JP4936699B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体素子の製造方法に関し、特にリセスゲート領域のエッチング工程でチャンネル領域とこれに隣接した素子分離膜を部分的に露出させるマスクを用いて素子分離膜を先にエッチングしたあと、半導体基板をエッチングすることにより、リセスゲート領域にシリコンホーンが形成されることを防ぎ、エッチング工程のマージンを高める半導体素子の製造方法に関するものである。
図1は従来の技術に係る半導体素子のレイアウトである。
図1に示されているように、素子分離膜40、活性領域10a及び活性領域10aと交差するワードラインのゲート構造物120を備えた半導体基板を形成する。ゲート構造物120の線幅はFであり(Fはデザインルールに従う最小線幅)、リセスゲート領域60はライン型でゲート構造物120の下部に備えられ、ゲート構造物120の幅より左右にそれぞれDほど小さい。即ち、リセスゲート領域60の誤整合マージンはDである。
図2a〜図2fは従来の技術に係る半導体素子の製造方法を示す断面図で、図2a(i)〜図2f(i)は図1のI―I’に沿う断面を示すものであり、図2a(ii)〜図2f(ii)は図1のII―II’に沿う断面を示すものである。
図2aに示されているように、半導体基板10の上部にパッド酸化膜20及びパッド窒化膜30を積層する。次には、STI工程を行ない活性領域10aを定義する素子分離膜40を形成する。
図2bに示されているように、素子分離膜40を所定厚さにエッチングしたあとパッド窒化膜30を取り除く。次には、全体表面の上部にポリシリコン層50を形成する。
図2cに示されているように、ポリシリコン層50の上部に感光膜(図示省略)を形成したあと、図1のリセスゲート予定領域60を定義する露光マスクを利用した露光及び現像工程でリセスゲート予定領域60を露出させるライン型のマスクパターン(図示省略)を形成する。次には、前記マスクパターンをエッチングマスクとして露出されたポリシリコン層50及びパッド酸化膜20をエッチングし、リセスゲート予定領域60を定義するポリシリコン層パターン50a及びパッド酸化膜パターン20aを形成する。その後、前記マスクパターンを取り除く。
図2dに示されているように、ポリシリコン層パターン50aをエッチングマスクとして露出された半導体基板10をエッチングしてリセスゲート領域70を形成する。ここで、半導体基板10とポリシリコン層パターン50aが共にエッチングされるようにする。このとき、素子分離膜40と隣接した半導体基板10のエッチング速度が素子分離膜40と隣接しない半導体基板10より遅いので、リセスゲート領域70内の半導体基板にはシリコンホーン(silicon horn)(A)が形成される。その次に、パッド酸化膜パターン20aを取り除く。
図2eに示されているように、露出した半導体基板10の表面にゲート酸化膜80を形成したあと、全体表面の上部にリセスゲート領域70を埋め込む下部ゲート電極層90を形成し、下部ゲート電極層90の上部に上部ゲート電極層100及びハードマスク層110を順次積層する。
図2fに示されているように、ハードマスク層110、上部ゲート電極層100及び下部ゲート電極層90をパターニングし、下部ゲート電極90a、上部ゲート電極100a及びハードマスク層パターン110aの積層構造でなるゲート構造物120を形成する。
図3は、従来の技術に係る半導体素子の製造工程でゲート構造物とリセスゲートとの間に誤整合が発生する場合を示す断面図である。
図3に示されているように、リセスゲートマスクとゲートマスクとの間にDより大きいMほどの誤整合が発生する場合、下部ゲート電極のシリコン表面の下へのエッチング、及びエッチングされた上側端でのゲート酸化膜の特性劣化の可能性が高いという問題点がある。さらに、ゲート構造物がリセスチャンネルの一側に偏り後続するLDD及びS/D領域の形成時、右側のストレージノードコンタクト領域の濃度が左側のストレージノードコンタクト領域の濃度より低くなり、右側のセルトランジスタの抵抗値が左側のセルトランジスタの抵抗値より大きくなり、結果的に右側のセルの電流が低減して動作の速度が左側のセルよりさらに遅くなるという問題点がある。
図4は、従来の技術に係る半導体素子の製造工程でリセスゲート領域に誤整合が発生した場合を示す断面図である。
図4に示されているように、素子分離マスクとリセスゲートマスクとの間に整合誤差がDより大きいMほど過度に発生した場合、素子分離酸化膜と隣接した半導体基板の部分が非正常的にM―Dほど露出される。このように露出された部分は、図2dで半導体基板のエッチング工程で共にエッチングされる。この部分はDRAMセルのストレージノードコンタクトが形成される領域として漏洩電流特性が重要な領域であり、非正常的な半導体基板のエッチングは漏洩電流の増加を誘発してDRAMのリフレッシュ特性を低下させる。
さらに、図2dに示されているように、半導体基板のエッチング工程で素子分離酸化膜と隣接した半導体基板のエッチング速度が相対的に遅いので素子分離酸化膜と隣接してシリコンが上に突出して残るが、これにより、セルトランジスタのしきい値電圧が低くなり漏洩電流が増加することになるという問題点がある。
