JP2007059680A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブ(CNT;Carbon Nano Tube)を利用した電界効果型トランジスタを有する半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a field effect transistor using carbon nanotubes (CNT) and a method for manufacturing the same.
従来の、シリコンを用いた半導体装置の微細化に対する要求は、近年ますます強くなりつつある。しかし、シリコンを用いた電界効果型トランジスタ(以下、FET;Field Effect Transitorと呼ぶ)においては、シリコン基板表面に拡散層、ゲート部及び分離部が水平方向に配置されており、このようなFET構造が水平方向に結合される集積回路の高密度化は、限界に近づきつつある。 The demand for miniaturization of conventional semiconductor devices using silicon has been increasing in recent years. However, in a field effect transistor using silicon (hereinafter referred to as an FET; Field Effect Transitor), a diffusion layer, a gate portion, and a separation portion are arranged in the horizontal direction on the surface of the silicon substrate, and such an FET structure. The density of integrated circuits in which are horizontally coupled is approaching its limit.
そこで、水平方向にFET構造が配置されるのに代えて、垂直方向にFET構造が配置される垂直電界効果型トランジスタ装置(垂直FET装置)が開発されている。 Accordingly, vertical field effect transistor devices (vertical FET devices) in which FET structures are arranged in the vertical direction instead of FET structures in the horizontal direction have been developed.
一方、シリコンを用いたFETの微細化により、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜は極限(1.4nm程度)まで薄くなっている。この膜厚は、直接トンネリング領域に達している、つまり、基板とゲート電極との間を直接に導通するトンネリングが発生する薄さの膜厚になっている。このため、FETのゲートリーク電流が増大し、特に静止状態における消費電力が著しく増大している。このことから、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いるのは困難になっている。 On the other hand, with the miniaturization of FETs using silicon, the gate insulating film made of a silicon oxide film has become as thin as possible (about 1.4 nm). This film thickness reaches the tunneling region directly, that is, the film thickness is thin enough to cause tunneling that directly conducts between the substrate and the gate electrode. For this reason, the gate leakage current of the FET increases, and the power consumption particularly in a stationary state is remarkably increased. For this reason, it is difficult to use a silicon oxide film as the gate insulating film.
この対策として、シリコン酸化膜よりも誘電率の高い高誘電率絶縁膜(例えば、酸化ハフニウム)をゲート絶縁膜として用いると共に、ゲート絶縁膜の膜厚を大きくすることによって、ゲートリーク電流の抑制が行なわれてきた。しかし、高誘電率絶縁膜をゲート絶縁膜として用いたFETの場合、シリコン酸化膜をゲート絶縁膜として用いたFETと比較すると、キャリアの移動度が低下するためにスイッチング特性が劣化することが知られている。 As a countermeasure against this, a high dielectric constant insulating film (for example, hafnium oxide) having a dielectric constant higher than that of a silicon oxide film is used as a gate insulating film, and by increasing the thickness of the gate insulating film, gate leakage current can be suppressed. Has been done. However, in the case of an FET using a high dielectric constant insulating film as a gate insulating film, it is known that switching characteristics deteriorate due to a decrease in carrier mobility compared to an FET using a silicon oxide film as a gate insulating film. It has been.
以上に対して、カーボンナノチューブ(CNT)を用いてチャネルを構成したFETは高い相互コンダクタンスを有するため、高誘電率材料からなるゲート絶縁膜と組み合わせても移動度の低下が少なく、スイッチング特性の劣化しないFETの実現が可能である(例えば、非特許文献1を参照)。 In contrast, FETs that use carbon nanotubes (CNTs) to form channels have high transconductance, so there is little decrease in mobility even when combined with a gate dielectric film made of a high dielectric constant material, and switching characteristics deteriorate. It is possible to realize an FET that does not (see, for example, Non-Patent Document 1).
従来のCNTを用いた垂直FET装置について、特許文献1に開示されている。以下、特許文献1に記載の垂直FET装置について、図面を参照して説明する。
A conventional vertical FET device using CNTs is disclosed in
図10は、CNTをいたCMOS(Complimentary Metal Oxide Semiconductor 、相補型金属酸化膜半導体)を備える半導体装置10の例である。
FIG. 10 shows an example of a
図10に示すように、半導体装置10は、シリコン基板11を用いて形成されている。シリコン基板11上には第1の層間絶縁膜12が形成され、その上に、第1の電極13が形成されている。また、第1の層間絶縁膜12及び第1の電極13の上に、第2の層間絶縁膜14が形成されている。ここで、第2の層間絶縁膜14は、第1の電極13上に2つの開口部を有している。
As shown in FIG. 10, the
第2の層間絶縁膜14が有する2つの開口部の壁面をそれぞれ覆うように、第1のゲート絶縁膜15及び第2ゲート絶縁膜16が形成されている。また、第1のゲート絶縁膜15を介して開口部を充填するように第1のCNT部17が形成されると共に、第2のゲート絶縁膜を介して開口部を充填するように第2のCNT部18が形成されている。また、第2の層間絶縁膜14上に、第1のゲート絶縁膜15及び第1のCNT部17を覆う第2の電極19が形成されると共に、第2のゲート絶縁膜16及び第2のCNT部18を覆う第3の電極20が形成されている。第2の電極19及び第3の電極20の上には、それぞれ順に第2の電極の引出電極21及び第3の電極の引出電極22が形成されている。
A first
また、第2の層間絶縁膜14中に埋め込まれるように、第1の電極13と、第2の電極19及び第3の電極20との間に第2の層間絶縁膜14を介して挟まれたゲート電極23が形成されている。ここで、ゲート電極23は、第1のゲート絶縁膜15及び第2のゲート絶縁膜16を介して第1のCNT部17及び第2のCNT部18を囲む平面形状を有している。
Further, the
また、ゲート電極23に接続され且つ第2の層間絶縁膜14に埋め込まれるように、ゲート電極の引出電極24が形成されている。更に、第1の電極13に接続され且つ第2の層間絶縁膜14に埋め込まれるように、第1の電極の引出電極25が形成されている。
A
ここで、第1の電極13、第2の電極19、第1のCNT部17、第1のゲート絶縁膜15及びゲート電極23により、第1のCNTトランジスタ26が形成されている。また、第1の電極13、第3の電極20、第2のCNT部18、第2のゲート絶縁膜16及びゲート電極23により、第2のCNTトランジスタ27が形成されている。つまり、ゲート電極23に電圧を印加することにより、第1のCNT部17及び第2のCNT部18においてチャネルを制御することができ、第1の電極13と第2の電極19との間及び第1の電極13と第2の電極20との間の電気的接続のオン、オフを切り替えることができる。
Here, the
更に、第1のCNTトランジスタ26は、第1のCNT部17にK(カリウム)がイオン注入されていることにより、N型チャネルを有する。また、第2のCNTトランジスタ27は、第2のCNT部18にイオン注入は行なわれていないため、P型チャネルを有している。
Further, the
以上の構成により、図10に示す半導体装置10には、CNTを用いたCMOSが構成されている。
しかしながら、前記従来のCNTを用いたCMOSにおいては、P型及びN型トランジスタである垂直型CNTトランジスタが、半導体チップ面内に平行に配置されていた。また、一般に、メモリ等の半導体装置では集積度が直接コストに反映するため、レイアウトを工夫することによってメモリセル等が占有する面積を更に縮小することが求められている。 However, in the conventional CMOS using the CNTs, vertical CNT transistors, which are P-type and N-type transistors, are arranged in parallel in the semiconductor chip surface. In general, in a semiconductor device such as a memory, since the degree of integration directly reflects the cost, it is required to further reduce the area occupied by the memory cell by devising the layout.
以上に鑑みて、本発明の目的は、垂直型CNTトランジスタを基板上において垂直方向に積み重ねることにより、メモリセルの占有面積が縮小されると共にレイアウト設計の自由度が向上したFETを含む半導体装置及びその製造方法を提供することである。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a semiconductor device including an FET in which the occupation area of a memory cell is reduced and the flexibility of layout design is improved by vertically stacking vertical CNT transistors on a substrate, and The manufacturing method is provided.
