JP3963970B2 - Dramセルおよびその形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は全体としてダイナミックランダムアクセスメモリDRAMに関しており、より詳細に云えば深いトレンチを有するDRAMセルおよびその形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
DRAMとはダイナミックランダムアクセスリードライトメモリの頭文字である。このメモリではデータは一時的にしか蓄積されず、メモリは絶えずリフレッシュされ、またデータがメモリ内に再書き込みされる。典型的なDRAMメモリではキャパシタが前もって決められたレベルに充電され、データが蓄積されるが、この蓄積は蓄積セル内の寄生リーク電流のために一時的である。しかし小さなサイズのDRAMメモリセルはデータ処理装置において広汎に用いられている。この分野においては、経済的かつ改善されたDRAMの製造方法、つまりこのデバイスに結びついているリーク電流を減少または除去する方法を提供するため、多くの研究が行われてきた。
【0003】
図1に示されているように、典型的なDRAMセルはビット線4とノード6との間のチャネルに接続されたMOSトランジスタ3を含む。ノード6はキャパシタ8の一方の端に接続されている。キャパシタ8の他方の端はノード10を介して直流電圧源Vに接続されている。トランスファトランジスタ3のトランスファゲート11は図示のようにワード線12に接続されている。書き込み動作は、典型的には、完全にトランジスタ3をターンオンさせるため、ワード線12上の電圧をハイレベルに引き上げることによって実行される。その直後にビット線4はハイまたはローで駆動され、キャパシタ8はハイレベル電圧またはローレベルの基準電圧(例えばグラウンド)のいずれかに充電される。この書き込み動作を実行した後、ワード線12はローレベルの電圧に戻され、トランジスタ3はターンオフし、そのチャネルはローレベルのインピーダンスからハイレベルのインピーダンスへ移行する。またノード6ひいてはキャパシタ8がビット線4から分離される。キャパシタ8が書き込み動作の間に充電されていれば、DRAM内の固有リーク電流によってその充電は緩やかにリークする。このため、DRAMを動作させるには、そのキャパシタがディジタル「1」または「0」を蓄積していることを示すことが出来なくなるようなレベルまで放電される前に、デバイスをリフレッシュするかまたはデバイス内にデータを再書き込みする必要がある。すなわち、リーク電流が減少されてデバイスをしばしばリフレッシュしなくてもよくなれば、DRAMデバイスをより効率的に製造することができる。
【0004】
図1の等価回路図のDRAMに相当する典型的なデバイス構造が図2に示されている。図2には公知のトレンチ技術を用いたDRAM製造が示されており、ここではキャパシタセル14が関係する半導体基板18内に深いトレンチ16をエッチングすることにより製造される。この例では薄い誘電体層またはノード誘電体層19がトレンチ16の内壁に堆積され、その後トレンチ16が高度にn+ドープされたポリシリコン20またはポリフィルによって充填される。ポリシリコン20および半導体基板18はDRAMのキャパシタ8の2つの電極と等価である。n+にドープされた2つのウェル22,24はp-ドープされた基板18内に形成され、これによりトランジスタ3のドレイン電極およびソース電極が形成される。まずキャパシタ8を放電させるリーク電流に寄与するのはDRAMセルの製造のための処理中にトレンチセル16の周りに発生する転位である。
【0005】
埋め込みプレート26は図示のように基板18内のn+ドープされた領域に設けられる。有効なキャパシタ電極としての半導体基板18の使用を拡張するために、高濃度にドープされた埋め込みプレート26の領域がトレンチ16の実質的な部分を取り囲んでいる。小さな寄生トランジスタ28が埋め込みプレート26とMOSトランスファトランジスタ3のドレイン(またはソース)との間に設けられている。ノード誘電体層19が寄生トランジスタ28のゲート酸化物として働くことに注意すべきである。寄生トランジスタ28は蓄積時間中にキャパシタ8を放電させるが、極端に云えばこの寄生トランジスタ28は基板18内に形成されたトレンチキャパシタ8も短絡させる。