前記のような問題点を解決するため、リセスゲート領域のエッチング工程でチャンネル領域とこれに隣接した素子分離膜を部分的に露出させるマスクを用いて素子分離膜を先にエッチングしたあと、半導体基板をエッチングすることにより、リセスゲート領域にシリコンホーンが形成されることを防ぎ、エッチング工程のマージンを高める半導体素子の製造方法を提供することにその目的がある。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法は、(a)半導体基板に活性領域を定義する素子分離膜を形成する段階と、(b)前記活性領域の上部に第1の酸化膜を形成する段階と、(c)全体表面の上部に第1の窒化膜、平坦化された第2の酸化膜及び第2の窒化膜を順次形成する段階と、(d)ゲート予定領域の第2の窒化膜及び第2の酸化膜をエッチングし、前記ゲート予定領域の第1の窒化膜を露出させる段階と、(e)少なくともアイランド型リセスゲート予定領域を露出させるウインドーを備えたマスクパターンを形成し、前記マスクパターンはセル領域のゲート予定領域の活性領域、及びこれと隣接した活性領域及び素子分離膜の上部の第1の窒化膜を露出させるよう、前記ウインドーが前記ゲート予定領域及び活性領域の線幅より大きくなるよう形成する段階と、(f)前記マスクパターンにより露出した第1の窒化膜及び第1の酸化膜をエッチングして取り除く段階と、(g)前記第1の酸化膜が取り除かれ露出した素子分離膜を所定厚さにエッチングする段階と、露出した半導体基板をエッチングしてリセスゲート領域を形成する段階と、(h)前記露出した半導体基板の表面にゲート絶縁膜を形成する段階と、(i)全体表面の上部に前記リセスゲート領域を埋め込む下部ゲート用導電層を形成したあと、前記素子分離膜が露出するまでエッチングし、少なくとも前記リセスゲート領域を埋め込む第1の下部ゲート電極を形成する段階と、(j)前記リセスゲート領域の表面に第2の下部ゲート電極を形成し、前記リセスゲート領域を埋め込む第3の窒化膜を形成する段階と、(k)前記第2の酸化膜をエッチングして取り除き、露出した第1の窒化膜をエッチングして取り除く段階と、第1の酸化膜をエッチングして取り除いたあと、全体表面の上部に第3の酸化膜を形成する段階と、(l)前記第1の下部ゲート電極の両側の半導体基板にLDD領域を形成する段階と、(m)全体表面の上部に第4の窒化膜及び第4の酸化膜を形成したあと、周辺回路領域の第4の窒化膜及び第4の酸化膜のみをエッチングし、周辺回路領域の第2の下部ゲート電極の側壁にスペーサを形成し、前記スペーサの両側の半導体基板にソース/ドレーン領域を形成する段階と、(n)セル領域の第4の酸化膜を取り除いたあと全体表面の上部に第5の窒化膜及び第1の層間絶縁膜を形成し、第3の窒化膜が露出するまで平坦化エッチングする段階と、(o)セル領域のゲート電極の両側のソース/ドレーン予定領域の上部の第1の層間絶縁膜、第5の窒化膜、第4の窒化膜及び第3の酸化膜をエッチングして半導体基板を露出させ、前記露出した半導体基板にソース/ドレーン領域を形成する段階と、(p)前記セル領域のソース/ドレーン領域の上部にコンタクトプラグ及び第5の酸化膜の積層構造を形成する段階と、(q)前記第3の窒化膜を取り除き、前記第3の酸化膜及び第5の酸化膜を所定厚さにエッチングする段階と、(r)前記第2の下部ゲート電極の表面に第3の下部ゲート電極及びゲート障壁層を順次形成したあと、前記リセスゲート領域を埋め込む上部ゲート電極を形成してゲート構造物を形成する段階と、(s)前記ゲート構造物を所定厚さにエッチングする段階と、(t)前記露出した部分の第3の酸化膜、第4の窒化膜、第5の窒化膜及び第5の酸化膜をエッチングして取り除く段階と、(u)全体表面の上部に上部ゲート絶縁膜を形成したあと、前記コンタクトプラグが露出するまで平坦化エッチングする段階とを含むことを特徴とする。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体素子の製造方法は、(a)半導体基板に活性領域を定義する素子分離膜を形成する段階と、(b)前記活性領域の上部に第1の酸化膜を形成する段階と、(c)全体表面の上部に第1の窒化膜、平坦化された第2の酸化膜及び第2の窒化膜を順次形成する段階と、(d)ゲート予定領域の第2の窒化膜及び第2の酸化膜をエッチングし、前記ゲート予定領域の第1の窒化膜を露出させる段階と、(e)少なくともアイランド型リセスゲート予定領域を露出させるウインドーを備えたマスクパターンを形成し、前記マスクパターンはセル領域のゲート予定領域の活性領域及びこれと隣接した活性領域及び素子分離膜の上部の第1の窒化膜を露出させるよう、前記ウインドーが前記ゲート予定領域及び活性領域の線幅より大きくなるよう形成する段階と、(f)前記マスクパターンにより露出した第1の窒化膜及び第1の酸化膜をエッチングして取り除く段階と、(g)前記第1の酸化膜が取り除かれ露出した素子分離膜を所定厚さにエッチングする段階と、露出した半導体基板をエッチングしてリセスゲート領域を形成する段階と、(h)前記露出した半導体基板の表面にゲート酸化膜を形成する段階と、(i)全体表面の上部に前記リセスゲート領域を埋め込む下部ゲート電極用導電層を形成したあと、前記素子分離膜が露出するまでエッチングし、少なくとも前記リセスゲート領域を埋め込む第1の下部ゲート電極を形成する段階と、(j)前記リセスゲート領域の表面に第2の下部ゲート電極及びゲート障壁層を順次形成したあと、前記リセスゲート領域を埋め込む上部ゲート電極を形成してゲート構造物を形成する段階と、(k)前記第2の酸化膜の露出した側壁を所定厚さにエッチングする段階と、(l)全体表面の上部に上部ゲート絶縁膜を形成したあと、前記第2の酸化膜が露出するまで平坦化エッチングする段階と、(m)前記セル領域の全面に第3の酸化膜を形成する段階と、(n)前記ゲート構造物の側壁にのみ第2の酸化膜が残留するよう、前記上部ゲート絶縁膜をマスクとして周辺回路領域の第2の酸化膜をエッチングする段階と、(o)前記ゲート構造物の両側の半導体基板にLDD領域を形成する段階と、(p)前記ゲート構造物の側壁にゲート側壁絶縁膜を形成する段階と、(q)前記ゲート構造物の両側の半導体基板にソース/ドレーン領域を形成する段階と、(r)全体表面の上部に第4の窒化膜及び第1の層間絶縁膜を形成したあと、前記上部ゲート絶縁膜が露出するまで研磨する段階と、(s)前記第3の酸化膜をエッチングして取り除き、前記セル領域の第2の酸化膜及び第1の窒化膜をエッチングしてコンタクトホールを形成する段階と、(t)前記コンタクトホール底部の半導体基板に不純物を注入してLDD領域を形成する段階と、(u)前記コンタクトホール底部の第1の酸化膜をエッチングして半導体基板を露出させたあと、露出した半導体基板に不純物を注入してソース/ドレーン領域を形成する段階と、(v)前記コンタクトホールを埋め込むコンタクトプラグを形成する段階とを含むことを特徴とする。
