JPH10507592A - 縦型mosトランジスタを有する固定記憶装置の製造方法 - Google Patents

縦型mosトランジスタを有する固定記憶装置の製造方法

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JPH10507592A
JPH10507592A JP8513576A JP51357696A JPH10507592A JP H10507592 A JPH10507592 A JP H10507592A JP 8513576 A JP8513576 A JP 8513576A JP 51357696 A JP51357696 A JP 51357696A JP H10507592 A JPH10507592 A JP H10507592A
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

(57)【要約】 縦型MOSトランジスタを含む第1のメモリセル及び縦型MOSトランジスタを含まない第2のメモリセルを有する固定記憶装置を製造するために、第1のメモリセル用のソース(1)、チャネル(2)及びドレイン(11)に相応する積層を有するシリコン基板(1)内にゲート誘電体(14)及びゲート電極(15a)を設ける孔(3)をエッチングする。隣接するメモリセルを絶縁するために絶縁トレンチ(7)を形成し、、絶縁トレンチの間隔とその幅を好適には等しく形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 縦型MOSトランジスタを有する 固定記憶装置の製造方法 多くの電子システムにとってデータをディジタル形式で固定的に書込むメモリ が必要である。この種のメモリはとりわけ固定記憶装置、読取りメモリ又はリー ド・オンリー・メモリといわれる。 特に音楽をディジタル記憶するような大量のデータには読取りメモリとしてア ルミニウムで被覆されたプラスチックディスク、いわゆるコンパクト・ディスク が使用される。これらのディスクはその被覆内に論理値ゼロ及び1に割当てられ る2種の点状のくぼみを有している。情報はこれらのくぼみの配置内にディジタ ルに記憶される。 コンパクト・ディスクに記憶されたデータの読取りのためディスクは読取り装 置内で機械的に回転する。点状のくぼみはレーザ・ダイオード及び光電池を介し て走査される。その際典型的な走査速度は2×40kHzである。プラスチック ディスクには約4Gビットの情報を記憶することができる。 読取り装置は、機械的に摩耗し、比較的大容量を必要としかつ緩慢にデータア クセスできるに過ぎない可動部分を含んでいる。更に読取り装置は振動に敏感で あり、そのため可動システムに対しては制約下に使用できるに過ぎない。 比較的少量のデータを記憶するためには半導体、特にシリコンベースの固定記 憶装置がしばしば使用される。これらの記憶装置は多くはメモリセルとしてMO Sトランジスタを使用するプレーナ型集積シリコン回路として実現されている。 読出しの際に個々のメモリセルはワード線と接続されているMOSトランジスタ のゲート電極を介して選択される。各MOSトランジスタの入力端は参照線と、 また出力端はビット線と接続されている。電流がトランジスタを流れるか流れな いかは読出しプロセス中に評価される。相応して論理値ゼロ及び1が割当てられ る。 これらの固定記憶装置の場合技術的にゼロ及び1の記憶は、“トランジスタを 電流が流れない”状態に割当てられる論理値が記憶されるメモリセルにはMOS トランジスタを形成しないか又はビット線に対する導電接続を形成しないように して行われる。或はチャネル領域内に種々の注入により種々のカットオフ電圧を 有するMOSトランジスタを2つの論理値に対して形成することもできる。 これらの公知のシリコンメモリは大抵はプレーナ形の構造を有する。従って1 メモリセル当り約6〜8F2の最小所要面積を必要とし、その際Fは各技術分野 で最小に形成可能のパターン寸法である。従ってプレーナ型シリコン固定記憶装 置は1μm技術では約0.14ビット/μm2の記憶密度に制限される。 