JP2012084738A - 半導体装置及びその製造方法、並びにデータ処理システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の半導体装置100は、半導体基板50と、前記半導体基板50の表層に、形成された複数の活性領域Kと、前記活性領域Kの表層から深さ方向に形成された不純物拡散層22,24と、前記複数の活性領域Kを横切るように形成された複数の溝部7に、セルゲート絶縁膜7Aを介して前記半導体基板50の上面50aよりも下方に位置するように埋め込まれたワード9線と、前記ワード線9上を埋め込むように形成された窒化シリコンからなる埋込絶縁膜11と、前記不純物拡散層22,24に接続するビット配線と容量コンタクトプラグと、を具備し、前記ビット配線15と容量コンタクトプラグ19の少なくとも一方が、前記埋込絶縁膜11上の一部に重なるように配置されていることを特徴とする。
【選択図】図3B
Description
また、酸化シリコン膜をスピンコート法により溝内に充填する方法が、溝部内側を絶縁膜で埋め込む方法として知られている(特許文献2)。
このため、従来の埋め込みゲート型MOSトランジスタの製造方法では、半導体装置の信頼性が低下し、製造歩留まりが低下する問題があった。
図1に示すように、半導体装置100には、メモリセル領域101と、メモリセル領域101を囲むように形成された周辺回路領域102とから概略構成されている。
周辺回路領域102は、たとえば半導体チップ外部への入出力回路等の回路ブロックが配置される領域であり、具体的には、図示しないセンスアンプ回路、ワード線の駆動回路、デコーダ回路、半導体チップ外部への入出力回路等を含む、メモリセルアレイ以外の回路ブロックが設けられている。また、周辺回路領域102は、各メモリセル領域101を囲むように形成されている。
このような構成により、半導体装置100は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)をとして機能する。
半導体装置100のメモリセル領域には、素子分離領域4に区画された帯状の複数の活性領域Kが、所定の間隔で形成されている。また、活性領域Kは後述する半導体基板50の表面に形成され、各第一のワード線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延在している。なお、活性領域Kの平面形状や整列方向は、図2に示すものに限定されない。
また、ビット配線接続領域16が、各ビット配線15の下方に位置する活性領域Kの部分に区画形成されている。
また、埋込絶縁膜11の上面は、半導体基板50の上面50aとほぼ面一になるように積層されている。
また、第二のワード線13上には、埋込絶縁膜11が形成されている。なお、図3Aに示すこれらの膜と、図3B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。
従って、第二のコンタクト開口36内において、活性領域Kと重なっている部分が、図2に示す容量コンタクトプラグ接続領域17に対応している。
また、ビット配線15と容量コンタクトプラグ19の上面は、半導体基板50上において、略同一の高さに形成されている。また、半導体基板50上の、ビット配線15と容量コンタクトプラグ19が形成されていない領域においては、埋込絶縁膜43が、ビット配線15と容量コンタクトプラグ19の上面とほぼ同一の高さになるように形成されている。
また、上部電極47Cの上面は、第4の層間絶縁膜48によって覆われている。
また、半導体基板50の上面50a側に、素子分離領域である酸化シリコン膜57が埋め込み形成され、活性領域Kを区画している。
第二のゲート電極120aは、活性領域K上に、第二のゲート絶縁膜60aを介して形成されている。また、第二のゲート電極120aは、第2ゲートポリシリ膜116(後述する底部導電膜と周辺回路領域の第1ゲートポリシリ膜115とが一体化した膜)、金属膜79および窒化シリコン膜80との積層体から構成されている。また、活性領域Kの上面近傍の、第二のゲート電極120aと第二のゲート絶縁膜60aを介して接する領域は、第二のMOSトランジスタTr2のチャネル領域として機能する。
また、窒化シリコン膜からなる窒化膜サイドウォール121が、第二のゲート電極120aの側面に形成されている。
また、第二のゲート電極120a周囲の第一の不純物拡散層114(N型ウェル)内に、P型の第二の不純物拡散層122が形成されている。また、第二の不純物拡散層122は第二のMOSトランジスタTr2のソース・ドレイン領域として機能する。
また、シリサイド層125と金属膜93とからなる複数の周辺コンタクトプラグ126が、堆積膜85および第二の層間絶縁膜86を貫通するように形成されている。また、周辺コンタクトプラグ126は、第二の不純物拡散層122および第三の不純物拡散層123にそれぞれ接続されている。
また、局所配線127は、周辺コンタクトプラグ126を介して、各MOSトランジスタ(第二のMOSトランジスタTr2、第三のMOSトランジスタTr3)のソース・ドレイン領域(第二の不純物拡散層122、第三の不純物拡散層123)に接続されている。
