JP4197576B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、メモリセルの製造方法に係わり、特に、高濃度DRAMセルによる自己整合トレンチキャパシタのキャッピングプロセスに関する。
【0002】
【従来の技術】
図17(a)は、256MビットDRAMのトレンチキャパシタを示す。このトレンチキャパシタは、トレンチ101を備えた基板100を有する。トレンチ101の充填物は多結晶シリコン102である。トレンチ101の上方近傍にカラー酸化膜103が設けられている。カラー酸化膜103の側面は拡散領域114に開放されている。この拡散領域114は、MOSトランジスタのドレイン領域を形成する拡散領域113と接続されている。MOSトランジスタ116は、ゲート115、ゲート酸化膜105、ソース拡散領域112をさらに有する。ワード線109はゲート115と接続され、STI領域107は他のトレンチからトレンチ101を絶縁する。多結晶シリコン102の上方は、STI107を包含するためのシリコンナイトライド層106と境界を接する。シリコンナイトライド層106はSTIライナーと呼ばれる。酸化膜104は、多結晶シリコン102とシリコンナイトライド層106との間のバッファとして働く。STI107の上方において、ワード線110は、トレンチ102に形成されたキャパシタの動作に影響を与えることなく通過する。
【0003】
STIのトータルの高さは、300nm(表面下は250nm、表面上は50nm)である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
シリコンナイトライド層106の形成において、この層は従来の製造工程を用いて堆積され、エッチバックされる(簡略化のため図示せず)。しかし、エッチバックのとき、シリコン100、酸化膜104、105、シリコンナイトライド(STIライナー層)106、STI埋め込み層107のエッチングレートが異なるため、プロセス中のデバイスの表面は平坦にならない。図17(b)は平面でない構造の詳細を示す。図17(b)は図17(a)の17−17線に沿った断面図である。図17(b)に示すように、STI領域は多結晶シリコントレンチ201の窪みから形成される。トレンチ201の側面のライニング材は酸化膜202である。シリコンナイトライド層203(トレンチ上のキャッピング膜とも呼ばれる)は酸化膜202上に形成される。STI埋め込み層204はトレンチライナー203によって境界が形成されて残留する領域を埋め込む。上述するように、堆積後にウエハを処理すると、表面は平坦にならない。少なくとも1つの原因であるSTI204、酸化膜202、トレンチライナー203のエッチングレートが違うため、トレンチライナー203の端部が、周囲の材料(酸化膜22502とSTI埋め込み層204)の窪みより上に突出する。ウエハの表面が平坦にならない結果、リソグラフィ技術によりウエハの表面に適切に焦点を合わすことができない。さらに、酸化膜104により、トレンチキャパシタの多結晶シリコンノード102の表面の上部が侵食される。トレンチライナー203の端部が上方に突出しているため、均一にSTI端部の形状を制御することが困難である。この形状は、トランジスタのしきい値電圧に影響する。
【0005】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、トレンチライナーの端部が酸化膜やSTI埋め込み層から突出せず、ウエハ表面を平坦化することが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明のキャッピングプロセスは、トレンチキャパシタの形成中にシリコンナイトライドパッドを堆積する。パッドの堆積後、このパッドが下に存在するトレンチとアクセスするためにパターニングされる。ウエハ表面周囲の下方におけるトレンチの表面上に窪みを形成するため、上面がエッチングされる。次に、トレンチの表面上の窪みにトレンチキャッピングのシリコンナイトライドが堆積される。通過ワード線で覆われたトレンチの側壁は、STIを形成するために深くエッチングされる。トレンチの露出された表面は、バッファを形成するために酸化され、残存する部分はSTI埋め込み層により充填される。ウエハの表面は、ウエハの表面を平坦にするため、エッチングバック又はCMP(化学的機械研磨)により処理される。シリコンナイトライドのパッドが除去され、ウエハ表面が露出される。最後に、ゲート酸化膜が成長され又は堆積され、ゲート電極が形成される。
【0007】
本発明の他の実施例においては、トレンチキャップを堆積する前にトレンチの表面を酸化してもよい。この酸化によって、シリコンナイトライドのトレンチキャップとトレンチの多結晶シリコンとの間のバッファが形成される。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0009】
以下、本発明のウエハの基板及び基板処理方法について詳細に説明する。ここで、基板とは、半導体ウエハ及び(又は)エピタキシャル成長されたシリコン層、シリコン酸化膜、又は堆積された他の金属層である。例えば、MOSトランジスタが基板に形成されるとき、この基板は、本来のシリコンウエハ上にエピタキシャル成長されたシリコン層を有してもよい。一般的に、基板とは、通常、ウエハ及びその上に形成された構造物を意味する。
