JP2005019741A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置及びその製造方法に係り、特に縦型電界効果型トランジスタを有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報通信機器の発達に伴いLSI等の半導体装置の高集積化が進められている。特に、従来、プレーナ型の電界効果トランジスタは低消費電力であることから広く用いられているが、その高集積化は、主として構造の微細化によって進められ、半導体素子を加工するリソグラフィー技術の進歩に支えられてきた。しかしながら、最近では、要求される最小加工寸法(ゲート長の最小加工寸法)がリソグラフィーに用いる光の波長レベル以下になってきており、より一層の微細化加工は困難になりつつある。
【0003】
そこで、電界効果トランジスタを高集積化する手段として、縦型の電界効果トランジスタ(以下、縦型トランジスタと呼ぶ。)が提案されている。縦型トランジスタはソース層、チャネル層、ドレイン層を基板面垂直方向に形成する柱状構造である為、従来のシリコン(Si)基板を面で利用するプレーナ型電界効果トランジスタに比べて、Si基板面に対する占有面積が小さくできる(Si基板面に対する投影面積が小さい)という特徴を持つ。また、縦型トランジスタは縦型トランジスタはゲート長を成膜技術の膜厚によって制御できるため、リソグラフィー技術に依存せずトランジスタの動作速度を高められるという特徴も持つ。縦型トランジスタは、例えば、特許文献1などに開示されている。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−83945号公報
【非特許文献1】
Akemi Hamada et al.、「アイ・イー・イー・イー トランザクションエレクトロン デバイス(IEEE Trans. Electron Devices)」、1991年、 vol. 38、 No. 4、 p.895−900
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前述した縦型トランジスタは、ドレイン層、チャネル層、ソース層を縦方向(基板面垂直方向)に積み上げる柱状のトランジスタであるため、基板面水平方向に比べて、垂直方向の高さが、プレーナ型のトランジスタに比べて大きくなるという特徴を持っている。半導体装置においては、電気回路上、トランジスタが隣接して周期的に配置される部分が存在する。従来のプレーナ型電界効果トランジスタでは、アスペクト比が小さく、周期的に形成したトランジスタ列の端部でも、トランジスタ列の上面と、トランジスタの形成されていない面との、段差は小さく、端部における周期方向の構造の対称性の崩れは小さかった。しかし、縦型トランジスタが隣接して連続的に配置した部分の端部では、段差が大きくなり、縦型トランジスタの形成されていない部分との構造の対称性が大きく崩れる。
【0006】
一般に、半導体装置の製造工程においては、材料間の線膨張係数の違いや、格子定数の違い、さらには熱処理工程における膜収縮などにより、素子内部に応力が発生する。
【0007】
本願発明者らは、縦型トランジスタが周期的に複数個連続して形成された部分の応力解析を行った。その結果、端部のトランジスタには、構造の不連続性により、中心付近のトランジスタとは異なる応力が発生することを明らかにした。
【0008】
応力がトランジスタの特性を変化させることは、従来から研究されている(例えば、非特許文献1を参照)。シリコンで形成する縦型トランジスタにおいても、応力で特性が変わると考えられる。
【0009】
したがって、上述した応力解析の結果から、周期的に配置された縦型トランジスタでは、端部と中心部では、応力がことなることから、縦型トランジスタ列の端部の複数のトランジスタ特性は、中心部付近の特性とは異なるという課題があることを明らかにした。縦型トランジスタが周期的に複数個連続して形成される部分としては、例えば、SRAM(Static Random Access Memory)のメモリセルを縦型トランジスタを用いて形成した場合のメモリマットなどがある。
【0010】
また、縦型トランジスタは、前述のようにこれまで広く用いられてきたプレーナ型に比べて高アスペクト比の構造であるために、縦型トランジスタが形成されている部分と、それ以外の、例えばプレーナ型トランジスタや抵抗素子が形成された周辺回路では、素子の高さに高低差が生じることになる。半導体装置の製造工程においては、縦型トランジスタを形成した層は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜で充填した後、CMP(化学的機械研磨:Chemical Mechanical Polishing)工程によって表面を平坦化し、次の工程に移る。しかしながら、高低差の大きな部分のCMPは、研磨後の平坦化が困難であり、製造コスト増に結びつく、生産性が向上されない等の課題がある。
【0011】
また、一般に、半導体装置においては、電源間容量や、アナログ容量に、並行平板型のMOSキャパシタを用いられる。MOSキャパシタは半導体装置内における占有面積が大きく、半導体装置の小型化、高集積化の妨げとなるという課題がある。
また、一般に、半導体装置においては、抵抗素子が使用されるが、抵抗素子もSi基板面内に形成されるので、半導体装置の小型化、高集積化の妨げとなるという課題がある。
【0012】
本発明は、前記課題の少なくとも1つを解決するためになされたものである。本発明の第1の目的は、縦型トランジスタを有する半導体装置において、縦型トランジスタの特性に優れた半導体装置を提供することにある。本発明の第2の目的は、製造コストに優れた半導体装置を提供することにある。本発明の第3の目的は、MOSキャパシタの小型化、高集積化を図る半導体装置を提供することにある。本発明の第4の目的は、抵抗素子の小型化、高集積化を図る半導体装置を提供することにある。本発明の第5の目的は、機械的信頼性に優れた半導体装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、シリコン基板主平面上に、縦型トランジスタが周期的に配置された第1の周期構造を有する半導体装置において、前記第1の周期構造の端部に、前記第1の周期構造と同じ周期で、ダミーの縦型トランジスタが少なくても1個以上、より好ましくは、3個以上形成することにより解決される。これにより、前記第1の周期構造における前記縦型トランジスタの応力は均一となるので、前記第1の周期構造における前記縦型トランジスタの特性が均一な半導体装置を得ることができる。
【0014】
また、上記課題は、シリコン基板主平面上に形成した縦型トランジスタと、該縦型トランジスタ周辺に形成された周辺回路を有する半導体装置において、前記周辺回路の上面に、ダミーの縦型トランジスタを形成することにより解決される。これにより、前記周辺回路上も前記縦型トランジスタと同じ高さが、前記ダミーの縦型トランジスタにより得られるので、CMP工程におけるディッシングが防止できるという効果が得られる。
【0015】
また、上記課題は、上述の半導体装置において、前記ダミーの縦型トランジスタのチャネルと、ゲート絶縁膜を介して隣接したゲート電極との間で容量素子を形成することにより解決される。これにより、従来平板キャパシタで形成していた容量を、立体的に形成することができるので、半導体装置を高集積化することができる。
【0016】
また、上記課題は、上述の半導体装置において、前記ダミーの縦型トランジスタのソースとチャネルとドレインを抵抗素子として用いることにより解決される。これにより、前記ダミーの縦型電界効果トランジスタを有効に利用することができ、半導体装置を高集積化することができるという効果が得られる。
【0017】
また、上記課題は、上述の半導体装置において、前記ダミーの縦型トランジスタの下端にコンタクトプラグを形成することにより解決される。これにより、前記ダミーの縦型トランジスタの製造工程における機械的強度を強くすることが出来る。
【0018】
また、上記課題は、上述の半導体装置において、前記ダミーの縦型トランジスタの径を前記縦型トランジスタよりも大きくすることにより解決される。これにより、製造工程に使われるマスクデータの削減や、前記ダミーの縦型トランジスタの製造工程における機械的強度を強くすることが出来る。
【0019】
【発明の実施の形態】
<実施例1>
以下、本発明の第1実施例を図1から図60を用いて説明する。図1から図3は本実施例の半導体装置の断面模式図(図4のAからB、及びCからD断面、及びEからF断面)、図4は本実施例の半導体装置の平面レイアウトを示す模式図、図5は本実施例の半導体装置の一部を表す電気回路図、図6は縦型トランジスタの製造プロセスによって生じるチャネル部応力の応力解析結果、図7から図60は本実施例の半導体装置の製造工程の一部を表す断面模式図である。
【0020】
本実施例の半導体装置は、図1(図4のA−B断面)、図2(図4のC−D断面)、及び図3(図4のE−F断面)に示すように、シリコン基板1の主平面側に形成した縦型電界効果トランジスタ100と、これら縦型電界効果トランジスタ100に電気的に接続され、SRAMセルを構成するプレーナ型電界効果トランジスタ10と、前記SRAMセルを周期的に配置したメモリマットに形成された前記縦型トランジスタ列の端部に隣接して形成されるダミーの縦型電界効果トランジスタd100、及びその周辺回路で構成される。
【0021】
SRAMセルの電気回路図を図5に示す。本実施例においては、トランジスタP1、P2を縦型電界効果トランジスタ、また、トランジスタN1、N2、N3、N4をプレーナ型電界効果トランジスタで形成する。
【0022】
プレーナ型電界効果トランジスタ10は、Si基板主平面上に形成したp型ウェル11に形成したn型ソース・ドレイン(12、13)と、ゲート絶縁膜14、ゲート電極15で構成され、ゲート電極15の上面、およびソース・ドレイン(12、13)の上面には、シリサイド17、18が形成される。これらのプレーナ型電界効果トランジスタは、シリコン酸化膜(SiO2)や、窒化珪素(SiN)からなる、浅溝素子分離2によって、他のトランジスタとの絶縁がなされる。
【0023】
ゲート絶縁膜14は、例えばシリコン酸化膜(SiO2)、窒化珪素膜(SiN)、酸窒化膜(SiON)、酸化チタン(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、五酸化タンタル(Ta2O5)などの誘電体膜、あるいはこれらの積層構造からなる。また、ゲート電極15は、例えば、多結晶シリコン膜、あるいはタングステン(W)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)等の金属膜、あるいはこれらの積層構造からなる。前記ゲート絶縁膜14とゲート電極15、シリサイド17、18の側壁には、窒化珪素(SiN)や、シリコン酸化膜(SiO2)からなるサイドウォール16が形成される。
【0024】
プレーナ型型電界効果トランジスタ10の上面には、例えば、BPSG(Boron−doped Phospho Silicate Glass)膜や、SOG(Spin On Glass)膜、あるいはTEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)膜、あるいは化学気相成長法、あるいはスパッタ法で形成したシリコン酸化膜、あるいは、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層構造なる層間絶縁膜3で覆われている。層間絶縁膜3により覆われたプレーナ型トランジスタ10は、コンタクトプラグ4や、配線6により、さらに上層の縦型電界効果トランジスタ100や、コンタクトプラグ118などへ電気的に接続される。コンタクトプラグ4、配線6は、例えば、タングステン(W)からなり、バリアメタルとしては、窒化タングステン(WN)や、窒化チタン(TiN)、チタン(Ti)、あるいはこれらの積層構造を用いても良い。
【0025】
縦型電界効果トランジスタ100は、Si基板主平面に対して垂直に形成された柱状の電界効果トランジスタであり、柱状に加工されたソース108、チャネル107、ドレイン106と、チャネル108を覆うように形成したゲート絶縁膜109と、ゲート絶縁膜109に隣接したゲート電極110、111で構成される。
【0026】
ソース108、チャネル107、ドレイン106は、例えば、多結晶シリコンからなる。また、ゲート絶縁膜109は、例えばシリコン酸化膜(SiO2)、窒化珪素膜(SiN)、酸窒化膜(SiON)、あるいは、これらの積層構造や、前記プレーナ型電界効果トランジスタ10で用いたゲート絶縁膜材料であっても良い。ゲート電極110、111は、例えば多結晶シリコンや、タングステン(W)等の金属膜、あるいはこれらの積層構造からなる。
