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JP2012018989A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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JP2012018989A
JP2012018989A JP2010154221A JP2010154221A JP2012018989A JP 2012018989 A JP2012018989 A JP 2012018989A JP 2010154221 A JP2010154221 A JP 2010154221A JP 2010154221 A JP2010154221 A JP 2010154221A JP 2012018989 A JP2012018989 A JP 2012018989A
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film
insulating film
semiconductor
semiconductor device
manufacturing
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Japanese (ja)
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Kazuyoshi Yuki
和芳 幸
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Micron Memory Japan Ltd
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Elpida Memory Inc
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Publication date
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Abstract

【課題】高さのばらつきが低減された埋め込みビット線を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板内にビット線とワード線を有する半導体装置の製造方法において、半導体基板をエッチングして第1の方向に延在する第1の溝を形成することによって、複数の第1の半導体ピラーを形成する工程と、第1の半導体ピラーの側面の一部に拡散層を形成する工程と、隣接する前記第1の半導体ピラー間の前記第1の溝に、拡散層に接続するビット線を形成する工程と、第1の半導体ピラーと前記ビット線を覆う第1の絶縁膜を形成する工程と、第1の半導体ピラーの少なくとも一部が露出するように前記第1の絶縁膜に、第1の方向に直交する第2の方向に延在する第2の溝を形成する工程と、露出した第1の半導体ピラー上にエピタキシャル層を成長させて第2の半導体ピラーを形成する工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図34
A semiconductor device having a buried bit line with reduced variation in height is provided.
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device having a bit line and a word line in a semiconductor substrate, wherein the semiconductor substrate is etched to extend in a first direction. Forming a plurality of first semiconductor pillars by forming a groove; forming a diffusion layer on a part of a side surface of the first semiconductor pillar; and the step between adjacent first semiconductor pillars. Forming a bit line connected to the diffusion layer in the first groove; forming a first semiconductor pillar and a first insulating film covering the bit line; and at least a part of the first semiconductor pillar. Forming a second groove extending in a second direction orthogonal to the first direction in the first insulating film so as to be exposed, and forming an epitaxial layer on the exposed first semiconductor pillar. Growing second semiconductor pillar Forming, characterized by having a.
[Selection] Figure 34

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)では、高密度化とともに、その構成要素であるゲート、ソース、ドレインを平面的にレイアウトすることが困難となりつつある。最小配線ピッチが90nm以下のDRAM(Dynamic Random Accesss Memory)では、立体的なレイアウトが必要となっている。ここで、立体的なレイアウトとは、半導体基板の主面に対して垂直方向とした半導体の柱(以下「半導体ピラー」と称するが、半導体がシリコンである場合は「シリコンピラー」と称する。)の上端部と下端部にソース/ドレイン(S/D)を設けて、さらに中間部の表面に、ゲート絶縁膜及びゲート電極(ワード線)を配置して、各構成要素を半導体基板の主面に対して積み重ねた構造(以下「縦型トランジスタ」と称する)としたものである。   In MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), it is becoming difficult to planarly lay out components, such as gates, sources, and drains, as the density increases. A DRAM (Dynamic Random Access Memory) having a minimum wiring pitch of 90 nm or less requires a three-dimensional layout. Here, the three-dimensional layout is a semiconductor pillar perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate (hereinafter referred to as “semiconductor pillar”, but is referred to as “silicon pillar” when the semiconductor is silicon). A source / drain (S / D) is provided at the upper end and lower end of the semiconductor substrate, and a gate insulating film and a gate electrode (word line) are arranged on the surface of the intermediate portion. Are stacked (hereinafter referred to as “vertical transistors”).

特開2008−140996号公報JP 2008-140996 A 特開平08−250612号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-250612

図49は、DRAMのメモリセルにおける縦型トランジスタの概要を断面図で示したものである。
表面201aを有するシリコンからなる半導体基板200に、底面を201bとするトレンチ202a、202bが形成されている。トレンチの間の領域にはトランジスタのチャネルとなるシリコンピラー203a、203b、203cが形成されている。シリコンピラー203aの両側壁には一対の埋め込みゲート電極208a、208bが形成され、隣接するシリコンピラー203bの両側壁には一対の埋め込みゲート電極208c、208dが形成されている。ゲート電極はワード線として機能する。トレンチの底部には熱酸化膜204を介して埋め込みビット線205a、205bが形成されている。平面視においては、ビット線の延在方向はワード線の延在方向に垂直な方向となっている。埋め込みビット線205a、205bは、半導体基板200に形成されトランジスタのソース又はドレイン(S/D)を構成する一方の拡散層206a、206bと接続されている。各々のシリコンピラーの上部には、トランジスタのソース又はドレイン(S/D)を構成する他方の拡散層210が形成されている。拡散層210の上にはコンタクトプラグ212を介してキャパシタ213が形成されている。キャパシタ213は下部電極213a、容量絶縁膜213b、上部電極213cで構成されている。各々のシリコンピラーおよびコンタクトプラグは、層間絶縁膜209および211により絶縁分離されている。シリコンピラー203bに注目すると、ビット線205bに接続し、ソース/ドレイン(S/D)を構成する一方の拡散層206bと、ピラーの両側壁に形成される一対のゲート電極208c、208dと、キャパシタに接続し、ソース/ドレイン(S/D)を構成する他方の拡散層210とで一つの縦型トランジスタが構成されている。
FIG. 49 is a sectional view showing an outline of a vertical transistor in a DRAM memory cell.
In a semiconductor substrate 200 made of silicon having a surface 201a, trenches 202a and 202b having a bottom surface 201b are formed. In the region between the trenches, silicon pillars 203a, 203b, and 203c that form the channel of the transistor are formed. A pair of buried gate electrodes 208a and 208b are formed on both side walls of the silicon pillar 203a, and a pair of buried gate electrodes 208c and 208d are formed on both side walls of the adjacent silicon pillar 203b. The gate electrode functions as a word line. Embedded bit lines 205a and 205b are formed at the bottom of the trench via a thermal oxide film 204. In plan view, the extending direction of the bit line is a direction perpendicular to the extending direction of the word line. The buried bit lines 205a and 205b are connected to one of the diffusion layers 206a and 206b formed in the semiconductor substrate 200 and constituting the source or drain (S / D) of the transistor. On the top of each silicon pillar, the other diffusion layer 210 constituting the source or drain (S / D) of the transistor is formed. A capacitor 213 is formed on the diffusion layer 210 via a contact plug 212. The capacitor 213 includes a lower electrode 213a, a capacitive insulating film 213b, and an upper electrode 213c. Each silicon pillar and contact plug are insulated and separated by interlayer insulating films 209 and 211. Focusing on the silicon pillar 203b, one diffusion layer 206b connected to the bit line 205b and constituting the source / drain (S / D), a pair of gate electrodes 208c and 208d formed on both side walls of the pillar, and a capacitor One vertical transistor is constituted by the other diffusion layer 210 constituting the source / drain (S / D).

このような縦型トランジスタとすることによって、単位メモリセルあたりの占有面積を縮小することができるので、MOSFETの高密度化が可能となる。縦型トランジスタでは、ドレイン領域に接続させるビット線をゲート電極の下方に配置した階層構造とするため、ビット線を隣接した半導体ピラーで囲まれた溝の底部へゲート電極よりもさらに深く埋め込んでおく必要がある。しかしながら、MOSFETの占有面積を縮小するには、埋め込む溝の開口径を小さくしなければならず、その結果、溝のアスペクト比(深さ/開口径の比)が増加する傾向にある。   By using such a vertical transistor, the occupied area per unit memory cell can be reduced, so that the density of the MOSFET can be increased. In the vertical transistor, since the bit line connected to the drain region has a hierarchical structure in which the bit line is disposed below the gate electrode, the bit line is buried deeper than the gate electrode at the bottom of the groove surrounded by the adjacent semiconductor pillar. There is a need. However, in order to reduce the area occupied by the MOSFET, the opening diameter of the groove to be embedded must be reduced, and as a result, the aspect ratio (depth / opening diameter ratio) of the groove tends to increase.

アスペクト比が増加すると、ビット線とする導電性膜が埋め込み難くなり、溝内にボイドが発生するので、均一に埋め込むことが困難となる。このような導電性膜をビット線に加工しても、その膜厚(高さ)のばらつきを低減させることができず、ビット線の電気抵抗が安定しないので、MOSFETの性能が低下するという問題が生じる。   As the aspect ratio increases, it becomes difficult to embed the conductive film serving as the bit line, and voids are generated in the trench, making it difficult to embed uniformly. Even if such a conductive film is processed into a bit line, variations in the film thickness (height) cannot be reduced, and the electric resistance of the bit line is not stable, so that the performance of the MOSFET deteriorates. Occurs.

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板内にビット線とワード線を有する半導体装置の製造方法において、半導体基板をエッチングして第1の方向に延在する第1の溝を形成することによって、複数の第1の半導体ピラーを形成する工程と、前記第1の半導体ピラーの側面の一部に拡散層を形成する工程と、隣接する前記第1の半導体ピラー間の前記第1の溝に、前記拡散層に接続するビット線を形成する工程と、前記第1の半導体ピラーと前記ビット線を覆う第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の半導体ピラーの少なくとも一部が露出するように前記第1の絶縁膜に、前記第1の方向に直交する第2の方向に延在する第2の溝を形成する工程と、前記露出した第1の半導体ピラー上にエピタキシャル層を成長させて第2の半導体ピラーを形成する工程と、を有することを特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a bit line and a word line in a semiconductor substrate to form a first groove extending in a first direction by etching the semiconductor substrate. Accordingly, a step of forming a plurality of first semiconductor pillars, a step of forming a diffusion layer on a part of a side surface of the first semiconductor pillar, and the first between the adjacent first semiconductor pillars. Forming a bit line connected to the diffusion layer in the trench; forming a first insulating film covering the first semiconductor pillar and the bit line; and at least a part of the first semiconductor pillar. Forming a second groove extending in a second direction orthogonal to the first direction in the first insulating film so as to be exposed, and epitaxially forming on the exposed first semiconductor pillar. Grow the second layer And having the steps of forming a conductive pillar, a.

本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、低アスペクト比を有する浅い溝に埋め込みビット線を形成した後に、縦型トランジスタのチャネルとなる部分をエピタキシャル成長によって形成する構成であるため、高さ若しくは厚さのばらつきが低減された埋め込みビット線の形成が可能となる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, since a buried bit line is formed in a shallow trench having a low aspect ratio, a portion that becomes a channel of a vertical transistor is formed by epitaxial growth. It is possible to form a buried bit line with reduced thickness variation.

