JP4715065B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、TAT・DRAMセルを有する半導体装置及びその製造方法に関し、更に詳細には、ゲート電極と拡散層取り出し電極との絶縁耐圧が大きく、かつゲート電極の抵抗が低い構成のTAT・DRAMセルを有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
大量の情報を高速処理する半導体装置として、大容量のDRAMと高速ロジック集積回路を1チップに埋め込んだEmb(Embeded )DRAMが実用化されている。
しかし、年々、加速される半導体装置の微細化の要求に応じて、EmbDRAMにも、以下に挙げるような様々な問題が顕在化してきている。
【0003】
(1)DRAMメモリセルの縮小に抗してトランジスタの高性能を維持するために、半導体装置を形成する半導体基板の基板濃度が益々高くなってきており、その結果、DRAM部の接合部の濃度変化も急峻になって来ている。
このため、接合部に印加される電界は、益々強くなっており、メガビット級のDRAMでは、接合部のリークをppmオーダーに抑制することが難しくなっている。その結果、従来、マージンを持って制御可能であったDRAMのデータ保持特性(一般にTail特性と言う)を従来同様に維持することは、困難になっている。
そして、このままでは、世代ごとにキャパシタ容量を増大させてゆく以外に、有効な対策が見当たらない状況になっている。
【0004】
(2)DRAMセルの縮小化に伴い、拡散層の取り出しコンタクト(取り出し電極)と拡散層との接触面積が狭くなり、世代ごとに約2倍の勢いでコンタクト抵抗が大きくなっている。0.1μm以降の世代では、コンタクト抵抗が、数キロオームにもなることが予想され、メモリセル・トランジスタのオン抵抗に匹敵した抵抗値になると予想される。
コンタクト抵抗が大きくなると、コンタクト抵抗のばらつきが、メモリセル・トランジスタのみならず、DRAMの動作、特に高速動作に大きく影響するので、DRAMの製造過程で、コンタクトと拡散層との一層高い位置決め精度が要求される。特に、高速動作が要求されるDRAMでは、その性能確保上で位置決め精度の向上が問題となっている。
【0005】
(3)また、DRAMセルの縮小化に伴い、ワード線と、ワード線脇に形成する拡散層取り出しコンタクトとの層間絶縁距離が、年々、縮小している。例えば、ワード線と拡散層取り出しコンタクトとの間で絶縁耐圧を確保するためには、メガビット級のDRAMでは、ワード線と拡散層取り出しコンタクトとの層間絶縁距離は、20〜30nmが限界距離と言われているものの、DRAMセルの面積縮小のトレンドがこのまま続くと、0.1μm以降の世代では、ワード線と拡散層取り出しコンタクトとの層間絶縁距離が20〜30nmの限界距離以下になる。
【0006】
(4)従来は、WSi/ドープト・ポリシリコン・ポリサイド構造をDRAMのワード線に採用して、信号遅延の問題を緩和してきたが、近年のDRAMの微細化と共に、ワード線のアスペクト比が大きくなり、またワード線の信号遅延を抑えるためにワード線の配線構造を十分な低抵抗にすることが困難となって来ている。特に、高速動作が要求されるEmb・DRAMなどでは、このワード線遅延が、DRAMのアクセスタイムに影響する深刻な問題となっている。
そこで、ゲート電極(ワード線)の低抵抗化のために、サリサイド構造の配線が実用化されている。
しかし、サリサイド構造をDRAMセルのゲート電極(ワード線)に適用すると、オフセットSiO2を使えなくなるので、DRAMセル縮小化の障害となる。また、データ保持特性を維持するために、DRAMの拡散層にはサリサイドを形成しないようにするプロセスが必要になるなどの問題があって、現状では、ゲート電極にサリサイド構造を採用することは難しい。
【0007】
(5)また、DRAMの縮小化と共に、DRAMの記憶ノードコンタクトの形成に際して、余裕の無い開口を設けることが必須になり、しかも、拡散層コンタクトと同様に、コンタクト開口とワード線との距離が絶縁耐圧限界ぎりぎりの距離になっている。
その結果、コンタクト径が小さくなるので、小さいコンタクト径で抵抗増大を効率的に抑制する技術が必要となっている。
【0008】
(6)一方、ロジック部のトランジスタ性能向上も目覚ましく、特にPチャネル・トランジスタのオフ・リークを抑制するためにボロンイオンをイオン注入したP+ゲート電極が一般に用いられるようになってきた。
ところで、P+ゲート電極には、熱処理によるP+ゲート電極の活性化に際し、不純物のボロンが基板側に拡散してしまう、いわゆる「突き抜け」という問題が伴う。そのために、Pチャネル・トランジスタの特性ばらつきやゲート電極の空乏化、ゲート絶縁性の悪化といった深刻な問題を引き起こしている。
また、DRAMの拡散層コンタクトに広く用いられている、ドープトポリシリコンは、熱処理による活性化が不可欠な材料であり、混載する際の整合性には注意を要する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
今後の0.1μm世代以降では、更なるゲート酸化膜の薄膜化が必要になると共に、上述したように、現在の0.18μm世代では何とか許容できている技術も適用できなくなるおそれがある。
従って、チップの性能向上トレンドを維持するためには、Emb・DRAM構造自体の抜本的な改善が必要になると予想される。
【0010】
そこで、0.1μm以降のEmb・DRAMで顕在化すると予想される、前述の6つの問題を全て解決し、しかもチップ性能向上のトレンドを維持できる素子構造として、DRAM部のワード線を基板に形成した「溝」に埋め込んでしまう、Trench Access Transistor(TAT)DRAMセルが提案されている。
【0011】
ここで、図11を参照して、DRAMメモリ部ととロジック部とを混載したEmb・DRAMであって、DRAMメモリ部がTAT・DRAMセルで構成されている半導体装置の構成を説明する。図11は、TAT・DRAMセルのトランジスタ部の構成を示す断面図である。尚、半導体装置のロジック部は、本発明と直接的な関係がないので、図11の図示及び説明を省略している。
TAT・DRAMセルのトランジスタ部10は、Nチャネルトランジスタであって、図11に示すように、半導体基板、例えばSi基板12に形成した溝14内にゲート絶縁膜16を介して埋め込んだゲート電極18と、溝14の側方の基板上層に形成した拡散層20と、拡散層20に接続された拡散層取り出し電極22とを備えている。
【0012】
更に、図11を参照して、TAT・DRAMセル10の構成を説明する。
図11に示すように、Si基板12には、素子分離領域24が、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)技術によって、例えば0.1μm〜0.2μm程度の深さで形成されている。Si基板12および素子分離領域24には、溝14が例えば50nm〜100nm程度の深さで形成され、溝14内にはゲート絶縁膜16を介してワード線(ゲート電極)18が形成されている。
【0013】
2個の素子分離領域24の間の領域、つまりトランジスタ形成領域には、Pウエル26が設けられ、Pウエル26と溝14との間のSi基板12の領域には、高濃度、例えば1.0×1018/cm3〜1.0×1019/cm3のチャネル拡散層28が形成されている。
一方、溝14の両側及び上部の半導体基板領域は、殆ど、基板濃度であって、極めて低濃度、例えば1.0×1017/cm3〜1.0×1018/cm3となっている。
ゲート絶縁膜16は、シリコンの熱酸化による酸化シリコン膜の適用が可能であって、ゲート絶縁膜16として例えば1.5nm〜2nm程度の厚さの酸化シリコン膜が形成されている。
【0014】
また、ワード線(ゲート電極)18は、その表面が溝14上部のSi基板12表面より少なくとも30nm以上50nm以下、好ましくは40nm以上50nm以下、下方の位置にあるように形成されていて、後述の拡散層取り出し電極22との耐圧が確保されている。
ワード線(ゲート電極)18は、信号遅延を抑制するため、従来のWSi2/ポリシリコンからなるポリサイド構造に代わり、例えばタングステン/窒化タングステン/ポリシリコン、又はコバルト/コバルトシリサイド/ポリシリコンからなる耐熱性のポリメタルゲート構造が用いられている。これにより、ホウ素の突き抜けや窒化タングステン界面への偏析などの問題は発生しない。
図11中、18aは、タングステン/窒化タングステン又はコバルト/コバルトシリサイドを示す。
【0015】
また、溝14上部の半導体基板領域には、1×1018cm-3〜3×1018cm-3程度の濃度のソース/ドレイン拡散層20が形成されている。
Si基板12との電界強度を緩和させることが望ましいので、拡散層20と共に、拡散層20との接合部の半導体基板領域が低濃度に設定され、低電界強度の接合が形成されている。
【0016】
拡散層20下のSi基板12は殆どイオン注入されていない領域なので、1×1016cm-3〜5×1017cm-3程度の非常に薄い濃度になっている。
