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JP5628471B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。
DRAM(Dynamic Random Access Memory)セルの微細化に伴い、セルアレイのアクセストランジスタ(以下、セルトランジスタ)の短チャネル効果を抑制するために溝ゲートトランジスタ(リセスチャンネルトランジスタ)が考案されている(例えば、非特許文献1参照)。
溝ゲートトランジスタ構造は、図5に示す半導体装置H1のように、一対の溝型素子分離領域102の間にトランジスタ構造が形成されている。
具体的には、P型のチャネルドープ層109を有する半導体基板101の表面に、ソース、ドレイン(SD)となるN型拡散層113が形成されている。また、半導体基板101及びN型拡散層113には溝106が形成されており、この溝106によってN型拡散層113のソース領域とドレイン領域とが分断されている。更に、溝106の内面には、ゲート絶縁膜107が形成されている。また、溝106にはゲート電極112が埋め込まれており、溝106の底部および底部近傍の側面にはチャネルドープ層109が形成されている。
ゲート電極112は、DOPOS膜108、タングステン膜110、ゲート窒化膜111で形成され、ゲート絶縁膜107を介して、DOPOS膜108の一部が溝106に埋め込まれている。このようにして、N型拡散層113のソース領域とドレイン領域との間に、ゲート絶縁膜107を介してゲート電極112が形成されている。
更に、ゲート電極112上には、層間絶縁膜115が形成され、N型拡散層113上には、ゲート側壁窒化膜114を介してゲート電極112,112間にセルコンタクトポリプラグ117が形成されている。
このように、溝106にゲート電極112が埋め込まれた構造とすることで、実効的なチャネル長を溝の深さによって制御することが可能になり、従来のプレナー型の半導体装置と比べて、より高い閾値電圧Vthを得ることが可能になっている。
また、このような溝ゲートトランジスタ構造を有する半導体装置の製造方法は、例えば特許文献1〜3に記載されている。
代表的なプロセスについて説明すると、図6(a)に示すように、P型の半導体基板101上にSTI(Shallow Trench Isolation)技術により素子分離領域102を形成する。その後、半導体基板101上にパッド酸化膜と窒化膜とフォトレジスト膜を形成し(図示せず)、ゲート電極112とほぼ同じ位置に開口するように、リソグラフィー法によりフォトレジストをパターニングした後、ドライエッチングを用いて窒化膜マスクを成形する。
そして、フォトレジストを除去した後、この窒化膜マスクをマスクにして半導体基板101をエッチングすることにより、溝106を形成する。その後、窒化膜マスク、及びパッド酸化膜を除去し、半導体基板101上および溝106の内面にゲート絶縁膜107を形成する。
続いて、半導体基板101の上および溝106の内部に、ゲート電極材としてDOPOS膜108を形成する。続いて、リソグラフィー法によりメモリセル領域のみを開口したフォトレジストのパターン(図示せず)を形成する。この状態で、DOPOS膜108越しでボロン(B)などの不純物をイオン注入し、溝106の底部付近にP型のチャネルドープ層109を形成する。
更に、図6(b)に示すように、タングステン膜110を通常のCVD法またはスパッタリング法により成膜する。続いて、低圧CVD法によりゲート窒化膜(SiN膜)111を成膜する。その後、リソグラフィー法により溝106と整合するようにフォトレジストを形成する(図示せず)。
次に、図6(c)に示すように、ドライエッチングによりゲート窒化膜111、タングステン膜110、DOPOS膜108を順次エッチングして、ゲート電極112を形成する。この状態で、メモリセル領域のみを開口したフォトレジストのパターンを形成し、セル部のみにドープされる様にリン(P)などの不純物を注入して、N型拡散層113を形成する。
次に、ゲート側壁窒化膜114を形成した後、層間絶縁膜115を形成する。続いて、リソグラフィー法とドライエッチングにより、ソース・ドレイン領域(N型拡散層113)を露出させるように層間絶縁膜115にコンタクト孔116を開口した後、DOPOS成膜とPolySiCMP技術によりセルコンタクトポリプラグ117を形成することにより、図5に示すような半導体装置H1が完成する。