本発明に係る半導体装置の製造方法によって製造した半導体装置の概観を示す要部斜視図である。It is a principal part perspective view which shows the general view of the semiconductor device manufactured with the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 図1に示した半導体装置の平面レイアウトを示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a planar layout of the semiconductor device shown in FIG. 1. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図3中のA−A線による断面図である。It is sectional drawing by the AA line in FIG. 3 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図4と同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 4 for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図39中のA−A線による断面図である。FIG. 40 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 39 for illustrating a process of the method for manufacturing a semiconductor device to which the present invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図39中のB−B線による断面図である。FIG. 40 is a cross-sectional view taken along line B-B in FIG. 39 for illustrating a process of the method for manufacturing a semiconductor device to which the present invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Aと同じ位置での断面図である。FIG. 40B is a cross-sectional view at the same position as that in FIG. 40A for describing a process of the semiconductor device manufacturing method to which the present invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Bと同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 40B for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Aと同じ位置での断面図である。FIG. 40B is a cross-sectional view at the same position as that in FIG. 40A for describing a process of the semiconductor device manufacturing method to which the present invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Bと同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 40B for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Aと同じ位置での断面図である。FIG. 40B is a cross-sectional view at the same position as that in FIG. 40A for describing a process of the semiconductor device manufacturing method to which the present invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Bと同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 40B for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Aと同じ位置での断面図である。FIG. 40B is a cross-sectional view at the same position as that in FIG. 40A for describing a process of the semiconductor device manufacturing method to which the present invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Bと同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 40B for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Aと同じ位置での断面図である。FIG. 40B is a cross-sectional view at the same position as that in FIG. 40A for describing a process of the semiconductor device manufacturing method to which the present invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Bと同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 40B for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Aと同じ位置での断面図である。FIG. 40B is a cross-sectional view at the same position as that in FIG. 40A for describing a process of the semiconductor device manufacturing method to which the present invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Bと同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 40B for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Aと同じ位置での断面図である。FIG. 40B is a cross-sectional view at the same position as that in FIG. 40A for describing a process of the semiconductor device manufacturing method to which the present invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための図40Bと同じ位置での断面図である。It is sectional drawing in the same position as FIG. 40B for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the process of the manufacturing method of the semiconductor device to which this invention is applied. 従来の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置の概観を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the general view of the semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the conventional semiconductor device.

以下に、本発明を適用した一実施形態である半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同一部材には同一符号を付し説明を省略又は簡略化する。また、同一部材には適宜符号を省略する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的であり、長さ、幅、及び厚みの比率等は現実のものとは異なる。
以下の実施形態では、実施例を併せて説明するが、具体的に示した材料や寸法等の条件は例示に過ぎない。
A semiconductor device manufacturing method according to an embodiment to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. The same symbols are attached to the same members, and the description is omitted or simplified. Further, the same members will be appropriately omitted. The drawings used in the following description are schematic, and the ratio of length, width, thickness, and the like are different from actual ones.
In the following embodiments, examples will be described together, but the specific conditions such as materials and dimensions are merely examples.

図1及び図2は、本発明を適用した半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置の概要を示したものである。図3〜図48は、本発明を適用した一実施形態である半導体装置の製造方法のうち、半導体装置の埋め込みワード線を形成するまでの工程を示す図面である。特に、図3〜図38は半導体装置の埋め込みビット線の形成方法を示しており、また、図39〜図48は半導体装置の埋め込みワード線の形成方法を示している。   1 and 2 show an outline of a semiconductor device manufactured by a method of manufacturing a semiconductor device to which the present invention is applied. 3 to 48 are drawings showing steps up to forming a buried word line of a semiconductor device in a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment to which the present invention is applied. 3 to 38 show a method for forming a buried bit line of a semiconductor device, and FIGS. 39 to 48 show a method for forming a buried word line of a semiconductor device.

図1および図2では、本発明に係る半導体装置の製造方法によって製造した半導体装置の概要としてDRAMを例として説明する。図1は、DRAMのメモリセル部の斜視図である。図2は図1に示した半導体装置の平面レイアウトを示す平面図である。   1 and 2, a DRAM is described as an example of an outline of a semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention. FIG. 1 is a perspective view of a memory cell portion of a DRAM. FIG. 2 is a plan view showing a planar layout of the semiconductor device shown in FIG.

まず、図1を参照して説明する。
キャパシタ113は、シリコンからなる半導体基板100を掘り込んで形成したシリコンピラー101a、101b、101c、102a、102b上に形成されており、トランジスタのゲート電極を構成するワード線108a、108b、108c、108dと、ビット線105a、105bとは、シリコンピラーを取り囲むように、各々異なる高さで且つ互いに垂直方向に延在して形成されている。すなわち、各々のワード線はビット線より高い位置でX方向(第2の方向)に延在しており、各々のビット線はトレンチの最深部に形成されX方向に垂直なY方向(第1の方向)に延在している。単位セルを構成するトランジスタは、1本のビット線と2本のワード線で構成される。例えば、シリコンピラー101aは、ビット線105aとセル領域端部で接続される一対のワード線108a、108bで構成されている。同様にシリコンピラー102aはビット線105aと一対のワード線108c、108dで構成されている。他のシリコンピラーも同様である。
First, a description will be given with reference to FIG.
The capacitor 113 is formed on the silicon pillars 101a, 101b, 101c, 102a, and 102b formed by digging the semiconductor substrate 100 made of silicon, and the word lines 108a, 108b, 108c, and 108d constituting the gate electrodes of the transistors. The bit lines 105a and 105b are formed at different heights and extending in the vertical direction so as to surround the silicon pillar. That is, each word line extends in the X direction (second direction) at a position higher than the bit line, and each bit line is formed in the deepest part of the trench and is in the Y direction (first direction perpendicular to the X direction). Direction). The transistor constituting the unit cell is composed of one bit line and two word lines. For example, the silicon pillar 101a includes a pair of word lines 108a and 108b connected to the bit line 105a at the end of the cell region. Similarly, the silicon pillar 102a includes a bit line 105a and a pair of word lines 108c and 108d. The same applies to other silicon pillars.

ワード線は2本のワード線が1つのピラーに電気的に接続されたダブルゲートとなっているが、ビット線は、片側のシリコンピラーだけに電気的に接続されている。ビット線は、接続する反対側のシリコンピラーとはシリコンビラー側面に形成された絶縁膜(シリコン酸化膜)によって、未接続状態になっており、接続するシリコンピラー側の絶縁膜だけを開口してシリコンピラー内に形成された拡散層と接続している。従って、ビット線の底面は絶縁膜によってシリコン基板と絶縁されている。基本構成は、上述の図49と同様である。   The word line is a double gate in which two word lines are electrically connected to one pillar, but the bit line is electrically connected to only one silicon pillar. The bit line is not connected by the insulating film (silicon oxide film) formed on the side surface of the silicon pillar from the silicon pillar on the opposite side to be connected, and only the insulating film on the side of the connecting silicon pillar is opened. It is connected to a diffusion layer formed in the silicon pillar. Therefore, the bottom surface of the bit line is insulated from the silicon substrate by the insulating film. The basic configuration is the same as that in FIG.

次に、図2を参照して説明する。
本実施形態におけるメモリセルでは、シリコンピラー101a、101b、101c、102a、102b、102c、103a、103b、103cがX方向およびX方向に垂直なY方向に規則的にマトリックス状に配置されている。図2では、説明の便宜上、9個のシリコンピラーを記載しているが、これに限るものではなく、例えば、数千〜数十万個のシリコンピラーが配置されるものである。したがって、この場合、ビット線およびワード線も数百〜数千オーダーの本数となるものである。X方向に配置された各シリコンピラーの間にはY方向に延在するビット線105a、105bが形成される。各ビット線は、Y方向に配置された複数のシリコンピラーで共有されている。例えば、ビット線105aは、シリコンピラー101a、102a、103aで共有される。
Next, a description will be given with reference to FIG.
In the memory cell according to the present embodiment, silicon pillars 101a, 101b, 101c, 102a, 102b, 102c, 103a, 103b, and 103c are regularly arranged in a matrix in the X direction and the Y direction perpendicular to the X direction. In FIG. 2, nine silicon pillars are illustrated for convenience of explanation, but the present invention is not limited to this. For example, several thousand to several hundred thousand silicon pillars are arranged. Therefore, in this case, the number of bit lines and word lines is on the order of hundreds to thousands. Bit lines 105a and 105b extending in the Y direction are formed between the silicon pillars arranged in the X direction. Each bit line is shared by a plurality of silicon pillars arranged in the Y direction. For example, the bit line 105a is shared by the silicon pillars 101a, 102a, and 103a.

以下に、図1および図2に示した半導体装置の製造方法、特に図3〜図38を用いてビット線の形成方法について説明する。   Hereinafter, a method of manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 1 and 2, particularly a method of forming a bit line will be described with reference to FIGS. 3 to 38.

図3及び図4に示すように、まず、シリコン基板(半導体基板)100上に、シリコン窒化膜であるマスク膜104を形成する。
実施例においては、厚さ40nm程度のシリコン窒化膜であるマスク膜104を減圧CVD(Chemical Vapor Deposition)法により成膜した。この時の成膜条件は、ジクロロシラン(SiHCl)とアンモニア(NH)を原料ガスとし、それぞれの流量を75sccmと750sccmにして、加熱温度を630℃、圧力を300Paとした。
As shown in FIGS. 3 and 4, first, a mask film 104 that is a silicon nitride film is formed on a silicon substrate (semiconductor substrate) 100.
In the embodiment, a mask film 104 which is a silicon nitride film having a thickness of about 40 nm is formed by a low pressure CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The film formation conditions at this time were dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and ammonia (NH 3 ) as source gases, the flow rates were 75 sccm and 750 sccm, the heating temperature was 630 ° C., and the pressure was 300 Pa.

次に、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、Y方向(第1の方向)に延在するビット線用開口(孔部)105cをマスク膜104に形成する。
なお、各ビット線用開口105cの端部が広く形成されているが、コンタクトを形成する領域であって、ビット線の形成に悪影響は生じない。また、図4は、図3のA−A線の断面を示したものであり、以下、図37まで同様である。開口105cの底部にはシリコン基板(半導体基板)100が露出している。
実施例においては、開口105cの幅W1を45nmとした。
Next, a bit line opening (hole) 105 c extending in the Y direction (first direction) is formed in the mask film 104 by photolithography and dry etching.
Although the end of each bit line opening 105c is formed wide, it is a region where a contact is formed, and does not adversely affect the formation of the bit line. FIG. 4 shows a cross section taken along line AA of FIG. 3, and the same applies to FIG. A silicon substrate (semiconductor substrate) 100 is exposed at the bottom of the opening 105c.
In the example, the width W1 of the opening 105c is 45 nm.

