JP4199338B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に1枚の基板上にメモリセルとロジック回路とを混載した半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)とロジック回路とを混載した半導体装置では、ロジック回路の性能向上のために、ロジック回路部のMISFETのソース/ドレイン領域及びゲート電極上に金属シリサイド膜を形成する。
【0003】
DRAM等の半導体装置では、メモリセルのデータ保持特性を向上させるために、ソース/ドレイン領域の接合リーク電流を低減させることが好ましい。ところが、ソース/ドレイン領域の表面上に金属シリサイド膜を形成すると、接合リーク電流が増加してしまう(第178回ミーティング・ザ・エレクトロケミカル・ソサエティ(Meeting the Electro-chemical Society)P218〜220)。このため、DRAMの製造においては、通常、金属シリサイド膜が形成されない。
【0004】
DRAMとロジック回路とを混載した半導体装置においては、DRAM部に金属シリサイドを形成せず、ロジック回路部にのみ金属シリサイドを形成することが望まれる。
【0005】
DRAM部においては、通常、各メモリセルを構成するMISFETのゲート電極が、ワード線と一体に形成される。ワード線は、ポリシリコン等で形成され、その抵抗を下げるために、ワード線を構成するポリシリコンに不純物を高濃度にドープすることが好ましい。一方、ロジック回路部では、MISFETのしきい値等から好ましい不純物濃度が決定される。メモリセル部のゲート電極とロジック回路部のゲート電極との好適な不純物濃度は、必ずしも一致しない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、メモリセルのデータ保持特性を良好に維持しつつ、ロジック回路部の電気的特性を向上させることが可能な半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
主表面内にメモリセル部とロジック回路部とが画定された半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板の主表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に、シリコン膜を形成する工程と、
前記シリコン膜にn型不純物を添加する工程であって、前記シリコン膜のうち前記メモリセル部上の領域に第1の不純物濃度になるようにn型不純物を添加し、前記ロジック回路部上の領域に、前記第1の不純物濃度よりも低濃度の第2の不純物濃度になるようにn型不純物を添加する工程と、
前記シリコン膜をパターニングする工程であって、前記メモリセル部においては、ゲート電極を兼ね、かつ前記第1の不純物濃度とされたワード線を残し、前記ロジック回路部においては、前記第2の不純物濃度とされたゲート電極を残す工程と、
前記半導体基板の表面層のうち、前記メモリセル部の前記ワード線をマスクとして、その両側の領域にリンをイオン注入することにより、ソース及びドレイン領域を形成し、前記ロジック回路部の前記ゲート電極をマスクとして、その両側の領域に少なくとも砒素をイオン注入することにより、低濃度ドレイン構造を有するソース及びドレイン領域の低濃度領域を形成する第1イオン注入工程と、
前記半導体基板全面上に、第1の絶縁膜を堆積する工程と、
前記第1の絶縁膜のうち前記メモリセル部の領域をレジストパターンで覆い、前記ロジック回路部の前記第1の絶縁膜を異方性エッチングすることにより、前記ロジック回路部の前記ゲート電極の側壁上に第1のサイドウォール絶縁膜を残す工程と、
前記ロジック回路部の前記ゲート電極と前記第1のサイドウォール絶縁膜とをマスクとして、それらの両側の半導体基板表面層に砒素をイオン注入し、低濃度ドレイン構造を有するソース及びドレイン領域の高濃度領域を形成する第2イオン注入工程とを含み、
前記一連の工程の結果、前記ロジック回路部の前記ゲート電極の不純物濃度は、前記メモリセル部の前記ワード線の不純物濃度よりも低濃度である半導体装置の製造方法が提供される。
【0012】
メモリセル部のワード線の不純物濃度が比較的高いため、ワード線の抵抗を下げることができる。ロジック回路部のMISFETのゲート電極の不純物濃度が比較的低いため、MISFETの電気的特性が高くなる。
【0013】
本発明の他の観点によると、
主表面にロジック回路部とメモリセル部とが画定された半導体基板と、
前記半導体基板のメモリセル部上に配置され、nチャネルの第1のMISFETとキャパシタとを含み、該第1のMISFETのゲート電極を兼ねるワード線が、n型の第1の不純物濃度であるシリコン膜からなる複数のメモリセルと、
前記半導体基板のロジック回路部上に配置され、前記第1のMISFETと同一の導電型の複数の第2のMISFETであって、該第2のMISFETのゲート電極が前記第1の不純物濃度よりも低いn型の第2の不純物濃度であるシリコン膜からなる前記第2のMISFETとを有し、
前記第1のMISFETのソース及びドレイン領域にはリンが添加されており、前記第2のMISFETの低濃度領域及び高濃度領域からなる低濃度ドレイン構造を有するソース及びドレイン領域には少なくとも砒素が添加されている半導体装置が提供される。
【0014】
