JP2008103689A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板1に設けられてなる溝21と、ゲート絶縁膜22を介して溝21に形成されたゲート電極25と、溝21の近傍に形成された拡散層26とが少なくとも備えられ、溝21が、半導体基板1の一面上に位置する開口部21aと、断面輪郭線が略円弧状である凹曲面部21cと、凹曲面部21cと開口部21aとを連結する連結曲面部21dとから構成され、連結曲面部21dと凹曲面部21cとの間に稜線部が介在することなく両曲面部21c、21dが連続した曲面で一体化されてなるトレンチゲートトランジスタTrを採用する。
【選択図】図14
Description
非特許文献1に記載された半導体装置によれば、ゲート電極が埋め込まれる溝の下部を、断面が円形となるように加工することで、実効的なチャネル長を通常の溝埋めこみ型トランジスタよりも長くできる。よって、トランジスタの微細化を進めても所望の閾値電圧を得ることが可能になる。更に、溝底が曲部を有していることから、その部分でゲート電極から受ける電界を大きくでき、サブスレッショルド係数を小さくすることが可能になり、トランジスタのON電流が大きくなるという利点がある。
本発明の半導体装置は、半導体基板に設けられてなる溝と、ゲート絶縁膜を介して前記溝に形成されたゲート電極と、前記溝の近傍に形成された拡散層とが少なくとも備えられ、前記溝が、前記半導体基板の一面上に位置する開口部と、断面輪郭線が略円弧状である凹曲面部と、前記凹曲面部と前記開口部とを連結する連結曲面部とから構成され、前記連結曲面部と前記凹曲面部との間に稜線部が介在することなく両曲面部が連続した曲面で一体化されてなるトレンチゲートトランジスタを具備してなることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置においては、前記連結曲面部の開口幅が前記溝の最狭幅とされていることが好ましい。
また、本発明の半導体装置においては、前記開口部から前記底部に至る面には稜線部が介在されていないことが好ましい。
また、本発明の半導体装置の製造方法においては、前記犠牲酸化処理を、有機ハロゲン化ガスを含む雰囲気中で行うことが好ましい。
また、本発明の半導体装置の製造方法においては、前記第1凹部に形成する酸化膜を熱酸化法によって形成することが好ましい。
すなわち、上記の半導体装置によれば、溝を構成する連結曲面部と凹曲面部との間に稜線部が介在することなく両曲面部が連続した曲面で一体化されているので、この溝にゲート酸化膜を形成した場合でも、ゲート絶縁膜に鋭角に突出した形状が形成されることがない。これにより、ゲート絶縁膜に電界が集中してリークが増加するおそれがなく、ゲート絶縁膜の信頼性を高めることができる。
また、上記の半導体装置によれば、連結曲面部の開口幅が前記溝の最狭幅とされているので、溝が開口部側で窄まった形状になり、これによりチャネル長をより長くすることができ、半導体装置の配線の微細化が進んだ場合でも、所望の閾値電圧Vthを得ることが可能になる。
また、溝の開口部側の幅が溝の底部側の幅に対して狭幅とされているので、溝が開口部側で窄まった形状になり、これによりチャネル長をより長くすることができ、半導体装置の配線の微細化が進んだ場合でも、所望の閾値電圧Vthを得ることが可能になる。
更に、開口部から底部に至る面に稜線部が介在されていないので、ゲート絶縁膜に鋭角に突出した形状が形成されず、ゲート絶縁膜に電界が集中してリークが増加するおそれがなく、ゲート絶縁膜の信頼性を更に高めることができる。
また、犠牲酸化処理を、有機ハロゲン化ガスを含む雰囲気中で行うので、形成される溝の内面のほぼ全面がなめらかな曲面となり、これにより、ゲート絶縁膜に鋭角に突出した形状が形成されず、ゲート絶縁膜の信頼性を更に高めることができる。
更に、第1凹部に形成する酸化膜を熱酸化法によって形成することで、酸化膜の形成領域が第1凹部の外側に広がるため、第2凹部を形成する際に酸化膜がエッチングされつつも第1凹部に残るので、犠牲酸化処理の直前まで第1凹部の形状を保つことができ、これにより、開口部側の幅が窄まった形状の溝を形成することができ、チャネル長が充分に確保された半導体装置を製造できる。
図1〜図14に、本実施形態の半導体装置を製造方法を説明するための工程図を示す。
本実施形態の半導体装置の製造方法は、半導体基板に溝を形成する工程(溝形成工程)と、溝の内部にゲート絶縁膜を形成するとともに溝にゲート電極を形成する工程(ゲート電極形成工程)と、溝の近傍に拡散層を形成する工程(拡散層形成工程)とから概略構成されている。以下、各工程について順次説明する。
