JP4501208B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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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し、特に、LSIメモリの記憶素子を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
LSIメモリは、メモリセルを転送トランジスタ(以下トランジスタ)と情報蓄積容量(以下蓄積容量)で構成する。
【0003】
近年この分野では国際間の競争が激化し、大容量のLSIメモリを低価格で市場に供給することが必要不可欠になっている。この為、より高集積化されたLSIメモリをより低価格で製造できる技術が必要とされてきている。
【0004】
より高集積化を実現する為にメモリセルの構造が複雑化し、メモリセル領域と周辺回路領域との段差が拡大し加工工程の難易度を上げている。とりわけ、メモリセルと周辺回路領域のコンタクト形成プロセスの工程の難易度が高くなり、LSIメモリをより低価格で製造する際の障害となっている。
【0005】
そこで、メモリセル形成プロセスと周辺回路領域のコンタクト形成プロセスとの整合性に優れた従来の半導体装置及びその製造方法として本発明者が、特開平10−189912号公報にて提案している。
【0006】
以下、従来の半導体装置及びその製造方法を図を用いて説明する。
【0007】
図14は、従来の半導体装置の構造を示す平面図及び断面図である。また、同図において、左側がメモリセル領域m、右側が周辺回路領域pである。図14 (A)は平面図であり、図14(B)は同図(A)におけるx−x´断面図である。
【0008】
図中、101は半導体基板、102は素子分離領域、103はゲート絶縁膜、104はゲート電極、105は保護膜、106はゲート側壁絶縁膜、107はソース・ドレイン拡散層、114aは第1導電体膜からなる蓄積電極、114bは第1導電体膜からなるダミーパターン、114cは第1導電体膜からなる周辺回路領域のコンタクトプラグ、118はキャパシタ誘電体膜、119は第2導電体膜で形成される対向電極、127は配線層である。
【0009】
同図では、ダミーパターン114bと周辺回路領域のコンタクトプラグ114cを、メモリセルの蓄積容量の第1導電体による蓄積電極114aと同時に形成する。したがって、工程の削減と、メモリセル領域と周辺回路領域の段差による工程難易度の軽減が可能となる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の技術においても、配線層127を形成するために、電極引出しの開口工程が必要である。この開口工程には、開口を形成するためのフォトプロセスによるレジストマスクの形成、開口を形成する絶縁膜のエッチング、レジストマスクの除去等の工程が必要で工程の負担となり、低価格で市場に供給することが困難である。
【0011】
そこで、メモリセル領域と周辺回路領域とを形成する際の整合性が優れ、LSIメモリをより低価格で製造できる技術が望まれている。
【0012】
本発明の目的は、LSIメモリの、メモリセルと周辺回路領域のコンタクト形成プロセスとを単純な構成と工程による半導体装置及びその製造方法として提供することにある。
【0013】
【課題を解決する為の手段】
上記目的は、半導体基板上に、第1の導電体からなる第1の電極と、誘電体膜と、第2の導電体からなる第2の電極とによる容量、および該第1の導電体からなる第3の電極とを有し、該第2の電極が、該容量より該第3の電極に延在し、該第3の電極上において該第2の電極と該第3の電極とが電気的に接続される半導体装置により達成される。
【0014】
また、上記目的は、半導体基板上に、メモリセル領域と周辺回路領域とを有する半導体装置の製造方法において、該メモリセル領域に第1の導電体からなる第1の電極を形成する工程と、該第1の導電体からなる、第3の電極を該メモリセル領域と該周辺回路領域の境界位置に形成する工程と、該第3の電極には、該境界より該メモリセル領域に属する部分が該周辺回路領域に属する部分よりも低い段差部が形成され、該第1の電極上に、誘電体膜と第2の導電体からなる第2の電極とを形成するとともに、該誘電体膜と該第2の電極とを、該第3の電極の該段差部の側壁に延在して形成する工程と、該側壁部に形成された該第2の電極と該誘電体膜の一部を除去した溝を形成する工程と、該溝の一部を第3の導電体で充満させ、該第2の電極と該第3の電極とを電気的に接続する工程とを含む半導体装置の製造方法により達成される。
【0015】
すなわち、本発明によれば、対向電極の引出しがフォトプロセスによるレジストマスクの形成、絶縁膜のエッチング、レジストマスクの除去等の工程を経ることなく完了し、比較的容易な工程により形成されるので、LSIメモリのメモリセルの形成と周辺回路領域のコンタクト形成プロセスとを、より単純な構成と工程により半導体装置及びその製造方法が提供できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による半導体装置及びその製造方法について、図1乃至図4を用いて説明する。
【0017】
図1は、本発明の第1実施形態による半導体装置の構造を示す平面図及び断面図であり、左側がメモリセル領域M、右側が周辺回路領域Pである。図1(A)は平面図、図1(B)は同図(A)におけるX−X´断面図である。図2乃至図4は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0018】
始めに、本実施形態による半導体装置の構造を図1(B)を用いて説明する。
【0019】
半導体基板1は素子分離領域2により画定され、ゲート絶縁膜3、ゲート電極4、保護膜5、ゲート側壁絶縁膜6、ソース・ドレイン拡散層7よりなるトランジスタが所定の位置に存在している。メモリセル領域M内には、同一の導電体により、蓄積容量の第1の電極である蓄積電極(以下蓄積電極と称する)14a、メモリセル領域Mと周辺回路領域Pの境界にまたがる位置には第3の電極であるコンタクト電極(以下コンタクト電極と称する)14b、周辺回路領域Pにはコンタクトプラグ14cが存在している。
【0020】
キャパシタ誘電体膜18と第2の電極である対向電極(以下対向電極と称す る)19がメモリセル領域Mの蓄積容量の構成部であるとともに、境界にまたがるコンタクト電極部14bの段差部の側壁部にも延在する。
【0021】
側壁部には、キャパシタ誘電体膜18と対向電極19を表面よりエッチングして形成した第1の溝21が存在する。第1の溝の底部にて、キャパシタ誘電体膜18を対向電極19よりもさらに深くエッチングして第2の溝22が存在する。第2の溝22は、コンタクト電極14bの側壁部と対向電極19の双方又は何れかが酸化又は窒化されて、酸化物又は窒化物が生じる際の体積膨張により充満されている。