【0027】
縦型電界効果トランジスタ100のドレイン106側には、例えば、多結晶シリコンからなるコンタクトプラグ105が接続され、バリアメタル101を介して、下層の配線6に接続される。バリアメタル101は、例えば、タングステンシリサイド(WSi2)、窒化タングステン(WN)、窒化チタン(TiN)、チタン(Ti)、あるいはこれらの積層構造からなる。
【0028】
ゲート電極111には、配線103、コンタクトプラグ115が接続される。配線103は、例えば多結晶シリコンからなる。また、コンタクトプラグ115は、例えば、バリアメタルにタングステンシリサイド(WSi2)、窒化タングステン(WN)、窒化チタン(TiN)、チタン(Ti)、あるいはこれらの積層構造を用いたタングステン(W)からなる。
【0029】
縦型電界効果トランジスタ100のソース108側は、コンタクトプラグ117が形成され、さらに上層の配線、素子と接続される。コンタクトプラグ117は、例えば、バリアメタルにタングステンシリサイド(WSi)、窒化タングステン(WN)、窒化チタン(TiN)、チタン(Ti)、あるいはこれらの積層構造を用いたタングステン(W)からなる。
【0030】
本実施例の半導体装置は、SRAMメモリマット端部に位置する縦型電界効果トランジスタ100aに隣接して、SRAMメモリセルとしては使用されないダミーの縦型電界効果トランジスタd100が形成されることを特徴とする。
【0031】
本実施例のダミーの縦型電界効果トランジスタd100は、ダミーのソースd108、チャネルd107、ドレインd106、ゲート絶縁膜d109、ゲート電極d110、d111、層間絶縁膜d104、バリアメタルd101で構成され、SRAMセルの縦型電界効果トランジスタ100とはコンタクトプラグ117が形成されていないという点が異なる。
【0032】
また、本実施例の半導体装置に示すにおいては、ダミーの縦型電界効果トランジスタd100の下層は、ダミーの配線d6やダミーのコンタクトプラグd4、また、ダミーのゲート電極d15、サイドウォールd16、シリサイドd17等からなる、ダミーのプレーナ型電界効果トランジスタも形成される。材料、及び、製造方法は、SRAMセルのプレーナ型トランジスタ10と同じで構わない。
【0033】
縦型トランジスタ100、及びダミーの縦型トランジスタd100の周囲、及び、上面全面には、層間絶縁膜3と同様に、層間絶縁膜112、114、116が形成され、所望の位置に、コンタクトプラグ117、118、119、や配線が形成される。
【0034】
図4は、ダミーの縦型トランジスタdSV(d100)の配置を示した平面レイアウト図である。本実施例においては、メモリマットに形成した縦型トランジスタSV(100)列の端部に、縦型トランジスタ列と同じ繰り返し周期で、ダミーの縦型トランジスタdSV(d100)が3個形成される。なお、図4では、図を簡易化する為、縦型電界効果トランジスタSV(100)、ダミー縦型電界効果トランジスタdSV(d100)、コンタクトプラグMSCT(117)、MLCT(118)、SVGC(115)、アクティブACT、周辺回路のゲート電極FGのみを示している。
【0035】
ここで、ダミーの縦型トランジスタdSV(d100)は、縦型トランジスタSV(100)列の一列に対して、端部に少なくとも1個、より好ましくは3個以上、形成されるのが望ましい。
【0036】
本実施例の半導体装置の製造工程の一部は、例えば以下のようになる。なお、本実施例の半導体装置の製造方法は必ずしも以下に限定されるわけではない。
(1)シリコン基板1の主平面上に、浅溝素子分離2を形成し、SRAMセルのプレーナ型トランジスタ10と、ダミーのゲート電極d15、サイドウォールd16、シリサイドd17等からなる、ダミーのプレーナ型トランジスタ、及び、メモリマット周辺の周辺回路を形成する。その後、メモリマット部、及び、周辺回路部の上面全面に、例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜3を形成し、コンタクトプラグ4を配置する部分の層間絶縁膜4をエッチングにより除去した後、コンタクトプラグ4となる、例えば、バリアメタルとしてチタン(Ti)や窒化チタン(TiN)を用いたタングステン(W)を、CVD法や、スパッタ法などにより、上面全面に形成する、その後、CMP(化学的機械研磨)法により上面を平坦化して、コンタクトプラグ4を形成する(図7、8、9)。
(2)さらに上面全面に、層間絶縁膜5を形成し、配線6を配置する部分をエッチングにより除去した後、配線6となる、例えば、バリアメタルとしてチタン(Ti)や窒化チタン(TiN)を用いたタングステン(W)を、CVD法や、スパッタ法などにより、上面全面に形成する、その後、CMP法により上面を平坦化して、配線6を形成する(図10、11、12)。
(3)バリアメタル101、d101となる、例えばチタン(Ti)や窒化チタン(TiN)、あるいは窒化タングステン(WN)、あるいは、タングステンシリサイド、あるいはこれらの積層膜を、CVD法、あるいはスパッタ法により、上面全面に形成後、エッチングにより不要な部分を除去し、バリアメタル101、d101を形成する。その後、例えば、窒化珪素からなるエッチストッパ102をCVD法やスパッタ法により上面全面に形成し、さらにその上面に、例えば、酸化シリコンからなる層間絶縁膜121を形成する。(図13、14、15)
(4)縦型トランジスタのゲート電極引き出し用の配線103を、例えば、ボロン(B)を添加した多結晶、若しくは非晶質のシリコン膜を上面全面に形成し、その後、不要な部分はエッチングより除去し、配線103を形成する。(図16、17、18)
(5)シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜104を上面全面に成膜後、コンタクトプラグ105、d105を形成する部分の、層間絶縁膜104、121、及びエッチストッパ102をエッチングにより除去する。(図19、20、21)
(6)層間絶縁膜120、d120となるシリコン酸化膜を上面全面に形成後、エッチングを行い、層間絶縁膜120、d120を形成する。(図22、23、24)
(7)例えば、ボロン(B)を添加した多結晶、若しくは非晶質のシリコン膜を上面全面に形成した後、CMPにより平坦化し、コンタクトプラグ105、d105を形成する。(図25、26、27)
(8)縦型トランジスタ100、d100のドレイン106、d106、チャネル107、d107及びソース108、d108となる、例えば、ボロン(B)等を所望の濃度で添加した多結晶シリコン層を順に全面に形成する。各層は、非晶質シリコンを全面に形成し、上面全面にボロン(B)等の不純物を所望の濃度でイオン注入し、その後、熱処理により結晶化させても良い。あるいは、不純物を予め添加した多結晶シリコンや、不純物を予め添加した非晶質シリコンを後に結晶化させても良い。これらを形成後、さらに上面全面に、シリコン酸化膜109と、さらに上面に、例えば窒化珪素からなるエッチストッパ113を形成する。(図28、29、30)
(9)エッチストッパ113を縦型トランジスタ形状に加工し、それをマスクとして、下層の、シリコン酸化膜109、ソース108、チャネル107、ドレイン106をエッチングにより加工し、縦型トランジスタ100のソース108、チャネル107、ドレイン106を及び、ダミー縦型トランジスタd100のソースd108、チャネルd107、ドレインd106を形成する。(図31、32、33)
(10)縦型トランジスタ100のソース108、チャネル107、ドレイン106を及び、ダミー縦型トランジスタd100のソースd108、チャネルd107、ドレインd106にゲート絶縁膜109、d109を形成する。ゲート絶縁膜は、例えば、シリコン酸化膜や、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、あるいは、これらの積層構造であり、熱酸化や、CVD法や、スパッタ法などにより形成される。なお、本発明における断面模式図は、工程(8)で形成したソース108、d108上面のシリコン酸化膜と、本工程で形成されたソース、チャネル、ドレインの側壁部分の酸化膜、あるいは窒化膜、あるいは、酸化膜と窒化膜の積層構造等のゲート絶縁膜を合わせてゲート絶縁膜109、d109と表記している。(図34、35、36)
(11)ゲート電極110、d110となる、例えば、ボロン(B)を添加した非晶質、あるいは多結晶シリコンを上面全面に成膜し、その後、エッチングを行い、ソース108、d108、チャネル107、d107ドレイン106、d106柱状構造の側壁部分のゲート電極110、d110を形成する。(図37、38、39)
(12)層間絶縁膜104をエッチングし、配線103を露出させる。(図40、41、42)
(13)ゲート電極111、d111となる、例えば、ボロン(B)を添加した非晶質、あるいは多結晶シリコンを上面全面に成膜し、その後、エッチングを行い、ゲート電極111、d111を形成する。(図43、44、45)
(14)例えば、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜112を上面全面に形成後、CMP法により上面を平坦化する。(図46、47、48)
(15)層間絶縁膜112をエッチングし、縦型トランジスタ100、d100の上面、及びゲート電極110、111、d110、d111の上端を露出させる。(図49、50、51)
(16)ゲート電極110、111、d110、d111の上端をエッチングにより後退させる。(図52、53、54)
(17)エッチストッパとなる、例えば、窒化珪素膜を上面全面に形成し、エッチングにより、縦型トランジスタの上端のエッチストッパ113、d113を形成する。なお、本工程で成膜されたエッチストッパ膜と、工程(8)で形成されたエッチストッパを合わせて、エッチストッパ113、d113とする。(図55、56、57)
(18)例えば、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜114を上面全面に形成し、コンタクトプラグ115、118を配置する部分の層間絶縁膜114をエッチングにより除去し、例えば、タングステン(W)を、チタンや窒化チタンをバリアメタルとして上面全面に形成し、CMP法により、上面を平坦化し、コンタクトプラグ115、118を形成する。(図58、59、60)
(19)工程(18)と同様に、層間絶縁膜116を上面全面に形成し、コンタクトプラグ117、119を配置する部分の層間絶縁膜116をエッチングにより除去して、例えばタングステンを、例えば、チタンや窒化チタンをバリアメタルとして上面全面に形成し、CMP法により平坦化し、コンタクトプラグ117、119を形成する。(図1)
以下、本実施例の半導体装置の作用効果を説明する。近年、情報通信機器の発達に伴い、SRAM等の半導体デバイスの高集積化、大容量化が進められている。このため、トランジスタの微細化が進められている。トランジスタは従来、一般的にはプレーナ型の電界効果トランジスタが用いられてきたが、高集積化の為に縦型電界効果トランジスタの利用が検討されている。縦型電界効果トランジスタは、ソース、チャネル、ドレインをSi基板面鉛直方向に形成した柱状のトランジスタである。
【0037】
縦型電界効果トランジスタは、従来のプレーナ型電界効果トランジスタに比べて、高さ方向のアスペクト比の大きなトランジスタである。本願発明者らは縦型電界効果トランジスタが複数個、周期的に形成された部分では、その端部に位置する縦型電界効果トランジスタは電気特性が他のトランジスタとは異なることを明らかにし、電気特性の安定化を図る方法を見出した。
【0038】
一般に、半導体デバイスの製造プロセスにおいては、素子を構成する材料の線膨張係数の差に起因する熱応力や、材料固有の膜の収縮などによる真性応力や、素子の構造に起因する応力などが、素子内部に発生する。
【0039】
本願発明者らは縦型電界効果トランジスタ列の製造プロセスにおいて、トランジスタ内部に発生する応力を、有限要素法により応力解析した。図6は、縦型電界効果トランジスタ列を形成するプロセスにおいて、縦型電界効果トランジスタのチャネル部分に発生する応力を列の端部から順に評価した応力解析結果である。図の横軸は列の端部からの縦型電界効果トランジスタの位置、縦軸はチャネル面法線方向の応力である。図より端部では応力が緩和しており、この端部の影響は3番目程度まで及ぶことが明らかになった。
【0040】
