JP2008192676A - Semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に、ロジックプロセスと整合性良く製造できるDRAM(Dynamic Random Access Memory)セル等のキャパシタを有する半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor memory device having a capacitor such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory) cell that can be manufactured with good consistency with a logic process.
従来の半導体記憶装置として、各メモリセルが1つのトランジスタ及び1つのキャパシタ(或いはコンデンサ)から構成されるDRAMは、高集積化に適したメモリとして知られている。特に近年、DRAMとロジック回路とを同一の半導体チップ上に集積してシステム性能を高めたシステムLSIが実用化されている。しかしながら、デザインルールの縮小とともに、DRAMメモリセルのキャパシタ容量を確保するため、トレンチ型やスタック型といった3次元構造のキャパシタを形成するための複雑な工程が用いられるようになっている。その結果、DRAMメモリセルプロセスとロジックプロセスとのプロセスの整合性が悪くなり、開発期間や製造期間が長期化する上に、歩留り向上が困難となり、製造コストも高くなるという不具合がある。 As a conventional semiconductor memory device, a DRAM in which each memory cell includes one transistor and one capacitor (or capacitor) is known as a memory suitable for high integration. Particularly in recent years, system LSIs in which DRAM and logic circuits are integrated on the same semiconductor chip to improve system performance have been put into practical use. However, as the design rule is reduced, a complicated process for forming a capacitor having a three-dimensional structure such as a trench type or a stack type is used in order to secure the capacitor capacity of the DRAM memory cell. As a result, there is a problem that the process consistency between the DRAM memory cell process and the logic process is deteriorated, the development period and the manufacturing period are prolonged, the yield is difficult to improve, and the manufacturing cost is increased.
かかる観点から、所望のロジックプロセスに対して整合性良くDRAMキャパシタ構造を形成できるDRAMセル構造が提案されている(特許文献1の図3G乃至図3R)。このDRAMセルは、半導体基板の上面に配置され且つ上部に凹部(キャビティ)が形成された素子分離絶縁膜(フィールド絶縁膜)を有し、該凹部には半導体基板の側壁部分が露出される。DRAMセルのキャパシタは凹部内に露出した上記側壁部分にまで延在する。これにより、該キャパシタの有効面積を増やして容量の増大を図ることができる。また、ゲート絶縁膜をキャパシタ絶縁膜として、ポリシリコンなどのゲート電極材をプレート電極材として夫々活用する。更に、上記凹部を形成するためのマスク材を用いたフィールド絶縁膜エッチングプロセスと、必要に応じて同じマスク材を用いたキャパシタ部の閾値調整用イオン注入をロジックプロセスに追加する。これにより、ロジックプロセスに整合性良くDRAMセルが形成可能となる。 From this point of view, a DRAM cell structure capable of forming a DRAM capacitor structure with good consistency with a desired logic process has been proposed (FIGS. 3G to 3R of Patent Document 1). This DRAM cell has an element isolation insulating film (field insulating film) disposed on the upper surface of a semiconductor substrate and having a recess (cavity) formed in the upper portion thereof, and a side wall portion of the semiconductor substrate is exposed in the recess. The capacitor of the DRAM cell extends to the side wall portion exposed in the recess. As a result, the effective area of the capacitor can be increased to increase the capacitance. Further, the gate insulating film is used as a capacitor insulating film, and a gate electrode material such as polysilicon is used as a plate electrode material. Further, a field insulating film etching process using a mask material for forming the concave portion and an ion implantation for adjusting a threshold value of the capacitor portion using the same mask material as necessary are added to the logic process. As a result, a DRAM cell can be formed with good consistency with the logic process.
その他、本発明の背景技術として、以下のようなものを挙げることができる。特許文献2は、メモリセルトランジスタとトレンチ型キャパシタとが配設されるメモリ領域を具備する半導体記憶装置を開示する。また、特許文献3は、半導体基板に形成された分離溝、分離溝に埋め込まれた分離絶縁膜、分離溝に隣接して形成された容量溝を具備する半導体装置を開示する。しかしこれらは、キャパシタ用トレンチを素子分離用トレンチと完全に別プロセスで形成するため、特許文献1に対して製造プロセスが増大する。
本発明は、トランジスタ及びキャパシタを夫々有する複数のメモリセルを具備する半導体記憶装置において、キャパシタの蓄積容量の増加を図ると共に、これに伴う装置の信頼性の低下を防止することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to increase the storage capacity of a capacitor in a semiconductor memory device having a plurality of memory cells each having a transistor and a capacitor, and to prevent a decrease in device reliability associated therewith.
本発明の第1の視点は、トランジスタ及びキャパシタを夫々有する複数のメモリセルと、前記メモリセル間を素子分離する素子分離部とを具備する半導体記憶装置であって、前記素子分離部は、半導体基板の第1表面内に形成された第1トレンチ内に埋め込まれた素子分離絶縁膜を含み、前記キャパシタは、前記第1トレンチに隣接して前記第1表面内に形成された第2トレンチ内の側面及び底面上に形成されたキャパシタ絶縁膜と、前記第2トレンチ内で前記キャパシタ絶縁膜上に埋め込まれた上側電極と、前記上側電極と対向するように前記半導体基板内に位置する下側電極とを含み、前記トランジスタは、前記第2トレンチに隣接して前記第1表面内に形成され且つ一方が前記下側電極に電気的に接続された一対のソース/ドレイン層と、前記一対のソース/ドレイン層間でゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に配設されたゲート電極とを含むことを特徴とする。 A first aspect of the present invention is a semiconductor memory device comprising a plurality of memory cells each having a transistor and a capacitor, and an element isolation part for isolating the memory cells, wherein the element isolation part is a semiconductor An isolation insulating film embedded in a first trench formed in a first surface of the substrate, wherein the capacitor is in a second trench formed in the first surface adjacent to the first trench; A capacitor insulating film formed on the side and bottom surfaces of the semiconductor substrate, an upper electrode embedded on the capacitor insulating film in the second trench, and a lower side located in the semiconductor substrate so as to face the upper electrode A pair of source / drain layers formed in the first surface adjacent to the second trench and one of which is electrically connected to the lower electrode. , Characterized in that it comprises a gate electrode disposed on the semiconductor substrate via a gate insulating film with the pair of source / drain layers.
本発明の第2の視点は、トランジスタ及びキャパシタを夫々有する複数のメモリセルと、前記メモリセル間を素子分離する素子分離部とを具備する半導体記憶装置であって、前記素子分離部は、半導体基板の第1表面内に互いに隣接して形成された第1及び第2トレンチ内の底部に埋め込まれた素子分離絶縁膜を含み、前記キャパシタは、前記第1及び第2トレンチ内の側面上に形成されたキャパシタ絶縁膜と、前記第1及び第2トレンチ内で前記素子分離絶縁膜及び前記キャパシタ絶縁膜上に埋め込まれた上側電極と、前記上側電極と対向するように前記半導体基板内に位置する下側電極とを含み、前記トランジスタは、前記第2トレンチに隣接して前記第1表面内に形成され且つ一方が前記下側電極に電気的に接続された一対のソース/ドレイン層と、前記一対のソース/ドレイン層間でゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に配設されたゲート電極とを含むことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory device comprising a plurality of memory cells each having a transistor and a capacitor, and an element isolation part for isolating the memory cells, wherein the element isolation part is a semiconductor An isolation insulating film embedded in the bottom of the first and second trenches formed adjacent to each other in the first surface of the substrate; and the capacitor is disposed on a side surface of the first and second trenches. A capacitor insulating film formed, an upper electrode embedded on the element isolation insulating film and the capacitor insulating film in the first and second trenches, and a position in the semiconductor substrate so as to face the upper electrode The transistor comprises a pair of source / sources formed in the first surface adjacent to the second trench and one electrically connected to the lower electrode. And rain layer, characterized in that it comprises a gate electrode disposed on the semiconductor substrate via a gate insulating film with the pair of source / drain layers.
