JP4427037B2 - 凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、メモリ装置の製造方法に関するものであって、特に、凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法に関するものである。
集積回路工業の快速な発展に伴い、その開発は、ハイパフォーマンス、小型化、及び、高作業速度の趨勢にある。更に、ダイナミックRAM(dynamic random access memory 、DRAM)製造方法も快速に発展している。
一般に、現在のDRAMセルは、トランジスタとコンデンサからなる。現在のDRAMの容量は、256MBから512MB以上に達し、高集積化、高記憶容量、そして動作速度高速化に対する要求に応じて、メモリセルとトランジスタのサイズは小さくなる傾向がある。
しかし、従来の平面トランジスタ技術においては、チップ上の使用可能な表面領域が更に必要で、前述の要求を満たすのは困難である。
よって、凹型ゲートとチャネル技術をDRAM製造に応用して、半導体基板上のトランジスタとコンデンサにより占有される面積を減少することが行われている。
従来の平面トランジスタ技術では、チップ上に大きい表面領域を必要とし、高集積化の要求が達成されない。公知の半導体メモリセルの欠点は、凹型垂直ゲートトランジスタRVERT(recessed vertical gate transistor、以下、RVERTとする )技術をDRAM製造に適用することにより改善し、よって、RVERT技術は重要な半導体メモリセル製造方法となっている。
図1は、従来の垂直ゲートトランジスタの上面図である。
図1に示すように、拡散距離Dを制御する必要があるので、凹型ゲート102とディープトレンチコンデンサ104との間の距離は正確に制御されなければならない。
しかし、60nm以下の時、公知のリソグラフィ工程のオーバーレイ(overlay)制御は、凹型ゲートの製造にとって、非常に困難である。
本発明は、上述の問題を解決する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、(a)少なくとも二つのディープトレンチコンデンサを内部に有すると共に、前記ディープトレンチコンデンサの上部が露出する基板を提供する工程と、(b)前記ディープトレンチコンデンサの前記基盤上に露出している部分の側壁を取り囲むスペーサを形成する工程と、(c)前記ディープトレンチコンデンサの上面と前記スペーサとをマスクとして用いた前記基板のエッチングにより、凹部を前記基板に形成する工程と、(d)前記凹部内に凹型ゲートを形成する工程とを含んで構成される半導体素子の製造方法とした。
本発明により、凹型垂直トランジスタとディープトレンチコンデンサ間の距離が正確(精密・精確)に制御され、且つ、凹型垂直トランジスタとディープトレンチコンデンサ間の拡散距離が容易に制御できる。
以下の具体例の詳細説明を本発明の参考とし、且つ、範例は図式によって説明する。図式、或いは、詳述中、相似の、或いは、相同の部分は相同の符合を使用する。実施例の形状、或いは、厚さは拡大でき、表示を簡潔、或いは、便利にする。図式中の各素子はそれぞれ説明され、注意すべきことは、図示されない、或いは、叙述されない素子は、この技術を熟知する者が知る形式を採用する。この他、一層が基板、或いは、もう一層上にあることを叙述する時、この層は、直接、基板、或いは、もう一層上に位置するか、或いは、その間に中間層を有してもよい。
図2A〜図2Gは、本発明の具体例による凹型垂直トランジスタを有するメモリの形成工程を示す図である。
図2Aに示すように、はじめに、用意された基板200の上に、第1パッド層202と第2パッド層204とが設けられる。
ここで、ケイ素、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、歪シリコン、シリコンゲルマニウム、炭化ケイ素、ダイアモンド、エピタキシー層等の材料やその混合物から構成されるものが、基板200として用いられる。
また、第1パッド層202は、酸化ケイ素で、第2パッド層204は、窒化ケイ素で、それぞれ構成される。
第1パッド層202と第2パッド層204は、それぞれ公知のリソグラフィ技術を用いて所望のパターンで形成され、これに続くエッチングにより、少なくとも二つの開口部が第1パッド層202と第2パッド層204とに形成される。
続いて、第1パッド層202と第2パッド層204とをハードマスクとして用いて基板200をエッチングすることで、少なくとも二つのトレンチ206が基板200上に形成される。
そして、図2Bに示すように、ディープトレンチコンデンサ208が、トレンチ206中に形成される。
ここで、ディープトレンチコンデンサ208の下部は、ポリシリコン等からなる上部電極210と、ONO等からなるコンデンサ誘電層212と、下部電極214とを含んで構成される。なお、下部電極214は、基板200のドーピングされた領域(ドープ領域)である。
