JP2006245602A - Method for manufacturing semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体集積回路装置の製造技術に関し、特に、微細なMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を形成するための素子分離構造およびその形成プロセスに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a manufacturing technique of a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to an element isolation structure for forming a fine MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) and a technique effective when applied to a forming process thereof.
半導体素子の微細化および高集積化に伴い、選択酸化(Local Oxidization of Silicon;LOCOS)法に代わる素子分離構造として、シリコン基板に形成した溝の内部に絶縁膜を埋め込む素子分離溝(Shallow Groove Isolation;SGI)の導入が進められている。 With the miniaturization and high integration of semiconductor elements, as an element isolation structure that replaces the selective oxidation (Local Oxidization of Silicon: LOCOS) method, an element isolation groove (Shallow Groove Isolation) in which an insulating film is embedded in a groove formed in a silicon substrate. ; SGI) is being introduced.
上記素子分離溝は、選択酸化法に比べて(a)素子分離間隔を縮小することができ、(b)素子分離膜厚の制御が容易で、フィールド反転電圧の設定が容易であり、(c)溝の内部の側壁と底部とで不純物を打ち分けることによって、反転防止層を拡散層やチャネル領域から分離できるので、サブスレッショルド特性の確保、接合リーク、バックゲート効果の低減に対して有利であると考えられている。 Compared with the selective oxidation method, the element isolation trench can (a) reduce the element isolation interval, (b) can easily control the element isolation film thickness, and can easily set the field inversion voltage. ) Since the inversion prevention layer can be separated from the diffusion layer and the channel region by separating impurities between the side wall and the bottom inside the trench, it is advantageous for securing the subthreshold characteristics, reducing junction leakage, and the back gate effect. It is thought that there is.
上記素子分離溝の一般的な形成方法は、次の通りである。まず、シリコン基板を熱酸化してその表面に薄い酸化シリコン膜を形成した後、その上部にCVD(Chemical Vapor Deposition)法で窒化シリコン膜を堆積する。次に、フォトレジスト膜をマスクにしたドライエッチングで素子分離領域の窒化シリコン膜を除去した後、活性領域に残った窒化シリコン膜をマスクにしたドライエッチングで基板に溝を形成する。 A general method for forming the element isolation trench is as follows. First, a silicon substrate is thermally oxidized to form a thin silicon oxide film on its surface, and then a silicon nitride film is deposited thereon by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Next, after the silicon nitride film in the element isolation region is removed by dry etching using the photoresist film as a mask, a groove is formed in the substrate by dry etching using the silicon nitride film remaining in the active region as a mask.
次に、溝の内部を含む基板上にCVD法で厚い酸化シリコン膜を堆積した後、基板を熱処理し、溝の内部に埋め込んだ酸化シリコン膜を緻密に焼締め(Densify;デンシファイ)する。その後、エッチバックまたは化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing;CMP)などの研磨処理によって窒化シリコン膜の上部の酸化シリコン膜を除去し、次いで不要となった窒化シリコン膜を除去することにより、素子分離溝が完成する。 Next, after a thick silicon oxide film is deposited on the substrate including the inside of the trench by a CVD method, the substrate is heat-treated, and the silicon oxide film embedded in the inside of the trench is densely baked (Densify). After that, the silicon oxide film on the top of the silicon nitride film is removed by a polishing process such as etch back or chemical mechanical polishing (CMP), and then the silicon nitride film that is no longer needed is removed, thereby separating the elements. The groove is completed.
なお、素子分離溝については、例えば特開平2−260660号公報(特許文献1)、特開平4−303942号公報(特許文献2)、特開平8−97277号公報(特許文献3)などに記載がある。
本発明者は、上記のような素子分離構造において、活性領域の基板表面に形成するゲート酸化膜が活性領域の周辺部で局所的に薄くなるthinning(局部薄膜化)や、低いゲート電圧でドレイン電流が流れてしまう現象(MOS−IVキンク特性と呼ばれる)が発生することを見いだし、これを解決する対策として、活性領域の周辺部に丸みを付ける(ラウンド加工)技術を検討した。 In the element isolation structure as described above, the inventor has developed thinning (local thinning) in which the gate oxide film formed on the substrate surface of the active region is locally thinned at the periphery of the active region, and draining with a low gate voltage. As a measure to solve the phenomenon (currently referred to as MOS-IV kink characteristics) in which a current flows, a technique for rounding the periphery of the active region (round processing) was studied.
その結果、本発明者は、基板に溝を形成した後、活性領域の周辺部に丸みを付ける(ラウンド加工)技術は、高温の熱酸化処理を必要とするため、ラウンド加工時の熱酸化処理によって溝の内壁に形成される熱酸化膜が活性領域側に成長し、活性領域の寸法を縮小させてしまう問題があり、これがMISFETの高集積化、微細化の妨げとなることを見いだした。 As a result, the inventor forms a groove in the substrate and then rounds the periphery of the active region (round processing), which requires high-temperature thermal oxidation treatment. As a result, the thermal oxide film formed on the inner wall of the trench grows on the active region side, reducing the size of the active region, and this has been found to hinder the high integration and miniaturization of the MISFET.
すなわち、ラウンド加工(丸み)が不十分であると、ゲート酸化膜形成の酸化時に、尖った活性領域の周辺部においてゲート酸化膜が薄く形成されるthinning(局所薄膜化)や、MOS−IVキンク特性に起因するMISFETのしきい値電圧がばらつくといった問題が発生する。この対策として、ラウンド加工(丸み)を十分行う必要があるが、活性領域の周辺部に十分な丸みを付けると活性領域(特に、MISFETのゲート幅方向)が狭くなる。そのため、活性領域の寸法(特に、MISFETのゲート幅)が確保できず、半導体素子を微細化ができないだけでなく、素子分離領域分離溝の幅および半導体素子を微細化して高集積化する上で妨げになる。 That is, if round processing (roundness) is insufficient, thinning (local thinning) in which the gate oxide film is thinly formed in the peripheral portion of the sharp active region or the MOS-IV kink when the gate oxide film is oxidized. There arises a problem that the threshold voltage of the MISFET varies due to the characteristics. As a countermeasure, it is necessary to perform round processing (rounding) sufficiently. However, if sufficient rounding is performed on the periphery of the active region, the active region (especially in the gate width direction of the MISFET) becomes narrow. For this reason, the dimensions of the active region (particularly, the gate width of the MISFET) cannot be ensured and the semiconductor element cannot be miniaturized, and the width of the element isolation region isolation groove and the semiconductor element are miniaturized for high integration. Hinder.
本発明の目的は、MISFETの微細化を推進することのできる技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique capable of promoting miniaturization of a MISFET.
本発明の他の目的は、素子分離溝の幅の微細化を推進することのできる技術を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a technique capable of promoting the miniaturization of the width of the element isolation trench.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
(1)本願の一発明による半導体集積回路装置の製造方法は、以下の工程を含む。
(a)基板の主面上に窒化シリコン膜を選択的に形成する工程、
(b)前記窒化シリコン膜の側壁にサイドウォールスペーサを形成した後、前記基板を前記サイドウォールスペーサに対して自己整合的にエッチングして素子分離領域の前記基板に溝を形成する工程、
(c)前記サイドウォールスペーサを除去した後、前記基板を熱酸化することによって、活性領域の周辺部の前記基板表面をラウンド加工する工程、
(d)前記窒化シリコン膜をエッチングすることによって、前記窒化シリコン膜の周辺部を前記活性領域の中心側に後退させる工程、
(e)前記溝の内部を含む前記基板上に絶縁膜を形成した後、前記窒化シリコン膜の上部の前記絶縁膜を除去し、前記絶縁膜を前記溝に埋め込むことによって、前記活性領域を規定する素子分離溝を形成する工程。
(1) A manufacturing method of a semiconductor integrated circuit device according to one invention of the present application includes the following steps.
(A) a step of selectively forming a silicon nitride film on the main surface of the substrate;
(B) forming a groove in the substrate in an element isolation region by forming a sidewall spacer on the sidewall of the silicon nitride film and then etching the substrate in a self-aligned manner with respect to the sidewall spacer;
(C) After removing the sidewall spacers, the substrate surface in the periphery of the active region is rounded by thermally oxidizing the substrate;
(D) etching the silicon nitride film to retract the periphery of the silicon nitride film toward the center of the active region;
(E) After forming an insulating film on the substrate including the inside of the groove, the insulating film on the silicon nitride film is removed, and the insulating film is embedded in the groove to define the active region Forming an element isolation groove to be formed.
