JP2012004433A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明はコンタクト開口をエッチングにより形成する際の、埋込絶縁膜のエッチングを防ぐことが可能な半導体装置の構造の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の半導体装置1は、半導体基板5と、前記半導体基板5の一面に形成されたトレンチ7内にゲート絶縁膜7Aを介して形成された埋込ワード線9と、前記トレンチ7内の前記埋込ワード線9上に順次積層された第一のライナー膜10、第一の埋込絶縁膜11、第二のライナー膜10aおよび第二の埋込絶縁膜11aからなる絶縁層20と、を具備してなることを特徴とする。
【選択図】図2
【解決手段】本発明の半導体装置1は、半導体基板5と、前記半導体基板5の一面に形成されたトレンチ7内にゲート絶縁膜7Aを介して形成された埋込ワード線9と、前記トレンチ7内の前記埋込ワード線9上に順次積層された第一のライナー膜10、第一の埋込絶縁膜11、第二のライナー膜10aおよび第二の埋込絶縁膜11aからなる絶縁層20と、を具備してなることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
本発明は半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
近年、DRAM(Dynamic Random Access Memory)セルの微細化に伴い、セルアレイのアクセストランジスタ(以下、セルトランジスタという)のゲート長も短くせざるを得なくなってきている。しかし、ゲート長が短くなればなるほどトランジスタの短チャネル効果は顕著になり、サブスレッショルド電流の増大によりトランジスタの閾値電圧(Vt)が低下するという問題がある。また、Vtの低下を抑制すべく基板濃度を増大させた場合には接合リークが増大し、DRAMにおけるリフレッシュ特性の悪化が深刻な問題となる。
このような問題を回避するため、シリコン基板上に形成した溝にゲート電極を埋め込む、いわゆるトレンチゲート型トランジスタ(リセスチャネルトランジスタともいう)が提供されている(特許文献1及び2参照)。トレンチゲート型トランジスタによれば、有効チャネル長(ゲート長)を物理的かつ十分に確保することができ、最小加工寸法が60nm以下の微細なDRAMも実現可能である。
図33は、上記トレンチゲート型セルトランジスタを備えたDRAMの一例構造を概略的に示す断面図である。図33に示す構造のDRAM200においては、P型のシリコン基板201の表面部分に素子分離領域202同士が左右に離間した状態で形成され、これらによって挟まれた領域の半導体基板201に、ゲートトレンチ204同士が図33の左右方向に離間した状態で形成され、このゲートトレンチ204の内壁面に形成されたゲート絶縁膜205を介してゲートトレンチ204を埋めるようにゲート電極212が形成されている。
また、ゲート電極212はゲートトレンチ204を埋めるとともにシリコン基板201の上方側まで突出形成されているが、この例の構造においてゲート電極212は下層側から順にポリシリコン膜206、高融点金属膜210、ゲートキャップ絶縁層211からなる3層構造とされ、ゲートトレンチ204から突出形成された部分は半導体基板201上に形成された第一の層間絶縁膜214Aにより覆われている。
また、ゲート電極212はゲートトレンチ204を埋めるとともにシリコン基板201の上方側まで突出形成されているが、この例の構造においてゲート電極212は下層側から順にポリシリコン膜206、高融点金属膜210、ゲートキャップ絶縁層211からなる3層構造とされ、ゲートトレンチ204から突出形成された部分は半導体基板201上に形成された第一の層間絶縁膜214Aにより覆われている。
図33に示すゲート電極212同士間の領域においてシリコン基板201の表面部分には高濃度P型拡散層208と高濃度N型拡散層209が積層形成されるとともに、ゲート電極212の外側の領域には低濃度N型拡散層213が形成され、高濃度N型拡散層209上の第一の層間絶縁膜214Aには上下導通用のコンタクトプラグ(ビット配線コンタクト)215Aが形成され、低濃度N型拡散層213上の層間絶縁膜214Aには上下導通用のコンタクトプラグ215Bが形成されている。
また、第一の層間絶縁膜214Aの上方には第二の層間絶縁膜214Bが形成され、前記コンタクトプラグ215A上の第二の層間絶縁膜214B内にビット配線216が形成されているとともに、前記コンタクトプラグ215B上の第二の層間絶縁膜214B内に上下導通用の第二のコンタクトプラグ215Cが形成されている。
更に、第二の層間絶縁膜214Bの上には第3の層間絶縁膜214Cが形成され、前記第二のコンタクトプラグ215C上に形成されている第3の層間絶縁膜214C内にセルキャパシタ217が形成され、第3の層間絶縁膜214C上に第4の層間絶縁膜214Dが形成され、セルキャパシタ217の上部側電極217Aが第4の層間絶縁膜214D内に形成された第3のコンタクトプラグ215Dを介してその上層側の配線218に接続され、図33に示す概略構造のDRAM200が構成されている。
更に、第二の層間絶縁膜214Bの上には第3の層間絶縁膜214Cが形成され、前記第二のコンタクトプラグ215C上に形成されている第3の層間絶縁膜214C内にセルキャパシタ217が形成され、第3の層間絶縁膜214C上に第4の層間絶縁膜214Dが形成され、セルキャパシタ217の上部側電極217Aが第4の層間絶縁膜214D内に形成された第3のコンタクトプラグ215Dを介してその上層側の配線218に接続され、図33に示す概略構造のDRAM200が構成されている。
しかし、図33に示すトレンチゲート型のセルトランジスタを備えたDRAM200は、ゲート電極212がシリコン基板201の上方側の第一の層間絶縁膜214A側にまで突出した構造となる。そのため、ゲート電極212と、ゲート電極212に接続しているゲート配線との間の間隔は極めて狭小となり、この間にコンタクトプラグ(ビット配線コンタクト)215Aを形成することは困難であった。
そこで、トレンチゲート型のセルトランジスタにおいては、上述のような問題を回避する方法として、図34に示すように、シリコン基板220に形成したトレンチ221内にゲート電極(埋込ワード線)222を埋め込む方法が知られている。これにより、ゲート電極222の上に、トレンチ221から突出しないように埋込絶縁膜223を形成することができる。このとき、埋込絶縁膜223の材料としては、埋め込み性に優れたSOG膜(Spin On Glass)を用いることができる。また、図34に示す構造においては、トレンチ221の下部内面側においてゲート電極222の周囲にゲート絶縁膜225を形成し、トレンチ221の上部内面側の埋込絶縁膜223の周囲にライナー膜226を形成する。
次いで、層間絶縁膜227を成膜後、図35に示すように接続孔228を形成し、この接続孔228を利用してコンタクトプラグを形成する。
しかしこの際、層間絶縁膜227に接続孔228を形成する際のエッチング、およびコンタクトプラグ形成時の前洗浄処理(シリコン基板220上の埋込絶縁膜223除去)により、図36に示すように接続孔228の下に位置する埋込絶縁膜223が部分的に大きくエッチングされてしまうことがある。このように埋込絶縁膜223に大きなエッチング孔229が生じる結果、後に形成するコンタクトプラグとゲート電極(埋込ワード線)222がショートするおそれが生じる。
すなわち、図34に示す構造のトレンチゲート型のセルトランジスタ構造を採用すると、その上に上下導通用のコンタクトプラグを形成する場合に、コンタクトプラグとゲート電極222とがショートするおそれが生じやすい。
しかしこの際、層間絶縁膜227に接続孔228を形成する際のエッチング、およびコンタクトプラグ形成時の前洗浄処理(シリコン基板220上の埋込絶縁膜223除去)により、図36に示すように接続孔228の下に位置する埋込絶縁膜223が部分的に大きくエッチングされてしまうことがある。このように埋込絶縁膜223に大きなエッチング孔229が生じる結果、後に形成するコンタクトプラグとゲート電極(埋込ワード線)222がショートするおそれが生じる。
