JP3620702B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、とくに半導体基板にトレンチ孔にキャパシタを形成する方法及びキャパシタの構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体装置において、DRAMなどに用いられる深いトレンチ孔を用いたキャパシタの形成にはリソグラフィ(Lithogrphy)の限界まで小さくした孔を形成し、これを深く掘ることにより高い容量のキャパシタを形成してきた。従来のキャパシタが形成された半導体基板を図13に示す。
半導体基板には、半導体装置を構成するトランジスタなどが形成されているが、この図では、トランジスタ部分は記載を省略し、キャパシタ部分のみを示す(図13(b))。半導体基板100は、例えば、シリコン半導体から構成されている。半導体基板100主面には第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜が積層されている。第1の絶縁膜は、シリコン窒化膜(SiN)101からなり、第2の絶縁膜は、TEOS膜102から構成されている。TEOS膜は、テトラエトキシシランのガスを用いて化学気相成長法により得られるシリコン酸化物からなる絶縁膜である。また、半導体基板100主面にはトレンチ孔103が形成されており、その側面には誘電体膜104が形成されている。そして、TEOS膜102の上及びトレンチ孔内部にはポリシリコンなどの半導体層105が形成されている。ここで、誘電体膜104を誘電体とし、半導体基板100及び半導体層105を第1及び第2の電極とするキャパシタが構成される。このキャパシタに半導体基板に形成されたMOSトランジスタを組み合わせて、例えば、DRAMのメモリ素子が形成される。
【0003】
次に、このキャパシタの形成方法を説明する。
まず、半導体基板100にマスク材料の下地材料として、膜厚5nmのシリコン酸化膜(SiO2 )(図示せず)を形成し、その上に膜厚220nmのシリコン窒化膜101を形成し、その上に膜厚700nmのTEOS膜102を積層させる。そして、これらの積層体をマスク材料として用いる。この下地材料に対して、TEOS膜102上にフォトレジスト106を塗布し、フォトレジスト106に周知のリソグラフィによりトレンチ孔パタ−ンを形成する(図12(a))。次に、このフォトレジスト106をエッチングマスクとしてTEOS膜102、シリコン窒化膜101、シリコン酸化膜のエッチングを行う。その後、フォトレジスト106の剥離を行い、これをシリコン半導体基板100に対するエッチングマスクとして用いる(図12(b))。したがって、この後の半導体基板エッチングで行われるRIE(Reactive Ion Etching)などの異方性エッチングは、このTEOS膜102をマスクとして用い、TEOSに対して選択比の取れるエッチング条件でエッチングを行うことにより、深いトレンチ孔を形成することが可能になる(図13(a))。このようにして形成したトレンチに対して、シリコン窒化物もしくはシリコン酸化物の薄膜を誘電体膜104として成長させ、さらにトレンチ孔103内に導電性材料であるポリシリコン膜105を堆積させることにより、キャパシタを形成する(図13(b))。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように半導体基板に形成されたトレンチ孔をキャパシタとして用いた場合、トレンチ内壁面に相当する部分の表面積によってキャパシタンス容量が決定される。したがって、キャパシタの容量を大きく確保しようとすると、トレンチ孔の深さを深くするか、もしくは、トレンチ孔の幅を大きくする必要がある。一方、半導体素子の微細化に伴ってトレンチ幅を大きく確保するには限界が出てきた。このためキャパシタンス容量の確保のためにはトレンチ孔を深くすることが避けられないことであった。
また、トレンチ孔を深くエッチングしようとすると、マスク材料であるTEOS膜の厚膜化にも限界があるため、限られた厚さのTEOS膜をなるべくエッチングしないようにしながら、しかも半導体基板のトレンチ孔を深くエッチングしなければならず、TEOS膜のエッチング速度に対するシリコンのエッチング速度を極めて大きく取れるようなエッチング条件での半導体基板のエッチングが必須であった。しかし、TEOS膜に対するシリコンの選択比を高く維持しつつ、しかも所望のエッチング形状を得るような条件を見いだすのは容易ではなく、必然的にエッチングの深さは限界があった。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、従来のエッチング技術を用いながらトレンチ孔に形成されたキャパシタの容量を大きくする半導体装置の製造方法を提供する。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板のトレンチ孔の底面に形成され、この底面から開口端に向かって形成された導電層からなるピラーと、トレンチ孔側壁及びピラー表面に形成された絶縁膜と、少なくとも前記トレンチ孔に埋め込まれた導電膜とを具備し、半導体基板及びピラーを第1の電極、絶縁膜を誘電体、導電膜を第2の電極とするキャパシタを形成することを特徴としている。ピラ−を用いてトレンチ孔内の側壁面積を大きく確保することが可能であるので大容量のキャパシタを形成することが容易である。
また、トレンチ孔内壁に沿って絶縁膜カラーを形成させた後、カラー内側にポリシリコンを堆積させ、その後にカラーを選択エッチングにより除去することにより、トレンチ孔内にピラ−を形成することを特徴としている。この方法によると、ピラーを自己整合的に形成することが可能になる。このため、余分なリソグラフィ工程を行うことなく容易にピラ−を形成することができる。
