JP3277103B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に係わ
り、特に半導体メモリ等のように複数本の配線が平行配
置される半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、ダイナミック型RAM(DRA
M)の集積度向上は目覚ましく、16MビットDRAM
や64MビットDRAMは既に開発され、次世代の1G
ビットDRAMも検討されている。
【0003】ところで、16MビットDRAMや64M
ビットDRAMのメモリセルのストレージノードコンタ
クトやビット線コンタクトは、1つのコンタクトに1つ
の孔パターンを対応させて形成されている。しかし、こ
のような孔パターンによるコンタクトを1GビットDR
AM世代に適用すると、ゲート電極とコンタクトパター
ンの合わせずれによって、コンタクト開口面積が小さく
なってしまい、コンタクト不良を起こすという問題点が
予想される。
【0004】図15はこの様子を示すもので、(a)は
平面図、(b)は断面図である。図中の1は半導体基
板、2はゲート絶縁膜、3はゲート電極(配線)、4は
ゲート保護絶縁膜、5は層間絶縁膜、6は素子領域、7
はコンタクトを示している。Aに示すような合わせずれ
により、Bに示すようにコンタクトサイズの縮小が生じ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、DR
AMの大容量化が進むと、ゲート電極とコンタクトパタ
ーンの合わせずれによって、コンタクト開口面積が小さ
くなってしまい、コンタクト不良を起こすという問題点
が予想される。また、この問題はDRAMに限らず、平
行配置された複数の配線間にコンタクトホールを形成す
る半導体装置について同様に言えることである。
【0006】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、平行配置された配線と
コンタクトパターンの合わせずれが発生しても、コンタ
クト不良の起きない半導体装置及びその製造方法を提供
することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
(概要)上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。即ち、本発明(請求項1)は、
DRAM等の半導体装置において、半導体基板上に平行
配置された複数本の配線と、これらの配線の上部に形成
された第1の絶縁膜と、前記配線の側面に形成された第
2の絶縁膜と、前記配線間に埋め込まれた第3の絶縁膜
と、第3の絶縁膜を部分的に除去して形成されたコンタ
クトホールとを具備し、前記コンタクトホールの側壁
は、対向する2面が第3の絶縁膜であり、他の2面が第
2の絶縁膜となっており、かつ前記複数本の配線のうち
1本の配線を介して前記コンタクトが隣り合って設けら
れ、該隣り合って設けられたコンタクト間の前記1本の
配線上部の第1の絶縁膜上には、第3の絶縁膜が存在し
ないことを特徴とする。
【0008】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 第3の絶縁膜の上面は、第1の絶縁膜の上面と概略
同じ高さか、それより低いこと。 (2) 配線と第3の絶縁膜との間に、第4の絶縁膜が設け
られていること。 (3) 配線はゲート電極であり、コンタクトホールにはメ
モリセルキャパシタの蓄積電極又はビット線と接続され
る接続電極となる導電材が充填されていること。さら
に、導電材の上面は第1の絶縁膜の上面と概略同じ高さ
か、それより低いこと。 (4) コンタクトホール内の側面に、第4の絶縁膜が形成
されていること。 (5) コンタクトホール内の側面に、絶縁膜と導電膜の積
層膜が形成されていること。
【0009】
【0010】また、本発明(請求項5)は、半導体装置
の製造方法において、半導体基板上に複数の配線を平行
配置する工程と、前記複数の配線の上に第1の絶縁膜を
形成する工程と、前記複数の配線の側面に第2の絶縁膜
を形成する工程と、前記複数の配線間に第3の絶縁膜を
形成する工程と、前記複数の配線の少なくとも一つを横
切るパターンを有するコンタクトホール形成用マスクを
