JP2008199027A - 3次元チャネル電界効果トランジスタを備えた集積回路およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】3次元チャネル構造トランジスタのゲート長とゲート幅を拡大した集積回路及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ソース領域161、ドレイン領域162、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間に配置されるチャネル領域163、ゲート電極165と、上記チャネル領域と上記ゲート電極との間に配置されるゲート誘電体164と、上記ゲート電極と上記ソース領域の少なくとも一部との間に配置される第1絶縁体構造物146と、上記ゲート電極と上記ドレイン領域の少なくとも一部との間に配置される第2絶縁体構造物147とを含み、上記ゲート電極の下端部は、上記ソース領域および上記ドレイン領域の少なくとも1つの領域の下端部よりも下に形成され、上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物の少なくとも1つは、上記ゲート誘電体よりも大きな層厚を有し、上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物は、互いに非対称である。
【選択図】図1B
【解決手段】ソース領域161、ドレイン領域162、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間に配置されるチャネル領域163、ゲート電極165と、上記チャネル領域と上記ゲート電極との間に配置されるゲート誘電体164と、上記ゲート電極と上記ソース領域の少なくとも一部との間に配置される第1絶縁体構造物146と、上記ゲート電極と上記ドレイン領域の少なくとも一部との間に配置される第2絶縁体構造物147とを含み、上記ゲート電極の下端部は、上記ソース領域および上記ドレイン領域の少なくとも1つの領域の下端部よりも下に形成され、上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物の少なくとも1つは、上記ゲート誘電体よりも大きな層厚を有し、上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物は、互いに非対称である。
【選択図】図1B
Description
[背景]
ダイナミック1トランジスタメモリセルは、データを記憶する記憶素子と、該記憶素子内に記憶されたデータにアクセスするアクセスデバイスとを含むことがある。上記記憶素子は、ストレージキャパシタ、磁気抵抗素子、相変化素子の強誘電性素子であってもよい。データは、上記ストレージキャパシタをチャージすること、または、ディスチャージすることによって記憶され得る。
ダイナミック1トランジスタメモリセルは、データを記憶する記憶素子と、該記憶素子内に記憶されたデータにアクセスするアクセスデバイスとを含むことがある。上記記憶素子は、ストレージキャパシタ、磁気抵抗素子、相変化素子の強誘電性素子であってもよい。データは、上記ストレージキャパシタをチャージすること、または、ディスチャージすることによって記憶され得る。
上記アクセスデバイスは、典型的には、電界効果トランジスタ(FET)である。このアクセストランジスタの能動領域は、シリコンウェハのような単結晶半導体基板内に形成される。上記能動領域は、ソース領域と定義する第1不純物領域、ドレイン領域と定義する第2不純物領域、および、この第1ソース領域とこの第2ドレイン領域との両方に接触しているチャネル領域を含む。上記第1不純物領域および上記第2不純物領域は、第1導電タイプを有する。上記チャネル領域は、上記第1導電タイプと逆の第2導電タイプを有する。
上記第1不純物領域は、ストレージキャパシタのストレージノード電極に接続されていることが可能である。上記第2不純物領域は、ビット線に接続されており、上記ビット線によってデータを、上記メモリセルに伝送したり、上記メモリセルから伝送したりする。
上記アクセストランジスタは、そのゲート電極に印加された電圧によって制御されており、該ゲート電極は、プレーナ型トランジスタデバイスの場合、上記基板のパターニング表面よりも上に配置され、それぞれのチャネル部分に隣接している。上記ゲート電極は、ゲート誘電体によって上記チャネル領域から絶縁されている。上記ゲート誘電体の電位が、隣接するチャネル部分内の電荷キャリア分布を、容量結合によって制御している。
複数の各メモリセルの上記アクセストランジスタのゲート電極同士は互いに接続されて、メモリセルアレイ内における複数の各メモリセルの行をアドレス指定するための接続線(ワード線)を形成している。
上記ゲート電極に閾値電圧よりも高い電圧を印加することによって、上記チャネル部分内に移動性の電荷キャリアの反転ゾーンが生じる。該反転ゾーンは、上記電荷キャリアがこれら2つの各不純物領域間のチャネル部分内に導電性チャネルを形成するゾーンである。上記導電性チャネルによって、上記キャパシタのストレージノード電極は、上記ビット線に接続される。上記ゲート電極に閾値電圧よりも低い電圧を印加することによって、上記ストレージノード電極を、上記ビット線から分離・遮断する。チャネル長が400ナノメートル未満の場合に、ショートチャンネル効果が生じる。
実効チャネル長が増強されて有する、リセスチャネルアレイトランジスタ(RCAT)、または3次元チャネル電界効果トランジスタでは、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間の半導体基板の中にエッチングにより形成されたゲートグルーブ内に配置された、ゲート電極が設けられている。
ゲート誘電体が、上記ゲートグルーブの各半導体側壁に沿って伸びており、上記ゲート電極と上記チャネル領域とを分離している。上記反転状態では、上記チャネルは、上記ソース領域から上記ゲートグルーブの第1側壁に沿って下に向かう第1垂直部分内において伸び、上記ゲートグルーブの下方でほぼ水平方向に横断し、その後、上記ゲートグルーブの第2側壁に沿って上記ドレイン領域に対し上に向かう第2垂直部分内において伸びている。RCATの実効チャネル長は、上記ゲートグルーブの深度、および、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間の平面方向(半導体基板の表面方向)の距離の関数である。
最大実装密度では、RCATの実効チャネル幅は、用いるリソグラフィック技術の最小加工サイズによって決定される。上記実効チャネル幅は、上記トランジスタの導電状態のオン抵抗値(Ron)に対応し、上記メモリセルのスイッチング特性を決定する。
コーナーゲートを備える拡張U型グルーブトランジスタデバイス(EUD)は、各コーナー部分を有するゲート電極を含み、該各コーナー部分は、上記チャネル領域の少なくとも一部を含む半導体薄板状部の端部の周りを部分的にそれぞれ取り囲んでいる。上記端部の近傍では、上記チャネル領域に、2つの異なる各方向から電界が作用して、結果的に、トランジスタ特性を改善している。
ゲート電極の各コーナー部分は、上記半導体薄板状部の垂直な各側壁のさらなる部分に沿って伸びていてもよい。この場合、上記反転状態では、上記チャネルが、上記ゲートグルーブの各側壁に沿って、および、上記半導体薄板状部の長手方向の各端部上における各側壁部分に沿っての双方にて形成されている。上記半導体薄板状部の各側壁に沿って伸びているチャネルの部分によって、チャネル幅が増大している。上記各コーナー部分と上記増大したチャネル幅とによって、EUDは、低いオン抵抗値Ronと高速スイッチング特性とを示すものとなっている。
さらに増強されたスイッチング特性を有する3次元チャネル電界効果トランジスタ、および、増強されたスイッチング特性を有する3次元チャネル電界効果トランジスタのシンプル且つ安定した製造方法が、求められている。
本明細書に記載されているように、電界効果トランジスタは、ソース領域、ドレイン領域、該ソース領域と該ドレイン領域とを分離するチャネル領域、および上記ソース領域と上記ドレイン領域との間に配置されたゲート電極を含む。上記電界効果トランジスタは、該ゲート電極の下端部が、該ソース領域および該ドレイン領域の少なくとも1つの領域の下端部よりも下に形成されており、さらに、上記チャネル領域と上記ゲート電極との間に配置されたゲート誘電体と、該ゲート電極と上記ソース領域の少なくとも一部との間に配置された第1絶縁体構造物と、該ゲート電極と上記ドレイン領域の少なくとも一部との間に配置された第2絶縁体構造物とを含み、これら各絶縁体構造物の少なくとも1つの構造物は、該ゲート誘電体よりも大きな層厚を有しており、上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物は、互いに対して非対称である。
本明細書に記載されているように、集積回路の製造方法は、電界効果トランジスタの第1部分と第2部分との間に予備構造物を設ける工程と、該予備構造物の一部分を除去して、該第1部分と該予備構造物の残りの部分との間にギャップを形成する工程と、該ギャップに、該第1部分内に形成された第1ソース/ドレイン領域とゲート電極とを分離する第1絶縁体構造物を設ける工程とを含み、該ゲート電極は、該第1部分と該第2部分との間に形成されており、該第2部分は、第2ソース/ドレイン領域を含む。
本明細書に記載する方法と装置の、上述且つさらなる、特徴および利点は、以下に記す具体的な実施形態の詳細な説明を、特に添付の図面と共に考慮することによって明らかとなろう。多数の各図面における同様の参照番号は、同様の構成部材を示すように用いられている。
[図面の簡単な説明]
図1A〜図1Cは、非対称の絶縁体構造物およびJ型チャネルを備える、3次元チャネル電界効果トランジスタの一実施形態を示す平面図および各断面図である。図2A〜図2Cは、コーナー部分およびJ型チャネルを備える、3次元チャネル電界効果トランジスタの他の一実施形態を示す平面図および各断面図である。
図1A〜図1Cは、非対称の絶縁体構造物およびJ型チャネルを備える、3次元チャネル電界効果トランジスタの一実施形態を示す平面図および各断面図である。図2A〜図2Cは、コーナー部分およびJ型チャネルを備える、3次元チャネル電界効果トランジスタの他の一実施形態を示す平面図および各断面図である。
図3A〜図3Cは、絶縁体構造物としてのバーズビーク構造物、および、J型チャネルを含む、3次元チャネル電界効果トランジスタのさらなる一実施形態を示す平面図および各断面図である。図4A〜図4Cは、非対称の絶縁体構造物、J型チャネル、および、深いコーナー部分を備える、3次元チャネル電界効果トランジスタのさらなる一実施形態を示す平面図および各断面図である。
図5A〜図5Cは、FinFETのような完全空乏型チャネル部分を備える、3次元チャネル電界効果トランジスタのさらなる一実施形態を示す平面図および各断面図である。図6A〜図6Cは、FinFETのような完全空乏型チャネル部分、および、短縮フィンを含む、3次元チャネル電界効果トランジスタの他の一実施形態を示す平面図および各断面図である。
図7は、トレンチキャパシタと、垂直チャネル部分および非対称の絶縁体構造物を備える電界効果トランジスタとを含む、ダイナミック半導体メモリセルの一実施形態を示す断面図である。図8は、スタックドキャパシタと、垂直チャネル部分および非対称の絶縁体構造物を備える電界効果トランジスタとを含む、ダイナミック半導体メモリセル対の一実施形態を示す断面図である。
図9A〜図9Rは、少なくとも1つの垂直チャネル部分と非対称の1つの絶縁体構造物とを備える電界効果トランジスタの典型的な製造方法を説明するためのプロセスの異なる段階における、集積回路の一部を示すそれぞれの各断面図である。図10A〜図10Qは、非対称の絶縁体構造物を備えるFinFETのようなトランジスタの典型的な製造方法を説明するためのプロセスの異なる段階における、半導体基板の一部分を示すそれぞれの各断面図である。
図11A〜図11Bは、高電圧アプリケーション用電界効果トランジスタ、一例を挙げると、少なくとも1つの垂直チャネル部分と非対称の1つの絶縁体構造物とを備える電界効果トランジスタの、典型的な製造方法を説明するためのプロセスの異なる段階における、集積回路の一部を示すそれぞれの各断面図である。
図12は、電界効果トランジスタを含む集積回路の一実施形態を概略的に示す図である。図13は、電界効果トランジスタを含む電気システムの一実施形態を概略的に示す図である。