【0006】
公知の技術では、単結晶シリコン基板内の酸化物およびポリシリコンで満たされた深いトレンチの周りの転位は制御することが難しい。半導体基板18に対してトレンチ16をポリシリコン20で充填するあいだの種々の熱膨張係数によって生じるストレスがこの問題をより困難にしている。ストレスを最小にするためには、ほぼ全ての隙間を回避しつつトレンチを高度にドープされたポリシリコンで充填することが望ましい。トレンチ16の側壁の酸化を避けるため、続く処理においても注意が必要である。現在のところ、公知の技術によっては、膨大な技術的時間を費やし、関連の処理フローを注意深く制御しなければこれらの問題を最小にすることができない。
【0007】
しかも現在知られているDRAMトレンチ技術では、寄生トランジスタ28は完全には除去することができない。ただし寄生トランジスタ28は薄いノード誘電体層19の上方部分に代えて図3に示されるカラー酸化物30を用いれば減少させることができる。この薄いカラー酸化物30は寄生トランジスタ28のスレッショールド電圧をDRAMセルの通常の動作中に現れる標準的な電圧よりも高い値にまで増加させるので、寄生トランジスタ28の悪影響が低減される。ドレイン電極またはソース電極22をキャパシタ8の一方のプレートとなるトレンチ16のポリシリコン20に接続するストラップ32を使用することもできる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
DRAMのリーク電流を減少または除去できる、より経済的な方法を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この課題は請求項1の特徴を有するDRAMセルおよび請求項5の特徴を有するDRAMセルの形成方法により解決される。
【0010】
【発明の実施の形態】
従来技術の問題を克服するために、本発明の発明者は、単純化された処理によりSOI基板(シリコンオンインシュレータ基板)を用いて製造されるDRAMセルを開発した。
本発明においては、トレンチの周囲からMOSトランスファトランジスタを絶縁するために、トレンチ技術を用いてDRAMセルを製造するためにSOI基板が用いられ、セルの特性に影響を与えるトレンチ周りの転位を防止する。このようにしてトレンチ側壁に沿って寄生トランジスタが除去され、カラー酸化物の使用が回避され、処理が単純化される。本発明の別の実施形態においては、SOI基板に対して高濃度にドープされた材料を用いることにより、埋め込みプレートを形成する必要を排除できる。
【0011】
【実施例】
本発明の種々の実施例を、図面を参照しながら説明する。ここで同様な素子には同様の参照記号を付してある。
【0012】
本発明で使用されるSOI半導体ウェファまたはSOI基板36に関する典型的なパラメータが例えば図4に示されている。ここで基板は10E17cm3にn+ドープされており、そのうちSOI酸化層40下方の最初の8nmはヒ素によって表面濃度約10E20cm3にドープされている。また基板をp+ドープし、SOI酸化層40の厚さを300nmとしてもよい。このときには基板と反対の電導度にドープされた薄いシリコンデバイス層42が設けられ、その典型的な厚さは100nm以下である。
【0013】
本発明の1つの実施例として、図4から図12に示されている処理段階を用いてDRAMメモリセルが製造される。周知の従来の処理においては、初期の処理段階で図4に示されるようにトレンチ44,46がエッチングされ、トレンチ44,46の内壁にノード酸化によりノード誘電体層48が形成される。図示されているようにパッド窒化層50がシリコンデバイス層を覆うように形成される。さらにTEOSエッチマスク層52が図示されているようにパッド窒化層50を覆うように形成される。
【0014】