これにより、本例のN−Pジャンクションは、超Graded Junctionとなる。この超Graded Junctionは、逆バイアス時の電界を緩和し、これにより、メガビット級のDRAMで僅かppmオーダーの不良ビットに起きる、通常よりも2桁程度も悪いジャンクションリークを抑制することができる。この不良ビットのデータ保持特性が、DRAMのチップ性能を支配しており、今後のDRAMでデータ保持特性を維持する重要な技術となっている。
基板濃度が5×1016cm3程度ならば、85℃で500msec 以上のデータ保持特性が期待できる。これは、実に4〜5世代も前のDRAMのデータ保持特性に匹敵する性能である。
【0017】
上述のように、ゲート電極18がゲート絶縁膜16を介してSi基板12に埋め込まれ、拡散層20がSi基板12の上部層に形成されていることから、チャネルは、ゲート電極18が形成されている溝14の底部側の基板領域を廻り込むように形成される。
これにより、DRAMのトランジスタ部は、溝14をラウンドする形でチャネルを形成して、長い実効的なチャネル長を確保することも出来るので、バックバイアスを印加して使う、短チャネル効果が著しいDRAMセルのトランジスタ特性を安定化させることも出来る。
【0018】
拡散層20上を含めてSi基板12上には、溝14内を除いて、膜厚20nmから40nmのCVD・SiO2 膜32が、形成されている。SiO2 膜32は、
(1)Pウエル形成のためにイオン注入を行う際にバッファー膜の役割りを果たし、
(2)後で行うDRAMセルのトランジスタの基板濃度調整のためのイオン注入時に、イオン注入に対するストッパとして働き、DRAMのジャンクション部の基板濃度の低濃度化を実現し、
(3)後の工程で、溝14に埋め込まれたワード線の表面にサリサイドを形成する際に、DRAM部の拡散層にサリサイドが形成されるのを防止する役割等を果たす。
【0019】
また、溝14の溝壁上部には、膜厚10nmのSiO2 膜34が溝14の側壁防護壁としてSiO2 膜32の上面まで設けられ、更に、SiO2 膜32上、SiO2 膜34に沿って、及びゲート電極18上には、膜厚20〜30nmのSiNキャップ層36が設けてある。
【0020】
SiNキャップ層36上には、第1の層間絶縁膜38が成膜され、表面が平坦化されている。
第1の層間絶縁膜38、SiNキャップ層36、及びCVD・SiO2 膜32を貫通し、拡散層20に接続する拡散層取り出し電極22が、リンドープトポリシリコンでプラグ状に形成されている。取り出し電極22は、拡散層20の全面でコンタクトして、コンタクト抵抗が低減するように、プラグ径が出来る限り大きく形成されている。
取り出し電極22は、それぞれ、設計に応じて、図示しないキャパシタ、及びビット線に接続されている。
【0021】
ところで、上述のように、TAT・DRAMセルの構造を適用する際、拡散層取り出し電極22とゲート電極18との絶縁耐圧を維持するためには、両者の物理的な距離を確保する必要があるものの、拡散層取り出し電極22とゲート電極18との間に設ける物理的距離は、電極配置、及びTAT・DRAMセルのトランジスタ特性から決定されるため、これを大きくすることは難しい。
一方、TAT・DRAMセルのゲート電極18の低抵抗化を図るには、ゲート電極18の断面積を広くすることが必要であるが、これでは、ゲート電極18と拡散層取り出し電極22との距離が縮小して、拡散層取り出し電極22とゲート電極18との間に十分な絶縁性を確保することが難しくなる。
つまり、上述したTAT・DRAMセルの構造では、TAT・DRAMセルのゲート電極の低抵抗化と、拡散層取り出し電極とゲート電極間の耐圧確保がトレードオフの関係にある。
【0022】
そこで、本発明の目的は、低抵抗のゲート電極を備え、かつ拡散層取り出し電極とゲート電極間に十分な絶縁耐圧を確保したTAT・DRAMセルを有する半導体装置及びその製造方法を提供することである。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板に形成された溝と、溝内にゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、溝内壁に沿ってゲート電極上に設けられた、ゲート絶縁膜よりも厚い絶縁膜からなるサイドウォールとを有する。そして、半導体基板の表面の溝を除く領域に形成されたソース・ドレイン拡散領域と、半導体基板において、ゲート絶縁膜を介してゲート電極の直下のみに形成されたチャネル拡散層とを備える。また、ゲート電極は、溝部分の上部であって、サイドウォール間の領域に設けられたシリサイド層と、溝部分の溝壁とシリサイド層との間に設けられた導電性ポリシリコン層とで構成されている。
【0024】
本発明に係る半導体装置のTAT・DRAMセルのゲート電極は、後述するエッチングの態様により、溝部分の上部であって、サイドウォール間の領域に設けられたシリサイド層と、溝部分の溝壁とシリサイド層との間に設けられた導電性ポリシリコン層とで構成されているものと、溝部分の上部であって、サイドウォール間の領域及びサイドウォールの下端部の下にまで入り込んだ領域にわたって設けられたシリサイド層と、溝部分の溝壁とシリサイド層との間に設けられた導電性ポリシリコン層とで構成されているものとに区別される。
ゲート酸化膜は例えばSiO2又はSiONで形成され、サイドウォールはSiNで形成されている。
【0025】
TAT・DRAMセルのゲート電極は、溝部内の導電性ポリシリコン層を自己整合サリサイド技術によって低抵抗化されている。
本発明は、膜厚の厚いサイドウォールにより拡散層取り出し電極とゲート電極間の絶縁耐圧不良を防止し、ゲート電極をサリサイド構造にすることにより、ゲート電極を低抵抗化して信号遅延を抑制し、DRAMの高速動作を可能とするものである。また、シリサイド層と拡散層とが厚い絶縁膜(サイドウォール)で分離された形状を有し、かつシリサイド形成部分の面積を広く確保したゲート電極構造を有するTAT・DRAMセルを実現することができる。
本発明は、Emb(Embeded )DRAMに限らず、汎用のDRAM素子に対しても適用可能である。
【0026】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板のフィールド領域内にゲート電極形成用の溝を形成する工程と、形成した溝の開口部からイオン注入し、溝の下部のみにチャネル拡散層を形成する工程を有する。そして、半導体基板の表面を酸化してゲート絶縁膜を形成する工程と、溝内にゲート電極層を埋め込み、ゲート電極を形成する工程と、半導体基板の表面のみにイオン注入によりソース・ドレイン拡散領域を形成する工程を有する。さらに、ゲート電極上において、溝の内壁にゲート絶縁膜より膜厚の厚い絶縁膜からなるサイドウォールを形成する工程を有する。また、サイドウォールをマスクとし、異方性エッチング法を用いてゲート電極をエッチングし、ゲート電極にU字状の第2の溝を形成する工程と、第2の溝内にシリサイド層を形成する工程とを有する。
【0027】
尚、孔形成工程では、異方性エッチング法に代えて等方性エッチング法を適用しても良い。
第2の溝の深さは、ゲート電極の抵抗値に応じて最適化した深さに設定する。本発明方法では、サイドウォールをマスクにしたサリサイド技術により、ゲート電極にシリサイドを形成することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、絶縁層、導電層等の組成及び膜厚、プロセス条件等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
半導体装置の実施形態例1
本実施形態例は、本発明に係る半導体装置の実施形態の一例であって、図1は本実施形態例の半導体装置のTAT・DRAMセル部の構成を示す断面図であり、図2はTAT・DRAMセルのゲート電極の拡大図である。
本実施形態例の半導体装置のTAT・DRAMセルのトランジスタ部40は、図1に示すように、以下に挙げることを除いて、前述した従来のTAT・DRAMセルのトランジスタ部10と同じ構成を備えている。
【0029】
トランジスタ部10と異なる点は、
(1)溝14の溝壁上部には、ゲート絶縁膜16の膜厚より厚いSiNからなるサイドウォール42が設けられていることである。サイドウォール42の膜厚は、例えばゲート絶縁膜16の膜厚を10nmとするとき、20nmから30nmである。
(2)ゲート電極44が、溝14の下部であって、サイドウォール42の下端から下方の溝部分を埋め込んで設けてあることである。
(3)ゲート電極44が、溝部分の上部であって、サイドウォール42間の領域に設けられたシリサイド層44aと、溝部分の溝壁とシリサイド層44aとの間に設けられたリンドープトポリシリコン層44bとで構成されていることである。
【0030】
本実施形態例では、ゲート電極44は、断面積が大きく、しかもサリサイド構造になっているので、抵抗が低く、しかも溝14の溝壁上部に、ゲート絶縁膜16の膜厚より厚いSiNからなるサイドウォール42が設けられていることにより、拡散層取り出し電極22とゲート電極44との間の絶縁耐圧を十分に確保できる。