Siの電子や正孔の移動度に応力(ひずみ)依存性があることは従来から知られており、応力(ひずみ)が従来のプレーナ型トランジスタの電気特性に影響を及ぼすことは知られている(例えば、Akemi Hamada、 et al.、 IEEE Trans. Electron Devices、 vol. 38、 No. 4、 pp.895−900、 1991)。縦型電界効果トランジスタにおいても、チャネル部分にSiを用いているので、チャネルに発生する応力(ひずみ)により電気特性が変動することは明らかである。図6に示した本願発明者らの解析によれば、端から3番目程度までの縦型電界効果トランジスタのチャネルの応力が、中心付近と比較して異なっていることから、端から3番目程度までの縦型電界効果トランジスタの電気特性は、中心付近とは異なることが明らかになった。
【0041】
本実施例の半導体装置は図1から図4に示すように、メモリマットの縦型電界効果トランジスタ列の端部に、電気回路としては用いないダミーの縦型電界効果トランジスタを、少なくても1個以上、より好ましくは3個以上形成する。これにより、メモリマットの電気回路として使用する縦型電界効果トランジスタは、応力起因の電気特性のバラツキのない安定した特性が得られるという効果が得られる。
【0042】
また、縦型電界効果トランジスタ列にダミーの縦型電界効果トランジスタを形成することにより、ホト工程、エッチング工程における粗密補正ができるという効果が得られる。
また、本実施例における縦型電界効果トランジスタ特性の安定化方法は、SRAMセル形成の縦型トランジスタ工程を利用したものである。したがって、製造工程の追加の必要も無く、製造コストに優れた信頼性の高い、半導体装置が製造できるという効果が得られる。
【0043】
また、本実施例では、縦型トランジスタの他にも、下層のプレーナ型トランジスタについても、ダミーを形成している。これにより、縦型トランジスタの下層の、プレーナ型トランジスタ、配線構造についても、メモリマット中央からの連続性が保てるので、応力を安定化することができ、縦型トランジスタの下層の、プレーナ型トランジスタ、配線構造についても、機械的信頼性を向上できるという効果が得られる。
【0044】
なお、本実施例におけるダミーの縦型トランジスタの構造は、必ずしも、メモリセルの縦型トランジスタと同一である必要は無い。縦型トランジスタの主たる構造因子である、ソースd108、チャネルd107、ドレインd106が形成されていれば良く、バリアメタルd101や配線d6、あるいは、下層のダミーのゲート電極d15等からなるダミーのプレーナ型トランジスタ等は必ずしも形成されている必要はない。
【0045】
なお、本実施例は、縦型トランジスタが周期的に形成された回路について述べたものである。したがって、本実施例の適用は、SRAMのメモリマットに限定されるものではなく、縦型トランジスタが周期的に形成された他の回路であっても構わない。
【0046】
<実施例2>
次に、本発明の第2実施例を図61から図73を用いて説明する。図61は本発明の半導体装置の断面模式図(図62のA−B−G−H断面)、図62は本発明の半導体装置の平面模式図、図63から図65は本発明の半導体装置の製造工程の一部を表す断面模式図、図66から図69は本発明における周辺回路上のダミーの配置方法を示す平面レイアウト図、図70から図73は従来の半導体装置の製造工程の一部を表す断面模式図である。
【0047】
第1実施例との違いは、図61、図62に示すように、縦型トランジスタ100(SV)からなるSRAMのメモリマットの周辺部分の浅溝素子分離構造2b、2cや、周辺回路のプレーナ型トランジスタ50の上層にも、ダミーの縦型トランジスタd500(d5SV)を形成している点である。ダミーの縦型トランジスタd500は、層間絶縁膜d504、ソースd508、チャネルd507、ドレインd506、ゲート絶縁膜d509、ゲート電極d510、d511からなり、該ダミーの縦型トランジスタd500は、電気回路としては利用しないダミーのトランジスタである。これらは、第1実施例に述べた縦型トランジスタ100と同じ、材料、製造方法によって形成される。本実施例の半導体装置の製造工程の一部を以下に示す。
(1)コンタクトプラグ105、及びd105を形成する工程までは、第1実施例と同様な工程で行われる。なお、本実施例では、ダミーの縦型トランジスタd500部分には、縦型トランジスタ100に接続されたコンタクトプラグ105や、バリアメタル101、層間絶縁膜120に相当する部分は形成されない。(図63)
(2)縦型トランジスタ100、d100、d500のドレイン、チャネル及びソースとなる部分、例えば、ボロン(B)を添加した多結晶シリコン膜を順に、上面全面に形成し、その後、シリコン酸化膜109と、さらに上面に、例えば窒化珪素からなるエッチストッパ113を形成する。(図64)
(3)エッチストッパ113を縦型トランジスタ形状に加工し、それをマスクとして、下層の、シリコン酸化膜109、ソース108、チャネル107、ドレイン106をエッチングにより加工し、縦型トランジスタ100のソース108、チャネル107、ドレイン106を及び、ダミー縦型トランジスタd100、d500のソースd108、d508、チャネルd107、d507ドレインd106、d506を形成する。(図65)
(4)以下、第1実施例と同様な工程により、縦型トランジスタ100、ダミーの縦型トランジスタd100、d500及び、層間絶縁膜112、114、116や、コンタクトプラグ115、119を形成する。(図61)
本実施例における周辺回路のダミーの配置方法は、例えば以下のように行われる。
(1)周辺回路を含む回路の平面レイアウト(図66)と、ダミー縦型トランジスタd5SVを等間隔に配置した平面レイアウトを作製する(図67)。ここで、周辺回路の平面レイアウトには、縦型トランジスタSV(100)と、同じ層に形成される、例えば、コンタクトプラグMLCT(118)等の配線、素子のレイアウトを記載する。
(2)周辺回路を含む回路の平面レイアウト(図66)と、ダミー縦型トランジスタd5SVを等間隔に配置した平面レイアウト(図67)を重ね合わせる(図68)。
(3)縦型トランジスタSV(100)と同じ層に形成されるコンタクトプラグMLCT(118)や配線、及び、縦型トランジスタSV(100)、メモリマット周辺のダミー縦型トランジスタdSV(d100)と、重なるダミー縦型トランジスタd5SVは取り除く(図69)。
(4)さらに、縦型トランジスタ100、SVと同じ層に形成されるコンタクトプラグMLCT(118)や配線、及び、縦型トランジスタSV(100)、メモリマット周辺のダミー縦型トランジスタdSV(d100)に対して、レイアウトルール以下で隣接している、ダミー縦型トランジスタd5SVを取り除く。なお、前記レイアウトルールは、該半導体装置における電気回路として使用する2個の縦型トランジスタの最小間隔、例えば、SRAMメモリマットにおける隣接する2つの縦型トランジスタの最小間隔によって決められる。(図62)
以上が、周辺回路部分のダミー縦型トランジスタd5SV(d500)の配置方法の一例である。その他の配置方法の例としては、縦型トランジスタSV(100)と同じ層に形成されるコンタクトプラグMLCT(118)や配線、及び、縦型トランジスタSV(100)、メモリマット周辺のダミー縦型トランジスタdSV(d100)とが形成される層において、前記コンタクトプラグ等が、レイアウトルール以上の間隔を空いて位置している場合に、その間に、ダミー縦型トランジスタd5SV(d500)を配置するという方法であっても良い。
【0048】
以下、本実施例の半導体装置の作用効果を説明する。従来の縦型トランジスタを用いた半導体装置においては、縦型トランジスタの密度に粗密が生じていた。このような従来の半導体装置の場合、縦型トランジスタ層を層間絶縁膜で埋め込み、化学的機械研磨(CMP)を行うと、縦型トランジスタの形成されていない部分がより深く研磨されるというディッシングが生じるという課題が生じる。図70から図73に従来の半導体装置の製造工程の一部を示す。
(1)シリコン基板1の主面上にプレーナ型電界効果トランジスタ10や、配線MLなど縦型トランジスタSVより下層の構造、及び、縦型トランジスタSVを形成し、層間絶縁膜112を成膜し、エッチストッパ113を形成する(図70)。
(2)縦型トランジスタSV、及び、その周辺回路の上面全面に、例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜114を形成し、コンタクトプラグ118を形成する部分をエッチングにより除去する(図71)。
(3)例えば、タングステンからなるコンタクトプラグ118を上面全面に形成し、化学的機械研磨(CMP)により表面を平坦化する(図72)。
(4)以下、工程(3)と同様に、層間絶縁膜116、及びコンタクトプラグ119を形成する(図73)。
【0049】
以上のように、従来の半導体装置では、上記工程(3)に示したCMP工程において、縦型トランジスタの形成されていない部分が、より深く研磨され段差が生じ、その後の工程に影響するという問題があった。
【0050】
これに対し、本実施例の半導体装置は、周辺回路上にもダミーの縦型トランジスタd500を形成することにより、縦型トランジスタ100が形成されている部分と同じ高さを確保することができるので、CMP工程におけるディッシングが防止できるという効果が得られる。
【0051】
また、本実施例に示したディッシング防止方法は、縦型トランジスタの製造工程の一部であるので、新たに製造工程を追加する必要がなく、製造コストに優れるという効果が得られる。
【0052】
なお、本実施例における、ダミー縦型トランジスタd500は、CMP工程における周辺回路のディッシング防止の為のものである。したがって、縦型トランジスタ100との高さが同じになるように形成されていれば良く、好ましくは、ソースd508、チャネルd507、ドレインd506部分、さらに好ましくは、及び、層間絶縁膜d504が形成されていれば良く、必ずしも、ゲート絶縁膜d509やゲート電極d510、d511が形成されている必要はない。
【0053】
<実施例3>
次に、本発明の第3実施例を図74から図76を用いて説明する。図74は本発明の半導体装置の断面模式図、図75は従来のMOSキャパシタの断面模式図、図76は本発明の半導体装置の他の一形態を示す断面模式図である。
本実施例と他の実施例との違いは、第2実施例に示した周辺回路に形成されるダミーの縦型トランジスタd500を、キャパシタとして利用している点である。図74に示すように、本実施例のダミーの縦型トランジスタd500は、層間絶縁膜d504、d520、コンタクトプラグd505、バリアメタルd501、ソースd508、チャネルd507、ドレインd506、ゲート絶縁膜d509、ゲート電極d510、d511からなる。本実施例のダミーの縦型トランジスタd500は、縦型トランジスタ100と同じ工程で形成される。
以下、本実施例の作用効果について説明する。本実施例の半導体装置によれば、ドレイン下端から下層の配線6や、例えば、トランジスタ50等の素子に電気的接続がとれるようになっており、また、ゲート電極d511には、配線103が形成され、コンタクトプラグ118により、他の配線へと電気的に接続されるので、ゲート絶縁膜d509を介した、MOSキャパシタを形成することができる。したがって、本実施例によれば、ダミー縦型トランジスタを、ディッシング防止用としてだけではなく、MOSキャパシタとして有効に利用できるという効果が得られる。本実施例のMOSキャパシタは、例えば、電源間容量、あるいは、アナログ容量として利用できる。
また、本実施例のMOSキャパシタは、柱状構造の側壁部分を利用するので、立体的な構造となり、通常の平板型のMOSキャパシタに比べて面積を広くとることができるという効果が得られる。図75は従来のMOSキャパシタの断面模式図である。従来のMOSキャパシタはシリコン基板1上に形成したゲート絶縁膜54と、ゲート電極55により構成され、浅溝素子分離2により他の素子との絶縁がなされる。図のように、従来のMOSキャパシタは、二次元で平行平板型に形成される為、浅溝素子分離2も含めると、他の回路に比べて、半導体装置内部における面積占有率がかなり大きくなってしまう。
例えば、ダミー縦型トランジスタd500をチャネル部分の直径を0.2μm、チャネル長を0.4μmの円筒として、ダミー縦型トランジスタd500が隣接する縦型トランジスタの中心間の距離を0.4μmとして、縦横に配置されていると仮定する。この場合、一個の縦型トランジスタのMOSキャパシタとして利用できる面積は、π×0.2μm×0.4μm=0.25 (μm)2である。シリコン基板主面に対して、縦型トランジスタの占める面積は、繰り返し周期を考慮しても、0.4μm×0.4μm=0.16 (μm)2であるので、縦型トランジスタの利用により面積を約1.6倍に拡大することができる。図**に示した通常のMOSキャパシタは、例えば、30μm×4μm=120 (μm)2での大きさで形成される。本実施例を適用することにより、同じキャパシタを、例えば、約19μm×4μmのシリコン基板主平面に対する大きさで形成することが可能となり、面積の縮小が図れる。
