスタが完成する。
その後、DRAMの製造では、一般的な方法を用いて各種配線やセルキャパシタを積層する。すなわち、図11に示すように、セルトランジスタ上に層間絶縁膜111を形成するとともに、層間絶縁膜111を貫通するコンタクトプラグ112、ビット線113、セルキャパシタ114、Al配線115等を形成することにより、トレンチゲート型のセルトランジスタを有するDRAMが完成する。
以上説明したように、本実施の形態によれば、ゲートトレンチを形成する際のマスクとして用いる保護絶縁膜を、ゲート電極を形成する際のマスクとしてそのまま用いて、ゲート電極をゲートトレンチに対して自己整合的(セルフアライン)に形成しているので、ゲート電極の位置にずれが生じてスリット領域やオフセット領域が形成されるようなことがなく、特性の良好なトレンチゲート型トランジスタを製造することができる。したがって、これをDRAMのセルトランジスタとして用いることで、高品質かつ大容量なDRAMを製造することができる。
上述した第1の実施の形態においては、ゲートトレンチ内に完全に埋め込まれたポリシリコン膜の表面にシリサイド層が形成される場合について説明したが、ゲート電極のさらなる低抵抗化を図るために次のようにしてもよい。
図12乃至図14は、本発明の第2の実施の形態に係るDRAMの製造工程の一部を概略的に示す略断面図である。
本実施の形態において、P型シリコン基板101上にゲートトレンチ104を形成し、ゲート酸化膜105を形成するまでの一連の工程については、図1乃至図4に示した第1の実施の形態の工程と同様であるが、図12に示すように、ゲートトレンチ104内にポリシリコン膜106による凹部106Xが形成されるよう、ポリシリコン膜106を比較的薄く形成する点が第1の実施の形態と異なっている。ポリシリコン膜106を薄く形成することにより、ゲートトレンチ104の内部はポリシリコン膜106によって完全に埋まらず、ポリシリコン膜106による凹部106Xが形成された状態となる。そしてこの状態において基板上の全面にスパッタ法又はCVD法によりシリサイド膜116を堆積させる。
そして、CMP法によりシリコン窒化膜103の上面が露出するまでシリサイド膜116及びポリシリコン膜106を研磨して、図13に示すように、これらをゲートトレンチ104の内部及びシリコン窒化膜103の開口内に残存させる。このとき、シリコン窒化膜103はCMPに対するストッパとなることから、シリサイド膜116及びポリシリコン膜106の不要な部分だけを確実に除去することができ、しかも表面の十分な平坦性を確保することができる。
そして、図14に示すように、熱燐酸(HPO)を用いてシリコン窒化膜103を除去した後、熱酸化によりゲート酸化膜105の補強を行う。これにより、P型シリコン基板101の表面、ポリシリコン膜106の露出面及びシリサイド109の表面が酸化されて、ゲート絶縁膜105の端部付近に新たなゲート絶縁膜105eが形成されるので、ゲート絶縁膜105の絶縁耐圧を高めることができる。この後は、露出したシリコン基板101上のうちゲート電極109の両側に10−14〜10−15/cm程度のリン(P)をイオン注入して、トランジスタのソース/ドレイン領域となるN型拡散層110を形成する。以上により、本実施形態のトレンチゲート型トランジスタが完成する。この後の工程は第1の実施の形態と同様であるから重複する説明を省略する。
以上説明したように、本実施の形態によれば、ゲートトレンチの内部にまでシリサイド膜を形成しているので、第1の実施形態による効果に加え、トレンチゲート電極の低抵抗化を図ることができる。
上述した第2の実施の形態においては、ゲートトレンチ内に形成されたポリシリコン膜による凹部内にシリサイド膜を形成する場合について説明したが、ゲート電極のさらなる低抵抗化を図るために次のようにしてもよい。
図15は、本発明の第3の実施の形態に係るDRAMの製造工程の一部を概略的に示す略断面図である。
図15に示すように、本実施の形態においては、第2の実施の形態において図12に示したシリサイド膜116に代えて、窒化タングステン膜(WN)117及びタングステン膜(W)118を順次堆積させて、ゲートトレンチ104内にポリメタルゲート電極を形成している。その後、CMP法によりシリコン窒化膜103の上面が露出するまでタングステン膜118、窒化タングステン膜117及びポリシリコン膜106を研磨して、これらをゲートトレンチ104の内部及びシリコン窒化膜103の開口内に残存させる。
その後、シリコン窒化膜103の除去、Wet-Hydrogen雰囲気での選択酸化によるゲート酸化膜105の補強、トランジスタのソース/ドレイン領域となるN型拡散層110の形成を行うことにより、本実施形態のトレンチゲート型トランジスタが完成する。この後の工程は第1及び第2の実施の形態と同様であるから重複する説明を省略する。
