JP2007266128A - Semiconductor device, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電界効果型トランジスタを有する半導体装置、および当該半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a field effect transistor and a method for manufacturing the semiconductor device.
近年、携帯電話等のモバイル機器の需要が増大するにつれ、モバイル機器用LSIの市場規模が急速に拡大している。大部分のモバイル機器はバッテリー駆動であり、無駄な電力消費はバッテリーの大容量化を必要とし、またバッテリー寿命を短くする。このため、上記のモバイル機器に組み込まれるLSI等の半導体装置には、高速動作に加え、低消費電力であることが望まれている。 In recent years, as the demand for mobile devices such as mobile phones has increased, the market size of LSIs for mobile devices has rapidly expanded. Most mobile devices are battery powered, and wasteful power consumption requires a large battery capacity and shortens battery life. For this reason, it is desired that a semiconductor device such as an LSI incorporated in the mobile device has low power consumption in addition to high-speed operation.
トランジスタを含む半導体装置の低消費電力化を図るためには、トランジスタのリーク電流を減少させることが好ましく、例えば、待機時のリーク電流を減少させることが好ましい。 In order to reduce the power consumption of a semiconductor device including a transistor, it is preferable to reduce the leakage current of the transistor. For example, it is preferable to reduce the leakage current during standby.
図1はMOSトランジスタの待機時のリーク電流を説明する図である。図1を参照するに、当該MOSトランジスタは、基板の素子形成領域(アクティブ領域)1に形成された、ソース領域2とドレイン領域3を有している。当該ソース領域2とドレイン領域3の間のチャネル上には、ゲート絶縁膜4を介してゲート電極5が形成されている。 FIG. 1 is a diagram for explaining a leakage current during standby of a MOS transistor. Referring to FIG. 1, the MOS transistor has a source region 2 and a drain region 3 formed in an element formation region (active region) 1 of a substrate. On the channel between the source region 2 and the drain region 3, a gate electrode 5 is formed via a gate insulating film 4.
例えば、リーク電流の成分としては、ドレイン領域3からソース領域2側に流れるサブスレッショルドリーク(IS)、ドレイン領域3から基板(素子形成領域1)側に流れる基板電流(IB)、および基板側からゲート領域5に流れるゲートリーク(IG)の3種類が知られている。また、ドレイン領域3から基板側に流れるIB成分には、ドレイン領域と基板のpn接合の逆バイアスリーク成分と、ゲート近傍のドレイン領域端部との間で作られるドレイン領域端部に発生する高電界によってドレイン領域端部が空乏または反転することによって誘起されるゲート誘起ドレインリーク(Gate Induced Drain Leakage;GIDL)がある。 For example, the leakage current components include subthreshold leakage (IS) flowing from the drain region 3 to the source region 2 side, substrate current (IB) flowing from the drain region 3 to the substrate (element formation region 1) side, and from the substrate side. Three types of gate leak (IG) flowing in the gate region 5 are known. Further, the IB component flowing from the drain region 3 to the substrate side includes a high bias generated at the end of the drain region formed between the reverse bias leak component of the pn junction between the drain region and the substrate and the end of the drain region near the gate. There is a gate induced drain leakage (GIDL) induced by depletion or inversion of the end of the drain region by an electric field.
これらのリーク電流を抑制することが、半導体装置の低消費電力化を実現する上で重要である。
しかし、従来のMOSトランジスタでは、その構造上の問題により、リーク電流を抑制することが困難となる場合が生じていた。 However, in the conventional MOS transistor, it may be difficult to suppress the leakage current due to a structural problem.
図2は図1のMOSトランジスタのA−A断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。図2を参照するに、前記素子形成領域1は、素子分離(STI)絶縁溝6により、分離されて形成されている。前記ゲート電極5は、その一部が当該素子分離絶縁溝6上にかかるように形成されている。 FIG. 2 is a cross-sectional view of the MOS transistor of FIG. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted. Referring to FIG. 2, the element formation region 1 is separated and formed by an element isolation (STI) insulating groove 6. The gate electrode 5 is formed so that a part thereof covers the element isolation insulating groove 6.
上記の構造においては、前記素子形成領域(アクティブ領域)1の端部(図中領域B)で絶縁膜の薄膜化が生じる場合がある。また、当該端部では、電界集中が発生する場合があるためリーク電流の発生が多くなる問題があった。 In the above structure, the insulating film may be thinned at the end portion (region B in the drawing) of the element formation region (active region) 1. In addition, there is a problem that the occurrence of leakage current increases at the end portion because electric field concentration may occur.
また、このような素子形成領域の端部でのリーク電流は、素子形成領域を狭くした場合により大きな問題となってしまう場合がある。このため、トランジスタの微細化に困難が生じていた。 In addition, such a leakage current at the end of the element formation region may become a larger problem when the element formation region is narrowed. For this reason, difficulty has arisen in miniaturization of a transistor.
例えば、図1に示したリーク電流のIS成分とIB成分は、素子形成領域内で均一ではなく、素子形成領域の端部で大きくなっており、特に素子形成領域の幅の狭いトランジスタではリーク電流の問題がより深刻になってしまう。 For example, the IS component and the IB component of the leakage current shown in FIG. 1 are not uniform in the element formation region, but are large at the end of the element formation region. The problem becomes more serious.
そこで、本発明では、上記の問題を解決した、新規で有用な半導体装置、および半導体装置の製造方法を提供することを統括的課題としている。 In view of this, the present invention has a general object to provide a new and useful semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, which solve the above-described problems.
本発明の具体的な課題は、微細化に対応可能であって、かつリーク電流が抑制された半導体装置と、微細化に対応可能であって、かつリーク電流が抑制された半導体装置を製造する製造方法を提供することである。 A specific problem of the present invention is to manufacture a semiconductor device that can cope with miniaturization and suppresses leakage current, and a semiconductor device that can cope with miniaturization and suppresses leakage current. It is to provide a manufacturing method.
