JP4068441B2 - 半導体装置のキャパシタ構造体及びその形成方法 - Google Patents

半導体装置のキャパシタ構造体及びその形成方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置及びその製造方法に関するものであり、特に、接合領域とウェル領域との間の降伏電圧を高めることができる構造を有するMOS型キャパシタ構造体及びその形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置は二つの導電体及びこれらの間に介された誘電膜(dielectric layer)で構成されるキャパシタを含む。前記半導体装置で使用されるキャパシタは二つに区分することができる。一つは、二つの離隔された金属板とこれらの間に介された絶縁膜とからなった金属−絶縁膜−金属型キャパシタ(MIM型キャパシタ)である。他の一つは、半導体基板、その上に形成される導電膜及びこれらの間に介される絶縁膜で構成されるMOS型キャパシタである。
【0003】
前記MIM型キャパシタは理想的なキャパシタの望ましい特性を大部分有する。また、前記MIM型キャパシタは前記金属板に印加される電圧の極性に関係なく、プラス電荷またはマイナス電荷を全部維持できる長所を有する。しかし、前記MIM型キャパシタで、前記金属板の間に介される前記絶縁膜は通常、CVD方法により形成される。したがって、前記MIM型キャパシタの誘電膜として使用される前記絶縁膜の厚さは前記MOS型キャパシタで使用される絶縁膜の厚さに比べて厚いだけではなく、その厚さを精密に調節することが難しいという短所を有する。
【0004】
一方、前記MOS型キャパシタは、通常、MOSトランジスタ製造時に形成されるゲート酸化膜を前記誘電膜として使用する。前記ゲート酸化膜は半導体基板を熱酸化させる方法を通じて形成され、これは非常に一般的であり、安定した工程技術の中の一つに該当する。これによって、前記MOS型キャパシタの誘電膜は薄い厚さで形成することができ、同時に、優秀な絶縁特性を有することができる。
【0005】
一方、前記キャパシタの静電領域は前記導電体の面積に比例し、それらの間の間隔、すなわち、前記誘電膜の厚さに反比例する。これによって、前記誘電膜の厚さが厚い場合に、前記キャパシタの静電容量を確保するために広い面積の導電体を形成しなければならない。この点で、前記誘電膜の厚さを薄く形成できる前記MOS型キャパシタは、前記MIM型キャパシタに比べて有利な長所を有する。
【0006】
図1、図2及び図3は従来の技術によるMOS型キャパシタを説明するための平面図及び工程断面図である。図2及び図3は各々図1の1−1′及び2−2′に沿って見られる断面を示す。
【0007】
図1、図2及び図3を参照すると、半導体基板10の所定の領域に形成され、活性領域を限定する素子分離膜パターン12が配置される。前記活性領域にはイオン注入工程を通じて形成される下部電極領域20が配置される。この時に、前記下部電極領域20は前記MOS型キャパシタの一導電体として使用され、前記活性領域を一方向に横断する。すなわち、図3に示したように、前記下部電極領域20は一方向(例えば、図1の2−2′方向)で前記素子分離膜パターン12の向き合う二側壁に接する。
【0008】
前記下部電極領域20が形成された前記活性領域上にはゲート酸化膜14が配置される。前記ゲート酸化膜14を横切って前記素子分離膜パターン12に渡る、前記MOS型キャパシタのもう一方の導電体を構成する上部電極16が配置される。この時、前記下部電極領域20は、図2に示したように、前記上部電極16の両側に突出している。前記上部電極16の両側の活性領域には、前記上部電極16の横の方に突出した前記下部電極20のエッジに重畳される低濃度不純物領域22が形成される。
【0009】
ところで、前記下部電極領域20は、通常のイオン注入工程により形成された不純物領域のように、ラウンドされた形のエッジ99を有する。このような現象は、特に前記素子分離膜パターン12と接する位置で問題になる。すなわち、前記下部電極領域20に電圧が印加される場合に、前記ラウンドされたエッジ99には電気場が集中する。これによって、前記下部電極領域20は平坦な下部面に比べて前記ラウンドされたエッジ99で、接合降伏(junction breakdown)が先に発生する。その結果、前記従来の技術によるキャパシタ構造体は、前記接合降伏が発生する電圧を意味する降伏電圧が低くなる問題を有する。
