JP2004363484A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】MISFETの駆動電流を増加できる技術を提供する。
【解決手段】第1SOI基板の主面にnチャネル型MISFETのチャネル領域となる半導体層4を形成し、半導体層4の上面および側面にゲート電極部材7Aを形成した後に、半導体層4の一部にnチャネル型MISFETのソース、ドレインとなるn型半導体領域を形成し、半導体層4およびゲート電極部材7Aを絶縁膜8で覆い、第1SOI基板と基板10とを絶縁膜8と基板10の表面に形成された絶縁膜11とを対向させて貼り合わせ、続いて第1SOI基板の支持基板を除去し、その後、半導体層4およびゲート電極部材7A上にゲート電極部材7Aと電気的に接続するゲート電極部材19Aを形成する。
【選択図】 図22
【解決手段】第1SOI基板の主面にnチャネル型MISFETのチャネル領域となる半導体層4を形成し、半導体層4の上面および側面にゲート電極部材7Aを形成した後に、半導体層4の一部にnチャネル型MISFETのソース、ドレインとなるn型半導体領域を形成し、半導体層4およびゲート電極部材7Aを絶縁膜8で覆い、第1SOI基板と基板10とを絶縁膜8と基板10の表面に形成された絶縁膜11とを対向させて貼り合わせ、続いて第1SOI基板の支持基板を除去し、その後、半導体層4およびゲート電極部材7A上にゲート電極部材7Aと電気的に接続するゲート電極部材19Aを形成する。
【選択図】 図22
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、駆動電流の増加が求められるMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を有する半導体装置の製造に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、基板に形成したトランジスタ集積回路上に絶縁膜を介してトランジスタ集積回路を積み重ねる三次元集積回路装置が提案されている。
【0003】
たとえば、集積回路装置が作り込まれた第1半導体基板上に第1SiO2膜を堆積してから平坦化し、表面に平坦な第2SiO2膜を有する第2半導体基板と第1半導体基板とを第1SiO2膜および第2SiO2膜が対向するように密着して貼り合わせ、第2半導体基板の裏面から薄膜化して第2SiO2膜が表出した段階で停止させ、薄膜化された第2半導体基板に集積回路装置を作り込むことにより、半導体装置を高集積化する技術がある(たとえば、特許文献1参照)。
【0004】
また、第1の半導体基板と第1の活性素子とからなる第1の構造と、第1の構造に繋がるSOI構造と第2の活性素子とからなる第2の構造とを含み、第1の活性素子は第2の活性素子よりも熱に耐える素子設計がなされている三次元積層の半導体構造を形成する技術がある(たとえば、特許文献2参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平5−226578号公報
【0006】
【特許文献2】
米国特許出願公開第US2002/0000615A1号明細書
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、たとえばSRAM(Static Random Access Memory)などの半導体装置を形成するMISFETの駆動電流を増加させる技術について検討している。その中で、本発明者は、以下のような課題を見出した。
【0008】
すなわち、MISFETの駆動電流を増加させる技術としては、たとえば主面上にSixGey層およびシリコン層が順次積層された半導体基板を用い、シリコン層の主面にMISFETを形成することにより、シリコン層内に誘引される歪みによって電子および正孔の移動度を向上させる技術がある。また、MISFETのソース・ドレインとなる半導体層の表面にCoxSiyなどのシリサイド層を形成し、ソース・ドレインと電気的に接続するプラグ(配線)がそのシリサイド層と接続するようにすることにより、プラグとソース・ドレインとなる半導体層との接触抵抗を低減させる技術もある。また、SOI(Silicon On Insulator)構造の基板の主面上にてパターニングされた単結晶シリコン層の上面および側面に多結晶シリコン膜を成膜し、この多結晶シリコン膜をゲート電極とすることによって有効チャネル幅を増加させる技術もある。本発明者は、これらの手段を用いた場合より、さらにMISFETの駆動電流を増加させるには、MISFETのチャネル幅を増加させる課題が存在することを見出した。
【0009】
本発明の目的は、MISFETの駆動電流を増加できる技術を提供することにある。
【0010】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0012】
すなわち、本発明は、基板の主面上にてパターニングされた第1のシリコン層と、第1の導電層と、第2の導電層とを有し、前記第1のシリコン層は第1の側面と、前記第1の側面と対向する第2の側面と、第3の側面と、前記第3の側面と対向する第4の側面とを有するようにパターニングされ、前記第1の導電層は第2の絶縁層を介して前記第1のシリコン層の下面、前記第1の側面および前記第2の側面と接するようにパターニングされ、前記第2の導電層は、前記第1のシリコン層の上面と接するようにパターニングされ、前記第1のシリコン層の第1の領域には第1の導電型の半導体層が形成され、前記第1の導電層および前記第2の導電層をゲート電極とし、前記半導体層をソース・ドレイン領域とするMISFETが形成されている。
【0013】
また、本発明は、基板の主面上に形成された第1の絶縁層の主面に埋め込まれるようにパターニングされた第1のシリコン層と、前記第1のシリコン層と前記第1の絶縁層との間にて第2の絶縁層を介して形成され、パターニングされた第1の導電層と、前記第1のシリコン層の第1の領域に形成された第1の導電型の半導体層と、前記第1のシリコン層を含む前記第1の絶縁層の主面上に第3の絶縁層を介して形成され、パターニングされた第2の導電層とを有し、前記第1の導電層および前記第2の導電層をゲート電極とし、前記半導体層をソース・ドレイン領域とするMISFETを有するものである。