また、タングステン等の金属膜からなる複数の局所コンタクトプラグ130が、第4の層間絶縁膜105、第3の層間絶縁膜98およびストッパー膜97を貫通するように形成されている。また、局所コンタクトプラグ130は、局所配線127に接続されている。
第1配線106は、第4の層間絶縁膜105上に形成されている。また、第1配線106と第4の層間絶縁膜105上を覆うように第5の層間絶縁膜107が形成されている。また、タングステン等の金属膜からなる第1コンタクトプラグ131が、第5の層間絶縁膜107を貫通し、かつ、第1配線106に接続するように形成されている。
また、第3配線112が、第6の層間絶縁膜110上に形成されている。また、保護膜113が、第6の層間絶縁膜110を覆うように形成されている。また、第3配線112の上面112aは、保護膜113に設けられた開口113aから露出しており、ボンディング用のパッドとして機能する。
また、第一のワード線9の上面9aが半導体基板50の上面50aよりも下方に位置し、かつ、第一のワード線9の上面9aに、窒化シリコンからなる埋込絶縁膜11が形成されているため、第一のワード線9と、ビット配線15およびコンタクトプラグ(容量コンタクトプラグ19)との間の短絡が防がれる。このため、半導体装置1の不良発生が防がれる。このため、半導体装置1の動作不良の発生が防がれ、半導体装置100の信頼性を向上できる。
素子分離溝117は、後述するMOSトランジスタ(第二のMOSトランジスタTr2、第三のMOSトランジスタTr3)の形成領域(活性領域)を区画するように形成する。このときMOSトランジスタの形成領域となる領域は、マスク用の窒化シリコン膜52で覆われた状態となる。
次いで、図9A、Bに示すように、マスク用の窒化シリコン膜52が露出するまでCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理を行い、酸化シリコン膜57の表面を平坦化する。
このCMP処理により、図10に示すように周辺回路領域においても酸化シリコン膜57の表面が平坦化され、素子分離溝117の内部に酸化シリコン膜57が残留する。この素子分離溝117の内部に残留した酸化シリコン膜57を、素子分離57aとする。
まず、湿式エッチングによって、酸化シリコン膜57の一部およびマスク用の窒化シリコン膜52を除去する。このとき、酸化シリコン膜57(素子分離57a)の上面を、酸化シリコン膜51の上面の位置と概略同等の高さになるようにエッチング条件を調整する。なお、以降の周辺回路領域の断面図においては、簡略化のため、素子分離溝117の内部には酸化シリコン膜57のみを記載する。
まず、湿式エッチングによって、メモリセル領域および周辺回路領域の半導体基板50表面の酸化シリコン膜51を除去して、半導体基板50の上面50aを露出させる。メモリセル領域ではライン状の活性領域Kの表面が露出する。メモリセル領域を区画する素子分離58は、素子分離溝53の内部に残存させた窒化シリコン膜56および酸化シリコン膜57により形成されている。
次いで、図13に示したように、周辺回路領域をフォトレジスト膜200で覆い、図12A、Bに示すように、メモリセル領域の活性領域Kの表層部に、第1ゲートポリシリ膜115を貫通させて低濃度のN型不純物としてリンをイオン注入する。このイオン注入により、メモリセル領域の活性領域Kの表層部にN型の低濃度不純物拡散層61が形成される。このイオン注入の際のイオンのドーズ量としては、たとえば5×1012〜1×1013atoms/cm2の範囲を例示できる。この低濃度不純物拡散層61は、メモリセル領域に配置される埋め込みゲート型MOSトランジスタ(第一のMOSトランジスタTr1)のソース・ドレイン領域として機能する。
次いで周辺回路領域およびメモリセル領域に、マスク用の酸化シリコン膜62および、カーボン膜(アモルファス・カーボン膜)63を順次堆積する。次いで、図14A、Bに示すように、前記酸化シリコン膜62およびカーボン膜63を、メモリセル領域の溝部65(トレンチ)形成用のパターンにパターニングする。このとき、図15に示すように、周辺回路領域では、前記酸化シリコン膜62およびカーボン膜63のパターニングを行わない。このため、周辺回路領域では半導体基板50上が周辺ゲート絶縁膜60、第1ゲートポリシリ膜115、酸化シリコン膜62およびカーボン膜63によって覆われたままの状態となる。
なお、素子分離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ことも可能であり、その場合にはチャネル領域の形成される場所が上述のセルトランジスタとは異なるリセス型のトランジスタを設けることができる。
次いで、図25Bに示すように、メモリセル領域の第一の層間絶縁膜75の一部を除去し、第一のコンタクト開口76を形成する。
また、このエッチングにより、第1ゲートポリシリ膜115の表面も清浄化される。
この湿式エッチングの際に、本実施形態では埋込絶縁膜74を窒化シリコン膜で形成しているので、埋込絶縁膜74はエッチングされず、第一のワード線70と第二のワード線73の上面が露出することを防止できる。