本発明の第3の視点は、トランジスタ及びキャパシタを夫々有する複数のメモリセルと、前記メモリセル間を素子分離する素子分離部とを具備する半導体記憶装置であって、前記素子分離部は、半導体基板の第1表面内に形成された第1トレンチ内に埋め込まれた素子分離絶縁膜を含み、前記キャパシタは、前記第1トレンチに隣接して前記第1表面内に形成された第2トレンチ内及び前記第2トレンチに近い側の前記第1トレンチの領域内の側面及び底面上に形成されたキャパシタ絶縁膜と、前記第1及び第2トレンチ内で前記キャパシタ絶縁膜上に埋め込まれた上側電極と、前記上側電極と対向するように前記半導体基板内に位置する下側電極とを含み、前記トランジスタは、前記第2トレンチに隣接して前記第1表面内に形成され且つ一方が前記下側電極に電気的に接続された一対のソース/ドレイン層と、前記一対のソース/ドレイン層間でゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に配設されたゲート電極とを含むことを特徴とする。 A third aspect of the present invention is a semiconductor memory device comprising a plurality of memory cells each having a transistor and a capacitor, and an element isolation part for isolating the memory cells, wherein the element isolation part is a semiconductor An isolation insulating film embedded in a first trench formed in a first surface of the substrate, wherein the capacitor is in a second trench formed in the first surface adjacent to the first trench; And a capacitor insulating film formed on a side surface and a bottom surface in the region of the first trench on the side close to the second trench, and an upper electrode embedded on the capacitor insulating film in the first and second trenches And a lower electrode positioned in the semiconductor substrate to face the upper electrode, wherein the transistor is formed in the first surface adjacent to the second trench, and And a pair of source / drain layers electrically connected to the lower electrode, and a gate electrode disposed on the semiconductor substrate via a gate insulating film between the pair of source / drain layers. It is characterized by.
本発明の第4の視点は、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)トランジスタ及びキャパシタを夫々有する複数のメモリセルと、前記メモリセル間を素子分離する素子分離部とを具備する半導体記憶装置の製造方法であって、半導体基板の第1表面内に互いに隣接して第1及び第2トレンチを形成する工程と、前記第1及び第2トレンチ内に素子分離絶縁膜を埋め込む工程と、前記第2トレンチ内の所定領域における前記素子分離絶縁膜の部分を除去する工程と、前記第2トレンチ内の前記所定領域上にキャパシタ絶縁膜を形成する工程と、前記第2トレンチ内で前記キャパシタ絶縁膜上にキャパシタ上側電極を埋め込む工程と、を具備することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising: a plurality of memory cells each having a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) transistor and a capacitor; and an element isolation portion for isolating the memory cells. A step of forming first and second trenches adjacent to each other in a first surface of a semiconductor substrate, a step of embedding an element isolation insulating film in the first and second trenches, and the second trench Removing a portion of the element isolation insulating film in a predetermined region in the substrate, forming a capacitor insulating film on the predetermined region in the second trench, and on the capacitor insulating film in the second trench. And embedding a capacitor upper electrode.
本発明の第5の視点は、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)トランジスタ及びキャパシタを夫々有する複数のメモリセルと、前記メモリセル間を素子分離する第1素子分離部とを含むメモリセル部と、複数の半導体素子と前記半導体素子間を区画する第2素子分離部とを含むロジック部と、を具備する半導体記憶装置の製造方法であって、前記第1及び第2素子分離部に対応してトレンチを形成するための開口部を有するマスク層を半導体基板の第1表面上に形成する工程と、前記ロジック部を被覆し且つ前記メモリセル部を露出させるレジスト膜を前記マスク層上に形成する工程と、前記マスク層及び前記レジスト膜をマスクとして、前記第1素子分離部に対応する前記第1表面の部分に対して等方性エッチングを行って掘り下げる工程と、前記レジスト膜を除去した後、前記マスク層をマスクとして、前記第1及び第2素子分離部に対応する前記第1表面の部分に対して異方性エッチングを行い、前記第1及び第2素子分離部に夫々対応して第1及び第2トレンチを形成する工程と、前記第1及び第2トレンチ内に素子分離絶縁膜を埋め込む工程と、前記第1トレンチ内の所定領域における前記素子分離絶縁膜の部分を除去する工程と、前記第1トレンチ内の前記所定領域上にキャパシタ絶縁膜を形成する工程と、前記第1トレンチ内で前記キャパシタ絶縁膜上にキャパシタ上側電極を埋め込む工程と、を具備することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a memory cell unit including a plurality of memory cells each having a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) transistor and a capacitor, and a first element isolation unit that isolates the memory cells. A logic part including a plurality of semiconductor elements and a second element isolation part that partitions the semiconductor elements, and a method for manufacturing a semiconductor memory device, corresponding to the first and second element isolation parts Forming a mask layer having an opening for forming a trench on the first surface of the semiconductor substrate; and forming a resist film covering the logic portion and exposing the memory cell portion on the mask layer. Using the mask layer and the resist film as a mask, performing isotropic etching on the portion of the first surface corresponding to the first element isolation portion, After removing the resist film, anisotropic etching is performed on a portion of the first surface corresponding to the first and second element isolation portions, using the mask layer as a mask, and the first and second elements Forming a first trench and a second trench corresponding to the isolation portion; embedding an element isolation insulating film in the first trench; and the element isolation insulation in a predetermined region in the first trench. Removing a film portion; forming a capacitor insulating film on the predetermined region in the first trench; and embedding a capacitor upper electrode on the capacitor insulating film in the first trench. It is characterized by comprising.
更に、本発明に係る実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。 Furthermore, the embodiments of the present invention include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, when an invention is extracted by omitting some constituent elements from all the constituent elements shown in the embodiment, when the extracted invention is carried out, the omitted part is appropriately supplemented by a well-known common technique. It is what is said.
本発明によれば、トランジスタ及びキャパシタを夫々有する複数のメモリセルを具備する半導体記憶装置において、キャパシタの蓄積容量の増加を図ると共に、これに伴う装置の信頼性の低下を防止することができる。 According to the present invention, in a semiconductor memory device having a plurality of memory cells each having a transistor and a capacitor, it is possible to increase the storage capacity of the capacitor and to prevent a decrease in device reliability associated therewith.
本発明者等は、本発明の開発の過程において、特許文献1に開示されるDRAM等について研究を行った。その結果、以下に述べるような知見を得た。 The inventors conducted research on the DRAM disclosed in Patent Document 1 in the course of development of the present invention. As a result, the following findings were obtained.
図1は、特許文献1に開示されるDRAMのメモリセル部MCSの1メモリセルとロジック部LGSの1トランジスタとを並べて概略的に示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing one memory cell of a memory cell portion MCS and one transistor of a logic portion LGS of a DRAM disclosed in Patent Document 1.
ロジック部LGSは、トランジスタ170等の複数の半導体素子と半導体素子間を区画する素子分離部172とを具備する。素子分離部172は、半導体基板102の表面内に形成されたトレンチ174とこの中に埋め込まれた素子分離絶縁膜176とを含む。
The logic unit LGS includes a plurality of semiconductor elements such as the
メモリセル部MCSは、MOSトランジスタ114及びキャパシタ116を夫々有する複数のメモリセル112と、メモリセル112間を素子分離する素子分離部122とを具備する。素子分離部122は、半導体基板102のN型ウエル104の表面内に形成されたトレンチ124とこの中に埋め込まれた素子分離絶縁膜126とを含む。
The memory cell unit MCS includes a plurality of
MOSトランジスタ114に隣接する素子分離絶縁膜126の部分は、一定の膜厚が底部に残るようにエッチングによって除去され、凹部が形成される。この凹部からMOSトランジスタ114に向かって、キャパシタ絶縁膜134を介してキャパシタ116の上側電極136が配設される。また、上側電極136と対向するように半導体基板102内には、下側電極132として機能するP型不純物拡散層が形成される。
The portion of the element
一方、MOSトランジスタ114は、トレンチ124に隣接してN型ウエル104の表面内に形成された一対のP型ソース/ドレイン層142を含む。ソース/ドレイン層142間で、N型ウエル104上には、ゲート絶縁膜144を介してゲート電極146が配設される。ソース/ドレイン層142の一方は、キャパシタ116の下側電極132に電気的に接続される。ソース/ドレイン層142の他方は、コンタクト層を介してビットラインBLに電気的に接続される。ゲート電極146はワードラインWLに電気的に接続される。
On the other hand,
即ち、このDRAMセルでは、キャパシタの蓄積容量を増大させるように、素子分離用のトレンチの側面もキャパシタの一部として活用する。この場合、STI(Shallow Trench Isolation)のトレンチを使うため、ロジックプロセスを用いてトレンチキャパシタを形成することができる。しかし、DRAMセルの微細化が更に進むと、キャパシタ面積の確保が困難となる。また、素子分離絶縁膜のエッチングの際に、RIE(Reactive Ion Etching)を用いると、キャパシタ形成面などへのダメージにより素子特性や歩留まりが損なわれる可能性がある。一方、単にウエットエッチングを用いた場合は、素子分離絶縁膜が横方向にもエッチングされるため、エッチング領域が広がって装置の微細化が制限される。 That is, in this DRAM cell, the side surface of the element isolation trench is also used as a part of the capacitor so as to increase the storage capacity of the capacitor. In this case, since a trench of STI (Shallow Trench Isolation) is used, a trench capacitor can be formed using a logic process. However, if the DRAM cell is further miniaturized, it becomes difficult to secure the capacitor area. In addition, when RIE (Reactive Ion Etching) is used for etching the element isolation insulating film, element characteristics and yield may be impaired due to damage to the capacitor formation surface and the like. On the other hand, when only wet etching is used, the element isolation insulating film is also etched in the lateral direction, so that the etching region is widened and the miniaturization of the device is limited.