【0014】
また、本発明は、
(a)第1の支持基板上に第4の絶縁層を介して第1のシリコン層が形成された第1のSOI基板において、前記第1のシリコン層をパターニングする工程と、
(b)前記第1のシリコン層の表面に第2の絶縁層を介して第1の導電層を形成し、前記第1の導電層をパターニングする工程と、
(c)前記第1のシリコン層の第1の領域に第1の導電型の不純物を導入し、半導体層を形成する工程と、
(d)前記(c)工程後、前記第1のSOI基板の主面上に第1の絶縁層を形成し、前記第1の絶縁層の表面を平坦化する工程と、
(e)前記第1の絶縁層に第2の支持基板の主面を対向させて前記第1のSOI基板と前記第2の支持基板とを貼り合わせた後、前記第1の支持基板および前記第4の絶縁層を除去する工程と、
(f)前記(e)工程後、前記第1のシリコン層を含む前記第1の絶縁層上に第3の絶縁層を介して第2の導電層を形成し、前記第2の導電層をパターニングする工程とを含み、前記第1の導電層および前記第2の導電層からMISFETのゲート電極を形成し、前記半導体層から前記MISFETのソース・ドレイン領域を形成するものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0016】
本実施の形態の半導体装置は、たとえばnチャネル型MISFETを有するものである。このような本実施の形態の半導体装置の一例を図1〜図26を用いて工程順に説明する。
【0017】
図1は本実施の形態の半導体装置の製造工程中の要部平面図であり、図2は図1中のA−A線に沿った断面図であり、図3は図1中のB−B線に沿った断面図である。
【0018】
まず、第1SOI基板(この段階では半導体ウエハと称する平面略円形状の半導体の薄板)1を準備する。第1SOI基板1は、たとえば貼り合わせ技術またはSIMOX(Separation by Implanted Oxygen)技術によって形成され、支持基板(第1の支持基板)2上に絶縁膜(第4の絶縁層)3を介して半導体層4が形成された構造をなしている。たとえば、支持基板2および半導体層(第1のシリコン層)4は単結晶シリコンから形成され、絶縁膜3は酸化シリコンから形成されている。また、たとえば、支持基板2の厚さは500〜800μm程度、絶縁膜3の厚さは100〜300nm程度、半導体層4の厚さは10〜200nm程度である。また、半導体層4の表面は平坦化されており、その平均表面粗さは±1nm程度以下である。
【0019】
次に、図4〜図6に示すように、半導体層4上にレジストパターン(図示は省略)を形成した後、それをエッチングマスクとして、そこから露出する半導体層4をエッチングによって除去する。続いて、レジストパターンを除去した後、第1SOI基板1に熱処理を施し、加工された半導体層4の表面にゲート絶縁膜(第2の絶縁層)5を形成する。続いて、ゲート絶縁膜5の上層にレジストパターン(図示は省略)を形成した後、それをエッチングマスクとして、そこから露出する絶縁膜3をエッチングによって除去することにより、位置合わせマーク形成領域MAに平面リング状の2重の溝(位置合わせマーク)6を形成する。
【0020】
次に、図7〜図9に示すように、ゲート絶縁膜5の上層に厚さ数nm〜数十nm程度の低抵抗な導体膜7として、たとえば多結晶シリコン膜を堆積する。続いて、その上にレジストパターン(図示は省略)を形成し、それをエッチングマスクとして、そこから露出する導体膜7をエッチングによって除去することにより、ゲート電極部材(第1の導電層)7Aを形成する。なお、位置合わせマーク形成領域MAの2重の溝6の内部にも導体膜7が埋め込まれる。続いて、導体膜7の除去により露出した領域(第1の領域)FLDの半導体層4にn型(第1の導電型)の導電型を有する不純物、たとえばヒ素またはリンを導入してn型半導体領域(第1の導電型の半導体層(ソース、ドレイン))4A、4Bを形成する。半導体層4のうち、ゲート絶縁膜5下の不純物が導入されていない領域は、チャネル領域となる。なおこのチャネル領域にnチャネルMISFETのしきい値を調整するための不純物をイオン注入してもよい。
【0021】
次に、図10および図11に示すように、ゲート電極部材7Aの上層に、たとえば酸化シリコンからなる絶縁膜(第1の絶縁層)8をCVD(Chemical Vapor Deposition)法等によって堆積した後、その絶縁膜8の表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により研磨して平坦化する。
【0022】
次に、図12および図13に示すように、支持基板2に軽元素、たとえば水素またはヘリウムをイオン注入して、支持基板2の表面から1μm程度の深さの箇所にダメージ層9を形成する。軽元素に水素を用いた場合のイオン注入条件は、注入エネルギーを120keV程度とし、ドーズ量を6×1016cm−2程度とすることを例示することができる。
【0023】
次に、図14および図15に示すように、たとえば単結晶シリコンからなる基板(この段階では半導体ウエハと称する平面略円形状の半導体の薄板)10を準備する。基板(第2の支持基板)10は、たとえば厚さが500〜800μm程度であり、この基板10の主面には、たとえば熱酸化法によって成膜された酸化シリコン膜からなる絶縁膜11が形成されている。続いて、第1SOI基板1に形成した絶縁膜8に、基板10に形成した絶縁膜11が対向するように、第1SOI基板1と基板10とを密着させて第1SOI基板1と基板10とを貼り合わせる。
【0024】
続いて、支持基板2に、たとえば600℃程度の温度で3分程度の熱処理を施す。この熱処理により支持基板2の結晶の再配列および微小気泡の圧力作用により、支持基板2はダメージ層9で分離して、1μm程度の厚さを残して支持基板2の一部が剥がれる。その後、貼り合わせ強度を向上させるための熱処理を、たとえば900℃程度の温度で行う。これにより、基板10は、本実施の形態の半導体装置の支持基板となる。また、各部材の上下が反転して、チャネル領域となる半導体層4よりも下層にゲート電極部材7Aが位置する。なお絶縁膜11を形成せずに、第1SOI基板1に形成した絶縁膜8と基板10とを対向させて第1SOI基板1と基板10とを貼り合わせてもよい。
