JPH0727978B2 - 高集積半導体メモリ装置及びその製造方法 - Google Patents
高集積半導体メモリ装置及びその製造方法Info
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- JPH0727978B2 JPH0727978B2 JP29704490A JP29704490A JPH0727978B2 JP H0727978 B2 JPH0727978 B2 JP H0727978B2 JP 29704490 A JP29704490 A JP 29704490A JP 29704490 A JP29704490 A JP 29704490A JP H0727978 B2 JPH0727978 B2 JP H0727978B2
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-
- H—ELECTRICITY
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Description
するもので、特にメモリセル領域を増やさなくてもキャ
パシタの有効面積を最大化しうる高集積半導体メモリ装
置及びその製造方法に関するもでのある。
モリセルの数を増やそうと努力しつつあるが、このよう
な目的を達成するためには、制限されたチップの表面上
に多数のメモリセルが形成されるメモリセルアレイの面
積を最小化することが重要である。
一つのキャパシタよりメモリセルを構成するDRAM(Dyna
mic Random Access Memory)がよく知られている。しか
し、前記メモリセルにおいてほとんどの面積を占める部
分はキャパシタの占める面積なので、半導体装置が高集
積化されゆくにつれ、前記キャパシタの占める面積を最
小化しながらも前記キャパシタの容量を大きくして情報
検出を容易にし、α粒子によるソフトエラーを減少させ
ることが重要になっている。
レージキャパシタの容量を最大化するため、各メモリセ
ルのストレージ電極を隣合うメモリセルの領域まで拡張
させるスプレッドスタックキャパシタ(Spread Stacked
Capacitor;以下SSCと称する)セル構造が考案された。
このようなSSCセルを有する従来のメモリセル構造とし
て1989年発行されたIEDM89の31頁ないし34頁に開示され
たものがある。
体基板に各トランジスタのソース領域を露出してキャパ
シタの第1電極を形成し、隣合うメモリセルの領域に前
記第1電極が相互拡張された構成からなっている。しか
し、前記のようなSSCセルの構成においては64M bitのDR
AMが実現できるが、さきに形成される1次キャパシタが
後工程を通じて形成される2次キャパシタの間で形成さ
れなければならないので、セルサイズが一層減少される
256M bitのDRAMで要求される十分なキャパシタの有効面
積を確保することには限界が生じる。なぜならば、第1
メモリセルの各キャパシタのサイズは第2メモリセルの
各キャパシタによって制限されるので、第2メモリセル
の各キャパシタのサイズは第1メモリセルの各キャパシ
タのサイズと平行をなすためには左右に拡張される部分
が制限されなければならない。従って、第2メモリセル
の各キャパシタを第1メモリセルのキャパシタ上で互い
に最大に隣接するように拡張させることができなかっ
た。第2メモリセルの各キャパシタを第1メモリセルの
キャパシタ上で互いに最大に隣接するように拡張させな
がら、第1メモリセルの各キャパシタのサイズと平行を
維持するためには第1メモリセルの各キャパシタのサイ
ズを増やすべきである。しかし、従来のSSCセル構造で
は第1メモリセルの各キャパシタのサイズが第2メモリ
セルの各キャパシタによって制限されるのでセルサイズ
がもっとも縮まる256M bit DRAMで要求されるキャパシ
タの有効面積を確保するにはすこし足りないとことがあ
った。
するため、スタック形キャパシタセルとトレンチ併合形
キャパシタセルが交互に隣合うようなメモリセルアレイ
を実現したDRAMを提供することである。
きる製造方法を提供することである。
リセルアレイは、第1伝導形の半導体基板上にアクティ