【0010】
Andrew S.Groveが著述し、John Wiley&Sons出版社が出版した1967年版“半導体装置の物理学及び技術(PHYSICS AND TECHNOLOGY OF SEMICONDUCTOR DEVICES)”の191ページから201ページまでを参照すると、前記降伏電圧は前記下部電極領域20の形及びそこに含まれる不純物濃度に影響を受ける。Andrew S.Groveの著述に従う場合に、前記降伏電圧を高めるためには、前記半導体基板と接触する不純物領域の濃度を低くし、その形を緩慢に形成することが望ましい。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、降伏電圧が高い接合領域を下部電極に有するMOS型キャパシタを提供することにある。
【0012】
本発明の他の課題は、下部電極で使用される接合領域の降伏電圧を高めることができるMOS型キャパシタの形成方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために、本発明は下部電極のエッジに重畳されて形成される低濃度不純物領域を含む半導体装置のキャパシタ構造体を提供する。この構造体は半導体基板の所定の領域に形成されて活性領域を限定する素子分離膜パターン、前記活性領域の上部の中央に配置されて前記活性領域のエッジを露出させる上部電極、前記上部電極の下の前記活性領域に形成される下部電極領域及び前記下部電極領域のエッジに重畳される低濃度不純物領域を含む。
【0014】
望ましくは、前記活性領域及び前記上部電極の間にキャパシタ誘電膜が介される。また、前記低濃度不純物領域は前記下部電極領域より深いことが望ましい。
【0015】
これに加えて、前記低濃度不純物領域内には高濃度不純物領域が配置されることが望ましい。この時に、前記低濃度不純物領域、前記下部電極領域及び前記高濃度不純物領域は前記活性領域と異なる導電型の不純物を含む。
【0016】
前記他の技術的課題を達成するために、本発明は下部電極領域のエッジに重畳された低濃度不純物領域を形成する段階を含む半導体装置のキャパシタ構造体形成方法を提供する。この方法は、半導体基板の所定の領域に活性領域を限定する素子分離膜パターンを形成し、前記活性領域の中央部に下部電極領域を形成し、前記活性領域の上部に、前記下部電極領域のエッジを露出させる上部電極を形成した後に、前記上部電極の周辺の前記活性領域に低濃度不純物領域を形成する段階を含み、前記低濃度不純物領域は前記下部電極領域のエッジに重畳されるように形成することを特徴とする。
【0017】
望ましくは、前記下部電極領域を形成した後に、前記活性領域にキャパシタ誘電膜を形成する段階を含み、前記キャパシタ誘電膜は前記活性領域を熱酸化させて形成する。
【0018】
前記低濃度不純物領域は、前記下部電極領域のエッジを囲むように、前記下部電極領域より深く形成することが望ましい。前記低濃度不純物領域を形成した後に、前記低濃度不純物領域内に高濃度不純物領域を形成する段階をさらに含むことが望ましい。また、前記下部電極領域、前記低濃度不純物領域及び前記高濃度不純物領域は前記活性領域と異なる導電型の不純物を含むように形成する。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明はここで説明される実施形態に限定されず、他の形態で具体化することができる。むしろ、ここで紹介する実施形態は開示された内容を徹底した完全なものにし、当業者に本発明の思想を十分に伝達することができるように提供されている。図面において、層及び領域の厚さは明確性のために誇張されたものである。また、層が他の層または基板上にあると言及される場合に、それは他の層、または基板上に直接形成され得るもの、またはそれらの間に第3の層が介され得るものであることを理解されたい。
【0020】
図4及び図5は各々本発明の望ましい実施形態によるMOS型キャパシタ構造体を説明するための平面図及び斜視図である。
【0021】
図4及び図5を参照すると、半導体基板100の所定の領域に形成され、活性領域を限定する素子分離膜パターン110が配置される。前記活性領域には前記素子分離膜パターン110から離隔されたエッジを有する下部電極領域120が配置される。これによって、前記下部電極領域は前記活性領域内で、前記活性領域より狭い面積を有する。前記下部電極領域120上には本発明によるMOS型キャパシタの誘電膜として使用されるキャパシタ誘電膜130が配置される。
