JP2012054454A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
近年、半導体装置(具体的には、半導体素子)の微細化が進められている。そのため、半導体装置としてDRAM(Dynamic Random Access Memory)を用い、DRAMのメモリセルを微細化した場合、メモリセルを構成する選択トランジスタ及びキャパシタが縮小化されるため、キャパシタの容量を十分に確保することが困難になってきている。 In recent years, semiconductor devices (specifically, semiconductor elements) have been miniaturized. Therefore, when a DRAM (Dynamic Random Access Memory) is used as a semiconductor device and a DRAM memory cell is miniaturized, a selection transistor and a capacitor constituting the memory cell are reduced, so that a sufficient capacity of the capacitor is ensured. Has become difficult.
この問題を解決するために、キャパシタを立体化して、キャパシタを構成する電極の表面積を増加させると共に、キャパシタの構造をMIS(Metal Insulator Semiconductor)構造からMIM(Metal Insulation Metal)構造に移行させることが行なわれている。 In order to solve this problem, the capacitor is three-dimensionalized to increase the surface area of the electrodes constituting the capacitor, and the structure of the capacitor may be shifted from a MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure to a MIM (Metal Insulation Metal) structure. It is done.
特許文献1には、下部電極、容量絶縁膜、及び上部電極よりなるMIMキャパシタと該MIMキャパシタが接続される容量コンタクトプラグとの間の抵抗を低くするために、下部電極と容量コンタクトプラグとの間にシリサイド層を形成することが開示されている。 In Patent Document 1, in order to reduce the resistance between an MIM capacitor composed of a lower electrode, a capacitive insulating film, and an upper electrode, and a capacitive contact plug to which the MIM capacitor is connected, a lower electrode and a capacitive contact plug are provided. It is disclosed to form a silicide layer therebetween.
ここで、特許文献1に記載されたMIMキャパシタ及びシリサイド層の形成方法について、簡単に説明する。
始めに、トランジスタを構成する不純物拡散領域(ソース領域)と電気的に接続され、不純物含有多結晶シリコン膜よりなる容量コンタクトプラグを形成する。
次いで、容量コンタクトプラグ上に層間絶縁膜を形成する。次いで、異方性エッチングにより、層間絶縁膜に、容量コンタクトプラグの上面に達するシリンダ孔を形成する。
Here, the method for forming the MIM capacitor and the silicide layer described in Patent Document 1 will be briefly described.
First, a capacitive contact plug made of an impurity-containing polycrystalline silicon film is formed which is electrically connected to an impurity diffusion region (source region) constituting the transistor.
Next, an interlayer insulating film is formed on the capacitor contact plug. Next, a cylinder hole reaching the upper surface of the capacitor contact plug is formed in the interlayer insulating film by anisotropic etching.
次いで、シリンダ孔から露出された容量コンタクトプラグの上端面、及びシリンダ孔の内周面を覆うチタン(Ti)膜と、チタン(Ti)膜の表面を覆う窒化チタン(TiN)膜とを順次積層することで、下部電極を形成する。
この際、下部電極を構成するチタン(Ti)膜に含まれるTiと、容量コンタクトプラグに含まれるシリコンとが反応させることで、容量コンタクトプラグにシリサイド層を形成する。
その後、下部電極を覆う容量絶縁膜と、容量絶縁膜を覆う上部電極とを順次形成することで、MIMキャパシタが形成される。
Next, a titanium (Ti) film covering the upper end surface of the capacitor contact plug exposed from the cylinder hole and the inner peripheral surface of the cylinder hole, and a titanium nitride (TiN) film covering the surface of the titanium (Ti) film are sequentially stacked. Thus, the lower electrode is formed.
At this time, Ti contained in the titanium (Ti) film constituting the lower electrode reacts with silicon contained in the capacitor contact plug to form a silicide layer on the capacitor contact plug.
Thereafter, a MIM capacitor is formed by sequentially forming a capacitive insulating film covering the lower electrode and an upper electrode covering the capacitive insulating film.
また、DRAMのメモリセルを微細化する技術として、特許文献2,3には、半導体基板の主面に対して垂直に伸びるピラーに、トランジスタを形成した3次元トランジスタが開示されている。
特許文献3に記載の3次元トランジスタは、シリコン基板をエッチングすることで形成され、かつチャネルとして機能するピラーと、ピラーの上端に形成された上部不純物拡散領域(ソース領域)と、ピラー間及びピラーの側面に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜に形成されたゲート電極と、ゲート電極の下方に位置するシリコン基板に形成された下部不純物拡散領域(ドレイン領域)と、上部不純物拡散領域上に形成されたチタンシリサイド層と、チタンシリサイド層上に形成されたコンタクトプラグと、を有する。
The three-dimensional transistor described in Patent Document 3 is formed by etching a silicon substrate and functions as a channel, an upper impurity diffusion region (source region) formed at the upper end of the pillar, and between pillars and between pillars. A gate insulating film formed on the side surface of the gate insulating film, a gate electrode formed on the gate insulating film, a lower impurity diffusion region (drain region) formed in a silicon substrate located below the gate electrode, and an upper impurity diffusion region A titanium silicide layer formed thereon; and a contact plug formed on the titanium silicide layer.
なお、特許文献3には記載されていないが、一般的に、特許文献3に記載のコンタクトプラグは、特許文献1或いは特許文献2に開示されたMIMキャパシタと接続されている。
上記構成とされた3次元トランジスタは、占有面積が小さく、かつ完全空乏化によって大きなドレイン電流が得られるという利点を有しており、4F2(Fは最小加工寸法)の最密レイアウトの実現も可能である。
Although not described in Patent Document 3, generally, the contact plug described in Patent Document 3 is connected to the MIM capacitor disclosed in Patent Document 1 or
The three-dimensional transistor having the above-described configuration has an advantage that a large drain current can be obtained due to a small occupied area and complete depletion, and a close-packed layout of 4F 2 (F is the minimum processing dimension) can be realized. Is possible.
ところで、3次元トランジスタを備えたメモリセルを4F2型の最密レイアウトで構成した場合、ピラー間(半導体基板内)に、ビット線及びワード線(ゲート電極を含む)が埋め込まれているため、コンタクトプラグを設けることなく、シリコンよりなる上部不純物拡散領域上にシリサイド層を形成し、該シリサイド層を介して、上部不純物拡散領域とMIMキャパシタの下部電極とを電気的に接続させる。 By the way, when a memory cell including a three-dimensional transistor is configured with a 4F 2 type close-packed layout, a bit line and a word line (including a gate electrode) are embedded between pillars (in a semiconductor substrate). Without providing a contact plug, a silicide layer is formed on the upper impurity diffusion region made of silicon, and the upper impurity diffusion region and the lower electrode of the MIM capacitor are electrically connected through the silicide layer.
ところで、半導体装置のさらなる微細化が進んだ場合、シリンダ孔の直径がさらに小さくなり、キャパシタと上部不純物拡散領域との間のコンタクト抵抗が上昇するため、従来よりもシリサイド層の厚さを厚くする必要がある。 By the way, when the semiconductor device is further miniaturized, the diameter of the cylinder hole is further reduced, and the contact resistance between the capacitor and the upper impurity diffusion region is increased. Therefore, the thickness of the silicide layer is made thicker than before. There is a need.
しかしながら、従来のシリンダ孔よりもシリンダ孔のアスペクト比(=シリンダ孔の深さ/シリンダ孔の径)が高くなるため、シリンダ孔の底面から露出された上部不純物拡散領域上に形成するチタン(Ti)膜の厚さばらつきが大きくなり、複数のピラーに形成されるシリサイド層の厚さを均一にすることが難しくなる。 However, since the aspect ratio of the cylinder hole (= cylinder hole depth / cylinder hole diameter) is higher than that of the conventional cylinder hole, titanium (Ti) formed on the upper impurity diffusion region exposed from the bottom surface of the cylinder hole ) The thickness variation of the film becomes large, and it becomes difficult to make the thickness of the silicide layer formed on the plurality of pillars uniform.
そのため、シリサイド層の厚さを厚くするためにシリサイド層の成長を促進した場合、他のピラーよりもシリサイド層が厚く形成されたピラーでは、ゲート電極とシリサイド層との距離が近くなりすぎることで、シリサイド層がピラーの側面に形成されたゲート絶縁膜に到達してゲート絶縁膜が侵食破壊され、ゲート電極と半導体基板とがショートしてしまう。 Therefore, when the growth of the silicide layer is promoted in order to increase the thickness of the silicide layer, in the pillar in which the silicide layer is formed thicker than other pillars, the distance between the gate electrode and the silicide layer is too close. Then, the silicide layer reaches the gate insulating film formed on the side surface of the pillar, the gate insulating film is eroded and destroyed, and the gate electrode and the semiconductor substrate are short-circuited.