本発明に係る半導体素子の製造方法は、リセスゲート領域のエッチング工程でチャンネル領域とこれに隣接した素子分離膜を部分的に露出させるマスクを用いて素子分離膜を先にエッチングしたあと、半導体基板をエッチングすることにより、リセスゲート領域にシリコンホーンが形成されることを防ぎ、エッチング工程のマージンを高めるという効果が得られる。
具体的には、リセスゲートマスクを従来のライン型から、セルトランジスタが形成される部分のみ露出するようアイランド型に設計し、ゲート領域を定義するゲートマスクパターンを従来の技術とは逆にゲート電極が形成される部分が露出されるよう設計することにより、リセスゲートマスクと素子分離マスクとの間に過度な整合誤差が生じる場合でも半導体基板が非正常的にエッチングされるのを防ぐことができる。従って、半導体基板の非正常的なエッチングにより発生する接合漏洩電流を抑制し、半導体素子のリフレッシュ特性を向上させるのが可能である。
さらに、本発明はLDD及びS/D領域を先ず形成し、後続してセル及び周辺回路領域のトランジスタのゲート障壁層及びゲート上部電極を形成するため、ゲート障壁層及び上部電極形成後の高温熱処理過程を省略することができるので、従来の技術の問題点である、ゲート電極の形成後の高温の熱処理過程で上部ゲート電極、ゲート障壁層及び下部ゲート電極の間の界面特性が相違して発生する半導体素子の電気的誤動作を起こすという問題点を改善することができる。
以下、本発明の実施の形態を図を参照して詳しく説明する。
図5〜図7は、本発明に係る半導体素子のレイアウトである。
図5に示されているように、半導体基板の上部に素子分離膜230、活性領域200a、及び活性領域200aと交差するワードラインのゲート構造物600が形成されている。ゲート構造物600の線幅はF(Fはデザインルールに従う最小線幅)であり、リセスゲート領域280はライン型の代わりにアイランド型でゲート構造物600の下部に備えられ、ゲート構造物600の幅より左右にそれぞれDほど大きく、活性領域200aの線幅Fより上下にそれぞれEほど大きい。ここで、図5に示されたリセスゲート領域280は便宜上、露光マスクに定義される領域が示されていることを留意しなければならない。D及びEの範囲は−(1/3)F≦D≦0.5F、0≦E≦0.5Fであるのが好ましい。
図6は本発明の実施の形態に係る半導体素子の第2のレイアウトであり、図5と比べると露光マスクにより定義されるリセスゲート領域280がセルトランジスタ2つに亘って定義されることが分かる。さらに、ゲート構造物600の線幅がリセスゲート領域280では他の部分より小さくなることが分かる。
図7は本発明の実施の形態に係る半導体素子の第3のレイアウトであり、図5と比べて露光マスクにより定義されるリセスゲート領域280がセルトランジスタ2つに亘って定義されることが分かる。さらに、ゲート構造物600の線幅がリセスゲート領域280以外の領域ではリセスゲート領域280より小さくなることが分かる。
図8a〜図8kは、本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図で、図8a(i)〜図8k(i)は図5のI―I’に沿う断面を示し、図8a(ii)〜図8(ii)は図5のI―I’に沿う断面を示す。
図8aに示されているように、STI工程を行なって活性領域200aを定義する素子分離膜230を形成する。具体的には、半導体基板200の上部にパッド酸化膜210、パッド窒化膜220及び感光膜(図示省略)を積層して素子分離領域を定義する素子分離マスクを用い、前記感光膜を露光及び現像して素子分離予定領域を露出させるマスクパターン(図示省略)を形成する。その後、前記マスクパターンにより露出したパッド窒化膜220、パッド酸化膜210所定厚さの半導体基板200を順次エッチングして素子分離トレンチ(図示省略)を形成したあと残留する前記マスクパターンを取り除く。その次に、全体表面の上部に前記素子分離トレンチを埋め込む酸化膜を形成し、パッド窒化膜220が露出するまでCMP工程で研磨して活性領域200aを定義する素子分離膜230を形成する。
図8bに示されているように、パッド窒化膜220を湿式エッチング方法で取り除いたあと全体表面に感光膜(図示省略)を塗布する。次に、ウェルイオン注入マスクを利用した露光及び現像工程で所定のウェル領域を定義するマスクパターンを形成する。以後、所定のイオン注入工程でそれぞれ深いn型ウェル、セルウェル、n型ウェル及びp型ウェル領域を形成したあと前記マスクパターンを取り除く。ここで、各領域にトランジスタのしきい値電圧を調節するためのチャンネル領域ドーピングもウェルイオン注入工程と共に進めるのが好ましい。その次に、パッド酸化膜210を取り除いたあと半導体基板に第1の酸化膜240を形成する。次には、全体表面の上部に第1の窒化膜250、平坦化された第2の酸化膜260及び第2の窒化膜270を積層する。ここで、第1の酸化膜240を成長したあと、第1の窒化膜250の代わりに多結晶シリコン層を蒸着する。以後、第2の酸化膜260を厚く蒸着して平坦化したあと、第2の窒化膜270を蒸着することもできる。
図8cに示されているように、感光膜(図示省略)を第2の窒化膜270の上部に塗布してゲート領域を定義するゲートマスク(図示省略)を用い、感光膜を露光及び現像してリセスゲート領域(図示省略)を露出させるマスクパターン(図示省略)を形成する。次には、前記マスクパターンをマスクとして露出された第2の窒化膜270及び第2の酸化膜260をエッチングしたあと前記マスクパターンを取り除く。
