JP2010171043A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - 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等に関し、特に従来の容量素子を搭載した半導体装置と比較し、単位面積あたりの容量を増加させた容量素子を搭載することができる半導体装置及びその製造方法等に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a manufacturing method thereof, and the like, and more particularly, to a semiconductor device capable of mounting a capacitor element having a capacity per unit area increased as compared with a conventional semiconductor device mounting a capacitor element, and a manufacturing method thereof. Etc.
図10は、従来の半導体装置を示す平面図である。図8(a)〜(d)及び図9(a)〜(d)は、図10に示すC−C'部に相当する断面図であり、従来の半導体装置の製造方法を説明する為の図である。また、図10に示す半導体装置は、容量素子(PIPキャパシタ)とトランジスタの混載製品である。 FIG. 10 is a plan view showing a conventional semiconductor device. FIGS. 8A to 8D and FIGS. 9A to 9D are cross-sectional views corresponding to the CC ′ portion shown in FIG. 10 for explaining a conventional method for manufacturing a semiconductor device. FIG. In addition, the semiconductor device illustrated in FIG. 10 is a mixed product of a capacitor (PIP capacitor) and a transistor.
まず、図8(a)に示すように、シリコン基板51に素子分離膜であるSTI膜52を埋め込む。次いで、トランジスタ形成領域71のシリコン基板51上にゲート絶縁膜53を形成する。
First, as shown in FIG. 8A, an
次いで、図8(b)に示すように、STI膜52及びゲート絶縁膜53上に、キャパシタ下部電極及びゲート電極となる第1のポリシリコン膜54を形成する。その後、図8(c)に示すように、第1のポリシリコン膜54に高濃度リンイオン57をイオン注入し、活性化する。
Next, as shown in FIG. 8B, a
次いで、図8(d)に示すように、シリコン基板51を熱酸化することにより、第1のポリシリコン膜54の表面に容量絶縁膜62を形成する。その後、キャパシタ上部電極となる第2のポリシリコン膜63を形成する。
Next, as shown in FIG. 8D, the
次いで、図9(a)に示すように、第2のポリシリコン膜63に高濃度リンイオン64をイオン注入する。その後、図9(b)に示すように、第2のポリシリコン膜63上にキャップ膜65を形成する。次いで、シリコン基板51に熱処理を施すことにより、第2のポリシリコン膜63をイオン活性化させる。
Next, as shown in FIG. 9A, high-concentration phosphorus ions 64 are ion-implanted into the
次いで、図9(c)に示すように、キャップ膜65にフォトリソグラフィー法により、第1のレジストパターン66を形成し、この第1のレジストパターン66をマスクとして、エッチング法によりキャップ膜65及び第2のポリシリコン膜63を加工する。これにより、キャパシタ形成領域72には、キャパシタ上部電極63aが形成される。その後、第1のレジストパターン66を剥離する。
Next, as shown in FIG. 9C, a
次いで、図9(d)に示すように、容量絶縁膜62及びキャップ膜65を含む全面にフォトリソグラフィー法及びエッチング法により、容量絶縁膜62及び第1のポリシリコン膜54を加工する。これにより、トランジスタ形成領域71及びキャパシタ形成領域72には、それぞれゲート電極54b及びキャパシタ下部電極54aが同時に形成される。
Next, as shown in FIG. 9D, the capacitive
次いで、ゲート電極54b及びキャパシタ下部電極54a上に層間絶縁膜68を形成する。次いで、フォトリソグラフィー法及びエッチング法にて、層間絶縁膜68内にコンタクトホールを形成する。このコンタクトホール内にWプラグ67a、67b、67c、67dを埋め込み、Wプラグ67a、67b、67c、67d及び層間絶縁膜68上に配線層(図示せぬ)を形成する。これにより、トランジスタ形成領域71及びキャパシタ形成領域72において、配線層とゲート電極54b及びキャパシタ下部電極54aが電気的に接続される(例えば特許文献1参照)。
Next, an interlayer
従来、容量素子における単位面積あたりの容量を向上するために、容量絶縁膜の薄膜化などによる容量絶縁膜変更や、容量素子の形状を3次元構造化などによる容量素子形状の変更などが、一般的な方法として考えられる。しかし、半導体装置のチップサイズ縮小によるコスト低減を目的とした場合は、単位面積あたりの高容量化によって容量素子占有領域の縮小を実施する必要がある。この際に、上述した容量絶縁膜の変更は、電極間耐圧に制限される為、十分な容量の向上は望めない。また、容量素子形状の変更は、追加の3次元構造加工により、大幅にマスク数が増加してしまう。このように、容量素子において、マスク数を増加させずに単位面積あたりの容量を向上させることが困難となっている。 Conventionally, in order to improve the capacity per unit area in a capacitive element, changing the capacitive insulating film by reducing the thickness of the capacitive insulating film or changing the capacitive element shape by making the shape of the capacitive element three-dimensional, etc. Can be considered as a practical method. However, in order to reduce the cost by reducing the chip size of the semiconductor device, it is necessary to reduce the capacity element occupation region by increasing the capacity per unit area. At this time, since the change of the capacitance insulating film described above is limited to the inter-electrode breakdown voltage, a sufficient improvement in capacitance cannot be expected. In addition, the change in the shape of the capacitive element greatly increases the number of masks due to the additional three-dimensional structure processing. Thus, it is difficult to improve the capacitance per unit area without increasing the number of masks in the capacitive element.
