JP2014099551A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which improves device characteristics of a first region by diffusing hydrogen atoms in the first region and which prevents deterioration of device characteristics in a second region by preventing diffusion of excessive hydrogen atoms in the second region.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a semiconductor substrate 1 including a first region and a second region; a hydrogen diffusion prevention film 45 which is provided on the first and second regions and has a first opening in the first region; a conductive layer 32b buried in the first opening; an information storage element 48 electrically connected with the conductive layer 32b; a hydrogen supply film 27 which covers the information storage element 48 in the first region and contacts the hydrogen diffusion prevention film 45 in the second region to cover the hydrogen diffusion prevention film 45; and a second opening which is opened through both of the hydrogen supply layer 27 and the hydrogen diffusion prevention film 45 in the second region.

Description

本発明は、半導体装置とその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

DRAMメモリセルではリフレッシュ特性の改善のための有効な処理として、水素アニールが行われている。この水素アニールでは、周辺回路領域に位置するトランジスタと比べて、メモリセル領域の半導体基板の表面近傍に多くの水素を供給する必要がある。
一方、高アスペクト比の容量素子や多層金属配線を備えた半導体基板では、水素雰囲気中での熱処理により、半導体基板上に形成された素子まで、特性改善に必要な十分な量の水素を供給することが難しい。
そこで、水素を含有するプラズマCVD法で成膜した膜を使用する方法が提案されている。例えば、プラズマCVD法で成膜した窒化シリコン膜は20atm%以上の水素を含有し、その組成はSiNxy(xは0.8ないし1.2程度)とN−H結合が多量に含まれる。このため、窒化シリコン膜の成膜後に熱処理を行うことにより、窒化シリコン膜は水素を放出する。また、窒化シリコン膜の成膜中にも、成膜反応で生成された多量の水素がSiNxyを透過して半導体基板側に供給される。
In a DRAM memory cell, hydrogen annealing is performed as an effective process for improving refresh characteristics. In this hydrogen annealing, it is necessary to supply more hydrogen near the surface of the semiconductor substrate in the memory cell region than in the transistor located in the peripheral circuit region.
On the other hand, in a semiconductor substrate having a high-aspect ratio capacitive element and multilayer metal wiring, a sufficient amount of hydrogen necessary for improving the characteristics is supplied to the element formed on the semiconductor substrate by heat treatment in a hydrogen atmosphere. It is difficult.
Therefore, a method of using a film formed by a plasma CVD method containing hydrogen has been proposed. For example, a silicon nitride film formed by a plasma CVD method contains 20 atm% or more of hydrogen, and its composition includes SiN x H y (x is about 0.8 to 1.2) and a large amount of N—H bonds. It is. Therefore, the silicon nitride film releases hydrogen by performing heat treatment after the silicon nitride film is formed. Further, during the formation of the silicon nitride film, a large amount of hydrogen generated by the film formation reaction passes through the SiN x H y and is supplied to the semiconductor substrate side.

特許文献1(特開平6−112453号公報)には、プラズマCVD法で成膜した窒素リッチな膜が、アニールにより水素を脱離させ、半導体基板表面のダングリングボンドをターミネートする現象が開示されている。   Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 6-112453) discloses a phenomenon in which a nitrogen-rich film formed by a plasma CVD method desorbs hydrogen by annealing and terminates dangling bonds on the surface of a semiconductor substrate. ing.

特許文献2(特開2009−188068号公報)には、固体撮像素子において、水素供給源となるプラズマCVD法で形成されたパッシベーション膜に関して、受光部が設けられる画素部と周辺回路部で異なる残留水素量に設定する技術が開示されている。   In Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-188068), regarding a passivation film formed by a plasma CVD method serving as a hydrogen supply source in a solid-state imaging device, different residuals are present in a pixel portion provided with a light receiving portion and a peripheral circuit portion. A technique for setting the amount of hydrogen is disclosed.

特開平6−112453号公報JP-A-6-112453 特開2009−188068号公報JP 2009-188068 A

しかしながら、特許文献2の方法では、必要な残留水素量が少ない領域でも、一度、残留水素量が多い膜を成膜させた後に、この膜をエッチング除去する必要がある。そのため、残留水素量が多い膜を成膜した時点で、半導体基板の全域にある程度の量の水素が供給されてしまい、領域毎に水素供給量を制御することが出来なかった。   However, in the method of Patent Document 2, it is necessary to etch and remove a film having a large residual hydrogen amount once, even in a region where the necessary residual hydrogen amount is small. Therefore, when a film having a large amount of residual hydrogen is formed, a certain amount of hydrogen is supplied to the entire area of the semiconductor substrate, and the hydrogen supply amount cannot be controlled for each region.

この結果、必要な残留水素量が少ない領域に位置する素子の特性を劣化させることとなっていた。例えば、DRAMの周辺回路領域のトランジスタが存在する領域では必要な水素量は少ない。このため、この領域に過度の水素アニールを行うと、高温化で電圧ストレスを印加する前後のVt(しきい値電圧)の変動量を測定するBTI(Bias−Temperature Instability)試験において、このトランジスタのVt(しきい値電圧)の変動量を増大させる要因となっていた。この理由は、過度な(あるいは不安定な)Si−H結合がより多く形成されることにより、高温化で電圧ストレスを印加している間に水素が脱離する量が増加するためと考えられている。 As a result, the characteristics of the element located in the region where the required amount of residual hydrogen is small are deteriorated. For example, a required amount of hydrogen is small in a region where a transistor is present in a peripheral circuit region of a DRAM. For this reason, if excessive hydrogen annealing is performed in this region, this transistor is used in a BTI (Bias-Temperature Instability) test for measuring the amount of variation in V t (threshold voltage) before and after applying voltage stress at a high temperature. This is a factor that increases the fluctuation amount of V t (threshold voltage). The reason for this is thought to be that excessive amounts of (or unstable) Si—H bonds are formed, which increases the amount of hydrogen desorbed while applying voltage stress at high temperatures. ing.

図1、13および14は、この現象を詳細に説明する図である。図1Aおよび1Bはそれぞれ、従来のDRAMのメモリセル領域および周辺回路領域を表す平面図であり、主要な構造しか示しておらず一部の構造を省略している。図13および14はそれぞれ、図1AのB−B’方向に対応する断面の一部および図1BのA−A’方向に対応する断面をつなぎ合わせた図を表す。なお、図13および14では、点線の左側がメモリセル領域、点線の右側が周辺回路領域を表す。   1, 13 and 14 are diagrams for explaining this phenomenon in detail. 1A and 1B are plan views showing a memory cell region and a peripheral circuit region of a conventional DRAM, respectively, showing only a main structure and omitting a part of the structure. FIGS. 13 and 14 respectively show a part of a cross section corresponding to the B-B ′ direction in FIG. 1A and a cross section corresponding to the A-A ′ direction in FIG. 1B. 13 and 14, the left side of the dotted line represents the memory cell region, and the right side of the dotted line represents the peripheral circuit region.

まず、図1および図13に示す構造を形成する。図1Aおよび図13の左側の領域に示すように、DRAMのメモリセル領域には、素子分離領域(STI)2と活性領域1aがY方向に所定間隔で交互に複数、形成されている。また、活性領域1aを縦断するように、ワード線となる埋め込みゲート電極30およびダミーワード線30’が、Y方向に延在し、X方向に所定の間隔で半導体基板1内に埋め込まれることで形成されている。さらに、ワード線30およびダミーワード線30’と直交するX方向に、複数のビット線31が、所定の間隔で配置されている。そして、ワード線30と活性領域1aとが交差する領域にそれぞれメモリセルが形成されている。   First, the structure shown in FIGS. 1 and 13 is formed. As shown in the left region of FIGS. 1A and 13, a plurality of element isolation regions (STI) 2 and active regions 1a are alternately formed at predetermined intervals in the Y direction in the memory cell region of the DRAM. In addition, the embedded gate electrode 30 and the dummy word line 30 ′ serving as word lines extend in the Y direction and are embedded in the semiconductor substrate 1 at predetermined intervals in the X direction so as to cut the active region 1a vertically. Is formed. Further, a plurality of bit lines 31 are arranged at predetermined intervals in the X direction orthogonal to the word lines 30 and the dummy word lines 30 '. Memory cells are formed in regions where the word line 30 and the active region 1a intersect.

メモリセルは、第3のトランジスタTr3と容量素子48とから構成されている。各容量素子48は、容量コンタクトプラグ32bを介して、各々の第3のトランジスタTr3の容量コンタクト領域32aに電気的に接続されている。個々のメモリセルは、ビットコンタクト領域33を介して、ビット線31に接続されている。各容量素子48は、下部電極48aの内壁面および外壁面上に、容量絶縁膜48bならびに上部電極(プレート電極)であるポリシリコン膜48cおよびタングステン膜48dが、この順に積層されたものから構成されている。タングステン膜48dを覆うように、プレートマスク膜18が設けられ、プレートマスク膜18を貫通するようにコンタクトプラグ23が設けられている。   The memory cell includes a third transistor Tr3 and a capacitor 48. Each capacitive element 48 is electrically connected to the capacitive contact region 32a of each third transistor Tr3 via a capacitive contact plug 32b. Each memory cell is connected to the bit line 31 via the bit contact region 33. Each capacitive element 48 includes a capacitor insulating film 48b, a polysilicon film 48c as an upper electrode (plate electrode), and a tungsten film 48d laminated in this order on the inner wall surface and outer wall surface of the lower electrode 48a. ing. A plate mask film 18 is provided so as to cover the tungsten film 48d, and a contact plug 23 is provided so as to penetrate the plate mask film 18.

図1Bおよび図13の右側の領域に示すように、周辺回路領域には、NMOSが形成される領域Cnと、PMOSが形成される領域Cpが設けられている。領域CnとCpは、これらの間に素子分離領域(STI)2を挟むように配置されている。それぞれの領域CnとCpには、半導体基板1の表面が露出した活性領域1aが配置され、第1のゲート絶縁膜9aを介して第1のゲート電極17a、第2のゲート絶縁膜9bを介して第2のゲート電極17bがそれぞれ、活性領域1aを2分するように設けられている。領域CnとCpの活性領域1a内にはそれぞれ、Pウェル3およびNウェル4が設けられている。領域Cnにおいて第1のゲート電極17aの両側のPウェル3には、LDD領域19aと、第1のソースおよびドレイン21aが設けられている。第1のゲート絶縁膜9a、第1のゲート電極17a、LDD領域19a、および第1のソースおよびドレイン21aは、Nチャネル型の第1のトランジスタTr1を構成する。また、領域Cpにおいて第2のゲート電極17bの両側のNウェル4には、LDD領域19bと、第2のソースおよびドレイン21bが設けられている。第2のゲート絶縁膜9b、第2のゲート電極17b、LDD領域19b、および第1のソースおよびドレイン21bは、Pチャネル型の第2のトランジスタTr2を構成する。第1のソースおよびドレイン21aと、第2のソースおよびドレイン21bはそれぞれ、コンタクトプラグ24aおよび24bに接続されている。コンタクトプラグ24aおよび24bはそれぞれ、配線層24cおよび24dに接続されている。配線層24cおよび24dの一方はそれぞれ、を介してスルーホールプラグ24eおよび24fに接続されている。   As shown in the region on the right side of FIGS. 1B and 13, the peripheral circuit region is provided with a region Cn where an NMOS is formed and a region Cp where a PMOS is formed. The regions Cn and Cp are arranged so as to sandwich the element isolation region (STI) 2 therebetween. In each of the regions Cn and Cp, an active region 1a in which the surface of the semiconductor substrate 1 is exposed is disposed, and the first gate electrode 17a and the second gate insulating film 9b are interposed through the first gate insulating film 9a. The second gate electrodes 17b are provided so as to divide the active region 1a into two. A P well 3 and an N well 4 are provided in the active regions 1a of the regions Cn and Cp, respectively. In the region Cn, the LD well region 19a and the first source and drain 21a are provided in the P well 3 on both sides of the first gate electrode 17a. The first gate insulating film 9a, the first gate electrode 17a, the LDD region 19a, and the first source and drain 21a constitute an N-channel first transistor Tr1. In the region Cp, an LDD region 19b and a second source and drain 21b are provided in the N well 4 on both sides of the second gate electrode 17b. The second gate insulating film 9b, the second gate electrode 17b, the LDD region 19b, and the first source and drain 21b constitute a P-channel type second transistor Tr2. The first source and drain 21a and the second source and drain 21b are connected to contact plugs 24a and 24b, respectively. The contact plugs 24a and 24b are connected to the wiring layers 24c and 24d, respectively. One of the wiring layers 24c and 24d is connected to the through-hole plugs 24e and 24f, respectively.

