JP2007149882A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】STI101の直下にチャネルストップ領域103を形成した後、活性領域の上層部分に不純物が導入されると同時に、STI102の直下にも当該不純物が導入される緒条件でイオン注入を行い、活性領域の上層部分にはチャネルドーズ領域105、STI102の直下にはチャネルストップ領域106を形成する。
【選択図】図4
Description
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、トランジスタ構造の閾値電圧調節のための不純物導入を積極的に利用することにより、工程増や製造プロセスの煩雑化を招くことなく効率良くチャネルストップ領域を形成する技術思想に相当した。
本発明者は、先ず以下のような分離併合型キャパシタ構造の形成方法について考察した。
先ず、図3(a)に示すように、半導体基板にエッチングダメージを及ぼさないように、シリコン窒化膜等の保護膜115を形成した状態で、レジストマスク113を用いて絶縁膜112の表層をエッチング除去する。
上述したレジストマスク113と同様に、レジストマスク116を形成する際に、必ず位置合わせ余裕を取る必要があるため、リソグラフィーによりレジストマスク116の開口116aをSTI素子分離構造102の分離溝の幅サイズよりも大きく形成する。このようにレジストマスク116を形成した状態でイオン注入を実行するため、レジストマスク116の開口116aから露出する基板表面の一部117もイオン注入に晒されることになる。そのため、チャネルストップ領域104と同時に、基板表面の一部117にもイオン注入されて不純物領域118が形成される。
(1)STI素子分離構造101の十分な素子分離能力を確保すること。
(2)STI素子分離構造102の十分な素子分離能力を確保すること。
(3)トランジスタ構造における閾値電圧を制御してトランジスタ特性を向上させること 。
(4)1回のイオン注入により、チャネルドーズ領域105及びチャネルストップ領域1 06を同時形成すること。
以下、上述した本発明の基本骨子を踏まえ、具体的な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、分離併合型キャパシタ構造を備えた半導体メモリを例示する。
図7〜図10は、本実施形態による半導体メモリの製造方法を工程順に示す概略断面図である。図11は、図10(b)に対応する概略平面図であり、図7〜図10は図11の破線I−I'に沿った位置の断面に対応する。図7〜図10では、半導体メモリのトランジスタ領域Tr及びキャパシタ領域Cp(双方を合わせてメモリセルMCとする)のみを示す。
詳細には、先ず例えばP型のシリコン半導体基板1を用意し、シリコン半導体基板1の表面を熱酸化して初期酸化膜2を形成した後、初期酸化膜2上にSi3N4膜3を堆積形成する。
詳細には、分離溝5(及びその周囲)のみを開口するレジストマスク(不図示)を形成し、このレジストマスクを用いて分離溝5内の絶縁物10の上層部分をドライエッチングして除去する。ここでは、分離溝5内の絶縁物10を例えば250nm程度エッチングする。これにより、分離溝5内には厚み50nm程度の絶縁物10が残存することになる。
詳細には、ウェットエッチングによりSi3N4膜3及び初期酸化膜2を溶解除去する。エッチング液としては、リン酸溶液やフッ酸溶液等を用いる。このとき、分離溝4内を絶縁物10で充填してなる第1の素子分離構造11と、分離溝5内の下部に絶縁物10が残存してなる第2の素子分離構造12とが形成され、シリコン半導体基板1上で活性領域20(図11に示す)が画定される。以下、説明の便宜上、分離溝4内の絶縁物10を絶縁物10a、分離溝5内の絶縁物10を絶縁物10bと称する。
その後、活性領域の表面を熱酸化し、後述する各種のイオン注入用保護膜として機能する熱酸化膜7を例えば膜厚10nm程度に形成する。
詳細には、先ず、シリコン半導体基板1上にトランジスタ領域Tr及びキャパシタ領域Cpを開口するレジストマスク(不図示)を形成し、このレジストマスクを用いてトランジスタ領域Tr及びキャパシタ領域Cpにイオン注入する。イオン注入の条件としては、N型不純物、例えばリン(P)を用い、加速エネルギーを600keV、ドーズ量を3.0×1013/cm2とする。このイオン注入により、N型ウェル8が形成される。