メモリセル部のMISFETのゲート電極の不純物濃度が比較的高いため、ゲート電極を兼ねるワード線の抵抗を下げることができる。ロジック回路部のMISFETのゲート電極の不純物濃度が比較的低いため、MISFETの電気的特性が高くなる。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1〜図5を参照して、本発明の第1の実施例について説明する。図1〜図4は、第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板断面図を示す。各図の切断部よりも左側の図がメモリセル部を示し、右側の図がロジック回路部のnチャネルMISFET形成領域を示す。
【0025】
図1(A)までの工程を説明する。p型シリコン基板1の表面に、シャロートレンチ型の素子分離構造体2を周知の方法で形成する。素子分離構造体2により、メモリセルアレイ部に活性領域3が画定され、ロジック回路部に活性領域4が画定される。活性領域3及び4の表面上に、熱酸化によりSiO2 からなる厚さ5〜10nmのゲート酸化膜7を形成する。ゲート酸化膜7の上に、厚さ100〜250nmのポリシリコン膜8を堆積する。ポリシリコン膜8の堆積は、例えばSiH4 を用いた化学気相成長(CVD)により行う。
【0026】
加速エネルギ10〜30keV、ドーズ量3〜6×1015cm-2の条件で、ポリシリコン膜8に第1回目のリン(P)のイオン注入を行う。このとき、ロジック回路部のpチャネルMISFET形成領域(図示せず)は、レジストパターンで覆っておく。
【0027】
図1(B)に示すように、ロジック回路部のポリシリコン膜8の表面をレジストパターン5で覆う。加速エネルギ10〜30keV、ドーズ量5〜8×1015cm-2の条件で、メモリセル部のポリシリコン膜8に第2回目のPのイオン注入を行う。イオン注入後、レジストパターン5を除去する。
【0028】
図1(C)に示すように、ポリシリコン膜8をパターニングし、メモリセル部に複数のワード線8aを残し、ロジック回路部にゲート電極8bを残す。ポリシリコン膜8のエッチングは、例えばCl2 とO2 の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)により行うことができる。ワード線8aは、図1(A)の紙面に垂直な方向に延在する。2本のワード線8aが、1つの活性領域3の上を通過する。活性領域3の両側の素子分離構造体2の上にもワード線8aが形成される。活性領域3の上のワード線8aは、活性領域3内に形成されるMISFETのゲート電極を兼ねる。
【0029】
ワード線8a及びゲート電極8bをマスクとして、不純物をイオン注入する。メモリセル部のMISFET形成領域には、Pを加速エネルギ10〜30keV、ドーズ量1〜5×1013cm-2の条件でイオン注入する。ロジック回路部のnチャネルMISFET形成領域には、Pを加速エネルギ5〜30keV、ドーズ量1〜5×1013cm-2の条件でイオン注入し、さらにAsを加速エネルギ5〜30keV、ドーズ量1〜50×1013cm-2の条件でイオン注入する。このイオン注入により、メモリセル部ではMISFETのソース/ドレイン領域9aが形成され、ロジック回路部では低濃度ドレイン(LDD)構造を有するソース/ドレイン領域の低濃度領域9bが形成される。
【0030】
ロジック回路部のMISFETの低濃度領域9bにAsを添加することにより、高性能のMISFETを得ることができる。メモリセル部のMISFETのソース/ドレイン領域9aにはAsを添加せずPのみを添加することにより、リーク電流を低減させ、リフレッシュ特性の良いDRAMを得ることができる。
【0031】
図2(A)までの工程を説明する。基板全面上に、厚さ80〜120nmのSiO2 膜を堆積する。このSiO2 膜の堆積は、例えばSiH4 とO2 を用いたCVDにより行う。メモリセル部をレジストパターン11で覆い、ロジック回路部のSiO2 膜を異方性エッチングする。ロジック回路部のゲート電極8bの側壁上にサイドウォール絶縁膜10bが残ると共に、メモリセル部には、SiO2 膜10aが残る。レジストパターン11を除去する。
【0032】
次に、ロジック回路部に、ソース/ドレイン領域形成のためのイオン注入を行う。nチャネルMISFET形成領域には、Asを加速エネルギ30〜40keV、ドーズ量2〜4×1015cm-2の条件でイオン注入し、pチャネルMISFET形成領域には、硼素(B)を加速エネルギ5〜15keV、ドーズ量2〜4×1015cm-2の条件でイオン注入する。なお、いずれのイオン注入の時も、メモリセル部はレジストパターンで覆われている。このイオン注入により、LDD構造のソース/ドレイン領域の高濃度領域12bが形成される。イオン注入後、弗酸を用い、シリコン表面上の自然酸化膜を除去する。
【0033】
図2(B)に示すように、ゲート電極8b、及び高濃度領域12bの表面上にコバルトシリサイド(CoSi2 )膜15を形成する。以下、CoSi2 膜15の形成方法を説明する。まず、基板の全表面を覆うようにスパッタリング等によりCo膜を堆積する。基板温度450〜550℃で1回目の熱処理を行い、その後、基板温度800〜900℃で2回目の熱処理を行う。シリコン表面とCo膜がシリサイド反応し、CoSi2 膜15が形成される。弗酸を用いて、シリサイド反応しなかった余分のCo膜を除去する。このようにして、Siが露出した表面上にのみ自己整合的にCoSi2 膜15を形成することができる。
【0034】
メモリセル部内のソース/ドレイン領域9a及びワード線8aの表面は、SiO2 膜10aで覆われているため、この部分ではシリサイド反応を起こさない。ロジック回路部のソース/ドレイン領域の高濃度領域12bはCo膜に接するため、この界面でシリサイド反応が起こる。なお、Coの他に、Siとシリサイド反応を起こして金属シリサイドを形成する他の金属、例えばTi等を用いてもよい。
【0035】
