JP3359945B2 - 半導体メモリ素子の製造方法 - Google Patents
半導体メモリ素子の製造方法Info
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Description
造方法に関し、特に、DRAM素子においてストリッジ
ノードの表面積を増大してセル容量を増大することがで
きる半導体メモリの製造方法に関する。
ってDRAMの大容量化が急速に推進されており、これ
により1メモリセルが占有する占有面積が必然的に減少
される傾向にある。一般に、DRAM素子はMOSコン
デンサと転送MOSトランジスタとを含むメモリセルで
構成される。このようなメモリセルに記録されている情
報を読出す時の信号レベルがMOSコンデンサに蓄積さ
れた電荷量によって決定される。これによりDRAMセ
ルの大容量化のためにメモリセルの占有面積を減少しな
ければならないという要求条件に応じてコンデンサの実
効面積を大きく減少することはできない。したがって、
DRAM素子をさらに大容量化にするために重要な問題
は、メモリセルの占有面積の最小化を図りながら、いか
にセルのコンデンサを増大させることができるかという
ものである。メモリセルの占有面積を増加させず、メモ
リセルの容量を増加させるための方法としては、コンデ
ンサの絶縁層の厚さを薄くする方法、コンデンサの絶縁
層の誘電常数を大きくする方法、またはコンデンサの面
積を増加する方法などがある。
の中、コンデンサの絶縁層の厚さを薄くする方法は、D
RAM素子の信頼性のため制限があり、かつ誘電常数の
増大のためコンデンサの絶縁層としてSiO2の代わり
にSi3N4 などを使用することもあるが、これも又D
RAM素子の信頼性に問題になる。メモリセルの占有面
積の増加なく、セル容量を増加する方法としてスタック
形コンデンサ構造およびトレンチ形構造がすでに提案さ
れた。
図で、側壁を有するストリッジノードを形成してセル容
量を増加させたものである。従来のDRAM素子の製造
方法は、MOSトランジスタを形成し、ビットラインの
コンタクトにビットラインを形成し、ついで積層コンデ
ンサを形成していた。図1を参照すれば、素子間の分離
用フィールド酸化膜12が形成されているシリコン基板
11上に、基板と反対の導電型を有する不純物領域1
3、ゲート14、ゲート絶縁膜15を順次形成してMO
Sトランジスタを完成する。ついで、ビットラインの形
成部位のゲート絶縁膜15を除去してビットラインのコ
ンタクトを形成し、このビットラインコンタクト16お
よびビットライン絶縁用絶縁膜17を形成する。その後
コンデンサの形成工程としてコンデンサのコンタクトに
のみポリシリコン膜を選択的に蒸着してポリシリコンプ
ラグ18を形成する。プラグ18の形成後、基板全面に
わたって窒化膜19、酸化膜20を順次積層し、その上
に感光剤21を塗布する。感光剤21をパターニングし
てピラ(Pillar)形成用パターンを形成する。図
2に示すように、前記形成された感光剤パターンを用い
て酸化膜20、窒化膜19を順次エッチングしてピラを
形成し、感光剤パターンを除去する。窒化膜のエッチン
グ時、酸化膜20との高い選択比が要求される。図3に
示すように、ストリッジノード用ポリシリコン膜22を
基板全面にわたって蒸着し、酸化膜またはSOG(Si
licon−On−Glass)膜等により平坦化させ
た後、ポリシリコン膜をエッチングバックして酸化膜2
0の上部のポリシリコン膜22を除去する。それにより
セルの間が分離される。図4に示すように、窒化膜19
の上部の酸化膜20を除去し、図示されないが、前記ポ
リシリコン膜22の表面上に誘電体膜を形成し、プレー
トノードを形成することによりコンデンサを完成する。
壁構造のストリッジノードを形成する。この方法は難し
い窒化膜の平坦化工程を行わなければならない。さらに
コンデンサのコンタクトにのみプラグを形成するため