次に、図14に示すように、メモリセル領域のコンタクトプラグ23、周辺回路領域のスルーホールプラグ24eおよび24fに接続されるようにそれぞれ、アルミ配線24g、24hおよび24iを形成する。これにより、DRAMが完成する。   Next, as shown in FIG. 14, aluminum wirings 24g, 24h and 24i are formed so as to be connected to the contact plug 23 in the memory cell region and the through-hole plugs 24e and 24f in the peripheral circuit region, respectively. Thereby, the DRAM is completed.

従来は、図1および13に示す構造を形成した後、水素アニールを行う。この水素アニールにより、メモリセル領域では、コンタクトプラグ23および容量コンタクトプラグ32b用の開口部を通って、水素原子が半導体基板1内にまで拡散する。また、周辺回路領域では、スルーホールプラグ24eおよび24f用の開口部、配線層24c、24d用の配線溝、ならびにコンタクトプラグ24aおよび24b用の開口部を通って、水素原子が半導体基板1内にまで拡散する。しかしながら、従来の水素アニールでは、メモリセル領域と周辺回路領域のトランジスタに同じ量の水素を供給することとなる。従って、メモリセル領域のリフレッシュ特性改善に必要十分な大量の水素を供給すると、周辺回路領域では水素が供給過剰となり不安定なSi−H結合が形成されていた。この結果、長時間の動作中に、周辺回路領域のトランジスタから徐々に水素が脱離して、周辺回路領域のトランジスタのVt(しきい値電圧)が変動して、回路動作の不具合が生じるという問題があった。 Conventionally, hydrogen annealing is performed after the structure shown in FIGS. 1 and 13 is formed. By this hydrogen annealing, hydrogen atoms diffuse into the semiconductor substrate 1 through the openings for the contact plug 23 and the capacitor contact plug 32b in the memory cell region. Further, in the peripheral circuit region, hydrogen atoms enter the semiconductor substrate 1 through the openings for the through-hole plugs 24e and 24f, the wiring grooves for the wiring layers 24c and 24d, and the openings for the contact plugs 24a and 24b. To spread. However, in the conventional hydrogen annealing, the same amount of hydrogen is supplied to the transistors in the memory cell region and the peripheral circuit region. Therefore, when a large amount of hydrogen necessary and sufficient for improving the refresh characteristics of the memory cell region is supplied, hydrogen is excessively supplied in the peripheral circuit region, and an unstable Si—H bond is formed. As a result, during a long time operation, hydrogen is gradually desorbed from the transistors in the peripheral circuit region, and the V t (threshold voltage) of the transistors in the peripheral circuit region fluctuates, resulting in a malfunction of the circuit operation. There was a problem.

一実施形態は、
第1の領域と第2の領域を含む半導体基板と、
前記第1および第2の領域に設けられ、前記第1の領域において第1の開口を設けられた水素拡散防止膜と、
前記第1の開口内に埋設された導電層と、
前記導電層と電気的に接続された情報蓄積素子と、
前記第1の領域の前記情報蓄積素子を覆い、かつ前記第2の領域において前記水素拡散防止膜と接して前記水素拡散防止膜を覆う水素供給膜と、
前記第2の領域において前記水素供給膜と前記水素拡散防止膜の両方を貫通して開口される第2の開口と、
を備える、ことを特徴とする半導体装置に関する。
One embodiment is:
A semiconductor substrate including a first region and a second region;
A hydrogen diffusion prevention film provided in the first and second regions and provided with a first opening in the first region;
A conductive layer embedded in the first opening;
An information storage element electrically connected to the conductive layer;
A hydrogen supply film covering the information storage element in the first region and covering the hydrogen diffusion prevention film in contact with the hydrogen diffusion prevention film in the second region;
A second opening opened through both the hydrogen supply film and the hydrogen diffusion prevention film in the second region;
It is related with the semiconductor device characterized by comprising.

他の実施形態は、
半導体基板上の第1の領域に第1の素子を形成する工程と、
前記半導体基板上の第2の領域に第2の素子を形成する工程と、
前記第1の領域と前記第2の領域の双方を覆う水素拡散防止膜を形成する工程と、
前記第1の素子の上方の前記水素拡散防止膜内に、第1の開口を形成する工程と、
前記第1の開口と前記水素拡散防止膜の双方を覆う水素供給膜を形成する工程と、
前記水素供給膜から水素を拡散させる熱処理を行う工程と、
前記第2の素子の上方の前記水素供給膜および前記水素拡散防止膜の両方を貫通する第2の開口を形成する工程と、
水素を含む雰囲気中で熱処理を行う工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
Other embodiments are:
Forming a first element in a first region on a semiconductor substrate;
Forming a second element in a second region on the semiconductor substrate;
Forming a hydrogen diffusion prevention film covering both the first region and the second region;
Forming a first opening in the hydrogen diffusion prevention film above the first element;
Forming a hydrogen supply film that covers both the first opening and the hydrogen diffusion prevention film;
Performing a heat treatment for diffusing hydrogen from the hydrogen supply film;
Forming a second opening penetrating both the hydrogen supply film and the hydrogen diffusion prevention film above the second element;
Performing a heat treatment in an atmosphere containing hydrogen;
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

第1の領域に水素原子を拡散させることにより第1の領域の装置特性を改善させると共に、第2の領域への過度な水素原子の拡散を防止して第2の領域の装置特性が劣化することを防止できる。   The device characteristics of the first region are improved by diffusing hydrogen atoms in the first region, and the device properties of the second region are deteriorated by preventing excessive diffusion of hydrogen atoms to the second region. Can be prevented.

従来技術および第1実施例の半導体装置を表す平面図である。It is a top view showing the semiconductor device of a prior art and 1st Example. 第1実施例の半導体装置を表す断面図である。It is sectional drawing showing the semiconductor device of 1st Example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。It is sectional drawing showing the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。It is sectional drawing showing the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。It is sectional drawing showing the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。It is sectional drawing showing the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。It is sectional drawing showing the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。It is sectional drawing showing the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。It is sectional drawing showing the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。It is sectional drawing showing the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。It is sectional drawing showing the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。It is sectional drawing showing the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 従来技術の半導体装置の製造方法を表す断面図である。It is sectional drawing showing the manufacturing method of the semiconductor device of a prior art. 従来技術の半導体装置を表す断面図である。It is sectional drawing showing the semiconductor device of a prior art.

以下に、本発明を適用した実施例について図面を参照して説明する。この実施例は、本発明のより一層の深い理解のために示される具体例であって、本発明は、この具体例に何ら限定されるものではない。また、同一部材には同一符号を付し、説明を省略又は簡略化する。また、同一部材には適宜符号を省略する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、各図における長さ、幅、及び厚みの比率等は実際のものと同じとは限らず、各図における長さ、幅、及び厚みの比率等は互いに一致していない場合がある。以下の実施例では、具体的に示した材料や寸法等の条件は例示に過ぎない。   Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. This embodiment is a specific example shown for a deeper understanding of the present invention, and the present invention is not limited to this specific example. Moreover, the same code | symbol is attached | subjected to the same member and description is abbreviate | omitted or simplified. Further, the same members will be appropriately omitted. The drawings used in the following description are schematic, and the ratios of length, width, and thickness in each drawing are not necessarily the same as the actual ones, and the length, width, and thickness in each drawing are not the same. The ratios may not match each other. In the following examples, the concretely shown conditions such as materials and dimensions are merely examples.

なお、下記実施例において、特許請求の範囲に記載の「第1の領域」および「第2の領域」はそれぞれ、メモリセル領域および周辺回路領域に相当する。
特許請求の範囲に記載の「第1の開口」および「第2の開口」はそれぞれ、メモリセル領域の容量コンタクトホールおよび周辺回路領域のスルーホールに相当する。
特許請求の範囲に記載の「水素拡散防止膜」および「水素供給膜」はそれぞれ、ストッパー膜(窒化シリコン膜)45および窒化シリコン膜27に相当する。
特許請求の範囲に記載の「導電膜」および「情報蓄積素子」はそれぞれ、容量コンタクトプラグ32bおよび容量素子48に相当する。
特許請求の範囲に記載の「第1の素子」は第3のトランジスタTr3に相当し、「第2の素子」は第1および第2のトランジスタTr1、Tr2に相当する。
In the following embodiments, “first region” and “second region” described in the claims correspond to a memory cell region and a peripheral circuit region, respectively.
The “first opening” and the “second opening” recited in the claims correspond to a capacitor contact hole in the memory cell region and a through hole in the peripheral circuit region, respectively.
The “hydrogen diffusion prevention film” and the “hydrogen supply film” described in the claims correspond to the stopper film (silicon nitride film) 45 and the silicon nitride film 27, respectively.
The “conductive film” and the “information storage element” recited in the claims correspond to the capacitive contact plug 32 b and the capacitive element 48, respectively.
The “first element” recited in the claims corresponds to the third transistor Tr3, and the “second element” corresponds to the first and second transistors Tr1 and Tr2.

(第1実施例)
1.半導体装置
本実施例は、本発明の構造を適用した半導体装置であるDRAM(Dynamic Random Access Memory)に関するものである。
(First Example)
1. Semiconductor Device This embodiment relates to a DRAM (Dynamic Random Access Memory) which is a semiconductor device to which the structure of the present invention is applied.