図14A〜図14Hは、少なくとも1つの垂直チャネル部分と非対称の1つの絶縁体構造物とを備える電界効果トランジスタの、典型的な製造方法を説明するためのプロセスの異なる段階における、半導体基板の一部分を示すそれぞれの各断面図である。
図15は、電界効果トランジスタの典型的な製造方法を示す、簡略化したフローチャートである。図16は、電界効果トランジスタの典型的な製造方法を示すフローチャートである。
図17は、トレンチキャパシタと、本明細書に記載した方法を用いて形成された、垂直チャネル部分および非対称の絶縁体構造物を備える電界効果トランジスタとを含むダイナミック半導体メモリセルを示す断面図である。
[発明の詳細な説明]
本明細書に記載されている各実施形態は、3次元チャネル電界効果トランジスタ、メモリセル、集積回路、および、電気システムに関するものである。
本明細書に記載されている各実施形態は、3次元チャネル電界効果トランジスタ、メモリセル、集積回路、および、電気システムに関するものである。
本発明の一実施形態では、電界効果トランジスタは、ソース領域、ドレイン領域、および、チャネル領域を含み、該チャネル領域は、該ソース領域と該ドレイン領域とを分離している。
上記電界効果トランジスタは、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間に配置されたゲート電極をさらに含み、該ゲート電極の下端部は、このソース/ドレイン領域の少なくとも1つの領域の下端部よりも下に存在する。上記チャネル領域と上記ゲート電極との間には、ゲート誘電体が配置されている。
上記ゲート電極と上記ソース領域の少なくとも一部との間には、第1絶縁体構造物が配置されている。上記ゲート電極と上記ドレイン領域の少なくとも一部との間には、第2絶縁体構造物が配置されている。これら各絶縁体構造物の少なくとも1つの構造物は、上記ゲート誘電体よりも厚いか、または、より大きな層厚を有している。上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物は、互いに非対称であり、一例を挙げると、少なくとも1つの幾何学的寸法(外形寸法)において互いに異なり得るか、または、互いに異なる断面を有し得る。
電界効果トランジスタは、本明細書に記載された各実施形態に従って製造され、該電界効果トランジスタは、ソース領域、ドレイン領域、および、チャネル領域を含み、該チャネル領域は、該ソース領域と該ドレイン領域とを分離し、これら両方の領域に接触している。
上記電界効果トランジスタは、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間に配置されているゲート電極をさらに含み、該ゲート電極の下端部は、このソース/ドレイン領域のすくなくとも1つの領域の下端部よりも下に存在している。上記チャネル領域と上記ゲート電極とを、ゲート誘電体が分離している。
上記ゲート電極と上記ソース領域の少なくとも一部とを分離する、第1絶縁体構造物が設けられている。上記ゲート電極と上記ドレイン領域の少なくとも一部とを分離する、第2絶縁体構造物が設けられている。これら各絶縁体構造物の少なくとも1つの構造物は、上記ゲート誘電体よりも厚い。上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物は、互いに非対称であり、互いに異なっていてもよく、一例を挙げると、少なくとも1つの幾何学的寸法において互いに異なっていてもよい。
図1A〜図1Cは、J型チャネルを備えた3次元チャネル電界効果トランジスタ101を図示するものである。電界効果トランジスタ101は、ソース領域161およびドレイン領域162を含み、これらの各領域は、一例を挙げると、半導体基板100の低濃度にてp型ドープされた部分内に、n+型ドープされた不純物領域としてそれぞれ形成されている。
半導体基板100は、例えばシリコンウェハまたは絶縁体ウェハ上シリコンのような、単結晶シリコン基板であってもよい。半導体基板100は、例えば、ドープされた部分およびドープされていない部分、半導体ベースまたは絶縁体ベースによってサポートされたエピタキシャル半導体層、および、他の半導体および他の絶縁体構造物のような、予め製造された他の構造物を含んでもよい。
ソース領域161およびドレイン領域162は、基板100のパターニング表面110に隣接つまり面している。パターニング表面110の方向に対して直角方向である垂直方向では、ソース領域161が、パターニング表面110から、あるソース深度まで伸びている。ドレイン領域162は、パターニング表面110から、あるドレイン深度まで伸びている。
ソース領域161とドレイン領域162との間では、ゲート電極165が、パターニング表面110の下方に形成されており、該ゲート電極において、ソース領域161とドレイン領域162とが互いに向かい合っている。ゲート電極165は、例えば多結晶シリコン(ポリシリコン)のような導電体からなる。基板100内では、p型導電性チャネル領域163が形成されて、ドレイン領域162とソース領域161との両方に接触していてもよい。
ゲート電極165は、パターニング表面110とデバイス深度Ddとの間にて伸びている。本実施形態では、ゲート電極165の下端部が、ソース領域161の下端部よりも下、および、ドレイン領域162の下端部よりも下に形成されるように、デバイス深度Ddは、上記ソース深度と上記ドレイン深度との両方よりも深くなっている。
ソース領域161とゲート電極165との間には、第1絶縁体構造物146が形成されている。第1絶縁体構造物146は、第1幅W1を有し、上記パターニング表面と第1深度D1との間に伸びている。上記第1深度D1は、上記ソース深度に相当し得る。
ゲート電極165とドレイン領域162とは、第2絶縁体構造物147によって分離されている。第2絶縁体構造物147は、第2幅W2を有し、パターニング表面110と第2深度D2との間に伸びている。上記第2深度D2は、上記ドレイン深度にほぼ相当し得る。
ゲート電極165をチャネル領域163から分離しているゲート誘電体164が、第1絶縁体構造物146の下端部と第2絶縁体構造物147の下端部との間に伸びて形成されている。反転状態では、チャネル領域163内に、チャネル163aが形成され、ソース領域161とドレイン領域162とを接続している。
本実施形態によれば、チャネル163aは、ソース領域161の下端部よりも下の短い垂直部分、ゲート電極165の下方で横断しているU型部分、および、ドレイン領域162の下端部よりも下の長い垂直部分を含んでいる。
図1Bは、結果として生じたJ型チャネル163aを示す図である。ソース領域161、ドレイン領域162、および、チャネル領域163の一部分は、図1Aに示したように、半導体薄板状部120内に形成されていることが可能である。半導体薄板状部120は、半導体基板の長手方向に伸びた線状リッジ(峰)型の半導体部である。半導体薄板状部120の各長手方向側面は、本図面および以下の各図面に示されているように、互いに平行であり得る。半導体薄板状部120の平面方向(半導体基板の表面方向)の断面は、円形、楕円形、または、楔形であってもよい。
図1Cによれば、2つの各線状絶縁体構造物122a、122bは、半導体薄板状部120の各長手方向側面上において、互いに向かい合っている。各線状絶縁体構造物122a、122bは、例えばシリコン酸化物のような絶縁体材料からなり得る。他の実施形態によれば、各線状絶縁体構造物122a、122bは、ブロッキング半導体構造物、または、絶縁機能を有する複合構造物を含んでもよい。図1Bをさらに参照すると、各線状絶縁体構造物122a、122bは、パターニング表面110とデバイス深度Ddよりも深い薄板状部深度Diとの間に伸びていてもよい。
電界効果トランジスタ101は、断平面C−Cを基準にすると、非対称である。第1絶縁体構造物146および第2絶縁体構造物147は、それらの幾何学的寸法において互いに異なっている。厚い第1絶縁体構造物146によって、確実に、ゲート電極165とソース領域161とを、高度に容量結合を阻止することができる。
第2絶縁体構造物147を第1絶縁体構造物146よりも薄く設けることによって、ゲート電極165の残りの断面は、ゲート電極165への接続抵抗値が低減されるほどの大きさを維持する。
第1絶縁体構造物146の下端部、および、第2絶縁体構造物147の下端部を、異なる深度にそれぞれ設けることによって、同一のデバイス寸法の場合、全チャネル長を増大させることが可能である一方、電界強度が臨界になる側、つまり本実施形態の場合にはソース側の電界強度は、該ソース側に長い電位低減ゾーンを設けることによって、低減され得る。
本実施形態によれば、第1絶縁体構造物146、および、第2絶縁体構造物147は、2つの幾何学的寸法、つまり幅と深さにおいてそれぞれ異なっている。他の実施形態では、これら2つの絶縁体構造物は、1つの幾何学的寸法、つまり、幅または深さにおいて、異なっていてもよい。上記第1幅は、一例を挙げると、第2幅W2の2倍の長さであってもよい。第2深度D2は、一例を挙げると、第1深度D1の約3分の1の深さであってもよい。
図2A〜図2Cでは、別の典型的な電界効果トランジスタ102が示されている。これらの図では、第2絶縁体構造物147が、ゲート誘電体164から形成されている。さらに、図2Bに示すように、ゲート電極165は、半導体薄板状部120のコーナーの周りを取り囲むコーナー部分165bを含む。
ゲート電極165の各コーナー部分165bは、上記各長手方向側面上を、半導体薄板状部120の2つの各U型デバイス端部の上部側に沿って伸びている。半導体薄板状部120の上部表面上にて生じている、ゲート電極165の各コーナー部分165bでの各電界、および、ゲート電極165の主要部分の電界は、上記デバイスの各端部に沿って伸びている2つの各端部エリアにおいて、オーバーラップして互いに共存しており、その結果「コーナー効果」が生じている。
第2絶縁体構造物147をゲート誘電体164の一部として設けることによって、ゲート電極165の平断面の面積をさらに増大させることが可能であり、かつ、上記デバイスを形成するためのプロセスステップの数を、著しく低減させることが可能である。ゲート電極165の主要部分は、2つの各線状絶縁体構造物122a、122bの間にて伸びている。
図3A〜図3Cに示した電界効果トランジスタ103は、図2A〜図2Cの電界効果トランジスタ102とは、本実施形態がバーズビーク構造物147aを含む点において異なっている。このバーズビーク構造物147aは、ゲート誘電体164の上端部とパターニング表面110との間に、熱酸化法によって形成されている。
この楔形のバーズビーク構造物147aは、ゲート誘電体164に沿って生じる酸化プロセスによって形成してもよい。バーズビーク構造物147aは、パターニング表面110の方向に広がっており、これによって、ドレイン領域162の少なくとも一部とゲート電極165との容量結合を抑制するための簡便なプロセスが実現可能になる。
ソース領域161は、パターニング表面110に隣接する高濃度ドープされた上部分161a、および、この高濃度ドープされた上部分161aとチャネル領域163との間の低濃度ドープされた部分161bを含む。低濃度ドープされた部分161bの下端部は、第1絶縁体構造物146の下端部に自己整合して、形成されている。この自己整合して形成されることによって、均一なデバイス特性が生じる。高濃度ドープされた上部分161aの下端部は、第1絶縁体構造物146の下端部に対して、臨界にならない距離に、設けられていることが可能である。
図4A〜図4Cに示した電界効果トランジスタ104は、図2A〜図2Cの電界効果トランジスタ102とは、本実施形態がゲート電極165のより深い各コーナー部分165bを含む点において異なっている。上記より深い各コーナー部分165bでは、チャネル幅をさらに増大することが可能である。
このチャネル方向に対して垂直な断面を示す図4Bに示すように、チャネル163aの断面は、薄板状部120の上端部よりも下の水平な部分と、薄板状部120の各長手方向側面に沿った、上記2つの各端部エリアおよび上記2つの各垂直部分とを含んでいる。
さらに本実施形態によれば、ドレイン深度はソース深度と同一であることが可能であり、第1深度D1は第2深度D2と同一であることが可能であり、第1幅W1は第2幅W2の2倍の長さであってもよい。