ディープトレンチコンデンサ208の上部は、カラー誘電層216と、上部電極210に電気的に接続される導電層218と、単一側絶縁層220とを含んで構成される。ここで、単一側絶縁層220は、頂部に位置すると共に、一側が絶縁されており、他側は、基板200から露出して、第1パッド層202と第2パッド層204の内部において埋蔵ストラップ222を形成している。
本実施形態の場合、単一側絶縁層220の上側の表面(上端)は、第2パッド層204と同じ高さになるように構成されている。
次に、図2Cに示すように、選択性エッチングにより第2パッド層204を除去して、ディープトレンチコンデンサ208(単一側絶縁層220)の一部を露出させる。
ここで、この第2パッド層の除去程において、ディープトレンチコンデンサ208の一部が、基板200の上に突出していることが好ましい。
ちなみに、第1パッド層202と単一側絶縁層220が酸化ケイ素で構成される場合、第2パッド層の除去は、リン酸中に浸すことで行われる。
第1パッド層202と単一側絶縁層220の上に、スペーサ層(図示しない)を、蒸着により形成する。
ここで、スペーサ層は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、窒酸化ケイ素、これら物質の混合物や積層物、ポリイミド、SOG、FSG等の低K誘電層、ブラックダイアモンド、SILK(登録商標)、FLARE(登録商標)、LKD、キセロゲル、エーロゲルや、他の材料から構成される。ここで、ケイ素層は、窒化ケイ素であることが好ましい。
次に、図2Dに示すように、スペーサ層の一部のエッチングにより、スペーサ226を、ディープトレンチコンデンサ208の露出部分の側壁に形成する。
言い換えると、ディープトレンチコンデンサ208の露出部分の側壁を取り囲むように(囲繞するように)スペーサ226を形成する。
本発明の好ましい具体例において、エッチング工程は、CHF3、CF4とO2の組み合わせ、或いは、C2F6をメインエッチング液として用いる異方性エッチングで行われる。
なお、スペーサ226が窒化ケイ素である時、プラズマエッチングにより、前記した程を行う構成としても良い。
また、スペーサ226が酸化ケイ素である場合には、異方性エッチングは、CHF3、CF4とO2の組み合わせ、CF4、C2F6、そしてC3F8の組み合わせなどを、メインエッチング液として用い、プラズマエッチングにより、エッチング程を行うようにしても良い。
スペーサ226の幅と高さは、チャンネル長さ、ソース幅、ドレイン幅に影響する。また、エッチング圧力、温度、電力、バイアス、気体流(ガス流量)などのチューニングプロセスパラメータを適切に制御することにより、所望の形状に形成することができる。
図2Eに示すように、スペーサ226とディープトレンチコンデンサ208の単一側絶縁層220とをエッチングマスクとして用いて、第1パッド層202の一部がエッチングされる。
続いて、スペーサ226と、ディープトレンチコンデンサ208の単一側絶縁層220と、パターンニング(エッチング)後の第1パッド層202と、第2パッド層204とをエッチングマスクとして用いて、基板200をエッチングすることにより、ディープトレンチコンデンサ208の間の部分(領域)に凹部(recess)228を形成する。ここで、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングが、凹部の形成に用いられる。
次に、図2Fに示すように、ゲート誘電層230が、凹部228の下部から側壁に亘って形成される。ここで、ゲート誘電層230としては、酸化ケイ素を用いることが好ましい。このゲート誘電層230は、熱プロセス、或いは、蒸着工程により形成される。
熱プロセスとしては、急速熱酸化、熱酸化炉、或いは、ISSG(in situ steam generation)が挙げられる。また、蒸着工程としては、減圧化学気相堆積法(LPCVD)、高温酸化蒸着(high temperature oxide (HTP) deposition)等が挙げられる。
続いて、ポリシリコン、タングステン、ケイ化タングステン、そして、これらと同類物等の導電材料が、LPCVD等の蒸着により凹部228内に充填される。この導電材料は、その後のエッチングにより、凹型ゲート232を形成することになる。ここで、この凹型ゲート232の頂部の表面(上端面)は、単一側絶縁層220の上端面と同じ高さか、それより低くなるように構成される。
図2Gに示すように、スペーサ226が、リン酸に浸す等の湿式エッチングにより除去される。次に、基板200に対してイオン注入が施されて、基板200上の凹型ゲート232を挟んで対向する部分に、ソース領域234とドレイン領域236とを形成する。
この際、ソース領域234は、埋蔵ストラップ222の領域において、ディープトレンチコンデンサの導電層218と電気的に接続する。
上述の具体例によると、凹型ゲートを形成する際に、ひとつのフォトリソグラフィ工程が省略される。
更に、スペーサを有する凹型ゲートの自動照準がフォトリソグラフィを代替するので、RVERTとディープトレンチコンデンサと間の長さは正確に制御され、これらの間の拡散距離は更に容易に制御される。