【0031】
半導体装置の作製方法の実施形態例1
本実施形態例は、本発明に係る半導体装置の作製方法を上述の半導体装置のTAT・DRAMセルのトランジスタ部40の作製に適用した実施形態の一例である。図3(a)から(c)、図4(d)から(f)、図5(g)から(i)、及び図6は、それぞれ、本実施形態例の方法によりTAT・DRAMセルのトランジスタ部40を作製する際の工程毎の断面図である。
本実施形態例の方法では、先ず、図3(a)に示すように、シャロートレンチ分離(STI)によって素子分離領域24をSi基板12に形成し、基板表面にCVD・SiO2膜32を堆積する。
次いで、DRAM形成領域にイオン注入して、Si基板12の下層部にPウエル26を形成する。尚、必要ならパンチスルーストップ・イオン注入を行う。この段階では、まだ、トランジスタ部40の基板濃度調整用のイオン注入、つまりチャネルドープは行わない。
【0032】
次いで、CVD・SiO2 膜32上に、フォトレジスト膜を成膜し、続いて、図3(b)に示すように、ワード線以外の領域を覆うパターンを有するレジストマスク46を形成する。
次に、図3(c)に示すように、レジストマスク46を使ってSiO2膜32をエッチングし、続いて連続してSi基板12をエッチングして、フィールド領域内のSi基板12に溝深さが100〜150nm程度の溝14を形成する。
尚、溝14は、トランジスタの電界集中を防ぐために、図3(c)に示すように、底部を丸くラウンドにすることが望ましい。また、溝14の幅はトランジスタのチャネル長になるので、できるだけ溝14を垂直に加工することが望ましい。
【0033】
レジストマスク46を除去し、図4(d)に示すように、膜厚10nm〜20nmの犠牲酸化膜47を成膜する。
次いで、イオン注入を行って、図4(d)に示すように、溝14の下にトランジスタ部40のチャネル拡散層28を形成する。トランジスタ部40のチャネル拡散層28として、高濃度にする領域は、溝14の下方の基板領域であって、溝14の側方のSi基板12及びSi基板12の上層部には、殆ど、基板濃度を調整するためのイオン注入を行う必要はない。
CVD・SiO2膜32がイオン注入に対するストッパの役割を担うので、マスク無しで溝14の下方の基板領域だけに、効果的なイオン注入が可能である。また、基板上層部は、イオン注入が行われないので、極めて低濃度の領域形成が可能である。
【0034】
次いで、図4(e)に示すように、犠牲酸化膜47を除去し、SiO2又はSiONからなるゲート酸化膜16を成膜し、リンドープトポリシリコン層48をゲート酸化膜16上全面に堆積する。
次に、リンドープトポリシリコン層48をエッチバックして、図4(f)に示すように、溝14内にリンドープトポリシリコン層からなるゲート電極(ワード線)49を形成する。
エッチバックする際には、溝14内のゲート電極49の上面が、Si基板12の表面より50〜100nm程度下に位置するようにエッチバックし、後で形成する拡散層取り出し電極22との間の絶縁耐圧を維持するための距離を確保する。
本実施形態例では、トランジスタ部40は、Nchトランジスタであって、ポリシリコン層をDRAM部のワード線のみに使用しているので、N+ゲート材料であるリンドープトポリシリコンが適用できる。また、ゲート電極49の膜厚は50〜150nm程度であり、「溝」状のワード線形成のみに最適化した膜厚を設定することができる。
【0035】
次いで、図5(g)に示すように、リンイオンをイオン注入して、ソース/ドレイン領域の拡散層20を形成する。イオン注入は、拡散層20の上部のみにできるだけシャープなプロファイルでイオン注入する。
イオン注入では、予め設けたCVD・SiO2膜32を貫通すれば良いので、20〜50KeVの注入エネルギーで行い、1×1018〜3×1018cm-3程度の濃度にする。拡散層20の下Si基板領域は、ほとんどイオン注入されていない領域で、1×1016〜5×1017cm-3程度の非常に薄い濃度にできる。これにより、拡散層20とSi基板12の領域とのn−pジャンクションは、超Graded Junctionとなる。
【0036】
続いて、図5(h)に示すように、基板全面にSiN層を成膜し、次いで、エッチングして、ゲート絶縁膜16より膜厚の厚いSiNからなるサイドウォール42をゲート電極49より上の溝壁に形成する。サイドウォール42の膜厚は、例えばゲート絶縁膜16の膜厚を10nmとするとき、20nmから30nmである。
次いで、サイドウォール42をマスクにして、サイドウォール42間から露出しているゲート電極49をプラズマエッチング法等の異方性エッチングによりエッチングして、図5(i)及び図7に示すように、ゲート電極49内にU字状の溝壁を有する第2の溝50を形成する。
第2の溝50を形成した残りのゲート電極49は、リンドープトポリシリコンからなるゲート電極部44bとなる。図7は、第2の溝50の周りの拡大図である。
【0037】
次いで、図6に示すように、サイドウォール42をマスクにしたサリサイド技術により、第2の溝50を埋めるようにして第2の溝50内にシリサイド層44aを形成する。シリサイド層44aを形成した後、SiNキャップ層36を堆積する。
これにより、溝14内にシリサイド層44aとリンドープドポリシリコン層44bとからなるサリサイド構造のゲート電極44を形成することができる。図8は、ゲート電極44の拡大図である。
SiNキャップ層36は、シリサイド形成部のジャンクションリークを抑えるのに効果的であり、かつ、拡散層取り出し電極22を形成するための接続孔47を開口する際のエッチングストッパとなる。
【0038】
次に、図示しないが、第1の層間絶縁膜38を堆積し、CMPなどの平坦化技術を用いて平坦化し、第1の層間絶縁膜38を貫通して、拡散層20に達する拡散層取り出し電極22を形成する。
以上の工程を経て、ゲート電極44の抵抗が低く、かつ拡散層取り出し電極22とゲート電極44との絶縁距離が十分に確保された構造を有するTAT・DRAMセルのトランジスタ部40を作製することができる。
【0039】
半導体装置の実施形態例2
本実施形態例は、本発明に係る半導体装置の実施形態の別の例であって、図9は本実施形態例の半導体装置に設けたTAT・DRAMセルのゲート電極の拡大図である。
本実施形態例の半導体装置のTAT・DRAMセルのトランジスタ部は、図1に示すように、以下に挙げることを除いて、実施形態例1のTAT・DRAMセルのトランジスタ部40と同じ構成を備えている。
トランジスタ部40と異なる点は、図9に示すように、ゲート電極60が、サイドウォール42間の領域のみならずサイドウォール42の下端部の下に入り込んだ領域まで拡張して設けられたシリサイド層60aと、溝14の溝壁とシリサイド層60aとの間に設けられたリンドープトポリシリコン層60bとで構成されていることである。
本実施形態例の半導体装置は、実施形態例1の半導体装置と同じ効果を奏することができる。
【0040】
半導体装置の作製方法の実施形態例2
本実施形態例は、本発明に係る半導体装置の作製方法を実施形態例2の半導体装置のTAT・DRAMセルのトランジスタ部の作製に適用した実施形態の一例である。図10(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態例の方法によりTAT・DRAMセルのトランジスタ部を作製する際のエッチング工程及びサリサイド工程の断面図である。
本実施形態例では、実施形態例1と同様にして、Si基板12に溝14を形成し、次にイオン注入を行って、溝14の下にチャネル拡散層28を形成し、次いで基板全面にゲート酸化膜16を成膜し、ゲート酸化膜16上全面にゲート電極層48を堆積し、続いてゲート電極層48をエッチバックして、溝14内にゲート電極49を形成する。
次いで、図5(h)に示すように、基板全面にSiN層を成膜し、続いて、エッチングして、ゲート絶縁膜16より膜厚の厚いSiNからなるサイドウォール42をゲート電極49より上の溝壁に形成する。
【0041】
次いで、本実施形態例では、サイドウォール42間から露出しているゲート電極49をウエットエッチング法等の等方性エッチングによりエッチングして、図10(a)に示すように、ゲート電極49内に半球状の溝壁を有する第2の溝62を形成する。第2の溝62を形成した残りのゲート電極49は、リンドープトポリシリコンからなるゲート電極部60bとなる。
次いで、図10(b)に示すように、サリサイド技術により第2の溝62を埋めるようして第2の溝62内にシリサイド層60aを形成する。これにより、溝14内に、シリサイド層60aとリンドープドポリシリコン層60bとからなるサリサイド構造のゲート電極60を形成することができる。次いで、全面にSiNキャップ層36を堆積する。
