JP2008130980A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半球状のシリコン粒(Hemi-Spherical Grain silicon、以下、HSG−Siとする)を備えたキャパシタを有する半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a capacitor having hemispherical silicon grains (hereinafter referred to as HSG-Si).
半導体素子の微細化が進むにつれて、DRAM(Dynamic Random Access Memory)で使用されているメモリセルも縮小化され、データを記憶する記憶容量部におけるキャパシタ容量を十分に確保する事が困難になってきている。
しかし、DRAMの安定動作および信頼性確保のためには、一定以上のキャパシタ容量が必要である。
所定のキャパシタ容量を確保する方策の一つとして、キャパシタを形成する領域の表面積を確保することが考えられる。
すなわち、キャパシタの構造として、半導体基板の上方に形成するスタック型キャパシタ、半導体基板を深く彫り込んだ溝の内周面に形成するトレンチ型キャパシタなど、3次元構造により容量を増やす努力が行われている。
As miniaturization of semiconductor elements progresses, memory cells used in DRAMs (Dynamic Random Access Memory) are also reduced in size, and it becomes difficult to secure sufficient capacitor capacity in a storage capacity unit for storing data. Yes.
However, in order to ensure the stable operation and reliability of the DRAM, a capacitor capacity of a certain level or more is required.
As one of the measures for securing a predetermined capacitor capacity, it is conceivable to secure the surface area of the region where the capacitor is formed.
That is, as a capacitor structure, efforts are being made to increase capacitance by a three-dimensional structure, such as a stack type capacitor formed above a semiconductor substrate, a trench type capacitor formed on the inner peripheral surface of a groove deeply engraved in the semiconductor substrate. .
さらに、キャパシタの容量を形成する領域の表面積を増加させることによりキャパシタ容量を確保する方法として、キャパシタにおける下部電極のシリコン膜表面に、HSG−Siを多数形成する構造が積極的に使用されている(例えば、特許文献1参照)。
一方、近年、キャパシタの表面積をできるだけ増加させるため、シリンダ型キャパシタを形成する溝をより深く形成するようになってきている。
上記シリンダ型キャパシタ及びHSG−Siを備えた半導体記憶装置の従来の製造方法を、以下に図13〜図17を用いて説明する。
Furthermore, as a method of securing the capacitor capacity by increasing the surface area of the capacitor forming region, a structure in which a large number of HSG-Si is formed on the silicon film surface of the lower electrode in the capacitor is actively used. (For example, refer to Patent Document 1).
On the other hand, in recent years, in order to increase the surface area of the capacitor as much as possible, the groove forming the cylinder type capacitor has been formed deeper.
A conventional method for manufacturing a semiconductor memory device including the cylinder capacitor and HSG-Si will be described below with reference to FIGS.
図13に示すように、半導体基板101の上に素子分離領域102を形成し、ウェル形成およびチャネルドープ工程(図示せず)を行う。さらに、シリコン膜とW等の金属膜からなるゲート電極103を形成し、このゲート電極103間にソース及びドレインとしてn型拡散層を形成する(このn型拡散層は図示しない)。これにより、記憶素子におけるメモリセル選択用MOSトランジスタを形成する。
次に、前記MOSトランジスタが形成された半導体基板101の全面にBPSG(Boron Phospho Silicate Glass)膜と、NSG(Non-doped Silicate Glass)膜との積層膜からなる第1の層間絶縁膜104の成膜を行う。
As shown in FIG. 13, an
Next, a first interlayer
成膜された第1の層間絶縁膜104に対して、半導体基板101上のソース及びドレインであるn型拡散層に達するコンタクトプラグ孔105を、異方性エッチングにより形成する。
そして、所定の濃度のリンを不純物としてドープした多結晶シリコン膜を全面に堆積させ、すなわち、コンタクトプラグ孔105にこの多結晶シリコン膜を充填するとともに、層間絶縁膜104上に堆積させる。
この堆積させた多結晶シリコン膜を、ドライエッチング技術によるエッチバックと化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing、以下CMP)技術により、第1の層間絶縁膜104上に堆積された多結晶シリコンを除去し、コンタクトプラグ106を形成する。
A
Then, a polycrystalline silicon film doped with phosphorus of a predetermined concentration as an impurity is deposited on the entire surface, that is, the polycrystalline silicon film is filled in the
The deposited polysilicon film is removed from the first
次に、図14に示す様に、コンタクトプラグ106形成後の半導体基板101全面に、シリコン酸化膜からなる第2の層間絶縁膜107を化学気相堆積法(Chemical Vapor Deposition、以下CVD法)等により形成する。
また、リソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、メモリセルトランジスタとそれを制御する周辺回路用トランジスタに対して、電位を与えるためにゲートの上に接続するゲートコンタクト孔(図示せず)を形成する。そして、メモリセルアレイにおいては、第2の層間絶縁膜107を貫通してセルコンタクトプラグ106に達するビットコンタクトプラグ孔108、及び周辺回路用トランジスタにおいては、第1の層間絶縁膜104と第2の層間絶縁膜107とを貫通し、拡散層(ソース及びドレイン電極も含む)を露出させるビットコンタクトプラグ孔(図示せず)を形成する。