すなわち、前記した実施例によると、凹型ゲートの形成を、フォトリソグラフィ技術を用いたパターンニングにより形成する方法を採用せずに、スペーサをself−alignmentの基準として用いる方法により、行うので、フォトリソグラフィ技術を採用する場合に必要とされる程を一つ(一工程)省略することができる。
よって、程を省略することができるので、その分製造コストを抑えることが可能となる。さらにRVERTとディープトレンチコンデンサとの間の距離を精度良く制御できるようになるため、凹型ゲートを隣り合う2つのディープトレンチコンデンサの真中に精度良く位置させることができるようになる。
REVERTとディープトレンチコンデンサとの間の拡散距離(Outdiffusion distance)は、REVERTとディープトレンチコンデンサとの間の距離によって決まることから、本発明では、これら両者間の距離を精度良く制御できる。その結果として、外拡散距離がより容易に制御できるようになるという効果が得られることになる。
図3Aは、本実施形態に係る凹型垂直トランジスタを有するメモリを示す概略上面図である。この図において、セルサイズは8F2で、水平長さD3は4Fで、垂直長さD4は2Fである。
図3Aに示すように、凹型ゲートが形成される領域302は、四つのディープトレンチコンデンサ208により囲まれている。本実施形態の場合、ディープトレンチコンデンサ208はマトリクス状に配置されており、各ディープトレンチコンデンサ208と領域302との間の距離D2は、ほぼ同じとなるように構成されている。
さらに、ディープトレンチコンデンサ208は、基板200の表面から所定の高さ突出している。
ディープトレンチコンデンサ208の突出部分の側壁上に、スペーサが形成される場合、すなわち、ディープトレンチコンデンサ208の突出部分が、スペーサにより囲繞されている場合、基板200上の凹型ゲート領域302を除くすべての領域が、スペーサにより被覆されていることになる。
よって、凹型ゲート232は、凹型ゲート領域302を囲むように位置しているディープトレンチコンデンサ208の突出部分を囲繞するスペーサにより、その大きさ、範囲が規定されることになる。
次に、スペーサとディープトレンチコンデンサ208とをマスクとして用いて、エッチング工程を行うことにより、凹型ゲート領域302の内部に凹部が形成される。そして、この凹部の内部にゲート誘電層と凹型ゲートとが形成される。
さらにこのディープトレンチコンデンサ208と凹型ゲート232の形成に続いて、アクティブ領域を規定するシャロートレンチ絶縁層(shallow trench isolation)502が、基板200に形成される。
フォトリソグラフィの代わりに、スペーサにより凹型ゲート232が定義されるので、拡散距離Dは重複問題を生じずに正確に制御される。
凹型ゲート232は、二つの隣接するディープトレンチコンデンサ208間の中間部分で正確に定義される。その結果、ワードライン方向又はビットライン方向に沿って、装置の大きさを小さくすることができる。
例えば、図3Bに示すように、ワードライン方向に沿って縮小することで、水平長さD3が3Fであり、垂直長さD4が2Fである6F2のセルサイズにすることができる。
さらに、図3Cに示すように、ワードライン方向に沿って縮小することで、水平長さD3が2Fであり、垂直長さD4が2Fである4F2のセルサイズにすることができる。
さらに、図3Dに示すように、ワードライン方向とビットライン方向に沿って縮小することにより、水平長さD3が3Fであり、垂直長さD4が1.5Fである4.5F2のセルサイズにすることができる。
また、図4Aに示すように、ビットライン方向に沿って縮小することで、水平長さD3が3Fであり、垂直長さD4が2Fである6F2のセルサイズにすることができると共に、ディープトレンチコンデンサ208の形状を円形にすることができる。
さらに、図4Bに示すように、ビットライン方向に沿って縮小することで、水平長さD3が3Fであり、垂直長さD4が2Fである6F2のセルサイズにすることができる。なお、この場合、ディープトレンチコンデンサ208は楕円形である。
図5Aに示すように、本発明の具体例において、凹型ゲート232からなるアクティブ領域を定義するシャロートレンチ絶縁層502は、凹型ゲート232の四つの角だけをカットして、大きい絶縁層工程ウィンドウを達するか、或いは、図5Bで示されるように、凹型ゲート232の上部504と下部506とをカットして、好ましい絶縁効果を得る。
本発明の具体例において、ワードラインが続いて形成される。
ワードラインは、一定幅を有する直線状のものに限定されるものではなく、例えば、図5Cに示すように、ワードライン510は、ディープトレンチコンデンサ208を被覆する広い幅(幅広部)と、凹型ゲート232を被覆する狭い幅(幅狭部)とから構成されるようにしても良い。
また他の態様として、図5Dに示すように、ワードライン520は、ディープトレンチコンデンサ208の中央部分とのみ重なるように構成されていても良い。
前記したように、凹型ゲートを形成する場合、ひとつのフォトリソグラフィ工程を省略することができ、その結果として製造コストを減少させることができる。
さらに、スペーサを有する凹型ゲートの自動照準がフォトリソグラフィを代替するので、RVERTとディープトレンチコンデンサDT間の長さは精確に制御される。
