KR950013903B1 - Dram cell manufacturing process - Google Patents
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Abstract
Description
제1a도 및 1b도는 본 발명에 의해 구성된 DRAM 셀구조 및 개략회로도를 각각 나타낸 단면도.1A and 1B are cross-sectional views each showing a DRAM cell structure and a schematic circuit diagram constructed according to the present invention.
제2a도 내지 제2o도는 본 발명에 의한 DRAM 셀을 제조하기 위한 방법을 설명하는 단면도.2A to 2O are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a DRAM cell according to the present invention.
본 발명은 반도체 메모리장치의 제조방법에 관한 것으로, 특히 셀 캐패시턴스증가와 셀내 평탄화 향상을 도모한 고집적 DRAM 셀의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor memory device, and more particularly, to a method of manufacturing a highly integrated DRAM cell that aims at increasing cell capacitance and improving planarization in a cell.
고밀도 DRAM 셀 제조방법에 있어서, 외부전하에 의한 데이타 에러를 최대한 줄이는 등의 이유로 인하여 메모리 셀의 집적도가 향상함에 따라 작은 면적의 셀내에 최대의 캐패시턴스를 얻어야 하며, 가능한한 셀내 단차를 줄여 후속공정에서 이루어지는 평탄화를 용이하게 하여 금속배선공정을 쉽게 할 수 있어야 한다.In the high density DRAM cell manufacturing method, the maximum capacitance in the small area of the cell should be obtained as the density of the memory cell is improved due to the reduction of data error due to external charge as much as possible. It should be easy to make the flattening is made to facilitate the metallization process.
이러한 취지에서 많은 종래의 연구(IEDM, pp328~331,1987 참조)는 판을 이용한 p+에피택시층(Epitaxy)을 하부 플레이트전극으로 사용하기 때문에, 이러한 방법으로 구성한 셀을 동작시킬 경우, 기판을 이용한 하부 플레이트전극은 액세스 트랜지스터(Access transistor)의 기판바이어스와 동시에 연결되어 언제나 같은 전위를 유지시키게 된다. 즉, 액세스 트랜지스터의 특성개선을 위해 수 볼트 정도의 음전압을 가하면 p+셀 플레이트에도 동일한 전압이 가해지게 되어 유전막의 신뢰성을 저하시키고 공핍층을 증가시켜 셀 캐패시턴스를 필연적으로 감소시키게 된다. 통상적으로 캐패시터의 플레이트전극에는 1/2Vcc를 가할 경우 유전막에 최소의 전장(Electric Field)이 작용하게 된다. 따라서 캐패시터의 상부 플레이트에는 1/2Vcc가 가해져야 하며, 이로 인하여 상부 플레이트전극과 하부 플레이트전극에 각각 다르게 전위가 작용하므로 안전한 셀동작을 위해서는 하부 유전막 및 상부 유전막을 두껍게 도포해야 하기 때문에 캐패시턴스가 감소되지 않을 수 없다. 또한 제 1 스토리지전극을 패터닝한 위치에 게이트전극을 형성시킬 경우 소오스 및 드레인영역 확산층 형성시 게이트전극과의 오버랩(Over lap)이 불안전하여 트랜지스터의 구동능력을 저하시킬 수 있다.In view of this, many conventional studies (see IEDM, pp328 ~ 331,1987) use a p + epitaxy layer using a plate as a lower plate electrode. The lower plate electrode used is simultaneously connected with the substrate bias of the access transistor to maintain the same potential at all times. In other words, when a negative voltage of several volts is applied to improve the characteristics of the access transistor, the same voltage is applied to the p + cell plate, thereby decreasing the reliability of the dielectric layer and increasing the depletion layer, thereby inevitably reducing the cell capacitance. In general, when 1/2 Vcc is applied to the plate electrode of the capacitor, a minimum electric field is applied to the dielectric film. Therefore, 1 / 2Vcc should be applied to the upper plate of the capacitor, and thus the potential is applied differently to the upper plate electrode and the lower plate electrode. Therefore, the capacitance is reduced because the lower dielectric layer and the upper dielectric layer must be thickly applied for safe cell operation. There is no way. In addition, when the gate electrode is formed at the patterned position of the first storage electrode, the overlap of the gate electrode may be unstable when the source and drain region diffusion layers are formed, thereby reducing the driving capability of the transistor.