(2)本願の一発明による半導体集積回路装置の製造方法は、以下の工程を含む。
(a)基板の第1領域および第2領域のそれぞれの主面上に窒化シリコン膜を選択的に形成する工程、
(b)前記基板上に残った前記窒化シリコン膜の側壁に第1サイドウォールスペーサを形成する工程、
(c)前記基板の前記第1領域を第1のフォトレジスト膜で覆い、前記第2領域の前記第1サイドウォールスペーサをエッチングすることによって、前記第2領域の前記窒化シリコン膜の側壁に、前記第1サイドウォールスペーサよりも膜厚の薄い第2サイドウォールスペーサを形成する工程、
(d)前記第1のフォトレジスト膜を除去した後、前記基板を前記第1サイドウォールスペーサおよび第2サイドウォールスペーサに対して自己整合的にエッチングすることによって、前記基板に溝を形成する工程、
(e)前記第1サイドウォールスペーサおよび前記第2サイドウォールスペーサを除去した後、前記基板を熱酸化することによって、活性領域の周辺部の前記基板表面をラウンド加工する工程、
(f)前記溝の内部を含む前記基板上に絶縁膜を形成した後、前記窒化シリコン膜の上部の前記絶縁膜を除去し、前記絶縁膜を前記溝に埋め込むことによって、前記活性領域を規定する素子分離溝を形成する工程。
(2) A manufacturing method of a semiconductor integrated circuit device according to an invention of the present application includes the following steps.
(A) a step of selectively forming a silicon nitride film on each main surface of the first region and the second region of the substrate;
(B) forming a first sidewall spacer on a sidewall of the silicon nitride film remaining on the substrate;
(C) Covering the first region of the substrate with a first photoresist film and etching the first sidewall spacer in the second region, thereby forming a sidewall of the silicon nitride film in the second region; Forming a second sidewall spacer having a thickness smaller than that of the first sidewall spacer;
(D) forming a groove in the substrate by removing the first photoresist film and then etching the substrate in a self-aligned manner with respect to the first sidewall spacer and the second sidewall spacer; ,
(E) removing the first sidewall spacer and the second sidewall spacer and then thermally oxidizing the substrate to round the substrate surface in the periphery of the active region;
(F) After forming an insulating film on the substrate including the inside of the groove, the insulating film on the silicon nitride film is removed, and the insulating film is embedded in the groove to define the active region Forming an element isolation groove to be formed.
(3)本願の一発明による半導体集積回路装置の製造方法は、以下の工程を含む。
(a)基板の主面の第1領域上に第1層を形成し、前記主面の第2領域上に第2層を形成した後、前記第1層の側壁に第1サイドウォールを形成し、前記第2層の側壁に前記第1サイドウォールの幅より小さい幅を有する第2サイドウォールを形成する工程、
(b)前記第1領域の前記主面に、前記第1サイドウォールに対して自己整合的に第1溝を形成し、前記第2領域の前記主面に、前記第2サイドウォールに対して自己整合的に第2溝を形成する工程、
(c)前記第1溝および前記第2溝のそれぞれの内部に第1絶縁膜を埋め込む工程、
(d)前記第1層および前記第2層をそれぞれ除去する工程、
(e)前記(d)工程の後、前記基板の主面上に第2絶縁膜を形成する工程、
(f)前記第1領域の前記第2絶縁膜を選択的に除去した後、前記第1領域の前記主面上に前記第2絶縁膜の膜厚より薄い膜厚を有する第3絶縁膜を形成する工程。
(3) A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to an invention of the present application includes the following steps.
(A) forming a first layer on the first region of the main surface of the substrate, forming a second layer on the second region of the main surface, and then forming a first sidewall on the side wall of the first layer; And forming a second sidewall having a width smaller than the width of the first sidewall on the sidewall of the second layer,
(B) A first groove is formed in the main surface of the first region in a self-aligned manner with respect to the first sidewall, and the main surface of the second region is formed with respect to the second sidewall. Forming the second groove in a self-aligning manner;
(C) burying a first insulating film in each of the first groove and the second groove;
(D) removing each of the first layer and the second layer;
(E) a step of forming a second insulating film on the main surface of the substrate after the step (d);
(F) After selectively removing the second insulating film in the first region, a third insulating film having a thickness smaller than that of the second insulating film is formed on the main surface of the first region. Forming step.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
本願の一発明によれば、活性領域の寸法を減少させることなく、その周辺部をラウンド加工することができるので、MISFETの微細化を促進することができる。 According to one invention of this application, since the peripheral part can be round-processed, without reducing the dimension of an active region, refinement | miniaturization of MISFET can be accelerated | stimulated.
本願の一発明によれば、素子分離溝内の酸化シリコン膜が活性領域の周辺部近傍で後退(リセス)する不具合を防止することができるので、微細化されたMISFETの特性を向上させることができる。 According to one invention of the present application, it is possible to prevent a problem that the silicon oxide film in the element isolation trench is recessed (recessed) in the vicinity of the peripheral portion of the active region, so that the characteristics of the miniaturized MISFET can be improved. it can.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
(実施の形態1)
図1は、製造工程の途中における基板の要部平面図、図2は、DRAMのメモリアレイの等価回路図、図3は、左側部分が図1のA−A’線に沿った基板の断面図、右側部分が図1のB−B’線に沿った基板の断面図である。
(Embodiment 1)
1 is a plan view of an essential part of a substrate during the manufacturing process, FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a DRAM memory array, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the substrate along the line AA ′ in FIG. The figure and the right side part are sectional drawings of the board | substrate along the BB 'line | wire of FIG.
例えばp型の単結晶シリコンからなる基板1の主面に形成されたp型ウエル3には、素子分離溝2によって周囲を規定された活性領域Lが形成されている。図1に示すように、この活性領域Lは、A−A’線方向に延びる細長い島状の平面パターンで構成されている。また、図3に示すように、活性領域Lの基板1(p型ウエル3)の表面は、中央部が平坦で、周辺部(端部)は凸状の丸みが付いた断面形状となっている。
For example, in a p-
上記活性領域Lのそれぞれには、ソース、ドレイン(n型半導体領域10)の一方を共有する2個のMISFET(メモリセル選択用MISFETQs)が形成されている。このメモリセル選択用MISFETQsと後述する情報蓄積用容量素子Cとは直列に接続され、DRAM(Dynamic Random Access Memory)の1ビット(bit)のメモリセルMCを構成する。図2に示すように、メモリセルMCはワード線WLとビット線BLとの交点に結合される。 In each of the active regions L, two MISFETs (memory cell selection MISFETs Qs) sharing one of a source and a drain (n-type semiconductor region 10) are formed. This memory cell selection MISFET Qs and an information storage capacitive element C, which will be described later, are connected in series to constitute a 1-bit memory cell MC of a DRAM (Dynamic Random Access Memory). As shown in FIG. 2, memory cell MC is coupled to the intersection of word line WL and bit line BL.
上記メモリセル選択用MISFETQsは、主として活性領域Lの基板1(p型ウエル3)の表面に形成されたゲート酸化膜7と、このゲート酸化膜7上に形成されたゲート電極8と、活性領域Lの基板1(p型ウエル3)に形成された一対のn型半導体領域10、10(ソース、ドレイン)とによって構成されている。後述するように、n型半導体領域10、10(ソース、ドレイン)の一方は、ビット線BLに電気的に接続され、その他方は、情報蓄積容量素子Cの一方の電極(下部電極33)に電気的に接続される。
The memory cell selection MISFET Qs includes a
メモリセル選択用MISFETQsのゲート電極8は、ワード線WLと一体に構成されている。すなわち、ゲート電極8はワード線WLに電気的に接続されている。ゲート電極8(ワード線WL)は、図1のB−B’線方向、すなわち活性領域Lの短辺方向に沿って同一の幅および同一の間隔で直線的に延在しており、その幅(ゲート長)(Lw)および間隔(Ls)は、それぞれフォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法(例えば0.16μm=Lw=Ls)に等しい。
The
このように、ワード線WL(ゲート電極8)の幅(Lw)とワード線WL(ゲート電極8)間の間隔(Ls)との和である配線ピッチは、最小加工寸法の2倍で構成される。これにより、ワード線WL(ゲート電極8)が延在する方向の配線ピッチ(Lw+Ls)を縮小することができるので、メモリセルを微細化、高集積化することができる。 As described above, the wiring pitch that is the sum of the width (Lw) of the word line WL (gate electrode 8) and the interval (Ls) between the word lines WL (gate electrode 8) is configured to be twice the minimum processing dimension. The Thereby, the wiring pitch (Lw + Ls) in the direction in which the word line WL (gate electrode 8) extends can be reduced, so that the memory cell can be miniaturized and highly integrated.
上記ゲート電極8(ワード線WL)は、例えばP(リン)などのn型不純物がドープされた低抵抗多結晶シリコン膜の上部にWN(窒化タングステン)などのバリアメタル膜とW(タングステン)膜とを積層したポリメタル構造で構成されている。また、ゲート電極8(ワード線WL)の上部には、ゲート電極8(ワード線WL)と同一の平面パターンを有する窒化シリコン膜9が形成されている。
The gate electrode 8 (word line WL) includes a barrier metal film such as WN (tungsten nitride) and a W (tungsten) film on top of a low resistance polycrystalline silicon film doped with an n-type impurity such as P (phosphorus). It is comprised by the polymetal structure which laminated | stacked. A
また、後述するように、ビット線BLは、ワード線WL(ゲート電極8)と交差する方向に沿って同一の線幅および同一の間隔で構成され、この線幅(Lw’)および間隔(Ls’)は、それぞれフォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法(例えば0.16μm)で構成される(図29参照)。 As will be described later, the bit lines BL are configured with the same line width and the same interval along the direction intersecting the word line WL (gate electrode 8), and the line width (Lw ′) and the interval (Ls). ') Is composed of a minimum dimension (for example, 0.16 μm) determined by the resolution limit of photolithography (see FIG. 29).