【0022】
コンタクト電極14bと対向電極19には、例えばW(タングステン)のようなその窒化物も導電性を有する材料が選択される。Wの場合には導電性を有するWNx(窒化タングステン)膜23により第2の溝22が充満されて両者は電気的に接続されている。第1の溝21内には絶縁膜26が存在し、表面の平坦化によりコンタクト電極14b、周辺回路領域のコンタクトプラグ14cが露出す る。
【0023】
これらは、フォトプロセスを必要とせずに、エッチバック又はCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により開口され て、配線層27と接続している。
【0024】
図1(A)の平面図にて、メモリセル領域Mの蓄積電極14aがメモリセルの配置の例を示す。メモリセル領域Mと周辺回路領域Pの境界は絶縁膜26のパターンにより示される。コンタクト電極14bと上記絶縁膜26のパターンの交差が同電極14bの位置的な特徴を示す。
【0025】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法を図2乃至図4を用いて説明する。
【0026】
図2(A)を参照して、半導体基板1に例えばSTI(Shallow Trench Isolation)により素子分離領域2を形成後、ゲート絶縁膜3、ゲート電極4、保護膜5、ゲート側壁絶縁膜6、ソース・ドレイン拡散層7によりトランジスタを形成する。なお、ゲート電極4はワード線を兼ねている。メモリセル領域Mのソース・ドレイン拡散層7上には、ドープトポリシリコンによるプラグ7aが形成される。
【0027】
一方のソース・ドレイン拡散層7上には、プラグ7aを介してワード線と交差するビット線8を形成するとともに、周辺回路領域P上には、引出し電極8cを形成する。
【0028】
次いで、全面に絶縁膜9を形成し、CMP法により絶縁膜9の表面を平坦化する。その後、プラグ7aと、周辺回路領域Pの引出し電極8cとに接続する開口を絶縁膜9に形成し、開口内を例えばW/TiN/Ti等の導電体膜10で埋める。
【0029】
次いで、CVD法により、エッチングストッパとなる例えば膜厚50nmのシリコン窒化膜11、膜厚0.3〜0.6μmのシリコン酸化膜12、エッチングマスクとなる例えば膜厚50nmのアモルファスシリコン膜を順次成膜する。その後、フォトプロセスによりアモルファスシリコン膜のパターンニングを行い、アモルファスシリコン膜13をエッチングマスクとして、将来蓄積電極,コンタクト電極,周辺回路コンタクトプラグとなるべき開口部を形成する。
【0030】
図2(B)を参照して、CVD法により、第1の導電体となる例えば膜厚100nmのW膜14を成膜する。W膜14はシリコン酸化膜12とアモルファスシリコン膜13により形成された開口部を充満するように成膜されて、その表面は比較的平坦となる。
【0031】
図2(C)を参照して、SF6 (六フッ化硫黄)ガスプラズマのドライエッチングにより、アモルファスシリコン膜13が露出するまで、W膜14をエッチバックする。
【0032】
次いで、アモルファスシリコン膜13をエッチングすることにより、W膜14が蓄積電極とコンタクト電極になるべき部分と、周辺回路領域コンタクトプラグ14cの各々孤立パターンとして形成される。W膜14及びアモルファスシリコン膜13のエッチングに代えてCMP法によっても可能である。
【0033】
図3(A)を参照して、CVD法により、エッチング保護膜となる例えば膜厚20nmのシリコン窒化膜16を成膜する。次いで、周辺回路領域をフォトプロセス工程により形成したレジストマスク17で覆い、シリコン窒化膜16をエッチングし、さらにW膜をSF6 プラズマのドライエッチングにて、100nm乃至300nm程度のエッチングを行い、所望の蓄積容量を得る為に必要な高さにする。ここにおいて、蓄積電極14a、コンタクト電極14bが形成される。
【0034】
境界と交差する位置にあるコンタクト電極14bには、メモリセル領域M側に存在する部分のみがエッチングされるので段差が生じる。この段差により、コンタクト電極14bを横断する境界に沿った側壁が形成される。
【0035】
次いで、シリコン窒化膜16,蓄積電極14a,およびコンタクト電極14bをマスクにして、メモリセル領域のシリコン酸化膜12を、弗素プラズマのドライエッチ、及び必要に応じてHF(弗酸) 溶液によるウエットエッチによりシリコン窒化膜11までエッチングする。
【0036】
なお、コンタクト電極14bの下部に導電体膜10が存在するが、この導電体膜10は導電体としての機能は必要でなく、必ずしも必須ではない。ただし、導電体膜10がコンタクト電極14bの下部に存在しない場合は、コンタクト電極14bの下地が絶縁膜となり、下地が導電体膜の場合よりも下地との密着強度が低くなり、本図の工程中にコンタクト電極14bが剥離してしまう恐れがあり、この剥離を防止することができる。
【0037】
図3(B)を参照して、全面にCVD法により、キャパシタ誘電体膜となる例えば膜厚10nmのTa2 O5 膜18と、対向電極となる例えば膜厚50〜200nmのW膜19、膜厚500nmのシリコン酸化膜20を順次成膜する。
【0038】
次いで、例えばCMP法により周辺回路領域P上のシリコン酸化膜20を除去し、エッチバック又はCMP法によりW膜19とTa2 O5 膜18を除去して、シリコン窒化膜16の面にまで平坦化する。なお、エッチバックによる場合は、次の図3(C)及び図4(A)の工程におけるW膜19とTa2 O5 膜18の除去と同時に行うことも可能である。
【0039】
境界下のコンタクト電極14bでは、段差の側壁部をメモリセル領域Mより周辺回路領域Pへ這い上がるように、キャパシタ誘電体膜18、対向電極19が形成されて表面で終端する。
【0040】
この段階では、コンタクト電極14bと対向電極19の間には誘電体膜18が介在しているので、両者は電気的には接続されていない。
【0041】
図3(C)を参照して、境界の側壁部とコンタクト電極部の内側の側壁部に形成された対向電極19を、ドライエッチング法により除去し、第1の溝21が形成途中の状態となる。なお、コンタクト電極14bは対向電極19と同じくWを材料としているが、シリコン窒化膜16に覆われているので、エッチングされない。
【0042】
図4(A)を参照して、コンタクト電極14bの側壁に形成されたTa2 O5 膜18を、対向電極19と同じ深さまでエッチングして、第1の溝21が形成される。Ta2 O5 膜18は例えば膜厚10nmであり、そのエッチングはシリコン酸化膜のエッチング条件と同様の弗素プラズマのドライエッチングによる等方性エッチングにより行う。この時、シリコン酸化膜20もエッチングされるが、その膜厚100〜300nmに比してエッチングされる膜厚は少なく影響はな い。
