JP2008283158A - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 製造コストが節減され、セルサイズが減少し、リフレッシュ特性が改善されるフローティングボディーセル構造を有する半導体素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体素子は、半導体基板、前記半導体基板上に垂直に積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域、並びに前記積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域の両側壁にゲート絶縁膜の介在下に形成されたゲートを含む。
【選択図】 図3
【解決手段】 半導体素子は、半導体基板、前記半導体基板上に垂直に積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域、並びに前記積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域の両側壁にゲート絶縁膜の介在下に形成されたゲートを含む。
【選択図】 図3
Description
本発明は、半導体素子に関するものであって、さらに詳細には、フローティングボディーセル構造を有する半導体素子及びその製造方法に関するものである。
最近の半導体産業は、半導体素子の集積度を向上させて製造収率を増加させる方向に進んでいる。その一例として、フローティングボディーセル(Floating Body Cell;以下、FBC)構造を有する半導体素子が提案された。
前記FBC構造を有する半導体素子は、情報を貯蔵するためのキャパシタが不要であり、従って通常のDRAM素子と比較して高集積素子の製造に適用することが有利であるという長所がある。
以下、図1を参照して従来のFBC構造を有する半導体素子及びその動作原理を簡略に説明する。
FBC構造を有する半導体素子は、半導体基板102と素子が形成されるシリコン層106との間に埋没酸化膜104が介在したSOI(Silicon On Insulator)ウェハー100に実現され、これによりソース領域112とドレーン領域114との間の領域に該当するトランジスタのボディー116がフローティングされた構造を有する。特別に、FBC構造を有する半導体素子は電荷を貯蔵するためのキャパシタが形成されない。
このようなFBC構造を有する半導体素子において、ワードライン(WL)を通じてゲート110に電圧が印加されてトランジスタがオンされた後、ビットライン(BL)を通じてドレーン領域114に電圧が印加されれば、カレントが発生するようになる。そして、前記カレントによるドレーン領域114の高い電界によって電子がシリコン格子と衝突するようになって電子と正孔が発生し、このように発生した正孔はソース領域112とドレーン領域114との間のフローティングボディー116内に蓄積する。
ここで、前記フローティングボディー116内に蓄積した正孔は、トランジスタのボディーバイアスに影響を及ぼすようになる。具体的には、正孔が多いほどボディーバイアスが増加してトランジスタのスレッショルド電圧が低くなり、その結果同一電圧でのカレントが増加するようになる。
図2は、フローティングボディー内に正孔が蓄積している状態と正孔が蓄積していない状態との間のカレントを比較したグラフであって、FBC構造を有する半導体素子は、前記フローティングボディー内に正孔が蓄積している状態と蓄積していない状態とでのカレント差を用いてロジック“1”又はロジック“0”を判断して、メモリとしての動作を行うようになる。
具体的には、書き込み動作の場合、ホットキャリヤ効果によって正孔が発生して前記正孔がフローティングボディー内に蓄積するようにする場合が、書き込み動作ロジック“1”に該当し、ビットラインを通じてドレーン領域に負の電圧が印加されて前記フローティングボディー内に蓄積した正孔を除去するようにする場合が、書き込み動作ロジック“0”に該当する。これと反対に、読み取り動作はワードラインをオンさせた後、カレントの大きさを比較する方式から成る。
このようなFBC構造を有する半導体素子はキャパシタなしでもDRAMセル動作が可能であるという利点を有し、このような利点は向後高集積素子を製造するための微細工程で更に有利に作用するものである。
しかしながら、従来のFBC構造を有する半導体素子は、各セル毎に発生した正孔を独立的に保管することができるSOIウェハーを使用しなければならないが、前記SOIウェハーが一般的なシリコンウェハーに比べて価格が10倍以上高いので製造コストの負担が大きい。
また、現在までに提案されているFBC構造を有する半導体素子は、SOIウェハー上に平板型のトランジスタを形成して実現されているので、セルサイズが8F2で制限されており、このためセルサイズの縮小に難しさがある。
しかも、FBC構造を有する半導体素子は、通常のDRAM素子と同様に、正孔が接合漏洩電流によって消滅されてリフレッシュが必要であるが、半導体素子の高集積化の趨勢によって誘発されるソース領域とドレーン領域との間のパンチスルーを防止するためには、チャンネルドーズを増加させるより外はなく、これにより接合漏洩電流が増加してリフレッシュ特性が低下すると予測されるため、結局、従来のFBC構造を有する半導体素子は高集積化によるリフレッシュ特性低下の解決が必要である。
