JP3128834B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP3128834B2
JP3128834B2 JP03008275A JP827591A JP3128834B2 JP 3128834 B2 JP3128834 B2 JP 3128834B2 JP 03008275 A JP03008275 A JP 03008275A JP 827591 A JP827591 A JP 827591A JP 3128834 B2 JP3128834 B2 JP 3128834B2
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices
    • H10B12/30DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells
    • H10B12/37DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells the capacitor being at least partially in a trench in the substrate
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関し、特に
溝内に形成されたDRAMセルのキャパシタを具備した
半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】DRAMセルのキャパシタとして溝は多
用されている。このようなDRAMセルの一般的な形状
は、以下のようになっている。MOSトランジスタのゲ
ート電極はワード線として用いられる。MOSトランジ
スタのソース,ドレイン領域の一方はビット線に接続さ
れ、他方はキャパシタの一方の電極となる。キャパシタ
内壁に設けらてた絶縁膜は容量絶縁膜となり、キャパシ
タ内部に埋め込まれた導体はプレート電極となる。
【0003】このような一般的な構造に対し、α粒子に
よるソフトエラー対策等から、基板をプレート電極(セ
ルプレート)として用いるキャパシタ用溝(SPT:S
ubstrate−Plate Trench−Cap
acitorの略)がある。この構造は以下のようにな
ていた。プレート電極となるp+ 型シリコン基板表面に
はnウェルが設けられ、nウェル表面にはソース・ドレ
イン領域がワード線となるゲート電極に対して自己整合
的に設けられる。ソース・ドレイン領域の一方と近接し
nウェル表面からp+ 型シリコン基板に至るキャパシタ
用溝が設けられ、キャパシタ用溝とこれに近接するソー
ス・ドレイン領域とはnウェル表面上に設けられた導体
膜により接続される。ソース・ドレイン領域の他方は、
ビットコンタクトを介してビット線に接続される。
【0004】SPT構造の最近のものとして、MINT
(Merged Iolationand NodeT
renchの略)と称する構造が、1988シンポジュ
ーム・オン・ブイエルエスアイ・テクノロジー・ダイジ
ェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ(1988 S
YMPOSIUM ON VLSI TECHNOLO
GY DIGEST OF TECHNICAL PA
PERS)の25−26ページにディー・ケニー(D.
KENNEY)等により発表された。図14に示す平面
模式図,図15に示す模式的斜視図を用いて、MINT
構造を有する半導体装置の説明を行なう。なお、図15
における断面は、図14における折線ABCDEでの断
面を模式的に示したものである。
【0005】MINT構造の特徴の1つは、キャパシタ
用溝232が素子分離領域となり,かつこれはメモリセ
ルのノードの部分に形成されていることである。この特
徴により、メモリセルサイズは小さくなる。素子分離に
関しては例えば、キャパシタ用溝232がp+ 型のソー
ス・ドレイン領域226b,226cを分断している。
素子分離にはキャパシタ用溝232の他にフィールド酸
化膜204も用いられている。MINT構造の第2の特
徴は、キャパシタ用溝232の構造にある。キャパシタ
用溝232上部では、容量絶縁膜216を覆う環状シリ
コン酸化膜231(Oxide Collarと称して
いる)が設けられている。また、キャパシタ用溝232
内部の埋め込み多結晶シリコンからなる蓄積電極222
とソース・ドレイン領域226bとの接続は、帯状導体
膜233(Surface Strapと称している)
により行なわれる。環状シリコン酸化膜231を設ける
ことにより、蓄積電極222がゲート電極,容量絶縁膜
216がゲート絶縁膜,nウェル202がチャネル領域
として機能してp+型シリコン基板201とソース・ド
レイン領域226b,226cとの間において生じる寄
生FET(電界効果トランジスタ)効果を、緩和してい