本発明の一観点によれば、半導体基板の主面を部分的にエッチングすることで、ピラーを形成する工程と、前記ピラーの側面にゲート絶縁膜を介して、ゲート電極を形成する工程と、前記ピラーの上端に上部不純物拡散領域を形成する工程と、前記上部不純物拡散領域上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜を貫通し、かつ前記上部不純物拡散領域の上面を露出するシリンダ孔を形成する工程と、前記シリンダ孔の底部に、前記上部不純物拡散領域の上面を覆うと共に、前記シリンダ孔の一部を埋め込むシリコン膜を形成する工程と、前記シリコン膜の上面、及び前記シリコン膜よりも上方に位置する前記シリンダ孔の内面を覆うように、キャパシタとなる下部電極を形成すると共に、前記下部電極を形成する際の熱により、前記シリコン膜に含まれるSiと前記下部電極に含まれる金属とを反応させることでシリサイド層を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。 According to one aspect of the present invention, a step of forming a pillar by partially etching a main surface of a semiconductor substrate, a step of forming a gate electrode on a side surface of the pillar via a gate insulating film, Forming an upper impurity diffusion region on an upper end of the pillar; forming an interlayer insulating film on the upper impurity diffusion region; and exposing the upper surface of the upper impurity diffusion region through the interlayer insulating film. Forming a cylinder hole; forming a silicon film covering the upper surface of the upper impurity diffusion region and burying a part of the cylinder hole at a bottom of the cylinder hole; and an upper surface of the silicon film; A lower electrode serving as a capacitor is formed so as to cover an inner surface of the cylinder hole located above the silicon film, and heat generated when the lower electrode is formed, The method of manufacturing a semiconductor device including a step of forming a silicide layer by reacting the metal contained in the Si and the bottom electrode included in the silicon film is provided.
本発明の半導体装置の製造方法によれば、上部不純物拡散領域上に形成された層間絶縁膜を貫通し、かつ上部不純物拡散領域の上面を露出するシリンダ孔を形成し、次いで、シリンダ孔の底部に、上部不純物拡散領域の上面を覆うと共に、シリンダ孔の一部を埋め込むシリコン膜を形成し、次いで、シリコン膜の上面、及びシリコン膜よりも上方に位置するシリンダ孔の内面を覆うように、キャパシタとなる下部電極を形成すると共に、下部電極を形成する際の熱により、シリコン膜に含まれるSiと下部電極に含まれる金属とを反応させることでシリサイド層を形成することにより、シリサイド層とゲート電極との間の距離を十分に確保することが可能となる。 According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the cylinder hole penetrating the interlayer insulating film formed on the upper impurity diffusion region and exposing the upper surface of the upper impurity diffusion region is formed, and then the bottom of the cylinder hole And forming a silicon film that covers the upper surface of the upper impurity diffusion region and burying a part of the cylinder hole, and then covering the upper surface of the silicon film and the inner surface of the cylinder hole located above the silicon film, A silicide electrode is formed by reacting Si contained in the silicon film with a metal contained in the lower electrode by forming a lower electrode serving as a capacitor and by heat generated when the lower electrode is formed. A sufficient distance from the gate electrode can be secured.
これにより、シリサイド層の厚くした場合でもシリサイド層がゲート電極と接触する部分のゲート絶縁膜に到達することがなくなるため(言い換えれば、シリサイド層によりゲート電極と接触する部分のゲート絶縁膜が侵食破壊されることがなくなるため)、ゲート電極と半導体基板との間のショートの発生を抑制できる。 This prevents the silicide layer from reaching the gate insulating film in contact with the gate electrode even when the silicide layer is thickened (in other words, the portion of the gate insulating film in contact with the gate electrode is eroded and destroyed by the silicide layer). Therefore, the occurrence of a short circuit between the gate electrode and the semiconductor substrate can be suppressed.
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体装置の寸法関係とは異なる場合がある。 Embodiments to which the present invention is applied will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the drawings used in the following description are for explaining the configuration of the embodiment of the present invention, and the size, thickness, dimensions, and the like of each part shown in the drawings are different from the dimensional relationship of an actual semiconductor device. There is.
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態に係る半導体装置に設けられたメモリセルアレイの概略を示す平面図である。図2Aは、図1に示すメモリセルアレイのA−A線方向の断面図であり、図2Bは、図1に示すメモリセルアレイのB−B線方向の断面図である。
図1において、X方向はワード線29の延在方向を示しており、Y方向はワード線29と交差するビット線21の延在方向を示している。また、図1では、説明の便宜上、図2A及び図2Bに示すメモリセルアレイ11の構成要素のうち、ビット線21、ワード線29、シリサイド層43、及びキャパシタ45のみを図示する。
図2A及び図2Bにおいて、図1に示すメモリセルアレイ11と同一構成部分には、同一符号を付す。また、図1、図2A、及び図2Bでは、本実施の形態の半導体装置の一例としてDRAM(Dynamic Random Access Memory)を挙げて以下の説明を行う。
(Embodiment)
FIG. 1 is a plan view schematically showing a memory cell array provided in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 2A is a cross-sectional view of the memory cell array shown in FIG. 1 in the AA line direction, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the memory cell array shown in FIG. 1 in the BB line direction.
In FIG. 1, the X direction indicates the extending direction of the
2A and 2B, the same components as those of the
本実施の形態の半導体装置10は、図1、図2A、及び図2Bに示すメモリセルアレイ11が形成されるメモリセル領域と、メモリセル領域の周囲に配置された周辺回路(図示せず)が形成される周辺回路領域とを有する。周辺回路領域には、図示していない周辺回路用トランジスタ(例えば、プレーナー型トランジスタ)が形成されている。
The
次に、図1、図2A、及び図2Bを参照して、メモリセルアレイ11の構成について説明する。
メモリセルアレイ11は、半導体基板13と、素子分離領域(図示せず)と、ビット線形成用溝15と、絶縁膜16,23と、ビットコンタクト18と、下部不純物拡散領域19と、ビット線21と、ワード線形成用溝25と、ピラー26と、ゲート絶縁膜27と、ワード線29と、埋め込み絶縁膜31,35と、溝32と、ライナー膜33と、上部不純物拡散領域36と、第1のエッチングストッパ膜38と、第1の層間絶縁膜39と、第2のエッチングストッパ膜41と、シリコン膜42と、シリサイド層43と、サポート膜44と、キャパシタ45と、第3の層間絶縁膜46と、配線47と、第4の層間絶縁膜48と、を有する。
Next, the configuration of the
The
図2A及び図2Bを参照するに、半導体基板13は、所定の濃度の不純物を含んだ基板である。半導体基板としては、例えば、p型のシリコン基板を用いることができる。以下、半導体基板13としてp型のシリコン基板を用いた場合を例に挙げて説明する。
半導体基板13には、素子分離用溝(図示せず)及び該素子分離用溝を埋め込む素子分離用絶縁膜(図示せず)により構成された素子分離領域(図示せず)と、該素子分離領域の内側に形成され、矩形とされた素子形成領域とを有する。
上記素子分離用絶縁膜としては、シリコン酸化膜(SiO2膜)を用いる。上記素子分離領域の構造は、STI(Shallow Trench Isolation)と呼ばれる。また、上記素子形成領域は、素子分離領域によって絶縁分離された活性領域である。
2A and 2B, the
The
A silicon oxide film (SiO 2 film) is used as the element isolation insulating film. The structure of the element isolation region is called STI (Shallow Trench Isolation). The element formation region is an active region that is insulated and isolated by an element isolation region.