次に、図5に示すように、マスク膜104をマスクに用いてシリコン基板(半導体基板)100を異方性ドライエッチングし、Y方向(第1の方向)に延在するトレンチ(第1の溝)106を形成する。
実施例においては、深さH1が50nmのトレンチ106を形成した。このドライエッチングでは、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)による反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法を使用した。この時のエッチング条件は、ソースパワーを1000W、 高周波パワーを50〜200W、圧力を5〜20mTorr、ステージ温度を20〜40℃として、六フッ化硫黄(SF)と塩素(Cl)をエッチングガスとし、それぞれの流量を90sccmと100sccmに設定した。
なお、このトレンチ106の形成によって、第1のシリコンピラー(第1の半導体ピラー)100bが形成される。
Next, as shown in FIG. 5, the silicon substrate (semiconductor substrate) 100 is anisotropically dry-etched using the mask film 104 as a mask, and a trench (first first) extending in the Y direction (first direction) is formed. Groove) 106 is formed.
In the embodiment, the trench 106 having a depth H1 of 50 nm is formed. In this dry etching, a reactive ion etching (RIE) method using inductively coupled plasma (ICP) was used. Etching conditions are as follows: source power is 1000 W, high frequency power is 50 to 200 W, pressure is 5 to 20 mTorr, stage temperature is 20 to 40 ° C., and sulfur hexafluoride (SF 6 ) and chlorine (Cl 2 ) are etched. Gas was used, and the respective flow rates were set to 90 sccm and 100 sccm.
The trench 106 is formed to form a first silicon pillar (first semiconductor pillar) 100b.

次に、図6に示すように、トレンチ106内を埋め込むことなく、かつ、トレンチ106の底面における膜厚T1が所定の厚さとなるようにシリコン酸化膜である絶縁膜(第2の絶縁膜)107を形成する。
実施例においては、加熱温度を800〜900℃としたラジカル酸化法により、トレンチ106の底面における膜厚T1が10nmとなるようにシリコン酸化膜である絶縁膜107を形成した。また、マスクとして用いたマスク膜104の膜厚が40nmで、シリコン基板のエッチング深さH1が50nmである。シリコン基板100に形成したトレンチのトータルの深さは90nmであり、開口の幅W1が45nmであるので、アスペクト比は2となっている。
Next, as shown in FIG. 6, an insulating film (second insulating film) which is a silicon oxide film so as not to fill the trench 106 and to have a predetermined thickness T1 on the bottom surface of the trench 106. 107 is formed.
In the example, the insulating film 107, which is a silicon oxide film, was formed by radical oxidation at a heating temperature of 800 to 900 ° C. so that the film thickness T1 on the bottom surface of the trench 106 was 10 nm. The thickness of the mask film 104 used as a mask is 40 nm, and the etching depth H1 of the silicon substrate is 50 nm. Since the total depth of the trench formed in the silicon substrate 100 is 90 nm and the width W1 of the opening is 45 nm, the aspect ratio is 2.

次に、図7に示すように、隣接した第1のシリコンピラー100b間に形成されたトレンチ内を埋め込むように、シリコン膜である埋め込み膜109を形成する。
実施例においては、原料ガスとしてモノシラン(SiH4)を用いた減圧CVD法により、シリコン膜である埋め込み膜109を形成した。
Next, as shown in FIG. 7, a buried film 109, which is a silicon film, is formed so as to fill in the trench formed between the adjacent first silicon pillars 100b.
In the embodiment, the buried film 109 which is a silicon film is formed by low pressure CVD using monosilane (SiH 4 ) as a source gas.

次に、図8に示すように、シリコン膜である埋め込み膜109とシリコン酸化膜である絶縁膜107とを等速でエッチングする条件で、異方性ドライエッチングを行い、各々の上面がトレンチ106の底面から同じ高さとなる位置までエッチバックする。この結果、各々の上面の位置が第1のシリコンピラー100bの上面と同じになるように、トレンチ106の底部及び側面部を覆う絶縁膜107aとその絶縁膜107aで形成されたトレンチ内に埋め込まれた埋め込み膜109aとが形成される。この結果、絶縁膜107a及び埋め込み膜109aの上面より上に新たなトレンチ106aが形成される。この段階では、埋め込み膜109aはビット線として機能するものではない。
実施例においては、誘導結合プラズマ(ICP:Inductive Coupled Plasma)による反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法により、上記異方性エッチングを行い、埋め込み膜109の上面と絶縁膜107の上面とが第1のシリコンピラー100bの上面と同じ高さになるように、トレンチ106の底面から高さH2が50nmとなる位置まで必要な時間でエッチバックした。
Next, as shown in FIG. 8, anisotropic dry etching is performed under the condition that the buried film 109 that is a silicon film and the insulating film 107 that is a silicon oxide film are etched at a constant speed, and each upper surface has a trench 106. Etch back to the same height from the bottom. As a result, the insulating film 107a covering the bottom and side surfaces of the trench 106 and the trench formed by the insulating film 107a are buried so that the position of each upper surface is the same as the upper surface of the first silicon pillar 100b. The buried film 109a is formed. As a result, a new trench 106a is formed above the upper surfaces of the insulating film 107a and the buried film 109a. At this stage, the buried film 109a does not function as a bit line.
In the embodiment, the anisotropic etching is performed by the reactive ion etching (RIE) method using inductively coupled plasma (ICP), and the upper surface of the buried film 109 and the upper surface of the insulating film 107 are formed. Is etched back from the bottom surface of the trench 106 to a position where the height H2 becomes 50 nm so that the height becomes the same height as the top surface of the first silicon pillar 100b.

次に、図9に示すように、トレンチ106a内及びマスク膜104上にシリコン酸化膜である絶縁膜110を形成する。
実施例においては、加熱温度を800〜900℃とした熱酸化法により、トレンチ106a内及びマスク膜104の上面に膜厚T3が3nmのシリコン酸化膜である絶縁膜110を形成する。
Next, as shown in FIG. 9, an insulating film 110 that is a silicon oxide film is formed in the trench 106 a and on the mask film 104.
In the embodiment, the insulating film 110, which is a silicon oxide film having a thickness T3 of 3 nm, is formed in the trench 106a and on the upper surface of the mask film 104 by a thermal oxidation method at a heating temperature of 800 to 900 ° C.

次に、図10に示すように、シリコン膜である埋め込み膜109a上を含むトレンチ106aの底部上に形成されたシリコン酸化膜とマスク膜104の上面に形成されたシリコン酸化膜とを除去した後、シリコン膜である埋め込み膜109aを選択的に除去する。
実施例においては、まず、異方性ドライエッチングにより、シリコン膜である埋め込み膜109a上に形成されたシリコン酸化膜と、マスク膜104の上面に形成されたシリコン酸化膜と除去した。この結果、トレンチ106aの内側壁に絶縁膜110が残存し、トレンチ106aの開口幅W2として39nmが確保された。
次いで、アンモニア水(NH3)によるウエットエッチングにより、埋め込み膜109aを選択的に除去した。
このウエットエッチングでは、シリコン酸化膜はエッチングされない。したがって、シリコン酸化膜である絶縁膜107aは底面の膜厚(T1)10nmを維持したまま残存し、シリコン膜である埋め込み膜109aだけが選択的に除去される。また、埋め込み膜109aを除去したことにより、そこに新たなトレンチ106bが形成される。
Next, as shown in FIG. 10, after the silicon oxide film formed on the bottom of the trench 106a including the buried film 109a which is a silicon film and the silicon oxide film formed on the upper surface of the mask film 104 are removed. Then, the buried film 109a which is a silicon film is selectively removed.
In the example, first, the silicon oxide film formed on the buried film 109a which is a silicon film and the silicon oxide film formed on the upper surface of the mask film 104 were removed by anisotropic dry etching. As a result, the insulating film 110 remained on the inner wall of the trench 106a, and 39 nm was secured as the opening width W2 of the trench 106a.
Next, the buried film 109a was selectively removed by wet etching with ammonia water (NH 3 ).
In this wet etching, the silicon oxide film is not etched. Therefore, the insulating film 107a, which is a silicon oxide film, remains while maintaining the bottom film thickness (T1) of 10 nm, and only the buried film 109a, which is a silicon film, is selectively removed. Further, by removing the buried film 109a, a new trench 106b is formed there.

次に、図11に示すように、トレンチ106aおよび106bを埋め込むように、全面に導電材料からなる埋め込み膜111を形成する。
実施例においては、導電材料としてヒ素ドープシリコンを用いた。
Next, as shown in FIG. 11, a buried film 111 made of a conductive material is formed on the entire surface so as to fill the trenches 106a and 106b.
In the examples, arsenic-doped silicon was used as the conductive material.

次に、図12に示すように、埋め込み膜111を異方性ドライエッチングによりエッチバックし、トレンチ106bを埋め込む。これにより、絶縁膜107aの上面107bと第1のシリコンピラー100bの上面と同じ位置の上面を有し、埋め込み膜111からなる新たな埋め込み膜111aを形成する。また、この段階で埋め込み膜111aの上方に新たなトレンチ112が形成される。トレンチ112の開口幅は39nmが確保されている。   Next, as shown in FIG. 12, the buried film 111 is etched back by anisotropic dry etching to fill the trench 106b. As a result, a new buried film 111a made of the buried film 111 having the upper surface at the same position as the upper surface 107b of the insulating film 107a and the upper surface of the first silicon pillar 100b is formed. At this stage, a new trench 112 is formed above the buried film 111a. The opening width of the trench 112 is 39 nm.