図1および2は本実施例の半導体装置を表す図である。図1Aはメモリセル領域の平面図、図1Bは周辺回路領域の平面図である。なお、図1Aおよび1Bは主要な構造しか示しておらず一部の構造を省略している。見かけ上、図1Aおよび1Bでは従来技術と本実施例が同様の構造となっているが、図1Aおよび1Bに図示しない構造が従来技術と本実施例とでは異なっている。図2は図1AのB−B’方向の断面の一部と、図1BのA−A’方向の断面をつなぎ合わせた図である。なお、図2は、点線の左側がメモリセル領域、点線の右側が周辺回路領域を表す。本実施例のDRAMは、図1Aに示すメモリセル領域と、図1Bに示す周辺回路領域とから構成されており、6F2セル配置(Fは最少加工寸法)となっている。   1 and 2 are diagrams showing a semiconductor device of this embodiment. 1A is a plan view of a memory cell region, and FIG. 1B is a plan view of a peripheral circuit region. 1A and 1B show only the main structure, and a part of the structure is omitted. Apparently, in FIGS. 1A and 1B, the prior art and the present embodiment have the same structure, but the structure not shown in FIGS. 1A and 1B differs between the prior art and the present embodiment. 2 is a diagram in which a part of the cross section in the B-B ′ direction in FIG. 1A and the cross section in the A-A ′ direction in FIG. 1B are joined together. In FIG. 2, the left side of the dotted line represents the memory cell region, and the right side of the dotted line represents the peripheral circuit region. The DRAM of this embodiment is composed of a memory cell region shown in FIG. 1A and a peripheral circuit region shown in FIG. 1B, and has a 6F2 cell arrangement (F is the minimum processing size).

(1)メモリセル領域(第1の領域)
図1Aに示すように、DRAMのメモリセル領域には、素子分離領域(STI)2と活性領域1aがY方向に所定間隔で交互に複数、形成されている。素子分離領域2および活性領域1aはそれぞれ、図1Aに示すX’方向に延在している。また、活性領域1aを縦断するように、ワード線となる埋め込みゲート電極30およびダミーワード線30’が、Y方向に延在し、X方向に所定の間隔で半導体基板1内に埋め込まれることで形成されている。さらに、ワード線30およびダミーワード線30’と直交するX方向に、複数のビット線31が、所定の間隔で配置されている。そして、ワード線30と活性領域1aとが交差する領域にそれぞれメモリセルが形成されている。メモリセルは、第3のトランジスタ(第1の素子)Tr3と図示しない容量素子とから構成されている。第3のトランジスタTr3は、活性領域1a、図示しない低濃度不純物拡散層、第3のソースおよびドレインとなる容量コンタクト領域32aおよびビットコンタクト領域33、ワード線30および図示しない第3のゲート絶縁膜とから構成されている。
(1) Memory cell area (first area)
As shown in FIG. 1A, a plurality of element isolation regions (STI) 2 and active regions 1a are alternately formed at predetermined intervals in the Y direction in the memory cell region of the DRAM. The element isolation region 2 and the active region 1a each extend in the X ′ direction shown in FIG. 1A. In addition, the embedded gate electrode 30 and the dummy word line 30 ′ serving as word lines extend in the Y direction and are embedded in the semiconductor substrate 1 at predetermined intervals in the X direction so as to cut the active region 1a vertically. Is formed. Further, a plurality of bit lines 31 are arranged at predetermined intervals in the X direction orthogonal to the word lines 30 and the dummy word lines 30 ′. Memory cells are formed in regions where the word line 30 and the active region 1a intersect. The memory cell includes a third transistor (first element) Tr3 and a capacitor element (not shown). The third transistor Tr3 includes an active region 1a, a low concentration impurity diffusion layer (not shown), a capacitor contact region 32a and a bit contact region 33 serving as a third source and drain, a word line 30, and a third gate insulating film (not shown). It is composed of

ワード線30とダミーワード線30’は、同一の構造を有しているが、機能が異なっている。ワード線30は第3のトランジスタTr3のゲート電極として用いられるのに対して、ダミーワード線30’は所定の電位をかけて隣接する第3のトランジスタTr3間を分離するために設けられている。すなわち、同一の活性領域1a上で隣接する第3のトランジスタTr3間は、ダミーワード線30’を所定の電位に維持することで、寄生トランジスタをオフ状態として分離する。   The word line 30 and the dummy word line 30 'have the same structure but have different functions. The word line 30 is used as the gate electrode of the third transistor Tr3, while the dummy word line 30 'is provided to isolate the adjacent third transistors Tr3 by applying a predetermined potential. That is, the third transistors Tr3 adjacent on the same active region 1a are separated by maintaining the dummy word line 30 'at a predetermined potential so that the parasitic transistors are turned off.

また、メモリセル領域全体には、複数のメモリセルが形成されており、個々のメモリセルには、それぞれ容量素子(図1Aには図示せず)が設けられている。各容量素子は、容量コンタクトプラグ(導電層)32bを介して、各第3のトランジスタTr3の容量コンタクト領域32aに電気的に接続されている。容量コンタクトプラグ32bは、図1Aに示すように、それぞれが重ならないようにメモリセル領域内に、所定の間隔で配置されている。また、個々のメモリセルは、ビットコンタクト領域33を介して、ビット線31に接続されている。   A plurality of memory cells are formed in the entire memory cell region, and each memory cell is provided with a capacitor element (not shown in FIG. 1A). Each capacitive element is electrically connected to the capacitive contact region 32a of each third transistor Tr3 via a capacitive contact plug (conductive layer) 32b. As shown in FIG. 1A, the capacitor contact plugs 32b are arranged at predetermined intervals in the memory cell region so as not to overlap each other. Each memory cell is connected to the bit line 31 via the bit contact region 33.

図2Aの点線の左側の領域に示すように、メモリセル領域において、各メモリセルは、第3のトランジスタTr3と容量素子(情報蓄積素子)48とから形成されている。第3のトランジスタTr3は、活性領域1aと、半導体基板1内に埋め込まれた埋め込みゲート電極からなるワード線30と、半導体基板1とワード線30の間に設けられた第3のゲート絶縁膜37、低濃度不純物拡散層10、および半導体基板1の主面に設けられ第3のソースおよびドレインとなる容量コンタクト領域32aおよびビットコンタクト領域33とから構成されている。容量コンタクト領域32aおよびビットコンタクト領域33の下には更に、低濃度不純物拡散層10が設けられている。ワード線30は例えば、窒化チタン膜からなるバリアメタル膜30aと、タングステン膜からなるメタルゲート膜30bとから構成されている。ワード線30の上面は、半導体基板1の上面よりも低くなるように形成されている。ワード線30上には、窒化シリコン膜からなるライナー膜38aとSOD(Spin on Dielectric)膜38bが設けられている。   As shown in the region on the left side of the dotted line in FIG. 2A, in the memory cell region, each memory cell is formed of a third transistor Tr3 and a capacitor element (information storage element) 48. The third transistor Tr3 includes an active region 1a, a word line 30 including a buried gate electrode embedded in the semiconductor substrate 1, and a third gate insulating film 37 provided between the semiconductor substrate 1 and the word line 30. The low-concentration impurity diffusion layer 10 and a capacitor contact region 32 a and a bit contact region 33 provided on the main surface of the semiconductor substrate 1 and serving as a third source and drain. A low-concentration impurity diffusion layer 10 is further provided below the capacitor contact region 32 a and the bit contact region 33. The word line 30 includes, for example, a barrier metal film 30a made of a titanium nitride film and a metal gate film 30b made of a tungsten film. The upper surface of the word line 30 is formed to be lower than the upper surface of the semiconductor substrate 1. On the word line 30, a liner film 38a made of a silicon nitride film and an SOD (Spin on Dielectric) film 38b are provided.

メモリセル領域の半導体基板1上には、窒化シリコン膜からなるビットコン層間絶縁膜39が設けられている。ビットコンタクト領域33上のビットコン層間絶縁膜39は開口しており、ビットコンタクト領域33に接するようにビット線31が設けられている。ビット線31は、半導体基板1に近い側から順に、不純物を含有するポリシリコン膜11c、タングステン膜の積層膜12cとから構成される。ビット線31上には、窒化シリコン膜からなるハードマスク15が設けられている。ビット線31の両側面上およびビットコン層間絶縁膜39の上面上には、窒化シリコン膜からなるライナー膜43が設けられている。ライナー膜43上には、SOD膜(層間絶縁膜)22が設けられている。SOD膜22上には窒化シリコン膜からなるストッパー膜(水素拡散防止膜)45が設けられている。このストッパー膜45は、水素アニール工程において、ストッパー膜45の下に位置する素子等に水素が拡散するのを防止する。   A bit-con interlayer insulating film 39 made of a silicon nitride film is provided on the semiconductor substrate 1 in the memory cell region. The bit contact interlayer insulating film 39 on the bit contact region 33 is opened, and the bit line 31 is provided so as to be in contact with the bit contact region 33. The bit line 31 includes a polysilicon film 11c containing impurities and a laminated film 12c of tungsten film in order from the side closer to the semiconductor substrate 1. A hard mask 15 made of a silicon nitride film is provided on the bit line 31. A liner film 43 made of a silicon nitride film is provided on both side surfaces of the bit line 31 and on the upper surface of the bit-con interlayer insulating film 39. An SOD film (interlayer insulating film) 22 is provided on the liner film 43. A stopper film (hydrogen diffusion preventing film) 45 made of a silicon nitride film is provided on the SOD film 22. This stopper film 45 prevents hydrogen from diffusing into elements and the like located under the stopper film 45 in the hydrogen annealing step.

ストッパー膜45、SOD膜22、ライナー膜43およびビットコン層間絶縁膜39を貫通して、容量コンタクト領域32aに接続されるように容量コンタクトプラグ32bが設けられている。また、容量コンタクトプラグ32bに電気的に接続されるように、容量素子48が設けられている。容量素子48は、容量コンタクトプラグ32bを介して、容量コンタクト領域32aに電気的に接続されている。容量素子48は、下部電極48aの内壁面および外壁面上に、容量絶縁膜48b、および上部電極(プレート電極)がこの順に積層される、クラウン型の容量素子となっている。上部電極(プレート電極)は、不純物を含有するポリシリコン膜48cとこの上に形成されたタングステン膜48dとから構成されている。メモリセル領域では、タングステン膜48dに接して容量素子48を覆うように窒化シリコン膜(水素供給膜)27が設けられている。この窒化シリコン膜(水素供給膜)27はメモリセル領域では、タングステン膜48d上に設けられているのに対して、後述するように、周辺回路領域ではストッパー膜45に接してストッパー膜45を覆うように設けられている。窒化シリコン膜(水素供給膜)27は、水素アニール(熱処理)により、水素を供給する供給源となる。窒化シリコン膜(水素供給膜)27上には更に、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜28が設けられている。メモリセル領域では、層間絶縁膜28、窒化シリコン膜27を貫通して、タングステン膜48dに接続されるようにコンタクトプラグ23が設けられている。コンタクトプラグ23は更に、層間絶縁膜28上に設けられたアルミニウム配線24gに接続されている。   A capacitor contact plug 32b is provided so as to penetrate through the stopper film 45, the SOD film 22, the liner film 43, and the bit contact interlayer insulating film 39 and to be connected to the capacitor contact region 32a. A capacitive element 48 is provided so as to be electrically connected to the capacitive contact plug 32b. The capacitive element 48 is electrically connected to the capacitive contact region 32a via the capacitive contact plug 32b. The capacitive element 48 is a crown-type capacitive element in which a capacitive insulating film 48b and an upper electrode (plate electrode) are laminated in this order on the inner wall surface and the outer wall surface of the lower electrode 48a. The upper electrode (plate electrode) is composed of a polysilicon film 48c containing impurities and a tungsten film 48d formed thereon. In the memory cell region, a silicon nitride film (hydrogen supply film) 27 is provided so as to cover the capacitor element 48 in contact with the tungsten film 48d. The silicon nitride film (hydrogen supply film) 27 is provided on the tungsten film 48d in the memory cell region, but covers the stopper film 45 in contact with the stopper film 45 in the peripheral circuit region as will be described later. It is provided as follows. The silicon nitride film (hydrogen supply film) 27 serves as a supply source for supplying hydrogen by hydrogen annealing (heat treatment). An interlayer insulating film 28 made of a silicon oxide film is further provided on the silicon nitride film (hydrogen supply film) 27. In the memory cell region, a contact plug 23 is provided so as to penetrate the interlayer insulating film 28 and the silicon nitride film 27 and be connected to the tungsten film 48d. The contact plug 23 is further connected to an aluminum wiring 24g provided on the interlayer insulating film 28.

