JP2014175316A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】セルトランジスタが形成されたセル領域と周辺回路トランジスタが形成された周辺回路領域を有する半導体装置の製造において、前記セルトランジスタのビット線開口形成後、BHF処理によりメタルゲート電極層間絶縁膜が目減りし、窒化物からなるビット線層間絶縁膜の庇が形成され、前記庇によりビット線形成のエッチング工程の際に導電膜の残渣が生じ、隣接ビット線が短絡することを防止する。
【解決手段】前記セルトランジスタの製造において、同程度のエッチングレートを有する材料を用いてメタルゲート電極層間絶縁膜とビット線層間絶縁膜を形成する工程と、前記ビット線層間絶縁膜と同程度のエッチングレート工程を有する材料を用いてビット線層間絶縁膜用ハードマスクを形成する工程を有する半導体装置の製造方法。
【選択図】図3
【解決手段】前記セルトランジスタの製造において、同程度のエッチングレートを有する材料を用いてメタルゲート電極層間絶縁膜とビット線層間絶縁膜を形成する工程と、前記ビット線層間絶縁膜と同程度のエッチングレート工程を有する材料を用いてビット線層間絶縁膜用ハードマスクを形成する工程を有する半導体装置の製造方法。
【選択図】図3
Description
本発明は半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
近年、半導体装置の大容量化に伴い、DRAM等の半導体メモリを高密度に実装する技術が開発されている。また、限られた実装面積内に大容量メモリを製造するために、1つの半導体パッケージに複数のDRAMを積層搭載し、DRAM間を貫通する電極を形成して電気的に接続する技術が知られている。さらに、多数のMOSトランジスタを半導体装置のメモリセル領域に集積することにより、半導体装置の高密度化を実現する技術も知られているが、隣接するMOSトランジスタ同士の距離も短くなるため、MOSトランジスタのゲート長も短くなる。そのため、短チャネル効果の抑制が困難になり、目的とするトランジスタ特性が得られなくなっている。
このような、MOSトランジスタの短チャネル効果の問題を回避するために、半導体基板内に形成した溝に金属膜等の導電体を埋め込むことによりゲート電極を形成する埋め込みメタルゲート型のトランジスタが採用されている。
その一例として、特許文献1には、埋め込みメタルゲート型トランジスタをメモリセル領域に用いたDRAMとその製造方法が開示されている。このDRAMには、埋設性およびエッチング耐性を有する材料(硼素リンケイ酸ガラス等)からなる埋め込み絶縁膜が導入されているため、埋め込みメタルゲート電極形成用の溝内の層間絶縁膜のエッチング時における埋め込み絶縁膜のエッチングが回避される。
DRAMには、上記のような埋め込みメタルゲート型トランジスタ等のセルトランジスタが形成されたメモリセル領域と、メモリセルのワード線(ゲート電極)とビット線の電圧等を制御するための周辺回路等が形成された周辺回路領域とを備えたものが多い。そのような構成を備えたDRAMにおいては、駆動電圧特性を高めるために周辺回路トランジスタのみに高誘電率ゲート絶縁膜を導入することがある。高誘電率ゲート絶縁膜を用いる場合には、高誘電率ゲート絶縁膜とメタルゲート電極のエッチングレートの差を勘案し、周辺回路トランジスタの加工よりもセルトランジスタの加工を先に行う。また、セルトランジスタのメタルゲート電極上に形成されるメタルゲート電極保護絶縁膜の材料が酸化膜から窒化膜に変更される。
上記構成を備えたDRAMのセルトランジスタの埋め込みメタルゲート電極とビット線の構成について、図82〜図85を参照しながら具体的に説明する。図83に示すように、シリコン基板からなる半導体基板201上には、セル領域を個々の活性領域に区分する溝が形成され、同時に活性領域202が規定されている。また、半導体基板201と溝の内壁を覆うように基板絶縁膜205が形成されている。基板絶縁膜205で囲まれた溝の内部には絶縁体が埋め込まれ、STI(shallow trench isolation)208が形成されている。また、図82及び83に示すように、活性領域202を複数のソースドレイン領域に分割するように、活性領域202の延在方向に交差する方向に延在する埋め込みゲート電極形成用の溝が形成されている。この埋め込みゲート電極形成用の溝の内壁にシリコン酸化膜等からなるゲート絶縁膜210が形成され、ゲート絶縁膜210に囲まれて形成された埋め込みゲート電極形成用の溝の下部にメタルゲート電極215が形成されている。メタルゲート電極215上にはシリコン窒化膜からなるメタルゲート電極保護絶縁膜216とシリコン酸化膜からなるメタルゲート電極層間絶縁膜217が形成されている。STI208と基板絶縁膜205とメタルゲート電極層間絶縁膜217を覆うように、シリコン窒化膜からなるビット線層間絶縁膜222が形成されている。
上記構成を備えたDRAMにおいては、図83〜図85に示すように、メタルゲート電極層間絶縁膜217とビット線層間絶縁膜222の一部がエッチングにより除去されて設けられたビット線開口に、導電性ポリシリコンからなるビット線半導体膜226とタングステン等の金属からなるビット線導電膜228で構成されるビット線232が形成されている。ビット線232は活性領域202の延在方向と埋め込みメタルゲート電極215の延在方向の双方に交差する方向に延在している。ビット線導電膜228上には、シリコン窒化膜からなる保護絶縁膜230が形成されている。
活性領域内でビット線半導体膜226の底面に接している部分は、セルトランジスタのビットコンタクト229として機能する。また、活性領域のうちSTI208と埋め込みメタルゲート電極215に挟まれた部分はセルトランジスタのソースドレイン領域として機能し、この後の製造工程において、ソースドレイン領域に接するように形成されるコンタクトプラグ、コンタクトプラグ上に形成される上部配線やキャパシタと電気的に接続される。
活性領域内でビット線半導体膜226の底面に接している部分は、セルトランジスタのビットコンタクト229として機能する。また、活性領域のうちSTI208と埋め込みメタルゲート電極215に挟まれた部分はセルトランジスタのソースドレイン領域として機能し、この後の製造工程において、ソースドレイン領域に接するように形成されるコンタクトプラグ、コンタクトプラグ上に形成される上部配線やキャパシタと電気的に接続される。
上述のような埋込メタルゲート型トランジスタをセルトランジスタに用いる半導体装置の製造方法においては、図86〜図89に示すようにビット線開口225を形成した後、ビット線開口225内にポリシリコン等の導電膜を形成する前に、活性領域202表面の自然酸化膜を除去するためのバッファフッ酸処理(以下、BHF処理という)を行う。しかしながら、発明者らがこの方法による半導体装置の製造について鋭意検討を行った結果、BHF処理工程の際に、メタルゲート電極層間絶縁膜217が目減りし、ビット線層間絶縁膜222の庇222xが形成されることが判明した。
ビット線層間絶縁膜222の庇222xが形成された状態で、図90〜図93に示すように、ビット線開口とビット線層間絶縁膜222を覆うようにしてビット線半導体膜226と、ビット線導電膜228と、保護絶縁膜230からなる積層膜を形成すると、ビット線層間絶縁膜222の庇222xの下部の空間225x(図87、図88参照)にビット線半導体膜下部226xが形成される(図92)。その状態から積層膜の一部をエッチングしてビット線を形成すると、図84に示すように、ビット線層間絶縁膜222の庇222xがストッパになり、庇222xにビット線半導体膜下部226xが残存する。その結果、残存したビット線半導体膜下部226xにより、隣接するビット線が短絡してしまうことが判明した。
上記の問題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、基板に設けられたゲート電極開口の下部にセルゲート絶縁膜を介してセルゲート電極を形成する工程と、前記セルゲート電極上の前記ゲート電極開口の内部に第2の絶縁膜を形成して前記基板と前記第2の絶縁膜を覆うように第1の層間絶縁膜を形成する工程と、前記第1の層間絶縁膜上に第1の導電体からなる第1層間絶縁膜用ハードマスクを形成する工程と、前記第1層間絶縁膜用ハードマスク膜と前記第1の層間絶縁膜と前記第2の絶縁膜の一部をエッチングにより除去して前記第2の絶縁膜と前記セルゲート電極に隣接する前記基板とを露出させるビット線開口を形成する工程と、前記ビット線開口の内壁にバッファフッ酸処理を施す工程と、前記ビット線開口と前記第1層間絶縁膜用ハードマスクの上に前記第2の導電体からなる第1のビット膜と第3の導電体からなる第2のビット膜を順次積層して形成する工程と、前記ビット線開口及びその上方の前記第1層間絶縁膜用ハードマスクと前記第1のビット膜と前記第2のビット膜が残存するように前記第1層間絶縁膜用ハードマスクと前記第1のビット膜と前記第2のビット膜をエッチングにより除去し、前記第2および第3の導電体からなるセルビット線を形成する工程と、を有し、前記バッファフッ酸処理を施す工程のエッチングにおける前記第1の層間絶縁膜の前記第2の絶縁膜に対する選択比を低くすると共に、前記セルビット線を形成する工程のエッチングにおける前記第1層間絶縁膜用ハードマスクの前記第1のビット膜に対する選択比を低くすることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、基板に設けられたゲート電極開口の下部にセルゲート絶縁膜を介して設けられたセルゲート電極と、前記セルゲート電極上の前記ゲート電極開口の内部に設けられた第2の絶縁膜と、前記基板と前記第2の絶縁膜の端部上に設けられた第1の層間絶縁膜と、前記第1の層間絶縁膜に覆われていない前記第2の絶縁膜と前記セルゲート電極に隣接する前記基板とを露出させるように形成されたビット線開口に、第1の導電体からなる第1層間絶縁膜用ハードマスクを含んで設けられた前記第2の導電体からなる第1のビット膜と第3の導電体からなる第2のビット膜が積層されてなるセルビット線と、を有し、前記第1の層間絶縁膜は前記ビット線開口形成時のバッファフッ酸処理のエッチングにおける前記第2の絶縁膜に対する選択比が低い材質から構成され、前記第1の導電体は前記セルビット線を形成する工程のエッチングにおける前記第2の導電体に対する選択比が低いことを特徴とする。
本発明によれば、セルゲート電極上に、BHF処理のエッチング条件におけるエッチングレートが同程度である第2の絶縁膜と第1の層間絶縁膜が形成される。これにより、ビット線開口内の自然酸化膜を除去するためのBHF処理の際に、メタルゲート電極層間絶縁膜とビット線層間絶縁膜のエッチングが同程度に行われるため、ビット線層間絶縁膜の庇の形成を防ぐことができる。
また、セルビット線形成時のハードマスクとして、ビット線層間絶縁膜上に、ビット線形成時のエッチング条件におけるエッチングレートが第1のビット膜の材料である第2の導電体と同程度の第1の導電体からなる第1層間絶縁膜用ハードマスクが形成される。これにより、ビット線形成時のエッチング工程でビット線層間絶縁膜とビット線半導体膜とのエッチングレートの差をなくし、セルビット線となる部分以外のビット線層間絶縁膜用ハードマスクの庇部分、ビット線半導体膜下部を含むビット線半導体膜、第2のビット膜からなる積層膜のエッチングを行うことができる。
上記の結果、ラインアンドスペース(LS)形状のビット線を加工する際に、隣接するビット線間のビット線半導体膜下部が残存しないため、隣接ビット線の短絡を確実に防止できる。
