JP3795347B2 - 埋め込み接触帯形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は動的随時アクセスメモリ(DRAM)、DRAMにおけるトレンチキャパシタとトランジスタの電気的接続を形成する埋め込み接触帯及びその形成方法に関わる。
【0002】
【従来の技術】
集積回路が広く応用され性能が高く値段が低い半導体部品が次々と生まれる。そのうち、DRAMはIT産業にとってなくてはならないものである。
【0003】
集積回路の集積度が増大しつつある一方、DRAMの記憶容量は64MBあるいは256MB以上にも達した。したがって、更にDRAMの記憶容量を増大しアクセス速度を向上しようとすると、記憶セル及びトランジスタのサイズを大幅に縮小しなければならない。
【0004】
立体化キャパシタ形成技術は、半導体基板におけるキャパシタの占有面積を大幅に減少するのに非常に役立つため、DRAM製造工程にも使用されている。例えば、記憶容量が64Mb以上のDRAMはトレンチキャパシタを組み込むのは一般的である。
【0005】
トレンチ型DRAM製造方法の肝要なところはトレンチキャパシタとトランジスタの電気的接続の形成にある。例えば、図12に示すように、深いトレンチ(DT)キャパシタの上部とトランジスタの拡散領域の間に埋め込み接触帯(BS)を形成することにより両者を電気的に接続させる。この接触帯が基板底に形成するため、基板表面において記憶セルの形成用スペースが大きくなり記憶容量が更に向上される。また、この接触帯は基板表面素子が出来る前に形成するため、製造中基板表面素子の破損を避けることができる。
【0006】
しかし、従来、埋め込み接触帯の製造プロセスは非常に複雑であるばかりか、制御もし難い。
【0007】
図1乃至5は従来の埋め込み接触帯形成方法を示す図である。図1に示すように、半導体基板100の表面に誘電層104(例えば、窒化シリコン層)が形成されている。先ず写真蝕刻法及びエッチング法(例えば、反応性イオンエッチング法)を用い基板100に深いトレンチ102を形成する。この後、深いトレンチ102の内壁及び底面に薄誘電層106をキャパシタ誘電膜として形成、続いて深いトレンチ102内に導電層108(例えば、N+添加の多結晶シリコン)を充填、最後深いトレンチ102の上半部を露出させるように薄誘電層106及び導電層108をエッチバックする。
【0008】
次に、図2に示すように、深いトレンチ102の上半部の内壁に環状絶縁層110を形成する。この環状絶縁層110は普段酸化層からなり、熱酸化法または化学気相成長(CVD)法(且つ逆方性エッチング配合)により形成される。この環状絶縁層110は絶縁分離膜として作動中キャパシタによる漏電流を防止することができる。
【0009】
次に、図3に示すように、更に深いトレンチ102の上半部に第2の導電層112を充填し且つ該第2の導電層112の表面を基板100内に凹入させるようにドライエッチング法でエッチバックする。普段、第2の導電層112の材質は第1の導電層のそれと同様であり、例えば、何れもトーピングされた多結晶シリコンである。
【0010】
次に、図4に示すように、環状絶縁層110の表面を第2の導電層112の表面より低下させるように弗化水素酸によるエッチングまたはその他のエッチング法で環状絶縁層110を部分的に除去する。
【0011】
次に、図5に示すように、第2の導電層112及び環状絶縁層110の上部を被覆するように第3の導電層114を深いトレンチ102内に堆積する。堆積後、先ず化学的機械的研磨(CMP)法による平坦化処理を施し、続いてその表面が深いトレンチ内に凹入するようにドライエッチングを施す。このように形成された第3の導電層114は埋め込み接触帯とする。
【0012】
前記から分かるように、従来の埋め込み接触帯形成方法によれば、複数回の堆積及びエッチングを行う必要がある。このため、製造コストが高いばかりか、複雑な製造プロセスによる汚染や良品率の低下等の問題もある。
【0013】
一方、前記埋め込み接触帯の拡散長及び抵抗を如何に調節するのは内部配線の品質管理の面では一番重要な課題である。なお、その拡散長及び抵抗は接触帯の幅や厚さ及び後続のプロセスにおける熱処理等により左右される。そのうち、埋め込み接触帯114の厚さは従来より第2の導電層112に対してのエッチバック、環状絶縁層110の除去、及び第3の導電層124に対してのエッチバックにより決定される(図3乃至図5)。このため、適当な埋め込み接触帯114の厚さを得るために3回のエッチング深さ予測をする必要がある。よって、製造工程の実施は更に難しくなる。特に、一番重要なエッチング段階である第3の導電層におけるエッチングの場合、エッチング深さが小さいとき過剰拡散し短チャネル効果が生じたり、エッチング深さを大きくすると回路ショートが発生したりする問題がある。このような問題があるだけに、埋め込み接触帯の技術を次世代半導体技術に組み込むことが期待されない。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような問題点を解決するために、本発明の第1の目的はDRAMにおけるキャパシタとトランジスタの電気的接続の形成に適する埋め込み接触帯の形成方法を提供することにある。