図5によれば、次の段階では、トレンチ44,46の底からTEOSエッチマスク層52のトップレベルまでが高度にドープされたn + ポリシリコン材料またはp + ポリシリコン材料54で充填される。続いて次の段階で、図6に示されているように、一般的な技術によりTEOSエッチマスク層52が除去される。
【0015】
続く段階では、図7に示されているように、絶縁のためのSOI酸化層40の中ほどのレベルまでポリシリコン材料54がエッチダウンされ、くぼみが設けられる。さらにノード酸化物37が薄いシリコンデバイス層42の端部から等方性エッチングによって除去される。
【0016】
図8によれば、次に、トレンチ44,46の上方部分が真性ポリシリコン材料55によって再充填される。この真性ポリシリコン材料は特に以前のポリシリコン材料54の上方に「ポリフィル2」として示されている。図9に示されている次の段階では、まず真性ポリシリコン材料がアクティブなシリコンデバイス層42の中ほどのレベルまでエッチングされる。さらに公知のエッチングプロセスにより、図10に示されているように、2つの隣接するトレンチ44,46間のパッド窒化層50およびシリコンデバイス層42がSOI酸化層40のレベルまでエッチ除去される。続いて残っているポリシリコンスタッドが典型的には800℃〜1050℃で熱酸化され、厚さ約20nmの酸化物となる。この熱酸化段階により、この実施例で高度にドープされたn+ポリシリコン材料54から残っているポリシリコン材料55を通して薄いシリコンデバイス層部分42へ、ヒ素の外側拡散が生じる。望ましい実施例においてはこの外側拡散は約100nmにわたり、関連するMOSトランジスタのドレイン(またはソース)が形成される。これは当該分野の技術者にとっては図10に示されている埋め込みストラップ56として知られている。
【0017】
次の段階では、シリコンデバイス層42の残留部分であるアクティブなシリコンアイランド間のギャップがCVD法(化学蒸着法)により酸化物58で充填され、これがパッド窒化層50のレベルまで平坦化される。図11によれば窒化層50は平坦化後に除去され、アクティブ領域が犠牲酸化によって典型的には15nmほど酸化される。
【0018】
図12によれば、必要なデポジション、リソグラフィおよびエッチングの段階が実行された後、NMOSデバイスまたはPMOSデバイスの組み込みが公知の処理段階を用いて実行される。これら全ての段階が実行されると、DRAMセルデバイス60が得られる。DRAM60は、ゲートスタック62(この実施例においてはそれぞれn + 層またはp + 層およびその上方の真性窒素酸化物層を含んでいる)、チャネル領域64、ソース領域およびドレイン領域66を含んでおり、MOSトランスファトランジスタ3が形成される。
【0019】
高濃度にドープされた材料がSOI基板36に用いられれば、埋め込み酸化物または埋め込みストラップ56のためのドーピング処理を省略できることに留意すべきである。このような材料は公知のウェファボンディング技術を用いることによって得られる。
【0020】
MOSトランジスタ3はトレンチ44,46の周囲から完全に絶縁されており、このMOSトランジスタ3の能力はトレンチ44,46のいかなる転位によっても影響を受けないように強化されている。しかも上述したように、従来技術のごとくカラー酸化物30を設ける必要がなくなり、DRAM60の製造処理が単純化される。DRAM60は放射硬化される。ここで埋め込み酸化物または埋め込みストラップ56の使用により、ヴァーティカルトランジスタの動作は不可能である。さらに本発明のDRAM60の製造方法を使用することによって、低濃度にドープされたSOI基板を用いる分野においては、高濃度にドープされた基板36で必要とされる電圧Vdd/2の代わりに、0VでのVplate動作が得られる。これによりラッチアップ問題が排除され、CMOSスイッチング作用がDRAM60に影響しなくなる。
【0021】
