JP3782119B2 - Semiconductor memory device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、1個のMOSトランジスタと1個のキャパシタによりメモリセルを構成するダイナミック型の半導体記憶装置(DRAM)に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、DRAMの高集積化は目覚ましいものがある。DRAMの更なる高集積化のためにメモリセル構造としてキャパシタをトランジスタの上に積み上げたいわゆるスタック型キャパシタセルが各種提案されている。この種のメモリセルは、キャパシタ面積を広く取ることができ、トレンチ型のように基板に溝を掘ることなく形成できるため、製造時における工程検査が容易であるなどの理由で注目されている。
図10に従来のスタック構造のDRAMのメモリセルの断面図を示す。
【0003】
図中、1041 ,1042 はワード線(ゲート電極)であり、この上にキャパシタが張り出している構造になっている。上記キャパシタは、フィールド絶縁膜102で区分されたSi基板101上に形成され、プレート電極110とキャパシタ絶縁膜109とキャパシタ下地電極層(蓄積電極)107とで構成され、層間絶縁膜106に開口されたコンタクトホールを介してn+ 型拡散層108に接続している。
【0004】
一方、MOSトランジスタは、ゲート絶縁膜103,ゲート電極1041 ,1042 ,n- 型拡散層105,n+ 型拡散層108と構成され、LDD構造を採用している。そして、層間絶縁膜106,111に開口されたコンタクトホールを介してビット線112がn+ 型拡散層113に接続している。
しかしながら、このように構成された従来のスタック型メモリセルには次のような問題があった。
【0005】
まず第1に、高集積化が進み、例えば、256Mビット程度の集積度になると、蓄積容量(Cs)を増加させるために、蓄積電極の高さを高くしたり、円筒型にしたりするなどの工夫が必要となる。このような手法を用いると、最終的なコンタクトホールの深さが2μm程度にもなり、例えば、0.3μm径のコンタクトホールではアスペクト比が6以上となる。この結果、深さが深いものから浅いものまで各種アスペクト比のコンタクトホールが混在することになり、製造歩留りが著しく低下するという問題があった。
【0006】
第2に、Si基板側にn+ 型拡散層113,108などが存在するため、これらn+ 型拡散層113,108とSi基板101との間で接合リークが存在し、DRAMのポーズ特性を改善するのが困難になるという問題があった。
【0007】
第3に、微細化によって各種コンタクトが各電極に対して合わせ余裕が取れなくなってきており、何らかの自己整合法を用いていたが、非常に複雑で製造歩留りが低下するという問題があった。
【0008】
第4に、キャパシタ電極の面積を大きくするには、ビット線112上にキャパシタ電極を形成することが望ましいが、ワード線1041 ,1042 とビット線112との両方に自己整合的に拡散層にコンタクトを取ることが難しく、実現が困難であった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来構造のスタック型DRAMを更に高集積化しようと、第1に非常に深いコンタクトホールと浅いコンタクトホールとが混在するため製造歩留りが著しく低下し、第2にSi基板に高不純物濃度の拡散層が深く入り込むため接合リークが低減できず、第3にゲート電極やビット線電極への自己整合技術が複雑で製造歩留が低下し、第4にワード線、ビット線両電極に自己整合することが困難であるという問題があった。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、高集積化が容易な半導体記憶装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の半導体記憶装置は、半導体基板上に形成され、第1の不純物拡散層及び第2の不純物拡散層を有する第1のMOSトランジスタと、前記半導体基板上に設けられ、前記第1のMOSトランジスタの第1の不純物拡散層及び第2の不純物拡散層上の各々に形成され、側面のうち下部には前記第1のMOSトランジスタのゲート電極のスペーサ層が露出するとともに前記スペーサ層に対して自己整合的に形成されたコンタクトホールを有する層間絶縁膜と、前記第1の不純物拡散層上の前記層間絶縁膜に設けられた前記コンタクトホールのうち、前記スペーサ層が露出した部分の下部側を充填し、前記第1の不純物拡散層に接する第1の導電膜としての半導体層と、前記第1の不純物拡散層上の前記層間絶縁膜に設けられた前記コンタクトホールを充填するように前記第1の導電膜上に形成され、前記第1のMOSトランジスタのゲート電極よりも高く形成された第2の導電膜であって、前記コンタクトホールの上部開口面の外に延在せず、かつ、該上部開口面のエッジでの高さが前記層間絶縁膜と同じである前記第2の導電膜と、前記第2の導電膜上に形成され、前記第1の不純物拡散層と電気的に接続するキャパシタとを具備してなることを特徴とする。
【0011】
【作用】
本発明の半導体記憶装置では、第1の不純物拡散層及び第2の不純物拡散層の不純物濃度より高い不純物濃度を有するエピタキシャル層が、第1の不純物拡散層及び第2の不純物拡散層上に設けられている。これにより、接合リークを低下させたり、トランジスタのショートチャネル効果を抑制したり、信頼性を向上させたりできる。また、エピタキシャル層の表面にシリサイド層をはりつけることによりメタルコンタクトのショットキーコンタクトを防止し、オーミックコンタクトを実現できる。また、エピタキシャル層がフィールド上にも延在することにより、コンタクトマージンを広げたりすることができる。
【0012】
また、本発明の半導体記憶装置では、充填層を配線層と同一工程で形成している。即ち、配線層を充填層として利用することにより、スタック型メモリセルによってもたらされる周辺回路領域の深いコンタクトホールが、充填層の分だけコンタクトホールの深さが浅くなる。このため、後のコンタクトを取る場合にコンタクトホールの深さが揃うと同時に下地の材質も揃う結果、高歩留りのコンタクトを実現できる。
【0013】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0014】