形成する工程と、前記第3の絶縁膜を選択的にエッチン
グすることによりコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールに導電材を充填する工程とを有す
ることを特徴とする。 (作用) 本発明をDRAMに適用した場合の一例を説明する。
ート電極を絶縁膜(第1,第2の絶縁膜)で覆い、さら
にゲート電極間に第3の絶縁膜を埋め込んだ状態で、第
1,第2の絶縁膜をストッパとして用い(第1,第2の
絶縁膜は第3の絶縁膜よりもエッチングレートの遅い材
料)、ビット線方向につながった溝パターンで層間絶縁
膜(第3の絶縁膜)をエッチングする。そして、第3の
絶縁膜がゲート電極間にブリッジ状に残ることを利用し
て、第2の絶縁膜と第3の絶縁膜で囲まれた部分にそれ
ぞれのコンタクトが形成できるようにする。このとき、
第3の絶縁膜に段差ができないように、予め第3の絶縁
膜とゲート上の第1の絶縁膜の高さが一致するように第
3の絶縁膜をエッチバックしてもよい。
【0011】このように、コンタクト形成のためのマス
クをビット線方向につながったパターン(溝パターン)
とし、第1,第2の絶縁膜をストッパとして用いるた
め、コンタクトホールを自己整合的に形成することがで
き、合わせずれがゲート方向にいくら発生してもコンタ
クト不良は起きない。この様子を、図14(a)(b)
に示す。従来の場合の図15と比較して、コンタクト7
をビット線方向につながったパターンとしているため、
ビット線方向の合わせずれが生じるコンタクトサイズC
が一定であることが分かる。
【0012】また、コンタクト内の第2の絶縁膜を補強
するために新たな絶縁膜のサイドウォールを更に形成し
てもよい。これにより、絶縁性が向上する。さらに、こ
の絶縁膜のサイドウォールはRIEによって形成される
ので、RIEによる膜減りが発生する。この膜ベリを防
止するためにRIE時に導電膜のサイドウォールを形成
しておけば、絶縁性はより強固となる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。 (実施形態1)図1は本発明の第1の実施形態に係わる
DRAMのメモリセルレイアウトパターンを示す平面
図、図2(a)は図1の矢視A−A′断面図、図2
(b)は図1の矢視B−B′断面図である。
【0014】半導体基板11上に、ゲート絶縁膜12を
介して複数本のゲート電極(配線)13が平行に配列形
成されている。ゲート電極13はワード線を成すもの
で、ゲート電極13上には第1の絶縁膜14が形成さ
れ、ゲート電極13の側面には第2の絶縁膜15が形成
されている。さらに、ゲート電極13間には第3の絶縁
膜16が埋め込み形成されている。そして、ゲート方向
と直交する方向に開口を有するマスク17を用いて、さ
らに絶縁膜14,15をエッチングストッパとして用
い、絶縁膜16を選択エッチングしてコンタクトホール
が形成されている。
【0015】ここで、コンタクトホールのゲート方向は
SN(ストレージノード)コンタクト用のマスク17で
規定され、ゲートと直交する方向は絶縁膜14,15で
規定される。絶縁膜14,15はゲート電極13と自己
整合的に形成されるので、コンタクトホールのゲートと
直交する方向はゲート電極13と自己整合的に形成され
る。なお、図中の18は素子領域、19は素子分離領域
を示している。
【0016】本実施形態のメモリセルレイアウトは、6
2 (F:最小加工寸法)のオープン/フォールデッド
併用ビット線方式(文献:D.Takashima et.al.VLSI CIR
CUiT, 1993,P89)である。
【0017】このようなレイアウトでは、通過ワード線
はビット線方向に隣り合うメモリセル同士に1本しか持
たない。このパターンでワード線と直交するパターンで
コンタクトホールを開口すると、コンタクトはワード線
段差により分割され、ビット線コンタクト部とストレー
ジノードコンタクト部に同時に開口され、余分なところ
にコンタクトが開口してしまうようなことはない。 (実施形態2)図3は本発明の第2の実施形態に係わる
DRAMのメモリセルレイアウトパターンを示す平面
図、図4(a)は図3の矢視A−A′断面図、図4
(b)は図3の矢視B−B′断面図である。本実施形態
は、基本的には第1の実施形態と同じであり、トレンチ