以下、実施形態例1と同様の工程を経ることにより、シリサイド層と半導体基板とが厚い絶縁膜で分離された形状を有し、なおかつシリサイド形成部分の面積を広く確保した、図9に示すゲート電極を有する半導体装置を作製することができる。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、溝の溝壁上部には、ゲート絶縁膜の膜厚より厚い絶縁膜からなるサイドウォールを設け、溝の下部であって、サイドウォールの下端から下方の溝部分を埋め込んでゲート電極を設けることにより、ゲート電極(ワード線)と拡散層取り出し電極との絶縁耐圧を高め、拡散層取り出し電極の形成過程でのあわせずれマージンを大きくすることができる。更には、サイドウォールの厚膜化により、サイドウォールの膜厚制御が容易になる。
また、ゲート電極内に第2の溝を作り、サリサイド構造を構成する断面積の大きなシリサイド層を設けることにより、ゲート電極の低抵抗化が可能となり、信号遅延を防止することができる。
本発明方法は、本発明に係る半導体装置の最適な製造方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例1の半導体装置のTAT・DRAMセル部の構成を示す断面図である。
【図2】実施形態例1の半導体装置のTAT・DRAMセルのゲート電極の拡大図である。
【図3】図3(a)から(c)は、それぞれ、実施形態例1の方法によりTAT・DRAMセルのトランジスタ部を作製する際の工程毎の断面図である。
【図4】図4(d)から(f)は、それぞれ、図3(c)に続いて、実施形態例1の方法によりTAT・DRAMセルのトランジスタ部を作製する際の工程毎の断面図である。
【図5】図5(g)から(i)は、それぞれ、図4(f)に続いて、実施形態例1の方法によりTAT・DRAMセルのトランジスタ部を作製する際の工程毎の断面図である。
【図6】図5(i)に続いて、実施形態例1の方法によりTAT・DRAMセルのトランジスタ部を作製する際の工程毎の断面図である。
【図7】第2の溝の周りの拡大図である。
【図8】ゲート電極の拡大図である。
【図9】実施形態例2の半導体装置に設けたTAT・DRAMセルのゲート電極の拡大図である。
【図10】図10(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例2の方法によりTAT・DRAMセルのトランジスタ部を作製する際のエッチング工程及びサリサイド工程の断面図である。
【図11】TAT・DRAMセルのトランジスタ部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
10……TAT・DRAMセルのトランジスタ部、12……Si基板、14……溝、16……ゲート絶縁膜、18……ゲート電極、18a……シリサイド、20……拡散層、22……拡散層取り出し電極、24……素子分離領域、26……Pウエル、28……チャネル拡散層、32……CVD・SiO2 膜、34……SiO2 膜、36……SiNキャップ層、38……第1の層間絶縁膜、40……実施形態例の半導体装置のTAT・DRAMセルのトランジスタ部、42……サイドウォール、44……ゲート電極、44a……シリサイド層、44b……リンドープトポリシリコン層、46……レジストマスク、47……犠牲酸化膜、48……リンドープトポリシリコン層、49……ゲート電極、50……第2の溝、60……ゲート電極、60a……シリサイド層、60b……リンドープトポリシリコン層。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a TAT DRAM cell and a method for manufacturing the same, and more specifically, a TAT DRAM cell having a structure in which a gate electrode and a diffusion layer take-out electrode have a high withstand voltage and a gate electrode resistance is low. And a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
As a semiconductor device that processes a large amount of information at high speed, an Emb (Embeded) DRAM in which a large-capacity DRAM and a high-speed logic integrated circuit are embedded in one chip has been put into practical use.
However, in response to demands for miniaturization of semiconductor devices that are accelerating year by year, various problems as described below have become apparent in Emb DRAMs.
[0003]
(1) In order to maintain the high performance of the transistor against the reduction of the DRAM memory cell, the substrate concentration of the semiconductor substrate on which the semiconductor device is formed is increasing, and as a result, the concentration of the junction portion of the DRAM portion is increased. The change is also becoming steep.
For this reason, the electric field applied to the junction is becoming stronger and it is difficult to suppress the junction leakage to the ppm order in a megabit DRAM. As a result, it has been difficult to maintain the data retention characteristics (generally referred to as tail characteristics) of a DRAM that has been conventionally controllable with a margin as in the prior art.
In this situation, there is no effective measure other than increasing the capacitor capacity for each generation.
[0004]
(2) With the reduction in the size of DRAM cells, the contact area between the diffusion layer take-out contact (take-out electrode) and the diffusion layer is narrowed, and the contact resistance is increasing at about twice the rate of generation. In the generation after 0.1 μm, the contact resistance is expected to be several kilo ohms, and the resistance value is expected to be comparable to the on-resistance of the memory cell transistor.
As the contact resistance increases, the contact resistance variation greatly affects not only the memory cell / transistor but also the operation of the DRAM, particularly the high-speed operation. Therefore, higher positioning accuracy between the contact and the diffusion layer is achieved in the DRAM manufacturing process. Required. In particular, in DRAMs that require high-speed operation, improvement in positioning accuracy is a problem in securing performance.