このビットコンタクトプラグ孔108に導電性物質を埋め込むことにより、ビットコンタクトプラグ109を形成する。
Next, as shown in FIG. 14, a second interlayer
Further, using a lithography technique and a dry etching technique, a gate contact hole (not shown) connected to the gate to form a potential is formed for the memory cell transistor and the peripheral circuit transistor that controls the memory cell transistor. . In the memory cell array, the bit
A
そして、全面に導電性物質を堆積させ、エッチングによりパターンニングを行い、上記ビットコンタクトプラグ109に対し、電気的に接続されるビット線110を形成する。
さらに、全面にプラズマCVD法による酸化膜の堆積により、第3の層間絶縁膜111を形成する。
この第3の層間絶縁膜111を、CMP技術により平坦化し、レジストによる開口パターンをホトリソグラフィにて形成し、この開口パターンをマスクとして異方性エッチングを行い、コンタクトプラグ106とキャパシタ用深穴シリンダ117とを接続する容量コンタクトプラグ孔112を形成する。
そして、コンタクトプラグ106を形成するときと同様の工程により、所定の不純物濃度の多結晶シリコン膜からなる容量コンタクトプラグ113を形成する。
Then, a conductive material is deposited on the entire surface, and patterning is performed by etching to form a
Further, a third
The third interlayer
Then, the
次に、図15に示すように、キャパシタが形成されるシリンダをエッチングして形成する際のエッチングストッパとして、全面にエッチングストッパ窒化膜114を、CVD法により形成する。
そして、このエッチングストッパ窒化膜114の全面に、キャパシタを形成するシリンダのコアとなるシリコン酸化膜115を、CVD法により形成し、第4の層間絶縁膜116とする。
Next, as shown in FIG. 15, an etching
Then, a
この第4の層間絶縁膜116の上にレジストを塗布し、上記シリンダを形成するレジストパターンをホトリソグラフィにより形成し、このレジストパターンをマスクとして異方性エッチングを行う。
このエッチング処理により、上記第4の層間絶縁膜116を貫通して容量コンタクトプラグ113まで達するキャパシタ用シリンダ117を形成する。
上記異方性エッチングを行う際、シリコン酸化膜115の酸化膜エッチをエッチングストッパ窒化膜114まで行い、エッチング条件を切り替えて、エッチングストッパ膜114を除去し、容量コンタクトプラグ113を露出させる。
A resist is applied on the fourth
By this etching process, a
When performing the anisotropic etching, the oxide film etch of the
次に、容量コンタクトプラグ113と、この後形成される多結晶シリコン膜118との界面における抵抗値の上昇を抑制するため、容量コンタクトプラグ113の上に形成された自然酸化膜(クリーンルーム内の大気の酸素と反応して形成される)を除去するウェットエッチを行う。
次に、図16に示すように、CVD法により全面に、下部電極120の一部となるアモルファスシリコン膜を成膜する。
次に、このアモルファスシリコン膜に対し、HSGのサイズ制御を目的として、イオン注入技術により、リン(P)を注入した後、上記キャパシタ用シリンダ117内を充填するように、全面にポジ型レジスト(図示せず)を塗布し、このポジ型レジストに対して全面露光を行う。
Next, a natural oxide film (atmosphere in the clean room) formed on the
Next, as shown in FIG. 16, an amorphous silicon film to be a part of the
Next, for the purpose of controlling the size of HSG, phosphorus (P) is implanted into the amorphous silicon film by ion implantation technique, and then the positive resist ( (Not shown) is applied and the entire surface of the positive resist is exposed.
露光の後に、レジストの現像処理を行い、第4の層間絶縁膜116の上のレジストを除去する。この時キャパシタ用シリンダ117内部に充填されたレジストは露光されていないので、除去されずに残ることとなる。
次に、シリンダ117内部に残っているレジストを、下部電極120の1部となるアモルファスシリコン膜を保護膜するマスクとして、第4の層間絶縁膜116の上のアモルファスシリコン膜を異方性エッチング技術によりエッチバックして除去する。
After the exposure, a resist development process is performed to remove the resist on the fourth
Next, the resist remaining in the
次に、キャパシタ用シリンダ117内に残存しているレジストを酸素プラズマにより除去する。これにより、シリンダ117の内面のみにアモルファスシリコン膜が残存する。
次に、図16に示すように、キャパシタの下部電極の表面積をより広くし、容量を稼ぐため、アモルファスシリコン膜上にHSG-Si119を成長させる。
この処理の結果、アモルファスシリコン膜は、多結晶シリコン膜118に変換されると同時に、表面にHSG-Si119を備えた下部電極120が形成される。
Next, the resist remaining in the
Next, as shown in FIG. 16, in order to increase the surface area of the lower electrode of the capacitor and increase the capacity, HSG-
As a result of this treatment, the amorphous silicon film is converted into the
次に、キャパシタ容量の低下の原因となるキャパシタ表面の空乏化を抑えるため、ホスフィン(PH3)の雰囲気中にて熱処理を行い、HSGに対してPを導入する。
さらに、多結晶シリコン膜118とHSG-Si119との上に、キャパシタ絶縁膜を成膜する前に、窒素雰囲気中にてRTP(Rapid Thermal Process)処理を行い、表面を窒化させ窒化シリコン膜を形成する。この窒化シリコン膜を、キャパシタ絶縁膜(図示していない)となる酸化タンタル膜を酸化熱処理する際に、多結晶シリコン膜118とHSG-Si119とが酸化されないように、酸素雰囲気からガードする酸化ストッパーとする。
Next, heat treatment is performed in an atmosphere of phosphine (PH 3 ) in order to suppress depletion of the capacitor surface, which causes a decrease in capacitor capacity, and P is introduced into HSG.
