JP2005268438A - Field effect transistor and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電界効果トランジスタおよびその作製方法に関し、縦型の電界効果トランジスタに適用される技術に関する。 The present invention relates to a field effect transistor and a manufacturing method thereof, and relates to a technique applied to a vertical field effect transistor.
電界効果トランジスタ(略称MOSFET)は、従来からホトリソグラフィー技術を用いて、半導体基板上に平面上に作られ、大量生産を可能とし、産業として大きな発展を遂げてきた。またMOSFETの高集積化などによってMOSFETのサイズ自体の小型化が図られている。 BACKGROUND ART Field effect transistors (abbreviated as MOSFETs) have been conventionally developed on a semiconductor substrate on a flat surface by using photolithography technology, enabling mass production, and have achieved great development as an industry. Also, the size of the MOSFET itself has been reduced by increasing the integration of the MOSFET.
近年、MOSFETを縦型にする技術が提案されている(たとえば特許文献1および2参照)。特許文献1には、縦型MOSFETによるC−MOSインバータロジックの作製技術が開示されている。図9は、従来の縦型の電界効果トランジスタの断面図である。特許文献2の縦型MOSFETは、半導体基板60とN型拡散層61とゲート電極62とP型半導体層63とドレイン電極62とを備える。本構成によってNAND回路を実現可能である。
In recent years, a technique for making a MOSFET a vertical type has been proposed (see, for example,
従来のMOSFETにおいては、MOSFETサイズの小型化に伴って、ドレインおよびソース電極間のリーク電流が大きくなる。またC−MOS回路を平面上に展開した場合、異なる電源で動作するN型MOSFETとP型MOSFETとを作製して配設する必要がある。それ故、ウェル構造などが複雑化するため、プロセスが長くなり歩留まりが低下する。 In the conventional MOSFET, the leakage current between the drain and source electrodes increases as the MOSFET size is reduced. Further, when the C-MOS circuit is developed on a plane, it is necessary to produce and arrange an N-type MOSFET and a P-type MOSFET that operate with different power sources. Therefore, since the well structure and the like become complicated, the process becomes long and the yield decreases.
特許文献1の技術では、単に縦型MOSFETが開示されているだけで、論理回路の基本であるNAND回路およびNOR回路については何ら開示、示唆されていない。換言すれば、特許文献1の技術では、論理回路を実現するための構成に相当するものは皆無である。
The technology of
特許文献2の技術においては、NAND回路の構造は開示されているものの、NOR回路については開示、示唆されていない。このような回路構成によれば、ドモルガン則を用いて全ての回路構成を実現し得るが、次のような問題がある。つまり縦型MOSFETによる集積回路を作製する場合には、1つの縦型トランジスタで1つの論理回路を実現し得るので、NAND回路とドモルガン則とを用いて、論理回路を展開すると、回路の数が増加する。すなわち縦型トランジスタ数が増加するため、回路規模が大きくなる。したがってチップサイズの増大を招く。
In the technique of
本発明の目的は、回路構造を簡単化するとともに、チップサイズを縮小化することができる電界効果トランジスタおよびその作製方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a field effect transistor and a manufacturing method thereof that can simplify a circuit structure and reduce a chip size.
本発明は、異なる導電型の半導体層が半導体基板の厚み方向に積層されて成る柱状の半導体層と、
柱状の半導体層の側壁に配設される複数のゲート電極とを備え、
これら柱状の半導体層および複数のゲート電極が、前記厚み方向に積層される積層体を成すことを特徴とする電界効果トランジスタである。
The present invention provides a columnar semiconductor layer in which semiconductor layers of different conductivity types are stacked in the thickness direction of a semiconductor substrate;
A plurality of gate electrodes disposed on the side wall of the columnar semiconductor layer,
The columnar semiconductor layer and the plurality of gate electrodes form a stacked body stacked in the thickness direction.
本発明に従えば、柱状の半導体層には、異なる導電型の半導体層が半導体基板の厚み方向に積層されて成る。この柱状の半導体層の側壁には、複数のゲート電極が配設される。これら柱状の半導体層および複数のゲート電極は、厚み方向に積層される積層体を成す。 According to the present invention, semiconductor layers having different conductivity types are stacked on the columnar semiconductor layer in the thickness direction of the semiconductor substrate. A plurality of gate electrodes are disposed on the side wall of the columnar semiconductor layer. These columnar semiconductor layers and the plurality of gate electrodes form a stacked body that is stacked in the thickness direction.
また本発明は、ゲート電極は、ソース電極およびドレイン電極間を電気的に並列に配置することを特徴とする。 In the invention, it is preferable that the gate electrode is electrically arranged between the source electrode and the drain electrode in parallel.
本発明に従えば、ソースおよびドレイン電極間が電気的に並列に配置される構成になるので、論理回路のうちNOR回路を実現することができる。 According to the present invention, since the source and drain electrodes are electrically arranged in parallel, a NOR circuit among the logic circuits can be realized.