【0015】
また、本発明の第2の目的は製造段階が簡単な埋め込み接触帯の形成方法を提供しようとする。
【0016】
また、本発明の第3の目的は簡単に埋め込み接触帯の厚さを調整することにより慮質な電気的接続が得られる埋め込み接触帯の形成方法を提供しようとする。
【0017】
更に、本発明の他の目的は前述の方法を利用してなる埋め込み接触帯及び動的随時アクセスメモリ(DRAM)を提供しようとする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の埋め込み接触帯形成方法は、動的随時アクセスメモリにおけるトレンチキャパシタとトランジスタの電気的接続を形成する方法において、(a)半導体基板にトレンチを形成する段階と、(b)第1の導電層を前記トレンチに部分的に充填する段階と、(c)前記第1の導電層より上の前記トレンチ上部の内壁に環状絶縁層を形成する段階と、(d)前記第1の導電層上に、アモルファスシリコン層からなり、表面位置が前記基板表面より低い第2の導電層を形成する段階と、(e)前記環状絶縁層の上端部が前記第2の導電層の表面より低くなるように、前記環状絶縁層の一部を除去し、前記トレンチの内壁の一部を再び露出させる段階と、(f)前記トレンチ内壁の露出部分及び前記第2の導電層の表面に、埋め込み接触帯となる半球形シリコン結晶粒層からなる第3の導電層を選択成長法で前記半導体基板の表面より低くなるように形成する段階とを有する。
【0020】
また、本発明の方法において、前記第1の導電層はトーピングされた多結晶シリコン層であり、前記環状絶縁層は酸化シリコンからなる。
【0021】
総じて、本発明の埋め込み接触帯形成方法は、従来の堆積(成長)―化学的機械的研磨―エッチングという流れに対し、選択成長法を利用し、例えば、半球形シリコン結晶粒(HSG)層の選択性を利用して埋め込み接触帯を形成することを特徴とする。このため、従来の研磨やエッチバック等段階を必要とせず、埋め込み接触帯の厚さは簡単且つ精密に調節することができる。
【0022】
よって、本発明に係る埋め込み接触帯及びDRAMは前述した方法により構成される。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例の構成とその作用を添付図面に基づき詳細に説明する。
【0024】
本発明の埋め込み接触形成方法は図6乃至11により説明する。図6に示すように、半導体基板200の表面に第1の誘電層204(例えば、窒化シリコン層)が形成されている。この第1の誘電層204は、図示してないが、その他の誘電層、例えば、酸化層を含んでも良い。本実施例では、誘電層204は約10nmの酸化層と該酸化層上に形成した約200nmの窒化シリコン層からなる。
【0025】
第1の誘電層204を形成された基板200において、誘電層204を通して写真蝕刻法及びエッチング法(例えば、反応性イオンエッチング法)で深いトレンチ202を形成する。
【0026】
次に、深いトレンチ202内(内壁及び底面)に薄誘電層206をキャパシタ誘電層として形成する。該誘電層206の形成方法としては例えば、熱酸化法または化学気相成長(CVD)法が挙げられる。誘電層206の厚さは5―10nmにしても良い。誘電層206の材質は例えば、酸化シリコン、窒化シリコン及び酸化シリコンと窒化シリコンの組合せのいずれか一種からなる。
【0027】
次に、深いトレンチ202内に第1の導電層208(例えば、N+添加の多結晶シリコンまたはその他の電気伝導材質からなる)を部分的に充填する。この後、深いトレンチ202の上半部を露出させるように誘電層206及び第1の導電層208をエッチバックする。
【0028】
次に、深いトレンチ202の上半部(第1の導電層208より上の部分)の内壁に環状絶縁層210を形成する。この環状絶縁層210は普段酸化層またはその他の絶縁材質層とする。その形成方法としては熱酸化法が挙げられる。また、CVD法で堆積した上逆方性エッチングを施すことによりこの環状絶縁層210を形成しても良い。なお、本実施例では、環状絶縁層210の厚さは50―100nmとする。
【0029】
次に、更に深いトレンチ202内(即ち第1の導電層208表面)に第2の導電層212を充填する。それで図6に示す構造が形成される。第2の導電層212の材質は、前述したように、普段ドーピングされた多結晶シリコンであるが、ドーピングされたアモルファスシリコン(a−Si)を用いるのは好ましい。a−Siを用いる場合、後続の選択成長プロセスにおける結晶格子成長に有利である。直接にドーピングされたa−Siをin−situドーピング法で形成することにより第2の導電層212を構成することができるが、二段階で第2の導電層212を構成するのが好ましい。即ち、先ずアンドーピングのa−Siを形成、この後ドーピングされたa−Siをプラズマドーピング法(図9参照)で形成する。
【0030】
次に、図7に示すように、第2の導電層212の表面がトレンチ202内に凹入するようにプラズマエッチング法で第2の導電層212を部分的に除去する。ここで、エッチング深さを適当に調節することにより最適な埋め込み接触帯が得られる。なお、このエッチング深さ(即ち基板表面から第2の導電層212までの深さ)は200nm以下である。