本発明の第1の観点では、上記の課題を、半導体基板の第1の導電型の素子形成領域と、前記素子形成領域上のゲート絶縁膜上に形成された環状のゲート電極と、前記素子形成領域の前記ゲート電極の内側に形成された第2の導電型の第1の領域と、前記素子形成領域の前記ゲート電極の外側に形成された第2の導電型の第2の領域と、前記ゲート電極と一体的に形成されたゲート引き出し配線と、を有し、前記ゲート電極の環状の部分の厚さが前記ゲート引き出し配線の幅より小さいことを特徴とする半導体装置により、解決する。 In the first aspect of the present invention, the above-described problems are solved by a first conductive type element forming region of a semiconductor substrate, an annular gate electrode formed on a gate insulating film on the element forming region, and the element. A first conductivity type first region formed inside the gate electrode in the formation region; a second conductivity type second region formed outside the gate electrode in the element formation region; The semiconductor device has a gate lead-out wiring formed integrally with the gate electrode, and the thickness of the annular portion of the gate electrode is smaller than the width of the gate lead-out wiring.
本発明によれば、微細化に対応可能であって、かつリーク電流が抑制された半導体装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that can cope with miniaturization and suppresses a leakage current.
本発明の観点では、上記の課題を、半導体基板の第1の導電型の素子形成領域のゲート絶縁膜上に、ダミーピラーを形成するピラー形成工程と、前記ダミーピラーを覆うように導電層を形成する導電層形成工程と、前記導電層をエッチングして、前記ダミーピラーの周囲に環状のゲート電極を形成する電極形成工程と、前記ダミーピラーをエッチングにより除去するピラー除去工程と、前記素子形成領域の、前記ゲート電極の内側と外側にそれぞれ第2の導電型の不純物拡散領域を形成する不純物拡散工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法により、解決する。 In the viewpoint of the present invention, the above-described problems are solved by forming a pillar on the gate insulating film in the element formation region of the first conductivity type of the semiconductor substrate, and forming a conductive layer so as to cover the dummy pillar. A conductive layer forming step; an electrode forming step of etching the conductive layer to form an annular gate electrode around the dummy pillar; a pillar removing step of removing the dummy pillar by etching; and This is solved by a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: an impurity diffusion step of forming impurity diffusion regions of a second conductivity type on the inside and outside of the gate electrode, respectively.
本発明によれば、微細化に対応可能であって、かつリーク電流が抑制された半導体装置を製造する製造方法を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the manufacturing method which can respond to refinement | miniaturization and manufactures the semiconductor device with which leakage current was suppressed.
本発明によれば、微細化に対応可能であって、かつリーク電流が抑制された半導体装置と、微細化に対応可能であって、かつリーク電流が抑制された半導体装置を製造する製造方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, there are provided a semiconductor device that can cope with miniaturization and suppresses a leakage current, and a manufacturing method for manufacturing a semiconductor device that can cope with miniaturization and suppresses a leakage current. It becomes possible to provide.
本発明に係る半導体装置は、半導体基板の第1の導電型の素子形成領域と、前記素子形成領域上のゲート絶縁膜上に形成された環状のゲート電極と、前記素子形成領域の前記ゲート電極の内側に形成された第2の導電型の第1の領域と、前記素子形成領域の前記ゲート電極の外側に形成された第2の導電型の第2の領域と、前記ゲート電極と一体的に形成されたゲート引き出し配線と、を有し、前記ゲート電極の環状の部分の厚さが前記ゲート引き出し配線の幅より小さいことを特徴としている。 The semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type element forming region of a semiconductor substrate, an annular gate electrode formed on a gate insulating film on the element forming region, and the gate electrode in the element forming region. A first conductivity type first region formed on the inside of the device, a second conductivity type second region formed outside the gate electrode in the element formation region, and the gate electrode. And the thickness of the annular portion of the gate electrode is smaller than the width of the gate lead-out line.
上記の半導体装置では、ゲート電極が環状に形成されているために、ゲート電極が素子形成領域を横断する構造である従来の半導体装置に比べてリーク電流が抑制される効果を有している。 In the semiconductor device described above, since the gate electrode is formed in an annular shape, the leakage current can be suppressed as compared with the conventional semiconductor device having a structure in which the gate electrode crosses the element formation region.
例えば、従来の半導体装置では、ゲート電極が素子形成領域(アクティブ領域)を横断する構造であったため、ゲート電極の端部と素子形成領域の外側に形成された素子分離絶縁溝の端部近傍においてリーク電流が増大してしまう問題を有していた。 For example, in the conventional semiconductor device, since the gate electrode crosses the element formation region (active region), in the vicinity of the end of the gate electrode and the end of the element isolation insulating groove formed outside the element formation region There was a problem that the leakage current increased.
そこで、本発明に係る半導体装置では、環状のゲート電極を用いることで、ゲート電極が、素子形成領域の外側に形成された素子分離絶縁溝と離間された構造となるように構成されている。このため、ゲート電極と素子分離絶縁溝の端部(素子形成領域の端部)の界面に起因するリーク電流を低減することが可能になっている。 Therefore, in the semiconductor device according to the present invention, the annular gate electrode is used so that the gate electrode is separated from the element isolation insulating groove formed outside the element formation region. For this reason, it is possible to reduce the leakage current caused by the interface between the gate electrode and the end portion of the element isolation insulating groove (end portion of the element formation region).
例えば、図1に示したリーク電流のIS成分とIB成分は、素子形成領域で均一ではなく、素子形成領域の端部(素子分離絶縁溝近傍)で大きくなっており、特に素子形成領域の幅の小さなトランジスタではリーク電流の問題が大きくなってしまう。 For example, the IS component and the IB component of the leakage current shown in FIG. 1 are not uniform in the element formation region, but are large at the end of the element formation region (near the element isolation insulating groove), and particularly the width of the element formation region. With a small transistor, the problem of leakage current becomes large.