次に、図13に示すように、トレンチ112の内面を含む全面にシリコン窒化膜を形成した後、異方性ドライエッチングによりエッチバックし、シリコン窒化膜からなるサイドウォール保護膜114を形成する。
実施例においては、トレンチ112の内面を含む全面に厚さ5nmのシリコン窒化膜をCVD法により形成した後、異方性ドライエッチングによりエッチバックし、シリコン窒化膜からなるサイドウォール保護膜114を形成した。これにより、マスク膜104上に形成されたシリコン窒化膜および埋め込み膜111a上に形成されたシリコン窒化膜は除去される。サイドウォール保護膜114は、後のウエットエッチング工程において、絶縁膜110のエッチングを防止する役割を有する。この段階ではトレンチ112は新たなトレンチ112aとなり、その開口幅W3は29nmとなっている。
Next, as shown in FIG. 13, a silicon nitride film is formed on the entire surface including the inner surface of the trench 112, and then etched back by anisotropic dry etching to form a sidewall protective film 114 made of a silicon nitride film.
In the embodiment, a silicon nitride film having a thickness of 5 nm is formed on the entire surface including the inner surface of the trench 112 by a CVD method, and then etched back by anisotropic dry etching to form a sidewall protective film 114 made of a silicon nitride film. did. As a result, the silicon nitride film formed on the mask film 104 and the silicon nitride film formed on the buried film 111a are removed. The sidewall protective film 114 has a role of preventing the insulating film 110 from being etched in a later wet etching process. At this stage, the trench 112 becomes a new trench 112a, and its opening width W3 is 29 nm.

次に、図14に示すように、表面が露出している埋め込み膜111aをエッチバックしてさらに掘り下げる。掘り下げられた領域は、新たなトレンチ112bを形成し、その上方に形成されていたトレンチ112aと併せてトレンチ112cを形成する。
実施例においては、表面が露出している埋め込み膜111aをエッチバックしてさらに30nm掘り下げた。これにより、図12において形成した段階では垂直方向の厚さが40nmであった埋め込み膜111aは厚さ10nmの埋め込み膜111bとなり、また、トレンチ112bの深さは30nmとなった。
Next, as shown in FIG. 14, the buried film 111a whose surface is exposed is etched back and further dug down. The region dug down forms a new trench 112b, and forms a trench 112c together with the trench 112a formed above.
In the embodiment, the buried film 111a whose surface is exposed is etched back and further dug down by 30 nm. As a result, the buried film 111a whose vertical thickness was 40 nm at the stage of formation in FIG. 12 became a buried film 111b with a thickness of 10 nm, and the depth of the trench 112b was 30 nm.

次に、図15に示すように、トレンチ112cの側面にサイドウォール115を形成する。これにより、トレンチ112bの側面に露出している絶縁膜107aもサイドウォール115で被覆される。サイドウォール115の形成にあたっては、埋め込み膜111bの上面111c上の窒化チタン膜を除去する(図中、二点鎖線黒丸で示した部分)と同時に、マスクマスク膜104の上面より下がった位置にサイドウォール115の上面が位置するように制御する。
実施例においては、エッチング犠牲層となる厚さ7nmの窒化チタン膜をCVD法により全面に形成した後、異方性ドライエッチングにより、マスクマスク膜104の上面より20nm下がった位置にサイドウォール115の上面が位置するようにエッチバックし、トレンチ112cの側面に窒化チタン膜であるサイドウォール115を形成した。
Next, as shown in FIG. 15, sidewalls 115 are formed on the side surfaces of the trench 112c. Thus, the insulating film 107a exposed on the side surface of the trench 112b is also covered with the sidewall 115. In forming the sidewall 115, the titanium nitride film on the upper surface 111c of the buried film 111b is removed (portion indicated by a two-dot chain line black circle in the drawing), and at the same time, the side wall 115 is positioned below the upper surface of the mask mask film 104. Control is performed so that the upper surface of the wall 115 is positioned.
In the embodiment, a titanium nitride film having a thickness of 7 nm serving as an etching sacrificial layer is formed on the entire surface by the CVD method, and then the sidewall 115 is formed at a position 20 nm lower than the upper surface of the mask mask film 104 by anisotropic dry etching. Etchback was performed so that the upper surface was positioned, and a sidewall 115 made of a titanium nitride film was formed on the side surface of the trench 112c.

次に、図16に示すように、トレンチ112c内に残存する空間を埋め込むように、シリコン酸化膜である絶縁膜116を形成する。
絶縁膜116の形成には、CVD法、ALD法(Atomic Layer Depositin)あるいは回転塗布法を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 16, an insulating film 116, which is a silicon oxide film, is formed so as to fill the space remaining in the trench 112c.
For the formation of the insulating film 116, a CVD method, an ALD method (Atomic Layer Deposition), or a spin coating method can be used.

次に、図17に示すように、絶縁膜116をエッチバックして、絶縁膜116aを形成すると同時に、その上方にトレンチ117を形成する。絶縁膜116aの形成にあたっては、その上面がマスク膜104の上面から15nmより下に位置し、かつ、窒化チタンからなるサイドウォール115の上面が露出しないように制御する。
実施例においては、窒化チタンからなるサイドウォール115の上面と埋め込み絶縁膜116aの上面との垂直方向の間隔を5nmとしたが、5〜15nmの範囲であればよい。トレンチ117の開口幅W4は、図13の段階と同じで29nmとなっている。
Next, as shown in FIG. 17, the insulating film 116 is etched back to form the insulating film 116a, and at the same time, a trench 117 is formed thereabove. In forming the insulating film 116a, the upper surface of the insulating film 116a is positioned below 15 nm from the upper surface of the mask film 104, and the upper surface of the sidewall 115 made of titanium nitride is controlled not to be exposed.
In the embodiment, the vertical interval between the upper surface of the sidewall 115 made of titanium nitride and the upper surface of the buried insulating film 116a is 5 nm, but may be in the range of 5 to 15 nm. The opening width W4 of the trench 117 is 29 nm as in the stage of FIG.

次に、図18に示すように、トレンチ117の内壁を含む全面に、トレンチ117内を埋め込まないようにシリコン膜である保護膜118を形成する。保護膜118は、エッチング段階で、不均一エッチングが生じる原因となる結晶粒の影響が現れない非晶質シリコン膜とすることが好ましい。非晶質シリコン膜は、成膜温度を540℃以下とすることにより得ることができる。
実施例においては、CVD法により厚さ5nmのシリコン膜の保護膜118を形成した。
Next, as shown in FIG. 18, a protective film 118 that is a silicon film is formed on the entire surface including the inner wall of the trench 117 so as not to fill the trench 117. The protective film 118 is preferably an amorphous silicon film that is free from the influence of crystal grains that cause non-uniform etching at the etching stage. The amorphous silicon film can be obtained by setting the film formation temperature to 540 ° C. or lower.
In the example, a silicon film protective film 118 having a thickness of 5 nm was formed by a CVD method.

次に、保護膜118のうち、マスク膜104上に形成された上面保護膜118aと、トレンチ117の側壁に形成された側壁保護膜118b、118cのうちの一方(図18においては左側の側壁保護膜118b)と、絶縁膜116上に形成された水平保護膜118dの一部(図18においては左側部分)に不純物を注入する。ここでの不純物の導入は、側壁保護膜118b、118cのうち、後の工程で説明するビット線コンタクトを形成するべきピラーと反対側の側壁に形成された側壁保護膜118bに対して実施する。保護膜118に添加される不純物としては、フッ化ボロン(BF)などが挙げられる。
これにより、側壁保護膜118b、118cのうちの一方(図18においては右側の側壁保護膜118c)に不純物を注入せずに、マスク膜104上に形成された上面保護膜118aと、トレンチ117の側面に形成された垂直面となる側壁保護膜118bと、埋め込み絶縁膜116a上に形成された水平面となる水平保護膜118dの一部(図18においては左側部分)に不純物が注入される。不純物を導入する方法としては、例えば、斜めイオン注入法などが挙げられる。図18においては、斜めイオン注入法を用いて、保護膜118に不純物を注入する場合を例に挙げて示している。ここで、水平面と垂直面の両方にイオン注入する必要があるため、それぞれの注入部位に最適なイオン注入となるように、角度の異なる2段階注入を用いることもできる。
実施例においては、加速エネルギー5keV、注入ドーズ量2E14cm-2、注入角度27°〜45°の条件を用いた。ここで、注入角度とは、半導体基板表面に対する垂線からの傾斜角を意味している。また、上記2段階注入を行なう場合は例えば、注入角度27°での注入と45°での注入を組み合わせる。ただし、注入角度は、トレンチ117の深さや幅、保護膜118の膜厚等に応じて適宜変更できる。
Next, of the protective film 118, one of the upper surface protective film 118a formed on the mask film 104 and the side wall protective films 118b and 118c formed on the side wall of the trench 117 (the left side wall protection in FIG. 18). Impurities are implanted into the film 118b) and a part of the horizontal protective film 118d formed on the insulating film 116 (the left part in FIG. 18). The introduction of impurities here is performed on the side wall protective film 118b formed on the side wall opposite to the pillar where the bit line contact to be described later is to be formed, of the side wall protective films 118b and 118c. As an impurity added to the protective film 118, boron fluoride (BF 2 ) or the like can be given.
As a result, the upper surface protective film 118a formed on the mask film 104 and the trench 117 are not implanted into one of the side wall protective films 118b and 118c (the right side wall protective film 118c in FIG. 18). Impurities are implanted into the side wall protective film 118b formed on the side surface as a vertical surface and a part of the horizontal protective film 118d formed on the buried insulating film 116a as a horizontal surface (the left side portion in FIG. 18). Examples of the method for introducing the impurity include an oblique ion implantation method. FIG. 18 shows an example in which impurities are implanted into the protective film 118 using an oblique ion implantation method. Here, since it is necessary to implant ions into both the horizontal plane and the vertical plane, two-stage implantation with different angles can be used so that ion implantation is optimal for each implantation site.
In the examples, conditions of an acceleration energy of 5 keV, an implantation dose of 2E14 cm −2 , and an implantation angle of 27 ° to 45 ° were used. Here, the implantation angle means an inclination angle from a perpendicular to the surface of the semiconductor substrate. When performing the above two-stage injection, for example, the injection at an injection angle of 27 ° and the injection at 45 ° are combined. However, the implantation angle can be appropriately changed according to the depth and width of the trench 117, the film thickness of the protective film 118, and the like.

次に、図19に示すように、不純物が注入されていない側壁保護膜118cと絶縁膜116a上の右側部分に形成された水平保護膜118dの一部を除去して、シリコン窒化膜からなるサイドウォール保護膜114と、絶縁膜116aの一部(図19中、絶縁膜116aの右側部分)を露出させる。
実施例においては、上記除去はアンモニア水(NH3)によるウエットエッチングにより行った。
Next, as shown in FIG. 19, the side wall protective film 118c into which impurities are not implanted and a part of the horizontal protective film 118d formed on the right side of the insulating film 116a are removed, and a side made of a silicon nitride film is removed. The wall protective film 114 and a part of the insulating film 116a (the right side portion of the insulating film 116a in FIG. 19) are exposed.
In the examples, the removal was performed by wet etching with aqueous ammonia (NH 3 ).