また、本実施例の別の形態を図76に示す。本実施形態では、ソースd508側からコンタクトプラグ117を介して他の配線、素子へと電気的接続がされるという特徴を持つ。
本実施例では、ダミー縦型トランジスタの電気的接続を取る配線が下層の配線6の層に形成されないので、配線6の層や、さらに下層のトランジスタ50等の周辺回路とは、電気的に接触せず、自由に周辺回路を形成することができるという効果が得られる。
【0054】
<実施例4>
次に、本発明の第4実施例を図77から図80を用いて説明する。図77は本発明の半導体装置の断面模式図、図78から図80は本発明の半導体装置の製造工程の一部を表す断面模式図である。
本実施例と他の実施例の違いは、第2実施例に示した周辺回路に形成されるダミーの縦型トランジスタd500を、抵抗として利用している点である。
本実施例のダミーの縦型トランジスタd500は、層間絶縁膜d504、d520、コンタクトプラグd505、バリアメタルd501、ソースd508、チャネルd507、ドレインd506、ゲート絶縁膜d509、ゲート電極d510、d511からなる。
本実施例の製造工程の一部を以下に示す。
(1)第2実施例と同様な方法で、縦型トランジスタ100、d500のドレイン層の形成まで行い、その後、縦型トランジスタ100、d100のチャネル層となる、アモルファスシリコンを全面に形成する。その後、全面に、ボロン(B)等の不純物を所望の濃度でイオン注入して、縦型トランジスタ100のチャネル層となる部分を形成する。(図78)
(2)縦型トランジスタ100の上面に、例えば、シリコン酸化膜からなるマスク900を形成し、ボロン(B)等の不純物を所望の濃度でイオン注入して、ダミー縦型トランジスタd500のチャネル層をとなる部分を形成する。(図79)
(3)マスク900を除去する。(図80)
なお、工程(1)は、上記工程(2)と逆であっても構わない。以下の工程は、第2実施例と同様な工程で縦型トランジスタ100、ダミー縦型トランジスタd500等を形成する。
【0055】
以下、本実施例の作用効果について説明する。本実施例の半導体装置によれば、ダミー縦型トランジスタd500のドレインd506下端から下層の配線6や、例えば、トランジスタ50等の素子に電気的接続がとれるようになっており、また、ソースd508上端からは、コンタクトプラグ117を介して、他の配線へと電気的に接続されるので、ソース、チャネル、ドレインを抵抗素子として用いることができるという効果が得られる。
【0056】
また、本実施例によれば、ダミー縦型トランジスタd500のチャネルd507への不純物添加は、縦型トランジスタ100とは別工程で行う。したがって、不純物添加量を調整することにより所望の抵抗値が得られるという効果が得られる。
【0057】
なお、本実施例では、チャネル層への不純物添加を変えることにより、抵抗値を制御したが、ソースやドレイン層に対しても、イオン注入の打ち分けを行っても構わない。
【0058】
<実施例5>
次に、本発明の第5実施例を図81から図82を用いて説明する。図81は本発明の半導体装置の断面模式図、図82はソース、チャネル、ドレインからなる柱状構造に外力が加わった時に柱状構造下端に生じる応力を解析した結果である。
本実施例と他の実施例との違いは、第2実施例に示した周辺回路上に形成されるダミーの縦型トランジスタd500にコンタクトプラグd505を形成している点である。本実施例のダミーの縦型トランジスタd500は、層間絶縁膜d504、d520、コンタクトプラグd505、バリアメタルd501、ソースd508、チャネルd507、ドレインd506、ゲート絶縁膜d509、ゲート電極d510、d511からなる。ダミー縦型トランジスタd500は、縦型トランジスタ100と同じ工程で形成される。
【0059】
以下、本実施例の半導体装置の作用効果を説明する。縦型トランジスタの製造工程においては、第2実施例の図65に示したように、ソース、チャネル、ドレインをエッチングにより柱状構造に加工した後、エッチング残留物の除去や、ゲート絶縁膜109形成の為の表面処理を目的に、洗浄が行われる。
【0060】
柱状のソース108、d508、チャネル107、d507、ドレイン106、d506部分は、幅方向の寸法に対して、高さ方向の寸法の大きな高アスペクト比の構造である。その為に、洗浄工程において、洗浄液の流れにより倒壊の可能性がある。本願発明者らは、ソース、チャネル、ドレイン部分の柱状構造の強度を応力解析し、コンタクトプラグの有無により、強度が変わることを明らかにした。図82は、図65の工程における、前記柱状構造に対して、横方向に外力を負荷した場合のドレイン下端に発生する応力を、コンタクトプラグの有無で比較した結果である。本解析結果から、コンタクトプラグを形成することにより、発生する応力が約1割、低減できることが明らかになった。
【0061】
本実施例によれば、ダミー縦型トランジスタd500部分にも、コンタクトプラグを形成するので、ダミー部分のソースd508、チャネルd507、ドレインd506柱状構造の強度が確保できるという効果が得られる。
【0062】
なお、本実施例においては、コンタクトプラグが形成されていることが重要であり、バリアメタルd501は必ずしも形成されている必要はないが、バリアメタルd501を形成することにより、層間絶縁膜d504、d520をエッチングにより加工する際のエッチストッパとして利用できる。
【0063】
<実施例6>
次に、本発明の第6実施例を図83を用いて説明する。図83は本発明の半導体装置の断面模式図である。
本実施例と他の実施例との違いは、第2実施例に示した周辺回路上に形成されるダミーの縦型トランジスタd500の径が、縦型トランジスタ100よりも大きくなっている点である。本実施例のダミーの縦型トランジスタd500は、第2実施例と同様に、層間絶縁膜d504、d520、ソースd508、チャネルd507、ドレインd506、ゲート絶縁膜d509、ゲート電極d510、d511からなる。ダミー縦型トランジスタd500は、縦型トランジスタ100と同じ工程で形成される。
【0064】
以下、本実施例の半導体装置の作用効果を説明する。第2実施例に述べた周辺回路へのダミー縦型トランジスタの形成は、周辺回路部分の面積が大きな場合、ダミー縦型トランジスタの個数が多くなる可能性がある。本実施例によれば、1個のダミー縦型トランジスタの径を大きくして、単位面積当たりに形成するダミー縦型トランジスタの個数を減らすことができる。その結果、マスクデータを削減することが出来るという効果が得られる。
【0065】
また、第5実施例で述べたように、径を大きくし、高さのアスペクト比を小さくすることが出来る。このため、外力に対する強度を向上することができるので、洗浄中の柱状構造の倒壊を防ぐことが出来るという効果が得られる。
【0066】
【発明の効果】
半導体主平面状に形成された縦型電界効果トランジスタを有し、該縦型電界効果トランジスタが周期的に複数配置されている半導体装置において、前記縦型電界効果トランジスタ列の端部に、ダミーの縦型電界効果トランジスタを少なくても1個以上、形成することにより、前記複数の縦型電界効果トランジスタの応力起因の特性変動を低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の半導体装置の断面を示す模式図である。
【図2】本発明の第1実施例の半導体装置の断面を示す模式図である。
【図3】本発明の第1実施例の半導体装置の断面を示す模式図である。
【図4】本発明の第1実施例の半導体装置の平面レイアウトを示す模式図である。
【図5】本発明を適用したSRAMのメモリセルの一部を表す電気回路図である。
【図6】縦型電界効果トランジスタ列に発生する応力を解析した結果である。
【図7】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図8】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図9】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図10】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図11】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図12】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図13】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図14】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図15】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図16】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図17】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図18】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図19】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図20】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図21】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図22】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図23】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図24】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図25】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図26】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図27】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図28】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図29】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図30】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図31】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図32】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図33】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図34】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図35】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図36】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図37】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図38】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図39】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図40】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図41】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図42】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図43】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図44】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図45】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図46】