따라서 본 발명의 목적은 상기 문제점을 개선하기 위해 삼중우물(Triple Well)과 자기정합(Self-Align)의 게이트전극을 이용한 고집적 DRAM 셀 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for fabricating a highly integrated DRAM cell using a triple well and a self-aligned gate electrode to improve the above problem.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, p형 기판에 n형 우물을 형성시키고 이 n형 우물에 다시 p형 우물을 형성시킨다. 즉 PNP형 우물(혹은 이와 반대로 NPN형 우물)을 형성하여 기판내에 형성되는 기판 캐패시터의 플레이트단자를 n형 우물에 형성시켜 액세스 트랜지스터의 기판인 p형 우물과 서로 분리시킨다. 이와 같은 방법에 의해 P형 우물에 액세스 트랜지스터의 특성 개선을 위한 백 바이어스(Back Bias)를 가하고, n형 우물에 제 2 패캐시터의 플레이트전극과 같은 1/2Vcc의 전위를 가함으로써 각각의 캐패시터 유전막에 최소의 전계가 작용하여 신뢰성을 개선시켜, 높은 전계에 대한 보상으로 캐패시터 유전막의 두께를 증가시킬 필요가 없이 캐패시터의 용량을 극대화시킬 수 있다.To achieve the object of the present invention, an n-type well is formed in a p-type substrate and a p-type well is formed again in this n-type well. That is, a PNP type well (or vice versa NPN well) is formed to form a plate terminal of a substrate capacitor formed in the substrate in the n type well to be separated from the p type well which is the substrate of the access transistor. In this manner, a back bias is applied to the P-type wells to improve the characteristics of the access transistor, and each capacitor is applied to the n-type wells by applying a potential of 1/2 Vcc equal to the plate electrode of the second capacitor. Minimal electric field acts on the dielectric film to improve reliability, thereby maximizing the capacitance of the capacitor without having to increase the thickness of the capacitor dielectric film as a compensation for the high electric field.
본 발명에 의하면 트랜치의 측벽에 게이트유전막보다 5배 이상 두꺼운 절연막을 형성시킴으로써 스토리지 전극에 의해 기생으로 발생하는 트랜지스터의 소오스전극으로부터 n형 우물내에 플레이트전극인 n+층의 누설전류를 방지할 수 있게 한다.According to the present invention, by forming an insulating film 5 times thicker than the gate dielectric film on the sidewall of the trench, it is possible to prevent leakage current of the n + layer, which is a plate electrode, in the n-type well from the source electrode of the transistor parasiticly generated by the storage electrode. do.
또한 스토리지전극과 상부 플레이트전극을 활성화영역(액세스 트랜지스터의 채널영역, 드레인영역, 그리고 소스영역의 일부)을 노출시킨 후, 게이트전극을 자기정합으로 소오스 및 드레인영역의 확산층으로 제공하여 액세스 트랜지스터를 형성시킴으로써 트랜지스터전극과의 오버랩을 안정하게 하여 트랜지스터의 구동능력을 극대화시킬 수 있다. 즉, 본 발명은 삼중우물과 트랜치셀을 이용한 이중플레이트 캐패시터를 형성함으로써 고집적 메모리셀에 있어서의 문제점이 되어 온 평탄화를 개선할 수 있으며, 동시에 캐패시턴스를 극대화시킬 수 있다.In addition, after exposing the storage electrode and the upper plate electrode to an activation region (a part of the channel region, the drain region, and the source region of the access transistor), the gate electrode is provided as a diffusion layer of the source and drain regions by self-alignment to form an access transistor. As a result, the overlap with the transistor electrode can be stabilized, thereby maximizing the driving capability of the transistor. That is, the present invention can improve the planarization which has been a problem in the highly integrated memory cell by forming a double plate capacitor using a triple well and a trench cell, and at the same time, can maximize the capacitance.
본 발명의 실시예로서 DRAM 셀을 제작하기 위한 방법은 첨부한 도면과 함께 하기와 같이 설명될 수 있다.A method for manufacturing a DRAM cell as an embodiment of the present invention can be described as follows with the accompanying drawings.