また、セルビット線形成時のハードマスクとして、ビット線層間絶縁膜上に、ビット線形成時のエッチング条件におけるエッチングレートが第1のビット膜の材料である第2の導電体と同程度の第1の導電体からなる第1層間絶縁膜用ハードマスクが形成される。これにより、ビット線形成時のエッチング工程でビット線層間絶縁膜とビット線半導体膜とのエッチングレートの差をなくし、セルビット線となる部分以外のビット線層間絶縁膜用ハードマスクの庇部分、ビット線半導体膜下部を含むビット線半導体膜、第2のビット膜からなる積層膜のエッチングを行うことができる。
上記の結果、ラインアンドスペース(LS)形状のビット線を加工する際に、隣接するビット線間のビット線半導体膜下部が残存しないため、隣接ビット線の短絡を確実に防止できる。
以下、本発明を適用した半導体装置およびその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される原料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
(第1の実施形態)
始めに、図1を用いて、第1実施形態に係る半導体装置の一例であるDRAMチップ100(半導体装置)の概略構成について説明する。図1は、DRAMチップ100のセル領域101と、周辺回路領域102の位置関係を説明するための平面図であるため、DRAMチップ100を構成する具体的な構成要素の図示を省略する。
図1に示すように、DRAMチップ100は、セル領域101と、セル領域101を囲むように形成された周辺回路領域102から構成されている。
始めに、図1を用いて、第1実施形態に係る半導体装置の一例であるDRAMチップ100(半導体装置)の概略構成について説明する。図1は、DRAMチップ100のセル領域101と、周辺回路領域102の位置関係を説明するための平面図であるため、DRAMチップ100を構成する具体的な構成要素の図示を省略する。
図1に示すように、DRAMチップ100は、セル領域101と、セル領域101を囲むように形成された周辺回路領域102から構成されている。
セル領域101は、後述のセルトランジスタ及びキャパシタを含む複数のメモリセルが規則的に配置されている領域である。
周辺回路領域102は、例えば半導体チップ外部の入出力回路等の回路ブロックが配置される領域である。具体的には、図示略のビット線、ワード線の駆動回路、種々の増幅回路、半導体チップ外部の入出力回路等を含む、メモリセルアレイ以外の回路が設けられている。
周辺回路領域102は、例えば半導体チップ外部の入出力回路等の回路ブロックが配置される領域である。具体的には、図示略のビット線、ワード線の駆動回路、種々の増幅回路、半導体チップ外部の入出力回路等を含む、メモリセルアレイ以外の回路が設けられている。
次いで、図2及び図3を用い、セル領域101の構成について説明する。本実施形態のDRAMチップ100は、図2に示すように、6F2セル配置(Fは半導体装置の製造における最小加工寸法)とされている。
DRAMチップ100のセル領域101には、後述するSTI等の絶縁膜(素子分離絶縁膜)に区画された帯状かつ複数の活性領域2が、一定の間隔で形成されている。また、活性領域2はシリコンからなる基板1の表面に形成され、埋め込みメタルゲート電極15(セルゲート電極)とビット線32(セルビット線)の延在方向に対し、一定の角度で傾斜するように延在している。なお、活性領域2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。
DRAMチップ100のセル領域101には、後述するSTI等の絶縁膜(素子分離絶縁膜)に区画された帯状かつ複数の活性領域2が、一定の間隔で形成されている。また、活性領域2はシリコンからなる基板1の表面に形成され、埋め込みメタルゲート電極15(セルゲート電極)とビット線32(セルビット線)の延在方向に対し、一定の角度で傾斜するように延在している。なお、活性領域2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。
埋め込みメタルゲート電極15が活性領域2を縦断するように、図2におけるY方向に延在して基板1内に埋め込み形成されている。また、複数の埋め込みメタルゲート電極15は、Y方向に延在しつつ、互いにX方向に間隔を置いた状態で形成されている。埋め込みメタルゲート電極15と活性領域2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。
また、複数のビット線32が埋め込みメタルゲート電極15と直交するX方向に、一定の間隔で配置されている。
図3に示すように、キャパシタコンタクトプラグ36(セルコンタクトプラグ)が、隣接するビット線32同士の間で、埋め込みメタルゲート電極15とSTI8との間の活性領域2とキャパシタコンタクトパッド37(セルコンタクトパッド)とを接続するように形成されている。
キャパシタコンタクトパッド37は、キャパシタコンタクトプラグ36が形成される領域に対して、平面視で互い違いの位置に形成されている(図2参照)。キャパシタコンタクトパッド37は、埋め込みメタルゲート電極15の延在方向に沿って、1つおきに埋め込みメタルゲート電極15上にその中心部が重なるように配置されている。また、図3に示すように、キャパシタコンタクトパッド37はそれぞれ、キャパシタ40に接続されている。
次に、図3〜図5を用いて、本実施形態のDRAMチップ100を構成するメモリセルについて説明する。本実施形態のDRAMチップ100のメモリセルは、図3に示すトランジスタ形成層とキャパシタ形成層と上部配線層から概略構成されている。
トランジスタ形成層は、埋め込みメタルゲート型トランジスタが形成されている領域であり、基板1と、埋め込みメタルゲート型トランジスタと、ビット線32と、キャパシタコンタクトプラグ36とを備えている。
基板1は、例えばp型のシリコン基板からなり、その表面(上部)に、活性領域2と素子分離絶縁膜が形成されている。また、素子分離絶縁膜は、基板1上に形成された素子分離溝の内面を覆うように形成された窒化シリコン膜からなる基板絶縁膜5と、基板絶縁膜5の内側を埋めるように形成された酸化シリコン膜(SiO2)からなるSTI8により構成されている。
活性領域2は素子分離絶縁膜により区画形成され、ライン状に延在している。これにより、従来の半導体装置において島状に形成された活性領域で問題となる、活性領域端部でのパターンの変形の問題を回避し、リソグラフィ技術により活性領域を所望の形状に精度良く形成することができる。
埋め込みメタルゲート電極15はタングステン(W)等の高い融点を有する金属からなり、図3に示すY方向に延在すると共に、図3に示すX方向に複数配列されている。また、埋め込みメタルゲート電極15は、後述する埋め込みゲート電極形成用の溝の底部に、ゲート絶縁膜10(セルゲート絶縁膜)を介して埋め込み形成されている。また、埋め込みゲート電極形成用の溝と活性領域2とが接する領域には、埋め込みゲート型トランジスタの動作時にチャネル領域が形成される。
また、埋め込みメタルゲート電極15の上面は、基板1の上面よりも下方に位置している。メタルゲート電極保護絶縁膜16(第1の絶縁膜)が、埋め込みメタルゲート電極15上と、埋め込みメタルゲート電極15より上方のゲート絶縁膜10上を覆うようにして形成されている。
さらに、メタルゲート電極保護絶縁膜16で囲まれた空間を覆うように、メタルゲート電極層間絶縁膜17(第2の絶縁膜)が形成されている。また、メタルゲート電極層間絶縁膜17の上面が、基板1の上面とほぼ同一面になるように積層されている。メタルゲート電極保護絶縁膜16の上面は、メタルゲート電極層間絶縁膜17の上面及び基板1の上面より、掘り下げられている。メタルゲート電極保護絶縁膜16とメタルゲート電極層間絶縁膜17は、それぞれ例えばLP−CVD法(減圧CVD法)によって形成された窒化シリコン膜(Si3N4膜)とBPSG(Boro−phospho silicate glass)膜からなるものである。
また、埋め込みメタルゲート電極15の上面は、基板1の上面よりも下方に位置している。メタルゲート電極保護絶縁膜16(第1の絶縁膜)が、埋め込みメタルゲート電極15上と、埋め込みメタルゲート電極15より上方のゲート絶縁膜10上を覆うようにして形成されている。
さらに、メタルゲート電極保護絶縁膜16で囲まれた空間を覆うように、メタルゲート電極層間絶縁膜17(第2の絶縁膜)が形成されている。また、メタルゲート電極層間絶縁膜17の上面が、基板1の上面とほぼ同一面になるように積層されている。メタルゲート電極保護絶縁膜16の上面は、メタルゲート電極層間絶縁膜17の上面及び基板1の上面より、掘り下げられている。メタルゲート電極保護絶縁膜16とメタルゲート電極層間絶縁膜17は、それぞれ例えばLP−CVD法(減圧CVD法)によって形成された窒化シリコン膜(Si3N4膜)とBPSG(Boro−phospho silicate glass)膜からなるものである。
埋め込みメタルゲート電極15は、図3に示すY方向に延在しつつ、X方向に複数離間した状態で形成されている。本実施形態の構造では図2と図3に示すように、2本の埋め込みメタルゲート電極15とSTI8とがX方向において交互に設けられている。
なお、埋め込みメタルゲート電極15間の基板1の上面側であって、活性領域2に相当する領域はビットコンタクト29として機能する。また、この領域は後述するビット線と埋め込みメタルゲート電極15の周囲の基板1内に形成されるチャネル領域との接続部である。この領域に、不純物半導体をドープした不純物拡散層を形成してもよい。また、埋め込みメタルゲート電極15とSTI8との間の基板1の上面側であって、活性領域2に相当する領域にも、不純物半導体をドープした不純物拡散層を形成してもよい。これらの不純物半導体は、基板として前述のようにp型のシリコン基板で構成されていることから、n型半導体を用いることが好ましい。そして、これらの不純物拡散層は埋め込みゲート型トランジスタのソースドレイン領域として機能する。
基板1の表面には、ビット線層間絶縁膜20(第1の層間絶縁膜)が形成されている。ビット線層間絶縁膜20は、後述するビット線形成時のBHF処理のエッチング条件において、メタルゲート電極層間絶縁膜17に対する選択比が低い材料、即ち同条件において、エッチングレートがメタルゲート電極層間絶縁膜17と同程度である材料を用いる。本実施形態においては、ビット線層間絶縁膜20にBPSG膜を用いることとして説明する。
また、ビット線層間絶縁膜20には、酸化シリコン膜からなる周辺回路ゲート絶縁膜34を介して、セル層間絶縁膜35(第2の層間絶縁膜)が形成されている。セル層間絶縁膜35には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、あるいはそれらの積層膜を用いることができる。
また、ビット線層間絶縁膜20には、酸化シリコン膜からなる周辺回路ゲート絶縁膜34を介して、セル層間絶縁膜35(第2の層間絶縁膜)が形成されている。セル層間絶縁膜35には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、あるいはそれらの積層膜を用いることができる。
埋め込みメタルゲート電極15と直交する方向(図3に示すX方向)に延在するようにビット線開口が形成されている。また、ビット線開口の底面は、ビットコンタクト29とメタルゲート電極層間絶縁膜17に接するように形成されている。このビット線開口に、ビット線32が形成されている。