【0025】
次に、図16および図17に示すように、第1SOI基板1の支持基板2を裏面側から、たとばCMP法により研磨して、第1SOI基板1から支持基板2を除去する(以下、支持基板2が除去された第1SOI基板1を第1SOI基板1Aと記す)。支持基板2の厚さは1μm程度となっているので、ダメージ層9(図12および図13参照)での分離によって支持基板2の一部を剥離させることなく支持基板2を全てCMP法で研磨除去する場合と比べて、CMP工程に要する時間を著しく短くすることができる。続いて、溝6(図7参照)の内部の導体膜7(図8参照)を、たとえばドライエッチングによって除去し、その後、酸化膜エッチングにより位置決めマークのパターン付けをする。その後、図18および図19に示すように、絶縁膜3をエッチングにより除去する。
【0026】
次に、図20および図21に示すように、熱処理によって、ゲート電極部材7Aおよび半導体層4の表面にゲート絶縁膜(第3の絶縁層)18を形成する。続いて、ゲート絶縁膜18の上層にレジストパターン(図示は省略)を形成した後、それをマスクとしてゲート絶縁膜18をエッチングすることにより、ゲート電極部材7A上のゲート絶縁膜18の一部を除去する。続いて、たとえばゲート絶縁膜18の上層に厚さ数nm〜数十nm程度の多結晶シリコン膜19を堆積する。
【0027】
次に、図22および図23に示すように、レジストパターン(図示は省略)をマスクとしたドライエッチングによって多結晶シリコン膜19をパターニングし、ゲート電極部材7Aと電気的に接続するゲート電極部材(第2の導電層)19Aを形成する。ここまでの工程により、半導体層4のB−B線方向(たとえば図7参照)に延在する側面(第1の側面、第2の側面)および下面にゲート絶縁膜5を介して接するゲート電極部材7Aと、半導体層4の上面にゲート絶縁膜18を介して接するゲート電極部材19Aとをゲート電極とし、n型半導体領域4A、4Bをソース、ドレインとするnチャネル型MISFETを形成することができる。このnチャネル型MISFETのゲート電極のゲート長は、5μm程度以下とすることを例示することができる。このようにして形成した本実施の形態のMISFETによれば、たとえば基板上に堆積した多結晶シリコン膜をパターニングすることで形成されたゲート電極を有するMISFET(以降、比較例のMISFETという)に比べて、平面におけるMISFETの形成領域の増大を防ぎつつ、有効チャネル幅を大幅に増加することができる。それにより、本実施の形態のMISFETが形成された半導体チップの面積の増大を防ぎつつ、そのMISFETの駆動電流を増加することができる。
【0028】
ところで、MISFETのサブスレッショルド特性は、ゲート容量と寄生容量との相対的大きさで決定され、ゲート容量が寄生容量より大きくなるに従ってサブスレッショルド特性を良好にすることができる。上記の本実施の形態のMISFETは、絶縁膜8に埋め込まれるように形成されていることから、ドレインと基板10との間の寄生容量を小さくすることができる。また、ゲート電極(ゲート電極部材7A、19A)がチャネル領域となる半導体層4を4面で取り囲むように形成されているので、前述の比較例のMISFETに比べてゲート容量を向上することができる。その結果、図24に示すように、ゲート電圧をVGSとし、ドレイン電流をIDSとすると、サブスレッショルド領域における本実施の形態のMISFETのサブスレッショルド電流(IDS)の傾きは、比較例のMISFETのサブスレッショルド電流(IDS)の傾きに比べて急峻なものにすることができる。すなわち、本実施の形態のMISFETによれば、MISFETのスイッチング特性を向上することが可能となる。
【0029】
次に、図25および図26に示すように、ゲート電極部材19Aおよび絶縁膜8の上層に、たとえばCVD法によって酸化シリコン膜を堆積することによって絶縁膜20を形成する。続いて、その絶縁膜20の表面を、たとえばCMP法により研磨して、平坦化する。
【0030】
続いて、絶縁膜20の上層にレジストパターン(図示は省略)を形成した後、それをエッチングマスクとしたエッチングにより絶縁膜20を加工し、ゲート電極部材19Aおよびnチャネル型MISFETのソース、ドレインとなるn型半導体領域4A、4Bに達する接続孔21を形成する。
【0031】
続いて、絶縁膜20の上層に、接続孔21の内部を含んで金属膜、たとえばタングステン膜をスパッタリング法またはCVD法等により堆積した後、これを接続孔21内のみに残るようにCMP法によって研磨することにより、接続孔21内にプラグ22を形成する。
【0032】
続いて、プラグ22の上層に、たとえば窒化チタン、アルミニウムおよび窒化チタンを下層から順にスタッパリング法等によって堆積した後、これをレジストパターン(図示は省略)をマスクとして加工することにより、プラグ22に接する配線23を形成し、本実施の形態の半導体装置を製造する。なお、プラグ22および配線23を形成した工程と同様の工程を繰り返すことにより、さらに多層に配線を形成してもよい。
【0033】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【0034】
たとえば、前記実施の形態においては、n型の導電型を有する不純物を導入することによってn型のソース、ドレインを有するnチャネル型MISFETを形成する場合について説明したが、p型の導電型を有する不純物(たとえばB(ホウ素))を導入することによってp型のソース、ドレインを有するpチャネル型MISFETを形成してもよい。
【0035】
また、前記実施の形態においては、半導体層をシリコン層で形成した場合について説明したが、Ge(ゲルマニウム)層またはGaAs(ガリウムヒ素)層等の半導体層で形成してもよい。
【0036】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