また、このDRAMセルでは、混載するロジック部のSTIプロセスに制限されるため、ロジック部に用いられるSTIトレンチが浅すぎると、メモリセルとして十分な蓄積容量の確保が困難となる。一方、メモリセル部に必要なトレンチ深さとすると、ロジック部のトレンチも深くなり、製造プロセスマージンやデバイス特性への影響との整合を図る必要が生じる。従って、開発効率が悪く、最悪は歩留りや装置性能が劣化する可能性もある。また、キャパシタ面として基板表面からトレンチ側面に亘る部分を用いるため、トレンチの開口端部の縁がキャパシタ領域内に含まれる。この際、用いるロジックプロセスによってはトレンチの開口端部の縁は角度が急峻であるため、この縁における電界集中によるキャパシタ耐圧の劣化が生じる。 In addition, since this DRAM cell is limited to the STI process of the logic part to be embedded, if the STI trench used for the logic part is too shallow, it is difficult to secure a sufficient storage capacity as a memory cell. On the other hand, if the trench depth required for the memory cell portion is set, the trench in the logic portion is also deepened, and it is necessary to match the influence on the manufacturing process margin and device characteristics. Therefore, the development efficiency is poor, and in the worst case, the yield and device performance may be deteriorated. Further, since the portion from the substrate surface to the side surface of the trench is used as the capacitor surface, the edge of the opening end of the trench is included in the capacitor region. At this time, depending on the logic process to be used, the edge of the opening end of the trench has a steep angle, so that the breakdown voltage of the capacitor is deteriorated due to electric field concentration at this edge.
以下に、このような知見に基づいて構成された本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。 Hereinafter, an embodiment of the present invention configured based on such knowledge will be described with reference to the drawings. In the following description, components having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.
(第1実施形態)
図2は、本発明の第1実施形態に係るDRAM(半導体記憶装置)の1メモリセルを概略的に示す断面図である。図3は、第1実施形態に係るDRAMの複数のメモリセルを含むメモリセル部にエッチングマスクを組み合わせた状態を概略的に示す平面図である。図3の破線1MCで包囲される部分が、図2に示される1メモリセルに対応する。
(First embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing one memory cell of the DRAM (semiconductor memory device) according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a plan view schematically showing a state in which an etching mask is combined with a memory cell portion including a plurality of memory cells of the DRAM according to the first embodiment. A portion surrounded by a broken line 1MC in FIG. 3 corresponds to one memory cell shown in FIG.
このDRAMは、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)トランジスタの典型例であるMOSトランジスタ14及びキャパシタ16を夫々有する複数のメモリセル12と、メモリセル12間を素子分離する素子分離部22とを具備する。図3に示されるように、各ビットラインBLに沿って、素子分離部22を中心として2つのメモリセル12が背中合わせとなるように配置された構成と、素子分離部22間で2つのメモリセル12がビットラインコンタクト層43を共有するように配置された構成とが、交互に配置される。
This DRAM includes a plurality of
素子分離部22は、半導体基板2のN型ウエル4の表面内に形成された第1トレンチ6とこの中に埋め込まれた素子分離絶縁膜26とを含む。素子分離部22の構造、例えば第1トレンチ6の深さや素子分離絶縁膜26の材質は、ロジック部における素子分離部のそれらと同じ仕様に設定される(図2ではロジック部は図示されないが、それは図1に示されるロジック部LGSと実質的に同一である)。
The
キャパシタ16は、第1トレンチ6に隣接してN型ウエル4の表面内に形成された第2トレンチ8の側面及び底面を利用して形成される。即ち、第2トレンチ8内の側面及び底面上には、キャパシタ絶縁膜34が形成される。第2トレンチ8内でキャパシタ絶縁膜34上にキャパシタ16の上側電極36が埋め込まれる。また、上側電極36と対向するように、半導体基板2内には、キャパシタ16の下側電極32として機能するP型不純物拡散層が形成される。なお、特許文献1にも開示されているように、キャパシタ16の下側電極32は本来MOSキャパシタのチャネル領域によって構成される。ここでは、キャパシタ動作としてのマージンを高めるべく閾値調整されたチャネル部を意図しており、即ち、チャネル部にチャネルと同じ導電型の拡散層が形成された構成を例にしている。
The
一方、MOSトランジスタ14は、第2トレンチ8に隣接してN型ウエル4の表面内に形成された一対のP型ソース/ドレイン層42を含む。ソース/ドレイン層42間で、N型ウエル4上には、ゲート絶縁膜44を介してゲート電極46が配設される。ソース/ドレイン層42の一方は、キャパシタ16の下側電極32に電気的に接続される。ソース/ドレイン層42の他方は、コンタクト層43を介してビットラインBLに電気的に接続される。ゲート電極46はワードラインWLに電気的に接続される。
On the other hand, the
なお、本実施形態において、半導体基板2はシリコンからなる。キャパシタ絶縁膜34及びゲート絶縁膜44は、共通のシリコン酸化膜を用いて構成されるのがプロセスコスト的に好ましい。例えば、このシリコン酸化膜の厚さは、130nmから180nmの世代の通常ロジックプロセスでは1.5nm〜7nm程度(好ましくは、2.5nm〜4nm程度)に設定される。ただし、例えば液晶ドライバーなど高耐圧トランジスタを有するロジックプロセスにおいては上限が13nm程度まで考えられる。キャパシタ16の上側電極36及びMOSトランジスタ14のゲート電極46は、不純物がドープされた共通のポリシリコン材料からなり、これらは同一工程で一緒に形成される。
In the present embodiment, the
図4乃至図7は、図2及び図3に示されるDRAMの製造方法の工程の要部を示す断面図である。図4乃至図7は、図3のIV−IV線に沿った部分の断面を示す。 4 to 7 are cross-sectional views showing the main parts of the steps of the DRAM manufacturing method shown in FIGS. 4 to 7 show a cross section of a portion along the line IV-IV in FIG.