上記のような従来技術の問題点を解決するために、本発明は製造コストを節減することができるFBC構造を有する半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明はセルサイズを減少させたFBC構造を有する半導体素子及びその製造装置を提供することを他の目的とする。
さらに、本発明はリフレッシュ特性を改善することができるFBC構造を有する半導体素子及びその製造装置を提供することをさらに他の目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の一実施例において、半導体素子は、半導体基板、前記半導体基板上に垂直に積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域、並びに前記積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域の両側壁にゲート絶縁膜の介在下に形成されたゲートを含む。
前記ソース領域はラインタイプから成り、前記チャンネル領域及びドレーン領域はパターンタイプから成る。
前記ラインタイプのソース領域は、選択的不純物イオン注入を通じて前記半導体基板の表面内に形成される。
前記ソース領域は、前記チャンネル領域との境界内にパターンタイプに形成された部分を更に含む。
前記パターンタイプのチャンネル領域及びドレーン領域は円筒形状に成る。
前記ソース領域及びドレーン領域はN型不純物イオン注入層から成り、前記チャンネル領域はP型不純物イオン注入層から成る。
前記ソース領域及びドレーン領域はN型不純物イオン注入層から成り、前記チャンネル領域はP型不純物イオン注入層から成る。
前記ドレーン領域と前記チャンネル領域との界面に形成されたハローイオン注入層を更に含む。
前記ゲートが形成された半導体基板上に前記ドレーン領域を露出させるように形成された層間絶縁膜、及び前記層間絶縁膜上に前記露出したドレーン領域とコンタクトされるように形成されたビットラインを更に含む。
上記の目的を達成するために、本発明の他の実施例において、半導体素子の製造方法は、半導体基板の表面内にラインタイプに第1のイオン注入層を形成する段階、前記第1のイオン注入層を含んだ半導体基板上にシリコン層を形成する段階、前記シリコン層の表面内に第2のイオン注入層を形成する段階、前記第2のイオン注入層を含んだシリコン層をエッチングして、垂直に積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域を形成する段階、並びに前記垂直に積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域の両側壁にゲート絶縁膜を介在してゲートを形成する段階を含む。
前記ソース領域はラインタイプに形成し、前記チャンネル領域及びドレーン領域はパターンタイプに形成する。
前記ソース領域は、前記第1のイオン注入層の一部厚さを一緒にエッチングして形成する。
前記ソース領域は、前記第1のイオン注入層の一部厚さを一緒にエッチングして形成する。
前記パターンタイプのチャンネル領域及びドレーン領域は円筒形状に形成する。
前記ラインタイプのソース領域は、選択的不純物イオン注入を通じて前記半導体基板の表面内に形成する。
前記ラインタイプのソース領域は、選択的不純物イオン注入を通じて前記半導体基板の表面内に形成する。
前記ソース領域及びドレーン領域はN型不純物イオン注入層で形成し、前記チャンネル領域はP型不純物イオン注入層で形成する。
前記シリコン層は、シリコンエピタキシャル成長工程で形成する。
前記シリコン層は、P型不純物がドーピングされるように形成する。
前記シリコン層は、P型不純物がドーピングされるように形成する。
前記ゲートを形成する段階は、前記垂直に積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域を含んだ半導体基板上に、ゲート絶縁膜とゲート導電膜とを順次に形成する段階、並びに前記ゲート絶縁膜が露出するように前記ゲート導電膜をエッチバックする段階を含む。
前記ゲートを形成する段階後、前記ドレーン領域と前記チャンネル領域との界面にハローイオン注入層を形成する段階を更に含む。
前記ゲートを形成する段階後、前記ゲートが形成された半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階、前記層間絶縁膜をエッチングしてドレーン領域を露出させる段階、及び前記層間絶縁膜上に前記露出したドレーン領域とコンタクトされるビットラインを形成する段階を含む。
前記ドレーン領域を露出させる段階後、かつ前記ビットラインを形成する段階前、前記ドレーン領域と前記チャンネル領域との界面にハローイオン注入層を形成する段階を更に含む。
本発明は、垂直型トランジスタを形成することによって、キャパシタなしでもDRAMセル動作が可能なFBC構造を有する半導体素子を製造することができる。
また、本発明は、従来のSOIウェハーに比べて比較的廉価な一般的なシリコンウェハーを使用してFBC構造を有する半導体素子を実現するので、SOIウェハーを使用する場合に比べて製造コストを節減することができる。
さらに、本発明は、垂直型トランジスタを適用してFBC構造を有する半導体素子を製造するので、平板型トランジスタを適用する場合に比べて、セルサイズを8F2から4F2まで減少させることができ、従って高集積素子の製造に有利に対応することができる。
しかも、本発明は接合漏洩電流を減少させてリフレッシュ特性を改善することができ、これにより素子特性及び信頼性を向上させることができる。