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図47】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図48】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図49】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図50】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図51】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図52】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図53】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図54】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図55】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図56】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図57】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図58】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図59】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図60】本発明の第1実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図61】本発明の第2実施例の半導体装置の断面を示す模式図である。
【図62】本発明の第2実施例の半導体装置の平面レイアウトを示す模式図である。
【図63】本発明の第2実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図64】本発明の第2実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図65】本発明の第2実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図66】本発明の第2実施例の半導体装置のダミー縦型電界効果トランジスタの配置方法を示す平面レイアウト図である。
【図67】本発明の第2実施例の半導体装置のダミー縦型電界効果トランジスタの配置方法を示す平面レイアウト図である。
【図68】本発明の第2実施例の半導体装置のダミー縦型電界効果トランジスタの配置方法を示す平面レイアウト図である。
【図69】本発明の第2実施例の半導体装置のダミー縦型電界効果トランジスタの配置方法を示す平面レイアウト図である。
【図70】本発明の第2実施例の従来の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図71】本発明の第2実施例の従来の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図72】本発明の第2実施例の従来の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図73】本発明の第2実施例の従来の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図74】本発明の第3実施例の半導体装置の断面を示す模式図である。
【図75】本発明の第3実施例の従来の半導体装置の断面を示す模式図である。
【図76】本発明の第3実施例の半導体装置の他の形態を示す模式図である。
【図77】本発明の第4実施例の半導体装置の断面を示す模式図である。
【図78】本発明の第4実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図79】本発明の第4実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図80】本発明の第4実施例の半導体装置の製造工程の一部を示す断面模式図である。
【図81】本発明の第5実施例の半導体装置の断面を示す模式図である。
【図82】縦型電界効果トランジスタのソース、チャネル、ドレインからなる柱状構造に対して外力を負荷した時に柱状構造に発生する応力を解析した結果である。
【図83】本発明の第6実施例の半導体装置の断面を示す模式図である。
【符号の説明】
1・・・シリコン基板、2・・・浅溝素子分離、3,5,104,112,114,116,120,121,d104,d120,d520,d504・・・層間絶縁膜、4,105,115,117,118,119,d105,d505,CONT,MLCT,SVGC・・・コンタクトプラグ、
6,103・・・配線、7,17,18・・・シリサイド、10・・・プレーナ型電界効果トランジスタ、11・・・p型ウェル、12,13・・・n型ソース・ドレイン、
1,109,d109,d509・・・ゲート絶縁膜、15,110,111,d110,d111,d510,d511、
FG・・・ゲート電極、16・・・サイドウォール、101,d101,d501・・バリアメタル、
102・・・エッチストッパ、106,d106,d506・・・ドレイン、107,d107,d507・・・チャネル、108,d108,d508・・・ソース、113・・・エッチストッパ、900・・・マスク、100、
SV・・・縦型電界効果トランジスタ、d100,d500,dSV・・・ダミー縦型電界効果トランジスタ、ACT・・・アクティブ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a vertical field effect transistor.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of information communication equipment, higher integration of semiconductor devices such as LSIs has been promoted. In particular, a planar field effect transistor has been widely used because of its low power consumption. However, its high integration has been promoted mainly by miniaturization of the structure, which is an advancement of lithography technology for processing semiconductor elements. It has been supported. However, recently, the required minimum processing size (minimum processing size of the gate length) has become below the wavelength level of light used for lithography, and further miniaturization processing is becoming difficult.
[0003]
Thus, a vertical field effect transistor (hereinafter referred to as a vertical transistor) has been proposed as means for highly integrating field effect transistors. A vertical transistor has a columnar structure in which a source layer, a channel layer, and a drain layer are formed in a direction perpendicular to the substrate surface. Therefore, compared with a planar field effect transistor that uses a conventional silicon (Si) substrate as a surface, the Si substrate surface The area occupied by can be reduced (the projected area on the Si substrate surface is small). Further, the vertical transistor has a feature that the operation speed of the transistor can be increased without depending on the lithography technique because the gate length of the vertical transistor can be controlled by the film thickness of the film formation technique. The vertical transistor is disclosed in, for example,
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-83945 A
[Non-Patent Document 1]
Akemi Hamada et al. Vol., "IE Trans. Electron Devices", 1991, vol. 38, no. 4, p. 895-900
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Since the vertical transistor described above is a columnar transistor in which the drain layer, the channel layer, and the source layer are stacked in the vertical direction (vertical direction of the substrate surface), the height in the vertical direction is planar compared to the horizontal direction of the substrate surface. Compared to other transistors, it has the feature of becoming larger. In a semiconductor device, there is a portion where transistors are periodically arranged adjacent to each other on an electric circuit. In the conventional planar field effect transistor, the step ratio between the top surface of the transistor array and the surface where the transistor is not formed is small even at the end of the transistor array having a small aspect ratio and periodically formed. The collapse of the symmetry of the directional structure was small. However, at the end of the portion where the vertical transistors are continuously arranged adjacent to each other, the step becomes large, and the symmetry of the structure with the portion where the vertical transistor is not formed is greatly broken.