型メモリセルに本発明を適用した例である。
【0018】なお、図1及び図2と同一部分には同一符
号を付して、その詳しい説明は省略する。また、図3中
に○印で示す21はトレンチ、×印で示す22はビット
線コンタクトであり、図4中の31は蓄積電極、32は
キャパシタ絶縁膜、33はカラー酸化膜、35は層間絶
縁膜、36は埋め込み電極、37はビット線を示してい
る。
【0019】図3に示すように、レイアウトは前記のオ
ープン/フォールデッド併用ビット線方式のメモリセル
レイアウトと同じである。1つの素子領域18に、2つ
のSNコンタクトと1つのビット線コンタクト22が設
けられている。トレンチ21は、素子領域18に最小加
工寸法Fの半分程度オーバーラップしたパターンであ
り、トレンチ21内に埋め込まれた蓄積電極31と素子
領域18の残った部分を基板表面で接続できるようにな
っている。
【0020】図4に示すように、第1の実施形態と同様
にして開口されたビット線コンタクト部とストレージノ
ードコンタクト部のコンタクトに、電極材(多結晶シリ
コン)36を埋め込んで蓄積電極31と素子領域18を
接続している。
【0021】また、ビット線コンタクトに埋め込まれた
電極36によって、コンタクトを持ち上げ、ビット線開
口時に再び深いエッチングを必要とせず、良好なコンタ
クトを可能にしている。 (実施形態3)図5は本発明の第3の実施形態に係わる
DRAMのメモリセルレイアウトパターンを示す平面
図、図6(a)は図5の矢視A−A′断面図、図6
(b)は図5の矢視B−B′断面図である。本実施形態
は、基本的には第1の実施形態と同じであり、スタック
型DRAMメモリセルに本発明を適用した例である。
【0022】図5に示すように、レイアウトは基本的に
トレンチ型と同じで、ストレージノードコンタクト上に
は蓄積電極41のパターンが、ビット線コンタクト部に
はキャパシタの対向電極となるプレートを除去するパタ
ーン39がある。
【0023】図6に示すように、開口されたビット線コ
ンタクト部とストレージノードコンタクト部には電極材
(多結晶シリコン)36が埋め込まれ、その上部に蓄積
電極41が形成されている。そして、キャパシタ絶縁膜
42を介して堆積されたプレート電極43は窓パターン
39によってビット線コンタクト部は除去され、ビット
線37はビット線コンタクト22下の埋め込み電極36
に接続されている。 (実施形態4)図7(a)〜(e)は、本発明の第4の
実施形態に係わるDRAMの製造工程を示す断面図であ
り、各図の左側は図2の(a)に対応し、右側は図2
(b)に対応している。
【0024】図7(a)は、半導体基板11上にゲート
絶縁膜12を介してゲート電極13を形成し、ゲート電
極13の上面及び側面を第1,第2の絶縁膜(例えば、
窒化シリコン膜)14,15で覆い、さらに全面に絶縁
膜14,15とは異なる材質の第3の絶縁膜(例えば、
BPSG,PSG,SiO2 )16を堆積した状態であ
る。
【0025】次いで、図7(b)に示すように、絶縁膜
16をエッチバック(例えば、ポリッシング)して、ゲ
ート上の絶縁膜14とほぼ同じ高さにする。このとき、
埋め込みの高さはゲート段差の10%程度異ってもよ
い。次いで、図7(c)に示すように、レジスト51の
溝パターンにより部分的にゲート間の絶縁膜16をRI
E法にてエッチング除去する。
【0026】次いで、図7(d)に示すように、コンタ
クトが埋まるように導電膜(例えば、多結晶シリコン)
36を堆積する。次いで、図7(e)に示すように、堆
積された導電膜36をエッチバック(例えば、ポリッシ
ング,CDE,RIE)して、コンタクト内に埋め込
む。これにより、前記図1及び図2に示す構成が得られ
る。
【0027】このように本実施形態によれば、第1,第
2の絶縁膜14,15と第3の絶縁膜16とを異なる材
料で形成し、ゲート間に埋め込み形成された第3の絶縁
膜16を選択エッチングしてコンタクトホールを形成す
ることにより、コンタクトホールを自己整合的に形成す
ることができる。 (実施形態5)図8(a)〜(e)は、本発明の第5の
実施形態に係わるDRAMの製造工程を示す断面図であ
る。
【0028】図8(a)は、ゲート電極13及びゲート
上の第1の絶縁膜(例えば、窒化シリコン)14を同時