(1)MISFETの有効チャネル幅を増加することができるので、MISFETの駆動電流を増加することができる。
(2)MISFETのゲート容量を寄生容量より相対的に大きし、サブスレッショルド特性を改善できるので、MISFETのスイッチング特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を説明する要部平面図である。
【図2】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。
【図3】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。
【図4】図1に続く半導体装置の製造工程中の要部平面図である。
【図5】図2に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図6】図3に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図7】図4に続く半導体装置の製造工程中の要部平面図である。
【図8】図5に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図9】図6に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図10】図8に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図11】図9に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図12】図10に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図13】図11に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図14】図12に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図15】図13に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図16】図14に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図17】図15に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図18】図16に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図19】図17に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図20】図18に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図21】図19に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図22】図20に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図23】図21に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図24】本発明の一実施の形態である半導体装置が有するMISFETサブスレッショルド特性と、他のMISFETのサブスレッショルド特性との比較を示した説明図である。
【図25】図22に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図26】図23に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【符号の説明】
1、1A 第1SOI基板
2 支持基板(第1の支持基板)
3 絶縁膜(第4の絶縁層)
4 半導体層(第1のシリコン層)
4A、4B n型半導体領域(第1の導電型の半導体層(ソース、ドレイン))
5 ゲート絶縁膜(第2の絶縁層)
6 溝(位置合わせマーク)
7 導体膜
7A ゲート電極部材(第1の導電層)
8 絶縁膜(第1の絶縁層)
9 ダメージ層
10 基板(第2の支持基板)
11 絶縁膜
18 ゲート絶縁膜(第3の絶縁層)
19 多結晶シリコン膜
19A ゲート電極部材(第2の導電層)
20 絶縁膜
21 接続孔
22 プラグ
23 配線
FLD 領域(第1の領域)
MA 位置合わせマーク形成領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、駆動電流の増加が求められるMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を有する半導体装置の製造に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、基板に形成したトランジスタ集積回路上に絶縁膜を介してトランジスタ集積回路を積み重ねる三次元集積回路装置が提案されている。
【0003】
たとえば、集積回路装置が作り込まれた第1半導体基板上に第1SiO2膜を堆積してから平坦化し、表面に平坦な第2SiO2膜を有する第2半導体基板と第1半導体基板とを第1SiO2膜および第2SiO2膜が対向するように密着して貼り合わせ、第2半導体基板の裏面から薄膜化して第2SiO2膜が表出した段階で停止させ、薄膜化された第2半導体基板に集積回路装置を作り込むことにより、半導体装置を高集積化する技術がある(たとえば、特許文献1参照)。
【0004】
また、第1の半導体基板と第1の活性素子とからなる第1の構造と、第1の構造に繋がるSOI構造と第2の活性素子とからなる第2の構造とを含み、第1の活性素子は第2の活性素子よりも熱に耐える素子設計がなされている三次元積層の半導体構造を形成する技術がある(たとえば、特許文献2参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平5−226578号公報
【0006】
【特許文献2】
米国特許出願公開第US2002/0000615A1号明細書