【0007】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板主面に所定の開口径を有する第1のトレンチ孔を形成する工程と、前記第1のトレンチ孔側壁上に絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板主面上及び前記側壁に絶縁膜が形成された第1のトレンチ孔内部に導電層を充填させる工程と、前記半導体基板主面上の導電層をエッチング除去して前記導電層を前記第1のトレンチ孔内部にのみ残す工程と、前記第1のトレンチ孔側壁に形成された絶縁膜をエッチング除去して、前記第1のトレンチ孔の底面に、この底面から開口端に向かって形成された前記導電層から構成された第1のピラーを形成する工程と、前記第1のピラー及びこの第1のピラーと対向する第1のトレンチ孔側壁を酸化させる工程と、前記第1のトレンチ孔の底面をエッチングして前記第1のトレンチ孔の下にこの第1のトレンチ孔と連続してなる第2のトレンチ孔を形成すると共に前記第1のピラーの下に、第1のトレンチ孔側壁に酸化により形成された酸化膜をマスクにして異方性エッチングを行うことにより、この第1のピラーと連続してなる第2のピラーを形成する工程とを具備していることを第1の特徴としている。
【0008】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板主面に所定の開口径を有する第1のトレンチ孔を形成する工程と、前記第1のトレンチ孔側壁上に絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板主面上及び前記側壁に絶縁膜が形成された第1のトレンチ孔内部に導電層を充填させる工程と、前記半導体基板主面上の導電層をエッチング除去して前記導電層を前記第1のトレンチ孔内部にのみ残す工程と、前記第1のトレンチ孔側壁に形成された絶縁膜をエッチング除去して、前記第1のトレンチ孔の底面に、この底面から開口端に向かって形成された前記導電層から構成された第1のピラーを形成する工程と、前記第1のピラー表面及びこの第1のピラーと対向する第1のトレンチ孔側壁を酸化させる工程と、前記第1のトレンチ孔の底面をエッチングして前記第1のトレンチ孔の下にこの第1のトレンチ孔と連続してなる第2のトレンチ孔を形成すると共に前記第1のピラーの下にこの第1のピラーと連続してなる第2のピラーを形成する工程と、前記第1及び第2のピラーを、前記第1のピラ−の表面に酸化により形成された酸化膜をマスクとして異方性エッチングを行うことにより、前記第1及び第2のピラ−内に第2のトレンチ孔を形成する工程を具備していることを第2の特徴としている。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
まず、図1乃至図3を参照して第1の実施例を説明する。
図1乃至図3は、キャパシタ形成工程を説明する半導体基板の断面図である。半導体基板には半導体装置を構成するトランジスタなどの半導体素子やキャパシタのような回路素子が形成されているが、この図では、トランジスタ部分は記載を省略し、キャパシタ部分を示す(図1(a))。半導体基板10は、例えば、シリコン半導体から構成されている。半導体基板10主面には下地層であるシリコン酸化膜(SiO2 )8を介して第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜が積層されている。第1の絶縁膜は、シリコン窒化膜(SiN)1からなり、第2の絶縁膜は、TEOS膜2から構成されている。また、半導体基板10主面にはトレンチ孔3が形成されている。トレンチ孔3内部には底面から開口端に向かってポリシリコンのピラー6が形成されている。トレンチ孔3の底面及び側面とピラー6表面には誘電体膜4が形成されている。そしてTEOS膜2の上及びトレンチ孔内部にはポリシリコンなどの導電層5が形成されている。ここで誘電体膜4を誘電体とし、半導体基板10とピラー6を第1の電極とし、導電層5を第2の電極とするキャパシタが構成される。このキャパシタに半導体基板のMOSトランジスタを組み合わせて、例えば、DRAMのメモリ素子が形成される。
【0010】
次に、この実施例のキャパシタ形成方法を説明する。
まず、半導体基板10にマスク材料の下地材料として、膜厚5nmのシリコン酸化膜(SiO2 )8を形成し、その上に膜厚200nmのシリコン窒化膜1を形成し、その上に膜厚700nmのTEOS膜2を積層させる。そして、これらの積層体をマスク材料として用いる。この下地材料に対して、TEOS膜2上にフォトレジスト(図示せず)を塗布し、フォトレジストに周知のリソグラフィによりトレンチ孔パタ−ンを形成する。次に、このフォトレジストをエッチングマスクとしてTEOS膜2、シリコン窒化膜1、シリコン酸化膜8のエッチングを行う。その後、フォトレジストを剥離し、これをシリコン半導体基板10に対するエッチングマスクとして用いる。したがって、この後の半導体基板エッチングで行われるRIEなどの異方性エッチングは、このTEOS膜2をマスクとして用い、TEOSに対して選択比の取れるエッチング条件でエッチングを行うことにより、深さ9μmのトレンチ孔3を形成する(図1(b))。トレンチ孔3を形成する異方性エッチングには、マグネトロンRIE装置を用い、エッチングガスとしてHBr、O2 、NF3 を用い、圧力100mTorrで処理を行う。トレンチ孔3は、孔断面が短径=0.2μm、長径=0.34μmの楕円形である。図3(b)は、半導体基板の平面図である。トレンチ孔3は、断面形状が楕円形であり、ピラー6もこれに合わせて断面形状が楕円形である。ピラー6とトレンチ孔3の側壁との距離は、約0.07μmになっている。
【0011】
このようにして形成したトレンチ孔3内にBSG(Boron Silicate Glass)膜7を20nm程度堆積させる(図1(c))。その後、BSG膜7をRIE(Reactive Ion Etching)などの異方性エッチングにより全面エッチバックを行い、トレンチ孔3底面に半導体基板10のシリコン面を露出させると共にトレンチ孔3側壁にBSG膜7のカラー(以下、カラーBSG膜という)7′を形成させる(図2(a))。次に、低圧CVD(Chemical Vapour Deposition)法により膜厚300nm程度のポリシリコン層5を堆積させて、トレンチ孔3内にこれを埋め込み(図2(b))、その後、半導体基板10表面より低い位置までポリシリコン層5をエッチバックしてピラー6を形成する(図2(c))。ポリシリコン層5のエッチバックには、ダウンフロ−タイプのドライエッチング装置を用い、ポリシリコン層の表面は、半導体基板のシリコン界面より50nm低くなるような高さに制御している。その後、カラーBSG膜7′をTEOS、シリコン窒化物、シリコン酸化物、シリコンに対して高選択にエッチングを行う。カラーBSG膜のエッチングは、気相HFによるエッチング方法を用いることによりTEOSに対しても高い選択比を維持しながら、BSGのみのエッチングを行うことができる。このエッチングによりトレンチ孔3内に導電性のピラー6が形成される(図3(a))。