すなわち、図34に示す構造のトレンチゲート型のセルトランジスタ構造を採用すると、その上に上下導通用のコンタクトプラグを形成する場合に、コンタクトプラグとゲート電極222とがショートするおそれが生じやすい。
一方、大きなエッチング孔229の発生を防ぐ方法としては、ゲート電極222上のライナー膜(窒化シリコン膜)226を厚くする方法が知られている。しかし、この方法によればゲート電極222のエッチングは防がれるものの、ライナー膜226上面とシリコン基板220上面との段差が小さくなる。そのため、埋込絶縁膜223の埋設性が悪化するおそれがある。
なお、本発明者が埋込絶縁膜223の材料について研究したところ、HDP(High Density Plasma)法による絶縁膜、TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)−NSG(Non-doped Silicate Glass)膜、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法によるSiO2膜のいずれを埋込絶縁膜223の材料として用いても、埋設性およびウエットエッチング耐性に問題を生じることが判明している。
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成を採用した。すなわち、本発明の半導体装置は、前記半導体基板の一面に形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜を介して形成された埋込ワード線と、前記トレンチ内の前記埋込ワード線上に順次積層された第一のライナー膜、第一の埋込絶縁膜、第二のライナー膜および第二の埋込絶縁膜からなる絶縁層と、を具備してなることを特徴とする。
本発明の半導体装置によれば、トレンチ内部の埋込ゲート電極(埋込ワード線)上に、第一のライナー膜、第一の埋込絶縁膜、第二のライナー膜および第二の埋込絶縁膜が順次積層してなる絶縁層が形成されている。すなわち、第一の埋込絶縁膜および第二の埋込絶縁膜は第二のライナー膜によって分離された構成となっている。これにより、層間絶縁膜にビット配線および/または容量コンタクトプラグを形成する際のエッチングおよび前洗浄処理によるエッチングは第二のライナー膜で防がれ、第一の埋込絶縁膜が過剰にエッチングされることはない。
また、上記構成によれば第一のライナー膜と第二のライナー膜は薄く形成されるため、第一のライナー膜上面とシリコン基板上面との段差、および、第二のライナー膜とシリコン基板上面の段差は十分に確保されている。そのため、トレンチ内における第一の埋込絶縁膜および第二の埋込絶縁膜の埋設性が損なわれることはない。
これにより、ビット配線および/または容量コンタクトプラグと、トレンチ内部の埋込ワード線とのショートを防ぐことができる。そのため、ビット配線および/または容量コンタクトプラグとと埋込ワード線とのショートによる半導体装置の不良が防がれ、プロセスマージンの拡大を図ることが可能となる。
また、上記構成によれば第一のライナー膜と第二のライナー膜は薄く形成されるため、第一のライナー膜上面とシリコン基板上面との段差、および、第二のライナー膜とシリコン基板上面の段差は十分に確保されている。そのため、トレンチ内における第一の埋込絶縁膜および第二の埋込絶縁膜の埋設性が損なわれることはない。
これにより、ビット配線および/または容量コンタクトプラグと、トレンチ内部の埋込ワード線とのショートを防ぐことができる。そのため、ビット配線および/または容量コンタクトプラグとと埋込ワード線とのショートによる半導体装置の不良が防がれ、プロセスマージンの拡大を図ることが可能となる。
以下に本発明に係る半導体装置の一例について説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される原料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
図1は半導体装置のセル構造の一部要素を示す平面図であり、図2は半導体装置の部分断面構造である。また、図2(A)には図1のA−A’線に沿う断面構造を示し、図2(B)には図1のB−B’線に沿う断面構造を示す。
本実施形態の半導体装置1は、図2の断面構造に示すトランジスタ形成領域2とキャパシタ形成領域3とから概略構成されている。
トランジスタ形成領域2において、半導体基板5は導電型のシリコン基板からなり、その表面(一面)に帯状の活性領域Kが図1のX方向に所定角度傾斜した方向を向いてY方向に所定の間隔で複数離間した状態で形成さている。更に、図2(A)に示すように、断面形状の素子分離溝4が活性領域Kを区画するように、図1のX方向に所定角度傾斜した方向で形成されている。また、素子分離溝4は図1、図2(A)のY方向に所定の間隔で複数配列形成されている。
トランジスタ形成領域2において、半導体基板5は導電型のシリコン基板からなり、その表面(一面)に帯状の活性領域Kが図1のX方向に所定角度傾斜した方向を向いてY方向に所定の間隔で複数離間した状態で形成さている。更に、図2(A)に示すように、断面形状の素子分離溝4が活性領域Kを区画するように、図1のX方向に所定角度傾斜した方向で形成されている。また、素子分離溝4は図1、図2(A)のY方向に所定の間隔で複数配列形成されている。
また、図2(A)に示すようにシリコン酸化膜からなる内部絶縁膜4Aが、素子分離溝4の内面を覆うように形成されている。また、シリコン窒化膜からなる素子分離絶縁膜6が素子分離溝4の内側を埋めるように形成されている。これにより、内部絶縁膜4Aおよからなる素子分離領域(STI領域)が形成されている。
また、図2(B)に示すように、半導体基板5には複数のトレンチ7が互いに隣接するように形成されている。トレンチ7は図1のY方向に延在しており、また、図1、図2(B)のX方向に所定の間隔で並ぶように複数形成されている。
また、トレンチ7の内面には、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜7Aが形成されている。また、ゲート絶縁膜7Aを覆うように、窒化チタンなどからなる内面層8と、タングステンなどの高融点金属からなる埋込ワード線9がこの順で積層されている。また、トレンチ7内の埋込ワード線9上には、トレンチ7を埋めるように絶縁層20が形成されている。
図1におけるトレンチ7は、埋込ワード線9が形成される領域である。また、トレンチ7と活性領域Kと重なる部分では、トレンチゲートトランジスタのチャネルとなる溝が形成されている。また、活性領域Kに隣接するSTI領域上では、活性領域Kに形成される溝よりも相対的に浅い溝が形成されている。これらの異なる深さの2種類の溝(トレンチ7)の内側には、トレンチ7の内面を覆うようにゲート絶縁膜7Aが形成されている。また、トレンチ7内部の下部領域には、ゲート絶縁膜7Aを介して導電材料が埋め込まれており、上面が平坦な一つの連続する配線(埋込ワード線9)を構成している。
絶縁層20は、埋込ワード線9上に形成されており、トレンチ7を埋め込む構成となっている。また、絶縁層20は、第一のライナー膜10、第一の埋込絶縁膜11、第二のライナー膜10aおよび第二の埋込絶縁膜11aがこの順で積層された構成となっている。
第一のライナー膜10は、トレンチ7内の埋込ワード線9上(凹部7b)の下部領域を覆うように形成されている。これにより、埋込ワード線9上と、トレンチ7(凹部7b)内のゲート絶縁膜7Aの下部領域は、第一のライナー膜10により覆われた構成となる。
第一のライナー膜10は、トレンチ7内の埋込ワード線9上(凹部7b)の下部領域を覆うように形成されている。これにより、埋込ワード線9上と、トレンチ7(凹部7b)内のゲート絶縁膜7Aの下部領域は、第一のライナー膜10により覆われた構成となる。
また、第一のライナー膜10上には、第一の埋込絶縁膜10が第一のライナー膜10上の凹みを埋めるように形成されている。これにより、第一の埋込絶縁膜10は底面と側面が第一のライナー膜10により覆われた構成となる。また、これにより、トレンチ7(凹部7b)内の下部領域は、第一のライナー膜10および第一の埋込絶縁膜10により埋め込まれた構成となる。なお、第一のライナー膜10は第一の埋込絶縁膜10を裏打ちする機能を有し、第一の埋込絶縁膜10の底面および側面を支持している。
