JP2013135029A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板12の主面に溝形状の絶縁分離部24を形成する工程と、絶縁分離部24の上部が基板12の主面上に突出した突出部25を形成する工程と、突出部25の側壁からその側方下部の基板12の主面までを覆う側壁膜42を形成する工程と、側壁膜42をマスクとして基板12の主面にエッチングを施すことで、基板12に第1の溝45を形成する工程と、を有する。
【選択図】図13B
Description
このような活性領域にトレンチ形状のゲート電極を形成することで、トレンチゲート型MIS(Metal insulator semiconductor)トランジスタを形成することができる。
望まれる特性によって、素子分離用トレンチの深さとトレンチゲート電極用のゲートトレンチの深さとが異なる場合、両者は別工程で形成することになる。
この場合、STI形状の素子分離領域を形成後、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術等を用いて、活性領域にゲートトレンチを形成するのが一般的である。
これにより、第1の溝の加工する際の位置精度が向上するため、基板の面内において、絶縁分離部が形成される溝と第1の溝との間隔のばらつきを低減することができる。
図1〜図15は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
次いで、公知のSTI技術により、基板12の主面12aに、L/S(ラインアンドスペース)形状とされると共に、X方向(図6Bに示す絶縁分離部24と交差する方向)に延在し、かつ深さD1(基板12の主面12aを基準としたときの深さ)された素子分離領域13を形成する。これにより、X方向に延在する帯状の活性領域14が区画される。
後述する図6Aに示すように、上記素子分離領域13は、絶縁分離部24と共に、活性領域27を区画する。つまり、図6Aに示す活性領域27は、帯状の活性領域14をX方向に対して複数に分割することで形成される。
なお、図1Aに示すY方向は、後述する図6Aに示す溝形状の絶縁分離部24の延在方向を示している。また、図1Aに示すY方向は、後述する図14A及び図14Bに示すゲート電極53の延在方向でもある。
さらに、図1Aに示すZ方向は、後述する図14A、図14B、図14C、及び図14Dに示す工程で形成されるビット線58の延在方向を示している。
したがって、犠牲膜15は、図7Bに示す単結晶シリコン基板よりなる活性領域27、図7Bに示す絶縁分離部24を構成する第1の絶縁膜23(シリコン窒化膜(SiN膜))、及び図7Dに示す素子分離領域を構成するシリコン酸化膜(SiO2膜)に対して選択的に除去可能な膜により形成する。
第1の実施の形態では、犠牲膜15としてドープドポリシリコン膜を形成した場合を例に挙げて以下の説明をする。
このとき、開口溝16Aは、Z方向(後述する図14Aに示すビット線58の延在方向)に対して所定の間隔で複数形成する。
次いで、犠牲膜15及び酸化シリコン膜11を貫通し、犠牲膜15の下方に位置する基板12の途中までを掘り下げた形状とされた分離溝21を形成する。
分離溝21の深さD2は、(基板12の主面12aから分離溝21の底21Aまでの深さ)は、例えば、素子分離領域13の深さD2と同じにすることができる。
第1の絶縁膜23としては、後述する図13A、図13B、図13C、及び図13Dに示す工程において、シリコン酸化膜(SiO2膜)よりなる素子分離領域13、及び単結晶シリコン基板よりなる活性領域27をエッチングして、第1の溝45を形成する際、ほとんどエッチングされない膜が好ましい。
具体的には、例えば、異方性ドライエッチングにより、図5A、図5B、図5C、及び図5Dに示す犠牲膜15をエッチバックすることで、上記不要な第1の絶縁膜23を除去する。
この段階では、絶縁分離部24の上部24Aの側壁24b,24cは、犠牲膜15で覆われている。
酸化シリコン膜11の上面11aに残存する犠牲膜15の厚さM2は、後述する図7A、図7B、図7C、及び図7Dに示す工程で形成される突出部25の高さH1(酸化シリコン膜11の上面11aを基準としたときの高さ)と等しい。
つまり、CMP処理により犠牲膜15の厚さM2を制御することで、図7Bに示す突出部25の高さH1を所望の高さにすることができる。