る。この他は通常のSPT構造と同じであり、ソース・
ドレイン領域226a,226b,226c,226d
はゲート電極を兼るワード線224に対して自己整合的
に形成され、例えばソース・ドレイン領域226aは、
ビットコンタクト孔229を介してビット線230に接
続されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述したようにMIN
T構造は通常のSPT構造の改善は行なわれているが、
この構造には以下の3つの難点がある。
【0007】第1に、nウェル表面に形成されたMOS
トランジスタとキャパシタ用溝内部に形成された蓄積電
極との接続が帯状導体膜によりなされるため、目合せ
(アライメント)の余裕(マージン)が必要となる。こ
のため、メモリセルサイズの縮小はこれにより制約され
る。
【0008】第2に、環状シリコン酸化膜の存在により
寄生FET効果は緩和されるが、不十分である。これは
環状シリコン酸化膜がp+ 型シリコン基板にまで達して
いないため、蓄積電極とnウェルとが容量絶縁膜のみを
介して接する部分が存在し、この部分における寄生FE
T効果は抑制されず、ソース・ドレイン領域とp+ 型シ
リコン基板との間のリークが発生する。
【0009】第3に、蓄積電極,これに接続するソース
・ドレイン領域,および環状シリコン酸化膜により形成
される寄生GCD(ゲート・コントロール・ダイオー
ド)により、nウェルとp+ 型シリコン基板との間のリ
ークが発生する。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
主表面に選択的に設けられた一導電型の第1の不純物領
域を有する半導体基板の主表面に、選択的に設けられた
逆導電型の第2の不純物領域と、第2の不純物領域内に
形成された一導電型の第3,および第4の不純物領域を
各々ソース,ドレイン領域とする絶縁ゲート型電界効果
トランジスタと、第3の不純物領域と接触部を有し、第
2の不純物領域の表面から形成され,かつ第2の不純物
領域を貫通するキャパシタ用溝と、接触部を除くキャパ
シタ用溝の内壁表面を覆う容量絶縁膜と、接触部を除
き,かつ第1の不純物領域を除き,かつ接触部と近接す
る部分の第2の不純物領域において、キャパシタ用溝の
内壁表面を覆う第1の絶縁膜と、接触部において第3の
不純物領域と接続し、容量絶縁膜を覆って形成された導
体と、第3の不純物領域とは分離された部分において、
容量絶縁膜を囲む一導電型の第5の不純物領域と、第
3,および第5の不純物領域と接触し、第1の絶縁膜を
囲む逆導電型の第6の不純物領域と、を有している。
【0011】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1,図2は本発明の一実施例を説明するための平
面模式図,断面模式図であり、図2は図1における線A
Bでの断面模式図である。
【0012】本実施例のDRAMセルは、図1,図2に
示すように、基板全体が第1の不純物領域となるn型シ
リコン基板101の主表面に選択的に設けられた第2の
不純物領域となるpウェル102と、pウェル102表
面に設けられたMOSトランジスタと、pウェル102
表面からpウェル102を貫通して設けられたキャパシ
タ用溝とから構成さている。なお、n型シリコン基板1
01表面にn+ 型埋め込み層を設け、さらに表面にp型
エピタキシャル層を設けてもよい。また、n型シリコン
基板101に代えてp型シリコン基板を用い、その表面
にn+ 型埋め込み層を設けてもよい。さらに、p型とn
型を入れ換えてもよい。キャパシタ用溝とシリコン基板
とが接する表面部分におけるシリコン基板の導電型,す
なわちシリコン基板の主表面に選択的に設けられた第1
の不純物領域の導電型が、ソース・ドレイン領域の導電
型と同一であることが必要である。
【0013】キャパシタ用溝は内壁表面に積層膜からな
る容量絶縁膜116を有し、内部にn+ 型の埋め込み多
結晶シリコンからなる蓄積電極122を有している。蓄
積電極122は、溝開口部108に設けられた溝側壁コ
ンタクト孔119を介して、MOSトランジスタの第3
の不純物領域となるn+ 型のソース・ドレイン領域12
6と電気的に接続されている。キャパシタ用溝の周囲は
第5の不純物領域となるn型シリコン基板101に延在
するn+ 領域115で囲まれている。また、n+ 領域1
15は容量絶縁膜116を介して蓄積電極122と対向
している。n+ 領域115とn+ 型のソース・ドレイン
領域126とは、その間に存在する第6の不純物領域と
なるp+ 領域110およびシリコン酸化膜112によ
り、電気的に分離されている。このp+ 領域110は、
第1の絶縁膜となるシリコン酸化膜112および容量絶
縁膜116を介して、蓄積電極122と対向している。
【0014】キャパシタ用溝と接続していない側のMO
Sトランジスタの第4の不純物領域となるn+ 型のソー
ス・ドレイン領域126aは、BPSG膜128に選択