제1a도는 본 발명에 의해 구성된 DRAM 셀구조의 단면을 도시한 도면으로 트랜치 측벽에 게이트유전막보다 5배 이상의 두께를 가지는 산화막(19)을 형성시킴으로써 제 1 스토리지전극(25)에 의해 기생으로 발생하는 트랜지스터의 소오스(30)로부터 n형 우물(6)내 플레이트전극인 n+층(21)으로의 누설전류를 방지할 수 있음을 알 수 있다.FIG. 1A is a cross-sectional view of a DRAM cell structure constructed by the present invention, which is formed parasitic by the first storage electrode 25 by forming an oxide film 19 having a thickness of at least five times the gate dielectric film on the trench sidewalls. It can be seen that leakage current from the source 30 of the transistor to the n + layer 21 which is the plate electrode in the n-type well 6 can be prevented.
제1b도는 본 발명에 의한 DRAM 셀의 개략회로도이다. 도면에서 보는 바와 같이 하부 캐패시터(C1)는 액세스 트랜지스터의 기판 바이어스에 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.1B is a schematic circuit diagram of a DRAM cell according to the present invention. As shown in the figure, it can be seen that the lower capacitor C1 does not affect the substrate bias of the access transistor.
제2a도 내지 제2o도를 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하고자 한다.With reference to Figures 2a to 2o will be described a specific embodiment of the present invention.
제2a도는 제 1 도전형, 예컨데 p형 기판(1)위에 통상의 방법에 의하여 제 2 도전형, 즉 n형의 우물(3)을 형성하고 이 n형 우물(3)내부에 제 2 도전형, 즉 p형 우물(7)을 다시 형성하여 전체적으로 삼중우물구조를 형성하고 이어서 산화막(7) 및 실리콘질화막(9)를 차례로 증착한다. 이때, 상기 n형 우물 및 p형 우물은 통상의 공정에 의한 에피택셜층(Epitaxial layer)이나 이온주입확산층으로 형성된다. 이어서 전면에 사진식각공정을 통해 트랜치형 소자분리절연막을 형성시키기 위한 트랜치형성 및 붕소이온주입을 하는 공정을 도시한 도면이다.2a shows a second conductivity type, i.e., an n-type well 3, formed on a first conductivity type, for example a p-type substrate 1, by a conventional method, and inside the n-type well 3; That is, the p-type well 7 is formed again to form a triple well structure as a whole, and then the oxide film 7 and the silicon nitride film 9 are sequentially deposited. In this case, the n-type well and p-type well is formed of an epitaxial layer or an ion implantation diffusion layer by a conventional process. Next, a trench forming process and a boron ion implantation process are performed to form a trench type device isolation insulating layer through a photolithography process on a front surface thereof.
제2b도를 참조하면, 제2a도의 형성된 트랜치내에 트랜치형 소자분리절연막(11)을 형성시키고 상기 산화막 및 실리콘질화막을 식각한다.Referring to FIG. 2B, a trench type isolation layer 11 is formed in the formed trench of FIG. 2A and the oxide and silicon nitride layers are etched.
제2c도를 참조하면, 반도체기판 전면에 패드산화막(13)을 형성하고 다시 실리콘질화막(15)을 증착한 후, 사진식각공정을 통해 제 1 트랜치를 형성시킨다. 이때 제 1 트랜치의 깊이는 상기 p형 우물(5)의 깊이보다 깊게 형성하며 그 수준은 1~2㎛ 정도로 한다. 이어서 캐패시터의 스토리지전극에 의해 유도되는 소오스 확산층과 하부 캐패시터전극과의 누설전류방지를 위해 상기 제 1 트랜치 측면에 1017~1019#/㎤ 농도의 p+확산층(17)을 형성한다.Referring to FIG. 2C, after the pad oxide layer 13 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate and the silicon nitride layer 15 is deposited again, a first trench is formed through a photolithography process. At this time, the depth of the first trench is formed deeper than the depth of the p-type well (5) and the level is about 1 ~ 2㎛. Subsequently, a p + diffusion layer 17 having a concentration of 10 17 to 10 19 # / cm 3 is formed on the side of the first trench to prevent leakage current between the source diffusion layer and the lower capacitor electrode induced by the storage electrode of the capacitor.