このように、ビット線BLの幅(Lw’)とビット線BL間の間隔幅(Ls’)との和である配線ピッチは、最小加工寸法の2倍で構成される。これにより、ビット線BLが延在する方向に交差する方向の配線ピッチ(Lw’+Ls’)を縮小することができるので、メモリセルを微細化、高集積化することができる。 Thus, the wiring pitch, which is the sum of the width (Lw ′) of the bit line BL and the interval width (Ls ′) between the bit lines BL, is configured to be twice the minimum processing dimension. As a result, the wiring pitch (Lw ′ + Ls ′) in the direction intersecting the direction in which the bit line BL extends can be reduced, so that the memory cell can be miniaturized and highly integrated.
上記活性領域Lの基板1(p型ウエル3)を囲む素子分離溝(素子分離領域)2は、基板1(p型ウエル3)に形成された深さ350nm程度の溝の内部に酸化シリコン膜6を埋め込んだ構成になっている。酸化シリコン膜6の表面は平坦化されており、その高さは活性領域Lの基板1(p型ウエル3)の表面とほぼ等しい。また、素子分離溝2の内壁と酸化シリコン膜6との界面には、酸化シリコン膜6と基板1(p型ウエル3)との間に生じるストレスを緩和するための薄い酸化シリコン膜11が形成されている。なお、活性領域Lの短辺の寸法(a)は、メモリセル選択用MISFETQsのゲート幅(a)を構成する。
An element isolation trench (element isolation region) 2 surrounding the substrate 1 (p-type well 3) in the active region L is formed within a trench having a depth of about 350 nm formed in the substrate 1 (p-type well 3). 6 is embedded. The surface of the
次に、上記したDRAMのメモリセルの製造方法を図4〜図35を用いて工程順に説明する。なお、これらの図のうち、図4、図5、図7、図9、図11〜図20、図22、図24、図26、図28および図30〜図35のそれぞれの左側部分は、活性領域Lの長辺方向(図1のA−A’線方向)に沿った基板1の断面図、右側部分は、活性領域Lの短辺方向(図1のB−B’線方向)に沿った基板1の断面図である。また、平面図(図6、図8、図25、図27、図29)には、活性領域、ゲート電極(ワード線)、ビット線、接続孔(コンタクトホール、スルーホール)の平面パターンのみを示し、絶縁膜(酸化シリコン膜、窒化シリコン膜)やプラグを構成する導電膜の図示は省略する。
Next, a manufacturing method of the above-described DRAM memory cell will be described in the order of steps with reference to FIGS. Of these figures, the left side portions of FIGS. 4, 5, 7, 9, 11 to 20, 22, 24, 26, 28, and 30 to 35 are A cross-sectional view of the
まず、図4に示すように、例えば1〜10Ωcm程度の比抵抗を有するp型の単結晶シリコンからなる基板1を約850℃で熱酸化してその表面に膜厚10nm程度の薄い酸化シリコン膜(第1の酸化シリコン膜)13を形成した後、この酸化シリコン膜13の上部にCVD法で膜厚120nm程度の窒化シリコン膜14を堆積する。窒化シリコン膜14と基板1との間の酸化シリコン膜13は、基板1と窒化シリコン膜14との界面に生じるストレスを緩和し、このストレスに起因して基板1の表面に転位などの欠陥が発生するのを防ぐために形成される。
First, as shown in FIG. 4, a
次に、図5に示すように、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしたドライエッチングで素子分離領域の窒化シリコン膜14とその下部の酸化シリコン膜13とを選択的に除去する。このとき、素子分離領域の基板1の表面に酸化シリコン膜が僅かでも残っていると異物発生の原因となるので、基板1をオーバーエッチングしてその表面の酸化シリコン膜を完全に除去する。基板1のオーバーエッチング量は、10〜30nm程度あればよい。また、基板1のオーバーエッチング部の端部は好ましくは垂直でなく、テーパがついていた方が、その後のラウンド加工において丸くなり易い。
Next, as shown in FIG. 5, the
図5および図6に示すように、基板1上に残った窒化シリコン膜14は、活性領域Lを定義する細長い島状の平面パターンで構成され、B−B’線に沿ったその短辺の寸法(W)および隣接する窒化シリコン膜14との間隔(S)は、それぞれフォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法(例えば0.16μm=W=S)に等しい。また、窒化シリコン膜14のA−A’線に沿った長辺の寸法は、短辺の寸法(W)の5倍(例えば0.8μm)である。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
このように、本実施の形態においては、後の工程で形成されるビット線BLの幅Lw’およびビット線BL間の間隔Ls’がフォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法で構成されるため、活性領域Lを規定する窒化シリコン膜14の短辺の寸法(W)および窒化シリコン膜14間の間隔(S)とをこの最小寸法で構成する。
As described above, in the present embodiment, the width Lw ′ of the bit line BL and the interval Ls ′ between the bit lines BL formed in a later process are configured with minimum dimensions determined by the resolution limit of photolithography. The dimension (W) of the short side of the
次に、図7および図8に示すように、基板1上にCVD法で堆積した酸化シリコン膜を異方的にエッチングすることによって、窒化シリコン膜14の側壁にサイドウォールスペーサ16を形成する。
Next, as shown in FIGS. 7 and 8,
上記サイドウォールスペーサ16の膜厚(スペーサ長)Lsiは、5nm〜40nmの範囲、好ましくは10nm〜20nmの範囲とし、さらに好ましくは15nm程度とする。このスペーサ長が5nm未満の場合には、後の工程で活性領域Lの周辺部をラウンド加工するための熱酸化処理を行なったとき、処理後の活性領域Lの短辺の寸法が、フォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法(例えば0.16μm)よりも小さくなってしまう。他方、スペーサ長Lsiが40nmを超えると、活性領域Lの周辺部のラウンド量が不足する。また、後の工程で素子分離領域の基板1に形成される溝2aのアスペクト比(溝の深さ/幅)が大きくなるので、この溝2aに埋め込む酸化シリコン膜6のカバレージや表面の平坦性が不充分となる。
The thickness (spacer length) Lsi of the
次に、図9に示すように、基板1に不純物イオンを打ち込むことによって、後の工程で活性領域Lの周辺部となる領域の基板1表面にダメージを与える。活性領域Lの周辺部となる領域は、この時点ではサイドウォールスペーサ16の下部に位置しているので、この領域の基板1にダメージを与えるためには、不純物イオンの打ち込みを基板1の主面に対して斜め方向から行なう。この不純物イオンの打ち込みは、必須の工程ではないが、あらかじめ基板1の表面にダメージを与えてシリコンの共有結合を局所的に切断しておくと、基板1を熱酸化したときに活性領域Lの周辺部が丸くなり易い。また、上記不純物としてGe(ゲルマニウム)やAs(ヒ素)のような原子量の大きい元素を使用すると、活性領域Lの周辺部の基板1表面のみにダメージを与えることができる。
Next, as shown in FIG. 9, impurity ions are implanted into the
次に、例えばSC−1液(アンモニア水/過酸化水素水の混合液)およびSC−2液(塩酸/過酸化水素水の混合液)を使った洗浄によって、基板1の表面に残った異物を除去し、さらにフッ酸を使った洗浄によって、基板1の表面の自然酸化膜を除去する。なお、必須の工程ではないが、図10に示すように、上記洗浄を通常よりも長時間行なって基板1の表面を等方的にエッチングし、サイドウォールスペーサ16の下部の基板1にアンダーカットを生じさせると、後の工程で活性領域Lの周辺部が丸くなり易い。
Next, foreign matters remaining on the surface of the
次に、図11に示すように、窒化シリコン膜14とサイドウォールスペーサ16とをマスクにしたドライエッチングによって、素子分離領域の基板1に例えば深さ350nm程度の溝2aを形成する。この溝2aを形成する際、基板1をエッチングするガス(例えばCF4+O2)の組成を調節し、溝2aの側壁に80°前後のテーパを形成すると、後の工程で堆積する酸化シリコン膜6が溝2aの内部に埋め込まれ易くなる。ただし、テーパの角度は、溝の深さと溝幅によって制限されることはいうまでもない。
Next, as shown in FIG. 11, a
次に、図12に示すように、フッ酸を使ったウェットエッチングによって、窒化シリコン膜14の側壁のサイドウォールスペーサ16を除去する。なお、必須の工程ではないが、このウェットエッチングを行なった後、さらにSC−1液などを使ったウェットエッチングを行って、サイドウォールスペーサ16の下部の基板1の表面を軽く丸めておくと、次の熱酸化処理で活性領域Lの周辺部が丸くなり易い。
Next, as shown in FIG. 12, the
このように、本実施の形態では、窒化シリコン膜14とその側壁に形成したサイドウォールスペーサ16とをマスクにしたドライエッチングで素子分離領域の基板1に溝2aを形成する。これにより、活性領域Lの実際の寸法W’は、活性領域Lを定義する窒化シリコン膜14の寸法Wよりもサイドウォールスペーサ16の膜厚(スペーサ長)Lsiの2倍に相当する分だけ大きくなる(W’=W+2Lsi>W)。一方、この短辺方向に沿った活性領域Lの間隔(S’=S−2Lsi<S)はその分狭くなる。従って、活性領域Lを定義する窒化シリコン膜14の短辺の寸法(W)および間隔(S)を、それぞれフォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法とした場合(W=S=最小寸法)には、実際に得られる活性領域Lの短辺の寸法W’(>W)は、フォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法よりも大きくなり、この短辺方向に沿った活性領域Lの間隔(溝2aの寸法)S’(<S)は、上記最小寸法よりも小さくなる。