図2(C)に示すように、基板の全表面を覆う厚さ800〜1200nmのボロフォスフォシリケートガラス(BPSG)膜18を堆積する。BPSG膜18の堆積は、原料ガスとしてSiH4 、B2 H6 、O2 及びPH3 の混合ガスを用いたCVDにより行う。基板温度700〜850℃で熱処理した後、化学機械研磨(CMP)により表面を平坦化する。
【0036】
活性領域3内の中央のソース/ドレイン領域9aの表面を露出させるコンタクトホール19を開口する。BPSG膜18のエッチングは、CF4 とCHF3 とArとの混合ガスを用いたRIEにより行う。コンタクトホール19を介して中央のソース/ドレイン領域9aに接続されたビット線20を形成する。ビット線20は、図2(C)に示す断面以外の部分においてワード線8aに直交する方向に延在する。
【0037】
以下、ビット線20の形成方法を説明する。基板の全表面を覆うように、Pを添加した厚さ50nmのポリシリコン膜と厚さ100nmのタングステンシリサイド(WSi)膜を堆積する。ポリシリコン膜の堆積は、原料ガスとしてSiH4 を用いたCVDにより行い、WSi膜の堆積は、原料ガスとしてWF6 とSiH4 を用いたCVDにより行う。なお、ポリシリコン膜の堆積前に、弗酸を用い、コンタクトホール19の底面に形成された自然酸化膜を除去してもよい。
【0038】
このポリシリコン膜とWSi膜をパターニングし、ビット線20を形成する。ポリシリコン膜とWSi膜のエッチングは、Cl2 とO2 を用いたRIEにより行う。
【0039】
図2(D)に示すように、基板の全表面を覆う厚さ800〜1200nmのBPSG膜23を堆積する。基板温度700〜850℃で熱処理した後、CMPにより表面を平坦化する。
【0040】
活性領域3の両端のソース/ドレイン領域9aの表面を露出させるコンタクトホール24を開口する。各コンタクトホール24毎に、コンタクトホール24を介してソース/ドレイン領域9aに接続された蓄積電極25を形成する。蓄積電極25は、Pを添加した厚さ300〜800nmのポリシリコン膜を堆積した後、このポリシリコン膜をパターニングすることにより形成する。
【0041】
図3に示すように、基板の全表面を覆う厚さ3〜5nmの窒化シリコン(SiN)膜を堆積する。このSiN膜を、温度700〜800℃で熱酸化してSiONからなる容量絶縁膜28を形成する。容量絶縁膜28を覆うように、Pを添加したポリシリコンからなる厚さ100nmの対向電極29を形成する。メモリセルアレイ部以外の容量絶縁膜28と対向電極29を除去する。この2層のエッチングは、Cl2 とO2 を用いたRIEにより行う。
【0042】
図4に示すように、基板の全表面を覆う厚さ1000〜1500nmのBPSG膜30を堆積する。対向電極29の表面の一部、ロジック回路部のCoSi2 膜15の表面の一部を露出させるコンタクトホール32を形成する。なお、図4には現れていないが、ビット線20の表面の一部を露出させるコンタクトホールも同時に形成する。
【0043】
コンタクトホール32内をWプラグ35で埋め込む。以下、Wプラグ35の形成方法を説明する。まず、スパッタリングによりバリアメタル層を堆積する。バリアメタル層は、例えばTi膜とTiN膜との2層構造を有する。バリアメタル層の上にCVDにより厚さ300〜500nmのW膜を堆積し、コンタクトホール32内を埋め込む。CMPにより、余分なW膜とバリアメタル層を除去し、コンタクトホール32内にのみWプラグ35を残す。
【0044】
BPSG膜30の上に、配線40を形成する。配線40は、バリアメタル層、アルミニウム(Al)膜、及び反射防止膜からなる積層構造を有する。反射防止膜は、例えばTiNで形成される。
【0045】
配線40を覆うように、BPSG膜30の上にSiO2 膜41を堆積する。SiO2 膜41は、例えば高密度プラズマを用いたCVDにより堆積される。SiO2 膜41にコンタクトホールを開口し、その内部をWプラグ42で埋め込む。SiO2 膜41の表面上に、配線43を形成し、配線43を覆うSiO2 膜44を堆積する。
【0046】
SiO2 膜44を覆うカバー膜45を堆積する。カバー膜45は、プラズマCVDによるSiO2 膜とプラズマCVDによるSiN膜との2層構造を有する。
【0047】
上記第1の実施例では、メモリセル部のMISFETのゲート電極、すなわちワード線8aに、図1(A)に示す第1回目のイオン注入と図1(B)に示す第2回目のイオン中が行われる。一方、ロジック回路部のnチャネルMISFETのゲート電極8bには、図1(A)に示す第1回目のイオン注入のみが行われる。
【0048】
図1(C)及び図2(A)で説明したソース/ドレイン領域形成のためのイオン注入工程で、ゲート電極及びワード線がマスクとして使用される。この時、ワード線8a及びゲート電極8bに不純物が追加注入される。追加注入される不純物量を考慮して、第1回目及び第2回目のイオン注入のドーズ量を適当に選択することにより、メモリセル部とロジック回路部とのMISFETのゲート電極の不純物濃度を、それぞれ好適な範囲に設定することができる。
【0049】
図5(A)は、ゲート電極への不純物注入量と、ゲート電極に電圧2.5Vを印加したときのドレイン電流との関係を示すグラフである。横軸はゲート電極への不純物注入量を単位「×1015cm-2」で表し、縦軸はドレイン電流を、最大のドレイン電流を示したサンプルのものを100とした相対値で表す。なお、ゲート電極の厚さを180nm、注入不純物をP、イオン注入の加速エネルギを20keVとした。また、しきい値電圧が0.45Vになるようにチャネル領域への不純物注入量を調整した。
【0050】