前記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、基板上に形成された第1の電極と、第1の電極上に形成された第1の層間絶縁膜と、第1の層間絶縁膜上に、第1の電極に対向して形成された第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間の第1の層間絶縁膜を貫通するように形成された第1のカーボンナノチューブ部と、第1の層間絶縁膜と第1のカーボンナノチューブ部との間に介在する第1のゲート絶縁膜と、第1の層間絶縁膜中に形成され、第1のゲート絶縁膜に接する第1のゲート電極と、第2の電極上に形成された第2の層間絶縁膜と、第2の層間絶縁膜上に、第2の電極に対向して形成された第3の電極と、第2の電極と第3の電極との間の第2の層間絶縁膜を貫通するように形成された第2のカーボンナノチューブ部と、第2の層間絶縁膜と第2のカーボンナノチューブ部との間に介在する第2のゲート絶縁膜と、第2の層間絶縁膜中に形成され、第2のゲート絶縁膜に接する第2のゲート電極とを備え、第1の電極、第1のゲート絶縁膜、第1のカーボンナノチューブ部、第1のゲート電極及び第2の電極によって、第1の電界効果トランジスタが構成されていると共に、第2の電極、第2のゲート絶縁膜、第2のカーボンナノチューブ部、第2のゲート電極及び第3の電極によって、第2の電界効果トランジスタが構成されている。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a first electrode formed on a substrate, a first interlayer insulating film formed on the first electrode, and a first interlayer insulating film. A first electrode formed on the second electrode formed opposite to the first electrode and a first interlayer insulating film between the first electrode and the second electrode; A carbon nanotube portion, a first gate insulating film interposed between the first interlayer insulating film and the first carbon nanotube portion, and a first interlayer insulating film are formed on the first gate insulating film. A first gate electrode in contact therewith, a second interlayer insulating film formed on the second electrode, and a third electrode formed on the second interlayer insulating film so as to face the second electrode; A second carbon nanotube portion formed so as to penetrate the second interlayer insulating film between the second electrode and the third electrode; A second gate insulating film interposed between the second interlayer insulating film and the second carbon nanotube portion; and a second gate formed in the second interlayer insulating film and in contact with the second gate insulating film A first field effect transistor is formed by the first electrode, the first gate insulating film, the first carbon nanotube portion, the first gate electrode, and the second electrode. The second electrode, the second gate insulating film, the second carbon nanotube portion, the second gate electrode, and the third electrode constitute a second field effect transistor.
本発明の半導体装置によると、2つのカーボンナノチューブ(CNT)トランジスタを垂直に重ねて配置しているため、従来のように平面的に並べてCNTトランジスタを配置する半導体装置に比べて少ないレイアウト面積を有するCMOS回路等を形成することができる。これにより、ウェーハあたりの取れ数(製造される半導体装置の数)が増加するため、半導体装置の製造コストが削減される。 According to the semiconductor device of the present invention, since two carbon nanotube (CNT) transistors are vertically stacked, the layout area is smaller than that of a semiconductor device in which CNT transistors are arranged side by side in a conventional manner. A CMOS circuit or the like can be formed. This increases the number of wafers taken per wafer (the number of semiconductor devices to be manufactured), thereby reducing the manufacturing cost of the semiconductor device.
尚、第1の電界効果トランジスタ及び第2の電界効果トランジスタのうち、一方がPチャネル型トランジスタであると共に他方がNチャネル型トランジスタであり、第1の電界効果トランジスタと第2の電界効果トランジスタとが直列に接続されることによってインバータが構成され、一対のインバータがクロスカップル接続されることによって構成されたCMOS型メモリセルを備えることが好ましい。 Of the first field effect transistor and the second field effect transistor, one is a P-channel transistor and the other is an N-channel transistor, and the first field-effect transistor and the second field-effect transistor are Are connected in series to form an inverter, and a pair of inverters are preferably cross-coupled to provide a CMOS type memory cell.
このようにすると、CMOS型メモリセルを備えるスタティック型半導体記憶装置(SRAM;Static Random Access Memory )において、N型CNTトランジスタとP型CNTトランジスタとを縦方向に積み重ねて配置することにより、従来のようにN型CNTトランジスタとP型CNTトランジスタとを横方向に配置していたSRAMよりもレイアウト面積を縮小することができる。例えば、従来に比べて7割程度のレイアウト面積をもってSRAMを形成することが可能であり、そのためウェーハあたりの取れ数が増加することから、SRAMの製造コストを削減できる。 In this manner, in a static semiconductor memory device (SRAM) having CMOS memory cells, N-type CNT transistors and P-type CNT transistors are stacked in the vertical direction, so that it is conventional. Further, the layout area can be reduced as compared with the SRAM in which the N-type CNT transistor and the P-type CNT transistor are arranged in the lateral direction. For example, it is possible to form an SRAM with a layout area of about 70% compared to the conventional case, so that the number of wafers taken per wafer increases, and the manufacturing cost of the SRAM can be reduced.
また、第1のカーボンナノチューブ部及び第2のカーボンナノチューブ部の少なくとも一方に、不純物が導入されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that an impurity is introduced into at least one of the first carbon nanotube portion and the second carbon nanotube portion.
このようにすると、第1のカーボンナノチューブ部及び第2のカーボンナノチューブ部について、Nチャネル型とPチャネル型とに任意に作り分けることができる。これと共に、不純物導入のために遮蔽マスクを形成する必要が削減される。 In this way, the first carbon nanotube portion and the second carbon nanotube portion can be arbitrarily formed into an N channel type and a P channel type. At the same time, the need to form a shielding mask for introducing impurities is reduced.
つまり、従来のように基板と平行な同一の層内にN型FET及びP型FETが共に形成されている場合、N型又はP型のどちらか一方のFETを形成するための不純物導入を行なうには、他方のFETに不純物が導入されるのを防ぐ遮蔽マスクの形成が必要であった。 That is, when both the N-type FET and the P-type FET are formed in the same layer parallel to the substrate as in the prior art, an impurity is introduced to form either the N-type or P-type FET. Therefore, it was necessary to form a shielding mask for preventing impurities from being introduced into the other FET.
これに対し、P型FET及びN型FETがそれぞれ別の層に形成されている、本発明の半導体装置の場合、1つの層におけるFETの全てに不純物を導入するのであるから、遮蔽マスクは不要となっている。 On the other hand, in the case of the semiconductor device of the present invention in which the P-type FET and the N-type FET are formed in separate layers, impurities are introduced into all of the FETs in one layer, so that a shielding mask is unnecessary. It has become.
また、第1の電界効果トランジスタ及び第2の電界効果トランジスタのうち、一方がPチャネル型トランジスタであると共に他方がNチャネル型トランジスタであり、第1の層間絶縁膜及び第2の層間絶縁膜のうち、Nチャネル型トランジスタが形成されている方の膜厚は、他方の膜厚よりも厚いことが好ましい。 One of the first field-effect transistor and the second field-effect transistor is a P-channel transistor and the other is an N-channel transistor, and the first and second interlayer insulating films Of these, it is preferable that the film thickness of the N channel transistor is thicker than the other film thickness.
P型CNTトランジスタに比べると、N型CNTトランジスタはショートチャネル効果が生じやすい。このため、N型CNTトランジスタが形成される方の層間絶縁膜の膜厚を大きくすることにより、N型CNTトランジスタのゲート長を長くすることができ、ショートチャネル効果による電気特性の劣化を緩和することができる。 Compared to a P-type CNT transistor, an N-type CNT transistor tends to cause a short channel effect. For this reason, by increasing the film thickness of the interlayer insulating film on which the N-type CNT transistor is formed, the gate length of the N-type CNT transistor can be increased, and the deterioration of the electrical characteristics due to the short channel effect is alleviated. be able to.
前記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、基板の上に、第1の電極を形成する工程と、第1の電極上に、第1の層間絶縁膜及びその中に埋め込まれる第1のゲート電極を形成する工程と、第1の層間絶縁膜及び第1のゲート電極に、第1の電極の上面を露出させる第1の開口部を形成する工程と、第1の開口部の壁面を覆う第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、第1のゲート絶縁膜を介して第1の開口部内を充填する第1のカーボンナノチューブ部を形成する工程と、第1の層間絶縁膜上に、第1の電極に対向する第2の電極を形成する工程と、第2の電極上に、第2の層間絶縁膜及びその中に埋め込まれる第2のゲート電極を形成する工程と、第2の層間絶縁膜及び第2のゲート電極に、第2の電極の上面を露出させる第2の開口部を形成する工程と、第2の開口部の壁面を覆う第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、第2のゲート絶縁膜を介して第2の開口部内を充填する第2のカーボンナノチューブ部を形成する工程と、第2の層間絶縁膜上に、第2の電極に対向する第3の電極を形成する工程とを備える。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first electrode on a substrate, a first interlayer insulating film on the first electrode, and a first interlayer insulating film therein Forming a first gate electrode to be buried; forming a first opening in the first interlayer insulating film and the first gate electrode that exposes an upper surface of the first electrode; Forming a first gate insulating film covering a wall surface of the opening; forming a first carbon nanotube portion filling the first opening through the first gate insulating film; A step of forming a second electrode opposite to the first electrode on the interlayer insulating film, and a second interlayer insulating film and a second gate electrode embedded therein are formed on the second electrode. And exposing the upper surface of the second electrode to the second interlayer insulating film and the second gate electrode. Forming a second opening, forming a second gate insulating film covering the wall surface of the second opening, and filling the second opening through the second gate insulating film Forming a second carbon nanotube portion; and forming a third electrode opposite to the second electrode on the second interlayer insulating film.