図5A〜図5Cを参照すると、電界効果トランジスタ105は、図4A〜図4Cの電界効果トランジスタ104とは、半導体薄板状部120が薄くなっている点、および、半導体薄板状部120が薄い半導体フィン120aを形成している点において異なっている。薄い半導体フィン120aは、完全空乏化されることが可能である。フィン120aは、実質的に、ソース領域161の下端部よりも下の半導体薄板状部120の一部分から、ドレイン領域162よりも下の半導体薄板状部120の一部分まで伸びていてもよい。
図6A〜図6Cの実施形態では、電界効果トランジスタ106の薄いフィン120aは、ソース側において切欠き部が形成されている。第1絶縁体構造物146は、この短縮フィン120aとソース領域161との間に伸びており、該ソース領域は、デバイス深度Ddとほぼ同一の深度まで伸びていることが可能である。
図7は、トレンチキャパシタ295およびアクセストランジスタ296を含むダイナミックメモリセル299を、アクセストランジスタ296の長手方向の縦軸に沿った断面図に示す図である。アクセストランジスタ296は、図3A〜図3Cの電界効果トランジスタ103に相当するものであってもよい。
ソース領域261としての深いn型ドープ接合と、ドレイン領域262としての浅いn型ドープ接合と、p型ドープされたチャネル領域263とを含む能動領域が、平行な2つの各内張り構造絶縁体(図示していない)に隣接し得る半導体薄板状部内に形成されている。
上記平行な2つの各内張り構造絶縁体は、上記薄板状部において、上記長手方向の縦軸に対し垂直に伸びているピッチ軸に沿って、互いに向かい合っている。ソース領域261およびドレイン領域262は、ゲート電極265において、互いに向かい合っている。ゲート電極265の下端部は、ドレイン領域262の下端部よりも深くなっていることが可能である。
アクセストランジスタ296の反転状態において形成されるチャネル263aは、J型であることが可能であり、ソース領域261の下端部とドレイン領域262の下端部との間、および、ゲート電極265の下端部における真下の各部分に伸びている。
ゲート電極265とソース領域261の高濃度ドープされた部分261bとは、厚い第1絶縁体構造物246によって分離されている。ゲート電極265は、ゲート誘電体264によって、チャネル領域263から分離されている。ゲート誘電体264のさらなる一部分は、ゲート電極265とドレイン領域262とを分離する第2絶縁体構造物247を形成することが可能である。
ゲート電極265の一部分は、基板200のパターニング表面110の上に突き出ている。この突出部の垂直な側壁は、第1スペーサ271によって覆われている。線状の各ワード線294a、294bは、それぞれ、上記各突起部上に載置された導電性層273と上記導電性層273を覆う誘電性キャップ層274とを含む。線状の各ワード線294a、294bは、それぞれ、上記ピッチ軸に沿って伸びており、該ピッチ軸に沿った行に配置されている複数の各ゲート電極265に接続されている。線状の各ワード線294a、294bの垂直な各側壁は、それぞれ第2スペーサ275によって覆われている。
トレンチキャパシタ295は、導電性材料を含むノード電極295b、対向電極295d、薄いキャパシタ誘電体295c、および厚い絶縁体カラー部295aを含む。該導電性材料は、例えば、高濃度ドープされたポリシリコン、金属または導電性金属化合物である。対向電極295dは、半導体基板200内に高濃度ドープされた埋め込みプレートとして形成されていてもよい。薄いキャパシタ誘電体295cは、ノード電極295bと対向電極295dとを分離するものである。厚い絶縁体カラー部295aは、隣り合う上記各アクセストランジスタからノード電極295bを絶縁するものである。
本実施形態では、ノード電極295bは、ノード電極295bの上端部およびソース領域261の上端部上の双方にまたがって載置されている導電性の表面ストラップ293を介して、ソース領域261に接続されている。この表面ストラップ293を覆って、他の部材と隔離するための絶縁体292が設けられている。
さらなる実施形態では(図示していない)、絶縁体カラー部295aは、ノード電極295bと隣接するソース領域261とを直接接続する上記表面ストラップが、ノード電極295bの上端部およびソース領域261の上端部と面一となるように埋め込まれるために、非対称に凹状に窪んでいてもよい。
各ワード線294a、294b間のスペースを充填している中間層誘電体291を貫通している各コンタクト構造物281a、281bが、各ドレイン部分262、262bにアクセス(当接)して、各ドレイン部分262、262bを、対応するビット線(図示していない)に接続している。
トレンチキャパシタタイプのメモリセルでは、上記アクセストランジスタが上述のように形成される基板内において、ストレージキャパシタが埋め込まれている。さらなる実施形態において参照される、スタックドキャパシタタイプのメモリセルでは、上記キャパシタは、上記アクセストランジスタの上方に配置され得る。
複数のメモリセル299は、上記長手方向の縦軸に沿って伸びる各列と上記ピッチ軸に沿って伸びる各行とを含むマトリクス状に配置されてもよい。このマトリクスは、ストレージキャパシタ295およびアクセストランジスタ296が、上記各軸の両方に沿って交互に配置される市松模様として形成されていてもよい。あるいは2つ毎の各メモリセルのドレイン領域262は、融合されていてもよく、この場合、この2つの対応する各メモリセルは、一つの共通のドレイン領域において、鏡面反転して互いに向かい合っている。アクセストランジスタ296の各対、および、ストレージキャパシタの各対は、各軸の両方に沿って交互に配置されている。
図8は、スタックキャパシタ395およびアクセストランジスタ396をそれぞれ含む、2つの各ダイナミックメモリセル399a、399bを、アクセストランジスタ396の長手方向の縦軸に沿った断面図にて示す図である。各アクセストランジスタ396のそれぞれは、図7のアクセストランジスタ296に相当したものであってもよい。
本実施形態では、上記各アクセストランジスタ396は、共通ドレイン領域362a、362bを共有し、アクセストランジスタ396は、共通ドレイン領域362a、362bを中心にして、パターニング表面310に対して垂直且つ上記ピッチ軸に沿って伸びている鏡面に対して、鏡面反転した状態に互いに配置されている。
アクセストランジスタ396の説明は、図7のアクセストランジスタ296(参照番号は、それぞれ100増加している)の説明に相当し得る。共通ドレイン領域362a、362bは、共有されているコンタクト構造物381によって、ワード線394a、394bの上方を上記ピッチ軸に沿って伸びているビット線に接続されている。
さらに、各ソース領域361a、361bは、コンタクト構造物381bによって、さらなるコンタクトパッド構造物383a、383bを介して、スタックキャパシタ395のストレージ電極395bに接続されている。各スタックキャパシタ395は、スタックキャパシタ395bを覆うキャパシタ誘電体(図示していない)と、該キャパシタ誘電体を覆う対向電極(図示していない)とを含む。
図9A〜図9Rは、J型チャネルを備える非対称型電界効果トランジスタ製造方法に関し、該チャネルは、半導体基板400のパターニング表面410の方向に対して垂直な、少なくとも1つの垂直部を含む。垂直方向と水平方向の各チャネル部分を含むチャネルを備えた電界効果トランジスタは、一般的に、3次元チャネル(3Dチャネル)トランジスタデバイスと呼ばれる。図のそれぞれは、互いに直交する2つの各断面図を示しており、左断面は、それぞれ、対応する右断面図の切断線I−Iに沿った断面図であり、右断面は、それぞれ対応する左断面図の切断線II−IIに沿った断面図である。
上記電界効果トランジスタのこれら2つの各ソース/ドレイン領域の設計要件は、上記トランジスタの非対称の各アプリケーションにおいて、互いに異なり得る。電界効果トランジスタの非対称のアプリケーションの一例は、DRAMセルのアクセストランジスタである。上述のダイナミックメモリセルに関しては、上記メモリセルのキャパシタは、アクセストランジスタによって、チャージおよびディスチャージされる。
上記メモリセルの動作の形態によっては、ソース領域は「ドレイン」ともみなされ、ドレイン領域は「ソース」ともみなされ得るが、上記キャパシタのストレージ電極に接続されている上記ソース/ドレイン領域を、以下ではソース領域と呼び、上記ビット線に接続されている上記ソース/ドレイン領域を、以下ではドレイン領域と呼ぶ。上記「ソース」領域および上記「ドレイン」領域に関する要件は、より大きな臨界電界強度またはリーク電流問題、もしくは、上記ストレージノードに関するより大きな臨界容量結合のために、異なってもよい。
3次元チャネル電界効果トランジスタ製造方法は、半導体基板内にグルーブを形成する工程と、該グルーブの下部(底部)に充填材料を配置する工程とを含んでもよい。その後、上記充填材料の第1部分を覆い、第2部分を露出した状態に残したトップマスクを設ける。上記充填材料の第2部分を凹状に窪ませて、上記半導体基板と上記充填材料の第1部分との間にギャップを形成することが可能である。その後、上記ギャップ内に、第1絶縁体構造物を設けることが可能である。
図9Aを参照すると、基板400が設けられている。基板400は、例えば、単結晶シリコン部を含むシリコンウェハであり、該単結晶シリコン部は、基板400のパターニング表面410に方向付けられた上部の少なくとも一部内において、低濃度p型ドープされていてもよい。
パターニング表面410に隣接する、少なくとも2つの平行な各内張り構造絶縁体422a、422bを、基板400内に形成することが可能である。各内張り構造絶縁体422a、422bは、シリコン酸化物構造物であり得る。
各内張り構造絶縁体422a、422bは、基板400の中にエッチングされたトレンチを充填した結果生じるので、各内張り構造絶縁体422a、422bについては、深度が次第に増大するに伴い幅が順次広がるテーパ状になっていてもよい。
隣り合う2つの平行な各内張り構造絶縁体422a、422bは、これらの中間に存在し隣接している半導体薄板状部420において、互いに向かい合っており、この半導体薄板状部420は、リソグラフィックによる周期的な各内張り構造の最小加工サイズに応じた幅を有することが可能である。
半導体薄板状部420は、断面I−Iに対して平行な上記長手方向の縦軸方向に沿って伸びている。一実施形態では、薄板状部420の幅は、70ナノメートル未満である。半導体薄板状部420内において、上記電界効果トランジスタの能動領域を、以下の方法によって形成することが可能である。
シリコン酸化物を含むか、または、シリコン酸化物からなっていてもよい保護下地膜430を、半導体薄板状部420によって形成される少なくとも各部分の基板400上に、熱酸化法または堆積法によって形成することが可能である。保護下地膜430は、約40ナノメートルまたはそれより少ない層厚を有してもよい。パターニング表面410上、または、保護下地膜430上には、エッチング停止下地膜431を堆積させてもよい。エッチング停止下地膜431は、シリコン窒化物を含むか、または、シリコン窒化物から成ることが可能であり、40ナノメートルまたはそれより少ない層厚を有し得る。
エッチング停止下地膜431上には、スペーサ層433を堆積させることが可能である。スペーサ層433の材料は、エッチングにより、半導体薄板状部420とエッチング停止下地膜431が除去されないが、選択的に除去され得るものであってもよい。スペーサ層433は、低圧化学気相成長(LPCVD)プロセスによって成長したシリコン酸化物層であることが可能であり、約40〜60ナノメートルの層厚を有し得る。スペーサ層433上に、スペーサ層433をパターニングするためのマスク層435を、堆積させることが可能である。
マスク層435の材料は、スペーサ層433がエッチングにより選択的に除去されるが、上記エッチングによっては除去されないものであり、かつ、基板400の半導体部分をパターニングしている過程において、マスク層435を除去できるように、選択されている。マスク層435は、多結晶シリコン(ポリシリコン)層であり得る。マスク層435上には、レジスト層437を設けることが可能である。
図9Bでは、レジスト層437を、フォトリソグラフィー技術によってパターニングする。露光後に、レジスト層437を現像することによって、最初に、レジスト層437内に開口部を形成し、その後、該開口部と同様な開口部を、マスク層435内にも形成し、さらにその後、マスク層435からスペーサ層433までにも形成する。スペーサ層433内に結果的に生じた開口部439の断面は、円形、または、上記各切断線に沿って異なる寸法を有する楕円形である。エッチング停止下地膜431、および、保護下地膜430を、エッチングして貫通させ、穴を開ける。反応性イオンビームエッチングプロセスを含み得る異方性エッチング法を用いて、開口部439と同様な開口部を、半導体薄板状部420の露出部分内にも形成する。