一方で、本発明に係る半導体装置では、上記の素子形成領域の端部(素子分離絶縁溝近傍)におけるIS成分とIB成分に係るリーク電流を低減することが可能となっている。このため、リーク電流が低減された、微細な構造を有する半導体装置を提供することが可能になっている。 On the other hand, in the semiconductor device according to the present invention, it is possible to reduce the leakage current related to the IS component and the IB component at the end of the element formation region (near the element isolation insulating groove). Therefore, it is possible to provide a semiconductor device having a fine structure with reduced leakage current.
また、上記の特許文献1乃至特許文献5(特許第3203733号、特開平9−331481号公報、特許第3276325号、米国特許第5689129号、米国特許第5355008号)には、環状のゲート電極を用いた半導体装置が開示されている。 In addition, in the above Patent Document 1 to Patent Document 5 (Japanese Patent No. 3203733, Japanese Patent Laid-Open No. 9-331481, Japanese Patent No. 3276325, US Pat. No. 5,689,129, US Pat. A used semiconductor device is disclosed.
しかし、上記の特許文献1乃至特許文献5には、半導体装置を微細化する具体的な構造、方法が開示されていなかった。 However, the above Patent Documents 1 to 5 do not disclose a specific structure and method for miniaturizing a semiconductor device.
一方、本発明では、ゲート電極の環状の部分の厚さが、ゲート電極と一体的に形成されたゲート引き出し配線の幅より小さくなっている。このため、本発明によれば、微細な形状のゲート電極を有する、微細化された半導体装置を提供することが可能になる。 On the other hand, in the present invention, the thickness of the annular portion of the gate electrode is smaller than the width of the gate lead wiring formed integrally with the gate electrode. For this reason, according to the present invention, it is possible to provide a miniaturized semiconductor device having a finely shaped gate electrode.
また、本発明の発明者は、上記の微細化されたゲート電極は、ダミーピラーを用いて、該ダミーピラーに対して成膜を行った後、成膜された膜をエッチングしてパターニングすることで形成することが可能となることを見出した。 The inventor of the present invention forms the above-described miniaturized gate electrode by forming a film on the dummy pillar using a dummy pillar, and then etching and patterning the formed film. I found out that it would be possible.
例えば、当該半導体装置は、半導体基板の第1の導電型の素子形成領域のゲート絶縁膜上に、ダミーピラーを形成するピラー形成工程と、前記ダミーピラーを覆うように導電層を形成する導電層形成工程と、前記導電層をエッチングして、前記ダミーピラーの周囲に環状のゲート電極を形成する電極形成工程と、前記ダミーピラーをエッチングにより除去するピラー除去工程と、前記素子形成領域の、前記ゲート電極の内側と外側にそれぞれ第2の導電型の不純物拡散領域を形成する不純物拡散工程と、を有する半導体装置の製造方法により製造される。 For example, in the semiconductor device, a pillar forming step of forming a dummy pillar on a gate insulating film in an element formation region of a first conductivity type of a semiconductor substrate, and a conductive layer forming step of forming a conductive layer so as to cover the dummy pillar An electrode forming step of etching the conductive layer to form an annular gate electrode around the dummy pillar, a pillar removing step of removing the dummy pillar by etching, and the element forming region inside the gate electrode And an impurity diffusion step for forming an impurity diffusion region of the second conductivity type on the outside, respectively.
上記の製造方法を用いることで、通常のリソグラフィー法により環状のゲート電極を形成する場合に比べて、より微細な環状のゲート電極を形成することが可能になる。例えば、従来に比べて、環状の部分の厚さや、環状の部分の径を小さくすることが可能になり、半導体装置を微細化することが可能になる。 By using the above manufacturing method, it becomes possible to form a finer annular gate electrode than in the case where the annular gate electrode is formed by a normal lithography method. For example, the thickness of the annular portion and the diameter of the annular portion can be reduced as compared with the conventional case, and the semiconductor device can be miniaturized.
次に、上記の半導体装置の構成とその製造方法の一例について、図面に基づき以下に説明する。 Next, an example of a configuration of the semiconductor device and an example of a manufacturing method thereof will be described below with reference to the drawings.
図3(A),(B)は、本発明の実施例1に係る半導体装置を模式的に示した図であり、(A)は平面図を、(B)は(A)のC−C断面図を示す図である。 FIGS. 3A and 3B are diagrams schematically showing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, in which FIG. 3A is a plan view and FIG. It is a figure which shows sectional drawing.