【0022】
前記キャパシタ誘電膜130上には、前記素子分離膜パターン110からエッジまでの離隔距離が前記下部電極領域120より長いことを特徴とする上部電極140が配置される。これによって、前記上部電極140は前記キャパシタ誘電膜130上で、前記下部電極領域120より狭い面積を有する。すなわち、前記下部電極領域120のエッジは、平面的に見る時に、前記上部電極140と前記素子分離膜パターン110との間で閉曲線を形成する。前記上部電極140は伝導性を有するように不純物を含む多結晶シリコンからなることが望ましい。
【0023】
前記上部電極140の周辺の前記活性領域には、低濃度不純物領域150が配置される。この時に、前記低濃度不純物領域150は前記下部電極領域120のエッジと重畳されることを特徴とする。すなわち、前記低濃度不純物領域150は前記下部電極領域120と共有する重畳不純物領域155を備える。また、前記低濃度不純物領域150は前記下部電極領域120より前記半導体基板100の上部面からさらに深く形成される。これによって、前記下部電極領域120のエッジはさらに低い不純物濃度を有する前記低濃度不純物領域150により囲まれることによって、電気場の集中の問題を最小化できる。また、前記低濃度不純物領域150内には高濃度不純物領域160を形成することもできる。
【0024】
一方、前記半導体基板100の上部領域には前記下部電極領域120及び前記低濃度不純物領域150の下部面を囲むウェル領域105が配置されることが望ましい。前記ウェル領域105は第1導電型の不純物を含み、前記下部電極領域120及び前記低濃度不純物領域150は前記第1導電型と反対の第2導電型の不純物を含むことが望ましい。また、前記高濃度不純物領域160は前記低濃度不純物領域150と同一の導電型、すなわち、第2導電型の不純物を含むことが望ましい。この時、前記低濃度不純物領域150、高濃度不純物領域160及び下部電極領域120に含まれる不純物の導電型は同一であっても、その種類は異なるものとすることができる。
【0025】
一方、前記低濃度不純物領域150、高濃度不純物領域160及び下部電極領域120が前記ウェル領域105とPN接合を形成するように、前記ウェル領域105の所定の領域に電圧を印加できるウェルバイアス領域152をさらに形成することもできる。前記ウェルバイアス領域152は前記ウェル領域105のような導電型すなわち、第1導電型の不純物を高濃度で含む領域であることが望ましい。
【0026】
図6は本発明によるキャパシタ構造体の特性を説明するためのグラフとして、前記ウェル領域に対してPN接合を形成するMOS型キャパシタの下部電極の降伏電圧を測定した実験結果である。
【0027】
図6を参照すると、実験では従来の技術の場合、図1に説明したMOS型キャパシタを使用し、本発明の場合に、図4及び図5で説明したキャパシタ構造体を使用した。しかし、実験に使用された従来の技術によるMOS型キャパシタ構造体は、本発明によるMOS型キャパシタ構造体の前記ウェル領域105、ウェルバイアス領域152及び高濃度不純物領域160と同一のものを備えた。したがって、実験に使用された従来の技術によるMOS型キャパシタは、一方向(図1の2−2′方向)で前記下部電極領域20のエッジが前記低濃度不純物領域22と重畳されない領域を有する点でのみ、本発明によるMOS型キャパシタと構造的な差を有する。
【0028】
この時に、従来の技術及び本発明によるMOS型キャパシタの下部電極領域120の降伏電圧は各々大略14V及び21Vで測定した。したがって、本発明によるMOS型キャパシタの下部電極領域120は従来の技術によるMOS型キャパシタの場合より高い降伏電圧を有することが確認できる。これは先に言及したAndrew S.Groveの著述による理論にも一致する。
【0029】
図7乃至図10は本発明の望ましい実施形態によるMOS型キャパシタ構造体の形成方法を説明するための工程断面図であり、図4の3−3′による各工程段階の断面を示す。
【0030】
図7を参照すると、半導体基板100の所定の領域に第1導電型のウェル領域105を形成する。前記ウェル領域105を含む半導体基板100に第1活性領域及び第2活性領域を限定する素子分離膜パターン110を形成する。前記第1活性領域の中央部に下部電極領域120を形成する。前記第2活性領域の上部面及び前記下部電極領域120が形成された前記第1活性領域の上部面にキャパシタ誘電膜130を形成する。