また本発明は、ゲート電極は、ソース電極およびドレイン電極間を電気的に直列に配置することを特徴とする。 In the invention, it is preferable that the gate electrode is electrically arranged in series between the source electrode and the drain electrode.
本発明に従えば、ソースおよびドレイン電極間が電気的に直列に配置される構成になるので、論理回路のうちNAND回路を実現することができる。 According to the present invention, since the source and drain electrodes are electrically arranged in series, a NAND circuit among the logic circuits can be realized.
また本発明は、前記電界効果トランジスタのうち、Nチャンネル型電界効果トランジスタのゲート電極とPチャンネル型電界効果トランジスタのゲート電極とを電気的に接続するとともに、前記Nチャンネル型電界効果トランジスタのドレイン電極とPチャンネル型電界効果トランジスタのドレイン電極とを電気的に接続して成るC−MOS型ロジックデバイスである。 According to the present invention, among the field effect transistors, a gate electrode of an N-channel field effect transistor and a gate electrode of a P-channel field effect transistor are electrically connected, and a drain electrode of the N-channel field effect transistor. And a C-MOS type logic device in which a drain electrode of a P-channel field effect transistor is electrically connected.
本発明に従えば、Nチャンネル型電界効果トランジスタのゲート電極と、Pチャンネル型電界効果トランジスタのゲート電極とが電気的に接続される。しかもNチャンネル型電界効果トランジスタのドレイン電極と、Pチャンネル型電界効果トランジスタのドレイン電極とが電気的に接続される。このようにC−MOS型ロジックデバイスを実現することができる。 According to the present invention, the gate electrode of the N-channel field effect transistor and the gate electrode of the P-channel field effect transistor are electrically connected. In addition, the drain electrode of the N-channel field effect transistor and the drain electrode of the P-channel field effect transistor are electrically connected. In this way, a C-MOS type logic device can be realized.
また本発明は、半導体基板に拡散層を形成する第1工程と、
第1工程の後、半導体基板の厚み方向に沿って半導体層をエピタキシャル成長させる第2工程と、
半導体基板およびエピタキシャル成長させた半導体層に対しゲート絶縁膜を形成し、その後、ゲート電極をパターニングする第3工程とを有することを特徴とする電界効果トランジスタの作製方法である。
The present invention also includes a first step of forming a diffusion layer on a semiconductor substrate,
After the first step, a second step of epitaxially growing the semiconductor layer along the thickness direction of the semiconductor substrate;
And a third step of forming a gate insulating film on the semiconductor substrate and the epitaxially grown semiconductor layer and then patterning the gate electrode.
本発明に従えば、第1工程において、半導体基板に拡散層を形成する。第1工程の後第2工程において、半導体基板の厚み方向に沿って半導体層をエピタキシャル成長させる。第3工程においては、半導体基板およびエピタキシャル成長させた半導体層に対しゲート絶縁膜を形成し、その後、ゲート電極をパターニングする。 According to the present invention, in the first step, a diffusion layer is formed on the semiconductor substrate. In the second step after the first step, the semiconductor layer is epitaxially grown along the thickness direction of the semiconductor substrate. In the third step, a gate insulating film is formed on the semiconductor substrate and the epitaxially grown semiconductor layer, and then the gate electrode is patterned.
また本発明は、パターニングしたゲート電極に対し絶縁体層を形成し、前記厚み方向に沿ってさらに半導体層をエピタキシャル成長させる第4工程と、
第4工程でエピタキシャル成長させたエピタキシャル成長層のうち、ゲート絶縁膜および絶縁体層に臨む層を除去する第5工程と、
前記ゲート絶縁膜、絶縁体層およびエピタキシャル成長層に対しゲート絶縁膜を形成し、その後、第3工程でパターニングされたゲート電極と他のゲート電極との導通を図るためのコンタクトを形成する第6工程と、
他のゲート電極を形成する第7工程とを有することを特徴とする。
The present invention also includes a fourth step of forming an insulator layer on the patterned gate electrode and further epitaxially growing a semiconductor layer along the thickness direction,
A fifth step of removing a layer facing the gate insulating film and the insulator layer from the epitaxially grown layer epitaxially grown in the fourth step;
A sixth step of forming a gate insulating film on the gate insulating film, the insulator layer, and the epitaxial growth layer, and then forming a contact for conducting electrical connection between the gate electrode patterned in the third step and another gate electrode When,
And a seventh step of forming another gate electrode.
本発明に従えば、第4工程において、パターニングしたゲート電極に対し絶縁体層を形成し、半導体層をさらにエピタキシャル成長させる。第5工程において、エピタキシャル成長層のうち、ゲート絶縁膜および絶縁体層に臨む層を除去する。第6工程において、ゲート絶縁膜、絶縁体層およびエピタキシャル成長層に対しゲート絶縁膜を形成し、その後、コンタクトを形成する。第7工程においては、他のゲート電極を形成する。 According to the present invention, in the fourth step, an insulator layer is formed on the patterned gate electrode, and the semiconductor layer is further epitaxially grown. In the fifth step, the layers facing the gate insulating film and the insulator layer are removed from the epitaxial growth layer. In the sixth step, a gate insulating film is formed on the gate insulating film, the insulator layer, and the epitaxial growth layer, and then a contact is formed. In the seventh step, another gate electrode is formed.