ブ領域を限定するために選択的に形成されたフィールド
酸化膜と、前記アクティブ領域上に形成されたメモリセ
ルを具備する半導体装置において、前記メモリセルはス
タック−トレンチ併合形キャパシタを具備する1次メモ
リセルとスタック形キャパシタを具備する2次メモリセ
ルからなり、前記1次及び2次メモリセルのそれぞれは
行方向と列方向に隣合って配置されることを特徴とす
る。
造方法は、第1伝導形の半導体基板上にフィールド酸化
膜を成長させアクティブ領域を限定する第1工程と、前
記アクティブ領域上にメモリセルの構成要素であるトラ
ンジスタを形成し、その結果得られた層構造の上に第1
絶縁層を形成する第2工程と、前記トランジスタの各ド
レイン領域と連結されるようにビットラインを形成し、
その結果得られた層構造の上に第2絶縁層を形成する第
3工程と、スタック−トレンチ併合形キャパシタを具備
する1次メモリセルを形成するために所定部分のソース
領域を露出して第1開口を形成する第4工程と、前記第
1開口を適用して半導体基板にトレンチを形成する第5
工程と、前記トレンチ内面と第2絶縁層の上にキャパシ
タを形成し、その結果得られた層構造の上に第3絶縁層
を形成する第6工程と、前記1次メモリセルと行方向及
び列方向に隣合うトランジスタのソース領域を露出して
第2開口を形成する第7工程と、前記第2開口を通じて
スタック形キャパシタを形成する第8工程とを具備する
ことを特徴とする。
ある。
に、スタック−トレンチ併合形キャパシタ11,12,13を具
備するメモリセルM1,M3とスタック形キャパシタ20,21,2
2を具備するメモリセルM2が交互に隣合って配置される
ように形成される。そして、前記メモリセルにおいて、
第1及び第3メモリセルM1,M3のストレージ電極(キャ
パシタの第1電極)11は隣合う第2メモリセルM2の領域
に拡張され、第2メモリセルM2のストレージ電極20もや
はり前記第1及び第3メモリセルM1,M3の領域に拡張さ
れる。前記第1図の断面図に図示されたメモリセルアレ
イは行方向に隣合うメモリセルを示したが、列方向のア
レイも行方向のようにスタック−トレンチ併合形キャパ
シタを具備するメモリセルとスタック形キャパシタとを
具備するメモリセルが交互に隣合って配置される。
製造工程の一実施例を図示した工程順序図である。
イン5の形成工程を図示したもので、まず第1伝導形の
半導体基板100上に選択酸化法によるフィールド酸化膜1
01を成長させてアクティブ領域を限定する。このアクテ
ィブ領域上にゲート酸化膜を介してトランジスタのゲー
ト電極1になる不純物のドーピングされた第1多結晶シ
リコン層を形成し、同時に前記フィールド酸化膜101上
の所定部分に隣接するメモリセルのゲート電極と連結さ
れる第1導電層4、例えば不純物のドーピングされた第
1多結晶シリコン層を形成する。そして、前記ゲート電
極1の両側の半導体基板表面にイオン注入を通じてソー
ス領域2及びドレイン領域3を形成し、前述した構造の
全体表面上に500Å〜2000Å程度の第1絶縁層11、例え
ばHTO(High Temperature Oxide)膜あるいはLTO(Low
Temperature Oxide)膜を沈積する。その後、前記ドレ
イン領域3の一部分を露出してビットラインで使われる
金属層5を形成する。ここで、前記第2A図の断面図は第
1、第2及び第3メモリセルM1,M2,M3を含む。
示したもので、前記第2A図工程以後、500Å〜3000Å程
度の第2絶縁層12、例えばHTO膜を沈積する。そして、
この第2絶縁層の上にマスクパターンを適用して前記第
1及び第3メモリセルM1,M3のソース領域2を露出させ
る第1開口OP1を形成する。
る第2導電層11の形成工程を図示したもので、前記第1
開口を通じて半導体基板をエッチングすることによって
トレンチ10を形成し、このトレンチ10の内面と前記第2
絶縁層12上にキャパシタの第1電極で使われる200Å〜3
000Å程度の第2電極層11、例えば不純物のドーピング
された第2多結晶シリコン層を沈積して第2C図のような
電極パターンを形成する。ここで前記トレンチ10の深さ
は所望のキャパシタンス値によって0.5μm〜10μm程
度で調節できる。