図1は本発明の一実施例に係るスタック型DRAMのメモリセルの概略構成を示す図で、同図(a)は平面図で、同図(b)は同図(a)のメモリセルののA−A´断面図である。図2(a),(b)はぞれぞれ図1(a)のメモリセルのB−B´断面図,C−C´断面図である。また、図3は同スタック型DRAMの周辺回路の概略構成を示す図で、同図(a)は平面図で、同図(b)は同図(a)の周辺回路のA−A´断面図である。
本実施例のスタック型DRAMでは、Al配線層29がワード線4のシャント層として用いられており、図9の従来のそれと異なる点は次の4点である。
【0015】
まず、第1の異なる点は、ビット線層14に接続するSi基板側には、n- 型又はp- 型の低不純物濃度の不純物拡散層7,7a(第1の不純物拡散層)が形成され、これら不純物拡散層7,7aは、n+ 型又はp+ 型の高不純物濃度のエピタキシャルSi層9でSi基板1より上に持ち上げられており、そして、エピタキシャルSi層9の表面にシリサイド層10が形成されていることにある。これにより接合リークを低下させたり、トランジスタのショートチャネル効果を抑制したり、信頼性を向上させたりできる。シリサイド層10によりメタルコンタクトのショットキーコンタクトを防止し、高不純物濃度のn型及びp型の拡散層へのオーミックコンタクトを実現している。また、シリサイド層10は、エピタキシャルSi層9の表面に形成されているため、後の熱工程などでシリサイド層10が不均一にSi基板1に入り込んで接合が破壊することを防止しでき、製品の歩留りが向上できる。
【0016】
第2の異なる点は、周辺回路のAl配線層29が低濃度の拡散層7aに直接にはコンタクトせずに、メモリセル領域の下部ビット線141 ,上部ビット線層142 と同じ工程で形成され、これら下部ビット線141 ,上部ビット線層142 と同じ材料からなる充填層141a,142aを介してコンタクトしていることにある。このため、スタック型メモリセルによってもたらされる周辺回路領域の深いコンタクトホールが、充填層141a,142aの分だけコンタクトホールの深さが浅くなる。このため、後のコンタクトを取る場合にコンタクトホールの深さがそろうと同時に下地の材質も揃う結果、高歩留りのコンタクトを実現できる。
【0017】
第3の異なる点は、ゲート電極4又はビット線14への自己整合コンタクトは、各電極の表面又は側面に設けられたSi3 N4 膜かなるゲートキャップ層5又はビット線キャップ層15,スペーサ層8だけをストッパー層として使用することにより行なわれていることにある。
【0018】
第4の異なる点は、キャパシタ電極部(多結晶Si膜20,22,プレート電極24)は、エピタキシャルSi層9,シリサイド層10上に形成されたプラグ層12(導電層)を介して低濃度の不純物拡散層7´(第2の不純物拡散層)とコンタクトすることにある。
【0019】
即ち、実効的に低濃度の不純物拡散層7´がゲート電極4より上の位置にまで持ち上げられたことになる。このため、ビット線を蓄積電極より先に形成するプラグ層12によるスタック型メモリセルにおいては、後工程でのキャパシタ電極コンタクトの形成の際に、ビット線だけへの自己整合を行なえば良く、工程を大幅に簡略化できると共に、製造歩留りを著しく向上できる。
次にこのような特徴を有するDRAMの製造方法を図4〜図9を用いて説明する。
【0020】
まず、図4(a),(b)(それぞれ図1(a)の平面図,図1(b)の断面図に対応、図4以降の図も同様)に示すように、不純物濃度5×1015cm-3程度のp型又はn型Si基板1の(100)面にnチャネルトランジスタ領域にはPウェル、また、Pチャネルトランジスタ領域にはnウェルを形成する。次いで例えば、反応性イオンエッチング(RIE)を用いてSi基板1に溝を堀り、絶縁膜2を埋込むいわゆるトレンチ分離又はSi3 N4 膜を用いたいわゆるLOCOS法によりフィールド絶縁膜2を形成する。ここでは、チャネルストッパー層の図示は省略してあるが必要であれば形成する。
【0021】
次いで素子形成領域のSi基板1の表面を露出させた後、厚さ10nm程度のゲート酸化膜3を形成し、このゲート酸化膜3上にゲート電極4を形成する。このゲート電極4は、抵抗を小さくするためにいわゆるポリサイド構造を採用しているが、単純な多結晶Si層のみでも良い。このゲート電極4の下層は、厚さ100nm程度のリン等の不純物がドープされた多結晶Si層41 であり、上層は、厚さ150nm程度のタングステンシリサイド(WSi2 )層42 である。
【0022】
次いでこのWSi2 層42 上に後工程の自己整合工程時によるゲート電極4へのエッチングストッパー層となるSi窒化膜(Si3 N4 )からなるゲートギャップ層5を形成した後、このゲートギャップ層5上にレジストパターン(図示せず)を形成し、続いて、このレジストパターンをマスクに用いて、ゲートギャップ層5,シリサイド層42 、多結晶Si層41 を連続加工する。次いでゲート電極4と低濃度の不純物拡散層7との耐圧を向上させるために、例えば、800℃、O2 雰囲気、30分程度の熱酸化を行ない、いわゆる後酸化膜6を形成する。
【0023】
この後、LDD構造を形成するために、レジストパターン(不図示)を形成し、後酸化膜6を通してn型の不純物イオンをSi基板1の所望の表面に注入し、選択的に低濃度のn型不純物拡散層7を形成する。pチャネルトランジスタ領域へも同様に、低濃度のp型不純物拡散層をイオン注入によって形成する。なお、イオン注入の濃度はnチャネル,pチャネルともに5×1013cm-2程度とする。
次に図5(a),(b)に示すように、本発明の特徴の1つである高不純物濃度の不純物拡散層を形成する。
【0024】
即ち、まず、全面に厚さ50nm程度のSi3 N4 膜をCVD法により堆積した後、RIE法により全面エッチングを行ないゲート電極4の側壁に幅50nm程度の上記Si3 N4 膜からなるスペーサー層8を形成する。このとき、低濃度の不純物拡散層7の領域のSi基板1の表面を露出させる。次いでこの露出したSi基板1の表面に選択的に厚さ200nm程度のエピタキシャルSi層9を成長させる。
【0025】