As described above, in this embodiment, the
次に、図13に示すように、基板1を約850℃〜1000℃で熱酸化することによって、溝2aの内壁に膜厚10nm程度の薄い酸化シリコン膜11を形成する。この酸化シリコン膜11は、溝2aの内壁に生じたドライエッチングのダメージを回復させると共に、後の工程で溝2aの内部に埋め込まれる酸化シリコン膜6と基板1(p型ウエル3)との界面に生じるストレスを緩和するために形成する。また、この熱酸化処理を行なうことにより、活性領域Lの周辺部の基板1表面がラウンド加工され、凸状の丸みが付いた断面形状となる。
Next, as shown in FIG. 13, the
前述したように、素子分離領域の基板1に溝2aを形成した時点での活性領域Lの寸法は、活性領域Lを定義する窒化シリコン膜14の寸法よりも(サイドウォールスペーサ16の膜厚の2倍に相当する分だけ)大きいので、その後、溝2aの内壁に膜厚10nm程度の薄い酸化シリコン膜11を形成しても、活性領域Lの寸法(a)が窒化シリコン膜14の寸法(W)より小さくなることはない。このように、本実施の形態によれば、活性領域Lの寸法を減少させることなく、その端部の基板1表面をラウンド加工することができる。
As described above, the dimension of the active region L at the time when the
なお、活性領域Lの周辺部を丸くするための上記熱酸化処理は、2度に分けて行なってもよい。この場合は、最初の熱酸化処理で端部がある程度丸くなるので、2度目の熱酸化処理で容易に丸くすることができる。 The thermal oxidation treatment for rounding the periphery of the active region L may be performed in two steps. In this case, since the end portion is rounded to some extent by the first thermal oxidation treatment, it can be easily rounded by the second thermal oxidation treatment.
また、酸化シリコン膜11の膜厚が厚くなり過ぎると、活性領域Lの寸法が小さくなるだけでなく、活性領域Lの周辺部や溝2aの内壁にストレスが生じて欠陥が発生し易くなる。従って、例えば熱酸化処理を2度に分けて行う場合には、最初の熱酸化処理で端部を十分に丸め、2度目の熱酸化処理は、活性領域Lの周辺部や溝2aの内壁の形状を改善する程度の軽い熱処理としてもよい。また、上記したストレスを緩和するために、サイドウォールスペーサ16を除去した後、熱酸化処理を行なう工程に先だって、基板1を高温水素雰囲気中で熱処理してもよい。さらに、ラウンド加工を行なった後にフッ酸などを用いたウェットエッチングで酸化シリコン膜11を除去したり、その膜厚を薄くしたりしてもよい。
If the thickness of the
次に、図14に示すように、溝2aの内部を含む基板1上にCVD法で酸化シリコン膜6を堆積する。この酸化シリコン膜6は、溝2aの深さよりも厚い膜厚(例えば450〜500nm程度)で堆積し、溝2aの内部に酸化シリコン膜6が隙間なく埋め込まれるようにする。酸化シリコン膜6は、例えば酸素とテトラエトキシシラン((C2H5)4Si)とを使ったCVD法で成膜される酸化シリコン膜のように、ステップカバレージのよい成膜方法で堆積する。なお、この酸化シリコン膜6を堆積する工程に先立って、溝2aの内壁にCVD法で窒化シリコン膜(図示せず)を薄く堆積してもよい。この窒化シリコン膜は、溝2aに埋め込んだ酸化シリコン膜6をデンシファイ(焼き締め)する際に、溝2aの内壁の薄い酸化シリコン膜11が活性領域L側に厚く成長するのを抑制する作用がある。
Next, as shown in FIG. 14, a
次に、基板1を約1000〜1150℃で熱酸化することによって、上記酸化シリコン膜6の膜質を改善するためのデンシファイ(焼き締め)を行った後、図15に示すように、化学的機械研磨(CMP)法で溝2aの上部の酸化シリコン膜6を研磨することによって、その表面を平坦化する。この研磨は、活性領域Lの基板1を覆っている窒化シリコン膜14をストッパに用いて行ない、窒化シリコン膜14の表面が露出し、かつ窒化シリコン膜14上の酸化シリコン膜6が残らない程度に若干のオーバー研磨を行った時点を終点とする。
Next, after the
酸化シリコン膜6を平坦化する場合、まずフォトレジスト膜をマスクにしたドライエッチングで窒化シリコン膜14の上部の酸化シリコン膜6を除去し、続いてこのフォトレジスト膜を除去した後、溝2aの上部に残った酸化シリコン膜6をCMP法で研磨してもよい。また、酸化シリコン膜6のデンシファイは、酸化シリコン膜6を平坦化した後に行ってもよい。この場合は、酸化シリコン膜6の膜厚が薄い状態でデンシファイを行なうので、研磨前の厚い酸化シリコン膜6をデンシファイする場合に比べて熱処理条件が軽減できる。ここまでの工程により、溝2aに酸化シリコン膜6を埋め込んだ素子分離溝2が略完成する。
When the
次に、活性領域Lの基板1を覆う窒化シリコン膜14を熱リン酸を用いたウェットエッチングで除去することによって、その下部の酸化シリコン膜13を露出させる。このエッチングを行なうと、図16に示すように、酸化シリコン膜13の表面と素子分離溝2に埋め込まれた酸化シリコン膜6の表面との間に、窒化シリコン膜14の膜厚に相当する高さの段差が発生する。
Next, the
次に、図17に示すように、活性領域Lの基板1の表面の酸化シリコン膜13をフッ酸でウェットエッチングすると、活性領域Lの基板1の表面が露出すると同時に素子分離溝2内の酸化シリコン膜6の表面がエッチングされ、上記段差が低減する。
Next, as shown in FIG. 17, when the
上記ウェットエッチングを行なうと、素子分離溝2内の酸化シリコン膜6の端部、すなわち窒化シリコン膜14と接していた領域の酸化シリコン膜6は、その上面だけでなく側面もエッチング液に晒されるので、活性領域Lから離れた部分に比べて被エッチング量が多くなる。しかし、本実施の形態では、活性領域Lの寸法が窒化シリコン膜14の寸法よりも大きいので、窒化シリコン膜14を除去した時点での酸化シリコン膜6の端部は、素子分離溝2の端部よりも活性領域L側に位置している。そのため、酸化シリコン膜6の端部の被エッチング量が多くなっても、素子分離溝2の端部で酸化シリコン膜6が下方に大きく後退(リセス)することはない。
When the wet etching is performed, the end portion of the
次に、図18に示すように、基板1を約850℃で熱酸化することによって、活性領域Lの基板1の表面に膜厚10nm程度の薄い酸化シリコン膜17を形成する。この酸化シリコン膜17は、次の工程で行なわれる不純物のイオン打ち込みによる基板1のダメージおよび汚染の影響を低減するために形成する。
Next, as shown in FIG. 18, the
次に、図19に示すように、ウエル(p型ウエル3およびn型ウエル4)を形成するために、上記酸化シリコン膜17を通して基板1にp型不純物(ホウ素)およびn型不純物(例えばリン)をイオン打ち込みする。また、メモリセル選択用MISFETQsのチャネルが形成されるp型半導体領域(図示せず)を形成するために、上記酸化シリコン膜17を通して基板1にp型不純物(ホウ素)をイオン打ち込みする。ウエル(p型ウエル3およびn型ウエル4)を形成するための不純物イオンは、高いエネルギーで基板1の深い領域に打ち込み、チャネルを形成するための不純物イオンは、低いエネルギーで基板1の浅い領域に打ち込む。
Next, as shown in FIG. 19, in order to form wells (p-
次に、図20に示すように、基板1を約950℃で熱処理し、上記不純物を拡散させることによって、p型ウエル3およびn型ウエル4を形成する。p型ウエル3の下部のn型ウエル4は、図示しない入出力回路などから基板1を通じてp型ウエル3にノイズが侵入するのを防ぐために形成する。
Next, as shown in FIG. 20, the
次に、フッ酸を用いたウェットエッチングで基板1の表面の酸化シリコン膜17を除去した後、基板1を約800〜850℃で熱酸化することによって、その表面に膜厚7nm程度の清浄なゲート酸化膜7を形成する。前述したように、活性領域Lの周辺部の基板1の表面には、凸状の丸みが付けられでいるので、このゲート酸化膜7の膜厚は、活性領域Lの中央部と周辺部とでほぼ等しくなる。
Next, after removing the
上記ゲート酸化膜7は、その一部に窒化シリコンを含んだ酸窒化シリコン膜で構成してもよい。酸窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜に比べて膜中における界面準位の発生を抑制したり、電子トラップを低減したりする効果が高いので、ゲート酸化膜7のホットキャリア耐性を向上させることができる。酸窒化シリコン膜を形成するには、例えば基板1をNOやNO2といった含窒素ガス雰囲気中で熱酸化すればよい。
The
このように、活性領域Lの周辺部に丸みを付けることにより、活性領域Lの周辺部でゲート酸化膜7の膜厚が薄くなる(=thinning)不具合が防止され、活性領域Lの周辺部におけるゲート電圧の電界集中が抑制される。これにより、低いゲート電圧でドレイン電流が流れるMOS−IVキンク特性(あるいはハンプ特性)の発生やゲート酸化膜7の耐圧低下を防ぐことができ、メモリセル選択用MISFETQsの特性が向上する。また、活性領域Lの周辺部におけるリーク電流の発生が抑制されるので、メモリセルのリフレッシュ特性が向上する。また、thinningやMOS−IVキンク特性に起因するMISFETのしきい値電圧のばらつきが防止される。
In this way, by rounding the periphery of the active region L, a problem that the thickness of the
図21(a)は、上記ゲート酸化膜7が形成された時点での基板1のB−B’線方向に沿った断面図である。図示のように、ここまでの工程で、活性領域Lの短辺の寸法(a)は、活性領域Lの寸法を定義する前記窒化シリコン膜14の短辺の寸法(W)以上(a≧W)となり、この短辺方向に沿った活性領域Lの間隔(素子分離溝2の寸法)(b)は、窒化シリコン膜14の間隔(S)以下(b≦S)となる。すなわち、窒化シリコン膜14の短辺の寸法(W)および間隔(S)を、それぞれフォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法(例えば0.16μm)とした場合、活性領域Lの短辺の寸法(a)は、この最小寸法以上となる。