次に、図20に示すように、残存する保護膜118をマスクとして、露出している絶縁膜116aの上記一部(図19中、絶縁膜116aの右側部分)を異方性ドライエッチングし、図19中右側のサイドウォール115の上面を露出させる。この時、図19中左側のサイドウォール115は、絶縁膜116aおよび保護膜118でカバーされているため、露出しない。逆に言えば、左側のサイドウォール115がこの異方性ドライエッチングで露出しないように、図18における、保護膜118に対するイオン注入の不純物導入領域を制御する。すなわち、トレンチ117の深さや幅、保護膜118の膜厚を考慮して注入角度を決定する。   Next, as shown in FIG. 20, with the remaining protective film 118 as a mask, the exposed part of the insulating film 116a (the right part of the insulating film 116a in FIG. 19) is anisotropically dry etched, The upper surface of the right side wall 115 in FIG. 19 is exposed. At this time, the left side wall 115 in FIG. 19 is not exposed because it is covered with the insulating film 116 a and the protective film 118. Conversely, the impurity introduction region for ion implantation into the protective film 118 in FIG. 18 is controlled so that the left side wall 115 is not exposed by this anisotropic dry etching. That is, the implantation angle is determined in consideration of the depth and width of the trench 117 and the thickness of the protective film 118.

次に、図21に示すように、上面が露出している窒化チタンからなる右側のサイドウォール115をウエットエッチングにより選択的に除去する。エッチング液には、アンモニアと過酸化水素水の混合液などを用いることができる。これにより、シリコン窒化膜からなるサイドウォール絶縁膜114、トレンチ106に形成されていた絶縁膜107aの一部、および埋め込み膜111bの上面の一部が露出する。
実施例においては、アンモニアと過酸化水素水の混合液をエッチング液として用いて、右側のサイドウォール115をウエットエッチングにより選択的に除去した。
Next, as shown in FIG. 21, the right sidewall 115 made of titanium nitride with the upper surface exposed is selectively removed by wet etching. As the etching solution, a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide water or the like can be used. As a result, the sidewall insulating film 114 made of a silicon nitride film, a part of the insulating film 107a formed in the trench 106, and a part of the upper surface of the buried film 111b are exposed.
In the example, the right side wall 115 was selectively removed by wet etching using a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide as an etching solution.

次に、図22に示すように、残存する保護膜118を等方性ドライエッチングにより除去する。   Next, as shown in FIG. 22, the remaining protective film 118 is removed by isotropic dry etching.

次に、図23に示すように、ウエットエッチングにより、側面の一部が露出している絶縁膜107aをエッチングし、第1のシリコンピラー100bの一部を露出させる側面開口(開口)100aを形成する。このとき、酸化膜116aも同時に除去される。側面開口100aは、サイドウォール絶縁膜114の下面と埋め込み膜111bの上面との間の位置に形成される。一方、絶縁膜110は、シリコン窒化膜からなるサイドウォール絶縁膜114で保護されているため、エッチングされずに残存する。
実施例においては、上記エッチングのエッチング液としてフッ化水素酸(HF)含有溶液を用いた。
Next, as shown in FIG. 23, the insulating film 107a with a part of the side surface exposed is etched by wet etching to form a side surface opening (opening) 100a that exposes a part of the first silicon pillar 100b. To do. At this time, the oxide film 116a is also removed at the same time. The side opening 100a is formed at a position between the lower surface of the sidewall insulating film 114 and the upper surface of the buried film 111b. On the other hand, since the insulating film 110 is protected by the sidewall insulating film 114 made of a silicon nitride film, it remains without being etched.
In the examples, a hydrofluoric acid (HF) -containing solution was used as the etching solution for the etching.

次に、図24に示すように、トレンチ内に露出した窒化チタンからなるサイドウォール115を選択的に除去する。これにより、図14で形成したトレンチ112cの内壁が露出した状態となる。
実施例においては、アンモニアと過酸化水素水の混合液をエッチング液として用いてサイドウォール115を選択的に除去した。
Next, as shown in FIG. 24, the sidewall 115 made of titanium nitride exposed in the trench is selectively removed. As a result, the inner wall of the trench 112c formed in FIG. 14 is exposed.
In the embodiment, the sidewall 115 was selectively removed using a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide as an etching solution.

次に、図25に示すように、トレンチ112cを埋め込むように、全面に導電材料からなる埋め込み膜117を形成する。埋め込み膜117の導電材料として、埋め込み膜111bの導電材料と同一材料を用いることにより、トレンチ112cを同一材料で埋め込まれたものとすることができる。
実施例においては、埋め込み膜117の導電材料として、CVD法によりヒ素ドープシリコンからなるものを用い、埋め込み膜111bと同一材料とした。
Next, as shown in FIG. 25, a buried film 117 made of a conductive material is formed on the entire surface so as to fill the trench 112c. By using the same material as the conductive material of the embedded film 111b as the conductive material of the embedded film 117, the trench 112c can be embedded with the same material.
In the embodiment, the conductive material of the buried film 117 is made of arsenic-doped silicon by the CVD method, and the same material as that of the buried film 111b is used.

次に、図26に示すように、埋め込み膜117および埋め込み膜111bを異方性ドライエッチングによりエッチバックする。これにより、側面開口100aにおいて、サイドウォール絶縁膜114がマスクとなる埋め込み膜117の一部が残存しつつ、トレンチ112a内のその一部以外の埋め込み膜117は除去されて、第1のシリコンピラー100bへのコンタクト(半導体膜)117aが形成される。   Next, as shown in FIG. 26, the buried film 117 and the buried film 111b are etched back by anisotropic dry etching. As a result, in the side surface opening 100a, a part of the buried film 117 using the sidewall insulating film 114 as a mask remains, while the other buried film 117 in the trench 112a is removed, and the first silicon pillar is removed. A contact (semiconductor film) 117a to 100b is formed.

次に、図27に示すように、シリコン窒化膜からなるサイドウォール絶縁膜114を選択的に除去し、絶縁膜110を露出させる。これにより、側面開口110aは、図10で形成したトレンチ106bの側壁の一部分が、絶縁膜107aからコンタクト117aに置き換わった状態となっている。また、この工程で第1の溝となる新たなトレンチ106cが形成される。   Next, as shown in FIG. 27, the sidewall insulating film 114 made of a silicon nitride film is selectively removed to expose the insulating film 110. As a result, the side opening 110a is in a state in which a part of the side wall of the trench 106b formed in FIG. 10 is replaced with the contact 117a from the insulating film 107a. In addition, a new trench 106c serving as a first groove is formed in this step.

次に、図28に示すように、トレンチ106c内を含む全面に、トレンチ106c内を埋め込まない厚さで、導電材料からなるバリア膜119を形成する。
実施例においては、CVD法により厚さ4nmの窒化チタンからなるバリア膜119を形成した。窒化チタンからなるバリア膜119は、原料ガスとして四塩化チタンとアンモニアを用い、温度650℃で形成した。なお、バリア膜119の形成に先立ち、同じ反応室において、四塩化チタンをプラズマ化して半導体基板全面に厚さ1nmのチタンを形成した。
チタンは、ヒ素ドープシリコン膜からなるコンタクト117aの表面に堆積すると同時に低抵抗のチタンシリサイドを形成する。これにより、コンタクト抵抗を低減することができる。他の部位の絶縁膜上に形成されたチタンは、窒化チタン形成時に窒化されて、窒化チタンに変換される。また、このバリア膜119の形成時の熱処理において、ヒ素ドープシリコン膜からなるコンタクト117aからヒ素がシリコン基板100に拡散し、第1のシリコンピラー100bの一方の側面に拡散層150が形成される。拡散層150の形成は、図25の埋め込み膜117を埋め込み形成した後に連続して行なってもよい。
Next, as shown in FIG. 28, a barrier film 119 made of a conductive material is formed on the entire surface including the inside of the trench 106c with a thickness that does not fill the trench 106c.
In the example, a barrier film 119 made of titanium nitride having a thickness of 4 nm was formed by a CVD method. The barrier film 119 made of titanium nitride was formed at a temperature of 650 ° C. using titanium tetrachloride and ammonia as source gases. Prior to the formation of the barrier film 119, titanium tetrachloride was plasmatized in the same reaction chamber to form titanium with a thickness of 1 nm on the entire surface of the semiconductor substrate.
Titanium is deposited on the surface of the contact 117a made of an arsenic-doped silicon film, and at the same time, low resistance titanium silicide is formed. Thereby, contact resistance can be reduced. Titanium formed on the insulating film in other parts is nitrided at the time of titanium nitride formation and converted into titanium nitride. In the heat treatment for forming the barrier film 119, arsenic diffuses from the contact 117a made of an arsenic doped silicon film into the silicon substrate 100, and a diffusion layer 150 is formed on one side surface of the first silicon pillar 100b. The diffusion layer 150 may be formed continuously after the buried film 117 shown in FIG.

次に、図29に示すように、バリア膜119を介して、第1の溝となるトレンチ106cを埋め込むように、全面に導電膜120を形成する。
実施例においては、CVD法によりタングステンからなる導電膜120を形成した。
Next, as illustrated in FIG. 29, a conductive film 120 is formed on the entire surface so as to fill the trench 106 c serving as the first groove through the barrier film 119.
In the example, the conductive film 120 made of tungsten was formed by the CVD method.