図4から図12に示したように、本発明の実施例では、基板36はn+ドープ、薄いシリコンデバイス層42はp-ドープ、ポリシリコン54はn+ドープ、MOSトランジスタ3のドレイン領域56およびソース領域66はn+ドープ、そのチャネル領域64はp-ドープ、ゲートスタック62の第1の層はn+ドープされる。別の実施例として、基板36をp+ドープ、薄いシリコンデバイス層42をn-ドープ、ポリシリコン54をp+ドープ、MOSトランジスタ3のドレイン領域56およびソース領域66をp+ドープ、そのチャネル領域をn-ドープ、ゲートスタック62の第1の層68をp+ドープしてもよい。ゲートスタック62のトップは真性材料であり、この実施例では窒素酸化物で形成される。
【0022】
本発明の種々の実施例を説明したが、これらは本発明を限定するものではない。当該分野の技術者にとっては実施例に対する変更が可能であるが、それらの変更点は特許請求の範囲によってカバーされる。
【0023】
【発明の効果】
トレンチ側壁における寄生トランジスタが除去され、カラー酸化物が不要となり、処理が単純化される。しかもSOI基板として高濃度にドープされた材料を用いることにより、埋め込みプレートの処理も省略できる。DRAMのリーク電流を減少または除去できる、より経済的な方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術のDRAMセルの等価回路図である。
【図2】 従来技術のDRAMセルの構造の断面図である。
【図3】 寄生トランジスタ効果を減少させるために深いトレンチの上方部分に薄いカラー酸化物を組み込んだ従来技術のDRAMメモリセル構造の断面図である。
【図4】 本発明のDRAMセルの製造方法の1つの処理段階を示す縦断面図である。
【図5】 本発明のDRAMセルの製造方法の別の処理段階を示す縦断面図である。
【図6】 本発明のDRAMセルの製造方法の別の処理段階を示す縦断面図である。
【図7】 本発明のDRAMセルの製造方法の別の処理段階を示す縦断面図である。
【図8】 本発明のDRAMセルの製造方法の別の処理段階を示す縦断面図である。
【図9】 本発明のDRAMセルの製造方法の別の処理段階を示す縦断面図である。
【図10】 本発明のDRAMセルの製造方法の別の処理段階を示す縦断面図である。
【図11】 本発明のDRAMセルの製造方法の別の処理段階を示す縦断面図である。
【図12】 本発明のDRAMセルの製造方法の別の処理段階を示す縦断面図である。
【符号の説明】
3 MOSトランジスタ、 4 ビット線、 6 ノード、 8 キャパシタ、 10 ノード、 11 トランスファゲート、 12 ワード線、 14 キャパシタセル、 18 半導体基板、 19 ノード誘電体層、 20 ポリシリコン、 22,24 ウェル、 26 埋め込みプレート、 28 寄生トランジスタ、 30 カラー酸化物、 32 ストラップ、 36 基板、 37 ノード酸化物、 40 SOI酸化層、 42 シリコンデバイス層、 44,46 トレンチ、 48 ノード誘電体層、 50 パッド窒化層、 52 TEOSエッチマスク層、 54 ポリシリコン材料、 55 真性ポリシリコン材料、 56 埋め込み酸化物または埋め込みストラップ、 58 CVD酸化物、 60 DRAM、 62 ゲートスタック、 64 チャネル領域、 66 ソース領域またはドレイン領域
Claims (12)
- 第1電導度にドープされたSOI基板と、
該基板の所定の領域に形成された複数のトレンチと、
各トレンチの内壁にノード酸化により形成されたノード誘電体層と、
各トレンチに接する前記基板上のSOI酸化層と、
各トレンチ内で前記SOI酸化層を超える高さまで延在する、第1電導度にドープされたポリシリコン材料および真性ポリシリコン材料と、
該材料およびトレンチ間の前記SOI酸化層上に設けられて平坦化されたCVD酸化層と、
前記第1電導度と反対の第2電導度を有するように初期的にドープされ、前記CVD酸化層および前記材料の共通エッジに接して前記SOI酸化層を覆う平坦化されたシリコンデバイス層と、
前記シリコンデバイス層のうち各トレンチの他方側に接する部分に形成され、電気的接続のために前記材料まで伸びる埋め込みストラップと、