先ず、図4に示されるように、半導体基板2のN型ウエル4の表面内に、互いに隣接して第1及び第2トレンチ6、8を形成する。そして、第1及び第2トレンチ6、8内に絶縁膜26、28を埋め込む。これらの工程は、ロジック部(図示せず)における素子分離部を形成する工程と同時に、公知の態様で行うことができる。この場合、第1及び第2トレンチ6、8は、ロジック部における素子分離部のトレンチと同じ深さを有するように設定される。即ち、ロジック部の素子分離部と全く同様のプロセスで形成することでロジックプロセスとの整合性が高まる。
First, as shown in FIG. 4, first and
次に、図5に示されるように、第2トレンチ8に対応する位置にのみ開口53(図3も参照)を有するマスク層52を半導体基板2上に形成する。マスク層52は、メモリセル部の第2トレンチ8以外の部分(MOSトランジスタ14に対応する部分及び第1トレンチ6等)だけでなく、ロジック部も完全に被覆する状態にある。そして、マスク層52をマスクとして用いて、ウエットエッチングまたはRIEを行い、第2トレンチ8内の絶縁膜28を完全に除去する。
Next, as shown in FIG. 5, a
この際、本実施形態では第2トレンチ8が素子領域内に孤立した構造になるため、ウエットエッチングを用いても第2トレンチ8内の絶縁膜28のみを選択的に除去することができる。ウエットエッチングを用いた場合は、RIEの場合のように第2トレンチ8内にRIEダメージが加わる恐れがないため、結晶欠陥の発生やキャパシタリーク特性の劣化等の問題が改善される効果が期待できる。また、マスク層52としては、レジストの他、絶縁膜28のエッチングに耐えられるハードマスク材(SiNやSiO2やポリシリコンなど)を適宜用いることができる。
At this time, since the
次に、図6に示されるように、第2トレンチ8内を通して半導体基板2内にP型キャリア不純物を導入する。これにより、第2トレンチ8の側面及び底面に対応してN型ウエル4内にキャパシタ16の下側電極32として機能するP型不純物拡散層を形成する。次に、第2トレンチ8内の側面及び底面上にキャパシタ絶縁膜34を形成すると共に、MOSトランジスタ14に対応してN型ウエル4の表面上にゲート絶縁膜44を形成する。なお、キャパシタ絶縁膜34及びゲート絶縁膜44は、同一の膜または夫々の使用条件に適した別の膜からなることができる。また、キャパシタ絶縁膜34及びゲート絶縁膜44は、ロジック部のトランジスタのゲート絶縁膜と同一の膜とすることで、ロジックプロセスとの整合性が高まる。
Next, as shown in FIG. 6, P-type carrier impurities are introduced into the
次に、図6から図7に示されるように、半導体基板2にポリシリコン等の電極材料層56を堆積した後、電極材料層56をパターニングする。これにより、第2トレンチ8内でキャパシタ絶縁膜34上にキャパシタ16の上側電極36を埋め込むと共に、MOSトランジスタ14に対応してゲート電極46を形成する。次に、ゲート電極46等をマスクとして、半導体基板2内にP型キャリア不純物を導入し、P型ソース/ドレイン層42を自己整合的に形成する。
Next, as shown in FIGS. 6 to 7, after an
上述のように、第1実施形態においては、メモリセル内にSTIプロセスを用いてSTI構造(ダミーSTI構造ということができる)8、28を一旦形成した後、このSTI構造の絶縁膜28を全て除去する。そして、STI構造8、28のトレンチ8内にキャパシタ絶縁膜34及び上側電極36を形成することにより、トレンチ8の両側面及び底面をキャパシタ領域として活用する。これにより、ロジックプロセスの範囲で、より大きなキャパシタ容量を確保可能となり、動作マージンの確保や素子の微細化が可能となる。
As described above, in the first embodiment, the STI structure (also referred to as the dummy STI structure) 8 and 28 is once formed in the memory cell by using the STI process, and then the insulating
(第2実施形態)
図8は、本発明の第2実施形態に係るDRAM(半導体記憶装置)の複数のメモリセルを含むメモリセル部にエッチングマスクを組み合わせた状態を概略的に示す平面図である。図9乃至図12は、図8に示されるDRAMの製造方法の工程の要部を示す断面図である。図8の破線1MCで包囲される部分が、1メモリセルに対応する。図9乃至図12は、図8のIX−IX線に沿った部分の断面を示す。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a plan view schematically showing a state in which an etching mask is combined with a memory cell portion including a plurality of memory cells of a DRAM (semiconductor memory device) according to the second embodiment of the present invention. 9 to 12 are cross-sectional views showing the main parts of the steps of the DRAM manufacturing method shown in FIG. A portion surrounded by a broken line 1MC in FIG. 8 corresponds to one memory cell. 9 to 12 show a cross section of a portion along line IX-IX in FIG.
このDRAMは、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)トランジスタの典型例であるMOSトランジスタ14及びキャパシタ16を夫々有する複数のメモリセル12と、メモリセル12間を素子分離する素子分離部22とを具備する。図8に示されるように、メモリセル12の平面図における配列は、第1実施形態と類似する。
This DRAM includes a plurality of
図12に示されるように、素子分離部22は、半導体基板2のN型ウエル4の表面内に互いに隣接して形成された第1及び第2トレンチ6、8と、その中の底部に埋め込まれた素子分離絶縁膜26X、28Xとを含む。素子分離絶縁膜26X、28Xは、第1及び第2トレンチ6、8の底部にのみ存在し、その厚さは、素子分離機能を有する範囲でなるべく小さくなるように設定される。例えば、素子分離絶縁膜26X、28Xの厚さは、50nm〜200nm程度に設定される。
As shown in FIG. 12, the
キャパシタ16は、第1及び第2トレンチ6、8内の素子分離絶縁膜26X、28Xよりも上側の第1及び第2トレンチ6、8の側面を利用して形成される。即ち、第1及び第2トレンチ6、8内の側面上及びそれらトレンチ外のキャパシタ領域に対応した素子領域表面上には、キャパシタ絶縁膜34が形成される。第1及び第2トレンチ6、8内で素子分離絶縁膜26及びキャパシタ絶縁膜34上にキャパシタ16の上側電極36が埋め込まれる。また、上側電極36と対向するように、半導体基板2内には、キャパシタ16の下側電極32として機能するP型不純物拡散層が必要に応じて形成される。第1及び第2トレンチ6、8に挟まれた第1トレンチの側面の下側電極(P型不純物拡散層)32の部分は、両トレンチに挟まれたキャパシタ領域としての素子領域表面の下側電極32や第2トレンチ8の側面を包囲する下側電極32の部分を介してMOSトランジスタ14側に電気的に接続される。
The
一方、MOSトランジスタ14は、第2トレンチ8に隣接してN型ウエル4の表面内に形成された一対のP型ソース/ドレイン層42を含む。ソース/ドレイン層42間で、N型ウエル4上には、ゲート絶縁膜44を介してゲート電極46が配設される。ソース/ドレイン層42の一方は、キャパシタ16の下側電極32に電気的に接続される。ソース/ドレイン層42の他方は、コンタクト層43を介してビットラインBLに電気的に接続される。ゲート電極46はワードラインWLに電気的に接続される。
On the other hand, the
このDRAMの製造においては、先ず、第1実施形態の図4を参照して述べたSTIプロセスによって、図9に示される構造を形成する。即ち、半導体基板2のN型ウエル4の表面内に、互いに隣接して第1及び第2トレンチ6、8を形成すると共に、第1及び第2トレンチ6、8内に絶縁膜26、28を埋め込む。
In manufacturing the DRAM, first, the structure shown in FIG. 9 is formed by the STI process described with reference to FIG. 4 of the first embodiment. That is, the first and
次に、図10に示されるように、第1及び第2トレンチ6、8を含む広い範囲に対応する位置に開口53X(図8も参照)を有するマスク層52Xを半導体基板2上に形成する。マスク層52Xは、メモリセル部の第1及び第2トレンチ6、8以外の部分((MOSトランジスタ14に対応する部分等))だけでなく、ロジック部も完全に被覆する状態にある。そして、マスク層52Xをマスクとして用いて、エッチングを行い、第1及び第2トレンチ6、8内の絶縁膜26、28の上側部分を除去して、第1及び第2トレンチ6、8内の底部に絶縁膜26X、28Xを残す。
Next, as shown in FIG. 10, a
次に、図11に示されるように、必要に応じて第1及び第2トレンチ6、8内を通して半導体基板2内にP型キャリア不純物を導入し、N型ウエル4内にキャパシタ16の下側電極32として機能するP型不純物拡散層を形成する。次に、第1及び第2トレンチ6、8内の側面上及びそれらトレンチ外のキャパシタ領域に対応した素子領域表面上にキャパシタ絶縁膜34を形成すると共に、MOSトランジスタ14に対応してN型ウエル4の表面上にゲート絶縁膜44を形成する。
Next, as shown in FIG. 11, a P-type carrier impurity is introduced into the
次に、図11から図12に示されるように、ポリシリコン等の電極材料層56を加工して、第1及び第2トレンチ6、8内でキャパシタ絶縁膜34上にキャパシタ16の上側電極36を埋め込むと共に、MOSトランジスタ14に対応してゲート電極46を形成する。次に、ゲート電極46等をマスクとして、半導体基板2内にP型キャリア不純物を導入し、P型ソース/ドレイン層42を自己整合的に形成する。
Next, as shown in FIGS. 11 to 12, the
上述のように、第2実施形態においては、STI構造6、26及びSTI構造(ダミーSTI構造ということができる)8、28の両者について、絶縁膜26、28の上側部分を除去する。そして、これらのトレンチ6、8内にキャパシタ絶縁膜34及び上側電極36を形成することにより、トレンチ6、8の側面をキャパシタ領域として活用する。この場合、絶縁膜26、28の上側部分全体を一緒に除去するため、マスク層52Xの開口53Xは第1実施形態とは異なりかなり大きなものとなる(図8参照)。従って、第2実施形態におけるマスク層52Xのパターニングは、第1実施形態の細かなパターニングに比べて容易なものとなる。
As described above, in the second embodiment, the upper portions of the insulating
なお、素子分離としての機能(隣接メモリセルのストレッジノード間の分離)を維持するため、少なくとも第1トレンチ6の底部に素子分離絶縁膜を残す必要がある。本実施形態においては、トレンチ6、8内の絶縁膜26、28のエッチングを同じ工程で行っているため、第2トレンチ8の底部にも素子分離絶縁膜が残り、この部分は、キャパシタ領域として利用できない。従って、更に、第1実施形態のマスク層のパターンを使用して第2トレンチ8の絶縁膜28を完全に除去すれば、この部分もキャパシタ領域として利用することができる。
In order to maintain a function as element isolation (isolation between storage nodes of adjacent memory cells), it is necessary to leave an element isolation insulating film at least at the bottom of the
(第3実施形態)
図13は、本発明の第3実施形態に係るDRAM(半導体記憶装置)の複数のメモリセルを含むメモリセル部にエッチングマスクを組み合わせた状態を概略的に示す平面図である。図14乃至図17は、図13に示されるDRAMの製造方法の工程の要部を示す断面図である。図13の破線1MCで包囲される部分が、1メモリセルに対応する。図14乃至図17は、図13のXIV−XIV線に沿った部分の断面を示す。
(Third embodiment)
FIG. 13 is a plan view schematically showing a state in which an etching mask is combined with a memory cell portion including a plurality of memory cells of a DRAM (semiconductor memory device) according to the third embodiment of the present invention. 14 to 17 are cross-sectional views showing the main parts of the steps of the DRAM manufacturing method shown in FIG. A portion surrounded by a broken line 1MC in FIG. 13 corresponds to one memory cell. 14 to 17 show a cross section of a portion along line XIV-XIV in FIG.