に、ポリシリコン膜を選択的に蒸着するのに高度の技術
と高価な装備を必要とするという問題点がある。また、
窒化膜のエッチング時、酸化膜との高い選択比が要求さ
れ、ピラの形態も基板に垂直となるので、大量生産には
難しい問題点があった。
製造工程図で、ストリッジの表面に凹凸面を形成してセ
ル容量の増加のための方法である。図5乃至7はDRA
M素子の製造工程の中、シリコン基板31上にトランジ
スタとビットラインを形成した後、コンデンサを製造す
るための工程図を示すものである。トランジスタとビッ
トラインを形成するための工程は、前記の工程と同一で
あるので図面の簡略化のため、図面上にトランジスタお
よびビットラインは図示せず、コンデンサの部分のみを
示す。図5に示すように、トランジスタおよびビットラ
インを形成した後、不純物領域32が形成されたシリコ
ン基板31上に絶縁膜33を全面的に形成する。前記絶
縁膜33の所定部分をエッチングして前記不純物領域3
2を露出させ、コンデンサコンタクト34を形成する。
ついで、600℃で低圧蒸着法(LPCVD)を用いて
ドーピングされたポリシリコン膜35を所定の厚さに蒸
着し、コンデンサコンタクト34を含むようにパターニ
ングする。図6に示すように、基板全面にわたって1t
orr圧力、550℃の温度でヘリウム(He)で希釈
されたSiHガス(約20%)を用いて凹凸面を有する
ポリシリコン膜36を蒸着する。図7に示すように、H
Brガスを用いて前記ポリシリコン膜36を異方性乾式
エッチングによりエッチングバックすると、パターニン
グされたポリシリコン膜35の側壁以外のポリシリコン
膜36が除去される。したがって、凹凸面を有するスト
リッジノードが自己整合的に形成される。図示されない
が、ストリッジノードの全表面に誘電体膜を形成し、こ
の誘電体膜を含むプレートノードを形成することにより
コンデンサを完成する。図7に示すストリッジノード3
5、36の凹凸面の形態が半球形と仮定すれば、ストリ
ッジノードの表面が平面であるストリッジノードに対す
る凹凸面を有するストリッジノードの全体の表面積比は
次の式と表現される。 2πr2 /πr2 ・・・・・・・ (1) 前記式(1)で、凹凸面を有するストリッジノードの面
積を平坦なストリッジノードの面積より2倍以上に増加
させることは困難で、これにより、ストリッジノードに
凹凸面を形成してその面積を増加してセル容量を増加さ
せるには限界があるという問題があった。
シリコン膜をダイレクト電子ビーム書き込み(Dire
ct electron beam writing)
方式によりパターニングして複数のピラを有するストリ
ッジノードを形成することにより、工程の単純化を図
り、かつセル容量を増加することができる半導体メモリ
素子の製造方法を提供することにある。本発明の他の目
的は、矩形の複数の位相シフタが一定間隔をおいて配列
されたマスクを用いて2次元的に互いに独立配列される
ことができ、また直交する複数のピラを有するストリッ
ジノードを形成してセル容量の増加が可能な半導体メモ
リ素子の製造方法を提供することにある。
めに、本発明のシリコンメモリ素子の製造方法は、フィ
ールド酸化膜が形成されたシリコン基板上に不純物領
域、ゲート、ゲート絶縁膜およびゲート側壁スペーサを
形成してトランジスタを形成する工程と;ビットライン
のコンタクト領域にビットライン、ビットライン絶縁用
絶縁膜およびビットライン側壁スペーサを順次形成する
工程と;基板全面にわたってポリシリコン膜を蒸着する
工程と;感光剤を塗布し、ダイレクト電子ビーム書き込
み方式によりパターニングする工程と;前記パターニン
グされた感光剤を用いてポリシリコン膜をエッチングし
て複数のピラを有するストリッジノードを形成する工程
と;ノードマスクを用いてフィールド酸化膜およびビッ
トラインの上部のポリシリコン膜を除去して素子間のス
トリッジノードを分離させる工程と;ストリッジノード
