JPH09199692A - 半導体メモリ素子のメモリセル構造及びその製造方法とラインパターニング方法 - Google Patents
半導体メモリ素子のメモリセル構造及びその製造方法とラインパターニング方法Info
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Abstract
ングを工夫して、キャパシタ面積の制限を緩和し、パタ
ーンの縮小又は歪曲の現象を低減して、256M級以上
の高集積度の半導体メモリ素子に適合できるよう、半導
体メモリ素子の集積度を高める。 【解決手段】矩形状のアクティブ領域aを形成し、アク
ティブ領域a上に設けたSiO2 酸化膜24上に、アク
ティブ領域aと平行に第2ビットライン部26を形成
し、第2ビットライン部26とアクティブ領域aの第1
拡散領域23aとを、第1ビットライン部26a及びコ
ンタクトホール25を介して接続する。ポリシリコン膜
33,35と誘電体膜34からなるキャパシタのポリシ
リコン膜33を、電極コンタクトホール32を介して第
2拡散領域23bに接続する。
Description
のメモリセル構造及びその製造方法に係るもので、詳し
くは、ホトリソグラフィにおける分解能(resolution)
の限界を克服し、メモリ素子の高集積化に適用し得る半
導体メモリ素子のメモリセル構造及びその製造方法に関
するものである。
Access Memory) 素子においては、図8に示したよう
に、シリコン基板1上の矩形状のアクティブ領域a内
に、ノード電極1a及びプレート電極1bを有したキャ
パシタが形成され、該キャパシタの上方側にビットライ
ンBLが形成されている。即ち、ビットラインBLの下
方にキャパシタが位置するキャパシタアンダービットラ
イン(Capacitor Under BitLine:以下、CUBと称
す)構造になっていた。図中、WLはワードラインを示
す。
ては、ビットラインの下方にキャパシタが形成されてい
るため、キャパシタの面積に制限が加えられ、高集積メ
モリ素子としてのキャパシタンスを得ようとすると、キ
ャパシタの段差(topology)が高くなって、ビットライ
ンのコンタクトホール(contact hole)の縦横比率(As
pect Ratio)が大きくなり、従って、コンタクトホール
に電導層を充填(filling)してラインを形成することが
難しくなるという欠点があった。
バービットライン(Capacitor OverBit Line : 以下、
COBと称す)構造の半導体メモリ素子が、米国特許第
5、140、389号明細書に開示されている。このも
のは、図9に示したように、基板1上にビットラインB
Lが形成され、該ビットラインBLの領域を含んだ基板
1上にノード電極1a及びプレート電極1bを有するキ
ャパシタが形成され、該キャパシタ下方のビットライン
BLとワードラインをクロスさせるためアクティブ領域
aが対角線状に形成されていた。そして、このような従
来のCOB構造の半導体メモリ素子の製造工程を説明す
ると、次のようであった。
体基板1上にホウ素(Boron)のイオンB+ を注入してP
ウェルを形成し、図10(B)に示したように該Pウェ
ルを基板1内にドライブーイン(drive-in) させた後、
基板1上にSiO2 酸化膜2を約100Åの厚さに形成
し、その後、低圧化学気相蒸着法(Low-pressure Chemi
cal Vapor Deposition : 以下、LPCVDと称す)を
施してSi3 N4 窒化膜3を約1400Åの厚さに蒸着
する。
記Si3 N4 窒化膜3上にフォトレジスト層4を形成し
てアクティブ領域aをパターニングし、基板1上にホウ
素イオンB+ を注入してフィールドチャネルストップ層
を形成する。次いで、図10(D)に示したように、前
記フォトレジスト層4を除去してフィールド酸化膜5を
形成した後、前記Si3 N4 窒化膜3を除去してゲート
酸化膜6を約100Åの厚さに成長させる。
記半導体基板1上に、ドーピングされたポリシリコンを