米国特許第5021355号明細書から縦型MOSトランジスタを有する固定 記憶装置が公知である。この固定記憶装置の製造にはnドープされた基板内にp ウェルを形成する。pウェルの表面にnドープされたドレイン領域を形成する。 縦型MOSトランジスタの形成にはpウェル内にまで達するトレンチをエッチン グする。注入によりトレンチの底部にnドープされた基板と境を接してもよいソ ース領域を形成する。トレンチの側面に沿ってチャネル領域が配設されている。 トレンチの表面にはゲート誘電体が備えられる。トレンチはゲート電極で満たさ れる。隣合うメモリセルは、ドレイン領域を切断しpウェル内にまで達する平坦 な絶縁領域により互いに絶縁されている。ゼロ及び1はこの装置では、論理値の 一方に対してトレンチをエッチングせず、トランジスタを形成しないようにして 区別される。 本発明の課題は、固定記憶装置の記憶密度を高め、高い歩留まりを保証する半 導体ベースの固定記憶装置の製造方法を提供することにある。 この課題は本発明により、請求項1に記載の方法により解決される。本発明の 他の実施態様は従属請求項に示されている。 本発明方法では第1のメモリセルと第2のメモリセルを含む固定記憶装置を製 造する。第1の論理値を記憶する第1のメモリセルは主面に対して垂直なMOS トランジスタにより実現される。第2の論理値を記憶する第2のメモリセルはM OSトランジスタを形成しないようにして実現される。 固定記憶装置の製造には第1の導電形によりドープされているシリコン基板内 に第1のドープ領域と第2のドープ領域を形成する。第1のドープ領域は第1の 導電形とは反対の第2の導電形によりドープされている。この第1のドープ領域 は全セルフィールドの上に広がっている。この領域は相応して広げられたウェル としても、連続した層としても基板全体の上に形成することができる。第2のド ープ領域は第1の導電形によりドープされており、基板の主面と接している。 ほぼ平行に延びる複数の絶縁トレンチを形成する。これらの絶縁トレンチは主 面に対して平行に条片状の断面を有し、全セルフィールド上に延びている。絶縁 トレンチは主面から第1の導電形によりドープされている基板内にまで達してい る。 第1のメモリセルを形成するために、主面から第1のドープ領域を通って第1 の導電形によりドープされている基板内に達する孔を開ける。孔の表面にはゲー ト誘電体及びゲート電極を備える。その際第2のドープ領域、第1のドープ領域 及び基板はドレイン、チャネル及びソースの役目をする。 第2のメモリセルの形成には相応する部位に孔をエッチングしない。 この第2のメモリセルを行及び列に配置すると有利である。それぞれ2つの列 間に1つずつ絶縁トレンチが配設される。絶縁トレンチに対して横方向に、ゲー ト電極と接続されているワード線が延びている。それぞれ隣合う絶縁トレンチ間 に絶縁トレンチに対して平行に延びている第2のドープ領域はビット線として使 用される。基板は動作電圧が印加される共通の線を表す。 半導体基板としては単結晶シリコンから成る基板を使用すると有利である。 縦型MOSトランジスタを形成するための孔はそれぞれ、これらの孔が絶縁ト レンチの1つと隣接する第2のドープ領域部分との界面をオーバーラップするよ うに配置すると有利である。それによりより高い実装密度を有する装置を形成す ることができる。 絶縁トレンチを隣接する絶縁トレンチとの間の間隔が絶縁トレンチの幅とほぼ 同じであるような間隔及び幅に形成すると特に有利である。同時に主面に対して 平行な断面を有し、その線形寸法がほぼ絶縁トレンチの幅と同じである孔を形成 する。これは、孔を例えば絶縁トレンチの幅に相当する側長の四角形又は絶縁ト レンチの幅に相当する直径の円形に形成することを意味する。その際孔の断面の 中心点は絶縁トレンチの中心に対してずらされて配置される。 この実施形態において絶縁トレンチの幅が使用される技術で製造可能の最小の パターン寸法Fに等しく形成されるならば、メモリセルの所要面積は4F2とな る。