図2Aを参照するに、ビット線形成用溝15は、半導体基板13に形成されている。ビット線形成用溝15は、Y方向に延在するように、X方向に対して複数配置されている。ビット線形成用溝15の底部には、ビット線21が形成される。
絶縁膜16は、ビット線形成用溝15の内面のうち、ビット線21の形成領域に対応する面(具体的には、ビット線形成用溝15の側面の一部及び底面)に設けられている。絶縁膜16は、ビットコンタクト18が形成される開口部16Aを有する。開口部16Aは、ピラー26の側面の一部を露出するように形成されている。絶縁膜16としては、シリコン酸化膜(SiO2膜)を用いることができる。
Referring to FIG. 2A, the bit
The insulating
ビットコンタクト18は、絶縁膜16に形成された開口部16Aを充填するように設けられている。ビットコンタクト18の材料としては、例えば、n型不純物(例えば、ヒ素(As))を含有した多結晶シリコン膜を用いることができる。
下部不純物拡散領域19は、n型不純物(例えば、ヒ素(As))を含んだ不純物拡散領域であり、ドレイン領域として機能する。下部不純物拡散領域19は、ピラー26のうち、ビットコンタクト18と接触している部分に形成されている。
The
The lower
ビット線21(埋め込みビット線)は、絶縁膜16を介して、ビット線形成用溝15の底部に形成されている。ビット線21の上面21aは、平坦な面とされている。ビット線21は、Y方向に延在しており、X方向に複数配置されている(図1参照)。ビット線21は、ビットコンタクト18と接触しており、ビットコンタクト18を介して、下部不純物拡散領域19と電気的に接続されている。
ビット線21は、導電膜により構成されている。ビット線21を構成する導電膜としては、例えば、チタン(Ti)膜と、窒化チタン(TiN)膜と、タングステン(W)膜とを順次積層した積層膜を用いることができる。
The bit line 21 (buried bit line) is formed at the bottom of the bit
The
図2Aを参照するに、絶縁膜23は、ビット線21の上面21a、及びビット線21よりも上方に位置するビット線形成用溝15の側面を覆うように形成されている。絶縁膜23としては、例えば、SiON膜を用いることができる。
図2A及び図2Bを参照するに、ワード線形成用溝25は、ビット線形成用溝15と交差するように、半導体基板13に形成されている。ワード線形成用溝25は、X方向に延在するように形成されており、Y方向に対して複数配置されている。
Referring to FIG. 2A, the insulating
2A and 2B, the word
図2A及び図2Bを参照するに、ピラー26は、ビット線形成用溝15及びワード線形成用溝25に囲まれており、柱状形状とされている。ピラー26は、半導体基板13を母材としており、半導体基板13の主面13aを部分的にエッチングして、ビット線形成用溝15及びワード線形成用溝25を加工することで形成される。
ピラー26の上端には、上部不純物拡散領域36が形成されている。ピラー26のうち、上部不純物拡散領域36と下部不純物拡散領域19との間に位置する部分は、チャネルとして機能する。
2A and 2B, the
An upper
このピラー26に、下部不純物拡散領域19、上部不純物拡散領域36、ゲート絶縁膜27、及び後述する一対のゲート電極51,52が形成されることで、3次元トランジスタである縦型MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ50が形成される。つまり、メモリセルアレイ11には、マトリックス状に複数の縦型MOSトランジスタ50が形成されている。
縦型MOSトランジスタ50は、占有面積が小さく、かつ完全空乏化によって大きなドレイン電流が得られるという利点がある。したがって、メモリセルアレイ11では、上記縦型MOSトランジスタ50を複数備えることにより、4F2(Fは最小加工寸法)の最密レイアウトが実現可能である。
A lower
The
図2Bを参照するに、ゲート絶縁膜27は、X方向に配置された複数のピラー26の側面26a,26b(上部不純物拡散領域36の側面も含む)、及びワード線形成用溝25の底面25aを覆うように形成されている。ゲート絶縁膜27としては、例えば、単層のシリコン酸化膜(SiO2膜)、シリコン酸化膜を窒化した膜(SiON膜)、積層されたシリコン酸化膜(SiO2膜)、シリコン酸化膜(SiO2膜)上にシリコン窒化膜(SiN膜)を積層させた積層膜等を用いることができる。
Referring to FIG. 2B, the
図1を参照するに、ワード線29は、一対のゲート電極51,52と、電極端接続部53と、接続部55とを有する。
図1及び図2Bを参照するに、ゲート電極51は、X方向に延在しており、ゲート絶縁膜27を介して、複数のピラー26の側面26aに設けられている。ゲート電極52は、X方向に延在しており、ゲート絶縁膜27を介して、複数のピラー26の側面26bに設けられている。ゲート電極52は、ゲート絶縁膜27及び複数のピラー26を介して、ゲート電極51と対向配置されている。
図1を参照するに、電極端接続部53は、ゲート電極51,52の両端にそれぞれ設けられており、ゲート電極51,52の端と一体に構成されている。
Referring to FIG. 1, the
Referring to FIGS. 1 and 2B, the
Referring to FIG. 1, the electrode
図1及び図2Aを参照するに、接続部55は、絶縁膜23を介して、ゲート電極51,52間に位置するビット線形成用溝15に設けられている。接続部55の一方の端部は、ゲート電極51と一体に構成されており、接続部55の他方の端部は、ゲート電極52と一体に構成されている。接続部55は、X方向におけるワード線29の電気抵抗の差を小さくするための部材である。
上記構成とされたワード線29は、導電膜により構成できる。ワード線29を構成する導電膜としては、例えば、チタン(Ti)膜と、窒化チタン(TiN)膜と、タングステン(W)膜とが順次積層された積層膜を用いることができる。
Referring to FIGS. 1 and 2A, the connecting
The
図2Aを参照するに、埋め込み絶縁膜31は、接続部55上に位置するビット線形成用溝15を充填するように設けられている。埋め込み絶縁膜31の上面31aは、平坦な面とされており、半導体基板13の主面13aに対して面一とされている。埋め込み絶縁膜31としては、例えば、埋め込み特性に優れ、緻密な膜質を有した絶縁膜を用いるとよい。具体的には、埋め込み絶縁膜31としては、例えば、HDP(High Density Plasma)法により形成されたシリコン酸化膜(SiO2膜)を用いるとよい。
Referring to FIG. 2A, the buried insulating
図2Bを参照するに、溝32は、X方向に延在しており、ワード線形成用溝25内に形成されている。溝32のY方向の幅は、ワード線形成用溝25のY方向の幅よりも狭い。溝32は、ワード線形成用溝25に埋め込まれ、ワード線29の母材となる導電膜(図示せず)を2つに分離することで、一対のゲート電極51,52を形成するための分離用溝である。そのため、溝32の深さは、ワード線29の母材となる導電膜を確実に2つに分離できるように、ワード線形成用溝25の深さよりも深くなるように構成されている。
Referring to FIG. 2B, the
図2Bを参照するに、ライナー膜33は、ワード線形成用溝25内に設けられており、ゲート電極51,52上にサイドウォール状に形成されている。ライナー膜33は、絶縁性を有した膜である。ライナー膜33としては、例えば、SiON膜を用いることができる。ライナー膜33の上面は、平坦な面とされており、半導体基板13の主面13aに対して面一とされている。
図2Bを参照するに、埋め込み絶縁膜35は、溝32を充填するように設けられている。埋め込み絶縁膜35の上面は、平坦な面とされており、半導体基板13の主面13aに対して面一とされている。
Referring to FIG. 2B, the
Referring to FIG. 2B, the buried insulating
図2A及び図2Bを参照するに、上部不純物拡散領域36は、ピラー26の上端(半導体基板13の主面13a)に形成されている。上部不純物拡散領域36の上面36aは、半導体基板13の主面13aに対応している。
上部不純物拡散領域36は、n型不純物(例えば、ヒ素(As))を含んだ不純物拡散領域であり、ソース領域として機能する。上部不純物拡散領域36の上面36aは、ワード線29の上面よりも上方に配置されている。
2A and 2B, the upper
The upper
図2A及び図2Bを参照するに、第1のエッチングストッパ膜38は、上部不純物拡散領域36が形成されていない半導体基板13の主面13a、ライナー膜33の上面、及び埋め込み絶縁膜31,35の上面を覆うように設けられている。第1のエッチングストッパ膜38としては、シリコン窒化膜(SiN膜)を用いる。この場合、第1のエッチングストッパ膜38の厚さは、例えば、50nmとすることができる。
第1の層間絶縁膜39は、第1のエッチングストッパ膜38上に設けられている。第1の層間絶縁膜39としては、シリコン酸化膜(SiO2膜)を用いる。この場合、第1の層間絶縁膜39の厚さは、例えば、400nmとすることができる。
2A and 2B, the first
The first
第2のエッチングストッパ膜41は、第1の層間絶縁膜39上に設けられている。第2のエッチングストッパ膜41としては、シリコン窒化膜(SiN膜)を用いる。この場合、第2のエッチングストッパ膜41の厚さは、例えば、50nmとすることができる。
シリコン膜42は、上部不純物拡散領域36上に設けられている。シリコン膜42は、導電性を有した膜であり、かつシリサイド層43が形成される膜である。シリコン膜42としては、例えば、不純物を含んだ多結晶シリコン膜を用いることができる。具体的には、シリコン膜42としては、例えば、n型不純物であるリン(P)を22E19(/cm3)程度含む多結晶シリコン膜を用いることができる。
第1のエッチングストッパ膜38の厚さが50nm、第1の層間絶縁膜39の厚さが400nm、第2のエッチングストッパ膜41の厚さが50nmの場合、シリサイド層43が形成される前のシリコン膜42の厚さは、例えば、100nm以上500nm未満とすることができる。
The second
The
When the thickness of the first
シリサイド層43は、シリコン膜42の上部、及びキャパシタ45を構成する下部電極57底部の一部に形成されている。下部電極57がチタン(Ti)層63と、窒化チタン(TiN)層と64が順次積層された積層膜である場合、シリサイド層43としてチタンシリサイド層が形成される。
チタンシリサイド層は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、下部電極57を構成するチタン(Ti)層63を成膜することで、チタン(Ti)層63に含まれるTiとシリコン膜42に含まれるSiとを反応させることで形成する。