このとき、突出部25は、後述する図8Bに示す保護膜32の厚さM3よりも突出部25の高さH1が大きくなるように形成する。
突出部25の高さH1は、除去前の犠牲膜15の厚さM2(図6B参照)と等しい。つまり、突出部25の高さH1は、除去前の犠牲膜15の厚さM2により決定される。
具体的には、例えば、イオン注入法により、不純物としてP(リン)及びAs(ヒ素)を活性領域27に注入することで、不純物濃度が1E17〜5E18/cm3とされた不純物拡散領域29を形成する。
また、保護膜32は、後述する図9Bに示す第2の絶縁膜35(シリコン酸化膜(SiO2膜))、及び基板12(シリコン(Si))に対してエッチング選択比の高い膜により形成する。
これにより、突出部25の側壁25b,25cに形成された保護膜32の厚さM4は、突出部25の上面25aに形成された保護膜32の厚さM3と等しくなる。
このとき、第2の絶縁膜35は、第2の絶縁膜35上に形成される塗布系絶縁膜37に対してエッチング選択比の高い膜を成膜することで形成する。
具体的には、塗布法により、塗布系絶縁膜37となるBARC膜(反射防止膜)を形成する。以下、塗布系絶縁膜37の一例として、BARC膜を用いた場合を例に挙げて説明する。
次いで、ライン状とされた第2の絶縁膜35をマスクとする異方性ドライエッチングにより、酸化シリコン膜11の上面11aが露出するまで保護膜32を除去する。
このとき、側壁膜42は、突出部25の側壁25b,25cからその側方下部の酸化シリコン膜11の上面11aまでを覆うように形成される。また、上記異方性ドライエッチングにより、突出部25の上面25aが露出される。
側壁膜42及び帯状パターン43は、Y方向に延在しており、所定の間隔で対向するように配置されている。側壁膜42と帯状パターン43との間には、Y方向に延在し、かつ不純物拡散領域29の上面29aを露出する開口溝39が形成される。
このため、帯状パターン43の厚さは、側壁膜42の厚さよりも薄くなることはなく、側壁膜42の厚さと等しい厚さになる。
次いで、突出部25、側壁膜42、及び帯状パターン43をエッチングマスクとする異方性ドライエッチングにより、開口溝39の下方に位置する酸化シリコン膜11及び基板12の主面12aをエッチングすることで、2つの絶縁分離部24間に位置する基板12に、Y方向に延在し、かつ突出部25の側壁25b,25cから距離Eの位置に側壁45bを有する2つの第1の溝45を形成する。
第1の実施の形態の場合、距離Eは、図8Bに示す突出部25の側壁25b,25cに形成された保護膜32の厚さM4と等しい。
このため、第1の溝45の形成後の突出部25、側壁膜42、及び帯状パターン43の厚さは、第1の溝45の形成前の突出部25、側壁膜42、及び帯状パターン43の厚さよりも薄くなる。
これにより、第1及び第2の不純物拡散領域47,48の上面47a,48aは、基板12の主面12aと一致する。
次いで、公知の手法により、ゲート絶縁膜52を介して、第1の溝45の下部45−1を埋め込むゲート電極53を形成する。
これにより、各活性領域27に、ゲート絶縁膜52、ゲート電極53、第1の不純物拡散領域47、及び第2の不純物拡散領域48を有する2つのMISトランジスタが形成される。
また、埋め込み絶縁膜55を形成する際、図13Bに示す突出部25、側壁膜42、及び帯状パターン43を除去することで、酸化シリコン膜11の上面11aを露出させる。
次いで、周知の方法により、導電膜(ポリシコン膜、或いは金属膜)を埋め込むことで、下端が第2の不純物拡散領域48の上面48aと接触する容量コンタクトプラグ68を形成する。
つまり、ライナー膜62の上面62a、容量コンタクト用層間絶縁膜64の上面64a、及び容量コンタクトプラグ68の上面68aを同一平面上に配置する。
また、容量コンタクトパッド72は、各容量コンタクトプラグ68に対してそれぞれ1つ形成する。
これにより、下部電極74、容量絶縁膜76、及び上部電極77よりなるキャパシタ(記憶素子)が形成される。
次いで、上部電極77を介して、下部電極74の内部及び下部電極74間の隙間を充填する容量プレート80を形成する。これにより、第1の実施の形態の半導体装置10が製造される。
また、図16に示す溝部84の幅W1は、図18に示す工程において形成される第1の溝45の幅W3と等しい。そこで、第1の溝45の幅W3が所望の幅となるように、保護膜32の厚さを調整してもよい。