以上説明したように、本実施の形態によれば、ゲートトレンチの内部にまでタングステン膜を形成しているので、第1及び第2の実施形態による効果に加え、トレンチゲート電極のさらなる低抵抗化を図ることができる。
以上、本発明の好ましいいくつかの実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上記各実施形態では、半導体装置の一例としてDRAMを示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、トレンチゲート型のトランジスタを有するあらゆる半導体装置の製造に適用することができる。ただし、トランジスタセルアレイの縮小化が可能となるという点で、本発明はDRAMにおいて顕著な効果を奏するものといえる。
また、上記各実施形態においては、P型シリコン基板の表面に保護絶縁膜としてシリコン窒化膜を直接形成しているが、P型シリコン基板の表面に10〜20nm程度のシリコン酸化膜をバッファ層として形成し、このシリコン酸化膜を介してシリコン窒化膜を形成してもよい。さらに、保護絶縁膜としてシリコン窒化膜を用いているが、シリコン酸化膜など、その他の材料を用いることも可能である。
また、上記各実施形態においては、素子分離領域をSTI法により形成する場合について説明したが、これに限定されるものはなく、LOCOS法などを用いてもよいことは言うまでもない。
また、上記各実施形態においては、ポリシリコン膜106をゲートトレンチ104の内部にのみ残存させる際に、ポリシリコン膜106をCMP法により研磨しているが、ポリシリコン膜106をエッチバックにより除去することも可能である。
また、上記各実施形態においては、ゲート電極109がポリシリコン膜106とシリサイド108層などの積層構造を有しているが、ゲート電極109が例えばポリシリコン膜106のみからなる単層構造であっても構わない。
また、上記実施形態においてはP型シリコン基板を用いたNチャネルMOSトランジスタに適用した場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、PチャネルMOSトランジスタにも適用可能である。また、必要に応じてPウェルやNウェルを形成してもよい。
図1は、本発明の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(素子分離領域及び保護絶縁膜の形成)を概略的に示す略断面図である。 図2は、本発明の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(開口の形成)を概略的に示す略断面図である。 図3は、本発明の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(ゲートトレンチの形成)を概略的に示す略断面図である。 図4は、本発明の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(ゲート酸化膜の形成)を概略的に示す略断面図である。 図5は、本発明の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(ポリシリコン膜の堆積)を概略的に示す略断面図である。 図6は、本発明の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(CMPによるポリシリコン膜の除去)を概略的に示す略断面図である。 図7は、本発明の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(高融点金属膜の形成)を概略的に示す略断面図である。 図8は、本発明の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(シリサイド層の形成)を概略的に示す略断面図である。 図9は、本発明の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(保護絶縁膜の除去)を概略的に示す略断面図である。 図10は、本発明の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(熱酸化及びN型拡散層の形成)を概略的に示す略断面図である。 図11は、本発明の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(各種配線及びセルキャパシタの形成)を概略的に示す略断面図である。 図12は、本発明の他の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(ポリシリコン膜及びシリサイド膜の堆積)を概略的に示す略断面図である。 