제2d도를 참조하면, 상기 제 1 트랜치가 형성된 후 웨이퍼 전면에 900~1,000Å 정도의 측벽 스페이서용 산화막(19)을 증착한다.Referring to FIG. 2D, after the first trench is formed, an oxide film 19 for sidewall spacers of about 900 to 1,000 Å is deposited on the entire surface of the wafer.
제2e도를 참조하면, RIE에 의해 상기 제 1 트랜치 하부에 제 2 트랜치를 형성하는데 그 깊이는 반도체기판 표면으로부터 5㎛ 내지 8㎛로 한다. 이때, 상기 측벽 스페이서용 산화막(19)은 상기 RIE공정에 의해 식각되어 트랜치측벽에만 스페이서(19)로 남게 된다.Referring to FIG. 2E, a second trench is formed in the lower portion of the first trench by RIE, the depth of which is 5 탆 to 8 탆 from the surface of the semiconductor substrate. At this time, the oxide layer 19 for sidewall spacers is etched by the RIE process, leaving the spacers 19 only on the trench side walls.
제2f도를 참조하면, 상기 제 2 트랜치 형성후 하부 캐패시터의 플레이트전극 형성을 위해 제 2 트랜치 벽면에 n형 불순물을 1019~1020#/㎤의 농도로 도핑하여 n+확산전극층(21)을 n형 우물(3)내에 형성한다. 이어서 결과물 전면에 제 2 유전막(23), 예컨대 Ta2O5를 형성하고 그 위에 제 1 스토리지전극 형성을 위한 제 1 도전층(25) 예컨데, 다결정실리콘층을 형성한다.Referring to FIG. 2f, after forming the second trench, the n + dopant is doped on the wall of the second trench to form a plate electrode of the lower capacitor at a concentration of 10 19 to 10 20 # / cm 3 to form the n + diffusion electrode layer 21. Is formed in the n-type well 3. Subsequently, a second dielectric layer 23, for example, Ta 2 O 5, is formed on the entire surface of the resultant, and a first conductive layer 25 for forming a first storage electrode, for example, a polysilicon layer is formed thereon.
제2g도를 참조하면, 상기 제2f도의 결과물 전면에 포토레지스트(27)를 도포하고 에치백공정을 행하여 제 1 스토리지전극(25)을 형성한다.Referring to FIG. 2G, the first storage electrode 25 is formed by applying the photoresist 27 to the entire surface of the resultant of FIG. 2F and performing an etch back process.
제2h도를 참조하면, 소오스확산층(30)을 형성하기 위해 사진식각 공정을 통해 소오스확산층(30)이 될 영역과 트랜치영역을 노출시킨다. 이어서 노출된 영역을 통하여 n+이온주입을 행하여 n+확산층(30)을 형성한다.Referring to FIG. 2H, a region and a trench region to be the source diffusion layer 30 are exposed through a photolithography process to form the source diffusion layer 30. Subsequently, n + ion implantation is performed through the exposed region to form n + diffusion layer 30.
제2i도를 참조하면, 상기 포토레지스터(27,29)을 제거하고 결과물 전면에 제 2 스토리지전극 형성을 위한 제 2 도전층(31)을 차례로 형성한다. 이때, 제 2 스토리지전극 형성을 위한 제 2 도전층은 HSG(Hemi-Spherical Grain)으로 형성함으로써, 캐패시턴스를 극대화시킬 수 있다. 이때, 상기 제 1 도전층 및 상기 제 2 도전층의 두께는 캐패시터 면적 확보를 위해 상기 제 2 트랜치의 반지름보다 작도록 조절하여 형성한다.Referring to FIG. 2i, the photoresists 27 and 29 are removed and second conductive layers 31 for forming second storage electrodes are sequentially formed on the entire surface of the resultant. In this case, the second conductive layer for forming the second storage electrode may be formed of hemi-spherical grain (HSG), thereby maximizing capacitance. In this case, the thickness of the first conductive layer and the second conductive layer is adjusted to be smaller than the radius of the second trench to secure the capacitor area.