図9Bに示されるように、グルーブ440が、結果として半導体薄板状部420を生じさせる。グルーブ440は、第1内張り構造絶縁体422aから、その反対側の第2内張り構造絶縁体422bまでの上部側内において伸びて形成されている。
グルーブ440の下部では、半導体薄板状部420の残余物が、各内張り構造絶縁体422a、422bの向かい合っている各側壁上に残っている。パターニングされたレジスト層437、および、マスク層435の残余物を、スペーサ層433の表面から除去する。グルーブ440の断面は、開口部439と半導体薄板状部420とが重なり合っていることから生じている。上記グルーブの深度は、上記薄板状部の幅よりも大きくてもよく、例えば、上記薄板状部の幅の少なくとも5倍であってもよい。一実施形態では、上記グルーブの深度は、少なくとも100ナノメートルである。
図9Cでは、グルーブ440を、半導体薄板状部420の半導体材料に有効な、等方性エッチングによって拡張させることが可能である。このエッチングプロセスは、プラズマ励起エッチングプロセスであってもよい。図9Cは、拡張されたグルーブ440を示し、ここでは、上記エッチング工程中に、各内張り構造絶縁体422a、422bの各側壁から、半導体残余物を除去することが可能である。グルーブ440の底部は、円形になり、上記長手方向の縦軸および上記ピッチ軸に沿ったU型になる。
図9Dでは、各内張り構造絶縁体422a、422bの上記材料に有効な等方性エッチングをさらに行って、上記ピッチ軸に沿ってグルーブ440を拡張して絶縁体リセス441を形成する。グルーブ440のU型底部では、半導体薄板状部420の2つの端部が露出するように、半導体薄板状部420の外側壁が、絶縁体窪み442によって、局所的に露出されている。これら各端部は、グルーブ440の内側壁に沿って、および、上記長手方向の縦軸に沿って伸びている。他の実施形態では、各内張り構造絶縁体422a、422bの上記等方性エッチングは、省略してもよい。
図9Eでは、半導体薄板状部420の露出部分上に、ゲート誘電体464を設ける。ゲート誘電体464は、半導体薄板状部420の半導体材料を熱酸化させることによって、または、均一な誘電性下地膜を堆積させることによって、形成されることが可能であり、約3〜6ナノメートルの層厚を有し得る。ドープされた多結晶シリコン(ポリシリコン)のような充填材料451を、例えば化学気相成長法によって成長させる。充填材料451は、予備構造物を形成してもよい。上記予備構造物は、ゲート電極の第1部分であってもよく、該ゲート電極は、以下の方法によって完成されるか、または、後に、ゲート電極材料に置き換えられてもよい。
図9Eは、半導体薄板状部420を複数の各部分において覆っているゲート誘電体464を示し、該複数の各部分は、図9Dに示すグルーブ440によって露出された、薄板状部420の各部分に対応する。充填材料451の充填部分451aは、グルーブ440の主部分を充填している。コーナー部分451bは、充填材料451が、薄板状部420のそれぞれ異なる側の両端部に隣接するように、絶縁体窪み442を充填することが可能である。
スペーサ層433は、過度に充填された部分451cによって覆われている。充填部分451aおよびコーナー部分451bは、上記電界効果トランジスタのゲート電極を形成することが可能である。充填材料451は、例えば高濃度ドープされたポリシリコンのような導電性材料であり得る。
図9Fでは、過度に充填された部分451cを除去して、充填部分451aの上端部をスペーサ層433の上端部から引っ込めて、充填材料451を凹状に窪ませることが可能である。このリセス部(凹部)は、スペーサ層433の上端部と残余した充填部分451aの上端部との間の距離が所定の距離になるように、制御される。その後、充填部分451aの上部に、トップマスク下地膜456を形成する。トップマスク下地膜456の材料は、ドープされた部分のエッチング抵抗性が、ドープされていない部分のエッチング抵抗性と異なるように、選択されることが可能である。
一実施形態によれば、上記トップマスク材料のエッチング特性は、好適なイオンを注入することによって変化する。トップマスク下地膜456は、シリコンを含み得る。他の実施形態に従って、上記トップマスク材料の構造物は、スパッタリングのような好適な注入プロセスによってダメージを受けることがあり、そのエッチング感受性を増大させる。上記トップマスク材料は、薄シリコン窒化物下地膜であってもよい。このトップマスク下地膜456を、充填部分451aの露出された表面上に、堆積させるか、または、熱酸化法によって成長させてもよく、トップマスク下地膜456は、10ナノメートルまたはそれ未満の層厚を有し得る。
図9Fは、凹状に窪んだ充填部分451aの上端部を覆っているトップマスク下地膜456を示す図である。トップマスク下地膜456は、注入軸を有する斜めの注入454にさらされる。上記注入軸は、上記ピッチ軸に沿い、且つ、パターニング表面410に対して垂直に伸びているピッチ面の方に傾斜している。このイオンビームの届かない範囲にあるトップマスク下地膜456の一部分は、該注入に対してシールド(保護)される。
図9Gに詳細に示すように、スペーサ層433の上端部によってシールドされたトップマスク下地膜456の第1部分456aは、ドープされない状態、または、ダメージを受けない状態で残る。上記イオンビームにさらされた、トップマスク下地膜456の第2部分456bは、ドープされるか、ダメージを受けるか、または、除去される。この注入は、トップマスク下地膜456に対しダメージを与えるために十分なエネルギーを有するハロゲン注入であってもよい。第1部分456aの長さは、上記深さ所定の距離および上記注入軸の傾斜によって、調節可能である。
図9Hでは、第1部分456aを、第2部分456bが除去されずに、または、第2部分456bに対して、選択的に除去することが可能である。第2部分456bは、充填材料451の第1部を覆うトップマスクを形成し、露出された第2部の充填材料451に効果的に機能する以下の異方性エッチングプロセスにおいては、エッチングマスクとして機能する。上記異方性エッチングプロセスは、反応性イオンビームエッチングプロセスであってもよい。
さらなる実施形態によれば、第2部分456bを、第1部分456aが除去されずに、または、第1部分456aに対して、選択的に除去してもよい。その後、凹状に窪んだ充填部分451aの露出部分に、シリコン酸化物マスクを成長させることが可能である。さらにその後、第1部分456aを除去して、上記シリコン酸化物マスクを上記トップマスクとして用いることによって、上記凹状に窪んだ充填部分をエッチングすることが可能である。
図9Hに示したように、以前の第1部分456aの下方に、ギャップ444を形成する。ギャップ444は、充填材料451の第1部と、半導体薄板状部420とを分離して、グルーブ440の内部表面の一部に沿って伸びている。トップマスク下地膜456の第2部分456b、または、上記シリコン酸化物マスクは、充填材料451の第1部をシールド(遮蔽)している。
図9Iでは、ギャップ444を介してアクセス可能である薄板状部420の一部分において、電界効果トランジスタのソース領域の第1部分461aを形成することが可能である。第1部分461aは、気相から外拡散によって形成され得る。第1部分461aの下端部は、ギャップ444の下端部に揃っている。上記ソース領域と上記ゲート電極との間には、容量結合が実現され、上記チャネルと上記ソース領域との間には、低い抵抗接続が実現され得る。第1部分461aは、上記ソース領域の低ドープされた部分であってもよい。
図9F〜図9Iに記載したプロセスを、上記グルーブの反対側において繰り返し行って、第2絶縁体構造物を形成することが可能である。この場合、別のギャップの幅および深度の少なくとも1つが、ギャップ444の幅および深度と異なっていてもよい。この方法によって、図1A〜図1Cに示した電界効果トランジスタを製造することが可能である。
図9Jでは、絶縁体材料445を堆積させることが可能であり、ここに示した実施形態によれば、この絶縁体材料445は、ギャップ444を、完全に、または、少なくとも部分的に充填する。図9Jは、ギャップ444を充填すると共に、スペーサ層433を覆っている絶縁体材料445と、残りのトップマスク下地膜456の第2部分456bとを示す図である。絶縁体材料445は、例えばスピンオングラスのようなギャップ充填特性を十分に有するプロセスによって堆積されたシリコン酸化物であり得る。凹状に窪んだ充填部分451a、および、充填材料451のコーナー部分451bは、上記電界効果トランジスタのゲート電極465を形成する。
他の一実施形態によれば、ギャップ444は、完全に充填されないが、むしろ、ギャップ444の上部に設けられ得る誘電性キャップ層によって覆われている。残りの空洞は、ゲート電極465と第1ソース部分461aとを分離する絶縁体構造物を形成している。上記空洞によって、ソース領域461とゲート電極465との間の結合容量の最小化が保証される。絶縁体構造物が狭いギャップ内に構成されるために、上記方法によって、最小結合容量を有する空洞として、絶縁体構造物446を形成することができるという可能性が生じる。
さらなる一実施形態によれば、上記絶縁体構造物は、熱酸化法によって成長させたシリコン酸化物を含む。1つの単一の連続的な堆積プロセスにおいて、上記第1充填部分と上記第2充填部分との間に接触面を堆積させることなく、ゲート電極465を形成することが可能である。
図9Kに示すように、ギャップ444の外部の絶縁体構造物445の部分と、スペーサ層433とを、選択エッチングプロセスによって、除去することが可能である。ここでは、エッチング停止下地膜431が、エッチング停止剤またはエッチング停止信号源として、機能する。一実施形態では、エッチング停止下地膜431は、シリコン窒化物下地膜であるが、スペーサ層433および絶縁体材料445は、シリコン酸化物に基づいている。好適なエッチングプロセスは、反応性イオンビームエッチングプロセスであり得る。ギャップ444を充填している残りの絶縁体材料が、元のギャップ444と半導体薄板状部420との間の垂直な接触面のいずれか1つの面に沿って伸びている絶縁体構造物446を形成している。
絶縁体構造物446は、ゲート電極465を、低ドープされた第1ソース部分461aの一部から分離している。ゲート電極465の上部451dは、パターニング表面410の上に突出している。充填材料451は、以下の方法によって上記ゲート電極を形成している材料に置き換えられ得る犠牲充填物であり得る。一実施形態によれば、上記ゲート電極は、充填材料451から形成される。いずれの場合でも、上記充填材料は、上記第1絶縁体構造物を構成するための予備構造物を形成する。
図9Lでは、パターニング表面410上に、注入マスク468を形成することが可能であり、この注入マスク468は、半導体薄板状部420の上記ドレイン領域が形成される部分を遮蔽し、半導体薄板状部420のソース領域461に割り当てられる範囲を露出させる。パターニング表面410に向かって傾斜のないまっすぐな注入460が行われ得る。注入マスク468を除去した後、エッチング停止下地膜431を除去する。
図9Mでは、ソース領域461の第2の高濃度ドープされた部分461bが、注入460の結果として、半導体薄板状部420において生じる。第2部分461bは、第1部分461aと、複数の部分において重なっている。一実施形態では、高濃度ドープされた部分461bの下端部は、絶縁体構造物446の下端部よりも下に下がることはなく、その結果、絶縁体構造物446は、ゲート電極465から、高濃度ドープされた部分461bを完全に分離することが可能である。
ソース領域461の上端部または下部領域に印加された電位が、下端部に向かって低減されている電位低減ゾーンは、ゲート電極465から、低容量結合されている。低濃度ドープされた部分461aの構成が、実際、ギャップ444の端部にそろっているために、ソース領域461の下端部は、絶縁体構造物446の下端部に自己整合して形成される。