【0043】
さらに、Ta2 O5 膜18をエッチングして、第1の溝21の底部の一部に更に第2の溝22を形成する。この溝はコンタクト電極14bと対向電極19の中間に形成され、その幅はTa2 O5 膜18の膜厚相当であり例えば10nmである。この工程のTa2 O5 膜18のエッチングは10〜20nmであり、前記同様にシリコン酸化膜20への影響はない。
【0044】
図4(B)を参照して、例えばNH3 雰囲気で400℃,5〜10分間の熱窒化を行う。コンタクト電極14b及び対向電極18はともにWであり、その窒化物WNx は導電性をもつ。前記第2の溝22では、WNx 膜23が形成され、その際の体積膨張により充満される。同時にコンタクト電極14bと対向電極18は電気的に接続できる。第2の溝は、幅が例えば10nmなので、上記時間の熱窒化によりこの工程は完了する。
【0045】
次いで、CVD法により、全面にシリコン酸化膜26を成膜し、第1の溝21を埋める。その後、第1の溝21を埋める以外のシリコン酸化膜26とシリコン窒化膜16とを、エッチバック法又はCMP法により除去する。
【0046】
この結果、対向電極の配線取り出しの開口と周辺回路領域への開口の工程が、開口を形成するためのフォトプロセスによるレジストマスクの形成、開口を形成する絶縁膜のエッチング、レジスト除去等の工程を経ることなく完了する。
【0047】
図4(C)を参照して、必要な対向電極の引出し線、メインワード線、周辺回路等の配線層27を形成する。
【0048】
なお、本実施形態では、蓄積電極14aと対向電極19の材料として、共にWを用いたが、他の材料も選択可能である。
【0049】
例えば、蓄積電極14a,コンタクト電極14bとしてRu(ルテニウム)を選択し、酸化による体積膨張にて第2の溝を埋めて、Ruの酸化物RuOx (酸化ルテニウム)が導電体である性質にて電気的に接続できる。この場合には、図4(B)工程の熱窒化工程に代えて、例えばO2 雰囲気で450℃の熱酸化を行い、酸化による体積膨張により第2の溝22を充満させる。また、エッチングにはO2 プラズマのドライエッチングを用いる。
【0050】
また、対向電極19の材料としては、Ru,WN,TiN,TiON等の選択も可能である。
【0051】
さらに、誘電体膜18としてTa2 O5 を用いたが、他の材料、例えばBST(BaStTaO3 )やST(StTaO3 )等の選択も可能である。
【0052】
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による半導体装置及びその製造方法について、図5乃至図10を用いて説明する。なお、図1乃至図4に示す第1実施形態による半導体装置及びその製造方法と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡略にする。
【0053】
図5は、本発明の第2実施形態による半導体装置の構造を示す平面図及び断面図であり、左側がメモリセル領域M、右側が周辺回路領域Pである。図5(A)は平面図、図5(B)は同図(A)におけるY−Y´断面図である。図6乃至図9は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0054】
始めに、本実施形態による半導体装置の構造を図5を用いて説明する。本実施形態は、メモリセルをより小面積にするために、蓄積電極の内側及び外側の両側側壁を電極として活用することにより、より高い蓄積容量を得る円筒型キャパシタ構造に適用したものである。
【0055】
図5(A)の平面図にて、メモリセル領域Mの蓄積電極34aがメモリセルの配置の例を示す。メモリセル領域Mと周辺回路領域Pの境界はシリコン酸化膜26のパターンにより示される。コンタクト電極34bとシリコン酸化膜26のパターンの交差が同電極34bの位置的な特徴を示す。コンタクト電極34bは平面図では、蓄積電極34aと同様な、内側及び外側の両側側壁を有する構造である。コンタクト電極34bとシリコン酸化膜26のパターンの交差部では、シリコン酸化膜26は、コンタクト電極34bの内側の側壁に沿って存在している。
【0056】
次に本実施形態による半導体装置の製造方法を図6乃至図9を用いて説明す る。
【0057】
図6(A)においては、前記第1実施形態を説明する図2(A)と同様な工程により、将来蓄積電極,コンタクト電極,周辺回路のコンタクトプラグとなるべき絶縁膜12の開口部分が形成されるので説明を省略する。
【0058】
図6(B)を参照して、CVD法により、第1の導電体となる例えば膜厚30nmのRu膜34を成膜する。第1実施形態の図2(B)で示した工程とは異なり、本実施形態では絶縁膜12の開口部分はRu膜34で充満されない。
【0059】
次いで、SOG(塗布ガラス)法による塗布により、内面保護膜となる例えば膜厚200nmのシリコン酸化膜15を成膜してRu膜34が埋め込まれる。次いで、シリコン酸化膜15をエッチングして、Ru膜34の最上面を表面に露出させると共に、Ru膜34の凹領域の底部を保護すべく形成される。
【0060】
図6(C)を参照して、シリコン酸化膜15の窪みにより突出したRu膜34の突出部とアモルファスシリコン膜13を、O2 ガス及びCF4 ガスのドライエッチングによりエッチバックして、蓄積電極とコンタクト電極になるべき部分 と、周辺回路コンタクトプラグ34cが各々孤立パターンとして形成される。
【0061】
図7(A)を参照して、CVD法により、エッチング保護膜として例えば膜厚50nmのシリコン窒化膜16を成膜する。次いで、周辺回路領域Pをフォトプロセス工程により形成するレジストマスク17で保護し、Ru膜34をO2 ガスのプラズマドライエッチングにより、100nm乃至300nm程度エッチングし所望の蓄積容量で決まる高さにする。ここにおいて、蓄積電極34a、コンタクト電極34bが形成される。
【0062】
境界と交差する位置にあるコンタクト電極34bでは、メモリセル領域側に存在する部分のみがエッチングされるので段差が生じる。
【0063】
図7(B)を参照して、シリコン酸化膜12,15を弗素プラズマのドライエッチング及びHF溶液のウエットエッチにて除去する。この工程では、コンタクト電極34bの内側の側壁を露出させるまで、レジストマスク17の下部にあるシリコン酸化膜15を除去する。絶縁膜9はシリコン窒化膜11で保護される。したがって、エッチング終了後は、レジストマスク17とシリコン窒化膜16は庇形状となる。
【0064】
次いで、レジストマスク17を剥離する。
【0065】
なお、導電膜10がコンタクト電極34cの下部に存在するが、その存在理由は、第1実施形態における図3(A)参照の説明と同様である。
【0066】
図7(C)を参照して、CVD法により、全面にキャパシタ誘電体膜となる例えば膜厚10nmのTa2 O5 膜18と、対向電極となる例えば膜厚50nmのRu膜19、例えば膜厚500nmのシリコン酸化膜20を順次成膜する。