(2)周辺回路領域(第2の領域)
図1Bに示すように、周辺回路領域には、NMOSが形成される領域Cnと、PMOSが形成される領域Cpが設けられている。領域CnとCpは、これらの間に素子分離領域(STI)2を挟むように配置されている。それぞれの領域CnとCpには、半導体基板1の表面が露出した活性領域1aが配置され、第1のゲート電極17a、第2のゲート電極17bが活性領域1aを2分するように設けられている。領域CnとCpの活性領域1a内にはそれぞれ、Pウェル3およびNウェル4が設けられている。領域Cnにおいて第1のゲート電極17aの両側のPウェル3内には、図示しない低濃度の不純物が導入されたLDD領域と、高濃度の不純物が導入された第1のソースおよびドレイン21aが設けられている。領域Cpにおいて第2のゲート電極17bの両側のNウェル4内には、図示しない低濃度の不純物が導入されたLDD領域と、高濃度の不純物が導入された第2のソースおよびドレイン21bが設けられている。領域Cn上に形成された、活性領域1a、第1のゲート電極17a、図示しないLDD領域、第1のソースおよびドレイン21a、および図示しない第1のゲート絶縁膜は、周辺回路領域の第1のトランジスタ(第2の素子)Tr1を構成する。同様に、領域Cp上に形成された、活性領域1a、第2のゲート電極17b、図示しないLDD領域、第2のソースおよびドレイン21b、および図示しない第2のゲート絶縁膜は、周辺回路領域の第2のトランジスタ(第2の素子)Tr2を構成する。第1のソースおよびドレイン21aと、第2のソースおよびドレイン21bはそれぞれ、コンタクトプラグ24aおよび24bに接続されている。コンタクトプラグ24aおよび24bはそれぞれ、配線層24cおよび24dに接続されている。配線層24cおよび24dの一方はそれぞれ、を介して図示しないスルーホールプラグに接続されている。
(2) Peripheral circuit area (second area)
As shown in FIG. 1B, in the peripheral circuit region, a region Cn where NMOS is formed and a region Cp where PMOS is formed are provided. The regions Cn and Cp are arranged so as to sandwich the element isolation region (STI) 2 therebetween. In each of the regions Cn and Cp, an active region 1a where the surface of the semiconductor substrate 1 is exposed is disposed, and a first gate electrode 17a and a second gate electrode 17b are provided so as to divide the active region 1a into two. Yes. A P well 3 and an N well 4 are provided in the active regions 1a of the regions Cn and Cp, respectively. In the P well 3 on both sides of the first gate electrode 17a in the region Cn, an LDD region into which a low concentration impurity is introduced and a first source and drain 21a into which a high concentration impurity is introduced are provided. It has been. In the region Cp, in the N well 4 on both sides of the second gate electrode 17b, an LDD region into which a low concentration impurity (not shown) is introduced and a second source and drain 21b into which a high concentration impurity is introduced are provided. It has been. The active region 1a, the first gate electrode 17a, the LDD region (not shown), the first source and drain 21a, and the first gate insulating film (not shown) formed on the region Cn are the first in the peripheral circuit region. A transistor (second element) Tr1 is formed. Similarly, the active region 1a, the second gate electrode 17b, the LDD region (not shown), the second source and drain 21b, and the second gate insulating film (not shown) formed on the region Cp are formed in the peripheral circuit region. A second transistor (second element) Tr2 is formed. The first source and drain 21a and the second source and drain 21b are connected to contact plugs 24a and 24b, respectively. The contact plugs 24a and 24b are connected to the wiring layers 24c and 24d, respectively. One of the wiring layers 24c and 24d is connected to a through-hole plug (not shown) via each.

図2の右側の領域に示すように、本実施例の半導体装置の周辺回路領域は、Pウェル3およびNウェル4を有する。Pウェル3とNウェル4間には素子分離領域2が設けられており、Pウェル3とNウェル4を絶縁分離している。素子分離領域2は、酸化シリコン膜2bと窒化シリコン膜2aの積層膜から構成されている。Pウェル3上には、第1のゲート絶縁膜9aとしての酸化シリコン膜5a、酸化ハフニウム膜6aがこの順に設けられている。第1のゲート絶縁膜9a上には、窒化チタン膜7a、不純物を含有するポリシリコン膜11a、およびタングステン膜12aからなる第1のゲート電極17aが設けられている。Nウェル4上には、第2のゲート絶縁膜9bとしての酸化シリコン膜5b、酸化アルミニウム膜6bがこの順に設けられている。第2のゲート絶縁膜9b上には、窒化チタン膜7b、不純物を含有するポリシリコン膜11b、およびタングステン膜12bからなる第2のゲート電極17bが設けられている。第1および第2のゲート電極17a、17b上にはそれぞれ、窒化シリコン膜からなるハードマスク15が設けられている。第1および第2のゲート電極17a、17bの両側面上には、オフセットスペーサ26aおよびサイドウォールスペーサ26bが設けられている。オフセットスペーサ26aおよびサイドウォールスペーサ26bと、半導体基板1を覆うように更に、ライナー膜43が設けられている。   As shown in the region on the right side of FIG. 2, the peripheral circuit region of the semiconductor device of this embodiment has a P well 3 and an N well 4. An element isolation region 2 is provided between the P well 3 and the N well 4, and the P well 3 and the N well 4 are insulated and separated. The element isolation region 2 is composed of a laminated film of a silicon oxide film 2b and a silicon nitride film 2a. On the P-well 3, a silicon oxide film 5a and a hafnium oxide film 6a as a first gate insulating film 9a are provided in this order. A first gate electrode 17a made of a titanium nitride film 7a, a polysilicon film 11a containing impurities, and a tungsten film 12a is provided on the first gate insulating film 9a. On the N well 4, a silicon oxide film 5b and an aluminum oxide film 6b as a second gate insulating film 9b are provided in this order. A second gate electrode 17b made of a titanium nitride film 7b, a polysilicon film 11b containing impurities, and a tungsten film 12b is provided on the second gate insulating film 9b. A hard mask 15 made of a silicon nitride film is provided on each of the first and second gate electrodes 17a and 17b. Offset spacers 26a and sidewall spacers 26b are provided on both side surfaces of the first and second gate electrodes 17a and 17b. A liner film 43 is further provided so as to cover the offset spacers 26 a and the sidewall spacers 26 b and the semiconductor substrate 1.

Pウェル3内の第1のゲート電極17aを挟んだ両側には、N型導電型のLDD領域19a、N型導電型の第1のソースおよびドレイン21aが形成されている。Nウェル4内の第2のゲート電極17bを挟んだ両側には、P型導電型のLDD領域19b、P型導電型の第2のソースおよびドレイン21bが形成されている。Pウェル3、第1のゲート絶縁膜9a、第1のゲート電極17a、N型導電型のLDD領域19a、および第1のソースおよびドレイン21aは、第1のトランジスタTr1であるNMOS(Nチャネル型のトランジスタ)を構成する。また、Nウェル4、第2のゲート絶縁膜9b、第2のゲート電極17b、P型導電型のLDD領域19b、および第2のソースおよびドレイン21bは第2のトランジスタTr2であるPMOS(Pチャネル型のトランジスタ)を構成する。   An N-type conductivity type LDD region 19 a and an N-type conductivity type first source and drain 21 a are formed on both sides of the first gate electrode 17 a in the P well 3. A P-type conductivity type LDD region 19b, and a P-type conductivity type second source and drain 21b are formed on both sides of the N well 4 with the second gate electrode 17b interposed therebetween. The P well 3, the first gate insulating film 9a, the first gate electrode 17a, the N-type conductivity type LDD region 19a, and the first source and drain 21a are NMOS (N-channel type) which is the first transistor Tr1. Transistor). The N well 4, the second gate insulating film 9b, the second gate electrode 17b, the P-type conductivity type LDD region 19b, and the second source and drain 21b are the PMOS (P channel) which is the second transistor Tr2. Type transistor).

周辺回路領域の半導体基板1上にはSOD膜(層間絶縁膜)22が設けられている。SOD膜22を貫通して、第1のソースおよびドレイン21aに接続されるようにコンタクトプラグ24aおよび配線層24cが設けられている。同様に、SOD膜22を貫通して、第2のソースおよびドレイン21bに接続されるようにコンタクトプラグ24bおよび配線層24dが設けられている。SOD膜22上には、ストッパー膜(水素拡散防止膜)45と、ストッパー膜45に接してこれを覆うように窒化シリコン膜(水素供給膜)27、および窒化シリコン膜(水素供給膜)27上に層間絶縁膜28が設けられている。層間絶縁膜28、窒化シリコン膜27、およびストッパー膜45を貫通して、配線層に24cおよび24dの一方に接続されるようにそれぞれ、スルーホールプラグ24eおよび24fが設けられている。スルーホールプラグ24eおよび24fは、ストッパー膜45および層間絶縁膜28を貫通するスルーホール(第2の開口)内にタングステン等の導電材料を埋設することで形成されている。スルーホールプラグ24eおよび24fはそれぞれ、層間絶縁膜28上に設けられたアルミニウム配線層24hおよび24iに接続されている。   An SOD film (interlayer insulating film) 22 is provided on the semiconductor substrate 1 in the peripheral circuit region. A contact plug 24a and a wiring layer 24c are provided so as to penetrate the SOD film 22 and be connected to the first source and drain 21a. Similarly, a contact plug 24b and a wiring layer 24d are provided so as to penetrate the SOD film 22 and be connected to the second source and drain 21b. On the SOD film 22, a stopper film (hydrogen diffusion prevention film) 45, a silicon nitride film (hydrogen supply film) 27, and a silicon nitride film (hydrogen supply film) 27 so as to be in contact with and cover the stopper film 45 An interlayer insulating film 28 is provided on the substrate. Through-hole plugs 24e and 24f are provided through the interlayer insulating film 28, the silicon nitride film 27, and the stopper film 45 so as to be connected to one of the wiring layers 24c and 24d, respectively. The through hole plugs 24e and 24f are formed by burying a conductive material such as tungsten in a through hole (second opening) that penetrates the stopper film 45 and the interlayer insulating film 28. Through-hole plugs 24e and 24f are connected to aluminum wiring layers 24h and 24i provided on interlayer insulating film 28, respectively.