ビット線32は、ポリシリコンからなるビット線半導体膜26と、埋め込みメタルゲート電極15と同様にタングステンなどの高い融点を有する金属からなるビット線金属膜28と、窒化シリコン膜などの保護絶縁膜30とが順次積層された3層構造となっている。詳細には、ビット線半導体膜26は、後述する製造方法の説明においても述べるように、リン(P)などの不純物をドープした不純物ドープ型のポリシリコンからなる。図4及び図5に示すように、ビット線32の幅方向両側には、ビット線32の幅方向両側に位置するように窒化シリコン膜からなるライナー膜33が形成されている。
ビット線32内には、ビット線層間絶縁膜20上に形成されたビット線層間絶縁膜用ハードマスクの庇22xが含まれる。後述するビット線層間絶縁膜用ハードマスク(第1の層間絶縁膜)21は、ビット線開口形成時のエッチング条件において、ビット線半導体膜26に対する選択比が低い材料、即ち同条件において、エッチングレートがビット線半導体膜26と同程度である材料を用いる。なお、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21とビット線半導体膜26が同材料で構成されていることが好ましい。本実施形態においては、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21に、ビット線半導体膜26と同様に、ポリシリコンを用いることとして説明する。従って、ビット線32のビット線半導体膜26に含まれる庇22xもポリシリコンで構成される。
キャパシタコンタクトプラグ36は、図3に示すように、ポリシリコンなどの不純物半導体、あるいは、タングステンなどの金属等からなる。ビット線32とキャパシタコンタクトプラグ36の上面は、略同一の高さになるように形成されている。また、基板1上でビット線32とキャパシタコンタクトプラグ36が形成されていない領域においては、セル層間絶縁膜35が、ビット線32とキャパシタコンタクトプラグ36の上面と略同一の高さになるように形成されている。
キャパシタコンタクトパッド37は、図2に示すように平面視において略円形形状を有しており、各キャパシタコンタクトプラグ36上に平面視で一部重なるように、互い違いに形成されている。また、セル層間絶縁膜35上にキャパシタコンタクトパッド37を覆うようにして、キャパシタ層間絶縁膜38が形成されている。キャパシタ40は、キャパシタコンタクトパッド37に当接して形成されている。
図3〜図5に示すように、本実施形態におけるキャパシタ40は、キャパシタコンタクトパッド37と接触するように形成されたシリンダ型のキャパシタ下部電極41と、キャパシタ下部電極41の内面からキャパシタ層間絶縁膜38上に延出形成されているキャパシタ絶縁膜42と、キャパシタ絶縁膜42の内側において、キャパシタ下部電極41の内壁を埋めると共にキャパシタ絶縁膜42の上面側にまで延出形成されたキャパシタ上部電極43によって構成されている。また、キャパシタ上部電極43の露出面は、キャパシタ層間導電膜45に覆われている。
なお、本実施形態におけるキャパシタ40の構造は一例であって、本実施形態のシリンダ型構造の他、ピラー型などのDRAMのメモリセルに一般的に適用されている他のキャパシタ構造を適用してもよい。
なお、本実施形態におけるキャパシタ40の構造は一例であって、本実施形態のシリンダ型構造の他、ピラー型などのDRAMのメモリセルに一般的に適用されている他のキャパシタ構造を適用してもよい。
図3に示すように、キャパシタ40を覆うようにセル領域101全面にキャパシタ層間導電膜45が形成されている。キャパシタ40及びキャパシタ層間導電膜45の上方部分がプレート電極44として機能する。
また、図示しないDRAMの上部配線が、プレート電極44上に設けられていてもよい。その場合には、単層の金属配線、あるいは複数の層からなる金属配線を用いることができる。
また、図示しないDRAMの上部配線が、プレート電極44上に設けられていてもよい。その場合には、単層の金属配線、あるいは複数の層からなる金属配線を用いることができる。
次いで、図6〜図41を参照して、第1実施形態のDRAMチップ100の製造方法を説明する。以降では、DRAMチップ100のセル領域の製造工程について説明する。
先ず、基板1のセル領域101に活性領域2を区画するための素子分離溝を形成する。この素子分離溝の内壁と、セル領域101の基板1の上面とを覆うように、熱酸化法により、酸化シリコンからなる基板絶縁膜5を形成する。また、図6〜図9に示すように、素子分離溝内の基板絶縁膜5に、CVD法により酸化シリコン等の絶縁膜を埋め込み、STI8を形成する。
次に、図10〜図13に示すように、露出している基板絶縁膜5とSTI8の上面にマスク用の窒化シリコン膜7を形成する。
続いて、図10に示すように、フォトリソグラフィ・ドライエッチング技術を用いて、窒化シリコン膜7をパターニングする。窒化シリコン膜7をマスクにして、基板絶縁膜5と基板1とをエッチングすることにより、隣接するSTI8の間に埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9を形成する。埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9は、例えば基板1を平面視した場合に、図2の帯状の活性領域2を分断するようにY方向に延在するライン状のパターン溝として形成される。このとき、図11に示すように活性領域2となる領域の上面は窒化シリコン膜7で覆われている。
続いて、図10に示すように、フォトリソグラフィ・ドライエッチング技術を用いて、窒化シリコン膜7をパターニングする。窒化シリコン膜7をマスクにして、基板絶縁膜5と基板1とをエッチングすることにより、隣接するSTI8の間に埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9を形成する。埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9は、例えば基板1を平面視した場合に、図2の帯状の活性領域2を分断するようにY方向に延在するライン状のパターン溝として形成される。このとき、図11に示すように活性領域2となる領域の上面は窒化シリコン膜7で覆われている。
次に、図14〜図17に示すように、熱酸化法を用いて酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜10を、基板1のシリコン面が露出している部分を覆うように形成する。これにより、セル領域におけるゲート絶縁膜10は、埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9の内面を覆うように形成される。
次に、ゲート絶縁膜10で覆われた埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9内に、窒化チタンあるいはタングステン等の埋め込みメタルゲート電極用の導電膜を堆積する。このとき、導電膜は、埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9の内部を完全に充填する膜厚で形成する。
続いて、埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9内に形成した導電膜の上面を、基板1の上面よりも下方になるまでエッチバックする。このとき、埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9の底部に、導電膜を残存させるようにエッチバックの条件を調整する。このエッチバック工程により、図15及び図16に示すような埋め込みメタルゲート電極15が形成される。
続いて、埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9内に形成した導電膜の上面を、基板1の上面よりも下方になるまでエッチバックする。このとき、埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9の底部に、導電膜を残存させるようにエッチバックの条件を調整する。このエッチバック工程により、図15及び図16に示すような埋め込みメタルゲート電極15が形成される。
次に、図15及び図16に示すように、埋め込みメタルゲート電極15の上面及び露出されたゲート絶縁膜10を覆うようにして、窒化シリコンからなるメタルゲート電極保護絶縁膜16を形成する。メタルゲート電極保護絶縁膜16の形成方法としては、埋め込みメタルゲート電極形成用の溝9内での空洞発生を防ぐため、減圧CVD法を用いることが好ましい。
次に、図15に示すように、メタルゲート電極保護絶縁膜16で囲まれた空間内にBPSG膜を形成する。その後、CMP法を用いて、窒化シリコン膜7と、ゲート絶縁膜10と、メタルゲート電極保護絶縁膜16と、BPSG膜を研磨し、これらの膜の上面を揃えて平坦化することにより、メタルゲート電極層間絶縁膜17を形成する。
なお、メタルゲート電極保護絶縁膜16には、埋設性が高く、かつ、欠陥の発生に形成されるビット線の残渣で配線が短絡するのを防ぐことが容易である点から、BPSG膜を用いることが好ましい。
続いて、図18〜図21に示すように、メタルゲート電極保護絶縁膜16のみエッチバックする。
なお、メタルゲート電極保護絶縁膜16には、埋設性が高く、かつ、欠陥の発生に形成されるビット線の残渣で配線が短絡するのを防ぐことが容易である点から、BPSG膜を用いることが好ましい。
続いて、図18〜図21に示すように、メタルゲート電極保護絶縁膜16のみエッチバックする。
次に、セル領域101全体を覆うように、図22〜図25に示す酸化シリコン膜からなるビット線層間絶縁膜20を形成する。このとき、ビット線層間絶縁膜20は、直前の工程において、メタルゲート電極保護絶縁膜16のエッチバックにより形成された切欠部分にも埋め込まれる。ビット線層間絶縁膜20には、後に説明するビット線開口の形成時のBHF処理のエッチング条件において、メタルゲート電極層間絶縁膜17に対する選択比を低くし、メタルゲート電極層間絶縁膜17とビット線層間絶縁膜20のエッチングレートを同程度にするために、メタルゲート電極層間絶縁膜17と同じ材料である酸化シリコンを用いる。この理由から、ビット線層間絶縁膜20にはBPSG膜を用いることがより好ましく、本実施形態ではビット線層間絶縁膜20としてBPSG膜を用いることとする。
次に、ビット線層間絶縁膜20上にポリシリコンからなるビット線層間絶縁膜用ハードマスク21を形成する。ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21には、後に説明するビット線の形成時のエッチング条件において、ビット線半導体膜に対する選択比を低くし、ビット線半導体膜とビット線層間絶縁膜用ハードマスク21とのエッチングレートを同程度にするために、ビット線半導体膜と同じ材料であるポリシリコンを用いることとする。
次に、図26〜図29に示すように、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21上にフォトリソグラフィ・ドライエッチング技術を用いて、レジスト膜23を形成し、ビットコンタクトを形成する活性領域部分を含むX方向の延在領域のレジスト膜23を除去した後、残存したレジスト膜23をマスクとして、露出されたビット線層間絶縁膜用ハードマスク21とその下部のビット線層間絶縁膜20と、メタルゲート電極層間絶縁膜17、メタルゲート電極保護絶縁膜16、ゲート絶縁膜10、基板1の一部を除去する。この工程により、図27に示すように、活性領域2内のビットコンタクトを露出させるためのビットコンタクト開口24が形成される。