図9Nでは、ゲート誘電体464の端部から保護下地膜430までのバーズビーク構造物(図示していない)の形成をサポートするために、熱酸化法を行うことが可能である。上記バーズビーク構造物は、狭いシリコン酸化物構造物と厚いシリコン酸化物構造物との間に、楔形接合部を形成する。上記バーズビーク構造物は、ゲート誘電体464とドレイン側の保護下地膜430との間の端部上に形成され得る。上記バーズビーク構造物は、ゲート電極465と上記ドレイン領域との間のゲート誘電体464を補強して、ゲート誘起リーク電流を低減する。
上部451dの垂直な各側壁に沿って、各第1スペーサ471を形成することが可能である。複数の同一、または、類似の各トランジスタを含むメモリセルアレイでは、上部451dは、パターニング表面410の上に突出する、充填材料451の各突起部または各ドット部を形成する。これらの各突起部451dを、各列と各行とのマトリクス状にそれぞれ配置することが可能である。各第1スペーサ471は、各突起部451dの垂直な各側壁を覆って密閉している。各第1スペーサ471の材料は、例えばシリコン酸化物である。
図9Oによれば、この密閉された突起部451d間のスペースを充填する、平坦化材料を堆積させることが可能である。化学機械的研磨プロセスを用いて、突起部451dの上端部の上に突出している、上記平坦化材料を凹状に窪ませる部分によって、3次元トポロジーを平坦化することが可能である。上記化学機械的研磨プロセスは、突起部451dの上端部で停止される。残りの上記平坦化材料は、突起部451d間のスペースを充填するベース層472を形成する。上記平坦化材料は、例えば、LPCVDプロセスによって堆積させることが可能な、ドープされていないポリシリコンのような、導電性材料であってもよい。
図9Pに示したように、ベース層472、および、突起部451dの露出された上端部の上には、例えば、金属または導電性金属化合物を含有する層のような、導電性層473を堆積させることが可能である。導電性層473は、導電性材料層および誘電性材料層を有する積層を含んでもよく、上記導電性材料層および上記誘電性材料層は、どちらも、低抵抗接続層、バリア層、および/または、接着剤層として機能する。導電性層473上には、例えばシリコン窒化物層である誘電体キャップ層474を堆積させることが可能である。
図9Qでは、キャップ層474と、導電性層473と、突起部451dを包括するベース層472とを含む上記積層を、リソグラフィック技術およびハードマスクを用いてパターニングして、複数の互いに平行な線状の各ワード線を形成する。該各ワード線の垂直な各側壁上には、第2スペーサ475をそれぞれ設けることが可能である。第2スペーサ475は、シリコン窒化物スペーサであってもよい。
各ワード線は、このパターニング表面410よりも上を、上記ピッチ方向に沿って伸びている。図9Qの右手側の図は、1つのワード線の、半導体薄板状部420の長手方向の縦軸に垂直に走る該ワード線の縦軸に沿った断面図である。左手側の図は、上記ワード線のピッチ軸に沿った断面図を示す図であり、該ピッチ軸は、半導体薄板状部420の長手方向の縦軸に相当する。
導電性層473は、同一のワード線に割り当てられた、これら突起部451dの上端部に載置されている。上記同一のワード線に割り当てられた、互いに隣り合う2つの各突起部451dの間では、上記ワード線は、ベース層472の一部上にも生じている。
埋め込まれたゲート電極465においてソース領域461に向かい合うドレイン領域462が、半導体薄板状部420の部分に有効なまっすぐな(垂直方向からの)注入によって設けられていてもよい。ドレイン領域462は、ソース領域461と比べると、浅くなっている。
第1スペーサ471は、ドレイン注入部をゲート電極465から離間して、ゲート誘起リーク電流を低減する。ドレイン領域462の下端部を、元のグルーブ440の上半分、例えば上から5分の1または上から10分の1内のような部分に設けることが可能である。ソース領域461の深度は、ドレイン領域462の深度の5倍または10倍であってもよい。
半導体薄板状部420のさらなる一部分は、p型導電タイプの状態を保持する。半導体薄板状部420内では、p型ドープされたチャネル領域463が、ソース領域461とドレイン領域462とを分離している。閾値電圧よりも高い電圧をゲート電極465に印加することによって、チャネル領域463内において、n型導電タイプのチャネル463aを、ゲート誘電体464に隣接して形成し、ソース領域461とドレイン領域462とを接続する。
チャネル463aは、例えば、ソース領域461の下端部からゲート電極465の下端部まで伸びている第1垂直部分と、ゲート電極465の曲がった底部に沿って伸びているU型部分と、該U型部分とドレイン領域462の下端部との間に伸びている第2垂直部分とを含む。上記電界効果トランジスタ496のチャネル463aは、半導体薄板状部420の長手方向の縦軸に平行な断面では、J型であり得る。ソース領域461、ドレイン領域462、および、チャネル領域463は、電界効果トランジスタ496の能動領域を形成する。
ゲート誘電体464の第1部分は、チャネル領域463をゲート電極465から分離している。ゲート誘電体464の第2部分は、ドレイン領域462をゲート電極465から分離し、第2絶縁体構造物447を形成している。第2絶縁体構造物447は、ゲート誘電体464と保護下地膜430との間に伸びているバーズビーク構造物(図示していない)から成ってもよいし、または、これを含んでもよい。上記バーズビーク構造物は、上述の図9Nに関連して説明した酸化工程の結果として生じ得る。上記バーズビーク構造物は、ドレイン領域462とゲート電極465との間の容量結合を低減させ、ゲート誘起リーク電流をさらに低減する。第2絶縁体構造物447は、第1絶縁体構造物446よりも薄くて浅い。
一実施形態では、第2絶縁体構造物447およびゲート誘電体464は、約4〜6ナノメートルの層厚を有するが、第1絶縁体構造物446は、約6〜50ナノメートルの層厚を有する。第2絶縁体構造物447の層厚を少なくすることによって、選択的に、ゲート電極465の断面を拡大して抵抗値を低減させることか、または、プレーナ型トランジスタ寸法をさらに縮める可能性を生じさせる。あるいは、これら両方を共に実現する。
前述のスペーサ層433により、ゲート電極465の上端部は、上記ワード線の導電性層473がゲート電極465上に直接的に生じるように、パターニング表面の上に突出していることが可能である。
平面と垂直面とが同一である対称型トランジスタデバイスと比べると、上述のJ型チャネル463aは、より長く形成できて、その結果、上記J型チャネル463aを有する電界効果トランジスタのブロッキング特性および絶縁特性を改善することが可能である。
EUDを形成する他の方法と比べると、この方法は、プロセスを複雑にすることもほとんどなく、幾分か簡素でさえある。上記トランジスタの特性を、良好に制御することが可能である。2つのゲート電極層間の堆積介在部については、省略してもよい。
図9Rでは、上記各ワード線間のスペースを、中間層誘電体491によって充填することが可能である。中間層誘電体491を、フォトリソグラフィープロセスによってパターニングし、この際に、ドレイン領域462よりも上の中間層誘電体491内に、コンタクト開口部を形成することが可能である。上記コンタクト開口部は、導電性材料によって充填されて、該コンタクト開口部内にコンタクト構造物481を形成する。図9Rは、ドレイン領域462に隣接するコンタクト構造物481を示す図である。
図10A〜図10Qは、FinFETのような電界効果トランジスタの典型的な一形成方法を示す各図であり、ここでは、上述の図9A〜図9Rに示した対応する方法に関して、相違点につい記述している。
図10Aでは、半導体基板500を設ける。半導体基板500は、パターニング表面510に隣接する上部において、低濃度p型ドープされていることが可能である。例えばシリコン酸化物構造物のような平行な2つの各内張り構造絶縁体522a、522bを、パターニング表面510に隣接させて、基板500内に形成することが可能である。この互いに隣り合い、平行な2つの各内張り構造絶縁体522a、522bは、これらの間に存在する半導体薄板状部520にそれぞれ隣接している。
該半導体薄板状部は、周期的な列構造物のリソグラフィック技術による最小加工サイズに応じた幅を有することが可能である。半導体薄板状部520は、断面I−Iに平行な縦軸方向に沿って伸びている。一実施形態では、半導体薄板状部520の幅は、約40ナノメートル以下である。
シリコン酸化物を含むか、または、シリコン酸化物より成る酸化物層(図示していない)を、パターニング表面510の、半導体薄板状部520に割り当てられた少なくとも各部分に、熱酸化法または堆積法によって形成することが可能である。上記酸化物層は、4〜6ナノメートルの層厚を有し得る。
パターニング表面510または上記酸化物層上に、エッチング停止下地膜531を堆積させる。エッチング停止下地膜531は、シリコン窒化物を含むか、または、シリコン窒化物よりなることが可能であり、数ナノメートルの層厚を有し得る。
エッチング停止下地膜531上には、スペーサ層533を堆積させることが可能である。スペーサ層533の材料は、所定のエッチングにより半導体基板500およびエッチング停止下地膜531が除去されないが、上記エッチングにより選択的に除去されることが可能なものである。スペーサ層533は、低圧化学気相成長(LPCVD)プロセスによって成長させるシリコン酸化物層であってもよく、約50ナノメートル〜400ナノメートルの層厚を有し得る。スペーサ層533上には、スペーサ層533をパターニングするためのマスク層535を堆積させる。
マスク層535の材料は、該マスク層の材料がエッチングにより除去されず、上記エッチングにより、スペーサ層533の材料を選択的に除去できると共に、半導体基板500の半導体部分をパターニングしている過程において、マスク層535を除去することが可能であるように選択されている。マスク層535は、多結晶シリコン層であってもよい。マスク層535上には、レジスト層537を設けることが可能である。
図10Bでは、レジスト層537を、フォトリソグラフィー技術によってパターニングすることが可能である。露光後に、レジスト層537を現像することによって、最初に、レジスト層537内に開口部を形成し、その後、該開口部と同様な開口部を、マスク層535内にも形成し、さらにその後、スペーサ層533内にも形成する。スペーサ層533内に結果的に生じた開口部539の前述の断面は、円形、または、上記各切断線に沿って異なる各寸法を有する楕円形である。エッチング停止下地膜531を、エッチングして貫通させる。異方性エッチング法を用いて、開口部539を各内張り構造絶縁体522a、522bの露出部分内にも形成する。上記異方性エッチング法は、反応性イオンビームエッチングプロセスであってもよい。
図10Bに示したように、各内張り構造絶縁体522a、522bのそれぞれでは、グルーブ540a、540bが形成されている。2つの各グルーブ540a、540bは、これらの間に存在する、半導体薄板状部520の一部である半導体フィン520aにおいて、互いに向かい合っている。スペーサ層533の表面から、パターニングレジスト層537、および、マスク層535の残りを除去する。
各グルーブ540a、540bの断面(基板の表面方向の断面)は、開口部539と各内張り構造絶縁体522a、522bとが重なり合った部分から生じている。グルーブ540a、540bの深度は、上記薄板状部の幅よりも大きいことが可能であり、例えば、上記薄板状部の幅の少なくとも5倍であってもよい。一実施形態に従えば、グルーブ540a、540bの深度は、少なくとも100ナノメートルであり、各グルーブ540a、540bは、薄板状部520の真ん中を中心にして、ほぼ対称を成している。
図10Cでは、フィン520aを含む、薄板状部520の露出部分を、フィン520aの半導体材料上で行う等方性エッチング法によって、凹状に窪ませることが可能である。このエッチングプロセスは、反応性イオンビームエッチングプロセスであってもよい。図10Cは、凹状に窪んだフィン520aを示し、凹状に窪んだフィン520aは、半導体薄板状部520の、上記縦軸に垂直であるピッチ軸に沿って薄くなっている。
図10Dでは、半導体薄板状部520の露出部分、および、フィン520aの露出部分の上に、ゲート誘電体564を設けることが可能である。ゲート誘電体564を、薄板状部520の半導体材料を熱酸化させることによって、または、均一な誘電体下地膜を堆積させることによって、形成することが可能である。続いて、充填材料551を、例えば、化学気相成長プロセスによって堆積させる。