れる第3導電層13の形成工程を図示したもので、前記第
2導電層11の上に誘電体膜12及びキャパシタの第2電極
で使われる500Å〜4000Å程度の第3導電層13を連続的
に形成してスタック−トレンチ併合形キャパシタを具備
した1次メモリセルM1,M3を完成する。この際、前記誘
電体膜12はHTO膜あるいはLTO膜のような酸化膜構造ある
いは酸化膜(Oxide)/窒化膜(Nitride)/酸化膜(Ox
ide)構造、すなわちONO構造あるいは窒化膜(Nitrid
e)/酸化膜(Oxide)構造、即ちNO構造である。ここで
前記スタック−トレンチ併合形キャパシタの代わりに電
荷がトレンチの外郭に蓄積されるアウトサイド(outsid
e)トレンチ形キャパシタを形成することもできる。
示したもので、前記第2D図工程以後500Å〜3000Å程度
の第3絶縁層13、例えばHTO膜を沈積した後、前記第2
メモリセルM2のソース領域2を露出させるために第2開
口OP2を形成する。ここで、前記第3絶縁層は500Å〜40
00Å程度のBPSG(Boro Phosphorus Silicate Glass)膜
を沈積した後リフロー(reflow)工程によって平坦化さ
せることによって形成しうる。
0、誘電体膜21及びキャパシタの第2電極で使われる第
5導電層22の形成工程を図示したので、まず前記第2E図
工程以後キャパシタの第1電極で使われる300Å〜4000
Å程度の第4導電層20、例えば不純物のドーピングされ
た第4多結晶シリコン層を沈積して第2F図のような電極
パターンを形成する。そして、前記第4導電層20の上に
誘電体膜21及びキャパシタの第2電極で使われる500Å
〜4000Å程度の第5導電層22を連続的に形成してスタッ
ク形キャパシタを具備した2次メモリセルM2を完成す
る。この際、前記誘電体膜21はHTO膜あるいはLTO膜のよ
うな酸化膜構造あるいはONO構造あるいはNO構造であ
る。
たもので、前記第2F図工程以後平坦化層30、例えばBPSG
膜を沈積して平坦化作業を行なった後、金属電極31を形
成することによって、スタック−トレンチ形キャパシタ
セルとスタック形キャパシタセルとを具備するDRAMを完
成する。
製造工程を図示した他の実施例の工程順序図である。
成工程を図示したもので、前記第2A図工程以後500Å〜3
000Å程度の第2絶縁層12、例えばHTO膜100Å〜5000Å
程度の窒化膜N及び500Å〜4000Å程度の第4絶縁層1
4、例えばHTO膜を順次に形成する。
第2導電層11及び中間平坦化層32の形成工程を図示した
もので、前記第4絶縁層14の上にマスクパターンを適用
して前記第1及び第3メモリセルM1,M3のソース領域2
を露出させる第1開口を形成する。そして、この第1開
口を通じて半導体基板をエッチングすることによってト
レンチ10を形成し、このトレンチ10の内面と前記第4絶
縁層14の上にキャパシタの第1電極で使われる200Å〜3
000Å程度の第2導電層11、例えば不純物のドーピング
された第2多結晶シリコン層を沈積して第3B図のような
電極パターンを形成する。それから中間平坦化層32、例
えばSOG(Spin On Glass)膜を沈積して平坦化させる。
この際、前記中間平坦化層32としてSOG膜とHTO膜の積層
膜あるいはHTO膜あるいはHTO膜とBPSG(Boro−Phosphor
us Silicate Glass)膜の積層膜を使うこともできる。
ここで、前記トレンチ10の深さは所望のキャパシタンス
値によって0.5〜10μm程度に調節できる。
第4導電層20の形成工程を図示したもので、前記中間平
坦化層32の形成後に前記第2メモリセルM2のソース領域
2を露出させる第2開口を形成し、この第2開口と前記
中間平坦化層32の上にキャパシタの第1電極で使われる
300Å〜4000Å程度の第4導電層20、例えば不純物のド
ーピングされた第4多結晶シリコン層を沈積して第3C図
のような電極パターンを形成する。
程を図示したもので、前記窒化膜Nを蝕刻防止層として
使って、前記第2導電層11と第4導電層20との間にある
第4絶縁層及び中間平坦化層を湿式蝕刻法で除去するこ
とによって各メモリセルの第1電極パターンの表面積を