蒸着した後、該ポリシリコンをパターニングしてアクテ
ィブ領域a上にゲート電極7を形成し、燐イオンP+ を
注入して低濃度にドーピングされたドレイン(Lightly D
oped Drain : LDD) 領域形成用の低濃度ソース/ド
レイン領域を形成する。
導体基板1の全面に絶縁膜8を蒸着して、前記ゲート電
極7上にサイドウォールスペーサ(side wall spacer)
を形成し、前記基板1上に砒素(Arsenic)イオンAs+
を注入して、サイドウォールスペーサ領域を除いて高濃
度のn+ ソース/ドレイン領域を形成する。次いで、図
11(B)に示したように、半導体基板1の全面に絶縁
膜10をコーティングし、該半導体基板1のアクティブ
領域aの一部を露光してビットラインを接続するための
コンタクトホールを形成し、該コンタクトホールが充填
されるようにポリシリコン膜11、タングステンシリサ
イド(WSi2)膜12及び絶縁膜13を順次形成し、該絶
縁膜13をパターニングした後、該絶縁膜13をマスク
として前記ポリシリコン膜11及びタングステンシリサ
イド膜12にビットラインを形成する。
導体基板1の一部を露光してコンタクトホールを形成
し、該コンタクトホールを充填するため半導体基板1上
にポリシリコン膜14を蒸着しパターニングしてキャパ
シタのノード電極を形成する。次いで、図11(D)に
示したように、前記ノード電極の形成された半導体基板
1上に誘電体膜15を蒸着し、該誘電体膜15上にポリ
シリコン膜16を蒸着してキャパシタのプレート電極を
形成し、COB構造の半導体メモリ素子の製造を終了し
ていた。
来のCOB構造の半導体メモリ素子においては、アクテ
ィブ領域が対角線状に形成されているため、該アクティ
ブ領域を形成するとき、パターンの縮小又は歪曲の現象
が発生して正確なパターンの確保が難しくなり、パッキ
ング密度(packing density)が低下して、256M以上
のDRAMの高集積化には適用し得ないという不都合な
点があった。
度の半導体メモリ素子に適用可能な半導体メモリ素子の
メモリセル構造及びその製造方法を提供しようとするも
のである。
項1記載の半導体メモリ素子のメモリセル構造において
は、トランジスタ構成用の第1拡散領域及び第2拡散領
域を有した複数の矩形状アクティブ領域及び該アクティ
ブ領域側方に形成された素子分離領域を備えた半導体基
板と、該半導体基板上面に形成されトランジスタのゲー
ト電極の役割をする複数のワードラインと、該ワードラ
イン上に形成された第1絶縁膜と、前記第1拡散領域の
一部が露出するように前記第1絶縁膜の所定部位にエッ
チング形成されたコンタクトホールと、該コンタクトホ
ールを介して前記第1拡散領域に接続される第1ビット
ライン部及び該第1ビットライン部と接続し前記各ワー
ドラインに交差する第2ビットライン部からなり前記第
1絶縁膜上に形成される複数のビットラインと、該ビッ
トライン上に形成された第2絶縁膜と、前記第2拡散領
域の一部が露出するように前記第2絶縁膜の所定部位に
エッチング形成された電極コンタクトホールと、前記第
2絶縁膜上に形成され前記電極コンタクトホールを介し
て第2拡散領域と接続するキャパシタ下部電極層と、該
キャパシタ下部電極層上に形成されたキャパシタ誘電体
と、該キャパシタ誘電体上に形成されたキャパシタ上部
電極層とを備えて構成した。
第2拡散領域を有する矩形状のアクティブ領域が、素子
分離領域により素子分離され、第1及び第2拡散領域と
ゲート電極となるワードラインとでランジスタが構成さ
れるようになる。そして、このトランジスタ上に第1絶
縁膜を介して第1拡散領域とコンタクトホールを介して
電気的に接続するビットラインが設けられるようにな
る。更に、第2絶縁膜によりビットラインと絶縁されて
ビットラインの上方にキャパシタが設けられるようにな
る。
されメモリ素子の高集積化を図れるようになる。また、
アクティブ領域が矩形状であるので、対角線状に形成す
る場合に比べてパターン形状が簡単であり、パターンの