不純物の注入量が4×1015cm-2程度の時に、最大のドレイン電流が得られている。これよりも注入量が多くなると、ドレイン電流が減少する。これは、しきい値の低下を防止するために、ゲート電極の不純物濃度の増加に従って、チャネル領域の不純物濃度も高くする必要があるためである。また、ゲート電極の不純物濃度が低すぎると、ゲート電極が空乏化してしまい、MISFETの特性が劣化してしまう。従って、ゲート電極への不純物注入量を4×1015cm-2程度とすることが好ましい。
【0051】
図5(B)は、ゲート電極への不純物注入量とゲート電極のシート抵抗との関係を示すグラフである。横軸は、ゲート電極への不純物注入量を単位「×1015cm-2」で表し、縦軸はシート抵抗を単位「Ω/□」で表す。なお、ゲート電極の厚さ、注入不純物、及び加速エネルギは、図5(A)の場合と同様である。DRAMのワード線に要求されるシート抵抗は、通常80Ω/□以下である。この要求を満たすためには、ゲート電極への不純物注入量を1×1016cm-2程度にすればよい。
【0052】
図5(A)と図5(B)とを比較すると、ロジック回路部のゲート電極に要求される不純物注入量と、メモリセル部のワード線に要求される不純物注入量とは異なることがわかる。第1の実施例のように、第1回目のイオン注入をポリシリコン膜8全体に行い、第2回目のイオン注入をメモリセル部のポリシリコン膜8にのみ行うことにより、ロジック回路部のゲート電極とメモリセル部のワード線の双方に好適な量の不純物を注入することが可能になる。
【0053】
また、第1の実施例では、図2(B)に示すシリサイド反応工程の時に、メモリセル部がSiO2 膜10aで覆われている。このため、メモリセル部のソース/ドレイン領域の表面に金属シリサイドが形成されることを防止することができる。これにより、良好なデータ保持特性を確保することができる。
【0054】
次に、図6及び図7を参照して、第2の実施例について説明する。第2の実施例では、ロジック回路部にキャパシタを形成する。図6及び図7の各図の切断部より右側の図はメモリセル部を示し、左側の図はロジック回路部を示す。
【0055】
図6(A)に示す状態までの工程を説明する。p型シリコン基板50の表面上に、素子分離構造体51を形成し、メモリセル部及びロジック回路部に活性領域を画定する。活性領域の表面上に、熱酸化により厚さ5〜10nmのゲート酸化膜52を形成する。基板全面上に、ポリシリコンからなる厚さ100〜250nmの第1の導電膜53をCVDにより堆積する。なお、第1の導電膜53を、ポリシリコンの代わりにアモルファスシリコンで形成してもよい。
【0056】
第1の導電膜53のうち、ロジック回路部のnチャネルMISFET形成領域及びキャパシタ形成領域に、Pをイオン注入する。注入条件は、例えば加速エネルギ20keV、ドーズ量3〜6×1015cm-2である。なお、PとAsとを、合計のドーズ量が3〜6×1015cm-2になるように注入してもよい。ロジック回路部のpチャネルMISFET形成領域には、硼素(B)をイオン注入する。なお、pチャネルMISFET形成領域には、必ずしも不純物を注入する必要はない。pチャネルMISFETのゲート電極には、ソース/ドレイン領域形成のためのイオン注入と同時にp型不純物が注入される。イオン注入後、活性化アニールを行う。
【0057】
活性化アニール後、メモリセル部の第1の導電膜53を除去する。第1の導電膜53の除去は、Cl2 とO2 との混合ガスを用いたRIEにより行う。第1の導電膜53のパターニング後、メモリセル部の表面に残っているゲート酸化膜52及び第1の導電膜53の表面に形成されている自然酸化膜を弗酸により除去する。
【0058】
図6(B)に示すように、メモリセル部の活性領域の表面を熱酸化し、厚さ5〜10nmの第2のゲート酸化膜55を形成する。同時に、第1の導電層53の表面層も酸化され厚さ10〜30nmの容量絶縁膜56が形成される。
【0059】
図6(C)に示すように、基板全面上に、ポリシリコン膜60、タングステンシリサイド(WSi)膜61、及び第1のSiN膜62を、この順番にCVDにより堆積する。ポリシリコン膜60は、厚さ50〜100nmであり、Pをドープされてn型導電性が付与されている。WSi膜61及び第1のSiN膜62の厚さは、共に100〜200nmである。
【0060】
図7(A)に示すように、第1のSiN膜62からポリシリコン膜60までの3層をパターニングし、メモリセル部にワード線65を残すとともに、ロジック回路部のキャパシタ形成領域に、キャパシタ上部電極66を残す。ワード線65及びキャパシタ上部電極66は、共にポリシリコン膜60とWSi膜61と第1のSiN膜62からなる3層構造を有する。第1のSiN膜62のエッチングは、CF4 とCHF3 とArとの混合ガスを用いたRIEにより行い、WSi膜61のエッチングは、Cl2 とO2 との混合ガスを用いたRIEにより行い、ポリシリコン膜60のエッチングは、Cl2 とO2 との混合ガスを用いたRIEにより行う。
【0061】
メモリセル部に、ワード線65をマスクとして、Pを加速エネルギ10〜30keV、ドーズ量2〜5×1013cm-2の条件でイオン注入する。メモリセル部のワード線65の両側に、ソース/ドレイン領域67が形成される。
【0062】
ワード線65及びキャパシタ上部電極66の側壁上に、SiNからなるサイドウォール絶縁膜68を形成する。サイドウォール絶縁膜68は、基板全面上にSiN膜を堆積し、このSiN膜を異方性エッチングすることにより形成される。この異方性エッチングは、CF4 とCHF3 とArとの混合ガスを用いたRIEにより行う。このとき、第1の導電膜53の上面のうちキャパシタ上部電極66の形成されていない領域の容量絶縁膜56も除去され、第1の導電膜53の上面が露出する。