溝形成工程は更に、第1凹部形成工程、側面酸化膜形成工程、第2凹部形成工程、水素アニール工程、犠牲酸化及び酸化膜除去工程とから構成されている。
(第1凹部形成工程)
第1凹部形成工程を行うにあたり、まず図1及び図2に示すように、半導体基板1上に、STI(Shallow Trench Isolation)法により深さが200〜350nm程度の素子分離領域2を形成する。素子分離領域2は、凹部に素子分離用のシリコン酸化膜2aを形成することによって構成される。この素子分離領域2の形成によって、半導体基板1上に島状の活性領域3が形成される。
更に、シリコン酸化膜4を通してボロンが注入されて、p型ウェル層5の上にチャネルドープ層6が形成される。この時のボロン注入の条件としては、30keVで2×1012cm−2という条件が例示される。
更に図2に示すように、シリコン酸化膜4を覆うように、厚みが100〜200nm程度のシリコン窒化膜7を例えばCVD法により積層する。
側面酸化膜形成工程では、第1凹部11の内面に酸化膜12を形成してから、第1凹部11の底面11aに位置する酸化膜12を除去することで、第1凹部11の側面に酸化膜12の一部を残存させ、これにより側面酸化膜13を形成する。
すなわち、図5及び図6に示すように、シリコン窒化膜7及びシリコン酸化膜4を残した状態で熱酸化を行うことにより、第1凹部11の内面に厚みが6〜8nm程度のシリコン熱酸化膜12(酸化膜)を選択的に形成する。シリコン熱酸化膜12は、熱酸化処理によって形成されるため、シリコン熱酸化膜12のうちの厚みにして40〜50%程度の部分が、熱酸化処理前の第1凹部11の内面よりも外側に形成される。このため、外側に広がった厚みにして40〜50%程度の部分が、開口部8に対して隠れる位置に形成されることになる。
第2凹部形成工程では、図8に示すように、第1凹部11の側面に残存した側面酸化膜13をマスクにして、第1凹部11の底面11aをエッチングすることにより、第1凹部11に連通する第2凹部14を形成する。エッチング手段としては、異方性エッチングと等方性エッチングとを同時に行うことが望ましい。異方性エッチングによって、図8(a)に示すように第2凹部14の深さ方向に深く掘り下げられる。また、等方性エッチングによって、図8(a)に示すように第2凹部14で最大となる幅が第1凹部11の幅よりも広げられる。
尚、第1凹部11は側面酸化膜13がマスクとして機能するので、第1凹部11は殆どエッチングされることがない。
続いて、ウエットエッチングによって自然酸化膜を除去してから、水素アニール処理を行う。水素アニールによって、図9に示すように第2凹部14の断面輪郭線が略円弧状になり、第2凹部14の断面形状が略円形になる。水素アニールの条件としては、850℃、60〜180秒という条件が例示される。このように、チャネルドープ層6のシリコンが露出した状態の第2凹部14に対して水素アニール処理を行うと、シリコンが表面エネルギーを最小にする方向ヘマイグレートし、これにより第2凹部14の断面形状が自然と略円形になる。
次に、犠牲酸化処理により、第1、第2凹部14内に犠牲酸化膜を形成する。犠牲酸化処理は、例えば、850〜950℃の温度で、ジクロルエチレンなどの有機ハロゲン化ガスを含む酸化性雰囲気で行う条件を例示できる。
次に、熱燐酸により、シリコン窒化膜7を剥離し、続いてウエットエッチングにより、犠牲酸化膜、側面酸化膜13及びシリコン酸化膜4を除去する。
これにより、図10に示すような溝21が形成される。
このような溝21の特異的な内面形状は、第1、第2凹部11、14の形成と、水素アニールによる第2凹部14の略円形化と、その後の犠牲酸化処理を一貫して行うことによって得られるものである。
次に図11に示すように、熱酸化を行ってゲート絶縁膜22を形成する。ゲート絶縁膜22は、半導体基板1上に、溝21に追従して形成される。ゲート絶縁膜22の厚みは10nm程度がよい。
更に図12に示すように、モノシラン(SiH4)を主たる原料ガスとするCVD(Chemical Vapor Deposition)法により多結晶シリコン膜23を形成する。多結晶シリコン膜23は、溝21を埋め込むように形成される。また、半導体基板1の表面にも多結晶シリコン膜23が形成される。このとき、溝21の底部21b側には、す(空間)が形成される場合があるが、溝21の内面において既にゲート絶縁膜22が形成され、そのゲート絶縁膜22の内側を覆う形で多結晶シリコン膜23が埋め込まれるので、特性に対して影響は与えない。