縮小又は歪曲等の現象を低減できるようになる。また、
本発明の請求項2記載の半導体メモリ素子のメモリセル
の製造方法においては、半導体基板上にトランジスタの
ゲート電極の役割をするワードラインと第1拡散領域及
び第2拡散領域とを夫々形成する段階と、前記半導体基
板上に第1絶縁膜を蒸着する段階と、前記第1拡散領域
の一部を露出させて前記第1絶縁膜にコンタクトホール
を形成し、前記第1絶縁膜の表面に電導層を蒸着して前
記コンタクトホールを充填する段階と、前記電導層上に
該電導層とは異なるエッチング選択比を有した第1ビッ
トライン部のパターンを形成するためのマスク層を形成
する段階と、前記電導層及びマスク層上に第2ビットラ
イン部のパターンを形成するためのフォトレジスト層を
一部が前記マスク層上に重なるように形成する段階と、
前記マスク層及びフォトレジスト層をマスクとし、前記
電導層の露出部分を除去する段階と、前記半導体基板上
の電導層上の前記マスク層及びフォトレジスト層を除去
する段階と、前記半導体基板上の全面に第2絶縁膜を形
成する段階と、前記半導体基板の前記第2拡散領域が露
出されるように電極コンタクトホールを形成する段階
と、前記半導体基板上にキャパシタのノード電極となる
下部電導層を蒸着して前記電極コンタクトホールを充填
させた後、キャパシタ誘電体とキャパシタのプレート電
極となる上部電導層とを順次蒸着する段階とを順次行う
ことを特徴とする。
スタのゲート電極の役割をするワードラインと第1拡散
領域及び第2拡散領域とを夫々形成し、前記半導体基板
上に第1絶縁膜を蒸着し、前記第1拡散領域の一部を露
出させて前記第1絶縁膜にコンタクトホールを形成した
後に、ビットライン形成用の電導層を蒸着して前記コン
タクトホールを充填する。その後、電導層とマスク層を
形成し、電導層及びマスク層に所定のパターニング処理
を行ってビットラインを形成する。次いで、半導体基板
上の全面に第2絶縁膜を形成し、電極コンタクトホール
を形成した後、キャパシタのノード電極となる下部電導
層、キャパシタ誘電体及びキャパシタのプレート電極と
なる上部電導層とを順次蒸着し、第2拡散領域と電気的
に接続するキャパシタを形成するようになる。
に、前記第1、第2絶縁膜は、シリコン酸化膜である。
また、請求項4記載のように、前記第1ビットライン部
のパターンは、前記第2ビットライン部及び前記コンタ
クトホールに連結するように下方向に垂直に形成され
る。
リシリコンと該ポリシリコン上に蒸着されたタングステ
ンシリサイドとにより形成される。かかる構成では、電
導層の電導性を向上でき、ビットラインの電導性が向上
する。請求項6記載の本発明に係る半導体メモリ素子の
メモリセルのラインをパターニングにおいては、半導体
基板上に第1任意層及び第2任意層を順次形成し、前記
第2任意層上に所定幅を有する第1フォトレジスト層を
パターニングし、該第1フォトレジスト層をマスクとし
て前記第2任意層をパターニングし、前記第1フォトレ
ジスト層を除去した後、前記第2任意層間に所定幅を有
する第2フォトレジスト層をパターニングし、該第2フ
ォトレジスト層をマスクとして前記第1任意層をパター
ニングし、前記第2任意層及び第2フォトレジスト層を
除去して製造することを特徴とする。
層及び第2任意層を順次形成した後、前記第2任意層上
に所定幅を有する第1フォトレジスト層をパターニング
し、該第1フォトレジスト層をマスクとして前記第2任
意層をパターニングする。次いで、前記第1フォトレジ
スト層を除去した後、前記第2任意層間に所定幅を有す
る第2フォトレジスト層をパターニングし、該第2フォ
トレジスト層をマスクとして前記第1任意層をパターニ
ングし、前記第2任意層及び第2フォトレジスト層を除
去して製造するようになる。
て、複数のビットライン部を同時にできるようになり、
しかも、ビットライン部におけるブリッジ等の発生が防
止できるので、露光技術の分解能の限界を向上でき、メ
モリ素子のメモリセルの集積度を高度化できるようにな
る。
て図面を用いて説明する。本発明に係る半導体メモリ素