本発明のこの実施形態は、最小に形成可能のパターン寸法Fよりも調整精度 が常に優っていることを利用する。1μm技術ではそれにより4μm2の面積を 有するメモリセルを形成することができる。こうして0.25ビット/μm2の 記憶密度が達成される。従って本発明により製造される固定記憶装置は大量のデ ータを記憶するのに適している。またこの装置は、記憶された情報に対しランダ ムアクセスを可能にし、読出しに機械的駆動機構を必要とせず、また電力も少な くて済みまた可動システムにも使用することができるので、従来のコンパクト・ ディスクメモリの魅力的な代替物である。 4F2のメモリセルを有する記憶装置を製造する場合、絶縁トレンチの中心に 対して孔を絶縁トレンチの幅の約半分だげずらして配設すると、隣接するメモリ セル間の絶縁が最大となるので有利である。 記憶装置にセルフィールドを形成する際に同時に記憶装置を駆動するためのM OSトランジスタを基板の周辺領域に形成することは本発明の枠内にある。その 際周辺領域内のMOSトランジスタのゲート酸化物及びゲート電極はセルフィー ルド内にゲート酸化物及びゲート電極を形成するのと同じ処理工程で形成するこ とができる。 本発明を実施例及び図面に基づき以下に詳述する。 図1は第1のドープ領域を有する基板を示す。 図2は絶縁トレンチを形成した後の基板を示す。 図3は周辺用領域を覆うマスクを有する基板を示す。 図4は第2のドープ領域及びこの第2のドープ領域の表面に絶縁層を形成した 後の基板を示す。 図5は縦型MOSトランジスタ用の孔を開け、ゲート酸化物を形成した後の基 板を示す。 図6はドープされたポリシリコン層を形成した後の基板を示す。 図7はドープされたポリシリコン層からワード線をパターン化し、周辺領域に MOSトランジスタ用ゲート電極を形成し、周辺領域のMOSトランジスタ用の ソース/ドレイン領域を形成した後の基板を示す。 図8は本発明の方法により形成された記憶装置のセルフィールドの平面図を示 す。 例えば1×1019cm-3のドーパント濃度を有するnドープされた単結晶シリ コンから成る基板1上に第1のドープ領域2を形成する。この第1のドープ領域 2は例えば5×1016cm-3のドーパント濃度でpドープされる(図1参照)。 第1のドープ領域2は、例えばホウ素の全面的注入又はマスク注入により又はC VDエピタキシーによるその場でのpドープ層を成長させることにより形成され る。この第1のドープ領域2は主面3を含んでいる。第1のドープ領域2は主面 3に対して垂直に例えば0.5μm〜1μmの厚さを有する。 主面3上に施されているが分かり易くするために図示されていないトレンチマ スクの使用下に、トレンチ4を異方性乾式エッチング処理でエッチングする(図 2参照)。トレンチ4は後にセルフィールド5が形成される基板1の部分に条片 状に主面3に延びている。トレンチ4は例えば0.5〜1μmの深さを有する。 トレンチはnドープされた基板1内にまで達している。主面3に平行にトレンチ 4は最小パターン寸法F、例えば0.6μmの幅と例えば100μmの長さを有 する。セルフィールド5の範囲内には例えば16000個のトレンチが互いに並 列に配置されている。隣合うトレンチ4の間隔は同様に最小パターン寸法、例え ば0.6μmである。 更にセルフィールド5の外側の基板内に周辺領域を形成する。トレンチのエッ チングの際に周辺領域6の範囲に同様にトレンチ4aを形成し、このトレンチは 後に周辺領域6内に形成すべき回路部分を絶縁するために使用される。 引続きトレンチ4、4aを絶縁材で満たす。それには例えば900℃で熱酸化 を行い、その際SiO2層が約40nmの厚さで生じる。引続きTEOS法でほ ぼ同形のエッジ被覆を有する別のSiO2層を析出する。この別のSiO2層はト レンチ4、4aを完全に満たすような厚さに析出される。引続きこの別のSiO2 層及びSiO2をシリコンに対する選択的エッチング処理で、例えばCHF3、 CF4、Arで第1のドープ領域2の表面が露出されるまでバックエッチン グする。このようにしてトレンチ4、4aはSiO2から成るトレンチ絶縁物7 で満たされる。 