の全ての表面に有電体膜を形成する工程と;誘電体膜上
にプレートノードを形成する工程と;を含む。
法は、フィールド酸化膜が形成されたシリコン基板上に
不純物領域、ゲート、ゲート絶縁膜およびゲート側壁ス
ペーサを順次形成してトランジスタを形成する工程と;
ビットラインのコンタクト領域にビットライン、ビット
ライン絶縁用絶縁膜およびビットライン側壁スペーサを
順次形成する工程と;基板全面にわたって平坦化用絶縁
膜を蒸着して平坦化する工程と;ストリッジノード用ポ
リシリコン膜を基板全面にわたって蒸着する工程と;複
数の位相シフタが備えられたガラスマスクを設ける工程
と;シリコン基板上に感光剤を塗布する工程と;シリコ
ン基板上より所定距離ほど離隔された位置で、ガラスマ
スクを固定させ半導体基板を1次露光させる工程と;同
一位置でシリコン基板を90度回転して2次露光する工
程と;感光剤を現像して感光剤パターンを形成する工程
と;パターニングされた感光剤をマスクとしてポリシリ
コン膜をパターニングすることにより、複数のピラを有
するストリッジノードを形成する工程と;前記感光剤を
除去する工程と;ストリッジノード全ての表面に誘電体
膜を形成する工程と;誘電体膜上にプレートノードを形
成する工程を含む。
コンメモリ素子の製造工程図である。本発明の第1実施
例は、ダイレクト電子ビーム書き込み方式によりストリ
ッジノード用ポリシリコン膜をパターニングして複数の
ピラを有するストリッジノードを形成してその表面積を
増加させることによりセル容量を増加する方法である。
まず図8を参照する。半導体基板50上に素子分離用フ
ィールド酸化膜51を形成し、基板と反対の導電型の不
純物をイオン注入して不純物領域52を形成する。シリ
コン基板50上にワードラインとして作用するゲート5
3、ゲート絶縁膜54およびゲート側壁スペーサ55を
順次形成してトランジスタを形成する。
イン56を形成し、ビットライン絶縁用絶縁膜57およ
びビットライン側壁スペーサ58を順次形成する。コン
デンサを形成するための工程としてストリッジノード用
ポリシリコン膜59を5000Å乃至6000Å程度の
厚さで基板全面にわたって蒸着する。ポリシリコン膜5
9上に感光剤60を塗布し、ダイレクト電子ビーム書き
込み方式により前記感光剤60をパターニングする。図
9に示すように、前記パターニングされた感光剤60を
用いてポリシリコン膜59を反応性イオンエッチング法
によりエッチングして複数のピラを有するストリッジノ
ードを形成する。ストリッジノードを形成した後前記感
光剤60を除去する。ストリッジノードは複数のピラが
一定間隔で一方向に配列された構造を有する。ストリッ
ジノードを形成するためのポリシリコン膜59のエッチ
ングの時、ビットライン、またはゲートの上部より10
00Åの深さまでストリッジノードを形成する。
フィールド酸化膜51およびビットライン56の上部の
ポリシリコン膜59を除去して素子間を分離させる。図
11に示すように、ストリッジノード用ポリシリコン膜
59の全ての表面に誘電体膜62を形成し、その上にプ
レートノード63を形成してコンデンサが完成する。図
12は本発明のDRAM素子の完成断面図で、トランジ
スタおよびコンデンサが形成された半導体基板50上に
BPSG膜や酸化膜等の平坦化膜64を蒸着して平坦化
させ、その上にメタルライン65を形成したものであ
る。
ドが、複数のピラが一方向に一定間隔で配列された構造
を有し、各ピラの高さを5000Å程度に高めることが
できるので、ストリッジノードの表面積を増大させるこ
とが可能であり、これにより30pF以上の容量が得る
ことができる。
DRAM素子の製造工程図である。本発明の第2実施例
は、矩形の複数の位相シフタが一定間隔で配列されたマ
スクを用いて二重露光法によりポリシリコン膜をパター
ニングして2次元的に互いに独立配列されるか、または
互いに直交する複数のピラを有するストリッジノードを