本発明は上述したことを考慮してなされたものであり、本発明に係る態様は、従来の容量素子を搭載した半導体装置と比較し、単位面積あたりの容量を増加させた容量素子を搭載することができる半導体装置及びその製造方法等である。 The present invention has been made in view of the above, and an aspect according to the present invention is equipped with a capacitive element having an increased capacity per unit area compared to a semiconductor device equipped with a conventional capacitive element. A semiconductor device that can be manufactured and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板に素子分離膜を形成する工程と、
前記半導体基板の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜及び前記素子分離膜の上に第1のポリシリコン膜を形成する工程と、
前記第1のポリシリコン膜上に酸化防止膜を形成する工程と、
前記素子分離膜の上方に位置する前記酸化防止膜を除去する工程と、
前記素子分離膜上に位置する前記第1のポリシリコン膜に不純物イオンを注入する工程と、
前記第1のポリシリコン膜に熱酸化処理を施すことにより、前記素子分離膜上に位置する前記第1のポリシリコン膜の表面に第1の酸化膜を形成するとともに、前記第1のポリシリコン膜に固溶限を超えた不純物の原子が析出したグレインを形成する工程と、
前記グレイン及び前記第1の酸化膜を除去することにより、前記素子分離膜上に前記第1のポリシリコン膜を貫通する空隙又は貫通しない空隙を有する多孔質シリコン膜を形成する工程と、
前記酸化防止膜をマスクとした熱酸化法により前記空隙内の表面を含む前記多孔質シリコン膜の表面上に容量絶縁膜を形成する工程と、
前記酸化防止膜を除去することにより前記ゲート絶縁膜上に位置する前記第1のポリシリコン膜を露出させる工程と、
前記第1のポリシリコン膜上、前記容量絶縁膜上及び前記空隙内に第2のポリシリコン膜を形成する工程と、
前記第2のポリシリコン膜をCMP法又はエッチバック法によって除去することにより、前記ゲート絶縁膜の上方に位置する前記第1のポリシリコン膜を露出させるとともに前記容量絶縁膜上に位置する第2のポリシリコン膜を残存させる工程と、
を具備することを特徴とする。
In order to solve the above problems, a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a step of forming an element isolation film over a semiconductor substrate;
Forming a gate insulating film on the surface of the semiconductor substrate;
Forming a first polysilicon film on the gate insulating film and the element isolation film;
Forming an antioxidant film on the first polysilicon film;
Removing the antioxidant film located above the element isolation film;
Implanting impurity ions into the first polysilicon film located on the element isolation film;
By subjecting the first polysilicon film to a thermal oxidation process, a first oxide film is formed on the surface of the first polysilicon film located on the element isolation film, and the first polysilicon film is formed. Forming a grain in which atoms of impurities exceeding the solid solubility limit are deposited on the film;
Removing the grains and the first oxide film to form a porous silicon film having a gap penetrating or not penetrating the first polysilicon film on the element isolation film;
Forming a capacitive insulating film on the surface of the porous silicon film including the surface in the void by a thermal oxidation method using the antioxidant film as a mask;
Exposing the first polysilicon film located on the gate insulating film by removing the antioxidant film;
Forming a second polysilicon film on the first polysilicon film, on the capacitive insulating film, and in the gap;
By removing the second polysilicon film by a CMP method or an etch back method, the first polysilicon film located above the gate insulating film is exposed and the second polysilicon film located on the capacitor insulating film is exposed. A step of leaving the polysilicon film of
It is characterized by comprising.
上記半導体装置の製造方法によれば、前記素子分離膜上に前記第1のポリシリコン膜を貫通する空隙又は貫通しない空隙を有する多孔質シリコン膜を形成している。これにより、多孔質シリコン膜の表面積を大幅に増加させることが可能となる。この多孔質シリコン膜の表面上に容量絶縁膜が形成される為、この容量絶縁膜と同一の容量絶縁膜を使用した従来の容量素子と比較して単位面積あたりの容量を増加さることができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device, a porous silicon film having a gap penetrating or not penetrating the first polysilicon film is formed on the element isolation film. Thereby, the surface area of the porous silicon film can be greatly increased. Since a capacitive insulating film is formed on the surface of the porous silicon film, the capacity per unit area can be increased as compared with a conventional capacitive element using the same capacitive insulating film as the capacitive insulating film. .