図3(A),(B)を参照するに、本実施例に係る半導体装置100は、半導体基板101に素子分離(STI)絶縁溝102で分離されて形成された素子形成領域(アクティブフィールド)103に、MOSトランジスタが形成されてなる構造を有している。当該MOSトランジスタは、以下に説明する構造を有している。
3A and 3B, in the
第1の導電型である前記素子領域103上には、ゲート絶縁膜106が形成され、該ゲート絶縁膜106上には、側壁絶縁膜108を有する環状のゲート電極107が形成されている。
A
また、前記素子形成領域103には、第2の導電型の不純物拡散領域が以下のように形成されている。まず、前記ゲート電極107の内側には、低濃度不純物拡散領域領域(LDD)105Aと、高濃度不純物拡散領域(DDD)105Bを有する不純物拡散領域(ドレイン領域)105が形成されている。同様に、前記ゲート電極107の外側には、低濃度不純物拡散領域領域(LDD)104Aと、高濃度不純物拡散領域(DDD)104Bを有する不純物拡散領域(ソース領域)104が形成されている。
In the
さらに、前記ゲート電極107と一体的に、該ゲート電極107に接続されるゲート引き出し配線(ローカル配線)109が形成されている。当該ゲート引き出し配線109は、例えば複数のゲート電極を接続する場合に用いられ、隣接して形成される他の素子形成領域の他のゲート電極(ともに図示せず)と接続される。
Further, a gate lead-out wiring (local wiring) 109 connected to the
本実施例による半導体装置では、環状のゲート電極107を用いることで、該ゲート電極107と素子分離絶縁溝102(素子形成領域103の端部)とが離間された構造となっていることが特徴である。このため、リーク電流を抑制することが可能となり、低消費電力型の半導体装置を実現することが可能となっている。
The semiconductor device according to the present embodiment is characterized in that the
例えば、図4には、従来の半導体装置(MOSトランジスタ)の平面図を示す。図4に示すMOSトランジスタでは、素子形成領域13に対して、ゲート電極17が横断するように形成されている。このため、素子形成領域13の端部(図中領域L)において、リーク電流のIG成分(基板側からゲート電極5に流れるゲートリーク)に加えて、IS成分(ドレイン領域からソース領域側に流れるサブスレッショルドリーク)、IB成分(ドレインから基板側に流れる基板電流)が増大してしまう問題がある。
For example, FIG. 4 shows a plan view of a conventional semiconductor device (MOS transistor). In the MOS transistor shown in FIG. 4, the
一方、本実施例に係る半導体装置100では、図3(A)、(B)に示すように、ゲート電極が素子形成領域の端部(素子分離絶縁溝)にかかることがなく、このためにリーク電流を低減することが可能になっている。この場合、例えばゲート電圧が印加されるゲート引き出し線は、素子形成領域の外側にかかるが、一方で、ソース領域とドレイン領域の間でキャリアが移動する領域(チャネル)は、素子形成領域の端部から離間している。このため、従来の半導体装置にくらべて、リーク電流のIS成分とIB成分を低減することが可能になっている。
On the other hand, in the
また、本実施例による半導体装置100では、前記ソース領域104近傍に、第1の導電型(素子形成領域と同じ導電型)であって、前記素子形成領域103より不純物濃度が高い不純物拡散領域である、ポケット領域120が形成されている。
Further, in the
前記ポケット領域120に導入される不純物添加によって、トランジスタの閾値電圧を制御することが可能になり、このために、ドレイン領域105近傍の不純物濃度を下げることによって、前記ドレイン領域105(前記低濃度不純物拡散領域105A)近傍で発生するリーク電流(IB成分)を抑制することが可能になっている。
The addition of impurities introduced into the
また、本実施例による半導体装置100では、前記ゲート電極107の環状の部分の厚さTが前記ゲート引き出し配線109の幅Wよりも小さくなるように構成されている。このため、半導体装置を微細化することが可能となり、高集積化・高性能化した半導体装置を提供することが可能になっている。
In the
従来は、例えばリソグラフィ法によって形成されたマスクパターンを用いたパターンエッチングでは、微細化された環状のゲート電極を形成することが困難となる場合があった。本実施例による半導体装置では、前記ゲート電極107の環状の部分の厚さは、フォトリソグラフィ法でのパターニングの下限の厚さ未満とすることができ、半導体装置の微細化を可能とする。
Conventionally, for example, pattern etching using a mask pattern formed by lithography has made it difficult to form a miniaturized annular gate electrode. In the semiconductor device according to the present embodiment, the thickness of the annular portion of the
上記の微細化されたゲート電極は、例えば、ダミーピラーを用いて、該ダミーピラーに対して成膜を行った後、成膜された膜をエッチングしてパターニングすることで形成することが可能となる。 The miniaturized gate electrode can be formed, for example, by forming a film on the dummy pillar using a dummy pillar, and then etching and patterning the formed film.
例えば、まず、素子形成領域上のゲート絶縁膜上にダミーピラーを形成した後、該ダミーピラーを埋設するように、ゲート電極を構成する材料となる膜を成膜する。次に、ダミーピラーを埋設している膜を、RIEなどの異方性のプラズマエッチングにより除去することで、ダミーピラーの周囲に、環状のゲート電極を形成することができる。この場合、ダミーピラーの径(幅)を、フォトリソグラフィ法によりパターニング可能な下限の大きさとしておくと、形成されるゲート電極の環状の部分の厚さは、フォトリソグラフィ法により形成される下限の大きさ未満とすることができる。 For example, first, after forming a dummy pillar on the gate insulating film on the element formation region, a film that is a material constituting the gate electrode is formed so as to bury the dummy pillar. Next, by removing the film in which the dummy pillar is embedded by anisotropic plasma etching such as RIE, an annular gate electrode can be formed around the dummy pillar. In this case, if the diameter (width) of the dummy pillar is set to a lower limit size that can be patterned by photolithography, the thickness of the annular portion of the formed gate electrode is set to the lower limit size that can be formed by photolithography. It can be less than this.
すなわち、上記の方法によれば、通常のフォトリソグラフィ法に比べて、より微細な構造を有する環状のゲート電極をパターニングすることが可能になる。 That is, according to the above method, it is possible to pattern an annular gate electrode having a finer structure than in a normal photolithography method.
次に、上記のゲート電極のパターニング工程を含む、前記半導体装置100の製造方法の一例について、図5〜図15を用いて、手順を追って説明する。但し以下の図中では、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する場合がある。
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、図5に示す工程において、例えばシリコンよりなる基板101に、素子分離絶縁溝102を形成し、当該素子分離絶縁溝102にて分離された素子形成領域103上にゲート絶縁膜106を形成する。前記ゲート絶縁膜106は、例えばシリコン酸化膜(SiO2)、シリコン酸窒化膜(SiON)、強誘電体である金属酸化物(HfxOy、ZrnOm、HfxSiyOz、ZrxSiyOz、HfxSiyOzNw、ZrxSiyOzNw)、またはこれらの積層膜により形成される。
First, in the process shown in FIG. 5, the element
次に、図6(A)に、図5に続く半導体装置の製造工程の平面図を、図6(B)には、図6(A)のD−D断面図を示す。また、図6(B)では、素子分離絶縁溝は図示を省略している。以下、図7〜図15まで同様に図示する。 Next, FIG. 6A is a plan view of the manufacturing process of the semiconductor device subsequent to FIG. 5, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along DD of FIG. In FIG. 6B, the element isolation insulating groove is not shown. Hereinafter, it illustrates similarly in FIGS.