FIG. 21A is a cross-sectional view along the B-B ′ line direction of the
これに対し、活性領域を定義するための窒化シリコン膜14パターンの側壁にサイドウォールスペーサ16を形成せず、窒化シリコン膜14だけをマスクにしたドライエッチングで素子分離溝を形成した後、前記図13に対応するラウンド加工で活性領域の周辺部に丸みをつける場合には、このラウンド工程により、活性領域の周辺部に十分な丸みがつけられるので、図21(b)に示すように、活性領域Lの短辺の寸法(a’)は、活性領域Lの寸法を定義する前記窒化シリコン膜14の短辺の寸法(W)よりも小さくなり(a’<W)、この短辺方向に沿った活性領域Lの間隔(素子分離溝2の寸法)(b’)は、窒化シリコン膜14の間隔(S)よりも大きくなる(b’>S)。すなわちこの場合、活性領域Lは、フォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法を確保することができないので、メモリセルを形成することができない。
On the other hand, after forming the element isolation trench by dry etching using only the
このように、メモリセルの高集積化のため、活性領域を定義するための窒化シリコン膜14パターンの幅(W’)および窒化シリコン膜14パターン間の間隔(S’)をフォトリソグラフィの解像限度で決まる最小加工寸法で構成した場合であっても、MISFETQsのゲート幅となる活性領域Lの短辺の寸法(a)が最小加工寸法以上となるので、MISFETQsを微細化することができる。これにより、ビット線BL方向の配線ピッチ(Lw’+Ls’)を最小加工寸法の2倍で構成して高集積化すると共に、活性領域Lの寸法(a)を確保でき、MISFETQsを微細化することができる。
Thus, for high integration of memory cells, the width (W ′) of the
次に、図22に示すように、上記ゲート酸化膜7の上部にゲート電極8(ワード線WL)を形成する。ゲート電極8(ワード線WL)は、例えばゲート酸化膜7上にリン(P)をドープした低抵抗多結晶シリコン膜をCVD法で堆積し、続いてその上部にスパッタリング法でWN膜およびW膜を堆積し、さらにその上部にCVD法で窒化シリコン膜9を堆積した後、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしたドライエッチングでこれらの膜をパターニングすることにより形成する。ゲート電極8(ワード線WL)は、その線幅(ゲート長)および間隔が、それぞれフォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法(例えば0.16μm)となるように形成する。
Next, as shown in FIG. 22, a gate electrode 8 (word line WL) is formed on the
図23は、ゲート電極8(ワード線WL)の延在方向に沿った基板1の断面図である。図示のように、ワード線WLは、活性領域Lの短辺と素子分離溝2とを横切って延在し、活性領域Lの基板1表面に形成されたゲート酸化膜7の上部では、メモリセル選択用MISFETQsのゲート電極8として機能する。前述したように、本実施の形態では、素子分離溝2に埋め込まれた酸化シリコン膜6の表面が活性領域Lの周辺部近傍で下方に大きく後退(リセス)しないので、ゲート酸化膜7の端部が、チャネル形成用の不純物濃度が低下する素子分離溝2の側壁にまで達することはない。これにより、メモリセル選択用MISFETQsのしきい値電圧のばらつきを防ぐことができる。
FIG. 23 is a cross-sectional view of the
次に、p型ウエル3にn型不純物(リンまたはヒ素)をイオン打ち込みしてn型半導体領域10(ソース、ドレイン)を形成することにより、前記図1および図3に示すメモリセル選択用MISFETQsが完成する。 Next, an n-type impurity (phosphorus or arsenic) is ion-implanted into the p-type well 3 to form an n-type semiconductor region 10 (source, drain), whereby the memory cell selection MISFET Qs shown in FIGS. Is completed.
次に、図24に示すように、基板1上にCVD法で膜厚50〜100nm程度の窒化シリコン膜18を堆積し、続いて窒化シリコン膜18の上部にCVD法で膜厚600nm程度の酸化シリコン膜20を堆積した後、酸化シリコン膜20をCMP法で研磨してその表面を平坦化する。
Next, as shown in FIG. 24, a
次に、図25および図26に示すように、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしてメモリセル選択用MISFETQsのソース、ドレイン(n型半導体領域10)の上部の酸化シリコン膜20および窒化シリコン膜18をドライエッチングすることによって、ソース、ドレイン(n型半導体領域10)の一方の上部にコンタクトホール21を形成し、他方の上部にコンタクトホール22を形成した後、これらのコンタクトホール21、22の内部にプラグ23を形成する。コンタクトホール21、22は、窒化シリコン膜18をエッチングのマスクに用い、ゲート電極8に対してセルフアライン(自己整合)で形成する。また、プラグ23は、コンタクトホール21、22の内部を含む酸化シリコン膜20の上部にリン(P)などのn型不純物をドープした低抵抗多結晶シリコン膜を堆積した後、この多結晶シリコン膜をエッチバック(またはCMP法で研磨)してコンタクトホール21、22の内部のみに残すことにより形成する。
Next, as shown in FIGS. 25 and 26, using the photoresist film (not shown) as a mask, the
次に、図27、図28に示すように、酸化シリコン膜20の上部にCVD法で膜厚200nm程度の酸化シリコン膜24を堆積した後、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにして酸化シリコン膜24をドライエッチングすることにより、コンタクトホール21(プラグ23)の上部にスルーホール25を形成する。図24に示すように、スルーホール25は、その一部が素子分離溝2の上部に延在する細長いパターンで形成する。
Next, as shown in FIGS. 27 and 28, a
次に、図29、図30に示すように、スルーホール25の内部にプラグ26を形成した後、酸化シリコン膜24の上部にビット線BLを形成する。プラグ26は、スルーホール25の内部を含む酸化シリコン膜24の上部にスパッタリング法でCo膜(またはTi膜)を堆積し、さらにその上部にCVD法でTiN膜およびW膜を堆積した後、酸化シリコン膜24の上部のW膜、TiN膜およびCo膜(またはTi膜)をCMP法で研磨し、これらの膜をスルーホール25の内部のみに残すことによって形成する。
Next, as shown in FIGS. 29 and 30, after the
また、ビット線BLは、酸化シリコン膜24の上部にスパッタリング法で膜厚200nm程度のW膜を堆積した後、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしてW膜をドライエッチングすることによって形成する。ビット線BLは、ゲート電極8(ワード線WL)と直交する方向(A−A’線方向)に沿って同一の線幅および同一の間隔で直線的に延在するように形成し、その線幅Lw’および間隔Ls’は、それぞれフォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法(例えば0.16μm=Lw’=Ls’=Lw=Ls)とする。
The bit line BL is formed by depositing a W film having a thickness of about 200 nm on the
次に、図31に示すように、ビット線BLの上部にCVD法で膜厚300nm程度の酸化シリコン膜27を堆積した後、酸化シリコン膜27およびその下層の酸化シリコン膜24をドライエッチングすることによって、コンタクトホール22(プラグ26)の上部にスルーホール28を形成する。
Next, as shown in FIG. 31, a
上記スルーホール28は、次の工程でその内部に形成されるプラグ29とビット線BLとの短絡を防ぐために、フォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法よりも小さい径で形成する。このような微細な径のスルーホール28は、例えば次のような方法で形成する。
The through
まず、ビット線BLの上部に酸化シリコン膜27を堆積した後、酸化シリコン膜27の上部に第1の多結晶シリコン膜(図示せず)を堆積する。次に、フォトレジスト膜をマスクにして上記多結晶シリコン膜をドライエッチングすることにより、コンタクトホール22(プラグ26)の真上の多結晶シリコン膜にスルーホールを形成する。このスルーホールの径は、フォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法とする。
First, after a
次に、上記スルーホールの内部を含む第1の多結晶シリコン膜上に第2の多結晶シリコン膜を堆積した後、第2の多結晶シリコン膜を異方的にエッチングしてスルーホールの内壁のみに残すことにより、スルーホールの内壁にサイドウォールスペーサを形成する。これにより、スルーホールの径は、フォトリソグラフィの解像限界で決まる最小寸法よりも小さくなる。 Next, after depositing a second polycrystalline silicon film on the first polycrystalline silicon film including the inside of the through hole, the second polycrystalline silicon film is anisotropically etched to form an inner wall of the through hole. By leaving it only at the side wall, a side wall spacer is formed on the inner wall of the through hole. Thereby, the diameter of the through hole becomes smaller than the minimum dimension determined by the resolution limit of photolithography.