この後、nチャネル領域のエピタキシャルSi層9に、例えば、ドーズ量5×1015cm-2程度のひ素イオンを注入し、nチャネル領域のエピタキシャルSi層9が高濃度のn型不純物拡散層として機能するようにする。同様に、pチャネル領域の不純物拡散層7のエピタキシャルSi層9に、例えば、ドーズ量5×1015cm-2程度のBF2 + を注入し、pチャネル領域のエピタキシャルSi層9が高濃度のp型不純物拡散層として機能するようにする。
【0026】
次いでエピタキシャルSi層9の表面のみにシリサイド層10を形成する。このシリサイド層10の形成は、例えば、全面にTiをスパッタ法により、50nm程度形成し、引き続き、シリサイド化のための熱処理(例えば600℃、N2 、30分の熱処理)を行ない、最後に、ゲートギャップ層5上やスペーサー層8上の未反応のTi層を除去する。これにより、露出していたエピタキシャルSi層9の表面にのみシリサイド層(TiSi2 )10を選択的に形成できる。他のシリサイド材料として、例えば、ニッケルシリサイドやコバルドシリサイド等を用いても良い。
次に図6(a),(b)に示すように、本発明の特徴の1つであるキャパシタ電極部の自己整合エッチング技術を用いたプラグ層の形成を行なう。
【0027】
即ち、まず、全面に層間絶縁膜11として、例えば、BPSG膜をCVD法で約600nm堆積した後、化学的・機械的に基板全面を研磨するいわゆるケミカルメカニカルポリッシング法を用いてゲート電極4上の層間絶縁膜11の膜厚が約200nm程度になるように平坦化エッチングする。ここで、他の平坦化法、例えば、レジストを塗布して下地を平坦化した後、レジストと絶縁膜とのエッチング速度がほぼ等しくなるような条件でエッチングするいわゆるレジストエッチバック法を用いても良い。
【0028】
次いで層間絶縁膜11上にキャパシタ電極部と低濃度の不純物拡散層7’とのコンタクトを取るためのコンタクトホール用のレジストパターン(不図示)を形成し、これをマスクとして用い、層間絶縁膜11を選択的にエッチングしてシリサイド層10を露出してコンタクトホールを開口する。この層間絶縁膜11の選択エッチングは、例えば、RIEを用いて行い、そのエッチング条件は、スペーサ層8(Si3N4膜)に対してBPSG膜のエッチング速度が速い条件にする。例えば、エッチングガスとしてCHF3とCOとの混合ガスを用い、6mTorr程度の真空度などで実現することができる。これ以外の設定条件でも上記エッチング条件を実現できる。
【0029】
このようにすると、層間絶縁膜11(BPSG膜)はエッチングされるが、ゲート電極4上のゲートギャップ層(Si3 N4 )5や、ゲート電極4の側壁のスペーサ層(Si3 N4 )8はエッチングされず、後工程で形成するキャパシタ電極部とゲート電極4とのショートを防ぐことができる。即ち、新らたなエッチングストッパー層が不要になり、複雑な工程を用いなくても、自己整合的にコンタクトホールを開孔できる。
【0030】
次いで全面にプラグ層12となる例えば砒素をドープした多結晶Si層をコンタクトホールが完全に埋まるまで堆積する。例えば、0.4μm径のコンタクトホールならば、400nm程度の膜厚だけ堆積し、ケミカルドライエッチング(CDE)法を用いてエッチバックを行ない、コンタクトホールを多結晶Si層で充填する。これにはケミカルメカニカルポリッシング法を用いても良い。このような工程により低濃度の不純物拡散層7´と電気的に接続された多結晶Si層からなるプラグ層12をゲート電極4より上の位置に形成できる。これは後の工程でキャパシタ電極部を形成するときに非常に有効に働く構造である。
【0031】
なお、ここでは、層間絶縁膜11にBPSG膜を用いる例を示したが、他の膜、例えば、プラズマ酸化膜や、オゾン(O3 )−TEOS膜やその他のなるべく低温で形成できる絶縁膜であって、RIE時においてSi3 N4 膜よりエッチングが速い膜であればどの様な絶縁膜でも良い。
次に図7(a),(b)に示すように、本発明の特徴の1つである周辺回路部のコンタクトホールの深さを浅くする工程に進む。
【0032】
即ち、プラグ層12の絶縁のために全面に層間絶縁膜13として、例えば、CVD法により膜厚100nm程度のSiO2 膜を堆積する。次いで低濃度の不純物拡散層7とビット線層14とのコンタクトを取るためのコンタクトホールを通常のリソグラフィー工程を用いて形成する。
【0033】
このコンタクトホールの開孔も、図6の工程と同様にSiO2 膜とSi3 N4 膜とのエッチングレートの差を用いて自己整合的に行なう。即ち、層間絶縁膜11,13(SiO2 膜)はエッチングされるが、Si3 N4 からなるゲートキャップ層5,スペーサ層8はほとんどエッチングされないようなエッチング条件でRIEを行なう。なお、SiO2 とSi3 N4 のエッチング選択比が10以上になるような条件が望ましい。
このとき、周辺回路の低濃度の不純物拡散層7aへのコンタクトホールも同時に開孔する。
【0034】
即ち、図5の工程の際に形成した低濃度の不純物拡散層7,7´と、この上に形成したエピタキシャルSi層9と、この上に形成したシリサイド層10が積層形成された領域にもコンタクトホールを同時に形成する。換言すれば、メモリセルの低濃度の不純物拡散層7,7´のコンタクトホールと、周辺回路の低濃度の不純物拡散層7aのコンタクトホールを同時に形成する。
【0035】
このとき、図8(図2も参照)からわかるように、エピタキシャルSi層9はフィールド絶縁膜2の上にも伸びて広がり、フィールドエッヂとのコンタクトマージンを広げることに役立っている。つまり、フィールド絶縁膜2上でもコンタクトを取ることを可能にしている。
【0036】
この後、ビット線層14を形成する。このビット線層14の材料としては、配線抵抗を下げるため、並びに持ち上げコンタクトの抵抗を減らすために、メタル材を用いるほうが望ましい。例えば、CVD法で形成するタングステン(W)膜を用いる。
【0037】
この場合、下地の層間絶縁膜13(SiO2 )とW膜との剥がれを防止するために、TiN膜又はスパッタ法で形成したW膜を下部ビット線層141 として用いる。
【0038】
即ち、まず、コンタクトホールを開けた後、CVD法を用いてTiNからなる厚さ50nmの下部ビット線層141 を形成し、引き続き、CVD法を用いて厚さ100nmのWからなる上部ビット線層142 を形成する。次いでゲートキャップ層15として、例えば、厚さ150nmのプラズマ窒化膜(Si3 N4 )を形成した後、この上に順次通常のリソグラフィー技術を用いてレジストパターンを形成する。そして、このレジストパターンをマスクに用いて、ゲートキャップ層15,上部ビット線層142 ,下部ビット線層141 を順次RIEにより加工する。