子のメモリセルの構造においては、図1(A)、(B)
に示したように、半導体基板21上に、図中左右方向に
長い矩形状をした複数のアクティブ領域aが、図中左右
及び上下方向に所定の間隔を設けて形成され、図中上下
方向のアクティブ領域a間に、アクティブ領域aに平行
に複数の第2ビットライン部26が一様に形成される。
これら第2ビットライン部26と当該第2ビットライン
部26に隣接する前記各アクティブ領域aの中央部と
は、第1ビットライン部26aによりコンタクトホール
25内を介して接続され、前記各第2ビットライン部2
6とアクティブ領域aとが夫々電気的に連結されて構成
される。第1ビットライン部26aと第2ビットライン
部26でビットラインを構成する。図中、符号iは素子
分離領域を示し、その他の符号については以下に説明す
る製造方法で詳しく説明する。
ルの製造方法においては、先ず、図2(A)に示したよ
うに、P形シリコン基板21上に、トランジスタのゲー
ト電極の役割をするワードライン22を形成すると共
に、前記アクティブ領域aに第1及び第2拡散領域23
a、23bで構成されるソース/ドレイン拡散領域23
を形成する。
板21上にCVD法により第1絶縁膜としてのSiO2
酸化膜24を約4000Åの厚さに蒸着する。次いで、
図2(C)に示したように、ホトエッチングを施して第
1拡散領域23aの一部が露出するよう前記SiO2 酸
化膜24の所定領域を除去し、後述のビットラインとア
クティブ領域aのソース/ドレイン拡散領域23の第1
拡散領域23aとを接続するコンタクトホール25を形
成する。
コンタクトホール25を含んだ基板21のSiO2 酸化
膜24上に、n形にドーピングされたポリシリコン層2
6をLPCVD法により約4000Åの厚さに形成し、
前記コンタクトホール25を充填する。その後、ビット
ラインの電導性を向上させるため、前記ポリシリコン膜
26上にCVD法によりタングステンシリサイド膜27
を約1000Åの厚さに形成し、更にプラズマシリコン
窒化膜(Si3 N4 )28を約500〜1000Åの厚
さに形成する。このプラズマシリコン窒化膜28は、後
述する第1ビットライン部のパターニング時にエッチン
グの際のマスク層の役割をする。このとき、プラズマシ
リコン窒化膜28の代わりにタングステンシリサイド膜
27とエッチング選択比の異なる他の物質を使用するこ
ともできる。前記ポリシリコン膜26とタングステンシ
リサイド膜27が電導層となる。
プラズマシリコン窒化膜28上にフォトレジスト層を形
成した後、第1ビットライン部のパターンを有するマス
クを用いて前記フォトレジスト層をパターニングして第
1ビットライン部のフォトレジスト層29を形成する。
次いで、図3(C)に示したように、第1ビットライン
部のフォトレジスト層29をマスクとし、露出されたプ
ラズマシリコン窒化膜28をエッチングした後、フォト
レジスト層29を除去する。
プラズマシリコン窒化膜28を含む基板21上にフォト
レジスト層30をコーティングする。その後、図4
(B)に示したように、該フォトレジスト層30を第2
ビットライン部のパターンを有するマスクに利用してパ
ターニングし、第2ビットライン部のフォトレジスト層
30’を形成すると、図中の符号bで示したように、第
2ビットライン部のフォトレジスト層30’が前記プラ
ズマシリコン窒化膜28上にオーバーラップ(overlap
)された状態に形成される。
プラズマシリコン窒化膜28及びフォトレジスト層3
0’をマスクとし、露出されたタングステンシリサイド
層27及びポリシリコンフィルム26を順次エッチング
して除去すると、ビットラインの製造が終了される。そ
の後、キャパシタを製造するが、該キャパシタの製造過
程は次のようである。
ラズマシリコン窒化膜28及び第2ビットラインのフォ
トレジスト層30’を除去した基板21上に、CVD法
により第2絶縁膜としてのSiO2 酸化膜31を300
0Åの厚さに形成する。次いで、図5(B)に示したよ
うに、第2拡散領域23bの一部が露出するようにSi