Further, before the capacitor insulating film is formed on the
上記のように窒化シリコン膜を形成した後、酸化タンタル膜をCVD法により堆積し、酸素雰囲気中にてアニールを行う。これにより、容量絶縁膜として使用する酸化タンタル膜の酸素欠損を補い、膜質を改善する。
次に、図17に示すように、窒化チタン層121とタングステン層122とを順次形成し、上部電極123を形成する。
After the silicon nitride film is formed as described above, a tantalum oxide film is deposited by the CVD method and annealed in an oxygen atmosphere. This compensates for oxygen deficiency in the tantalum oxide film used as the capacitive insulating film and improves the film quality.
Next, as shown in FIG. 17, a titanium nitride layer 121 and a
上述したように、キャパシタの表面積をできるだけ稼ぐ為に、スタック型キャパシタのDRAMにおいては、深さ3umのキャパシタ用シリンダ117内に、シリンダ型のMIS構造のキャパシタを持つものがある。
しかしながら、微細なホールサイズで深いシリンダを、異方性ドライエッチングにより加工する際、シリンダの形状は、深さ方向において、Topの開口部の径が中央部に比較して小さくなるボーイング形状となってしまう。
このボーイング形状のシリンダでは、HSG−Siを形成すると、元々狭い開口部がさらに狭くなり、あるいは閉塞してしまい、その後に形成する容量絶縁膜や上部電極をシリンダ内全面に均一に成膜できなくなってしまう。
As described above, in order to obtain the capacitor surface area as much as possible, some stacked capacitor DRAMs have a cylinder type MIS structure capacitor in the
However, when processing a deep cylinder with a fine hole size by anisotropic dry etching, the shape of the cylinder becomes a bowing shape in which the diameter of the top opening is smaller than the center in the depth direction. End up.
In this bowed cylinder, when the HSG-Si is formed, the narrow opening is originally narrowed or blocked, and the capacity insulating film and the upper electrode to be formed thereafter cannot be uniformly formed on the entire surface of the cylinder. End up.
この結果、所望の特性を有するキャパシタの形成が困難となる問題が発生し、不十分な容量のキャパシタに対応する記憶素子が不良Bit化してしまい、DRAMの歩留まりが低下することとなる。
上述した問題を回避する対策として、溝内に下部電極を形成する際、下部電極となる上記ポリシリコンのエッチバックをオーバーに行い、溝の開口部近傍に下部電極が形成されないようにする方法や、HSG−Siを成長させる前に、Siのグレインサイズを制御するため、不純物濃度としてのリン(P)を高濃度に注入して、開口部におけグレインサイズを減少させて、溝の開口部の間口を広げる方法が行われている。
As a measure for avoiding the above-mentioned problem, when forming the lower electrode in the groove, a method of over-etching the polysilicon serving as the lower electrode so that the lower electrode is not formed near the opening of the groove, In order to control the grain size of Si before growing HSG-Si, phosphorus (P) as an impurity concentration is implanted at a high concentration to reduce the grain size in the opening, thereby opening the groove opening. There is a way to widen the frontage.
しかしながら、上述した製造方法にあっては、下部電極を形成する際に、エッチバックをオーバーに行った場合、下部電極を大幅にエッチングしてしまうため、結果的に容量形成領域の面積が減少して、十分な容量が得られなくなるという問題がある。
また、上述した製造方法にあっては、下部電極を形成する際に、Siのグレインサイズを制御するため、不純物濃度としてのリン(P)を高濃度に注入した場合、全体的にHSG−Si層のグレインサイズが小さくなるため、結果的に容量形成領域の面積を十分に大きくすることができず、必要な容量が得られなくなるという問題がある。
However, in the manufacturing method described above, if the etch back is performed excessively when forming the lower electrode, the lower electrode is etched significantly, resulting in a reduction in the area of the capacitance forming region. Thus, there is a problem that a sufficient capacity cannot be obtained.
Further, in the above manufacturing method, when phosphorus (P) as an impurity concentration is implanted at a high concentration in order to control the grain size of Si when forming the lower electrode, the entire HSG-Si is formed. Since the grain size of the layer becomes small, there is a problem that as a result, the area of the capacity forming region cannot be made sufficiently large and a necessary capacity cannot be obtained.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、HSG−Si層のグレインサイズを小さくすることなく、かつシリンダの開口部を閉塞させず、シリンダ内部の容量絶縁膜の全面に上部電極を形成させ、歩留まりを向上させるとともに、さらに大きなグレインサイズを狙えることで、同一のサイズのシリンダにて従来に比較して大きな容量のキャパシタを形成することができる半導体記憶装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the upper electrode is formed on the entire surface of the capacitor insulating film inside the cylinder without reducing the grain size of the HSG-Si layer and without closing the opening of the cylinder. And a method of manufacturing a semiconductor memory device capable of forming a capacitor having a larger capacity than that of a conventional one using a cylinder of the same size by improving the yield and aiming for a larger grain size. For the purpose.