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記第2のポリシリコン膜をCMP法又はエッチバック法によって除去する工程の後に、
前記第1及び第2のポリシリコン膜に不純物イオンをイオン注入する工程と、
前記第1及び第2のポリシリコン膜の表面に熱酸化法により第2の酸化膜を形成する工程と、
前記第2の酸化膜及び前記第1のポリシリコン膜を加工することにより、前記ゲート絶縁膜上に前記第1のポリシリコン膜からなるゲート電極を形成するとともに、前記素子分離膜上に容量素子を形成する工程と、
を具備し、
前記容量素子は、前記多孔質シリコン膜を含む下部電極、前記容量絶縁膜及び前記第2のポリシリコン膜からなる上部電極を有することが好ましい。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after the step of removing the second polysilicon film by a CMP method or an etch back method,
Ion-implanting impurity ions into the first and second polysilicon films;
Forming a second oxide film on the surfaces of the first and second polysilicon films by a thermal oxidation method;
A gate electrode made of the first polysilicon film is formed on the gate insulating film by processing the second oxide film and the first polysilicon film, and a capacitive element is formed on the element isolation film. Forming a step;
Comprising
The capacitive element preferably includes a lower electrode including the porous silicon film, an upper electrode including the capacitive insulating film and the second polysilicon film.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、絶縁膜上にポリシリコン膜を形成する工程と、
前記ポリシリコン膜に不純物イオンを注入する工程と、
前記ポリシリコン膜に熱酸化処理を施すことにより、前記ポリシリコン膜の表面に酸化膜を形成するとともに、前記ポリシリコン膜に固溶限を超えた不純物の原子が析出したグレインを形成する工程と、
前記グレイン及び前記酸化膜を除去することにより、前記絶縁膜上に前記ポリシリコン膜を貫通する空隙又は貫通しない空隙を有する多孔質シリコン膜を形成する工程と、
前記空隙内の表面を含む前記多孔質シリコン膜の表面上に容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜上及び前記空隙内に導電膜を形成する工程と、
を具備することを特徴とする。
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a polysilicon film on an insulating film,
Implanting impurity ions into the polysilicon film;
Performing a thermal oxidation process on the polysilicon film to form an oxide film on the surface of the polysilicon film and forming grains in which impurities atoms exceeding a solid solubility limit are deposited on the polysilicon film; ,
Removing the grains and the oxide film to form a porous silicon film having a void penetrating or not penetrating the polysilicon film on the insulating film;
Forming a capacitive insulating film on the surface of the porous silicon film including the surface in the void;
Forming a conductive film on the capacitive insulating film and in the gap;
It is characterized by comprising.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記不純物イオンはリンイオンであり、前記不純物の原子はリンの原子であることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the impurity ions are phosphorus ions, and the atoms of the impurities are phosphorus atoms.
本発明に係る半導体装置は、半導体基板に形成された素子分離膜と、
前記半導体基板の表面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成された第1のポリシリコン膜からなるゲート電極と、
前記素子分離膜上に形成された容量素子と、
を具備し、
前記容量素子は、
前記素子分離膜上に形成され、前記第1のポリシリコン膜に貫通する空隙又は貫通しない空隙が形成された多孔質シリコン膜及び前記第1のポリシリコン膜を含む下部電極と、
前記空隙内の表面を含む前記多孔質シリコン膜の表面上に形成された容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜上及び前記空隙内に形成された第2のポリシリコン膜からなる上部電極と、
を有することを特徴とする。
A semiconductor device according to the present invention includes an element isolation film formed on a semiconductor substrate,
A gate insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate;
A gate electrode made of a first polysilicon film formed on the gate insulating film;
A capacitive element formed on the element isolation film;
Comprising
The capacitive element is
A lower electrode including a porous silicon film formed on the element isolation film and having a void penetrating or not penetrating the first polysilicon film, and the first polysilicon film;
A capacitive insulating film formed on the surface of the porous silicon film including the surface in the void;
An upper electrode made of a second polysilicon film formed on the capacitive insulating film and in the gap;
It is characterized by having.
本発明に係る半導体装置は、絶縁膜上に形成された、ポリシリコン膜を貫通する空隙又は貫通しない空隙を有する多孔質シリコン膜と、
前記空隙内の表面を含む前記多孔質シリコン膜の表面上に形成された容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜上及び前記空隙内に形成された導電膜と、
を具備することを特徴とする。
A semiconductor device according to the present invention is formed on an insulating film, a porous silicon film having a gap that penetrates or does not penetrate a polysilicon film,
A capacitive insulating film formed on the surface of the porous silicon film including the surface in the void;
A conductive film formed on the capacitive insulating film and in the gap;
It is characterized by comprising.