【0039】
なお、メモリセル部の構造はスタック型メモリセルにおけるビット線先作り型であるが、周辺回路部では、不純物拡散層7aのコンタクトホールがゲート電極4に自己整合的に形成され、一度、メモリセル領域のビット線層141 ,142 と同一の充填層141a,142aによって持ち上げられる構造になる。
【0040】
また、図8には示されていないが、ゲート電極4へのコンタクトも同時にビット線層141 ,142 と同じ充填層141a,142aにより持ち上げられ、周辺回路部の不純物拡散層7a及びゲート電極4は全てビット線層141 ,142 と同じ充填層141a,142a層によって一度上の位置へ持ち上げられることになる。これによりメモリセル部と周辺回路部との後のメタル配線形成時のコンタクトホールの深さが揃い、スタック型メモリセルのような深いコンタクトホールを有するメモリセルの欠点を回避できる。
【0041】
なお、図8に示すように、W膜やTiN膜などのビット線141 ,142 のメタル材の表面を耐酸化性/耐熱性を向上させるために、例えば、プラズマ窒化処理などを行ない表面保護膜16を形成しておくことは非常に有効である。
次に図9(a),(b)に示すように、本発明の特徴の1つであるプラグ層12を用いたキャパシタ電極の形成工程について説明する。
【0042】
即ち、ビット線層14の層間絶縁膜17として、全面にCVD法により350℃程度の低温で形成できる、例えば、オゾン−TEOS酸化膜を約500nm程度堆積する。
【0043】
次いでケミカルメカニカルポリッシング法等により全面を平坦化し、ビット線層14上に層間絶縁膜17を約100nm程度残置させた後、全面に厚さ50nm程度のSi3 N4 膜18をCVD法で堆積する。
【0044】
次いでSi3 N4 膜18上に通常のリソグラフィー法によりプラグ層12との接続のためのコンタクトホール用のレジストパターン(不図示)を形成した後、これをマスクとしてRIEにより、Si3 N4 膜18,層間絶縁膜17,13を順次エッチングし、コンタクトホールを形成する。
【0045】
このときも、図6,図7の工程のときと同じように、SiO2 膜の方がSi3 N4 膜よりもエッチング速度が約10倍以上速いようなエッチング条件でエッチングすることにより、例えば、リソグラフィー時の合わせずれにより、ビット線14にコンタクトホールがかかっても、ビット線14の上のゲートキャップ層(Si3 N4 )15でエッチングはストップする。しかも、プラグ層12までエッチングが達しても、プラグ層12がゲート電極4より例えば400nm程度上の位置にあるのでゲート電極4とショートすることを防止できる。
【0046】
次いで全面にSi3 N4 膜19を、例えば、50nm程度堆積した後、全面をRIEによりエッチングすることによりコンタクトホールの側壁にのみにSi3 N4 膜19を残置し、プラグ材12の表面を露出させると共に、露出したビット線14の側面を後工程で形成するキャパシタ電極と絶縁分離されるようにする。次いで全面にキャパシタ下地電極(蓄積電極)としての砒素をドープした多結晶Si膜20を、例えば、膜厚70nm程度堆積した後、全面にCVD法によるSiO2 膜21を、例えば、膜厚500nm程度堆積し、キャパシタ電極状にSiO2 膜21をRIE法によりエッチング加工する。このとき、エッチングは多結晶Si膜20で止める。
【0047】
次いでエッチングガス条件を変えて、下地の多結晶Si膜20をSiO2 膜21と同じ形状にエッチング加工する。このとき、エッチングは下地のSi3 N4 膜18で止める。そして、全面に、再度、キャパシタ下地電極層としての多結晶Si膜22を膜厚500nm程度堆積する。このとき、多結晶Si膜22とキャパシタ下地電極層としての多結晶Si膜20との電気的な接続を確実に低抵抗にするために、ひ素を4方向から角度をつけて(例えば30度程度のイオン注入角度で)イオン注入を行なう。または、リンドープド多結晶Siにして確実に電気的接続を保っても良い。
【0048】
次いで全面を多結晶Siのエッチング条件でRIEを行ないSiO2 膜21及び多結晶Si膜20の側面に多結晶Si膜22を残置させる。このようにするとキャパシタ電極の大きさをリソグラフィーで決まる大きさよりも大きくできる。即ち、キャパシタ電極の面積を大きくでき、蓄積容量(Cs)を大きくすることができる。同じ容量(Cs)であればこの多結晶Si膜22の高さを低くできることになる。これは全体の段差を減らすのに非常に有効である。
【0049】
次いでSiO2 膜21を、例えば、NH4 F液等のエッチング溶液を用いて除去する。このとき、下地のSi3 N4 膜18によって、NH4 F液による下地の層間絶縁膜17のエッチングを防止できる。
次にキャパシタの形成工程に入るが、2通りのキャパシタ絶縁膜の形成法がある。
第1の方法は、通常のいわゆるNO膜を用いるやりかたである。
【0050】
即ち、まず、キャパシタ下地電極としての多結晶Si層20,22の表面の自然酸化膜をシランガス(SiH4 )により除去した後、同じ真空中で多結晶層20,22の表面にSi3 N4 膜を高温(例えば800℃)でアンモニアガス(NH3 )を流すことにより例えば1nm程度形成する。
【0051】
この後、全面にキャパシタ絶縁膜23としてSi3 N4 膜を膜厚60nm程度堆積し、その表面を例えば800℃,HCl、10%の雰囲気で60分程度酸化することにより、いわゆるトップ酸化膜を約2nm程度形成する。次いで全面にプレート電極24となる多結晶膜を堆積し、これをパターニングしてプレート電極24を形成する。
【0052】
次いでその上に層間絶縁膜25として、例えば、プラズマ−TEOS膜(SiO2 膜)を全面に約100nm程度堆積した後、全面にオゾン−TEOS膜26を、例えば、1000nm程度堆積する。そして、ケミカルメカニカルポリッシング技術などを用いて表面を平坦化し、その上の全面に再度、Al配線29の下地となる層間絶縁膜27としてプラズマ−TEOS膜を約100nm程度堆積する。
【0053】
第2の方法は、キャパシタ絶縁膜として高誘電体膜、例えば、タンタルオキサイド膜(Ta2 O5 膜)を用いるやりかたである。他の高誘電体膜、例えば、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3 )膜等でも同様であるが、それぞれの膜のキャパシタ電極との反応を考えて、電極材料や表面処理を工夫して使用、選択する必要がある。