その次に、感光膜を塗布し、図5、図6又は図7のリセスゲート領域280を定義するリセスゲートマスクを用い、前記感光膜を露光及び現像してリセスゲート予定領域の第1の窒化膜250を露出させるマスクパターンを形成する。ここで、リセスゲート予定領域を定義する前記マスクパターンはリセスゲート領域(図示省略)の線幅より左右にそれぞれDほど大きく、少なくとも活性領域200aの線幅Fより上下にそれぞれEほど大きい領域を露出させる。即ち、図5に示されたリセスゲート領域280を定義する露光マスクを用いて露光及び現像する場合は、1つの活性領域に対し2つのリセスゲート領域を定義するアイランド型ウインドーを備えたマスクパターンが形成され、図6又は図7に示されたリセスゲート領域280を定義する露光マスクを用いて露光及び現像する場合は、1つの活性領域に対し1つのリセスゲート領域を定義するアイランド型ウインドーを備えたマスクパターンが形成される。
次に、露出した第1の窒化膜250及び第1の酸化膜240を順次エッチングし、リセスゲート領域280の半導体基板200及び素子分離膜230を露出させたあと前記マスクパターンを取り除く。ここで、従来の技術とは別に、本発明ではリセスゲートマスクを利用し形成したマスクパターンがセルトランジスタのリセスゲート領域のみを露出させるので、リセスゲート領域280でない素子分離膜230の上部の第1の窒化膜250(点線で示されている部分)はエッチングされず素子分離膜230の上部に残留することになる。その次に、リセスゲート領域280の素子分離膜230を所定厚さにエッチングする。
ここで、エッチングされる素子分離膜230の量は、図8dの半導体基板200のエッチング工程でエッチングされる半導体基板200の厚さにより異なるよう調節することができ、一般にエッチングされる半導体基板200の厚さより小さいか同一に調節する。図9には素子分離膜230をエッチングしたあとの図5のII―II’に沿う断面が示されている。
図8dに示されているように、露出した半導体基板200をエッチングしてセルトランジスタのリセスゲート領域を形成したあと、露出した半導体基板200の表面にゲート絶縁膜290を形成する。次には、全体表面の上部に第1の下部ゲート電極層を蒸着したあと、その上に感光膜を塗布して平坦化する。ここで、セル領域のゲート領域の幅が周辺回路領域のゲート領域の幅より小さいのでセル領域のゲート領域は完全に埋め込まれるが、周辺回路領域のゲート領域は完全に埋め込まれない。
その次に、第1の下部ゲート電極層が露出するまで感光膜をエッチングして感光膜パターン310を形成したあと、残留する感光膜パターン310をマスクとして第2の窒化膜270上の第1の下部ゲート電極層をエッチングして第1の下部ゲート電極300を形成し、さらにセル領域の素子分離膜230が現れるまで第1の下部ゲート電極300をエッチングしたあと残留している感光膜パターン310を取り除く。このとき、周辺回路領域のゲート領域では第2の酸化膜260の側壁と感光膜パターン310との間にある第1の下部ゲート電極300がエッチングされる。図10には図5のII―II’に沿う図8d(i)の断面が示されている。
ここで、セル領域の素子分離膜230の上で、第1の下部ゲート電極300を完全にエッチングせず一部残留も可能である。本発明の他の実施の形態として、セル領域のエッチングされた部分が完全に埋め込まれるよう第1の下部ゲート電極層(図示省略)を厚く蒸着したあと、その上部に窒化膜(図示省略)と感光膜を塗布してから、前記窒化膜が露出するまで感光膜をエッチングして感光膜パターン310を形成する。その次に、感光膜パターン310をマスクとして露出した窒化膜をエッチングし、再度第2の酸化膜260が露出するまで第1の下部ゲート電極層をエッチングして第1の下部ゲート電極300を形成する。
次には、さらにセル領域の素子分離膜230が現れるまで第1の下部ゲート電極300をエッチングしたあと感光膜パターン310を取り除き、周辺回路領域のゲート領域の第1の下部ゲート電極300の上部に残留する前記窒化膜を湿式エッチング方法で取り除くこともできる。本発明のさらに他の実施の形態として、セル部分のエッチングされた部分が完全に埋め込まれるよう第1の下部ゲート電極層を蒸着する代わりに、セル部分及び周辺回路領域のゲート領域のエッチングされた部分が完全に埋め込まれるよう第1の下部ゲート電極層を厚く蒸着し、再びその上に窒化膜を蒸着したあと前記窒化膜が全部取り除かれ第2の酸化膜260が露出するまで、前記窒化膜と第1の下部ゲート電極層をCMP工程で平坦化して第1の下部ゲート電極300を形成したあと、さらにセル領域の素子分離膜230が現れるまで第1の下部ゲート電極300をエッチングすることもできる。
本発明に係るリセスゲートマスクのため、セルトランジスタが形成される部分のみに第1の下部ゲート電極300が凹状に下へ陥没して形成される。従って、従来の技術とは別に、Dより大きいM値に誤整合が発生するとしても電荷格納領域のシリコン基板の上には第1の窒化膜250と第1の酸化膜240があるため、シリコン基板のエッチング時に電荷格納接合領域の半導体基板200はエッチングされない。
図8eに示されているように、第2の下部ゲート用電極層を蒸着したあと、第2の下部ゲート電極層(図示省略)の上部にセル領域及び周辺回路領域のゲート領域が完全に埋め込まれるよう第3の窒化膜330を形成する。その次に、第2の酸化膜260が露出するまで第3の窒化膜330と第2の下部ゲート電極層をCMP工程で平坦化エッチングして第2の下部ゲート電極300を形成する。ここで、第2の酸化膜260の上部の第2の下部ゲート電極層が現れるまで第3の窒化膜330を乾式エッチングしたあと、再び第2の酸化膜260の上の第2の下部ゲート電極層をエッチングすることもできる。
図8fに示されているように、露出した第3の窒化膜330と第2の下部ゲート電極320をマスクとして第2の酸化膜260をエッチングして取り除き、露出した第1の窒化膜250を湿式エッチングして取り除く。次には、所定のイオン注入工程を行ないセルトランジスタ及び周辺回路のn/p−MOSトランジスタにそれぞれLDD領域340を形成する。その次に、第1の酸化膜240を湿式エッチング方法で取り除いたあと第3の酸化膜350を形成する。ここで、第1の酸化膜240を湿式エッチングして取り除いたあと第3の酸化膜350を形成し、所定のイオン注入工程を行ないセルトランジスタ及び周辺回路のn/p―MOSトランジスタにそれぞれのLDD領域340を形成することもできる。さらに、ハロー(Halo)イオン注入領域(図示省略)をさらに形成することもできる。