本実施例の半導体装置では、窒化シリコン膜(水素供給膜)27の成膜中および後述する層間絶縁膜28の成膜時の熱(水素供給膜から水素を拡散させる熱処理)により、窒化シリコン膜(水素供給膜)27は大量の水素を放出する。放出された水素は、メモリセル領域内ではストッパー膜(水素拡散防止膜)45内に開口された容量コンタクトホール(第1の開口)を通って、半導体基板1上の第3のトランジスタTr3まで大量に拡散する。従って、メモリセル領域では、容量コンタクトホールを介してメモリセル領域の半導体基板1に十分な量の水素原子を拡散させることができる。この結果、メモリセル領域のリフレッシュ特性を効果的に改善させることができる。
一方、後述するように、周辺回路領域では、窒化シリコン膜(水素供給膜)27及び層間絶縁膜28の成膜中に、全体を水素の拡散係数が非常に小さいストッパー膜(水素拡散防止膜)45で覆っている。このため、水素原子は半導体基板1上の第1および第2のトランジスタTr1、Tr2まで拡散しない。この結果、第1および第2のトランジスタTr1、Tr2のVt(しきい値電圧)が変動して、回路動作の不具合が生じることを防止できる。
In the semiconductor device of this embodiment, the silicon nitride film is formed by heat (heat treatment for diffusing hydrogen from the hydrogen supply film) during the formation of the silicon nitride film (hydrogen supply film) 27 and during the formation of an interlayer insulating film 28 described later. The (hydrogen supply film) 27 releases a large amount of hydrogen. A large amount of the released hydrogen passes through the capacitor contact hole (first opening) opened in the stopper film (hydrogen diffusion preventing film) 45 in the memory cell region to the third transistor Tr3 on the semiconductor substrate 1. To spread. Accordingly, in the memory cell region, a sufficient amount of hydrogen atoms can be diffused into the semiconductor substrate 1 in the memory cell region through the capacitor contact hole. As a result, the refresh characteristics of the memory cell region can be effectively improved.
On the other hand, as will be described later, in the peripheral circuit region, a stopper film (hydrogen diffusion prevention film) having a very small hydrogen diffusion coefficient as a whole during the formation of the silicon nitride film (hydrogen supply film) 27 and the interlayer insulating film 28. 45. For this reason, hydrogen atoms do not diffuse to the first and second transistors Tr1 and Tr2 on the semiconductor substrate 1. As a result, V t (threshold voltage) of the first and second transistors Tr1 and Tr2 can be prevented from fluctuating to cause a malfunction of the circuit operation.

2.半導体装置の製造方法
以下、図1〜11を参照して、本実施例の半導体装置の製造方法を説明する。なお、図2〜11はそれぞれ、図1Aのメモリセル領域のB−B’方向に対応する断面と、図1Bの周辺回路領域のA−A’方向に対応する断面をつなぎ合わせた図を表す。また、図2〜11において、点線の左側の領域がメモリセル領域、点線の右側の領域が周辺回路領域を表す。
まず、図3に示すように、半導体基板1内のメモリセル領域および周辺回路領域に、酸化シリコン膜2bと窒化シリコン膜2aの積層膜からなる素子分離領域(STI)2を形成する。これにより、メモリセル領域および周辺回路領域では素子分離領域2で区画された活性領域1aが規定される。また、公知の方法により、周辺回路領域の活性領域1a内にPウェル3およびNウェル4を形成する。メモリセル領域の半導体基板1内に低濃度の不純物を注入して、低濃度不純物拡散層10を形成する。続いて、半導体基板1の主面を熱酸化することにより酸化シリコン膜51を形成し、酸化シリコン膜51上に窒化シリコン膜52を形成する。メモリセル領域上の酸化シリコン膜51及び窒化シリコン膜52をパターニングすることでハードマスクパターンを設ける。ハードマスクパターンを用いたエッチングにより、メモリセル領域の半導体基板1内に、素子分離領域2と交差する方向に延在する溝状のトレンチ55を形成する。このトレンチ55の形成により、予め形成した低濃度不純物拡散層10が分断される。
2. Semiconductor Device Manufacturing Method A semiconductor device manufacturing method of this embodiment will be described below with reference to FIGS. 2 to 11 are diagrams in which a cross section corresponding to the BB ′ direction of the memory cell region of FIG. 1A and a cross section corresponding to the AA ′ direction of the peripheral circuit region of FIG. 1B are connected. . 2 to 11, the area on the left side of the dotted line represents the memory cell area, and the area on the right side of the dotted line represents the peripheral circuit area.
First, as shown in FIG. 3, an element isolation region (STI) 2 composed of a laminated film of a silicon oxide film 2b and a silicon nitride film 2a is formed in a memory cell region and a peripheral circuit region in the semiconductor substrate 1. As a result, the active region 1a defined by the element isolation region 2 is defined in the memory cell region and the peripheral circuit region. Further, the P well 3 and the N well 4 are formed in the active region 1a of the peripheral circuit region by a known method. A low concentration impurity is implanted into the semiconductor substrate 1 in the memory cell region to form a low concentration impurity diffusion layer 10. Subsequently, a silicon oxide film 51 is formed by thermally oxidizing the main surface of the semiconductor substrate 1, and a silicon nitride film 52 is formed on the silicon oxide film 51. A hard mask pattern is provided by patterning the silicon oxide film 51 and the silicon nitride film 52 on the memory cell region. A groove-like trench 55 extending in a direction intersecting the element isolation region 2 is formed in the semiconductor substrate 1 in the memory cell region by etching using the hard mask pattern. By the formation of the trench 55, the previously formed low concentration impurity diffusion layer 10 is divided.

図4に示すように、トレンチ55の内壁をISSG(in−situ steam generation)法により酸化して、酸化シリコン膜からなる第3のゲート絶縁膜37を形成する。   As shown in FIG. 4, the inner wall of the trench 55 is oxidized by an ISSG (in-situ steam generation) method to form a third gate insulating film 37 made of a silicon oxide film.

図5に示すように、トレンチ55の内壁上に窒化チタン膜等のバリア膜30aを形成する。トレンチ55内をタングステン膜等のメタルゲート膜30bで埋め込む。エッチバックによりバリア膜30a及びメタルゲート膜30bの上面を半導体基板1の主面よりも後退させて、ワード線(埋め込みゲート電極)30を形成する。この際、周辺回路領域のバリア膜30a及びメタルゲート膜30bは除去される。
図6に示すように、半導体基板1の全面に窒化シリコン膜からなるライナー膜38aを形成した後、半導体基板1の全面に更にSOD膜38bを形成する。その後、ライナー膜38aの上面が露出するまで、SOD膜38bにCMP処理を施す。
図7に示すように、ドライエッチングにより、ライナー膜38aおよびSOD膜38bの上部を除去する。次に、ウェットエッチングにより、窒化シリコン膜52を除去する。次に、半導体基板1上の全面に、窒化シリコン膜からなるビットコン層間絶縁膜39を形成する。
As shown in FIG. 5, a barrier film 30 a such as a titanium nitride film is formed on the inner wall of the trench 55. The trench 55 is filled with a metal gate film 30b such as a tungsten film. By etching back, the upper surfaces of the barrier film 30 a and the metal gate film 30 b are made to recede from the main surface of the semiconductor substrate 1 to form the word line (buried gate electrode) 30. At this time, the barrier film 30a and the metal gate film 30b in the peripheral circuit region are removed.
As shown in FIG. 6, after a liner film 38 a made of a silicon nitride film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1, an SOD film 38 b is further formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1. Thereafter, CMP processing is performed on the SOD film 38b until the upper surface of the liner film 38a is exposed.
As shown in FIG. 7, the upper portions of the liner film 38a and the SOD film 38b are removed by dry etching. Next, the silicon nitride film 52 is removed by wet etching. Next, a bit capacitor interlayer insulating film 39 made of a silicon nitride film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1.

図8に示すように、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を利用して、ビットコン層間絶縁膜39の一部を除去する。露出した酸化シリコン膜51を除去して、メモリセル領域の半導体基板1を露出させる。この際、周辺回路領域上の酸化シリコン膜51も除去する。露出した半導体基板の低濃度不純物拡散層10内に、高濃度の不純物を注入することにより、第3のソースおよびドレインの一方となるビットコンタクト領域33を形成する。   As shown in FIG. 8, a part of the bit-con interlayer insulating film 39 is removed by using a photolithography method and an etching method. The exposed silicon oxide film 51 is removed to expose the semiconductor substrate 1 in the memory cell region. At this time, the silicon oxide film 51 on the peripheral circuit region is also removed. By implanting a high concentration impurity into the exposed low concentration impurity diffusion layer 10 of the semiconductor substrate, a bit contact region 33 serving as one of the third source and drain is formed.

次に、周辺回路領域のPウェル3およびNウェル4の表面を熱酸化することにより、Pウェル3およびNウェル4の表面にそれぞれ、酸化シリコン5a、5bを形成する。CVD法により、半導体基板1上の全面に、酸化ハフニウム膜6aを形成する。この後、半導体基板1上の全面に、窒化チタン膜7a、および第1の酸化シリコン膜(図示していない)を形成する。第1の酸化シリコン膜のパターニングを行い、Pウェル3を覆うように第1の酸化シリコン膜からなるハードマスクを形成する。このハードマスクを用いて、窒化チタン膜7aのドライエッチングを行う。   Next, the surfaces of P well 3 and N well 4 in the peripheral circuit region are thermally oxidized to form silicon oxides 5a and 5b on the surfaces of P well 3 and N well 4, respectively. A hafnium oxide film 6a is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by CVD. Thereafter, a titanium nitride film 7a and a first silicon oxide film (not shown) are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1. The first silicon oxide film is patterned to form a hard mask made of the first silicon oxide film so as to cover the P well 3. Using this hard mask, the titanium nitride film 7a is dry etched.

次に、CVD法により、半導体基板1上の全面に、酸化アルミニウム膜6bを形成する。この後、半導体基板1上の全面に、窒化チタン膜7b、および第2の酸化シリコン膜(図示していない)を形成する。リソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いて、第2の酸化シリコン膜のパターニングを行い、Nウェル4を覆うように第2の酸化シリコン膜からなるハードマスクを形成する。このハードマスクを用いて、窒化チタン膜7b、および酸化アルミニウム膜6bのドライエッチングを行う。続いて、ウェットエッチングにより、露出した酸化ハフニウム膜6aを除去する。   Next, an aluminum oxide film 6b is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by a CVD method. Thereafter, a titanium nitride film 7b and a second silicon oxide film (not shown) are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1. Using a lithography technique and a dry etching technique, the second silicon oxide film is patterned to form a hard mask made of the second silicon oxide film so as to cover the N well 4. Using this hard mask, the titanium nitride film 7b and the aluminum oxide film 6b are dry-etched. Subsequently, the exposed hafnium oxide film 6a is removed by wet etching.