次に、ビットコンタクト開口24に露出した活性領域表面の自然酸化膜を除去するためにBHF処理を行う。このBHF処理の際に、図30〜図33に示すように、BPSG膜からなるメタルゲート電極層間絶縁膜17及びビット線層間絶縁膜20が同程度のエッチングレートでエッチングされる。その結果、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21の端部がビットコンタクト開口24の側に突出し、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21の庇22xとメタルゲート電極層間絶縁膜17及びビット線層間絶縁膜20側方の庇下部25aが形成される。また、隣接する埋め込みメタルゲート電極15間の露出している活性領域2の部分がビットコンタクト29となり、その直上にビットコンタクト開口25が形成される。前述のように、ビット線層間絶縁膜20の材料として、BHF処理のエッチング条件において、メタルゲート電極層間絶縁膜17に対して、選択比が低くなる材料を用いることとしたため、ビット線層間絶縁膜20の庇は形成されない。
次に、図34〜図37に示すように、ビットコンタクト開口25及びビット線層間絶縁膜用ハードマスク21を覆うように、ビット線半導体膜を形成するための不純物ドープシリコン膜を形成し、ビット線半導体膜26とする。ビット線半導体膜26の上面は平坦面になるように形成する。また、ビット線半導体膜26上に、タングステン、窒化タングステン、あるいはそれらの積層膜等のタングステンを主とする導電体からなるビット線金属膜28を形成する。さらに、ビット線金属膜28上に、窒化シリコン膜からなる保護絶縁膜30を形成する。この工程により、セル領域101全面にビット線半導体膜26とビット線金属膜28と保護絶縁膜30から構成される積層膜が形成される。
この工程により、図36に示すようにビット線層間絶縁膜用ハードマスク21の庇下部25aにも不純物ドープシリコン膜が埋め込まれ、ビット線半導体膜下部26xが形成される。
この工程により、図36に示すようにビット線層間絶縁膜用ハードマスク21の庇下部25aにも不純物ドープシリコン膜が埋め込まれ、ビット線半導体膜下部26xが形成される。
次に、ビット線半導体膜26とビット線金属膜28と保護絶縁膜30からなる積層膜上に、フォトリソグラフィ・ドライエッチング技術を用いて、レジスト膜31を形成し、図38〜図41に示すように、ビット線を形成する領域以外のレジスト膜31を除去する。その後、残存したレジスト膜31をマスクとしてビット線半導体膜26とビット線金属膜28と保護絶縁膜30のエッチングを行う。この工程により、図38に示すように、X方向に延在し、一定の間隔で複数並設されたビット線32が形成される。ビット線32は、周辺回路からの電圧を導電するビット線半導体膜26とビット線金属膜28の積層膜として形成され、ビット線金属膜28上には絶縁膜として保護絶縁膜30が形成されている。
このとき、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21は、ビット線32形成時のエッチング条件において、ビット線半導体膜26に対する選択比が低い材料で構成されているため、ビット線半導体膜26のエッチングに対しての庇22xの選択比も低くなり、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21とビット線半導体膜26とのエッチングレートの差が殆どなくなる。これにより、庇22xがエッチングのストッパとなることはなく、図40に示すように、庇22xもエッチングされ、ビット線半導体膜下部26xも残存しない。即ち、ビット線32をラインアンドスペース状の形状に加工する際に、庇22xの下部のビット線半導体膜下部26xを含めて所定の加工を行うことができる。
このとき、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21は、ビット線32形成時のエッチング条件において、ビット線半導体膜26に対する選択比が低い材料で構成されているため、ビット線半導体膜26のエッチングに対しての庇22xの選択比も低くなり、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21とビット線半導体膜26とのエッチングレートの差が殆どなくなる。これにより、庇22xがエッチングのストッパとなることはなく、図40に示すように、庇22xもエッチングされ、ビット線半導体膜下部26xも残存しない。即ち、ビット線32をラインアンドスペース状の形状に加工する際に、庇22xの下部のビット線半導体膜下部26xを含めて所定の加工を行うことができる。
上記説明した工程により、DRAM100のセル領域101におけるトランジスタ形成層が完成する。
この後、保護絶縁膜30の上のレジスト膜31を除去し、既存の方法を用いてビット線32より上方に設けられるキャパシタコンタクトプラグ36やキャパシタ40を形成する。その形成方法について簡単に説明する。
この後、保護絶縁膜30の上のレジスト膜31を除去し、既存の方法を用いてビット線32より上方に設けられるキャパシタコンタクトプラグ36やキャパシタ40を形成する。その形成方法について簡単に説明する。
図38〜図41に示すように露出しているビット線半導体膜26とビット線金属膜28と保護絶縁膜30の側面に、窒化シリコン膜等からなるライナー膜33を形成する。ここで、ライナー膜33及び露出しているビット線層間絶縁膜20に、周辺回路領域の加工と一括して酸化シリコン等からなる周辺回路ゲート絶縁膜34を形成してもよい。その後、保護絶縁膜30と周辺回路ゲート絶縁膜34またはビット線層間絶縁膜20を覆うように酸化シリコン膜等からなるセル層間絶縁膜35を形成し、CMP法を用いて上面を研磨し、平滑化する。
次に、図示しないフォトレジスト膜をマスクとして用いた異方性ドライエッチング等により、セル領域101のセル層間絶縁膜35と周辺回路ゲート絶縁膜34とビット線層間絶縁膜20と基板絶縁膜5とを貫通し、基板1の上面を露出させるように、キャパシタコンタクトホール(セルコンタクトホール)を形成する。このとき、キャパシタコンタクトホールの底部で、活性領域2のソースドレイン領域として機能する部分(即ち、埋め込みメタルゲート電極15とSTI8との間の活性領域2)が露出するように、キャパシタコンタクトホールの形成位置を調整する。
次に、キャパシタコンタクトホールを充填するように、タングステンからなる金属膜を形成する。この金属膜を形成する前に、キャパシタコンタクトホールの内壁に窒化チタン等の保護膜を形成してもよい。その後、CMP処理を行い、セル層間絶縁膜35が露出するまで金属膜の表面を平坦化する。
続いて、セル領域101に、窒化タングステンとタングステンとを順次堆積し、図示しない積層膜からなる導電層を形成した後、図2に示すキャパシタコンタクトパッド37の形成位置に導電層が残るように、導電膜のパターニングを行う。この工程により、キャパシタコンタクトプラグ36の上面の一部に接するキャパシタコンタクトパッド37が形成される。
続いて、セル領域101に、窒化タングステンとタングステンとを順次堆積し、図示しない積層膜からなる導電層を形成した後、図2に示すキャパシタコンタクトパッド37の形成位置に導電層が残るように、導電膜のパターニングを行う。この工程により、キャパシタコンタクトプラグ36の上面の一部に接するキャパシタコンタクトパッド37が形成される。
次いで、図3に示すように、セル領域101のキャパシタコンタクトパッド37上と、セル層間絶縁膜35上を覆うように、窒化シリコン膜からなるキャパシタ層間絶縁膜38を形成する。
続いて、キャパシタコンタクトパッド37の上面に接するように、窒化チタン等からなるキャパシタ下部電極41を形成する。その後、キャパシタ下部電極41の内壁面を覆うようにキャパシタ絶縁膜42を形成する。このとき、キャパシタ絶縁膜42としては、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)やそれらの積層膜を用いることができる。続いて、キャパシタ絶縁膜42の内壁面を覆うように、窒化チタン等からなるキャパシタ上部電極43を形成する。このような工程により、キャパシタ下部電極41とキャパシタ絶縁膜42とキャパシタ上部電極43からなるキャパシタ40が形成される。更に、キャパシタ40を埋め込むように、導体膜からなるキャパシタ層間導電膜45を形成する。
また、キャパシタ40及びキャパシタ層間導電膜45の上部は、DRAMチップ100におけるセル領域のプレート電極44として機能する。必要に応じて、プレート電極44上にDRAMチップ100の動作に必要な配線等が設けられる。
続いて、キャパシタコンタクトパッド37の上面に接するように、窒化チタン等からなるキャパシタ下部電極41を形成する。その後、キャパシタ下部電極41の内壁面を覆うようにキャパシタ絶縁膜42を形成する。このとき、キャパシタ絶縁膜42としては、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)やそれらの積層膜を用いることができる。続いて、キャパシタ絶縁膜42の内壁面を覆うように、窒化チタン等からなるキャパシタ上部電極43を形成する。このような工程により、キャパシタ下部電極41とキャパシタ絶縁膜42とキャパシタ上部電極43からなるキャパシタ40が形成される。更に、キャパシタ40を埋め込むように、導体膜からなるキャパシタ層間導電膜45を形成する。
また、キャパシタ40及びキャパシタ層間導電膜45の上部は、DRAMチップ100におけるセル領域のプレート電極44として機能する。必要に応じて、プレート電極44上にDRAMチップ100の動作に必要な配線等が設けられる。
以上の工程により、図2及び図3示す構造のメモリセル領域を備えたDRAMチップ100が完成する。
第1実施形態のDRAMチップ100の製造方法によれば、メタルゲート電極層間絶縁膜17とビット線層間絶縁膜20を、ビットコンタクト開口25の形成時におけるBHF処理のエッチング条件に対して選択比の低い材料により構成することができる。これにより、ビットコンタクト開口24の形成後にメタルゲート電極層間絶縁膜17とビット線層間絶縁膜20がエッチングされてもメタルゲート電極層間絶縁膜17のみが目減りすることがなく、ビット線層間絶縁膜20の庇の発生を防止することができる。
また、上記の製造方法によれば、ビット線層間絶縁膜20上にビット線層間絶縁膜用ハードマスク21を、エッチングにおけるメタルゲート電極層間絶縁膜17及びビット線層間絶縁膜20との選択比の高い材料により構成することができる。これにより、ビット線層間絶縁膜20にエッチングが施された場合でも、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21によりビット線層間絶縁膜20が保護されるため、ビット線層間絶縁膜20の膜厚減少を防止することができる。