[0005]
(3) Also, with the reduction in the size of DRAM cells, the interlayer insulation distance between the word line and the diffusion layer lead-out contact formed on the side of the word line is decreasing year by year. For example, in order to ensure a withstand voltage between the word line and the diffusion layer lead-out contact, in a megabit DRAM, the interlayer insulation distance between the word line and the diffusion layer lead-out contact is 20 to 30 nm. However, if the trend of reducing the area of the DRAM cell continues as it is, the interlayer insulation distance between the word line and the diffusion layer lead-out contact will be 20-30 nm or less in the generation of 0.1 μm and later.
[0006]
(4) Conventionally, the WSi / doped polysilicon polycide structure has been adopted for DRAM word lines to alleviate the problem of signal delay. However, along with recent miniaturization of DRAMs, the aspect ratio of word lines has increased. In addition, it has become difficult to make the wiring structure of the word line sufficiently low in order to suppress the signal delay of the word line. In particular, in an Emb DRAM that requires high-speed operation, this word line delay is a serious problem that affects the access time of the DRAM.
Therefore, salicide structure wiring has been put to practical use in order to reduce the resistance of the gate electrode (word line).
However, when the salicide structure is applied to the gate electrode (word line) of a DRAM cell, the offset SiO2This becomes an obstacle to the reduction in DRAM cell size. In addition, in order to maintain the data retention characteristics, there is a problem that a process for preventing the formation of salicide in the diffusion layer of the DRAM is required. At present, it is difficult to adopt the salicide structure for the gate electrode. .
[0007]
(5) Further, along with the reduction in the size of the DRAM, it is indispensable to provide an opening with no margin when forming the storage node contact of the DRAM, and, like the diffusion layer contact, the distance between the contact opening and the word line is increased. The distance is almost the limit of the withstand voltage.
As a result, since the contact diameter is reduced, a technique for efficiently suppressing an increase in resistance with a small contact diameter is required.
[0008]
(6) On the other hand, the transistor performance in the logic part has been improved remarkably, and in particular, P in which boron ions are ion-implanted to suppress off-leakage of the P-channel transistor.+A gate electrode has been commonly used.
By the way, P+For the gate electrode, P by heat treatment+When the gate electrode is activated, there is a problem of so-called “penetration” in which impurity boron diffuses to the substrate side. This causes serious problems such as variations in characteristics of P-channel transistors, depletion of gate electrodes, and deterioration of gate insulation.
In addition, doped polysilicon, which is widely used for DRAM diffusion layer contacts, is an indispensable material for activation by heat treatment, and attention must be paid to consistency when mixed.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the future 0.1 μm generation and beyond, it is necessary to further reduce the thickness of the gate oxide film, and as described above, there is a possibility that the technology that can be tolerated in the current 0.18 μm generation cannot be applied.
Therefore, in order to maintain the trend of chip performance improvement, it is expected that a fundamental improvement of the Emb / DRAM structure itself is required.
[0010]
Therefore, the word line of the DRAM part is formed on the substrate as an element structure that can solve all the above-mentioned six problems that are expected to be manifested in Emb. DRAM of 0.1 μm or more and can maintain the trend of improving chip performance. A Trench Access Transistor (TAT) DRAM cell has been proposed that is buried in the “groove”.
[0011]
Here, with reference to FIG. 11, a configuration of a semiconductor device in which a DRAM memory unit and a logic unit are mixedly mounted, and the DRAM memory unit is composed of TAT / DRAM cells will be described. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration of a transistor portion of a TAT / DRAM cell. Note that since the logic portion of the semiconductor device is not directly related to the present invention, the illustration and description of FIG. 11 are omitted.
The transistor section 10 of the TAT / DRAM cell is an N-channel transistor, and as shown in FIG. 11, a gate electrode 18 embedded in a trench 14 formed in a semiconductor substrate, for example, a Si substrate 12 via a gate insulating film 16. And a diffusion layer 20 formed in the upper layer of the substrate on the side of the groove 14, and a diffusion layer extraction electrode 22 connected to the diffusion layer 20.
[0012]
Further, the configuration of the TAT / DRAM cell 10 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 11, the element isolation region 24 is formed in the Si substrate 12 at a depth of, for example, about 0.1 μm to 0.2 μm by, for example, STI (Shallow Trench Isolation) technique. A trench 14 is formed in the Si substrate 12 and the element isolation region 24 at a depth of, for example, about 50 nm to 100 nm, and a word line (gate electrode) 18 is formed in the trench 14 via a gate insulating film 16. .
[0013]
A P well 26 is provided in a region between the two element isolation regions 24, that is, a transistor formation region. A region of the Si substrate 12 between the P well 26 and the trench 14 has a high concentration, for example, 1.. 0x1018/ CmThree~ 1.0 × 1019/ CmThreeChannel diffusion layer 28 is formed.
On the other hand, the semiconductor substrate regions on both sides and the upper part of the groove 14 are almost at a substrate concentration and extremely low, for example, 1.0 × 10.17/ CmThree~ 1.0 × 1018/ CmThreeIt has become.
As the gate insulating film 16, a silicon oxide film obtained by thermal oxidation of silicon can be used. As the gate insulating film 16, a silicon oxide film having a thickness of, for example, about 1.5 nm to 2 nm is formed.
[0014]
Further, the word line (gate electrode) 18 is formed so that the surface thereof is at least 30 nm to 50 nm, preferably 40 nm to 50 nm below the surface of the Si substrate 12 above the groove 14. A breakdown voltage with respect to the diffusion layer extraction electrode 22 is secured.
The word line (gate electrode) 18 has a conventional WSi in order to suppress signal delay.2Instead of the polycide structure made of / polysilicon, for example, a heat-resistant polymetal gate structure made of tungsten / tungsten nitride / polysilicon or cobalt / cobalt silicide / polysilicon is used. Thus, problems such as boron penetration and segregation at the tungsten nitride interface do not occur.
In FIG. 11, 18a indicates tungsten / tungsten nitride or cobalt / cobalt silicide.
[0015]
In addition, in the semiconductor substrate region above the groove 14, 1 × 1018cm-3~ 3x1018cm-3A source / drain diffusion layer 20 having a moderate concentration is formed.
Since it is desirable to relax the electric field strength with the Si substrate 12, the semiconductor substrate region at the junction with the diffusion layer 20 is set to a low concentration together with the diffusion layer 20, and a junction with a low electric field strength is formed.
[0016]
Since the Si substrate 12 under the diffusion layer 20 is a region where ions are hardly implanted, 1 × 1016cm-3~ 5x1017cm-3The concentration is very thin.
Thereby, the NP junction of this example becomes a super graded junction. This ultra-graded junction reduces the electric field at the time of reverse bias, and can thereby suppress a junction leak that is worse by about two digits than usual, which occurs in a defective bit of the order of only ppm in a megabit class DRAM. This data retention characteristic of defective bits dominates the chip performance of the DRAM, and is an important technique for maintaining the data retention characteristic in future DRAMs.
Substrate concentration is 5 × 1016cmThreeIf so, data retention characteristics of 500 msec or more at 85 ° C. can be expected. This is a performance comparable to the data retention characteristics of DRAMs that are 4-5 generations before.
[0017]
As described above, since the gate electrode 18 is embedded in the Si substrate 12 through the gate insulating film 16 and the diffusion layer 20 is formed in the upper layer of the Si substrate 12, the gate electrode 18 is formed in the channel. It is formed so as to go around the substrate region on the bottom side of the groove 14.
As a result, the transistor portion of the DRAM can form a channel by rounding the groove 14 to ensure a long effective channel length. Therefore, a DRAM having a remarkable short channel effect that is used by applying a back bias. The transistor transistor characteristics of the cell can also be stabilized.