【0010】
図1に示すように、DRAMセル500は、トレンチキャパシタ255とトランスファゲート260とを有する。トレンチキャパシタ255は、第1のN+型多結晶シリコン埋め込み層302A、第2の多結晶シリコン埋め込み層302B、カラー酸化膜303を有する。トランスファゲート260は、Pウェル275内に形成されたN型ソース・ドレイン領域及びドレイン・ソース領域502と、ソース・ドレイン領域502とドレイン・ソース領域502との間のチャネル領域から絶縁して離間されたタングステンシリコン/多結晶シリコンゲート313とを有する。埋め込み層311からなるSTI(Shallow Trench Isolation)構造により、DRAMセル500は、隣接したDRAMセル及び通過ワード線314と電気的に分離される。通過ワード線314はタングステンシリコン/多結晶シリコン構造である。拡散領域503は、第3の多結晶シリコン埋め込み層302CとMOSトランスファゲート260のドレイン・ソース領域502とを電気的に接続する。この拡散領域503は、ストレージトレンチの高濃度の多結晶シリコン埋め込み層からPウェル275に外方拡散イオン注入をすることにより形成される。拡散領域503と第3の多結晶シリコン埋め込み層302Cは、トランスファゲート260にトレンチキャパシタ255を接続するための埋め込みストラップを構成する。
【0011】
図2乃至図4を参照して、DRAMセル500の製造方法について以下に説明する。図2(a)に示すように、メモリセルアレイのためのPウェルが形成される予定の領域の下方に燐をイオン注入することにより、P型の半導体基板300内に埋め込みNウェル248が形成される。尚、埋め込みNウェルは、他の方法として例えばN型半導体基板にPウェルを注入したり、エピタキシャル成長させることにより形成してもよい。例えば、半導体基板300上に熱成長された約10nmの膜厚を有する薄い酸化層304の表面に、約0.2μmの膜厚を有するシリコンナイトライド層320が、CVD(Chemical Vapor Deposition)により形成される。酸化層304とシリコンナイトライド層320がパターニングされ、エッチングされて、トレンチ301をエッチングするためのマスクが形成される。
【0012】
図2(b)に示すように、等方性エッチングプロセスにより、トレンチ301が約7μmの深さにエッチングされる。ストレージノードトレンチ301がエッチングされた後、トレンチ301の下部から砒素を外方拡散することにより、N型キャパシタプレート501が形成される。これは例えば砒素が注入されたガラス層を堆積し、この砒素が注入されたガラス層をエッチングしてトレンチ301の底部のみに残し、この後、アニール処理して砒素を外方拡散してもよい。酸化ナイトライド(ON)層又はナイトライド酸化(NO)層のようなストレージノード誘電層(図示せず)がトレンチ301内に形成される。誘電層が形成された後、N+型多結晶シリコンのようなイオンが注入された第1の導電材でトレンチ301を埋め込むことにより、第1の導電領域が形成される。この埋め込み工程は、例えばシラン又はジシランを用いたCVDにより実施してもよい。N+型多結晶シリコンは、等方性のエッチングプロセスを用いて、トレンチ301内の第1レベルまでエッチバックされ、図3(a)に示す第1トレンチ埋め込み層302Aが形成される。第1トレンチ埋め込み層302Aのレベルは、例えば半導体基板300の表面から下方に約1.0μmである。図3(a)に示すように、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)又はPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)によるTEOSを用いて、N+型多結晶シリコンのエッチバックにより開口されたトレンチ301の部分の側壁にカラー酸化膜303が形成される。
【0013】
第2の導電材でトレンチ301の残りを埋め込むことにより、第2の導電領域が形成される。この第2の導電材は、例えば、N+型多結晶シリコン又はイオン注入されていない多結晶シリコンでもよく、CVDにより形成してもよい。図3(b)に示すように、カラー酸化膜303によって半導体基板から絶縁された第2のトレンチ埋め込み層302Bを形成するため、トレンチ301内の第2のレベルまで第2の導電材とカラー酸化膜303がエッチバックされる。次の製造工程で形成される埋め込みストラップの深さは、第2の導電材とカラー酸化膜303のエッチバックの制御により規定される。第2のトレンチ埋め込み層302Bは、半導体基板300の表面から下方に約0.1μmまでエッチバックされる。トレンチ301の自然酸化膜が除去される。特に、第2のトレンチ埋め込み層302Bの表面上及びトレンチ301の側面の自然酸化膜が除去される。この自然酸化膜が除去された部分を通じて、後に埋め込みストライプヘ不純物が外方拡散により導入される。この自然酸化膜の除去は、例えば、850℃以上の温度の水素雰囲気でプリベークしてもよい。
【0014】
カラー酸化膜303及び第2の導電材のエッチバックにより開口されたトレンチ301の部分は、図4に示すように、第3の導電材302Cにより埋め込まれる。この第3の導電材302Cは、例えば、CVDにより堆積されたイオン注入されていない多結晶シリコンでもよい。