次に、図30に示すように、導電膜120とバリア膜119を異方性ドライエッチングにより、絶縁膜107aの上面107bの位置までエッチバックする。これにより、隣接する第1のシリコンピラー100b間に形成された第1の溝であるトレンチ106cに、絶縁膜107aで囲まれたバリア膜119aと導電膜120aとからなるビット線120bが形成される。ビット線120bは、第1のシリコンピラー100bの側面において図示しないチタンシリサイドとコンタクト117aを介して、拡散層150と接続される。また、エッチバックによって、ビット線120b上に新たなトレンチ106dが形成される。このトレンチ106dによって、第1のシリコンピラー100bの表面とビット線120bの表面は同じ高さとし、同一平面を形成している。
実施例では、誘導結合プラズマ(ICP:Inductive Coupled Plasma)による反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法により、上記異方性エッチングを行った。エッチング条件としては、ソースパワーを1400W、高周波パワーを65W、圧力を4mTorr、ステージ温度を40℃、エッチングガスとして六フッ化硫黄(SF)、アルゴン(Ar)及び塩素(Cl)を用い、その流量をそれぞれ60sccm、40sccm及び140sccmとし、エッチングの終了は時間設定により行った。
Next, as shown in FIG. 30, the conductive film 120 and the barrier film 119 are etched back to the position of the upper surface 107b of the insulating film 107a by anisotropic dry etching. As a result, the bit line 120b formed of the barrier film 119a and the conductive film 120a surrounded by the insulating film 107a is formed in the trench 106c that is the first groove formed between the adjacent first silicon pillars 100b. . The bit line 120b is connected to the diffusion layer 150 via a titanium silicide (not shown) and a contact 117a on the side surface of the first silicon pillar 100b. In addition, a new trench 106d is formed on the bit line 120b by the etch back. By the trench 106d, the surface of the first silicon pillar 100b and the surface of the bit line 120b have the same height and form the same plane.
In the examples, the anisotropic etching was performed by a reactive ion etching (RIE) method using inductively coupled plasma (ICP: Inductively Coupled Plasma). As etching conditions, source power is 1400 W, high-frequency power is 65 W, pressure is 4 mTorr, stage temperature is 40 ° C., sulfur hexafluoride (SF 6 ), argon (Ar), and chlorine (Cl 2 ) are used as etching gases. The flow rates were 60 sccm, 40 sccm, and 140 sccm, respectively, and the etching was terminated by setting the time.

次に、図31に示すように、トレンチ106dの側壁に残留している絶縁膜110を除去する。さらに、シリコン窒化膜であるマスク膜104を除去して、シリコン基板100を露出させる。
実施例においては、シリコン酸化膜である絶縁膜110はフッ化水素酸含有溶液によるウエットエッチングにより除去した。また、シリコン窒化膜であるマスク膜104は150℃に加熱した燐酸(H3PO4))によるウエットエッチングにより除去した。
Next, as shown in FIG. 31, the insulating film 110 remaining on the sidewall of the trench 106d is removed. Further, the mask film 104 that is a silicon nitride film is removed to expose the silicon substrate 100.
In the example, the insulating film 110 which is a silicon oxide film was removed by wet etching with a hydrofluoric acid-containing solution. The mask film 104, which is a silicon nitride film, was removed by wet etching with phosphoric acid (H 3 PO 4 ) heated to 150 ° C.

次に、図32に示すように、第3の絶縁膜(第1の絶縁膜の一部)121と第4の絶縁膜(第1の絶縁膜の一部)122を順に、第1のシリコンピラー100bとビット線120bを覆うように形成した。
実施例においては、全面を覆うように50nm厚のシリコン窒化膜である第3の絶縁膜121を形成し、次いで、第3の絶縁膜121の全面を覆うように200nm厚のシリコン酸化膜である第4の絶縁膜122を形成して、第1のシリコンピラー100bとビット線120bを覆った。
Next, as shown in FIG. 32, a third insulating film (a part of the first insulating film) 121 and a fourth insulating film (a part of the first insulating film) 122 are sequentially formed on the first silicon. The pillar 100b and the bit line 120b were formed to cover.
In the embodiment, a third insulating film 121 that is a 50 nm thick silicon nitride film is formed so as to cover the entire surface, and then a 200 nm thick silicon oxide film is formed so as to cover the entire surface of the third insulating film 121. A fourth insulating film 122 was formed to cover the first silicon pillar 100b and the bit line 120b.

次に、図33に示すように、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、第3の絶縁膜(第1の絶縁膜の一部)121および第4の絶縁膜(第1の絶縁膜の一部)122に、Y方向(第1の方向)に延在する、第2の溝となるトレンチ123を形成して、第1のシリコンピラー100bを露出させる。   Next, as shown in FIG. 33, a third insulating film (a part of the first insulating film) 121 and a fourth insulating film (a part of the first insulating film) 122 are formed by photolithography and dry etching. Then, a trench 123 serving as a second groove extending in the Y direction (first direction) is formed to expose the first silicon pillar 100b.

次に、図34に示すように、第2のシリコンピラー(第2の半導体ピラー)となる単結晶シリコンであるエピタキシャル層124を第1のシリコンピラー(第1の半導体ピラー)100b上に成長させた。
実施例においては、CVD法によって200nm厚のエピタキシャル層124を成長させた。この時の成長条件は、ジクロロシラン(SiHCl)と塩酸(HCl)を原料ガスとし、それぞれの流量を70sccmと40sccmにして、加熱温度を780℃、圧力を12Paとした。
Next, as shown in FIG. 34, an epitaxial layer 124, which is a single crystal silicon serving as a second silicon pillar (second semiconductor pillar), is grown on the first silicon pillar (first semiconductor pillar) 100b. It was.
In the example, the epitaxial layer 124 having a thickness of 200 nm was grown by the CVD method. The growth conditions at this time were dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and hydrochloric acid (HCl) as source gases, the flow rates were 70 sccm and 40 sccm, the heating temperature was 780 ° C., and the pressure was 12 Pa.

次に、図35に示すように、第2のシリコンピラー(第2の半導体ピラー)となるエピタキシャル層124と第4の絶縁膜122とを覆うようにマスク膜125を成膜する。さらに、第4の絶縁膜122が露出するように、マスク膜125にトレンチ126を形成する。
実施例においては、CVD法によって200nm厚のシリコン窒化膜からなるマスク膜125を形成し、フォトリソグラフィとドライエッチングによってトレンチ126を形成した。
Next, as shown in FIG. 35, a mask film 125 is formed so as to cover the epitaxial layer 124 to be the second silicon pillar (second semiconductor pillar) and the fourth insulating film 122. Further, a trench 126 is formed in the mask film 125 so that the fourth insulating film 122 is exposed.
In the example, a mask film 125 made of a silicon nitride film having a thickness of 200 nm was formed by CVD, and a trench 126 was formed by photolithography and dry etching.

次に、図36に示すように、トレンチ126内に露出しているシリコン酸化膜である第4の絶縁膜122を除去する。このとき、シリコン窒化膜である第3の絶縁膜121と、マスク膜125と、第2のシリコンピラーとなる単結晶シリコンであるエピタキシャル層124とは除去されないので、残留している。第2のシリコンピラーとなるエピタキシャル層124の側面部は露出している。この除去によって、第3の絶縁膜121上に、新たなトレンチ126aが形成される。
実施例においては、シリコン酸化膜である第4の絶縁膜122の除去はフッ化水素酸含有溶液によるウエットエッチングにより行った。
Next, as shown in FIG. 36, the fourth insulating film 122, which is a silicon oxide film exposed in the trench 126, is removed. At this time, the third insulating film 121, which is a silicon nitride film, the mask film 125, and the epitaxial layer 124, which is a single-crystal silicon serving as a second silicon pillar, are not removed and remain. The side surface portion of the epitaxial layer 124 serving as the second silicon pillar is exposed. By this removal, a new trench 126 a is formed on the third insulating film 121.
In the embodiment, the fourth insulating film 122 which is a silicon oxide film is removed by wet etching using a hydrofluoric acid-containing solution.

次に、図37に示すように、シリコン窒化膜である絶縁膜127を、トレンチ126a内を含む全面に、トレンチ126aを埋め込まない厚さで形成する。さらに、絶縁膜127上に、シリコン酸化膜でトレンチ126aを埋め込んでから、エッチバックすることでトレンチ126aの一部を埋めるようにシリコン酸化膜である絶縁膜128を形成する。これにより、絶縁膜128上には、浅くなったトレンチ126aが残留する。この後、浅くなったトレンチ126aを埋め込むようにシリコン酸化膜である絶縁膜129を形成する。この時、平面視すると図38に示すようになっており、図3と同様に、ビット線120bを埋め込んだトレンチが、それぞれ平行状態となってY方向(第1方向)に延在している。
実施例においては、CVD法によって10nm厚のシリコン窒化膜である絶縁膜127を形成した。さらに回転塗布法によるシリコン酸化膜でトレンチ126aを埋め込んでから、エッチバックすることで70nm厚のシリコン酸化膜である絶縁膜128を形成した。次いで、CVD法によって、浅くなったトレンチ126aを埋め込むようにシリコン酸化膜である絶縁膜129を形成した。
Next, as shown in FIG. 37, an insulating film 127 that is a silicon nitride film is formed on the entire surface including the inside of the trench 126a with a thickness that does not bury the trench 126a. Further, the trench 126a is filled with a silicon oxide film on the insulating film 127 and then etched back to form an insulating film 128 that is a silicon oxide film so as to fill a part of the trench 126a. As a result, the shallow trench 126 a remains on the insulating film 128. Thereafter, an insulating film 129, which is a silicon oxide film, is formed so as to fill the shallow trench 126a. At this time, when viewed in plan, it is as shown in FIG. 38, and the trench in which the bit line 120b is embedded extends in the Y direction (first direction) in a parallel state as in FIG. .
In the embodiment, the insulating film 127 which is a silicon nitride film having a thickness of 10 nm is formed by the CVD method. Furthermore, the trench 126a was filled with a silicon oxide film formed by spin coating, and then etched back to form an insulating film 128 that is a 70 nm thick silicon oxide film. Next, an insulating film 129 which is a silicon oxide film is formed by a CVD method so as to fill the shallow trench 126a.

以上の工程によってビット線が完成する。   The bit line is completed through the above steps.

次に、図39〜図48を用いて、図1および図2に示した半導体装置の製造方法の、特にワード線の形成方法について説明する。
以下、A図は図39のA−A断面、B図はB−B断面を示したものである。ここで、A図は、ビット線の形成工程で示した断面図と同じ場所であって、ワード線とビット線の位置関係を明確にするものであり、B図はビット線と垂直な方向で隣接したワード線の位置関係を示すものである。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 1 and 2, particularly a method for forming a word line, will be described with reference to FIGS.
Hereinafter, FIG. A shows the AA cross section of FIG. 39, and B shows the BB cross section. Here, FIG. A is the same location as the cross-sectional view shown in the bit line formation process, and clarifies the positional relationship between the word line and the bit line, and FIG. B shows the direction perpendicular to the bit line. This shows the positional relationship between adjacent word lines.

