JP2009252814A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Si基板1上に形成されたSi層68と、Si層68上に絶縁膜2を介して形成されたSi層3と、Si層3を平面視で囲むようにSi基板1上に形成された絶縁膜4とを有し、絶縁膜4が絶縁膜2よりも厚く形成されたSOI基板10に、MOSトランジスタ50を形成する方法であって、Si層3上にゲート絶縁膜5を介してゲート電極6を形成する工程と、ゲート電極6の両側にS/D層20を形成する工程と、を含み、S/D層20を形成する工程は、ゲート電極6が形成される領域の両側に位置する端部領域のSi層3に不純物層7を形成する工程と、不純物層7と接触する導電膜8を、不純物層7上から絶縁膜4上にかけて形成する工程と、を有する。
【選択図】図2
Description
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、バックゲート電極を有するMOSトランジスタのS/D層について、その抵抗を小さくすることができ、且つ、その寄生容量を低減できるようにした半導体装置の製造方法及び半導体装置の提供を目的とする。
ここで、「半導体基板」は例えばバルクのシリコンSOI基板である。また、「ゲート電極」は、例えば、不純物を含むことにより導電性を有する半導体膜、又は、金属膜である。上記半導体膜としては、例えば、ポリシリコン(Poly−Si)膜が挙げられる。
発明8の半導体装置によれば、S/D層全体の抵抗を低減することができると共に、その寄生容量を小さくすることができる。また、第1半導体層を例えばバックゲート電極として機能させることができ、その場合は、バックゲートバイアスによりMOS電界効果トランジスタの閾値電圧を制御することができる。
(1)第1実施形態
(半導体装置の構成について)
図1及び図2は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の構成例を示す図であり、図1は平面図、図2は図1をA1−A´1線で切断したときの断面図である。
図2に示すように、導電膜8は、ゲート電極6と離間して(即ち、間を離して)、不純物層7上から絶縁膜4上にかけて形成されており、そのゲート電極6側の端部は不純物層7と直(じか)に接している。
図3〜図16は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図であり、図3(a)〜図16(a)は平面図、図3(b)〜図16(b)は図3(a)〜図16(a)をA3−A´3〜A16−A´16線でそれぞれ切断したときの断面図、図3(c)〜図16(c)は図3(a)〜図16(a)をB3−B´3〜B16−B´16線でそれぞれ切断したときの断面図である。
次に、図5(a)〜(c)に示すように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、Si3N4膜15、SiO2膜13、Si層3、SiGe層11をそれぞれ部分的にエッチングする。これにより、Si層3下からSi層68の表面が部分的に露出すると共に、Si層68とSi層3の平面視による形状(即ち、平面形状)が設定される。
次に、図9(a)〜(c)に示すように、例えばCVD法により、Si基板1の上方全面に例えばSiO2膜25を形成して空洞部や溝を完全に埋め込む。これにより、SiO2膜25からなる絶縁膜(BOX層)2と、同じくSiO2膜25からなる絶縁膜66とが完成する。BOX層の厚さは例えば100nm以下である。
次に、端部領域36のSi層3(即ち、LDD層33)の表面と直(じか)に接するように、SOI基板10の上方全面にポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜の厚さは例えば100〜500nmであり、その形成は例えばCVD法により行う。ここでは、ポリシリコン膜をSi層3よりも厚く形成することが好ましい。
次に、ポリシリコン膜に不純物をイオン注入し熱処理を施して、図14(a)〜(c)に示すように、ポリシリコン膜からなる導電膜8を形成すると共に、不純物層7を形成する。ここでは、ポリシリコン膜だけでなく、ポリシリコン膜と直に接するSi層3(即ち、LDD層33)にも不純物を熱拡散させて、LDD層33よりも不純物濃度が高い不純物層7を形成する。このようにして、不純物層7と導電膜8とからなるS/D層20を形成する。
次に、CVD法でSOI基板10上の全面に層間絶縁膜71を形成する。この層間絶縁膜71は例えばシリコン酸化膜である。そして、この層間絶縁膜71の表面を例えばCMPで平坦化する。次に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術とを用いて層間絶縁膜71を部分的にエッチングする。
その後、図16(a)〜(c)に示すように、コンタクトホール内にアルミニウム(Al)配線、又は、タングステン(W)等の高融点金属からなるプラグ電極81、82、83を形成する。これにより、ゲート電極6と、S/D層20と、バックゲート電極69とが層間絶縁膜71上に引き出され、SOI構造のMOSトランジスタ50が完成する。
さらに、SBSI法においては、絶縁膜2とSi層3からなる、いわゆるSOI構造の平面的大きさに制限がある。しかしながら、本発明によれば、Al配線又はプラグ電極を導電膜8上に配置することができるので、S/D層20のうちのSi層3に形成される部分(即ち、不純物層7)を小さくすることができる。従って、不純物層7を小さくした分だけ、チャネル領域を大きくすることができる。これにより、例えば図1に示したように、長いチャネル長Lと、長いチャネル幅Wを有するMOSトランジスタ50を、SOI基板10上に形成することができる。