次に、第1および第2の酸化シリコン膜を除去する。半導体基板1上の全面に、CVD法により不純物を含有するポリシリコン膜を形成した後、ポリシリコン膜上にスパッタ法によりタングステン膜を形成する。この後、CVD法により、タングステン膜上に窒化シリコン膜15を形成する。リソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いて、窒化シリコン膜15のパターニングを行う。これにより、周辺回路領域のPウェル3およびNウェル4と、メモリセル領域のビットコンタクト領域33上にそれぞれ、窒化シリコン膜15からなるハードマスクを形成する。   Next, the first and second silicon oxide films are removed. After a polysilicon film containing impurities is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by CVD, a tungsten film is formed on the polysilicon film by sputtering. Thereafter, a silicon nitride film 15 is formed on the tungsten film by a CVD method. The silicon nitride film 15 is patterned using a lithography technique and a dry etching technique. Thus, hard masks made of the silicon nitride film 15 are formed on the P well 3 and N well 4 in the peripheral circuit region and the bit contact region 33 in the memory cell region, respectively.

次に、ハードマスク15を用いて、周辺回路領域およびメモリセル領域の積層膜のエッチングを行う。具体的には、周辺回路領域では、タングステン膜、ポリシリコン膜、窒化チタン膜7a、7b、酸化ハフニウム膜6a、酸化アルミニウム膜6b、酸化シリコン膜5a、5bのドライエッチングを行う。これにより、Pウェル3上には、第1のゲート絶縁膜9aとして酸化シリコン膜5aおよび酸化ハフニウム膜6aが形成され、窒化チタン膜7a、ポリシリコン膜11aおよびタングステン膜12aを有する第1のゲート電極17aが形成される。Nウェル4上には、第2のゲート絶縁膜9bとして酸化シリコン膜5b、および酸化アルミニウム膜6bが形成され、窒化チタン膜7b、ポリシリコン膜11bおよびタングステン膜12bを有する第2のゲート電極17bが形成される。また、メモリセル領域では、ハードマスク15を用いて、タングステン膜、ポリシリコン膜のドライエッチングを行う。これにより、ビットコンタクト領域33上には、ポリシリコン膜11cおよびタングステン膜12cを有するビット線31が形成される。   Next, the laminated film of the peripheral circuit region and the memory cell region is etched using the hard mask 15. Specifically, in the peripheral circuit region, dry etching of the tungsten film, the polysilicon film, the titanium nitride films 7a and 7b, the hafnium oxide film 6a, the aluminum oxide film 6b, and the silicon oxide films 5a and 5b is performed. Thereby, a silicon oxide film 5a and a hafnium oxide film 6a are formed on the P well 3 as the first gate insulating film 9a, and the first gate having the titanium nitride film 7a, the polysilicon film 11a, and the tungsten film 12a. Electrode 17a is formed. On the N well 4, a silicon oxide film 5b and an aluminum oxide film 6b are formed as a second gate insulating film 9b, and a second gate electrode 17b having a titanium nitride film 7b, a polysilicon film 11b and a tungsten film 12b. Is formed. In the memory cell region, dry etching of the tungsten film and the polysilicon film is performed using the hard mask 15. As a result, the bit line 31 having the polysilicon film 11 c and the tungsten film 12 c is formed on the bit contact region 33.

図9に示すように、半導体基板1の全面に、窒化シリコン膜を形成した後、窒化シリコン膜をエッチバックすることによって、第1および第2のゲート電極17a、17bの両側面上に、オフセットスペーサ26aを形成する。ハードマスク15およびオフセットスペーサ26aをマスクに用いて、Pウェル3内にN型導電型の不純物を注入することにより、LDD領域19aを形成する。ハードマスク15およびオフセットスペーサ26aをマスクに用いて、Nウェル4内にP型導電型の不純物を注入することにより、LDD領域19bを形成する。   As shown in FIG. 9, after a silicon nitride film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1, the silicon nitride film is etched back to thereby offset the first and second gate electrodes 17a and 17b on both side surfaces. A spacer 26a is formed. An LDD region 19a is formed by implanting an N-type conductivity type impurity into the P well 3 using the hard mask 15 and the offset spacer 26a as a mask. An LDD region 19b is formed by implanting P-type conductivity type impurities into the N well 4 using the hard mask 15 and the offset spacer 26a as a mask.

次に、半導体基板1の全面に、酸化シリコン膜を形成した後、酸化シリコン膜をエッチバックすることによって、第1および第2のゲート電極17a、17bの両側面上に、サイドウォールスペーサ26bを形成する。ハードマスク15、オフセットスペーサ26aおよびサイドウォールスペーサ26bをマスクに用いて、Pウェル3内にN型導電型の不純物を注入することにより、第1のソースおよびドレイン21aを形成する。ハードマスク15、オフセットスペーサ26aおよびサイドウォールスペーサ26bをマスクに用いて、Nウェル4内にP型導電型の不純物を注入することにより、第2のソースおよびドレイン21bを形成する。   Next, after a silicon oxide film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1, the silicon oxide film is etched back to form sidewall spacers 26b on both side surfaces of the first and second gate electrodes 17a and 17b. Form. By using the hard mask 15, the offset spacer 26a and the side wall spacer 26b as masks, N-type conductivity type impurities are implanted into the P well 3, thereby forming the first source and drain 21a. By using the hard mask 15, the offset spacer 26a and the side wall spacer 26b as a mask, a P-type conductivity type impurity is implanted into the N well 4, thereby forming the second source and drain 21b.

次に、半導体基板1の全面に、周辺回路領域の第1および第2のゲート電極17a、17bと、メモリセル領域のビット線31を覆うように、窒化シリコン膜からなるライナー膜43を形成する。半導体基板1上の全面に塗布系絶縁膜を形成した後、アニール処理を行うことにより、SOD膜22を形成する。
次に、SOD膜22のCMP処理を行い、これらの膜を平坦化する。リソグラフィー技術およびドライエッチング技術を利用して、SOD膜22内に、第1のソースおよびドレインの21a、第2のソースおよびドレインの21bを露出させるようにコンタクトホールおよび配線溝を形成する。コンタクトホールおよび配線溝内にタングステンなどの導電材料を埋設することにより、コンタクトプラグ24a、24bおよび配線層24c、24dを形成する。
Next, a liner film 43 made of a silicon nitride film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 so as to cover the first and second gate electrodes 17a and 17b in the peripheral circuit region and the bit line 31 in the memory cell region. . After forming a coating insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate 1, an SOD film 22 is formed by performing an annealing process.
Next, CMP processing of the SOD film 22 is performed to flatten these films. Using the lithography technique and the dry etching technique, contact holes and wiring grooves are formed in the SOD film 22 so as to expose the first source / drain 21a and the second source / drain 21b. Contact plugs 24a and 24b and wiring layers 24c and 24d are formed by embedding a conductive material such as tungsten in the contact hole and the wiring groove.

次に、SOD膜22上に、熱CVD法により、ストッパー膜(水素拡散防止膜)45を形成する。熱CVD法としては例えば、LPCVD(Low−Chemical Vapor Deposition;低圧CVD法)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、またはこれらの方法の組み合わせを挙げることができる。このストッパー膜45は、後述する水素アニール時に、水素原子がストッパー膜の下層まで拡散するのを防止する水素拡散防止膜として働く。
次に、リソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いて、ストッパー膜45、SOD膜22、ライナー膜43、およびビットコン層間絶縁膜39を貫通して、低濃度不純物拡散層10を露出させるように容量コンタクトホール(第1の開口)を形成する。露出した低濃度不純物拡散層10内に高濃度の不純物を注入することにより、第3のソースおよびドレインの他方となる容量コンタクト領域32aを形成する。これにより、第3のソースおよびドレインとなる容量コンタクト領域32aおよびビットコンタクト領域33、低濃度不純物拡散層10、第3のゲート絶縁膜37、並びにワード線(埋め込みゲート電極)30を有する第3のトランジスタTr3が形成される。タングステン等の導電材料を用いて容量コンタクトホール内を埋設することにより容量コンタクトプラグ(導電層)32bを形成する。
Next, a stopper film (hydrogen diffusion prevention film) 45 is formed on the SOD film 22 by thermal CVD. Examples of the thermal CVD method may include an LPCVD (Low-Chemical Vapor Deposition) method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, or a combination of these methods. This stopper film 45 functions as a hydrogen diffusion preventing film for preventing hydrogen atoms from diffusing to the lower layer of the stopper film during hydrogen annealing described later.
Next, using a lithography technique and a dry etching technique, the capacitor contact hole is formed so as to penetrate the stopper film 45, the SOD film 22, the liner film 43, and the bit-con interlayer insulating film 39 and expose the low-concentration impurity diffusion layer 10. (First opening) is formed. By implanting high-concentration impurities into the exposed low-concentration impurity diffusion layer 10, a capacitor contact region 32a serving as the other of the third source and drain is formed. As a result, the capacitor contact region 32a and the bit contact region 33 serving as the third source and drain, the low-concentration impurity diffusion layer 10, the third gate insulating film 37, and the word line (buried gate electrode) 30 are provided. A transistor Tr3 is formed. A capacitor contact plug (conductive layer) 32b is formed by burying the capacitor contact hole using a conductive material such as tungsten.