【0015】
図5は、トレンチ301が形成された半導体基板300を示す。このトレンチ301は、多結晶シリコン302A、B、C(一括して多結晶シリコン302を示す)で埋め込まれている。前記多結晶シリコン302Cの部分が、シリコン基板の表面から下方に約50nm例えばエッチングされる。このプロセスにより、図5に示すキャビティ(窪み)307が形成される。このプロセスにはどのような種類のエッチャントを用いてもよい。しかし、次の図6に示すように、等方性エッチングによれば、なめらかにラウンドされたコーナーが形成されるため、トレンチキャッピング層を均一に堆積することができる。異方性エッチングは、窪み302Cに横方向のエッチングが起こることを防止できるなどいくつかの利点を有している。
【0016】
図6に示すように、パッド320上、開口306の側面、キャビティ307の表面にトレンチキャッピングナイトライド308が堆積される。例えばシリコンナイトライド堆積技術としては、5乃至50nmの膜厚で、約700℃のLPCVD又は約50℃のPECVDが適用される。
【0017】
次に、STI埋め込み層のキャビティが形成される。公知の技術により、レジストが堆積され、露光され、不要な部分が除去される。次に、図7に示すように、キャビティ309を形成するために、ウエハがエッチングされる。例えば、エッチング時間は3分で、NF3ガスを含む材料により処理される。
【0018】
STIトレンチキャビティは、後述するSTI埋め込み層311によって、多結晶シリコン302と分離される。図8に示すように、分離を向上するために、露出されたトレンチは保護酸化層310を形成するために酸化される。例えば、10nmの保護酸化層310を形成するための酸化時間は約5分である。
【0019】
図9に示すように、キャビティはSTI埋め込み層311で埋め込まれる。ウエハ表面にCMP( Chemical Mechanical Polish)を適用してもよい。図10に示すように、CMPはウエハ表面を平坦化する。図11に示すように、パッド320を除去するために、ホット燐酸溶液で120秒間処理してもよい。この際、酸化層304はダメージを受ける。このため、酸化層304は公知の技術により除去され、再び形成される。
【0020】
STI311は、酸化膜304を平坦化するためにエッチングされていない。この比較的厚いSTI埋め込み層311は、通過ワード線(後述する図13に示す314)と多結晶シリコン302の分離を大きくする。
【0021】
図12は、図11の12−12線に沿った断面図を示す。矢印Aによって強調された円内に示すように、STI端部のコーナーの形状は、ナイトライド層が突出することなく、滑らかになっている。
【0022】
図13は、その後のゲート酸化膜312の形成及びゲート電極313、314の堆積を示している。ここで、シリコンナイトライドのトレンチライナー308の端部は平坦化されている。この平坦構造は、図17(a)、図17(b)に示す好ましくない非平坦部分を除去したものである。上記プロセスでゲート酸化膜304はダメージを受ける。このため、ゲート酸化膜は公知の技術で除去され、再度形成される。
【0023】
図14は、トレンチ701、702の上面図を示す。アクティブワード線706は、埋め込みストラップ703を介して、トレンチ702におけるキャパシタのストレージノードに接続される。トレンチ上部のキャッピング膜は、ハッチング部分704によって示されている。通過ワード線705はトレンチ702の上部に存在する。
【0024】
図15は、本発明の他の実施例を示す。図15において、酸化膜601は、多結晶シリコン302の表面上を劣化から保護するため、図5に示すエッチング工程後に形成される。酸化膜601の膜厚は50乃至200Åである。
【0025】
図16は、酸化膜601上にシリコンナイトライドキャッピング層602を堆積した状態を示している。ここで、キャッピング層602の膜厚は50乃至200Åである。また、キャッピング層602(308)の膜厚は、500Å以上増加してもよい。この膜厚を増加することにより、下層の多結晶シリコンからSTI埋め込み層をさらに絶縁できるため有利である。また、ナイトライド層の膜厚を厚くすることにより、トレンチの開口が小さくなる。フォトレジストのコーティング工程を比較的容易に行えるため、小さな開口は、アクティブ領域のパターニングにおいて良好なリソグラフィを行うことができる。
【0026】
さらに、ナイトライドキャッピング層は酸化ナイトライド層でもよい。これは、前記PCVDを用いて780℃で形成される。酸化ナイトライド層を用いることにより、多大なストレスを低減できる。本発明の利点の一つは、キャッピングナイトライド膜が周辺回路領域には存在せず、トレンチ上のみに存在することである。
【0027】
上記実施例によれば、STI埋め込み層311を堆積する前にトレンチキャッピングナイトライド308及びシリコンナイトライド層320を除去している。したがって、トレンチキャッピングナイトライド308の端部が、ゲート酸化膜312及びSTI埋め込み層311の端部より上に突出せず、ウエハの表面を平坦化できる。このため、後の工程において、リソグラフィ技術によりウエハの表面に適切に焦点を合わすことができる。