【0012】
次に、ポリシリコンのピラ−6の表面及びトレンチ孔3の側壁にキャパシタ絶縁膜(誘電体)4であるシリコン窒化膜を成膜させ、キャパシタの対向電極となるポリシリコン膜9を堆積させてキャパシタを形成する。このキャパシタは、半導体基板10とピラー6を第1の電極とし、対向電極であるポリシリコン膜9を第2の電極とし、キャパシタ絶縁膜4を誘電体とする構成を有している。また、従来のトレンチ構造(図13(b))の場合と比較して約1.7倍の表面積を得ることができ、形成されるキャパシタの容量も表面積に比例して約1.7倍のキャパシタンス容量が得られる。
【0013】
次に、図4乃至図6を参照して第2の実施例を説明する。
図4乃至図6は、キャパシタ形成工程を説明する半導体基板の断面図である。半導体基板には、半導体装置を構成するトランジスタなどの半導体素子やキャパシタのような回路素子が形成されているが、この図ではトランジスタ部分は記載を省略し、キャパシタ部分を示す(図6(b))。半導体基板20は、例えば、シリコン半導体から構成されている。半導体基板20主面には下地層であるシリコン酸化膜(SiO2 )(図示せず)を介して第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜が積層されている。第1の絶縁膜は、シリコン窒化膜(SiN)21からなり、第2の絶縁膜は、TEOS膜22から構成されている。また、半導体基板20主面には上部のトレンチ孔23及び下部のトレンチ孔24が形成されている。トレンチ孔23、24内部には、トレンチ孔24底面からトレンチ孔23開口端に向かってポリシリコンのピラーが形成されている。トレンチ孔24には半導体基板20から形成された導電性のピラー26が配置され、トレンチ孔23にはシリコン酸化膜からなりピラー26につながる絶縁性のピラー26′が配置されている。また、トレンチ孔23の側壁にはシリコン酸化膜28が形成されている。
【0014】
このトレンチ構造にキャパシタ(図示せず)が形成される。すなわち、絶縁性のピラー26′を除去してからトレンチ孔24の底面及び側面とピラー26表面にシリコン酸化膜のキャパシタ絶縁膜(誘電体)を形成し、トレンチ孔23、24内部にはポリシリコンなどの導電層を形成してキャパシタが形成される。ここで、キャパシタは、キャパシタ絶縁膜を誘電体とし、半導体基板20とピラー26を第1の電極とし、導電層を第2の電極とするように構成されている。このキャパシタに半導体基板に形成されたMOSトランジスタを組み合わせて、例えば、DRAMのメモリ素子が形成される。
【0015】
次に、この実施例のキャパシタ形成方法を説明する。
まず、半導体基板20にマスク材料の下地材料として、膜厚5nmのシリコン酸化膜(SiO2 )(図示せず)を形成し、その上に膜厚200nmのシリコン窒化膜21を形成し、その上に膜厚700nmのTEOS膜22を積層させる。そして、これらの積層体をマスク材料として用いる。この下地材料に対して、TEOS膜22上にフォトレジスト(図示せず)を塗布し、フォトレジストに周知のリソグラフィによりトレンチ孔パタ−ンを形成する。次に、このフォトレジストをエッチングマスクとしてTEOS膜22、シリコン窒化膜21、シリコン酸化膜のエッチングを行う。その後、フォトレジストを剥離し、これをシリコン半導体基板20に対するエッチングマスクとして用いる。したがって、この後の半導体基板エッチングで行われるRIEなどの異方性エッチングは、このTEOS膜22をマスクとして用い、TEOSに対して選択比の取れるエッチング条件でエッチングを行うことにより、深さ2μmのトレンチ孔23を形成する(図4 (a))。トレンチ孔23を形成する異方性エッチングには、マグネトロンRIE装置を用い、エッチングガスとしてHBr、O2 、NF3 を用い、圧力100mTorrで処理を行う。
【0016】
トレンチ孔は、孔断面が短径=0.2μm、長径=0.34μmの楕円形である。このように形成されたトレンチ孔23内にBSG膜27を20nm程度堆積させる(図4(b))。その後、BSG膜27をRIEなどの異方性エッチングにより全面エッチバックを行い、トレンチ孔23底面に半導体基板20のシリコン面を露出させると共にトレンチ孔23側壁にBSG膜7のカラー(以下、カラーBSG膜という)7′を形成させる(図4(c))。次に、低圧CVD法により膜厚300nm程度のポリシリコン層25を堆積させて、トレンチ孔23内にこれを埋め込み(図5(a))、その後、半導体基板20表面より低い位置までポリシリコン層25をエッチバックしてピラー25′を形成させる(図5(b))。ポリシリコン層25のエッチバックにはダウンフロ−タイプのドライエッチング装置を用い、エッチングバックされたポリシリコン層の表面は、半導体基板20のシリコン界面より50nm低くなるような高さに制御している。その後、カラーBSG膜27′をTEOS、シリコン窒化物、シリコン酸化物、シリコンに対して高選択にエッチングを行う。カラーBSG膜のエッチングは、気相HFによるエッチング方法を用いることによりTEOSに対しても高い選択比を維持しながら、BSGのみのエッチングを行うことができる。
【0017】
このエッチングによりトレンチ孔23内に高さが1.8μmで短径が0.06μmの楕円形である導電性のピラー25′が形成される(図5(c))。
次に、熱酸化工程により、ポリシリコンのピラー25′全体を酸化して、絶縁性のピラー26′が形成されると共にトレンチ孔23の底面及び側壁にシリコン酸化膜28が形成される(図6(a))。その後、最初、シリコン酸化膜がエッチングされる条件(SiO2 =40nmエッチング相当)のエッチングを行い、続いて、TEOS、シリコン酸化膜に対して高選択に半導体基板のシリコンをエッチングできる条件でトレンチ孔のエッチングを行う。SiO2 =40nm相当のエッチングには、マグネトロンRIE装置を用い、HBr、NF3 ガスを用い、圧力100mTorrで2分間のエッチングを行う。また、TEOS,シリコン酸化膜に対して高選択にシリコンをエッチングする条件としては、マグネトロンRIE装置を用い、エッチングガスとして、HBr、O2 、NF3 を用い、圧力100mTorrにて6分間のエッチングを行った。