よって、凹型ゲートは、二つの隣接するディープトレンチコンデンサの丁度中間で正確に定義され、重複問題が解決される。また、限界寸法は精確に制御され、ディープトレンチコンデンサと凹型ゲート間の拡散距離は更に容易に制御される。
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
公知の垂直ゲートトランジスタを示す図である。 本発明の具体例による凹型垂直トランジスタを有するメモリの形成工程を示す図である。 本発明の具体例による凹型垂直トランジスタを有するメモリの形成工程を示す図である。 本発明の具体例による凹型垂直トランジスタを有するメモリの形成工程を示す図である。 本発明の具体例による凹型垂直トランジスタを有するメモリの形成工程を示す図である。 本発明の具体例による凹型垂直トランジスタを有するメモリの形成工程を示す図である。 本発明の具体例による凹型垂直トランジスタを有するメモリの形成工程を示す図である。 本発明の具体例による凹型垂直トランジスタを有するメモリの形成工程を示す図である。 本発明の具体例の凹型垂直トランジスタを有するメモリの上視図である。 本発明の具体例の凹型垂直トランジスタを有するメモリの上視図で、セル尺寸が6F2であることを示す図である。 本発明の具体例の凹型垂直トランジスタを有するメモリの上視図で、セル尺寸が4F2であることを示す図である。 本発明の具体例の凹型垂直トランジスタを有するメモリの上視図で、セル尺寸が4.5F2であることを示す図である。 本発明のもう一つの具体例の凹型垂直トランジスタを有するメモリの上視図である。 本発明の更にもう一つの具体例の凹型垂直トランジスタを有するメモリの上視図である。 本発明の別の具体例の凹型垂直トランジスタを有するメモリの上視図である。 本発明のまた別の具体例の凹型垂直トランジスタを有するメモリの上視図である。 本発明の具体例によるワードラインを有する凹型垂直トランジスタを有するメモリの上視図である。 本発明のもう一つの具体例によるワードラインを有する凹型垂直トランジスタを有するメモリの上視図である。
符号の説明
D 拡散距離
102 凹型ゲート
104 ディープトレンチコンデンサ
200 基板
202 第一パッド層
204 第二パッド層
206 トレンチ
208 ディープトレンチコンデンサ
210 上電極
212 コンデンサ誘電層
214 下電極
216 カラー誘電層
218 導電層
220 単一側の絶縁層
222 埋蔵ストラップ
226 スペーサ
228 凹槽
230 ゲート誘電層
232 凹型ゲート
234 ソース領域
236 ドレイン領域
302 凹型ゲート
502 シャロートレンチ絶縁層
504 凹型ゲートの上部
506 凹型ゲートの下部
510 ワードライン
520 ワードライン

Claims (14)

  1. 凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法であって、
    (a)少なくとも二つのディープトレンチコンデンサを基板内に形成する工程であって、
    前記少なくとも二つのディープトレンチコンデンサそれぞれが、前記基板内のドープ領域の下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間のコンデンサ誘電層と、前記上部電極と電気的に接続する導電層と、前記導電層上に形成され、前記導電層の一側を絶縁し、前記導電層上の他側を露出する単一側絶縁層と、を備えており、前記単一側絶縁層が前記基板の表面から突き出ているように形成される工程と、
    (b)前記単一側絶縁層の側壁を取り囲むスペーサを形成する工程と、
    (c)前記単一側絶縁層と前記スペーサとをマスクとして用いた前記基板のエッチングにより、凹部を前記基板に形成する工程と、
    (d)前記凹部内に凹型ゲートを形成する工程と、
    (e)前記基板に対するイオン注入により、前記凹型ゲートを挟んで対向する部分にソース領域とドレイン領域を形成する工程であって、
    前記ソース領域が、前記基板内の前記導電層の他側において前記少なくとも二つのディープトレンチコンデンサの一つの前記導電層と直接接触するように形成される工程と、
    を含むことを特徴とする凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  2. 前記(a)工程は、
    (a1)前記基板上にパッド層を提供する工程と、
    (a2)前記パッド層と前記基板とをパターンニングすることにより、少なくとも二つのトレンチを前記基板に形成する工程と、
    (a3)前記トレンチの各々に、ディープトレンチコンデンサを形成する工程と、
    (a4)前記パッド層の除去により、前記基板上のディープトレンチコンデンサの上部の単一側絶縁層を露出させる工程と、