また、このエッチバックにより、突出部25の上面25aが露出される。突出部25の側壁25b,25cに形成された側壁膜42の厚さM5は、図16に示す保護膜32の厚さM4と等しい。また、開口溝85の幅W2は、図16に示す溝部84の幅W1と等しくなる。
距離Fは、図17に示す側壁膜42の厚さM5と等しく、第1の溝45の幅W3は、開口溝85の幅W2と等しい。
図19及び図20は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
図19において、第1の実施の形態で説明した図14に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。また、図20において、第1の実施の形態で説明した図15Bに示す第1の実施の形態の半導体装置10と同一構成部分には、同一符号を付す。
また、図20では、実際には、ゲート電極88の延在方向(X方向)に対して交差する方向に延在するビット線102を図示することが困難なため、ビット線102を模式的に図示している。
始めに第1の実施の形態で説明した図1A、図1B、図1C、及び図1Dに示す工程から図13A、図13B、図13C、及び図13Dに示す工程までの処理を順次行うことで、図13A、図13B、図13C、及び図13Dに示す構造体を形成する。
その後、公知の手法により、突出部25及び側壁膜42を除去して、酸化シリコン膜11の上面11aを露出させる。
次いで、公知の手法により、ゲート絶縁膜52を介して、第1の溝45を埋め込むと共に、酸化シリコン膜11の上面11aから突出するゲート電極88と、ゲート電極88の上面88aを覆うキャップ絶縁膜91(シリコン窒化膜(SiN膜))と、を一括形成する。
次いで、公知の手法により、絶縁分離部24の上面24a及び酸化シリコン膜11の上面11aに、キャップ絶縁膜91、スペーサ92、及びゲート電極88を覆う第1の層間絶縁膜95(層間絶縁膜)を形成する。
第1の層間絶縁膜95は、例えば、酸化シリコン膜(SiO2膜))を成膜することで形成する。
このとき、第1及び第2のコンタクトプラグ96,97の上面96a,97aは、平坦な面とされた第1の層間絶縁膜95の上面95aに対して面一とする。
次いで、公知の手法により、第2の層間絶縁膜99を貫通し、第1のコンタクトプラグ96の上面96aと接触するビットコンタクト101を形成する。このとき、ビットコンタクト101は、その上面101aが第2の層間絶縁膜99の平坦な上面99aに対して面一になるように形成する。
これにより、ビット線102は、ビットコンタクト101を介して、第1の不純物拡散領域47(隣接する2つのMISトランジスタに共通の領域)と電気的に接続される。
このとき、第3のコンタクトプラグ106の上面106aは、第3の層間絶縁膜104の平坦な上面104aに対して面一にする。
また、下部電極74は、シリンダ孔108Aの内面を覆うことで、第3のコンタクトプラグ106の上面106aと接触する。これにより、下部電極74は、第3のコンタクトプラグ106の上面106aを介して、第2の不純物拡散領域48と電気的に接続される。
また、該エッチングストッパ膜は、酸化シリコン膜に限定されない。
Claims (20)
- 基板の主面に溝形状の絶縁分離部を形成する工程と、
前記絶縁分離部の上部が前記基板の主面上に突出した突出部を形成する工程と、
前記突出部の側壁からその側方下部の前記基板の主面までを覆う、側壁膜を形成する工程と、
前記側壁膜をマスクとして前記基板の主面にエッチングを施すことで、前記基板に第1の溝を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 基板の主面に溝形状の絶縁分離部を形成する工程と、
前記絶縁分離部の上部が前記基板の主面上に突出した突出部を形成する工程と、
前記突出部の側壁からその側方下部の前記基板の主面までを覆う、側壁膜を形成する工程と、
前記側壁膜をマスクとして前記基板の主面にエッチングを施すことで、前記基板に第1の溝を形成する工程と、
を有し、
前記側壁膜を形成する工程では、対向配置された2つの前記側壁膜の間に、前記基板の主面を露出する開口溝を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 基板の主面に溝形状の絶縁分離部を形成する工程と、
前記絶縁分離部の上部が前記基板の主面上に突出した突出部を形成する工程と、