図13は、本発明の他の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(CMPによるポリシリコン膜及びシリサイド膜の除去)を概略的に示す略断面図である。 図14は、本発明の他の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(熱酸化及びN型拡散層の形成)を概略的に示す略断面図である。 図15は、本発明の他の好ましい実施の形態に係るDRAMの製造方法の一工程(ポリシリコン膜、窒化タングステン膜及びタングステン膜の堆積)を概略的に示す略断面図である。 図16は、従来のDRAMの製造方法の一工程(素子分離領域及び保護絶縁膜の形成)を示す略断面図である。 図17は、従来のDRAMの製造方法の一工程(開口及びゲートトレンチの形成)を示す略断面図である。 図18は、従来のDRAMの製造方法の一工程(保護絶縁膜の除去及びゲート酸化膜の形成)を示す略断面図である。 図19は、従来のDRAMの製造方法の一工程(ポリシリコン膜及びシリサイド膜の堆積)を示す略断面図である。 図20は、従来のDRAMの製造方法の一工程(ポリシリコン膜及びシリサイド膜のパターニング)を示す略断面図である。 図21は、従来のDRAMの製造方法の一工程(N型拡散層の形成の形成)を示す略断面図である。 図22は、従来のDRAMの製造方法における問題点を示す略断面図である。 図23は、従来のトレンチゲート電極の構造の問題点を示す略断面図である。
符号の説明
101 P型シリコン基板
102 素子分離領域
103 シリコン窒化膜
103a シリコン窒化膜の開口
104 ゲートトレンチ
105 ゲート酸化膜
105e ゲート酸化膜の端部
106 ポリシリコン膜
106X ポリシリコン膜による凹部
107 金属
108 シリサイド層
109 ゲート電極
110 N型拡散層
111 層間絶縁膜
112 コンタクトプラグ
113 ビット線
114 セルキャパシタ
115 Al配線
201 P型シリコン基板
202 素子分離領域
203 保護絶縁膜
204 溝(ゲートトレンチ)
205 ゲート酸化膜
206 ポリシリコン膜
207 シリサイド膜
209 ゲート電極
210 N型拡散層
211 フォトレジスト
212 スリット領域
213 オフセット領域

Claims (7)

  1. 半導体基板上に保護絶縁膜を形成する第1の工程と、
    前記保護絶縁膜に所定のパターンの開口を形成する第2の工程と、
    前記保護絶縁膜をマスクとして用いて前記半導体基板にゲートトレンチを形成する第3の工程と、
    前記ゲートトレンチの内部および前記開口内に電極材料を埋め込むことによりゲート電極を形成する第4の工程と、
    前記保護絶縁膜を除去する第5の工程とを有する半導体装置の製造方法。
  2. 前記第4の工程は、
    前記保護絶縁膜上及び前記ゲートトレンチの内部に前記電極材料を堆積させる電極材料成膜工程と、
    前記保護絶縁膜上の前記電極材料の不要部分を除去する工程とを含む請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記電極材料成膜工程は、
    前記ゲートトレンチの内部をポリシリコン膜で完全に埋める工程と、
    前記半導体基板上の全面に高融点金属膜を形成した後、熱処理することにより前記ポリシリコン膜の表面をシリサイド化する工程とを含む請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記電極材料成膜工程は、
    前記ゲートトレンチの内部に前記ポリシリコン膜による凹部を形成する工程と、
    前記ポリシリコン膜による凹部内にシリサイド膜を形成する工程とを含む請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記電極材料成膜工程は、
    前記ゲートトレンチの内部に前記ポリシリコン膜による凹部を形成する工程と、
    前記ポリシリコン膜による凹部内に高融点金属膜を形成する工程とを含む請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記保護絶縁膜がシリコン窒化膜である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記ゲート電極を酸化する第6の工程をさらに有する請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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