本発明の半導体装置の製造方法は、シリンダ構造にて形成されたキャパシタを備えた半導体装置の製造方法であって、酸化膜を堆積させる工程と、内部に前記キャパシタを構成するシリンダを前記酸化膜に形成する工程と、アモルファスシリコン膜を前記シリンダの内面に沿って形成する工程と、シリンダ開口部近傍の内周領域における前記アモルファスシリコン膜の上に、HSG成長を抑制するマスク層を形成する工程と、前記アモルファスシリコンに対してHSG処理を行なうと同時に多結晶シリコンに変換する工程と、前記マスク層を除去する工程と、前記多結晶シリコンの上に絶縁膜を形成する工程と、導電層を前記絶縁膜の上に形成する工程とを少なくとも有することを特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device including a capacitor formed in a cylinder structure, and includes a step of depositing an oxide film, and a cylinder constituting the capacitor inside the oxide film. Forming an amorphous silicon film along the inner surface of the cylinder, and forming a mask layer for suppressing HSG growth on the amorphous silicon film in the inner peripheral region near the cylinder opening. A step of performing an HSG process on the amorphous silicon and simultaneously converting to polycrystalline silicon, a step of removing the mask layer, a step of forming an insulating film on the polycrystalline silicon, and a conductive layer. And at least a step of forming the insulating film on the insulating film.
本発明の半導体装置の製造方法は、前記マスク層を形成する工程が、前記アモルファスシリコン膜が形成された前記シリンダ内に、シリンダの開口部と、シリンダ内径が最も広くボーイングする位置との中間位置まで充填される厚さにSOG膜を形成する工程と、全面に前記マスク層を形成する工程と、開口部近傍のシリンダ側面におけるアモルファスシリコンの上のマスク層のみを残し、他の領域の上のマスク層を除去する工程と、溝内のSOGを除去する工程とを少なくとも有することを特徴する。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the step of forming the mask layer includes an intermediate position between an opening of the cylinder and a position where the inner diameter of the cylinder is bowed most widely in the cylinder in which the amorphous silicon film is formed. A step of forming an SOG film with a thickness filled up to a thickness, a step of forming the mask layer on the entire surface, and leaving only the mask layer on the amorphous silicon on the cylinder side surface in the vicinity of the opening, It has at least a step of removing the mask layer and a step of removing SOG in the trench.
前記本発明の半導体装置の製造方法は、マスク層が、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜もしくは酸化アルミニウム膜であることを特徴とする。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the mask layer is a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or an aluminum oxide film.
上述したように、本発明は、シリンダ型のキャパシタの容量を増加させるため、下部電極の表面を半球状のシリコン粒(HSG−Si)化させて面積を増加させる処理を行う際、MIS型メモリセルのキャパシタを形成するシリンダが、深くかつボーイング形状の場合、間口が狭いため、シリンダの上方で狭まるまたは閉塞してしまい、上部電極がシリンダの底部分まで入らず、所望のキャパシタ容量が得られないため、そのシリンダに対応する記憶素子の不良Bit化を防止するため、シリンダの開口部近傍のHSG化を抑制することで、上部電極の形成不良を防止し、低容量による不良Bit化を防ぐことを特徴とする。 As described above, according to the present invention, in order to increase the capacitance of the cylinder-type capacitor, the surface of the lower electrode is converted into a hemispherical silicon grain (HSG-Si) to increase the area. If the cylinder forming the cell capacitor is deep and bowed, the frontage is narrow and narrows or closes above the cylinder, so that the upper electrode does not enter the bottom of the cylinder and the desired capacitor capacity is obtained. Therefore, in order to prevent the memory element corresponding to the cylinder from becoming a defective bit, by suppressing the HSG formation near the opening of the cylinder, the formation failure of the upper electrode is prevented and the defective bit due to the low capacity is prevented. It is characterized by that.
以上説明したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、シリンダの開口部近傍の領域を、HSG化を抑制する材料のマスク層によりマスクした後に、下部電極となるアモルファスシリコンのHSG処理を行うため、従来のように、開口部がHSG化された多結晶シリコンのグレインにより閉塞されることがなくなり、容量絶縁膜の上に形成する上部電極の形成不良を防止すること
ができる。
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the region near the opening of the cylinder is masked with the mask layer made of a material that suppresses the formation of HSG, and then the amorphous silicon serving as the lower electrode is subjected to the HSG treatment. Therefore, as in the prior art, the opening is not blocked by the grain of polycrystalline silicon that has been made into HSG, and the formation failure of the upper electrode formed on the capacitor insulating film can be prevented.
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、上述したように、シリンダの開口部が閉塞されないようにしているため、マスクされていないシリンダ内部のHSG処理がなされる領域のグレインを、従来に比較して大きく成長させることができ、同様の大きさのシリンダにおいて、よりキャパシタ容量を増加させることができる。
これにより、本発明の半導体装置の製造方法によれば、従来に比較して、容量を同様とした場合、キャパシタの小型化が行えるため、より微細化を行うことができる。
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, as described above, the opening of the cylinder is not blocked, so that the grains in the region where the HSG process is performed inside the unmasked cylinder can be performed. As compared with the above, it is possible to grow larger, and in the same size cylinder, it is possible to further increase the capacitor capacity.
Thus, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the capacitor can be reduced in size when the capacitance is the same as in the conventional case, so that the size can be further reduced.
以下、本発明の第1の実施形態による半導体記憶装置を図面を参照して説明する
。図1は同実施形態の断面構造を示す概念図である。
この図において、半導体基板1は所定濃度の不純物が導入、例えばp型(ボロン等)の不純物が導入された半導体、例えばシリコンにて形成されている。
素子分離領域2は、上記半導体基板1の表面にSTI(Shallow Trench Isolation)法により、トランジスタ形成領域以外の部分に形成され、トランジスタ(メモリセル選択用トランジスタ)を絶縁分離する。
The semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of the embodiment.