The
The titanium silicide layer is included in the Ti and
このとき、シリサイド層43は、下方側(上部不純物拡散領域36に向かう方向)に成長する。シリサイド層43は、キャパシタ45と上部不純物拡散領域36との間のコンタクト抵抗を小さくするための層である。
また、チタンシリサイド層としては、TiSi2層を用いるとよい。TiSi2層は、シリサイド層のなかで電気抵抗が最も低く、かつ多結晶シリコン及び上部不純物拡散領域36の表面に自然酸化膜(シリコン酸化膜(SiO2膜))が形成された場合でも安定な固相反応が進行する(Tiはシリコン酸化膜を還元して反応する)からである。
At this time, the
Further, a TiSi 2 layer may be used as the titanium silicide layer. The TiSi 2 layer has the lowest electrical resistance among the silicide layers, and is stable even when a natural oxide film (silicon oxide film (SiO 2 film)) is formed on the surfaces of the polycrystalline silicon and the upper
このように、上部不純物拡散領域36の上面36aと下部電極57との間にシリコン膜42を設け、該シリコン膜42にシリサイド層43を形成することにより、シリサイド層43とゲート電極51,52との間の距離を十分に確保することが可能となる。
In this way, by providing the
これにより、シリサイド層43の厚さを厚く(例えば、30〜50nm)した場合でも、シリサイド層43がゲート電極51,52の形成領域に対応するゲート絶縁膜27に到達することがなくなるため(言い換えれば、シリサイド層43によりゲート絶縁膜27が侵食破壊されることがなくなるため)、ゲート電極51,52とシリサイド層43及び半導体基板13との間のショートの発生を抑制できる。
Thereby, even when the thickness of the
サポート膜44は、第2のエッチングストッパ膜41の上方に配置されている。サポート膜44としては、シリコン窒化膜(SiN膜)を用いる。サポート膜44は、後述する複数の下部電極57の上端側の外周側面57aと接触している。これにより、サポート膜44は、複数の下部電極57を連結している。
サポート膜44には、貫通部61が形成されている(図2B参照)。貫通部61は、ウエットエッチングにより、後述する図9A及び図9Bに示す第2の層間絶縁膜68を除去するためのエッチング液の導入口である。この第2の層間絶縁膜68は、図示していない周辺回路領域に形成されている。
The
A through-
上記第2の層間絶縁膜68が除去されることにより、第2のエッチングストッパ膜41とサポート膜44と間には、空間62が形成される。サポート膜44と第2のエッチングストッパ膜41との間隔は、図9A及び図9Bに示す第2の層間絶縁膜68の厚さと等しく、例えば、900nmとすることができる。
また、サポート膜44の厚さは、例えば、100μmとすることができる。なお、図2Bでは、1つの貫通部61のみ図示しているが、実際には、サポート膜44には複数の貫通部61が形成されている。
By removing the second
Further, the thickness of the
キャパシタ45は、MIMキャパシタであり、シリサイド層43上に設けられている。キャパシタ45は、複数のピラー26に対してそれぞれ1つ設けられている。つまり、メモリセルアレイ11は、複数のキャパシタ45を有する。
キャパシタ45は、1つの下部電極57と、複数の下部電極57に亘るように形成された容量絶縁膜58(言い換えれば、複数の下部電極57に対して共通の容量絶縁膜)と、容量絶縁膜58の表面を覆う上部電極59(言い換えれば、複数の下部電極57に対して共通の上部電極)とを有する。
下部電極57は、王冠形状とされている。下部電極57は、サポート膜51により他の下部電極57と連結されている。下部電極57は、チタン(Ti)膜63(以下、単に「チタン膜63」という)と、窒化チタン(TiN)膜64(以下、単に「窒化チタン膜64」という)とが順次積層された構成とされている。チタン膜63の厚さは、例えば、10nmとすることができる。
The
The
The
容量絶縁膜58は、複数の下部電極57の内面、第2のエッチングストッパ膜41とサポート膜44との間に位置する複数の下部電極57の外周側面57a、第2のエッチングストッパ膜41の上面41a、サポート膜44の上面44a及び下面44b、及び貫通部61を構成するサポート膜44の側面を覆うように設けられている。
容量絶縁膜58としては、例えば、酸化アルミニウム膜(Al2O3膜)と酸化ジルコニウム膜(ZrO2膜)とを順次積層した積層膜を用いることができる。
The
As the
上部電極59は、容量絶縁膜58を介して、複数の下部電極57、貫通部61、及び空間62を充填すると共に、サポート膜44の上面44aに位置する容量絶縁膜58上に形成されている。
上部電極59の上面59aは、平坦な面とされている。上部電極59としては、ルテニウム(Ru)膜、タングステン(W)膜、窒化チタン(TiN)膜等の金属膜、或いは多結晶シリコン膜等を用いることができる。
The
The
第3の層間絶縁膜46は、上部電極59の上面59aに設けられている。第3の層間絶縁膜46としては、例えば、シリコン酸化膜(SiO2膜)を用いることができる。
配線47は、第3の層間絶縁膜46上に設けられている。配線47は、下層に配置された上部電極59と電気的に接続されている。
第4の層間絶縁膜48は、配線47を覆うように、第3の層間絶縁膜46上に設けられている。第4の層間絶縁膜48としては、例えば、シリコン酸化膜(SiO2膜)を用いることができる。
The third
The
The fourth
本実施の形態の半導体装置によれば、上部不純物拡散領域36の上面36aと下部電極57との間にシリコン膜42を設け、下部電極57と接触するシリコン膜42にシリサイド層43を形成することにより、シリサイド層43とゲート電極51,52との間の距離を十分に確保することが可能となる。
これにより、シリサイド層43を厚くした場合でも、シリサイド層43がゲート電極51,52の形成領域に対応するゲート絶縁膜27に到達することがなくなるため(言い換えれば、シリサイド層43によりゲート絶縁膜27が侵食破壊されることがなくなるため)、ゲート電極51,52と半導体基板13との間のショートの発生を抑制できる。
According to the semiconductor device of the present embodiment, the
Thereby, even when the
また、シリサイド層43とゲート電極51,52との間の距離が十分に確保されているため、キャパシタ45と上部不純物拡散領域36との間のコンタクト抵抗をさらに低減させるために、シリサイド層43の成長を促進した場合でもゲート電極51,52とシリサイド層43及び半導体基板13との間のショートの発生を抑制できる。
In addition, since the distance between the
図3A、図3B、図4A、図4B、図5A、図5B、図6A、図6B、図7A、図7B、図8A、図8B、図9A、図9B、図10A、図10B、図11A、図11B、図12A、図12B、図13A、及び図13Bは、本発明の実施の形態に係る半導体装置に設けられたメモリセルアレイの製造工程を示す図である。
図3A、図4A、図5A、図6A、図7A、図8A、図9A、図10A、図11A、図12A、及び図13Aは、図2Aに示すメモリセルアレイ11の切断面に対応する断面図である。
3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, 10B, and 11A 11B, FIG. 12A, FIG. 12B, FIG. 13A, and FIG. 13B are diagrams showing a manufacturing process of the memory cell array provided in the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
3A, 4A, 5A, 6A, 7A, 8A, 9A, 10A, 11A, 12A, and 13A are cross-sectional views corresponding to the cut surface of the
また、図3B、図4B、図5B、図6B、図7B、図8B、図9B、図10B、図11B、図12B、及び図13Bは、図2Bに示すメモリセルアレイ11の切断面に対応する断面図である。
図3A、図3B、図4A、図4B、図5A、図5B、図6A、図6B、図7A、図7B、図8A、図8B、図9A、図9B、図10A、図10B、図11A、図11B、図12A、図12B、図13A、及び図13Bにおいて、図2A及び図2に示すメモリセルアレイ11と同一構成部分には同一符号を付す。
3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B, 9B, 10B, 11B, 12B, and 13B correspond to the cut surface of the
3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, 10B, and 11A 11B, FIG. 12A, FIG. 12B, FIG. 13A, and FIG. 13B, the same components as those in the
次に、図3A、図3B、図4A、図4B、図5A、図5B、図6A、図6B、図7A、図7B、図8A、図8B、図9A、図9B、図10A、図10B、図11A、図11B、図12A、図12B、図13A、及び図13Bを参照して、本発明の実施の形態に係る半導体装置10(具体的には、メモリセルアレイ11)の製造方法について説明する。 Next, FIGS. 3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, and 10B. , FIG. 11A, FIG. 11B, FIG. 12A, FIG. 12B, FIG. 13A, and FIG. 13B, a method for manufacturing the semiconductor device 10 (specifically, the memory cell array 11) according to the embodiment of the present invention will be described. To do.