次に、上記第1の多結晶シリコン膜およびサイドウォールスペーサをマスクにしたドライエッチングでスルーホールの底部の酸化シリコン膜27およびその下層の酸化シリコン膜24にスルーホール28を形成した後、不要となった第1の多結晶シリコン膜およびサイドウォールスペーサをエッチングして除去する。
Next, after the through
次に、図32に示すように、上記スルーホール28の内部にプラグ29を形成した後、酸化シリコン膜27の上部にCVD法で膜厚100nm程度の窒化シリコン膜30を堆積し、続いて窒化シリコン膜30の上部にCVD法で膜厚1.3μm程度の厚い酸化シリコン膜31を堆積する。プラグ29は、例えばスルーホール28の内部を含む酸化シリコン膜27の上部にリン(P)などのn型不純物をドープした低抵抗多結晶シリコン膜を堆積した後、この多結晶シリコン膜をエッチバックしてスルーホール28の内部のみに残すことによって形成する。また、窒化シリコン膜30は、次の工程で酸化シリコン膜31をドライエッチングする際のエッチングストッパとして使用する。
Next, as shown in FIG. 32, after a
次に、図33に示すように、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにして酸化シリコン膜31をドライエッチングした後、酸化シリコン膜31の下層の窒化シリコン膜30をウェットエッチングすることにより、スルーホール28の上部に溝32を形成する。
Next, as shown in FIG. 33, the
次に、図34に示すように、溝32の内部を含む酸化シリコン膜31の上部に、リン(P)などのn型不純物をドープした膜厚50nm程度の低抵抗多結晶シリコン膜をCVD法で堆積した後、酸化シリコン膜31の上部の多結晶シリコン膜をエッチバックして除去することにより、溝32の内壁に沿って下部電極33を形成する。
Next, as shown in FIG. 34, a low-resistance polycrystalline silicon film having a thickness of about 50 nm doped with n-type impurities such as phosphorus (P) is formed on the
次に、図35に示すように、下部電極33の上部に、例えば酸化タンタル膜で構成された容量絶縁膜34と、例えばTiN膜で構成された上部電極35とを形成する。容量絶縁膜34および上部電極35を形成するには、まず溝32の内部を含む酸化シリコン膜31の上部にCVD法で膜厚20nm程度の薄い酸化タンタル膜を堆積し、続いてこの酸化タンタル膜の上部にCVD法およびスパッタリング法でTiN膜を堆積することによって溝32の内部に隙間なくTiN膜を埋め込んだ後、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしたドライエッチングでTiN膜および酸化タンタル膜をパターニングする。これにより、多結晶シリコン膜で構成された下部電極33、酸化タンタル膜で構成された容量絶縁膜34およびTiN膜で構成された上部電極35からなる情報蓄積用容量素子Cが形成される。また、ここまでの工程により、メモリセル選択用MISFETQsとこれに直列に接続された情報蓄積用容量素子Cとで構成されるDRAMのメモリセルが完成する。
Next, as shown in FIG. 35, a
その後、情報蓄積用容量素子Cの上部に2層程度のAl(アルミニウム)配線を形成し、さらにAl配線の上部に表面保護膜を形成するが、それらの図示は省略する。 Thereafter, about two layers of Al (aluminum) wiring are formed on the information storage capacitor element C, and a surface protective film is further formed on the upper portion of the Al wiring.
(実施の形態2)
図36は、窒化シリコン膜14とその側壁に形成した(同図には示さない)サイドウォールスペーサ16とをマスクにしたドライエッチングで素子分離領域の基板1に溝2aを形成し、続いてサイドウォールスペーサ16をウェットエッチングで除去した後、基板1を熱酸化することによって、溝2aの内壁に薄い酸化シリコン膜11を形成すると共に、活性領域Lの周辺部の基板1表面をラウンド加工した状態を示す基板1の断面図である。ここまでの工程は、前記実施の形態1で説明した工程(図4〜図13)と同一である。
(Embodiment 2)
In FIG. 36, a
次に、図37に示すように、ドライエッチングプロセスなどにより窒化シリコン膜14を等方的にエッチングする。このエッチングにより、窒化シリコン膜14の寸法が縮小し、その周辺部が活性領域Lの中心側に後退する。窒化シリコン膜14の後退量は、例えば20nm程度とするが、この後の工程で溝2aの内部に埋め込む酸化シリコン膜6が活性領域Lの基板1の表面にゲート酸化膜7を形成するまでの工程で基板1側に後退(リセス)する量を考慮して決めればよい。
Next, as shown in FIG. 37, the
次に、前記実施の形態1で説明した工程(図14、図15)に従い、溝2aの内部を含む基板1上にCVD法で酸化シリコン膜6を堆積し、続いて酸化シリコン膜6の膜質を改善するためのデンシファイ(焼き締め)を行った後、溝2aの上部の酸化シリコン膜6をCMP法で研磨してその表面を平坦化する。ここまでの工程により、溝2aの内部に酸化シリコン膜6が埋め込まれた素子分離溝2が略完成する(図38)。
Next, in accordance with the steps described in the first embodiment (FIGS. 14 and 15), a
次に、前記実施の形態1と同様、活性領域Lの基板1を覆う窒化シリコン膜14を熱リン酸を用いたウェットエッチングで除去することによって、その下部の酸化シリコン膜13を露出させる。このエッチングを行なうと、酸化シリコン膜13の表面と素子分離溝2に埋め込まれた酸化シリコン膜6の表面との間に、窒化シリコン膜14の残膜厚に相当する高さの段差が発生するが、活性領域Lの基板1の表面の酸化シリコン膜13をフッ酸でウェットエッチングすると、活性領域Lの基板1の表面が露出すると同時に酸化シリコン膜6の表面がエッチングされ、この段差が低減する。(図39)。
Next, as in the first embodiment, the
上記ウェットエッチングを行なうと、素子分離溝2内の酸化シリコン膜6の端部、すなわち窒化シリコン膜14と接していた領域の酸化シリコン膜6は、その上面だけでなく側面もフッ酸に晒されるので、活性領域Lから離れた部分に比べて被エッチング量が多くなる。しかし、本実施の形態では、窒化シリコン膜14の周辺を活性領域Lの中心側に後退させ、活性領域Lの周辺部と窒化シリコン膜14の周辺部とのオフセット量をあらかじめ十分に大きくしておくので、窒化シリコン膜14を除去した時点での酸化シリコン膜6の端部は、活性領域Lの周辺部よりもかなり中心側に位置している。そのため、上記した段差を低減するためのウェットエッチングで酸化シリコン膜6の端部が素子分離溝2側に後退しても、素子分離溝2の端部で酸化シリコン膜6が下方に大きく後退(リセス)することはない。その後の工程は、前記実施の形態1と同じであるため、その説明は省略する。
When the wet etching is performed, the end portion of the
このように、本実施の形態によれば、素子分離溝2内の酸化シリコン膜6の表面が活性領域Lの近傍で下方に後退(リセス)する不具合を防止できるので、メモリセル選択用MISFETQsのしきい値電圧のばらつきを抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, the problem that the surface of the
窒化シリコン膜14の周辺部を活性領域Lの中心側に後退させることによって、活性領域Lの周辺部と窒化シリコン膜14の周辺部とのオフセット量を大きくする本実施の形態の製造方法は、MISFETのデザインルールが極めて微細になり、窒化シリコン膜14の側壁にサイドウォールスペーサ16を形成するだけでは、素子分離溝2の端部における酸化シリコン膜6の後退(リセス)を抑制できなくなった場合の対策として特に有効である。
The manufacturing method of this embodiment in which the offset amount between the peripheral portion of the active region L and the peripheral portion of the
なお、上記した等方性エッチングによる窒化シリコン膜14の後退は、活性領域Lの周辺部の基板1表面を丸くするための熱酸化処理を行なった後で行なうことが望ましい。ラウンド加工の前、すなわち熱酸化処理によって溝2aの内壁に酸化シリコン膜11を形成する前に窒化シリコン膜14を後退させるためのドライエッチングを行なうと、溝2aの内壁の基板1表面もある程度エッチングされて等方的に後退するために、活性領域Lの寸法が小さくなってしまう恐れがある。
The recession of the
(実施の形態3)
次に、DRAMとロジックLSIとを同一基板上に形成したLSI(以下、DRAM−ロジック混載LSIという)の製造工程に本発明を適用した実施の形態を説明する。
(Embodiment 3)
Next, an embodiment in which the present invention is applied to a manufacturing process of an LSI (hereinafter referred to as a DRAM-logic mixed LSI) in which a DRAM and a logic LSI are formed on the same substrate will be described.