In this figure, a semiconductor substrate 1 is formed of a semiconductor, for example, silicon into which impurities of a predetermined concentration are introduced, for example, p-type (boron or the like) impurities are introduced.
The
図に示したトランジスタ形成領域において、半導体基板1表面に、例えば熱酸化などにより、シリコン酸化膜として、ゲート絶縁膜(図示しない)が形成されている。
このゲート絶縁膜の上にゲート電極3が、例えば多結晶シリコン膜と金属膜との多層膜により形成されており、上記多結晶シリコン膜はCVD法での成膜時に不純物を導入させて形成するドープト多結晶シリコン膜を用いることができる。また、ゲート電極3における金属膜はタングステン(W)や、タングステンシリサイド(WSi)などの高融点金属を用いることができる。
上記ゲート電極3の上に、絶縁膜30が窒化シリコン膜(SiN)等により形成され、ゲート電極3の側壁には窒化シリコン膜などの絶縁膜によるサイドウォール31が形成されている。
In the transistor formation region shown in the figure, a gate insulating film (not shown) is formed as a silicon oxide film on the surface of the semiconductor substrate 1 by, for example, thermal oxidation.
On this gate insulating film, the
An insulating
上記ゲート電極3の一端の半導体基板1表面にソースの拡散層(図示しない)が形成され、ゲート電極3他端にドレインの拡散層(図示しない)が形成されている。
上記絶縁膜30及びサイドウォール31により自己整合的に形成された各コンタクトホールに、ソース及びドレインの拡散層と接続されたセルコンタクトプラグ6が、所定の不純物濃度の多結晶シリコン膜にて形成されている。
セルコンタクトプラグ6各々の間に形成される溝部には第1の層間絶縁膜4が形成されている。すなわち、セルコンタクトプラグ6各々は、上記第1の層間絶縁膜4により、それぞれ隣接する他のセルコンタクトプラグ6と電気的に絶縁されている。
セルコンタクトプラグ6の上及び第1の層間絶縁膜4の上には、全面的に第2の層間絶縁膜7及び第3の層間絶縁膜11が形成されている。
A source diffusion layer (not shown) is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 at one end of the
In each contact hole formed in a self-aligned manner by the insulating
A first interlayer insulating film 4 is formed in a groove formed between the cell contact plugs 6. That is, each
A second
また、ドレインの拡散層に接続されたコンタクトプラグ6上面が露出するよう、第2の層間絶縁膜7を貫通させて、ビットコンタクトホール8が形成されている。
このビットコンタクトホール8内に、Ti/TiN/Wの各金属膜からなるビットコンタクトプラグ9が形成されている。
上記ビットコンタクトプラグ9の表面に、WN膜とW膜との金属膜からなるビット線10が形成されている。すなわち、ビット線10は、セルコンタクトプラグ6及びビットコンタクトプラグ9を介して、MOSトランジスタのドレインの拡散層と接続されている。
また、MOSトランジスタのソースの拡散層に接続されたコンタクトプラグ6上面が露出するよう、第2の層間絶縁膜7及び第3の層間絶縁膜11を貫通させて、容量コンタクトプラグホール12が形成されている。
上記容量コンタクトプラグホール12内には、Pが不純物として導入された多結晶シリコンからなる容量コンタクトプラグ13が形成されている。
A
In the
A
A capacitor
In the capacitor
全面に対して酸化シリコン膜15及びストッパー窒化シリコン膜14からなる第4の層間絶縁膜16が形成されており、上記容量コンタクトプラグ13の表面が露出するように、キャパシタ用シリンダ17が形成されている。
このキャパシタ用シリンダ17の底面及び側壁に、表面にHSG−Si22が形成された下部電極23が形成されている。下部電極23の上に容量絶縁膜(図示しない)が形成され、さらにシリンダ内を埋め込むように上部電極26が形成されている。上部電極26は、TiN膜24及びW膜25から構成されている。
ここで、シリンダ17の開口部近傍における下部電極23の表面にはHSG−Si22が形成されていない。これにより、キャパシタ用シリンダ17の開口部近傍が、従来のようにHSG−Siにより閉塞されず、上部電極26がキャパシタ全面に均一に形成され、不良ビットの発生を防止することができる。
A fourth
A
Here, HSG-
次に、図1に示したDRAMの製造方法について、図2から図12に示した一連の工程断面図を用いて説明する。
図2に示すように、半導体基板1上に素子分離領域2、およびゲート電極3とソース拡散層、ドレイン拡散層(図示せず)を有するトランジスタを形成する。
次に、全面に、CVD法によりBPSG膜を600nm〜700nm程度の厚さに成膜し、800℃のリフローを行った後に、CMP法により表面を平坦化する。
Next, a method of manufacturing the DRAM shown in FIG. 1 will be described with reference to a series of process cross-sectional views shown in FIGS.
As shown in FIG. 2, a transistor having an
Next, a BPSG film having a thickness of about 600 nm to 700 nm is formed on the entire surface by CVD, and after reflowing at 800 ° C., the surface is planarized by CMP.
次に、ウェハ全面に、プラズマCVD法により、NSG膜を200nm程度の厚さにて形成し、上記BPSG膜とNSG膜とから構成される第1の層間絶縁膜4を形成する。
次に、ホトレジストを塗布し、セルコンタクトホールを形成するマスクを用いたホトリソグラフィにより、セルコンタクトホールのホトレジストパターンを形成する。次いで、このホトレジストパターンをマスクとして、異方性エッチングし、第1の層間絶縁膜4を貫通して半導体基板1に達するセルコンタクトホール5を形成する。その後、上記ホトレジストパターンを除去する。
Next, an NSG film is formed with a thickness of about 200 nm on the entire surface of the wafer by plasma CVD, and a first interlayer insulating film 4 composed of the BPSG film and the NSG film is formed.