本発明の半導体装置の製造方法によると、第1の電極、第1のゲート絶縁膜、第1のカーボンナノチューブ部、第1のゲート電極及び第2の電極によって第1の電界効果トランジスタが構成されていると共に、第2の電極、第2のゲート絶縁膜、第2のカーボンナノチューブ部、第2のゲート電極及び第3の電極によって第2の電界効果トランジスタが構成されており、第1の電界効果トランジスタ及び第2の電界効果トランジスタが基板上に縦に積み重なるように配置された半導体装置を製造することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first field effect transistor is configured by the first electrode, the first gate insulating film, the first carbon nanotube portion, the first gate electrode, and the second electrode. In addition, the second field effect transistor is configured by the second electrode, the second gate insulating film, the second carbon nanotube portion, the second gate electrode, and the third electrode. A semiconductor device in which the effect transistor and the second field effect transistor are arranged so as to be stacked vertically on the substrate can be manufactured.
このため、FETを平面的に並べて配置する従来の半導体装置に比べて、レイアウト面積を縮小することができる。例えば、積み重なる一対のCNTトランジスタについて、一方をP型CNTトランジスタ、他方をN型CNTトランジスタとして、CMOS回路を形成することができる。 Therefore, the layout area can be reduced as compared with the conventional semiconductor device in which the FETs are arranged side by side in a plane. For example, for a pair of stacked CNT transistors, a CMOS circuit can be formed by using one as a P-type CNT transistor and the other as an N-type CNT transistor.
このようにレイアウト面積が縮小すると、ウェーハあたりの半導体装置の取れ数が増加し、このことは個々の半導体装置について、製造コストの削減に寄与する。 When the layout area is reduced in this way, the number of semiconductor devices that can be taken per wafer increases, which contributes to a reduction in manufacturing costs for individual semiconductor devices.
尚、第1のカーボンナノチューブ部に不純物を導入する工程及び第2のカーボンナノチューブ部に不純物を導入する工程の少なくとも一方を更に備えることが好ましい。 Note that it is preferable to further include at least one of a step of introducing impurities into the first carbon nanotube portion and a step of introducing impurities into the second carbon nanotube portion.
このようにすると、第1及び第2のカーボンナノチューブ部について、少なくとも一方に不純物を導入することができる。 If it does in this way, an impurity can be introduce | transduced into at least one about the 1st and 2nd carbon nanotube part.
FETを平面的に並べて配置する従来の半導体装置において、P型CNTトランジスタ及びN型CNTトランジスタを共に形成するためには、一部のCNTに対して不純物を導入することが必要である。そこで、そのようにするために、不純物の導入を行なわないCNTについて遮蔽マスクを形成し、不純物の導入を防いでいた。 In a conventional semiconductor device in which FETs are arranged in a plane, in order to form both P-type CNT transistors and N-type CNT transistors, it is necessary to introduce impurities into some CNTs. Therefore, in order to do so, a shielding mask is formed for the CNTs to which impurities are not introduced to prevent the introduction of impurities.
これに対し、本発明の半導体装置の製造方法によると、垂直に重ねて形成された2つのCNTトランジスタについて、その一方に不純物を導入することによって、同一の半導体装置にP型CNTトランジスタとN型CNTトランジスタとを形成することができる。このようにするためには遮蔽マスクは不要であるから、遮蔽マスクの形成及び除去の工程は不要となり、半導体装置の製造に必要な工程数を削減することができる。尚、垂直に配置された2つのCNTトランジスタについて、それぞれP型及びN型の不純物を導入し、P型及びN型のCNTトランジスタとしてもよい。 On the other hand, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, by introducing impurities into one of two vertically stacked CNT transistors, a P-type CNT transistor and an N-type transistor are introduced into the same semiconductor device. A CNT transistor can be formed. In order to do so, a shielding mask is not necessary, so that the process of forming and removing the shielding mask is not necessary, and the number of processes necessary for manufacturing a semiconductor device can be reduced. Note that P-type and N-type CNT transistors may be introduced by introducing P-type and N-type impurities into two vertically arranged CNT transistors.
以上のように、本発明によると、カーボンナノチューブトランジスタを縦方向に積み重ねて配置することにより、従来よりもレイアウト面積の小さいCMOS回路等を構成することができる。このため、ウェーハあたりの半導体装置の取れ数が増加し、これにより、半導体装置の製造コスト削減が実現する。 As described above, according to the present invention, it is possible to configure a CMOS circuit or the like having a layout area smaller than that of the conventional one by stacking and arranging the carbon nanotube transistors in the vertical direction. For this reason, the number of semiconductor devices to be taken per wafer increases, thereby realizing a reduction in the manufacturing cost of the semiconductor devices.
(第1の実施形態)
――半導体装置の構造――
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。図1(a)及び(b)は、カーボンナノチューブ(CNT)を用いた電界効果トランジスタ(FET)により構成されたCMOS回路を含む、本実施形態の半導体装置100の構成を示しており、図1(a)は断面図、図1(b)は平面図である。但し、どちらも模式的な図であり、実際の寸法の比を表しているものではない。また、図1(a)と図1(b)とは、同じスケールにはなっていない。更に、図1(b)については、一部構成要素を省略して内部の構成を示している。
(First embodiment)
--Structure of semiconductor device--
Hereinafter, a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIGS. 1A and 1B show the configuration of the
図1(a)及び(b)に示す半導体装置100は、例えばシリコン基板である基板101を用いて形成されている。基板101上に、最下層層間絶縁膜102が形成され、その上に、第1の電極103が形成されている。また、第1の電極103を覆うように第1の層間絶縁膜下層104aが形成され、その上に第1のゲート電極105が形成され、更に、第1のゲート電極105を覆うように、第1の層間絶縁膜上層104bが形成されている。このように、第1のゲート電極105は、第1の層間絶縁膜下層104a及び第1の層間絶縁膜上層104bからなる第1の層間絶縁膜104に埋め込まれるように形成されている。
A
また、第1の層間絶縁膜104上に、第1の電極と対向する第2の電極106が形成されている。更に、第1の層間絶縁膜104及び第1のゲート電極105に対し、第1の電極103と第2の電極106との間を貫通するように第1の開口部が形成され、該第1の開口部の壁面に、第1のゲート絶縁膜107が形成されている。第1のゲート絶縁膜107の内側には、第1のゲート絶縁膜107を介して第1の開口部内を充填するように、第1のCNT部108が形成されている。
In addition, a
次に、第1の層間絶縁膜104上に、第2の電極106を覆うように第2の層間絶縁膜下層114aが形成されている。第2の層間絶縁膜下層114a上に、第2のゲート電極115が形成され、更にその上に、第2の層間絶縁膜上層114bが形成されている。このように、第2のゲート電極115は、第2の層間絶縁膜下層114a及び第2の層間絶縁膜上層114bからなる第2の層間絶縁膜114に埋め込まれるように形成されている。