第二のライナー膜10aは、トレンチ7内の埋込ワード線9上(凹部7b)の上部領域を覆うように形成されている。これにより、第一の埋込絶縁膜10上と、トレンチ7(凹部7b)内のゲート絶縁膜7Aの上部領域は、第二のライナー膜10aにより覆われた構成となる。
また、第二のライナー膜10a上には、第二の埋込絶縁膜11aが第二のライナー膜10a上の凹みを埋めるように形成されている。これにより、第二の埋込絶縁膜11aは底面と側面が第二のライナー膜10aにより覆われた構成となる。また、これにより、トレンチ7(凹部7b)内の上部領域は、第二のライナー膜10aおよび第二の埋込絶縁膜11aにより埋め込まれた構成となる。なお、第二のライナー膜10aは第二の埋込絶縁膜11aを裏打ちする機能を有し、第二の埋込絶縁膜11aの底面および側面を支持している。これにより、トレンチ7(凹部7b)内の埋込絶縁膜(第一の埋込絶縁膜10、第二の埋込絶縁膜11a)は、第二のライナー膜10aによって分離された構成となっている。
なお、本実施形態ではゲート絶縁膜7Aと第二のライナー膜10aの上端の縁は、トレンチ7の開口部に達するように形成されている。また、第二の埋込絶縁膜11aの上面とゲート絶縁膜7Aの上端縁と第二のライナー膜10aの上端縁がほぼ面一になるように積層されている。
本実施形態においては、埋込絶縁膜11としては、CVD法により形成されたシリコン酸化膜あるいはSOD膜(Spin On Directrics:ポリシラザン等の塗布系絶縁膜)などの塗布膜からなる固体膜を用いることができる。このような塗布膜を高温水分含有雰囲気でアニールすることにより固体膜として用いることができる。また、第一のライナー膜10および第二のライナー膜10aは、膜厚10nm程度で形成されていることが好ましい。また、第一のライナー膜10および第二のライナー膜10aの材料としては、Si3N4膜などのシリコン窒化膜を適用することができる。
第一のライナー膜10および第二のライナー膜10aを膜厚10nm程度で形成することにより、エッチングによる侵食を確実に食い止めることができるためである。
第一のライナー膜10および第二のライナー膜10aを膜厚10nm程度で形成することにより、エッチングによる侵食を確実に食い止めることができるためである。
また、図2(A)に示すようにY方向に隣接する素子分離溝4同士の間の領域には、素子分離溝4よりも浅いチャネル溝12が形成されている。チャネル溝12の内面及びチャネル溝12に隣接する素子分離溝4の上面には、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜7Aが形成されている。また、ゲート絶縁膜7A上には、窒化チタンなどからなる内面層8を介して素子分離用の埋込配線13が形成されている。また、埋込配線13上には、第一のライナー膜10と第一の埋込絶縁膜11と第二のライナー膜10aおよび第二の埋込絶縁膜11aがこの順で積層されている。
これらの図2(A)に示す第一のライナー膜10、第一の埋込絶縁膜11、第二のライナー膜10aおよび第二の埋込絶縁膜11aは、図2(B)に示す、埋込ワード線9の上に形成されている第一のライナー膜10、第一の埋込絶縁膜11、第二のライナー膜10aおよび第二の埋込絶縁膜11aとそれぞれ同じ膜である。また、図2(A)に示すこれらの膜と、図2(B)に示す膜は、後述する製造方法においてそれぞれ同時に形成されたものである。
また、素子分離用の埋込配線13は、埋込ワード線9と同時に形成された膜である。素子分離用の埋込配線13は、ライン状に形成された活性領域において、隣接する各々のトランジスタを構成するソース領域およびドレイン領域(図1に示した素子分離用の埋込配線13の両側に形成される不純物拡散層領域)を電気的に分離する機能を有するものである。従来、絶縁膜で埋め込み形成する素子分離領域で囲まれた活性領域孤立パターンとして形成されるが、リソグラフィの解像度が不足し、活性領域の端部に形成されるソース/ドレイン領域を所望の形状に形成できなくなる問題があったが、本実施形態の構成では、ライン状のパターンとして活性領域を形成できるので上記の問題を回避できる。
図1、図2(B)に示すように埋込ワード線9はY方向に延在しつつX方向に複数離間した状態で形成されているが、本実施形態の構造では図2(B)に示すように2本の埋込ワード線9と1本の素子分離用の埋込配線13がこの順で交互にX方向に配列されている。
また、図1に示すように、前記埋込ワード線9と埋込配線13の配列方向に対し直交する方向に、後に詳述するビット配線15が配列形成されている。従って、各埋込ワード線9と各ビット配線15の延在方向に対し所定の角度で傾斜するように平面視帯状の活性領域Kが半導体基板5の表面に形成されていることになる。これらの活性領域Kが半導体基板5の表面に形成されていることから、各ビット配線15の下方に位置する活性領域Kの部分にビット配線接続領域16が区画されている。また、図1に示すように配線構造を平面視した場合に、X方向に隣接する前記埋込ワード線9と素子分離用の埋込配線13との間の領域であって、Y方向に隣接するビット配線15同士の間の領域において、前記活性領域Kが存在する部分に容量コンタクトプラグ形成領域17が区画されている。
また、図1に示すように、前記埋込ワード線9と埋込配線13の配列方向に対し直交する方向に、後に詳述するビット配線15が配列形成されている。従って、各埋込ワード線9と各ビット配線15の延在方向に対し所定の角度で傾斜するように平面視帯状の活性領域Kが半導体基板5の表面に形成されていることになる。これらの活性領域Kが半導体基板5の表面に形成されていることから、各ビット配線15の下方に位置する活性領域Kの部分にビット配線接続領域16が区画されている。また、図1に示すように配線構造を平面視した場合に、X方向に隣接する前記埋込ワード線9と素子分離用の埋込配線13との間の領域であって、Y方向に隣接するビット配線15同士の間の領域において、前記活性領域Kが存在する部分に容量コンタクトプラグ形成領域17が区画されている。
従って、これらの配線構造を平面視すると、図1に示すように埋込ワード線9と素子分離用の埋込配線13に対してビット配線15がほぼ直交されるとともに、これらに傾斜するように帯状の活性領域Kが配置され、隣接する埋込ワード線9、9の間の領域に対応する活性領域Kの部分にビット配線接続領域16が形成され、埋込ワード線9と素子分離用の埋込配線13との間の領域であって、隣接するビット配線15同士の間の領域に容量コンタクトプラグ形成領域17がそれぞれ区画されている。そして、後に詳述する容量コンタクトパッド18がこれらの容量コンタクトプラグ形成領域17に対し、図1に示すY方向に沿って互い違いの位置に配列形成されている。これらの容量コンタクトパッド18は、図1のX方向に沿ってY方向に隣接するビット配線15同士の間に配置されているが、Y方向に沿って1つおきに埋込ワード線9上にその中心部を配置するか、Y方向に沿って1つおきに埋込ワード線9の側方上方にその中心部を配置するかの、いずれかの位置を繰り返すように互い違いに、換言するとY方向に千鳥状に配置されている。
次に、これらの容量コンタクトプラグ形成領域17に形成される容量コンタクトプラグ19は、この実施形態では図1に示すように矩形状に形成されているが、その一部分を各埋込ワード線9の上に位置させ、他の部分を隣接するビット配線15同士の間の領域であって埋込ワード線9と素子分離用の埋込配線13との間の上方に位置させて配置され、個々に後述するキャパシタ47に接続されている。
図1において、容量コンタクトプラグ形成領域17は、平面視において、埋込ワード線9の一部と、STI領域の一部と、活性領域Kの一部に跨っている。したがって、容量コンタクトプラグ19は平面視において、埋込ワード線9の一部と、STI領域の一部と、活性領域Kの一部に跨って形成されている。