図10Dは、半導体薄板状部520を複数の部分において覆っているゲート誘電体564を示す図である。上記複数の部分は、半導体薄板状部520の、図10Bに示す各グルーブ540a、540bによって露出されていると共に半導体フィン520aの露出表面を含む、薄板状部520の部分に相当する。充填材料551の充填部分551bは、各グルーブ540a、540bの主部分を充填している。スペーサ層533は、過度に充填された部分551cによって覆われている。充填材料551は、例えば高濃度ドープされたポリシリコンのような導電性材料であり得る。本図面および以下の図面内の断面I−Iは、それぞれ、充填部分551bに沿った切断面である。
図10Eでは、過度に充填された部分551cを除去して、充填部分551aの上端部をスペーサ層533の上端部から内方の低い位置にまで、充填部分551を凹状に窪ませることが可能である。このリセス部(凹部)は、スペーサ層533の上端部と残りの充填部分551aの上端部との間の距離が所定の距離になるように制御される。
充填部分551aの上部には、トップマスク下地膜556を設けることが可能である。トップマスク下地膜556の材料は、ドープされた部分のエッチング抵抗性が、ドープされていない部分のエッチング抵抗性と異なるように選択される。トップマスク下地膜556は、シリコン酸化物下地膜またはシリコン窒化物であってもよく、該下地膜は、充填部分551aの露出表面上に熱酸化法によって成長させることが可能であり、6ナノメートル未満の層厚を有し得る。
図10Eは、凹状に窪んだ充填部分551aの上端部を覆うトップマスク下地膜556を示す図である。トップマスク下地膜556は、注入軸を有する注入ビーム554にさらされる。上記注入軸は、上記ピッチ軸に沿うと共に、パターニング表面510に対して垂直に伸びているピッチ面の方に傾斜している。このイオンビームの届かない範囲にあるトップマスク下地膜556の一部分は、該注入に対してシールド(遮蔽)される。
図10Fに詳細に示したように、スペーサ層533の上端部によって遮蔽される、トップマスク下地膜556の第1部分556aは、ドープされない状態で残る。上記イオンビームにさらされるトップマスク下地膜556の第2部分556bは、ドープされた状態になる。トップマスク下地膜556は、薄いシリコン窒化物下地膜であってもよい。第1部分556aの長さは、所定の距離および上記注入軸の傾斜によって、調節可能である。
他の一実施形態によれば、充填部分551aの上端部に注入することによって、トップマスク下地膜556の第2部分556bを形成することが可能であり、該トップマスクの第1部分556aは、充填部分551aの上部表面の注入されない部分に相当する。
図10Gでは、第1部分556aを、第2部分556bが除去されずに、選択的に除去することが可能である。第2部分556bは、以下の異方性エッチングプロセスではエッチングマスクとして機能するトップマスクとしての機能を提供することが可能である。上記異方性エッチングプロセスは、充填材料551の凹状に窪んだ充填部分551a上で行われる。上記異方性エッチングプロセスは、反応性イオンビームエッチングプロセスであってもよい。
他の一実施形態によれば、第2部分556bを、第1部分556aが除去されずに選択的に除去することが可能である。その後、充填材料551の露出部分上に、シリコン酸化物マスクを、熱酸化法によって成長させることが可能である。当初のトップマスクの第1部分556aを、シリコン酸化物マスクに抗して選択的に除去することが可能である。上記シリコン酸化物マスクは、以下ではエッチングマスクとして機能するトップマスクを提供する。あるいは、例えば図9に関連して記載したような他の方法を提供して、上記トップマスクを形成することも可能である。
図10Gの示したように、その後、元の第1部分556aの下方に、充填材料551の露出された第2部をエッチングすることによって、U型ギャップ544を形成することが可能である。U型ギャップ544の2つの各脚部分は、それぞれ、元の各グルーブ540a、540b内に伸びている。ギャップ544のサドル部分は、フィン520aの露出部上に生じている。ギャップ544は、凹状に窪んだ充填材料551によって形成されるゲート電極565と、半導体薄板状部520の一部とを分離すると共に、各グルーブ540a、540bの各側壁に一部に沿って伸びている。トップマスク下地膜556の第2部分556bは、充填材料551の第1部を遮蔽している。
図10Hでは、フィン520aを含む、薄板状部520の複数の各部分において、上記電界効果トランジスタのソース領域561の第1部分561aを形成することが可能である。薄板状部520の上記複数の各部分は、ギャップ544を介してアクセス可能である。この第1部分561aは、気相から外拡散によって形成され得る。第1部分561aの下端部は、ギャップ544の下端部によって調節される。第1部分561aは、ソース領域561の低ドープされた部分であり得る。
図10Iでは、U型ギャップ544を、絶縁体材料545によって、覆うか、または、充填することが可能である。絶縁体材料545は、被覆特性またはギャップ充填特性を十分に備えた、例えばスピンオングラス堆積法またはALD法によって堆積されるシリコン酸化物か、または、熱シリコン酸化物であってもよい。凹状に窪んだ充填部分551aは、上記電界効果トランジスタのU型ゲート電極565を形成する。ゲート電極565は、フィン520aにおける2つの各長手方向側面の各部分に沿って、および、フィン520aの上端部に沿って伸びた形状となっている。
図10J〜図10Qに示したような、FinFETのような電界効果トランジスタを形成するための各プロセスステップは、図9K〜図9Rに示したようなJ型チャネルを備えたEUDを形成するための各プロセスステップに、それぞれほぼ相当し得る。
図10Jに示されるように、絶縁体材料545を凹状に窪ませて、U型絶縁体構造物546を形成する。このU型絶縁体構造物546は、フィン520aの上端部上におけるU型絶縁体構造物546のサドル部546c内に生じている。絶縁体構造物546の各脚部分546aは、ゲート電極565を、半導体フィン520aおよび半導体薄板状部520内の低ドープされた第1部分561aの一部から分離する。ゲート電極565の上部551dは、パターニング表面510の上に突出している。
図10Kおよび図10Lを参照すれば、パターニング表面510よりも上に、注入マスク568を形成して、パターニング表面510の方向に対し垂直な方向に沿った、まっすぐな注入560によって、ソース領域561の高濃度ドープされた部分561bを形成することが可能である。ここでは、一例として、この高濃度ドープされた部分561bの下端部は、絶縁体構造物546の下端部より下には下がらない。
第2部分561bは、絶縁体構造物546が、高濃度ドープされた部分561bを、ゲート電極565から完全に分離している複数の部分において、第1部分561aと重なりあっている。ソース領域561の上端部に印加された電位が、下端部に向かって低減されている電位低減ゾーンが、ゲート電極565との容量結合を抑制している。さらに、ソース領域561の下端部は、絶縁体構造物546の下端部に、ほぼ自己整合している。
ゲート誘電体564の接合部におけるバーズビーク構造物の、薄板状部520の上表面を覆う酸化物層までの形成をサポートするために、熱酸化法を行うことが可能である。上記バーズビーク構造物は、狭い上記ゲート誘電体と上記酸化物層との間の楔形接合部である。パターニング表面510を覆う上記酸化物層は、薄板状部520に割り当てられた部分において、上記熱酸化法によって生じるか、または、熱酸化法によって実施される。
図10M〜図10Qに示す、ゲート電極565の各突出部551dを密閉する第1スペーサ571と、突出部551d間のスペースを充填するベース層572と、ベース層572の一部をそれぞれ含む各ワード線と、導電性層573と、誘電体キャップ層574と、該各ワード線の垂直な各側壁上の第2スペーサ575と、フィン520aにおいてソース領域561に向かい合うドレイン領域562と、該各ワード線間の各スペースを充填する中間層誘電体591と、ドレイン領域562をアクセスするための各コンタクト構造物581とを形成する各プロセスステップは、上述の図9N〜図9Rに示した悪プロセスステップにほぼ相当し得る。
図10Qに示したように、フィン520a内に形成されるp型ドープされたチャネル領域563が、ソース領域561とドレイン領域562とを分離している。閾値電圧よりも高い電圧をゲート電極565に印加することによって、チャネル領域563内において、図9Qに基づき前述したように、n型導電タイプのチャネル563aを、ゲート誘電体564に隣接して形成し、ソース領域561とドレイン領域562とを接続する。チャネル563aは、ソース領域561とドレイン領域562との間のフィン520aの各長手方向側面に沿って伸びている。
ゲート誘電体564の第1部分が、チャネル領域563とゲート電極565とを分離している。ゲート誘電体564の第2部分が、ドレイン領域562とゲート電極565とを分離し、第2絶縁体構造物547を形成している。第2絶縁体構造物547は、第1絶縁体構造物546よりも薄い。一実施形態では、第2絶縁体構造物547およびゲート誘電体564は、約4〜6ナノメートルの層厚を有するが、第1絶縁体構造物546は、約6〜50ナノメートルの層厚を有する。
第2絶縁体構造物547は、図10Kに関連して成就したようなバーズビーク構造物から成るか、または、該バーズビーク構造物を含むことが可能である。第2絶縁体構造物547の層厚を少なくすることによって、選択的に、ゲート電極565の断面を拡大させて抵抗値を低減させるか、または、プレーナ型トランジスタ寸法をさらに小型化する可能性を生じさせる。あるいは、これら両方を共に実現する。
図11Aおよび図11Bは、高電圧アプリケーション用の非対称型絶縁体構造物を備える電界効果トランジスタの形成方法を示す図である。上記電界効果トランジスタの構成は、基本的に、図9A〜図9Kに関連して上述したようなプロセスに従うものであってもよい。
図11Aの実施形態は、図9Dによる追加的な等方性エッチングが省略されていることを除いて、図9Kの実施形態にほぼ一致している。上記等方性エッチングは、各内張り構造絶縁体622a、622bの材料のエッチングに有効なものである。従って、図11Aは、長手方向の縦軸方向に沿って伸びている半導体薄板状部620の一部分を示す図である。半導体薄板状部620は、p型ドープされた単結晶シリコンであってもよい。半導体薄板状部620は、保護下地膜630によって覆われていることが可能である。
一実施形態では、保護下地膜630は、シリコン酸化物下地膜である。上記長手方向の縦軸方向に対し垂直なピッチ方向では、半導体薄板状部620は、互いに対向する2つの各内張り構造絶縁体622a、622bを隔てている。エッチング下地膜631が、各内張り構造絶縁体622a、622b、および、保護下地膜630によって複数の部分に形成されているパターニング表面を覆うように形成されてもよい。
ゲート電極665は、半導体薄板状部620の上端部よりも下の下部と、上記パターニング表面の上に突出している突出部651dとを有した形に配置されている。各内張り構造絶縁体622a、622bの深度は、ゲート電極665の深度よりも深くてもよい。半導体薄板状部620とゲート電極665の下部の一部分との間には、非対称の絶縁体構造物646を設けている。ゲート誘電体664が、ゲート電極665を残りの半導体薄板状部620から分離している。図9Jに関連して上述した方法のいずれか1つの方法によって、第1絶縁体構造物646を設けることが可能である。
図11Bでは、図9O〜図9Rに関連して上述し、詳細に説明した各プロセスステップが適用されるが、ここでは、1つの共通の注入によってソース領域661とドレイン領域662とを設けてもよいことが除かれている。さらに、各突出部651dの垂直な各側壁が接続線672のベース層と直接隔てることが可能なように、第1スペーサを構成することを省略してもよい。
図11Bは、半導体薄板状部620の上部に形成された、ソース領域661およびドレイン領域662を備える電界効果トランジスタ696を示す図である。図示した実施形態に従えば、上記ソース領域の下端部および上記ドレイン領域の下端部は、第1絶縁体構造物646の下端部よりも上に設けられている。