始めに、図3A及び図3Bに示す工程では、半導体基板13に、図示していない素子分離用溝を形成し、次いで、該素子分離用溝を埋め込む素子分離用絶縁膜(シリコン酸化膜(SiO2膜))を形成することで、素子分離領域(図示せず)を形成する。これにより、該素子分離領域の内側に配置された素子形成領域(活性領域)を形成する。
半導体基板13としては、例えば、p型のシリコン基板を用いることができる。以下の説明では、半導体基板13としてp型のシリコン基板を用いた場合を例に挙げて説明する。
First, in the process shown in FIGS. 3A and 3B, an element isolation groove (not shown) is formed in the
As the
次いで、ホトリソグラフィ技術及びドライエッチング法により、半導体基板13の主面13aにシリコン窒化膜よりなるハードマスク(図示せず)を形成する。次いで、該ハードマスク(図示せず)をマスクとするドライエッチングにより、半導体基板13の主面13aを部分的にエッチングすることで、Y方向に延在する複数のビット線形成用溝15を形成する。次いで、複数のビット線形成用溝15の内面のうち、ビット線21の形成領域に対応する部分を覆うように絶縁膜16を形成する。
この段階では、絶縁膜16には、開口部16Aは形成されていない。
次いで、絶縁膜16を介して、開口部16Aの形成領域よりも低い位置にあるビット線形成用溝15を埋め込むように、ヒ素(As)を含有した多結晶シリコン膜(図示せず)を形成する。次いで、絶縁膜16のうち、ビットコンタクト18の形成領域に対応する部分を選択的にエッチングすることで、半導体基板13を露出する開口部16Aを形成する。
Next, a hard mask (not shown) made of a silicon nitride film is formed on the
At this stage, the
Next, a polycrystalline silicon film (not shown) containing arsenic (As) is formed through the insulating
次いで、ヒ素(As)を含有した多結晶シリコン膜(図示せず)上に、ヒ素(As)を含有した多結晶シリコン膜(図示せず)を成長させることで、複数のビット線形成用溝15内を埋め込む。
次いで、エッチバックにより、複数のビット線形成用溝15に形成されたヒ素(As)を含有した多結晶シリコン膜(図示せず)を除去して、開口部16Aのみにヒ素(As)を含有した多結晶シリコン膜(図示せず)を残存させることで、開口部16Aにヒ素(As)を含有した多結晶シリコン膜(図示せず)よりなるビットコンタクト18を形成する。
Next, a plurality of bit line forming grooves are formed by growing a polycrystalline silicon film (not shown) containing arsenic (As) on a polycrystalline silicon film (not shown) containing arsenic (As). 15 is embedded.
Next, the polycrystalline silicon film (not shown) containing arsenic (As) formed in the plurality of
次いで、CVD法により、所定の温度(例えば、650℃)に加熱された雰囲気内で、ビット線21の母材となる導電膜を成膜する。具体的には、ビット線21の母材となる導電膜として、チタン(Ti)膜と、窒化チタン(TiN)膜と、タングステン(W)膜とを順次積層する。
このとき、上記導電膜の成膜時の熱により、ビットコンタクト18に含まれるヒ素(As)がピラー26の形成領域に対応した半導体基板13に熱拡散する。これにより、ピラー26の側壁に対応する部分に下部不純物拡散領域19が形成される。
次いで、上記導電膜をエッチバックして、ビット線形成用溝15の底部に導電膜を残存させることで、Y方向に延在するビット線21を形成する。
Next, a conductive film serving as a base material of the
At this time, arsenic (As) contained in the
Next, the conductive film is etched back to leave the conductive film at the bottom of the bit
次いで、ビット線21の上面21a、及びビット線21よりも上方に位置するビット線形成用溝15の側面を覆う絶縁膜23を形成する。絶縁膜23としては、例えば、SiON膜を用いることができる。
次いで、ビット線形成用溝15のうち、接続部55の形成領域に対応する部分に、SOG(Spin On Glass)法により、図示していない塗布系のシリコン酸化膜(SiO2膜)を形成する。次いで、HDP(High Density Plasma)法により、塗布系のシリコン酸化膜(SiO2膜)上に、ビット線形成用溝15を埋め込むシリコン酸化膜(SiO2膜)を成膜することで、埋め込み絶縁膜31を形成する。
Next, an insulating
Next, a coating-type silicon oxide film (SiO 2 film) (not shown) is formed by a SOG (Spin On Glass) method in a portion of the bit
次いで、半導体基板13の主面13aを部分的にエッチングすることで、ビット線形成用溝15と交差し、かつY方向に延在するワード線形成用溝25を複数形成する。ワード線形成用溝25は、先に説明したビット線形成用溝15と同様な手法により形成する。このとき、ワード線形成用溝25は、SOG法により形成された塗布系のシリコン酸化膜(図示せず)を完全に露出するように形成する。
これにより、半導体基板13よりなり、ビット線形成用溝15及びワード線形成用溝25に囲まれた複数のピラー26が形成される。言い換えれば、半導体基板13の主面13aを部分的にエッチングすることで、複数のピラー26を形成する。
Next, the
As a result, a plurality of
次いで、ウエットエッチングにより、SOG法により形成された塗布系のシリコン酸化膜(図示せず)を選択的に除去する。その後、ワード線形成用溝25の内面(具体的には、ワード線形成用溝25の底面25a、及び複数のピラー26の側面26a,26bに対応するワード線形成用溝25の側面)を覆うゲート絶縁膜27を形成する。これにより、複数のピラー26の側面26a,26bにゲート絶縁膜27が形成される。
Next, a silicon oxide film (not shown) of the coating system formed by the SOG method is selectively removed by wet etching. Thereafter, the inner surface of the word line formation groove 25 (specifically, the
ゲート絶縁膜27としては、例えば、単層のシリコン酸化膜(SiO2膜)、シリコン酸化膜を窒化した膜(SiON膜)、積層されたシリコン酸化膜(SiO2膜)、シリコン酸化膜(SiO2膜)上にシリコン窒化膜(SiN膜)を積層させた積層膜等を用いることができる。
Examples of the
次いで、CVD法により、接続部55の形成領域に対応するビット線形成用溝15、及びワード線形成用溝25を埋め込むように、ワード線29の母材となる導電膜を成膜する。
具体的には、チタン(Ti)膜と、窒化チタン(TiN)膜と、タングステン(W)膜とを順次成膜する。これにより、ビット線形成用溝15に、導電膜よりなる複数の接続部55が形成される。このとき、図示していない電極端接続部53(図1参照)も同時に形成される。
次いで、ワード線形成用溝25に形成された導電膜をエッチバックして、残存する導電膜の厚さを所定の厚さとする。この残存する導電膜は、一対のゲート電極51,52の母材となる。
Next, a conductive film serving as a base material of the
Specifically, a titanium (Ti) film, a titanium nitride (TiN) film, and a tungsten (W) film are sequentially formed. As a result, a plurality of
Next, the conductive film formed in the word
次いで、ワード線形成用溝25内に、ワード線形成用溝25よりも幅が狭く、かつX方向に延在し、ワード線形成用溝25内に残存する導電膜を2分割する溝32を形成する。
これにより、ゲート絶縁膜27を介して、複数のピラー26の側面26aにゲート電極51が形成されると共に、ゲート絶縁膜27を介して、複数のピラー26の側面26bにゲート電極52が形成される。
つまり、この段階で、電極端接続部53、接続部55、及びX方向に延在する一対のゲート電極51,52を備えたワード線29が形成される。
Next, a
As a result, the
That is, at this stage, the
次いで、ゲート電極51,52上に、ゲート絶縁膜27と接触するように、ライナー膜33を形成する。ライナー膜33としては、例えば、SiON膜を用いることができる。
次いで、ワード線形成用溝25及び溝32を埋め込み絶縁膜35で埋め込む。埋め込み絶縁膜35としては、SOG法により形成された塗布系のシリコン酸化膜(SiO2膜)を用いるとよい。
次いで、図示していないハードマスク(ビット線形成用溝15を形成する際に使用するマスク)を除去する。これにより、複数のピラー26の上面(半導体基板13の主面13a)が露出される。
Next, a
Next, the word
Next, a hard mask (mask used when forming the bit line forming groove 15) (not shown) is removed. As a result, the upper surfaces of the plurality of pillars 26 (
次いで、複数のピラー26の上面(半導体基板13の主面13a)に、n型不純物としてヒ素(As)をドーピングし、その後、ヒ素(As)を熱拡散させることで、複数のピラー26の上端に上部不純物拡散領域36(不純物拡散領域)を形成する。これにより、複数のピラー26に縦型MOSトランジスタ50が形成される。
その後、半導体基板13の主面13a側を研磨することで、図3A及び図3Bに示すように、上面が平坦化された構造体を形成する。
Next, arsenic (As) is doped as an n-type impurity on the top surfaces of the plurality of pillars 26 (the
Thereafter, the
次いで、図4A及び図4Bに示す工程では、図示していない周辺回路領域に、周知の手法により周辺回路用トランジスタとしてプレーナー型トランジスタ(図示せず)を形成する。
次いで、図3A及び図3Bに示す構造体上に、第1のエッチングストッパ膜38と、第1の層間絶縁膜39と、第2のエッチングストッパ膜41(エッチングストッパ膜)と、第2の層間絶縁膜68と、サポート膜44とを順次成膜する。
具体的には、例えば、第1のエッチングストッパ膜38として厚さ50nmのシリコン窒化膜(SiN膜)と、第1の層間絶縁膜39として厚さ400nmのシリコン酸化膜(SiO2膜)と、第2のエッチングストッパ膜41として厚さ50nmのシリコン窒化膜(SiN膜)と、第2の層間絶縁膜68として厚さ900nmのシリコン酸化膜(SiO2膜)と、サポート膜44として厚さ100nmのシリコン窒化膜(SiN膜)と、を順次成膜する。
4A and 4B, a planar transistor (not shown) is formed as a peripheral circuit transistor in a peripheral circuit region (not shown) by a well-known method.