特開平6−5798号公報 特開平8−78682号公報 特開平10−50992号公報 J.Y.KIM et al.,Symp.on VLSI Tech.,p11‐12,2003
以上説明したこの従来のプロセスでは、チャネルドープに不純物を注入する工程と、SD領域に不純物を注入する工程とにおいて、リソグラフィー工程を要する。この2つのリソグラフィー工程の製造コストは全体の約4%である。製造設備が非常に高価な半導体製造業界において、工程の削減はコスト低減のみならず製造工期の短縮にもなることから、これらリソグラフィー工程の削減は重要な課題となっている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、溝ゲート(リセスチャンネル)のセルトランジスタを有するDRAMにおいて、工程数を削減しながらも、トランジスタその他のデバイス特性を悪化することなく、所望の不純物プロファイルおよび所望のデバイス特性を得ることが可能な半導体装置の製造方法、及び該製造方法によって製造された半導体装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、ソース、ドレインとなる拡散層と閾値電圧制御のためのチャネルドープ層を、特別な目合わせ工程を追加することなく、セルフアライン(自己整合的)にドープすることにより、リソグラフィー工程を削減しながらも、所望の不純物プロファイルおよび所望のデバイス特性を得ることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は以下の構成からなる。
[1]本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板に溝を形成する工程と、
前記溝の内部にゲート絶縁膜を形成した後、前記溝にゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板および前記ゲート電極を覆うように絶縁膜を形成するとともに、前記ゲート電極の幅方向両側に位置する前記絶縁膜にセルコンタクト孔を形成する工程と、
前記セルコンタクト孔を介して、第1の不純物を前記半導体基板に注入し、前記ゲート電極の両側に前記第1の不純物を拡散させることによりソース・ドレイン拡散層を形成する工程と、
前記セルコンタクト孔を介して、第2の不純物を前記半導体基板に注入し、前記溝の底部および底部近傍の側面に前記第2の不純物を拡散させてチャネルドープ層を形成する工程と、を順に具備してなることを特徴とする。
[2]また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記チャネルドープ層の形成工程において、前記チャネルドープ層を少なくとも溝の底部と同じ深さに配置するとともに、前記セルコンタクト孔の開孔領域よりも、前記溝に向けて前記第2の不純物を拡散させて形成することが好ましい。
[3]また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記ソース・ドレイン拡散層の形成工程に先立って、前記ゲート電極の側壁に窒化膜を形成することが好ましい。
[4]また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記ソース・ドレイン拡散層の形成工程に先立って、前記ゲート電極の側壁に窒化膜を形成することが好ましい。
[5]また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記ソース・ドレイン拡散層を形成する工程において、前記第1の不純物として、リンをエネルギー量20KeV〜50KeV、ドーズ量1×1013cm‐2〜1×1014cm‐2の範囲でイオン注入することが好ましい。
[6]また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記チャネルドープ層を形成する工程において、前記第2の不純物として、ボロンをエネルギー量40KeV〜70KeV、ドーズ量1×1012cm‐2〜5×1013cm‐2の範囲でイオン注入することが好ましい。