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、たとえばSRAM(Static Random Access Memory)などの半導体装置を形成するMISFETの駆動電流を増加させる技術について検討している。その中で、本発明者は、以下のような課題を見出した。
【0008】
すなわち、MISFETの駆動電流を増加させる技術としては、たとえば主面上にSixGey層およびシリコン層が順次積層された半導体基板を用い、シリコン層の主面にMISFETを形成することにより、シリコン層内に誘引される歪みによって電子および正孔の移動度を向上させる技術がある。また、MISFETのソース・ドレインとなる半導体層の表面にCoxSiyなどのシリサイド層を形成し、ソース・ドレインと電気的に接続するプラグ(配線)がそのシリサイド層と接続するようにすることにより、プラグとソース・ドレインとなる半導体層との接触抵抗を低減させる技術もある。また、SOI(Silicon On Insulator)構造の基板の主面上にてパターニングされた単結晶シリコン層の上面および側面に多結晶シリコン膜を成膜し、この多結晶シリコン膜をゲート電極とすることによって有効チャネル幅を増加させる技術もある。本発明者は、これらの手段を用いた場合より、さらにMISFETの駆動電流を増加させるには、MISFETのチャネル幅を増加させる課題が存在することを見出した。
【0009】
本発明の目的は、MISFETの駆動電流を増加できる技術を提供することにある。
【0010】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0012】
すなわち、本発明は、基板の主面上にてパターニングされた第1のシリコン層と、第1の導電層と、第2の導電層とを有し、前記第1のシリコン層は第1の側面と、前記第1の側面と対向する第2の側面と、第3の側面と、前記第3の側面と対向する第4の側面とを有するようにパターニングされ、前記第1の導電層は第2の絶縁層を介して前記第1のシリコン層の下面、前記第1の側面および前記第2の側面と接するようにパターニングされ、前記第2の導電層は、前記第1のシリコン層の上面と接するようにパターニングされ、前記第1のシリコン層の第1の領域には第1の導電型の半導体層が形成され、前記第1の導電層および前記第2の導電層をゲート電極とし、前記半導体層をソース・ドレイン領域とするMISFETが形成されている。
【0013】
また、本発明は、基板の主面上に形成された第1の絶縁層の主面に埋め込まれるようにパターニングされた第1のシリコン層と、前記第1のシリコン層と前記第1の絶縁層との間にて第2の絶縁層を介して形成され、パターニングされた第1の導電層と、前記第1のシリコン層の第1の領域に形成された第1の導電型の半導体層と、前記第1のシリコン層を含む前記第1の絶縁層の主面上に第3の絶縁層を介して形成され、パターニングされた第2の導電層とを有し、前記第1の導電層および前記第2の導電層をゲート電極とし、前記半導体層をソース・ドレイン領域とするMISFETを有するものである。
【0014】
また、本発明は、
(a)第1の支持基板上に第4の絶縁層を介して第1のシリコン層が形成された第1のSOI基板において、前記第1のシリコン層をパターニングする工程と、
(b)前記第1のシリコン層の表面に第2の絶縁層を介して第1の導電層を形成し、前記第1の導電層をパターニングする工程と、
(c)前記第1のシリコン層の第1の領域に第1の導電型の不純物を導入し、半導体層を形成する工程と、
(d)前記(c)工程後、前記第1のSOI基板の主面上に第1の絶縁層を形成し、前記第1の絶縁層の表面を平坦化する工程と、
(e)前記第1の絶縁層に第2の支持基板の主面を対向させて前記第1のSOI基板と前記第2の支持基板とを貼り合わせた後、前記第1の支持基板および前記第4の絶縁層を除去する工程と、
(f)前記(e)工程後、前記第1のシリコン層を含む前記第1の絶縁層上に第3の絶縁層を介して第2の導電層を形成し、前記第2の導電層をパターニングする工程とを含み、前記第1の導電層および前記第2の導電層からMISFETのゲート電極を形成し、前記半導体層から前記MISFETのソース・ドレイン領域を形成するものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0016】
本実施の形態の半導体装置は、たとえばnチャネル型MISFETを有するものである。このような本実施の形態の半導体装置の一例を図1〜図26を用いて工程順に説明する。
【0017】
図1は本実施の形態の半導体装置の製造工程中の要部平面図であり、図2は図1中のA−A線に沿った断面図であり、図3は図1中のB−B線に沿った断面図である。
【0018】
まず、第1SOI基板(この段階では半導体ウエハと称する平面略円形状の半導体の薄板)1を準備する。第1SOI基板1は、たとえば貼り合わせ技術またはSIMOX(Separation by Implanted Oxygen)技術によって形成され、支持基板(第1の支持基板)2上に絶縁膜(第4の絶縁層)3を介して半導体層4が形成された構造をなしている。たとえば、支持基板2および半導体層(第1のシリコン層)4は単結晶シリコンから形成され、絶縁膜3は酸化シリコンから形成されている。また、たとえば、支持基板2の厚さは500〜800μm程度、絶縁膜3の厚さは100〜300nm程度、半導体層4の厚さは10〜200nm程度である。また、半導体層4の表面は平坦化されており、その平均表面粗さは±1nm程度以下である。
【0019】
次に、図4〜図6に示すように、半導体層4上にレジストパターン(図示は省略)を形成した後、それをエッチングマスクとして、そこから露出する半導体層4をエッチングによって除去する。続いて、レジストパターンを除去した後、第1SOI基板1に熱処理を施し、加工された半導体層4の表面にゲート絶縁膜(第2の絶縁層)5を形成する。続いて、ゲート絶縁膜5の上層にレジストパターン(図示は省略)を形成した後、それをエッチングマスクとして、そこから露出する絶縁膜3をエッチングによって除去することにより、位置合わせマーク形成領域MAに平面リング状の2重の溝(位置合わせマーク)6を形成する。