上述の第1、第2実施形態では、プラグ電極83を他のプラグ電極81、82と共に一度に形成する場合について説明した。しかしながら、この方法では、コンタクトホールH3は他のコンタクトホールH1、H2よりも深さがあるので、例えば、コンタクトホールH1の底面となるゲート電極6にエッチングダメージが生じたり、その逆に、コンタクトホールH3がアンダーエッチとなったりする可能性がある。また、タングステン等の電極材料がコンタクトホールH3の奥深くまで十分に形成されない可能性もある。そこで、本発明では、このような可能性を低減するために、プラグ電極83を2回に分けて形成しても良い。
この第2実施形態では、プラグ電極83a、83bからなるプラグ電極83が本発明の「第1半導体層にコンタクトする電極」に対応している。その他の対応関係は第1実施形態と同じである。
上記の第1、第2実施形態では、バックゲート電極69にコンタクトするプラグ電極83をゲート電極6から平面視で離れた位置に形成する場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限られることはない。例えば、プラグ電極83をゲート電極6と平面視で重なる位置に形成しても良い。
Si層3の直下から外れた位置にあるSi層68上にコンタクトホールを形成し、そこに例えばタングステン等の高融点金属からなるプラグ電極83´を形成する。次に、図19(b)に示すようにゲート絶縁膜5を形成する。そして、プラグ電極83´を覆うようにゲート電極6を形成し、続いて、サイドウォール35等を形成する。その後、図19(c)に示すように、層間絶縁膜71を形成する。層間絶縁膜71の形成後、コンタクトホールH1、H2(例えば、図15参照。)を形成し、そこにプラグ電極81とプラグ電極82(例えば、図16参照。)をそれぞれ形成する。これにより、プラグ電極83´の真上にゲート電極6を有するMOSトランジスタ50´が完成する。
この第3実施形態では、プラグ電極83´が本発明の「第1半導体層にコンタクトする電極」に対応している。その他の対応関係は第1実施形態と同じである。
上記の第1〜第3実施形態では、SBSI法において、Si基板1上にSiGe層73と、Si層68と、SiGe層11と、Si層3とを連続して成膜することによって、バックゲート電極を有するSOI基板を形成することについて説明した。また、第1、第2実施形態では、上記SOI基板において、バックゲート電極とコンタクトするプラグ電極を、ゲート電極とSOI層の両方から平面視で離れた位置であって、ゲート電極の長手方向の端部と平面視で向かい合う位置に形成する場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限られることはない。上記以外の方法であっても、バックゲート電極を有するSOI基板を形成することができ、このSOI基板にS/D層20を有するMOSトランジスタを形成することができる。
次に、図36(a)〜(c)に示すように、ポリシリコン膜に不純物をイオン注入し熱処理を施して、ポリシリコン膜からなる導電膜8を形成すると共に、不純物層7を形成する。これにより、第1実施形態と同様、不純物層7と導電膜8とからなるS/D層20を形成する。次に、図37(a)〜(c)に示すように、ソース側又はドレイン側の少なくとも一方の導電膜8と不純物層7とを順次、部分的にエッチングして、バックゲート電極69を底面の一部とする開口部h3を形成する。
この第4実施形態では、SOI基板10´が本発明の「基板」に対応し、ポリシリコン膜69が本発明の「第1半導体層」に対応している。また、MOSトランジスタ60が本発明の「MOS電界効果トランジスタ」に対応している。その他の対応関係は、第1実施形態と同じである。
なお、上述の第1〜第4実施形態では、バックゲート電極の電位を固定する場合について説明した。しかしながら、本発明では、これらのバックゲート電極の電位を浮遊させても良い。バックゲート電極の電位を浮遊させる場合は、バックゲート電極を層間絶縁膜上に引き出す必要はないので、例えば、上記のコンタクトホールH3(又は、開口部h3とコンタクトホールH3´)を形成しない。その代わりに、バックゲート電極の形成工程で、Si層68(又は、ポリシリコン膜69)とSi層3とが異なる仕事関数を持つように、Si層68(又は、ポリシリコン膜69)の導電型とその不純物濃度を例えばin−Situで調整する。これにより、Si層68(又は、ポリシリコン膜69)とSi層3との間には仕事関数差に依存して微小な電界が生じ、この微小な電界がバックゲートバイアスとして作用する。例えば、Si層68(又は、ポリシリコン膜69)の導電型がp+の場合は、Si層3に正(+)のバックゲートバイアスを与えることができる。また、Si層68(又は、ポリシリコン膜69)の導電型がn+の場合は、Si層3に負(−)のバックゲートバイアスを与えることができる。よって、MOSトランジスタ50(又は、MOSトランジスタ60)の閾値調整に寄与することができる。
Claims (8)
- 半導体基板上に基板部を形成する工程と、
前記基板部上にMOS電界効果トランジスタを形成する工程と、を含み、
前記基板部は、
前記半導体基板上に形成された第1半導体層と、前記第1半導体層上に第1絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、前記第2半導体層を平面視で囲むように前記半導体基板上に形成され、且つ前記第1絶縁膜よりも厚く形成された第2絶縁膜とを有し、
前記MOS電界効果トランジスタを形成する工程は、
前記第2半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側にソース又はドレインを形成する工程と、を含み、