本発明によれば、柱状の半導体層には、異なる導電型の半導体層が半導体基板の厚み方向に積層されて成る。この柱状の半導体層の側壁には、複数のゲート電極が配設される。これら柱状の半導体層および複数のゲート電極は、厚み方向に積層される積層体を成す。このような構成によって、次のような効果を奏する。つまり柱状の半導体層の側壁に、複数のゲート電極が配設されることで、柱状の半導体層のうちソースおよびドレイン電極間を並列に配置することが可能となる。柱状の半導体層および複数のゲート電極を厚み方向に積層することで、ソースおよびドレイン電極間を直列に配置することが可能となる。 According to the present invention, semiconductor layers having different conductivity types are stacked on the columnar semiconductor layer in the thickness direction of the semiconductor substrate. A plurality of gate electrodes are disposed on the side wall of the columnar semiconductor layer. These columnar semiconductor layers and the plurality of gate electrodes form a stacked body that is stacked in the thickness direction. Such a configuration provides the following effects. That is, by providing a plurality of gate electrodes on the side wall of the columnar semiconductor layer, the source and drain electrodes of the columnar semiconductor layer can be arranged in parallel. By stacking the columnar semiconductor layer and the plurality of gate electrodes in the thickness direction, the source and drain electrodes can be arranged in series.
したがって厚み方向に積層される縦型の電界効果トランジスタにおいて、半導体層とゲート電極との配設位置によって、論理回路のうちNOR回路およびNAND回路の少なくともいずれか一方を実現することが可能となる。換言すれば、ゲート電極の繋ぎ方によって、縦型の電界効果トランジスタをNOR回路またはNAND回路として選択的に使用することが可能となる。それ故、全ての論理回路を実現できるだけでなく、従来技術よりも回路構造を簡単化し、かつ回路規模を縮小することができる。これによってチップサイズを縮小することができる。 Therefore, in the vertical field effect transistor stacked in the thickness direction, it is possible to realize at least one of the NOR circuit and the NAND circuit among the logic circuits depending on the arrangement position of the semiconductor layer and the gate electrode. In other words, a vertical field effect transistor can be selectively used as a NOR circuit or a NAND circuit depending on how the gate electrodes are connected. Therefore, not only all logic circuits can be realized, but also the circuit structure can be simplified and the circuit scale can be reduced as compared with the prior art. As a result, the chip size can be reduced.
また本発明によれば、ソースおよびドレイン電極間が電気的に並列に配置される構成になるので、論理回路のうちNOR回路を実現することができる。 Further, according to the present invention, the source and drain electrodes are electrically arranged in parallel, so that a NOR circuit among the logic circuits can be realized.
また本発明によれば、ソースおよびドレイン電極間が電気的に直列に配置される構成になるので、論理回路のうちNAND回路を実現することができる。 Further, according to the present invention, since the source and drain electrodes are arranged in series electrically, a NAND circuit among the logic circuits can be realized.
また本発明によれば、Nチャンネル型電界効果トランジスタのゲート電極と、Pチャンネル型電界効果トランジスタのゲート電極とが電気的に接続される。しかもNチャンネル型電界効果トランジスタのドレイン電極と、Pチャンネル型電界効果トランジスタのドレイン電極とが電気的に接続される。このようにC−MOS型ロジックデバイスを実現することができる。したがって半導体基板の状態では、片側の電源しか存在しないので、ウェルの絶縁不良による電源間のショートを解消することができる。さらにウェルによる寄生サイリスタが存在しないので、ラッチアップなどの不具合も解消し得る。 According to the present invention, the gate electrode of the N-channel field effect transistor and the gate electrode of the P-channel field effect transistor are electrically connected. In addition, the drain electrode of the N-channel field effect transistor and the drain electrode of the P-channel field effect transistor are electrically connected. In this way, a C-MOS type logic device can be realized. Therefore, in the state of the semiconductor substrate, since only one power source exists, a short circuit between power sources due to well insulation failure can be eliminated. Furthermore, since there is no parasitic thyristor due to the well, problems such as latch-up can be solved.