前記突出部の側壁からその側方下部の前記基板の主面までを覆う側壁膜、対向配置された2つの前記側壁膜の間に配置された帯状パターン、及び該帯状パターンと前記側壁膜との間に配置され、前記基板の主面を露出する開口溝を一括形成する工程と、
前記側壁膜及び帯状パターンをマスクとして前記基板の主面にエッチングを施すことで、前記基板に第1の溝を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁分離部を形成する工程は、
前記基板の主面に犠牲膜を形成する工程と、
前記犠牲膜を貫通し、その下部の前記基板の途中までを掘り下げた形状の分離溝を形成する工程と、
前記分離溝を、該分離溝の底部から、前記基板の主面以上、前記犠牲膜の表面以下の高さまで第1の絶縁膜で埋め込むことで、前記第1の絶縁膜からなる前記絶縁分離部を形成する工程と、を有し、
前記突出部を形成する工程では、前記犠牲膜を除去することで、前記犠牲膜に覆われていた部分の前記絶縁分離部の上部が前記基板の主面上に突出した形状の、前記突出部を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項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記側壁膜を形成する工程は、
前記突出部をコンフォーマルに覆うように、保護膜を形成する工程と、
前記保護膜をエッチバックすることで、前記突出部の側壁からその側方下部の前記基板までを覆う形状の、前記保護膜からなる前記側壁膜を形成する工程と、を有することを特徴とする請求項1、2、4のうち、いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記保護膜を形成する工程では、前記基板の主面及び前記突出部をコンフォーマルに覆う保護膜を成膜することで、前記突出部間に位置する前記保護膜に第2の溝を形成し、
前記第2の溝の内面を含む前記保護膜の表面をコンフォーマルに覆う第2の絶縁膜を成膜することで、前記第2の溝の上方に位置する前記第2の絶縁膜に第3の溝を形成する工程と、
前記第3の溝を埋め込むように、前記第2の絶縁膜の表面に塗布系絶縁膜を形成し、該塗布系絶縁膜の表面を平坦な面にする工程と、
前記塗布系絶縁膜を選択的にエッチバックすることで、前記第3の溝内に前記塗布系絶縁膜を残存させると共に、前記第3の溝間に位置する前記第2の絶縁膜の表面を露出させる工程と、
前記第3の溝内に残存する前記塗布系絶縁膜をマスクとして、前記第2の絶縁膜を選択的にエッチングすることで、該塗布系絶縁膜の下方にのみ前記第2の絶縁膜を残存させる工程と、
残存する前記塗布系絶縁膜を除去する工程と、を有し、
前記側壁膜を形成する工程では、残存する前記第2の絶縁膜をマスクとするエッチングにより、前記基板の主面が露出するまで前記保護膜を除去することで、前記側壁膜と、前記突出部間の中央に配置され、前記保護膜よりなる帯状パターンとを一括形成する工程と、
前記第1の溝を形成する工程では、前記突出部、前記側壁膜、及び前記帯状パターンをエッチングマスクとして前記基板の主面をエッチングすることで、2つの前記絶縁分離部間に位置する前記基板に、2つの前記第1の溝を形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁分離部を形成する工程では、前記犠牲酸化膜の表面に対して前記分離溝を埋め込む前記第1の絶縁膜の上面が面一となるように前記絶縁分離部を形成し、
前記犠牲膜を形成する工程では、前記突出部の高さが所望の高さとなるように、該犠牲膜の厚さを制御することを特徴とする請求項4ないし6のうち、いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記突出部を形成する工程では、前記保護膜の厚さよりも前記突出部の高さが大きくなるように前記突出部を形成し、
前記保護膜を形成する工程では、前記突出部の側壁を基準としたときの前記第1の溝の側壁の位置が所望の位置となるように前記保護膜の厚さを制御する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1の溝を形成する工程では、前記第1の溝の深さが前記分離溝の深さよりも浅くなるように、前記1の溝を形成することを特徴とする請求項4ないし8のうち、いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記犠牲膜を形成する前に、前記基板の主面に、前記犠牲膜を除去する際に使用するエッチング液から前記基板を保護するエッチングストッパ膜を形成する工程を有し、
