JP2009267327A - 半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 パンチスルー現象を改善し、ボディーの体積を増加させることのできる半導体素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体素子は、シリコン基板、埋め込み酸化膜およびシリコン層の積層構造からなり、前記シリコン層におけるゲート形成領域に、チャンネル幅方向に上端部よりも下端部の方が幅が広いフィンパターンが形成されたSOI基板と、前記フィンパターンを取り囲むように形成されたゲートと、前記ゲートの両側のシリコン層内に形成された接合領域とを含む。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体素子およびその製造方法に関するもので、パンチスルー現象を改善し、ボディーの体積を増加させることのできる半導体素子およびその製造方法に関する。
近来の半導体産業は、半導体素子の集積度を向上させて、製造歩留まりを高める方向に進んでいる。その一例として、FBC(Floating Body Cell)構造を有する半導体素子が提案された。FBC構造を有する半導体素子は、情報貯蔵用キャパシターが必要なく、これにより、キャパシターを有する通常のDRAM素子に比べ、高集積素子の製造への適用が有利であるという長所がある。
以下、従来のFBC構造を有する半導体素子およ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、ソース領域とドレイン領域との間の領域に該当するトランジスターのボディーがフローティングされた構造を有し、特に、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ーが設けられていない。
このようなFBC構造を有する半導体素子において、ワードラインを介してゲートに電圧が印加されてトランジスターがオンにされた後、ビットラインを介してドレイン領域に強い正電圧が印加されると、ホットキャリアーが発生し、このホットキャリアーによる衝突イオン化により、電子と正孔が生成される。前記電子は、ドレインに加わった高い電圧によりドレインに抜け出るが、前記ホールは、フローティングボディーに蓄積される。そして、蓄積されたホールにより、トランジスターのスレッショルド電圧(Vt)が低くなり、電圧印加時、多量の電流が流れるため、トランジスターがメモリーの役割をするようになる。例えば、FBC構造を有する半導体素子において、“0”状態は、ホールが蓄積されていない、スレッショルド電圧が高い状態であり、“1”状態は、ホールが蓄積されて、スレッショルド電圧が低い状態である。
このようなFBC構造を有する半導体素子は、キャパシターがなくても、DRAMセル動作が可能であるという長所を有し、このような長所は、今後、高集積素子を製造するための微細工程において、非常に有利に作用する。
一方、半導体素子のチャンネル領域を拡張するために、3次元構造のチャンネルを有する素子の実現を目指した研究が活発に進められており、その結果として、3次元構造のチャンネルを有するフィントランジスター(Fin Transistor)構造が提案された。
フィントランジスターは、素子分離領域をエッチングし、活性領域を突出させてフィンパターンを形成した後、突出した活性領域、即ち、フィンパターンを取り囲むようにゲートを形成した構造である。このようなフィントランジスターは、短チャンネル効果が抑えられ、活性領域の露出した三面ともにチャンネルが形成されて、チャンネルを介しての電流駆動特性が向上する長所がある。
しかしながら、上述のフィンパターンおよびFBC構造を適用する従来の半導体素子の場合、ボディーの面積が減少して、ボディーに正孔が貯蔵された時と、正孔が抜け出した時とのスレッショルド電圧差が小さく、このため、“1”または“0”のデータを区分し難い。
前記ボディーの面積を増加させるために、前記フィンパターンの幅を増加させると、後続の処理において、コンタクトプラグとコンタクトするフィンパターンの上端部でパンチスルー現象が生じる。
本発明の実施形態は、フローティングボディーの大きさを増加させた半導体素子およびその製造方法を提供する。
また、本発明の実施形態は、パンチスルー現象の発生がない半導体素子およびその製造方法を提供する。
本発明の一実施形態による半導体素子は、シリコン基板、埋め込み酸化膜およびシリコン層の積層構造からなり、前記シリコン層におけるゲート形成領域に、チャンネル幅方向に上端部よりも下端部の方が幅が広いフィンパターンが形成されたSOI基板と、前記フィンパターンを取り囲むように形成されたゲートと、前記ゲートの両側のシリコン層内に形成された接合領域とを含む。
前記フィンパターンは、上端部で30〜40nmの幅を有し、下端部で50〜70nmの幅を有する。
前記接合領域は、前記シリコン層の表面から埋め込み酸化膜に近づくほど、その濃度が段々低くなるような濃度勾配を有する。
また、本発明の実施形態による半導体素子は、前記ゲートおよび接合領域が形成されたSOI基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内に前記接合領域とコンタクトするように形成されたコンタクトプラグとをさらに含む。
前記コンタクトプラグは、1.0×1020〜2.0×1020イオン/cmの濃度を有するポリシリコン膜からなる。