Next, a photoresist is applied, and a photoresist pattern of the cell contact hole is formed by photolithography using a mask for forming the cell contact hole. Next, anisotropic etching is performed using this photoresist pattern as a mask, and cell contact holes 5 reaching the semiconductor substrate 1 through the first interlayer insulating film 4 are formed. Thereafter, the photoresist pattern is removed.
次に、リンを不純物としてを添加した多結晶シリコンからなる第1のシリコン膜を、CVD法により全面に堆積させる。このとき、セルコンタクトホール5内が上記第1のシリコン膜に完全に充填される厚さで形成する。
次に、塩素系ガスを用いたプラズマドライエッチング法によるエッチバックの後、CMP処理により、第1の層間絶縁膜4の上の第1のシリコン膜のみを除去し、セルコンタクトプラグ6を形成する。
ここで、上記第1のシリコン膜の不純物濃度は、1.0×1020〜4.5×1020atoms/cm3の不純物濃度とする。
Next, a first silicon film made of polycrystalline silicon doped with phosphorus as an impurity is deposited on the entire surface by a CVD method. At this time, the
Next, after etch back by a plasma dry etching method using a chlorine-based gas, only the first silicon film on the first interlayer insulating film 4 is removed by CMP treatment, and the
Here, the impurity concentration of the first silicon film is 1.0 × 10 20 to 4.5 × 10 20 atoms / cm 3 .
次に、図3に示すように、全面に、厚さ200nm程度の酸化シリコン膜からなる第2の層間絶縁膜7を、プラズマCVD法により形成する。
次に、ホトレジストを塗布し(図示しない)、ビットコンタクトホールを形成するホトマスクを用いてホトリソグラフィを行い、ビットコンタクトホールのレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとし、異方性エッチングにより、上記第1の層間絶縁膜7を貫通し、MOSトランジスタの一方の拡散層(ドレイン拡散層)に接続されたセルコンタクトプラグの上面が露出するビットコンタクトホール8を形成する。このとき、同時にメモリ領域以外の周辺MOSトランジスタ(図示しない)に必要なコンタクトホールも形成する。
Next, as shown in FIG. 3, a second
Next, a photoresist is applied (not shown), and photolithography is performed using a photomask for forming a bit contact hole to form a resist pattern for the bit contact hole. With this resist pattern as a mask, a bit that penetrates the first
次に、ホトレジストパターンを除去し、全面にバリアメタル層として、厚さ10nmのTi膜と厚さ15nmのTiN膜とをCVD法により順次形成する(図示していない)。その後、厚さ200nmのW膜をビットコンタクトホール8を充填するように全面に形成する。
次に、CMP法により、層間絶縁膜7の表面に形成されているTi膜, TiN膜及びW膜を除去し、ビットコンタクトプラグ9を形成する。
さらに、スパッタ法により、WN(窒化タングステン)膜とW膜とを、それぞれ10nm/40nm程度の厚さにて順次成膜する。
次に、ホトリソグラフィとドライエッチング法により、WN膜およびW膜を異方性エッチングし、ビット線10を形成する。
Next, the photoresist pattern is removed, and a Ti film having a thickness of 10 nm and a TiN film having a thickness of 15 nm are sequentially formed on the entire surface by CVD (not shown). Thereafter, a W film having a thickness of 200 nm is formed on the entire surface so as to fill the
Next, the Ti film, the TiN film, and the W film formed on the surface of the
Further, a WN (tungsten nitride) film and a W film are sequentially formed at a thickness of about 10 nm / 40 nm by sputtering.
Next, the WN film and the W film are anisotropically etched by photolithography and dry etching to form the
上記ビット線形成に用いたホトレジストパターンを除去した後、ビット線10の酸化保護膜となる、厚さ5nmの窒化シリコン膜(図示していない)をCVD法により形成する。
次に、厚さ500nmの酸化シリコン膜からなる第3の層間絶縁膜11をプラズマCVD法により全面に形成する。その後、CMP法により表面を平坦化する。
次に、ホトリソグラフィとドライエッチング法により、ソース拡散層に接続するセルコンタクトプラグ6の表面が露出するように、容量コンタクトホール12を形成する。
After removing the photoresist pattern used for the bit line formation, a silicon nitride film (not shown) having a thickness of 5 nm and serving as an oxidation protection film for the
Next, a third
Next, the
次に、容量コンタクトホールの形成に用いたホトレジストパターンを除去し、リンを添加した第2のシリコン膜(図示していない)を、CVD法により容量コンタクトホールが充填されるように、全面に形成する。
その後、エッチバック法およびCMP法により、第3の層間絶縁膜11上に形成されている第2のシリコン膜を除去し、容量コンタクトプラグ13を形成する。
上記第2のシリコン膜の不純物濃度は、第1のシリコン膜と同じにできる。
Next, the photoresist pattern used for forming the capacitor contact hole is removed, and a second silicon film (not shown) to which phosphorus is added is formed on the entire surface so as to fill the capacitor contact hole by the CVD method. To do.
Thereafter, the second silicon film formed on the third
The impurity concentration of the second silicon film can be the same as that of the first silicon film.