【0063】
図7(B)に示すように、第1の導電膜53をパターニングし、基板法線方向から見てキャパシタ上部電極66を内包する領域に、キャパシタ下部電極53aを残し、ロジック回路部のnチャネルMISFET形成領域に、ゲート電極53bを残す。なお、図には示さないが、pチャネルMISFET形成領域にもゲート電極を残す。第1の導電膜53のエッチングは、Cl2 とO2 との混合ガスを用いたRIEにより行う。第1の導電膜53の側壁上に残っているサイドウォール絶縁膜68は除去されずに残ってしまう場合もある。このような場合には、第1の導電膜53のエッチング時に、その縁の近傍をマスクパターンで覆い、その部分に第1の導電膜53を積極的に残すようにするとよい。
【0064】
ロジック回路部のnチャネルMISFET形成領域に、ゲート電極53bをマスクとして、LDD構造の低濃度領域形成のためのAsのイオン注入を行う。イオン注入条件は、加速エネルギ5〜15keV、ドーズ量1〜10×1013cm-2である。同様に、pチャネルMISFET形成領域に、Bのイオン注入を行う。イオン注入条件は、加速エネルギ5〜15keV、ドーズ量1〜10×1013cm-2である。
【0065】
基板全面上にSiO2 膜を堆積し、異方性エッチングを行うことにより、ゲート電極53bの側壁上にサイドウォール絶縁膜70bを残す。このとき、キャパシタ下部電極53aの側壁上にサイドウォール絶縁膜70aが残り、サイドウォール絶縁膜68の斜面上にサイドウォール絶縁膜70dが残る。また、メモリセル部においては、ワード線65の間の領域がSiO2 からなる埋込絶縁部材70cで埋め込まれる。
【0066】
ロジック回路部のnチャネルMISFET形成領域に、ゲート電極53b及びサイドウォール絶縁膜70bをマスクとして、LDD構造の高濃度領域形成のためのAsのイオン注入を行う。イオン注入条件は、加速エネルギ30〜40keV、ドーズ量2〜4×1015cm-2である。同様に、pチャネルMISFET形成領域(図示せず)に、Bのイオン注入を行う。イオン注入条件は、加速エネルギ5〜15keV、ドーズ量2〜4×1015cm-2である。イオン注入後、活性化アニールを行うことにより、LDD構造のソース/ドレイン領域71が形成される。
【0067】
図7(C)に示すように、ロジック回路部のMISFETのソース/ドレイン領域71及びゲート電極53bの上面上に、CoSi2 膜72を形成する。CoSi2 膜72の形成は、第1の実施例の図2(B)で説明したCoSi2 膜15の形成と同様の方法で行う。このとき、メモリセル部のソース/ドレイン領域67の表面は、埋込絶縁部材70cで覆われているため、ソース/ドレイン領域67の表面上にはCoSi2 膜は形成されない。
【0068】
第1の実施例の図2(C)以降の工程と同様の工程を経て、キャパシタ下部電極53a、容量絶縁膜56、及びキャパシタ上部電極66からなるキャパシタを含むロジック回路混載DRAMが形成される。
【0069】
第2の実施例の場合も、第1の実施例と同様に、メモリセル部に金属シリサイド膜を形成することなく、ロジック回路部にのみ金属シリサイド膜を形成することができる。さらに、第2の実施例では、キャパシタの上部電極66をメモリセル部のワード線65と同一工程で形成し、下部電極53aをロジック回路部のゲート電極53bと同一工程で形成している。このため、工程数の増加を極力抑制しつつ、ポリシリコン膜/SiO2 膜/ポリシリコン膜構造のキャパシタを形成することができる。
【0070】
また、図7(C)に示すように、ワード線65の側方と上方とが、SiNからなるサイドウォール絶縁膜68及び第1のSiN膜62で覆われている。図2(C)に示すコンタクトホール19の形成、及び図2(D)に示すコンタクトホール24の形成を、SiNを実質的にエッチングしない条件で行うと、サイドウォール絶縁膜68及び第1のSiN膜62がWSi膜61及びポリシリコン膜60の保護膜として働く。このため、コンタクトホール19及び24を自己整合的に形成することができる。
【0071】
また、ロジック回路部のゲート電極53bの側壁上のサイドウォール絶縁膜70bは、SiO2 で形成されている。このため、サイドウォール絶縁膜をSiNで形成する場合に比べて、MISFETのホットキャリア耐性を高くし、かつ寄生容量を少なくすることができる。また、サイドウォール絶縁膜70bを、メモリセル部のサイドウォール絶縁膜68とは異なる工程で形成するため、サイドウォール絶縁膜70bの厚さを、ショートチャネル効果抑制のための最適な値に設定することが可能になる。
【0072】
次に、図8及び図9を参照して、第3の実施例について説明する。図8及び図9の各図の切断部より右側の図がメモリセル部を表し、左側の図がロジック回路部を表す。
【0073】
図8(A)は、第1の実施例の図1(C)に対応する状態を示す。第1の実施例と異なるのは、ワード線8aの上に厚さ100nm程度の上部SiO2 膜80が配置されている点である。以下、図8(A)までの工程を、第1の実施例の図1(C)までの工程との相違点に着目して説明する。
【0074】
素子分離構造体2を形成した基板上に、ポリシリコン膜とSiO2 膜とを堆積し、ロジック回路部のSiO2 膜を除去する。なお、ポリシリコン膜には、第1の実施例の場合と同様のイオン注入を行っておく。ロジック回路部のSiO2 膜を除去した後、第1の実施例の場合と同様の工程を経て、図8(A)に示す状態に至る。
【0075】
なお、第3の実施例では、ロジック回路部のMISFETの低濃度領域9b形成のためのイオン注入を行った後、メモリセル部のソース/ドレイン領域9a形成のためのイオン注入を行う。