[7]本発明の半導体装置は、前記[1]〜[6]の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板に溝を形成する工程と、前記溝の内部にゲート絶縁膜を形成した後、前記溝にゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板および前記ゲート電極を覆うように絶縁膜を形成するとともに、前記ゲート電極の幅方向両側に位置する前記絶縁膜にセルコンタクト孔を形成する工程と、前記セルコンタクト孔を介して、第1の不純物を前記半導体基板に注入し、前記ゲート電極の両側に前記第1の不純物を拡散させることによりソース・ドレイン拡散層を形成する工程と、前記セルコンタクト孔を介して、第2の不純物を前記半導体基板に注入し、前記溝の底部および底部近傍の側面に前記第2の不純物を拡散させてチャネルドープ層を形成する工程と、を順に具備してなることにより、チャネルドープ層およびソース・ドレイン拡散層形成時の不純物注入に際し、特別なリソグラフィー工程を用いずにセルコンタクト孔開口後にこれら不純物を注入しながらも、所望の不純物プロファイルおよび所望のデバイス特性が得られる。そのため、トランジスタその他のデバイス特性を悪化することなく、リソグラフィー工程を2工程削減でき、トータルとして製造コストを約4%削減可能となる。
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、前記チャネルドープ層の形成工程において、前記チャネルドープ層を少なくとも溝の底部と同じ深さに配置するとともに、前記セルコンタクト孔の開孔領域よりも、前記溝に向けて前記第2の不純物を拡散させて形成することにより、セルコンタクト孔の下方にのみ第2の不純物を注入しながらも、溝の底部および側壁近傍を覆うように横方向に広がりのあるチャネルドープ層を形成することができるため、得られるトランジスタの閾値電圧を調整することができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、本発明の半導体装置の製造方法は、前記ソース・ドレイン拡散層の形成工程に先立って、前記ゲート電極の側壁に窒化膜を形成することで、窒化膜によりゲート電極の側壁を保護しながら第1および第2の不純物を半導体基板に注入することができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、前記ソース・ドレイン拡散層の形成工程に先立って、前記ゲート電極の側壁に窒化膜を形成することで、層間絶縁膜によりゲート電極上方を保護しながら、第1および第2の不純物を半導体基板に注入することができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記ソース・ドレイン拡散層を形成する工程において、前記不純物として、リンをエネルギー量20KeV〜50KeV、ドーズ量1×1013cm‐2〜1×1014cm‐2の範囲でイオン注入することで、好適な領域に不純物を拡散させることができ、所望するソース・ドレイン拡散層を形成することができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、前記チャネルドープ層を形成する工程において、前記不純物として、ボロンをエネルギー量40KeV〜70KeV、ドーズ量1×1012cm‐2〜5×1013cm‐2の範囲でイオン注入することで、好適な領域に不純物を拡散させることができ、所望するチャネルドープ層を形成することができる。
以下、本発明の実施の形態である半導体装置の製造方法及び半導体装置について、図面を参照して説明する。尚、以下の説明において参照する図は、本実施形態の半導体装置の製造方法及び半導体装置を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体装置における各部の寸法関係とは異なる場合がある。
<半導体装置の製造方法>
図1〜図3に、本実施形態の半導体装置の製造方法を説明するための工程図を示す。図4は、本発明の実施形態である半導体装置の模式図であり、(a)は平面模式図、(b)は断面模式図を示す。