【0054】
一例として、Ta2 O5 膜の場合について説明する。まず、NO膜の場合と同じように、キャパシタ下地電極としての多結晶Si膜20,22の表面の自然酸化膜を例えばシラン還元法などにより除去した後、表面にSi3 N4 膜を1nm程度形成する。
【0055】
次いで全面にキャパシタ絶縁膜23としてTa2 O5 膜をCVD法により形成した後、Ta2 O5 膜の誘電率を向上させるために、750℃程度のN2 アニールを行なう。
【0056】
次いでプレート電極24としてチタンナイドライド膜(TiN)膜,カーボン膜(C)又はニッケル(Ni)膜を形成する。若しくはプレート電極24の抵抗を下げたり、剥がれを防止するために、表面にW膜又はAl膜を同時に形成しても良い。
【0057】
次いで前のNO膜の場合と同様に層間絶縁膜25,26としてそれぞれ低温で形成できるプラズマ−TEOS膜(SiO2 膜),オゾン(O3 )−TEOS膜をそれぞれ100nm、1000nm程度全面に堆積した後、ケミカルメカニカルポリッシング法などにより基板全面にわたり均一に平坦化する。
【0058】
以上がNO膜,高誘電体膜を用いた場合のキャパシタ形成法の一例であるが、Sr(TiO3 )の場合には、電極との反応を防止するために、電極としてTa/Pt積層系のものを用いて良い。
【0059】
以降の工程は、先に示した図1,図2,図3のように、ビット線14又はプレート電極24などに対するコンタクトホールを開口し、このコンタクトホール内に、例えば、W膜28の選択成長を行なうか若しくは全面にW膜を堆積した後、エッチバック法によってコンタクトホールにW膜28を埋込み、コンタクトホールに低抵抗のメタル材を埋め込む。これによりコンタクト部プラグの低抵抗化が図れる。
【0060】
最後に、バリアメタル材としてのTiN膜291 と、主配線としてのAl膜292 とからなるAl配線29を形成してメモリセル及び周辺回路部が完成する。このとき、配線29をメモリセル部のワード線層4のシャント材として用いても良い。また、必要とあればさらにもう1層Al配線を形成しても良い。
【0061】
なお、本実施例では、ワード線4方向に隣接する複数のメモリセルの相互関係は示していないが、メモリセルの配置をフォールデッドビット線方式とする場合のワード線の通過だけはフィールド上に示してある。勿論、本発明はオープンビット線構成のDRAMに適用することできる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【0062】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、第1の不純物拡散層及び第2の不純物拡散層の不純物濃度より高い不純物濃度を有するエピタキシャル層が、第1の不純物拡散層及び第2の不純物拡散層上に設けられているため、接合リークを低下させたり、トランジスタのショートチャネル効果を抑制できる。
【0063】
また、配線層を充填層として利用することにより、スタック型メモリセルによってもたらされる周辺回路領域の深いコンタクトホールが、充填層の分だけコンタクトホールの深さが浅くなり、コンタクト不良による歩留りの低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るスタック型DRAMのメモリセルの概略構成を示す図。
【図2】図1のスタック型DRAMのメモリセルのB−B´断面図。
【図3】図1のスタック型DRAMの周辺回路の概略構成を示す図。
【図4】本発明の一実施例に係るスタック型DRAMのメモリセルの製造工程断面図。
【図5】本発明の一実施例に係るスタック型DRAMのメモリセルの製造工程断面図。
【図6】本発明の一実施例に係るスタック型DRAMのメモリセルの製造工程断面図。
【図7】本発明の一実施例に係るスタック型DRAMの周辺回路部の製造工程断面図。
【図8】本発明の一実施例に係るスタック型DRAMのメモリセルの製造工程断面図。
【図9】本発明の一実施例に係るスタック型DRAMのメモリセルの製造工程断面図。
【図10】従来のスタック型DRAMのメモリセルの素子断面図。
【符号の説明】
1,101…Si基板、2,102…フィールド絶縁膜、3,103…ゲート絶縁膜、4,104…ゲート電極、5…ゲートキャンプ層、8…スペーサー層、7,105…不純物拡散層、9…エピタキシャルSi層、10…シリサイド層、12…プラグ層、14,112…ビット線層、141 ,142 …充填層、11,13,17,25,26,27,106,111,114…層間絶縁膜、20,22,107…多結晶Si膜、23,109…キャパシタ絶縁膜、24,110…プレート電極、Al配線…29。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a dynamic semiconductor memory device (DRAM) in which a memory cell is constituted by one MOS transistor and one capacitor.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a remarkable increase in DRAM integration. Various so-called stacked capacitor cells in which capacitors are stacked on transistors as memory cell structures have been proposed for further high integration of DRAMs. This type of memory cell is attracting attention because it can take a large capacitor area and can be formed without digging a groove in the substrate like a trench type, and therefore, process inspection at the time of manufacture is easy.