本発明の他の実施形態による半導体素子の製造方法は、シリコン基板、埋め込み酸化膜およびシリコン層の積層構造からなるSOI基板の前記シリコン層をエッチングして、活性領域を形成する工程と、前記活性領域におけるチャンネル幅方向のゲート形成領域の両側縁部分をリセス(recess)して、上端部よりも下端部の方が幅が広いフィンパターンを形成する工程と、前記フィンパターンを取り囲むようにゲートを形成する工程と、前記ゲートの両側の活性領域内に接合領域を形成する工程とを含む。
前記フィンパターンを形成する工程は、前記活性領域上に、チャンネル幅方向にゲート形成領域の両側縁部分を露出させるマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンをエッチングマスクとして、前記露出させた活性領域部分をリセスする工程と、前記マスクパターンを除去する工程とを含む。
前記露出させた活性領域部分をリセスする工程は、前記露出させた活性領域部分が300〜500Åの厚さ除去されるように行う。
前記フィンパターンは、上端部で30〜40nmの幅を有し、下端部で50〜70nmの幅を有するように形成する。
また、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法は、前記フィンパターンを形成する工程の後、且つ前記フィンパターンを取り囲むようにゲートを形成する工程の前に、前記フィンパターンを除く他の活性領域の表面上にライナー絶縁膜を形成する工程をさらに含む。
前記接合領域は、N型不純物を1.0×1013〜1.0×1014イオン/cmのドーズおよび20〜50keVのエネルギーでイオン注入して形成する。
前記接合領域は、前記活性領域表面から埋め込み酸化膜に近づくほど、その濃度が段々低くなるような濃度勾配を有するように形成する。
さらに、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法は、前記接合領域を形成する工程の後、前記ゲートおよび接合領域が形成されたSOI基板上に、前記ゲート間の空間を埋め込むように層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜をエッチングし前記接合領域を露出させるコンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホール内に、前記接合領域とコンタクトするコンタクトプラグを形成する工程とをさらに含む。
前記コンタクトプラグは、1.0×1020〜2.0×1020イオン/cmの濃度を有するポリシリコン膜から形成する。
本発明は、活性領域をエッチングして、前記活性領域のゲート形成領域に、上端部よりも下端部の方が広い幅を有するフィンパターンを形成し、前記フィンパターンを取り囲むようにゲートを形成することによって、幅の狭いフィンパターンの上端部では、パンチスルー現象を改善することができ、幅の広いフィンパターンの下端部では、ボディー部分の体積を増加させることができる。
以下、添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態による半導体素子を説明するための平面図であり、図2および図3は、図1のX−X’線およびY−Y’線にそれぞれ対応する、本発明の実施形態による半導体素子を説明するための断面図である。
図1〜図3を参照すると、シリコン基板100、埋め込み酸化膜(絶縁膜)102およびシリコン層104の積層構造からなるSOI基板106が備えられている。前記シリコン層104は、活性領域ARを定義するようにエッチングされている。前記活性領域ARは、チャンネル幅方向にゲート形成領域Gの両側縁部分がリセスされて、中央部が突出したフィンパターンFを備える。前記フィンパターンFは、上端部よりも下端部の方がで広い幅を有する。具体的に、前記フィンパターンFは、上端部では30〜40nmの幅W1を有し、下端部では50〜70nmの幅W2を有する。
前記フィンパターンFを含むSOI基板106のゲート形成領域Gに、例えば、ゲート絶縁膜112とゲート導電膜114の積層構造を含むゲート116が形成されている。前記ゲート116は、前記活性領域ARのフィンパターンFを取り囲むように形成されており、前記SOI基板106上で前記活性領域ARと垂直な方向に延びるライン形状を有する。
前記ゲート116両側の活性領域AR内に、接合領域120が形成されている。前記接合領域120は、その下端部がSOI基板106の埋め込み酸化膜102と接するように形成されており、これにより、本発明の半導体素子は、前記接合領域120間の活性領域AR部分がフローティングされたフローティングボディーセル構造(以下、FBC構造という)を有する。したがって、本発明の実施形態による半導体素子は、前記ボディー部分に正孔を蓄積することができ、蓄積された正孔によるスレッショルド電圧の変動を通じてデータを読み出すことができるため、情報を貯蔵するための別途のキャパシターを必要としない。
前記ゲート116および接合領域120が形成されたSOI基板106上に、前記ゲート116間の空間を埋め込むように層間絶縁膜122が形成されている。前記層間絶縁膜122内に、前記接合領域120とコンタクトするように、コンタクトプラグ124が形成されている。
図1において、符号110は、ライナー絶縁膜を示す。
上述のように、本発明の実施形態による半導体素子は、ゲート形成領域Gに、上端部よりも下端部の方が広い幅を有するフィンパターンFを備えることにより、狭い幅を有するフィンパターンFの上端部においてパンチスルーを改善することができ、広い幅を有するフィンパターンFの下端部においてボディー部分の体積を増加させることができる。