本実施形態の半導体装置の製造方法は、半導体基板に溝を形成する工程(溝形成工程)と、溝の内部にゲート絶縁膜を形成した後、溝にゲート電極を形成する工程(ゲート電極形成工程)と、半導体基板およびゲート電極を覆うように絶縁膜を形成するとともに、絶縁膜にセルコンタクト孔を形成する工程(コンタクト孔形成工程)と、溝の両側にソース・ドレイン(SD)拡散層を形成する工程(SD拡散層形成工程)と、溝の底部近傍にチャネルドープ層を形成する工程(チャネルドープ層形成工程)と、から概略構成されている。以下、各工程について順次説明する。
[溝形成工程]
図1(a)に示すように、P型の半導体基板1上にSTI(Shallow Trench Isolation)技術により、例えば深さ約300nmの素子分離領域2を形成する。その後、熱酸化により例えば約20nmのパッド酸化膜3を形成し、更にCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、Si窒化膜を約100nm堆積した後、フォトレジスト5を堆積させる。
この後、図4(a)に示すゲート電極12とほぼ同じ位置に開口するように、リソグラフィー法によりフォトレジスト5をパターニングした後、Si窒化膜にドライエッチングにより窒化膜マスク4を形成する。
続いて、図1(b)に示すように、フォトレジスト5を除去した後、窒化膜マスク4をマスクにして半導体基板1をエッチングし、例えば幅約90nm、深さ約150nmの溝(Siリセス部)6を形成する。
[ゲート電極形成工程]
次に、図1(c)に示すように、高温の燐酸を用いて窒化膜マスク4を除去した後、フッ酸(HF)を含む溶液で平面部に存在するパッド酸化膜3を除去する。この状態で、半導体基板1上にゲート絶縁膜7として、熱酸化法によりSi酸化膜を例えば約6nm形成する。
その後、図2(a)に示すように、ゲート電極材としてDOPOS膜(例えば、リン濃度:2e20cm‐3)を例えば約100nm成長し、ゲートDOPOS膜8を形成する。
続いて、図2(b)に示すように、タングステン膜10を通常のCVD法またはスパッタリング法により、例えば約50nm成膜する。その後、低圧CVD法によりゲート窒化シリコン膜(SiN膜)11を例えば約150nm成膜する。
更に、図2(c)に示すように、リソグラフィー法により溝6と整合するようにフォトレジスト(図示せず)を形成した後、ドライエッチングによりゲート窒化シリコン膜11、ゲートタングステン膜10、ゲートDOPOS膜8を順次エッチングすることにより、ゲート電極12を形成する。
次に、図3(a)に示すように、CVD法により例えば約40nmのシリコン窒化膜を成膜した後、ドライエッチングによりウェハ全面をエッチバックすることによりゲート側壁窒化膜14を形成する。
[コンタクト孔形成工程]
続いて、層間絶縁膜15(絶縁膜)として、例えばBPSG膜を約500nm成膜した後、例えば750℃〜900℃の窒素雰囲気中でアニールすることによってリフローした後、CMPプロセスにより平坦化する。
更に、リソグラフィー法とドライエッチングにより、図4(a)に示したセルアクティブ部Kにコンタクトを開口し、セルコンタクト孔16を形成する。セルコンタクト孔16は、ゲート電極12の幅方向両側に位置する層間絶縁膜15に形成する。
[SD拡散層形成工程]
次に、図3(b)に示すように、ウェハ全面に第1の不純物を注入して、ソース・ドレイン(SD)拡散層13を形成する。第1の不純物として、例えば、リンをエネルギー量20KeV〜50KeV、ドーズ量1×1013cm‐2〜1×1014cm‐2の範囲でイオン注入することが好ましい。
これにより、メモリセル内ではセルコンタクト孔16を通って第1の不純物がアクティブ部Kに注入され、セルコンタクト孔16の下方にSD拡散層13を形成することができる。
このとき、セルコンタクト孔16と溝ゲートとはゲート側壁窒化膜14により隔てられているが、イオン注入時の横方向への広がりがあるためオフセット構造とはならず、トランジスタ特性に遜色がないことは実デバイスで確認した。
また、セルコンタクト孔16はメモリセル内の所望の箇所にのみ開口されており、それ以外の領域は層間絶縁膜15にマスクされているため、リソグラフィー工程を追加することなく、セルフアラインで第1の不純物を注入することができる。
[チャネルドープ層形成工程]