また本発明によれば、第1工程で半導体基板に拡散層を形成した後、第2工程において、半導体基板の厚み方向に沿って半導体層をエピタキシャル成長させる。第3工程においては、半導体基板およびエピタキシャル成長させた半導体層に対しゲート絶縁膜を形成し、その後、ゲート電極をパターニングする。このように半導体層とゲート電極との配設位置を規定することが可能となる。換言すれば、ゲート電極の繋ぎ方によって、縦型の電界効果トランジスタを論理回路のうちの1つとして選択的に使用することが可能となる。したがって論理回路の実現を図るだけでなく、従来技術よりも回路構造を簡単化し、かつ回路規模を縮小することができる。 According to the invention, after the diffusion layer is formed on the semiconductor substrate in the first step, the semiconductor layer is epitaxially grown along the thickness direction of the semiconductor substrate in the second step. In the third step, a gate insulating film is formed on the semiconductor substrate and the epitaxially grown semiconductor layer, and then the gate electrode is patterned. In this way, it is possible to define the arrangement positions of the semiconductor layer and the gate electrode. In other words, the vertical field effect transistor can be selectively used as one of the logic circuits depending on how the gate electrodes are connected. Therefore, not only can the logic circuit be realized, but also the circuit structure can be simplified and the circuit scale can be reduced as compared with the prior art.
また本発明によれば、第4工程において、パターニングしたゲート電極に対し絶縁体層を形成し、半導体層をさらにエピタキシャル成長させる。第5工程において、エピタキシャル成長層のうち、ゲート絶縁膜および絶縁体層に臨む層を除去する。第6工程において、ゲート絶縁膜、絶縁体層およびエピタキシャル成長層に対しゲート絶縁膜を形成し、その後、コンタクトを形成する。第7工程においては、他のゲート電極を形成する。このようにゲート電極の配設位置を規定することで、縦型の電界効果トランジスタを論理回路のうちの1つとして選択的に使用することが可能となる。 According to the invention, in the fourth step, an insulator layer is formed on the patterned gate electrode, and the semiconductor layer is further epitaxially grown. In the fifth step, the layers facing the gate insulating film and the insulator layer are removed from the epitaxial growth layer. In the sixth step, a gate insulating film is formed on the gate insulating film, the insulator layer, and the epitaxial growth layer, and then a contact is formed. In the seventh step, another gate electrode is formed. By defining the arrangement position of the gate electrode in this manner, the vertical field effect transistor can be selectively used as one of the logic circuits.
図1は、本発明の実施形態に係る縦型の電界効果トランジスタ1を概略示す斜視図である。縦型の電界効果トランジスタ1(略称:縦型MOSFET)は、半導体基板2、エピタキシャル成長で形成した柱体3、ゲート電極4、チャンネル5、図示外のゲート酸化膜および層間絶縁膜などを有する。半導体基板2が載置支持され、この半導体基板2の一表面部に、積層体である柱体3が立設されている。柱体3は、後述する「縦型MOSFET柱」と同義である。柱体3は六面体を成し、前記一表面部に対し略垂直に延びるように形成されている。前記「略垂直」方向は、垂直方向を含む。以後、柱体3の延び方向をz方向と定義し、柱体3の一辺に平行な方向をx方向と定義し、柱体3の他辺に平行な方向をy方向と定義する。z方向を縦方向という場合がある。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a vertical
柱体3には、そのz方向一定間隔置きにチャンネル5が形成される。柱体3の4つの側面部で、かつチャンネル層を覆う4つの側面部には、それぞれゲート電極4が突設されている。しかも柱体3におけるz方向の同一段に、4つのゲート電極4が配設されるうえ、柱体3のz方向に沿って、4段分のゲート電極4(つまり合計16個のゲート電極4)が配設されるようになっている。このように、柱体3の各段に形成されるゲート電極数と、ゲート電極4が配設される段数とを一致させる構成になっている。
In the
本実施形態においては、柱体3の全ての側面部にそれぞれゲート電極4を配設する構成になっているが、必ずしもこの形態に限定されるものではない。1つのチャンネル層を覆う1つの側面部には、1つのゲート電極4が配設されているが、必ずしもこの構成に限定されるものではない。たとえば1つのチャンネル層を覆う1つの側面部に、複数のゲート電極4を配設する構成にすることも可能である。
In the present embodiment, the
後述する縦型MOSFET1の作製プロセスによって、たとえばz方向に隣接する2つのゲート電極4a,4bを論理回路入力として用い、2入力NAND回路を当該トランジスタ部分で実現し得る。またxおよびy方向に隣接する2つのゲート電極4a,4cを論理回路入力として用い、2入力NOR回路を当該トランジスタ部分で実現し得る。