加えて、本発明はソース領域をラインタイプに形成するため、前記ソース領域とコンタクトされるビットラインを別に形成する必要がなく、これにより半導体素子のレイアウト及び工程の単純化を達成することができる。
また、本発明は、円筒形状を有するパターンタイプのチャンネル領域とドレーン領域の両側壁にゲートを形成するので、ゲート絶縁膜の面積が従来よりも増加してキャパシタンスを増加させることができるため、正孔の発生量を増加させてリフレッシュ特性を更に効果的に改善することができる。
本発明においては、既存のSOIウェハーを使用して平板型トランジスタを適用する代わりに、一般的なシリコンウェハーを使用しながら垂直型トランジスタを適用してFBC構造を有する半導体素子を製造する。
これにより、本発明は、前記SOIウェハー価格の1/10水準である一般的なシリコンウェハーを使用しながらも、各セル毎に発生した正孔を独立的に保管することができるFBC構造を有する半導体素子を製造することができるため、その製造コストを節減することができる。
また、本発明は、既存の平板型トランジスタを適用する場合にセルサイズが8F2で制限されていたことに比べて、前記垂直型トランジスタを適用することによってセルサイズを4F2まで減少させることができるため、高集積素子の製造に有利に対応することができる。
しかも、本発明は前記垂直型トランジスタを適用することによって接合漏洩電流を減少させてリフレッシュ特性を改善することができ、併せて円筒形状を有するパターンタイプのチャンネル領域とドレーン領域の両側壁にゲートを形成するので、ゲート絶縁膜の面積が従来よりも増加してキャパシタンスを増加させることができるため、リフレッシュ特性を効果的に改善することができる。
詳しくは、図3は本発明の実施例による半導体素子を説明するための断面図であって、これを説明すれば次の通りである。
図示するように、P型の半導体基板300上にソース領域308、チャンネル領域310及びドレーン領域312が垂直に積層され、前記積層されたチャンネル領域310とドレーン領域312の両側壁にゲート絶縁膜314とゲート導電膜316とから成るゲート318が形成される。
前記ソース領域308及びドレーン領域312はN型不純物イオン注入層で形成され、前記チャンネル領域310はP型不純物イオン注入層で形成される。特に、前記ソース領域308は選択的不純物イオン注入を通じてP型の半導体基板300上にラインタイプに形成され、前記チャンネル領域310及びドレーン領域312は前記ラインタイプのソース領域308上に円筒形状を有するパターンタイプに形成される。前記ソース領域308は半導体基板300上にラインタイプに形成されることは勿論、前記チャンネル領域310下にパターンタイプに更に形成されることができる。
前記ドレーン領域312とチャンネル領域310との境界に、好ましくはハローイオン注入層322が更に形成される。前記ハローイオン注入層322はホットキャリヤが更に多く発生することができるようにする構成要素であって、このようなハローイオン注入層322の形成によって、本発明のFBC構造を有する半導体素子の書き込み速度を増加させることができる。すなわち、前記ハローイオン注入層322はパンチスルーを防止する役割を果たすだけでなく、ドレーン領域312の電界だけを選択的に増加させ、ソース領域308の接合漏洩電流が増加することを防止する役割を果たすので、本発明のFBC構造を有する半導体素子の書き込み速度を効果的に増加させることができる。
前述した本発明によるFBC構造を有する半導体素子は、高価であるSOIウェハーを使用せずともその製造が可能なので、本発明は製造コストを節減することができる。また、本発明によるFBC構造を有する半導体素子は、垂直に積層されたソース領域308、チャンネル領域310及びドレーン領域312を含む垂直型トランジスタが形成されるため、本発明はセルサイズを減少させることができ、また接合漏洩電流を減少させてリフレッシュ特性を向上させることができる。しかも、本発明によるFBC構造を有する半導体素子は、前記ドレーン領域312とチャンネル領域310との境界にハローイオン注入層322を形成するため、本発明はホットキャリヤの発生を増加させて半導体素子の書き取り速度を更に増加させることができる。
図3で未だ説明されていない図面符号Cはコンタクトホールを、320は層間絶縁膜を、そして324はビットラインをそれぞれ示す。
図4A乃至図4Hは、本発明の実施例によるFBC構造を有する半導体素子の製造方法を説明するための工程別断面図であって、これを説明すれば次の通りである。
図4Aを参照すれば、P型の半導体基板400内に1次N型不純物イオン注入工程を遂行して、前記P型の半導体基板400表面内にN型の第1のイオン注入層402を形成する。前記第1のイオン注入層402は選択的不純物イオン注入工程を通じて半導体基板400の表面内にラインタイプに形成する。
図4Bを参照すれば、前記N型の第1のイオン注入層402が形成されたP型の半導体基板400上にシリコン層404を形成する。前記シリコン層404はシリコンエピタキシャル成長工程を通じて形成し、この時前記シリコン層404内にP型不純物がドーピングされるように形成することが好ましい。
図4Cを参照すれば、前記P型の不純物がドーピングされたシリコン層404内に2次N型不純物イオン注入工程を遂行して、前記シリコン層404表面内にN型の第2のイオン注入層406を形成する。その結果、P型の半導体基板400上にN型の第1のイオン注入層402、P型のシリコン層404及びN型の第2のイオン注入層406が順次に積層される。