次いで、CVD法により、酸化シリコン膜からなる第二の層間絶縁膜86を、メモリセル領域および周辺回路領域を覆うように形成する。
このとき、メモリセル領域においては、図41A、Bに示すように、シリサイド層92(125)が、底部導電膜91の上面を覆うように形成される。
次いで、CMP処理を行い、メモリセル領域の堆積膜85上面と周辺回路領域の第二の層間絶縁膜86とが露出するまで表面を平坦化し、堆積膜85上と第二の層間絶縁膜86上の金属膜93を除去する。
また、局所配線127は、図示していない部分で周辺回路領域に配置されている他のMOSトランジスタのゲート電極等と導通していてもかまわない。
次いで、容量絶縁膜103bの内壁面を覆うように、窒化チタン等からなる上部電極103cを形成する。以上によりキャパシタ103が形成される。
次いで、酸化シリコン膜等からなる第6の層間絶縁膜110を、メモリセル領域および周辺回路領域の第2配線109を覆うように形成する。
次いで、図53A、Bに示すように、LP−CVD法により、窒化シリコンからなる第一埋込絶縁膜74bを例えば10nm程度の膜厚で、ワード線(第一のワード線70、第二のワード線73)の上面と、溝部65の内壁側面とを覆うように形成する。このとき、溝部65内部を完全に充填しないように、第一埋込絶縁膜74bの膜厚を調整する。
以降の工程は、第一の実施形態と同様であるため、製造方法の説明を省略する。
半導体メモリモジュール410は、DRAMチップを含有したパッケージ402と、インターフェースチップ403と、入出力端子401と、から概略構成されている。以下、各構成について詳細を説明する。
また、また、データプロセッサ520は、システムバス510を介して上記DRAMメモリモジュール530に相互に接続されているが、システムバス510を介さずにローカルなバスによって接続されてもかまわない。また、図58中には、1本のシステムバス510が図示されているが、必要に応じてコネクタなどを介して、シリアルないしパラレルに接続される。
ROM540は、固定データの格納用として用いられる。また、不揮発性記憶デバイス550としては、ハードディスクや光ドライブ、SSD(Solid State Drive)などを利用できる。また、入出力装置560には、例えば液晶ディスプレイなどの表示装置や、キーボード等のデータ入力装置が含まれる。また、入出力装置560には、入力デバイス若しくは出力デバイスの何れか一方のみの場合も含まれる。
具体的には、本発明に係る半導体装置100は、ビット配線15と容量コンタクトプラグ19の少なくとも一方が埋込絶縁膜11の一部に重なるように形成されているため、半導体装置100の集積度が向上する。そして、このような高集積度の半導体装置100を具備するDRAMパッケージ402が、本実施形態に係る半導体メモリモジュール410に備えられているため、記憶容量の大きい高性能のデータ処理システム500を形成できる。また、本発明に係る半導体装置100は信頼性が向上しているため、データ処理システム500の動作不良の発生を抑制できる。
Claims (17)
- メモリセルを備えたメモリセル領域を有する半導体装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板の表層に形成された素子分離用の溝部に素子分離絶縁膜が埋め込まれることによって、該素子分離絶縁膜の間に第一の方向に延在するように形成された複数の活性領域と、
前記活性領域の表層から深さ方向に形成された不純物拡散層と、
前記半導体基板の表層に、前記複数の活性領域を横切り第二の方向に延在するように形成された複数の埋め込みゲート用の溝部と、
前記溝部に、セルゲート絶縁膜を介して前記半導体基板の上面よりも下方に位置するように埋め込まれたワード線と、
前記溝部内側の前記ワード線上を埋め込むように形成された窒化シリコンからなる埋込絶縁膜と、
前記不純物拡散層に接続するビット配線と容量コンタクトプラグと、を具備し、
前記ビット配線と容量コンタクトプラグの少なくとも一方が、前記埋込絶縁膜上の一部に重なるように配置されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記メモリセル領域を囲むように形成された周辺回路領域を備え、
前記周辺回路領域の前記半導体基板上に、前記セルゲート絶縁膜とは異なる周辺ゲート絶縁膜を介して、プレナー型MOSトランジスタのゲート電極が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記メモリセル領域の前記半導体基板上に層間絶縁膜を介して形成された導電層からなる容量コンタクトパッドと、
前記周辺回路領域の前記層間絶縁膜上に形成された前記導電層からなる局所配線と、を具備してなることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 - 前記プレナー型MOSトランジスタのゲート電極は、
第一のポリシリコン膜と、該第一のポリシリコン膜上に積層した第二のポリシリコン膜を含み、