このDRAMは、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)トランジスタの典型例であるMOSトランジスタ14及びキャパシタ16を夫々有する複数のメモリセル12と、メモリセル12間を素子分離する素子分離部22Yとを具備する。図13に示されるように、素子分離部22Yは、第1及び第2実施形態の素子分離部22よりもかなり長い。各ビットラインBLに沿って、長い素子分離部22Yと、素子分離部22Y間で2つのメモリセル12がビットラインコンタクト層43を共有するように配置された構成とが、交互に配置される。隣り合うビットラインBL同士では、長い素子分離部22Yと2つのメモリセル12とは、互い違いとなるように配置される。
This DRAM includes a plurality of
図17に示されるように、素子分離部22Yは、半導体基板2のN型ウエル4の表面内に形成された第1トレンチ6とこの中に埋め込まれた素子分離絶縁膜26とを含む。第1トレンチ6内のMOSトランジスタ14近い側の領域7において、素子分離絶縁膜26の部分が除去され、この領域7は、下記のようにキャパシタ領域として利用される。その他の点において、素子分離部22Yの構造、例えば第1トレンチ6の深さや素子分離絶縁膜26の材質は、ロジック部(図示せず)における素子分離部と同一である。
As shown in FIG. 17, the
キャパシタ16は、第1トレンチ6内の上記領域7と、領域7に隣接してN型ウエル4の表面内に形成された第2トレンチ8との側面及び底面を利用して形成される。即ち、領域7及び第2トレンチ8内の側面及び底面上には、キャパシタ絶縁膜34が形成される。領域7及び第2トレンチ8内でキャパシタ絶縁膜34上にキャパシタ16の上側電極36が埋め込まれる。また、上側電極36と対向するように、半導体基板2内には、必要に応じてキャパシタ16の下側電極32として機能するP型不純物拡散層が形成される。
The
一方、MOSトランジスタ14は、第2トレンチ8に隣接してN型ウエル4の表面内に形成された一対のP型ソース/ドレイン層42を含む。ソース/ドレイン層42間で、N型ウエル4上には、ゲート絶縁膜44を介してゲート電極46が配設される。ソース/ドレイン層42の一方は、キャパシタ16の下側電極32に電気的に接続される。ソース/ドレイン層42の他方は、コンタクト層43を介してビットラインBLに電気的に接続される。ゲート電極46はワードラインWLに電気的に接続される。
On the other hand, the
このDRAMの製造においては、先ず、第1実施形態の図4を参照して述べたSTIプロセスによって、図14に示される構造を形成する。即ち、半導体基板2のN型ウエル4の表面内に、互いに隣接して第1及び第2トレンチ6、8を形成すると共に、第1及び第2トレンチ6、8内に絶縁膜26、28を埋め込む。
In manufacturing the DRAM, first, the structure shown in FIG. 14 is formed by the STI process described with reference to FIG. 4 of the first embodiment. That is, the first and
次に、図15に示されるように、第1トレンチ6の領域7から第2トレンチ8に至る範囲に対応する位置にのみ開口53Y(図13も参照)を有するマスク層52Yを半導体基板2上に形成する。マスク層52Yは、メモリセル部の第1トレンチ6の領域7から第2トレンチ8に至る範囲以外の部分(MOSトランジスタ14に対応する部分及び第1トレンチ6の残りの部分等)だけでなく、ロジック部も完全に被覆する状態にある。そして、マスク層52Yをマスクとして用いて、エッチングを行い、領域7に対応する絶縁膜26の部分と第2トレンチ8内の絶縁膜28とを完全に除去する。
Next, as shown in FIG. 15, a
次に、図16に示されるように、必要に応じて第1トレンチ6の領域7から第2トレンチ8を介して半導体基板2内にP型キャリア不純物を導入し、N型ウエル4内にキャパシタ16の下側電極32として機能するP型不純物拡散層を形成する。次に、第1トレンチ6の領域7及び第2トレンチ8内の側面及び底面上にキャパシタ絶縁膜34を形成すると共に、MOSトランジスタ14に対応してN型ウエル4の表面上にゲート絶縁膜44を形成する。
Next, as shown in FIG. 16, a P-type carrier impurity is introduced into the
次に、図16から図17に示されるように、ポリシリコン等の電極材料層56を加工して、第1トレンチ6の領域7及び第2トレンチ8内でキャパシタ絶縁膜34上にキャパシタ16の上側電極36を埋め込むと共に、MOSトランジスタ14に対応してゲート電極46を形成する。次に、ゲート電極46等をマスクとして、半導体基板2内にP型キャリア不純物を導入し、P型ソース/ドレイン層42を自己整合的に形成する。
Next, as shown in FIGS. 16 to 17, the
上述のように、第3実施形態においては、STI構造(ダミーSTI構造ということができる)8、28だけでなく、これに隣接する素子分離用のSTI構造6、26の領域7内で、絶縁膜をトレンチの底部に至るまで全て除去する。そして、これらの部分にキャパシタ絶縁膜34及び上側電極36を形成することにより、より広い範囲でトレンチの側面及び底面をキャパシタ領域として活用する。なお、図13に示されるように、メモリセル12間を分離する素子分離部22Yは長いため、キャパシタ領域として転用できる範囲は大きくなる。
As described above, in the third embodiment, not only the STI structure (which can be called a dummy STI structure) 8 and 28 but also the
第3実施形態において、素子分離用のSTI構造6、26の領域7は、絶縁膜26がトレンチ6の底部に至るまでエッチング除去される。しかし、ストレッジノード間の分離が損なわれる場合は、絶縁膜26のエッチングは別途浅めに抑えることができる。これは、マスクパターンの追加により容易に調整可能である。
In the third embodiment, the
(第1乃至第3実施形態に共通の事項)
第1乃至第3実施形態によれば、メモリセル部に形成したダミーSTI構造を利用して、実効的なキャパシタ領域を増加させる。従って、従来よりも浅い構造を形成するSTIプロセスにおいても十分な蓄積容量を確保できる。ダミーSTI構造が素子領域内に孤立した構造になる場合は、ウエットエッチングを用いても、本来のSTI構造を後退させることなく、ダミーSTI構造の絶縁膜を除去することができる。また、ダミーSTI構造はSTIプロセスによりロジック部のそれと同時に形成することが可能である。従って、ダミーSTI構造を一旦形成した後、ダミーSTI構造の絶縁膜を除去する工程を追加するだけで、上述のような大きな効果を得ることができる。
(Matters common to the first to third embodiments)
According to the first to third embodiments, the effective capacitor region is increased using the dummy STI structure formed in the memory cell portion. Therefore, a sufficient storage capacity can be secured even in the STI process for forming a shallower structure than the conventional one. In the case where the dummy STI structure becomes an isolated structure in the element region, the insulating film of the dummy STI structure can be removed without using the original STI structure, even if wet etching is used. Further, the dummy STI structure can be formed simultaneously with that of the logic portion by the STI process. Therefore, after the dummy STI structure is formed once, the above-described great effect can be obtained only by adding a step of removing the insulating film of the dummy STI structure.