【0031】
次に、図8に示すように、環状絶縁層210の表面を第2の導電層212の表面より低下させトレンチ202の内壁の一部を再び露出させるようにエッチングで環状絶縁層210を部分的に除去する。環状絶縁層210をエッチングする場合、ウェットエッチング法が用いられる。また、環状絶縁層210は酸化層である場合、エッチング溶液は弗化水素酸を用いても良い。エッチング後の環状絶縁層210は第2の導電層212の表面より約30―50nm低下した(即ち第2の導電層212の上から環状絶縁層210までの深さは30―50nmである)のは好ましい。
【0032】
図6における第2の導電層212はin−situドーピング法で直接ドーピングしてなるドーピングa−Si層とする場合、環状絶縁層210を部分的に除去すると、直ちに本発明方法の肝要な段階を実施する(即ち、選択成長法で埋め込み接触帯とする第3の導電層を形成する)。
【0033】
一方、図6における第2の導電層212はアンドーピングのa−Si層とする場合、先ずアンドーピングのa−Siに対しプラズマドーピングを施し(図9の符号214参照)、ドーピングされたa−Siを形成する。該当プラズマドーピングにより第2の導電層212表面のアモルファス状態が維持され次の導電層の成長に有利である。したがって、第2の導電層212はアンドーピングのa−Siの形成とドーピングされたa−Siの形成との二段階で形成するのは望ましい。
【0034】
図10に示すように、選択成長法を用い、深いトレンチ202内壁の露出部分及び第2の導電層212表面に、第3の誘電層216(その厚さを適当に調節する)を形成する。本実施例では、半球形シリコン結晶粒(HSG)層を埋め込み接触帯とし、このHSGの性質を利用して選択成長を実現する。HSG層の厚さは20―100nm、結晶粒径は10―50nmにすれば良い。
【0035】
HSG層は成長の基材における表面移動度の差異により選択成長する。例えば、a−Si(第2の誘電層212表面)において、シリコン原子の状態が不安定でシリコン原子の表面移動度が高いため、HSGの結晶粒の核形成速度がより速い。一方、絶縁層や多結晶シリコンまたは単結晶シリコンにおいて、シリコン原子の状態が安定的、シリコン原子の表面移動度がより低いため、HSGの結晶粒の核形成速度がより遅い。
【0036】
HSG層216にドーズ量が1018―1021cm−2の燐イオンまたは砒素イオンを添加することが好ましい。該イオン添加(ドーピング)はin−situドーピングまたは成長後添加とする。なお、該ドーピング方法としては、プラズマドーピング(PLAD)法、プラズマ沈積イオン注入(PIII)法または気相ドーピング(GPD)法等が挙げられる。
【0037】
本実施例では、埋め込み接触帯としてはHSG層を用いるが、当業者にとってはその他の選択成長法、例えば、SiGeまたは選択性多結晶シリコンによる選択成長法を用い埋め込み接触帯を形成しても良い。
【0038】
SiGeまたは選択性多結晶シリコンから埋め込み接触帯を形成する場合、その核形成速度が成長の基材により異なることを利用して第2の導電層212上に選択成長する。また、微量のSiGeまたは多結晶シリコンは非埋め込み接触帯領域にも成長した場合、それをエッチングで除去する。
【0039】
なお、SiGeまたは選択性多結晶シリコンから埋め込み接触帯を形成する場合、下層の第2の導電層212の材質はa−Siまたは多結晶シリコンに拘らずどのようなシリコンでも良い。
【0040】
また、第3の導電層を形成する前に、予めライナ層(図示してない)を形成しても良い。例えば、トレンチの内壁及び第2の導電層212表面に5―30nmの窒化シリコンまたはその他の拡散防止材質からなるライナ層を形成する。このライナ層を用いる場合、不純物拡散を防止し表面応力による格子欠陥を減少することが図られる。また、該ライナ層の形成方法としてはCVD法または原子層蒸着(ALD)法が挙げられる。なお、ライナ層の形成は本発明方法の必須の段階ではないが、状況次第に採用し製造の信頼性に寄与するものである。
【0041】
次に、図11に示すように、第3の導電層216に更に被覆層218を形成しても良い。該被覆層218は絶縁層の働きを果たすと共に後続のイオン注入やアニ―ル等段階による汚染からその下の構造を保護することができる。なお、該被覆層218は選択酸化法による酸化シリコン層または被覆式堆積法による窒化シリコン層から構成することができる。
【0042】
次に、活性領域の定義や浅いトレンチ分離領域の形成等段階も行われるが、これらの段階は本発明方法の特徴の部分ではないため該当説明を省略する。
【0043】
本発明は前記実施例の如く提示されているが、これは本発明を限定するものではなく、当業者は本発明の要旨と範囲内において変形と修正をすることができる。
【0044】
【発明の効果】