【0020】
次に、図7〜図9に示すように、ゲート絶縁膜5の上層に厚さ数nm〜数十nm程度の低抵抗な導体膜7として、たとえば多結晶シリコン膜を堆積する。続いて、その上にレジストパターン(図示は省略)を形成し、それをエッチングマスクとして、そこから露出する導体膜7をエッチングによって除去することにより、ゲート電極部材(第1の導電層)7Aを形成する。なお、位置合わせマーク形成領域MAの2重の溝6の内部にも導体膜7が埋め込まれる。続いて、導体膜7の除去により露出した領域(第1の領域)FLDの半導体層4にn型(第1の導電型)の導電型を有する不純物、たとえばヒ素またはリンを導入してn型半導体領域(第1の導電型の半導体層(ソース、ドレイン))4A、4Bを形成する。半導体層4のうち、ゲート絶縁膜5下の不純物が導入されていない領域は、チャネル領域となる。なおこのチャネル領域にnチャネルMISFETのしきい値を調整するための不純物をイオン注入してもよい。
【0021】
次に、図10および図11に示すように、ゲート電極部材7Aの上層に、たとえば酸化シリコンからなる絶縁膜(第1の絶縁層)8をCVD(Chemical Vapor Deposition)法等によって堆積した後、その絶縁膜8の表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により研磨して平坦化する。
【0022】
次に、図12および図13に示すように、支持基板2に軽元素、たとえば水素またはヘリウムをイオン注入して、支持基板2の表面から1μm程度の深さの箇所にダメージ層9を形成する。軽元素に水素を用いた場合のイオン注入条件は、注入エネルギーを120keV程度とし、ドーズ量を6×1016cm−2程度とすることを例示することができる。
【0023】
次に、図14および図15に示すように、たとえば単結晶シリコンからなる基板(この段階では半導体ウエハと称する平面略円形状の半導体の薄板)10を準備する。基板(第2の支持基板)10は、たとえば厚さが500〜800μm程度であり、この基板10の主面には、たとえば熱酸化法によって成膜された酸化シリコン膜からなる絶縁膜11が形成されている。続いて、第1SOI基板1に形成した絶縁膜8に、基板10に形成した絶縁膜11が対向するように、第1SOI基板1と基板10とを密着させて第1SOI基板1と基板10とを貼り合わせる。
【0024】
続いて、支持基板2に、たとえば600℃程度の温度で3分程度の熱処理を施す。この熱処理により支持基板2の結晶の再配列および微小気泡の圧力作用により、支持基板2はダメージ層9で分離して、1μm程度の厚さを残して支持基板2の一部が剥がれる。その後、貼り合わせ強度を向上させるための熱処理を、たとえば900℃程度の温度で行う。これにより、基板10は、本実施の形態の半導体装置の支持基板となる。また、各部材の上下が反転して、チャネル領域となる半導体層4よりも下層にゲート電極部材7Aが位置する。なお絶縁膜11を形成せずに、第1SOI基板1に形成した絶縁膜8と基板10とを対向させて第1SOI基板1と基板10とを貼り合わせてもよい。
【0025】
次に、図16および図17に示すように、第1SOI基板1の支持基板2を裏面側から、たとばCMP法により研磨して、第1SOI基板1から支持基板2を除去する(以下、支持基板2が除去された第1SOI基板1を第1SOI基板1Aと記す)。支持基板2の厚さは1μm程度となっているので、ダメージ層9(図12および図13参照)での分離によって支持基板2の一部を剥離させることなく支持基板2を全てCMP法で研磨除去する場合と比べて、CMP工程に要する時間を著しく短くすることができる。続いて、溝6(図7参照)の内部の導体膜7(図8参照)を、たとえばドライエッチングによって除去し、その後、酸化膜エッチングにより位置決めマークのパターン付けをする。その後、図18および図19に示すように、絶縁膜3をエッチングにより除去する。
【0026】
次に、図20および図21に示すように、熱処理によって、ゲート電極部材7Aおよび半導体層4の表面にゲート絶縁膜(第3の絶縁層)18を形成する。続いて、ゲート絶縁膜18の上層にレジストパターン(図示は省略)を形成した後、それをマスクとしてゲート絶縁膜18をエッチングすることにより、ゲート電極部材7A上のゲート絶縁膜18の一部を除去する。続いて、たとえばゲート絶縁膜18の上層に厚さ数nm〜数十nm程度の多結晶シリコン膜19を堆積する。
【0027】
次に、図22および図23に示すように、レジストパターン(図示は省略)をマスクとしたドライエッチングによって多結晶シリコン膜19をパターニングし、ゲート電極部材7Aと電気的に接続するゲート電極部材(第2の導電層)19Aを形成する。ここまでの工程により、半導体層4のB−B線方向(たとえば図7参照)に延在する側面(第1の側面、第2の側面)および下面にゲート絶縁膜5を介して接するゲート電極部材7Aと、半導体層4の上面にゲート絶縁膜18を介して接するゲート電極部材19Aとをゲート電極とし、n型半導体領域4A、4Bをソース、ドレインとするnチャネル型MISFETを形成することができる。このnチャネル型MISFETのゲート電極のゲート長は、5μm程度以下とすることを例示することができる。このようにして形成した本実施の形態のMISFETによれば、たとえば基板上に堆積した多結晶シリコン膜をパターニングすることで形成されたゲート電極を有するMISFET(以降、比較例のMISFETという)に比べて、平面におけるMISFETの形成領域の増大を防ぎつつ、有効チャネル幅を大幅に増加することができる。それにより、本実施の形態のMISFETが形成された半導体チップの面積の増大を防ぎつつ、そのMISFETの駆動電流を増加することができる。
【0028】