引続き主面3上に全面的に薄いSiO2層8及びSi349を施す。SiO2層 8を例えば20nmの厚さにまたSi34層9を例えば100nmの厚さに形成 する。マスク10を例えばフォトレジストから形成する。マスクは周辺領域6は 覆うが、セルフィールドはマスク10により覆われないままである。エッチング マスクとしてマスク10を使用して異方性乾式エッチングプロセスで主面3のセ ルフィールド5の範囲を露出するようにしてSi34層9及びSiO2層8をパ ターン化する。 砒素を50keVの注入エネルギー及び5×1015cm-2の線量で注入するこ とにより、絶縁トレンチ7間に1021cm-3のドーパント濃度でn+ドープされ ているそれぞれ条片状の第2のドープ領域11を形成する。第2のドープ領域1 1の深さは主面に対して垂直にそれぞれ約0.2μmである(図3参照)。 マスク10を除去した後850℃で熱酸化を湿気雰囲気下に行う。その際第2 のドープ領域11の表面に自己調整的にSiO2から成る絶縁層12が形成され る。絶縁層12は約400nmの厚さを有する(図4参照)。 セルフィールド5内の平坦性を改善するために第2のドープ領域11を形成す るための注入前にSiO2に対し選択的に例えばHBr、Cl2、Heを使用して シリコンのエッチングを行う。その際セルフィールド内の第1のドープ領域2の 高さは後に形成される絶縁層12の約半分の厚さに削減される。絶縁層12を第 2のドープ領域11の表面に自己調整的に形成するための熱酸化の際にバックエ ッチングで形成された段が酸化の際の膨潤により相殺され、そのためセルフィー ルド内に平坦な表面が得られる。分かり易くするためにこの工程は個々には示し ていない。 絶縁層12の形成後周辺領域6内の窒化ケイ素層9及びSiO2層8を例えば CHF3、O2又はCHF3、CF4、Arで除去する。 周辺領域6は完全に覆うがセルフィールドでは孔の部位を画定するマスクを形 成する。引続き例えばArでの異方性エッチングプロセスで、それぞれ絶縁トレ ンチ7に接しそれらに一部重なる孔13をエッチングする。このエッチングプロ セスでセルフィールド5がプログラミングされる。孔13は主面3に平行に最小 パターン寸法F、例えば0.6μmの側長を有するほぼ正方形の断面を有する。 それぞれ隣接する絶縁トレンチの中心に対して孔13は1/2Fだけずらされて 配置される。その際今日の技術では調整精度が常に最小パターン寸法Fよりも優 っていることが利用される。孔13はnドープ基板1内にまで達している。孔は 例えば1μmの深さを有する。 マスクの除去後例えば750℃で熱酸化を行う。その際露出するシリコンの表 面にゲート酸化物14が形成される。その際ゲート酸化物14は、孔13の側面 及び底部を構成する露出シリコン表面にも、周辺領域6内の第1のドープ領域2 の露出表面にも形成される。異なるドーピングの故に第1のドープ領域2の表面 にある孔13内のゲート酸化物14は、基板1並びに第2のドープ領域11の表 面におけるよりも薄い厚さに成長する。ゲート酸化物14を第1のドープ領域2 の表面には例えば15nmの厚さに、基板1及び第2のドープ領域11の表面に は約30nmの厚さに形成する(図5参照)。 注入を例えばホウ素で実施する。その際注入エネルギーは例えば25kpVで あり、線量は例えば1×1012cm-2である。この注入により後に周辺領域6に 形成されるMOSトランジスタのカットオフ電圧が調整される。 引続き例えばドープされたポリシリコンから成る導電層15を全面的に析出す る。この導電層15は主として同形のエッジ被覆を備えるように析出される。導 電層15の厚さは孔13を完全に満たすように調節される。導電層15の析出は 例えばSiH4でのCVD法で行われ、その際燐がドーパントとしてプロセスガ スに混和される。この導電層15は例えば400nmの厚さに析出される(図6 参照)。 フォトレジストマスク(図示せず)を形成する。エッチングマスクとしてフォ トレジストマスクを使用して導電層15を例えばHBr、Cl2での異方性エッ チングプロセスでパターン化する(図7参照)。