以下、図を参照して本発明の実施形態について説明する。
図7は、本発明の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図1(a)〜(d)、図2(a)〜(d)、図3(a)〜(d)及び図4(a)〜(d)は、図7に示すB−B'部に相当する断面図であり、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する為の図である。また、図5(a)〜(d)及び図6(a)〜(c)は、半導体装置の製造工程を説明する断面図に対応する切断面を示す図である。また、図7に示す半導体装置は、容量素子(PIPキャパシタ)形成領域22とトランジスタ形成領域21の混載した製品である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 7 is a plan view showing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 1 (a) to (d), FIGS. 2 (a) to (d), FIGS. 3 (a) to (d), and FIGS. FIG. 6 is a cross-sectional view corresponding to, illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIGS. 5A to 5D and FIGS. 6A to 6C are cross-sectional views corresponding to cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the semiconductor device. The semiconductor device shown in FIG. 7 is a product in which a capacitor element (PIP capacitor)
まず、図1(a)に示すように、シリコン基板1に素子分離膜であるSTI膜2を埋め込み形成する。次いで、トランジスタ形成領域21において、熱酸化法にてシリコン基板1上にゲート絶縁膜3を形成する。
First, as shown in FIG. 1A, an
次いで、図1(b)に示すように、STI膜2及びゲート絶縁膜3を含む基板の全面上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法にてキャパシタ下部電極及びゲート電極となる第1のポリシリコン膜4aを形成する。
Next, as shown in FIG. 1B, a first polysilicon film to be a capacitor lower electrode and a gate electrode is formed on the entire surface of the substrate including the
次いで、図1(c)に示すように、第1のポリシリコン膜4a上にCVD法により酸化防止膜5を形成する。この酸化防止膜5は、絶縁膜であれば良く、例えば窒化ケイ素膜又は炭化ケイ素膜などが用いられる。
Next, as shown in FIG. 1C, an
次いで、図1(d)に示すように、酸化防止膜5上にフォトリソグラフィー法により第1のレジストパターン6を形成する。第1のレジストパターン6は、容量素子形成領域22を開口するようにパターン形成される。
Next, as shown in FIG. 1D, a first resist
次いで、図2(a)に示すように、第1のレジストパターン6をマスクとしてエッチング法により酸化防止膜5を加工する。これにより、容量素子形成領域22において、酸化防止膜5が除去され、第1のポリシリコン膜4aが露出する。
Next, as shown in FIG. 2A, the
次いで、図2(b)に示すように、第1のレジストパターン6をマスクとして第1のポリシリコン膜4aに高ドーズ量のリンイオン7をイオン注入する。この際に、容量素子形成領域22において、露出している第1のポリシリコン膜4aのみに高ドーズ量のリンイオン7がイオン注入される。その為、イオン注入された容量素子形成領域22の第1のポリシリコン膜4aは、リン濃度がかなり高い状態にあるか、もしくは固溶限に近い状態にある。また、イオン注入の際に、トランジスタ形成領域21の第1のポリシリコン膜4aは、第1のレジストパターン6及び酸化防止膜5で覆われている為、リンイオン7がイオン注入されることはなく、通常のゲート電極用ポリシリコン膜として使用可能となっている。
Next, as shown in FIG. 2B, high dose phosphorus ions 7 are ion-implanted into the
図5(a)は、図2(c)に示す断面図をA1−A1'部で切断し、切断面を上面から表した図である。
次いで、図2(c)及び図5(a)に示すように、第1のレジストパターン6を剥離する。次いで、シリコン基板1に熱酸化処理を施すことにより、イオン注入した部分の第1のポリシリコン膜4aをイオン活性化させることにより、第1の活性化シリコン膜8を形成するとともに、酸化防止膜5で覆われていない第1の活性化シリコン膜8上には熱酸化膜10が形成される。また、この容量素子形成領域22における第1の活性化シリコン膜8がキャパシタ下部電極の一部となる。この際に、酸化された第1の活性化シリコン膜8において上面近傍のリン原子が酸化されていない第1の活性化シリコン膜8の下層部へ分散して移動する。これにより、固溶限を超えたリン原子が析出し、異常成長したグレイン9を形成する。
FIG. 5A is a view in which the cross-sectional view shown in FIG. 2C is cut along A1-A1 ′ and the cut surface is shown from the top.