図1において、容量コンタクトプラグ形成領域17は、平面視において、埋込ワード線9の一部と、STI領域の一部と、活性領域Kの一部に跨っている。したがって、容量コンタクトプラグ19は平面視において、埋込ワード線9の一部と、STI領域の一部と、活性領域Kの一部に跨って形成されている。
図2(A)、(B)を基にトランジスタ形成領域2について更に説明すると、図2(B)に示すようにX方向に隣接する埋込ワード線9、9の間に位置する半導体基板5の表面側であって前記活性領域Kに相当する領域に、深い方から順に不純物低濃度拡散層21と不純物高濃度拡散層22が形成され、X方向に隣接する埋込ワード線9と素子分離用の埋込配線13の間に位置する半導体基板5の表面側であって前記活性領域Kに相当する領域に深い方から順に不純物低濃度拡散層23と不純物高濃度拡散層24が形成されている。
そして、図2(A)に示す領域では埋込絶縁膜11の上を覆うように、図2(B)に示す領域では半導体基板5の表面上、即ち、不純物高濃度拡散層22、24の上と、埋込ワード線9とライナー層10と埋込絶縁膜11を形成したトレンチ7の上を覆うように第一の層間絶縁膜26が形成されている。
そして、図2(A)に示す領域では埋込絶縁膜11の上を覆うように、図2(B)に示す領域では半導体基板5の表面上、即ち、不純物高濃度拡散層22、24の上と、埋込ワード線9とライナー層10と埋込絶縁膜11を形成したトレンチ7の上を覆うように第一の層間絶縁膜26が形成されている。
第一の層間絶縁膜26に対し、図2(B)のX方向に隣接するトレンチ7、7の間の領域にコンタクトホール28が形成されていて、第一の層間絶縁膜26上に図1に示すように埋込ワード線9と直交する方向に延在するビット配線15が形成されているが、これらのビット配線15は前記コンタクトホール28の部分において、コンタクトホール28の底部側にまで延出形成されていて、各コンタクトホール28の下に形成されている不純物高濃度拡散層22に接続されている。従って、コンタクトホール28が形成されている領域においてビット配線15が存在する部分であって、その下に不純物高濃度拡散層22が存在する領域がビット配線接続領域16とされる。
より詳細には、ビット配線15は、ポリシリコンからなる底部導電膜30とタングステンなどの高融点金属からなる金属膜31とシリコン窒化膜などの上部絶縁膜32からなる3層構造とされており、図2(B)に示すビット配線15の幅方向両側、及び、図2(A)に示す第一の層間絶縁膜26の上にはビット配線15の幅方向両側に位置するようにシリコン窒化膜などからなる絶縁膜33とライナー膜34とがそれぞれ形成されている。
図1に示すY方向に隣接するビット配線15、15の間の領域であって埋込ワード線9の上方領域からそれに隣接する素子分離用の埋込配線13との間の領域にかけて、平面視矩形状の第二のコンタクト開口36が形成され、これらの第二のコンタクト開口36の内側にシリコン窒化膜などの側壁37に囲まれて容量コンタクトプラグ19が形成されている。従って第二のコンタクト開口36が形成されている部分が容量コンタクトプラグ形成領域17に対応する。ここに形成されている容量コンタクトプラグ19は、図2(B)に示すように、ポリシリコンなどからなる底部導電膜40とCoSiなどからなるシリサイド層41とタングステンなどの金属膜42からなる3層構造とされている。また、ビット配線15と容量コンタクトプラグ19は半導体基板5上において、同一高さに形成され、その他の領域においてはビット配線15と容量コンタクトプラグ19に対し同一高さになるように埋込絶縁膜43が形成されている。
次に、図2(A)、(B)に示すキャパシタ形成領域3においては、図1に円形状に示すように各容量コンタクトパッド18が容量コンタクトプラグ19の上に平面視一部重なるように互い違いに形成されている。各容量コンタクトパッド18はストッパー膜45により覆われるとともに、ストッパー膜45の上に第3の層間絶縁膜46が形成されていて、この第3の層間絶縁膜46の内部であって、前記容量コンタクトパッド18上に位置するように個々にキャパシタ47が形成されている。
この実施形態においてキャパシタ47は、容量コンタクトパッド18の上に形成されたカップ型の下部電極47Aと、下部電極47Aの内面から第3の層間絶縁膜46の上に延出形成されている容量絶縁膜47Bと、容量絶縁膜47Bの内側において下部電極47Aの内部側を埋めるとともに容量絶縁膜47Bの上面側にまで延出形成された上部電極47Cと、上部電極47Cの上に形成された第4の層間絶縁膜48と第4の層間絶縁膜48の上に形成された上部金属配線49と、上部金属配線49と第4の層間絶縁膜48を覆って設けられた保護膜54とを具備して構成されている。なお、キャパシタ形成領域3に形成されているキャパシタ47の構造は、一例であって、この実施形態の構造の他、クラウン型などのような半導体装置に一般的に適用されている他のキャパシタ構造を適用しても良いのは勿論である。
本実施形態の半導体装置1においては、第一の埋込絶縁膜11と第二の埋込絶縁膜11aの間には第二のライナー膜10aが設けられていることにより、エッチングにより接続孔(第二のコンタクト開口)36を形成する際、第一の埋込絶縁膜11が過剰にエッチングされることや、第一のライナー膜10に到達するエッチング孔が形成されるおそれがない。そのため、埋込ワード線9とその上の容量コンタクトプラグ19との短絡のおそれを回避することができる。
なお、このエッチングの際の工程と作用効果については以下に説明する半導体装置
の製造方法において詳細に述べる。
なお、このエッチングの際の工程と作用効果については以下に説明する半導体装置
の製造方法において詳細に述べる。
<半導体装置の製造方法>
以下、本発明の半導体装置の製造方法について図面を参照にして説明する。
まず、図1と図2に示す半導体装置1の製造方法の一例について、図3〜図27に基づいて説明する。なお、図3〜図27において、それぞれの図(A)は図1のA−A‘線に沿う部分の断面構造を示し、それぞれの図(B)は図1のB−B’線に沿う部分の断面構造を示す。
以下、本発明の半導体装置の製造方法について図面を参照にして説明する。
まず、図1と図2に示す半導体装置1の製造方法の一例について、図3〜図27に基づいて説明する。なお、図3〜図27において、それぞれの図(A)は図1のA−A‘線に沿う部分の断面構造を示し、それぞれの図(B)は図1のB−B’線に沿う部分の断面構造を示す。
はじめに、図3に示すように、P型のSi基板などの半導体基板50上に、シリコン酸化膜51とマスク用のシリコン窒化膜(Si3N4膜)52を順次積層する。なお、ここで用いる半導体基板は、トランジスタを形成するべき領域に予めイオン注入によってP型ウエルを形成した半導体基板を用いても良い。
次いで、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、シリコン酸化膜51、シリコン窒化膜52、および半導体基板50のパターニングを行い、活性領域Kを区画するための素子分離溝(トレンチ)53を形成する。素子分離溝53は、例えば半導体基板50を平面視した場合に、図1の帯状の活性領域Kの両側を挟むように所定の方向に延在するライン状のパターン溝として形成される。活性領域Kとなる領域はシリコン窒化膜52で覆われている。
次いで、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、シリコン酸化膜51、シリコン窒化膜52、および半導体基板50のパターニングを行い、活性領域Kを区画するための素子分離溝(トレンチ)53を形成する。素子分離溝53は、例えば半導体基板50を平面視した場合に、図1の帯状の活性領域Kの両側を挟むように所定の方向に延在するライン状のパターン溝として形成される。活性領域Kとなる領域はシリコン窒化膜52で覆われている。
次に、熱酸化法によって、図4に示すように半導体基板50の表面にシリコン酸化膜55を形成する。この後、素子分離溝53の内部を充填するようにシリコン窒化膜を堆積してエッチバックを行い、素子分離溝53の内下部側にのみシリコン窒化膜を残存させる。これにより、半導体基板50の上面より若干低い位置まで充填された素子分離絶縁膜56が形成される。