なお、第1及び第2トレンチ6、8間の間隔はできるだけ小さくすることが好ましい。これは、微細化の観点からのだけでなく、リーク電流を減少させるという観点にも基づく。図18及び図19は、2つのトレンチT1、T2の互いに隣接する面がキャパシタ領域と利用される場合の異なる構成を概略的に示す図である。このような状況は、例えば、第2及び第3実施形態で現れる(第1及び第2トレンチ6、8の互いに隣接する面がキャパシタ領域と利用される)。
It is preferable that the distance between the first and
図18に示される構成の場合、トレンチT1、T2間の隙間は狭く、キャパシタ下側電極として機能するP型拡散層DL(P型拡散層DLを伴わない構成の場合はキャパシタ下側電極となるチャネル領域)から延びる空乏層DPによって全て埋められる。この場合、2つのトレンチT1、T2の互いに隣接する側面及びそれらに挟まれたトレンチ外表面のキャパシタ下側電極とN型ウエルNWとの実効的な接触面積は、トレンチT1、T2間の隙間の底部の面積以下となる。一方、図19に示される構成の場合、トレンチT1、T2間の隙間は広く、キャパシタ下側電極と機能するP型拡散層DLから延びる空乏層DPによって全ては埋められない。この場合、P型拡散層DLとN型ウエルNWとの接触面積は、図18の場合に比べてかなり大きくなる。この接触面積が大きいと、接合リーク電流が増加する原因となる。従って、トレンチT1、T2間の間隔は、望ましくは、ここに形成されるP型拡散層から延びる空乏層によって全て埋められる程度、より望ましくは、P型拡散層によって全て埋められる程度に狭く設定されることが好ましい。 In the case of the configuration shown in FIG. 18, the gap between the trenches T1 and T2 is narrow, and the P-type diffusion layer DL functions as the capacitor lower electrode (in the case of the configuration without the P-type diffusion layer DL, it becomes the capacitor lower electrode). All are filled with the depletion layer DP extending from the channel region. In this case, the effective contact area between the capacitor lower electrode on the side surfaces adjacent to each other of the two trenches T1 and T2 and the outer surface of the trench sandwiched between them and the N-type well NW is the gap between the trenches T1 and T2. It becomes below the area of the bottom. On the other hand, in the configuration shown in FIG. 19, the gap between the trenches T1 and T2 is wide and is not completely filled with the depletion layer DP extending from the P-type diffusion layer DL that functions as the capacitor lower electrode. In this case, the contact area between the P-type diffusion layer DL and the N-type well NW is considerably larger than that in the case of FIG. A large contact area causes an increase in junction leakage current. Therefore, the interval between the trenches T1 and T2 is preferably set to be narrow enough to be filled with a depletion layer extending from the P-type diffusion layer formed therein, and more preferably to be filled with a P-type diffusion layer. It is preferable.
(第4実施形態)
図20は、本発明の第4実施形態に係るDRAM(半導体記憶装置)のメモリセル部MCSの1メモリセルとロジック部LGSの1トランジスタとを並べて概略的に示す断面図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 20 is a cross-sectional view schematically showing one memory cell of the memory cell unit MCS and one transistor of the logic unit LGS side by side in a DRAM (semiconductor memory device) according to the fourth embodiment of the present invention.
ロジック部LGSは、トランジスタ70等の複数の半導体素子と半導体素子間を区画する素子分離部72とを具備する。素子分離部72は、半導体基板2の表面内に形成されたトレンチ74とこの中に埋め込まれた素子分離絶縁膜76とを含む。
The logic unit LGS includes a plurality of semiconductor elements such as the
メモリセル部MCSは、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)トランジスタの典型例であるMOSトランジスタ14及びキャパシタ16を夫々有する複数のメモリセル12と、メモリセル12間を素子分離する素子分離部22とを具備する。素子分離部22は、半導体基板2のN型ウエル4の表面内に形成されたトレンチ24とこの中に埋め込まれた素子分離絶縁膜26とを含む。メモリセル部MCSのトレンチ24は、ロジック部LGSのトレンチ74よりも深い。また、MOSトランジスタ14側のトレンチ24の開口端部の縁24aの角度は、緩やかなものとなっている。望ましくは、トレンチ24はトレンチ74よりも20nm〜170nm程度深い。また、MOSトランジスタ14側のトレンチ24の開口端部の縁24aは、その内角が100度〜135度程度の部分で規定されるように形成される。
The memory cell unit MCS includes a plurality of
MOSトランジスタ14に隣接する素子分離絶縁膜26の部分は、一定の膜厚が底部に残るようにエッチングによって除去され、凹部が形成される。この凹部からトレンチ24の開口端部の縁24aを介してMOSトランジスタ14に向かう範囲にキャパシタ絶縁膜34が形成される。更に、キャパシタ絶縁膜34上にはキャパシタ16の上側電極36が配設される。また、上側電極36と対向するように半導体基板2内には、必要に応じて下側電極32として機能するP型不純物拡散層が形成される。
The portion of the element
一方、MOSトランジスタ14は、トレンチ24に隣接してN型ウエル4の表面内に形成された一対のP型ソース/ドレイン層42を含む。ソース/ドレイン層42間で、N型ウエル4上には、ゲート絶縁膜44を介してゲート電極46が配設される。ソース/ドレイン層42の一方は、キャパシタ16の下側電極32に電気的に接続される。ソース/ドレイン層42の他方は、コンタクト層43を介してビットラインBLに電気的に接続される。ゲート電極46はワードラインWLに電気的に接続される。
On the other hand,
図21は、図20に示されるDRAMの製造方法の工程の要部を示す断面図である。この製造方法では、図21に示されるように、先ず、メモリセル部MCS及びロジック部LGSの素子分離部22、72に対応してトレンチを形成するための開口83a、83bを有する、例えばSiNからなるマスク層82を半導体基板2上に形成する。次に、ロジック部LGSを被覆し且つメモリセル部MCSを露出させるレジスト膜84をマスク層82上に形成する。次に、マスク層82及びレジスト膜84をマスクとして、メモリセル部MCSの素子分離部22に対応する半導体基板2の表面に対してCDE(Chemical Dry Etching)等の等方性エッチングを行う。これにより、素子分離部22に対応する半導体基板2の表面のみを予め少し掘り下げて凹部86を形成する。この時、等方性エッチングの機能により、凹部86の側面は、下に向かって中心側に傾斜した状態となる。
FIG. 21 is a cross-sectional view showing the main parts of the steps of the DRAM manufacturing method shown in FIG. In this manufacturing method, as shown in FIG. 21, first,
次に、レジスト膜84を除去した後、通常のSTIプロセスにより、メモリセル部MCS及びロジック部LGSの素子分離部22、72を形成する(図20参照)。即ち、マスク層82をマスクとして、素子分離部22、72に対応する半導体基板2の表面の部分に対して異方性エッチングを行い、素子分離部22、72に夫々対応してトレンチ24、74を形成する。トレンチ24、74の形成後にはプロセスに応じてダメージ除去やトレンチ角部を丸めるための処理(ウエット処理や熱処理)が伴う。次に、トレンチ24、74内に素子分離絶縁膜26、76を埋め込む。
Next, after removing the resist
次に、メモリセル部MCSのトレンチ24内の所定領域における素子分離絶縁膜26の部分を除去して凹部を形成する。次に、必要に応じてこのトレンチ24内の所定領域を通して半導体基板2内にP型キャリア不純物を導入してN型ウエル4内にキャパシタ16の下側電極32として機能するP型不純物拡散層を形成する。次に、このトレンチ24の所定領域からMOSトランジスタ14に向かって、キャパシタ絶縁膜34を形成すると共に、MOSトランジスタ14に対応してN型ウエル4の表面上にゲート絶縁膜44を形成する。
Next, a portion of the element
次に、キャパシタ絶縁膜34上にキャパシタ16の上側電極36を形成する(トレンチ24の所定領域に上側電極36を埋め込む)と共に、MOSトランジスタ14に対応してゲート電極46を形成する。次に、ゲート電極46等をマスクとして、半導体基板2内にP型キャリア不純物を導入し、P型ソース/ドレイン層42を自己整合的に形成する。
Next, the
上述のように、第4実施形態においては、メモリセル部MCSの素子分離部22のトレンチ24を、ロジック部LGSの素子分離部72のトレンチ74よりも深くし、且つ、前者のトレンチ24の側面をキャパシタ領域として活用する。これにより、メモリセル部MCSの素子分離機能を損なうことなく、キャパシタ16の蓄積容量を増大させることができる。また、キャパシタ領域として活用する、MOSトランジスタ14側のトレンチ24の開口端部の縁24aは、角度が緩やかとなるように形成される。これにより、キャパシタ16の耐圧を向上させることができる。
As described above, in the fourth embodiment, the