次に、半導体基板1にリン及び砒素を注入して、n型拡散層26を形成する。リンの注入条件としては、50keVで注入濃度が1×1014cm−2という条件が例示される。また、砒素注入の条件としては、20keVで注入濃度が1×1015cm−2という条件が例示される。また、これらの注入後には、活性化のために1000℃で10秒程度の熱処理が施される。
また、犠牲酸化処理を、有機ハロゲン化ガスを含む雰囲気中で行うので、形成される溝21の内面のほぼ全面が曲面となり、これにより、ゲート絶縁膜22に鋭角に突出した形状が形成されず、ゲート絶縁膜22の信頼性を更に高めることができる。
また、シリコン熱酸化膜12の形成領域が第1凹部11の外側に広がることで、側面酸化膜13の一部が開口部8よりも外側に位置するため、第2凹部14を形成する際に側面酸化膜13がエッチングされにくくなる。これにより、側面酸化膜13の形状保持性が向上する。このため、側面酸化膜13を最初から薄く形成することができる。これにより、配線の微細化を更に進めることができる。
図14及び図15に示すように、本実施形態のトレンチゲートトランジスタ(半導体装置)は、半導体基板1に設けられてなる溝21と、ゲート絶縁膜22を介して溝21に形成されたゲート電極25と、溝21の近傍に形成されたn型拡散層26とから概略構成されている。
n型拡散層26は、チャネルドープ層6よりも更に浅い部分で、且つ、一対の素子分離領域2に挟まれた部分に設けられている。
また、上記のトレンチゲートトランジスタTrによれば、連結曲面部21dの開口幅が溝21の最狭幅とされているので、溝21が開口部21a側で窄まった形状になり、これによりチャネル長をより長くすることができ、トレンチゲートトランジスタTrの配線の微細化が進んだ場合でも、所望の閾値電圧Vthを得ることが可能になる。
Claims (8)
- 半導体基板に設けられてなる溝と、ゲート絶縁膜を介して前記溝に形成されたゲート電極と、前記溝の近傍に形成された拡散層とが少なくとも備えられ、前記溝が、前記半導体基板の一面上に位置する開口部と、断面輪郭線が略円弧状である凹曲面部と、前記凹曲面部と前記開口部とを連結する連結曲面部とから構成され、前記連結曲面部と前記凹曲面部との間に稜線部が介在することなく両曲面部が連続した曲面で一体化されてなるトレンチゲートトランジスタを具備してなることを特徴とする半導体装置。
- 前記連結曲面部の開口幅が前記溝の最狭幅とされていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体基板に設けられてなる溝と、ゲート絶縁膜を介して前記溝に形成されたゲート電極と、前記溝の近傍に形成された拡散層とが少なくとも備えられ、前記溝の断面輪郭線が略U字状であるとともに前記溝の開口部側の幅が前記溝の底部側の幅に対して狭幅とされ、かつ前記開口部から前記底部に至る面が曲面で構成されてなるトレンチゲートトランジスタを具備してなることを特徴とする半導体装置。
- 前記開口部から前記底部に至る面には稜線部が介在されていないことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- 前記半導体装置が、前記トレンチゲートトランジスタをメモリセルのトランスファゲートトランジスタとして使用したダイナミックランダムアクセスメモリであることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の半導体装置。
- 半導体基板に溝を形成する工程と、前記溝の内部にゲート絶縁膜を形成するとともに前記溝にゲート電極を形成する工程とを少なくとも具備してなる、トレンチゲートトランジスタを備えた半導体装置の製造方法であり、
前記半導体基板に溝を形成する工程が、前記半導体基板に第1凹部を形成する工程と、
前記第1凹部の内面に酸化膜を形成してから前記第1凹部の底面にある前記酸化膜を除去する工程と、
第1凹部の側面に残存した前記酸化膜をマスクにして、前記第1凹部の底面をエッチングすることにより、前記第1凹部に連通する第2凹部を形成する工程と、
水素アニールにより前記第2凹部の断面輪郭線を略円弧状にする工程と、
犠牲酸化処理と酸化膜除去処理とを行う工程と、から構成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記犠牲酸化処理を、有機ハロゲン化ガスを含む雰囲気で行うことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1凹部に形成する酸化膜を熱酸化法によって形成することを特徴とする請求項6または請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
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