[0018]
On the Si substrate 12 including the diffusion layer 20, except for the groove 14, a CVD / SiO film having a thickness of 20 nm to 40 nm is formed.2A film 32 is formed. SiO2The membrane 32 is
(1) Plays the role of a buffer film when performing ion implantation to form a P-well,
(2) At the time of ion implantation for adjusting the substrate concentration of the DRAM cell transistor to be performed later, it acts as a stopper against ion implantation, realizing a reduction in the substrate concentration of the junction portion of the DRAM,
(3) When salicide is formed on the surface of the word line embedded in the groove 14 in a later process, it plays a role of preventing the salicide from being formed in the diffusion layer of the DRAM portion.
[0019]
Further, the upper part of the groove wall of the groove 14 has a 10 nm-thickness SiO.2The film 34 is SiO as a side wall protective wall of the groove 14.2Provided up to the upper surface of the film 32, and further SiO2On the film 32, SiO2A SiN cap layer 36 having a thickness of 20 to 30 nm is provided along the film 34 and on the gate electrode 18.
[0020]
A first interlayer insulating film 38 is formed on the SiN cap layer 36, and the surface is flattened.
First interlayer insulating film 38, SiN cap layer 36, and CVD / SiO 22A diffusion layer extraction electrode 22 that penetrates the film 32 and is connected to the diffusion layer 20 is formed in a plug shape from phosphorous doped polysilicon. The lead-out electrode 22 is formed as large as possible so that the entire surface of the diffusion layer 20 contacts and the contact resistance is reduced.
The extraction electrode 22 is connected to a capacitor and a bit line (not shown) according to the design.
[0021]
By the way, as described above, when applying the structure of the TAT / DRAM cell, in order to maintain the withstand voltage between the diffusion layer extraction electrode 22 and the gate electrode 18, it is necessary to secure a physical distance between them. However, since the physical distance provided between the diffusion layer take-out electrode 22 and the gate electrode 18 is determined from the electrode arrangement and the transistor characteristics of the TAT / DRAM cell, it is difficult to increase the physical distance.
On the other hand, in order to reduce the resistance of the gate electrode 18 of the TAT / DRAM cell, it is necessary to increase the cross-sectional area of the gate electrode 18, but in this case, the distance between the gate electrode 18 and the diffusion layer extraction electrode 22 is increased. Is reduced, and it becomes difficult to secure sufficient insulation between the diffusion layer extraction electrode 22 and the gate electrode 18.
In other words, in the TAT DRAM cell structure described above, there is a trade-off relationship between lowering the resistance of the gate electrode of the TAT DRAM cell and securing the breakdown voltage between the diffusion layer take-out electrode and the gate electrode.
[0022]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a TAT DRAM cell having a low-resistance gate electrode and ensuring a sufficient withstand voltage between the diffusion layer extraction electrode and the gate electrode, and a method for manufacturing the same. is there.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  A semiconductor device according to the present invention includes a groove formed in a semiconductor substrate, a gate electrode embedded in the groove via a gate insulating film, and a gate insulating film provided on the gate electrode along the inner wall of the groove And a sidewall made of a thick insulating film. The source / drain diffusion region formed in the region excluding the groove on the surface of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate, directly below the gate electrode through the gate insulating filmonlyAnd a channel diffusion layer formed on the substrate.The gate electrode is composed of a silicide layer provided in the region between the sidewalls at the upper part of the groove portion, and a conductive polysilicon layer provided between the groove wall of the groove portion and the silicide layer. Has been.
[0024]
The gate electrode of the TAT / DRAM cell of the semiconductor device according to the present invention includes an silicide layer provided in a region between the sidewalls and an upper portion of the groove portion, and a groove wall of the groove portion according to an etching mode described later. A conductive polysilicon layer provided between the silicide layer and the upper part of the groove portion, and a region extending between the side walls and under the lower end of the side walls. A distinction is made between a silicide layer provided and a conductive polysilicon layer provided between the groove wall of the groove portion and the silicide layer.
The gate oxide film is, for example, SiO2Alternatively, it is made of SiON, and the side walls are made of SiN.
[0025]
The resistance of the gate electrode of the TAT DRAM cell is reduced by the self-aligned salicide technique for the conductive polysilicon layer in the trench.
The present invention prevents a breakdown voltage failure between the diffusion layer extraction electrode and the gate electrode by the thick sidewall, and by making the gate electrode a salicide structure, the gate electrode has a low resistance and suppresses signal delay, This enables high-speed operation of the DRAM. Further, it is possible to realize a TAT DRAM cell having a gate electrode structure in which the silicide layer and the diffusion layer are separated by a thick insulating film (side wall) and the area of the silicide formation is ensured widely. .
The present invention is applicable not only to Emb (Embeded) DRAM but also to general-purpose DRAM devices.
[0026]
  A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a groove for forming a gate electrode in a field region of a semiconductor substrate, and ion implantation from an opening of the formed groove,onlyForming a channel diffusion layer. A step of oxidizing the surface of the semiconductor substrate to form a gate insulating film; a step of embedding a gate electrode layer in the trench to form a gate electrode; and a surface of the semiconductor substrate.onlyAnd forming a source / drain diffusion region by ion implantation. Further, the method includes a step of forming a sidewall made of an insulating film having a thickness larger than that of the gate insulating film on the inner wall of the groove on the gate electrode. In addition, the gate electrode is etched using an anisotropic etching method using the sidewall as a mask, and a U-shaped second groove is formed in the gate electrode, and a silicide layer is formed in the second groove. Process.
[0027]
In the hole forming step, an isotropic etching method may be applied instead of the anisotropic etching method.
The depth of the second groove is set to a depth optimized according to the resistance value of the gate electrode. In the method of the present invention, silicide can be formed on the gate electrode by a salicide technique using a sidewall as a mask.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described specifically and in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the film formation method, the composition and thickness of the insulating layer, the conductive layer, etc., the process conditions, etc. shown in the following embodiment examples are merely examples for facilitating the understanding of the present invention. It is not limited to this illustration.
Embodiment 1 of Semiconductor Device
This embodiment is an example of an embodiment of a semiconductor device according to the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a TAT / DRAM cell portion of the semiconductor device of this embodiment, and FIG. -It is an enlarged view of the gate electrode of a DRAM cell.
As shown in FIG. 1, the transistor section 40 of the TAT / DRAM cell of the semiconductor device of the present embodiment has the same configuration as the transistor section 10 of the conventional TAT / DRAM cell described above except for the following. ing.
[0029]
The difference from the transistor part 10 is that
(1) The side wall 42 made of SiN thicker than the gate insulating film 16 is provided on the upper part of the groove wall of the groove 14. The thickness of the sidewall 42 is, for example, 20 nm to 30 nm when the thickness of the gate insulating film 16 is 10 nm.
(2) The gate electrode 44 is provided in the lower part of the groove 14 by embedding a groove part below the lower end of the sidewall 42.
(3) The gate electrode 44 is an upper portion of the groove portion and is provided in a silicide layer 44a provided in a region between the sidewalls 42, and a phosphorus-doped polycrystal provided between the groove wall of the groove portion and the silicide layer 44a. And the silicon layer 44b.
[0030]
In this embodiment, the gate electrode 44 has a large cross-sectional area and has a salicide structure, so that the resistance is low, and the upper portion of the groove wall of the groove 14 is made of SiN thicker than the thickness of the gate insulating film 16. By providing the side wall 42, it is possible to sufficiently ensure the withstand voltage between the diffusion layer extraction electrode 22 and the gate electrode 44.