次に、CVD法によって、素子分離溝53の内部を充填するようにシリコン酸化膜57を堆積し、図5に示すように、シリコン窒化膜52が露出するまでCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理を行い、表面を平坦化する。
次に、CVD法によって、素子分離溝53の内部を充填するようにシリコン酸化膜57を堆積し、図5に示すように、シリコン窒化膜52が露出するまでCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理を行い、表面を平坦化する。
次に、図6に示すように素子分離領域58を形成する。まず、ウエットエッチングによって、マスク用のシリコン窒化膜52およびシリコン酸化膜51を除去し、素子分離溝53(シリコン酸化膜57)の表面をシリコン基板50表面の位置と概略同等になるようにする。これによりSTI(Shallow Trench Isolation)構造を用いた、ライン状の素子分離領域58が形成される。その後、熱酸化により半導体基板50の表面にシリコン酸化膜60を形成する。この後、低濃度のN型不純物(リン等)をイオン注入し、N型の低濃度不純物拡散層61を形成する。このN型の低濃度不純物拡散層61は本願のリセス型トランジスタのS・D領域の一部(ソース・ドレイン領域の一部)として機能する。
次いで、図7に示すように、マスク用のシリコン窒化膜62および、カーボン膜(アモルファス・カーボン膜)63を順次堆積し、ゲート電極溝(トレンチ)形成用のパターンにパターニングする。
次いで、図8に示すように半導体基板50をエッチングし、複数のトレンチ(ゲート電極溝)65を互いに隣接するように形成する。これらのトレンチ65は、活性領域Kと交差する所定の方向(図1のY方向)に延在するライン状のパターンとして形成される。
次いで、図8に示すように半導体基板50をエッチングし、複数のトレンチ(ゲート電極溝)65を互いに隣接するように形成する。これらのトレンチ65は、活性領域Kと交差する所定の方向(図1のY方向)に延在するライン状のパターンとして形成される。
この時、トレンチ65内に位置する素子分離領域58の上面もエッチングされ、半導体基板50上面よりも低い位置となって浅溝を構成する。シリコン酸化膜のエッチング速度が半導体基板50のエッチング速度よりも遅くなるようにエッチング条件を制御することにより、トレンチ65は半導体基板50がエッチングされた相対的に深い溝と、素子分離領域58がエッチングされた相対的に浅い溝が連続し、底部に段差を有する溝として形成される。その結果、図8に示すように、素子分離領域58と接するトレンチ65の側面部分66には薄膜状のシリコンがサイドウォール66として残存し、リセス型のセルトランジスタのチャネル領域として機能する。図8に示すように、素子分離絶縁領域(STI)58よりも半導体基板50のシリコンの部分を深くエッチングすると、リセスチャネル型のトランジスタとしてのチャネル領域が形成される。
次に、図9に示すようにシリコン酸化膜等からなるゲート絶縁膜67を形成する。次いで、窒化チタン(TiN)からなる内面層68とタングステン(W)層69を順次堆積する。次に、エッチバックを行い、図10に示すようにトレンチ65の底部に窒化チタン層68およびタングステン膜69を残存させる。これによりゲート電極を一部兼ねる構造の、タングステン膜69からなる埋込ワード線70および素子分離用の埋込配線73が、トレンチ65の下部内側に形成される。
次いで、図11に示すように、埋込ワード線70(残存したタングステン層69)上およびトレンチ65内のゲート絶縁膜67を覆うようにシリコン窒化膜(Si3N4)等からなる10nm程度の膜厚の第一のライナー膜71を形成する。
次いで、CVD法により、第一のライナー膜71上を覆い、かつ、トレンチ65を埋め込むように、たとえばSOD膜(Spin On Directrics:ポリシラザン等の塗布系絶縁膜)からなる第一の埋込絶縁膜72を形成する。
次いで、CVD法により、第一のライナー膜71上を覆い、かつ、トレンチ65を埋め込むように、たとえばSOD膜(Spin On Directrics:ポリシラザン等の塗布系絶縁膜)からなる第一の埋込絶縁膜72を形成する。
次に、図12に示すように、第一の埋込絶縁膜72および第一のライナー膜71をエッチバックする。このとき、第一の埋込絶縁膜72と第一のライナー膜71の一部を除去するとともに、第一の埋込絶縁膜72の表面は半導体基板50のシリコン表面と概略同程度の高さにする。これにより、第一の埋込絶縁膜72および第一のライナー膜71が、埋込ワード線70上のトレンチ65内下部領域に残存し、トレンチ65内の下部領域に残存した第一の埋込絶縁膜72からなる第一の埋込絶縁膜74が形成される。これにより、第一の埋込絶縁膜74は第一のライナー膜71上の凹みを埋める構成となり、また、第一の埋込絶縁膜74の底面と側面は第一のライナー膜71により覆われた構成となる。
以上により、トレンチ65内の下部領域は、第一のライナー膜71および第一の埋込絶縁膜74により埋め込まれた構成となる。なお、第一のライナー膜71は第一の埋込絶縁膜74を裏打ちする機能を有し、第一の埋込絶縁膜74の底面および側面を支持している。
以上により、トレンチ65内の下部領域は、第一のライナー膜71および第一の埋込絶縁膜74により埋め込まれた構成となる。なお、第一のライナー膜71は第一の埋込絶縁膜74を裏打ちする機能を有し、第一の埋込絶縁膜74の底面および側面を支持している。
次いで、図13に示すように、第一の埋込絶縁膜74上およびトレンチ65内のゲート絶縁膜67を覆うようにシリコン窒化膜等からなる10nm程度の膜厚の第二のライナー膜71aを形成する。これにより、第一の埋込絶縁膜74上と、トレンチ65内のゲート絶縁膜67の上部領域は、第二のライナー膜71aにより覆われた構成となる。
次いで、図14に示すように、CVD法により、第二のライナー膜71aを覆い、かつ、トレンチ65の上部領域を埋め込むように、たとえばSOD膜からなる第二の埋込絶縁膜72aを形成する。
次いで、図14に示すように、CVD法により、第二のライナー膜71aを覆い、かつ、トレンチ65の上部領域を埋め込むように、たとえばSOD膜からなる第二の埋込絶縁膜72aを形成する。
次にCMP処理を行い、図15に示すようにシリコン窒化膜62が露出するまで第二の埋込絶縁膜72a表面およびシリコン窒化膜62上を覆う第二のライナー膜71aを研磨除去する。これにより、トレンチ65の上部領域を埋め込む構成で第二のライナー膜71aおよび第二の埋込絶縁膜72aが残存する。これにより、第二の埋込絶縁膜72aはトレンチ65内の第二のライナー膜71a上を埋め込む構成となる。以上により、トレンチ65内の上部領域は、第二のライナー膜71aおよび第二の埋込絶縁膜72aにより埋め込まれた構成となり、また、第二の埋込絶縁膜72aの底面と側面は第二のライナー膜71aにより覆われた構成となる。なお、第二のライナー膜71aは第二の埋込絶縁膜72aを裏打ちする機能を有し、第二の埋込絶縁膜72aの底面および側面を支持している。
次いで図16に示すように、シリコン窒化膜62とシリコン酸化膜60をエッチングにより除去する。このとき、同時に、第二の埋込絶縁膜74aおよび第二のライナー膜71aの一部が除去され、第二の埋込絶縁膜74aの表面は半導体基板50のシリコン表面と概略同程度の高さになる。これにより、トレンチ65の外方の半導体基板50一面と、トレンチ65内の第二の埋込絶縁膜74aが露出した状態となる。以上により、トレンチ65内の埋込ワード線70上を埋め込むように、第一のライナー膜71、第一の埋込絶縁膜74、第二のライナー膜71aおよび第二のライナー膜71aが順次積層してなる絶縁層120が形成される。以上によりトレンチ65内の埋込絶縁膜(第一の埋込絶縁膜74、第二の埋込絶縁膜74a)は、第二のライナー膜71aによって分離された構成となる。
次に、図17に示すように、半導体基板50上を覆うようにシリコン酸化膜等からなる第一の層間絶縁膜75を形成する。この後、第一の層間絶縁膜75の一部を除去し、第一のコンタクト開口76を形成する。第一のコンタクト開口76は、図1に示した場合と同様に、埋込ワード線70と同じ方向(図1のY方向、図17では埋込ワード線70及び埋込配線73の延在方向)に延在するライン状の開口パターンとして形成する。これにより、第一のコンタクト開口76のパターンと活性領域Kの交差した部分では、半導体基板50のシリコン表面が露出する。そして、この露出領域がビット配線接続領域とされる。