【0076】
第1の実施例の図2(B)に示すCoSi2 膜15の形成工程までと同様の工程を実施する。
【0077】
図8(B)に示すように、ロジック回路部のゲート電極8bの上面上、及びソース/ドレイン領域の高濃度領域12bの上面上に、CoSi2 膜15が形成される。メモリセル部は、SiO2 膜10aで覆われている。SiO2 膜10aの厚さは、50〜120nmとする。
【0078】
図8(C)に示すように、基板全面上に、厚さ20〜50nmの低温形成SiO2 膜81を堆積する。低温形成SiO2 膜81の堆積は、成長温度を700℃以下としたCVDにより行う。例えば、基板温度を400℃程度としたプラズマCVDにより、SiO2 膜81を堆積する。低温で堆積することにより、CoSi2 膜15の熱による劣化を防止することができる。
【0079】
図9(A)に示すように、SiO2 膜10aと低温形成SiO2 膜81とを異方性エッチングし、メモリセル部のワード線8aと上部SiO2 膜80からなる積層構造の側壁上にサイドウォール絶縁膜82を残す。このとき、ロジック回路部はレジストパターンで覆っておく。ロジック回路部には、低温形成SiO2 膜81が残る。
【0080】
基板全面上に、Pドープの厚さ100〜200nmのアモルファスシリコン膜をCVDにより堆積する。このアモルファスシリコン膜をパターニングし、メモリセル部のソース/ドレイン領域9aに対応したパッド83を残す。パッド83は、ソース/ドレイン領域9aの表面から、その両側のサイドウォール絶縁膜82の側面を経由し、上部SiO2 膜80の上面の一部までを覆う。
【0081】
図9(B)に示すように、基板全面上にBPSG膜18を堆積し、コンタクトホール19を開口してビット線20を形成する。ここまでの工程は、第1の実施例の図2(C)で説明した工程と同様である。
【0082】
図9(C)に示すように、基板全面上にBPSG膜23を堆積し、コンタクトホール24を開口して蓄積電極25を形成する。ここまでの工程は、第1の実施例の図2(D)で説明した工程と同様である。
【0083】
第3の実施例の場合には、図9(B)及び図9(C)のコンタクトホール19及び24を開口する際に、これらの底面にパッド83が露出する。ソース/ドレイン領域9aが直接エッチング雰囲気に晒されることがないため、ソース/ドレイン領域9a内に欠陥が発生することを防止できる。このため、ソース/ドレイン領域9a内の欠陥に起因するDRAMのデータ保持特性の劣化を防止することができる。
【0084】
上記第1〜第3の実施例では、メモリセル部のMISFETとロジック回路部のMISFETとを、ほぼ並行して形成する場合を説明した。ロジック回路を混載したDRAMの製造方法として、メモリセル部の対向電極(例えば図3の対向電極29)までのすべての部分を形成した後、ロジック回路部のMISFETのソース/ドレイン領域を形成する方法が知られている。この方法の場合、メモリセル部のビット線とロジック回路部の配線とを如何に接続するかが問題になる。以下に説明する第4及び第5の実施例は、この接続構成に特徴を有する。
【0085】
図10を参照して、第4の実施例について説明する。図10(A)及び図10(B)は、メモリセル部とロジック回路部との境界領域の断面図を示す。
【0086】
図10(A)に示すように、シリコン基板90のメモリセル部内(図10(A)のほぼ右半分の領域)に、MISFET91、ワード線92、層間絶縁膜98、ビット線93、層間絶縁膜99、蓄積電極94、容量絶縁膜95、及び対向電極96が形成されている。ここまでの構成は、第1の実施例の図1(A)から図3までの工程と同様の方法で形成される。ただし、ロジック回路部においては、ゲート電極のみが形成され、図2(A)に示すソース/ドレイン領域の高濃度領域12b形成のためのイオン注入、及び図2(B)に示すCoSi2 膜15の形成は行われない。ロジック回路部には、ゲート電極100、及びその側壁上に配置されたサイドウォール絶縁膜101が形成されている。層間絶縁膜98、99、及び対向電極96は、ロジック回路部上にも形成されている。
【0087】
メモリセル部の対向電極96の表面を覆うレジストパターン97を形成する。レジストパターン97の縁は、ビット線93の先端よりも約0.2μm程度ロジック回路部寄りに配置される。レジストパターン97をマスクとして、ロジック回路部に堆積している対向電極96を除去する。対向電極96の除去は、塩素系ガスを用いた等方性エッチングにより行う。
【0088】
対向電極96がサイドエッチングされ、対向電極96の縁が、レジストパターン97の縁よりも後退する。サイドエッチングの深さは、1〜1.5μm程度とする。すなわち、対向電極96の縁は、ビット線93の先端よりも0.8〜1.3μm程度後退する。
【0089】
対向電極96を除去した後、レジストパターン97をマスクとして、ロジック回路部の層間絶縁膜99及び98を除去する。層間絶縁膜99及び98の除去は、異方性のRIEにより行う。なお、この異方性のRIEのエッチングを再現性よく停止させるために、ゲート電極100、サイドウォール絶縁膜101、シリコン基板90の表面を薄いSiN膜で覆っておいてもよい。SiN膜で覆っておく場合、層間絶縁膜99及び98を除去した後に、このSiN膜を除去する。
【0090】
ロジック回路部に、ゲート電極100及びサイドウォール絶縁膜101をマスクとしてPをイオン注入する。イオン注入条件は、第1の実施例の図2(A)に示す高濃度領域12bを形成するためのイオン注入の条件と同様である。イオン注入後、レジストパターン97を除去する。
【0091】