詳細には、活性領域ではその上層部分に不純物濃度のピークが位置し、且つ第2の素子分離構造12には絶縁物10bの下部(絶縁物10bとチャネルストップ領域13との間)、望ましくは絶縁物10bの直下に不純物濃度のピークが位置する条件で、N型不純物をイオン注入する。その後、レジストマスクを灰化処理等により除去する。イオン注入の条件は、絶縁物10bの厚み、絶縁物10bの下部における不純物濃度、及び当該半導体メモリにおける周辺回路領域の周辺トランジスタの特性により決定されるものであり、絶縁物10bの下部における不純物濃度が絶縁物10aの下部における不純物濃度と同等以上となるように適宜の変更が可能である。チャネルストップ領域15の不純物濃度を1×1017/cm3以上とすることが望ましい。本実施形態では、イオン注入の条件として、N型不純物、例えば砒素(As)を用い、加速エネルギーを100keV、ドーズ量を4.3×1012/cm2とする。このイオン注入により、活性領域の上層部分にはチャネルドーズ領域14が、第2の素子分離構造12の絶縁物10bの直下にはチャネルストップ領域15が同時形成される。
詳細には、先ずウェットエッチングにより熱酸化膜7を溶解除去する。エッチング液としてはフッ酸溶液等を用いる。
次に、活性領域の表面を熱酸化し、ゲート絶縁膜及びキャパシタ絶縁膜として機能する絶縁膜、ここではシリコン酸化膜16を例えば膜厚2.3nm程度形成する。なお、シリコン酸化膜16を形成する代わりに、いわゆるデュアルゲート絶縁膜プロセスにより、トランジスタ領域Trとキャパシタ領域Cpとで異なる膜厚にシリコン酸化膜等の絶縁膜をそれぞれ形成するようにしても良い。
詳細には、シリコン酸化膜16上に、例えばCVD法により多結晶シリコン膜(不図示)を例えば膜厚180nm程度に堆積する。
次に、この多結晶シリコン膜及びシリコン酸化膜16をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、トランジスタ領域Trにはゲート電極17aを、キャパシタ領域Cpにはセルプレート電極18を同時にパターン形成する。ここで、ゲート電極17aとシリコン半導体基板1との間に存するシリコン酸化膜16がゲート絶縁膜として、セルプレート電極18とシリコン半導体基板1との間に存するシリコン酸化膜16がキャパシタ絶縁膜としてそれぞれ機能する。
分離併合型キャパシタ構造21aは、図9(a)中で絶縁物10bの左側の部分であり、セルプレート電極18の左側部分とシリコン半導体基板1とが、活性領域上から分離溝5の左側の側壁上部に架けて存するシリコン酸化膜16を介して容量結合する。一方、分離併合型キャパシタ構造21bは、図9(a)中で絶縁物10bの右側の部分であり、セルプレート電極18の右側部分とシリコン半導体基板1とが、活性領域上から分離溝5の右側の側壁上部に架けて存するシリコン酸化膜16を介して容量結合する。
詳細には、シリコン半導体基板1上にトランジスタ領域Tr及びキャパシタ領域Cpを開口するレジストマスク(不図示)を形成し、このレジストマスクを用いてトランジスタ領域Tr及びキャパシタ領域Cpにイオン注入する。イオン注入の条件としては、P型不純物、例えばホウ素(B)を用い、加速エネルギーを0.5keV、ドーズ量を3.6×1014/cm2とする。このイオン注入は、上記のレジストマスク、ゲート電極17a,17b及びセルプレート電極18をマスクとして実行される。当該イオン注入により、ゲート電極17aの両側における活性領域の表層にLDD(Light Doped Drain)領域19が形成される。
LDD領域19やHALOのイオン注入は、トランジスタ特性に影響を及ぼすことがあるため、必要に応じてこれらのイオン注入を行わないようにしても良い。
詳細には、CVD法等により全面に絶縁膜、ここではシリコン酸化膜(不図示)を堆積する。そして必要な部分、ここではトランジスタ構造のドレイン領域に相当する部分を開口するレジストマスク(不図示)を形成した後、シリコン酸化膜を異方性エッチング(エッチバック)する。これにより、ゲート電極17a,17bの向い合うそれぞれの側壁部分に、シリコン酸化膜が残存し、サイドウォール絶縁膜23が形成され、且つ、異方性エッチングに晒されなかった、ゲート電極17aとセルプレート電極18の間にはシリコン酸化膜が残存し、サイドウォール絶縁膜24が形成される。
その後、レジストマスクを灰化処理等により除去する。
詳細には、CVD法等によりシリコン半導体基板1の全面を覆うように絶縁膜、ここではシリコン酸化膜を堆積し、層間絶縁膜26を形成する。