【0028】
また、トレンチキャッピングナイトライド308の端部が上方に突出していないため、STI端部の形状を均一に制御することができる。したがって、トランジスタのしきい値電圧の制御に影響を与えない利点を有している。
【0029】
上記のように、本発明は、特定工程を省略した実施例を参照して説明してきた。本発明は望ましい実施例をあげて説明したが、この技術の当業者が認識できる種々の変形例、実施例、又は種々の発明は、本発明の特性や適用範囲内で実施することが可能である。
【0030】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明によれば、トレンチライナーの端部が酸化膜やSTI埋め込み層から突出せず、ウエハ表面を平坦化することが可能な半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による完成されたトレンチキャパシタメモリセルを示す。
【図2】本発明の実施例で用いられるトレンチキャパシタを形成するためのプロセスを示す。
【図3】図2に続く製造工程を示す断面図。
【図4】図3に続く製造工程を示す断面図。
【図5】本発明の実施例によるキャッピング技術を示す工程図。
【図6】図5に続く、本発明の実施例によるキャッピング技術を示す工程図。
【図7】図6に続く、本発明の実施例によるキャッピング技術を示す工程図。
【図8】図7に続く、本発明の実施例によるキャッピング技術を示す工程図。
【図9】図8に続く、本発明の実施例によるキャッピング技術を示す工程図。
【図10】図9に続く、本発明の実施例によるキャッピング技術を示す工程図。
【図11】図10に続く、本発明の実施例によるキャッピング技術を示す工程図。
【図12】図11に示す12−12線に沿った本発明の実施例によるトレンチキャッピング構造を示す図。
【図13】本発明の実施例によるキャッピング技術を示す工程図。
【図14】本発明によるメモリセルの上面図。
【図15】本発明の他の実施例による追加プロセス工程を示す。
【図16】図14に続く、本発明の他の実施例による追加プロセス工程を示す。
【図17】従来のトレンチキャッピング構造を示す。
【符号の説明】
255…トレンチキャパシタ、
260…トランスファゲート、
275…Pウェル、
300…半導体基板、
301…トレンチ、
307…キャビティ(窪み)、
308…トレンチキャッピングナイトライド、
310…保護酸化層、
311…STI埋め込み層、
313…タングステンシリコン/多結晶シリコンゲート、
314…通過ワード線、
320…シリコンナイトライド層、
601…酸化膜、
602…シリコンナイトライドキャッピング層。
Claims (6)
- 浅いキャパシタトレンチを分離するためのトレンチキャッピング層を平坦にする半導体装置の製造方法であって、
埋め込みトレンチの表面に窪みを形成するために半導体層の表面をエッチングする工程と、
前記窪み内にシリコンナイトライドからなるトレンチキャッピング膜を堆積する工程と、
STIキャビティを形成するために前記トレンチ上の領域をパターニングする工程と、
前記パターニング工程によって露出された前記トレンチの領域を酸化する工程と、
前記STIキャビティを埋め込む工程と、
余分な埋め込み層を除去する工程と、
前記埋め込みトレンチの上方に位置されたパッドを除去する工程とを含む半導体装置の製造方法。 - 前記余分な埋め込み層は、ケミカルエッチングにより除去されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記余分な埋め込み層は、CMPにより除去されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体メモリにおけるトレンチキャパシタを形成する半導体装置の製造方法であって、
埋め込みトレンチの表面に窪みを形成するために半導体層の表面をエッチングする工程と、
シリコンナイトライドからなるトレンチキャッピング膜を堆積する工程と、
STIキャビティを形成するために前記トレンチ上の領域をパターニングする工程と、
前記パターニング工程によって露出された前記トレンチの領域を酸化する工程と、
前記STIキャビティを埋め込む工程と、
余分な埋め込み層を除去する工程と、
前記トレンチの上方に位置されたパッドを除去する工程と
を含む半導体装置の製造方法。 - 前記埋め込みトレンチの上方にシリコンナイトライド層によりパッドを堆積する工程と、
前記トレンチの上方の領域を開口するために前記パッドをパターニングする工程と
を前記半導体層の表面をエッチングする工程の前にさらに含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - 前記埋め込みトレンチの上方にシリコンナイトライド層によりパッドを堆積する工程と、
前記トレンチの上方の領域を開口するために前記パッドをパターニングする工程とを
前記半導体層の表面をエッチングする工程の前にさらに含むことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
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