Next, a second interlayer insulating film
また、第2の層間絶縁膜114上に、第2の電極と対向する第3の電極116が形成されている。更に、第2の層間絶縁膜114及び第2のゲート電極115に対し、第2の電極113と第3の電極116との間を貫通するように第2の開口部が形成され、該第2の開口部の壁面に、第2のゲート絶縁膜117が形成されている。第2のゲート絶縁膜117の内側には、第2のゲート絶縁膜117を介して第2の開口部内を充填するように、第2のCNT部118が形成されている。
In addition, a
また、それぞれ層間絶縁膜を貫通して、第1の電極103及び第2の電極106の電位をそれぞれ第2の層間絶縁膜114上に引き出す第1の引出電極121及び第2の引出電極122が形成されている。
In addition, a
更に、それぞれ層間絶縁膜を貫通して、第1のゲート電極105及び第2のゲート電極115の電位をそれぞれ第2の層間絶縁膜114上に引き出す第1のゲート引出電極123a及び第2のゲート引出電極123bが形成され、これらは電気的に接続されてゲート引出電極123を構成している。
Further, the first
尚、図1(b)に示すように、第1のゲート電極105は第1のゲート絶縁膜107及び第1のCNT部108を平面的に囲んでいる。また、第2のゲート電極115は第2のゲート絶縁膜117及び第2のCNT部118を平面的に囲んでいる。
As shown in FIG. 1B, the
ここで、第1の電極103、第1のゲート電極105、第2の電極106、第1のゲート絶縁膜107及び第1のCNT部108により、第1のCNTトランジスタ151が構成されている。つまり、第1のゲート電極105に電圧を印加することにより、第1のCNT部108におけるチャネルが制御され、この結果として、第1の電極103と第2の電極106との間の電気的接続が制御される。
Here, the
また、同様に、第2の電極106、第2のゲート電極115、第3の電極116、第2のゲート絶縁膜117及び第2のCNT部118により、第2のCNTトランジスタ152が構成されている。つまり、第2のゲート電極115に電圧を印加することにより、第2のCNT部118におけるチャネルが制御され、この結果として、第2の電極106と第3の電極116との間の電気的接続が制御される。
Similarly, the
以上に説明したように、第1のCNTトランジスタ151と、第2のCNTトランジスタ152とは、基板101上に垂直に積み重なるように配置されている。このため、図10に示した従来の半導体装置のように平面的にCNTトランジスタが配置される場合に比べ、レイアウト面積が小さくなっている。
As described above, the
ここで、寸法の一例を挙げると、第1のCNTトランジスタ151の直径(言い換えると、第1の開口部の直径)が80nmであるのに対し、第1の引出電極121の直径は50nmである。このように、引出電極の直径に比べてCNTトランジスタの直径は1.6倍程度大きく、CNTトランジスタを垂直に配置することにより、顕著にレイアウト面積を縮小することができる。
Here, as an example of the dimensions, the diameter of the first CNT transistor 151 (in other words, the diameter of the first opening) is 80 nm, whereas the diameter of the
――半導体装置の製造方法――
次に、以上に説明した本実施形態の半導体装置100について、図面を参照しながら製造方法を説明する。
--Semiconductor device manufacturing method--
Next, a manufacturing method of the
図2(a)〜(d)及び図3(a)〜(c)は、半導体装置100の製造工程を説明するための工程断面図である。
2A to 2D and FIGS. 3A to 3C are process cross-sectional views for explaining a manufacturing process of the
まず、図2(a)に示すように、例えばシリコン基板である基板101上に、SiO2 からなる最下層層間絶縁膜102をCVD法(Chemical Vapor Deposition 、化学気相成長法)により膜厚30nmに形成する。次に、最下層層間絶縁膜102上に、ドープト・ポリシリコンからなる第1の電極103を30nmの膜厚をもって形成する。
First, as shown in FIG. 2A, a lowermost
尚、第1の電極103は、本実施形態におけるCNTトランジスタのソース又はドレインとなるパターンとして形成される。ここでは、ドープト・ポリシリコンを材料として第1の電極103を形成しているため、後に述べるように、ドープト・ポリシリコン上に金属を堆積した後にシリサイドを形成し、CNT部を形成するためのシード(成長核)層として該シリサイドを用いることができる。
Note that the
次に、最下層層間絶縁膜102上に、第1の電極103を覆うように、CVD法を用いてSiO2 からなる第1の層間絶縁膜下層104aを形成する。続いて、第1の層間絶縁膜下層104aをCMP法(Chemical Mechanical Polishing 、化学的機械研磨)により第1の電極103の上面から30nmの膜厚となるように平坦化する。
Next, a first interlayer insulating film
次に、第1の層間絶縁膜下層104a上に、第1のゲート電極105を形成する。このためには、例えば、電極材料からなる膜を膜厚20nmに成膜した後、該膜上にレジストマスク(図示省略)を形成し、ドライエッチングによりパターニングする。
Next, the
続いて、図2(b)に示すように、第1のゲート電極105を覆うように、第1の層間絶縁膜下層104a上に、SiO2 からなる第1の層間絶縁膜上層104bを形成する。これにより、第1の層間絶縁膜下層104a及び第1の層間絶縁膜上層104bからなる第1の層間絶縁膜104中に、第1のゲート電極105が埋め込まれる。この後、第1の層間絶縁膜上層104bは、第1のゲート電極105の上面を30nmの膜厚をもって被覆するようにCMP法を用いて平坦化される。
Subsequently, as shown in FIG. 2B, a first interlayer insulating film
次に、第1の層間絶縁膜104及び第1のゲート電極105を貫通し、第1の電極103の上面の一部を露出させる第1の開口部131を形成する。該第1の開口部131は、直径50nmに形成し、深さは、第1の層間絶縁膜104の厚さである80nmとなる。
Next, a
次に、図2(c)に示すように、第1の開口部131の壁面に第1のゲート絶縁膜107を、膜厚5nmに形成する。このためには、例えば、第1の開口部131の内側全面にハフニウム酸化膜をCVD法により形成した後、異方性ドライエッチングによって、開口部底面上のハフニウム酸化膜を除去し、第1の電極103上面を露出させる。また、第1のゲート絶縁膜104上に形成されたハフニウム酸化膜についても除去する。
Next, as shown in FIG. 2C, a first
次に、図2(d)に示すように、第1のゲート絶縁膜107の内側に、第1の開口部131を充填するように第1のCNT部108を成長させる。このとき、第1のCNT部108が半導体としての性質を有し、多数のCNTの束によって第1の開口部131が充填されるように、条件を選択する。
Next, as shown in FIG. 2D, the
第1のCNT部108は、シード層(ここでは第1の開口部131の底面、つまり第1の電極103の上面)から直線状に成長する性質を有する。つまり、第1のCNT部108は第1の開口部131に自己整合的に形成することが可能であり、このためリソグラフィ工程は不要であるから、マスクによる位置合わせも不要となっている。
The
尚、第1のCNT部108を形成するのに先立って、第1の開口部131の底面には、例えばコバルトシリサイドよりなるシード層(図示省略)を形成しておく。これには、例えば、スパッタ法によりウェーハ全面又は第1の開口部131の底面に限定してコバルトの堆積を行なった後、700℃で一分間の窒素雰囲気中における熱処理を行なう。熱処理によって、堆積したコバルトと第1の電極103を成すシリコンとが反応し、シリサイド反応が進行する。この後、第1の開口部131の底面以外に形成されたコバルトシリサイドを、エッチングにより除去すると、前記のシード層が形成される。
Prior to forming the
次に、図3(a)に示すように、第1の層間絶縁膜104上に、第2の電極106を形成する。これは、第1の電極103に対向し且つ第1のCNT部108に接して上面を覆うように形成する。ここまでの工程により、第1の電極103、ゲート電極105、第2の電極106、第1のゲート絶縁膜107及び第1のCNT部108からなる第1のCNTトランジスタ151が構成される。
Next, as shown in FIG. 3A, the
続いて、図2(a)〜(d)を参照して示したのと同様の工程により、図3(b)に示す構造を形成する。つまり、まず第2の層間絶縁膜下層114a、第2のゲート電極115及び第2の層間絶縁膜上層114bを順に形成する。これにより、第2の層間絶縁膜下層114aと第2の層間絶縁膜上層114bとからなる第2の層間絶縁膜114に埋め込まれるように、第2のゲート電極115が形成される。次に、第2の電極106の上面の一部を露出させる第2の開口部を、第2の層間絶縁膜114及び第2のゲート電極115に対して形成し、該第2の開口部の壁面に第2のゲート絶縁膜117を形成する。更に、第2のゲート絶縁膜117の内側に、第2の開口部を充填するように第2のCNT部118を形成する。
Subsequently, the structure shown in FIG. 3B is formed by a process similar to that shown with reference to FIGS. That is, first, the second interlayer insulating film
ここで、第2のゲート電極115は厚さ20nm、第2の層間絶縁膜下層114aは第2の電極106の上面から35nm、第2の層間絶縁膜上層104bは第2のゲート電極115の上面から35nmとなるように形成する。これにより、第2の層間絶縁膜114の膜厚は90nmとなり、第2のCNT部118の厚さも同じく90nmとなる。
Here, the
次に、ウェーハ全面にK(カリウム)をイオン注入することにより、第2のCNT部118にKを導入してN型チャネルを形成する。このときのイオン注入の条件は、例えば次のように決定することができる。
Next, K (potassium) ions are implanted into the entire surface of the wafer, thereby introducing K into the
第2のCNT部118の厚さは90nmであるから、投影飛程(Rp)を45nmとすれば良い。このために、シミュレーション(ここでは、シミュレータとしてTRIMを用い、CNTの密度は2g/cm3 とする)により注入エネルギーを40keVとした。また、実際に作成したトランジスタスイッチング特性から、注入量は1×1013atoms/cm2 と決定した。つまり、注入量は試作により実験的に決定した。