図10に示すように、ストッパー膜45上に、図示しない層間絶縁膜、および窒化シリコン膜からなるサポート膜35を形成する。サポート膜35、層間絶縁膜内に容量コンタクトプラグ32bを露出させるように、シリンダーホールを形成した後、シリンダーホールの内壁面上に下部電極48aを形成する。この後、サポート膜35内に開口を形成した後、メモリセル領域および周辺回路領域の層間絶縁膜を除去して、下部電極48aの外側面を露出させる。下部電極48aの露出した表面上に、容量絶縁膜48bを形成する。この後、下部電極48aと容量絶縁膜48bを覆うように、ストッパー膜45上の全面に、不純物を含有するポリシリコン膜48cを形成した後、周辺回路領域のポリシリコン膜48cを除去する。メモリセル領域のポリシリコン膜48cを覆うように、タングステン膜48dを形成する。これにより、下部電極48a、容量絶縁膜48bならびに上部電極(プレート電極)48cおよび48dからなるクラウン型の容量素子48が完成する。
図11に示すように、半導体基板1上の全面に、プラズマCVD法により、窒化シリコン膜からなる水素供給膜27を形成する。この水素供給膜27と、ストッパー膜(水素拡散防止膜)45は、窒化シリコンからなるが、これらの膜の成膜法および組成は異なる。すなわち、水素供給膜27はプラズマCVD法で成膜され、その組成は好ましくは、xの値が0.8乃至1.2であるSiNxで表される。これに対して、ストッパー膜(水素拡散防止膜)45は、熱CVD法(例えば、LPCVD法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、またはこれらの方法の組み合わせ)により成膜され、その組成はSi34で表される。従って、水素供給膜27は、アニールにより水素原子を供給するのに対して、ストッパー膜(水素拡散防止膜)45は水素原子の拡散を防止する。
例えば、水素供給膜27の成膜条件は温度250〜300℃においてSiH4とNH3ガスを用い、NH3の流量比がより大きい条件が好ましい。また、層間絶縁膜28の成膜条件としては、300〜400℃でSi(OC254とO2を用いたプラズマCVD法を挙げることができる。なお、層間絶縁膜28の成膜温度は、水素供給膜27の成膜温度よりも高い方がより好ましい。
As shown in FIG. 10, an interlayer insulating film (not shown) and a support film 35 made of a silicon nitride film are formed on the stopper film 45. After the cylinder hole is formed so that the capacitive contact plug 32b is exposed in the support film 35 and the interlayer insulating film, the lower electrode 48a is formed on the inner wall surface of the cylinder hole. Thereafter, after an opening is formed in the support film 35, the interlayer insulating film in the memory cell region and the peripheral circuit region is removed to expose the outer surface of the lower electrode 48a. A capacitive insulating film 48b is formed on the exposed surface of the lower electrode 48a. Thereafter, a polysilicon film 48c containing impurities is formed on the entire surface of the stopper film 45 so as to cover the lower electrode 48a and the capacitor insulating film 48b, and then the polysilicon film 48c in the peripheral circuit region is removed. A tungsten film 48d is formed so as to cover the polysilicon film 48c in the memory cell region. As a result, a crown-type capacitive element 48 composed of the lower electrode 48a, the capacitive insulating film 48b, and the upper electrodes (plate electrodes) 48c and 48d is completed.
As shown in FIG. 11, a hydrogen supply film 27 made of a silicon nitride film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by plasma CVD. The hydrogen supply film 27 and the stopper film (hydrogen diffusion prevention film) 45 are made of silicon nitride, but the film forming method and composition of these films are different. That is, the hydrogen supply film 27 is formed by a plasma CVD method, and the composition thereof is preferably represented by SiNx having a value x of 0.8 to 1.2. On the other hand, the stopper film (hydrogen diffusion preventing film) 45 is formed by a thermal CVD method (for example, LPCVD method, ALD (Atomic Layer Deposition) method, or a combination of these methods), and its composition is Si 3. Represented by N 4 . Therefore, the hydrogen supply film 27 supplies hydrogen atoms by annealing, while the stopper film (hydrogen diffusion prevention film) 45 prevents diffusion of hydrogen atoms.
For example, the conditions for forming the hydrogen supply film 27 are preferably those in which SiH 4 and NH 3 gas are used at a temperature of 250 to 300 ° C. and the flow rate ratio of NH 3 is larger. The film formation conditions for the interlayer insulating film 28 include a plasma CVD method using Si (OC 2 H 5 ) 4 and O 2 at 300 to 400 ° C. The film formation temperature of the interlayer insulating film 28 is more preferably higher than the film formation temperature of the hydrogen supply film 27.

このように水素供給膜27の成膜中および後述する層間絶縁膜28の成膜時の熱(水素供給膜から水素を拡散させる熱処理)により、水素供給膜27は大量の水素を放出する。放出された水素原子は、メモリセル領域内では水素拡散防止膜45内に開口された容量コンタクトホール(第1の開口)を通って、半導体基板1上の第3のトランジスタTr3まで大量に拡散する。一方、周辺回路領域では、全体を水素の拡散係数が非常に小さいストッパー膜(水素拡散防止膜)45で覆っている。このため、水素原子は半導体基板1上の第1および第2のトランジスタTr1、Tr2まで拡散せず、層間絶縁膜28中に残留する。残留した水素は、外方拡散等により層間絶縁膜28中から出ていき、最終的に周辺回路領域の層間絶縁膜28中の残留水素濃度は減少する。このように、本実施例では、容量コンタクトホールを介してメモリセル領域の半導体基板1に十分な量の水素原子を拡散させることができる。この結果、メモリセル領域のリフレッシュ特性を効果的に改善させることができる。また、周辺回路領域では全体をストッパー膜45で覆っているため(ストッパー膜45内に開口部が存在しないため)、開口部を通って水素原子が半導体基板1まで拡散することを効果的に防止できる。この結果、第1および第2のトランジスタTr1、Tr2のVt(しきい値電圧)が変動して、回路動作の不具合が生じることを防止できる。 As described above, the hydrogen supply film 27 releases a large amount of hydrogen by heat (heat treatment for diffusing hydrogen from the hydrogen supply film) during the formation of the hydrogen supply film 27 and during the formation of an interlayer insulating film 28 described later. The released hydrogen atoms diffuse in a large amount to the third transistor Tr3 on the semiconductor substrate 1 through the capacitance contact hole (first opening) opened in the hydrogen diffusion preventing film 45 in the memory cell region. . On the other hand, the entire peripheral circuit region is covered with a stopper film (hydrogen diffusion prevention film) 45 having a very small hydrogen diffusion coefficient. Therefore, hydrogen atoms do not diffuse to the first and second transistors Tr1 and Tr2 on the semiconductor substrate 1 and remain in the interlayer insulating film 28. The remaining hydrogen comes out of the interlayer insulating film 28 due to outward diffusion or the like, and finally the residual hydrogen concentration in the interlayer insulating film 28 in the peripheral circuit region decreases. Thus, in this embodiment, a sufficient amount of hydrogen atoms can be diffused into the semiconductor substrate 1 in the memory cell region through the capacitor contact hole. As a result, the refresh characteristics of the memory cell region can be effectively improved. Further, since the entire peripheral circuit region is covered with the stopper film 45 (since there is no opening in the stopper film 45), it is possible to effectively prevent hydrogen atoms from diffusing to the semiconductor substrate 1 through the opening. it can. As a result, V t (threshold voltage) of the first and second transistors Tr1 and Tr2 can be prevented from fluctuating to cause a malfunction of the circuit operation.

図2に示すように、メモリセル領域では層間絶縁膜28を貫通してタングステン膜48dを露出させるコンタクトホールを形成し、周辺回路領域では層間絶縁膜28、水素供給膜27およびサポート膜45を貫通して配線層24c、24dを露出させるスルーホール(第2の開口)を形成する。タングステン等の導電材料を用いてコンタクトホールおよびスルーホール内を埋設することによりそれぞれ、コンタクトプラグ23およびスルーホールプラグ24e、24fを形成する。この後、層間絶縁膜28上にアルミニウム膜を形成した後、アルミニウム膜のパターニングを行うことにより、コンタクトプラグ23およびスルーホールプラグ24e、24fにそれぞれ接続されたアルミニウム配線層24g、24h、24iを形成する。 As shown in FIG. 2, a contact hole is formed through the interlayer insulating film 28 to expose the tungsten film 48d in the memory cell region, and through the interlayer insulating film 28, the hydrogen supply film 27, and the support film 45 in the peripheral circuit region. Then, a through hole (second opening) for exposing the wiring layers 24c and 24d is formed. A contact plug 23 and through-hole plugs 24e and 24f are formed by burying the inside of the contact hole and the through-hole using a conductive material such as tungsten. Thereafter, after forming an aluminum film on the interlayer insulating film 28, the aluminum film is patterned to form aluminum wiring layers 24g, 24h, and 24i connected to the contact plug 23 and the through-hole plugs 24e and 24f, respectively. To do.

次に、水素を含む雰囲気中で熱処理を行う。この時点では、周辺回路領域のサポート膜45内にスルーホール(第2の開口)が開口している。このため、この開口を通して、半導体基板1上の第1および第2のトランジスタTr1、Tr2に水素を供給することができる。この際、水素アニールの温度・時間は、周辺回路領域の第1および第2のトランジスタTr1、Tr2の特性改善に適正な量の水素が供給されると共に、既に図11の工程において水素が供給され水素との結合が形成されているメモリセル領域において水素の脱離が活発化しない設定とする。具体的には、水素アニールの温度は、400〜450℃、時間は30〜60分とすることができる。 Next, heat treatment is performed in an atmosphere containing hydrogen. At this time, a through hole (second opening) is opened in the support film 45 in the peripheral circuit region. For this reason, hydrogen can be supplied to the first and second transistors Tr1 and Tr2 on the semiconductor substrate 1 through this opening. At this time, the temperature and time of the hydrogen annealing is such that an appropriate amount of hydrogen is supplied to improve the characteristics of the first and second transistors Tr1 and Tr2 in the peripheral circuit region, and hydrogen has already been supplied in the process of FIG. The setting is such that desorption of hydrogen is not activated in the memory cell region in which a bond with hydrogen is formed. Specifically, the temperature of hydrogen annealing can be 400 to 450 ° C., and the time can be 30 to 60 minutes.

(第2実施例)
第1実施例では、メモリセル領域のタングステン膜48dに接し、周辺回路領域のサポート膜45に接するように窒化シリコン膜(水素供給膜)27を形成した。これに対して本実施例では、メモリセル領域および周辺回路領域において、層間絶縁膜28上に水素供給膜27を形成する点が異なる。本実施例は、第1実施例の図11の工程において、窒化シリコン膜(水素供給膜)27の代わりに酸化シリコン膜(プレートマスク膜)36を形成し、層間絶縁膜28の形成後に窒化シリコン膜(水素供給膜)27を形成する点以外は、第1実施例と同様にDRAMを製造することができる。このため、以下では、第1実施例の図11の工程と異なる工程を中心に説明する。
(Second embodiment)
In the first embodiment, the silicon nitride film (hydrogen supply film) 27 is formed in contact with the tungsten film 48d in the memory cell region and in contact with the support film 45 in the peripheral circuit region. On the other hand, the present embodiment is different in that the hydrogen supply film 27 is formed on the interlayer insulating film 28 in the memory cell region and the peripheral circuit region. In this embodiment, a silicon oxide film (plate mask film) 36 is formed instead of the silicon nitride film (hydrogen supply film) 27 in the step of FIG. A DRAM can be manufactured in the same manner as in the first embodiment except that the film (hydrogen supply film) 27 is formed. For this reason, below, it demonstrates centering on the process different from the process of FIG. 11 of 1st Example.

図12は、本実施例の半導体装置を製造する途中の工程を表す図であり、図1Aのメモリセル領域のB−B’方向に対応する断面と、図1Bの周辺回路領域のA−A’方向に対応する断面をつなぎ合わせた図を表す。また、図12において、点線の左側の領域がメモリセル領域、点線の右側の領域が周辺回路領域を表す。   FIG. 12 is a diagram illustrating a process in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment. The cross section corresponding to the BB ′ direction of the memory cell region in FIG. 1A and the AA in the peripheral circuit region in FIG. 'Represents a diagram in which cross sections corresponding to directions are connected. In FIG. 12, the area on the left side of the dotted line represents the memory cell area, and the area on the right side of the dotted line represents the peripheral circuit area.