図39の平面図に示すように、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、絶縁膜129および127とマスク膜125と第2のシリコンピラー(第2の半導体ピラー)となるエピタキシャル層124に、Y方向(第1の方向)に直交するX方向(第2の方向)に延在するワード線用開口130aを形成する。   As shown in the plan view of FIG. 39, the insulating films 129 and 127, the mask film 125, and the epitaxial layer 124 serving as the second silicon pillar (second semiconductor pillar) are formed in the Y direction (first direction) by photolithography and dry etching. The word line opening 130a extending in the X direction (second direction) orthogonal to the first direction) is formed.

図40Aと図40Bに示すように、ワード線用開口130aを有するトレンチ(第2の溝)130の底部には、第2のシリコンピラー(第2の半導体ピラー)となるエピタキシャル層124と第3の絶縁膜121が露出している。
実施例においては、トレンチ130の幅W5は63nmとした。
As shown in FIGS. 40A and 40B, at the bottom of the trench (second groove) 130 having the word line opening 130a, an epitaxial layer 124 serving as a second silicon pillar (second semiconductor pillar) and a third layer are formed. The insulating film 121 is exposed.
In the embodiment, the width W5 of the trench 130 is 63 nm.

次に、図41Aと図41Bに示すように、トレンチ130の内壁にシリコン酸化膜である絶縁膜131を形成する。これにより、第2のシリコンピラー(第2の半導体ピラー)となるエピタキシャル層124の側面部及び底面部は、ゲート絶縁膜としても機能する絶縁膜131で覆われる。
実施例においては、加熱温度を800〜900℃とした熱酸化法により、トレンチ130の内壁に10nm厚のシリコン酸化膜である絶縁膜131を形成した。
Next, as shown in FIGS. 41A and 41B, an insulating film 131 that is a silicon oxide film is formed on the inner wall of the trench 130. Thereby, the side surface portion and the bottom surface portion of the epitaxial layer 124 to be the second silicon pillar (second semiconductor pillar) are covered with the insulating film 131 that also functions as a gate insulating film.
In the embodiment, the insulating film 131 which is a silicon oxide film having a thickness of 10 nm is formed on the inner wall of the trench 130 by a thermal oxidation method at a heating temperature of 800 to 900 ° C.

次に、図42Aと図42Bに示すように、トレンチ130内を含む全面に、トレンチ130内を埋め込まない厚さでバリア膜132を形成する。このバリア膜132は例えば、CVD法により、原料ガスとして四塩化チタンとアンモニアを用い、温度650℃で形成することができる。さらにバリア膜132上に、トレンチ130を埋め込む厚さで、導電膜133を形成する。この後、絶縁膜129上に残留しているバリア膜132及び導電膜133を除去する。この時、図42Bに示すように、第2のシリコンピラー(第2の半導体ピラー)となるエピタキシャル層124はその上を、ゲート絶縁膜となる絶縁膜131とバリア膜132と導電膜133とで順に覆われる。
実施例においては、トレンチ130内を含む全面に、CVD法により厚さ4nmの窒化チタンであるバリア膜132を形成し、さらにトレンチ130を埋め込むように、タングステンである導電膜133をCVD法により形成した。この後、CMPにより、絶縁膜129上に残留している窒化チタンであるバリア膜132及び導電膜133を除去した。
Next, as shown in FIGS. 42A and 42B, a barrier film 132 is formed on the entire surface including the inside of the trench 130 with a thickness that does not fill the trench 130. This barrier film 132 can be formed at a temperature of 650 ° C. by using, for example, CVD with titanium tetrachloride and ammonia as source gases. Further, a conductive film 133 is formed on the barrier film 132 so as to fill the trench 130. Thereafter, the barrier film 132 and the conductive film 133 remaining on the insulating film 129 are removed. At this time, as shown in FIG. 42B, the epitaxial layer 124 to be the second silicon pillar (second semiconductor pillar) is formed on the insulating film 131 to be the gate insulating film, the barrier film 132, and the conductive film 133. Covered in order.
In the embodiment, a barrier film 132 made of titanium nitride having a thickness of 4 nm is formed on the entire surface including the inside of the trench 130 by a CVD method, and a conductive film 133 made of tungsten is formed by the CVD method so as to fill the trench 130. did. Thereafter, the barrier film 132 and the conductive film 133 which are titanium nitride remaining on the insulating film 129 were removed by CMP.

次に、図43Aと図43Bに示すように、導電膜133をエッチバックして、トレンチ130の下部に配置する導電膜133aを形成すると共に、その導電膜133aの上に新たなトレンチ134を形成する。このエッチバック条件は、バリア膜132も導電膜133と等速で除去できるので、図43Bに示すように、トレンチ134の側面には、バリア膜132は残留していない。このため、バリア膜132は、トレンチ134の底面だけにバリア膜132aとして存在している。
実施例においては、誘導結合プラズマ(ICP:Inductive Coupled Plasma)による反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法により、上記エッチバックを行い、導電膜133aは厚さ50nmとした。エッチング条件としては、ソースパワーを1400W、高周波パワーを65W、圧力を8mTorr、ステージ温度を40℃、エッチングガスとして六フッ化硫黄(SF)、アルゴン(Ar)及び塩素(Cl)を用い、その流量をそれぞれ60sccm、40sccm及び120sccmとし、エッチングの終了は時間設定により行った。
Next, as shown in FIGS. 43A and 43B, the conductive film 133 is etched back to form a conductive film 133a disposed below the trench 130, and a new trench 134 is formed on the conductive film 133a. To do. Under this etch-back condition, since the barrier film 132 can also be removed at the same speed as the conductive film 133, the barrier film 132 does not remain on the side surfaces of the trench 134 as shown in FIG. 43B. For this reason, the barrier film 132 exists as the barrier film 132 a only on the bottom surface of the trench 134.
In the embodiment, the above-described etch back is performed by a reactive ion etching (RIE) method using inductively coupled plasma (ICP), and the conductive film 133a has a thickness of 50 nm. As etching conditions, the source power is 1400 W, the high frequency power is 65 W, the pressure is 8 mTorr, the stage temperature is 40 ° C., sulfur hexafluoride (SF 6 ), argon (Ar), and chlorine (Cl 2 ) are used as etching gases. The flow rates were 60 sccm, 40 sccm, and 120 sccm, respectively, and the etching was terminated by setting the time.

次に、図44Aと図44Bに示すように、トレンチ134を覆うようにシリコン酸化膜である絶縁膜135を成膜した。この絶縁膜135は、均一な厚さで成膜されるので、図44Bに示すように、幅W6の新たなトレンチ134aが形成される。なお、図44Aは、トレンチ134aの側面部に成膜された絶縁膜135の断面を示しているので、絶縁膜135は絶縁膜129の上面まで覆っている。
実施例においては、CVD法により18nm厚のシリコン酸化膜である絶縁膜135を成膜した。また、この絶縁膜135は均一な厚さで成膜されるので、開口幅W6が27nmの新たなトレンチ134aが形成された。
Next, as shown in FIGS. 44A and 44B, an insulating film 135 that is a silicon oxide film is formed so as to cover the trench 134. Since the insulating film 135 is formed with a uniform thickness, a new trench 134a having a width W6 is formed as shown in FIG. 44B. 44A shows a cross section of the insulating film 135 formed on the side surface of the trench 134a, the insulating film 135 covers the top surface of the insulating film 129. FIG.
In the embodiment, the insulating film 135 which is a silicon oxide film having a thickness of 18 nm is formed by the CVD method. In addition, since the insulating film 135 is formed with a uniform thickness, a new trench 134a having an opening width W6 of 27 nm is formed.

次に、図45Aと図45Bに示すように、絶縁膜135をエッチバックしてトレンチ134aを境にして分割する。同様にして、導電膜133aとバリア膜132aも分割して、それぞれ導電膜136a〜136dと、バリア膜137a〜137dを形成する。ここで、導電膜136aとバリア膜137aは、ゲート絶縁膜となる絶縁膜131上でワード線138aとなる。ワード線138b、ワード線138c、ワード線138dも同様である。
ここで、ワード線138bとワード線138cは、一体化して第2のシリコンピラー(第2の半導体ピラー)となるエピタキシャル層124の側面を覆って、ダブルゲートとして機能する。その他のワード線138aと138dも対となるワード線を図示していないが、同様にダブルゲートとなっている。
なお、エッチバックによって新たなトレンチ139が形成されるが、隣接するワード線138が短絡するのを防止するため、底面はバリア膜137よりも深い位置にまで形成する。
Next, as shown in FIGS. 45A and 45B, the insulating film 135 is etched back and divided at the trench 134a. Similarly, the conductive film 133a and the barrier film 132a are also divided to form conductive films 136a to 136d and barrier films 137a to 137d, respectively. Here, the conductive film 136a and the barrier film 137a serve as the word line 138a over the insulating film 131 serving as a gate insulating film. The same applies to the word line 138b, the word line 138c, and the word line 138d.
Here, the word line 138b and the word line 138c are integrated to cover the side surface of the epitaxial layer 124 which becomes the second silicon pillar (second semiconductor pillar), and functions as a double gate. The other word lines 138a and 138d are not shown as paired word lines, but are similarly double gates.
Although a new trench 139 is formed by the etch back, the bottom surface is formed deeper than the barrier film 137 in order to prevent the adjacent word line 138 from being short-circuited.

次に、図46Aと図46Bに示すように、トレンチ139に残留しているシリコン酸化膜である絶縁膜135を除去して、新たなトレンチ140を形成する。この時、タングステンと窒化チタンである(実施例の場合)ワード線138と第2のシリコンピラー(第2の半導体ピラー)となる単結晶シリコンであるエピタキシャル層124とシリコン窒化膜であるマスク膜125と絶縁膜127は、除去されずに残留する。
実施例においては、絶縁膜135の除去はフッ化水素酸含有溶液によるウエットエッチングによって行った。
Next, as shown in FIGS. 46A and 46B, the insulating film 135, which is a silicon oxide film remaining in the trench 139, is removed, and a new trench 140 is formed. At this time, the word line 138 made of tungsten and titanium nitride (in the embodiment), the epitaxial layer 124 made of single crystal silicon that becomes the second silicon pillar (second semiconductor pillar), and the mask film 125 made of silicon nitride film. The insulating film 127 remains without being removed.
In the example, the insulating film 135 was removed by wet etching using a hydrofluoric acid-containing solution.