Since the thickness of the
ここで、従来のように、複数のCNTトランジスタが同じ層に平面的に並んでいる場合、N型チャネルCNTトランジスタを形成するためのN型不純物のイオン注入を行なう際には、P型チャネルトランジスタのチャネルとなるCNT部については遮蔽マスクを用いてイオンが注入されるのを防ぐ必要があった。しかし、半導体装置100の場合、N型チャネルCNTトランジスタとP型チャネルCNTトランジスタとは異なる層に形成されているため、遮蔽マスクは不要である。このため、半導体装置を製造するための工程数が削減されている。
Here, when a plurality of CNT transistors are arranged in a plane in the same layer as in the prior art, when performing ion implantation of N-type impurities for forming an N-type channel CNT transistor, a P-type channel transistor is used. It was necessary to prevent ions from being implanted with respect to the CNT portion serving as the channel using a shielding mask. However, in the case of the
また、第1のCNT部108については、本実施形態の場合は不純物導入を行なわない無添加の状態においてP型チャネル特性を示していたため、そのままP型チャネルトランジスタを構成するために用いた。しかし、無添加のCNT部の特性は、製法によって変化する場合がある。そこで、必要に応じてF又はCl等を注入することにより、P型特性をより安定させることもできる。
In addition, the
続いて、図3(c)に示すように、第2の層間絶縁膜114上に、第3の電極116を形成する。これは、第2の電極106に対向し且つ第2のCNT部118に接して上面を覆うように形成する。ここまでの工程により、第2の電極106、ゲート電極117、第3の電極116、第2のゲート絶縁膜117及び第2のCNT部118からなる第2のCNTトランジスタ152が構成される。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a
更に、第1の電極103、第2の電極106、第1のゲート電極105及び第2のゲート電極115に電気的に接続し、それぞれの電位を第2の層間絶縁膜114上に引き出す第1の引出電極121、第2の引出電極122、第1のゲート引出電極123a及び第2のゲート引出電極123bを形成する。また、第1のゲート引出電極123aと第2のゲート引出電極123bとを電気的に接続し、ゲート引出電極123を構成する。
Further, the
以上の工程により、本実施形態の半導体装置100が形成される。
The
ここで、本発明の半導体装置100において、第1のCNT部108の厚さ(これは、第1の層間絶縁膜104の厚さに等しい)は80nmであるのに対し、第2のCNT部118の厚さ(これは、第2の層間絶縁膜114の厚さに等しい)は90nmである。このようになっているのは、第2のCNT部118をチャネルとしN型である第2のCNTトランジスタ152の方が、第1のCNT部108をチャネルとしP型である第1のCNTトランジスタ151に比べてショートチャネル効果が生じやすいため、その対策のためである。
Here, in the
CNTを用いたトランジスタの場合、ショートチャネル効果とは、CNT部の両端に設けられたソース・ドレイン間の距離が短くなることにより、ゲート電極に電圧を印加しなくてもソース・ドレイン間に電流が流れる現象である。この現象が発生すると、ゲート電圧の印加によりソース・ドレイン間の電流を制御するという電界効果トランジスタ本来の動作に支障を来す。 In the case of a transistor using CNT, the short channel effect means that the distance between the source and drain provided at both ends of the CNT portion is shortened, so that the current between the source and drain is not applied to the gate electrode. Is a phenomenon that flows. When this phenomenon occurs, the original operation of the field effect transistor that controls the current between the source and the drain by applying the gate voltage is hindered.
このようなショートチャネル効果は、CNTトランジスタにおいては、N型のトランジスタにおいてP型のトランジスタに比べて発生しやすい。そこで、半導体装置100において、N型である第2のCNT部118の厚さを、P型である第1のCNT部108の厚さに比べて大きくすることにより、ショートチャネル効果の影響を軽減している。
Such a short channel effect is more likely to occur in an N-type transistor than in a P-type transistor in a CNT transistor. Therefore, in the
従来のように複数のCNTトランジスタが同じ層に平面的に並んでいる場合に比べ、半導体装置100のようにP型チャネルCNTトランジスタとN型チャネルCNTトランジスタとが異なる層に形成されて垂直方向に配置されていると、導電型に応じてチャネルの長さ(CNT部の厚さ)を異なる値とすることが容易にできる。
Compared to the case where a plurality of CNT transistors are arranged in a plane on the same layer as in the prior art, the P-type channel CNT transistor and the N-type channel CNT transistor are formed in different layers as in the
次に、以上に説明した半導体装置100に構成されている回路を図4に示す。
Next, FIG. 4 shows a circuit configured in the
図4に示すように、半導体装置100に構成されている回路は、第1の引出電極121を接地し、第3の電極116に例えば5Vの電源電圧を印加することにより、ゲート引出配線123を入力、第2の引出配線122を出力とするCMOSインバータ回路となる。
As shown in FIG. 4, the circuit configured in the
つまり、第1のCNTトランジスタ151が備える第1のゲート電極105と、第2のCNTトランジスタ152が備える第2のゲート電極115とに共通して電気的に接続したゲート引出配線123に対し、電圧“Hi(High)”を印加すると、第2の引出配線122に電圧“Lo(Low)”が出力される。逆に、ゲート引出配線123に電圧“Lo”を印加すると、第2の引出配線122は電圧“Hi”が出力される。
That is, voltage is applied to the gate lead-out
このとき、第1のCNTトランジスタ151において、第1の電極103はドレインとして、第2の電極106はソースとして機能している。また、第2のCNTトランジスタにおいて、第2の電極106はソースとして、第3の電極116はドレインとして機能している。
At this time, in the
このようなCMOSインバータ回路は半導体回路の構成要素として用いられ、N型チャネルCNTトランジスタとP型チャネルCNTトランジスタとが垂直方向に積み重ねられていることにより、従来の構成よりもレイアウト面積が縮小されている。 Such a CMOS inverter circuit is used as a component of a semiconductor circuit, and an N-type channel CNT transistor and a P-type channel CNT transistor are stacked in a vertical direction, so that the layout area is reduced as compared with the conventional configuration. Yes.
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態として、本発明におけるCNTトランジスタを用いるスタティック型半導体記憶装置(SRAM)について図面を参照して説明する。
(Second Embodiment)
Next, as a second embodiment, a static semiconductor memory device (SRAM) using a CNT transistor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図5(a)に、電界効果トランジスタ(FET)を用いたSRAMにおけるメモリセルの回路図を示す。このような構成のメモリセルは周知であるから詳細な説明は省略するが、まず、N型チャネルトランジスタTN1及びTN2が、それぞれ順にP型チャネルトランジスタTP1及びTP2と直列に接続され、2つのインバータが構成されている。この2つのインバータがクロスカップル配線されることによって、フリップフロップが構成されている。更に、該フリップフリップと、ビット線BL及び/BLとの間に書き込み及び読み出しを行なうためのトランスファーゲートとして、N型チャネルトランジスタTN3及びTN4が接続されている。 FIG. 5A shows a circuit diagram of a memory cell in an SRAM using a field effect transistor (FET). Since the memory cell having such a configuration is well known, detailed description is omitted. First, N-type channel transistors TN1 and TN2 are connected in series with P-type channel transistors TP1 and TP2, respectively, and two inverters are connected. It is configured. The two inverters are cross-coupled to form a flip-flop. Further, N-type channel transistors TN3 and TN4 are connected as a transfer gate for performing writing and reading between the flip flip and the bit lines BL and / BL.