次に、ドレイン領域25の表面の一部等を露出させるように、層間絶縁膜26をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、コンタクト孔27を形成する。
その後、ドライエッチングで用いたレジストマスク(不図示)を灰化処理等により除去する。
コンタクト孔27を埋め込むように、スパッタ法等により、層間絶縁膜26上にAl合金等の金属材料(不図示)を堆積する。そして、この金属材料をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、各種の配線を形成する。図10(b)には、ドレイン領域25と電気的に接続されてなるビット線28が形成された様子を示す。
次に、ビット線28等を覆うように、CVD法等によりシリコン酸化膜等の保護膜29を形成する。
前記半導体基板の複数の素子分離領域にそれぞれ溝が形成され、前記各溝内が絶縁物で埋め込まれてなり、前記半導体基板上で活性領域を画定する複数の素子分離構造と
を備えた半導体装置であって、
前記複数の素子分離構造は、前記溝内の前記絶縁物が厚い第1の素子分離構造と、前記第1の素子分離構造よりも前記絶縁物が薄い第2の素子分離構造とからなり、
前記半導体基板内における少なくとも第1の素子分離構造の下部に形成された第1の不純物領域と、
前記半導体基板内における前記第2の素子分離構造の下方に整合した部位に形成されており、前記第1の不純物領域よりも深い第2の不純物領域と、
前記活性領域の表層部位に形成された第3の不純物領域と、
前記半導体基板内における前記第2の素子分離構造の下方に整合し、且つ前記第2の素子分離構造と前記第2の不純物領域との間に形成された第4の不純物領域と
を含むことを特徴とする半導体装置。
前記第2の素子分離構造を介して隣接する一組の前記活性領域に跨るように形成されており、前記第2の素子分離構造の前記絶縁物により互いに電気的分離してなる一対のキャパシタ構造と
を更に含むことを特徴とする付記1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記各溝は第1の溝又は第2の溝であって、前記第2の溝内のみの前記絶縁物を一部除去して、前記第1の溝には第1の素子分離構造を、前記第2の溝には第2の素子分離構造をそれぞれ形成して、前記半導体基板上に活性領域を画定する工程と、
前記半導体基板の前記第1の素子分離構造及び第2の素子分離構造を含む部位に第1の不純物を導入して、少なくとも第1の素子分離構造の下部には第1の不純物領域を、前記第2の素子分離構造の下方に整合した部位に前記第1の不純物領域よりも深い第2の不純物領域を同時形成する工程と、
前記半導体基板の前記第1の素子分離構造及び第2の素子分離構造を含む部位に第2の不純物を導入して、前記活性領域の表層部位には第3の不純物領域を、前記第2の素子分離構造の下方に整合し、且つ前記第2の素子分離構造と前記第2の不純物領域との間には第4の不純物領域を同時形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記絶縁膜上に導電膜を形成する工程と、
前記導電膜を加工して、前記活性領域上にはゲート絶縁膜として機能する前記絶縁膜を介した前記トランジスタ構造のゲート電極を、前記第2の素子分離構造を介して隣接する一組の前記活性領域上には誘電体膜として機能する前記絶縁膜を介した前記キャパシタ構造の上部電極を同時形成する工程と
を含むことを特徴とする付記12に記載の半導体装置の製造方法。
2 初期酸化膜
3 Si3N4膜
4,5分離
7 熱酸化膜
8 N型ウェル
10,10a,10b 絶縁物
11 第1の素子分離構造
12 第2の素子分離構造
13,15 チャネルストップ領域
14 チャネルドーズ領域
16 シリコン酸化膜
17a,17b ゲート電極
18 セルプレート電極
19 LDD領域
21 キャパシタ構造
22 トランジスタ構造
23,24 サイドウォール絶縁膜
25 ドレイン領域
26 層間絶縁膜
27 コンタクト孔
28 ビット線
29 保護膜
Claims (10)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の複数の素子分離領域にそれぞれ溝が形成され、前記各溝内が絶縁物で埋め込まれてなり、前記半導体基板上で活性領域を画定する複数の素子分離構造と
を備えた半導体装置であって、
前記複数の素子分離構造は、前記溝内の前記絶縁物が厚い第1の素子分離構造と、前記第1の素子分離構造よりも前記絶縁物が薄い第2の素子分離構造とからなり、
前記半導体基板内における少なくとも第1の素子分離構造の下部に形成された第1の不純物領域と、