また、第4実施形態に係る構造は、トレンチの形成に先立って、図21に示すようにメモリセル部MCSだけに等方性エッチングを行う工程を追加するだけである。その前後の工程は、従来のロジック部のSTIプロセスに従って行うことができるため、ロジック部の構造や特性を変えることなく、これらの効果を実現することが可能となる。ただし、キャパシタ16の耐圧的問題が生じない場合は、図21においてメモリセル部MCSだけに行うエッチングを異方性エッチングにするか、等方性(20nm未満の条件も選択できる)と異方性とを組み合わせて適用することが可能である。後者によれば、キャパシタ容量の増加とキャパシタ耐圧の向上のより最適化が可能となる。
In addition, the structure according to the fourth embodiment only adds a step of performing isotropic etching only on the memory cell portion MCS as shown in FIG. 21 prior to the formation of the trench. Since the steps before and after that can be performed according to the conventional STI process of the logic portion, these effects can be realized without changing the structure and characteristics of the logic portion. However, when the breakdown voltage problem of the
図22は、第4実施形態の変形例に係るDRAM(半導体記憶装置)のメモリセル部MCSの1メモリセルとロジック部LGSの1トランジスタとを並べて概略的に示す断面図である。この変形例においては、メモリセル部MCS及びロジック部LGSに夫々トレンチ24、74を形成した後、メモリセル部MCSのトレンチ24だけに対して、CDEなどの等方性エッチングを施すものである。この場合、このため、トレンチ24は深さのみならず幅も広がり、マスク上の設計寸法との差異(いわゆる変換差)がロジック部と異なってくる。しかし、この変形例の場合も、ロジック部のプロセス及び構造を変えることなくメモリセル部の改善を行うことが可能である。
FIG. 22 is a cross-sectional view schematically showing one memory cell in the memory cell unit MCS and one transistor in the logic unit LGS side by side in a DRAM (semiconductor memory device) according to a modification of the fourth embodiment. In this modification, after forming the
第4実施形態の他の変形例として、メモリセル部MCSのトレンチ24だけに対して基板表面を等方性エッチング的に除去する方法として、基板表面に熱酸化膜を形成しても構わない。ただし、この場合は、先ず、メモリセル部MCSだけに素子分離部22に対応したトレンチを形成するための開口83aを有する、例えばSiNからなるマスク層82を半導体基板2上に形成する。その上で、LOCOS(LOCal Oxidation of Si)酸化の要領で熱処理により開口83aの表面に酸化膜を形成する。その後、ロジック部LGSの素子分離部72に対応してトレンチを形成するための開口83bをマスク層82に形成する。そして、開口83a、83bを伴うマスク層82をマスクに通常のSTIプロセスにより、メモリセル部MCS及びロジック部LGSの素子分離部22、72を形成する。なお、開口83a部に形成した熱酸化膜は、STIプロセス前にマスク層82をマスクとしたエッチングにより除去しておくのが望ましい。
As another modified example of the fourth embodiment, a thermal oxide film may be formed on the substrate surface as a method of removing the substrate surface by isotropic etching only with respect to the
図23は、第4実施形態の更に他の変形例に係るDRAMの製造方法の工程の要部を示す断面図である。この変形例においては、キャパシタ形成用の追加エッチングに使用されるレジスト膜84Xが、メモリセル部MCSのキャパシタ16が形成される部分のみを露出させる開口85を有するように構成される。即ち、レジスト膜84Xは、ロジック部LGSを被覆するだけなく、メモリセル部MCSのキャパシタ16以外の部分(例えばMOSトランジスタ14に対応する部分)を被覆する。これにより、メモリセル部MCSのトレンチ24のキャパシタ16以外の部分は、ロジック部LGSのトレンチの対応する部分と同じ形状となる。また、メモリセル部MCSのトランジスタ14は、ロジック部LGSのトランジスタと同じ仕様で形成することが可能となる。
FIG. 23 is a cross-sectional view showing the main parts of the steps of the DRAM manufacturing method according to still another modification of the fourth embodiment. In this modification, the resist
(第1乃至第4実施形態に共通の事項)
第1乃至第4実施形態によれば、MOSトランジスタ14及びキャパシタ16を夫々有する複数のメモリセル12を具備するDRAMにおいて、キャパシタ16の蓄積容量の増加を図ると共に、これに伴う装置の信頼性の低下を防止することができる。
(Items common to the first to fourth embodiments)
According to the first to fourth embodiments, in a DRAM including a plurality of
なお、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば、半導体基板材料、素子分離部の構造や材料、ゲート絶縁膜やキャパシタ絶縁膜の材料(SiO2とSiNの化合膜や複合膜、HaやHfなどの化合物からなる高誘電体膜などでもよい)、ゲート電極や上側電極の材料(ポリシリコンの表面や全体がシリサイド化されていてもよいし、アモルファスシリコンや金属などで構成されてもよい)、トランジスタのタイプ(実施形態ではP−MOSだが、N−MOSでもよい)及びプロセス、配線プロセスなどは、特定のものに限定されず、種々変更可能である。更に、蓄積容量の増加のためのダミートレンチは各メモリセル12に複数個あっても構わない。
It should be noted that various changes and modifications can be conceived by those skilled in the art within the scope of the idea of the present invention, and it is understood that these changes and modifications are also within the scope of the present invention. . For example, it may be a semiconductor substrate material, a structure or material of an element isolation part, a material of a gate insulating film or a capacitor insulating film (a compound film or composite film of SiO 2 and SiN, a high dielectric film made of a compound such as Ha or Hf, etc. ), Material of the gate electrode and upper electrode (the surface or the whole of the polysilicon may be silicided, or may be composed of amorphous silicon, metal, etc.), transistor type (in the embodiment, P-MOS) , N-MOS), processes, wiring processes and the like are not limited to specific ones, and can be variously changed. Furthermore, a plurality of dummy trenches for increasing the storage capacity may be provided in each
また、本発明の第1乃至第4実施形態によれば、MOSトランジスタ14及びキャパシタ16を夫々有する複数のメモリセル12を具備するDRAMにおいて、キャパシタ16の蓄積容量の増加を図ると共に、これに伴う装置の信頼性の低下を防止することができるとしてきたが、メモリセル部以外に用いるキャパシタに対しても適用可能であることを付け加えたい。この場合は、メモリセル以外で用いるキャパシタのパターン面積の縮小やキャパシタ信頼性の向上が可能となる。なお、構成や製造方法は本発明の第1乃至第4の実施例において、メモリセル部をメモリセル以外のキャパシタ部に置き換えることで夫々適用可能である。
In addition, according to the first to fourth embodiments of the present invention, in a DRAM including a plurality of
2…半導体基板、4…N型ウエル、6、8、24、74…トレンチ、12…メモリセル、14…MOSトランジスタ、16…キャパシタ、22、22Y、72…素子分離部、26、26X、76…素子分離絶縁膜、32…下側電極、34…キャパシタ絶縁膜、36…上側電極、42…ソース/ドレイン層、44…ゲート絶縁膜、46…ゲート電極、LGS…ロジック部、MCS…メモリセル部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記素子分離部は、半導体基板の第1表面内に形成された第1トレンチ内に埋め込まれた素子分離絶縁膜を含み、
前記キャパシタは、前記第1トレンチに隣接して前記第1表面内に形成された第2トレンチ内の側面及び底面上に形成されたキャパシタ絶縁膜と、前記第2トレンチ内で前記キャパシタ絶縁膜上に埋め込まれた上側電極と、前記上側電極と対向するように前記半導体基板内に位置する下側電極とを含み、
前記トランジスタは、前記第2トレンチに隣接して前記第1表面内に形成され且つ一方が前記下側電極に電気的に接続された一対のソース/ドレイン層と、前記一対のソース/ドレイン層間でゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に配設されたゲート電極とを含むことを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor memory device comprising: a plurality of memory cells each having a transistor and a capacitor; and an element isolation unit for isolating the memory cells.