また、図5(b)は、図5(a)に示されたメモリセルをMOSトランジスタによって基板(図示省略)上に実現するための従来のレイアウトを示す図である。以下、図5(a)の回路図と図5(b)のレイアウト図とにおいて、それぞれ符号は対応している。 FIG. 5B is a diagram showing a conventional layout for realizing the memory cell shown in FIG. 5A on a substrate (not shown) by a MOS transistor. Hereinafter, the reference numerals correspond to the circuit diagram of FIG. 5A and the layout diagram of FIG.
メモリセルは、コンタクト301及び302により、ビット線BL及び/BLと接続されている。また、コンタクト303及び304は各々電源線に接続され、コンタクト303c及び304cは各々グランド線に接続されている。尚、ビット線BL及び/BLと、電源線と、グランド線とについて、いずれも図5(b)には図示していない。
The memory cell is connected to the bit lines BL and / BL through
また、コンタクト303a、305及び303bは、上層の配線により電気的に接続されている(レイアウトの図示は省略しているが、電気的接続311として示す)。同様に、コンタクト304a、306及び304bについても、図示されていない上層の配線により電気的に接続されている(電気的接続312として示す)。
Further, the
また、配線307及び308は、後述するように、フリップフロップを構成する4つのFETにおけるゲート電極として機能する。更に、ワード線309が形成されている。
Further, as will be described later, the
基板におけるコンタクト303と303aとの間の領域に不純物層が形成され、配線307がゲート電極として機能することにより、フリップフロップを構成するFETの1つであるTN1が形成されている。同様に配線307をゲート電極として、コンタクト303cと303bとの間の領域にもフリップフロップを構成するFETの1つであるTP1が形成されている。更に、コンタクト304と304aとの間に、配線308をゲート電極としてトランジスタTN2が形成され、コンタクト304cと304bとの間にはTP2が形成されている。
An impurity layer is formed in a region of the substrate between the
また、基板におけるコンタクト301と303aとの間の領域に不純物層が形成され、ワード線309がゲート電極として機能することにより、トランジスタTN3が形成されている。同様に、コンタクト302と304aとの間に、ワード線309をゲート電極とするトランジスタTN4が形成されている。
Further, an impurity layer is formed in a region of the substrate between the
以上のように、MOSトランジスタによって実現される従来のSRAMにおいて、トランジスタTN1とTP1、TN2とTP2がそれぞれインバータ回路を構成し、これら2つのインバータ回路がクロスカップル接続されることによってフリップフロップを構成している。また、トランジスタTN3及びTN4により、フリップフロップはビット線BL及び/BLと電気的に接続されている。 As described above, in the conventional SRAM realized by MOS transistors, the transistors TN1 and TP1, TN2 and TP2 each constitute an inverter circuit, and these two inverter circuits are cross-coupled to form a flip-flop. ing. The flip-flops are electrically connected to the bit lines BL and / BL by the transistors TN3 and TN4.
尚、図5(b)において、1つのメモリセルを形成するために必要となる不純物層の境界を長方形の範囲S1として示しており、この内側を1つのメモリセルがレイアウト面積として占有すると考えることができる。 In FIG. 5B, the boundary of the impurity layer necessary for forming one memory cell is shown as a rectangular range S1, and it is assumed that one memory cell occupies the inside as a layout area. Can do.
以上のような従来のレイアウトに対し、本願発明者は、レイアウトの一部を折り畳んで重ねることによるレイアウト面積の縮小を着想した。具体的には、図5(b)に示すレイアウトについて、直線X−X’において折り返し、コンタクト303b及び304b等の含まれる部分を、コンタクト303a及び304a等の含まれる部分(直線X−X’と直線Y−Y’との間に挟まれる部分)の上に積み重ねた構成とするという着想である。
In contrast to the conventional layout as described above, the present inventor has conceived of reducing the layout area by folding and overlapping a part of the layout. Specifically, with respect to the layout shown in FIG. 5B, it is folded along a straight line XX ′, and the portion including the
これを実現した場合、コンタクト303cを303の上方に、303bを303aの上方に、304bを304aの上方に、304cを304の上方に、それぞれ基板に対して垂直に積み重ねて配置することになる。また、コンタクト303と303aとの間の領域に形成されているトランジスタTN1の上方に、コンタクト303cと303bとの間の領域に形成されているトランジスタTP1が位置することになる。同様に、トランジスタTN2の上方に、トランジスタTP2が位置することになる。
When this is realized, the
このようなレイアウトが実現可能であれば、レイアウト面積が縮小できる。しかし、従来のように、基板上に形成した不純物層を構成要素とするMOSトランジスタを用いてメモリセルを構成している場合には、実現は困難である。つまり、レイアウトを折り返すためには、基板とは異なる層にトランジスタを形成することが必要であるが、これは、通常のMOSトランジスタによっては実現できない。 If such a layout can be realized, the layout area can be reduced. However, when a memory cell is configured using a MOS transistor having an impurity layer formed on a substrate as a constituent element as in the prior art, it is difficult to realize. That is, in order to fold the layout, it is necessary to form a transistor in a layer different from the substrate, but this cannot be realized by a normal MOS transistor.
これに対し、実施形態1においても詳しく説明したように、本発明に係るCNTを用いるFETは垂直方向に積み重ねて形成されるため、図5(b)のレイアウトを折り曲げた構成を実現することが可能である。その一例である半導体装置を以下に説明する。 On the other hand, as described in detail in the first embodiment, since the FETs using CNTs according to the present invention are stacked in the vertical direction, a configuration in which the layout of FIG. 5B is bent can be realized. Is possible. An example of the semiconductor device will be described below.
図6に、図5(b)のレイアウトを折り曲げた構成を、垂直型であるCNTトランジスタを用いて実現した半導体装置の平面レイアウトを示す。図6において、直線X−X’及びY−Y’は、図5(b)における直線X−X’及びY−Y’に対応する。つまり、図6における直線X−X’と直線Y−Y’との間の部分が、折り返しによって積み重ねられたレイアウトとなっている部分である。ただし、詳しくは以下に説明するが、MOSトランジスタとCNTトランジスタとの違い及び配線を減少させることによる面積縮小を図るための変更により、図6は図5(b)を単純に折り曲げた構成とは異なっている。また、一部構成要素は図示を省略している。更に、フリップフロップを構成するための一部の配線については、図6において矢印のように延びる配線371及び372であることのみを示し、具体的な形状については示していない。また、図6におけるXII-XII'直線、XIII-XIII'直線及びIX-IX'直線における断面を、順に図7、図8及び図9に示す。 FIG. 6 shows a planar layout of a semiconductor device in which a configuration obtained by bending the layout of FIG. 5B is realized by using a vertical CNT transistor. In FIG. 6, straight lines X-X ′ and Y-Y ′ correspond to straight lines X-X ′ and Y-Y ′ in FIG. That is, the portion between the straight line X-X ′ and the straight line Y-Y ′ in FIG. 6 is a portion that has a layout that is stacked by folding. However, as will be described in detail below, FIG. 6 shows a configuration in which FIG. 5B is simply bent due to a difference between the MOS transistor and the CNT transistor and a change to reduce the area by reducing the wiring. Is different. Further, some components are not shown. Further, some of the wirings for constituting the flip-flop are only wirings 371 and 372 extending as shown by arrows in FIG. 6, and a specific shape is not shown. In addition, cross sections taken along lines XII-XII ′, XIII-XIII ′, and IX-IX ′ in FIG. 6 are shown in FIG. 7, FIG. 8, and FIG.
図6〜図9に示されている本実施形態の半導体装置に図5(a)に回路図を示したメモリセルが実現されていることを、以下に説明する。 It will be described below that the memory cell shown in the circuit diagram of FIG. 5A is realized in the semiconductor device of the present embodiment shown in FIGS.