その際セルフィールド5の範囲 には導電層15からワード線15aを形成する。同時に周辺領域6にはMOSト ランジスタ用ゲート電極15bを形成する。 ワード線15aは絶縁トレンチ7に対し横方向に延びている。孔13内に配置 されているワード線15aの部分はそれぞれ基板1、第1のドープ領域2、第2 のドープ領域11及び各孔13の側面に配置されたゲート誘電体14から構成さ れるMOSトランジスタ用ゲート電極を形成する。これらの縦型MOSトランジ スタのゲート電極は製造過程でそれぞれワード線15aと接続される。 引続き周辺領域6に横型MOSトランジスタを形成するために、ワード線15 a並びにゲート電極15bの垂直側面のSiO2層の同形析出及び異方性エッチ ングによりSiO2スペーサ16を形成する。例えば50keVのエネルギー及 び5×1015の線量での砒素の注入により周辺領域6にソース/ドレイン領域1 7を形成する。周辺領域6のMOSトランジスタのソース/ドレイン領域17が ゲート電極15b及びワード線15aと同じ導電形によりドープされているため 、この注入は付加的なマスクなしで行うことができる。 周辺領域6内に横型MOSトランジスタを形成するためMOS技術から公知の LDDプロフィル、サリシド法及びそれと同類の他の処理工程を行ってもよい。 固定記憶装置を形成するために引続き例えばホウ素−燐−ケイ酸ガラスから成 る平坦化された中間酸化物層を全面的に析出し、そこに接触孔を開ける。接触孔 を例えばタングステンで満す。例えばアルミニウム層の析出及びパターン化によ り金属化面の形成が行われる。引続きパッシベーション層を施す。その際基板1 にも接触部を設ける。それらの標準的工程についてはここでは詳述しない。 本発明により製造される固定記憶装置ではnドープされた基板1はセルフィー ルド5内の縦型MOSトランジスタのソース領域と接続される共通の参照線とし て使用される。それぞれ隣合う絶縁トレンチ7間に配設されているpドープされ た第1のドープ領域2の条片状の部分は縦型MOSトランジスタ用チャネル領域 として使用される。それぞれ隣接する絶縁トレンチ7間に条片状に延びている第 2のドープ領域11がビット線として使用される。 図8は本発明により製造された固定記憶装置のセルフィールド5の平面図を示 す。固定記憶装置はセルフィールド5内に第1のメモリセル18並びに第2のメ モリセル19を含んでいる。第1のメモリセル18及び第2のメモリセル19の セルの大きさは図8では一点鎖線で記入されている。第1のメモリセル18には それぞれ第1の論理値が、また第2のメモリセル19には第2の論理値が記憶さ れる。第1の論理値は第1のメモリセル18に、第1のメモリセル18の範囲の 孔13のエッチング及びゲート酸化物14及びゲート電極15の形成によりその ゲート電極がワード線15aと接続されている縦型MOSトランジスタにより記 入される。 第2の論理値は第2のメモリセル19内に、第2のメモリセル19の範囲内に 孔をエッチングせず従って後の処理工程で縦型MOSトランジスタを形成しない ようにして記入される。従って第2のメモリセル19上に延びているワード線1 5aは第2のメモリセル19の範囲内では縦型のゲート電極と接続されていない 。従って第2のメモリセル19を相応するワード線15aを介して選択する際に 電流は相応するビット線11を介して流れない。 本発明による製造方法には7つのマスクが必要であり、その際セルフィールド 5と同時に周辺領域6内に横型のトランジスタが形成される。メモリセル18、 19の所要面積はこの実施例では4F2であり、その際Fは各リソグラフィで最 小に形成可能のパターン寸法である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レースナー、ウオルフガング ドイツ連邦共和国 デー−81739 ミユン ヘン ハインツエルメンヒエンシユトラー セ 2 (72)発明者 クラウチユナイダー、ウオルフガング ドイツ連邦共和国 デー−83104 オーバ ータン アム オーバーフエルト 50