【0067】
次いで、例えばCMP法により、周辺回路領域上のシリコン酸化膜20を除去し、その後、エッチバック又はCMP法により同領域上のRu膜19とTa2 O5 膜18を除去して、シリコン窒化膜16の面にまで平坦化する。エッチバックによる場合は、次の図8(A)及び(B)の工程におけるRu膜19とTa2 O5 膜18の除去と同時に行うことも可能である。
【0068】
境界下のコンタクト電極34b内では電極の内側の側壁部に、メモリセル領域Mより周辺回路領域Pへ這い上がるようにTa2 O5 膜18と対向電極のRu膜19が形成される。表面ではシリコン窒化膜16の庇形状に添って形成されて終端する。この段階では、コンタクト電極34aと対向電極のRu膜19の間にはTa2 O5 膜18が介在しているので、両者は電気的には接続されていない。
【0069】
図8(A)を参照して、コンタクト電極部の内面の側壁部に形成された対向電極19を、O2 ガスプラズマのドライエッチングにより除去して、第1の溝21が形成途中の状態となる。コンタクト電極34bはシリコン窒化膜16で保護される。
【0070】
図8(B)を参照して、コンタクト電極34bの内面の側壁に形成されたTa2 O5 膜18を、対向電極19と同じ深さにまでエッチングして、第1の溝21が形成される。Ta2 O5 膜18は例えば膜厚10nmであり、そのエッチング条件はシリコン酸化膜のエッチング条件と同様に、弗素プラズマのドライエッチングにより行う。この時、シリコン酸化膜20もエッチングされるが、その膜厚100〜300nmに比してエッチングされる膜厚は少なく影響はない。
【0071】
さらに、Ta2 O5 膜18をエッチングして、第1の溝21の底部の一部に更に第2の溝22を形成する。この溝はコンタクト電極34bと対向電極19の中間に形成され、その幅はTa2 O5 膜18の膜厚相当であり、10nmである。この工程のTa2 O5 膜のエッチングは10〜20nmであり、前記同様にシリコン酸化膜20への影響はない。
【0072】
図8(C)を参照して、例えば酸素雰囲気で450℃,数分間の熱酸化を行 う。コンタクト電極34b及び対向電極19はともにRuでありその酸化物は導電性を有する。前記第2の溝22では、RuOx 膜24が形成され、その際の体積膨張により充満される。同時にコンタクト電極34bと対向電極19は電気的に接続出来る。第2の溝は、幅が例えば10nmなので、上記時間の熱窒化によりこの工程は完了する。
【0073】
図9(A)を参照して、全面にシリコン酸化膜26を成膜し、第1の溝21を埋める。次いで、第1の溝21を埋める以外のシリコン酸化膜26と、シリコン窒化膜16とをエッチ法又はCMP法により除去する。
【0074】
この結果、周辺回路と対向電極の配線取り出しの開口工程が、開口を形成するためのフォトプロセスによるレジストマスクの形成、開口を形成する絶縁膜のエッチング、レジスト除去等の工程を経ることなく完了する。
【0075】
図9(B)を参照して、必要な対向電極の引出し線、メインワード線、周辺回路等の配線層27を形成する。
【0076】
本実施形態では、蓄積電極34aと対向電極19の材料例としては共にRuとしたが、他の材料も選択可能である。例えば、第1実施形態と同様に蓄積電極としてはWを選択し、窒化による体積膨張にて第2の溝を埋めて、電気的に接続できる。この場合には熱窒化とエッチングの工程も第1実施形態と同様である。
【0077】
また、誘電体膜18の材料の選択に関しては、第1実施形態と同様である。
【0078】
また、対向電極の材料としては、Ruの他に,W,WN,TiN,TiON,等の選択も可能である。
【0079】
図10にて、更に本実施形態の一部の拡張を説明する。
【0080】
図10(A)、(B)は、図5(A)におけるy−y´断面に着目した断面図であり、図10(A)は、図7(A)の工程において、レジストマスク17のパターンとコンタクト電極34bが交差する部分のみに着目した断面を示す。同部分の構造は図3(A)に示す第1実施形態でのコンタクト電極14bの構造と同様である。
【0081】
すなわち、レジストマスク17の端面におけるコンタクト電極34bの段差部分の側壁において、コンタクト電極34bと対向電極19との電気的接続が行われる。
【0082】
図10(B)は、図9(B)に示す配線層27を形成した工程におけるコンタクト電極34bの前記断面部の接続部分を示す。
【0083】
したがって、上記接続部分のみによっても、コンタクト電極34bと対向電極19との電気的接続が行われる。この場合には、図7(B)の工程において、シリコン酸化膜15のエッチングに際し、レジストマスク17で覆われていない蓄積電極34aの内面部のみを除去すれば良く、レジストマスク17の庇形状下にあるコンタクト電極34bの内壁まで露出させる必要はない。
【0084】
また、図6(B)の工程において、内面保護膜となるシリコン酸化膜15に代えて、導電体の選択も可能である。例えば、CVD法により、全面に膜厚200nmのWを成膜することもできる。この場合を図10(C),(D)に示す。
【0085】
図10(C)では、図7(B)の工程におけるシリコン酸化膜15のエッチングではなく、SF6 ガスを用いたWのプラズマエッチングを行う。コンタクト電極34bの内部のW15aは、レジストマスク17で覆われた部分が残り、同電極内に段差を形成する。同段差の側壁にて、コンタクト電極34bと対向電極19が電気的に接続される。
【0086】
図10(D)は、配線層27を形成した工程を示す。内面保護膜がWのように導電体15aである場合は、周辺回路領域のコンタクトプラグ34cの内面が導電体で充満されるので、より低抵抗のコンタクト特性が実現できる。
【0087】
以上本実施形態では、コンタクト電極34bと対向電極19とが電気的に接続される部分として、コンタクト電極34bの内面の側壁、コンタクト電極34bの段差部の側壁、コンタクト電極34bの内面保護膜15が導電体の場合は同電極内の内面保護膜の段差の側壁がある。これらの電気接続部は、何れかを単独 で、または複数の組合せで用いることができる。
【0088】
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による半導体装置及びその製造方法について、図11を用いて説明する。
【0089】
本実施形態は、先の第2実施形態と同一のメモリセル形状の例であり、図11は本実施形態に特有の工程を示す図である。本実施形態の工程は、第2実施形態において説明した図6と同じ工程を経るが、第2実施形態の図7(A)において示した工程に比べて、シリコン窒化膜16が省略されている。
【0090】
図11(A)は、シリコン窒化膜を省略してレジストマスク17のみで周辺領域を保護する工程を示す。