次いで、半導体基板50のシリコン表面近傍にN型不純物(ヒ素等)をイオン注入し、N型の第一の不純物高濃度拡散層77を形成する。このN型の第一の不純物高濃度拡散層77は、リセス型のセルトランジスタのソース・ドレイン領域として機能する。
次に図18に示すように、半導体基板50上および第一の層間絶縁膜75を覆うように、N型の不純物(リン等)を含有したポリシリコン膜からなる底部導電膜78と、タングステン膜などの金属膜79およびシリコン窒化膜80を順次堆積する。
次に、図19に示すように底部導電膜78、金属膜79およびシリコン窒化膜80からなる積層膜をライン形状にパターニングし、ビット配線81を形成する。このとき、ビット配線81は、埋込ワード線70と交差する方向(図1に示す構造説明の場合のX方向)に延在するパターンとして形成する。これにより、第一のコンタクト開口76内で露出している半導体基板50の表面部分で、ビット配線81の下層の底部導電膜78と、半導体基板50の表面のN型の第一の不純物高濃度拡散層77(ソース・ドレイン領域の一方)とが接続する。なお、図1に示す構造と同様に、ビット配線81は、埋込ワード線70と直交する直線形状とするが、一部を湾曲させた折れ線形状や波型形状としてもよい。
次に、図20に示すように、ビット配線81および第一の層間絶縁膜75を覆うようにシリコン窒化膜82を形成する。次いで、シリコン窒化膜82を覆うように、シリコン窒化膜等からなるライナー膜83を形成する。なお、底部導電膜78と金属膜79とシリコン窒化膜80からなる積層膜は、ビット配線81として機能するだけではなく、半導体装置の周辺回路部においてプレーナ型MOSトランジスタのゲート電極として兼用することができる。また、ビット配線81の側面を覆うシリコン窒化膜82は、周辺回路部においてゲート電極のサイドウォールの一部として利用することができる。
次に、ビット配線81同士の間を充填するように、塗布膜であるSOD膜(Spin On Directrics:ポリシラザン等の塗布系絶縁膜)を堆積する。次いで、高温の水蒸気(H2O)雰囲気中でアニール処理を行い、固体の堆積膜85に改質する。次いで、ライナー膜83の上面が露出するまでCMP処理を行って表面を平坦化する。次いで、図21に示すように、堆積膜85およびライナー膜83の表面を覆うように第二の層間絶縁膜86を形成する。
次に、図22に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、図1の容量コンタクトプラグ形成領域17に対応する位置に接続孔(第二のコンタクト開口)87を形成する。このとき、第二のコンタクト開口87を形成する位置は、図1を基に先に説明した構造の場合、図1の容量コンタクトプラグ形成領域17に対応する位置とする。ここでは、先にビット配線81の側面に形成したシリコン窒化膜82およびライナー膜83をサイドウォールとして用いたSAC(Self Alignment Contact)法によって、第二のコンタクト開口87を形成することができる。
この第二のコンタクト開口87形成の際のエッチングにより、第二のコンタクト開口87と図1に示した活性領域Kの交差する領域で半導体基板50の表面が露出する。この半導体基板50の露出領域の下には、トレンチ65を埋める構成の埋込ワード線70が位置し、また、その上には埋込絶縁膜(第二の埋込絶縁膜74aおよび第一の埋込絶縁膜74)が第二のライナー膜71aを介して積層した構成となる。
その後、後述するコンタクトプラグ95の形成前に、バッファードフッ酸(Buffered HF:HFとNH4FとH2Oを混合したもの)で第二のコンタクト開口87とその周囲を洗浄する。
このとき、第二のコンタクト開口87の底部には二層構造の埋込絶縁膜(第二の埋込絶縁膜74aおよび第一の埋込絶縁膜74)が存在するが、第二の埋込絶縁膜74aと第一の埋込絶縁膜74の間には第二のライナー膜71aが設けられている。そのため、エッチングや洗浄により第二の埋込絶縁膜74aがエッチングされても、第二の埋込絶縁膜74aの下に第二のライナー膜71aが設けられていることにより、第二のライナー膜71aでエッチングを食い止めることができる。そのため、第一の埋込絶縁膜74が過剰にエッチングされることが防がれる。そのため、第一のライナー膜71に到達するようなエッチング孔が形成されるおそれがない。このため、第一の埋込絶縁膜74の下に位置する埋込ワード線70が、後に形成される容量コンタクトプラグとショートするおそれが無い。
このとき、第二のコンタクト開口87の底部には二層構造の埋込絶縁膜(第二の埋込絶縁膜74aおよび第一の埋込絶縁膜74)が存在するが、第二の埋込絶縁膜74aと第一の埋込絶縁膜74の間には第二のライナー膜71aが設けられている。そのため、エッチングや洗浄により第二の埋込絶縁膜74aがエッチングされても、第二の埋込絶縁膜74aの下に第二のライナー膜71aが設けられていることにより、第二のライナー膜71aでエッチングを食い止めることができる。そのため、第一の埋込絶縁膜74が過剰にエッチングされることが防がれる。そのため、第一のライナー膜71に到達するようなエッチング孔が形成されるおそれがない。このため、第一の埋込絶縁膜74の下に位置する埋込ワード線70が、後に形成される容量コンタクトプラグとショートするおそれが無い。
これに対し、第二のライナー膜71aを設けずに、埋込絶縁膜を一層構造とした場合は、従来技術の説明で述べたように、第一のライナー膜71に達する大きなエッチング孔が形成される。そのため、埋込ワード線70と容量コンタクトプラグがショートするおそれが生じる。
次に、第二のコンタクト開口87の内壁を覆うように、シリコン窒化膜からなるサイドウォール(SW)88を形成する。次いで、第二のコンタクト開口87の底部に露出する半導体基板50の表面にN型不純物(リン等)をイオン注入する。これにより、第二のコンタクト開口87の底部に露出する半導体基板50の表面近傍にN型の第二の不純物高濃度拡散層90が形成される。なお、この第二の不純物高濃度拡散層90は、本実施形態のリセス型のトランジスタにおいてソース・ドレイン領域として機能する。
次に、図23に示すように、容量コンタクトプラグ95を形成する。まず、第二のコンタクト開口87内を充填し、かつ、第二の層間絶縁膜86上を覆うようにリンを含有したポリシリコン膜を堆積させる。次いで、第二のコンタクト開口87の底部にポリシリコン膜を残存させるようにエッチバックを行う。これにより、ポリシリコン膜からなる底部導電膜91が形成される。この後、底部導電膜91の上面を覆うようにコバルトシリサイド(CoSi)等からなるシリサイド層92を形成する。次いで、シリサイド層92を覆い、かつ、第二のコンタクト開口87内を充填するように、たとえばタングステンからなる金属膜93を形成する。
次いで、CMP処理を行い、堆積膜85の表面が露出するまで表面を平坦化し、堆積膜85上のシリサイド層92および金属膜93を除去する。これにより、第二のコンタクト開口87内にタングステンの金属膜93が残存する。これにより、底部導電膜(ポリシリコン膜)91とシリサイド層92と金属膜93が順次積層してなる3層構造の容量コンタクトプラグ95が形成される。
本実施形態では、図23に示すように、隣接する埋込ワード線70同士の間に位置する第一の高濃度不純物拡散層77上にビット配線81を形成し、また、第二の高濃度不純物拡散層90上に容量コンタクトプラグ95を形成する。そのため、容量コンタクトプラグ95とビット配線81を埋込ワード線70上に密に配置することができる。これにより、半導体装置の微細化に寄与することができる。
本実施形態では、図23に示すように、隣接する埋込ワード線70同士の間に位置する第一の高濃度不純物拡散層77上にビット配線81を形成し、また、第二の高濃度不純物拡散層90上に容量コンタクトプラグ95を形成する。そのため、容量コンタクトプラグ95とビット配線81を埋込ワード線70上に密に配置することができる。これにより、半導体装置の微細化に寄与することができる。