図8gに示されているように、全体表面の上部に第4の窒化膜360を形成したあと第4の窒化膜360の上部に第4の酸化膜370を形成する。次には、周辺回路領域を露出させるマスクパターン(図示省略)を形成し、前記マスクパターンをマスクとして周辺回路領域の第4の酸化膜370及び第4の窒化膜360を順次エッチングし、ゲート側壁絶縁膜380を形成したあと残留するマスクパターンを取り除く。その次に、所定のイオン注入工程を行ない周辺回路領域のゲート側壁絶縁膜380の両側の半導体基板にソース/ドレーン領域390を形成する。
図8hに示されているように、感光膜(図示省略)を塗布したあと露光及び現像してセル領域を露出させるマスクパターン(図示省略)を形成する。次には、前記マスクパターンをマスクとして露出したセル領域の第4の酸化膜370を湿式エッチングして取り除いたあと、残留するマスクパターンを取り除く。その次に、全体表面の上部に第5の窒化膜400を薄く蒸着したあと、第5の窒化膜400の上部に第1の層間絶縁膜410を蒸着し、CMP工程で平坦化エッチングして第3の窒化膜330を露出させる。
ここで、第4の酸化膜370を湿式エッチングして取り除いたあと、第5の窒化膜400を蒸着せず直ちに第1の層間絶縁膜410を蒸着することもできる。次には、感光膜(図示省略)を塗布したあと露光及び現像してセルトランジスタのコンタクトプラグ予定領域を露出させるマスクパターンを形成する。その次に、前記マスクパターンをマスクとして露出したコンタクトプラグ予定領域の第1の層間絶縁膜410、第5の窒化膜400、第4の窒化膜360及び第3の酸化膜350をエッチングし、コンタクトプラグ予定領域の半導体基板200を露出させる。その次に、露出した半導体基板200に燐又は砒素イオンを注入してセルトランジスタのソース/ドレーン領域390を形成する。
次には、全体表面の上部に前記コンタクトプラグ予定領域を埋め込むプラグ用導電層(図示省略)を形成したあと、第3の窒化膜330が露出するまで平坦化エッチングしてコンタクトプラグ420を形成する。その次に、コンタクトプラグ420を所定厚さにエッチングしてリセスしたあと、コンタクトプラグ420の上部に第5の酸化膜430を形成する。
図8iに示されているように、第3の窒化膜330を湿式エッチング方法で取り除き、第2の下部ゲート電極320を露出させるゲート領域440を形成したあと、露出した第3の酸化膜350及び第5の酸化膜430を所定厚さに湿式エッチングする。
図8jに示されているように、露出した第2の下部ゲート電極320の上部に第3の下部ゲート電極用導電層(図示省略)、ゲート障壁用金属層(図示省略)を蒸着したあと、前記ゲート障壁用金属層(図示省略)の上部にゲート領域440を埋め込む上部ゲート電極用導電層(図示省略)を形成する。ここで、セル領域の場合ゲート領域440の線幅が小さいので完全に埋め込まれるが、周辺回路領域のゲート領域440は線幅が相対的に大きいため段差が生じる。次には、第6の窒化膜480を薄く蒸着したあと第6の窒化膜480の上部に感光膜を塗布して平坦化する。
その次に、周辺回路領域の第6の窒化膜480が露出するまで前記感光膜を乾式エッチングしたあと、露出した第6の窒化膜480及び前記上部ゲート電極用導電層、ゲート障壁用金属層(図示省略)、第3の下部ゲート電極用導電層(図示省略)を順次エッチングして第1の層間絶縁膜410を露出させる。次には、周辺回路領域のゲート絶縁膜290上のゲート電極が平坦化されるよう、露出した前記上部ゲート電極用導電層、ゲート障壁用金属層、第3の下部ゲート電極用導電層及び第2の下部ゲート電極用導電層を所定厚さにエッチバックし、上部ゲート電極470、ゲート障壁層460、第3の下部ゲート電極450及び第2の下部ゲート電極320でなるゲート構造物600を形成したあと前記感光膜を取り除く。
ここで、第2の下部ゲート電極320の上部に第3の下部ゲート電極450を形成せずゲート障壁層460を形成するか、第2の下部ゲート電極320の上部に第3の下部ゲート電極450を蒸着したあと、ゲート障壁層460を蒸着せず上部ゲート電極470を形成することもできる。さらに、第2の下部ゲート電極320の上部に第3の下部ゲート電極450とゲート障壁層460を形成せず上部ゲート電極470を直接形成することもできる。
図8kに示されているように、第6の窒化膜480を湿式エッチングして取り除き、セル領域の第3の酸化膜350及び第5の酸化膜430を湿式エッチングする。その次に、第4の窒化膜360及び第5の窒化膜400も一定量湿式エッチングしたあと、セル領域及び周辺回路領域のゲート領域440の上部を埋め込むよう上部ゲート絶縁膜490を厚く蒸着し、第1の層間絶縁膜410が露出するまで好ましくはCMP工程で平坦化エッチングする。
以後の工程は、通常のセルトランジスタの製造工程のように第2の層間絶縁膜の蒸着、ビットラインコンタクト及びビットラインの形成、層間絶縁膜の蒸着及びキャパシタコンタクト及びキャパシタの形成、第3の層間絶縁膜の蒸着、金属配線コンタクト及び金属配線の形成を行なってDRAMを完成する。
図11a〜図11fは、本発明の第2の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示した断面図であり、図11a(i)〜11f(i)は図5のI―I’に沿った断面を示し、図11a(ii)〜図11f(ii)は図5のI―I’に沿った断面を示す。
先ず、図8a〜図8dに示された工程を行ない図8dに示された構造物を形成する。