次に、図47Aと図47Bに示すように、トレンチ140の内壁を覆うようにシリコン窒化膜である絶縁膜141を成膜する。さらに、トレンチ140を埋め込むようにシリコン酸化膜である絶縁膜142を形成する。この後、CMPによって表面の絶縁膜142を除去して平坦化する。この時、平面視すると図48に示すようになっており、図39と同様に、ワード線138を埋め込んだトレンチが、それぞれ平行状態となってX方向に延在している。なお、トレンチの右端が分離されていないのは、前述したダブルゲート構造とした2本のワード線をその端部で一体化することで、電気的な制御を一括して行なうためである。また、図47Aに示すように、ビット線120bは、第3の絶縁膜121によってワード線138と絶縁されている。
実施例においては、CVD法によって8nm厚のシリコン窒化膜である絶縁膜141を成膜し、回転塗布法によって絶縁膜142を形成した。
Next, as shown in FIGS. 47A and 47B, an insulating film 141 that is a silicon nitride film is formed so as to cover the inner wall of the trench 140. Further, an insulating film 142 that is a silicon oxide film is formed so as to fill the trench 140. Thereafter, planarization is performed by removing the insulating film 142 on the surface by CMP. At this time, when viewed in plan, it is as shown in FIG. 48, and as in FIG. 39, the trenches in which the word lines 138 are buried extend in the X direction in parallel with each other. The reason why the right ends of the trenches are not separated is that the two word lines having the double gate structure described above are integrated at the end portions so that electrical control is performed collectively. As shown in FIG. 47A, the bit line 120b is insulated from the word line 138 by the third insulating film 121.
In the embodiment, an insulating film 141 that is a silicon nitride film having a thickness of 8 nm is formed by a CVD method, and an insulating film 142 is formed by a spin coating method.

この後、マスク膜125を除去してピラー上部に第2の拡散層を形成する工程、容量コンタクトプラグを形成する工程、キャパシタを形成する工程、配線層を形成する工程などを経て、図1および図2に示したDRAMとなる半導体装置を完成することができる。  Thereafter, the step of removing the mask film 125 and forming the second diffusion layer on the pillar, the step of forming the capacitor contact plug, the step of forming the capacitor, the step of forming the wiring layer, etc. The semiconductor device to be the DRAM shown in FIG. 2 can be completed.

従来技術においても、図4における幅W1は45nmで変わらないものの、マスク膜104の膜厚は200nmであり、エッチング深さH1が250nmとなっていたため、トータル深さは450nmであり、アスペクト比は約10となっていた。このため、従来技術では、アスペクト比が大きくなり、ビット線の埋め込みが難くなるので、ビット線の高さ(厚さ)にばらつきがあり、電気抵抗が安定しない問題を有していた。
これに対して、本発明の半導体の製造方法によれば、半導体基板をエッチングして形成した第1の半導体ピラーの間に形成される低アスペクト比を有する溝にビット線を形成し、その後、第1の半導体ピラー上に、縦型トランジスタのチャネルとなる部分を含む第2の半導体ピラーをエピタキシャル成長により形成する。この方法によって、ビット線を埋め込む溝のアスペクト比を約2までに低減できるため、ビット線の高さ(厚さ)がばらつかず、安定した電気抵抗のビット線を得ることができる。
Also in the prior art, although the width W1 in FIG. 4 does not change at 45 nm, the thickness of the mask film 104 is 200 nm and the etching depth H1 is 250 nm, so the total depth is 450 nm and the aspect ratio is It was about 10. For this reason, in the prior art, since the aspect ratio becomes large and it is difficult to embed the bit line, there is a variation in the height (thickness) of the bit line, and the electric resistance is not stable.
On the other hand, according to the semiconductor manufacturing method of the present invention, a bit line is formed in a groove having a low aspect ratio formed between first semiconductor pillars formed by etching a semiconductor substrate, and thereafter A second semiconductor pillar including a portion that becomes a channel of the vertical transistor is formed on the first semiconductor pillar by epitaxial growth. By this method, the aspect ratio of the groove in which the bit line is embedded can be reduced to about 2, so that the bit line height (thickness) does not vary, and a bit line having a stable electric resistance can be obtained.

100 シリコン基板(半導体基板)
100a 側面開口(開口)
100b 第1のシリコンピラー(第1の半導体ピラー)
104 マスク膜(マスク)
105c ビット線用開口(孔部)
106 トレンチ(第1の溝)
107 絶縁膜(第2の絶縁膜)
117a コンタクト(半導体膜)
121 第3の絶縁膜(第1の絶縁膜の一部)
122 第4の絶縁膜(第1の絶縁膜の一部)
130 トレンチ(第2の溝)
119a バリア膜(ビット線の一部)
120a 導電膜(ビット線の一部)
120b ビット線
124 第2のシリコンピラー(第2の半導体ピラー、エピタキシャル層)
138a、138b、138c、138d ワード線
150 拡散層
100 Silicon substrate (semiconductor substrate)
100a Side opening (opening)
100b First silicon pillar (first semiconductor pillar)
104 Mask film (mask)
105c Bit line opening (hole)
106 trench (first groove)
107 Insulating film (second insulating film)
117a Contact (semiconductor film)
121 3rd insulating film (a part of 1st insulating film)
122 4th insulating film (a part of 1st insulating film)
130 trench (second groove)
119a Barrier film (part of bit line)
120a conductive film (part of bit line)
120b bit line
124 Second silicon pillar (second semiconductor pillar, epitaxial layer)
138a, 138b, 138c, 138d Word line 150 Diffusion layer

Claims (9)

半導体基板内にビット線とワード線を有する半導体装置の製造方法において、
半導体基板をエッチングして第1の方向に延在する第1の溝を形成することによって、複数の第1の半導体ピラーを形成する工程と、
前記第1の半導体ピラーの側面の一部に拡散層を形成する工程と、
隣接する前記第1の半導体ピラー間の前記第1の溝に、前記拡散層に接続するビット線を形成する工程と、
前記第1の半導体ピラーと前記ビット線を覆う第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の半導体ピラーの少なくとも一部が露出するように前記第1の絶縁膜に、前記第1の方向に直交する第2の方向に延在する第2の溝を形成する工程と、
前記露出した第1の半導体ピラー上にエピタキシャル層を成長させて第2の半導体ピラーを形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device having a bit line and a word line in a semiconductor substrate,
Forming a plurality of first semiconductor pillars by etching a semiconductor substrate to form a first groove extending in a first direction;
Forming a diffusion layer on a part of a side surface of the first semiconductor pillar;
Forming a bit line connected to the diffusion layer in the first groove between the adjacent first semiconductor pillars;
Forming a first insulating film covering the first semiconductor pillar and the bit line;
Forming a second groove extending in a second direction orthogonal to the first direction in the first insulating film so that at least a part of the first semiconductor pillar is exposed;
Growing an epitaxial layer on the exposed first semiconductor pillar to form a second semiconductor pillar;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1の絶縁膜の一部をエッチングして前記第2の半導体ピラーの側面の一部を露出させる工程と、
前記第2の半導体ピラーの前記側面の一部にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にワード線を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
Etching a part of the first insulating film to expose a part of a side surface of the second semiconductor pillar;
Forming a gate insulating film on a part of the side surface of the second semiconductor pillar;
Forming a word line on the gate insulating film;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein:
前記拡散層を形成する工程において、前記第1の溝に該第1の溝を埋め込まないように第2の絶縁膜を形成し、該第2の絶縁膜の一部に、前記第1の半導体ピラーの側面の一部を露出するように開口を形成し、該開口に、前記第1の半導体ピラーの側面に接触するように不純物ドープした半導体膜を形成し、該半導体膜から前記不純物を前記第1の半導体ピラーに拡散させることにより前記拡散層を形成し、
前記ビット線を形成する工程において、ビット線を前記第2の絶縁膜を介して前記第1の溝を埋め込むことにより、前記ビット線の側面部と前記拡散層とを接続することを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
In the step of forming the diffusion layer, a second insulating film is formed so as not to bury the first groove in the first groove, and the first semiconductor is formed on a part of the second insulating film. An opening is formed so as to expose a part of the side surface of the pillar, and an impurity-doped semiconductor film is formed in the opening so as to be in contact with the side surface of the first semiconductor pillar, and the impurity is extracted from the semiconductor film. Forming the diffusion layer by diffusing into the first semiconductor pillar;
In the step of forming the bit line, the side surface of the bit line and the diffusion layer are connected by embedding the first groove through the second insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
前記第1の半導体ピラーを形成する工程において、前記エッチングは前記第1の溝に対応する孔部を有するマスクを用いて行うと共に、
前記ビット線を形成する工程において、前記ビット線の材料を、前記第1の溝に第2の絶縁膜を介して前記孔部に埋め込んだ後、前記ビット線の材料を前記第1の半導体ピラーの上面と同じ高さまでエッチバックすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
In the step of forming the first semiconductor pillar, the etching is performed using a mask having a hole corresponding to the first groove,
In the step of forming the bit line, after the bit line material is embedded in the hole through the second insulating film in the first groove, the bit line material is changed to the first semiconductor pillar. 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein etching back is performed to the same height as an upper surface of the semiconductor device.
前記ビット線は前記第1の溝を埋め込んで形成するとともに、前記エピタキシャル層は前記第2の溝に成長させることを特徴とする請求項1及至4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   5. The semiconductor device manufacturing method according to claim 1, wherein the bit line is formed by embedding the first groove, and the epitaxial layer is grown in the second groove. 6. Method. 前記第1の半導体ピラーと前記第2の半導体ピラーがシリコンからなるとともに、前記エピタキシャル層が単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項1及至5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor pillar and the second semiconductor pillar are made of silicon, and the epitaxial layer is made of single crystal silicon. Method. 前記第2の半導体ピラーの側面の一部を露出させる工程において、前記第1の絶縁膜は第3の絶縁膜上に第4の絶縁膜を積層して形成されており、前記エッチングによって少なくとも前記第4の絶縁膜を除去することを特徴とする請求項2及至6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   In the step of exposing a part of a side surface of the second semiconductor pillar, the first insulating film is formed by stacking a fourth insulating film on a third insulating film, and at least the above-described etching is performed. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the fourth insulating film is removed. 前記第3の絶縁膜が前記ビット線と前記ワード線とを電気的に絶縁することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。   8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the third insulating film electrically insulates the bit line and the word line. 前記第2の半導体ピラーの上部に第2の拡散層を形成する工程と、容量コンタクトプラグを介して前記第2の拡散層に接続するキャパシタを形成する工程とを有することを特徴とする請求項2及至8のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The method includes forming a second diffusion layer on the second semiconductor pillar and forming a capacitor connected to the second diffusion layer through a capacitive contact plug. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of 2 to 8.
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