図6(A)、(B)に示す工程では、まず前記ゲート絶縁膜106上に、ダミーピラーを構成する材料となる膜を成膜する。この後、フォトリソグラフィ法によりレジストパターンを形成し、当該レジストパターンをマスクにしたエッチングを行い、ダミーピラー110を形成する。
In the steps shown in FIGS. 6A and 6B, a film serving as a material constituting the dummy pillar is first formed on the
また、前記ダミーピラー110の径(幅)は、フォトリソグラフィ法により形成される最小の径(幅)とされることが好ましい。この場合、後の工程で形成されるゲート電極を、より微細化(例えば、フォトリソグラフィ法の加工限界である下限寸法未満に微細化)することが可能になるからである。
The diameter (width) of the
次に、図7(A)、(B)に示す工程において、前記ゲート絶縁膜106上に、前記ダミーピラー110を覆うように、ゲート電極を構成する材料であるポリシリコンよりなる導電層111を形成する。この場合、前記導電層111は、前記ダミーピラー110を中心に盛り上がるような形状となる。
Next, in the steps shown in FIGS. 7A and 7B, a
次に、図8(A)、(B)に示す工程において、前記導電層111の上面を平坦化するための平坦化層112を、例えば塗布(スピンコートなど)により、形成する。この工程を設けることで、後の工程におけるレジストのパターニングが容易となるが、本工程は省略することも可能である。
Next, in the steps shown in FIGS. 8A and 8B, a
次に、図9(A)、(B)に示す工程において、前記平坦化層112上に、フォトリソグラフィ法を用いて、レジストパターン113を形成する。
Next, in a process shown in FIGS. 9A and 9B, a resist
次に、図10(A)、(B)に示す工程において、例えばRIE(リアクティブ・イオン・エッチング)などの異方性エッチングにより、前記導電層111をエッチングしてパターニングし、前記ダミーピラー110の周囲に、環状のゲート電極107を形成する。また、当該ゲート電極107とともに、該ゲート電極107と一体的にゲート引き出し線109がパターニングして形成される。この場合、前記ゲート引き出し線109は、図9に示した工程で形成したレジストパターン113に対応した形状で形成される。
Next, in the steps shown in FIGS. 10A and 10B, the
本工程では、前記ゲート電極107のパターニングを行う場合には、特にパターニングされたマスクを用いておらず、エッチングの条件によって前記ゲート電極107の形状(厚さ)の制御を行う。
In this step, when the
次に、図11(A)、(B)に示す工程において、前記ダミーピラー110をエッチングして除去する。この場合、前記ゲート電極107と前記ダミーピラー110のエッチングの選択比と、前記ゲート絶縁膜106と前記ダミーピラー110のエッチングの選択比が、大きいことが好ましい。このため、前記ゲート絶縁膜、ゲート電極、ダミーピラーは、これらの選択比を考慮した材料よりなることが好ましい。
Next, in the step shown in FIGS. 11A and 11B, the
例えば、前記ゲート絶縁膜106が、高誘電体材料である金属酸化物(HfxOy、ZrnOm、HfxSiyOz、ZrxSiyOz、HfxSiyOzNw、ZrxSiyOzNw)よりなる場合には、前記ダミーピラー110は、SiO2よりなることが好ましい。また、前記ゲート絶縁膜106が、SiO2やSiONよりなる場合には、前記ダミーピラー110は、金属材料(例えばAlなど)よりなることが好ましい。
For example, the
本工程において、環状のゲート電極107と、ゲート引き出し線109が形成される。上記の構造においては、前記ゲート電極107の環状の部分の厚さTは、ゲート引き出し配線109の幅Wよりも小さくなっている。また、前記ゲート電極107の環状の部分の厚さTは、フォトリソグラフィ法でのパターニングの下限の厚さ未満となっている。
In this step, an
また、ポリシリコンよりなる前記ゲート電極107に対して、自己形成シリサイド処理を施してゲート抵抗を下げるようにしてもよい。また、前記ゲート電極(ゲート引き出し線109)は、ポリシリコンに限定されず、例えばAlなどの金属材料を用いて形成することも可能である。
Further, the
次に、図12(A)、(B)に示す工程において、前記ゲート電極107をマスクにして、前記素子形成領域103と逆の導電型の不純物(イオン)の打ち込みを行う。ここで、前記素子形成領域103のうち、前記ゲート電極107の内側に低濃度不純物拡散領域(LDD)105Aが、前記ゲート電極107の外側に低濃度不純物拡散領域104Aが形成される。
Next, in the steps shown in FIGS. 12A and 12B, impurities (ions) having a conductivity type opposite to that of the
次に、図13(A)、(B)に示す工程において、前記素子形成領域103と同じ導電型の不純物(イオン)を、前記ゲート電極107の外側から前記素子形成領域103(前記ゲート絶縁膜106)に対して斜めに注入する。ここで、ポケット領域120が形成され、このポケット領域120に導入された不純物によって閾値電圧が制御される。
Next, in the steps shown in FIGS. 13A and 13B, impurities (ions) having the same conductivity type as that of the
次に、図14(A)、(B)に示す工程において、前記ゲート電極107の側壁に、側壁絶縁膜108を形成する。また、前記側壁絶縁膜108は、前記ゲート電極107の上端部にも形成されるようにすることが好ましい。この場合、前記ゲート電極107の内側でコンタクトをとる配線とゲート電極とのショートを防止することができる。また、前記側壁絶縁膜108を形成する場合に、組成の異なる2つの絶縁膜(例えばSiO2とSiN)を用いて形成してもよい。これらの側壁絶縁膜を形成する方法については後述する。
Next, in the steps shown in FIGS. 14A and 14B, a
次に、図15(A)、(B)に示す工程において、前記ゲート電極107と前記側壁絶縁膜108をマスクに、前記素子形成領域103と逆の導電型の不純物(イオン)の打ち込みを行う。そこで、前記素子形成領域103のうち、前記ゲート電極107の内側に高濃度不純物拡散領域105Bが、前記ゲート電極107の外側に高濃度不純物拡散領域104Bが形成される。この結果、前記ゲート電極107の内側には、低濃度不純物拡散領域105Aと、高濃度不純物拡散領域105Bを有するドレイン領域105が形成される。同様に、前記ゲート電極107の外側には、低濃度不純物拡散領域104Aと、高濃度不純物拡散領域104Bを有するソース領域104が形成される。
Next, in the steps shown in FIGS. 15A and 15B, impurities (ions) having a conductivity type opposite to that of the
このようにして、図3(A)、(B)で説明した半導体装置100を製造することができる。
In this manner, the
また、ゲート電極に側壁絶縁膜を形成する場合には、以下の図16A〜図16Cに示す方法を用いてもよい。 In the case of forming a sidewall insulating film on the gate electrode, the following method shown in FIGS. 16A to 16C may be used.