増加させる。
る第6導電層34の形成工程を図示したもので、前記第3D
図工程以後前記第2導電層11と第4導電層20の上に誘電
体膜33を形成し、続いてキャパシタの第2電極で使われ
る500Å〜5000Å程度の第6導電層34、例えば不純物の
ドーピングされた第6多結晶シリコン層を沈積して1次
メモリセルM1,M3及び2次メモリセルM2を完成する。こ
の際、前記誘電体膜33はHTO膜あるいはLTO膜のような酸
化膜構造あるいはONO構造である。
平坦化作業を進行した後金属電極を形成することによっ
て、スタック−トレンチ形キャパシタセルとスタック形
キャパシタセルとを具備するDRAMを完成する。
造で1次キャパシタに当たるものとしてスタック−トレ
ンチ併合形(あるいはトレンチ形)キャパシタを使い、
2次キャパシタに当たるものとしてスタック形キャパシ
タを使うことによって、前記スタック−トレンチ併合形
(あるいはトレンチ形)キャパシタ形成の時2次キャパ
シタ、すなわち前記スタック形キャパシタ間の間隔を制
限されなく十分なキャパシタの有効面積を確保できる。
また、前記2次キャパシタ(スタック形キャパシタ)形
成の時、前記1次キャパシタ、すなわちスタック−トレ
ンチ併合形(あるいはトレンチ形)キャパシタが従来1
次キャパシタであるスタック形キャパシタより段差を大
幅に縮められるので工程を順調に進行させうる。
レンチ併合形(あるいはトレンチ形)キャパシタを具備
する1次メモリセルと前記スタック形キャパシタを具備
する2次メモリセルとを行方向及び列方向に隣合って配
置させることによって、前記トレンチを含むメモリセル
が交互に製造されるので前記トレンチを含むメモリセル
間の漏れ電流問題とα粒子によるソフトエラー問題を除
去することができるという長所がある。
で使われる導電層の下に占める酸化膜及び中間平坦化層
を蝕刻することによって、前記導電層の上部及び側面の
みならず底面までもキャパシタの第1電極で使うことに
なってキャパシタの有効面積を極大化させうる。従っ
て、半導体装置の高集積化によるキャパシタの容量減少
を構造的に改善できる。
製造工程の一実施例を図示した工程順序図。 第3A図ないし第3E図は本発明によるメモリセルアレイの
製造工程の他の実施例を図示した工程順序図。 100…半導体基板、101…フィールド酸化膜、1…ゲート
電極、2…ソース領域、3…ドレイン領域、4…第1導
電層あるいは第1多結晶シリコン層 5…金属層あるいはビットライン、11,12,13,14…第1,
第2、第3、第4絶縁層、N…窒化膜、OP1,OP2,…第
1、第2開口、M1…第1メモリセルあるいは1次メモリ
セル、M3…第3メモリセルあるいは1次メモリセル、10
…トレンチ、11…第1電極あるいは第2導電層あるいは
第2多結晶シリコン層、12…誘電体膜、13…第2電極あ
るいは第3導電層あるいは第3多結晶シリコン層、M2…
第1メモリセルあるいは2次メモリセル、20…第1電極
あるいは第4導電層あるいは第4多結晶シリコン層、21
…誘電体膜、22…第2電極あるいは第5導電層あるいは
第5多結晶シリコン層、30…平坦化層、31…金属電極、
32…中間平坦化層、33…誘電体膜、34…第2電極あるい
は第6導電層あるいは第6多結晶シリコン層。
Claims (18)
- 【請求項1】半導体基板に形成された一つのスイッチン
グトランジスタとこのスイッチングトランジスタ上に積
層された一つのスタック形キャパシタとを有する複数の
メモリセルを具備し、前記メモリセルの中第1メモリセ
ルの各スタック形のストレージ電極は左右に隣接する第
2メモリセルの領域まで拡張され、前記第2メモリセル
の各スタック形キャパシタのストレージ電極は前記第1
メモリセルの領域まで拡張されて、前記第1メモリセル
の拡張されたストレージ電極上に前記左右に隣接する第
2メモリセルの各拡張されたストレージ電極が部分的に
オーバラップされる構造を有する高集積半導体メモリ装
置において、 前記第1メモリセルの各キャパシタは前記スタック形キ
ャパシタと前記スイッチングトランジスタのソース領域
で前記半導体基板内に形成されるトレンチ形キャパシタ
とを具備することを特徴とする高集積半導体メモリ装
置。 - 【請求項2】前記第1メモリセルと第2メモリセルはそ