前記犠牲膜を形成する工程では、前記エッチングストッパ膜の上面に前記犠牲膜を形成することを特徴とする請求項4ないし9のうち、いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記基板の材料としてシリコンを用いると共に、前記犠牲膜を形成する工程では、ドープドポリシリコン膜を成膜することで前記犠牲膜を形成し、
前記犠牲膜を除去する際、前記エッチング液としてアンモニア水を使用することを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁分離部を形成する前に、前記基板の主面に、該絶縁分離部と交差する方向に延在し、前記絶縁分離部と共に、活性領域を区画する素子分離領域を形成する工程を有し、
前記第1の絶縁膜は、前記素子分離領域及び前記活性領域に対してエッチング選択比の高い膜により形成することを特徴とする請求項4ないし11のうち、いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記保護膜は、前記第2の絶縁膜及び前記基板に対してエッチング選択比の高い膜により形成することを特徴とする請求項6ない12のうち、いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の絶縁膜は、前記塗布系絶縁膜に対してエッチング選択比の高い膜により形成することを特徴とする請求項6ない13のうち、いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記犠牲膜を除去後、前記活性領域に不純物拡散領域を形成する工程を有し、
前記第1の溝の形成により前記不純物拡散領域を分離することで、前記第1の溝の一方の側壁に第1の不純物拡散領域を形成すると共に、前記第1の溝の他方の側壁に第2の不純物拡散領域を形成することを特徴とする請求項12ないし14のうち、いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1の溝の下部の内面を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜を介して、前記第1の溝の下部を埋め込むゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1の溝の上部を埋め込むと共に、前記ゲート電極の上面を覆う埋め込み絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の不純物拡散領域の上面と接触するビットコンタクト、及び該ビットコンタクトと一体とされたビット線を形成する工程と、
前記ビット線を覆う容量コンタクト用層間絶縁膜を形成する工程と、
前記容量コンタクト用層間絶縁膜を貫通し、前記第2の不純物拡散領域の上面と接触する容量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請求項15ないし17のうち、いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1の溝の内面を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜を介して、前記第1の溝を埋め込むと共に、前記基板の主面から突出するゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項1ないし18のうち、いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記基板の主面に、前記ゲート電極のうち、該主面から突出した部分を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を貫通し、かつ前記第1の不純物拡散領域の上面と接触する第1のコンタクトプラグと、前記層間絶縁膜を貫通し、かつ前記第2の不純物拡散領域の上面と接触する第2のコンタクトプラグと、を一括形成する工程と、
を有する請求項19に記載の半導体装置の製造方法。
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