また、上記の製造方法によれば、ビット線層間絶縁膜20上にビット線層間絶縁膜用ハードマスク21を、エッチングにおけるメタルゲート電極層間絶縁膜17及びビット線層間絶縁膜20との選択比の高い材料により構成することができる。これにより、ビット線層間絶縁膜20にエッチングが施された場合でも、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21によりビット線層間絶縁膜20が保護されるため、ビット線層間絶縁膜20の膜厚減少を防止することができる。
また、第1実施形態のDRAMチップ100の製造方法によれば、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21は、ビット線32形成時のエッチング条件において、ビット線32の最下層になり、かつ、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21に接するビット線半導体膜26に対する選択比の低い材料で構成されている。この構成により、ビットコンタクト開口24の形成後、メタルゲート電極層間絶縁膜17及びビット線層間絶縁膜20のBHF処理時にエッチングが行われ、前述の選択比の関係から、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21の庇22xが形成されても、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21がビット線のエッチング加工時にストッパとなることを防止することができる。従って、庇22xの下部のビット線半導体膜下部26xが目標とするパターンでエッチングされる。
その結果、第1実施形態のDRAMチップ100の製造方法によれば、ビット線32の加工時にビット線32の材料である導電膜の残渣を除去することで隣接するビット線32の短絡を防止すると共に、種々のエッチング工程でのビット線層間絶縁膜20の膜厚減少を防止することができる。
その結果、第1実施形態のDRAMチップ100の製造方法によれば、ビット線32の加工時にビット線32の材料である導電膜の残渣を除去することで隣接するビット線32の短絡を防止すると共に、種々のエッチング工程でのビット線層間絶縁膜20の膜厚減少を防止することができる。
(第2実施形態)
次いで、第2実施形態に係るDRAMチップ105の概略構成について説明する。なお、DRAMチップ105の構成要素において、第1実施形態に係るDRAMチップ100の構成要素と同一の要素に関しては、第1実施形態に係るDRAMチップ100の構成要素と同一の符号を付し、その説明を省略する。
次いで、第2実施形態に係るDRAMチップ105の概略構成について説明する。なお、DRAMチップ105の構成要素において、第1実施形態に係るDRAMチップ100の構成要素と同一の要素に関しては、第1実施形態に係るDRAMチップ100の構成要素と同一の符号を付し、その説明を省略する。
図42に示すセル領域106は、図43〜図45に示す構成を有するセルトランジスタ及びキャパシタを含む複数のメモリセルが規則的に配置されている領域である。
また、図42に示す周辺回路領域107は、図46に示す構成を有する周辺回路トランジスタが配置されている領域である。即ち、DRAMチップ105は、セル領域106に加え、周辺回路領域107にも縦型トランジスタが形成されている半導体装置である。
また、図42に示す周辺回路領域107は、図46に示す構成を有する周辺回路トランジスタが配置されている領域である。即ち、DRAMチップ105は、セル領域106に加え、周辺回路領域107にも縦型トランジスタが形成されている半導体装置である。
セル領域106の構成に関し、本実施形態のDRAMチップ105は、図43〜図45に示すように、DRAMチップ100と同様の6F2セル配置とされている。
また、本実施形態のDRAMチップ105のメモリセルは、図44及び図45に示すように、第1実施形態のDRAMチップ100のトランジスタ形成層とキャパシタ形成層との間のライナー膜33の側面及びビット線層間絶縁膜20の上面に、周辺回路領域の縦型トランジスタの加工と一括して酸化シリコン等からなる絶縁膜84が形成されているものである。
また、本実施形態のDRAMチップ105のメモリセルは、図44及び図45に示すように、第1実施形態のDRAMチップ100のトランジスタ形成層とキャパシタ形成層との間のライナー膜33の側面及びビット線層間絶縁膜20の上面に、周辺回路領域の縦型トランジスタの加工と一括して酸化シリコン等からなる絶縁膜84が形成されているものである。
次に、図46を用いて、本実施形態のDRAMチップ105を構成する周辺回路領域107の縦型トランジスタ(周辺回路トランジスタ)の構成について説明する。本実施形態のDRAMチップ105の周辺回路トランジスタは、図46の断面図に示すように、トランジスタ形成層とコンタクトプラグ形成層から概略構成されている。
周辺回路領域107の表面(上部)には、セル領域106と同様に、活性領域2´と素子分離絶縁膜が形成されている。また、素子分離絶縁膜は、素子分離溝の内面を覆うように形成された窒化シリコン膜からなる基板絶縁膜5と、基板絶縁膜5の内側を埋めるように形成された酸化シリコン膜からなるSTI8から構成されている。
周辺回路ゲート電極75は、活性領域2´上に周辺回路ゲート絶縁膜50を介して形成されており、周辺回路ゲート導電膜76(後述する周辺回路下層ゲート導電膜52と周辺回路上層ゲート導電膜56とが一体化した膜)、周辺回路メタルゲート電極78との積層体から構成されている。周辺回路メタルゲート電極78の上には、窒化シリコン等からなる周辺回路保護絶縁膜80が形成されている。
また、周辺回路ゲート電極75及び周辺回路保護絶縁膜80の側面に、窒化シリコン膜からなるオフセットスペーサ82が設けられている。また、オフセットスペーサ82の側面にサイドウォールスペーサ69が形成され、サイドウォールスペーサ69の側面にサイドウォール絶縁膜83が形成されている。
また、周辺回路ゲート電極75及び周辺回路保護絶縁膜80の側面に、窒化シリコン膜からなるオフセットスペーサ82が設けられている。また、オフセットスペーサ82の側面にサイドウォールスペーサ69が形成され、サイドウォールスペーサ69の側面にサイドウォール絶縁膜83が形成されている。
p型シリコンからなる基板1に対してリン等のn型不純物が拡散された低濃度不純物拡散層59は、周辺回路ゲート電極75の側面下方かつ周辺回路ゲート絶縁膜50下の基板1の上部に形成されている。また、低濃度不純物拡散層59とSTI8との間には、高濃度不純物拡散層51が形成されている。高濃度不純物拡散層51と低濃度不純物拡散層59は、周辺回路トランジスタのソースドレイン領域として機能する。高濃度不純物拡散層51には、後に説明する周辺回路コンタクトプラグが接続されている。周辺回路コンタクトプラグ53は、その上部に形成されている周辺回路コンタクトパッド87と周辺回路ビアプラグ71とを介して上部配線44´と電気的に接続されており、上部配線44´からのソースドレイン領域への給電等を行う。
周辺回路コンタクトプラグ53は、ポリシリコン、あるいはタングステン等の導電体(第5の導電体)からなり、図46に示すように、周辺回路ゲート絶縁膜50を貫通し、低濃度不純物拡散層59と接続するように形成されている。
また、周辺回路ゲート電極75上に形成された周辺回路保護絶縁膜80と周辺回路コンタクトプラグ53の上面は、略同一の高さに形成されている。周辺回路ゲート電極75と周辺回路コンタクトプラグ53が形成されていない領域では、周辺回路層間絶縁膜54が、周辺回路保護絶縁膜80と周辺回路コンタクトプラグ53の上面と同一の高さになるように形成されている。
また、周辺回路ゲート電極75上に形成された周辺回路保護絶縁膜80と周辺回路コンタクトプラグ53の上面は、略同一の高さに形成されている。周辺回路ゲート電極75と周辺回路コンタクトプラグ53が形成されていない領域では、周辺回路層間絶縁膜54が、周辺回路保護絶縁膜80と周辺回路コンタクトプラグ53の上面と同一の高さになるように形成されている。
周辺回路コンタクトパッド87が、周辺回路コンタクトプラグ53に平面視で重なるように形成されている。周辺回路コンタクトパッド87は、ストッパ膜88により覆われている。また、周辺回路ビアプラグ層間絶縁膜89が、周辺回路ビアプラグ71の側方を埋めるようにストッパ膜88上に形成されている。
また、周辺回路ビアプラグ71が、周辺回路コンタクトパッド87上に接続して形成されている。周辺回路ビアプラグ71はポリシリコン、あるいはタングステン等の導電体から構成され、周辺回路コンタクトパッド87と周辺回路コンタクトプラグ53を介して、周辺回路トランジスタのソースドレイン領域として機能する高濃度不純物拡散層51及び低濃度不純物半導体層52に給電を行うためのプラグである。
また、周辺回路ビアプラグ71が、周辺回路コンタクトパッド87上に接続して形成されている。周辺回路ビアプラグ71はポリシリコン、あるいはタングステン等の導電体から構成され、周辺回路コンタクトパッド87と周辺回路コンタクトプラグ53を介して、周辺回路トランジスタのソースドレイン領域として機能する高濃度不純物拡散層51及び低濃度不純物半導体層52に給電を行うためのプラグである。
図46に示すように、周辺回路ビアプラグ71と周辺回路ビアプラグ層間絶縁膜89の上方部分はプレート電極として機能し、DRAMの周辺回路用の上部配線44´となる。
また、図44〜図46に示すように、キャパシタ40とキャパシタ層間導電膜45を含むセル領域106の上部配線形成領域の上面と、周辺回路ビアプラグ71と周辺回路ビアプラグ層間絶縁膜89を含む周辺回路領域107の上部配線形成領域の上面は、略同一の高さになるように形成されている。
また、図44〜図46に示すように、キャパシタ40とキャパシタ層間導電膜45を含むセル領域106の上部配線形成領域の上面と、周辺回路ビアプラグ71と周辺回路ビアプラグ層間絶縁膜89を含む周辺回路領域107の上部配線形成領域の上面は、略同一の高さになるように形成されている。
次に、図47〜図74を用いて、第2実施形態に係るDRAMチップ105の製造方法について説明する。なお、図47,図51,図55,図59,図63,図67及び図71は、セル領域106の一部の拡大平面図を示している。また、第2実施形態のDRAMチップ105のセル領域106のセルトランジスタの製造方法については、図6〜図21を用いて説明した第1実施形態のDRAMチップ100の製造方法と同一であるため、説明を省略する。
本実施形態におけるDRAMチップ105の製造方法では、図18〜図21に示す工程と同様にして埋め込みメタルゲート電極15の上にメタルゲート電極保護絶縁膜16とメタルゲート電極層間絶縁膜17が形成され、メタルゲート電極保護絶縁膜16の上面がエッチバックされた状態から、以下に説明する工程を進める。
図47〜図50に示すように、セル領域106全体を覆うビット線層間絶縁膜20を形成する。前述のように、ビット線層間絶縁膜20にはBPSG膜を用いることがより好ましく、本実施形態においてもビット線層間絶縁膜20としてBPSG膜を用いることとする。また、ビット線層間絶縁膜20は、メタルゲート電極保護絶縁膜16のエッチバックにより形成された切欠部分にも埋め込まれる(図49参照)。
図47〜図50に示すように、セル領域106全体を覆うビット線層間絶縁膜20を形成する。前述のように、ビット線層間絶縁膜20にはBPSG膜を用いることがより好ましく、本実施形態においてもビット線層間絶縁膜20としてBPSG膜を用いることとする。また、ビット線層間絶縁膜20は、メタルゲート電極保護絶縁膜16のエッチバックにより形成された切欠部分にも埋め込まれる(図49参照)。