次に、図4に示すように、全面に、プラズマCVD法により、厚さ50nmのストッパ窒化シリコン膜14を形成した後、厚さ3000nmの酸化シリコン膜15を形成する。この順次形成されたストッパ窒化シリコン膜14および酸化シリコン膜15により第4の層間絶縁膜16を構成する。
次に、ホトリソグラフィとドライエッチング法により、上記第4の層間絶縁膜16を貫通し、容量コンタクトプラグ13の表面が露出するようにシリンダ17を形成する。シリンダ17の形成においては、ホトレジストマスクの他、シリコン膜や非晶質カーボン膜などのハードマスクを用いることもできる。
Next, as shown in FIG. 4, a stopper
Next, a
次に、上記シリンダ17の形成に用いたホトレジストパターンを除去する。ここで、本実施形態のプロセスにおけるシリンダ17のサイズは、平面視において、隣接する他のシリンダ17との最小の分離幅を75nm程度とした場合、長辺が240nm程度、短辺が200nm程度の楕円形となる。
このような微細なホールサイズにおいて、3000nmの深孔をドライエッチング法により加工した場合、図4に示すように、シリンダ17断面形状は、開口部と底部の径が狭く、中央部が広くなるボーイング形となりやすい。
Next, the photoresist pattern used for forming the
In such a fine hole size, when a deep hole of 3000 nm is processed by a dry etching method, as shown in FIG. 4, the cross-sectional shape of the
次に、図5に示すように、容量コンタクトプラグ13との界面における抵抗の上昇を抑制するため、フッ酸含有溶液によりウェット前処理を行なった後、全面にアモルファスシリコン膜を形成する。全面にアモルファスシリコン膜の形成は以下のように行なう。最初に、厚さ18nmの1層目のシリコン膜を形成し、次に連続して厚さ20nmの2層目のシリコン膜を形成する。1層目のシリコン膜は、モノシラン(SiH4)とホスフィン(PH3)を原料ガスとし、500℃で形成する。リンの含有量は4.4×1020atoms/cm3程度となるようにする。また、2層目のシリコン膜は、リンを含まないようにモノシランだけを原料ガスとして形成する。1層目のシリコン膜および2層目のシリコン膜で第3のシリコン膜18を構成する。
その後、シリンダ17底部近傍の側面に形成されるHSG−Siが大きく成長し過ぎないように、イオン注入により、1.0×1014atoms/cm2程度の注入量のリンを、底部近傍の2層目のシリコン膜へ注入する。
Next, as shown in FIG. 5, an amorphous silicon film is formed on the entire surface after wet pretreatment with a hydrofluoric acid-containing solution to suppress an increase in resistance at the interface with the
Thereafter, phosphorus of an implantation amount of about 1.0 × 10 14 atoms / cm 2 is implanted by ion implantation so that HSG-Si formed on the side surface near the bottom of the
次に、図6に示すように、回転塗布法により全面にSOG(Spin-On-Glass)膜19を形成した後、フッ酸含有溶液によりエッチバックし、シリンダ17の開口部近傍の側面に形成されている第3のシリコン膜18の表面を露出させる。最も広くボーイングする位置と開口部の中間にSOG膜19の表面が位置するように形成する。
次に、400℃程度で熱処理し、上記SOG膜19を硬化させる。このとき、2層目のシリコン膜にHSG成長が起こる温度550〜600℃を越えないようにする。HSG成長温度を超えてしまった場合、2層目のシリコン膜(アモルファスシリコン膜)が中途半端に多結晶シリコン化してしまい、後のHSG処理において不十分な大きさのグレインサイズのHSG-Si22しか成長しなくなるからである。
Next, as shown in FIG. 6, an SOG (Spin-On-Glass)
Next, heat treatment is performed at about 400 ° C. to cure the
次に、図7に示すように、全面に、窒化シリコン膜からなるカバー膜20をプラズマCVD法により形成する。カバー膜は、除去に際して、第3のシリコン膜18に対して選択性を有する材料であれば良く、酸窒化シリコン膜や酸化アルミニウム膜などを用いることもできる。
次に、図8に示すように、カバー膜20に対して異方性エッチングによるエッチバックを行い、シリンダ17の開口部近傍側壁にのみカバー膜20のサイドウォール21を残存させる。なお、この段階で引き続き、第4の層間絶縁膜16の表面に露出した第3のシリコン膜18をエッチバックして除去してもよい。
Next, as shown in FIG. 7, a
Next, as shown in FIG. 8, the
次に、図9に示すように、フッ酸含有溶液を用いて、SOG膜19を選択的に除去する。上記ウエットエッチには、HF:H2O=1:500程度の希釈フッ酸溶液を使用することができる。
これにより、シリンダ17の開口部近傍の側壁における第3のシリコン膜18の表面にのみ、HSG-Si成長抑止用のカバー膜21を残すことができる。
Next, as shown in FIG. 9, the
Thereby, the
次に、図10に示すように、露出した第3のシリコン膜18の表面にHSG−Si22を成長させる。
上記HSG−Si22を形成する処理において、グレインの核形成のために、10−1Paの高真空中において、例えばSiH4またはSi2H6ガスを16分程度の間、第3のシリコン膜18表面に照射(供給)する。さらに、上記核をグレイン化させるため、10−5Pa程度の真空中において、550℃〜600℃の範囲にて16分程度の熱処理を行う。この結果、半径が40〜70nm程度のグレインからなるHSG−Si22が、第3のシリコン膜18の表面に形成される。
次に、HSG成長抑止に用いたカバー膜21を160℃の熱リン酸溶液により除去する。
Next, as shown in FIG. 10, HSG-
In the process of forming the HSG-
Next, the
次に、シリンダ17内をホトレジスト(図示していない)により充填し、これを保護膜として、第4の層間絶縁膜16表面に形成されているHSG−Si22および多結晶シリコン膜18を塩素系プラズマによりエッチバックし、除去する。その後、シリンダ17内を充填したホトレジストを酸素プラズマにより除去する。
上述した処理により、図11に示すように、シリンダ17の開口部近傍のみHSG−Si22が形成されていない、HSG−Si22を有する下部電極23をシリンダ17の内面に形成することができる。
Next, the inside of the
By the above-described processing, as shown in FIG. 11, the
次に、下部電極23表面の不純物濃度を増大させるため、ホスフィン雰囲気中にて熱処理し、リンを気相拡散させる。