図16A〜図16Cは、上記の製造方法において、図14に相当する工程の一例であり、ゲート電極107に側壁絶縁膜を形成する別の方法の例を示す図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
FIG. 16A to FIG. 16C are diagrams showing an example of a process corresponding to FIG. 14 in the above manufacturing method, and showing an example of another method of forming a sidewall insulating film on the
まず、図16Aに示す工程では、例えば、SiNよりなる絶縁膜121を、前記ゲート電極107を覆うように形成する。
First, in the step shown in FIG. 16A, for example, an insulating
次に、図16Bに示す工程では、前記絶縁膜121上に、該絶縁膜121と組成の異なる、例えばSiO2よりなる絶縁膜122を形成する。
Next, in a step shown in FIG. 16B, an insulating
次に、図16Cに示す工程では、例えばRIEなどにより、おもに前記絶縁膜122をエッチングし、前記絶縁膜122の一部を除去して側壁絶縁膜を形成する。この場合、前記ゲート電極107の上端には、前記絶縁膜121が残るようにエッチングすることが好ましい。また、前記絶縁膜121と前記絶縁膜122のエッチングの選択比が大きいと、前記ゲート電極107の上端に前記絶縁膜121を残すことが容易となり、好ましい。
Next, in the step shown in FIG. 16C, the insulating
図17は、実施例1に記載した半導体装置(MOSトランジスタ)を含む、CMOSインバータ回路を有する半導体装置300を示す平面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
FIG. 17 is a plan view showing a
図17を参照するに、本図に示す半導体装置300には、実施例1と同様の構造を有する半導体装置(PMOSトランジスタ)100と、当該半導体装置100と極性の異なる半導体装置200(NMOSトランジスタ)が隣接して形成されている。前記半導体装置200は、実施例1の半導体装置100と同様の構造であって極性(導電型)が異なっている。前記半導体装置200は、前記素子形成領域103に相当する素子形成領域203上に、前記ゲート電極107に相当するゲート電極207が形成されてなり、側壁絶縁膜208が形成されている。また、前記ゲート電極107と前記ゲート電極207とは、前記ゲート電極引き出し線109で接続された構造になっている。この場合、前記半導体装置200は、半導体装置100と同様の製造方法(図5〜図15)により、製造することが可能である。
Referring to FIG. 17, the
上記の半導体装置300では、前記ゲート引き出し線109に、入力ラインに接続される引き出し線aが接続されている。また、前記半導体装置100の前記ゲート電極107の内側のドレイン領域と、前記半導体装置200の前記ゲート電極207の内側のドレイン領域には、出力ラインに接続される共通の引き出し線bが接続されている。
In the
また、前記半導体装置100の前記ゲート電極107の外側のソース領域には、電源ラインに接続される引き出し線cが、前記半導体装置200の前記ゲート電極207の外側のソース領域には、接地ラインに接続される引き出し線dが、それぞれ接続されている。
In addition, in the source region outside the
このように、本発明による半導体装置は様々な極性のものを様々に組み合わせて構成することが可能である。 As described above, the semiconductor device according to the present invention can be configured by combining various polarities.
図18は、実施例1に記載した半導体装置(MOSトランジスタ)を含む、NAND回路を有する半導体装置400を示す平面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
FIG. 18 is a plan view showing a
図18を参照するに、本図に示す半導体装置400は、前記半導体装置(PMOSトランジスタ)100を2つと、前記半導体装置200(NMOSトランジスタ)2つとをそれぞれ有している。本実施例の場合、前記ゲート電極107と前記ゲート電極207とが前記ゲート電極引き出し線109で接続された構造が、2つ形成されている。
Referring to FIG. 18, a
上記の半導体装置400では、2つの前記ゲート引き出し線109に、それぞれ第1の入力ラインに接続される引き出し線e1と、第2の入力ラインに接続される引き出し線e2が接続されている。
In the
また、2つの前記半導体装置100の前記ゲート電極107の内側の領域と、1つの前記半導体装置200の前記ゲート電極207の領域には、出力ラインに接続される共通の引き出し線fが接続されている。
In addition, a common lead line f connected to an output line is connected to a region inside the
また、当該引き出し線fが接続されていない前記半導体装置200の前記ゲート電極207の内側の領域には、接地ラインに接続される引き出し線hが接続されている。また、前記半導体装置100の前記ゲート電極107の外側の領域には、電源ラインに接続される引き出し線gが接続されている。
A lead line h connected to a ground line is connected to a region inside the
また、図19は、上記の半導体装置400の変形例である半導体装置500の平面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
FIG. 19 is a plan view of a
図19を参照するに、前記半導体装置500では、前記ゲート電極107に相当するゲート電極107Aが、平面視した場合に楕円状の環状になっており、前記側壁絶縁膜108Aもこれに対応した形状になっている。また、前記ゲート電極207に相当するゲート電極207Aは、平面視した場合に前記ゲート電極107Aと異なる形状の楕円状の環状になっており、側壁絶縁膜208Aもこれに対応した形状となっている。
Referring to FIG. 19, in the
このように、ゲート電極は、実質的な真円に対応した環状に限らず、平面視した場合に楕円やその他の多角形など、様々な形状に形成することが可能である。このようなゲート電極を形成する場合、それぞれのゲート電極に対応した形状のダミーピラーを用いればよい。 Thus, the gate electrode is not limited to an annular shape corresponding to a substantially perfect circle, and can be formed in various shapes such as an ellipse and other polygons when viewed in plan. When such a gate electrode is formed, a dummy pillar having a shape corresponding to each gate electrode may be used.