ところで、MISFETのサブスレッショルド特性は、ゲート容量と寄生容量との相対的大きさで決定され、ゲート容量が寄生容量より大きくなるに従ってサブスレッショルド特性を良好にすることができる。上記の本実施の形態のMISFETは、絶縁膜8に埋め込まれるように形成されていることから、ドレインと基板10との間の寄生容量を小さくすることができる。また、ゲート電極(ゲート電極部材7A、19A)がチャネル領域となる半導体層4を4面で取り囲むように形成されているので、前述の比較例のMISFETに比べてゲート容量を向上することができる。その結果、図24に示すように、ゲート電圧をVGSとし、ドレイン電流をIDSとすると、サブスレッショルド領域における本実施の形態のMISFETのサブスレッショルド電流(IDS)の傾きは、比較例のMISFETのサブスレッショルド電流(IDS)の傾きに比べて急峻なものにすることができる。すなわち、本実施の形態のMISFETによれば、MISFETのスイッチング特性を向上することが可能となる。
【0029】
次に、図25および図26に示すように、ゲート電極部材19Aおよび絶縁膜8の上層に、たとえばCVD法によって酸化シリコン膜を堆積することによって絶縁膜20を形成する。続いて、その絶縁膜20の表面を、たとえばCMP法により研磨して、平坦化する。
【0030】
続いて、絶縁膜20の上層にレジストパターン(図示は省略)を形成した後、それをエッチングマスクとしたエッチングにより絶縁膜20を加工し、ゲート電極部材19Aおよびnチャネル型MISFETのソース、ドレインとなるn型半導体領域4A、4Bに達する接続孔21を形成する。
【0031】
続いて、絶縁膜20の上層に、接続孔21の内部を含んで金属膜、たとえばタングステン膜をスパッタリング法またはCVD法等により堆積した後、これを接続孔21内のみに残るようにCMP法によって研磨することにより、接続孔21内にプラグ22を形成する。
【0032】
続いて、プラグ22の上層に、たとえば窒化チタン、アルミニウムおよび窒化チタンを下層から順にスタッパリング法等によって堆積した後、これをレジストパターン(図示は省略)をマスクとして加工することにより、プラグ22に接する配線23を形成し、本実施の形態の半導体装置を製造する。なお、プラグ22および配線23を形成した工程と同様の工程を繰り返すことにより、さらに多層に配線を形成してもよい。
【0033】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【0034】
たとえば、前記実施の形態においては、n型の導電型を有する不純物を導入することによってn型のソース、ドレインを有するnチャネル型MISFETを形成する場合について説明したが、p型の導電型を有する不純物(たとえばB(ホウ素))を導入することによってp型のソース、ドレインを有するpチャネル型MISFETを形成してもよい。
【0035】
また、前記実施の形態においては、半導体層をシリコン層で形成した場合について説明したが、Ge(ゲルマニウム)層またはGaAs(ガリウムヒ素)層等の半導体層で形成してもよい。
【0036】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
(1)MISFETの有効チャネル幅を増加することができるので、MISFETの駆動電流を増加することができる。
(2)MISFETのゲート容量を寄生容量より相対的に大きし、サブスレッショルド特性を改善できるので、MISFETのスイッチング特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を説明する要部平面図である。
【図2】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。
【図3】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。
【図4】図1に続く半導体装置の製造工程中の要部平面図である。
【図5】図2に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図6】図3に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図7】図4に続く半導体装置の製造工程中の要部平面図である。
【図8】図5に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図9】図6に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図10】図8に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図11】図9に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図12】図10に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図13】図11に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図14】図12に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図15】図13に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図16】図14に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図17】図15に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図18】図16に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図19】図17に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図20】図18に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図21】図19に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図22】図20に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図23】図21に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図24】本発明の一実施の形態である半導体装置が有するMISFETサブスレッショルド特性と、他のMISFETのサブスレッショルド特性との比較を示した説明図である。