[0006]
In general, in a semiconductor device manufacturing process, stress is generated inside an element due to a difference in linear expansion coefficient between materials, a difference in lattice constant, and film shrinkage in a heat treatment process.
[0007]
The inventors of the present application conducted a stress analysis of a portion where a plurality of vertical transistors are periodically formed continuously. As a result, it has been clarified that the stress at the end of the transistor is different from the transistor near the center due to the discontinuity of the structure.
[0008]
It has been conventionally studied that stress changes the characteristics of a transistor (see, for example, Non-Patent Document 1). Even in a vertical transistor formed of silicon, it is considered that the characteristics change due to stress.
[0009]
Therefore, from the results of the stress analysis described above, in the case of the vertically arranged vertical transistors, the stress is different at the end and the center, so that the plurality of transistor characteristics at the ends of the vertical transistor array are It was clarified that there is a problem that it is different from the characteristics near the part. As a portion where a plurality of vertical transistors are periodically formed continuously, for example, there is a memory mat in the case where a SRAM (Static Random Access Memory) memory cell is formed using vertical transistors.
[0010]
Also, since the vertical transistor has a higher aspect ratio structure than the planar type that has been widely used as described above, the vertical transistor is formed in a portion other than, for example, a planar transistor. In a peripheral circuit in which a type transistor or a resistance element is formed, a difference in height occurs in the height of the element. In the manufacturing process of a semiconductor device, a layer in which a vertical transistor is formed is filled with an interlayer insulating film made of, for example, silicon oxide, and then the surface is planarized by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process. Move on to the process. However, CMP in a portion with a large difference in height is difficult to flatten after polishing, and there are problems such as an increase in manufacturing cost and productivity not being improved.
[0011]
In general, in a semiconductor device, a parallel plate type MOS capacitor is used for an inter-power source capacitance or an analog capacitance. The MOS capacitor occupies a large area in the semiconductor device, and there is a problem that miniaturization and high integration of the semiconductor device are hindered.
In general, a resistance element is used in a semiconductor device. However, since the resistance element is also formed in the surface of the Si substrate, there is a problem that the semiconductor device is hindered from being downsized and highly integrated.
[0012]
The present invention has been made to solve at least one of the above problems. A first object of the present invention is to provide a semiconductor device having a vertical transistor, which is excellent in characteristics of the vertical transistor. A second object of the present invention is to provide a semiconductor device that is excellent in manufacturing cost. It is a third object of the present invention to provide a semiconductor device that achieves miniaturization and high integration of MOS capacitors. A fourth object of the present invention is to provide a semiconductor device in which a resistance element is miniaturized and highly integrated. A fifth object of the present invention is to provide a semiconductor device having excellent mechanical reliability.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the semiconductor device having the first periodic structure in which the vertical transistors are periodically arranged on the main plane of the silicon substrate, the first periodic structure and the first periodic structure are arranged at the end of the first periodic structure. This is solved by forming at least one dummy vertical transistor, more preferably three or more dummy vertical transistors in the same cycle. Thereby, since the stress of the vertical transistor in the first periodic structure becomes uniform, a semiconductor device in which the characteristics of the vertical transistor in the first periodic structure are uniform can be obtained.
[0014]
Further, in the semiconductor device having a vertical transistor formed on the main surface of the silicon substrate and a peripheral circuit formed around the vertical transistor, a dummy vertical transistor is formed on the upper surface of the peripheral circuit. It is solved by doing. Thereby, the same height as that of the vertical transistor is obtained on the peripheral circuit by the dummy vertical transistor, so that the effect of preventing dishing in the CMP process can be obtained.
[0015]
Further, in the above-described semiconductor device, the above problem is solved by forming a capacitive element between the channel of the dummy vertical transistor and a gate electrode adjacent to the dummy vertical transistor through a gate insulating film. As a result, the capacitance formed by the conventional plate capacitor can be three-dimensionally formed, so that the semiconductor device can be highly integrated.
[0016]
Further, the above problem can be solved by using the source, channel and drain of the dummy vertical transistor as a resistance element in the semiconductor device described above. As a result, the dummy vertical field effect transistor can be effectively used, and the semiconductor device can be highly integrated.
[0017]
Further, in the above semiconductor device, the above problem is solved by forming a contact plug at the lower end of the dummy vertical transistor. Thereby, the mechanical strength in the manufacturing process of the dummy vertical transistor can be increased.
[0018]
Further, in the above-described semiconductor device, the above problem can be solved by making the diameter of the dummy vertical transistor larger than that of the vertical transistor. Thereby, the mask data used in the manufacturing process can be reduced, and the mechanical strength in the manufacturing process of the dummy vertical transistor can be increased.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Example 1>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3 are schematic cross-sectional views of the semiconductor device of this embodiment (cross-sections A to B, C to D, and E to F of FIG. 4), and FIG. 4 is a plan layout of the semiconductor device of this embodiment. FIG. 5 is an electric circuit diagram showing a part of the semiconductor device of this embodiment, FIG. 6 is a stress analysis result of the channel portion stress generated by the manufacturing process of the vertical transistor, and FIGS. 7 to 60 are this embodiment. It is a cross-sectional schematic diagram showing a part of manufacturing process of the semiconductor device.
[0020]
As shown in FIG. 1 (A-B cross section in FIG. 4), FIG. 2 (C-D cross section in FIG. 4), and FIG. 3 (E-F cross section in FIG. 4), A vertical
[0021]
An electric circuit diagram of the SRAM cell is shown in FIG. In this embodiment, the transistors P1 and P2 are formed by vertical field effect transistors, and the transistors N1, N2, N3, and N4 are formed by planar field effect transistors.
[0022]
The planar
[0023]
The
[0024]
On the upper surface of the planar type
[0025]
The vertical
[0026]
The
[0027]
A
[0028]
A
[0029]
A
[0030]
The semiconductor device of this embodiment is characterized in that a dummy vertical field effect transistor d100 that is not used as an SRAM memory cell is formed adjacent to the vertical
[0031]
The dummy vertical field effect transistor d100 of this embodiment includes a dummy source d108, a channel d107, a drain d106, a gate insulating film d109, gate electrodes d110 and d111, an interlayer insulating film d104, and a barrier metal d101. This is different from the vertical
[0032]
In the semiconductor device of this embodiment, the lower layer of the dummy vertical field effect transistor d100 has a dummy wiring d6, a dummy contact plug d4, a dummy gate electrode d15, a sidewall d16, and a silicide d17. A dummy planar field effect transistor is also formed. The material and the manufacturing method may be the same as those of the
[0033]
Similar to the
[0034]
FIG. 4 is a plan layout diagram showing the arrangement of dummy vertical transistors dSV (d100). In this embodiment, three dummy vertical transistors dSV (d100) are formed at the end of the vertical transistor SV (100) column formed in the memory mat with the same repetition period as the vertical transistor column. In FIG. 4, in order to simplify the drawing, the vertical field effect transistor SV (100), the dummy vertical field effect transistor dSV (d100), the contact plug MSCT (117), MLCT (118), and SVGC (115). Only the active ACT and the gate electrode FG of the peripheral circuit are shown.
[0035]
Here, it is desirable that at least one dummy vertical transistor dSV (d100) is formed at the end of one column of the vertical transistor SV (100), more preferably three or more.
[0036]
A part of the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment is as follows, for example. Note that the method of manufacturing the semiconductor device of this embodiment is not necessarily limited to the following.
(1) A shallow
(2) Further, the
(3) For example, titanium (Ti), titanium nitride (TiN), tungsten nitride (WN), tungsten silicide, or a laminated film thereof, which becomes the
(4) The gate electrode lead-out
(5) After the
(6) A silicon oxide film to be the interlayer insulating
(7) For example, a polycrystalline or amorphous silicon film to which boron (B) is added is formed on the entire upper surface, and then planarized by CMP to form contact plugs 105 and d105. (Fig. 25, 26, 27)
(8) A polycrystalline silicon layer to which, for example, boron (B) or the like, which becomes the
(9) The
(10)
(11) For example, an amorphous or polycrystalline silicon film to which boron (B) is added is formed on the entire upper surface, which is to be the
(12) The
(13) Amorphous or polycrystalline silicon to which the
(14) For example, after the
(15) The
(16) The upper ends of the
(17) For example, a silicon nitride film serving as an etch stopper is formed on the entire upper surface, and etch
(18) An
(19) Similarly to the step (18), the
Hereinafter, the function and effect of the semiconductor device of this embodiment will be described. In recent years, with the development of information communication equipment, higher integration and larger capacity of semiconductor devices such as SRAM have been promoted. For this reason, miniaturization of transistors is being promoted. Conventionally, a planar type field effect transistor has been generally used as a transistor. However, use of a vertical type field effect transistor has been studied for high integration. The vertical field effect transistor is a columnar transistor in which a source, a channel, and a drain are formed in a direction perpendicular to the Si substrate surface.
[0037]
A vertical field effect transistor is a transistor having a larger aspect ratio in the height direction than a conventional planar field effect transistor. The inventors of the present application have clarified that in a portion where a plurality of vertical field effect transistors are periodically formed, the vertical field effect transistor located at the end of the transistor has different electrical characteristics from those of other transistors. We found a way to stabilize the characteristics.
[0038]
In general, in a semiconductor device manufacturing process, thermal stress due to a difference in linear expansion coefficient of a material constituting an element, intrinsic stress due to shrinkage of a film unique to the material, stress due to the structure of the element, etc. Occurs inside the device.
[0039]
The inventors of the present application analyzed the stress generated in the transistor in the manufacturing process of the vertical field effect transistor array by the finite element method. FIG. 6 shows a stress analysis result in which stress generated in the channel portion of the vertical field effect transistor in the process of forming the vertical field effect transistor column is evaluated in order from the end of the column. The horizontal axis in the figure is the position of the vertical field effect transistor from the end of the column, and the vertical axis is the stress in the normal direction of the channel surface. From the figure, it is clear that the stress is relaxed at the edge, and the influence of this edge reaches about the third.