FIG. 10 shows a cross-sectional view of a conventional stacked DRAM memory cell.
[0003]
In the figure, 1041, 1042Is a word line (gate electrode), and has a structure in which a capacitor protrudes thereon. The capacitor is formed on the Si substrate 101 separated by the field
[0004]
On the other hand, the MOS transistor has a
However, the conventional stack type memory cell configured as described above has the following problems.
[0005]
First of all, when the integration is advanced, for example, when the integration degree is about 256M bits, the storage electrode (Cs) is increased to increase the height of the storage electrode or to be cylindrical. Ingenuity is required. When such a method is used, the final depth of the contact hole is about 2 μm. For example, the contact ratio of 0.3 μm diameter has an aspect ratio of 6 or more. As a result, contact holes having various aspect ratios from deep to shallow depths are mixed, resulting in a problem that the manufacturing yield is remarkably lowered.
[0006]
Second, n on the Si substrate side+ Since the
[0007]
Third, due to miniaturization, various contacts have become unable to afford to align with each electrode, and some self-alignment method has been used. However, there is a problem that the manufacturing yield is very complicated and the manufacturing yield is lowered.
[0008]
Fourth, in order to increase the area of the capacitor electrode, it is desirable to form the capacitor electrode on the
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in order to further increase the integration density of the stack type DRAM having the conventional structure, firstly, a very deep contact hole and a shallow contact hole are mixed, so that the manufacturing yield is remarkably lowered. Junction leakage cannot be reduced because the diffusion layer of the concentration penetrates deeply. Third, the self-alignment technology to the gate electrode and the bit line electrode is complicated and the manufacturing yield is lowered. Fourth, the word line and the bit line are applied to both electrodes. There was a problem that it was difficult to self-align.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that can be easily highly integrated.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor memory device of the present invention includes a first MOS transistor formed on a semiconductor substrate and having a first impurity diffusion layer and a second impurity diffusion layer, and the semiconductor substrate. Provided on each of the first impurity diffusion layer and the second impurity diffusion layer of the first MOS transistor.The spacer layer of the gate electrode of the first MOS transistor is exposed at the lower part of the side surface and is exposed to the spacer layer.An interlayer insulating film having a contact hole formed in a self-aligned manner;SaidOn the first impurity diffusion layerSaidProvided in interlayer insulation filmSaidContact holeOf the lower side of the exposed portion of the spacer layerFillingAnd in contact with the first impurity diffusion layerFirst conductive filmAs semiconductor layerWhen,SaidOn the first impurity diffusion layerSaidProvided in interlayer insulation filmSaidSo as to fill the contact holeSaidFormed on the first conductive film;SaidFormed higher than the gate electrode of the first MOS transistor.A second conductive film,Extending outside the upper opening surface of the contact holeAnd the height at the edge of the upper opening surface is the same as the interlayer insulating filmA second conductive film;SaidFormed on the second conductive film;SaidAnd a capacitor electrically connected to the first impurity diffusion layer.
[0011]
[Action]
In the semiconductor memory device of the present invention, an epitaxial layer having an impurity concentration higher than that of the first impurity diffusion layer and the second impurity diffusion layer is provided on the first impurity diffusion layer and the second impurity diffusion layer. It has been. As a result, junction leakage can be reduced, the short channel effect of the transistor can be suppressed, and reliability can be improved. Further, by attaching a silicide layer to the surface of the epitaxial layer, metal contact Schottky contact can be prevented, and ohmic contact can be realized. In addition, the contact margin can be increased by extending the epitaxial layer on the field.
[0012]
In the semiconductor memory device of the present invention, the filling layer is formed in the same process as the wiring layer. In other words, by using the wiring layer as the filling layer, the deep contact hole in the peripheral circuit region brought about by the stacked memory cell becomes shallower by the filling layer. For this reason, when the contact is made later, the contact hole has the same depth, and at the same time, the base material is prepared, so that a high yield contact can be realized.
[0013]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a memory cell of a stacked DRAM according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view and FIG. 1 (b) is a diagram of the memory cell of FIG. It is AA 'sectional drawing. 2A and 2B are a BB ′ sectional view and a CC ′ sectional view, respectively, of the memory cell of FIG. 1A. FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the peripheral circuit of the stacked DRAM. FIG. 3A is a plan view, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the peripheral circuit of FIG. FIG.
In the stack type DRAM of this embodiment, the
[0015]
First, the first difference is that there is n on the Si substrate side connected to the
[0016]
The second difference is that the
[0017]
The third difference is that the self-aligned contact to the
[0018]
The fourth difference is that the capacitor electrode portion (
[0019]
That is, the low-concentration
Next, a method of manufacturing a DRAM having such characteristics will be described with reference to FIGS.