前記シリコンデバイス層に形成されたMOSトランスファトランジスタと
を含む
ことを特徴とするDRAMセル。 - 前記基板は10 17 /cm 3 にドープされており、そのうちSOI酸化層下方の最初の8nmではドーパントの表面濃度10 20 /cm 3 を有する、請求項1記載のDRAMセル。
- 前記SOI酸化層の厚さは300nmであり、前記シリコンデバイス層の厚さは100nmより小さい、請求項1記載のDRAMセル。
- 前記ポリシリコン材料の上部は厚さ20nmの酸化物を含む、請求項1記載のDRAMセル。
- 基板が所定の表面濃度を有するように第1電導度のドーパントをSOI基板にドーピングする段階と、
前記基板上にSOI酸化層を形成する段階と、
前記SOI酸化層を覆うシリコンデバイス層を形成する段階と、
該シリコンデバイス層を第1電導度と反対の第2電導度にドーピングする段階と、
該シリコンデバイス層を覆うパッド窒化層を形成する段階と、
該パッド窒化層を覆うTEOSエッチマスク層を形成する段階と、
該TEOSエッチマスク層を用いて、前記パッド窒化層、前記シリコンデバイス層および前記SOI酸化層を通して前記基板まで複数のトレンチをそれぞれ懸隔してエッチングする段階と、
各トレンチの内壁上にノード酸化によりノード誘電体層を形成する段階と、
第1電導度にドープされたポリシリコン材料で前記TEOSエッチマスク層のトップレベルまで各トレンチを充填する段階と、
前記TEOSエッチマスク層を除去する段階と、
前記ポリシリコン材料を前記SOI酸化層の中ほどのレベルまでエッチングしてくぼみを形成する段階と、
等方性エッチングにより各トレンチ間の前記シリコンデバイス層の端部からノード誘電体層を除去する段階と、
前記トレンチに残っている第1電導度のポリシリコン材料の上方を真性ポリシリコン材料で再充填する段階と、
前記シリコンデバイス層の中ほどのレベルまで前記真性ポリシリコン材料をエッチングして各トレンチの上部にポリシリコンスタッドを形成する段階と、
トレンチ間の前記SOI酸化層をエッチストップとして用いながらトレンチ間の前記パッド窒化層および前記シリコンデバイス層をエッチングにより除去する段階と、
あらかじめ定められた厚さまで各トレンチのポリシリコンスタッドを熱酸化し、これにより下方のドープされたポリシリコン材料から真性ポリシリコン材料の残っている部分を通してドーパント材料を外側拡散させてシリコンデバイス層のうち各トレンチの他方側に接する部分に埋め込みストラップを形成する段階と、
前記シリコンデバイス層の残っている部分の間のギャップをCVD法によりCVD酸化物で充填する段階と、
前記パッド窒化層のレベルまで前記CVD酸化物を平坦化する段階と、
前記パッド窒化層を平坦化により除去する段階と、
前記シリコンデバイス層の残っている部分を犠牲酸化により酸化させる段階と、
隣接するチャネル領域、ドレイン領域およびソース領域とこれらの一部を覆うゲートスタックとから成るMOSトランジスタスイッチを前記シリコンデバイス層へ組み込む段階と
を含む
ことを特徴とするDRAMセルの形成方法。 - 前記基板は10 17 /cm 3 にドープされている、請求項5記載の方法。
- 前記基板のうち前記SOI酸化層下方の最初の8nmではヒ素ドーパントの表面濃度が10 20 /cm 3 である、請求項5記載の方法。
- 前記SOI酸化層の厚さは300nmである、請求項5記載の方法。
- 前記シリコンデバイス層の厚さは100nmより小さい、請求項1記載の方法。
- 熱酸化段階を800℃〜1050℃の温度で実行する、請求項5記載の方法。
- 熱酸化段階で前記ポリシリコンスタッドを酸化し、厚さ20nmの酸化物を生じさせる、請求項5記載の方法。
- 熱酸化段階でドーパント材料を100nmだけ前記シリコンデバイス層内へ外側拡散させる、請求項5記載の方法。
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Publications (2)
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