図12の工程では、メモリセル領域および周辺回路領域において、サポート膜45およびその下層の構造を形成する。この後、メモリセル領域において、サポート膜45等を貫通する容量コンタクトプラグ32bおよび容量素子48を形成する。この後、容量素子48のタングステン膜48dを覆うように、酸化シリコン膜(プレートマスク膜)36を形成する。次に、メモリセル領域および周辺回路領域の全面に層間絶縁膜28を形成した後、層間絶縁膜28上に、水素供給膜である窒化シリコン膜27を形成する。この窒化シリコン膜27の成膜時の熱により、水素供給膜27は大量の水素を放出する。放出された水素原子は、メモリセル領域内では、水素拡散防止膜45内に開口された容量コンタクトホール(第1の開口)を通って、半導体基板1上の第3のトランジスタTr3まで大量に拡散する。この結果、メモリセル領域のリフレッシュ特性を効果的に改善させることができる。一方、周辺回路領域では、第1実施例と同様に、全体を水素の拡散係数が非常に小さいストッパー膜(水素拡散防止膜)45で覆っている。このため、水素原子が半導体基板1上の第1および第2のトランジスタTr1、Tr2まで拡散することを防止できる。この結果、周辺回路領域の第1および第2のトランジスタTr1、Tr2のVt(しきい値電圧)が変動して、回路動作の不具合が生じることを防止できる。 In the process of FIG. 12, the support film 45 and the underlying structure are formed in the memory cell region and the peripheral circuit region. Thereafter, in the memory cell region, a capacitor contact plug 32b and a capacitor element 48 penetrating the support film 45 and the like are formed. Thereafter, a silicon oxide film (plate mask film) 36 is formed so as to cover the tungsten film 48 d of the capacitor element 48. Next, after an interlayer insulating film 28 is formed on the entire surface of the memory cell region and the peripheral circuit region, a silicon nitride film 27 that is a hydrogen supply film is formed on the interlayer insulating film 28. Due to the heat generated when the silicon nitride film 27 is formed, the hydrogen supply film 27 releases a large amount of hydrogen. In the memory cell region, the released hydrogen atoms diffuse in a large amount through the capacitive contact hole (first opening) opened in the hydrogen diffusion preventing film 45 to the third transistor Tr3 on the semiconductor substrate 1. To do. As a result, the refresh characteristics of the memory cell region can be effectively improved. On the other hand, in the peripheral circuit region, as in the first embodiment, the whole is covered with a stopper film (hydrogen diffusion preventing film) 45 having a very small diffusion coefficient of hydrogen. For this reason, it is possible to prevent hydrogen atoms from diffusing up to the first and second transistors Tr1 and Tr2 on the semiconductor substrate 1. As a result, V t (threshold voltage) of the first and second transistors Tr1 and Tr2 in the peripheral circuit region can be prevented from fluctuating, thereby preventing malfunction of the circuit operation.

次に、第1実施例の図2の工程と同様にして、コンタクトプラグ23、スルーホールプラグ24e、24f、アルミニウム配線24g、24h、24iをそれぞれ、形成する。この後、第1実施例と同様の水素アニール処理を行い、周辺回路領域の半導体基板1内にまで適量の水素原子を拡散させる。これにより、本実施例のDRAMが完成する。   Next, in the same manner as in the process of FIG. 2 of the first embodiment, contact plugs 23, through-hole plugs 24e and 24f, and aluminum wirings 24g, 24h and 24i are formed. Thereafter, a hydrogen annealing process similar to that of the first embodiment is performed to diffuse an appropriate amount of hydrogen atoms into the semiconductor substrate 1 in the peripheral circuit region. Thereby, the DRAM of this embodiment is completed.

なお、第1および第2実施例では、第1および第2のゲート絶縁膜9a、9bの材料の一部に、高誘電率絶縁膜として酸化ハフニウム膜6a、酸化アルミニウム膜6bを使用した。この高誘電率絶縁膜の材料としては、酸化シリコンよりも高い誘電率を有するものであれば特に限定されないが、例えば、HfSiON、ZrO2、Ta25、Nb25、ScO3、Y23、La23、CeO3、Pr23、Nd23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dy23、Ho23、Er23、Tm23、Yb23、及びLu23からなる群から選択された少なくとも一種の絶縁材料を用いることができる。 In the first and second embodiments, the hafnium oxide film 6a and the aluminum oxide film 6b are used as part of the material of the first and second gate insulating films 9a and 9b as high dielectric constant insulating films. The material of the high dielectric constant insulating film is not particularly limited as long as it has a dielectric constant higher than that of silicon oxide. For example, HfSiON, ZrO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , ScO 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 3 , Pr 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , at least one insulating material selected from the group consisting of Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3 , and Lu 2 O 3 can be used.

1 半導体基板
1a 活性領域
2 素子分離領域
2a、52 窒化シリコン膜
2b、51 酸化シリコン膜
3 Pウェル
4 Nウェル
5a、5b 酸化シリコン膜
6a 酸化ハフニウム膜
6b 酸化アルミニウム膜
7a、7b 窒化チタン膜
9a 第1のゲート絶縁膜
9b 第2のゲート絶縁膜
10 低濃度不純物拡散層
11a、11b、11c 不純物を含有するポリシリコン膜
12a、12b、12c タングステン膜
15 ハードマスク(窒化シリコン膜)
17a 第1のゲート電極
17b 第2のゲート電極
19a、19b LDD領域
21a 第1のソースおよびドレイン
21b 第2のソースおよびドレイン
22 SOD膜
23、24a、24b、24g コンタクトプラグ
24c、24d 配線層
24e、24f スルーホールプラグ
24h、24i アルミニウム配線層
26a オフセットスペーサ
26b サイドウォールスペーサ
27 水素供給膜(窒化シリコン膜)
28 層間絶縁膜
30 ワード線(埋め込みゲート電極)
30’ ダミーワード線
30a バリアメタル膜
30b メタルゲート膜
31 ビット線
32a 容量コンタクト領域
32b 容量コンタクトプラグ
33 ビットコンタクト領域
36 酸化シリコン膜(プレートマスク膜)
37 第3のゲート絶縁膜
38a ライナー膜
38b SOD膜
39 ビットコン層間絶縁膜
43 ライナー膜
45 ストッパー膜
48 容量素子
48a 下部電極
48b 容量絶縁膜
48c 不純物を含有するポリシリコン膜
48d タングステン膜
55 トレンチ
Cn NMOSが形成される領域
Cp PMOSが形成される領域
Tr1 第1のトランジスタ
Tr2 第2のトランジスタ
Tr3 第3のトランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 1a Active region 2 Element isolation region 2a, 52 Silicon nitride film 2b, 51 Silicon oxide film 3 P well 4 N well 5a, 5b Silicon oxide film 6a Hafnium oxide film 6b Aluminum oxide film 7a, 7b Titanium nitride film 9a First 1 gate insulating film 9b second gate insulating film 10 low-concentration impurity diffusion layers 11a, 11b, 11c polysilicon films 12a, 12b, 12c containing impurities tungsten film 15 hard mask (silicon nitride film)
17a first gate electrode 17b second gate electrode 19a, 19b LDD region 21a first source and drain 21b second source and drain 22 SOD films 23, 24a, 24b, 24g contact plugs 24c, 24d wiring layer 24e, 24f Through-hole plugs 24h, 24i Aluminum wiring layer 26a Offset spacer 26b Side wall spacer 27 Hydrogen supply film (silicon nitride film)
28 Interlayer insulation film 30 Word line (buried gate electrode)
30 'dummy word line 30a barrier metal film 30b metal gate film 31 bit line 32a capacitive contact region 32b capacitive contact plug 33 bit contact region 36 silicon oxide film (plate mask film)
37 Third gate insulating film 38a Liner film 38b SOD film 39 Bit-con interlayer insulating film 43 Liner film 45 Stopper film 48 Capacitor element 48a Lower electrode 48b Capacitor insulating film 48c Polysilicon film 48d containing impurities Tungsten film 55 Trench Cn NMOS Formed region Cp Region formed with PMOS Tr1 First transistor Tr2 Second transistor Tr3 Third transistor

Claims (9)

第1の領域と第2の領域を含む半導体基板と、
前記第1および第2の領域に設けられ、前記第1の領域において第1の開口を設けられた水素拡散防止膜と、
前記第1の開口内に埋設された導電層と、
前記導電層と電気的に接続された情報蓄積素子と、
前記第1の領域の前記情報蓄積素子を覆い、かつ前記第2の領域において前記水素拡散防止膜と接して前記水素拡散防止膜を覆う水素供給膜と、
前記第2の領域において前記水素供給膜と前記水素拡散防止膜の両方を貫通して開口される第2の開口と、
を備える、ことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate including a first region and a second region;
A hydrogen diffusion prevention film provided in the first and second regions and provided with a first opening in the first region;
A conductive layer embedded in the first opening;
An information storage element electrically connected to the conductive layer;
A hydrogen supply film covering the information storage element in the first region and covering the hydrogen diffusion prevention film in contact with the hydrogen diffusion prevention film in the second region;
A second opening opened through both the hydrogen supply film and the hydrogen diffusion prevention film in the second region;
A semiconductor device comprising:
前記水素供給膜は組成がSiNxで表される窒化シリコン膜であってxの値が0.8乃至1.2である、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the hydrogen supply film is a silicon nitride film having a composition represented by SiNx, and a value of x is 0.8 to 1.2. 3. 前記水素拡散防止膜は組成がSi34の窒化シリコン膜である、ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the hydrogen diffusion preventing film is a silicon nitride film having a composition of Si 3 N 4 . 前記情報蓄積素子が、下部電極と容量絶縁膜と上部電極で構成される容量素子である、ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the information storage element is a capacitive element including a lower electrode, a capacitive insulating film, and an upper electrode. 前記水素供給膜は、前記第1の領域において前記上部電極と接して前記上部電極を覆う、ことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 4, wherein the hydrogen supply film covers the upper electrode in contact with the upper electrode in the first region. 半導体基板上の第1の領域に第1の素子を形成する工程と、
前記半導体基板上の第2の領域に第2の素子を形成する工程と、
前記第1の領域と前記第2の領域の双方を覆う水素拡散防止膜を形成する工程と、
前記第1の素子の上方の前記水素拡散防止膜内に、第1の開口を形成する工程と、
前記第1の開口と前記水素拡散防止膜の双方を覆う水素供給膜を形成する工程と、
前記水素供給膜から水素を拡散させる熱処理を行う工程と、
前記第2の素子の上方の前記水素供給膜および前記水素拡散防止膜の両方を貫通する第2の開口を形成する工程と、
水素を含む雰囲気中で熱処理を行う工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first element in a first region on a semiconductor substrate;
Forming a second element in a second region on the semiconductor substrate;
Forming a hydrogen diffusion prevention film covering both the first region and the second region;
Forming a first opening in the hydrogen diffusion prevention film above the first element;
Forming a hydrogen supply film that covers both the first opening and the hydrogen diffusion prevention film;
Performing a heat treatment for diffusing hydrogen from the hydrogen supply film;
Forming a second opening penetrating both the hydrogen supply film and the hydrogen diffusion prevention film above the second element;
Performing a heat treatment in an atmosphere containing hydrogen;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記水素供給膜は、プラズマCVD法で形成した窒化シリコン膜である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。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the hydrogen supply film is a silicon nitride film formed by a plasma CVD method. 前記水素拡散防止膜は、熱CVD法で形成された窒化シリコン膜であることを特徴とする請求項6または7に記載の半導体装置の製造方法。   8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the hydrogen diffusion preventing film is a silicon nitride film formed by a thermal CVD method. 前記熱CVD法は、LPCVD法およびALD法のいずれか一方であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。   9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the thermal CVD method is one of an LPCVD method and an ALD method.
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