ソース領域661およびドレイン領域662は、ゲート電極665において、互いに向かい合っている。ゲート電極665の下端部は、第1絶縁体構造物646の下端部よりも下に設けられている。ゲート誘電体664は、一方のゲート電極665と、他方のソース領域661およびソース領域661に隣接するチャネル領域663の第1部分とを分離することが可能である。
絶縁体構造物646は、一方のゲート電極665と、他方のドレイン領域662およびドレイン領域662に隣接するチャネル領域663の第2部分とを分離することが可能である。チャネル領域663の上記第2部分は、ドリフトゾーンとして機能することが可能である。絶縁体構造物646は、ゲート誘電体664よりも著しく厚く、よって、ドレイン領域662に対する高電位の印加による、ドレイン領域662とゲート電極665との結合を防止している。
接続線には、ベース層672と高導電性層673とが含まれる。本実施形態に従えば、上記接続線は、上記ピッチ方向に沿って伸びている。高導電性層673は、ゲート電極665の各突出部651dの上端部上部分、および、各突出部651d間のベース層672一部分上に生じている。さらなる一実施形態では、このような電界効果トランジスタは、複数、電気的に互いに並列に配置されている。
図12は、集積回路701を概略的に示す図である。集積回路701は、上述の電界効果トランジスタ702を含む。上記集積回路は、例えばグラフィックスDRAM、コンシューマDRAMまたは携帯DRAM、SoC含有DRAM、または、例えばMRAM、PCRAM、または、FeRAMのような1トランジスタタイプの他の任意のメモリデバイス、または、パワーMOSFET、IGBT、および、例えば、パワーMOSFETまたはIGBTを含むスマートパワーデバイスのようなパワーアプリケーション用集積回路のようなDRAMであってもよい。
図13は、電気システム711を概略的に示す図である。上記電気システムは、電気デバイス712を含む。電気デバイス712は、上述のような本発明に係る電界効果トランジスタ713を少なくとも1つ含むことが可能である。電気システム711は、例えば、オーディオシステム、ビデオシステム、コンピュータシステムのグラフィックカード、例えばサーバとしてのコンピュータシステム、例えば携帯電話のような通信システム、例えばデジタルカメラのようなイメージングシステム、例えばコンピュータ用データ記憶モジュールのようなデータ記憶システム、移動可能なデータ記憶デバイス、または、プロセッサのようなデジタルプロセッシングシステムであってもよい。他の実施形態に従えば、上記電気システムは、電圧供給ユニット、レギュレータユニット、または、自動車アプリケーション用電気システムであってもよい。
図14A〜図14Hは、上記ゲート電極と上記ソース領域との間の第1絶縁体構造物の上部分が、上記ゲート電極と上記ドレイン領域との間の第2絶縁体構造物に対して対称になるように設けられた、J型チャネルを備える3次元チャネル電界効果トランジスタ製造方法に関するものである。
図14Aでは、基板800内にグルーブを形成する。基板800は、例えば単結晶シリコン部分のような半導体部分801を含む。基板800は、半導体部分801を覆うスペーサ層812をさらに含んでもよい。基板800のパターニング表面上に配置された犠牲酸化物下地膜810は、半導体部分801とスペーサ層812とを分離することが可能である。
例えばシリコン酸化物下地膜のような誘電体下地膜を、スペーサ層812の露出表面を覆うと共に、上記グルーブを内張りするように、設けてもよい。誘電体下地膜820の複数の部分が、その後に形成される電界効果トランジスタのゲート誘電体を形成し得る。上記誘電体下地膜は、例えば、原子層堆積法、化学気相成長法、または、熱酸化法によって、成長させることが可能である。
スペーサ層812は、さらなるトランジスタのゲート電極構造を構成するために設けられるポリシリコン層であってもよい。充填材料822を堆積させて、グルーブ822を充填させる。充填材料822は、例えば高濃度ドープされたポリシリコンのような導電性材料であってもよい。
図14Bでは、充填材料822をスペーサ層812の上表面、および、上記グルーブの上部から除去して、充填材料822を凹状に窪ませる。上記グルーブ内の充填材料822の上端部を、基板800の半導体部分801の上端部よりも下に設ける。
図14Cに示したように、トップマスク下地膜830を設けることが可能である。トップマスク下地膜830は、充填材料822、スペーサ層812の露出表面、および、上記グルーブの内部表面の露出部分を、均一な層厚に覆う。該層厚は、10nm以下であり得る。
イオン注入によって、トップマスク下地膜830の材料のエッチング特性を、変化させることが可能である。例えば、トップマスク下地膜830は、アモルファス状シリコン層である。例えば、フッ化ホウ素の斜めの注入を行うことが可能である。注入ビーム832の注入方向は、上記パターニング表面に垂直な断面平面833に対して傾斜している。上記グルーブ内では、トップマスク下地膜830の第1部分830aが、該グルーブの側壁によって遮蔽される一方、第2部分830bは、上記注入にさらされる。この注入によって、トップマスク下地膜830のアモルファス状シリコンは、硬化される。
図14Dに示したように、トップマスク下地膜830の第1部分830aを、選択エッチングプロセスによって、第2部分830bが除去されずに、選択的に除去することが可能である。第2部分830bは、その後においてエッチングマスクとして有効であると共に充填材料822の第1部分を覆うトップマスクを提供することが可能である。
図14Eに示したように、異方性エッチングによって、充填材料822の露出した第2部分を凹状に窪ませる。この場合、トップマスク下地膜830の第2部分830bは、エッチングマスクとして効果的である。半導体部分801と充填材料822の残留第1部分との間のグルーブの一側面上に、ギャップ840を形成する。
図14Fは、アモルファス状シリコン層830を除去した後の、充填材料822の第2部分内のギャップ840を示す図である。充填材料822をエッチングしている間、または、その後に、トップマスク830b、および、アモルファス状シリコン層830のさらなる残留部分を、除去することが可能である。
図14Gでは、均一な誘電体下地膜842を配置することが可能である。誘電体下地膜842は、例えば、テトラエチルオルソ珪酸塩(TEOS)の分解物から生じるシリコン酸化物下地膜であってもよい。図14Fのギャップ840は、図14Gに示したように、シリコン酸化物によって、完全に充填される。他の実施形態に従えば、ギャップ840は、完全にまたは局所的に充填されずに残り、この場合、上記第1絶縁体構造物の対応する部分が、結果として生じる空洞によって、少なくとも一部において形成される。
図14Hでは、異方性エッチングを行うことが可能であり、その最中に、誘電体下地膜842の水平部分を除去する。誘電体下地膜842の残存部分は、スペーサ層812の上端部と充填材料822の上端部との間におけるグルーブの内部表面の垂直部分に沿って伸びている。
第1絶縁体構造物852は、図14Fに示したギャップ840を充填するか、または、覆うことによって形成される第1部分852a、および、誘電体下地膜842から生じる第2部分852bを含む。第1絶縁体構造物852の第2部分852bは、誘電体下地膜842から生じる第2絶縁体構造物854に対して対称である。第1絶縁体構造物852の第2部分852bと、第2絶縁体構造物854とは、上記グループ内において、互いに向かい合っている。
第1絶縁体構造物852は、充填材料822から形成されるか、または、充填材料822に置き換わる別の材料から形成されるゲート電極851と、ソース領域861との間に形成される。該ソース領域は、半導体部分801内のn型ドープされた不純物領域であり得る。
第2絶縁体構造物854は、ゲート電極851とドレイン領域862とを分離している。ドレイン領域862は、半導体部分801内のn型ドープされた不純物領域として形成され得る。ソース領域861およびドレイン領域862は、半導体部分861のp型導電性部分であり得るチャネル領域863にそれぞれ隣接している。電界効果トランジスタ896が導電状態である場合、チャネル領域863内の、ソース領域861とドレイン領域862との間に、J型チャネルが形成される。
第1絶縁体構造物852の第2部分852bは、第1部分852aと同じ層厚を有し得る。図14Hに示したように、ゲート電極851の下部に低抵抗接続を可能にするには、第2部分852bを、第1部分852aよりも薄くすることが可能である。第1部分852aは、約10nm以上の層厚を有する。ドレイン領域862のコンタクトを形成するために求められるマスクの重ね合わせ条件を緩和するために、第2部分852bは、約5〜10nmの層厚を有してもよい。
図9A〜図9Rに関連して上述した各プロセスと各実施形態を、図14A〜図14Hに関連して上述した実施形態と組み合わせてもよい。一例として、図1〜図6に関連して記載した電界効果トランジスタ、または、図7および図8に関連して記載したメモリセルを形成するために、状況に応じて、さらなるプロセスステップを修正してもよい。
図15は、一実施形態に従った3次元チャネル電界効果トランジスタ製造方法を示す、要部のフローチャートである。半導体基板内に、グルーブを形成する(720)。該グルーブの下部に、充填材料を配置する(722)。該充填材料の表面の第1部分を覆うと共に、第2部分を露出させた状態で残す、トップマスクを設ける。ここでは、上記充填材料の第2部分が露出されている(724)。上記基板の内部表面の露出部分と、上記トップマスクに覆われている充填材料の第1部分との間にギャップを形成するために、上記充填材料の第2部分を凹状に削除する(726)。該ギャップ内では、第1ソース/ドレイン領域とゲート電極とを分離する、第1絶縁体構造物を設ける(728)。同じフローチャートは、さらなる実施形態による集積回路の製造方法を示すことが可能である。
図16は、集積回路の製造方法を示す、要部のフローチャートである。電界効果トランジスタの第1部分と第2部分との間に、予備構造物を設ける(730)。上記第1部分と上記予備構造物の残りの部分との間にギャップを形成するために、該予備構造物の一部を除去する(732)。該ギャップ内には、上記第1部分内に形成されたソース/ドレイン領域と、上記第1部分と上記第2部分との間に形成されたゲート電極とを分離できるように、第1絶縁体構造物を設ける(734)。
図17は、複数の各メモリセル999を含む、集積回路900の断面を示す図であり、各メモリセル999は、トレンチ型ストレージキャパシタ995、および、J型3次元チャネル電界効果トランジスタ996を含む。
ストレージキャパシタ995の上部は、例えば、高濃度ドープされたポリシリコンからなるストレージ電極995bを含む。ストレージキャパシタ995の図示した断面では、ストレージ電極995bは、絶縁カラー部995aによって、集積回路900の半導体部分901から分離されている。ストレージ電極995bと電界効果トランジスタ996のソース領域961との間の低抵抗コンタクトを、埋め込みストラップ993が提供している。ソース領域961に加えて、電界効果トランジスタ996の能動領域は、ドレイン領域962、および、チャネル領域963を含み、チャネル領域963は、ソース領域961とドレイン領域962との両方にそれぞれ接触している。
ソース領域961、および、ドレイン領域962は、例えば、単結晶半導体部分901のn+型ドープされた不純物領域である。ソース領域961とドレイン領域962との間に、ゲート電極965が配置される。ここでは、ゲート電極965の下端部は、ソース領域961の下端部よりも下、および/または、ドレイン領域962の下端部よりも下であってもよい。チャネル領域963は、ゲート誘電体964によって、ゲート電極965から分離されている。
第2絶縁体構造物954が、ゲート電極951とドレイン領域962とを分離している。ゲート電極965では、第1絶縁体構造物952の第2部分952bが、第2絶縁体構造物954と向かい合っており、この第2部分952bは、実質的に、ドレイン領域962の下端部に相当する幅を有し、該下端部と同じ深度まで伸びている。
第1絶縁体構造物952の第2部分952bは、第1部分952aよりも薄いことが可能であり、例えば、5〜10nmであり得る。薄い各絶縁体構造物952b、954は、ゲート電極965の下端部と半導体部分901よりも上に設けられた上部との間に、低い抵抗コンタクトを提供することが可能である。