Next, the first
Specifically, for example, a silicon nitride film (SiN film) having a thickness of 50 nm as the first
第1のエッチングストッパ膜38は、異方性エッチング(具体的には、ドライエッチング)により、第2のエッチングストッパ膜41、層間絶縁膜である第1及び第2の層間絶縁膜39,68、及びサポート膜44を貫通するシリンダ孔71(図5A及び図5B参照)を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する。
また、第2のエッチングストッパ膜41は、後述する図10A及び図10Bに示す工程において、ウエットエッチングにより、メモリセル領域に形成された第2の層間絶縁膜68を除去する際、第2のエッチングストッパ膜41よりも下層に配置された構成がエッチングされることを防ぐ機能を有する。つまり、第2のエッチングストッパ膜41は、ウエットエッチング時のストッパ膜として機能する。
The first
In addition, the second
また、第2のエッチングストッパ膜41は、複数の下部電極57の下部を連結することで、後述する図10A及び図10Bに示す工程において、メモリセル領域に形成された第2の層間絶縁膜68を除去した際、複数の下部電極57を連結する機能を有する。
また、この段階でのサポート膜44には、先に説明した図2Bに示す貫通部61はまだ形成されていない。つまり、図4A及び図4Bに示すサポート膜44は、パターニングされていない膜である。
Further, the second
In addition, the through-
次いで、図5A及び図5Bに示す工程では、異方性エッチング(具体的には、ドライエッチング)により、サポート膜44、第2の層間絶縁膜68、第2のエッチングストッパ膜41、第1の層間絶縁膜39、及び第1のエッチングストッパ膜38をエッチングすることで、上部不純物拡散領域36の上面36aを露出するシリンダ孔71を形成する。
Next, in the process shown in FIGS. 5A and 5B, the
具体的には、図4A及び図4Bに示すサポート膜44の上面44aに、ホトリソグラフィ技術により、シリンダ孔71の形成領域に対応するサポート膜44の上面44aを露出する開口部(図示せず)を有したホトレジスト(図示せず)を形成する。
次いで、第1のステップとして、サポート膜44及びシリコン窒化膜(SiN膜)よりなる第2のエッチングストッパ膜41と、シリコン酸化膜(SiO2膜)よりなる第1及び第2の層間絶縁膜39,68とが同じようにエッチングされる条件を用いて、第1及び第2の層間絶縁膜39,68、サポート膜44、及び第2のエッチングストッパ膜41をドライエッチングすることで、サポート膜44、第1の層間絶縁膜39、及び第2のエッチングストッパ膜41を貫通し、かつ底面が第2のエッチングストッパ膜41と第1のエッチングストッパ膜38との間に位置する第1の孔(図示せず)を複数形成する。第1の孔は、シリンダ孔71の一部となる孔である。
Specifically, an opening (not shown) exposing the
Next, as a first step, a second
次いで、第2のステップとして、シリコン酸化膜(SiO2膜)よりなる第1の層間絶縁膜39を選択的にエッチングする条件(言い換えれば、シリコン窒化膜(SiN膜)に対して選択比がある条件)を用いて、第1のエッチングストッパ膜38の上面が露出するまで第1の層間絶縁膜39をドライエッチングする。
これにより、第1の孔(図示せず)の形成領域、及び該第1の孔の下方に形成され、第1の孔よりも深さの深い第2の孔(図示せず)を複数形成する。
Next, as a second step, there is a selectivity with respect to a condition for selectively etching the first
Thereby, a formation region of a first hole (not shown) and a plurality of second holes (not shown) formed below the first hole and deeper than the first hole are formed. To do.
次いで、第3のステップとして、シリコン窒化膜(SiN膜)よりなる第1のエッチングストッパ膜38を選択的にエッチングする条件を用いて、上部不純物拡散領域36の上面36aが露出するまで第1のエッチングストッパ膜38をドライエッチングする。
これにより、第2の孔(図示せず)の形成領域、及び該第2の孔の下方に形成され、第2の孔よりも深さの深いシリンダ孔71が複数形成される。
シリンダ孔71は、下部電極57が形成される孔であり、上部不純物拡散領域36の上面36aを露出するように形成する。その後、ホトレジスト(図示せず)を除去する。
Next, as a third step, the first
As a result, a plurality of cylinder holes 71 are formed, which are formed below the second hole (not shown) and below the second hole, and are deeper than the second hole.