次に、ビット線層間絶縁膜20の上にポリシリコンからなるビット線層間絶縁膜用ハードマスク21を形成する。ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21には、前述のようにビット線の形成時のエッチング条件において、ビット線半導体膜に対する選択比が低いポリシリコンを用いることとして説明する。
続いて、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21を覆うレジスト膜23を形成し、セル領域106の上のみにレジスト膜23が残存するようにしてレジスト膜23のパターニングを行う。その後、残存したレジスト膜23をマスクとして、ビット線層間絶縁膜20及びビット線層間絶縁膜用ハードマスク21のパターニングを行う。この工程により、図50に示すように周辺回路領域107上のビット線層間絶縁膜20及びビット線層間絶縁膜用ハードマスク21が除去され、周辺回路領域107の基板1とSTI8が露出する。
続いて、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21を覆うレジスト膜23を形成し、セル領域106の上のみにレジスト膜23が残存するようにしてレジスト膜23のパターニングを行う。その後、残存したレジスト膜23をマスクとして、ビット線層間絶縁膜20及びビット線層間絶縁膜用ハードマスク21のパターニングを行う。この工程により、図50に示すように周辺回路領域107上のビット線層間絶縁膜20及びビット線層間絶縁膜用ハードマスク21が除去され、周辺回路領域107の基板1とSTI8が露出する。
次に、周辺回路領域107の基板1及びSTI8と、セル領域106のビット線層間絶縁膜用ハードマスク21とを覆うように周辺回路ゲート絶縁膜50を形成する。周辺回路ゲート絶縁膜50には、ISSG膜、あるいは熱酸化法による酸化シリコン膜を用いることができる。この工程により、周辺回路領域107上に周辺回路トランジスタのゲート絶縁膜が形成される。
続いて、図51〜図54に示すように、周辺回路ゲート絶縁膜50の全面を覆うようにポリシリコン(第2の導電体)からなる周辺回路下層ゲート導電膜52を形成する。
続いて、図51〜図54に示すように、周辺回路ゲート絶縁膜50の全面を覆うようにポリシリコン(第2の導電体)からなる周辺回路下層ゲート導電膜52を形成する。
次に、周辺回路下層ゲート導電膜52の上にレジスト膜73を形成し、周辺回路領域107のゲートスタック形成領域の上にレジスト膜73が残存するようにパターニングを行う。その後、レジスト膜73をマスクとして、図55〜図58に示すように、周辺回路領域107の周辺回路下層ゲート導電膜52及び周辺回路ゲート絶縁膜50のパターニングと、セル領域106上の周辺回路下層ゲート導電膜52及び周辺回路ゲート絶縁膜50の除去を一括して行う。この工程により、周辺回路領域107上に周辺回路下層ゲート導電膜52と周辺回路ゲート絶縁膜50から構成される周辺回路ゲートスタックが形成される。
本実施形態の製造方法においては、セル領域106に埋め込みメタルゲート電極15を形成した後に、周辺回路領域107にゲートスタックを形成する。このように、周辺回路領域107に縦型トランジスタを導入する場合は、セル領域106と周辺回路領域107にそれぞれ膜厚の異なるゲート絶縁膜を形成する必要があるため、周辺回路領域107のゲートスタックの形成時に成膜とエッチングの工程を繰り返し行う。この際、周辺回路領域107のゲートスタックの形成時において、セル領域106のビット線層間絶縁膜20の膜厚減少が懸念される。
この問題に対し、本発明の半導体装置の製造方法では、セル領域106の酸化シリコン(BPSG)膜からなるビット線層間絶縁膜20のハードマスクとして、ビット線層間絶縁膜20上にポリシリコンからなるビット線層間絶縁膜用ハードマスク21を形成する。従って、周辺回路領域107のゲートスタックの形成時に、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21によりビット線層間絶縁膜20を保護し、ビット線層間絶縁膜20の膜厚減少を防止することができる。
この問題に対し、本発明の半導体装置の製造方法では、セル領域106の酸化シリコン(BPSG)膜からなるビット線層間絶縁膜20のハードマスクとして、ビット線層間絶縁膜20上にポリシリコンからなるビット線層間絶縁膜用ハードマスク21を形成する。従って、周辺回路領域107のゲートスタックの形成時に、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21によりビット線層間絶縁膜20を保護し、ビット線層間絶縁膜20の膜厚減少を防止することができる。
次に、セル領域106及び周辺回路領域107上にレジスト膜55を形成し、セル領域106のビットコンタクトを形成する活性領域部分を含むX方向に延在する領域のレジスト膜23をパターニングにより除去する。その後、残存したレジスト膜23をマスクとして、図59〜図62に示すように、露出したビット線層間絶縁膜用ハードマスク21とその下部のビット線層間絶縁膜20と、メタルゲート電極層間絶縁膜17、メタルゲート電極保護絶縁膜16、ゲート絶縁膜10、基板1の一部を除去し、ビットコンタクト開口24を形成する。
その後、残存したレジスト膜55を除去する。
その後、残存したレジスト膜55を除去する。
次に、第1実施形態に係るDRAMチップ100のセル領域101の製造工程と同様に、ビットコンタクト開口24内に露出した活性領域表面の自然酸化膜を除去するBHF処理を行う。図64及び図65に示すように、BPSG膜からなるメタルゲート電極層間絶縁膜17及びビット線層間絶縁膜20が同程度のエッチングレートでエッチングされ、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21の庇22xとメタルゲート電極層間絶縁膜17及びビット線層間絶縁膜20側方の庇下部25aが形成される。同時に、図63〜図65に示すように、隣接する埋め込みメタルゲート電極25の間に露出している活性領域2がビットコンタクト29となる。前述のように、ビット線層間絶縁膜20として、BHF処理のエッチング条件においてメタルゲート電極層間絶縁膜17に対し、選択比が低くなる材料を用いているため、ビット線層間絶縁膜20の庇は形成されない。
このとき、周辺回路領域107上には、図66に示すように、パターニングされた周辺回路下層ゲート導電膜52と、基板1及びSTI8の一部分が露出している。
このとき、周辺回路領域107上には、図66に示すように、パターニングされた周辺回路下層ゲート導電膜52と、基板1及びSTI8の一部分が露出している。
次に、セル領域106及び周辺回路領域107の上面に、ポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜はセル領域106上でビット線半導体膜26として機能し、周辺回路領域107上で周辺回路上層ゲート導電膜56として機能する。この工程により、周辺回路領域107において、図70に示すように、周辺回路ゲートスタック60上部の周辺回路下層ゲート導電膜52を覆うように、周辺回路下層ゲート導電膜52と同材料のポリシリコンからなる周辺回路上層ゲート導電膜56が形成される。周辺回路下層ゲート導電膜52と周辺回路上層ゲート導電膜56は、周辺回路ゲート導電膜76として機能する。
続いて、セル領域106及び周辺回路領域107を覆うポリシリコン膜上に金属膜を形成する。この金属膜は、セル領域106上でビット線金属膜28として機能し、周辺回路領域107上で周辺回路メタルゲート電極78として機能する。
更に、セル領域106及び周辺回路領域107を覆う金属膜上に絶縁膜を形成する。この絶縁膜は、セル領域106上において、後に形成されるビット線の保護絶縁膜30として機能し、周辺回路領域107上において、後に形成される周辺回路ゲート電極の周辺回路保護絶縁膜80として機能する。このとき、後に説明するキャパシタコンタクトプラグと周辺回路コンタクトプラグの一括形成工程のために、絶縁膜の上面は平坦化し、保護絶縁膜30と周辺回路保護絶縁膜80との上面の高さは同一になるように形成する。
続いて、セル領域106及び周辺回路領域107を覆うポリシリコン膜上に金属膜を形成する。この金属膜は、セル領域106上でビット線金属膜28として機能し、周辺回路領域107上で周辺回路メタルゲート電極78として機能する。
更に、セル領域106及び周辺回路領域107を覆う金属膜上に絶縁膜を形成する。この絶縁膜は、セル領域106上において、後に形成されるビット線の保護絶縁膜30として機能し、周辺回路領域107上において、後に形成される周辺回路ゲート電極の周辺回路保護絶縁膜80として機能する。このとき、後に説明するキャパシタコンタクトプラグと周辺回路コンタクトプラグの一括形成工程のために、絶縁膜の上面は平坦化し、保護絶縁膜30と周辺回路保護絶縁膜80との上面の高さは同一になるように形成する。
上記の工程により、セル領域106のメタルゲート電極層間絶縁膜17及びビット線層間絶縁膜20の上面に、ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21と、ビット線半導体膜26と、ビット線金属膜28と、保護絶縁膜30からなる積層膜が形成され、周辺回路領域107の基板1及び周辺回路ゲート絶縁膜50の上面に、周辺回路ゲート導電膜76と、周辺回路メタルゲート電極78と、周辺回路保護絶縁膜80からなる積層膜が形成される。
次に、図71〜図74に示すように、保護絶縁膜30及び周辺回路保護絶縁膜80の上面にレジスト膜57を形成する。そして、図71に示すようにセル領域106においてX方向に延在し、かつ、一定間隔に並設されるビット線32の形成領域と、周辺回路領域107における周辺回路トランジスタのゲート電極の形成領域に残存するように、レジスト膜57の一括パターニングを行う。続いて、残存したレジスト膜57をマスクとして、ドライエッチングにより、セル領域106のビット線層間絶縁膜用ハードマスク21と、ビット線半導体膜26と、ビット線金属膜28と、保護絶縁膜30からなる積層膜と、周辺回路領域107の周辺回路ゲート導電膜76と、周辺回路メタルゲート電極78と、周辺回路保護絶縁膜80からなる積層膜の一括パターニングを行う。この後、残存しているレジスト膜57を除去する。
この工程により、セル領域106及び周辺回路領域107に、ビット線半導体膜26とビット線金属膜28から構成されるビット線32と保護絶縁膜30が形成されると同時に、周辺回路ゲート導電膜76と周辺回路メタルゲート電極78から構成される周辺回路ゲート電極75と周辺回路保護絶縁膜80が形成される(図71〜図74)。
この工程により、セル領域106及び周辺回路領域107に、ビット線半導体膜26とビット線金属膜28から構成されるビット線32と保護絶縁膜30が形成されると同時に、周辺回路ゲート導電膜76と周辺回路メタルゲート電極78から構成される周辺回路ゲート電極75と周辺回路保護絶縁膜80が形成される(図71〜図74)。
次に、セル領域106のビット線32と保護絶縁膜30の側面に窒化シリコン膜からなるライナー膜33を形成する。また、同時に周辺回路領域107の周辺回路ゲート電極75と周辺回路保護絶縁膜80の側面に同じく窒化シリコン膜からなるオフセットスペーサ82を形成する。オフセットスペーサ82の側面には、酸化シリコン膜等からなるサイドウォールスペーサ69を形成する。