まず、図7に示す断面には、4つのCNTトランジスタからなるフリップフロップが構成されている。つまり、位置Aにおいて、第1のN型チャネルCNTトランジスタであるTN1と、その上に積み重ねて配置された第1のP型チャネルCNTトランジスタであるTP1とが形成されていると共に、位置Bにおいて、第2のN型チャネルCNTトランジスタであるTN2と、その上に積み重ねて配置された第2のP型チャネルCNTトランジスタであるTP2とが形成されている。また、図7には現われない配線により、TP1のゲート電極361xとTN1のゲート電極361yとが電気的に接続され、更に、TN2とTP2とに共有されてこれらを直列に接続している中層電極352bに対し、電気的に接続されている。これを電気的接続371aとして示している(図6においては、371の矢印によってゲート電極361x及び361yの延長の様子を示している)。同様に、TP2のゲート電極362xとTN2のゲート電極362yとが電気的に接続され、更に、TN1とTP1とに共有されてこれを直列に接続している中層電極352aに対し、電気的に接続されている。これは、電気的接続372aとして示している(図6においては、372の矢印によってゲート電極362x及び362yの延長の様子を示している)。
First, in the cross section shown in FIG. 7, a flip-flop composed of four CNT transistors is formed. That is, at the position A, the first N-type channel CNT transistor TN1 and the first P-type channel CNT transistor TP1 stacked on the TN1 are formed, and at the position B, TN2 that is the second N-type channel CNT transistor and TP2 that is the second P-type channel CNT transistor that are stacked on the TN2 are formed. Further, the intermediate layer electrode in which the
尚、N型チャネルCNTトランジスタとP型チャネルCNTトランジスタとが垂直に積み重ねられた構成は、第1の実施形態において説明したのと同様の構成である。ここで、第1の実施形態における第1の電極、第2の電極及び第3の電極に相当するものが、それぞれ順に本実施形態における下層電極351aと351b、中層電極352aと352b及び上層電極353aと353bである。
The configuration in which the N-type channel CNT transistor and the P-type channel CNT transistor are stacked vertically is the same configuration as that described in the first embodiment. Here, those corresponding to the first electrode, the second electrode, and the third electrode in the first embodiment are respectively the
また、TN1のもう一方の電極である下層電極351aはコンタクト303に接続され、これを介して電源線に電気的に接続される。同様に、TN2の下層電極351bはコンタクト304に接続され、これを介して電源線に電気的に接続されている。
Further, the
このようにして、TN1及びTP1からなるインバータと、TN2及びTP2からなるインバータとがクロスカップル配線されてフリップフロップを構成している。 In this way, the inverter composed of TN1 and TP1 and the inverter composed of TN2 and TP2 are cross-coupled to form a flip-flop.
ここで、位置Aには、図5(b)に示すMOSトランジスタを用いた従来のメモリセルにおいては水平に配置されていた構成要素に相当するものが複数、垂直に積み重ねて形成されていることになる。つまり、グランドに接続すると共にTP1に接続する一方のコンタクト303c、TP1に接続する他方のコンタクト303b、クロスカップル配線のためのコンタクト305、TP1とTN1とに共通するゲート電極として機能する配線307、電気的接続311を行なう配線及びTN1に接続する一方のコンタクト303aに各々相当するものが積み重ねて形成されている。これと同様に、位置Bにも、図5(b)における複数の構成要素(304c、304b、306、308、電気的接続312を行なう配線及び303a)に相当するものが垂直に積み重ねて形成されていることになる。
Here, at position A, a plurality of components corresponding to the components arranged horizontally in the conventional memory cell using the MOS transistor shown in FIG. 5B are stacked vertically. become. That is, one
また、図6及び図8に示すように、TN1とTP1とに共有される中層電極352aは、位置Cに向かって延び、位置Cに形成されているTN3、TN3に接続された下層電極354a及びコンタクト301を介してビット線BL(図5(a)参照)に電気的に接続されている。ここで、ワード線309がTN3のゲート電極として機能している。また、中層電極352aは位置Cと反対の向きにも延びており、延長されたTN2のゲート電極362yに接続されている。後に述べるが、TP2及びTN2のゲート電極362x及びゲート電極362yは互いに接続されているため、中層電極352aと、ゲート電極362x及びゲート電極362yとは電気的に接続されていることになる。図7における電気的接続372aは、このようにして実現される。
Further, as shown in FIGS. 6 and 8, the
また、TP1及びTN1のゲート電極361x及び361yは、それぞれ位置Cに向かって延び、更に、TP2とTN2とに共有される中層電極352bに接続されている。図7における電気的接続371aは、このようにして実現される。
The
次に、図6及び図9に示すように、TN2とTP2とに共有される中層電極352bは、位置Dに向かって延び、位置Dに形成されているTN4、TN4に接続された下層電極354b及びコンタクト302を介してビット線/BL(図5(a)参照)に電気的に接続されている。ここで、ワード線309がTN4のゲート電極として機能する。また、中層電極352bに対し、TP1及びTN1のゲート電極361x及び361yが延長されて接続されている。先に述べたように、これによって図7における電気的接続371aが実現されている。
Next, as shown in FIGS. 6 and 9, the
また、TP2及びTN2のゲート電極362x及び362yが位置Dとは反対の向きに延びて互いに接続され、この後ゲート電極362xが更に延ばされてTP1及びTN1の中層電極352aに接続されている。先に述べたように、これによって図7における電気的接続372aが実現されている。
The
以上のようにして、本実施形態の半導体装置には、垂直に配置されたN型チャネルCNTトランジスタとP型チャネルCNTトランジスタとを用いて構成されたフリップフロップを含むメモリセルが実現され、記憶装置として機能する。 As described above, in the semiconductor device of this embodiment, a memory cell including a flip-flop configured using an N-type channel CNT transistor and a P-type channel CNT transistor arranged vertically is realized, and the storage device Function as.
尚、クロスカップル配線の方法についての説明は一例を示すものであって、電気的な接続が実現されていれば良いのであり、説明した方法に限るものではない。 The description of the method of cross-coupled wiring is an example, and it is only necessary that electrical connection is realized, and the method is not limited to the described method.
本実施形態に係るCNTトランジスタを用いた半導体装置において、1つのメモリセルを示す長方形の範囲S2の面積は、同一設計ルールで作成した場合に、図5(b)における範囲S1の面積と比較して約5割の占有面積となる。これは、半導体装置の縮小化において、2世代に相当する進展が実現されることを意味する。 In the semiconductor device using the CNT transistor according to the present embodiment, the area of the rectangular range S2 indicating one memory cell is compared with the area of the range S1 in FIG. The occupied area is about 50%. This means that progress corresponding to two generations can be realized in the reduction of semiconductor devices.
尚、図5(b)に示す範囲S1は、メモリセルを構成する6個のトランジスタが分離領域により分離されている。これに対し、図6に平面レイアウトを示す本実施形態の半導体装置の場合、分離領域が不要であるため、電極の幅と電極同士の間隔によって占有面積が決定される。ここでは、電極の幅を100nm、電極同士の間隔を10nmとして計算した。 In the range S1 shown in FIG. 5B, the six transistors constituting the memory cell are separated by the separation region. On the other hand, in the case of the semiconductor device of the present embodiment whose planar layout is shown in FIG. 6, since the separation region is unnecessary, the occupied area is determined by the width of the electrodes and the distance between the electrodes. Here, the calculation was performed assuming that the electrode width is 100 nm and the distance between the electrodes is 10 nm.
以上、2つの実施形態を示して説明したように、複数のCNTトランジスタを縦方向(基板に対して垂直方向)に重ねて配置することにより、水平に方向にのみ配置する従来の場合に比べて基板上の占有面積を縮小することができる。この結果、半導体装置のウェハあたりの取れ数が増加し、半導体装置の製造コスト削減が実現できる。 As described above, as shown in the two embodiments, a plurality of CNT transistors are stacked in the vertical direction (perpendicular to the substrate), and compared with the conventional case in which the CNT transistors are arranged only in the horizontal direction. The occupied area on the substrate can be reduced. As a result, the number of semiconductor devices that can be taken per wafer increases, and the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.
また、1つの層に形成されるCNTトランジスタを全てP型又はN型とし、P型とN型のCNTトランジスタを別々の層に形成する場合、CNTトランジスタをP型又はN型とするための不純物導入のために遮蔽マスクを用いることが不要となる。これにより、工程が簡略化できる。 Further, when all the CNT transistors formed in one layer are P-type or N-type, and the P-type and N-type CNT transistors are formed in different layers, impurities for making the CNT transistor P-type or N-type It is not necessary to use a shielding mask for introduction. Thereby, a process can be simplified.
また、ショートチャネル効果が生じやすいN型チャネルCNTトランジスタについて、P型チャネルCNTトランジスタよりもゲート長を長くする(CNT部の厚さを大きくする)ことにより、ショートチャネル効果を抑制して電気特性の劣化を緩和することができる。このようなことは、P型及びN型のCNTを水平方向に配置していた従来の構成では困難であった。 In addition, for an N-type channel CNT transistor that tends to cause a short channel effect, the short channel effect is suppressed and the electrical characteristics are reduced by making the gate length longer (increasing the thickness of the CNT portion) than the P-type channel CNT transistor. Degradation can be mitigated. This is difficult with the conventional configuration in which P-type and N-type CNTs are arranged in the horizontal direction.