図10(B)に示すように、基板全面上に、BPSGからなる層間絶縁膜105を堆積し、CMPにより表面を平坦化する。層間絶縁膜105に、ビット線93の上面を露出させるコンタクトホール106を形成する。コンタクトホール106は、対向電極96の縁よりもロジック回路部寄りに配置される。対向電極96の縁がビット線93の先端よりも0.8〜1.3μm程度後退しているため、対向電極93に接触することなく、コンタクトホール106を形成することができる。
【0092】
ロジック回路部においては、層間絶縁膜105の上に配線107が形成される。この配線107は、コンタクトホール106を介してビット線93に接続される。
【0093】
上記第4の実施例では、対向電極96の縁が、サイドエッチングにより画定され、対向電極96の縁を画定するための専用のフォトマスクを用いない。すなわち、メモリセル部とロジック回路部との境界線を画定するためのレジストパターン97のみを用いることにより、対向電極96の縁を画定することができる。
【0094】
次に、図11を参照して、第5の実施例について説明する。図11(A)に示すように、シリコン基板90のメモリセル部に、DRAM回路が形成されている。その構成は、第4の実施例の図10(A)に示すDRAM回路と同様である。
【0095】
素子分離構造体110が、メモリセル部とロジック回路部との境界を画定する。素子分離構造体110の表面上に、ビット線93に対応して連結配線111が形成されている。連結配線111は、ワード線92の形成と同一の工程で形成される。各ビット線93は、その先端近傍において、層間絶縁膜98に形成されたコンタクトホールを介して、対応する連結配線110に接続されている。
【0096】
メモリセル部の対向電極96の表面をレジストパターン97で覆う。レジストパターン97をマスクとして、ロジック回路部の対向電極96、層間絶縁膜99及び98を除去する。ロジック回路部に、連結配線111の一部が露出する。なお、ゲート電極100、サイドウォール絶縁膜101、連結配線111の表面をSiN膜で覆っておき、このSiN膜をエッチング停止層として用いてもよい。第4の実施例の図10(A)の工程と同様に、ロジック回路部にPのイオン注入を行う。
【0097】
図11(B)に示すように、基板全面上に、BPSGからなる層間絶縁膜105を堆積し、CMPにより表面を平坦化する。層間絶縁膜105に、連結配線111の上面を露出させるコンタクトホール106を形成する。コンタクトホール106は、対向電極96の縁よりもロジック回路部寄りに配置される。連結配線111がロジック回路部まで延在しているため、対向電極93に接触することなく、コンタクトホール106を形成することができる。
【0098】
ロジック回路部においては、層間絶縁膜105の上に配線107が形成される。この配線107は、コンタクトホール106及び連結配線111を介してビット線93に接続される。
【0099】
第5の実施例の場合には、連結配線111を介して配線107とビット線93とを接続している。このため、第4の実施例の場合と同様に、ロジック回路部とメモリセル部との境界を画定するレジストパターン97を用いるのみで、配線107とビット線93とを再現性よく接続することができる。
【0100】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0101】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ロジック回路混載のDRAMにおいて、メモリセル部のMISFETとロジック回路部のMISFETとのゲート電極の不純物濃度を、それぞれ好適な濃度とすることにより、DRAMのデータ保持特性とロジック回路部の電気的特性との双方を良好に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図(その1)である。
【図2】本発明の第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図(その2)である。
【図3】本発明の第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図(その3)である。
【図4】本発明の第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図(その4)である。
【図5】図5(A)は、MISFETのゲート電極への不純物注入量とドレイン電流との関係を示すグラフであり、図5(B)は、ゲート電極への不純物注入量とシート抵抗との関係を示すグラフである。
【図6】本発明の第2の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図(その1)である。
【図7】本発明の第2の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図(その2)である。
【図8】本発明の第3の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図(その1)である。
【図9】本発明の第3の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図(その2)である。
【図10】本発明の第4の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図である。
【図11】本発明の第5の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 素子分離構造体
3、4 活性領域
7 ゲート酸化膜
8 ポリシリコン膜
8a ワード線
8b ゲート電極
9a ソース/ドレイン領域
9b 低濃度領域