제2j도를 참조하면, 사진식각공정에 의해 트랜치영역과 활성화영역을 제외한 그 이외의 영역에 형성되어 있는 제 2 도전층 및 필드산화막(11)측에 형성된 트랜치 마스크용층인 질화막을 제거한다.Referring to FIG. 2J, the nitride film which is a trench mask layer formed on the side of the second conductive layer and the field oxide film 11 formed in the regions other than the trench region and the activation region is removed by a photolithography process.
제2k도를 참조하면, 상기 제2j도의 공정에서 사용된 포토레지스트(37)를 제거한 후, 상기 질화막(15)이 노출될 때까지 상기 제 2 도전층(31)을 폴리싱(Polishong)한 다음, 결과물 전면에 제 2 유전막(33), 예컨대 Ta2O5를 형성한다.Referring to FIG. 2k, after removing the photoresist 37 used in the process of FIG. 2j, polishing the second conductive layer 31 until the nitride film 15 is exposed. A second dielectric layer 33, for example Ta 2 O 5 , is formed on the entire surface of the resultant.
제2l도를 참조하면, 상기 제 2 유전막(33)상에 상부 플레이트전극 형성을 위한 제 3 도전층(35)으로서, 예컨대 다결정실리콘을 증착한다.Referring to FIG. 2L, polycrystalline silicon is deposited on the second dielectric layer 33 as a third conductive layer 35 for forming an upper plate electrode.
제2m도를 참조하면, 상기 결과물 전면에 폴리싱이나 에치백공정을 행하여 상기 질화막(15)를 식각저지(blocking)층으로 하여 제 3 도전층(35) 및 제 2 유전체막(33)을 제거하여 질화막(15)을 노출시킨다.Referring to FIG. 2M, the third conductive layer 35 and the second dielectric film 33 are removed by performing a polishing or etch back process on the entire surface of the resultant product to form the nitride film 15 as an etch blocking layer. The nitride film 15 is exposed.
제2n도를 참조하면, 상기 남아 있는 질화막(15)을 제거하여 자기정합적으로 상부 플레이트전극(35)을 형성한다.Referring to FIG. 2n, the remaining nitride film 15 is removed to form the upper plate electrode 35 in a self-aligned manner.
제2o도는 상기 트랜치영역 및 활성화영역까지 도시한 도면으로서, 상기 제2n도까지의 공정을 행한 다음 층간절연막(39) 및 비트선(41) 형성공정을 마친 것을 나타낸 것이다. 여기에서 참조부호 26은 게이트전극을 나타내는 것으로 제 1 스토리지전극(25) 형성공정시에 동시에 형성되며, 참조부호 32는 드레인영역으로 소오스확산층(30) 형성공정시에 동시에 형성된다.FIG. 2O is a view showing the trench region and the activation region, and shows that the process of forming the interlayer insulating film 39 and the bit line 41 is completed after the process of FIG. 2N is performed. Here, reference numeral 26 denotes a gate electrode and is formed at the same time during the first storage electrode 25 forming process, and reference numeral 32 is formed at the same time during the source diffusion layer 30 forming process as the drain region.
이상 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 이중 플레이트전극 구조의 DRAM 셀 제조방법에 있어서 삼중우물을 이용하여 하부 캐패시터전극층의 바이어스를 임의로 조절, 캐패시터용 유전박막에 최소의 전기장이 가해지도록 함으로써 디바이스의 신뢰성을 높일 수 있으며, 이중 플레이트전극을 이용함으로써 제 1 스토리지전극 및 제 2 스토리지전극의 하부와 상부 또는 측면 모두를 캐패시터로 사용할 수 있어 캐패시턴스가 증가됨과 동시에 고집적 DRAM 셀의 문제점인 토포그래피(Topography)를 획기적으로 개선할 수 있다.As described above, according to the present invention, in the method of manufacturing a DRAM cell having a double plate electrode structure, a triple well is used to arbitrarily adjust the bias of the lower capacitor electrode layer so that a minimum electric field is applied to the dielectric thin film for the capacitor. By using a double plate electrode, both the lower, upper, or side surfaces of the first storage electrode and the second storage electrode can be used as a capacitor, thereby increasing the capacitance and at the same time, topography, which is a problem of highly integrated DRAM cells. It can be greatly improved.
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