By a process for manufacturing the
図2は、NAND回路を構成する場合のゲート電極の連絡方法の一例を示す斜視図である。図3は、NOR回路を構成する場合のゲート電極の連絡方法の一例を示す斜視図である。ここで同一の柱体3をゲート電極4と協働してNAND回路、NOR回路に作り分ける方法を概略説明する。ただし前記縦型MOSFET1と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図2に示すように、たとえばNAND回路を構成する場合には、同一段つまりz方向における同一段において、NOR回路を構成する全てのゲート電極を接続し、1つの入力4Aとする。各段においても、前記と同様にNOR回路を構成する全てのゲート電極を接続し、1つの入力4B(4C,4D)とする。このような構成によってNAND回路の入力を実現することができる。
FIG. 2 is a perspective view showing an example of a gate electrode connection method in the case of configuring a NAND circuit. FIG. 3 is a perspective view showing an example of a gate electrode connection method when a NOR circuit is configured. Here, a method for forming the
図3に示すように、たとえばNOR回路を構成する場合には、柱体3の同一側面部に形成した全てのゲート電極を接続する。これによって異なる系統のゲート接続4α,4βを実現し得る。xおよびy方向に隣接するゲート電極であって、異なる系統のゲート電極でもってNOR回路の入力を実現することができる。本実施形態においては、同一側面部に形成したゲート電極を選択して接続しているが、必ずしもこの構成に限定されるものではない。たとえば異なる側面部に形成したゲート電極を選択して接続することも可能である。
As shown in FIG. 3, for example, when configuring a NOR circuit, all gate electrodes formed on the same side surface portion of the
図4は、本実施形態に係る縦型の電界効果トランジスタの作製方法を表すフローチャートである。ステップs0で本フローをスタートさせ、ステップs1において、拡散層を形成する。次にステップs2に移行し、半導体層をエピタキシャル成長させる。次にステップs3において、半導体基板およびエピタキシャル成長させた半導体層に対しゲート絶縁膜を形成し、その後、ゲート電極をパターニングする。次にステップs4に移行し、エピタキシャル成長させたエピタキシャル成長層のうち、ゲート絶縁膜および絶縁体層に臨む層を除去する。その後、ステップs5に移行する。ステップs5では、前記ゲート絶縁膜、絶縁体層およびエピタキシャル成長層に対しゲート絶縁膜を形成し、その後、ステップs3でパターニングされたゲート電極と他のゲート電極との導通を図るためのコンタクトを形成する。その後、ステップs7において、他のゲート電極を形成する。 FIG. 4 is a flowchart showing a method for manufacturing a vertical field effect transistor according to this embodiment. This flow is started at step s0, and a diffusion layer is formed at step s1. Next, it transfers to step s2 and makes a semiconductor layer grow epitaxially. Next, in step s3, a gate insulating film is formed on the semiconductor substrate and the epitaxially grown semiconductor layer, and then the gate electrode is patterned. Next, the process proceeds to step s4, and the layers facing the gate insulating film and the insulator layer are removed from the epitaxially grown epitaxially grown layers. Thereafter, the process proceeds to step s5. In step s5, a gate insulating film is formed on the gate insulating film, the insulator layer, and the epitaxial growth layer, and then a contact for establishing electrical connection between the gate electrode patterned in step s3 and another gate electrode is formed. . Thereafter, in step s7, another gate electrode is formed.
図5、図6および図7は、縦型の電界効果トランジスタの形成プロセスを段階的にかつ詳細に説明する図である。本実施形態においては、たとえばNチャンネルMOSFETの場合の半導体型が適用される。図5(1)に示すように、先ずP型半導体基板2に、電源(あるいはグランド)を供給するためのN型拡散層6を、たとえば熱拡散法またはイオン注入法などを用いて形成する。次に図5(2)に示すように、下地の結晶方位に従ったエピタキシャル半導体膜を形成させる。つまりソース電極7のN+半導体層、チャンネル5のP−半導体層、ドレイン電極8のN+半導体層の順にエピタキシャル成長させる。チャンネル5となるP−半導体層のz方向厚さが、いわゆるゲート長(チャンネル長ともいう)に相当する。なおソース電極7のN+半導体層としては400nm、チャンネル5のP−半導体層としては200nm、ドレイン電極8のN+半導体層としては250nmのエピタキシャル膜をそれぞれ形成した。このように縦型MOSFET1の1段分のエピタキシャル成長を実施し得る。
5, FIG. 6 and FIG. 7 are diagrams for explaining the formation process of the vertical field effect transistor step by step in detail. In the present embodiment, for example, a semiconductor type in the case of an N-channel MOSFET is applied. As shown in FIG. 5A, first, an N-