【0018】
これにより、半導体基板のシリコン界面からの深さが8μmのトレンチ孔24(トレンチ孔24の部分の深さは6μmである)が形成されると共にトレンチ孔24内にピラー26が形成される。
このようにして形成したトレンチ孔23、24内に、ピラ−トレンチに対して、キャパシタ絶縁膜(誘電体)である膜厚8nmのシリコン窒化膜を成膜してから、トレンチ孔23、24内にポリシリコン膜を埋め込むことにより、従来のトレンチ構造を用いた場合と比較して約1.5倍の表面積を持つキャパシタを得ることができる。
【0019】
次に、図7及び図8を参照して第3の実施例を説明する。
この実施例では、第2の実施例の上部ピラーがその全部を酸化されているのに対し、表面のみが酸化されることに特徴がある。
図7及び図8は、キャパシタ形成工程を説明する半導体基板の断面図である。半導体基板には、半導体装置を構成するトランジスタなどの半導体素子やキャパシタのような回路素子が形成されているが、この図では、トランジスタ部分は記載を省略し、キャパシタ部分を示す(図8(b))。半導体基板30は、例えば、シリコン半導体から構成されている。半導体基板30主面には下地層であるシリコン酸化膜(SiO2 )(図示せず)を介して第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜が積層されている。第1の絶縁膜は、シリコン窒化膜(SiN)31からなり、第2の絶縁膜は、TEOS膜32から構成されている。また、半導体基板30主面には上部のトレンチ孔33及び下部のトレンチ孔34が形成されている。トレンチ孔33、34内部には、トレンチ孔34底面からトレンチ孔33開口端に向かってポリシリコンのピラーが形成されている。トレンチ孔34には半導体基板30から形成された導電性のピラー36が配置され、トレンチ孔33にはシリコン酸化膜からなり、ピラー36につながる絶縁性のピラー37が配置されている。またトレンチ孔33の側壁にはシリコン酸化膜38が形成されている。ピラー36、37にはトレンチ孔39が形成されている。
【0020】
このトレンチ構造にキャパシタ(図示せず)が形成される。すなわち、絶縁性のピラー37を除去してからトレンチ孔34、39の底面及び側面とピラー36表面にシリコン酸化膜のキャパシタ絶縁膜(誘電体)を形成し、トレンチ孔33、34内部にはポリシリコンなどの導電層を形成してキャパシタが構成される。このキャパシタは、キャパシタ絶縁膜を誘電体とし、半導体基板30とピラー36を第1の電極とし、トレンチ孔33、34に埋め込まれた導電層を第2の電極とするように構成されている。このキャパシタに半導体基板に形成されたMOSトランジスタを組み合わせて、例えば、DRAMのメモリ素子が形成される。
【0021】
次に、この実施例のキャパシタ形成方法を説明する。
図7(a)に記載されたピラー33を形成する工程までは、第2の実施例と同じであるので、それまでの説明(図4及び図5(c)参照)を省略する。すなわち、図7(a)までの工程で、高さ1.8μmで短径が0.15μmの楕円形であるピラー35は、深さ2μmのトレンチ孔33内に形成される。トレンチ孔33は、孔断面が短径=0.2μm、長径=0.34μmの楕円形である。
次に、熱酸化工程により、トレンチ孔33の側壁及び底面とピラー35の表面を酸化して、トレンチ孔33の側壁及び底面上に膜厚20nmのシリコン酸化膜38及びピラー35表面に膜厚20nmのシリコン酸化膜37が形成される(図7(b))。その後、最初シリコン酸化膜がエッチングされる条件(SiO2 =25nmエッチング相当)のエッチングを行い(図8(a))、続いて、TEOS、シリコン酸化膜に対して高選択に半導体基板のシリコンをエッチングできる条件でトレンチ孔35のエッチングを行う。これにより、半導体基板30のシリコン界面からの深さが8μmのトレンチ孔34が形成されると共にピラー36、37内部にもトレンチ孔39が形成される(図8(b)参照)。
このようにして形成したトレンチ孔33、34内表面、ピラ−36、37表面トレンチ孔39の内壁に対してキャパシタ絶縁膜(誘電体)である膜厚6nmのシリコン窒化膜を成膜してから、トレンチ孔23、24内にポリシリコン膜を埋め込むことにより、従来のトレンチ構造を用いた場合と比較して約2.1倍の表面積を持つキャパシタを得ることができる。
【0022】
次に、図9乃至図11を参照して第4の実施例を説明する。
以上、第1乃至第3の実施例は、半導体基板に形成されたトレンチ構造のキャパシタを説明したが、これを用いる半導体装置には、例えば、DRAMがある。DRAMは、高ビット集積化のためにメモリセル当たりの構成素子数が少ない図9に示すような1トランジスタ型のセルを用いており、電荷を記憶するMOSキャパシタとその電荷を転送するMOSトランジスタのみで構成されているのが特徴である。
【0023】
図9は、DRAMメモリの回路図、図10は、DRAMメモリ素子が形成された半導体基板の断面図、図11は、メモリ素子パターン部分的に示す半導体基板の概略平面図である。半導体基板40、例えば、p型シリコン半導体基板には1メモリセル分のトランジスタ(Tr)及びキャパシタ(C)が形成されている。半導体基板40主面にはトレンチ孔47が形成されている。トレンチ孔47内部には、底面から開口端に向かってポリシリコンのピラー41が形成されている。そしてトレンチ孔47の底面及び側面とピラー41表面にはシリコン窒化膜の誘電体膜42が形成されている。そして、トレンチ孔の上部を除く側壁及び底面近傍の半導体基板内部には、n型不純物拡散領域44が形成されている。トレンチ孔47の上部側壁の開口端の一部を除いて基板との短絡を防ぐためにシリコン酸化膜(SiO2 )45が形成されている。そして、トレンチ孔47内部にはポリシリコン膜43、43′、43″が形成されている。このようなトレンチ構造において、ピラー41及びn型不純物拡散領域44が第1の電極とし、誘電体膜42を誘電体とし、ポリシリコン膜43、43′、43″を第2の電極とするキャパシタ(C)が構成される。
【0024】
一方、半導体基板40の主面にはMOSトランジスタ(Tr)が形成されている。すなわち、ソース/ドレイン領域であるn型不純物拡散領域46、46は、トレンチ孔47に近接して形成されている。また、ソース/ドレイン領域46、46間の上にゲート酸化膜48を介してポリシリコン膜などからなるゲート49が形成されている。ソース/ドレイン領域の一方はキャパシタ(C)の第2の電極と電気的に接続されている(第1の電極は接地されている)。このようなMOSトランジスタとキャパシタは、図9に示すメモリセルを構成している。