【0091】
図11(B)を参照して、先の第2実施形態と同様にTa2 O5 膜18、対向電極19、シリコン酸化膜20を形成し、平坦化する工程を示す。第2実施形態の図7(A)でみられる庇形状は本実施形態ではみられない。
【0092】
本実施形態では、図11(B)に示した工程の後に第2実施形態同様に対向電極19をエッチングして溝を形成する(図示せず)が、蓄積電極34aと対向電極19等の材料選択の組合せにより、エッチング保護膜であるシリコン窒化膜が省略できる。
【0093】
例えば、蓄積電極34aとしてWを、対向電極19としてTiNをそれぞれ選択して、過酸化水素+硫酸のウエットエッチングにより対向電極19のみをエッチングし、更にTa2 O5 膜18をエッチングして溝21を形成する。
【0094】
本実施形態では、溝を導電体で充満させる工程は選択した材料に適した条件を決定するが、上記の材料例の場合は熱窒化処理を行う。
【0095】
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による半導体装置及びその製造方法について、図12乃至図13を用いて説明する。
【0096】
本実施形態は、先の第2実施形態と同一のメモリセル形状の例であり、図12は本実施形態に特有の工程を示す図である。本実施形態の工程は、第2実施形態において図6乃至図8Bで示した工程と同じ工程を経て第1の溝21と第2の溝22を形成する。以降の本実施形態に特有の工程を図12にて示す。
【0097】
図12(A)を参照して、CVD法により、全面に例えば膜厚10nmのTiN膜25を成膜する。このTiN膜25は、CVD法により成膜するのでステップカバレッジ良好であり、第1の溝21、第2の溝22の内面の側壁に成膜される。導電体膜25は第2の溝22を埋めるように成膜される。
【0098】
図12(B)を参照して、塩素系ガスのプラズマによるドライエッチングにより、TiN膜25を第2の溝22内を残して除去し、コンタクト電極34bと対向電極19とが電気的に接続される。
【0099】
図12(C)を参照して、第1の溝21を埋めるシリコン酸化膜26を形成する。次いで、シリコン酸化膜26を除去する平坦化を行うことにより、周辺回路領域と、対向電極の配線取り出しの開口工程が完了する。
【0100】
図13を参照して、本実施形態では、図12に示す第2の溝22を形成しない工程が選択できる。同図では、同工程に特有な工程を示す。すなわち、第1の溝21を形成後にTiN膜25を成長し、第1の溝21の底部に充満したTiN膜25を残して余分な部分をエッチングする。コンタクト電極34bと対向電極19とがTiN膜25により電気的に接続される。次いで、第1の溝21の上部を埋めるシリコン酸化膜26を形成する。
【0101】
本実施形態によれば、蓄積電極34a及び対向電極19の材料選択に関し、相互の電気的接続をとるに際して、導電体膜の酸化等による体積膨張効果を利用できない材料を選択出来る自由度を高めることができる。
【0102】
また、本実施形態は、先の第3実施形態における工程にも適用できる。すなわち、図11(A),(B)と同様の工程を経た後に、本実施形態の工程を経ることができる。また、本実施形態の電極構造は、第2実施形態と同様の円筒型の例であったが、円柱型の場合にも実施可能である。
【0103】
なお、以上の第1乃至第4実施形態によれば、周辺回路・対向電極の各配線取り出しの開口が、開口を形成するためのフォトプロセスによるレジストマスクの形成、開口を形成する絶縁膜のエッチング、レジスト除去等の工程を経ることなく完了する事ができる。
【0104】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、対向電極と周辺回路領域の引出しが比較的容易な工程により形成されるので、LSIメモリの、メモリセルと周辺回路領域のコンタクト形成プロセスとを単純な構成と工程による半導体装置及びその製造方法として提供でき、LSIメモリの製造コストの低減に寄与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態による半導体装置の構造を示す平面図及び断面図であ る。
【図2】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その 1)である。
【図3】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その 2)である。
【図4】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その 3)である。
【図5】本発明の第2実施形態による半導体装置の構造を示す平面図及び断面図であ る。
【図6】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その 1)である。
【図7】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その 2)である。
【図8】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その 3)である。
【図9】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その 4)である。
【図10】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その 5)である。
【図11】本発明の第3実施形態による半導体装置の構造を示すび断面図である。
【図12】本発明の第4実施形態による半導体装置の構造を示す断面図(その1)であ る。
【図13】本発明の第4実施形態による半導体装置の構造を示す断面図(その2)であ る。
【図14】従来の半導体装置の構造を示す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 素子分離領域
3 ゲート絶縁膜
4 ゲート電極
5 ゲート保護膜
6 ゲート側壁絶縁膜
7 ソース・ドレイン拡散層
7a ドープトポリシリコンによるプラグ
8 ビット線
8c 周辺回路の引出し電極
9 絶縁膜
10 導電体膜
11 シリコン窒化膜
12 シリコン酸化膜
13 アモルファスシリコン膜
14,34 第1の導電体
14a,34a 蓄積電極
14b,34b コンタクト電極
14c,34c 周辺回路領域のコンタクトプラグ
15 内面保護膜となる絶縁膜
15a 内面保護膜となる導電体
16 シリコン窒化膜
17 レジストマスク
18 キャパシタ誘電体膜
19 対向電極
20 シリコン酸化膜
21 第1の溝
22 第2の溝
23 WNx 膜
24 RuOx 膜
25 TiN膜
26 シリコン酸化膜