また、半導体装置を用いた回路は上記に限定されず、様々な構成とすることが可能であることは明らかである。例えば、MOSトランジスタ(ゲート電極)の個数やその接続の形態、または配置などは様々に変更することが可能である。 Further, a circuit using a semiconductor device is not limited to the above, and it is apparent that various structures can be employed. For example, the number of MOS transistors (gate electrodes), their connection form, or arrangement can be variously changed.
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
(付記1)
半導体基板の第1の導電型の素子形成領域と、
前記素子形成領域上のゲート絶縁膜上に形成された環状のゲート電極と、
前記素子形成領域の前記ゲート電極の内側に形成された第2の導電型の第1の領域と、
前記素子形成領域の前記ゲート電極の外側に形成された第2の導電型の第2の領域と、
前記ゲート電極と一体的に形成されたゲート引き出し配線と、を有し、
前記ゲート電極の環状の部分の厚さが前記ゲート引き出し配線の幅より小さいことを特徴とする半導体装置。
(付記2)
前記ゲート電極の環状の部分の厚さは、フォトリソグラフィ法でのパターニングの下限の厚さ未満であることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記3)
前記素子形成領域の前記第2の領域の近傍には、閾値電圧を制御するための第1の導電型のポケット領域が形成されていることを特徴とする付記1または2記載の半導体装置。
(付記4)
前記第1の領域はドレイン領域であり、前記第2の領域がソース領域であることを特徴とする付記2記載の半導体装置。
(付記5)
前記半導体基板には、素子分離絶縁溝で前記素子形成領域と分離される別の素子形成領域が形成され、
前記別の素子分離形成領域の別のゲート絶縁膜上には、環状の別のゲート電極が形成され、
前記ゲート電極と前記別のゲート電極が、前記ゲート引き出し線で接続されていることを特徴とする付記1乃至4のうち、いずれか1項記載の半導体装置。
(付記6)
半導体基板の第1の導電型の素子形成領域のゲート絶縁膜上に、ダミーピラーを形成するピラー形成工程と、
前記ダミーピラーを覆うように導電層を形成する導電層形成工程と、
前記導電層をエッチングして、前記ダミーピラーの周囲に環状のゲート電極を形成する電極形成工程と、
前記ダミーピラーをエッチングにより除去するピラー除去工程と、
前記素子形成領域の、前記ゲート電極の内側と外側にそれぞれ第2の導電型の不純物拡散領域を形成する不純物拡散工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記7)
前記導電層形成工程の後で、該導電層のエッチングのマスクとなるレジストパターンを形成するマスク形成工程をさらに有し、
前記エッチング工程では、前記レジストパターンに対応して前記ゲート電極に接続されるゲート引き出し線が形成されることを特徴とする付記6記載の半導体装置の製造方法。
(付記8)
前記導電層形成工程の後で、前記導電層上に該導電層を平坦化するための平坦化層を形成する工程をさらに有し、前記レジストパターンは当該平坦化層上に形成されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記9)
前記ゲート電極の外側から前記素子形成領域に対して斜めにイオンを注入することで、閾値電圧を制御するための第1の導電型のポケット領域を形成する工程をさらに有することを特徴とする付記6乃至8のうち、いずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記ゲート電極の側壁と上端に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程をさらに有し、
前記絶縁膜形成工程は、
前記ゲート電極に第1の絶縁膜を形成する工程と、
当該第1の絶縁膜上に該第1の絶縁膜と組成の異なる第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜をエッチングする工程と、を含むことを特徴とする付記6乃至9のうち、いずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記第1の絶縁膜はシリコン窒化膜よりなり、前記第2の絶縁膜はシリコン酸化膜よりなることを特徴とする付記10記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
前記導電層はポリシリコンよりなり、当該ポリシリコンをシリサイド化する工程を含むことを特徴とする付記6乃至11のうち、いずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記素子形成領域および前記ゲート電極は複数形成され、
複数の前記ゲート電極が前記ゲート引き出し線により接続されることを特徴とする付記7乃至12のうち、いずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and various modifications and changes can be made within the scope described in the claims.
(Appendix 1)
An element formation region of a first conductivity type of a semiconductor substrate;
An annular gate electrode formed on the gate insulating film on the element formation region;
A first region of a second conductivity type formed inside the gate electrode of the element formation region;
A second region of the second conductivity type formed outside the gate electrode in the element formation region;
A gate lead wiring formed integrally with the gate electrode,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the annular portion of the gate electrode is smaller than a width of the gate lead-out wiring.
(Appendix 2)
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the annular portion of the gate electrode is less than a lower limit thickness of patterning by a photolithography method.
(Appendix 3)
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a pocket region of a first conductivity type for controlling a threshold voltage is formed in the vicinity of the second region of the element formation region.
(Appendix 4)
The semiconductor device according to claim 2, wherein the first region is a drain region, and the second region is a source region.
(Appendix 5)
In the semiconductor substrate, another element formation region that is separated from the element formation region by an element isolation insulating groove is formed,
On the other gate insulating film in the other element isolation formation region, another annular gate electrode is formed,
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode and the another gate electrode are connected by the gate lead-out line. 6.