[0031]
Embodiment 1 of Manufacturing Method of Semiconductor Device
This embodiment is an example of an embodiment in which the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is applied to the manufacture of the transistor portion 40 of the TAT / DRAM cell of the semiconductor device described above. 3 (a) to 3 (c), FIG. 4 (d) to (f), FIG. 5 (g) to (i), and FIG. 6 show the transistors of the TAT DRAM cell by the method of this embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view for each process when the part 40 is manufactured.
In the method of this embodiment, first, as shown in FIG. 3A, an element isolation region 24 is formed on the Si substrate 12 by shallow trench isolation (STI), and CVD / SiO 2 is formed on the substrate surface.2A film 32 is deposited.
Next, ions are implanted into the DRAM formation region to form a P well 26 in the lower layer portion of the Si substrate 12. If necessary, punch-through stop ion implantation is performed. At this stage, ion implantation for adjusting the substrate concentration of the transistor section 40, that is, channel doping is not yet performed.
[0032]
Next, CVD ・ SiO2A photoresist film is formed on the film 32, and then a resist mask 46 having a pattern covering a region other than the word line is formed as shown in FIG.
Next, as shown in FIG. 3C, the resist mask 46 is used to form SiO.2The film 32 is etched, and then the Si substrate 12 is continuously etched to form the groove 14 having a groove depth of about 100 to 150 nm in the Si substrate 12 in the field region.
Note that, as shown in FIG. 3C, it is desirable that the groove 14 has a rounded bottom and a round shape in order to prevent electric field concentration of the transistor. Further, since the width of the groove 14 becomes the channel length of the transistor, it is desirable to process the groove 14 as vertically as possible.
[0033]
The resist mask 46 is removed, and a sacrificial oxide film 47 having a thickness of 10 nm to 20 nm is formed as shown in FIG.
Next, ion implantation is performed to form a channel diffusion layer 28 of the transistor portion 40 under the trench 14 as shown in FIG. As the channel diffusion layer 28 of the transistor unit 40, the region to be highly concentrated is a substrate region below the trench 14, and the substrate on the side of the trench 14 and the upper layer portion of the Si substrate 12 is mostly a substrate. It is not necessary to perform ion implantation for adjusting the concentration.
CVD / SiO2Since the film 32 serves as a stopper for ion implantation, effective ion implantation is possible only in the substrate region below the groove 14 without a mask. Further, since the ion implantation is not performed on the upper layer portion of the substrate, it is possible to form a very low concentration region.
[0034]
Next, as shown in FIG. 4E, the sacrificial oxide film 47 is removed and SiO 2 is removed.2Alternatively, a gate oxide film 16 made of SiON is formed, and a phosphorus-doped polysilicon layer 48 is deposited on the entire surface of the gate oxide film 16.
Next, the phosphorus-doped polysilicon layer 48 is etched back to form a gate electrode (word line) 49 made of a phosphorus-doped polysilicon layer in the trench 14 as shown in FIG.
When performing the etch back, etch back is performed so that the upper surface of the gate electrode 49 in the trench 14 is located about 50 to 100 nm below the surface of the Si substrate 12, and between the diffusion layer extraction electrode 22 to be formed later. The distance for maintaining the withstand voltage is secured.
In the present embodiment, the transistor unit 40 is an Nch transistor and uses a polysilicon layer only for the word line of the DRAM unit.+Phosphorous doped polysilicon, which is a gate material, can be applied. Further, the film thickness of the gate electrode 49 is about 50 to 150 nm, and a film thickness optimized only for forming the “groove” -like word line can be set.
[0035]
Next, as shown in FIG. 5G, phosphorus ions are implanted to form a diffusion layer 20 in the source / drain region. The ion implantation is performed with the sharpest possible profile only on the diffusion layer 20.
In ion implantation, CVD and SiO provided in advance2Since it suffices to penetrate the film 32, it is performed with an implantation energy of 20 to 50 KeV, and 1 × 1018~ 3x1018cm-3Make the concentration to the extent. The Si substrate region under the diffusion layer 20 is a region where ions are hardly implanted and is 1 × 10 6.16~ 5x1017cm-3The concentration can be very thin. Thereby, the np junction between the diffusion layer 20 and the region of the Si substrate 12 becomes a super graded junction.
[0036]
Subsequently, as shown in FIG. 5H, a SiN layer is formed on the entire surface of the substrate, and then etched, so that the sidewall 42 made of SiN thicker than the gate insulating film 16 is formed above the gate electrode 49. Formed in the groove wall. The thickness of the sidewall 42 is, for example, 20 nm to 30 nm when the thickness of the gate insulating film 16 is 10 nm.
Next, using the sidewalls 42 as a mask, the gate electrode 49 exposed from between the sidewalls 42 is etched by anisotropic etching such as a plasma etching method, and as shown in FIGS. A second groove 50 having a U-shaped groove wall is formed in the gate electrode 49.
The remaining gate electrode 49 formed with the second trench 50 becomes a gate electrode portion 44b made of phosphorus-doped polysilicon. FIG. 7 is an enlarged view around the second groove 50.
[0037]
Next, as shown in FIG. 6, a silicide layer 44 a is formed in the second groove 50 so as to fill the second groove 50 by a salicide technique using the sidewall 42 as a mask. After the silicide layer 44a is formed, the SiN cap layer 36 is deposited.
As a result, the salicide-structured gate electrode 44 composed of the silicide layer 44a and the phosphorus-doped polysilicon layer 44b can be formed in the trench 14. FIG. 8 is an enlarged view of the gate electrode 44.
The SiN cap layer 36 is effective in suppressing junction leakage in the silicide formation portion, and serves as an etching stopper when opening the connection hole 47 for forming the diffusion layer extraction electrode 22.
[0038]
Next, although not shown, a first interlayer insulating film 38 is deposited, planarized using a planarization technique such as CMP, and the diffusion layer reaching the diffusion layer 20 through the first interlayer insulating film 38 is extracted. The electrode 22 is formed.
Through the above steps, the transistor portion 40 of the TAT DRAM cell having a structure in which the resistance of the gate electrode 44 is low and the insulation distance between the diffusion layer extraction electrode 22 and the gate electrode 44 is sufficiently secured can be manufactured. it can.
[0039]
Embodiment 2 of Semiconductor Device
This embodiment is another example of the embodiment of the semiconductor device according to the present invention. FIG. 9 is an enlarged view of a gate electrode of a TAT / DRAM cell provided in the semiconductor device of this embodiment.
As shown in FIG. 1, the transistor portion of the TAT / DRAM cell of the semiconductor device of this embodiment has the same configuration as the transistor portion 40 of the TAT / DRAM cell of Embodiment 1 except for the following. ing.
As shown in FIG. 9, the transistor portion 40 is different from the transistor portion 40 in that the gate electrode 60 extends not only to the region between the sidewalls 42 but also to the region that has entered under the lower end portion of the sidewall 42. 60a, and a phosphorus-doped polysilicon layer 60b provided between the groove wall of the groove 14 and the silicide layer 60a.
The semiconductor device according to the present embodiment can achieve the same effects as the semiconductor device according to the first embodiment.
[0040]
Second Embodiment of Manufacturing Method of Semiconductor Device
This embodiment is an example of an embodiment in which the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is applied to the manufacture of a transistor portion of a TAT / DRAM cell of the semiconductor device of Embodiment 2. FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views of an etching process and a salicide process when a transistor portion of a TAT / DRAM cell is manufactured by the method of this embodiment, respectively.
In the present embodiment example, the groove 14 is formed in the Si substrate 12, and then ion implantation is performed to form the channel diffusion layer 28 under the groove 14, and then the entire surface of the substrate is formed as in the first embodiment example. A gate oxide film 16 is formed, a gate electrode layer 48 is deposited on the entire surface of the gate oxide film 16, and then the gate electrode layer 48 is etched back to form a gate electrode 49 in the trench 14.