形成してセル容量を増加させる方法である。図13は半
導体基板上にトランジスタおよびビットラインを形成し
た後平坦化膜を用いて基板表面を平坦化させ、その上に
ストリッジノード用ポリシリコン膜を蒸着させた状態を
示すものである。符号81は、半導体基板を示すもの
で、シリコン基板ではない。図8〜11に示す工程と同
一の工程を行って基板上にトランジスタとビットライン
が形成され平坦化用絶縁膜を使用して、その表面を平坦
化した基板である。符号82は、前記トランジスタとビ
ットラインが形成された後平坦化した半導体基板上に蒸
着されたストリッジノード用ポリシリコン膜をいうもの
である。図14は位相シフタが備えられたガラスマスク
を設ける工程を示したものである。ガラスマスク83は
その表面上に矩形の複数の位相シフタ84が一定間隔を
おいて一方向に配列されている。
膜82が形成された半導体基板81を1次露光させる工
程を示したものである。図13で設置された半導体基板
81上に感光膜85を全ての表面にわたって塗布した
後、この半導体基板81から図14で示したガラスマス
ク83を所定距離離間した状態でコンデンスレンズ8
6、またはリダクションレンズのような露光装置を使用
して半導体基板81を1次露光させる。図16では、図
15の1次露光と同一条件下で、半導体基板81を2次
露光する。2次露光工程は前記1次露光工程と同一の条
件下で行われるが、但し、半導体基板81を固定した状
態で位相シフタ84を備えたガラスマスク83を90度
回転するか、またはガラスマスク83を固定し、半導体
基板81を90度回転した状態で半導体基板を2次露光
する。すなわち、半導体基板81およびガラスマスク8
3を所定距離離隔した状態で、半導体基板81またはガ
ラスマスク83のいずれかを固定し、他方を90度回転
させて2次露光する。このように、矩形の複数の位相シ
フタが備えられたガラスマスクを用いて半導体基板81
を二重露光することにより、基盤形のマスクを使用する
ものと同一の効果が得られる。
の現像工程を示すものである。二重露光工程後、感光剤
85を現像すると、残存する感光膜85が複数の突起を
有するようにパターニングされる。この時感光膜85が
ポジチブレジストであれば、図17に示すように、相互
に独立に所定間隔をおいた突起が形成され、ネガチブレ
ジストであれば、図18に示すように、突起が相互に直
交してつながった形状に形成される。図19、20は、
図17、18に示す感光剤85のパターンをマスクとし
て平坦化された半導体基板81上に形成されたポリシリ
コン膜82をパターニングしてストリッジノードを形成
する工程を示したものである。図17に示したポジチブ
ホトレジストをマスクとしてポリシリコン膜82を異方
性乾式エッチング法によりパターニングすれば、図19
に示すように複数のピラが所定間隔をおいて2次元的に
独立配列されたストリッジノードが形成される。一方、
図18に示されたポジチブホトレジストをマスクとして
ポリシリコン膜82を異方性乾式エッチング法によりパ
ターニングする場合、図20に示すように複数のピラが
相互直交するストリッジノードが形成される。ついで、
図示されないが、半導体基板81上に形成された図19
または20に示すような構造を有するストリッジノード
の全ての表面にわたって誘電体膜を形成し、その上にプ
レートノードを形成してコンデンサを形成する。本発明
の第2実施例によるDRAM素子は、シリコン基板81
上に蒸着されたポリシリコン膜82のエッチング深さを
調節することによりストリッジノードの表面積を大きく
増大させることができる。すなわち、半導体基板81上
に蒸着されたストリッジノード用ポリシリコン膜82の
エッチング深さをh,ピラ間の最小間隔をrという場
合、独立されたピラ、または直交するピラについての各
々の表面積は下記式で表現されることができる。 S1 = S2 = 2r2 +4rh ・・・・・・・ (2) したがって、元の平面構造のストリッジノードの平面積