(Appendix 6)
A pillar forming step of forming a dummy pillar on the gate insulating film in the first conductivity type element forming region of the semiconductor substrate;
A conductive layer forming step of forming a conductive layer so as to cover the dummy pillar;
Etching the conductive layer to form an annular gate electrode around the dummy pillar; and
A pillar removing step of removing the dummy pillar by etching;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming an impurity diffusion region of a second conductivity type inside and outside the gate electrode of the element formation region.
(Appendix 7)
After the conductive layer forming step, the method further includes a mask forming step of forming a resist pattern that serves as an etching mask for the conductive layer,
7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein in the etching step, a gate lead line connected to the gate electrode is formed corresponding to the resist pattern.
(Appendix 8)
After the conductive layer forming step, the method further includes a step of forming a planarization layer for planarizing the conductive layer on the conductive layer, and the resist pattern is formed on the planarization layer. Item 8. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 7, which is characterized by the following.
(Appendix 9)
The method further includes the step of forming a pocket region of the first conductivity type for controlling the threshold voltage by implanting ions obliquely from the outside of the gate electrode to the element formation region. The manufacturing method of the semiconductor device of any one of 6 thru | or 8.
(Appendix 10)
An insulating film forming step of forming an insulating film on the side wall and the upper end of the gate electrode;
The insulating film forming step includes
Forming a first insulating film on the gate electrode;
Forming a second insulating film having a composition different from that of the first insulating film on the first insulating film;
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 6 to 9, further comprising: etching the second insulating film.
(Appendix 11)
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 10, wherein the first insulating film is made of a silicon nitride film, and the second insulating film is made of a silicon oxide film.
(Appendix 12)
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 6 to 11, wherein the conductive layer is made of polysilicon and includes a step of siliciding the polysilicon.
(Appendix 13)
A plurality of the element formation region and the gate electrode are formed,
13. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 7 to 12, wherein a plurality of the gate electrodes are connected by the gate lead line.
本発明によれば、微細化に対応可能であって、かつリーク電流が抑制された半導体装置と、微細化に対応可能であって、かつリーク電流が抑制された半導体装置を製造する製造方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, there are provided a semiconductor device that can cope with miniaturization and suppresses a leakage current, and a manufacturing method for manufacturing a semiconductor device that can cope with miniaturization and suppresses a leakage current. It becomes possible to provide.
100,200,300,400,500 半導体装置
101 半導体基板
102 素子分離絶縁溝
103,203 素子形成領域
104 ソース領域
104A 低濃度不純物拡散領域
104B 高濃度不純物拡散領域
105 ドレイン領域
105A 低濃度不純物拡散領域
105B 高濃度不純物拡散領域
106 ゲート絶縁膜
107,107A,207,207A ゲート電極
108,108A,208,208A 側壁絶縁膜
109 ゲート引き出し線
110 ダミーピラー
111 導電層
112 平坦化層
113 レジストパターン
120 ポケット領域
121,122 絶縁膜
100, 200, 300, 400, 500
Claims (5)
前記素子形成領域上のゲート絶縁膜上に形成された環状のゲート電極と、
前記素子形成領域の前記ゲート電極の内側に形成された第2の導電型の第1の領域と、
前記素子形成領域の前記ゲート電極の外側に形成された第2の導電型の第2の領域と、
前記ゲート電極と一体的に形成されたゲート引き出し配線と、を有し、
前記ゲート電極の環状の部分の厚さが前記ゲート引き出し配線の幅より小さいことを特徴とする半導体装置。 An element formation region of a first conductivity type of a semiconductor substrate;
An annular gate electrode formed on the gate insulating film on the element formation region;
A first region of a second conductivity type formed inside the gate electrode of the element formation region;
A second region of the second conductivity type formed outside the gate electrode in the element formation region;
A gate lead wiring formed integrally with the gate electrode,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the annular portion of the gate electrode is smaller than a width of the gate lead-out wiring.
前記別の素子分離形成領域の別のゲート絶縁膜上には、環状の別のゲート電極が形成され、
前記ゲート電極と前記別のゲート電極が、前記ゲート引き出し線で接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 In the semiconductor substrate, another element formation region that is separated from the element formation region by an element isolation insulating groove is formed,
On the other gate insulating film in the other element isolation formation region, another annular gate electrode is formed,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode and the another gate electrode are connected by the gate lead-out line.
前記ダミーピラーを覆うように導電層を形成する導電層形成工程と、
前記導電層をエッチングして、前記ダミーピラーの周囲に環状のゲート電極を形成する電極形成工程と、
前記ダミーピラーをエッチングにより除去するピラー除去工程と、
前記素子形成領域の、前記ゲート電極の内側と外側にそれぞれ第2の導電型の不純物拡散領域を形成する不純物拡散工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A pillar forming step of forming a dummy pillar on the gate insulating film in the first conductivity type element forming region of the semiconductor substrate;
A conductive layer forming step of forming a conductive layer so as to cover the dummy pillar;
Etching the conductive layer to form an annular gate electrode around the dummy pillar; and
A pillar removing step of removing the dummy pillar by etching;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming an impurity diffusion region of a second conductivity type inside and outside the gate electrode of the element formation region.
前記エッチング工程では、前記レジストパターンに対応して前記ゲート電極に接続されるゲート引き出し線が形成されることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。 After the conductive layer forming step, the method further includes a mask forming step of forming a resist pattern that serves as an etching mask for the conductive layer,
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein in the etching step, a gate lead line connected to the gate electrode is formed corresponding to the resist pattern.
複数の前記ゲート電極が前記ゲート引き出し線により接続されることを特徴とする請求項3または4記載の半導体装置の製造方法。 A plurality of the element formation region and the gate electrode are formed,
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the plurality of gate electrodes are connected by the gate lead lines.
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