[0020]
First, as shown in FIGS. 4A and 4B (corresponding to the plan view of FIG. 1A and the cross-sectional view of FIG. 1B, respectively, the same applies to FIGS. 1015cm-3A p-well is formed in the n-channel transistor region and an n-well is formed in the p-channel transistor region on the (100) plane of the p-type or n-type Si substrate 1. Next, for example, a trench is formed in the Si substrate 1 using reactive ion etching (RIE), and the insulating
[0021]
Next, after exposing the surface of the Si substrate 1 in the element formation region, a
[0022]
Then this WSi2Layer 42On top of this, a Si nitride film (SiThreeNFour), A resist pattern (not shown) is formed on the
[0023]
Thereafter, in order to form an LDD structure, a resist pattern (not shown) is formed, and n-type impurity ions are implanted into a desired surface of the Si substrate 1 through the
Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, an impurity diffusion layer having a high impurity concentration, which is one of the features of the present invention, is formed.
[0024]
That is, first, Si having a thickness of about 50 nm is formed on the entire surface.ThreeNFourAfter the film is deposited by the CVD method, the entire surface is etched by the RIE method, and the Si film having a width of about 50 nm is formed on the side wall of the gate electrode 4.ThreeNFour
[0025]
Thereafter, for example, a dose of 5 × 10 5 is applied to the
[0026]
Next, a
Next, as shown in FIGS. 6A and 6B, a plug layer is formed using a self-aligned etching technique for the capacitor electrode portion, which is one of the features of the present invention.
[0027]
That is, first, as an interlayer insulating film 11, for example, a BPSG film is deposited by a CVD method to a thickness of about 600 nm, and then the entire surface of the substrate is chemically and mechanically polished on the
[0028]
Next, a resist pattern for contact holes (not shown) for making contact between the capacitor electrode portion and the low-concentration
[0029]
In this way, the interlayer insulating film 11 (BPSG film) is etched, but the gate gap layer (SiThreeNFour) 5 and the spacer layer (SiThreeNFour) 8 is not etched, and a short circuit between the capacitor electrode portion and the
[0030]
Next, a polycrystalline Si layer doped with, for example, arsenic is deposited on the entire surface until the contact hole is completely filled. For example, in the case of a contact hole having a diameter of 0.4 μm, a film thickness of about 400 nm is deposited and etched back using a chemical dry etching (CDE) method to fill the contact hole with a polycrystalline Si layer. For this, a chemical mechanical polishing method may be used. By such a process, the
[0031]
Although an example in which a BPSG film is used as the interlayer insulating film 11 is shown here, other films such as a plasma oxide film, ozone (OThree) -TEOS film or other insulating film that can be formed at as low a temperature as possible.ThreeNFourAny insulating film may be used as long as etching is faster than the film.
Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, the process proceeds to a step of reducing the depth of the contact hole in the peripheral circuit portion, which is one of the features of the present invention.
[0032]
That is, as an
[0033]
This contact hole is also formed in the same way as in the step of FIG.2Film and SiThreeNFourSelf-alignment is performed using the difference in etching rate with the film. That is, the interlayer insulating films 11 and 13 (SiO2Film) is etched, but SiThreeNFourRIE is performed under the etching conditions such that the
At this time, a contact hole to the low-concentration impurity diffusion layer 7a in the peripheral circuit is simultaneously opened.
[0034]
That is, in the region where the low-concentration impurity diffusion layers 7 and 7 ′ formed in the process of FIG. 5, the
[0035]
At this time, as can be seen from FIG. 8 (see also FIG. 2), the
[0036]
Thereafter, the
[0037]
In this case, the underlying interlayer insulating film 13 (SiO2) And the W film, the TiN film or the W film formed by sputtering is used as the lower bit line layer 14.1Used as
[0038]
That is, first, after opening a contact hole, the lower
[0039]
The structure of the memory cell portion is a bit line pre-fabrication type in a stacked memory cell, but in the peripheral circuit portion, the contact hole of the impurity diffusion layer 7a is formed in the
[0040]
Further, although not shown in FIG. 8, the contact to the
[0041]
As shown in FIG. 8, a
Next, as shown in FIGS. 9A and 9B, a process of forming a capacitor electrode using the
[0042]
That is, as the
[0043]
Next, the entire surface is flattened by a chemical mechanical polishing method or the like, and an
[0044]
Then SiThreeNFourA contact hole resist pattern (not shown) for connection to the
[0045]
At this time, as in the steps of FIGS.2The film is more SiThreeNFourEtching under etching conditions such that the etching rate is about 10 times faster than the film, for example, even if a contact hole is applied to the
[0046]
Next, SiThreeNFourFor example, after the
[0047]
Next, the etching gas conditions are changed to change the underlying
[0048]
Next, RIE is performed on the entire surface under the polycrystalline Si etching conditions, and
[0049]
Then SiO2The
Next, a capacitor forming process is entered. There are two methods for forming a capacitor insulating film.
The first method is to use a normal so-called NO film.
[0050]
That is, first, a natural oxide film on the surface of the polycrystalline Si layers 20 and 22 as the capacitor base electrode is converted into silane gas (SiHFour) And then the surface of the
[0051]
Thereafter, Si is formed as a
[0052]
Next, as an
[0053]
In the second method, a high dielectric film such as a tantalum oxide film (Ta2OFiveFilm). Other high dielectric films such as strontium titanate (SrTiOThree) The same applies to the film, etc., but it is necessary to devise and use the electrode material and surface treatment in consideration of the reaction of each film with the capacitor electrode.
[0054]
As an example, Ta2OFiveThe case of a film will be described. First, as in the case of the NO film, the natural oxide film on the surface of the
[0055]
Next, Ta is formed on the entire surface as a capacitor insulating film2OFiveAfter the film is formed by the CVD method, Ta2OFiveIn order to improve the dielectric constant of the film, N of about 750 ° C.2Annealing is performed.
[0056]
Next, a titanium nitride film (TiN) film, carbon film (C), or nickel (Ni) film is formed as the
[0057]
Then, as in the case of the previous NO film, plasma-TEOS films (SiO2Membrane), ozone (OThree) -TEOS films are deposited on the entire surface of about 100 nm and 1000 nm, respectively, and then uniformly planarized over the entire surface of the substrate by a chemical mechanical polishing method or the like.