前記ビット配線は、前記メモリセル領域上に堆積された前記第二のポリシリコン膜を用いて形成されていることを特徴とする請求項2または請求項3のいずれかに記載の半導体装置。 - 前記埋込絶縁膜が、前記溝部内壁側面を覆う第一埋込絶縁膜と、前記溝部内側の前記ワード線上を埋め込む第二埋込絶縁膜とからな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。
- メモリセル領域を有する半導体装置の製造方法であって、
前記メモリセル領域において、
半導体基板の表層に形成した素子分離用の溝部に素子分離絶縁膜を埋め込むことによって、該素子分離絶縁膜の間に第一の方向に延在する複数の活性領域を並べて形成する工程と、
前記半導体基板の表層に、前記複数の活性領域を横切るように第二の方向に延在する複数の埋め込みゲート用の溝部を並べて形成する工程と、
前記溝部に、セルゲート絶縁膜を介して前記半導体基板の上面よりも下方に位置するようにワード線を埋め込み形成する工程と、
前記溝部内側の前記ワード線上を埋め込むように、窒化シリコンからなる埋込絶縁膜を形成する工程と、
前記埋込絶縁膜及び前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成したのちに、エッチングにより前記層間絶縁膜に、前記埋込絶縁膜と前記活性領域とに達する第一のコンタクト開口を形成する工程と、
前記第一のコンタクト開口に第一の導電膜を充填することにより、前記埋込絶縁膜上の一部に重なるようにして前記活性領域に接続する第一のコンタクトプラグを形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記埋め込みゲート用の溝部を形成する工程は、酸化シリコン膜をマスクの一部として用いて、前記半導体基板をエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ワード線を埋め込み形成する工程は、前記半導体基板上に前記窒化シリコンからなる埋込絶縁膜を堆積した後に、前記酸化シリコン膜で覆われていない領域の前記埋込絶縁膜をエッチバックする工程を含むことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第一のコンタクト開口を形成する工程と、前記コンタクトプラグを形成する工程の間に、自然酸化膜を除去するための湿式エッチングの工程を有す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の製造方法。
- 前記第一のコンタクト開口を形成する工程と、前記コンタクトプラグを形成する工程の間に、前記第一の開口を介して不純物のイオン注入を行うことで、前記半導体基板の表層に不純物拡散層を形成する工程を備え、前記コンタクトプラグを前記不純物拡散層に接続するように形成す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の製造方法。
- 前記第一の導電膜のパターニングを行い、前記第一のコンタクトプラグと一体になるビット配線を前記メモリセル領域に形成することを特徴とする請求項6乃至10のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第一のコンタクトプラグを形成した後に、前記埋込絶縁膜上の一部に重なるようにして前記活性領域に接続する第二のコンタクトプラグを、前記第一のコンタクトプラグに隣接して形成する工程を有することを特徴とする請求項6乃至11のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第二のコンタクトプラグに接続するキャパシタを形成する工程を有することを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体基板上に周辺回路領域を備え、
前記周辺回路領域上にプレナー型MOSトランジスタを形成する工程において、
前記プレナー型MOSトランジスタのゲート電極と、前記ビット配線のパターニングを同時に行うことを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記前記埋込絶縁膜をLP−CVD法(減圧CVD法)によって形成することを特徴とする請求項6乃至14のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記埋込絶縁膜を形成する工程において、
前記溝部の内壁側面を覆うように第一埋込絶縁膜を第一の窒化シリコン膜を用いて形成する工程と、
前記第一埋込絶縁膜をエッチバックすることにより、前記第一埋込絶縁膜の膜厚を上に向かって先細りにするとともに前記ワード線上面を露出する工程と、
前記溝部内側の前記ワード線上を埋め込むように第二埋込絶縁膜を第二の窒化シリコン膜を用いて形成する工程と、を有することを特徴とする請求項6乃至14のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置を備えていることを特徴とするデータ処理システム。
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