O2 酸化膜31の所定部位をエッチングして電極コンタ
クトホール32を形成する。
基板21上面にキャパシタのノード電極(下部電極層)
の役割をする電導性のポリシリコン膜33を蒸着し、前
記電極コンタクトホール32を充填する。その後、前記
ポリシリコン膜33をホトエッチングによりパターニン
グし、ポリシリコン膜33上に誘電体膜34とキャパシ
タのプレート電極(上部電極層)になるポリシリコン膜
35と、を順次形成して本発明に係る半導体メモリ素子
のメモリセルの製造を終了する。
素子のメモリセルのビットラインの製造過程を詳しく説
明する。即ち、図6(A)に示したように、各アクティ
ブ領域a上に、各第2ビットライン26を前記各アクテ
ィブ領域aに接続するための接続部となる第1ビットラ
イン部26aを形成する。
中、上下方向の各アクティブ領域a間に、前記各第1ビ
ットライン部26aに接続する第2ビットライン部26
を、図中、左右方向に夫々一様に形成する。すると、図
6(C)に示したように、基板21上の各アクティブ領
域aに、第1ビットライン部26aにより接続された複
数の第2ビットライン部26が形成される。この場合、
前記各ビットラインを形成するとき、同様なマスクを用
いて一度にパターニングすると、前記アクティブ領域a
に接続される第1ビットライン部により各第2ビットラ
イン間にブリッジ(bridge)が発生するため、現在の露
光技術(exposure technique) を用いると殆ど不可能で
ある。しかし、本発明の方法においては、このような従
来の露光技術では不可能な点を克服し、次のように異な
る複数のマスクを用いて、複数のビットラインを形成す
るものである。
基板21上に第1任意層36及び第2任意層37を順次
形成し、その後、図7(B)に示したように、前記第2
任意層37上に第1フォトレジスト層38をコーティン
グし、マスクを用いて所定幅を有する第1フォトレジス
ト層38をパターニングした後、図7(C)に示したよ
うに、第1フォトレジスト層38をマスクにして前記第
2任意層37をパターニングし、その後、第1フォトレ
ジスト層38を除去して第2フォトレジスト層39をコ
ーティングする。
第2フォトレジスト層39をマスクを用いて所定幅を有
するようパターニングして前記第2任意層37間に整列
(Align)させ、その後、図7(E)に示したように、そ
れら第2フォトレジスト層39及び第2任意層37をマ
スクとし、露出された第1任意層36部分をエッチング
して除去する。次いで、図7(F)に示したように各第
2任意層37及び第2フォトレジスト層39を夫々除去
する。これにより、ホトリソグラフィにおける分解能の
限界を屈服してビットラインを形成する。ここで、第1
任意層36が、電導層、即ち、ポリシリコン膜26及び
タングステンシリサイド膜27の部分に相当し、第2任
意層37がプラズマシリコン窒化膜28に相当する。ま
た、第1フォトレジスト層38は、フォトレジスト層2
9に、第2フォトレジスト層39は、フォトレジスト層
30′にそれぞれ相当する。
は、異なるマスクを用いて隣接するパターン間に整列さ
せる方法によって克服される。
来のCUB構造の半導体メモリ素子の製造時の課題であ
ったキャパシタ面積の制限問題を解決し半導体メモリ素
子の高集積度を図り得るという効果がある。且つ、アク
ティブ領域を矩形状に形成し得るため、従来の対角線形
状により発生したパターンの縮小及び歪曲現象を減少さ
せ、パッキング密度が向上するという効果がある。
を克服し隣接するパターンを相異なるマスクを利用して
順次パターニングするようになっているため、半導体メ
モリ素子のメモリセルの集積度を高度化し得る効果があ
る。
レイアウトを示した図面で(A)は平面図、(B)は
(A)図のA−A’線矢視断面図。
製造方法を示した工程図。
図。
図。
図。
の接続状態を示した説明図。
説明図。
半導体素子のメモリセルのレイアウトを示した図面で、
(A)は平面図、(B)は縦断面図。
半導体メモリ素子のメモリセルのレイアウトを示した図