さらに、アンモニア(NH3)雰囲気中で熱処理することにより、下部電極23表面に厚さ1nm程度の窒化シリコン膜を形成する。その後、ペンタエトキシタンタルを原料とし、酸化剤に酸素を用いたCVD法により厚さ8nmの酸化タンタル膜を形成する。さらに酸化タンタル膜の絶縁性を向上させるために、750℃の酸化性雰囲気で熱処理し、容量絶縁膜を形成する(図示していない)。なお、容量絶縁膜には、酸化タンタル膜に限らず、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜などの金属酸化物を単層または積層して用いることができる。
その後、図12に示すように、上部電極となるTiN膜24と、容量プレートになるW膜25とを順次形成し、これらTiN膜24及びW層25からなる上部電極26を形成する。
上述したプロセスにより、HSG−Siを有する下部電極23からなるシリンダ型のキャパシタを有する半導体装置が完成する。
Next, in order to increase the impurity concentration on the surface of the
Further, a silicon nitride film having a thickness of about 1 nm is formed on the surface of the
Thereafter, as shown in FIG. 12, a
By the above-described process, a semiconductor device having a cylinder type capacitor composed of the
上述したキャパシタの製造方法によれば、シリンダの開口部にHSG−Siが成長しないようにしているので、シリンダが閉塞する問題を回避して良好な特性を有するキャパシタを形成でき、信頼性の高い半導体装置を提供できる。 According to the above-described capacitor manufacturing method, since HSG-Si does not grow in the opening of the cylinder, it is possible to form a capacitor having good characteristics by avoiding the problem of the cylinder being blocked, and having high reliability. A semiconductor device can be provided.
1…半導体基板
2…素子分離領域
3…ゲート電極
4…第1の層間絶縁膜
5…セルコンタクトホール
6…セルコンタクトプラグ
7…第2の層間絶縁膜
8…ビットコンタクトホール
9…ビットコンタクトプラグ
10…ビット線
11…第3の層間絶縁膜
12…容量コンタクトホール
13…容量コンタクトプラグ
14…ストッパ窒化シリコン膜
15…酸化シリコン膜
16…第4の層間絶縁膜
17…キャパシタ用シリンダ
18…第3のシリコン膜
19…SOG膜
20…カバー膜
22…HSG−Si
23…下部電極
24…Ti膜
25…W膜
26…上部電極
30…絶縁膜
31…サイドウォール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
23 ...
Claims (3)
酸化膜を堆積させる工程と、
内部に前記キャパシタを構成するシリンダを前記酸化膜に形成する工程と、
アモルファスシリコン膜を前記シリンダの内面に沿って形成する工程と、
シリンダ開口部近傍の内周領域における前記アモルファスシリコン膜の上に、HSG成長を抑制するマスク層を形成する工程と、
前記アモルファスシリコンに対してHSG処理を行なうと同時に多結晶シリコンに変換する工程と、
前記マスク層を除去する工程と、
前記多結晶シリコンの上に絶縁膜を形成する工程と、
導電層を前記絶縁膜の上に形成する工程と
を少なくとも有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device including a capacitor formed in a cylinder structure,
Depositing an oxide film;
Forming a cylinder constituting the capacitor in the oxide film inside;
Forming an amorphous silicon film along the inner surface of the cylinder;
Forming a mask layer for suppressing HSG growth on the amorphous silicon film in the inner peripheral region in the vicinity of the cylinder opening;
Performing the HSG treatment on the amorphous silicon and simultaneously converting it to polycrystalline silicon;
Removing the mask layer;
Forming an insulating film on the polycrystalline silicon;
And a step of forming a conductive layer on the insulating film.
前記アモルファスシリコン膜が形成された前記シリンダ内に、シリンダの開口部と、シリンダ内径が最も広くボーイングする位置との中間位置まで充填される厚さにSOG(Spin-On-Glass)膜を形成する工程と、
全面に前記マスク層を形成する工程と、
開口部近傍のシリンダ側面におけるアモルファスシリコン膜の上のマスク層のみを残し、他の領域の上のマスク層を除去する工程と、
溝内のSOG膜を除去する工程と
を少なくとも有することを特徴する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Forming the mask layer comprises:
A SOG (Spin-On-Glass) film is formed in the cylinder where the amorphous silicon film is formed to a thickness that fills up to an intermediate position between the opening of the cylinder and the position where the inner diameter of the cylinder is the widest bow. Process,
Forming the mask layer on the entire surface;
Leaving only the mask layer on the amorphous silicon film on the cylinder side surface in the vicinity of the opening, and removing the mask layer on the other region;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: a step of removing the SOG film in the trench.
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