図11に示すように、半導体基板40には1メモリセル50が縦横に繰り返し形成され、セルアレイを構成している。メモリセル50のn型不純物拡散領域44は、隣接するメモリセルのn型不純物拡散領域44′と接合されている。
この実施例のキャパシタは、ピラーが形成されているので表面積が従来より広く、したがって、容量は従来より1.7倍も大きくなっている。
DRAMは、リフレッシュ動作の頻度、センス動作時の動作余裕確保及びアルファ線によるソフトエラー率低減のためにキャパシタンス容量は、メモリセルの微細化にかかわらず常に一定値以上の値を確保していく必要がある。この実施例のキャパシタは、従来より容量が大きくなっているので、DRAMに用いて最適である。
【0025】
なお、前記実施例では、半導体基板のトレンチ孔形成のための異方性エッチングとしてマグネトロンRIE装置を用いたが、誘導結合型RIE装置や、ECR−RIE装置あるいは単純な平行平板型のRIE装置など、各種のエッチング装置を用いることができ、マグネトロンRIE装置に限定されない。
また、前記実施例ではピラーとしてポリシリコンを用いたが、アモルファスシリコン等の半導体材料、炭化珪素(SiC)、シリサイド、カ−ボン等、各種の導電性材料など適宜目的に合わせて各種用いることができる。
また、前記実施例では、トレンチ孔側壁のカラー材料としてBSG、トレンチ孔のハ−ドマスク材料としてTEOSという組み合わせを用いたが、他の適宜な材料の組み合わせを用いてもよい。例えば、BSGの代わりに、気相HF処理においてTEOSに対して選択比を得ることのできる材料としてBPSG(Boron−doped Phospho−Silicate Glass)や、PSG(Phospho−Silicate Glass)、SOG(Spin On Glass) 等を用いることも可能である。
また、例えば、ハ−ドマスク材料として、TEOSの代わりに熱酸化膜やSiN膜などの材料を用いることも可能である。
【0026】
また、前記実施例では、トレンチ形成のためのハ−ドマスク材料としてTEOS/SiN/SiO2 の積層体を用いたが、目的に応じて各種の材料と膜構成、膜厚などを任意に選択することが可能である。例えば、TEOS単層膜もしくは熱酸化膜の単層膜を用いることもできる。
また、前記実施例ではトレンチエッチングのためのハ−ドマスク材料としてTEOSを用いたが、熱酸化膜などのBSGに対して選択比を得ることの可能なSiO2 系の材料を用いることもでき、SiN膜など他の材料を用いることも可能である。
また、上記実施例におけるピラ−の径、ピラ−を酸化する際の酸化量、トレンチ孔の深さなどの条件は、目的に応じて任意に選択可能である。
また、前記実施例では、垂直形状のトレンチ孔を形成したが、深いところで細くなった形状のトレンチ孔や逆に深いところで径が大きい形状のトレンチ孔、途中で太さを変化させたトレンチ孔などの任意の形状を選択可能である。
また、前記実施例では、キャパシタ形成のための技術としてピラー形成工程を用いたがキャパシタ形成以外の目的にも適用可能である。
【0027】
【発明の効果】
本発明は、以上の構成により、ピラー構造をトレンチキャパシタとして使用することでキャパシタの表面積を大きくすることができるのでキャパシタの外径寸法を大きくすることなくキャパシタンス容量を大きく確保することができる。また、トレンチ孔内にさらに小さな径のピラ−を自己整合的に形成することが可能であり、リソグラフィ工程の限界をさらに下回る構造を容易に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例の半導体装置及びその製造工程断面図。
【図2】第1の実施例の半導体装置の製造工程断面図。
【図3】第1の実施例の半導体装置の製造工程断面図及び平面図。
【図4】第2の実施例の半導体装置の製造工程断面図。
【図5】第2の実施例の半導体装置の製造工程断面図。
【図6】第2の実施例の半導体装置の製造工程断面図。
【図7】第3の実施例の半導体装置の製造工程断面図。
【図8】第3の実施例の半導体装置の製造工程断面図。
【図9】第4の実施例のDRAMメモリセルの回路図。
【図10】第4の実施例の半導体装置の断面図。
【図11】第4の実施例の半導体装置の平面図。
【図12】従来の装置の製造工程断面図。
【図13】従来の装置の製造工程断面図。
【符号の説明】
1、21、31、101・・・シリコン窒化膜、
2、22、32、102・・・TEOS膜、
3、23、24、33、34、39、47、103・・・トレンチ孔、
4、42、104・・・キャパシタ絶縁膜、
5、25、105・・・ポリシリコン層、
6、25′、26′、35、36、41・・・ピラー、
7、27・・・BSG膜、 7′、27′・・・カラーBSG膜、
8、28、38、45・・・シリコン酸化膜、
9、43、43′、43″、105・・・ポリシリコン膜、
10、20、30、40、100・・・半導体基板、
37・・・シリコン酸化膜(ピラー)、
44、44′・・・n型不純物拡散領域、
46・・・ソース/ドレイン領域(n型不純物拡散領域)、
48・・・ゲート酸化膜、 49・・・ゲート、 50・・・メモリセル。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a method of forming a capacitor in a trench hole in a semiconductor substrate and a capacitor structure.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a semiconductor device, a capacitor using a deep trench hole used in a DRAM or the like has been formed by forming a hole that has been reduced to the limit of lithography (lithography), and by deeply digging this hole, a capacitor having a high capacity has been formed. . FIG. 13 shows a semiconductor substrate on which a conventional capacitor is formed.