前記の通り、本発明によれば、埋め込み接触帯として第3の導電層を選択成長法で直接に形成するため、埋め込み接触帯の厚さの調整は、従来のようなエッチング深さの予測によらず、簡単に行われる。したがって、簡単な深さの調節及び簡単な不純物ドーズ量の調節により、拡散長と抵抗の調節が容易に行われて、良質な電気的接続が形成される。また、埋め込み接触帯とする第3の導電層に対し研磨やエッチバックを施す必要がないため、製造プロセスが簡素、コストが軽減、良品率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の埋め込み接触帯形成方法による最初の一部の製造段階を示す断面図である。
【図2】 図1に示す段階に続く段階を示す図である。
【図3】 図2に示す段階に続く段階を示す図である。
【図4】 図3に示す段階に続く段階を示す図である。
【図5】 図4に示す段階に続く段階を示す図である。
【図6】 本発明の実施例に係る埋め込み接触帯形成方法による最初の一部の段階を示す断面図である。
【図7】 図6に示す段階に続く段階を示す図である。
【図8】 図7に示す段階に続く段階を示す図である。
【図9】 図8に示す段階に続く段階を示す図である。
【図10】 図9に示す段階に続く段階を示す図である。
【図11】 図10に示す段階に続く段階を示す図である。
【図12】 埋め込み接触帯を有するDRAMの単位構成を示す図である。
【符号の説明】
200 半導体基板
202 深トレンチ
204 第1の誘電層
206 キャパシタ誘電層
208 第1の伝導層
210 環状絶縁層
212 第2の伝導層
216 第3の伝導層
214 プラズマドーピング
218 被覆層
Claims (13)
- 動的随時アクセスメモリにおけるトレンチキャパシタとトランジスタの電気的接続を形成する方法において、
(a)半導体基板にトレンチを形成する段階と、
(b)第1の導電層を前記トレンチに部分的に充填する段階と、
(c)前記第1の導電層より上の前記トレンチ上部の内壁に環状絶縁層を形成する段階と、
(d)前記第1の導電層上に、アモルファスシリコン層からなり、表面位置が前記基板表面より低い第2の導電層を形成する段階と、
(e)前記環状絶縁層の上端部が前記第2の導電層の表面より低くなるように、前記環状絶縁層の一部を除去し、前記トレンチの内壁の一部を再び露出させる段階と、
(f)前記トレンチ内壁の露出部分及び前記第2の導電層の表面に、埋め込み接触帯となる半球形シリコン結晶粒層からなる第3の導電層を選択成長法で前記半導体基板の表面より低くなるように形成する段階と
を有する
埋め込み接触帯形成方法。 - 前記第1の導電層はドーピングされた多結晶シリコンであることを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。 - 前記環状絶縁層は酸化シリコンからなることを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。 - 前記半球形シリコン結晶粒層に、ドーズ量が1018―1021cm−2のリン(P)イオンまたは砒素(As)イオンが添加されることを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。 - 前記半球形シリコン結晶粒層の厚さは20―100nmであることを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。 - 前記半球形シリコン結晶粒層の結晶粒径は10―50nmであることを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。 - 前記基板表面から前記第2の導電層までの深さは200nm以下であることを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。 - 前記第2の導電層の表面から前記環状絶縁層までの深さは30―50nmであることを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。 - 前記第2の導電層は、前記段階(e)と前記段階(f)の間に、前記第2の導電層に対しプラズマドーピングを施す段階をさらに有することを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。 - 前記段階(e)において、前記第2の導電層は、インサイチュー(in-situ)・ドーピングによりドーピングされたアモルファスシリコン層であることを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。 - 前記段階(e)と前記段階(f)の間に第2の導電層にライナ層を形成することを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。 - 前記段階(f)の後に第3の導電層に被覆層を形成することを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。 - 前記段階(e)において、前記環状絶縁層の一部は、ウェットエッチング法により除去されることを特徴とする
請求項1に記載の埋め込み接触帯形成方法。
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