【図25】図22に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図26】図23に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【符号の説明】
1、1A 第1SOI基板
2 支持基板(第1の支持基板)
3 絶縁膜(第4の絶縁層)
4 半導体層(第1のシリコン層)
4A、4B n型半導体領域(第1の導電型の半導体層(ソース、ドレイン))
5 ゲート絶縁膜(第2の絶縁層)
6 溝(位置合わせマーク)
7 導体膜
7A ゲート電極部材(第1の導電層)
8 絶縁膜(第1の絶縁層)
9 ダメージ層
10 基板(第2の支持基板)
11 絶縁膜
18 ゲート絶縁膜(第3の絶縁層)
19 多結晶シリコン膜
19A ゲート電極部材(第2の導電層)
20 絶縁膜
21 接続孔
22 プラグ
23 配線
FLD 領域(第1の領域)
MA 位置合わせマーク形成領域
Claims (5)
- 基板の主面上にてパターニングされた第1のシリコン層と、第1の導電層と、第2の導電層とを有する半導体装置であって、前記第1のシリコン層は第1の側面と、前記第1の側面と対向する第2の側面と、第3の側面と、前記第3の側面と対向する第4の側面とを有するようにパターニングされ、前記第1の導電層は第2の絶縁層を介して前記第1のシリコン層の下面、前記第1の側面および前記第2の側面と接するようにパターニングされ、前記第2の導電層は、前記第1のシリコン層の上面と接するようにパターニングされ、前記第1のシリコン層の第1の領域には第1の導電型の半導体層が形成され、前記第1の導電層および前記第2の導電層をゲート電極とし、前記半導体層をソース・ドレイン領域とするMISFETが形成されていることを特徴とする半導体装置。
- 基板の主面上に形成された第1の絶縁層の主面に埋め込まれるようにパターニングされた第1のシリコン層と、前記第1のシリコン層と前記第1の絶縁層との間にて第2の絶縁層を介して形成され、パターニングされた第1の導電層と、前記第1のシリコン層の第1の領域に形成された第1の導電型の半導体層と、前記第1のシリコン層を含む前記第1の絶縁層の主面上に第3の絶縁層を介して形成され、パターニングされた第2の導電層とを有する半導体装置であって、前記第1の導電層および前記第2の導電層をゲート電極とし、前記半導体層をソース・ドレイン領域とするMISFETを有することを特徴とする半導体装置。
- 基板の主面上に形成された第1の絶縁層の主面に埋め込まれるようにパターニングされた第1のシリコン層と、前記第1のシリコン層と前記第1の絶縁層との間にて第2の絶縁層を介して形成され、パターニングされた第1の導電層と、前記第1のシリコン層の第1の領域に形成された第1の導電型の半導体層と、前記第1のシリコン層を含む前記第1の絶縁層の主面上に第3の絶縁層を介して形成され、パターニングされた第2の導電層とを有する半導体装置であって、前記第1の導電層および前記第2の導電層をゲート電極とし、前記半導体層をソース・ドレイン領域とするMISFETを有し、前記第1のシリコン層の一部を前記MISFETのチャネル領域とすることを特徴とする半導体装置。
- (a)第1の支持基板上に第4の絶縁層を介して第1のシリコン層が形成された第1のSOI基板において、前記第1のシリコン層をパターニングする工程、
(b)前記第1のシリコン層の表面に第2の絶縁層を介して第1の導電層を形成し、前記第1の導電層をパターニングする工程、
(c)前記第1のシリコン層の第1の領域に第1の導電型の不純物を導入し、半導体層を形成する工程、
(d)前記(c)工程後、前記第1のSOI基板の主面上に第1の絶縁層を形成し、前記第1の絶縁層の表面を平坦化する工程、
(e)前記第1の絶縁層に第2の支持基板の主面を対向させて前記第1のSOI基板と前記第2の支持基板とを貼り合わせた後、前記第1の支持基板および前記第4の絶縁層を除去する工程、
(f)前記(e)工程後、前記第1のシリコン層を含む前記第1の絶縁層上に第3の絶縁層を介して第2の導電層を形成し、前記第2の導電層をパターニングする工程、
を含み、前記第1の導電層および前記第2の導電層からMISFETのゲート電極を形成し、前記半導体層から前記MISFETのソース・ドレイン領域を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - (a)第1の支持基板上に第4の絶縁層を介して第1のシリコン層が形成された第1のSOI基板において、前記第1のシリコン層をパターニングする工程、
(b)前記第1のシリコン層の表面に第2の絶縁層を介して第1の導電層を形成し、前記第1の導電層をパターニングする工程、
(c)前記第1のシリコン層の第1の領域に第1の導電型の不純物を導入し、半導体層を形成する工程、
(d)前記(c)工程後、前記第1のSOI基板の主面上に第1の絶縁層を形成し、前記第1の絶縁層の表面を平坦化する工程、
(e)前記第1の絶縁層に第2の支持基板の主面を対向させて前記第1のSOI基板と前記第2の支持基板とを貼り合わせた後、前記第1の支持基板および前記第4の絶縁層を除去する工程、
(f)前記(e)工程後、前記第1のシリコン層を含む前記第1の絶縁層上に第3の絶縁層を介して第2の導電層を形成し、前記第2の導電層をパターニングする工程、
を含み、前記第1の導電層および前記第2の導電層からMISFETのゲート電極を形成し、前記半導体層から前記MISFETのソース・ドレイン領域を形成し、前記第1のシリコン層の一部から前記MISFETのチャネル領域を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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