10a SiO2 膜
10b サイドウォール絶縁膜
11 レジストパターン
12b 高濃度領域
15 CoSi2 膜
18 BPSG膜
19 コンタクトホール
20 ビット線
24 コンタクトホール
25 蓄積電極
28 誘電体膜
29 対向電極
35、42 Wプラグ
40、43 配線
41、44 SiO2 膜
45 カバー膜
50 シリコン基板
51 素子分離構造体
52 ゲート酸化膜
53 第1の導電膜
55 第2のゲート酸化膜
56 容量絶縁膜
60 ポリシリコン膜
61 WSi膜
62 第1のSiN膜
65 ワード線
66 キャパシタ上部電極
67 ソース/ドレイン領域
68 サイドウォール絶縁膜
70a、70b、70d サイドウォール絶縁膜
70c 埋込絶縁部材
71 ソース/ドレイン領域
72 CoSi2 膜
80 上部SiO2 膜
81 低温形成SiO2 膜
82 サイドウォール絶縁膜
83 パッド
90 シリコン基板
91 MISFET
92 ワード線
93 ビット線
94 蓄積電極
95 容量絶縁膜
96 対向電極
97 レジストパターン
98、99 層間絶縁膜
100 ゲート電極
101 サイドウォール絶縁膜
105 層間絶縁膜
106 コンタクトホール
107 配線
111 連結配線
Claims (4)
- 主表面内にメモリセル部とロジック回路部とが画定された半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板の主表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に、シリコン膜を形成する工程と、
前記シリコン膜にn型不純物を添加する工程であって、前記シリコン膜のうち前記メモリセル部上の領域に第1の不純物濃度になるようにn型不純物を添加し、前記ロジック回路部上の領域に、前記第1の不純物濃度よりも低濃度の第2の不純物濃度になるようにn型不純物を添加する工程と、
前記シリコン膜をパターニングする工程であって、前記メモリセル部においては、ゲート電極を兼ね、かつ前記第1の不純物濃度とされたワード線を残し、前記ロジック回路部においては、前記第2の不純物濃度とされたゲート電極を残す工程と、
前記半導体基板の表面層のうち、前記メモリセル部の前記ワード線をマスクとして、その両側の領域にリンをイオン注入することにより、ソース及びドレイン領域を形成し、前記ロジック回路部の前記ゲート電極をマスクとして、その両側の領域に少なくとも砒素をイオン注入することにより、低濃度ドレイン構造を有するソース及びドレイン領域の低濃度領域を形成する第1イオン注入工程と、
前記半導体基板全面上に、第1の絶縁膜を堆積する工程と、
前記第1の絶縁膜のうち前記メモリセル部の領域をレジストパターンで覆い、前記ロジック回路部の前記第1の絶縁膜を異方性エッチングすることにより、前記ロジック回路部の前記ゲート電極の側壁上に第1のサイドウォール絶縁膜を残す工程と、
前記ロジック回路部の前記ゲート電極と前記第1のサイドウォール絶縁膜とをマスクとして、それらの両側の半導体基板表面層に砒素をイオン注入し、低濃度ドレイン構造を有するソース及びドレイン領域の高濃度領域を形成する第2イオン注入工程とを含み、
前記一連の工程の結果、前記ロジック回路部の前記ゲート電極の不純物濃度は、前記メモリセル部の前記ワード線の不純物濃度よりも低濃度である半導体装置の製造方法。 - 前記半導体基板のロジック回路部に、nチャネルMISFET用の領域と、pチャネルMISFET用の領域が画定されており、
前記第2の不純物濃度になるように不純物を添加する領域が、前記nチャネルMISFET用の領域であり、
前記シリコン膜をパターニングする工程において、前記ロジック回路部のnチャネルMISFET用の領域に、前記第2の不純物濃度とされたゲート電極を残すとともに、前記pチャネルMISFET用の領域に、前記シリコン膜からなる他のゲート電極を残し、
前記低濃度ドレイン構造を有するソース及びドレイン領域の前記高濃度領域を形成する工程において砒素がイオン注入されるMISFETは、nチャネルMISFET用の領域内に配置されており、
さらに、前記pチャネルMISFET用の領域に残された前記他のゲート電極、及びその両側の基板表面層にp型不純物を注入する工程を含む請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 主表面にロジック回路部とメモリセル部とが画定された半導体基板と、
前記半導体基板のメモリセル部上に配置され、nチャネルの第1のMISFETとキャパシタとを含み、該第1のMISFETのゲート電極を兼ねるワード線が、n型の第1の不純物濃度であるシリコン膜からなる複数のメモリセルと、
前記半導体基板のロジック回路部上に配置され、前記第1のMISFETと同一の導電型の複数の第2のMISFETであって、該第2のMISFETのゲート電極が前記第1の不純物濃度よりも低いn型の第2の不純物濃度であるシリコン膜からなる前記第2のMISFETとを有し、
前記第1のMISFETのソース及びドレイン領域にはリンが添加されており、前記第2のMISFETの低濃度領域及び高濃度領域からなる低濃度ドレイン構造を有するソース及びドレイン領域には少なくとも砒素が添加されている半導体装置。 - 前記第2のMISFETのゲート電極の上面上及びソース及びドレイン領域の上面上に金属シリサイド膜が配置されており、前記第1のMISFETのゲート電極の上面上及びソース及びドレイン領域の上面上には、金属シリサイド膜が配置されていない請求項3に記載の半導体装置。
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