図4A〜図4Hは、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための工程別の平面図であり、図5A〜図5Hおよび図6A〜図6Hは、図4A〜図4HのX−X’線およびY−Y’線にそれぞれ対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための工程別の断面図であって、これらを説明すると、以下のようである。
図4A、図5Aおよび図6Aを参照すると、シリコン基板100、埋め込み酸化膜102およびシリコン層104の積層構造からなるSOI基板106の前記シリコン層104をエッチングして、活性領域ARを形成する。
図4B、図5Bおよび図6Bを参照すると、前記活性領域AR上に、ゲート形成領域Gの一部を、好ましくは、チャンネル幅方向に前記活性領域ARのゲート形成領域Gの両側縁部分を露出させるマスクパターン108を形成する。図示してはいないが、前記マスクパターン108は、前記活性領域ARおよび絶縁層102を含むSOI基板106の全面上に形成することも可能である。
図4C、図5Cおよび図6Cを参照すると、前記マスクパターンをエッチングマスクとして、前記活性領域ARの一部厚さを、好ましくは、300〜500Åの厚さをリセスする。その後、前記マスクパターンを除去する。この結果、前記活性領域ARのゲート形成領域Gに、上端部よりも下端部の方が広い幅を有するフィンパターンFが形成される。具体的には、前記フィンパターンFは、上端部で30〜40nmの幅W1を有し、下端部で50〜70nmの幅W2を有する。
図4D、図5Dおよび図6Dを参照すると、前記フィンパターンFが形成された活性領域ARの表面上に、ライナー絶縁膜110を形成する。前記ライナー絶縁膜110は、例えば、シリコン酸化膜(SiO)およびシリコン窒化膜(SiN)の積層構造を含む。前記フィンパターンFの表面上に形成されたライナー絶縁膜110部分を除去し、その結果、前記フィンパターンFを除いた他の活性領域ARの表面上にのみライナー絶縁膜110が形成される。
図4E、図5Eおよび図6Eを参照すると、前記ライナー絶縁膜110が除去されたフィンパターンFの表面上に、ゲート絶縁膜112を形成する。前記ゲート絶縁膜112は、例えば、酸化工程を利用して酸化膜として形成する。この際、前記酸化工程により、前記フィンパターンFの縁部分がラウンディングされることもある。前記ゲート絶縁膜112が形成されたSOI基板106の全面上に、ゲート導電膜114とゲートハードマスク膜(図示せず)を順次形成する。前記ゲート導電膜114は、例えば、ポリシリコン膜および金属系膜の積層構造を含み、前記ゲートハードマスク膜は、シリコン窒化膜を含む。
前記ゲートハードマスク膜とゲート導電膜114およびゲート絶縁膜112をエッチングして、前記活性領域ARのフィンパターンFを取り囲むゲート116を形成する。前記ゲート116は、前記活性領域ARと垂直な方向に延びるライン形状を有するように形成する。前記ゲート116の両側壁にスペーサー118を形成する。
図4F、図5Fおよび図6Fを参照すると、前記ゲート116の両側の活性領域AR内に、接合領域120を形成する。前記接合領域120は、例えば、N型不純物であるリンのイオン注入工程を通じて形成し、前記イオン注入工程は、好ましくは、1.0×1013〜1.0×1014イオン/cmのドーズおよび20〜50keVのエネルギーで行う。この際、前記接合領域120は、前記活性領域ARの表面から埋め込み絶縁膜102に近づくほど、その濃度が段々低くなり、その結果、幅の狭いフィンパターンFの上端部の両側には、相対的に高濃度の接合領域120が形成され、且つ、幅の広いフィンパターンFの下端部の両側には、相対的に低濃度の接合領域120が形成される。
ここで、前記接合領域120は、その下端部がSOI基板106の埋め込み酸化膜102と接するように形成する。したがって、本発明の半導体素子は、前記接合領域120間の活性領域AR部分がフローティングされたFBC構造を有し、これにより、前記フローティングされたボディー部分に正孔を貯蔵することができる。したがって、本発明は、情報貯蔵用キャパシターを形成するための別途の工程が必要ない。
図4G、図5Gおよび図6Gを参照すると、前記接合領域120が形成されたSOI基板106の結果物上に、前記ゲート116および接合領域120を覆うように層間絶縁膜122を形成する。前記ゲート116が露出するように、前記層間絶縁膜122をCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理する。前記層間絶縁膜122は、ゲート116間の空間を埋め込んで、前記ゲート116間の絶縁層の役割をするだけではなく、活性領域AR間の空間を埋め込んで、素子分離用絶縁層の役割をする。
図4H、図5Hおよび図6Hを参照すると、前記層間絶縁膜122をエッチングして、前記接合領域120を露出させるコンタクトホールを形成した後、前記コンタクトホール内に前記接合領域120とコンタクトするコンタクトプラグ124を形成する。前記コンタクトプラグ124は、好ましくは、1.0×1020〜2.0×1020イオン/cmの濃度を有するポリシリコン膜から形成する。
一方、前記コンタクトホールは、前記層間絶縁膜122およびその下の接合領域120部分の一部まで過度にエッチングされて形成されることもあり、この場合、前記コンタクトプラグ124は、前記フィンパターンFの上端部と少なくとも一部分以上コンタクトするように形成することも可能である。
その後、図示してはいないが、公知の一連の後続工程を順次行い、本発明の実施形態による半導体素子の製造を完成する。