図4Dを参照すれば、前記第2のイオン注入層を含んだシリコン層をエッチングして、半導体基板400上に垂直に積層されるソース領域408、チャンネル領域410及びドレーン領域412を形成する。すなわち、前記N型の第1のイオン注入層はソース領域408になり、前記P型のシリコン層はチャンネル領域410になり、前記N型の第2のイオン注入層はドレーン領域412になる。
前記ソース領域408はラインタイプに形成し、前記チャンネル領域410及びドレーン領域412は円筒形状を有するパターンタイプに形成する。この時、前記第2のイオン注入層を含んだシリコン層のエッチング時に前記第1のイオン注入層の一部厚さを一緒にエッチングして、前記ソース領域408を半導体基板400上ではラインタイプに成り、前記チャンネル領域410下ではパターンタイプに成るように形成することも可能である。
図4Eを参照すれば、前記垂直に積層されたソース領域408、チャンネル領域410及びドレーン領域412を含んだ半導体基板400上に、ゲート絶縁膜414とゲート導電膜416とを順次に蒸着する。前記ゲート絶縁膜414は酸化膜で形成し、前記ゲート導電膜416はポリシリコン膜で形成する。その後、前記ゲート導電膜416を前記ゲート絶縁膜414が露出するようにエッチバックして、積層されたチャンネル領域410とドレーン領域412の両側壁にゲート418を形成する。
本発明は、半導体基板400上に垂直に積層されるようにソース領域408、チャンネル領域410及びドレーン領域412を形成した後、その両側にゲート418を形成して垂直型トランジスタを適用することによって、FBC構造を有する半導体素子を製造することができる。また、前記FBC構造を有する半導体素子の製造時に垂直型トランジスタを適用することによって、平板型トランジスタが適用される従来の場合よりもセルサイズを減少させることができる。しかも、前記FBC構造を有する半導体素子の製造時に、高価であるSOIウェハーの代わりに一般的なシリコンウェハーを使用することができるため、従来よりも製造コストを節減することができる。
図4Fを参照すれば、前記ゲート418を含んだ半導体基板400上に前記ゲート418を覆うように層間絶縁膜420を蒸着する。次いで、前記ドレーン領域412が露出するまで前記層間絶縁膜420とゲート絶縁膜414とをエッチングして、コンタクトホールCを形成する。
図4Gを参照すれば、前記コンタクトホールCが形成された半導体基板400についてハローイオン注入工程を遂行して、前記ドレーン領域412とチャンネル領域410との界面にハローイオン注入層422を形成する。前記ハローイオン注入層422は、ホットキャリヤがより多く発生し得るようにする役割を果たし、これにより本発明によるFBC構造を有する半導体素子の書き込み速度を増加させることができる。
すなわち、前記ハローイオン注入層422は、パンチスルーを防止するだけでなく、ドレーン領域412の電界を選択的に増加させ、ソース領域408の接合漏洩電流が増加することを防止する役割を果たすので、本発明によるFBC構造を有する半導体素子の書き込み速度を効果的に増加させることができる。
図4Hを参照すれば、前記ハローイオン注入層422が形成された半導体基板400の結果物上に、前記コンタクトホールCを埋め込むようにビットライン用導電膜を蒸着する。その後、前記ビットライン用導電膜をエッチングして、前記ドレーン領域412とコンタクトされるビットライン424を形成する。
以後示さないが、公知の一連の後続工程を順次に遂行して本発明の実施例による半導体素子を完成する。
以上、ここでは本発明を特定の実施例に関連して示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載する本発明の精神と範囲を離脱しない限度内で本発明が多様に改造及び変形され得ることは当業者には容易に分かる。
300、400 半導体基板
308、408 ソース領域
310、410 チャンネル領域
312、412 ドレーン領域
314、414 ゲート絶縁膜
316、416 ゲート導電膜
318、418 ゲート
320、420 層間絶縁膜
322、422 ハローイオン注入層
324、424 ビットライン
402 第1のイオン注入層
404 シリコン層
406 第2のイオン注入層
C コンタクトホール
308、408 ソース領域
310、410 チャンネル領域
312、412 ドレーン領域
314、414 ゲート絶縁膜
316、416 ゲート導電膜
318、418 ゲート
320、420 層間絶縁膜
322、422 ハローイオン注入層
324、424 ビットライン
402 第1のイオン注入層
404 シリコン層
406 第2のイオン注入層
C コンタクトホール
Claims (20)
- 半導体基板、
前記半導体基板上に垂直に積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域、並びに
前記積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域の両側壁にゲート絶縁膜の介在下に形成されたゲート
を含むことを特徴とする半導体素子。 - 前記ソース領域はラインタイプから成り、前記チャンネル領域及びドレーン領域はパターンタイプから成ることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記ラインタイプのソース領域は、選択的不純物イオン注入を通じて前記半導体基板の表面内に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子。