    を含むことを特徴とする請求項1に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  3. 前記パッド層は、窒化ケイ素や酸化ケイ素を含む層であることを特徴とする請求項2に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  4. 前記凹型ゲートの上端面は、前記ディープトレンチコンデンサの上端面と同じ高さであることを特徴とする請求項1に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  5. 前記スペーサは、酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒酸化ケイ素であることを特徴とする請求項1に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  6. 凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法であって、
    (a)複数のディープトレンチコンデンサを基板内に形成する工程であって、
    前記複数のディープトレンチコンデンサそれぞれが、前記基板内のドープ領域の下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間のコンデンサ誘電層と、前記上部電極と電気的に接続する導電層と、前記導電層上に形成され、前記導電層の一側を絶縁し、前記導電層上の他側を露出する単一側絶縁層と、を備えており、前記単一側絶縁層が前記基板の表面から突き出ているように形成される工程と、
    (b)突出している前記単一側絶縁層の側壁を取り囲むスペーサを形成することにより、前記ディープトレンチコンデンサによって囲繞された前記基板の所定領域を形成する工程と、
    (c)前記スペーサと前記単一側絶縁層とをマスクとして用いて前記基板の所定領域をエッチングすることにより、凹部を前記基板に形成する工程と、
    (d)前記凹部内に凹型ゲートを形成する工程と、
    (e)前記基板に対するイオン注入により、前記凹型ゲートを挟んで対向する部分にソース領域とドレイン領域を形成する工程であって、
    前記ソース領域が、前記基板内の前記導電層の他側において前記少なくとも二つのディープトレンチコンデンサの一つの前記導電層と直接接触するように形成される工程と、
    を含むことを特徴とする凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  7. 前記複数のディープトレンチコンデンサは、マトリクス状に配列された四つのディープトレンチコンデンサであることを特徴とする請求項6に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  8. (e)アクティブ領域を規定するシャロートレンチ絶縁層を、前記基板に形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  9. 前記シャロートレンチ絶縁層は、前記凹型ゲートの四つの角だけをカットすることを特徴とする請求項8に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  10. (f)前記凹型ゲートと電気的に接続するワードラインを形成する工程を含むことを特徴とする請求項6に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  11. 前記ワードラインは、前記ディープトレンチコンデンサを被覆する幅広部と、凹型ゲートを被覆する幅狭部とから構成されることを特徴とする請求項10に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  12. 前記(a)工程は、
    (a1)前記基板上にパッド層を提供する工程と、
    (a2)前記パッド層と前記基板とをパターンニングすることにより、少なくとも二つのトレンチを前記基板に形成する工程と、
    (a3)前記トレンチの各々に、ディープトレンチコンデンサを形成する工程と、
    (a4)前記パッド層の除去により、前記基板上の前記ディープトレンチコンデンサの上部の単一側絶縁層を露出させる工程と、
    を含むことを特徴とする請求項6に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  13. 前記(d)工程は、
    (d1)前記凹部内の表面にゲート誘電層を形成する工程と、
    (d2)前記凹部内に導電材料層を形成する工程と、
    (d3)前記導電材料層をエッチングしてから、前記スペーサを湿式エッチングによって除去することにより、前記凹型ゲートを形成する工程と、
    からなることを特徴とする請求項6に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
  14. 前記スペーサは、酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒酸化ケイ素であることを特徴とする請求項6に記載の凹型ゲートを有するメモリ装置の製造方法。
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