The
第1のエッチングストッパ膜38の厚さが50nm、第1の層間絶縁膜39の厚さが400nm、第2のエッチングストッパ膜41の厚さが50nm、第2の層間絶縁膜68の厚さが900nm、サポート膜44の厚さが100nmの場合、シリンダ孔71の直径Rは、例えば、60nmとすることができる。この場合、シリンダ孔71の深さDは、1500nmとすることができる。
なお、上記シリンダ孔71を形成する際に、メモリセル領域を囲むリング形状とされたガード壁用溝(図示せず)を形成する。ガード壁用溝は、少なくともサポート膜44、第2の層間絶縁膜68、及び第2のエッチングストッパ膜41を貫通するように形成する。
The thickness of the first
When the
次いで、図6A及び図6Bに示す工程では、複数のシリンダ孔71を埋め込むと共に、サポート膜44の上面を覆うシリコン膜42を成膜する。
具体的には、シリコン膜42は、CVD法により形成する。また、シリコン膜42としては、例えば、n型不純物であるリン(P)を22E19(/cm3)程度含有した多結晶シリコン膜を形成する。
また、シリンダ孔71の直径Rが60nmの場合、平面上に形成されるシリコン膜42の厚さは、例えば100nmとすることができる。
Next, in the process shown in FIGS. 6A and 6B, a
Specifically, the
Further, when the diameter R of the
次いで、図7A及び図7Bに示す工程では、図6A及び図6Bに示すシリコン膜42を全面エッチバックしてシリンダ孔71の底部にシリコン膜42を残存させることで、図2A及び図2Bに示すシリコン膜42を形成する。
ところで、エッチバック後のシリコン膜42の上面42aが、第2のエッチングストッパ膜41の上面41aよりも上方に位置する場合、シリコン膜42の上面42aに形成される下部電極57の位置は、第2のエッチングストッパ膜41の上面41aよりも上方に配置されてしまう。
これにより、第2のエッチングストッパ膜41と下部電極57の外周面とが接続されなくなるため、第2のエッチングストッパ膜41と下部電極57との間にエッチング液の侵入経路が形成されてしまう。
Next, in the process shown in FIGS. 7A and 7B, the
By the way, when the
As a result, the second
このため、後述ずる図10A及び図10Bに示す工程において、エッチング液が第2のエッチングストッパ膜41と下部電極57との間から侵入して、第2のエッチングストッパ膜41の下層に形成された第1の層間絶縁膜39、シリコン膜42、縦型MOSトランジスタ50等がエッチングされてしまう。
よって、上記図7A及び図7Bに示す工程では、エッチバック後のシリコン膜42の上面42aの位置が、第2のエッチングストッパ膜41の上面41aの位置よりも下方に配置されるようにエッチバックを行なう。
For this reason, in the process shown in FIGS. 10A and 10B, which will be described later, the etching solution penetrates from between the second
Therefore, in the process shown in FIGS. 7A and 7B, the etch back is performed such that the position of the
第1のエッチングストッパ膜38の厚さが50nm、第1の層間絶縁膜39の厚さが400nm、第2のエッチングストッパ膜41の厚さが50nmの場合、エッチバック後のシリコン膜42の高さH(上部不純物拡散領域36の上面36aを基準としたときの高さ)の上限は、500nmよりも小さくする必要がある。この場合、シリコン膜42の高さHは、100nm以上500nm未満にするとよい。
When the thickness of the first
次いで、図8A及び図8Bに示す工程では、CVD法により、所定の温度に加熱された雰囲気中において、図7A及び図7Bに示すシリコン膜42の上面42a、及びシリコン膜42よりも上方に位置するシリンダ孔71の側面を覆うように、下部電極57の母材となるチタン膜63を形成する。
このとき、チタン膜63を成膜する際の熱により、チタン膜63に含まれるTi(下部電極57に含まれる金属)とシリコン膜42に含まれるSiとを反応させることで、チタン膜63とシリコン膜42との近傍(具体的には、主に、シリコン膜42)にシリサイド層43であるTiSi2層を形成する。このとき、上記チタン膜63は、サポート膜44上にも成膜される。
上記チタン膜63は、例えば、650℃(所定の温度の一例)の高温に加熱された雰囲気中において、厚さが10nmとなるように形成する。
Next, in the process shown in FIGS. 8A and 8B, the
At this time, the
The
このとき、シリコン膜42に形成されたチタン膜63は、ほとんどがTiSi2層となる。また、シリサイド層43は、シリコン膜42の上部にも形成され、シリサイド層43の成長を促進させることで、シリサイド層43はシリコン膜42の下方側へ成長する。
At this time, most of the
このように、上部不純物拡散領域36の上面36aを露出するシリンダ孔71の底部に、上部不純物拡散領域36の上面36aを覆うと共に、シリンダ孔71の一部を埋め込むシリコン膜42を形成し、次いで、CVD法により、シリコン膜42の上面42a、及びシリコン膜42よりも上方に位置するシリンダ孔71の側面を覆うように、下部電極57となるチタン膜63を成膜すると共に、チタン膜63を成膜時の熱により、シリコン膜42に含まれるSiとチタン膜63に含まれるTiとを反応させてシリサイド層43を形成することにより、シリサイド層43とゲート電極51,52との間の距離を十分に確保することが可能となる。
As described above, the
これにより、シリサイド層43の厚さを厚くした場合でも、シリサイド層43がゲート電極51,52の形成領域に対応するゲート絶縁膜27に到達することがなくなるため(言い換えれば、シリサイド層43によりゲート絶縁膜27が侵食破壊されることがなくなるため)、ゲート電極51,52とシリサイド層43及び半導体基板13との間のショートの発生を抑制できる。
As a result, even when the thickness of the
さらに、シリサイド層43として、他のシリサイド層(例えば、WSi2層)と比較して抵抗が低いTiSi2層を形成することにより、他のシリサイド層を用いた場合と比較して、コンタクト抵抗を低くすることができる。
Furthermore, as the
次いで、チタン膜63の表面を覆う窒化チタン膜64を形成する。窒化チタン膜64の厚さは、例えば、20nmとすることができる。また、TiN膜の成長時にはN2ガスを供給するため、シリコン膜42に含まれるSiと反応しなかったチタン膜63はTiNに還元されて、窒化チタン(TiN)膜となる。
Next, a
その後、サポート膜44上に成膜された不要なチタン膜63及び窒化チタン膜64をエッチングにより除去することで、複数のシリンダ孔71内に、チタン膜63及び窒化チタン膜64よりなる下部電極57を形成する。
具体的には、例えば、チタン膜63及び窒化チタン膜64が成膜された複数のシリンダ孔をホトレジストで充填し、その後、異方性エッチング(具体的には、ドライエッチング)により、サポート膜44上に成膜された不要なチタン膜63及び窒化チタン膜64を除去することで、複数の下部電極57を形成する。その後、ホトレジストを除去する。
Thereafter,
Specifically, for example, the plurality of cylinder holes in which the
なお、図8A及び図8Bに示す工程では、ガード壁用溝(図示せず)の内面にもチタン膜63及び窒化チタン(TiN)膜64を成膜し、ガード壁用溝(図示せず)の内面にチタン膜63及び窒化チタン膜64を残存させる。ガード壁用溝(図示せず)に形成されたチタン膜63及び窒化チタン膜64は、ガード壁(図示せず)として機能する。
該ガード壁は、後述する図10A及び図10Bに示す工程において、エッチング液により、メモリセル領域に形成された第2の層間絶縁膜68を除去する際、周辺回路領域に形成された第2の層間絶縁膜68にエッチング液が到達することを防止する機能を有する。
8A and 8B, a
10A and 10B, which will be described later, the guard wall is formed by removing the second
次いで、図9A及び図9Bに示す工程では、図8A及び図8Bに示すサポート膜44に、サポート膜44の下層に形成された第2の層間絶縁膜68を露出する貫通部61を形成することで、複数の下部電極57の上端の外周面57aと接触し、複数の下部電極57を連結するサポート膜44を形成する。
具体的には、貫通部61は、図8A及び図8Bに示すサポート膜44の上面44aに、ホトリソグラフィ技術により、貫通部61の形成領域に対応するサポート膜44の上面44aを露出する開口部(図示せず)を有したホトレジスト(図示せず)を形成し、次いで、該ホトレジストをマスクとする異方性エッチング(具体的には、ドライエッチング)により、第2の層間絶縁膜68の上面が露出するまでサポート膜44をエッチングすることで形成する。その後、ホトレジスト(図示せず)を除去する。
なお、図9A及び図9Bでは、1つの貫通部61のみ図示しているが、図9A及び図9Bに示す工程では、実際には複数の貫通部61を形成する。
Next, in the process shown in FIGS. 9A and 9B, a through
Specifically, the through
9A and 9B, only one
次いで、図10A及び図10Bに示す工程では、貫通部61を介して、メモリセル領域に形成された第2の層間絶縁膜68に、第2の層間絶縁膜68を選択的にエッチング可能なウエットエッチング液を供給することで、ガード壁(図示せず)に囲まれた第2の層間絶縁膜68を選択的に除去する。これにより、第2のエッチングストッパ膜41とサポート膜44との間に空間62を形成する。
上記ウエットエッチング液としては、シリコン酸化膜を選択的にエッチングするエッチング液(言い換えれば、第2のエッチングストッパ膜41及びサポート膜44に対して選択比があるエッチング液)を用いる。具体的には、上記ウエットエッチング液としては、例えば、フッ化水素酸(HF)を用いる。
Next, in the process shown in FIG. 10A and FIG. 10B, wet capable of selectively etching the second
As the wet etchant, an etchant that selectively etches the silicon oxide film (in other words, an etchant having a selectivity with respect to the second
また、空間62は、第2のエッチングストッパ膜41の上面41a、サポート膜44の下面44b、第2のエッチングストッパ膜41とサポート膜44との間に位置する複数の下部電極57の外周側面57a、及びガード壁の内壁(図示せず)を露出するように形成する。
この際に、第2のエッチングストッパ膜41によって、メモリセル領域11の下層へのウエットエッチング液の浸透が防止されるため、第1の層間絶縁膜39、シリサイド層43、及びシリコン膜42、及び既に形成済みのトランジスタ(例えば、縦型MOSトランジスタ50)等にダメージが及ぶことは無い。
The
At this time, since the second
次いで、図11A及び図11Bに示す工程では、図10A及び図10Bに示す構造体の上面側から、貫通部61を介して、ALD(Atomic Layer Deposition;原子層堆積)法により、空間62を区画する面を覆う容量絶縁膜58を形成する。
これにより、容量絶縁膜58は、第2のエッチングストッパ膜41の上面41aと、サポート膜44の上面44a及び下面44bと、第2のエッチングストッパ膜41とサポート膜44との間に位置する複数の下部電極57の外周側面57aとを覆うように形成される。
容量絶縁膜58としては、例えば、酸化アルミニウム膜(Al2O3膜)と酸化ジルコニウム膜(ZrO2膜)とよりなる積層膜を用いることができる。
Next, in the process shown in FIGS. 11A and 11B, the
As a result, the capacitive insulating
As the