に配線加工した後、第2の絶縁膜(例えば、窒化シリコ
ン)15を堆積し、さらに絶縁膜14,15とは異なる
材質の第3の絶縁膜(例えばBPSG,PSG,SiO
2 )16を堆積した状態である。
【0029】これ以降は、第4の実施形態と実質的に同
じである。即ち、まず図8(b)に示すように、絶縁膜
16をエッチバック(例えば、ポリッシング)してゲー
ト電極13間に埋め込む。続いて、図8(c)に示すよ
うに、レジスト51の溝パターンにより絶縁膜16をR
IE法によってエッチング除去し、絶縁膜15によって
エッチングをストップする。
【0030】次いで、図8(d)に示すように、絶縁膜
15をRIE法によって加工し、基板11を露出し、導
電膜36を堆積する。その後に、図8(e)に示すよう
に、導電膜36をエッチバックする。
【0031】この方法は絶縁膜16のエッチングを絶縁
膜15で一旦止めているので、基板11にかかるオーバ
ーエッチングが第4の実施形態より少なく、基板の膜減
りを防止できる。 (実施形態6)図9(a)〜(e)は、本発明の第6の
実施形態に係わるDRAMの製造工程を示す断面図であ
る。
【0032】図9(a)は第5の実施形態における図8
(a)の場合と同じだが、絶縁膜15を10〜20nm
と薄くしておく。図9(b)(c)に示す工程も第5の
実施形態と同じである。
【0033】次いで、図9(d)に示すように、コンタ
クト内に第4の絶縁膜52によるサイドウォールをRI
E法により形成すると同時に基板11を露出させる。そ
して、導電膜36を堆積した後、図9(e)に示すよう
に導電膜36をエッチバックして埋め込む。
【0034】本実施形態は、サイドウォールの形成をコ
ンタクト開口後に行うため、サイドウォールにかかるR
IEのオーバーエッチング時間が図7や図8の場合と比
べ少なくて済むので、サイドウォールの膜減りが少な
く、ゲート電極とコンタクト間の絶縁をより良好に保て
る。 (実施形態7)図10は本発明の第7の実施形態に係わ
るDRAMの製造工程を示す断面図である。
【0035】図10(a)〜(c)は、図9(a)〜
(c)の場合と同じで、図10(d)で絶縁膜52を堆
積し、連続して導電膜(例えば、ドープされた多結晶シ
リコン)53を堆積し、まず導電膜53をRIEによっ
てサイドウォールとする。続いて、絶縁膜52をRIE
によってサイドウォールとして、基板11を露出させ、
導電膜36を堆積する。その後に続く図10(e)は、
図9(e)と同じである。
【0036】本実施形態は、絶縁膜52を導電膜53に
よって完全に保護しているため、RIEによる膜減りが
全く起こらず、ゲートコンタクト間の絶縁がより良好に
保てる。また、保護膜として導電膜53を用いているの
で、サイドウォール形成時にコンタクト径が小さくなっ
ても、埋め込み電極の抵抗は変わらず、良好なコンタク
トを保つことができる。 (実施形態8)図11〜図13は、本発明の第8の実施
形態に係わるDRAMを製造工程順に示すものであり、
各々の図において(a)はメモリセルレイアウトを示す
平面図、(b)は(a)の矢視A−A′断面図、(c)
は(a)の矢視B−B′断面図である。本実施形態は、
ビット線の上にキャパシタを形成するスタック型DRA
Mセルの埋め込み及びストレージノードコンタクトに、
本発明を適用した例である。
【0037】なお、図中の61は半導体基板、62は拡
散層、63はゲート電極、64はゲート保護絶縁膜、6
6,,75,96は層間絶縁膜、67はコンタクトパタ
ーン、68は素子領域、69は素子分離領域、72はビ
ット線コンタクト、76,86,97は埋め込み電極、
77はビット線、78はビット線保護絶縁膜、91は蓄
積電極、92はキャパシタ絶縁膜、93はプレート電
極、95はSNコンタクトを示している。
【0038】まず、図11に示すように、ライン状のコ
ンタクトパターンでゲート間に埋め込まれた絶縁膜66
に溝を形成し、溝の長手方向はゲートパターンによって
コンタクトホールが分割されている。このコンタクトホ
ール内に多結晶シリコンを埋め込んで埋め込み電極86
とする。
【0039】次いで、図12に示すように、層間絶縁膜
75を堆積してビット線コンタクト72を埋め込み電極
86に接触するように開口し、開口部に埋め込み電極7
6を形成する。そして、ゲートと直交する方向にビット