図11aに示されているように、露出した第1の下部ゲート電極300の上部に第2の下部ゲート電極用導電層(図示省略)及びゲート障壁用金属層(図示省略)を順次形成する。次には、セル領域のゲート領域を埋め込む上部ゲート電極用導電層(図示省略)を形成する。
その次に、全体表面の上部に第3の窒化膜480と感光膜(図示省略)を形成したあと、周辺回路領域の第3の窒化膜480が露出するまで感光膜を乾式エッチングする。次には、残留する感光膜をマスクとして露出した第3の窒化膜480及び前記上部ゲート電極用導電層、ゲート障壁用金属層、第2の下部ゲート電極用導電層を順次エッチングして第2の酸化膜260aを露出させる。
その次に、残留する感光膜と第2の酸化膜260aをマスクとして上部ゲート電極用導電層、ゲート障壁用金属層、第2の下部ゲート電極用導電層を所定厚さにエッチングし、第2の下部ゲート電極320、ゲート障壁層460、上部ゲート電極470を形成する。ここで、上部ゲート電極用導電層、ゲート障壁用金属層、第2の下部ゲート電極用導電層は周辺回路領域のゲート絶縁膜上部のゲート電極が図11aのように平坦になるまでエッチングするのが好ましい。その次に、残留する感光膜及び第3の窒化膜480を取り除く。
図11bに示されているように、露出した第2の酸化膜260の側壁を湿式エッチング方法で一定量エッチングし、全体表面の上部にセル領域及び周辺回路領域のゲート領域を埋め込む上部ゲート絶縁膜490を厚く形成したあと、第2の酸化膜260が露出するまでCMP工程で上部ゲート絶縁膜490を研磨する。
図11cに示されているように、全体表面の上部に第3の酸化膜500を蒸着し、第3の酸化膜500の上部にコア及び周辺回路領域のみを露出させるマスクパターン(図示省略)を形成する。次には、前記マスクパターンをマスクとして露出したコア及び周辺回路領域の第3の酸化膜500をエッチングして取り除く。その次に、露出したコア及び周辺回路領域の上部ゲート絶縁膜490をマスクとして第2の酸化膜260a及び第1の窒化膜250を順次乾式エッチングしたあと残留するマスクパターンを取り除く。次には、所定のイオン注入工程を行ないコア及び周辺回路のn/p−MOSトランジスタのゲートの両側にそれぞれのLDD領域340を形成する。ここで、第1の窒化膜250をエッチングせず、LDD領域340を形成することもできる。
図11dに示されているように、第4の酸化膜(図示省略)を蒸着して乾式エッチングしてコア及び周辺回路領域のゲート側壁にゲート側壁絶縁膜380を形成する。次には、セル領域のみを露出させるマスクパターン(図示省略)を形成したあと、前記マスクパターンをマスクとして露出したセル領域の第3の酸化膜500をエッチングする。次には、所定のイオン注入工程を行ないコア及び周辺回路のn/p−MOSトランジスタのゲート両側にそれぞれソース/ドレーン領域390を形成する。次には、第4の窒化膜400と第1の層間絶縁膜410を順次形成し、上部ゲート絶縁膜490が露出するまで第1の層間絶縁膜410、第4の窒化膜400及びゲート側壁絶縁膜380をCMP工程で研磨する。
図11eに示されているように、コンタクトプラグ領域を露出させるマスクパターン(図示省略)を形成したあと、前記マスクパターンをマスクとしてセル領域の第2の酸化膜260及び第1の窒化膜250を順次乾式エッチングしてコンタクトホールを形成する。次には、前記コンタクトホールの下部の半導体基板200に燐又は砒素イオンを注入し熱処理してセルトランジスタのLDD領域340を形成する。ここで、第1の窒化膜250をエッチングせずセルトランジスタのLDD領域340を形成することもできる。
図11fに示されているように、前記コンタクト底部の第1の酸化膜240をエッチングして半導体基板200を露出させたあと、前記露出した半導体基板200に燐又は砒素イオンを注入し熱処理してセルトランジスタのソース/ドレーン領域390を形成する。次には、全体表面の上部に前記コンタクトプラグ予定領域を埋め込むプラグ用導電層(図示省略)を形成したあと、第3の窒化膜330が露出するまでCMP工程で平坦化エッチングしてコンタクトプラグ420を形成する。
以後の工程は、通常のセルトランジスタの製造方法のように第2の層間絶縁膜の蒸着、ビットラインコンタクト及びビットラインの形成、層間絶縁膜の蒸着及びキャパシタコンタクト及びキャパシタの形成、第3の層間絶縁膜の蒸着、金属配線コンタクト及び金属配線の形成を行ないDRAMを完成する。
なお、本発明に対し好ましい実施の形態を基に説明したが、これらの実施の形態は例を示すことを目的として開示したものであり、当業者であれば、本発明に係る技術思想の範囲内で、多様な改良、変更、付加等が可能である。このような改良、変更等も特許請求の範囲に記載した本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。
従来の技術に係る半導体素子のレイアウトである。 従来の技術に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 従来の技術に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 従来の技術に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 従来の技術に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 従来の技術に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 従来の技術に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 従来の技術に係る半導体素子の製造工程でゲート構造物とリセスゲートとの間に誤整合が発生した場合を示す断面図である。 従来の技術に係る半導体素子の製造工程でリセスゲート領域に誤整合が発生した場合を示す断面図である。 本発明の1つの実施の形態に係る半導体素子の第1のレイアウトである。 