Next, as shown in FIG. 5H, a SiN layer is formed on the entire surface of the substrate, and then etched, so that the sidewall 42 made of SiN thicker than the gate insulating film 16 is formed above the gate electrode 49. Formed in the groove wall.
[0041]
Next, in this embodiment, the gate electrode 49 exposed from between the sidewalls 42 is etched by isotropic etching such as a wet etching method, and as shown in FIG. A second groove 62 having a hemispherical groove wall is formed. The remaining gate electrode 49 formed with the second trench 62 becomes a gate electrode portion 60b made of phosphorus-doped polysilicon.
Next, as shown in FIG. 10B, a silicide layer 60a is formed in the second groove 62 so as to fill the second groove 62 by the salicide technique. Thereby, the gate electrode 60 having a salicide structure including the silicide layer 60a and the phosphorus-doped polysilicon layer 60b can be formed in the trench 14. Next, a SiN cap layer 36 is deposited on the entire surface.
Hereinafter, the gate shown in FIG. 9 has a shape in which the silicide layer and the semiconductor substrate are separated by a thick insulating film through the same steps as in the first embodiment, and the area of the silicide formation portion is ensured widely. A semiconductor device having an electrode can be manufactured.
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, a sidewall made of an insulating film thicker than the thickness of the gate insulating film is provided on the upper portion of the groove wall of the groove, and the groove portion below the groove and below the sidewall is buried. By providing the gate electrode, the withstand voltage between the gate electrode (word line) and the diffusion layer extraction electrode can be increased, and the misalignment margin in the process of forming the diffusion layer extraction electrode can be increased. Furthermore, the sidewall thickness can be easily controlled by increasing the thickness of the sidewall.
Further, by forming a second groove in the gate electrode and providing a silicide layer having a large cross-sectional area constituting the salicide structure, the resistance of the gate electrode can be reduced and signal delay can be prevented.
The method of the present invention realizes an optimum method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a TAT / DRAM cell portion of a semiconductor device according to Embodiment 1;
2 is an enlarged view of a gate electrode of a TAT DRAM cell of the semiconductor device of Embodiment 1; FIG.
FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views for each process when a transistor portion of a TAT DRAM cell is manufactured by the method of Embodiment 1. FIG.
4 (d) to 4 (f) are cross-sectional views for each step when manufacturing a transistor portion of a TAT / DRAM cell by the method of Embodiment 1 following FIG. 3 (c), respectively. It is.
5 (g) to 5 (i) are cross-sectional views for each step when manufacturing a transistor portion of a TAT / DRAM cell by the method of Embodiment 1 following FIG. 4 (f). It is.
FIG. 6 is a cross-sectional view for each step of manufacturing the transistor portion of the TAT • DRAM cell by the method of Embodiment 1 following FIG.
FIG. 7 is an enlarged view around the second groove.
FIG. 8 is an enlarged view of a gate electrode.
9 is an enlarged view of a gate electrode of a TAT DRAM cell provided in the semiconductor device of Embodiment 2. FIG.
FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views of an etching process and a salicide process in manufacturing a transistor portion of a TAT DRAM cell by the method of Embodiment 2, respectively.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration of a transistor portion of a TAT DRAM cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Transistor part of TAT DRAM cell, 12 ... Si substrate, 14 ... Groove, 16 ... Gate insulating film, 18 ... Gate electrode, 18a ... Silicide, 20 ... Diffusion layer, 22 ... Diffusion Layer extraction electrode, 24... Element isolation region, 26... P well, 28... Channel diffusion layer, 32.2Membrane 34 …… SiO236... SiN cap layer 38... First interlayer insulating film 40. TAT DRAM cell transistor portion of semiconductor device of embodiment, 42 .. Side wall 44... Gate electrode 44 a ...... Silicide layer, 44b ... Phosphorus doped polysilicon layer, 46 ... Resist mask, 47 ... Sacrificial oxide film, 48 ... Phosphorus doped polysilicon layer, 49 ... Gate electrode, 50 ... Second groove, 60... Gate electrode, 60a... Silicide layer, 60b... Phosphorus doped polysilicon layer

Claims (5)

半導体基板に形成された溝と、
前記溝内にゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、
前記溝内壁に沿って前記ゲート電極上に設けられた、前記ゲート絶縁膜よりも厚い絶縁膜からなるサイドウォールと、
前記半導体基板の表面の前記溝を除く領域に形成されたソース・ドレイン拡散領域と、
前記半導体基板において、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極の直下のみに形成されたチャネル拡散層と、を備え
前記ゲート電極は、前記溝部分の上部であって、前記サイドウォール間の領域に設けられたシリサイド層と、前記溝部分の溝壁と前記シリサイド層との間に設けられた導電性ポリシリコン層とで構成されている
半導体装置。
A groove formed in a semiconductor substrate;
A gate electrode embedded in the trench through a gate insulating film;
A sidewall made of an insulating film thicker than the gate insulating film provided on the gate electrode along the groove inner wall;
A source / drain diffusion region formed in a region excluding the groove on the surface of the semiconductor substrate;
A channel diffusion layer formed only directly under the gate electrode through the gate insulating film in the semiconductor substrate ,
The gate electrode is an upper part of the groove part, and a silicide layer provided in a region between the sidewalls, and a conductive polysilicon layer provided between the groove wall of the groove part and the silicide layer And a semiconductor device.
前記ゲート電極は、前記溝部分の上部であって、前記サイドウォール間の領域及び前記サイドウォールの下端部の下にまで入り込んだ領域にわたって設けられたシリサイド層と、前記溝部分の溝壁と前記シリサイド層との間に設けられた導電性ポリシリコン層とで構成されている請求項1に記載の半導体装置。  The gate electrode is an upper portion of the groove portion, and a silicide layer provided over a region between the sidewalls and a region that extends under a lower end portion of the sidewalls; a groove wall of the groove portion; 2. The semiconductor device according to claim 1, comprising a conductive polysilicon layer provided between the silicide layer. 前記ゲート絶縁膜がSiO2又はSiONで形成され、前記サイドウォールがSiNで形成されている請求項1又は2に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film is formed of SiO 2 or SiON, and the sidewall is formed of SiN. 半導体基板のフィールド領域内にゲート電極形成用の溝を形成する工程と、
形成した前記溝の開口部からイオン注入し、前記溝の下部のみにチャネル拡散層を形成する工程と、
前記半導体基板の表面を酸化してゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記溝内にゲート電極層を埋め込み、ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板の表面のみにイオン注入によりソース・ドレイン拡散領域を形成する工程と、
前記ゲート電極上において、前記溝の内壁に前記ゲート絶縁膜より膜厚の厚い絶縁膜からなるサイドウォールを形成する工程と、
前記サイドウォールをマスクとし、異方性エッチング法を用いて前記ゲート電極をエッチングし、前記ゲート電極にU字状の第2の溝を形成する工程と、
前記第2の溝内にシリサイド層を形成する工程と、を有する
半導体装置の製造方法。
Forming a groove for forming a gate electrode in a field region of a semiconductor substrate;
A step of ion-implanting from the opening of the groove formed to form a channel diffusion layer only under the groove;
Oxidizing the surface of the semiconductor substrate to form a gate insulating film;
Embedding a gate electrode layer in the trench to form a gate electrode;
Forming source / drain diffusion regions by ion implantation only on the surface of the semiconductor substrate;
Forming a sidewall made of an insulating film thicker than the gate insulating film on the inner wall of the groove on the gate electrode;
Using the sidewall as a mask, etching the gate electrode using an anisotropic etching method, and forming a U-shaped second groove in the gate electrode;
Forming a silicide layer in the second groove. A method of manufacturing a semiconductor device.
前記第2の溝を形成する工程では、異方性エッチング法に代えて等方性エッチング法を適用する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4 , wherein an isotropic etching method is applied instead of the anisotropic etching method in the step of forming the second groove.
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