[0040]
It has been known that the mobility of electrons and holes in Si has stress (strain) dependence, and it is known that the stress (strain) affects the electrical characteristics of conventional planar transistors. (For example, Akemi Hamada, et al., IEEE Trans. Electron Devices, vol. 38, No. 4, pp. 895-900, 1991). Even in the vertical field effect transistor, since Si is used for the channel portion, it is clear that the electrical characteristics fluctuate due to the stress (strain) generated in the channel. According to the analysis by the inventors of the present invention shown in FIG. 6, the channel stress of the vertical field effect transistor from the third end to the third is different from that near the center. It has been clarified that the electrical characteristics of the vertical field effect transistors are different from those in the vicinity of the center.
[0041]
As shown in FIGS. 1 to 4, in the semiconductor device of this embodiment, at least one dummy vertical field effect transistor not used as an electric circuit is provided at the end of the vertical field effect transistor row of the memory mat. One or more, more preferably three or more are formed. As a result, the vertical field effect transistor used as the electric circuit of the memory mat has an effect that a stable characteristic without variation in electric characteristics due to stress can be obtained.
[0042]
Further, by forming a dummy vertical field effect transistor in the vertical field effect transistor array, it is possible to obtain an effect that density correction can be performed in the photo process and the etching process.
Further, the method for stabilizing the vertical field effect transistor characteristics in the present embodiment utilizes the vertical transistor process of SRAM cell formation. Therefore, there is no need for an additional manufacturing process, and an effect that a highly reliable semiconductor device with excellent manufacturing cost can be manufactured.
[0043]
In this embodiment, in addition to the vertical transistor, a dummy is also formed for the lower planar transistor. As a result, the continuity from the center of the memory mat can be maintained for the planar transistor and the wiring structure below the vertical transistor, so that the stress can be stabilized. With respect to the wiring structure, the effect that the mechanical reliability can be improved is obtained.
[0044]
Note that the structure of the dummy vertical transistor in this embodiment is not necessarily the same as the vertical transistor of the memory cell. It is only necessary that the source d108, the channel d107, and the drain d106, which are the main structural factors of the vertical transistor, be formed, and a dummy planar transistor including the barrier metal d101, the wiring d6, or the dummy gate electrode d15 in the lower layer. Etc. are not necessarily formed.
[0045]
This embodiment describes a circuit in which vertical transistors are formed periodically. Therefore, the application of the present embodiment is not limited to the SRAM memory mat, and may be another circuit in which vertical transistors are periodically formed.
[0046]
<Example 2>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 61 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of the present invention (A-B-G-H cross-section of FIG. 62), FIG. 62 is a schematic plan view of the semiconductor device of the present invention, and FIGS. 63 to 65 are semiconductor devices of the present invention. FIG. 66 to FIG. 69 are plan layout views showing a method for arranging dummy on the peripheral circuit in the present invention, and FIG. 70 to FIG. 73 are diagrams showing one of the conventional semiconductor device manufacturing steps. It is a cross-sectional schematic diagram showing a part.
[0047]
The difference from the first embodiment is that, as shown in FIGS. 61 and 62, shallow groove
(1) The steps up to the step of forming the contact plugs 105 and d105 are performed in the same steps as in the first embodiment. In this embodiment, the portion corresponding to the
(2) A portion that becomes the drain, channel, and source of the
(3) The
(4) The
The dummy circuit layout method in the present embodiment is performed as follows, for example.
(1) A planar layout (FIG. 66) of a circuit including peripheral circuits and a planar layout in which dummy vertical transistors d5SV are arranged at equal intervals are produced (FIG. 67). Here, in the planar layout of the peripheral circuit, a layout of wiring and elements such as the contact plug MLCT (118) formed in the same layer as the vertical transistor SV (100) is described.
(2) The planar layout (FIG. 66) of the circuit including the peripheral circuit and the planar layout (FIG. 67) in which the dummy vertical transistors d5SV are arranged at equal intervals are overlapped (FIG. 68).
(3) Contact plug MLCT (118) and wiring formed in the same layer as vertical transistor SV (100), vertical transistor SV (100), dummy vertical transistor dSV (d100) around the memory mat, The overlapping dummy vertical transistor d5SV is removed (FIG. 69).
(4) Further, contact plug MLCT (118) and wiring formed in the same layer as the
The above is an example of the arrangement method of the dummy vertical transistors d5SV (d500) in the peripheral circuit portion. Examples of other arrangement methods include contact plug MLCT (118) and wiring formed in the same layer as the vertical transistor SV (100), the vertical transistor SV (100), and a dummy vertical transistor around the memory mat. In the layer where dSV (d100) is formed, when the contact plugs and the like are located with a space larger than the layout rule, a dummy vertical transistor d5SV (d500) is arranged between them. There may be.
[0048]
Hereinafter, the function and effect of the semiconductor device of this embodiment will be described. In a conventional semiconductor device using a vertical transistor, the density of the vertical transistor is coarse. In the case of such a conventional semiconductor device, when the vertical transistor layer is embedded with an interlayer insulating film and chemical mechanical polishing (CMP) is performed, dishing in which a portion where the vertical transistor is not formed is more deeply polished. The problem arises. 70 to 73 show a part of the manufacturing process of the conventional semiconductor device.
(1) A planar
(2) An
(3) A
(4) Thereafter, as in the step (3), an
[0049]
As described above, in the conventional semiconductor device, in the CMP process shown in the above step (3), the portion where the vertical transistor is not formed is polished deeper and a step is generated, which affects the subsequent steps. was there.
[0050]
In contrast, the semiconductor device of this embodiment can secure the same height as the portion where the
[0051]
Further, since the dishing prevention method shown in this embodiment is a part of the manufacturing process of the vertical transistor, there is no need to add a new manufacturing process, and the effect of excellent manufacturing cost can be obtained.
[0052]
In this embodiment, the dummy vertical transistor d500 is for preventing dishing of peripheral circuits in the CMP process. Therefore, it is sufficient that the
[0053]
<Example 3>
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 74 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device of the present invention, FIG. 75 is a schematic cross-sectional view of a conventional MOS capacitor, and FIG. 76 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the semiconductor device of the present invention.
The difference between this embodiment and other embodiments is that the dummy vertical transistor d500 formed in the peripheral circuit shown in the second embodiment is used as a capacitor. As shown in FIG. 74, the dummy vertical transistor d500 of this embodiment includes interlayer insulating films d504 and d520, contact plugs d505, barrier metal d501, source d508, channel d507, drain d506, gate insulating film d509, and gate electrode. d510 and d511. The dummy vertical transistor d500 of this embodiment is formed in the same process as the
Hereinafter, the effect of the present embodiment will be described. According to the semiconductor device of this embodiment, electrical connection can be established from the lower end of the drain to the
Further, since the MOS capacitor of this embodiment uses the side wall portion of the columnar structure, it has a three-dimensional structure, and an effect that the area can be increased as compared with a normal flat plate type MOS capacitor is obtained. FIG. 75 is a schematic sectional view of a conventional MOS capacitor. The conventional MOS capacitor is constituted by a
For example, the dummy vertical transistor d500 is a cylinder having a channel portion diameter of 0.2 μm and a channel length of 0.4 μm, and the distance between the centers of adjacent vertical transistors of the dummy vertical transistor d500 is 0.4 μm. Suppose that In this case, the area that can be used as a MOS capacitor of one vertical transistor is π × 0.2 μm × 0.4 μm = 0.25 (μm). 2 It is. The area occupied by the vertical transistor with respect to the main surface of the silicon substrate is 0.4 μm × 0.4 μm = 0.16 (μm) even if the repetition period is taken into consideration. 2 Therefore, the area can be enlarged about 1.6 times by using the vertical transistor. The normal MOS capacitor shown in FIG. ** is, for example, 30 μm × 4 μm = 120 (μm) 2 It is formed with the size at. By applying this embodiment, the same capacitor can be formed with a size of, for example, about 19 μm × 4 μm with respect to the main surface of the silicon substrate, and the area can be reduced.
FIG. 76 shows another form of the present embodiment. The present embodiment is characterized in that electrical connection is made from the source d508 side to other wirings and elements via the
In the present embodiment, since the wiring for electrically connecting the dummy vertical transistors is not formed in the
[0054]
<Example 4>
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 77 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of the present invention, and FIGS. 78 to 80 are schematic cross-sectional views showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device of the present invention.
The difference between this embodiment and other embodiments is that a dummy vertical transistor d500 formed in the peripheral circuit shown in the second embodiment is used as a resistor.
The dummy vertical transistor d500 of this embodiment includes interlayer insulating films d504 and d520, a contact plug d505, a barrier metal d501, a source d508, a channel d507, a drain d506, a gate insulating film d509, and gate electrodes d510 and d511.
A part of the manufacturing process of this example is shown below.
(1) By the same method as in the second embodiment, the drain layers of the
(2) A
(3) The
Step (1) may be the reverse of step (2). In the following processes, the
[0055]
Hereinafter, the effect of the present embodiment will be described. According to the semiconductor device of the present embodiment, electrical connection can be established from the lower end of the drain d506 of the dummy vertical transistor d500 to the
[0056]
Further, according to this embodiment, the impurity addition to the channel d507 of the dummy vertical transistor d500 is performed in a separate process from the
[0057]
In this embodiment, the resistance value is controlled by changing the impurity addition to the channel layer. However, ion implantation may be performed for the source and drain layers.
[0058]
<Example 5>
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 81 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of the present invention, and FIG. 82 is a result of analyzing the stress generated at the lower end of the columnar structure when an external force is applied to the columnar structure including the source, channel, and drain.