The semiconductor substrate is formed with a transistor or the like constituting the semiconductor device. In this figure, the transistor portion is not shown, and only the capacitor portion is shown (FIG. 13B). The
[0003]
Next, a method for forming this capacitor will be described.
First, a 5 nm-thickness silicon oxide film (SiO 2) is used as a base material for the mask material on the semiconductor substrate 100. 2 ) (Not shown) is formed, a 220 nm thick
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the trench hole formed in the semiconductor substrate in this way is used as a capacitor, the capacitance capacity is determined by the surface area of the portion corresponding to the inner wall surface of the trench. Therefore, in order to secure a large capacity of the capacitor, it is necessary to increase the depth of the trench hole or increase the width of the trench hole. On the other hand, with the miniaturization of semiconductor elements, there has been a limit to ensure a large trench width. For this reason, it is inevitable to deepen the trench hole in order to ensure the capacitance capacity.
Further, if the trench hole is to be etched deeply, there is a limit to increasing the thickness of the TEOS film, which is a mask material. Therefore, the TEOS film having a limited thickness is not etched as much as possible, and the trench hole of the semiconductor substrate is used. Therefore, it is necessary to etch the semiconductor substrate under such etching conditions that the etching rate of silicon with respect to the etching rate of the TEOS film can be made extremely high. However, it is not easy to find a condition for obtaining a desired etching shape while maintaining a high selection ratio of silicon to the TEOS film, and the etching depth is inevitably limited.
The present invention has been made under such circumstances, and provides a method for manufacturing a semiconductor device in which the capacitance of a capacitor formed in a trench hole is increased using a conventional etching technique.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a pillar formed of a conductive layer formed on a bottom surface of a trench hole of a semiconductor substrate and formed from the bottom surface toward an opening end, an insulating film formed on a trench hole side wall and a pillar surface, and at least the trench. And a capacitor having a semiconductor substrate and pillar as a first electrode, an insulating film as a dielectric, and a conductive film as a second electrode. Since it is possible to secure a large side wall area in the trench hole using a pillar, it is easy to form a large-capacity capacitor.