[0058]
The above is an example of a capacitor forming method in the case of using a NO film or a high dielectric film, but Sr (TiOThree), A Ta / Pt stacked type electrode may be used as the electrode in order to prevent reaction with the electrode.
[0059]
In the subsequent steps, as shown in FIGS. 1, 2 and 3, a contact hole for the
[0060]
Finally, a
[0061]
In this embodiment, the mutual relationship between a plurality of memory cells adjacent in the direction of the
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the epitaxial layer having an impurity concentration higher than the impurity concentration of the first impurity diffusion layer and the second impurity diffusion layer is the first impurity diffusion layer and the second impurity diffusion. Since it is provided over the layer, junction leakage can be reduced and the short channel effect of the transistor can be suppressed.
[0063]
In addition, by using the wiring layer as a filling layer, the deep contact hole in the peripheral circuit region brought about by the stacked memory cell becomes shallower by the amount of the filling layer, which reduces the yield due to contact failure. Can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a memory cell of a stacked DRAM according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of the memory cell of the stacked DRAM of FIG. 1 taken along the line BB ′.
3 is a diagram showing a schematic configuration of a peripheral circuit of the stacked DRAM of FIG. 1;
FIG. 4 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a stacked DRAM memory cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a stacked DRAM memory cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a stacked DRAM memory cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a peripheral circuit portion of a stacked DRAM according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a stacked DRAM memory cell according to an embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a stacked DRAM memory cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an element cross-sectional view of a memory cell of a conventional stacked DRAM.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 ... Si substrate, 2,102 ... Field insulating film, 3,103 ... Gate insulating film, 4,104 ... Gate electrode, 5 ... Gate camp layer, 8 ... Spacer layer, 7, 105 ... Impurity diffusion layer, 9 ... Epitaxial Si layer, 10 ... Silicide layer, 12 ... Plug layer, 14,112 ... Bit line layer, 141, 142... Filled layer, 11, 13, 17, 25, 26, 27, 106, 111, 114 ... Interlayer insulating film, 20, 22, 107 ... Polycrystalline Si film, 23, 109 ... Capacitor insulating film, 24, 110 ... Plate Electrode, Al wiring ... 29.
Claims (11)
前記半導体基板上に設けられ、前記第1のMOSトランジスタの第1の不純物拡散層及び第2の不純物拡散層上の各々に形成され、側面のうち下部には前記第1のMOSトランジスタのゲート電極のスペーサ層が露出するとともに前記スペーサ層に対して自己整合的に形成されたコンタクトホールを有する層間絶縁膜と、
前記第1の不純物拡散層上の前記層間絶縁膜に設けられた前記コンタクトホールのうち、前記スペーサ層が露出した部分の下部側を充填し、前記第1の不純物拡散層に接する第1の導電膜としての半導体層と、
前記第1の不純物拡散層上の前記層間絶縁膜に設けられた前記コンタクトホールを充填するように前記第1の導電膜上に形成され、前記第1のMOSトランジスタのゲート電極よりも高く形成された第2の導電膜であって、前記コンタクトホールの上部開口面の外に延在せず、かつ、該上部開口面のエッジでの高さが前記層間絶縁膜と同じである前記第2の導電膜と、
前記第2の導電膜上に形成され、前記第1の不純物拡散層と電気的に接続するキャパシタと
を具備してなることを特徴とする半導体記憶装置。A first MOS transistor formed on a semiconductor substrate and having a first impurity diffusion layer and a second impurity diffusion layer;
The gate electrode of the first MOS transistor is provided on the semiconductor substrate, formed on each of the first impurity diffusion layer and the second impurity diffusion layer of the first MOS transistor, and below the side surface of the gate electrode of the first MOS transistor. An interlayer insulating film having a contact hole exposed in a self-aligned manner with respect to the spacer layer ,
Among the contact hole formed in the interlayer insulating film on the first impurity diffusion layer, filling the lower side of the portion where the spacer layer is exposed, a first conductive contact with the first impurity diffusion layer A semiconductor layer as a film;
Formed on the first conductive film so as to fill the contact hole formed in the interlayer insulating film on the first impurity diffusion layer, high are formed than the gate electrode of said first MOS transistor The second conductive film does not extend outside the upper opening surface of the contact hole , and the height at the edge of the upper opening surface is the same as that of the interlayer insulating film . A conductive film;
Wherein formed on the second conductive film, a semiconductor memory device characterized by comprising comprises a said first capacitor which is electrically connected to the impurity diffusion layer.
前記第2のMOSトランジスタの不純物拡散層上に設けられ、この不純物拡散層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第2のエピタキシャル層とを具備してなることを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶装置。A second MOS transistor formed in a circuit region of the semiconductor substrate;
Provided on the impurity diffusion layer of the second MOS transistor, according to claim 2, characterized by being provided with a second epitaxial layer having a higher impurity concentration than the impurity concentration of the impurity diffusion layer Semiconductor memory device.
この配線層と同じ工程で形成され、前記第2のMOSトランジスタの前記不純物拡散層上のコンタクトホールを充填しながら形成された導電層と
をさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の半導体記憶装置。 Said first MOS transistor the interlayer insulating wiring layer formed on the film while filling the second contact hole on the impurity diffusion layer of,
It is formed in the same step as the wiring layer, a semiconductor according to claim 5, further comprising a second MOS transistor the impurity diffusion layer conductive formed while filling the contact hole on the layer of Storage device.
前記キャパシタは、前記配線層と絶縁されていることを特徴とする請求項1又は5に記載の半導体記憶装置。Comprising a wiring layer formed on the contact hole on the second impurity diffusion layer of the first MOS transistor,
The capacitor, a semiconductor memory device according to claim 1 or 5, characterized in that it is insulated from the wiring layer.
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