The difference between this embodiment and the other embodiments is that a contact plug d505 is formed in a dummy vertical transistor d500 formed on the peripheral circuit shown in the second embodiment. The dummy vertical transistor d500 of this embodiment includes interlayer insulating films d504 and d520, a contact plug d505, a barrier metal d501, a source d508, a channel d507, a drain d506, a gate insulating film d509, and gate electrodes d510 and d511. The dummy vertical transistor d500 is formed in the same process as the
[0059]
Hereinafter, the function and effect of the semiconductor device of this embodiment will be described. In the manufacturing process of the vertical transistor, as shown in FIG. 65 of the second embodiment, after the source, channel, and drain are processed into a columnar structure by etching, etching residues are removed and the
[0060]
The
[0061]
According to the present embodiment, since the contact plug is formed also in the dummy vertical transistor d500 portion, the effect of ensuring the strength of the columnar structure of the source d508, the channel d507, and the drain d506 in the dummy portion is obtained.
[0062]
In this embodiment, it is important that a contact plug is formed, and the barrier metal d501 is not necessarily formed. However, by forming the barrier metal d501, the interlayer insulating films d504 and d520 are formed. Can be used as an etch stopper when processing is performed by etching.
[0063]
<Example 6>
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 83 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of the present invention.
The difference between this embodiment and the other embodiments is that the diameter of the dummy vertical transistor d500 formed on the peripheral circuit shown in the second embodiment is larger than that of the
[0064]
Hereinafter, the function and effect of the semiconductor device of this embodiment will be described. The formation of dummy vertical transistors in the peripheral circuit described in the second embodiment may increase the number of dummy vertical transistors if the area of the peripheral circuit portion is large. According to this embodiment, the diameter of one dummy vertical transistor can be increased, and the number of dummy vertical transistors formed per unit area can be reduced. As a result, it is possible to reduce the mask data.
[0065]
Further, as described in the fifth embodiment, the diameter can be increased and the height aspect ratio can be decreased. For this reason, since the intensity | strength with respect to an external force can be improved, the effect that collapse of the columnar structure under washing | cleaning can be acquired is acquired.
[0066]
【The invention's effect】
In a semiconductor device having a vertical field effect transistor formed in a semiconductor main plane, and a plurality of the vertical field effect transistors are periodically arranged, a dummy field is formed at an end of the vertical field effect transistor array. By forming at least one vertical field effect transistor, there is an effect that the characteristic variation due to stress of the plurality of vertical field effect transistors can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a schematic view showing a cross section of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a schematic diagram showing a planar layout of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is an electric circuit diagram showing a part of an SRAM memory cell to which the present invention is applied;
FIG. 6 is a result of analyzing a stress generated in a vertical field effect transistor array.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 15 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 17 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 18 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 21 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 22 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 24 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 26 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 27 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 28 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 29 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
30 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention. FIG.
FIG. 31 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 32 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 33 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 34 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 35 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 36 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 37 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 38 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 39 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 40 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 41 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 42 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 43 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
44 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention. FIG.
FIG. 45 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 46 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 47 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 48 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 49 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 50 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 51 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 52 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 53 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 54 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 55 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 56 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 57 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 58 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 59 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 60 is a schematic cross sectional view showing a part of the manufacturing process for the semiconductor device according to the first example of the present invention;
FIG. 61 is a schematic view showing a cross section of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 62 is a schematic view showing a planar layout of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 63 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second example of the present invention.
FIG. 64 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second example of the present invention.
FIG. 65 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second example of the present invention.
FIG. 66 is a plan layout view showing a method for arranging dummy vertical field effect transistors in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 67 is a plan layout view showing a method for arranging dummy vertical field effect transistors in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 68 is a plan layout view showing a method for arranging dummy vertical field effect transistors in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 69 is a plan layout view showing a method for arranging dummy vertical field effect transistors in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 70 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the conventional semiconductor device of the second example of the present invention.
FIG. 71 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the conventional semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 72 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the conventional semiconductor device of the second example of the present invention.
FIG. 73 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the conventional semiconductor device of the second example of the present invention.
74 is a schematic view showing a cross section of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 75 is a schematic view showing a cross section of a conventional semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 76 is a schematic view showing another mode of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention;
FIG. 77 is a schematic view showing a cross section of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 78 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth example of the present invention.
FIG. 79 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth example of the present invention.
FIG. 80 is a schematic cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth example of the present invention.
FIG. 81 is a schematic view showing a cross section of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention;
FIG. 82 is a result of analyzing a stress generated in a columnar structure when an external force is applied to the columnar structure including a source, a channel, and a drain of a vertical field effect transistor.
FIG. 83 is a schematic view showing a cross section of a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
6, 103 ... wiring, 7, 17, 18 ... silicide, 10 ... planar field effect transistor, 11 ... p-type well, 12, 13 ... n-type source / drain,
1, 109, d109, d509 ... gate insulating film, 15, 110, 111, d110, d111, d510, d511,
FG... Gate electrode, 16 .. sidewall, 101, d101, d501 .. barrier metal,
102: etch stopper, 106, d106, d506 ... drain, 107, d107, d507 ... channel, 108, d108, d508 ... source, 113 ... etch stopper, 900 ... mask, 100,
SV ... vertical field effect transistor, d100, d500, dSV ... dummy vertical field effect transistor, ACT ... active.
Claims (9)
前記第1半導体層の側面の回りを取り囲むようにゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と前記第1半導体層の一端部及び他端部にそれぞれ隣接して形成されたソース及びドレイン層とからなる縦型電界効果トランジスタを有し、
前記縦型電界効果トランジスタが二次元的に、所定の間隔を持って配置された第1領域において、
前記所定の間隔を有する周期性が保持されなくなる領域を端部とする時、前記第1領域の周辺に配列された前記縦型電界効果トランジスタの内で、前記端部に最も近い少なくとも1つの行および列に配置された前記縦型電界効果トランジスタの動作を不活性化して用いることを特徴とする半導体装置。A first semiconductor layer having a columnar shape is provided on a main surface side of the semiconductor substrate;
A gate electrode formed through a gate insulating film so as to surround a side surface of the first semiconductor layer, and a source and drain layer formed adjacent to one end and the other end of the first semiconductor layer, respectively A vertical field effect transistor comprising:
In the first region where the vertical field effect transistors are two-dimensionally arranged with a predetermined interval,
When the region having the predetermined interval where the periodicity is not maintained is an end portion, at least one row closest to the end portion among the vertical field effect transistors arranged around the first region. And a semiconductor device wherein the operation of the vertical field effect transistors arranged in a column is deactivated.
前記周期性が保持されなくなる領域を端部とする時、前記第1領域の周辺に配列された前記縦型電界効果トランジスタの内で、前記端部に最も近い1つ乃至3つの行および列に配置された前記縦型電界効果トランジスタをダミー素子として用いることを特徴とする半導体装置。In the first region in which the vertical field effect transistors provided in the first semiconductor layer having a columnar shape on the main surface side of the semiconductor substrate are arranged two-dimensionally and periodically,
When the region where the periodicity is not maintained is an end portion, one to three rows and columns closest to the end portion of the vertical field effect transistors arranged around the first region are arranged. A semiconductor device using the arranged vertical field effect transistor as a dummy element.
前記第1半導体層の側面の回りを取り囲むようにゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と前記第1半導体層の上端部及び下端部にそれぞれ隣接して形成されたソース及びドレイン層とからなる縦型電界効果トランジスタが二次元的に、かつ周期的に配置された第1領域と、
前記第1領域以外の領域であって、前記半導体基板の周辺領域において、
前記半導体基板内に形成されたソース及びドレイン層と前記ソース及びドレイン層のそれぞれの一端を覆うように形成されたゲート部とを有する電界効果トランジスタが配置された第2領域とを有し、
前記第2領域上に、層間絶縁膜を介して前記縦型電界効果トランジスタを所定の間隔をもって二次元的に配置することを特徴とする半導体装置。A first semiconductor layer having a columnar shape is provided on a main surface side of the semiconductor substrate;
A gate electrode formed through a gate insulating film so as to surround a side surface of the first semiconductor layer, and a source and drain layer formed adjacent to the upper end portion and the lower end portion of the first semiconductor layer, respectively. A first region in which vertical field effect transistors are arranged two-dimensionally and periodically;
In a region other than the first region, the peripheral region of the semiconductor substrate,
A second region in which a field effect transistor having a source and drain layer formed in the semiconductor substrate and a gate portion formed so as to cover one end of each of the source and drain layers is disposed;
A semiconductor device, wherein the vertical field effect transistors are two-dimensionally arranged with a predetermined interval on the second region via an interlayer insulating film.
前記第1半導体層の側面の回りを取り囲むようにゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と前記第1半導体層の上端部及び下端部にそれぞれ隣接して形成されたソース及びドレイン層とからなる縦型電界効果トランジスタを有し、
前記半導体基板内に形成されたソース及びドレイン層と前記ソース及びドレイン層のそれぞれの一端を覆うように形成されたゲート部とを有する電界効果トランジスタが配置された第2領域において、
前記第2領域上に、層間絶縁膜を介して前記縦型電界効果トランジスタを所定の間隔をもって二次元的に配置することを特徴とする半導体装置。A first semiconductor layer having a columnar shape is provided on a main surface side of the semiconductor substrate;
A gate electrode formed through a gate insulating film so as to surround a side surface of the first semiconductor layer, and a source and drain layer formed adjacent to the upper end portion and the lower end portion of the first semiconductor layer, respectively. A vertical field effect transistor
In a second region where a field effect transistor having a source and drain layer formed in the semiconductor substrate and a gate part formed to cover one end of each of the source and drain layers is disposed,
A semiconductor device, wherein the vertical field effect transistors are two-dimensionally arranged with a predetermined interval on the second region via an interlayer insulating film.
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