ロジックLSIを高速で動作させるためには、ゲート酸化膜をできるだけ薄く形成することが要求される。これに対し、ワード線電位の昇圧に際して高電圧を必要とするDRAMは、耐圧確保の観点からゲート酸化膜の膜厚をあまり薄くすることができない。従って、DRAM−ロジック混載LSIを製造する場合には、ゲート酸化膜の膜厚が異なる少なくとも2種類のMISFETを形成する必要がある。 In order to operate the logic LSI at high speed, it is required to form the gate oxide film as thin as possible. On the other hand, in a DRAM that requires a high voltage for boosting the word line potential, the thickness of the gate oxide film cannot be made very thin from the viewpoint of securing a breakdown voltage. Therefore, when manufacturing a DRAM-logic mixed LSI, it is necessary to form at least two types of MISFETs having different gate oxide film thicknesses.
膜厚の異なる2種類のゲート酸化膜を同一基板上に形成するプロセスでは、基板上の薄いゲート酸化膜を形成する領域と厚いゲート酸化膜を形成する領域とで、素子分離溝内の酸化シリコン膜の後退(リセス)量が異なってくる。そのため、MISFETの特性のばらつきを防ぐ観点から、薄いゲート酸化膜を形成する領域と厚いゲート酸化膜を形成する領域とでこの後退(リセス)量を均一化する対策が必要となる。 In the process of forming two types of gate oxide films having different thicknesses on the same substrate, silicon oxide in the element isolation trench is divided into a region where a thin gate oxide film is formed and a region where a thick gate oxide film is formed on the substrate. The amount of recession in the film will vary. For this reason, from the viewpoint of preventing variation in the characteristics of the MISFET, it is necessary to take a measure for making the amount of recession (recess) uniform between the region where the thin gate oxide film is formed and the region where the thick gate oxide film is formed.
図40は、前記実施の形態1で説明した工程(図4〜図8)に従って、活性領域Lの基板1上に酸化シリコン膜13を介して窒化シリコン膜14を形成した後、その側壁に酸化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ16Aを形成した基板1の断面図である。ここで、同図(a)は、薄いゲート酸化膜を形成するロジック領域(第1領域)の基板1を示し、同図(b)は、厚いゲート絶縁膜を形成するDRAM領域(第2領域)の基板1を示している。ここまでの工程は、ロジック領域とDRAM領域とで同一である。
In FIG. 40, after the
次に、図41に示すように、ロジック領域の基板1をフォトレジスト膜41で覆い、DRAM領域の窒化シリコン膜14の側壁に形成されたサイドウォールスペーサ16Aをエッチングすることによって、その膜厚(スペーサ長)を薄くする。これにより、ロジック領域とDRAM領域とにスペーサ長の異なる2種類のサイドウォールスペーサ16A、16Bが形成される。
Next, as shown in FIG. 41, the
次に、フォトレジスト膜41を除去した後、図42に示すように、窒化シリコン膜14とサイドウォールスペーサ16Aとをマスクにしたドライエッチングでロジック領域の基板1に溝2aを形成し、窒化シリコン膜14とサイドウォールスペーサ16BとをマスクにしたドライエッチングでDRAM領域の基板1に溝2aを形成する。このとき、窒化シリコン膜14の側壁に形成されたサイドウォールスペーサ16A、16Bは、互いのスペーサ長が異なるため、活性領域Lの周辺部と窒化シリコン膜14の周辺部とのオフセット量は、ロジック領域とDRAM領域とで異なってくる。すなわち、溝2aの側壁(活性領域Lの周辺部)から窒化シリコン膜14の周辺部までの距離は、膜厚の大きいサイドウォールスペーサ16Aが形成されたロジック領域の方が大きくなる。
Next, after removing the
次に、フッ酸を使ったウェットエッチングによって、窒化シリコン膜14の側壁のサイドウォールスペーサ16A、16Bを除去した後、図43に示すように、前記実施の形態1で説明した工程(図13〜図15)に従い、基板1を熱酸化することによって、溝2aの内壁に薄い酸化シリコン膜11を形成すると共に、活性領域Lの周辺部の基板1表面をラウンド加工した後、溝2aの内部を含む基板1上に堆積した酸化シリコン膜6をデンシファイ(焼き締め)し、続いてCMP法で溝2aの上部の酸化シリコン膜6を研磨することによって、その表面を平坦化する。ここまでの工程により、溝2aの内部に酸化シリコン膜6が埋め込まれた素子分離溝2が略完成する。
Next, after removing the
前記のように、活性領域Lの周辺部から窒化シリコン膜14の周辺部までの距離(オフセット量)は、DRAM領域に比べてロジック領域の方が大きい。そのため、素子分離溝2内の酸化シリコン膜6の端部は、DRAM領域に比べてロジック領域の方が活性領域Lの中心側に位置する。
As described above, the distance (offset amount) from the peripheral portion of the active region L to the peripheral portion of the
次に、図44に示すように、前記実施の形態1で説明した工程(図16〜図20)に従い、窒化シリコン膜14の除去、酸化シリコン膜13のウエットエッチング除去と酸化シリコン膜17の形成、酸化シリコン膜17を通じた不純物のイオン打ち込みと熱処理によるウエル(p型ウエル3、n型ウエル4)の形成、ウェットエッチングによる酸化シリコン膜17の除去を経て、ロジック領域およびDRAM領域のそれぞれの活性領域Lの基板1の表面に膜厚6nm〜7nm程度の清浄なゲート酸化膜7を形成する。
Next, as shown in FIG. 44, the
上記した酸化シリコン膜13のウェットエッチングを行なうと、酸化シリコン膜6の端部が素子分離溝2側に後退する。前記のように、酸化シリコン膜6の端部は、DRAM領域に比べてロジック領域の方が活性領域Lの中心側に位置しているため、素子分離溝2の端部における酸化シリコン膜6の後退量は、ロジック領域の方が少ない。
When the above-described wet etching of the
次に、図45に示すように、DRAM領域の基板1をフォトレジスト膜42で覆い、フッ酸を用いたウェットエッチングでロジック領域の基板1の表面のゲート酸化膜7を選択的に除去することによって、基板1表面を露出させる。このウェットエッチングを行なうと、ロジック領域の素子分離溝2に埋め込まれた酸化シリコン膜6の表面も同時にエッチングされ、その端部が素子分離溝2側に後退する。このとき、DRAM領域の基板1はフォトレジスト膜42で覆われているため、この領域の基板1表面に形成されたゲート酸化膜7や、素子分離溝2内の酸化シリコン膜6はエッチングされない。その結果、素子分離溝2の端部における酸化シリコン膜6の後退量がロジック領域とDRAM領域とでほぼ同じになる。
Next, as shown in FIG. 45, the
次に、フォトレジスト膜42を除去した後、図46に示すように、基板1を熱酸化することによって、ロジック領域の基板1の表面に膜厚4nm程度の薄いゲート酸化膜7Aを形成する。また、この熱酸化によってDRAM領域の基板1の表面に形成されていたゲート酸化膜7がさらに酸化され、膜厚8nm〜9nm程度の厚いゲート酸化膜7Bに成長する。
Next, after removing the
このように、本実施の形態によれば、薄いゲート酸化膜7Aを形成するロジック領域と厚いゲート酸化膜7Bを形成するDRAM領域とで、素子分離溝2の端部における酸化シリコン膜6の後退(リセス)量を均一化することができるため、ロジック領域に形成されるMISFETとDRAM領域に形成されるMISFETとの特性のばらつきを低減することができる。
Thus, according to the present embodiment, the
また、窒化シリコン膜14とその側壁に形成したサイドウォールスペーサ16A、16Bとをマスクにしたドライエッチングで素子分離領域の基板1に溝2aを形成する本実施の形態によれば、前記実施の形態1と同様の効果も得られる。
In addition, according to the present embodiment, the
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
前記実施の形態では、主としてDRAMに適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、素子分離溝を有する基板に微細なMISFETを形成する各種LSIに広く適用することができる。 Although the case where the present invention is mainly applied to a DRAM has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and the present invention can be widely applied to various LSIs in which a fine MISFET is formed on a substrate having an element isolation groove.