次に図5(3)に示すように、前述のエピタキシャル成長させたエピタキシャル成長層を、柱状に微細加工する。具体的には、ホトリソグラフィーを用いてレジストマスクを形成し、反応性異方性エッチング(略称RIE)など、異方性が強いエッチング手法を用いて微細に加工する。SF6およびO2ガスを用いた並行平板型RIEを用いた。その後、図5(4)に示すように、柱状のエピタキシャル成長層および半導体基板2に対し、ゲート絶縁膜9を形成する。このゲート絶縁膜9は、たとえば化学的気相成長法(略称CVD)など、等方的に成膜できるプロセスを選択する。本実施形態においては、テトラエチルオルソシリケート(略称TEOS)を用いて、プラズマCVD装置を使用してゲート絶縁膜9を形成する。
Next, as shown in FIG. 5 (3), the epitaxially grown epitaxially grown layer is finely processed into a columnar shape. Specifically, a resist mask is formed using photolithography, and finely processed using an etching method with strong anisotropy such as reactive anisotropic etching (abbreviation RIE). A parallel plate RIE using SF 6 and O 2 gas was used. Thereafter, a
次に図5(5)に示すように、たとえばスパッタ法によってSiO2膜10およびポリシリコン膜11を形成する。前記スパッタ法以外の物理的堆積法を適用してもよい。このようなスパッタ法を含む物理的堆積法を適用することで、SiO2膜10およびポリシリコン膜11を順次ボトムアップ的に堆積することが可能となる。したがって凹部12を埋めるように膜形成することができる。SiO2膜10を介在させることで、チャンネル層とポリシリコン層とのz方向高さを合わせることができるうえ、z方向一端つまり下部の電源層との間にできる浮遊容量を減らすことができる。MOSFETの場合には、チャンネル層とゲート電極4との位置合わせに要求される精度は、高くないので、スパッタの堆積レートのみで制御して成膜する。ゲート電極4のポリシリコン膜11は、チャンネル層よりもやや厚めにして、チャンネル層を完全に覆うように形成する。
Next, as shown in FIG. 5 (5), the SiO 2 film 10 and the
次に図6(1)に示すように、ゲート電極4を微細加工によってパターニングする。具体的にはホトリソグラフィーを用いてレジストマスクを形成し、RIEなど異方性の強いエッチング手法で加工する。このときNOR回路にする部分は、ゲート電極4を複数に分割する。NAND回路にする部分は、柱状のエピタキシャル成長膜を囲むままにし、隣接するゲート電極4との分離のみを行う。
Next, as shown in FIG. 6A, the
その後、図6(2)に示すように、パターニングしたゲート電極4の周囲であって、外方に臨むゲート電極4の周囲を絶縁体13で埋める。これによってゲート電極4の分離を図る。詳細には、先ずゲート電極4のレジストマスクを残して、SiO2をスパッタし、ゲート電極4の周囲を埋める。次にレジストマスクを除去し、z方向の一表面部、つまり全面にSiO2をスパッタする。その後、エピタキシャル層のz方向一表面部に堆積したSiO2をエッチング除去する。
Thereafter, as shown in FIG. 6B, the periphery of the patterned
次に図6(3)に示すように、次段のMOSFETのための半導体層をエピタキシャル成長させる。つまり柱状の半導体層のz方向一方には、結晶構造の揃ったエピタキシャル膜14ができる。一方、酸化膜上は結晶構造が異なるので、酸化膜のz方向一方には、結晶構造が乱れたポリシリコン膜15として成長する。それらポリシリコン膜15の膜厚は、z方向基端部からz方向一方に向かうに従って順次、250nm、200nm、250nmに規定する。縦方向つまりz方向に形成されるトランジスタは、200nmのチャンネル領域に対して、ドレイン電極領域が500nmになるように規定する。このようにドレイン電極領域を、チャンネル領域に対してz方向に厚く形成することで、縦トランジスタ柱の同一段に形成されたNOR接続されるトランジスタ動作を安定させ得る。
Next, as shown in FIG. 6C, a semiconductor layer for the next-stage MOSFET is epitaxially grown. That is, an
その後、図6(4)に示すように、結晶構造が乱れたポリシリコン膜15をエッチング除去する。つまりホトリソグラフィーを用いてレジストマスクを形成し、RIEなどの異方性の強いエッチング手法で、前記ポリシリコン膜15をエッチング除去する。次に図7(1)に示すように、柱状のエピタキシャル成長層14および絶縁体13に対して、ゲート絶縁膜16を形成する。このゲート絶縁膜16は、たとえば化学的気相成長法(略称CVD)など、等方的に成膜できるプロセスを選択する。本実施形態においては、テトラエチルオルソシリケート(略称TEOS)を用いて、プラズマCVD装置を使用してゲート絶縁膜16を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 6D, the
その後、図7(2)に示すように、他のゲート電極4とのコンタクト17を形成する。つまりホトリソグラフィーを用いてレジストマスクを形成し、RIEなど異邦性の強いエッチング手法でコンタクト17を形成する。次に図7(3)に示すように、たとえばスパッタ法によってゲート電極4であるポリシリコン膜を形成する。つまり先に形成されたゲート電極4とのコンタクトにポリシリコンが充填され、先に形成されたゲート電極4との接続も同時に行う。前記スパッタ法以外の物理的堆積法を適用してもよい。以後、図6(1)で示すプロセスを繰り返し、縦型MOSFET柱を半導体基板の一表面部に形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 7B, a
以上説明した縦型MOSFET1によれば、特に図6(1)に示すように、ゲート電極4を微細加工によってパターニングする。このときNOR回路にする部分は、ゲート電極4を複数に分割する。NAND回路にする部分は、柱状のエピタキシャル成長膜14を囲むままにし、隣接するゲート電極4との分離のみを行う。したがって縦型MOSFET1において、半導体層とゲート電極4との配設位置によって、論理回路のうちのNOR回路およびNAND回路を実現することができる。換言すれば、ゲート電極4の繋ぎ方によって、縦型のMOSFET1をNOR回路またはNAND回路として選択的に使用することができる。それ故、全ての論理回路を実現できるだけでなく、従来技術よりも回路構造を簡単化し、かつ回路規模を縮小することができる。これによってチップサイズを縮小することができる。