前記半導体基板内における前記第2の素子分離構造の下方に整合した部位に形成されており、前記第1の不純物領域よりも深い第2の不純物領域と、
前記活性領域の表層部位に形成された第3の不純物領域と、
前記半導体基板内における前記第2の素子分離構造の下方に整合し、且つ前記第2の素子分離構造と前記第2の不純物領域との間に形成された第4の不純物領域と
を含むことを特徴とする半導体装置。 - 前記第1の不純物領域、前記第2の不純物領域、前記第3の不純物領域及び前記第4の不純物領域は、同一導電型の不純物が導入されてなるものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記活性領域に形成されたトランジスタ構造と、
前記第2の素子分離構造を介して隣接する一組の前記活性領域に跨るように形成されており、前記第2の素子分離構造の前記絶縁物により互いに電気的分離してなる一対のキャパシタ構造と
を更に含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 半導体基板の複数の素子分離領域にそれぞれ溝を形成し、前記各溝内を絶縁物で埋め込む工程と、
前記各溝は第1の溝又は第2の溝であって、前記第2の溝内のみの前記絶縁物を一部除去して、前記第1の溝には第1の素子分離構造を、前記第2の溝には第2の素子分離構造をそれぞれ形成して、前記半導体基板上に活性領域を画定する工程と、
前記半導体基板の前記第1の素子分離構造及び第2の素子分離構造を含む部位に第1の不純物を導入して、少なくとも第1の素子分離構造の下部には第1の不純物領域を、前記第2の素子分離構造の下方に整合した部位に前記第1の不純物領域よりも深い第2の不純物領域を同時形成する工程と、
前記半導体基板の前記第1の素子分離構造及び第2の素子分離構造を含む部位に第2の不純物を導入して、前記活性領域の表層部位には第3の不純物領域を、前記第2の素子分離構造の下方に整合し、且つ前記第2の素子分離構造と前記第2の不純物領域との間には第4の不純物領域を同時形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第4の不純物領域の不純物濃度が前記第2の不純物領域の不純物濃度以上となるように、前記第2の不純物の導入条件を調節することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の不純物と前記第2の不純物とが同一導電型であることを特徴とする請求項4又は5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の不純物領域及び前記第2の不純物領域は、前記第1の素子分離構造から第2の素子分離構造へ架けて延在し、前記第2の素子分離構造の下方に整合した部位で深くなる形状に一体形成されることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記活性領域にトランジスタ構造を形成するとともに、前記第2の素子分離構造を介して隣接する一組の前記活性領域に跨るように、前記第2の素子分離構造の前記絶縁物により互いに電気的分離してなる一対のキャパシタ構造を形成することを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第3の不純物領域及び前記第4の不純物領域を形成した後、前記活性領域上から前記第2の素子分離構造の前記溝の側壁へ架けて絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に導電膜を形成する工程と、
前記導電膜を加工して、前記活性領域上にはゲート絶縁膜として機能する前記絶縁膜を介した前記トランジスタ構造のゲート電極を、前記第2の素子分離構造を介して隣接する一組の前記活性領域上には誘電体膜として機能する前記絶縁膜を介した前記キャパシタ構造の上部電極を同時形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ゲート電極及び前記上部電極をマスクとして、前記ゲート電極の両側における前記活性領域の表層に第3の不純物を導入して、一対の第5の不純物領域を形成するとともに、前記ゲート電極内及び前記上部電極内に前記第3の不純物を導入することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
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