線77を加工する。このとき、ビット線77の周囲をゲ
ートと同じように絶縁膜78で覆うようにする。
【0040】次いで、図13に示すように、ビット線7
7間に絶縁膜96を埋め込み、ビット線2本をまたぐよ
うなストレージノードコンタクト95のパターンによ
り、ゲート間の埋め込み電極に届くようにコンタクトを
開口する。このとき、コンタクト溝に長手方向は、ビッ
ト線パターンによって分割されている。そして、コンタ
クト穴に埋め込み電極97を埋め込み、その埋め込み電
極86に接するように蓄積電極91を形成する。その
後、キャパシタ絶縁膜92を堆積し、さらにプレート電
極93を形成してメモリセルとする。
【0041】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。実施形態ではDRAMに関して説
明したが、本発明はDRAMに限らず他の半導体メモリ
に適用することができる。さらに、半導体メモリに限る
ものではなく、平行配置された複数の配線間にコンタク
トホールを形成する半導体装置に適用することができ
る。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することができる。
【0042】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、平
行配置された配線とコンタクトパターンの合わせずれが
発生しても、コンタクト不良の発生を防止することがで
き、例えば今後の1GビットDRAM世代のメモリセル
においても、歩留りの低下しないコンタクトプロセスを
実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係わるDRAMのレイアウト
パターンを示す平面図。
【図2】図1の矢視A−A′及びB−B′断面図。
【図3】第2の実施形態に係わるDRAMのレイアウト
パターンを示す平面図。
【図4】図3の矢視A−A′及びB−B′断面図。
【図5】第3の実施形態に係わるDRAMのレイアウト
パターンを示す平面図。
【図6】図5の矢視A−A′及びB−B′断面図。
【図7】第4の実施形態に係わるDRAMの製造工程を
示す断面図。
【図8】第5の実施形態に係わるDRAMの製造工程を
示す断面図。
【図9】第6の実施形態に係わるDRAMの製造工程を
示す断面図。
【図10】第7の実施形態に係わるDRAMの製造工程
を示す断面図。
【図11】第8の実施形態に係わるDRAMの製造工程
を示す平面図と断面図。
【図12】第8の実施形態に係わるDRAMの製造工程
を示す平面図と断面図。
【図13】第8の実施形態に係わるDRAMの製造工程
を示す平面図と断面図。
【図14】本発明においてコンタクトの合わせずれが生
じた場合の平面図と断面図。
【図15】従来例においてコンタクトの合わせずれが生
じた場合の平面図と断面図。
【符号の説明】
11…半導体基板 12…ゲート酸化膜 13…ゲート電極(配線) 14…第1の絶縁膜 15…第2の絶縁膜 16…第3の絶縁膜 17…SNコンタクト用マスク 18…素子領域 19…素子分離領域

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に形成されたスタック型キャ
    パシタと、このスタック型キャパシタにソースまたはド
    レインが接続され、ゲート電極がワード線に接続された
    MOSトランジスタとからなるスタック型DRAMモリ
    セルが複数形成されてなる半導体装置であって、 前記 半導体基板上に平行配置された複数本のゲート電極
    と、これらのゲート電極の上部に形成された第1の絶縁
    膜と、前記ゲート電極の側面に形成された第2の絶縁膜
    と、前記ゲート電極間に埋め込まれた第3の絶縁膜と、
    第3の絶縁膜を部分的に除去して形成されたコンタクト
    ホールと、該コンタクトホール内に充填され、前記スタ
    ック型キャパシタの蓄積電極と前記ソースまたはドレイ
    ンとを接続する接続電極とを具備し、 前記コンタクトホールの側壁は、対向する2面が第3の
    絶縁膜であり、他の2面が第2の絶縁膜となっており、
    かつ前記複数本のゲート電極のうち1本のゲート電極