次に、図3(c)に示すように、ウェハ全面に第2の不純物を注入して、チャネルドープ層9を形成する。第2の不純物としては、例えば、ボロンをエネルギー量40KeV〜70KeV、ドーズ量1×1012cm‐2〜5×1013cm‐2の範囲でイオン注入することが好ましい。
チャネルドープ層9は、溝6の底部6aおよび底部近傍の側面6bに形成する必要があるため、チャネルドープ層9を少なくとも溝6の底部6aと同じ深さに配置するとともに、セルコンタクト孔16の開孔領域よりも、溝6に向けて第2の不純物を拡散させて形成することが好ましい。
このとき第2の不純物が注入される箇所はセルコンタクト孔16の下方であるが、第2の不純物を高エネルギーで注入することにより、溝6の底部6aおよび底部近傍の側面6bを覆うように横方向に広がりのあるチャネルドープ層9を形成することができ、得られるトランジスタの閾値電圧を調整することができる。このことは、実デバイスにおいて所望の閾値電圧特性が得られることを確認した。
この後、セルコンタクトポリプラグ17を形成し、一般的な方法を用いてビット線やワード線などの各種配線や、セルキャパシタ、層間絶縁膜などを形成すればよい。このようにして、溝ゲートトランジスタをメモリセルのトランスファゲートトランジスタとして使用したDRAM(半導体装置)が完成する。
なお、ストレージノード部に不純物が注入される懸念点として、P型基板濃度増大による接合リーク増大が挙げられるが、こちらも上記の注入エネルギーの範囲において、PN接合から離れた(>50nm)領域、すなわち半導体基板1の表面よりも深い領域に、チャネルドープ層を構成する第2の不純物がドープされるため、DRAM特性に重要なリフレッシュ時間の悪化も生じないことを実デバイスで確認した。
以上説明したように、本実施形態である半導体装置の製造方法は、チャネルドープ層9およびソース・ドレイン拡散層13形成時の不純物注入に際し、特別なリソグラフィー工程を用いずにセルコンタクト孔16開口後にこれら不純物を注入しながらも、所望の不純物プロファイルおよび所望のデバイス特性が得られる。そのため、トランジスタその他のデバイス特性を悪化することなく、リソグラフィー工程を2工程削減でき、トータルとして製造コストを約4%削減可能となる。
<半導体装置>
図4には、上記の製造方法によって製造された半導体装置Hを示す。
図4(a)に示すように、本実施形態の溝ゲートトランジスタ(半導体装置)Hは、半導体基板1の表面近傍に素子分離領域2が設けられており、半導体基板1上を複数のアクティブ部Kに分割している。
図4(a)に示すように、半導体基板1に設けられてなる溝6と、ゲート絶縁膜7を介して溝6に形成されたゲート電極12と、溝6の近傍に形成されたN型のSD拡散層13とから概略構成されている。
素子分離領域2よりも深い部分にはP型ウェル層が設けられ(図示せず)、このP型ウェル層よりも浅い部分にはP型のチャネルドープ層9が設けられている。SD拡散層13は、チャネルドープ層9よりも更に浅い部分で、且つ、一対の素子分離領域2に挟まれた部分に設けられている。
溝6は、半導体基板1の表面からSD拡散層13を間に挟んで形成され、溝6の底部6aおよび側壁6bは、ゲート絶縁膜7を介してチャネルドープ層9に接している。
ゲート絶縁膜7は、半導体基板1の表面に設けられ、溝6にも追従するように形成されている。
ゲート電極12は、DOPOS膜8、タングステン膜10、ゲート窒化膜11で形成され、DOPOS膜8の一部が溝6に埋め込まれるように形成されている。溝6に埋めこまれた部分では、ゲート絶縁膜7を介してゲート電極12が配置されている。尚、ゲート電極12の上部は、半導体基板1上に突き出している。更にSD拡散層13は、溝6を挟むようにしてソース領域とドレイン領域とを有している。
このようにして、SD拡散層13のソース領域とドレイン領域との間に、ゲート絶縁膜7を介してゲート電極12が形成されている。更に、ゲート電極12上には、層間絶縁膜15が形成され、SD拡散層13上には、ゲート側壁窒化膜14を介してゲート電極12,12間にセルコンタクトポリプラグ17が形成されている。
このような溝ゲートトランジスタ構造の半導体装置Hに、ビット線やワード線などの各種配線や、セルキャパシタ、層間絶縁膜などを形成されることで、溝ゲートトランジスタをメモリセルのトランスファゲートトランジスタとして使用したDRAM(半導体装置)が完成する。
本発明は、混載メモリなども含めDRAMセルを用いる製品全般に広く利用することができる。