本発明の1つの実施の形態に係る半導体素子の第2のレイアウトである。 本発明の1つの実施の形態に係る半導体素子の第3のレイアウトである。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面である。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面である。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面である。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面である。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面である。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面である。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面である。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面である。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面である。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面である。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面である。 図8cの工程を行なったあとの図5のII―II’に沿う断面を示す断面図である。 図8dの工程を行なったあとの図5のII―II’に沿う断面を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。
符号の説明
200 半導体基板
200a 活性領域
210 パッド酸化膜
220 パッド窒化膜
230 素子分離膜
240 第1の酸化膜
250 第1の窒化膜
260、260a 第2の酸化膜
270 第2の窒化膜
280 リセスゲート領域
290 ゲート絶縁膜
300 第1の下部ゲート電極
310 感光膜パターン
320 第2の下部ゲート電極
330 第3の窒化膜
340 LDD領域
350 第3の酸化膜
360 第4の窒化膜
370 第4の酸化膜
380 ゲート側壁絶縁膜
390 ソース/ドレーン領域
400 第5の窒化膜
410 第1の層間絶縁膜
420 コンタクトプラグ
430 第5の酸化膜
440 ゲート領域
450 第3の下部ゲート電極
460 ゲート障壁層
470 上部ゲート電極
480 第6の窒化膜
490 上部ゲート絶縁膜
500 第3の酸化膜
600 ゲート構造物

Claims (10)

  1. (a)半導体基板に活性領域を定義する素子分離膜を形成する段階と、
    (b)前記活性領域の上部に第1の酸化膜を形成する段階と、
    (c)全体表面の上部に第1の窒化膜、平坦化された第2の酸化膜及び第2の窒化膜を順次形成する段階と、
    (d)ゲート予定領域の第2の窒化膜及び第2の酸化膜をエッチングし、前記ゲート予定領域の第1の窒化膜を露出させる段階と、
    (e)少なくともアイランド型リセスゲート予定領域を露出させるウインドーを備えたマスクパターンを形成し、前記マスクパターンはセル領域のゲート予定領域の活性領域、及びこれと隣接した活性領域及び素子分離膜の上部の第1の窒化膜を露出させるよう、前記ウインドーが前記ゲート予定領域及び活性領域の線幅より大きくなるよう形成する段階と、
    (f)前記マスクパターンにより露出した第1の窒化膜及び第1の酸化膜をエッチングして取り除く段階と、
    (g)前記第1の酸化膜が取り除かれ露出した素子分離膜を所定厚さにエッチングする段階と、露出した半導体基板をエッチングしてリセスゲート領域を形成する段階と、
    (h)前記露出した半導体基板の表面にゲート絶縁膜を形成する段階と、
    (i)全体表面の上部に前記リセスゲート領域を埋め込む下部ゲート用導電層を形成したあと、前記素子分離膜が露出するまでエッチングし、少なくとも前記リセスゲート領域を埋め込む第1の下部ゲート電極を形成する段階と、
    (j)前記リセスゲート領域の表面に第2の下部ゲート電極を形成し、前記リセスゲート領域を埋め込む第3の窒化膜を形成する段階と、
    (k)前記第2の酸化膜をエッチングして取り除き、露出した第1の窒化膜をエッチングして取り除く段階と、第1の酸化膜をエッチングして取り除いたあと、全体表面の上部に第3の酸化膜を形成する段階と、
    (l)前記第1の下部ゲート電極の両側の半導体基板にLDD領域を形成する段階と、
    (m)全体表面の上部に第4の窒化膜及び第4の酸化膜を形成したあと、周辺回路領域の第4の窒化膜及び第4の酸化膜のみをエッチングし、周辺回路領域の第2の下部ゲート電極の側壁にスペーサを形成し、前記スペーサの両側の半導体基板にソース/ドレーン領域を形成する段階と、
    (n)セル領域の第4の酸化膜を取り除いたあと全体表面の上部に第5の窒化膜及び第1の層間絶縁膜を形成し、第3の窒化膜が露出するまで平坦化エッチングする段階と、
    (o)セル領域のゲート電極の両側のソース/ドレーン予定領域の上部の第1の層間絶縁膜、第5の窒化膜、第4の窒化膜及び第3の酸化膜をエッチングして半導体基板を露出させ、前記露出した半導体基板にソース/ドレーン領域を形成する段階と、
    (p)前記セル領域のソース/ドレーン領域の上部にコンタクトプラグ及び第5の酸化膜の積層構造を形成する段階と、
    (q)前記第3の窒化膜を取り除き、前記第3の酸化膜及び第5の酸化膜を所定厚さにエッチングする段階と、
    (r)前記第2の下部ゲート電極の表面に第3の下部ゲート電極及びゲート障壁層を順次形成したあと、前記リセスゲート領域を埋め込む上部ゲート電極を形成してゲート構造物を形成する段階と、