    介して前記コンタクトホールが隣り合って設けられ、該
    隣り合って設けられたコンタクトホール間の前記1本の
    ゲート電極上部の第1の絶縁膜上には、第3の絶縁膜が
    存在しないことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】第3の絶縁膜の上面は、第1の絶縁膜の上
    面と概略同じ高さか、それよりも低いことを特徴とする
    請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】前記ゲート電極と第3の絶縁膜との間に、
    第4の絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項
    1又は2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】前記接続電極の上面は第1の絶縁膜の上面
    と概略同じ高さか、それより低いことを特徴とする請求
    項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】半導体基板上に形成されたスタック型キャ
    パシタと、このスタック型キャパシタにソースまたはド
    レインが接続され、ゲート電極がワード線に接続された
    MO Sトランジスタとからなるスタック型DRAMモリ
    セルが複数形成されてなる半導体装置の製造方法であっ
    て、 前記 半導体基板上に複数のゲート電極を平行配置する工
    程と、 前記複数のゲート電極の上に第1の絶縁膜を形成する工
    程と、 前記複数のゲート電極の側面に第2の絶縁膜を形成する
    工程と、 前記複数のゲート電極間に第3の絶縁膜を形成する工程
    と、 前記複数のゲート電極の少なくとも一つを横切るパター
    ンを有するコンタクトホール形成用マスクを形成する工
    程と、 前記第3の絶縁膜を選択的にエッチングすることにより
    コンタクトホールを形成する工程と、 前記コンタクトホールに前記スタック型キャパシタの蓄
    積電極と前記ソースまたはドレインとを接続する接続電
    を充填する工程とを有することを特徴とする半導体装
    置の製造方法。
  6. 【請求項6】前記第3の絶縁膜の上面が前記第1の絶縁
    膜の上面と概略同じ高さか、それより低い高さとなるよ
    うに前記第3の絶縁膜を形成することを特徴とする請求
    項5記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】前記接続電極の上面が前記第1の絶縁膜の
    上面と概略同じ高さか、それより低い高さとなるよう前
    接続電極を形成することを特徴とする請求項5記載の
    半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】前記コンタクトホールを形成する工程は、
    前記コンタクトホール形成用マスクを用いるとともに前
    記第1の絶縁膜をストッパとして用いることにより前記
    第3の絶縁膜をエッチングする工程を含むことを特徴と
    する請求項5記載の半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】前記コンタクトホールを形成する工程は、
    前記コンタクトホール形成用マスクを用いるとともに前
    記第1の絶縁膜及び前記第2の絶縁膜をストッパとして
    用いることにより前記第3の絶縁膜をエッチングする工
    程を含むことを特徴とする請求項5記載の半導体装置の
    製造方法。
  10. 【請求項10】前記コンタクトホールを形成する工程の
    後に、第4の絶縁膜を前記コンタクトホールの側面に形
    成する工程を更に有することを特徴とする請求項5記載
    の半導体装置の製造方法。
  11. 【請求項11】前記コンタクトホールを形成する工程の
    後に、絶縁膜と導電膜とから成る積層膜を前記コンタク
    トホールの側面に形成することを特徴とする請求項5記
    載の半導体装置の製造方法。
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