厚い第2絶縁体構造物954は、ドレイン領域962を例えばビット線に接続させることが可能なコンタクト構造物981を構成するためのマスクの重なり合い許容条件を緩和することが可能である。厚い第2絶縁体構造物954は、ゲート電極965とドレイン領域962との間の容量結合を低減させる。ゲート電極965を、ワード線の一部であり得る高導電性層973に接続することが可能である。
上記の各実施形態を、上記図面に関連して詳細に説明してきたが、本発明の原理および範囲から逸脱することなく、様々な変更および変形を加えてもよいことは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の上記変更および変形が、添付の特許請求の範囲およびそれに同等のものの範囲内であるならば、本発明は、本発明の上記変更および変形を対象とすることを意図するものである。
Claims (32)
- ソース領域、ドレイン領域、および、上記ソース領域と上記ドレイン領域とを分離するチャネル領域と、
上記ソース領域と上記ドレイン領域との間に配置されるゲート電極と、
上記チャネル領域と上記ゲート電極との間に配置されるゲート誘電体と、
上記ゲート電極と上記ソース領域の少なくとも一部との間に配置される第1絶縁体構造物と、
上記ゲート電極と上記ドレイン領域の少なくとも一部との間に配置される第2絶縁体構造物とを含み、
上記ゲート電極の下端部は、上記ソース領域および上記ドレイン領域の少なくとも1つの領域の下端部よりも下に形成され、
上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物の少なくとも1つは、上記ゲート誘電体よりも大きな層厚を有し、
上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物は、互いに非対称である、電界効果トランジスタ。 - 上記第1絶縁体構造物の少なくとも1つの幾何学的寸法は、上記第2絶縁体構造物の少なくとも1つの幾何学的寸法と、少なくとも10パーセント異なる、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記第1絶縁体構造物は、半導体基板内の第1深度まで伸び、
上記第2絶縁体構造物は、上記半導体基板内の第2深度まで伸びており、
上記第2深度は、上記第1深度と少なくとも10パーセント異なる、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 - 上記第2深度は、上記第1深度と少なくとも50パーセント異なる、請求項3に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記第1絶縁体構造物は、第1層厚を有する一部を含み、
上記第2絶縁体構造物は、上記第1層厚と少なくとも10パーセント異なる第2層厚を有する、請求項2に記載の電界効果トランジスタ。 - 上記第2層厚は、上記第1層厚と少なくとも50パーセント異なる、請求項5に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記ゲート誘電体は、上記第1層厚および上記第2層厚のいずれか1つの層厚と同一の層厚を有する、請求項6に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物のいずれか1つの少なくとも一部は、バーズビーク構造物を含み、
上記バーズビーク構造物は、上記電界効果トランジスタが形成される半導体基板のパターニング表面と、楔形接合部を形成する、請求項6に記載の電界効果トランジスタ。 - 上記ゲート電極は、半導体基板内に形成されるグルーブ内に配置され、パターニング表面と上記半導体基板のデバイス深度との間に伸びており、
上記半導体基板は、上記ソース領域、上記ドレイン領域、および、上記チャネル領域を含む、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 - 上記ソース領域、上記ドレイン領域、および、上記チャネル領域は、半導体基板の長手方向に沿って伸びている半導体薄板状部内に形成され、
上記半導体薄板状部は、垂直な長手方向の各側壁を含み、
上記半導体薄板状部は、2つの各内張り構造絶縁体によって、上記長手方向に対し垂直方向に伸びるピッチ方向にて制限されており、
上記各内張り構造絶縁体は、上記半導体薄板状部において互いに向かい合っており、
上記半導体薄板状部は、デバイス深度よりも深い薄板状部深度を有する、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 - 上記ゲート電極は、ほぼ同じ輪郭を伴って、上記各内張り構造絶縁体間に伸びている、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記ゲート電極は、主部分と2つの各コーナー部分とを含み、
上記主部分は、ほぼ同じ輪郭を伴って、上記各内張り構造絶縁体間に伸びて、上記各内張り構造絶縁体との各接触面において、上記半導体薄板状部と共に、デバイス端部を形成し、
上記各コーナー部分のそれぞれは、上記半導体薄板状部と上記各内張り構造絶縁体のいずれか1つの間に配置されて、上記各デバイス端部のいずれか1つに沿って伸びており、
上記主部分の電界および上記コーナー部分の電界は、上記各デバイス端部に沿って伸びる上記チャネル領域の2つの各端部において、互いに重なりあっている、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。 - 上記各コーナー部分のそれぞれは、対応するデバイス端部に沿って、上記半導体薄板状部の側壁を均一なコーナー幅で覆っている、請求項12に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記ゲート電極は、半導体基板内に形成されるグルーブ内に配置され、
上記半導体基板は、上記ソース領域、上記ドレイン領域、および、上記チャネル領域を含み、
上記グルーブは、上記半導体基板のパターニング表面と、デバイス深度との間おいて伸びて形成されており、
上記グルーブは、さらに、上記各内張り構造絶縁体に沿った各長手方向側壁、および、上記半導体薄板状部に沿った各横断側壁を形成し、
上記半導体薄板状部は、上記半導体薄板状部よりも薄い半導体フィンを含み、
上記半導体フィンは、上記長手方向では上記グルーブを通って伸びると共に、垂直方向ではフィン上端部と上記グルーブの底部との間に伸びており、
上記チャネル領域は、上記半導体フィン内の少なくとも部分的に形成される、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。 - 上記ゲート電極は、上記半導体フィンにおいて互いに向かい合う2つの各小部を含む、請求項14に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記フィン上端部は、上記パターニング表面よりも下に形成されている、請求項14に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記フィン上端部は、上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物の少なくとも1つの下端部よりも下に形成されている、請求項14に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記半導体フィンは、1つの横断側壁から他の横断側壁に向かって伸びている、請求項14に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物のいずれか1つは、U型であり、2つの各垂直絶縁体小部および水平絶縁体小部を含み、
上記各垂直絶縁体小部のそれぞれは、上記ゲート電極と上記半導体薄板状部との間に伸びており、
上記水平絶縁体小部は、上記半導体フィン上に載置されていて、上記各垂直絶縁体小部を互いに接続している、請求項18に記載の電界効果トランジスタ。 - 上記半導体フィンは、上記各横断側壁のいずれか1つに隣り合って配置され、上記他の横断側壁からフィンギャップを介して分離されている、請求項14に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記第1絶縁体構造物および上記第2絶縁体構造物のいずれか1つは、上記フィンギャップの少なくとも上部を充填している、請求項20に記載の電界効果トランジスタ。
- 上記半導体フィンの少なくとも上部は、完全空乏化の動作モードを可能にするフィンの幅を有している、請求項14に記載の電界効果トランジスタ。
- 第1ソース/ドレイン領域が形成される、電界効果トランジスタの第1部分と、第2ソース/ドレイン領域を含む、電界効果トランジスタの第2部分との間に予備構造物を設ける工程と、
上記第1部分と残りの上記予備構造物との間にギャップを形成するために、上記予備構造物の一部を除去する工程と、
上記ギャップ内に、上記第1部分に形成される上記第1ソース/ドレイン領域と、上記第1部分と上記第2部分との間に形成されるゲート電極とを分離している第1絶縁体構造物を設ける工程とを含む、集積回路製造方法。 - 上記ギャップ内に上記第1絶縁体構造物を設ける工程は、上記ギャップを充填することなく、上記ギャップを覆う工程をさらに含み、
上記第1絶縁体構造物は、空洞を含む、請求項23に記載の集積回路製造方法。 - 上記ギャップ内に上記第1絶縁体構造物を設ける工程は、上記第1絶縁体構造物を形成するために、上記ギャップを絶縁体材料によって充填する工程をさらに含む、請求項23に記載の集積回路製造方法。
- 上記ギャップ内に上記第1絶縁体構造物を設ける工程は、上記第1絶縁体構造物を形成するように、上記ギャップの少なくとも一部を熱酸化物によって充填するために、上記第1部分の側壁部分上に上記熱酸化物を成長させる工程をさらに含む、請求項23に記載の集積回路製造方法。
- 上記予備構造物の一部を除去する工程は、
上記予備構造物上にトップマスク下地膜を設ける工程であって、上記トップマスク下地膜の上端部は、上記第1部分および上記第2部分の上端部よりも下に形成される工程と、
斜めの注入を行って、上記トップマスク下地膜内に、注入される部分と注入されない部分とを形成する工程と、
上記注入される部分および上記注入されない部分のいずれか一部を除去して、トップマスクを形成する工程と、
上記トップマスクをエッチングマスクとして用いて、上記予備構造物を凹状に削除する工程とをさらに含む、請求項23に記載の集積回路製造方法。 - 半導体基板にグルーブを形成する工程(a)と、
上記グルーブの下部に充填材料を設ける工程(b)と、
上記充填材料の第1部分を覆うと共に、上記充填材料の第2部分を露出した状態で残す、トップマスクを設ける工程(c)と、
上記半導体基板と上記第1部分との間にギャップを形成するために、上記第2部分を凹状に削除する工程(d)と、
上記ギャップ内に、上記半導体基板内に配置されたソース/ドレイン領域と、上記グルーブ内に配置されたゲート電極とを分離する第1絶縁体構造物を設ける工程(e)とを含む、3次元チャネル電界効果トランジスタ製造方法。 - 上記工程(c)は、
上記充填材料の上にトップマスク下地膜を設ける工程であって、上記トップマスク下地膜の上端部は、上記グルーブの上端部よりも下に形成する工程と、
上記トップマスク下地膜内に、注入される部分と注入されない部分とを形成するために、斜めの注入を行う工程とをさらに含み、
上記トップマスク下地膜は、露出部分を形成するために、上記注入される部分に注入することによって損傷を受けている、請求項28に記載の3次元チャネル電界効果トランジスタ製造方法。 - 上記工程(c)は、
上記充填材料の上記第1部分を覆う上記トップマスクを形成するために、上記充填材料の上記露出部分上にシリコン酸化物を成長させる工程と、
上記充填材料の上記露出部分を形成するために、上記トップマスク下地膜の上記注入されない部分を除去する工程とをさらに含む、請求項29に記載の3次元チャネル電界効果トランジスタ製造方法。 - 上記工程(d)の後、および、上記工程(e)の前に、
上記ソース/ドレイン領域の少なくとも一部を形成するために、上記工程(d)によって露出された基板部分内に不純物類を導入する工程をさらに含む、請求項28に記載の3次元チャネル電界効果トランジスタ製造方法。 - 上記不純物類を導入する工程は、気相拡散法によって実行される、請求項31に記載の3次元チャネル電界効果トランジスタ製造方法。
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