面で、(A)は平面図、(B)は縦断面図。
方法を示した工程図。
工程図。
Claims (6)
- 【請求項1】トランジスタ構成用の第1拡散領域及び第
2拡散領域を有した複数の矩形状アクティブ領域及び該
アクティブ領域側方に形成された素子分離領域を備えた
半導体基板と、 該半導体基板上面に形成されトランジスタのゲート電極
の役割をする複数のワードラインと、 該ワードライン上に形成された第1絶縁膜と、 前記第1拡散領域の一部が露出するように前記第1絶縁
膜の所定部位にエッチング形成されたコンタクトホール
と、 該コンタクトホールを介して前記第1拡散領域に接続さ
れる第1ビットライン部及び該第1ビットライン部と接
続し前記各ワードラインに交差する第2ビットライン部
からなり前記第1絶縁膜上に形成される複数のビットラ
インと、 該ビットライン上に形成された第2絶縁膜と、 前記第2拡散領域の一部が露出するように前記第2絶縁
膜の所定部位にエッチング形成された電極コンタクトホ
ールと、 前記第2絶縁膜上に形成され前記電極コンタクトホール
を介して第2拡散領域と接続するキャパシタ下部電極層
と、 該キャパシタ下部電極層上に形成されたキャパシタ誘電
体と、 該キャパシタ誘電体上に形成されたキャパシタ上部電極
層と、 を備えて構成されたことを特徴とする半導体メモリ素子
のメモリセル構造。 - 【請求項2】半導体基板上にトランジスタのゲート電極
の役割をするワードラインと第1拡散領域及び第2拡散
領域とを夫々形成する段階と、 前記半導体基板上に第1絶縁膜を蒸着する段階と、 前記第1拡散領域の一部を露出させて前記第1絶縁膜に
コンタクトホールを形成し、前記第1絶縁膜の表面に電
導層を蒸着して前記コンタクトホールを充填する段階
と、 前記電導層上に該電導層とは異なるエッチング選択比を
有した第1ビットライン部のパターンを形成するための
マスク層を形成する段階と、 前記電導層及びマスク層上に第2ビットライン部のパタ
ーンを形成するためのフォトレジスト層を一部が前記マ
スク層上に重なるように形成する段階と、 前記マスク層及びフォトレジスト層をマスクとし、前記
電導層の露出部分を除去する段階と、 前記半導体基板上の電導層上の前記マスク層及びフォト
レジスト層を除去する段階と、 前記半導体基板上の全面に第2絶縁膜を形成する段階
と、 前記半導体基板の前記第2拡散領域が露出されるように
電極コンタクトホールを形成する段階と、 前記半導体基板上にキャパシタのノード電極となる下部
電導層を蒸着して前記電極コンタクトホールを充填させ
た後、キャパシタ誘電体とキャパシタのプレート電極と
なる上部電導層とを順次蒸着する段階と、を順次行うこ
とを特徴とする半導体メモリ素子のメモリセル製造方
法。 - 【請求項3】前記第1、第2絶縁膜は、シリコン酸化膜
であることを特徴とする請求項2記載の半導体メモリ素
子の製造方法。 - 【請求項4】前記第1ビットライン部のパターンは、前
記第2ビットライン部及び前記コンタクトホールに連結
するように下方向に垂直に形成されることを特徴とする
請求項2記載の半導体メモリ素子のメモリセル製造方
法。 - 【請求項5】前記電導層は、ポリシリコンと該ポリシリ
コン上に蒸着されたタングステンシリサイドとにより形
成されることを特徴とする請求項2記載の半導体メモリ
素子のメモリセル製造方法。 - 【請求項6】半導体基板上に第1任意層及び第2任意層
を順次形成し、前記第2任意層上に所定幅を有する第1
フォトレジスト層をパターニングし、該第1フォトレジ
スト層をマスクとして前記第2任意層をパターニング
し、前記第1フォトレジスト層を除去した後、前記第2
任意層間に所定幅を有する第2フォトレジスト層をパタ
ーニングし、該第2フォトレジスト層をマスクとして前
記第1任意層をパターニングし、前記第2任意層及び第
2フォトレジスト層を除去して製造することを特徴とす
る半導体メモリ素子のメモリセルのラインパターニング
方法。
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