前記ソース又はドレインを形成する工程は、
前記第2半導体層に不純物を導入して不純物層を形成する工程と、
前記不純物層と接触する導電膜を、前記不純物層上から前記第2絶縁膜上にかけて形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記導電膜を形成する工程では、当該導電膜を前記半導体層よりも厚く形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記基板部を形成する工程は、
前記半導体基板上に第1犠牲半導体層と、前記第1半導体層と、第2犠牲半導体層及び前記第2半導体層を順次形成する工程と、
前記第2半導体層と、前記第2犠牲半導体層と、前記第1半導体層及び前記第1犠牲半導体層をエッチングして、前記第2半導体層と、前記第2犠牲半導体層と、前記第1半導体層及び前記第1犠牲半導体層を貫く第1溝を形成する工程と、
少なくとも前記第1溝内に第1絶縁層を形成して、当該第1絶縁層により前記第2半導体層と前記第1半導体層とを支持する工程と、
少なくとも前記第2半導体層と前記第2犠牲半導体層及び前記第1半導体層をエッチングして、前記第2犠牲半導体層と前記第1犠牲半導体層とを露出させる第2溝を形成する工程と、
前記第2溝を介して第1犠牲半導体層をエッチングすることにより、前記第1半導体層と前記半導体基板との間に第1空洞部を形成する工程と、
前記第2溝を介して前記第2犠牲半導体層をエッチングすることにより、前記第2半導体層と前記第1半導体層との間に第2空洞部を形成する工程と、
前記第1空洞部内に前記第1絶縁膜を形成して当該第1空洞部を埋め込む工程と、
前記第2空洞部内に前記第1絶縁膜を形成して当該第2空洞部を埋め込む工程と、
前記第1空洞部を埋め込む工程と前記第1空洞部を埋め込む工程との後で、前記第2溝内に第2絶縁層を形成して当該第2溝を埋め込む工程と、を有し、
前記第2絶縁膜には、前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層が含まれることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記基板を形成する工程をさらに含み、当該基板を形成する工程は、
前記半導体基板上に犠牲半導体層と前記第2半導体層とを順次形成する工程と、
前記第2半導体層と前記犠牲半導体層とを部分的にエッチングして、前記第2半導体層と前記犠牲半導体層とを貫く第1溝を形成する工程と、
少なくとも前記第1溝内に第1絶縁層を形成して、当該第1絶縁層により前記第2半導体層を支持する工程と、
少なくとも前記第2半導体層をエッチングして、前記犠牲半導体層を露出させる第2溝を形成する工程と、
前記第2溝を介して前記犠牲半導体層をエッチングすることにより、前記第2半導体層と前記半導体基板との間に空洞部を形成する工程と、
前記空洞部を残しつつ、当該空洞部の内部に面する前記第2半導体層の下面及び前記半導体基板の上面にそれぞれ前記第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜を形成する工程の後で、前記空洞部内に前記第1半導体層を形成して当該空洞部を埋め込む工程と、
前記空洞部を埋め込む工程の後で、前記第2溝内に第2絶縁層を形成して当該第2溝を埋め込む工程と、を有し、
前記第2絶縁膜には、前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層が含まれることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1半導体層にコンタクトする電極を、前記ゲート電極と前記第2半導体層の両方から平面視で離れた位置に形成する工程、をさらに含むことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1半導体層にコンタクトする電極を形成する工程は、当該電極を前記ゲート電極と前記第2半導体層の両方から平面視で離れた位置であって、前記ゲート電極の長手方向の端部と平面視で向かい合う位置に形成する工程である、ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1半導体層にコンタクトする電極を、前記第2半導体層から平面視で離れ、且つ、前記ゲート電極と平面視で重なる位置に形成する工程、をさらに含むことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 基板部と、前記基板部に形成されたMOS電界効果トランジスタとを備えた半導体装置であって、
前記基板部は、
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第1半導体層と、
前記第1半導体層上に第1絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、
前記第1絶縁膜よりも厚く、且つ、少なくとも前記第2半導体層を平面視で囲むように前記半導体基板上に形成された第2絶縁膜と、を有し、
前記MOS電界効果トランジスタは、
前記第2半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に形成されたソース又はドレインと、を有し、
前記ソース又はドレインは、
前記ゲート電極の両側に位置する端部領域の前記半導体層に形成された不純物層と、
前記不純物層と接触して、当該不純物層上から前記第2絶縁膜上にかけて形成された導電膜と、を含むことを特徴とする半導体装置。
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