27 配線層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a memory element of an LSI memory and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In the LSI memory, a memory cell includes a transfer transistor (hereinafter referred to as a transistor) and an information storage capacity (hereinafter referred to as a storage capacity).
[0003]
In recent years, international competition has intensified in this field, and it has become essential to supply large-capacity LSI memories to the market at a low price. For this reason, there is a need for a technique capable of manufacturing a highly integrated LSI memory at a lower price.
[0004]
In order to realize higher integration, the structure of the memory cell is complicated, the step between the memory cell region and the peripheral circuit region is enlarged, and the difficulty of the processing process is increased. In particular, the difficulty of the process of forming a contact between the memory cell and the peripheral circuit region is increased, which is an obstacle to manufacturing an LSI memory at a lower price.
[0005]
Therefore, the present inventor has proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-189912 as a conventional semiconductor device excellent in consistency between the memory cell formation process and the contact formation process in the peripheral circuit region and a manufacturing method thereof.
[0006]
A conventional semiconductor device and its manufacturing method will be described below with reference to the drawings.
[0007]
FIG. 14 is a plan view and a cross-sectional view showing the structure of a conventional semiconductor device. In the figure, the left side is a memory cell region m, and the right side is a peripheral circuit region p. FIG. 14A is a plan view, and FIG. 14B is an xx ′ cross-sectional view in FIG.
[0008]
In the figure, 101 is a semiconductor substrate, 102 is an element isolation region, 103 is a gate insulating film, 104 is a gate electrode, 105 is a protective film, 106 is a gate sidewall insulating film, 107 is a source / drain diffusion layer, and 114a is a first conductive layer. A storage electrode made of a body film, 114b is a dummy pattern made of a first conductor film, 114c is a contact plug in a peripheral circuit region made of a first conductor film, 118 is a capacitor dielectric film, and 119 is a second conductor film. The formed
[0009]
In the figure, the
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, even in the above-described conventional technique, an electrode extraction opening process is required to form the
[0011]
Therefore, there is a demand for a technique that is excellent in consistency when forming the memory cell region and the peripheral circuit region and can manufacture an LSI memory at a lower cost.
[0012]
An object of the present invention is to provide a contact formation process between a memory cell and a peripheral circuit region of an LSI memory as a semiconductor device having a simple configuration and process and a method for manufacturing the same.