Next, as shown in FIGS. 2C and 5A, the first resist
上述した異常成長したグレイン9の形成密度は、第1のポリシリコン膜4aへイオン注入するドーズ量によってコントロールが可能となる。例えば、0.2μmの厚さで第1のポリシリコン膜4aを形成し、ドーズ量4×1016ions/cm2でイオン注入し、グレイン9を形成する。この際に、形成されるグレイン9の形状は筒状となることが多いが、四角柱であると仮定して平均グレイン析出サイズ(四角柱の上面の縦の長さ×横の長さ)及び平均グレイン析出頻度(単位面積当たりグレインが析出する平均個数)を算出すると、平均グレイン析出サイズが0.5×0.1μmとなり、平均グレイン析出頻度が2ケ/μm2となる。
The formation density of the abnormally grown
図5(b)は、図2(d)に示す断面図をA2−A2'部で切断し、切断面を上面から表した図である。
次いで、図2(d)及び図5(b)に示すように、シリコン基板1に薬液処理を施すことによって、熱酸化膜10及びグレイン9を除去する。これにより、第1の活性化シリコン膜8には第1の活性化シリコン膜8を貫通する空隙部11が形成され、多孔質シリコン8aとなる。この際に、薬液処理には、例えば薬液にアンモニア過水(APM)が用いられる。
FIG. 5B is a view in which the cross-sectional view shown in FIG.
Next, as shown in FIGS. 2D and 5B, the
上述した空隙部11の形成により、多孔質シリコン膜8aにおいて露出する表面積が大幅に増加する。多孔質シリコン膜8aの表面積の増加率を例えば上述したグレイン9の形成密度の場合において説明する。まず、上述したグレイン9の形成密度によると、1μm2当たり2ケのグレイン9が析出し、グレイン9の上面部の面積[μm2]が0.5μm×0.1μmである。また、第1のポリシリコン膜4aが0.2μmの厚さで形成されているため、空隙部11の高さも0.2μmとなる。単位面積(1μm2)に形成された空隙部11の内部の表面積[μm2]が(0.5μm+0.1μm)×2×0.2μm×2個となる。単位面積(1μm2)に形成された多孔質シリコン膜8aの上面の面積[μm2]は、空隙部11が無い従来の上面の面積1μm2から空隙部11による孔の面積を差し引いて算出すると、1μm2−0.5μm×0.1μm×2個となる。このことから、上記の空隙部11の内部の表面積と多孔質シリコン膜8aの上面の面積を加算すると全体の表面積が1.38μm2となり、空隙部11が無い従来の上面積1μm2と比較して、空隙部11が形成されることによって全体の表面積が38%の増加となる。
Due to the formation of the void 11 described above, the surface area exposed in the
図5(c)は、図3(a)に示す断面図をA3−A3'部で切断し、切断面を上面から表した図である。
次いで、図3(a)及び図5(c)に示すように、シリコン基板1に熱酸化処理を施すことにより、容量素子形成領域22において露出している多孔質シリコン膜8aの表面に容量絶縁膜12を形成する。また、容量素子形成領域22以外には、酸化防止膜5が形成されている為、容量絶縁膜12が形成されることはない。
FIG.5 (c) is the figure which cut | disconnected sectional drawing shown to Fig.3 (a) by A3-A3 'part, and represented the cut surface from the upper surface.
Next, as shown in FIGS. 3A and 5C, by subjecting the
次いで、図3(b)に示すように、シリコン基板1に薬液処理を施すことによって、酸化防止膜5を除去する。
Next, as shown in FIG. 3B, the
図5(d)は、図3(c)に示す断面図をA4−A4'部で切断し、切断面を上面から表した図である。
次いで、図3(c)及び図5(d)に示すように、第1のポリシリコン膜4a及び容量絶縁膜12を含む基板の全面上にCVD法にてキャパシタ上部電極となる第2のポリシリコン膜13を形成する。また、第2のポリシリコン膜13は、空隙部11内にも埋め込まれる。
FIG.5 (d) is the figure which cut | disconnected sectional drawing shown in FIG.3 (c) by A4-A4 'part, and represented the cut surface from the upper surface.
Next, as shown in FIG. 3C and FIG. 5D, a second polysilicon film that becomes a capacitor upper electrode is formed on the entire surface of the substrate including the
次いで、図3(d)に示すように、CMP法又はエッチバック法により、第2のポリシリコン膜13を除去する。これにより、ゲート絶縁膜3の上方に位置する第1のポリシリコン膜4aを露出させるとともに容量絶縁膜12上に位置する第2のポリシリコン膜13を残存させる。
Next, as shown in FIG. 3D, the
次いで、図4(a)に示すように、第1のポリシリコン膜4a及び第2のポリシリコン膜13に不純物イオン14をイオン注入する。
Next, as shown in FIG. 4A,
図6(a)は、図4(b)に示す断面図をA5−A5'部で切断し、切断面を上面から表した図である。
次いで、図4(b)及び図6(a)に示すように、シリコン基板1に熱酸化処理を施すことにより、第1のポリシリコン膜4a及び第2のポリシリコン膜13をイオン活性化する。これにより、第2のポリシリコン膜からなるキャパシタ上部電極13aが形成され、第1のポリシリコン膜の不純物イオンが活性かされた第2の活性化シリコン膜4bが形成されるとともに、キャパシタ上部電極13a及び第2の活性化シリコン膜4b上に酸化膜15が形成される。これにより、キャパシタ上部電極13aは、容量絶縁膜12及び酸化膜15によって覆われ、第2の活性化シリコン膜4b及び多孔質シリコン膜8aから完全に切り離される。
Fig.6 (a) is the figure which cut | disconnected the cross section shown in FIG.4 (b) by A5-A5 'part, and represented the cut surface from the upper surface.