次に、窒化タングステン(WN)およびタングステン(W)を順次堆積し、図示しない積層膜を形成する。次いで、前記積層膜をパターニングすることにより、図24に示すように、積層膜からなる容量コンタクトパッド96が形成される。これにより、容量コンタクトパッド96は容量コンタクトプラグ95と接続した構成となる。
次に、図25に示すように容量コンタクトパッド96上を覆うように、シリコン窒化膜をからなるストッパー膜97と、シリコン酸化膜等からなる第3の層間絶縁膜98を順次積層する。
次に、図25に示すように容量コンタクトパッド96上を覆うように、シリコン窒化膜をからなるストッパー膜97と、シリコン酸化膜等からなる第3の層間絶縁膜98を順次積層する。
次いで、図26に示すように、容量コンタクトパッド96の上面を露出させるように、第3の層間絶縁膜98およびストッパー膜97を貫通する開口(コンタクトホール)99を形成する。次いで、開口99の内壁を覆うように窒化チタン等からなるキャパシタ素子の下部電極(第一の電極)100を形成する。下部電極100の底部は容量コンタクトパッド96と接続している。
次に、図27に示すように、キャパシタ103を形成する。まず、下部電極100の表面を覆うように容量絶縁膜101を形成する。次いで、窒化チタン等からなる上部電極102を形成する。これによりキャパシタ103が形成される。このとき、容量絶縁膜101としては、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)やそれらの積層膜を用いることができる。
次に、図28に示すように、上部電極102を覆うようにシリコン酸化膜等からなる第4の層間絶縁膜105を形成する。次いで、アルミニウム(Al)や銅(Cu)等からなる上部金属配線106を形成する。この後、第4の層間絶縁膜105および上部金属配線106を覆うように保護膜107を形成することにより、図1、図2に示す構造の半導体装置(DRAM)1と同等構造の半導体装置110が完成する。
次に、図28に示すように、上部電極102を覆うようにシリコン酸化膜等からなる第4の層間絶縁膜105を形成する。次いで、アルミニウム(Al)や銅(Cu)等からなる上部金属配線106を形成する。この後、第4の層間絶縁膜105および上部金属配線106を覆うように保護膜107を形成することにより、図1、図2に示す構造の半導体装置(DRAM)1と同等構造の半導体装置110が完成する。
なお、以上説明した製造方法により得られた半導体装置110の配線構造について図29に平面構造を示す。
図29に示す配線構造に、図1の配線構造において記載を省略していたビット配線両側の絶縁膜82とライナー膜83を示す。図29に示すように、Y方向に隣接するビット配線81同士の間には、図1で示した容量コンタクトプラグ形成領域17が区画されている。
図29に、図1の容量コンタクトプラグ形成領域17の位置関係を示しておくことにより、図22で説明した第二のコンタクト開口87を形成する工程において、ライナー膜83をサイドウォールとしてSAC法を行った後に第二のコンタクト開口87を形成し、次いで、第二のコンタクト開口87を基に容量コンタクトプラグ95を形成する状況を明瞭に理解することができる。
図29に示す配線構造に、図1の配線構造において記載を省略していたビット配線両側の絶縁膜82とライナー膜83を示す。図29に示すように、Y方向に隣接するビット配線81同士の間には、図1で示した容量コンタクトプラグ形成領域17が区画されている。
図29に、図1の容量コンタクトプラグ形成領域17の位置関係を示しておくことにより、図22で説明した第二のコンタクト開口87を形成する工程において、ライナー膜83をサイドウォールとしてSAC法を行った後に第二のコンタクト開口87を形成し、次いで、第二のコンタクト開口87を基に容量コンタクトプラグ95を形成する状況を明瞭に理解することができる。
図30に、図1、図2を基に先に説明した実施形態のリセスチャネル型のセルトランジスタを備えた半導体装置1に代えて、サドルフィン型のセルトランジスタを備えた半導体装置の一例構造を示す。
この実施形態の半導体装置111は、先の形態の半導体装置1に対し、セルトランジスタの部分のみが異なり、その他の部分の構造は先に説明した半導体装置1と同様である。
この実施形態の半導体装置111は、先の形態の半導体装置1に対し、セルトランジスタの部分のみが異なり、その他の部分の構造は先に説明した半導体装置1と同様である。
図30(A)は図1に示す半導体装置1におけるA−A’線と同等の位置を断面視した図であり、図30(B)は図1に示す半導体装置1におけるB−B’線と同等の位置を断面視した図である。また、本実施形態の半導体装置111は、図30(A)、(B)の断面構造に示すトランジスタ形成領域2Aとキャパシタ形成領域3とから概略構成されている。
本実施形態の半導体装置111においては、素子分離溝4の上に重なるように、埋込配線13Aおよび下向きの突型電極13aが形成され、また、図30(A)のY方向に隣接する突型電極13a同士の間に位置する半導体基板5表面部分の凸部5A部分がチャネル領域となるように形成されている点が、先の実施形態の半導体装置1のセルトランジスタ構造と異なっている。
本実施形態の半導体装置111においては、素子分離溝4の上に重なるように、埋込配線13Aおよび下向きの突型電極13aが形成され、また、図30(A)のY方向に隣接する突型電極13a同士の間に位置する半導体基板5表面部分の凸部5A部分がチャネル領域となるように形成されている点が、先の実施形態の半導体装置1のセルトランジスタ構造と異なっている。
図31と図32は、本実施形態のサドルフィン型のセルトランジスタを製造する工程を説明するための図である。
本実施形態の半導体装置111の製造方法は、まず、先の実施形態の半導体装置1と同様に図3〜図7を基に説明した方法と同様の肯定を行う。次いで、図7に示すように半導体基板50上にマスク用のシリコン窒化膜62およびカーボン膜(アモルファス・カーボン膜)63を順次堆積し、ゲート電極溝(トレンチ)形成用のパターンにパターニングする。次いで、図31に示すようにドライエッチングによって半導体基板50、シリコン酸化膜55、素子分離絶縁膜56およびシリコン酸化膜57をエッチングし、トレンチ(ゲート電極溝)115を形成する。このトレンチ115は、先の実施形態と同様、活性領域Kと交差する所定の方向(図1のY方向)に延在するライン状のパターンとして形成される。
本実施形態の半導体装置111の製造方法は、まず、先の実施形態の半導体装置1と同様に図3〜図7を基に説明した方法と同様の肯定を行う。次いで、図7に示すように半導体基板50上にマスク用のシリコン窒化膜62およびカーボン膜(アモルファス・カーボン膜)63を順次堆積し、ゲート電極溝(トレンチ)形成用のパターンにパターニングする。次いで、図31に示すようにドライエッチングによって半導体基板50、シリコン酸化膜55、素子分離絶縁膜56およびシリコン酸化膜57をエッチングし、トレンチ(ゲート電極溝)115を形成する。このトレンチ115は、先の実施形態と同様、活性領域Kと交差する所定の方向(図1のY方向)に延在するライン状のパターンとして形成される。
このエッチングの際に、先の実施形態では図8に示すように素子分離溝53の領域よりも半導体基板50のシリコン膜側をより深くエッチングしたのに対し、本実施形態では逆に、半導体基板50のトレンチ115側よりも素子分離溝53側の部分を深くエッチングすることにより半導体基板50に凸部(チャネル領域)50Aを形成することができる、この凸部50Aの部分をセルトランジスタのチャネル領域とすることができる。
この後、先の実施形態において図9において説明した工程と同様、ゲート絶縁膜67と窒化チタン膜68とタングステン膜69を成膜したのちにエッチバックを行い、図32に示すトレンチ(ゲート電極溝)115内に埋込ワード線116あるいは埋込配線117を形成する。その後、先の実施形態の場合と同様に、図11以降の工程を順次施すことにより、図30に示す断面構造の半導体装置111が製造される。