According to the
縦型MOSFET柱3は六面体を成しており、その各側面部にゲート電極4が配設される。この六面体を成す縦型MOSFET柱3を、xy方向を含む仮想平面で切断して見た断面形状は矩形状となるので、次の効果を奏する。つまり縦型MOSFET柱3を、半導体基板主面上に配置する場合、スペース的に効率良く配置することができる。たとえば半導体基板主面上に、複数の縦型MOSFET柱3を配置する際に、隣接する縦型MOSFET柱3の距離を極力短くすることが可能となる。本実施形態においては、六面体を成す縦型MOSFET柱を適用しているが、必ずしもこの形態に限定されるものではない。たとえば縦型MOSFET柱を六角柱に形成してもよい。この六角柱に形成した縦型MOSFET柱を、xy方向を含む仮想平面で切断して見た断面形状は六角形となるので、前記と同様にこの縦型MOSFET柱を、半導体基板主面上に配置する場合にも、スペース的に効率良く配置することができる。
The
また本実施形態に係る縦型MOSFET1によれば、縦型MOSFET柱3のz方向の各段に形成されるゲート電極数と、ゲート電極4が配設される段数とを一致させる構成になっているので、次の効果を奏する。矩形状の断面形状を有する六面体の縦型MOSFET柱3において、4つの側面部にそれぞれ1つずつゲート電極4を形成した場合、4入力のNOR回路となる。このとき縦型MOSFET1を4段積層することでz方向つまり縦方向では4つのNAND回路の構成となる。したがって合計16個のゲート電極4の繋ぎ方を選択することで、4入力NOR回路および4入力NAND回路を、同一の縦型MOSFET柱3で実現することができる。
Further, according to the
図8は、本発明の実施形態に係る3段インバータを示し、図8(1)は、縦型の電界効果トランジスタを用いた3段インバータ回路の断面図、図8(2)は、3段インバータロジックを直列にした回路図である。本実施形態に係るC−MOS型ロジックデバイスは、二つの半導体基板に形成した導電型の異なる縦型MOSFET柱が積層されて構成される。図8においては、一つの縦型MOSFET柱は二つのMOSFETを積層したもので簡略化して示す。C−MOS型ロジックデバイス20は、一方および他方の縦型MOSFET21,22と、インターポーザ基板23とを有する。つまり一方の縦型MOSFET21は、インターポーザ基板23を介して他方の縦型MOSFET22に積層されている。この積層方向をz方向として以後説明する。
8 shows a three-stage inverter according to an embodiment of the present invention, FIG. 8 (1) is a sectional view of a three-stage inverter circuit using a vertical field effect transistor, and FIG. 8 (2) is a three-stage inverter. It is the circuit diagram which made the inverter logic in series. The C-MOS type logic device according to this embodiment is configured by stacking vertical MOSFET pillars of different conductivity types formed on two semiconductor substrates. In FIG. 8, one vertical MOSFET column is a simplified view of two MOSFETs stacked. The C-MOS
一方の縦型MOSFET21は、N型半導体基板24、Pチャンネル型の縦型MOSFET柱25およびゲート電極26を有する。N型半導体基板24のz方向一方側の表面部にP型拡散層27が形成される。このP型拡散層27は、たとえば熱拡散法またはイオン注入法などを用いて形成される。N型半導体基板24のz方向一方には、エピタキシャル成長させた半導体層、つまり縦型MOSFET柱25が形成される。この縦型MOSFET柱25の側面部に沿って、ゲート電極26が形成される。
One
他方の縦型MOSFET22は、P型半導体基板28、Nチャンネル型の縦型MOSFET柱29およびゲート電極30を有する。P型半導体基板28のz方向他方側の表面部にN型拡散層31が形成される。このN型拡散層31は、たとえば熱拡散法またはイオン注入法などを用いて形成される。P型半導体基板28のz方向他方には、エピタキシャル成長させた半導体層、つまり縦型MOSFET柱29が形成される。この縦型MOSFET柱29の側面部に沿って、ゲート電極30が形成される。
The other
インターポーザ基板23には、3段インバータ回路の入力および出力端子32,33、インバータ間の接続端子34、第1および第2の配線35,36が形成されている。これら配線のうち第1の配線35は、Nチャンネル型の縦型MOSFET柱29に形成されるゲート電極30と、Pチャンネル型の縦型MOSFET柱25に形成されるゲート電極26とを電気的に繋ぐ機能を有する。第2の配線36は、Nチャンネル型の縦型MOSFET柱29に形成されるドレイン電極と、Pチャンネル型の縦型MOSFET柱25に形成されるドレイン電極とを電気的に繋ぐ機能を有する。インバータとして動作させるため、Nチャンネル型およびPチャンネル型の全ての縦型MOSFET21,22のゲート電極26,30を束ねて入力とする。さらにNチャンネル型の縦型MOSFET21およびPチャンネル型の縦型MOSFET22のそれぞれのドレイン電極を接続した部分が出力となる。
On the
インターポーザ基板23は、シリコンウェハー上に犠牲層としての金属膜(Al)を形成し、その後、ポリイミド膜を使った銅ポリイミド多層膜を形成する。ポリイミドは感光性ポリイミド材料を用い、層間のコンタクトはポリイミドを感光させエッチングによって形成する。配線のCuは、ホトレジストで配線にする部分を溝としたパターンを形成し、Cuを全面にスパッタ、またはレジスト除去する際に同時に余分のCuを除去するリフトオフ法を用いる。これによって1μmピッチのCu配線基板を形成し、配線インターポーザつまりインターポーザ基板23とする。
The
接続は、フリップチップボンダーを用いて、先ず、Nチャンネル型MOSFET22が形成された半導体基板28に、シリコンウェハー上に形成した配線インターポーザ23を接続し、犠牲層をエッチング除去する。次にPチャンネル型MOSFET21を形成された半導体基板24と、配線インターポーザ23が実装されたNチャンネル半導体基板28を接続する。いずれもシリコンを基板に用いているため、接続時の必要十分な位置決め精度を得ることができ、繰り返しパターン認識を行うことで、±0.5μm以下の位置決め精度で接続が可能である。フリップチップ法としてはたとえば熱圧着法を用いる。