In addition, after forming an insulating film collar along the inner wall of the trench hole, polysilicon is deposited inside the collar, and then the collar is removed by selective etching, thereby forming a pillar in the trench hole. It is said. According to this method, the pillars can be formed in a self-aligning manner. Therefore, a pillar can be easily formed without performing an extra lithography process.
[0007]
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first trench hole having a predetermined opening diameter on a main surface of a semiconductor substrate, a step of forming an insulating film on a side wall of the first trench hole, Filling a conductive layer into a first trench hole in which an insulating film is formed on the main surface of the semiconductor substrate and on the side wall; and removing the conductive layer on the main surface of the semiconductor substrate by etching to remove the conductive layer from the first trench hole. The step of leaving only inside one trench hole and the insulating film formed on the side wall of the first trench hole are removed by etching to form the bottom surface of the first trench hole from the bottom surface toward the opening end. Forming a first pillar composed of the conductive layer, oxidizing the first pillar and a sidewall of the first trench hole facing the first pillar, and the first trench hole. Etching the bottom of Forming a second trench hole continuous with the first trench hole under the first trench hole and forming the second trench hole by oxidation on the side wall of the first trench hole under the first pillar. The first feature is that a step of forming a second pillar continuous with the first pillar by performing anisotropic etching using the oxide film as a mask is provided.
[0008]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, the step of forming a first trench hole having a predetermined opening diameter on a main surface of a semiconductor substrate, and the step of forming an insulating film on a sidewall of the first trench hole. A step of filling a conductive layer in the first trench hole in which an insulating film is formed on the main surface of the semiconductor substrate and on the side wall; and etching the conductive layer on the main surface of the semiconductor substrate to remove the conductive layer. The step of leaving only the inside of the first trench hole and the insulating film formed on the side wall of the first trench hole are removed by etching so that the bottom surface of the first trench hole extends from the bottom surface toward the opening end. Forming a first pillar composed of the conductive layer formed, oxidizing the surface of the first pillar and the side wall of the first trench hole facing the first pillar, and the first The bottom of the trench hole A second trench hole is formed under the first trench hole to be continuous with the first trench hole, and the second pillar is continuous with the first pillar under the first pillar. Forming the second pillar, and anisotropically etching the first and second pillars using an oxide film formed by oxidation on the surface of the first pillar as a mask. A second feature is that it includes a step of forming a second trench hole in the first and second pillars.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a first embodiment will be described with reference to FIGS.
1 to 3 are sectional views of a semiconductor substrate for explaining a capacitor forming process. A semiconductor element such as a transistor constituting a semiconductor device or a circuit element such as a capacitor is formed on a semiconductor substrate. In this figure, the transistor part is omitted and the capacitor part is shown (FIG. 1A). ). The
[0010]
Next, the capacitor forming method of this embodiment will be described.
First, a 5 nm-thickness silicon oxide film (SiO 2) is used as a base material for the mask material on the semiconductor substrate 10. 2 ) 8 is formed, a
[0011]
A BSG (Boron Silicate Glass)
[0012]
Next, a silicon nitride film which is a capacitor insulating film (dielectric) 4 is formed on the surface of the
[0013]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS.
4 to 6 are sectional views of the semiconductor substrate for explaining the capacitor forming process. A semiconductor element such as a transistor or a circuit element such as a capacitor constituting a semiconductor device is formed on the semiconductor substrate. In this figure, the transistor part is omitted and the capacitor part is shown (FIG. 6B). ). The
[0014]
A capacitor (not shown) is formed in this trench structure. That is, after removing the insulating
[0015]
Next, the capacitor forming method of this embodiment will be described.
First, a 5 nm-thickness silicon oxide film (SiO 2) is used as a base material for the mask material on the
[0016]
The trench hole has an elliptical cross section with a minor axis = 0.2 μm and a major axis = 0.34 μm. A
[0017]
By this etching, an elliptical
Next, the
[0018]
As a result, a
In the trench holes 23 and 24 thus formed, a silicon nitride film having a film thickness of 8 nm, which is a capacitor insulating film (dielectric), is formed on the pillar trench, and then the trench holes 23 and 24 are formed. By embedding a polysilicon film, a capacitor having a surface area about 1.5 times that of the conventional trench structure can be obtained.
[0019]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS.
This embodiment is characterized in that only the surface is oxidized while the upper pillar of the second embodiment is entirely oxidized.
7 and 8 are cross-sectional views of the semiconductor substrate for explaining the capacitor forming step. A semiconductor element such as a transistor and a circuit element such as a capacitor which form a semiconductor device are formed on the semiconductor substrate. In this figure, the transistor portion is omitted and the capacitor portion is shown (FIG. 8B). )). The
[0020]
A capacitor (not shown) is formed in this trench structure. That is, after the insulating
[0021]
Next, the capacitor forming method of this embodiment will be described.