Next, as shown in FIGS. 4B and 6A, the
図6(b)は、図4(c)に示す断面図をA6−A6'部で切断し、切断面を上面から表した図である。
次いで、図4(c)及び図6(b)に示すように、酸化膜15上にフォトリソグラフィー法により、第2のレジストパターン16を形成する。この第2のレジストパターン16をマスクとしてエッチング法により酸化膜15及び第2の活性化シリコン膜4bを加工する。これにより、容量素子形成領域22には、多孔質シリコン膜8を含んだキャパシタ下部電極4cが形成されるとともに、トランジスタ形成領域21にはゲート電極4dが形成される。その後、第2のレジストパターン16を剥離する。
FIG. 6B is a view in which the cross-sectional view shown in FIG.
Next, as shown in FIGS. 4C and 6B, a second resist
図6(c)は、図4(d)に示す断面図をA7−A7'部で切断し、切断面を上面から表した図である。
次いで、図4(d)及び図6(c)に示すように、CVD法により酸化膜15を含む基板の全面上に層間絶縁膜18を形成する。次いで、フォトリソグラフィー法及びエッチング法にて層間絶縁膜18及び酸化膜15にコンタクトホールを形成する。このコンタクトホール内にW膜を埋め込むことにより、Wプラグ17a、17b、17c及び17dが形成される。その後、Wプラグ17a、17b、17c、17d及び層間絶縁膜18上に配線層(図示せぬ)を形成する。これにより、容量素子形成領域22においてキャパシタ上部電極13a及びキャパシタ下部電極4cそれぞれが前記配線層と電気的に接続され、トランジスタ形成領域21において前記配線層とゲート電極4dが電気的に接続される。
FIG. 6C is a diagram in which the cross-sectional view shown in FIG. 4D is cut along A7-A7 ′ and the cut surface is shown from the top.
Next, as shown in FIGS. 4D and 6C, an
以上、本発明の実施形態によれば、容量素子形成領域22において、キャパシタ下部電極となる第1のポリシリコン膜4aにイオン注入し、熱酸化処理を施すことにより、第1の活性化シリコン膜8を形成するとともに、グレイン9を発生させている。その後、このグレイン9を薬液処理によって除去することで空隙部11を形成し、多孔質シリコン膜8aを形成している。これにより、多孔質シリコン膜8aの表面積を大幅に増加させることが可能となる。例えば、0.2μmの厚さで第1のポリシリコン膜4aを形成し、ドーズ量4×1016ions/cm2でイオン注入した場合は、多孔質シリコン膜8aにおいて全体の表面積を38%増加させることができる。この多孔質シリコン膜8aの表面上に容量絶縁膜12が形成される為、この容量絶縁膜12と同一の容量絶縁膜を使用した従来の容量素子と比較して約38%の容量増加が達成されることとなる。その結果、マスク数を増加させずに単位面積あたりの容量を向上させることが可能となる。
As described above, according to the embodiment of the present invention, the first activated silicon film is formed by ion-implanting and performing thermal oxidation on the
また、キャパシタ上部電極13aは、キャパシタ下部電極4cの膜厚内に収まっており、ゲート電極4dの膜厚とほぼ同等となる。つまり、従来のキャパシタ構造と比較してキャパシタ上部電極13aの膜厚段差を解消することが可能となる。これにより、ゲート電極4d及びキャパシタ下部電極4cを加工するために形成される第2のレジストパターン16の膜厚差を、トランジスタ形成領域21及び容量素子形成領域22において低減することができる。その結果、容量素子形成領域22近傍におけるゲート電極4dの寸法ばらつきを抑制することが可能となる。また、従来のキャパシタ構造では、キャパシタ上部電極の膜厚段差によって、コンタクトホール形成時にコンタクト突き抜けの恐れがあったが、キャパシタ上部電極の膜厚段差を解消することにより、上述した問題も解消される。
Further, the capacitor
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施形態では、キャパシタ上部電極を第2のポリシリコン膜13によって形成しているが、キャパシタ上部電極を他の導電膜によって形成することも可能である。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, the capacitor upper electrode is formed by the
また、上記実施形態では、酸化防止膜5を除去した状態で第1のレジストパターン6をマスクとして第1のポリシリコン膜4aに高ドーズ量のリンイオン7をイオン注入しているが、酸化防止膜5を除去せずに第1のレジストパターン6をマスクとして酸化防止膜5を通して第1のポリシリコン膜4aに高ドーズ量のリンイオンをイオン注入することも可能である。ただし、この場合は、熱酸化膜10を形成する前に、熱酸化膜10を形成する領域の酸化防止膜5を除去する必要がある。
Further, in the above embodiment, the high dose phosphorus ions 7 are implanted into the
また、上記実施形態では、第1の活性化シリコン膜8を貫通する空隙部11が形成された多孔質シリコン8aとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、全ての空隙部11が第1の活性化シリコン膜8を貫通していなくても良く、空隙部11の一部が貫通し他の一部が貫通していなくても良いし、全ての空隙部11が第1の活性化シリコン膜8を貫通しなくても良い。
Moreover, in the said embodiment, although it is set as the
21,71・・・トランジスタ形成領域、22,72・・・キャパシタ形成領域、1,51・・・シリコン基板、2,52・・・STI膜、3,53・・・ゲート絶縁膜、4a,54・・・第1のポリシリコン膜、4b・・・第2の活性化シリコン膜、4c,54a・・・キャパシタ下部電極、4d,54b・・・ゲート電極、5・・・酸化防止膜、6,66・・・第1のレジストパターン、7,57・・・リンイオン、8・・・第1の活性化シリコン膜、8a・・・多孔質シリコン膜、9・・・グレイン、10・・・熱酸化膜、11・・・空隙部、12,62・・・容量絶縁膜、13,63・・・第2のポリシリコン膜、13a,63a・・・キャパシタ上部電極、14,64・・・不純物イオン、15・・・酸化膜、16・・・第2のレジストパターン、18,68・・・層間絶縁膜、17a,17b,17c,17d,67a,67b,67c,67d・・・Wプラグ、65・・・キャップ膜 21, 71 ... transistor formation region, 22, 72 ... capacitor formation region, 1, 51 ... silicon substrate, 2, 52 ... STI film, 3, 53 ... gate insulating film, 4a, 54 ... 1st polysilicon film, 4b ... 2nd activated silicon film, 4c, 54a ... Capacitor lower electrode, 4d, 54b ... Gate electrode, 5 ... Antioxidation film, 6, 66 ... first resist pattern, 7, 57 ... phosphorus ions, 8 ... first activated silicon film, 8a ... porous silicon film, 9 ... grain, 10 ... · Thermal oxide film, 11 ··· gap, 12, 62 ··· capacitance insulating film, 13, 63 ··· second polysilicon film, 13a, 63a · · · capacitor upper electrode, 14, 64 ··· Impurity ions, 15 ... oxide film, 16 ... second layer Strike pattern, 18, 68 ... interlayer insulating film, 17a, 17b, 17c, 17d, 67a, 67b, 67c, 67d ··· W plug, 65 ... cap film