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.半導体基板(1)の主面(3)に、第1の論理値を記憶し主面(3)に対し て垂直な少なくとも1つのMOSトランジスタを含む第1のメモリセル(18) と第2の論理値を記憶しMOSトランジスタを含んでいない第2のメモリセル( 19)とを有するセルフィールド(5)を形成し、 半導体基板(1)が第1の導電形によりドープされており、かつ第1の導電形 と反対の第2の導電形によりドープされセルフィールド(5)の範囲内で主面( 3)と接する第1のドープ領域(2)を備えており、 主面(3)から第1のドープ領域(2)を通って半導体基板(1)内にまで達 するほぼ並列して延びている複数の条片状の絶縁トレンチ(7)を形成し、 第1のドープ領域(2)よりも浅くかつ主面(3)と接している第1の導電形 によりドープされている第2の領域(11)を形成し、 縦型MOSトランジスタを形成するために主面(3)から第1のドープ領域( 2)を通って半導体基板(1)内にまで達しその表面にゲート誘電体(14)及 びゲート電極(15)を設けられている孔(13)を開ける 固定記憶装置の製造方法。 2.それぞれ縦型MOSトランジスタ形成用の孔(3)を絶縁トレンチ(7)の 1つと隣接する第2のドープ領域(11)の部分との界面をオーバーラップする ように開ける請求項1記載の方法。 3.絶縁トレンチ(7)を、隣接する絶縁トレンチ(7)間の間隔がほぼ絶縁ト レンチ(7)の幅と同じであるような間隔及び幅に形成し、 主面(3)に対して平行な断面を有する孔(13)を絶縁トレンチ(7)の幅 にほぼ等しい線形寸法に形成し、 孔(13)の断面の中心点を絶縁トレンチ(7)の中心に対してずらして配設 する 請求項2記載の方法。 4.孔(13)の断面の中心点を絶縁トレンチ(7)の中心に対して絶縁トレン チ(7)の幅の半分だけずらして配設する請求項3記載の方法。 5.絶縁トレンチ(7)を形成するためにトレンチマスクの使用下に異方性乾式 エッチングプロセスで絶縁材で満たされるトレンチ(4)をエッチングする請求 項1乃至4の1つに記載の方法。 6.セルフィールド(5)内の第2のドープ領域(11)の表面に絶縁層(12 )を備え、 孔(13)を孔マスクの使用下に異方性乾式エッチングプロセスによりエッチ ングし、 ゲート酸化物(14)を形成するために熱酸化を行い、 ゲート電極を形成するためにほぼ同形のエッジ被覆を有する導電層(15)を 全面的に析出し、孔(13)をほぼ満たし絶縁トレンチ(7)に対し横方向に延 びる条片状のワード線(15a)を形成する 請求項7記載の方法。 7.主面(3)上にSiO2及びSi34から成る二重層(8、9)を施し、 第2のドープ領域(11)を形成するための注入後この二重層(8、9)をセ ルフィールド(5)の範囲で除去し、 絶縁層(12)を第2のドープ領域(11)の表面に熱酸化により形成し、そ の際セルフィールド(5)の外側の表面の酸化を二重層(8、9)により回避、 二重層(8、9)を絶縁層(12)の形成後除去する 請求項6記載の方法。 8.二重層(8、9)を施す前にセルフィールド(5)の範囲内でSiO2に対 して選択的にシリコンを腐食エッチングする請求項7記載の方法。 9.ゲート酸化物(14)を形成するための熱酸化の際に同時にMOSトランジ スタ用のゲート酸化物層をセルフィールド(5)の外側の周辺領域(6)内に形 成し、 導電層(15)を、同時にMOSトランジスタ用のゲート電極(15b)が同 辺領域(6)内に形成されるようにパターン化する 請求項6乃至8の1つに記載の方法。 10.周辺領域(6)のMOSトランジスタのゲート電極(15b)の側面に側 面絶縁物(16)を備え、 注入によりMOSトランジスタ用のソース/ドレイン領域(17)を周辺領域 (6)に形成し、その際側面絶縁物(16)を備えたゲート電極(15b)をマ スクとして使用する 請求項9記載の方法。
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