    (s)前記ゲート構造物を所定厚さにエッチングする段階と、
    (t)前記露出した部分の第3の酸化膜、第4の窒化膜、第5の窒化膜及び第5の酸化膜をエッチングして取り除く段階と、
    (u)全体表面の上部に上部ゲート絶縁膜を形成したあと、前記コンタクトプラグが露出するまで平坦化エッチングする段階とを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  2. 前記ウインドーは、前記アイランド型リセスゲート予定領域、及び前記アイランド型リセスゲート予定領域の間の活性領域及び素子分離膜を露出させることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  3. 前記リセスゲート領域の前記ゲート構造物の線幅は、リセスゲート領域以外の領域のゲート構造物の線幅より小さいことを特徴とする請求項2に記載の半導体素子の製造方法。
  4. 前記リセスゲート領域の前記ゲート構造物の線幅は、リセスゲート領域以外の領域のゲート構造物の線幅より大きいことを特徴とする請求項2に記載の半導体素子の製造方法。
  5. 前記ウインドーは前記ゲート予定領域より左右にそれぞれDほど大きく、前記活性領域の線幅より上下にEほど大きい(但し、−(1/3)F≦D≦0.5F、0≦E≦0.5F、Fはゲート構造物の線幅、Fは活性領域の線幅)ことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  6. (a)半導体基板に活性領域を定義する素子分離膜を形成する段階と、
    (b)前記活性領域の上部に第1の酸化膜を形成する段階と、
    (c)全体表面の上部に第1の窒化膜、平坦化された第2の酸化膜及び第2の窒化膜を順次形成する段階と、
    (d)ゲート予定領域の第2の窒化膜及び第2の酸化膜をエッチングし、前記ゲート予定領域の第1の窒化膜を露出させる段階と、
    (e)少なくともアイランド型リセスゲート予定領域を露出させるウインドーを備えたマスクパターンを形成し、前記マスクパターンはセル領域のゲート予定領域の活性領域及びこれと隣接した活性領域及び素子分離膜の上部の第1の窒化膜を露出させるよう、前記ウインドーが前記ゲート予定領域及び活性領域の線幅より大きくなるよう形成する段階と、
    (f)前記マスクパターンにより露出した第1の窒化膜及び第1の酸化膜をエッチングして取り除く段階と、
    (g)前記第1の酸化膜が取り除かれ露出した素子分離膜を所定厚さにエッチングする段階と、露出した半導体基板をエッチングしてリセスゲート領域を形成する段階と、
    (h)前記露出した半導体基板の表面にゲート酸化膜を形成する段階と、
    (i)全体表面の上部に前記リセスゲート領域を埋め込む下部ゲート電極用導電層を形成したあと、前記素子分離膜が露出するまでエッチングし、少なくとも前記リセスゲート領域を埋め込む第1の下部ゲート電極を形成する段階と、
    (j)前記リセスゲート領域の表面に第2の下部ゲート電極及びゲート障壁層を順次形成したあと、前記リセスゲート領域を埋め込む上部ゲート電極を形成してゲート構造物を形成する段階と、
    (k)前記第2の酸化膜の露出した側壁を所定厚さにエッチングする段階と、
    (l)全体表面の上部に上部ゲート絶縁膜を形成したあと、前記第2の酸化膜が露出するまで平坦化エッチングする段階と、
    (m)前記セル領域の全面に第3の酸化膜を形成する段階と、
    (n)前記ゲート構造物の側壁にのみ第2の酸化膜が残留するよう、前記上部ゲート絶縁膜をマスクとして周辺回路領域の第2の酸化膜をエッチングする段階と、
    (o)前記ゲート構造物の両側の半導体基板にLDD領域を形成する段階と、
    (p)前記ゲート構造物の側壁にゲート側壁絶縁膜を形成する段階と、
    (q)前記ゲート構造物の両側の半導体基板にソース/ドレーン領域を形成する段階と、
    (r)全体表面の上部に第4の窒化膜及び第1の層間絶縁膜を形成したあと、前記上部ゲート絶縁膜が露出するまで研磨する段階と、
    (s)前記第3の酸化膜をエッチングして取り除き、前記セル領域の第2の酸化膜及び第1の窒化膜をエッチングしてコンタクトホールを形成する段階と、
    (t)前記コンタクトホール底部の半導体基板に不純物を注入してLDD領域を形成する段階と、
    (u)前記コンタクトホール底部の第1の酸化膜をエッチングして半導体基板を露出させたあと、露出した半導体基板に不純物を注入してソース/ドレーン領域を形成する段階と、
    (v)前記コンタクトホールを埋め込むコンタクトプラグを形成する段階とを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  7. 前記ウインドーは、前記アイランド型リセスゲート予定領域、及び前記アイランド型リセスゲート予定領域の間の活性領域及び素子分離膜を露出させることを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  8. 前記リセスゲート領域の前記ゲート構造物の線幅は、リセスゲート領域以外の領域のゲート構造物の線幅より小さいことを特徴とする請求項7に記載の半導体素子の製造方法。
  9. 前記リセスゲート領域の前記ゲート構造物の線幅は、リセスゲート領域以外の領域のゲート構造物の線幅より大きいことを特徴とする請求項7に記載の半導体素子の製造方法。
  10. 前記ウインドーは前記ゲート予定領域より左右にそれぞれDほど大きく、前記活性領域の線幅より上下にEほど大きい(但し、−(1/3)F≦D≦0.5F、0≦E≦0.5F、Fはゲート構造物の線幅、Fは活性領域の線幅)ことを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
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