Claims (6)
前記半導体基板の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜及び前記素子分離膜の上に第1のポリシリコン膜を形成する工程と、
前記第1のポリシリコン膜上に酸化防止膜を形成する工程と、
前記素子分離膜の上方に位置する前記酸化防止膜を除去する工程と、
前記素子分離膜上に位置する前記第1のポリシリコン膜に不純物イオンを注入する工程と、
前記第1のポリシリコン膜に熱酸化処理を施すことにより、前記素子分離膜上に位置する前記第1のポリシリコン膜の表面に第1の酸化膜を形成するとともに、前記第1のポリシリコン膜に固溶限を超えた不純物の原子が析出したグレインを形成する工程と、
前記グレイン及び前記第1の酸化膜を除去することにより、前記素子分離膜上に前記第1のポリシリコン膜を貫通する空隙又は貫通しない空隙を有する多孔質シリコン膜を形成する工程と、
前記酸化防止膜をマスクとした熱酸化法により前記空隙内の表面を含む前記多孔質シリコン膜の表面上に容量絶縁膜を形成する工程と、
前記酸化防止膜を除去することにより前記ゲート絶縁膜上に位置する前記第1のポリシリコン膜を露出させる工程と、
前記第1のポリシリコン膜上、前記容量絶縁膜上及び前記空隙内に第2のポリシリコン膜を形成する工程と、
前記第2のポリシリコン膜をCMP法又はエッチバック法によって除去することにより、前記ゲート絶縁膜の上方に位置する前記第1のポリシリコン膜を露出させるとともに前記容量絶縁膜上に位置する第2のポリシリコン膜を残存させる工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an element isolation film on a semiconductor substrate;
Forming a gate insulating film on the surface of the semiconductor substrate;
Forming a first polysilicon film on the gate insulating film and the element isolation film;
Forming an antioxidant film on the first polysilicon film;
Removing the antioxidant film located above the element isolation film;
Implanting impurity ions into the first polysilicon film located on the element isolation film;
By subjecting the first polysilicon film to a thermal oxidation process, a first oxide film is formed on the surface of the first polysilicon film located on the element isolation film, and the first polysilicon film is formed. Forming a grain in which atoms of impurities exceeding the solid solubility limit are deposited on the film;
Removing the grains and the first oxide film to form a porous silicon film having a gap penetrating or not penetrating the first polysilicon film on the element isolation film;
Forming a capacitive insulating film on the surface of the porous silicon film including the surface in the void by a thermal oxidation method using the antioxidant film as a mask;
Exposing the first polysilicon film located on the gate insulating film by removing the antioxidant film;
Forming a second polysilicon film on the first polysilicon film, on the capacitive insulating film, and in the gap;
By removing the second polysilicon film by a CMP method or an etch back method, the first polysilicon film located above the gate insulating film is exposed and the second polysilicon film located on the capacitor insulating film is exposed. A step of leaving the polysilicon film of
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1及び第2のポリシリコン膜に不純物イオンをイオン注入する工程と、
前記第1及び第2のポリシリコン膜の表面に熱酸化法により第2の酸化膜を形成する工程と、
前記第2の酸化膜及び前記第1のポリシリコン膜を加工することにより、前記ゲート絶縁膜上に前記第1のポリシリコン膜からなるゲート電極を形成するとともに、前記素子分離膜上に容量素子を形成する工程と、
を具備し、
前記容量素子は、前記多孔質シリコン膜を含む下部電極、前記容量絶縁膜及び前記第2のポリシリコン膜からなる上部電極を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 2. The method of claim 1, wherein the second polysilicon film is removed by a CMP method or an etch back method.
Ion-implanting impurity ions into the first and second polysilicon films;
Forming a second oxide film on the surfaces of the first and second polysilicon films by a thermal oxidation method;