本発明は、MISFETで構成される半導体集積回路装置の製造にに利用されるものである。 The present invention is used for manufacturing a semiconductor integrated circuit device composed of MISFETs.
1 基板
2 素子分離溝
2a 溝
3 p型ウエル
4 n型ウエル
6 酸化シリコン膜
7、7A、7B ゲート酸化膜
8 ゲート電極
9 窒化シリコン膜
10 n型半導体領域
11 酸化シリコン膜
13 酸化シリコン膜
14 窒化シリコン膜
16、16A、16B サイドウォールスペーサ
17 酸化シリコン膜
18 窒化シリコン膜
20 酸化シリコン膜
21、22 コンタクトホール
23 プラグ
24 酸化シリコン膜
25 スルーホール
26 プラグ
27 酸化シリコン膜
28 スルーホール
29 プラグ
30 窒化シリコン膜
31 酸化シリコン膜
32 溝
33 下部電極
34 容量絶縁膜
35 上部電極
41、42 フォトレジスト膜
BL ビット線
C 情報蓄積用容量素子
Qs メモリセル選択用MISFET
WL ワード線
DESCRIPTION OF
WL Word line
Claims (19)
(a)基板の主面上に窒化シリコン膜を選択的に形成する工程、
(b)前記窒化シリコン膜の側壁にサイドウォールスペーサを形成した後、前記基板を前記サイドウォールスペーサに対して自己整合的にエッチングして素子分離領域の前記基板に溝を形成する工程、
(c)前記サイドウォールスペーサを除去した後、前記基板を熱酸化することによって、活性領域の周辺部の前記基板表面をラウンド加工する工程、
(d)前記窒化シリコン膜をエッチングすることによって、前記窒化シリコン膜の周辺部を前記活性領域の中心側に後退させる工程、
(e)前記溝の内部を含む前記基板上に絶縁膜を形成した後、前記窒化シリコン膜の上部の前記絶縁膜を除去し、前記絶縁膜を前記溝に埋め込むことによって、前記活性領域を規定する素子分離溝を形成する工程。 A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device including the following steps:
(A) a step of selectively forming a silicon nitride film on the main surface of the substrate;
(B) forming a groove in the substrate in an element isolation region by forming a sidewall spacer on the sidewall of the silicon nitride film and then etching the substrate in a self-aligned manner with respect to the sidewall spacer;
(C) After removing the sidewall spacers, the substrate surface in the periphery of the active region is rounded by thermally oxidizing the substrate;
(D) etching the silicon nitride film to retract the periphery of the silicon nitride film toward the center of the active region;
(E) After forming an insulating film on the substrate including the inside of the groove, the insulating film on the silicon nitride film is removed, and the insulating film is embedded in the groove to define the active region Forming an element isolation groove to be formed.
(a)基板の第1領域および第2領域のそれぞれの主面上に窒化シリコン膜を選択的に形成する工程、
(b)前記基板上に残った前記窒化シリコン膜の側壁に第1サイドウォールスペーサを形成する工程、
(c)前記基板の前記第1領域を第1のフォトレジスト膜で覆い、前記第2領域の前記第1サイドウォールスペーサをエッチングすることによって、前記第2領域の前記窒化シリコン膜の側壁に、前記第1サイドウォールスペーサよりも膜厚の薄い第2サイドウォールスペーサを形成する工程、
(d)前記第1のフォトレジスト膜を除去した後、前記基板を前記第1サイドウォールスペーサおよび第2サイドウォールスペーサに対して自己整合的にエッチングすることによって、前記基板に溝を形成する工程、
(e)前記第1サイドウォールスペーサおよび前記第2サイドウォールスペーサを除去した後、前記基板を熱酸化することによって、活性領域の周辺部の前記基板表面をラウンド加工する工程、
(f)前記溝の内部を含む前記基板上に絶縁膜を形成した後、前記窒化シリコン膜の上部の前記絶縁膜を除去し、前記絶縁膜を前記溝に埋め込むことによって、前記活性領域を規定する素子分離溝を形成する工程。 A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device including the following steps:
(A) a step of selectively forming a silicon nitride film on each main surface of the first region and the second region of the substrate;
(B) forming a first sidewall spacer on a sidewall of the silicon nitride film remaining on the substrate;
(C) Covering the first region of the substrate with a first photoresist film and etching the first sidewall spacer in the second region, thereby forming a sidewall of the silicon nitride film in the second region; Forming a second sidewall spacer having a thickness smaller than that of the first sidewall spacer;
(D) forming a groove in the substrate by removing the first photoresist film and then etching the substrate in a self-aligned manner with respect to the first sidewall spacer and the second sidewall spacer; ,
(E) removing the first sidewall spacer and the second sidewall spacer and then thermally oxidizing the substrate to round the substrate surface in the periphery of the active region;
(F) After forming an insulating film on the substrate including the inside of the groove, the insulating film on the silicon nitride film is removed, and the insulating film is embedded in the groove to define the active region Forming an element isolation groove to be formed.
(g)前記窒化シリコン膜を除去し、前記活性領域の前記基板の表面と、前記素子分離溝内の前記絶縁膜の表面との段差を低減するためのエッチング処理を行なう工程、
(h)前記基板を熱酸化することによって、前記活性領域の前記基板表面に第1MISFETの第1ゲート絶縁膜を形成する工程、
(i)前記基板の前記第2領域を第2のフォトレジスト膜で覆い、前記基板の前記第1領域の表面をエッチングすることによって、前記第1領域の前記第1ゲート酸化膜を除去する工程、
(j)前記第2のフォトレジスト膜を除去した後、前記基板を熱酸化することによって、前記基板の前記第1領域の表面に第2MISFETの第2ゲート酸化膜を形成する工程、
をさらに含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 15. The method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 14, wherein after the step (f),
(G) removing the silicon nitride film and performing an etching process to reduce a step between the surface of the substrate in the active region and the surface of the insulating film in the element isolation trench;
(H) forming a first gate insulating film of a first MISFET on the surface of the active region by thermally oxidizing the substrate;
(I) removing the first gate oxide film in the first region by covering the second region of the substrate with a second photoresist film and etching the surface of the first region of the substrate; ,
(J) forming a second gate oxide film of a second MISFET on the surface of the first region of the substrate by thermally oxidizing the substrate after removing the second photoresist film;
A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, further comprising:
(a)基板の主面の第1領域上に第1層を形成し、前記主面の第2領域上に第2層を形成した後、前記第1層の側壁に第1サイドウォールを形成し、前記第2層の側壁に前記第1サイドウォールの幅より小さい幅を有する第2サイドウォールを形成する工程、
(b)前記第1領域の前記主面に、前記第1サイドウォールに対して自己整合的に第1溝を形成し、前記第2領域の前記主面に、前記第2サイドウォールに対して自己整合的に第2溝を形成する工程、
(c)前記第1溝および前記第2溝のそれぞれの内部に第1絶縁膜を埋め込む工程、
(d)前記第1層および前記第2層をそれぞれ除去する工程、
(e)前記(d)工程の後、前記基板の主面上に第2絶縁膜を形成する工程、
(f)前記第1領域の前記第2絶縁膜を選択的に除去した後、前記第1領域の前記主面上に前記第2絶縁膜の膜厚より薄い膜厚を有する第3絶縁膜を形成する工程。 A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device including the following steps:
(A) forming a first layer on the first region of the main surface of the substrate, forming a second layer on the second region of the main surface, and then forming a first sidewall on the side wall of the first layer; And forming a second sidewall having a width smaller than the width of the first sidewall on the sidewall of the second layer,
(B) A first groove is formed in the main surface of the first region in a self-aligned manner with respect to the first sidewall, and the main surface of the second region is formed with respect to the second sidewall. Forming the second groove in a self-aligning manner;
(C) burying a first insulating film in each of the first groove and the second groove;
(D) removing each of the first layer and the second layer;
(E) a step of forming a second insulating film on the main surface of the substrate after the step (d);
(F) After selectively removing the second insulating film in the first region, a third insulating film having a thickness smaller than that of the second insulating film is formed on the main surface of the first region. Forming step.
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