上述のように、本発明の実施形態では、活性領域のゲート形成領域の両側縁部分をエッチングして、上端部よりも下端部の方が幅が広いフィンパターンを形成し、前記フィンパターンを取り囲むようにゲートを形成し、前記ゲートの両側に接合領域および前記接合領域とコンタクトするコンタクトプラグを形成する。これにより、本発明は、前記接合領域およびSOI基板の絶縁層により取り囲まれたボディー部分がフローティングされて、前記フローティングされたボディー部分に正孔を貯蔵することができるため、キャパシターを形成する必要がない。したがって、本発明は、高集積素子の製造時に有利であるという長所がある。
また、本発明は、広い幅を有するフィンパターンの下端部で、前記ボディー部分の体積を従来よりも増加させることができるため、前記ボディーに正孔が貯蔵された時と前記正孔が抜け出した時とのスレッショルド電圧差を増加させることができ、これにより、センシングマージンを効果的に向上させることができる。
さらに、本発明は、狭い幅を有するフィンパターンの上端部の両側に、相対的に高濃度の接合領域を形成することにより、パンチスルー現象を改善することができる。のみならず、前記幅の狭いフィンパターンの上端部と一部がコンタクトする高濃度のコンタクトプラグを形成することにより、前記パンチスルー現象をさらに改善することができる。
なお、本発明は、活性領域のゲート形成領域にゲートを形成した後、前記活性領域およびゲート間を埋め込むように層間絶縁膜を形成することにより、素子分離膜の形成工程を省くことができて、これにより、半導体素子の製造工程を単純化することができる。
以上、本発明を詳細に且つ特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。
本発明の実施形態による半導体素子を説明するための平面図である。 図1のX−X’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子を説明するための断面図である。 図1のY−Y’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための初期工程での平面図である。 本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図4Aに続く工程での平面図である。 本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図4Bに続く工程での平面図である。 本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図4Cに続く工程での平面図である。 本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図4Dに続く工程での平面図である。 本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図4Eに続く工程での平面図である。 本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図4Fに続く工程での平面図である。 本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図4Gに続く工程での平面図である。 図4AのX−X’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための初期工程での断面図である。 図4BのX−X’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図5Aに続く工程での断面図である。 図4CのX−X’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図5Bに続く工程での断面図である。 図4DのX−X’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図5Cに続く工程での断面図である。 図4EのX−X’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図5Dに続く工程での断面図である。 図4FのX−X’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図5Eに続く工程での断面図である。 図4GのX−X’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図5Fに続く工程での断面図である。 図4HのX−X’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図5Gに続く工程での断面図である。 図4AのY−Y’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための初期工程での断面図である。 図4BのY−Y’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図6Aに続く工程での断面図である。 図4CのY−Y’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図6Bに続く工程での断面図である。 図4DのY−Y’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図6Cに続く工程での断面図である。 図4EのY−Y’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図6Dに続く工程での断面図である。 図4FのY−Y’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図6Eに続く工程での断面図である。 図4GのY−Y’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図6Fに続く工程での断面図である。 図4GのY−Y’線に対応する、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図6Gに続く工程での断面図である。