【0031】
後続工程を通じて、前記第1活性領域に本発明によるMOS型キャパシタを形成し、前記第2活性領域に前記ウェル領域105に電圧を印加するウェルバイアス領域を形成する。
【0032】
前記下部電極領域120と前記ウェル領域105とがPN接合を形成するように、前記下部電極領域120は第2導電型不純物を使用するイオン注入工程を実施して形成する。この時に、前記第1導電型と第2導電型とは互いに異なる、すなわち、反対になる導電型である。前記イオン注入工程は前記半導体基板100上にバッファ酸化膜(図示せず)を形成した後に、これをチャネリング防止膜として利用することが望ましい。
【0033】
前記下部電極領域120は前記第1活性領域の中央部に配置されることによって、前記素子分離膜パターン110から離隔されたエッジを有する。このために、前記下部電極領域120を形成するための前記イオン注入工程は前記第1活性領域の中央部を露出させるフォトレジストパターン(図示せず)を形成した後に、これをイオン注入マスクとして利用する。
【0034】
半導体装置は本発明で説明するキャパシタ構造体以外の構造、すなわち、多様な種類のトランジスタ、抵抗構造体及び配線などを含む。この時に、本発明による前記下部電極領域120は前記半導体装置に含まれる前記トランジスタの製造工程と両立できる。さらに具体的には、通常、半導体装置はデプリーションモードMOSトランジスタ(depletion mode MOSFET)を含み、前記下部電極領域120は前記デプリーションモードMOSトランジスタ製造工程で実施されるデプリーション領域の形成のためのイオン注入工程を利用することによって、追加的な工程段階の増加なしに形成できる。このように、追加的な工程段階の増加なしに前記下部電極領域120を形成することによって、工程費用を節減できる。
【0035】
前記キャパシタ誘電膜130を形成する前に、前記活性領域の上部面が露出するように前記バッファ酸化膜を除去する。以後、前記キャパシタ誘電膜130は前記バッファ酸化膜が除去された前記活性領域の上部面を熱酸化させることによって形成することが望ましい。前記キャパシタ誘電膜130は前記半導体装置に含まれるトランジスタのゲート酸化膜(図示せず)形成工程を通じて形成することが望ましい。このような前記キャパシタ誘電膜130の前記ゲート酸化膜との工程両立性により、前記下部電極領域120での工程両立性と同様、半導体装置の製造費用が節減できる。
【0036】
図8を参照すると、前記キャパシタ誘電膜130を含む半導体基板の全面に導電膜(図示せず)を形成した後に、前記導電膜をパターニングして上部電極140を形成する。
【0037】
この時に、前記上部電極140は、平面的に見る時に、前記下部電極領域120のエッジが露出するように形成することが望ましい。すなわち、前記上部電極140は前記下部電極領域120よりそのエッジから前記素子分離膜パターン110までの距離がさらに長い。これによって、前記上部電極140は前記キャパシタ誘電膜130上で、前記下部電極領域120より狭い面積を有しながら形成される。
【0038】
前記導電膜は伝導性を有するように、不純物を含む多結晶シリコン膜であることが望ましい。前記上部電極140を形成する段階は前記導電膜上に第1マスクパターン(図示せず)を形成した後に、これをエッチングマスクとして利用する異方性エッチング工程を通じて形成することが望ましい。一方、前記第1マスクパターンを形成する前に、前記導電膜上に他の導電膜及び絶縁膜をさらに積層させた後に、前記上部電極140を形成できる。前記上部電極140の形成のためのエッチング工程は前記キャパシタ誘電膜130に対して選択性を有するエッチングレシピを使用して実施する。
【0039】
図9を参照すると、前記上部電極140を含む半導体基板上に前記第2活性領域を含む所定の領域を覆う第2マスクパターンを形成する。前記第2マスクパターン及び前記上部電極140をマスクとして使用するイオン注入工程を実施し、前記上部電極140の周辺の前記第1活性領域に低濃度不純物領域150を形成する。
【0040】