(S=2r2 )と、本発明の実施例によるピラ各々の表
面積とを比較してみると、下記式で表現されることがで
きる。 S1/S = S2/S=(2r2+4th)/2r2=1+2h/r ・・(3) したがってエッチング深さ(h)を最小間隔(r)より
大きくする場合(h≫r)、式(3)に示すようにスト
リッジノードの表面積を大きく増大させることができ
る。
ストリッジノードの表面積を増加させてセル当たりの容
量を非常に増大させることができる。また、ノードの形
成工程の時、電子ビームマスクまたはノードマスクなど
を使用するのでその工程が簡単であり、かつダイレクト
電子ビーム書き込み方法によりストリッジノードのピラ
を正確に定義し調節することができる。
メモリ素子の製造工程図である。
メモリ素子の製造工程図である。
メモリ素子の製造工程図である。
メモリ素子の製造工程図である。
コンメモリ素子の製造工程図である。
コンメモリ素子の製造工程図である。
コンメモリ素子の製造工程図である。
の製造工程図である。
の製造工程図である。
子の製造工程図である。
子の製造工程図である。
子の製造工程図である。
子の製造工程図である。
子の製造工程図である。
子の製造工程図である。
子の製造工程図である。
子の製造工程図である。
子の製造工程図である。
子の製造工程図である。
子の製造工程図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 フィールド酸化膜が形成されたシリコン
基板上に不純物領域、ゲート、ゲート絶縁膜およびゲー
ト側壁スペーサを順次形成してトランジスタを形成する
工程と; ビットラインのコンタクト領域にビットライン、ビット
ライン絶縁用絶縁膜およびビットライン側壁スペーサを
順次形成する工程と; 基板全面にわたって平坦化用絶縁膜を蒸着して平坦化す
る工程と; ストリッジノード用ポリシリコン膜を基板全面にわたっ
て蒸着する工程と; 複数の位相シフタが備えられたガラスマスクを設ける工
程と; シリコン基板上に感光剤を塗布する工程と; シリコン基板上より所定距離離隔された位置で、ガラス
マスクを固定させ半導体基板を1次露光させる工程と; 同一位置でシリコン基板を90度回転して2次露光する
工程と; 感光剤を現像して感光剤パターンを形成する工程と; パターニングされた感光剤をマスクとしてポリシリコン
膜をパターニングすることにより、複数のピラを有する
ストリッジノードを形成する工程と; 前記感光剤を除去する工程と; ストリッジノード全ての表面に誘電体膜を形成する工程
と; 誘電体膜上にプレートノードを形成する工程とからなる
ことを特徴とする半導体メモリ素子の製造方法。 - 【請求項2】 複数の位相シフタは、矩形で、かつ一方
向に一定間隔をおいてガラスマスク上に配列されること
を特徴とする請求項1記載の半導体メモリセルの製造工
程。 - 【請求項3】 2次露光の時、基板を90度回転する代
わりに、ガラスマスクを90度回転させることを特徴と
する請求項1記載の半導体メモリセルの製造工程。 - 【請求項4】 感光剤としてポジチブホトレジストまた
はネガチブホトレジストのいずれかを使用することを特
徴とする請求項1記載の半導体メモリセルの製造工程。 - 【請求項5】 ポジチブホトレジスト使用の時、ストリ
ッジノードの複数のピラが、2次元的に、互いに一定間
隔をおいて独立的に配列されることを特徴とする請求項
1または請求項4記載の半導体メモリセルの製造工程。 - 【請求項6】 ネガチブホトレジスト使用の時、ストリ
ッジノードの複数のピラが、互いに直交形成されること
を特徴とする請求項1または請求項4記載の半導体メモ
リセルの製造工程。
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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