続いて、セル領域106のライナー膜33及びビット線層間絶縁膜20と、周辺回路領域107のサイドウォールスペーサ69とSTI8の露出面に、酸化シリコン膜からなる絶縁膜84を形成する。
続いて、セル領域106のライナー膜33及びビット線層間絶縁膜20と、周辺回路領域107のサイドウォールスペーサ69とSTI8の露出面に、酸化シリコン膜からなる絶縁膜84を形成する。
次に、セル領域106及び周辺回路領域107の全面を覆うように、層間絶縁膜形成用の酸化シリコン膜を形成する。CMP法を用いて、保護絶縁膜30の上面及び周辺回路保護絶縁膜80の上面が露出されるまで、層間絶縁膜形成用の酸化シリコン膜の上面を研磨する。この工程により、図44〜図46に示すように、セル領域106にセル層間絶縁膜35が形成され、周辺回路領域107に周辺回路層間絶縁膜54が形成される。
次に、セルトランジスタのソースドレイン領域として機能する活性領域2上のセル層間絶縁膜35と、高濃度不純物拡散層51上の周辺回路層間絶縁膜54をパターニングにより一括除去し、セル領域106に図示略のキャパシタコンタクトホールを形成し、周辺回路領域107に図示略の周辺回路コンタクトホールを形成する。続いて、キャパシタコンタクトホール及び周辺回路コンタクトホールにそれぞれ、タングステン等の金属または不純物ドープシリコン等の導電膜(第4の導電体、第5の導電体)を埋め込み、図44及び図46に示すように、キャパシタコンタクトプラグ36と周辺回路コンタクトプラグ53を形成する。なお、キャパシタコンタクトプラグ36と周辺回路コンタクトプラグ53としては、同材料のコンタクトプラグ用導電体を用いることが好ましい。これにより、キャパシタコンタクトホール及び周辺回路コンタクトホールに、このコンタクトプラグ用導電体を埋め込み、セル層間絶縁膜35及び周辺回路層間絶縁膜54の上面が露出するまで、コンタクトプラグ用導電体の上面をCMP法により研磨除去することにより、キャパシタコンタクトプラグ36と周辺回路コンタクトプラグ53を一括形成できる。
この後、図44に示すようにセル領域106にキャパシタコンタクトパッド37と、キャパシタ層間絶縁膜38と、キャパシタ40を形成する。なお、本実施形態のDRAMチップ105におけるキャパシタコンタクトパッド37と、キャパシタ層間絶縁膜38と、キャパシタ40及び上部配線44´の製造方法は、第1実施形態のDRAMチップ100における製造方法と同様であるため、その説明を省略する。
また、第1実施形態のDRAMチップ100の製造方法の説明において、前述した工程と同一の工程により、周辺回路領域107の周辺回路コンタクトパッド87及び周辺回路ストッパ膜88をそれぞれ一括して形成することが好ましい。この方法により、本実施形態のDRAMチップ105の工程数をより少なく抑えることができる。セル領域106と周辺回路領域107のコンタクトパッド37,87、キャパシタ層間絶縁膜38及びストッパ膜88を個々に形成する場合は、セル領域106のキャパシタ層間絶縁膜38上にレジスト膜を形成し、周辺回路領域107上のレジスト膜のみパターニングで除去する。その後、第1実施形態のDRAMチップ100の製造方法で説明したように、周辺回路コンタクトプラグ53の上面と接するように平面視で円形状の周辺回路コンタクトパッド87を形成する(図46参照)。続いて、周辺回路コンタクトパッド87を覆うように周辺回路ストッパ膜88を形成する。
次に、周辺回路領域107の周辺回路ストッパ膜88上に酸化シリコン等の絶縁膜からなる周辺回路ビアプラグ層間絶縁膜89を形成する。その後、周辺回路コンタクトパッド87に接続するように、周辺回路ビアプラグ層間絶縁膜89内に周辺回路ビアプラグコンタクトホールを形成し、周辺回路ビアプラグコンタクトホールにタングステンまたはポリシリコン等の導電膜を埋め込み、図46に示すような周辺回路コンタクトパッド87の上面の一部に接する周辺回路ビアプラグ71を形成する。周辺回路ビアプラグ71は、周辺回路コンタクトパッド87と、周辺回路コンタクトプラグ53とを介して、低濃度不純物拡散層59に接続されており、周辺回路領域107の後述する上部配線44´から、高濃度不純物拡散層51と低濃度不純物拡散層59で構成される周辺回路トランジスタのソースドレイン領域への給電を行う。
なお、上記の周辺回路ビアプラグ71及び周辺回路ビアプラグ層間絶縁膜89の形成工程は、セル領域106におけるキャパシタ40及びキャパシタ層間導電膜45の形成工程前、形成工程後のいずれで行ってもよい。
なお、上記の周辺回路ビアプラグ71及び周辺回路ビアプラグ層間絶縁膜89の形成工程は、セル領域106におけるキャパシタ40及びキャパシタ層間導電膜45の形成工程前、形成工程後のいずれで行ってもよい。
周辺回路ビアプラグ71及び周辺回路ビアプラグ層間絶縁膜89の上部は、DRAMチップ105における周辺回路領域のプレート電極(上部配線)として機能する。必要に応じて、プレート電極の上にDRAMチップ100の動作に必要な配線等が設けられる。なお、図44〜図46に示すキャパシタ40及びキャパシタ層間導電膜45の上面と、周辺回路ビアプラグ71及び周辺回路ビアプラグ層間絶縁膜89の上面とが基板1から同一の高さの面になり、セル領域106の上部配線44´及び周辺回路領域107の上部配線44´の厚みが同一であることが好ましい。
以上の工程により、図44〜図46に示す構造のセル領域106及び周辺回路領域107を備えたDRAMチップ105が完成する。
本実施形態のDRAMチップ105の製造方法によれば、周辺回路領域107に周辺回路ゲート電極75を有する周辺回路トランジスタを備えている半導体装置においても、ビット線の加工時にビット線の材料である導電膜の残渣を除去することにより隣接するビット線の短絡を防止すると共に、種々のエッチング工程でのビット線層間絶縁膜20の膜厚減少を防止することができる。
(第3実施形態)
次いで、第3実施形態に係るDRAMチップ110の概略構成について説明する。なお、DRAMチップ110の構成要素において、第2実施形態に係るDRAMチップ105の構成要素と同一の要素に関しては、第2実施形態に係るDRAMチップ105の構成要素と同一の符号を付し、その説明を省略する。
次いで、第3実施形態に係るDRAMチップ110の概略構成について説明する。なお、DRAMチップ110の構成要素において、第2実施形態に係るDRAMチップ105の構成要素と同一の要素に関しては、第2実施形態に係るDRAMチップ105の構成要素と同一の符号を付し、その説明を省略する。
DRAMチップ110は、DRAMチップ105の周辺回路トランジスタの周辺回路ゲート絶縁膜50と周辺回路ゲート導電膜76との間に高誘電率ゲート絶縁膜と周辺回路メタルゲート電極が形成されたものであり、その他の構成はDRAMチップ105と同一である。即ち、DRAMチップ110のセル領域には、図42に示すセル領域106と同様に、図75及び図76に示す構成を有するセルトランジスタ及びキャパシタを含む複数のメモリセルが規則的に配置されている。DRAMチップ110の周辺回路領域には、図77に示す構成を有する周辺回路トランジスタが配置されている。
図77に示すように、DRAMチップ110の周辺回路トランジスタの周辺回路ゲート絶縁膜50の上には高誘電率ゲート絶縁膜61、周辺回路メタルゲート第2電極62(周辺回路メタルゲート電極)、周辺回路ゲート導電膜76、周辺回路メタルゲート電極78、周辺回路保護絶縁膜80が積層形成されている。周辺回路ゲート電極75は、周辺回路メタルゲート第2電極62、周辺回路ゲート導電膜76、周辺回路メタルゲート電極78の3層構造の積層膜で構成されており、その他の構成要素についてはDRAMチップ105の周辺回路トランジスタの周辺回路ゲート電極75以外の構成要素と同一である。
DRAMチップ110を製造する際には、DRAMチップ105の製造方法と同様に、図18〜図21に示す工程までのDRAMチップ100の製造方法と同様に各工程を行い、セル領域の埋め込みメタルゲート電極15の上にメタルゲート電極保護絶縁膜16とメタルゲート電極層間絶縁膜17を形成し、メタルゲート電極保護絶縁膜16の上面をエッチバックする。この後、セル領域106全体にビット線層間絶縁膜20を形成する(図47〜図50参照)。
次に、周辺回路領域に周辺回路ゲート絶縁膜50、高誘電率ゲート絶縁膜61、周辺回路メタルゲート第2電極62を順次積層して形成する。この際、高誘電率ゲート絶縁膜61としては、例えばハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)等のhigh−k膜を用いることができる。高誘電率ゲート絶縁膜61に伴って形成される周辺回路メタルゲート第2電極62としては、例えばNiやNiの合金を用いることができる。このような高誘電率ゲート絶縁膜61と周辺回路メタルゲート第2電極62との組み合わせにより、周辺回路トランジスタにおけるフォノン振動を抑えることができる。
次に、セル領域のビット線層間絶縁膜20と周辺回路領域の周辺回路メタルゲート第2電極62の上にポリシリコンからなるビット線層間絶縁膜用ハードマスク21を形成する。ビット線層間絶縁膜用ハードマスク21には、前述のようにビット線の形成時のエッチング条件において、ビット線半導体膜に対する選択比が低いポリシリコンを用いる。この後、
フォトリソグラフィ・エッチング技術を用いて、図78〜図81に示すように、セル領域のビット線層間絶縁膜20及びビット線層間絶縁膜用ハードマスク21のパターニングと、周辺回路領域のビット線層間絶縁膜用ハードマスク21、周辺回路メタルゲート第2電極62、高誘電率ゲート絶縁膜61、周辺回路ゲート絶縁膜50のパターニングを一括して行う。
フォトリソグラフィ・エッチング技術を用いて、図78〜図81に示すように、セル領域のビット線層間絶縁膜20及びビット線層間絶縁膜用ハードマスク21のパターニングと、周辺回路領域のビット線層間絶縁膜用ハードマスク21、周辺回路メタルゲート第2電極62、高誘電率ゲート絶縁膜61、周辺回路ゲート絶縁膜50のパターニングを一括して行う。
引き続き、図67〜図70に示す工程以降は、DRAMチップ105の製造方法と同様に各工程を行うことにより、DRAMチップ110が完成する。なお、図81に示す周辺回路領域のビット線層間絶縁膜用ハードマスク21は、同じポリシリコンからなる周辺回路上層ゲート導電膜56と共にDRAMチップ110の周辺回路トランジスタの周辺回路ゲート導電膜76を構成する。
本実施形態のDRAMチップ110の製造方法によれば、DRAMチップ105の製造方法と同様の効果が得られると共に、高誘電率ゲート絶縁膜61及び周辺回路メタルゲート第2電極62を導入して周辺回路トランジスタのリーク電流を大幅に低減することができる。
1,201…基板、2,202…活性領域、15…埋め込みメタルゲート電極、16…メタルゲート電極保護絶縁膜、17…メタルゲート電極層間絶縁膜、20…ビット線半導体膜、21…ビット線層間絶縁膜用ハードマスク、36…キャパシタコンタクトプラグ、37…キャパシタコンタクトパッド、205…基板絶縁膜、8,208…STI(素子分離絶縁膜)、100、105、110…DRAMチップ(半導体装置)、210…ゲート絶縁膜(セルゲート絶縁膜)、215…メタルゲート電極(セルゲート電極)、216…メタルゲート電極保護絶縁膜、217…メタルゲート電極層間絶縁膜、222…ビット線層間絶縁膜、225x…庇、228…ビット線導電膜、229…ビットコンタクト、230…保護絶縁膜、232…ビット線
Claims (18)
- 基板に設けられたゲート電極開口の下部にセルゲート絶縁膜を介してセルゲート電極を形成する工程と、