的に設けられたビットコンタクト孔129を介して、タ
ングステンシリサイド膜からなるビット線130と接続
されている。このDRAMセルは、ゲート電極を兼るワ
ード線124,およびビット線130により情報書き込
み状態となり、MOSトランジスタがオン状態となる
と、溝側壁コンタクト孔119を介して電荷が蓄積電極
122に蓄えられる。蓄積電極122の対極をなすセル
プレートは、本実施例の場合、n型シリコン基板101
とn+ 領域115とから構成され、一定の電位が与えら
れている。
【0015】次に、本実施例の半導体装置の製造方法に
ついて、図3−図13に示す工程順の断面模式図,およ
び図2を用いて説明する。図3−図13は図1における
線ABに対応する部分での断面模式図である。
【0016】まず、図3に示すように、n型シリコン基
板101の主表面に選択的に深さ3μm程度のpウェル
102が形成される。次に、底部にチャネルストプ用の
+ 領域103を有する膜厚500nm程度のフィール
ド酸化膜104が、選択酸化法により形成される。次
に、膜厚40nm程度のシリコン酸化膜105が、熱酸
化法により形成される。続いて、膜厚約100nmの多
結晶シリコン膜106が、CVD法により形成される。
引き続いて、膜厚約600nmのシリコン酸化膜107
が、CVD法による形成される。シリコン酸化膜107
は、後述するシリコン基板101に対する溝エッチング
の際のマスクとして用いられる。多結晶シリコン膜10
6は、エッチングマスクとして用いたシリコン酸化膜1
07を除去する際に、フィールド酸化膜104を保護す
る膜として機能する。
【0017】次に、図4に示すように、シリコン酸化膜
107,多結晶シリコン膜106,シリコン酸化膜10
5およびフィールド酸化膜104を選択的に順次エッチ
ング除去し、第1の溝開口部108が形成される。
【0018】次に、図5に示すように、異方性のシリコ
ンエッチングを施すことにより、深さ1μm程度の第1
の溝109が形成される。次に、回転傾斜イオン注入法
により、第1の溝109の側壁面に、前述のp+ 領域1
03と接続したp+ 領域110が形成される。続いて、
シリコン基板101に垂直なイオン注入を施すことによ
り、第1の溝の底面に、n+ 領域111が形成される。
【0019】次に、図6に示すように、全面に膜厚約1
50nmのシリコン酸化膜が形成された後、異方性のシ
リコン酸化膜エッチバックを施すことにより、第1の溝
109の側壁に選択的にシリコン酸化膜112が形成さ
れる。これと同時に、第2の溝開口部113が形成され
る。
【0020】次に、図7に示すように、異方性のシリコ
ンエッチングを施すことにより、pウェル102の表面
から深さが4μm程度の第2の溝114が形成される。
第2の溝114はpウェル102を貫通し、その底部は
n型シリコン基板101中に達している。このとき同時
に、シリコン酸化膜107も約300nmエッチバック
される。次に、回転傾斜イオン注入法および垂直なイオ
ン注入を施すことにより、第2の溝114の底面を含め
た側壁面に、前述のn+ 領域111と接続し,これを介
してp+ 領域110と接触するn+ 領域115が形成さ
れる。このn+ 領域115およびn型シリコン基板10
1は、本実施例のセルプレートを構成する。
【0021】次に、図8に示すように、容量絶縁膜11
6が形成される。容量絶縁膜116はシリコン酸化膜,
シリコン窒化膜,シリコン酸化膜の3層の積層膜からな
り、実効的に同一の電気容量が得られるシリコン酸化膜
に換算して6nmの膜厚を有している。次に、膜厚約6
00nmの燐ドープ多結晶シリコン膜117が堆積さ
れ、これにより第2の溝114が埋設される。
【0022】次に、図9に示すように、燐ドープ多結晶
シリコン膜117および容量絶縁膜116が順次エッチ
バックされ、個々のセル毎に分離された蓄積電極118
が選択的に形成される。このとき、シリコン酸化膜10
7はエッチバックの保護膜として機能し、エッチバック
の終点検出が可能となり、過剰なエッチバックを防ぐ効
果がある。
【0023】次に、図10に示すように、シリコン酸化
膜107,シリコン酸化膜112,および容量絶縁膜1
16をエッチバックすることにより、前述の第1の溝1
09の開口部において、pウェル102表面から約20
0nmの深さを有する溝側壁コンタクト孔119が形成
される。このとき、多結晶シリコン膜106は、エッチ
バックの保護膜として機能し、エッチバックの終点検出
が可能となり、溝側壁コンタクト孔119の深さの制御
が容易になる。
【0024】次に、図11に示すように、膜厚約150
nmの燐ドープ多結晶シリコン膜120が堆積され、溝
側壁コンタクト孔119がこれにより埋設される。続い
て、熱拡散法により燐ドープ多結晶シリコン膜120中
の燐をドープすることにより、溝側壁コンタクト孔11
9を通ってpウェル102中に燐が拡散し、n+ 領域1