次いで、図12A及び図12Bに示す工程では、図11A及び図11Bに示す構造体の上面側から、貫通部61を介して、CVD法により、容量絶縁膜58の表面を覆うと共に、空間62を充填する導電膜を成膜する。該導電膜は、上部電極59の母材となる膜であり、例えば、ルテニウム(Ru)膜、タングステン(W)膜、窒化チタン(TiN)膜等の金属膜、或いは多結晶シリコン膜等を用いることができる。
Next, in the step shown in FIGS. 12A and 12B, the surface of the capacitive insulating
次いで、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により該導電膜を研磨することで、該導電膜よりなり、かつ上面59aが平坦な面とされた上部電極59を形成する。
これにより、上部不純物拡散領域36の上方に、下部電極57、容量絶縁膜58、及び上部電極59よりなるキャパシタ45(MIMキャパシタ)が複数形成される。
Next, the conductive film is polished by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method to form an
As a result, a plurality of capacitors 45 (MIM capacitors) including the
また、第2のエッチングストッパ膜41とサポート膜44との間に、第2のエッチングストッパ膜41の上面41a、サポート膜44の下面44b、及び複数の下部電極57の外周側面57aを露出する空間62を形成し、次いで、空間62を区画する面を覆う容量絶縁膜58を形成し、その後、容量絶縁膜58の表面に空間62を充填する上部電極59を形成することにより、キャパシタ45の容量を大きくすることができる。
Further, a space exposing the
次いで、図13A及び図13Bに示す工程では、上部電極59の上面59aに第3の層間絶縁膜46を形成する。第3の層間絶縁膜46は、CVD法により形成することができる。また、第3の層間絶縁膜46としては、シリコン酸化膜(SiO2膜)を用いる。
次いで、第3の層間絶縁膜46上に、周知の手法により、上部電極59と電気的に接続される配線47を形成する。
次いで、第3の層間絶縁膜46上に、配線47を覆うように第4の層間絶縁膜48を形成する。第4の層間絶縁膜48は、CVD法により形成することができる。また、第4の層間絶縁膜48としては、シリコン酸化膜(SiO2膜)を用いる。これにより、本実施の形態の半導体装置10が製造される。
13A and 13B, a third
Next, a
Next, a fourth
本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、積層された第1のエッチングストッパ膜38、第1の層間絶縁膜39、第2のエッチングストッパ膜41、第2の層間絶縁膜68、及びサポート膜44を貫通し、かつ上部不純物拡散領域36の上面36aを露出するシリンダ孔71の底部に、上部不純物拡散領域36の上面36aを覆うと共に、シリンダ孔71の一部を埋め込むシリコン膜42を形成し、次いで、CVD法により、シリコン膜42の上面42a、及びシリコン膜42よりも上方に位置するシリンダ孔71の側面を覆うように、下部電極57となるチタン膜63を成膜すると共に、チタン膜63を成膜する際の熱により、シリコン膜42に含まれるSiとチタン膜63に含まれるTiとを反応させることでシリサイド層43を形成することにより、シリサイド層43とゲート電極51,52との間の距離を十分に確保することが可能となる。
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present embodiment, the stacked first
これにより、シリサイド層43の厚さを厚くした場合でも、シリサイド層43がゲート電極51,52の形成領域に対応するゲート絶縁膜27に到達することがなくなるため(言い換えれば、シリサイド層43によりゲート絶縁膜27が侵食破壊されることがなくなるため)、ゲート電極51,52と半導体基板13との間のショートの発生を抑制できる。
As a result, even when the thickness of the
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and within the scope of the present invention described in the claims, Various modifications and changes are possible.
本発明は、半導体装置の製造方法に適用可能である。 The present invention is applicable to a method for manufacturing a semiconductor device.
10…半導体装置、11…メモリセルアレイ、13…半導体基板、13a…主面、15…ビット線形成用溝、16,23…絶縁膜、16A…開口部、18…ビットコンタクト、19…下部不純物拡散領域、21…ビット線、21a,31a,36a,41a,42a,44a,59a…上面、25…ワード線形成用溝、25a…底面、26…ピラー、27…ゲート絶縁膜、29…ワード線、31,35…埋め込み絶縁膜、32…溝、33…ライナー膜、36…上部不純物拡散領域、38…第1のエッチングストッパ膜、39…第1の層間絶縁膜、41…第2のエッチングストッパ膜、42…シリコン膜、43…シリサイド層、44…サポート膜、44b…下面、45…キャパシタ、46…第3の層間絶縁膜、47…配線、48…第4の層間絶縁膜、51,52…ゲート電極、53…電極端接続部、55…接続部、57…下部電極、57a…外周側面、58…容量絶縁膜、59…上部電極、61…貫通部、62…空間、63…チタン(Ti)膜、64…窒化チタン(TiN)膜、68…第2の層間絶縁膜、71…シリンダ孔、D…深さ、H…高さ、R…直径
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記ピラーの側面にゲート絶縁膜を介して、ゲート電極を形成する工程と、
前記ピラーの上端に上部不純物拡散領域を形成する工程と、
前記上部不純物拡散領域上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を貫通し、かつ前記上部不純物拡散領域の上面を露出するシリンダ孔を形成する工程と、
前記シリンダ孔の底部に、前記上部不純物拡散領域の上面を覆うと共に、前記シリンダ孔の一部を埋め込むシリコン膜を形成する工程と、
前記シリコン膜の上面、及び前記シリコン膜よりも上方に位置する前記シリンダ孔の内面を覆うように、キャパシタとなる下部電極を形成すると共に、前記下部電極を形成する際の熱により、前記シリコン膜に含まれるSiと前記下部電極に含まれる金属とを反応させることでシリサイド層を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 Forming a pillar by partially etching the main surface of the semiconductor substrate;
Forming a gate electrode on a side surface of the pillar via a gate insulating film;
Forming an upper impurity diffusion region at the upper end of the pillar;
Forming an interlayer insulating film on the upper impurity diffusion region;
Forming a cylinder hole penetrating the interlayer insulating film and exposing an upper surface of the upper impurity diffusion region;
Forming a silicon film at the bottom of the cylinder hole, covering the upper surface of the upper impurity diffusion region and burying a part of the cylinder hole;
A lower electrode serving as a capacitor is formed so as to cover an upper surface of the silicon film and an inner surface of the cylinder hole located above the silicon film, and the silicon film is formed by heat at the time of forming the lower electrode. Forming a silicide layer by reacting Si contained in the metal with the metal contained in the lower electrode;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
前記シリサイド層として、TiSi2層を形成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The lower electrode is formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method to form a Ti film that covers an upper surface of the silicon film and an inner surface of the cylinder hole located above the silicon film, and a surface of the Ti film Forming a TiN film covering the substrate,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a TiSi 2 layer is formed as the silicide layer.
前記層間絶縁膜中に、複数の前記下部電極を連結するエッチングストッパ膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に、複数の前記下部電極の上端を連結するサポート膜を形成する工程と、を含み、
前記シリンダ孔は、前記エッチングストッパ膜及び前記サポート膜を貫通するように形成することを特徴とする請求項1ないし3のうち、いずれか1項記載の半導体装置の製造方法。 Forming a plurality of the pillars and forming the lower electrode for each of the plurality of pillars;
Forming an etching stopper film connecting the plurality of lower electrodes in the interlayer insulating film;
Forming a support film connecting upper ends of the plurality of lower electrodes on the interlayer insulating film,
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the cylinder hole is formed so as to penetrate the etching stopper film and the support film.
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WO2014065038A1 (en) * | 2012-10-24 | 2014-05-01 | ピーエスフォー ルクスコ エスエイアールエル | Semiconductor device and method for manufacturing same |
-
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- 2010-09-02 JP JP2010196729A patent/JP2012054454A/en active Pending
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