[0013]
[Means for solving the problems]
The object is to provide, on a semiconductor substrate, a capacitance formed by a first electrode made of a first conductor, a dielectric film, and a second electrode made of a second conductor, and from the first conductor. And the second electrode extends from the capacitor to the third electrode, and the second electrode and the third electrode are on the third electrode. This is achieved by an electrically connected semiconductor device.
[0014]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device having a memory cell region and a peripheral circuit region on a semiconductor substrate, and forming a first electrode made of a first conductor in the memory cell region; Forming a third electrode made of the first conductor at a boundary position between the memory cell region and the peripheral circuit region; and a portion belonging to the memory cell region from the boundary to the third electrode. A step portion lower than a portion belonging to the peripheral circuit region is formed, and a dielectric film and a second electrode made of a second conductor are formed on the first electrode, and the dielectric film And the second electrode extending to the side wall of the step portion of the third electrode, the second electrode formed on the side wall portion, and a part of the dielectric film Forming a groove from which the second electrode is removed, filling a part of the groove with a third conductor, and To be achieved by the method of manufacturing a semiconductor device including the step of electrically connecting the third electrodes.
[0015]
That is, according to the present invention, the extraction of the counter electrode is completed without steps such as formation of a resist mask by a photo process, etching of an insulating film, and removal of the resist mask, and the counter electrode is formed by a relatively easy process. A semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device can be provided by a simpler configuration and process of forming a memory cell of an LSI memory and a contact forming process of a peripheral circuit region.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0017]
1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The left side is a memory cell region M and the right side is a peripheral circuit region P. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line XX ′ in FIG. 2 to 4 are process cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
[0018]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
[0019]
The
[0020]
A capacitor
[0021]
In the side wall portion, there is a
[0022]
For the
[0023]
These are opened by etch back or CMP (Chemical Mechanical Polishing) without connecting to the
[0024]
In the plan view of FIG. 1A, an example in which the
[0025]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0026]
2A, after forming an
[0027]
On one source /
[0028]
Next, an insulating
[0029]
Next, for example, a
[0030]
Referring to FIG. 2B, a
[0031]
Referring to FIG. 2C, the
[0032]
Next, the
[0033]
Referring to FIG. 3A, a
[0034]
In the
[0035]
Next, using the
[0036]
Although the
[0037]
Referring to FIG. 3B, a
[0038]
Next, the
[0039]
In the
[0040]
At this stage, the
[0041]
Referring to FIG. 3C, the
[0042]
Referring to FIG. 4A, the
[0043]
Further, the
[0044]
Referring to FIG. 4B, for example, thermal nitridation is performed in an NH3 atmosphere at 400 DEG C. for 5 to 10 minutes. The
[0045]
Next, a
[0046]
As a result, the process of opening the wiring for the counter electrode and opening to the peripheral circuit region includes the steps of forming a resist mask by a photo process for forming the opening, etching the insulating film forming the opening, and removing the resist. Complete without passing.
[0047]
With reference to FIG. 4C, necessary wiring layers 27 such as lead lines, main word lines, and peripheral circuits of the counter electrode are formed.
[0048]
In this embodiment, W is used as the material for the
[0049]
For example, Ru (ruthenium) is selected as the
[0050]
Further, Ru, WN, TiN, TiON or the like can be selected as the material of the
[0051]
Further, although Ta2 O5 is used as the
[0052]
[Second Embodiment]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same components as those of the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
[0053]
5A and 5B are a plan view and a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, in which the left side is the memory cell region M and the right side is the peripheral circuit region P. FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is a YY ′ cross-sectional view in FIG. 6 to 9 are process cross-sectional views illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment.
[0054]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. The present embodiment is applied to a cylindrical capacitor structure that obtains a higher storage capacity by utilizing both side walls on the inside and outside of the storage electrode as electrodes in order to make the memory cell smaller.
[0055]
In the plan view of FIG. 5A, an example in which the
[0056]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0057]
In FIG. 6A, an opening portion of the insulating
[0058]
With reference to FIG. 6B, a
[0059]
Next, a
[0060]
Referring to FIG. 6C, the protruding portion of the
[0061]
Referring to FIG. 7A, a
[0062]
In the
[0063]
Referring to FIG. 7B, the
[0064]
Next, the resist
[0065]
The
[0066]
Referring to FIG. 7C, by CVD, for example, a
[0067]
Next, the
[0068]
In the
[0069]
Referring to FIG. 8A, the
[0070]
Referring to FIG. 8B, the
[0071]
Further, the
[0072]
Referring to FIG. 8C, for example, thermal oxidation is performed at 450 ° C. for several minutes in an oxygen atmosphere. Both the
[0073]
Referring to FIG. 9A, a
[0074]
As a result, the opening process for taking out the wiring of the peripheral circuit and the counter electrode is completed without passing through processes such as formation of a resist mask by a photo process for forming the opening, etching of the insulating film forming the opening, and resist removal. .
[0075]
With reference to FIG. 9B, necessary wiring layers 27 such as lead lines, main word lines, and peripheral circuits of the counter electrode are formed.
[0076]
In the present embodiment, both the
[0077]
The selection of the material for the
[0078]
In addition to Ru, W, WN, TiN, TiON, etc. can be selected as the material for the counter electrode.
[0079]
In FIG. 10, further expansion of a part of this embodiment will be described.