A gate electrode made of the first polysilicon film is formed on the gate insulating film by processing the second oxide film and the first polysilicon film, and a capacitive element is formed on the element isolation film. Forming a step;
Comprising
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the capacitor element includes a lower electrode including the porous silicon film, an upper electrode including the capacitor insulating film and the second polysilicon film.
前記ポリシリコン膜に不純物イオンを注入する工程と、
前記ポリシリコン膜に熱酸化処理を施すことにより、前記ポリシリコン膜の表面に酸化膜を形成するとともに、前記ポリシリコン膜に固溶限を超えた不純物の原子が析出したグレインを形成する工程と、
前記グレイン及び前記酸化膜を除去することにより、前記絶縁膜上に前記ポリシリコン膜を貫通する空隙又は貫通しない空隙を有する多孔質シリコン膜を形成する工程と、
前記空隙内の表面を含む前記多孔質シリコン膜の表面上に容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜上及び前記空隙内に導電膜を形成する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a polysilicon film on the insulating film;
Implanting impurity ions into the polysilicon film;
Performing a thermal oxidation process on the polysilicon film to form an oxide film on the surface of the polysilicon film and forming grains in which impurities atoms exceeding a solid solubility limit are deposited on the polysilicon film; ,
Removing the grains and the oxide film to form a porous silicon film having a void penetrating or not penetrating the polysilicon film on the insulating film;
Forming a capacitive insulating film on the surface of the porous silicon film including the surface in the void;
Forming a conductive film on the capacitive insulating film and in the gap;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記半導体基板の表面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成された第1のポリシリコン膜からなるゲート電極と、
前記素子分離膜上に形成された容量素子と、
を具備し、
前記容量素子は、
前記素子分離膜上に形成され、前記第1のポリシリコン膜に貫通する空隙又は貫通しない空隙が形成された多孔質シリコン膜及び前記第1のポリシリコン膜を含む下部電極と、
前記空隙内の表面を含む前記多孔質シリコン膜の表面上に形成された容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜上及び前記空隙内に形成された第2のポリシリコン膜からなる上部電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。 An element isolation film formed on a semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate;
A gate electrode made of a first polysilicon film formed on the gate insulating film;
A capacitive element formed on the element isolation film;
Comprising
The capacitive element is
A lower electrode including a porous silicon film formed on the element isolation film and having a void penetrating or not penetrating the first polysilicon film, and the first polysilicon film;
A capacitive insulating film formed on the surface of the porous silicon film including the surface in the void;
An upper electrode made of a second polysilicon film formed on the capacitive insulating film and in the gap;
A semiconductor device comprising:
前記空隙内の表面を含む前記多孔質シリコン膜の表面上に形成された容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜上及び前記空隙内に形成された導電膜と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
A porous silicon film formed on the insulating film and having a void penetrating or not penetrating the polysilicon film;
A capacitive insulating film formed on the surface of the porous silicon film including the surface in the void;
A conductive film formed on the capacitive insulating film and in the gap;
A semiconductor device comprising:
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US11322308B2 (en) | 2019-09-20 | 2022-05-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Capacitor |
-
2009
- 2009-01-20 JP JP2009009617A patent/JP2010171043A/en not_active Withdrawn
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