れぞれ行方向と列方向に交互に配置されることを特徴と
する請求項1記載の高集積半導体メモリ装置。 - 【請求項3】前記トレンチ形キャパシタはアウトサイド
トレンチ形とすることを特徴とする請求項2記載の高集
積半導体メモリ装置。 - 【請求項4】前記トレンチの深さは0.5〜10μm程度と
することを特徴とする請求項3記載の高集積半導体メモ
リ装置。 - 【請求項5】第1伝導形の半導体基板上にフィールド酸
化膜を成長させアクティブ領域を限定する第1工程; 前記アクティブ領域上にメモリセルの構成要素であるト
ランジスタを形成し、その結果得られた層構造の上に第
1絶縁層を形成する第2工程; 前記トランジスタの各ドレイン領域と連結されるように
ビットラインを形成し、その結果得られた層構造の上に
第2絶縁層を形成する第3工程; スタックートレンチ併合形キャパシタを具備する1次メ
モリセルを形成するために所定部分のソース領域を露出
して第1開口を形成する第4工程; 前記第1開口を適用して半導体基板にトレンチを形成す
る第5工程; 前記トレンチ内面と第2絶縁層の上にキャパシタを形成
し、その結果得られた層構造の上に第3絶縁層を形成す
る第6工程; 前記1次メモリセルの行方向と列方向に隣合うトランジ
スタのソース領域を露出して第2開口を形成する第2工
程;及び 前記第2開口を通じてスタック形キャパシタを形成する
第8工程を具備することを特徴とする高集積半導体メモ
リ装置の製造方法。 - 【請求項6】前記第3工程の第2絶縁層は前記ビットラ
イン形成以後第1酸化膜、窒化膜及び第2酸化膜を順次
に形成する工程を含むことを特徴とする請求項5記載の
高集積半導体メモリ装置の製造方法。 - 【請求項7】前記第6工程は前記トレンチ内面と第2酸
化膜の上にキャパシタの第1電極で使われる導電層を形
成し、その結果得られた層構造の上に中間平坦化層を沈
積してなることを特徴とする請求項5記載の高集積半導
体メモリ装置の製造方法。 - 【請求項8】前記第8工程は前記第2開口を通じてスタ
ック形キャパシタの第1電極で使われる導電層を形成し
てなることを特徴とする請求項7記載の高集積半導体メ
モリ装置の製造方法。 - 【請求項9】前記第1酸化膜及び第2酸化膜はHTO膜か
らなることを特徴とする請求項5記載の高集積半導体メ
モリ装置の製造方法。 - 【請求項10】前記中間平坦化層はSOG膜からなること
を特徴とする請求項7記載の高集積半導体メモリ装置の
製造方法。 - 【請求項11】前記中間平坦化層はSOG膜とHTO膜の積層
膜からなることを特徴とする請求項7記載の高集積半導
体メモリ装置の製造方法。 - 【請求項12】前記中間平坦化層はHTO膜とBPSG膜の積
層膜からなることを特徴とする請求項7記載の高集積半
導体メモリ装置の製造方法。 - 【請求項13】前記第8工程後に前記窒化膜の上にある
第2酸化膜及び中間平坦化層を除去する第9工程を含む
ことを特徴とする請求項7記載の高集積半導体メモリ装
置の製造方法。 - 【請求項14】前記第2酸化膜及び中間平坦化層は湿式
蝕刻法を通じて除去されることを特徴とする請求項13記
載の高集積半導体メモリ装置の製造方法。 - 【請求項15】前記第9工程以後露出されたすべての導
電層の上に誘導体膜を同時に形成することを特徴とする
請求項13記載の高集積半導体メモリ装置の製造方法。 - 【請求項16】前記誘導体膜は前記露出された導電層の
表面に沿って一番目の酸化膜を形成する工程と、この酸
化膜の上に窒化膜を形成する工程と、この窒化膜の上に
二番目の酸化膜を形成する工程とを通じて形成されるこ
とを特徴とする請求項15記載の高集積半導体メモリ装置
の製造方法。 - 【請求項17】前記第1、第2及び第3絶縁層はHTO膜
からなることを特徴とする請求項5記載の高集積半導体
メモリ装置の製造方法。 - 【請求項18】前記第6工程の第3絶縁層は1次メモリ
セルのキャパシタ形成後500Å〜4000Å程度のBPSG膜を
沈積してリフローさせることによって形成されることを
特徴とする請求項5記載の高集積半導体メモリ装置の製
造方法。
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