本実施形態のサドルフィン型のセルトランジスタを備えた半導体装置111では、チャネル領域が半導体基板50の表面部分に形成した凸部50Aの部分であり、チャネル領域が先の実施形態の半導体装置1よりも広いので、先の実施形態のリセス型のトランジスタ構造よりもトランジスタとしてオン電流を多く流すことができる特徴を有する。その他の構造は先の実施形態において説明した半導体装置1と同様であり、同等の効果を得ることができる。
また、図30に示すサドルフィン型のセルトランジスタを有する半導体装置111も、第一の実施形態の半導体装置1と同様に第二の埋込絶縁膜11aと第一の埋込絶縁膜11の間に第二のライナー膜10aを設ける。これにより、第二のコンタクト開口を形成する場合にその下に位置する埋込絶縁膜(第二の埋込絶縁膜11aおよび第一の埋込絶縁膜11)が洗浄やエッチング液の接触によりエッチングされても、第二のライナー膜71aでエッチングを食い止めることができる。そのため、第一の埋込絶縁膜74の過剰なエッチングが防がれる。そのため、埋込ワード線9Aとその上の容量コンタクトプラグ19とのショートを回避することができる。
K…活性領域、1…半導体装置、2…トランジスタ形成領域、3、3A…キャパシタ形成領域、4…素子分離溝、5…半導体基板、5A、50A…チャネル領域、6、56…素子分離絶縁膜、7…トレンチ(ゲート電極溝)、4A…内部絶縁膜、5…半導体基板、6…素子分離絶縁膜、7…トレンチ、7A…ゲート絶縁膜、7b…凹部、9…埋込ワード線、10…第一のライナー膜、10a…第二のライナー膜、11…第一の埋込絶縁膜、11a…第二の埋込絶縁膜、12…チャネル溝、13…埋込配線、15…ビット配線、16…ビット配線接続領域、17…容量コンタクトプラグ形成領域、18…容量コンタクトパッド、19…容量コンタクトプラグ、20…絶縁層、21、23…不純物低濃度拡散層、22、24…不純物高濃度拡散層、26…第一の層間絶縁膜、28…コンタクトホール、30…底部導電膜、31…金属膜、32…上部絶縁膜、33…絶縁膜、34…ライナー膜、36…第二のコンタクト開口、40……底部導電膜、41…シリサイド層、42…金属膜、45…ストッパー膜、46…第3の層間絶縁膜、47…キャパシタ、47A…下部電極、47B…容量絶縁膜、47C…上部電極、50…半導体基板、53…素子分離溝、54…保護膜、58…素子分離領域、65…トレンチ(ゲート電極溝)、65b…凹部、67…ゲート絶縁膜、70…埋込ワード線、71…第一のライナー膜、71a…第二のライナー膜、72、74…第一の埋込絶縁膜、72a、74a…第二の埋込絶縁膜、76…第一のコンタクト開口、77…第一の不純物高濃度拡散層、78…底部導電膜(ポリシリコン膜)、79…金属膜、80…絶縁膜(シリコン窒化膜)、81…ビット配線、82…シリコン窒化膜、87…第二のコンタクト開口、88…サイドウォール、90…第二の不純物高濃度拡散層、91…底部導電膜(ポリシリコン膜)、92…シリサイド層、93…金属膜、95…容量コンタクトプラグ、96…容量コンタクトパッド、103…キャパシタ、110、111…半導体装置、115…トレンチ(ゲート電極溝)、116…埋込ワード線、117…埋込配線、120…絶縁層
Claims (9)
- 半導体基板の一面に複数のトレンチを隣接形成する工程と、
前記トレンチの内壁にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチの下部内側の前記ゲート絶縁膜上に埋込ワード線を形成する工程と、
前記トレンチ内の埋込ワード線上に第一のライナー膜、第一の埋込絶縁膜、第二のライナー膜および第二の埋込絶縁膜を順次積層することにより絶縁層を形成する工程と、を具備してなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第二の埋込絶縁膜及び前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
エッチングにより前記層間絶縁膜に前記第二の埋込絶縁膜及び前記第二の埋込絶縁膜に隣接する前記半導体基板表面に達するコンタクト開口を形成する工程と、
前記コンタクト開口を介して前記半導体基板表面に接続するビット配線および/または容量コンタクトプラグを形成する工程を具備してなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記コンタクト開口を形成後、前記半導体基板一面上に不純物を拡散することにより不純物高濃度拡散層を形成する工程と、
前記不純物高濃度拡散層上に前記ビット配線および/または前記容量コンタクトプラグを形成する工程と、を具備してなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁層を形成する工程において、
前記埋込ワード線上及び前記トレンチ内側の前記ゲート絶縁膜を覆うように前記第一のライナー膜を形成したのちに、前記トレンチを埋め込むように前記第一のライナー膜上に前記第一の埋込絶縁膜を形成する工程と、
前記第一の埋込絶縁膜および前記第一のライナー膜が前記トレンチ内下部領域に残存するようにエッチバックする工程と、
前記第一の埋込絶縁膜上及び前記トレンチ内側の前記ゲート絶縁膜を覆うように前記第二のライナー膜を形成したのちに、前記トレンチを埋め込むように前記第二のライナー膜上に前記第二の埋込絶縁膜を形成する工程と、
前記第二の埋込絶縁膜および前記第二のライナー膜が前記トレンチ内上部領域に残存するようにCMPにより研磨除去する工程と、を具備してなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記コンタクトプラグをポリシリコン膜とシリサイド層と金属膜を備えた少なくとも3層構造とすることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体基板と、
前記半導体基板の一面に形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜を介して形成された埋込ワード線と、
前記トレンチ内の前記埋込ワード線上に順次積層された第一のライナー膜、第一の埋込絶縁膜、第二のライナー膜および第二の埋込絶縁膜からなる絶縁層と、を具備してなることを特徴とする半導体装置。 - 前記トレンチ内側において、前記埋込ワード線のゲート電極となるべき部分に隣接する前記半導体基板一面の表面領域に形成された不純物高濃度拡散層と、
前記不純物高濃度拡散層上に形成されたビット配線および/または容量コンタクトプラグと、を具備してなることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。 - 前記絶縁層が、
前記埋込ワード線上および前記トレンチ内の前記ゲート絶縁膜を覆うように形成された前記第一のライナー膜と、
前記第一のライナー膜を介して前記トレンチ内の下部領域を埋め込むように形成された前記第一の埋込絶縁膜と、
前記第一の埋込絶縁膜上および前記トレンチ内の前記ゲート絶縁膜を覆うように形成された前記第二のライナー膜と、
前記第二のライナー膜を介して前記トレンチ内の上部領域を埋め込むように形成された前記第二の埋込絶縁膜と、からなることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の半導体装置。 - 前記トレンチの一側の側方に位置する前記半導体基板表面に形成された第一の不純物高濃度拡散層と、
前記第一の不純物高濃度拡散層の上に接続された前記ビット配線と、
前記トレンチの他側の側方に位置する前記半導体基板表面に形成された第二の不純物高濃度拡散層と、
前記第二の不純物高濃度拡散層の上に接合された前記容量コンタクトプラグと、を具備してなることを特徴とする請求項6乃至8のいずれか一項に記載の半導体装置。
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JP2010139551A JP2012004433A (ja) | 2010-06-18 | 2010-06-18 | 半導体装置の製造方法及び半導体装置 |
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