- 前記ソース領域は、前記チャンネル領域との境界内にパターンタイプに形成された部分を更に含むことを特徴とする請求項3に記載の半導体素子。
- 前記パターンタイプのチャンネル領域及びドレーン領域は円筒形状に成ることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子。
- 前記ソース領域及びドレーン領域はN型不純物イオン注入層から成り、前記チャンネル領域はP型不純物イオン注入層から成ることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記ドレーン領域と前記チャンネル領域との界面に形成されたハローイオン注入層を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記ゲートが形成された半導体基板上に前記ドレーン領域を露出させるように形成された層間絶縁膜、及び前記層間絶縁膜上に前記露出したドレーン領域とコンタクトされるように形成されたビットラインを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 半導体基板の表面内にラインタイプに第1のイオン注入層を形成する段階、
前記第1のイオン注入層を含んだ半導体基板上にシリコン層を形成する段階、
前記シリコン層の表面内に第2のイオン注入層を形成する段階、
前記第2のイオン注入層を含んだシリコン層をエッチングして、垂直に積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域を形成する段階、並びに
前記垂直に積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域の両側壁にゲート絶縁膜を介在してゲートを形成する段階
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記ソース領域はラインタイプに形成し、前記チャンネル領域及びドレーン領域はパターンタイプに形成することを特徴とする請求項9に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記ソース領域は、前記第1のイオン注入層の一部厚さを一緒にエッチングして形成することを特徴とする請求項10に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記パターンタイプのチャンネル領域及びドレーン領域は円筒形状に形成することを特徴とする請求項10に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記ラインタイプのソース領域は、選択的不純物イオン注入を通じて前記半導体基板の表面内に形成することを特徴とする請求項10に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記ソース領域及びドレーン領域はN型不純物イオン注入層で形成し、前記チャンネル領域はP型不純物イオン注入層で形成することを特徴とする請求項9に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記シリコン層は、シリコンエピタキシャル成長工程で形成することを特徴とする請求項9に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記シリコン層は、P型不純物がドーピングされるように形成することを特徴とする請求項15に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記ゲートを形成する段階は、
前記垂直に積層されたソース領域、チャンネル領域及びドレーン領域を含んだ半導体基板上に、ゲート絶縁膜とゲート導電膜とを順次に形成する段階、並びに
前記ゲート絶縁膜が露出するように前記ゲート導電膜をエッチバックする段階、
を含むことを特徴とする請求項9に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記ゲートを形成する段階後、
前記ドレーン領域と前記チャンネル領域との界面にハローイオン注入層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項9に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記ゲートを形成する段階後、
前記ゲートが形成された半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階、
前記層間絶縁膜をエッチングしてドレーン領域を露出させる段階、及び
前記層間絶縁膜上に前記露出したドレーン領域とコンタクトされるビットラインを形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項9に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記ドレーン領域を露出させる段階後、かつ前記ビットラインを形成する段階前、
前記ドレーン領域と前記チャンネル領域との界面にハローイオン注入層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項19に記載の半導体素子の製造方法。
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2007
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