21が形成される。このn+ 領域121は、後工程で形
成されるMOSトランジスタのソース・ドレイン領域の
一方と接続される。
【0025】次に、図12に示すように、燐ドープ多結
晶シリコン膜120並びに蓄積電極118にエッチバッ
クを施すことにより、n+ 領域121に接続された蓄積
電極122が形成される。このエッチバックにより、前
述の多結晶シリコン膜106も除去される。しかしなが
らこの際、前述のシリコン酸化膜105,および前述の
フィールド酸化膜104はエッチバックの保護膜として
機能し、エッチバックの終点検出が可能となり、蓄積電
極122の高さが適切に制御される。また、シリコン酸
化膜105は、pウェル102表面が上述のエッチバッ
クで損傷を受けるのを防ぎ、後の工程で形成されるMO
Sトランジスタの特性を良好なものにする効果がある。
【0026】次に、図13に示すように、シリコン酸化
膜105をエッチング除去した後、再び熱酸化法により
膜厚15nm程度のシリコン酸化膜123が形成され
る。さらに、膜厚約200nmの燐ドープ多結晶シリコ
ン膜,および膜厚約150nmのシリコン酸化膜がCV
D法により順次堆積される。これらの膜に選択的なエッ
チングを施すことにより、ゲート電極を兼るワード線1
24が形成される。ワード線124上のシリコン酸化膜
125は、後工程で電極間絶縁材料として用いられる。
【0027】次に、図2に示すように、イオン注入法に
より燐あるいは砒素をpウェル102に導入して熱処理
を施すことにより、ワード線124と自己整合的なn+
型のソース・ドレイン領域126,126aが形成され
る。このとき、ソース・ドレイン領域126はn+ 領域
121と接続される。次に、膜厚約100nmのシリコ
ン酸化膜をCVD法により堆積した後、エッチバックを
施すことにより、ワード線124をとり囲むシリコン酸
化膜127が形成される。続いて、電極間絶縁膜として
の膜厚約400nmのBPSG膜128が堆積され、熱
処理によりリフローされる。次に、ビットコンタクト孔
129が選択的に形成される。続いて、膜厚約150n
mのタングステンシリサイド膜がスパッタリング法によ
り形成され、選択的にエッチングを施すことにより、ビ
ット線130が形成され、所望の構造が得られる。
【0028】以上の製造方法において、図4に示した第
1の溝開口部108が形成された後から図12に示した
蓄積電極122が形成されるに至るまでの間、フォトマ
スクを用いることなく製造することができる。このた
め、フォトリソグラフィー工程に関わる目合せ誤差の問
題が全く無く、フォトリソグラフィー工程の負担が大幅
に軽減できる。加えて、メモリセルサイズの縮小に対し
て有利になる。また、キャパシタ用溝が形成された時点
において、蓄積電極122とソース・ドレイン領域12
6とを接続するための配線領域はキャパシタ用溝の上部
に必要としないため、pウェル102表面に存在する段
差はフィールド酸化膜104を形成したときの段差と同
等であり、段差の低減に著しい効果がある。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、キャパシ
タ用溝を形成するためのフォトマスクを用いるだけでM
OSトランジスタのソース・ドレイン領域とキャパシタ
用溝内に形成された蓄積電極とを接続することができる
ため、目合せ誤差の問題が全く無くなりメモリセルサイ
ズの縮小に大きく寄与する。
【0030】また、本発明では、キャパシタ用溝をとり
囲んで形成されたセルプレートの一部となる第6の不純
物領域と蓄積電極に接続する第3の不純物領域(ソース
・ドレイン領域)との間にはキャパシタ用溝をとり囲ん
で形成された第6の不純物領域が存在し,かつ第6の不
純物領域は第1の絶縁膜並びに容量絶縁膜を介してキャ
パシタ用溝内に形成された蓄積電極と対向しているた
め、第6の不純物領域がチャネルストッパーとして機能
することになり、寄生FET効果,および寄生GCD効
果を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を説明するための平面模式図
である。
【図2】本発明の一実施例を説明するための断面模式図
であり、図1における線ABでの断面模式図である。
【図3】本発明の一実施例を説明するための製造工程途
中の断面模式図であり、図1における線ABに対応する
部分での断面模式図である。
【図4】本発明の一実施例を説明するための製造工程途
中の断面模式図であり、図1における線ABに対応する
部分での断面模式図である。
【図5】本発明の一実施例を説明するための製造工程途
中の断面模式図であり、図1における線ABに対応する
部分での断面模式図である。
【図6】本発明の一実施例を説明するための製造工程途
中の断面模式図であり、図1における線ABに対応する
部分での断面模式図である。
【図7】本発明の一実施例を説明するための製造工程途
中の断面模式図であり、図1における線ABに対応する