前記セルゲート電極上の前記ゲート電極開口の内部に第2の絶縁膜を形成して前記基板と前記第2の絶縁膜を覆うように第1の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の層間絶縁膜上に第1の導電体からなる第1層間絶縁膜用ハードマスクを形成する工程と、
前記第1層間絶縁膜用ハードマスク膜と前記第1の層間絶縁膜と前記第2の絶縁膜の一部をエッチングにより除去して前記第2の絶縁膜と前記セルゲート電極に隣接する前記基板とを露出させるビット線開口を形成する工程と、
前記ビット線開口の内壁にバッファフッ酸処理を施す工程と、
前記ビット線開口と前記第1層間絶縁膜用ハードマスクの上に前記第2の導電体からなる第1のビット膜と第3の導電体からなる第2のビット膜を順次積層して形成する工程と、
前記ビット線開口及びその上方の前記第1層間絶縁膜用ハードマスクと前記第1のビット膜と前記第2のビット膜が残存するように前記第1層間絶縁膜用ハードマスクと前記第1のビット膜と前記第2のビット膜をエッチングにより除去し、前記第2および第3の導電体からなるセルビット線を形成する工程と、を有し、
前記バッファフッ酸処理を施す工程のエッチングにおける前記第1の層間絶縁膜の前記第2の絶縁膜に対する選択比を低くすると共に、
前記セルビット線を形成する工程のエッチングにおける前記第1層間絶縁膜用ハードマスクの前記第1のビット膜に対する選択比を低くすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の層間絶縁膜を形成する工程は、
前記セルゲート電極上の前記ゲート電極開口空間内に第1の絶縁膜を埋め込む工程と、
前記第1の絶縁膜に凹部を形成して前記凹部に前記第2の絶縁膜を埋め込んでから前記第1の絶縁膜をエッチバックする工程と、
前記基板と前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜を覆うように第1の層間絶縁膜を形成する工程と、を有し、
前記ビット線開口を形成する工程においては、
前記第1層間絶縁膜用ハードマスク膜と前記第1の層間絶縁膜と前記第2の絶縁膜の一部をエッチングにより除去して前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜と前記基板を露出させる前記ビット線開口を形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - セルトランジスタが形成されたセル領域と周辺回路トランジスタが形成された周辺回路領域を有する半導体装置の製造方法であって、
前記セルゲート電極を形成する工程前に、
前記基板上をセル領域と周辺回路領域に区分した後、各領域の基板内に活性領域を区分する工程を有し、
前記セルゲート電極を形成する工程において、
前記ゲート電極開口を前記セル領域内の活性領域を平面視で複数に分断するように形成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ビット線を形成する工程後に、
前記第1のビット膜と前記第2のビット膜の側方間を埋めるように第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜を貫通して前記セル領域の前記活性領域上面に接続するようにセルコンタクトホールを形成する工程と、
前記セルコンタクトホールに第4の導電膜を埋め込んでセルコンタクトプラグを形成する工程と、
前記セルコンタクトプラグ上にセルコンタクトパッドを形成する工程と、
前記セルコンタクトパッド上にキャパシタを形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1層間絶縁膜用ハードマスクを形成する工程は、
前記周辺回路領域の前記基板上に周辺回路ゲート絶縁膜と、前記第2の導電体からなる第1の周辺回路ゲート電極を形成する工程と、
前記第1の周辺回路ゲート電極上に前記第2の導電体からなる第2の周辺回路ゲート電極を前記第1のビット膜の上面と同じ高さで形成することにより、前記第1の周辺回路ゲート電極と前記第2の周辺回路ゲート電極からなる周辺回路ゲート下層電極を形成する工程と、
前記周辺回路ゲート下層電極上に前記第3の導電体からなる周辺回路ゲート上層電極を形成する工程と、を有しており、
前記セルビット線を形成する工程において、
前記第1層間絶縁膜用ハードマスクと前記第1のビット膜と前記第2のビット膜と共に前記周辺回路ゲート上層電極と前記周辺ゲート下層電極の一部をエッチングにより除去することにより第2および第3の導電体からなる周辺回路ゲート電極を形成することを特徴とする請求項3または請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記周辺回路ゲート絶縁膜及び前記第1の周辺回路ゲート電極を形成する工程において、
前記周辺回路ゲート絶縁膜と前記第1の周辺回路ゲート電極との間に高誘電率ゲート絶縁膜と周辺回路メタルゲート電極を順次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。 - 前記周辺回路ゲート電極の側方間を埋めるように第3の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第3の層間絶縁膜を貫通して前記周辺回路領域の前記活性領域上面に接するように周辺回路コンタクトホールを形成する工程と、
前記周辺回路コンタクトホールに第5の導電膜を埋め込んで周辺回路コンタクトプラグを形成する工程と、
前記周辺回路コンタクトプラグ上に周辺回路コンタクトパッドを形成する工程と、
前記周辺回路コンタクトパッド上に周辺回路ビア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5または請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第2の絶縁膜と前記ビット線層間絶縁膜を同一の材質で構成すると共に、前記第1の導電体と前記第2の導電体を同一の材質とすることを特徴とする請求項1〜請求項7のうちのいずれかの請求項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記基板としてシリコン基板を用いて、前記第1の導電体および前記第2の導電体を多結晶シリコンとすると共に、
前記第2の絶縁膜としてボロンおよびリンをドーピングしたシリコン酸化膜を用い、かつ、前記第1の層間絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いることを特徴とする請求項1〜請求項8のうちのいずれかの請求項に記載の半導体装置の製造方法。 - 基板に設けられたゲート電極開口の下部にセルゲート絶縁膜を介して設けられたセルゲート電極と、
前記セルゲート電極上の前記ゲート電極開口の内部に設けられた第2の絶縁膜と、
前記基板と前記第2の絶縁膜の端部上に設けられた第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜に覆われていない前記第2の絶縁膜と前記セルゲート電極に隣接する前記基板とを露出させるように形成されたビット線開口に、第1の導電体からなる第1層間絶縁膜用ハードマスクを含んで設けられた前記第2の導電体からなる第1のビット膜と第3の導電体からなる第2のビット膜が積層されてなるセルビット線と、を有し、
前記第1の層間絶縁膜は前記ビット線開口形成時のバッファフッ酸処理のエッチングにおける前記第2の絶縁膜に対する選択比が低い材質から構成され、
前記第1の導電体は前記セルビット線を形成する工程のエッチングにおける前記第2の導電体に対する選択比が低いことを特徴とする半導体装置。 - 前記セルゲート電極上の前記ゲート電極開口内で前記第2の絶縁膜と前記セルゲート電極及び前記セルゲート絶縁膜との間に介在して設けられた第1の絶縁膜を有することを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
- 前記基板は、セル領域と周辺回路領域に区分されており、
前記セル領域にはセルトランジスタが形成されると共に前記周辺回路領域には周辺回路トランジスタが形成され、
前記ゲート電極開口は前記セル領域に設けられた活性領域を平面視で複数に分断するように形成されていることを特徴とする請求項10または請求項11に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1のビット膜と前記第2のビット膜の側方間を埋めるように形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜を貫通して前記セル領域の前記活性領域上面に接するように設けられたセルコンタクトホールに第4の導電膜を埋め込むことにより形成されたセルコンタクトプラグと、
前記セルコンタクトプラグ上に形成されたセルコンタクトパッドと、
前記セルコンタクトパッド上に形成されたキャパシタと、
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。 - 前記周辺回路領域の前記基板と前記素子分離絶縁膜を覆うように形成された周辺回路ゲート絶縁膜と、
前記第1のビット膜の上面と同じ高さになるように前記周辺回路ゲート絶縁膜上に形成された前記第2の導電体からなる周辺回路ゲート下層電極および、前記周辺回路ゲート下層電極上に形成された前記第3の導電体からなる周辺回路ゲート上層電極から構成される周辺回路ゲート電極を有することを特徴とする請求項12または請求項13に記載の半導体装置。 - 前記周辺回路ゲート絶縁膜と前記第1の周辺回路ゲート電極との間に設けられた高誘電率ゲート絶縁膜と周辺回路メタルゲート電極を有することを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
- 前記周辺回路ゲート電極の側方間を埋めるように形成された第3の層間絶縁膜と、
前記第3の層間絶縁膜を貫通して前記周辺回路領域の前記活性領域上面に接するように設けられた周辺回路コンタクトホールに第5の導電膜を埋め込むことにより形成された周辺回路コンタクトプラグと、
前記周辺回路コンタクトプラグ上に形成された周辺回路コンタクトパッドと、
前記周辺回路コンタクトパッド上に形成された周辺回路ビアプラグと、
を有することを特徴とする請求項14または請求項15に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第2の絶縁膜と前記ビット線層間絶縁膜に同一の材料が用いられ、かつ、前記第1の導電体と前記第2の導電体に同一の材料が用いられていることを特徴とする請求項10〜請求項16のうちのいずれかの請求項に記載の半導体装置。
- 前記基板としてシリコン基板が用いられ、
前記第1の半導体が多結晶シリコンであって、
前記第2の絶縁膜としてボロンおよびリンをドーピングしたシリコン酸化膜が用いられると共に、前記第1の層間絶縁膜としてシリコン酸化膜が用いられていることを特徴とする請求項10〜請求項17のうちのいずれかの請求項に記載の半導体装置。
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JP2013043432A JP2014175316A (ja) | 2013-03-05 | 2013-03-05 | 半導体装置および半導体装置の製造方法 |
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