これによって、前記低濃度不純物領域150は前記下部電極領域120のエッジに重畳して形成される。すなわち、前記上部電極140の周りには、前記低濃度不純物領域150及び前記下部電極領域120が共に重畳した重畳不純物領域155が形成される。この時に、従来の技術で説明したように、前記下部電極領域120のラウンドされたエッジが前記ウェル領域105に直接接触することによって発生する降伏電圧の降下現象を最少とするために、前記低濃度不純物領域150は前記下部電極領域120より深く形成することが望ましい。この場合に、前記下部電極領域120の下部面のみが前記ウェル領域105に直接接触し、前記下部電極領域120のラウンドされたエッジは前記低濃度不純物領域150により覆われる。
【0041】
また、前記低濃度不純物領域150及び前記ウェル領域105がPN接合を形成するように、前記低濃度不純物領域150は前記ウェル領域105と異なる導電型、すなわち、第2導電型の不純物を含むように形成する。一方、前記ウェル領域105に順方向電圧を印加できるように、前記第2活性領域に前記ウェル領域105のような導電型の不純物を高濃度で含むウェルバイアス領域152を形成する。したがって、前記ウェルバイアス領域152は第1導電型の不純物を使用するイオン注入工程を通じて形成することが望ましい。
【0042】
図10を参照すると、前記低濃度不純物領域150内に高濃度不純物領域160を形成する。前記高濃度不純物領域160を含む半導体基板の全面に層間絶縁膜170を形成した後に、これをパターニングして、前記高濃度不純物領域160、前記上部電極140及び前記ウェルバイアス領域152の上部面を露出させる開口部175を形成する。前記開口部175を通じて、前記高濃度不純物領域160、前記上部電極140及び前記ウェルバイアス領域152に各々接続する下部電極用の導電パターン180、上部電極用の導電パターン185及びウェルバイアス導電パターン182を形成する。
【0043】
前記高濃度不純物領域160は前記低濃度不純物領域150より薄く形成することが望ましい。これによって、前記高濃度不純物領域160は前記低濃度不純物領域150により囲まれるDDD構造を形成する。
【0044】
前記層間絶縁膜170、前記開口部175及び前記導電パターン180、182、185を形成する段階は通常の方法を使用して実施することができ、したがって、これに対する説明は省略する。
【0045】
【発明の効果】
本発明によると、下部電極領域のエッジに重畳される低濃度不純物領域を形成する。これによって、下部電極領域のエッジに電気場が集中する現象を予防する。その結果、不純物領域の形態で形成される下部電極の降伏電圧を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の技術によるMOS型キャパシタを示す平面図である。
【図2】 従来の技術によるMOS型キャパシタを示す工程断面図である。
【図3】 従来の技術によるMOS型キャパシタを示す工程断面図である。
【図4】 本発明の望ましい実施形態によるMOS型キャパシタ構造体を説明するための平面図である。
【図5】 本発明の望ましい実施形態によるMOS型キャパシタ構造体を説明するための斜視図である。
【図6】 本発明によるMOS型キャパシタ構造体の特性を示すグラフである。
【図7】 本発明の望ましい実施形態によるMOS型キャパシタ構造体の形成方法を説明するための工程断面図である。
【図8】 本発明の望ましい実施形態によるMOS型キャパシタ構造体の形成方法を説明するための工程断面図である。
【図9】 本発明の望ましい実施形態によるMOS型キャパシタ構造体の形成方法を説明するための工程断面図である。
【図10】 本発明の望ましい実施形態によるMOS型キャパシタ構造体の形成方法を説明するための工程断面図である。
【符号の説明】
12 素子分離膜パターン
14 ゲート酸化膜
16,140 上部電極
20,120 下部電極領域
22 低濃度不純物領域
99 エッジ
100 半導体基板
110 素子分離膜パターン
130 キャパシタ誘電膜
150 低濃度不純物領域
152 ウェルバイアス領域
155 重畳不純物領域
160 高濃度不純物領域
170 層間絶縁膜
175 開口部
180,182,185 導電パターン

Claims (15)

  1. 半導体基板の領域に活性領域を限定する素子分離膜パターンを形成する段階と、
    前記活性領域の中央部に前記素子分離膜パターンから離隔したエッジを有する下部電極領域を形成する段階と、
    前記下部電極領域を形成した後に、前記活性領域上にキャパシタ誘電膜を形成する段階と、