尚、以上では2つのCNTトランジスタが垂直方向に積み重ねられる2層構造を説明したが、3層以上のCNTトランジスタを縦に配置した構成とすることも可能である。 In the above description, a two-layer structure in which two CNT transistors are stacked in the vertical direction has been described. However, a structure in which three or more CNT transistors are vertically arranged may be employed.
本発明の半導体装置は、カーボンナノチューブを用いた電界効果型トランジスタを垂直に配置することによりレイアウト面積の縮小を可能としており、製造コストの削減されたメモリ装置等として有用である。 The semiconductor device of the present invention can reduce the layout area by vertically arranging field effect transistors using carbon nanotubes, and is useful as a memory device or the like with reduced manufacturing costs.
100 半導体装置
101 基板
102 最下層層間絶縁膜
103 第1の電極
104 第1の層間絶縁膜
104a、104b 第1の層間絶縁膜下層及び第1の層間絶縁膜上層
105 第1のゲート電極
106 第2のゲート電極
107 第1のゲート絶縁膜
108 第1のCNT(カーボンナノチューブ)層
114 第2の層間絶縁膜
114a、114b 第2の層間絶縁膜下層及び第2の層間絶縁膜上層
115 第2のゲート電極
116 第3の電極
117 第2のゲート絶縁膜
118 第2のCNT部
121 第1の引出電極
122 第2の引出電極
123 ゲート引出電極
123a、123b 第1のゲート引出電極及び第2のゲート引出電極
131 第1の開口部
151 第1のCNTトランジスタ
152 第2のCNTトランジスタ
301〜306、303a〜c、304a〜c コンタクト
307、308 配線
309 ワード線(WL)
310、311 電気的接続
351a、351b 下層電極
352a、352b 中層電極
353a、353b 上層電極
354a、354b 下層電極
361x、361y、362x、362y ゲート電極
371、372 配線
371a、372a 電気的接続
TN1〜TN4、TP1、TP2 CNTトランジスタ
100
310, 311
Claims (6)
前記第1の電極上に形成された第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜上に、前記第1の電極に対向して形成された第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間の前記第1の層間絶縁膜を貫通するように形成された第1のカーボンナノチューブ部と、
前記第1の層間絶縁膜と前記第1のカーボンナノチューブ部との間に介在する第1のゲート絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜中に形成され、前記第1のゲート絶縁膜に接する第1のゲート電極と、
前記第2の電極上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜上に、前記第2の電極に対向して形成された第3の電極と、
前記第2の電極と前記第3の電極との間の前記第2の層間絶縁膜を貫通するように形成された第2のカーボンナノチューブ部と、
前記第2の層間絶縁膜と前記第2のカーボンナノチューブ部との間に介在する第2のゲート絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜中に形成され、前記第2のゲート絶縁膜に接する第2のゲート電極とを備え、
前記第1の電極、前記第1のゲート絶縁膜、前記第1のカーボンナノチューブ部、前記第1のゲート電極及び前記第2の電極によって、第1の電界効果トランジスタが構成されていると共に、
前記第2の電極、前記第2のゲート絶縁膜、前記第2のカーボンナノチューブ部、前記第2のゲート電極及び前記第3の電極によって、第2の電界効果トランジスタが構成されていることを特徴とする半導体装置。 A first electrode formed on a substrate;
A first interlayer insulating film formed on the first electrode;
A second electrode formed on the first interlayer insulating film so as to face the first electrode;
A first carbon nanotube portion formed so as to penetrate through the first interlayer insulating film between the first electrode and the second electrode;
A first gate insulating film interposed between the first interlayer insulating film and the first carbon nanotube portion;
A first gate electrode formed in the first interlayer insulating film and in contact with the first gate insulating film;
A second interlayer insulating film formed on the second electrode;
A third electrode formed on the second interlayer insulating film so as to face the second electrode;
A second carbon nanotube portion formed so as to penetrate through the second interlayer insulating film between the second electrode and the third electrode;
A second gate insulating film interposed between the second interlayer insulating film and the second carbon nanotube portion;
A second gate electrode formed in the second interlayer insulating film and in contact with the second gate insulating film;
The first electrode, the first gate insulating film, the first carbon nanotube portion, the first gate electrode, and the second electrode constitute a first field effect transistor,
A second field effect transistor is configured by the second electrode, the second gate insulating film, the second carbon nanotube portion, the second gate electrode, and the third electrode. A semiconductor device.
前記第1の電界効果トランジスタ及び前記第2の電界効果トランジスタのうち、一方がPチャネル型トランジスタであると共に他方がNチャネル型トランジスタであり、
前記第1の電界効果トランジスタと前記第2の電界効果トランジスタとが直列に接続されることによってインバータが構成され、
一対の前記インバータがクロスカップル接続されることによって構成されたCMOS型メモリセルを備えることを特徴とする半導体装置。 In claim 1,
Of the first field effect transistor and the second field effect transistor, one is a P-channel transistor and the other is an N-channel transistor,
An inverter is configured by connecting the first field effect transistor and the second field effect transistor in series,
A semiconductor device comprising a CMOS memory cell configured by cross-coupled a pair of the inverters.
前記第1のカーボンナノチューブ部及び前記第2のカーボンナノチューブ部の少なくとも一方に、不純物が導入されていることを特徴とする半導体装置。 In claim 1 or 2,
A semiconductor device, wherein an impurity is introduced into at least one of the first carbon nanotube portion and the second carbon nanotube portion.
前記第1の電界効果トランジスタ及び前記第2の電界効果トランジスタのうち、一方がPチャネル型トランジスタであると共に他方がNチャネル型トランジスタであり、
前記第1の層間絶縁膜及び前記第2の層間絶縁膜のうち、Nチャネル型トランジスタが形成されている方の膜厚は、他方の膜厚よりも厚いことを特徴とする半導体装置。 In any one of Claims 1-3,
Of the first field effect transistor and the second field effect transistor, one is a P-channel transistor and the other is an N-channel transistor,
Of the first interlayer insulating film and the second interlayer insulating film, a semiconductor film in which an N-channel transistor is formed is thicker than the other film thickness.
前記第1の電極上に、第1の層間絶縁膜及びその中に埋め込まれる第1のゲート電極を形成する工程と、
前記第1の層間絶縁膜及び前記第1のゲート電極に、前記第1の電極の上面を露出させる第1の開口部を形成する工程と、
前記第1の開口部の壁面を覆う第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁膜を介して前記第1の開口部内を充填する第1のカーボンナノチューブ部を形成する工程と、
前記第1の層間絶縁膜上に、前記第1の電極に対向する第2の電極を形成する工程と、
前記第2の電極上に、第2の層間絶縁膜及びその中に埋め込まれる第2のゲート電極を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜及び前記第2のゲート電極に、前記第2の電極の上面を露出させる第2の開口部を形成する工程と、
前記第2の開口部の壁面を覆う第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁膜を介して前記第2の開口部内を充填する第2のカーボンナノチューブ部を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜上に、前記第2の電極に対向する第3の電極を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first electrode on the substrate;
Forming a first interlayer insulating film and a first gate electrode embedded therein on the first electrode;
Forming a first opening in the first interlayer insulating film and the first gate electrode to expose an upper surface of the first electrode;
Forming a first gate insulating film covering a wall surface of the first opening;
Forming a first carbon nanotube portion that fills the first opening through the first gate insulating film;
Forming a second electrode opposite to the first electrode on the first interlayer insulating film;
Forming a second interlayer insulating film and a second gate electrode embedded therein on the second electrode;
Forming a second opening exposing the upper surface of the second electrode in the second interlayer insulating film and the second gate electrode;
Forming a second gate insulating film covering the wall surface of the second opening;
Forming a second carbon nanotube portion filling the inside of the second opening via the second gate insulating film;
Forming a third electrode opposite to the second electrode on the second interlayer insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1のカーボンナノチューブ部に不純物を導入する工程及び第2のカーボンナノチューブ部に不純物を導入する工程の少なくとも一方を更に備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In claim 5,
A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising at least one of a step of introducing impurities into the first carbon nanotube portion and a step of introducing impurities into the second carbon nanotube portion.
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