図1は、本発明の実施形態である半導体装置の製造方法の一例を示す工程概略図である。 図2は、本発明の実施形態である半導体装置の製造方法の一例を示す工程概略図である。 図3は、本発明の実施形態である半導体装置の製造方法の一例を示す工程概略図である。 図4は、本発明の実施形態である半導体装置の一例を示す模式図であって、(a)は平面模式図であり、(b)は図1(a)のA−A´線における断面模式図である。 図5は、従来例の半導体装置の断面模式図である。 図6は、従来例の半導体装置の製造方法を示す工程概略図である。
符号の説明
1・・・半導体基板、2・・・素子分離領域、3・・・パッド酸化膜、4・・・窒化膜マスク、5・・・フォトレジスト、6・・・溝、6a・・・底部、6b・・・底部近傍の側面、7・・・ゲート絶縁膜、8・・・ゲートDOPOS膜、9・・・チャネルドープ層、10・・・ゲートタングステン層、11・・・ゲート窒化シリコン膜、12・・・ゲート電極、13・・・SD拡散層、14・・・ゲート側壁窒化膜、15・・・層間絶縁膜、16・・・セルコンタクト孔、17・・・セルコンタクトポリプラグ、H・・・半導体装置。

Claims (7)

  1. 半導体基板に溝を形成する工程と、
    前記溝の内部にゲート絶縁膜を形成した後、前記溝にゲート電極を形成する工程と、
    前記半導体基板および前記ゲート電極を覆うように絶縁膜を形成するとともに、前記ゲート電極の幅方向両側に位置する前記絶縁膜にセルコンタクト孔を形成する工程と、
    前記セルコンタクト孔を介して、第1の不純物を前記半導体基板に注入し、前記ゲート電極の両側に前記第1の不純物を拡散させることによりソース・ドレイン拡散層を形成する工程と、
    前記セルコンタクト孔を介して、第2の不純物を前記半導体基板に注入し、前記溝の底部および底部近傍の側面に前記第2の不純物を拡散させてチャネルドープ層を形成する工程と、を備え、
    前記セルコンタクト孔を形成する前記工程は、
    前記半導体基板および前記ゲート電極を覆うように第1の絶縁膜を形成した後、該第1の絶縁膜を前記ゲート電極の上表面までエッチバックして、前記ゲート電極の側壁にゲート側壁絶縁膜を形成する工程と、
    前記ゲート電極および前記ゲート側壁絶縁膜を覆うように、層間絶縁膜となる第2の絶縁膜を形成し、前記ソース・ドレイン拡散層を形成する領域の上方の前記第2の絶縁膜にコンタクトを開口する工程と、を含み、
    前記ソース・ドレイン拡散層および前記チャネルドープ層を形成する前記工程における前記第1および第2の不純物の注入は、前記側壁絶縁膜および前記第2の絶縁膜をマスクとして行なわれる、
    半導体装置の製造方法。
  2. 前記チャネルドープ層の形成工程において、前記チャネルドープ層を少なくとも溝の底部と同じ深さに配置するとともに、前記セルコンタクト孔の開孔領域よりも、前記溝に向けて前記第2の不純物を拡散させて形成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第1の絶縁膜が窒化膜である、請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第2の絶縁膜がBPSG膜である、請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記ソース・ドレイン拡散層を形成する工程において、前記第1の不純物として、リンをエネルギー量20KeV〜50KeV、ドーズ量1×1013cm−2〜1×1014cm−2の範囲でイオン注入することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記チャネルドープ層を形成する工程において、前記第2の不純物として、ボロンをエネルギー量40KeV〜70KeV、ドーズ量1×1012cm−2〜5×1013cm−2の範囲でイオン注入することを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 請求項1〜6の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする半導体装置。
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