符号の説明
100 シリコン基板
102 絶縁層
104 シリコン層
106 SOI基板
110 ライナー絶縁膜
116 ゲート
120 接合領域
122 層間絶縁膜
124 コンタクトプラグ
A 活性領域
F フィンパターン
G ゲート形成領域

Claims (15)

  1. シリコン基板、埋め込み酸化膜およびシリコン層の積層構造からなり、前記シリコン層におけるゲート形成領域に、チャンネル幅方向に上端部よりも下端部の方が幅が広いフィンパターンが形成されたSOI基板と、
    前記フィンパターンを取り囲むように形成されたゲートと、
    前記ゲートの両側のシリコン層内に形成された接合領域と
    を含むことを特徴とする半導体素子。
  2. 前記フィンパターンは、上端部で30〜40nmの幅を有し、下端部で50〜70nmの幅を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
  3. 前記接合領域は、前記シリコン層の表面から埋め込み酸化膜に近づくほど、その濃度が段々低くなるような濃度勾配を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
  4. 前記ゲートおよび接合領域が形成されたSOI基板上に形成された層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜内に前記接合領域とコンタクトするように形成されたコンタクトプラグとをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
  5. 前記コンタクトプラグは、1.0×1020〜2.0×1020イオン/cmの濃度を有するポリシリコン膜からなることを特徴とする請求項4に記載の半導体素子。
  6. シリコン基板、埋め込み酸化膜、およびシリコン層の積層構造からなるSOI基板の前記シリコン層をエッチングして、活性領域を形成する工程と、
    前記活性領域におけるチャンネル幅方向のゲート形成領域の両側縁部分をリセスして、上端部よりも下端部の方が幅が広いフィンパターンを形成する工程と、
    前記フィンパターンを取り囲むようにゲートを形成する工程と、
    前記ゲートの両側の活性領域内に接合領域を形成する工程と
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  7. 前記フィンパターンを形成する工程は、
    前記活性領域上に、チャンネル幅方向にゲート形成領域の両側縁部分を露出させるマスクパターンを形成する工程と、
    前記マスクパターンをエッチングマスクとして、前記露出させた活性領域部分をリセスする工程と、
    前記マスクパターンを除去する工程と
    を含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  8. 前記露出させた活性領域部分をリセスする工程は、前記露出させた活性領域部分が300〜500Åの厚さ除去されるように行うことを特徴とする請求項7に記載の半導体素子の製造方法。
  9. 前記フィンパターンは、上端部で30〜40nmの幅を有し、下端部で50〜70nmの幅を有することを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  10. 前記フィンパターンを形成する工程の後、且つ前記フィンパターンを取り囲むようにゲートを形成する工程の前に、前記フィンパターンを除く他の活性領域の表面上にライナー絶縁膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  11. 前記接合領域は、N型不純物を1.0×1013〜1.0×1014イオン/cmのドーズでイオン注入して形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  12. 前記接合領域は、N型不純物を20〜50keVのエネルギーでイオン注入して形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  13. 前記接合領域は、前記活性領域表面から埋め込み酸化膜に近づくほど、その濃度が段々低くなるような濃度勾配を有するように形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  14. 前記接合領域を形成する工程の後、
    前記ゲートおよび接合領域が形成されたSOI基板上に、前記ゲート間の空間を埋め込むように層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜をエッチングし前記接合領域を露出させるコンタクトホールを形成する工程と、
    前記コンタクトホール内に、前記接合領域とコンタクトするコンタクトプラグを形成する工程とをさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  15. 前記コンタクトプラグは、1.0×1020〜2.0×1020イオン/cmの濃度を有するポリシリコン膜から形成することを特徴とする請求項14に記載の半導体素子の製造方法。
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