部分での断面模式図である。
【図8】本発明の一実施例を説明するための製造工程途
中の断面模式図であり、図1における線ABに対応する
部分での断面模式図である。
【図9】本発明の一実施例を説明するための製造工程途
中の断面模式図であり、図1における線ABに対応する
部分での断面模式図である。
【図10】本発明の一実施例を説明するための製造工程
途中の断面模式図であり、図1における線ABに対応す
る部分での断面模式図である。
【図11】本発明の一実施例を説明するための製造工程
途中の断面模式図であり、図1における線ABに対応す
る部分での断面模式図である。
【図12】本発明の一実施例を説明するための製造工程
途中の断面模式図であり、図1における線ABに対応す
る部分での断面模式図である。
【図13】本発明の一実施例を説明するための製造工程
途中の断面模式図であり、図1における線ABに対応す
る部分での断面模式図である。
【図14】従来の技術を説明するための平面模式図であ
る。
【図15】従来の技術を説明するための模式的斜視図で
あり、図14における折線ABCDEでの模式的斜視図
である。
【符号の説明】
101 n型シリコン基板 102 pウェル 103,110 p+ 領域 104,204 フィールド酸化膜 105,107,112,123,125,127
シリコン酸化膜 106 多結晶シリコン膜 108 第1の溝開口部 109 第1の溝 111,115,121 n+ 領域 113 第2の溝開口部 114 第2の溝 116,216 容量絶縁膜 117,120 燐ドープ多結晶シリコン 118,122,222 蓄積電極 119 溝側壁コンタクト孔 124,224 ワード線 126,126a,226a,226b,226c,2
26d ソース・ドレイン領域 128 BPSG膜 129,229 ビットコンタクト孔 130,230 ビット線 201 p+ 型シリコン基板 202 nウェル 231 環状シリコン酸化膜 232 キャパシタ用溝 233 帯状導体膜
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/108 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/04

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 主表面に選択的に設けられた一導電型の
    第1の不純物領域を有する半導体基板の前記主表面に、
    選択的に設けられた逆導電型の第2の不純物領域と、前
    記第2の不純物領域内に形成された一導電型の第3,お
    よび第4の不純物領域を各々ソース,ドレイン領域とす
    る絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、前記第3の不
    純物領域と接触部を有し、前記第2の不純物領域の表面
    から形成され,かつ前記第2の不純物領域を貫通するキ
    ャパシタ用溝と、前記接触部を除く前記キャパシタ用溝
    の内壁表面を覆う容量絶縁膜と、前記接触部を除き,か
    つ前記第1の不純物領域を除き,かつ前記接触部と近接
    する部分の前記第2の不純物領域において、前記キャパ
    シタ用溝の内壁表面を覆う第1の絶縁膜と、前記接触部
    において前記第3の不純物領域と接続し、前記容量絶縁
    膜を覆って形成された導体と、前記第3の不純物領域と
    は分離された部分において、前記容量絶縁膜を囲む一導
    電型の第5の不純物領域と、前記第3,および前記第5
    の不純物領域と接触し、前記第1の絶縁膜を囲む逆導電
    型の第6の不純物領域と、を有することを特徴とする半
    導体装置。
  2. 【請求項2】 前記半導体基板が一導電型であることを
    特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記半導体基板が逆導電型であることを
    特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記第1の不純物領域がn型であること
    を特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記第1の不純物領域がn型であること
    を特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 前記第1の不純物領域がp型であること
    を特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  7. 【請求項7】 前記第1の不純物領域がp型であること
    を特徴とする請求項3記載の半導体装置。
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