    前記キャパシタ誘電膜上に、前記素子分離パターンからエッジまでの離隔距離が、前記素子分離パターンから前記下部電極領域のエッジまでの離隔距離よりも長い上部電極を形成する段階と、
    前記上部電極の周辺の前記活性領域に前記下部電極領域より低い不純物濃度を有する低濃度不純物領域を形成する段階と、を含み、
    前記低濃度不純物領域は、前記半導体基板の上部面からの深さが前記下部電極領域より深く、前記下部電極領域のエッジに重畳されるように形成することを特徴とする半導体装置のキャパシタ構造体形成方法。
  2. 前記キャパシタ誘電膜は前記活性領域を熱酸化させて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キャパシタ構造体形成方法。
  3. 前記下部電極領域は前記活性領域と異なる導電型の不純物を含むように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キャパシタ構造体形成方法。
  4. 前記低濃度不純物領域は前記活性領域と異なる導電型の不純物を含むように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キャパシタ構造体形成方法。
  5. 前記低濃度不純物領域を形成した後、前記低濃度不純物領域内に高濃度不純物領域を形成する段階を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置のキャパシタ構造体形成方法。
  6. 前記高濃度不純物領域は前記活性領域と異なる導電型の不純物を含むように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キャパシタ構造体形成方法。
  7. 前記上部電極は不純物を含む多結晶シリコン膜で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キャパシタ構造体形成方法。
  8. 半導体基板の領域に形成されて活性領域を限定する素子分離膜パターンと、
    前記活性領域の中央部に形成され、前記素子分離膜パターンから離隔したエッジを有する下部電極領域と、
    前記下部電極領域を含む前記活性領域上に形成されたキャパシタ誘電膜と、
    前記キャパシタ誘電膜上に形成された、前記素子分離膜パターンからエッジまでの離隔距離が、前記素子分離膜パターンから前記下部電極領域のエッジまでの離隔距離よりも長い上部電極と、
    前記上部電極の周辺の前記活性領域に、前記下部電極領域よりも低い不純物濃度で、且つ前記下部電極領域よりも前記半導体基板の上面から深く形成された低濃度不純物領域と、を含み、
    前記低濃度不純物領域は前記下部電極領域のエッジに重畳していることを特徴とする半導体装置のキャパシタ構造体。
  9. 前記下部電極領域は前記上部電極より広い面積を有することを特徴とする請求項8に記載の半導体装置のキャパシタ構造体。
  10. 前記低濃度不純物領域は前記素子分離膜パターンと前記上部電極との間の前記活性領域に形成されることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置のキャパシタ構造体。
  11. 前記低濃度不純物領域内に、高濃度不純物領域が配置されることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置のキャパシタ構造体。
  12. 前記低濃度不純物領域は前記活性領域と異なる導電型の不純物を含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置のキャパシタ構造体。
  13. 前記下部電極領域は前記活性領域と異なる導電型の不純物を含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置のキャパシタ構造体。
  14. 前記高濃度不純物領域は前記活性領域と異なる導電型の不純物を含むことを特徴とする請求項11に記載の半導体装置のキャパシタ構造体。
  15. 前記上部電極は不純物を含む多結晶シリコン膜であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置のキャパシタ構造体。
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