[0080]
10A and 10B are cross-sectional views focusing on the yy ′ cross-section in FIG. 5A, and FIG. 10A shows the resist
[0081]
That is, the electrical connection between the
[0082]
FIG. 10B shows a connection portion of the cross section of the
[0083]
Accordingly, the
[0084]
In the step of FIG. 6B, a conductor can be selected in place of the
[0085]
In FIG. 10C, not the etching of the
[0086]
FIG. 10D shows a process in which the
[0087]
As described above, in the present embodiment, as the portion where the
[0088]
[Third Embodiment]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0089]
The present embodiment is an example of the same memory cell shape as that of the second embodiment, and FIG. 11 is a diagram showing a process unique to the present embodiment. The process of this embodiment is the same as that of FIG. 6 described in the second embodiment, but the
[0090]
FIG. 11A shows a process of protecting the peripheral region with only the resist
[0091]
Referring to FIG. 11B, a
[0092]
In the present embodiment, after the step shown in FIG. 11B, the
[0093]
For example, W is selected as the
[0094]
In the present embodiment, the step of filling the groove with a conductor determines conditions suitable for the selected material. In the case of the above material example, thermal nitriding is performed.
[0095]
[Fourth Embodiment]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0096]
The present embodiment is an example of the same memory cell shape as that of the second embodiment, and FIG. 12 is a diagram showing processes peculiar to the present embodiment. In the process of this embodiment, the
[0097]
Referring to FIG. 12A, a
[0098]
Referring to FIG. 12B, the
[0099]
Referring to FIG. 12C, a
[0100]
Referring to FIG. 13, in the present embodiment, a process in which the
[0101]
According to the present embodiment, regarding the selection of materials for the
[0102]
Moreover, this embodiment can be applied also to the process in previous 3rd Embodiment. That is, the process of this embodiment can be performed after the process similar to that shown in FIGS. The electrode structure of the present embodiment is a cylindrical type similar to that of the second embodiment, but can also be implemented in the case of a column type.
[0103]
According to the first to fourth embodiments described above, the opening for extracting each wiring of the peripheral circuit and the counter electrode is formed by forming a resist mask by a photo process for forming the opening and etching the insulating film for forming the opening. It can be completed without going through steps such as resist removal.
[0104]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the counter electrode and the peripheral circuit region are formed by a relatively easy process, the contact formation process between the memory cell and the peripheral circuit region of the LSI memory is simplified. It can be provided as a semiconductor device having a configuration and process and a manufacturing method thereof, and can contribute to a reduction in manufacturing cost of an LSI memory.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 3 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIGS. 5A and 5B are a plan view and a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a second embodiment of the invention. FIGS.
FIG. 6 is a process cross-sectional view (No. 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the invention;
FIG. 7 is a process cross-sectional view (No. 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the invention;
FIG. 8 is a process cross-sectional view (No. 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the invention;
FIG. 9 is a process cross-sectional view (No. 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the invention;
FIG. 10 is a process sectional view (No. 5) showing the method for producing the semiconductor device according to the second embodiment of the invention;
FIG. 11 is a sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view (No. 1) showing the structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 13 is a sectional view (No. 2) showing the structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention;
14A and 14B are a plan view and a cross-sectional view showing a structure of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate
2 Device isolation region
3 Gate insulation film
4 Gate electrode
5 Gate protection film
6 Gate sidewall insulating film
7 Source / drain diffusion layers
7a Plug with doped polysilicon
8-bit line
8c Drawer electrode for peripheral circuit
9 Insulating film
10 Conductor film
11 Silicon nitride film
12 Silicon oxide film
13 Amorphous silicon film
14, 34 first conductor
14a, 34a Storage electrode
14b, 34b Contact electrode
14c, 34c Contact plug in peripheral circuit area
15 Insulating film for inner surface protection film
15a Conductor serving as an inner surface protection film
16 Silicon nitride film
17 resist mask
18 Capacitor dielectric film
19 Counter electrode
20 Silicon oxide film
21 First groove
22 Second groove
23 WNx membrane
24 RuOx membrane
25 TiN film
26 Silicon oxide film
27 Wiring layer
Claims (3)
該メモリセル領域に第1の導電体からなる第1の電極を形成する工程と、
該第1の導電体からなる第3の電極を、該メモリセル領域と該周辺回路領域の境界位置に形成する工程と、
該第3の電極には、該境界より該メモリセル領域に属する部分が該周辺回路領域に属する部分よりも低い段差部が形成され、該第1の電極上に、誘電体膜と第2の導電体からなる第2の電極とを形成するとともに、該誘電体膜と該第2の電極とを、該第3の電極の該段差部の側壁に延在して形成する工程と、
該側壁部に形成された該第2の電極と該誘電体膜の一部を除去した溝を形成する工程と、
該溝の一部を第3の導電体で充満させ、該第2の電極と該第3の電極とを電気的に接続する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。In a method for manufacturing a semiconductor device having a memory cell region and a peripheral circuit region on a semiconductor substrate,
Forming a first electrode made of a first conductor in the memory cell region;
Forming a third electrode made of the first conductor at a boundary position between the memory cell region and the peripheral circuit region;
The third electrode is formed with a step portion where a portion belonging to the memory cell region is lower than a portion belonging to the peripheral circuit region from the boundary, and the dielectric film and the second electrode are formed on the first electrode. Forming a second electrode made of a conductor, and forming the dielectric film and the second electrode so as to extend on a side wall of the step portion of the third electrode;
Forming a groove formed by removing a part of the second electrode and the dielectric film formed on the side wall;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: filling a part of the groove with a third conductor and electrically connecting the second electrode and the third electrode.
前記第1の電極または前記第2の電極を酸化または窒化して、導電性を有する酸化物または窒化物により該溝の一部を前記第2の導電体で充満する工程
を含むことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。The step of filling a part of the groove with the third conductor includes:
And oxidizing or nitriding the first electrode or the second electrode, and filling a part of the groove with the second conductor with a conductive oxide or nitride. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 or 2 .
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