The element isolation part includes an element isolation insulating film embedded in a first trench formed in a first surface of a semiconductor substrate,
The capacitor includes a capacitor insulating film formed on a side surface and a bottom surface in the second trench formed in the first surface adjacent to the first trench, and on the capacitor insulating film in the second trench. An upper electrode embedded in the semiconductor substrate, and a lower electrode located in the semiconductor substrate so as to face the upper electrode,
The transistor includes a pair of source / drain layers formed in the first surface adjacent to the second trench and one of which is electrically connected to the lower electrode, and the pair of source / drain layers. And a gate electrode disposed on the semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween.
前記素子分離部は、半導体基板の第1表面内に互いに隣接して形成された第1及び第2トレンチ内の底部に埋め込まれた素子分離絶縁膜を含み、
前記キャパシタは、前記第1及び第2トレンチ内の側面上に形成されたキャパシタ絶縁膜と、前記第1及び第2トレンチ内で前記素子分離絶縁膜及び前記キャパシタ絶縁膜上に埋め込まれた上側電極と、前記上側電極と対向するように前記半導体基板内に位置する下側電極とを含み、
前記トランジスタは、前記第2トレンチに隣接して前記第1表面内に形成され且つ一方が前記下側電極に電気的に接続された一対のソース/ドレイン層と、前記一対のソース/ドレイン層間でゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に配設されたゲート電極とを含むことを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor memory device comprising: a plurality of memory cells each having a transistor and a capacitor; and an element isolation unit for isolating the memory cells.
The element isolation part includes an element isolation insulating film embedded in the bottom of the first and second trenches formed adjacent to each other in the first surface of the semiconductor substrate,
The capacitor includes a capacitor insulating film formed on side surfaces in the first and second trenches, and an upper electrode embedded in the element isolation insulating film and the capacitor insulating film in the first and second trenches. And a lower electrode positioned in the semiconductor substrate so as to face the upper electrode,
The transistor includes a pair of source / drain layers formed in the first surface adjacent to the second trench and one of which is electrically connected to the lower electrode, and the pair of source / drain layers. And a gate electrode disposed on the semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween.
前記素子分離部は、半導体基板の第1表面内に形成された第1トレンチ内に埋め込まれた素子分離絶縁膜を含み、
前記キャパシタは、前記第1トレンチに隣接して前記第1表面内に形成された第2トレンチ内及び前記第2トレンチに近い側の前記第1トレンチの領域内の側面及び底面上に形成されたキャパシタ絶縁膜と、前記第1及び第2トレンチ内で前記キャパシタ絶縁膜上に埋め込まれた上側電極と、前記上側電極と対向するように前記半導体基板内に位置する下側電極とを含み、
前記トランジスタは、前記第2トレンチに隣接して前記第1表面内に形成され且つ一方が前記下側電極に電気的に接続された一対のソース/ドレイン層と、前記一対のソース/ドレイン層間でゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に配設されたゲート電極とを含むことを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor memory device comprising: a plurality of memory cells each having a transistor and a capacitor; and an element isolation unit for isolating the memory cells.
The element isolation part includes an element isolation insulating film embedded in a first trench formed in a first surface of a semiconductor substrate,
The capacitor is formed on a side surface and a bottom surface in a second trench formed in the first surface adjacent to the first trench and in a region of the first trench on a side close to the second trench. A capacitor insulating film, an upper electrode embedded on the capacitor insulating film in the first and second trenches, and a lower electrode positioned in the semiconductor substrate so as to face the upper electrode,
The transistor includes a pair of source / drain layers formed in the first surface adjacent to the second trench and one of which is electrically connected to the lower electrode, and the pair of source / drain layers. And a gate electrode disposed on the semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween.
半導体基板の第1表面内に互いに隣接して第1及び第2トレンチを形成する工程と、
前記第1及び第2トレンチ内に素子分離絶縁膜を埋め込む工程と、
前記第2トレンチ内の所定領域における前記素子分離絶縁膜の部分を除去する工程と、
前記第2トレンチ内の前記所定領域上にキャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
前記第2トレンチ内で前記キャパシタ絶縁膜上にキャパシタ上側電極を埋め込む工程と、
を具備することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising: a plurality of memory cells each having a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) transistor and a capacitor; and an element isolation portion for isolating the memory cells.
Forming first and second trenches in the first surface of the semiconductor substrate adjacent to each other;
Embedding an element isolation insulating film in the first and second trenches;
Removing a portion of the element isolation insulating film in a predetermined region in the second trench;
Forming a capacitor insulating film on the predetermined region in the second trench;
Embedding a capacitor upper electrode on the capacitor insulating film in the second trench;
A method of manufacturing a semiconductor memory device, comprising:
前記第1及び第2素子分離部に対応してトレンチを形成するための開口部を有するマスク層を半導体基板の第1表面上に形成する工程と、
前記ロジック部を被覆し且つ前記メモリセル部を露出させるレジスト膜を前記マスク層上に形成する工程と、
前記マスク層及び前記レジスト膜をマスクとして、前記第1素子分離部に対応する前記第1表面の部分に対して等方性エッチングを行って掘り下げる工程と、
前記レジスト膜を除去した後、前記マスク層をマスクとして、前記第1及び第2素子分離部に対応する前記第1表面の部分に対して異方性エッチングを行い、前記第1及び第2素子分離部に夫々対応して第1及び第2トレンチを形成する工程と、
前記第1及び第2トレンチ内に素子分離絶縁膜を埋め込む工程と、
前記第1トレンチ内の所定領域における前記素子分離絶縁膜の部分を除去する工程と、
前記第1トレンチ内の前記所定領域上にキャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
前記第1トレンチ内で前記キャパシタ絶縁膜上にキャパシタ上側電極を埋め込む工程と、
を具備することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 A memory cell unit including a plurality of memory cells each having a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) transistor and a capacitor; a first element isolation unit for isolating the memory cells; and a plurality of semiconductor elements between the semiconductor elements And a logic part including a second element isolation part that partitions the semiconductor memory device,
Forming a mask layer having an opening for forming a trench corresponding to the first and second element isolation portions on the first surface of the semiconductor substrate;
Forming a resist film on the mask layer that covers the logic part and exposes the memory cell part;
Using the mask layer and the resist film as a mask, performing isotropic etching on the portion of the first surface corresponding to the first element isolation portion,
After removing the resist film, anisotropic etching is performed on the first surface portion corresponding to the first and second element isolation portions using the mask layer as a mask, and the first and second elements Forming first and second trenches corresponding to the isolation parts,
Embedding an element isolation insulating film in the first and second trenches;
Removing a portion of the element isolation insulating film in a predetermined region in the first trench;
Forming a capacitor insulating film on the predetermined region in the first trench;
Embedding a capacitor upper electrode on the capacitor insulating film in the first trench;
A method of manufacturing a semiconductor memory device, comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007022709A JP2008192676A (en) | 2007-02-01 | 2007-02-01 | Semiconductor memory device and manufacturing method thereof |
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JP2007022709A Pending JP2008192676A (en) | 2007-02-01 | 2007-02-01 | Semiconductor memory device and manufacturing method thereof |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011502351A (en) * | 2007-10-31 | 2011-01-20 | アギア システムズ インコーポレーテッド | Method for reducing trench capacitor leakage current in random access memory devices |
-
2007
- 2007-02-01 JP JP2007022709A patent/JP2008192676A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2011502351A (en) * | 2007-10-31 | 2011-01-20 | アギア システムズ インコーポレーテッド | Method for reducing trench capacitor leakage current in random access memory devices |
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