Since the process up to the step of forming the
Next, the sidewall and bottom surface of the
After a 6-nm-thick silicon nitride film, which is a capacitor insulating film (dielectric), is formed on the inner surfaces of the trench holes 33 and 34 and the inner walls of the
[0022]
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
In the first to third embodiments, the trench structure capacitor formed in the semiconductor substrate has been described. For example, a semiconductor device using the capacitor includes a DRAM. The DRAM uses a one-transistor type cell as shown in FIG. 9 in which the number of components per memory cell is small for high bit integration, and only a MOS capacitor for storing charge and a MOS transistor for transferring the charge are used. It is composed of
[0023]
FIG. 9 is a circuit diagram of a DRAM memory, FIG. 10 is a sectional view of a semiconductor substrate on which a DRAM memory element is formed, and FIG. 11 is a schematic plan view of the semiconductor substrate partially showing a memory element pattern. A transistor (Tr) and a capacitor (C) for one memory cell are formed on a
[0024]
On the other hand, a MOS transistor (Tr) is formed on the main surface of the
As shown in FIG. 11, one
The capacitor of this embodiment has a larger surface area than the conventional one because the pillar is formed. Therefore, the capacitance is 1.7 times larger than the conventional one.
DRAMs must always maintain a certain capacitance value above a certain value regardless of the memory cell miniaturization in order to ensure refresh operation frequency, allowance for sensing operation, and reduce soft error rate due to alpha rays. There is. Since the capacitor of this embodiment has a larger capacity than the conventional one, it is optimal for use in a DRAM.
[0025]
In the above embodiment, the magnetron RIE apparatus is used as anisotropic etching for forming trench holes in the semiconductor substrate. However, an inductively coupled RIE apparatus, an ECR-RIE apparatus, a simple parallel plate RIE apparatus, or the like is used. Various etching apparatuses can be used, and the present invention is not limited to the magnetron RIE apparatus.
In the above embodiment, polysilicon is used as the pillar. However, various conductive materials such as semiconductor materials such as amorphous silicon, silicon carbide (SiC), silicide, carbon, and the like can be used depending on the purpose. it can.
In the above embodiment, the combination of BSG is used as the collar material for the trench hole sidewalls and TEOS is used as the hard mask material for the trench holes. However, other suitable combinations of materials may be used. For example, instead of BSG, BPSG (Boron-Doped Phospho-Silicate Glass), PSG (Phospho-Silicate Glass), SOG (Spin On Glass) can be used as a material that can obtain a selection ratio with respect to TEOS in vapor phase HF treatment. ) Etc. can also be used.
Further, for example, as a hard mask material, a material such as a thermal oxide film or a SiN film can be used instead of TEOS.
[0026]
In the above embodiment, TEOS / SiN / SiO is used as a hard mask material for trench formation. 2 However, various materials, film configurations, film thicknesses, and the like can be arbitrarily selected according to the purpose. For example, a TEOS single-layer film or a single-layer film of a thermal oxide film can be used.
In the above embodiment, TEOS is used as a hard mask material for trench etching. However, it is possible to obtain a selection ratio with respect to BSG such as a thermal oxide film. 2 System materials can also be used, and other materials such as SiN films can also be used.
Further, conditions such as the diameter of the pillar, the amount of oxidation when oxidizing the pillar, and the depth of the trench hole in the above embodiment can be arbitrarily selected according to the purpose.
In the above embodiment, a vertical trench hole is formed. However, a trench hole that is narrow in the deep part, a trench hole that has a large diameter in the deep part, a trench hole whose thickness is changed in the middle, and the like. Any shape can be selected.
Moreover, in the said Example, although the pillar formation process was used as a technique for capacitor formation, it is applicable also for the objectives other than capacitor formation.
[0027]
【The invention's effect】
With the above configuration, the present invention can increase the surface area of the capacitor by using the pillar structure as a trench capacitor, so that a large capacitance capacity can be secured without increasing the outer diameter of the capacitor. Further, it is possible to form a smaller-diameter pillar in the trench hole in a self-aligned manner, and it is possible to easily form a structure that is lower than the limit of the lithography process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment and a manufacturing process thereof.
FIG. 2 is a sectional view of a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment.
3A and 3B are a manufacturing process cross-sectional view and a plan view of the semiconductor device of the first embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a semiconductor device according to a second embodiment.
FIG. 5 is a sectional view of a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a manufacturing process of the semiconductor device of the second embodiment.
7 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a semiconductor device according to a third embodiment; FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a semiconductor device according to a third embodiment.
FIG. 9 is a circuit diagram of a DRAM memory cell according to a fourth embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a fourth embodiment.
FIG. 11 is a plan view of a semiconductor device according to a fourth embodiment.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a conventional device.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a conventional device.
[Explanation of symbols]
1, 21, 31, 101... Silicon nitride film,
2, 22, 32, 102 ... TEOS film,
3, 23, 24, 33, 34, 39, 47, 103 ... trench holes,
4, 42, 104 ... capacitor insulating film,
5, 25, 105 ... polysilicon layer,
6, 25 ', 26', 35, 36, 41 ... pillar,
7, 27 ... BSG film, 7 ', 27' ... Color BSG film,
8, 28, 38, 45 ... silicon oxide film,
9, 43, 43 ', 43 ", 105 ... polysilicon film,
10, 20, 30, 40, 100 ... semiconductor substrate,
37 ... Silicon oxide film (pillar),
44, 44 '... n-type impurity diffusion region,
46: Source / drain region (n-type impurity diffusion region),
48 ... gate oxide film, 49 ... gate, 50 ... memory cell.
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