For the connection, first, a
前述したようにインターポーザ基板の第1および第2の配線35,36によって、導電型の異なる縦型MOSFETを電気的に接続することで、C−MOSロジック回路として動作する。前述の入力端子が、所望の動作をさせるための回路の一部となる場合には、外部から接続されず、他の回路から接続されることもある。また出力端子は他の回路へ接続されることもある。
As described above, the vertical MOSFETs having different conductivity types are electrically connected by the first and
このようにNチャンネル型の縦型MOSFETを形成した半導体基板と、Pチャンネル型の縦型MOSFETを形成した半導体基板とを、配線インターポーザを介して接続することでC−MOS型ロジックデバイスを構成する場合には、ウェルの絶縁不良による電源間のショートを解消することができる。さらにウェルによる寄生サイリスタが存在しないので、ラッチアップなどの不具合も解消し得る。 Thus, a C-MOS type logic device is configured by connecting a semiconductor substrate on which an N-channel type vertical MOSFET is formed and a semiconductor substrate on which a P-channel type vertical MOSFET is formed via a wiring interposer. In this case, it is possible to eliminate a short circuit between power sources due to poor insulation of the well. Furthermore, since there is no parasitic thyristor due to the well, problems such as latch-up can be solved.
1 縦型MOSFET
2 半導体基板
3 縦型MOSFET柱
4 ゲート電極
7 ソース電極
8 ドレイン電極
1 Vertical MOSFET
Claims (6)
柱状の半導体層の側壁に配設される複数のゲート電極とを備え、
これら柱状の半導体層および複数のゲート電極が、前記厚み方向に積層される積層体を成すことを特徴とする電界効果トランジスタ。 A columnar semiconductor layer in which semiconductor layers of different conductivity types are stacked in the thickness direction of the semiconductor substrate;
A plurality of gate electrodes disposed on the side wall of the columnar semiconductor layer,
A field effect transistor, characterized in that these columnar semiconductor layers and a plurality of gate electrodes form a laminated body laminated in the thickness direction.
第1工程の後、半導体基板の厚み方向に沿って半導体層をエピタキシャル成長させる第2工程と、
半導体基板およびエピタキシャル成長させた半導体層に対しゲート絶縁膜を形成し、その後、ゲート電極をパターニングする第3工程とを有することを特徴とする電界効果トランジスタの作製方法。 A first step of forming a diffusion layer on a semiconductor substrate;
After the first step, a second step of epitaxially growing the semiconductor layer along the thickness direction of the semiconductor substrate;
And a third step of forming a gate insulating film on the semiconductor substrate and the epitaxially grown semiconductor layer, and then patterning the gate electrode.
第4工程でエピタキシャル成長させたエピタキシャル成長層のうち、ゲート絶縁膜および絶縁体層に臨む層を除去する第5工程と、
前記ゲート絶縁膜、絶縁体層およびエピタキシャル成長層に対しゲート絶縁膜を形成し、その後、第3工程でパターニングされたゲート電極と他のゲート電極との導通を図るためのコンタクトを形成する第6工程と、
他のゲート電極を形成する第7工程とを有することを特徴とする請求項5に記載の電界効果トランジスタの作製方法。 A fourth step of forming an insulator layer on the patterned gate electrode and further epitaxially growing a semiconductor layer along the thickness direction;
A fifth step of removing a layer facing the gate insulating film and the insulator layer from the epitaxially grown layer epitaxially grown in the fourth step;
A sixth step of forming a gate insulating film on the gate insulating film, the insulator layer, and the epitaxial growth layer, and then forming a contact for conducting electrical connection between the gate electrode patterned in the third step and another gate electrode When,
6. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 5, further comprising a seventh step of forming another gate electrode.
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