JP2010073859A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置、特に縦型SGT(Surround Gate Transistor)及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, in particular, a vertical SGT (Surround Gate Transistor) and a method for manufacturing the same.
従来のプレーナ型MOSトランジスタでは、微細化の進展に伴い、短チャネル効果に起因したリーク電流の抑制が困難になっており、それに代わるトランジスタとして、縦型SGT(Surround Gate Transistor)の開発が進められている(特許文献1、2)。
In conventional planar MOS transistors, with the progress of miniaturization, it is difficult to suppress leakage current due to the short channel effect, and vertical SGT (Surround Gate Transistor) is being developed as an alternative transistor. (
図27に従来の縦型SGTの断面図を示す。100はシリコン基板で、シリコンをエッチングすることにより円筒形状(ピラー形状)のボディ領域101が形成されている。ボディ領域101の表面にはゲート絶縁膜105を介してゲート電極102がボディ領域の側面部を囲むように形成されている。ゲート電極102の外周部には、シリコン基板100にN型の不純物を導入したソース領域(またはドレイン領域)104が形成されている。ボディ領域の上部には、N型の不純物を導入したドレイン領域(またはソース領域)103が形成されている。
FIG. 27 shows a cross-sectional view of a conventional vertical SGT.
従来の縦型SGTにおいて、オン電流を向上させるには、ボディ領域101のサイズ(円筒の直径)を大きくすればよいが、閾値電圧の変動が大きく、トランジスタの占有面積も増えてしまうと言う問題点があった。また、ボディ領域101のサイズ拡大に伴い、ボディ領域中心部におけるゲート電極102の制御が弱くなるため、オフ電流が増加すると言う問題点もあった。
In the conventional vertical SGT, in order to improve the on-current, the size of the body region 101 (cylinder diameter) may be increased. However, the threshold voltage greatly varies and the area occupied by the transistor also increases. There was a point. Further, as the size of the
そこで、ボディ領域を中空形状とし、内側の領域にゲート電極とソース領域またはドレイン領域の一方を形成した縦型SGTが提案されている(特許文献3)。
しかしながら、特許文献3の縦型SGTは、構造が複雑で、製造が容易では無いと言う問題があった。
However, the vertical SGT of
以上のように、従来の技術では、ボディ領域のサイズ(円筒の直径)を大きくすると、閾値電圧の変動が大きくなり、トランジスタの占有面積が増える問題があった。また、ボディ領域のサイズ拡大に伴い、ボディ領域中心部におけるゲート電極の制御が弱くなるため、オフ電流が増加すると言う問題もあった。
更に、ボディ領域を中空形状とし、内側の領域にゲート電極とソース領域またはドレイン領域の一方を形成した縦型SGTでは、構造が複雑で、製造が容易では無いと言う問題があった。
As described above, in the conventional technique, when the size of the body region (cylinder diameter) is increased, there is a problem that the variation of the threshold voltage increases and the area occupied by the transistor increases. Further, as the size of the body region is increased, the control of the gate electrode in the center of the body region becomes weak, and there is a problem that the off current increases.
Furthermore, the vertical SGT in which the body region has a hollow shape and one of the gate electrode and the source region or the drain region is formed in the inner region has a problem that the structure is complicated and the manufacture is not easy.
本発明の半導体装置は、中空筒状に形成された半導体のボディ部と、前記ボディ部の下部に形成され、ソースおよびドレイン領域の一方となる第1の領域と、前記ボディ部の上部に形成され、ソースおよびドレイン領域の他方となる第2の領域と、前記ボディ部の前記第1の領域と前記第2の領域に挟まれた領域に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域の内周面および外周面をゲート絶縁膜を介して覆うように形成されたゲート電極と、前記第1の領域に接するように前記ボディ部の下方に形成され、前記第1の領域と同じ導電型の半導体層からなる第3の領域とを、備えたことを特徴とする。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、第1導電型の第1の半導体層を形成する第1の工程と、前記第1の半導体層上に第2導電型の第2の半導体層を形成する第2の工程と、前記第2の半導体層上に第1導電型の第3の半導体層を形成する第3の工程と、前記第1の半導体層の一部を残しつつ、前記第1の半導体層の残部と前記第2および第3の半導体層をエッチングして中空筒状のボディ部を形成する第4の工程と、前記ボディ部の少なくとも前記第2の半導体層の内周面および外周面を覆うようにゲート絶縁膜を形成する第5の工程と、前記ボディ部の中空部および外周部にゲート電極を形成する第6の工程と、を備えたことを特徴とする。
更に、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の主表面から突出するように、中空筒状で第2導電型の半導体のボディ部を形成する工程と、前記ボディ部の上部に第1導電型の不純物を導入すると同時に、前記ボディ部で覆われていない前記半導体基板の主表面に第1導電型の不純物を導入する工程と、前記半導体基板の主表面に導入された第1導電型の不純物を熱拡散させて、前記ボディ部の下部に第1導電型の不純物領域を形成する工程と、前記ボディ部の中空部および外周部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程とを、備えたことを特徴とする。
The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor body portion formed in a hollow cylindrical shape, a first region formed at a lower portion of the body portion and serving as one of a source region and a drain region, and an upper portion of the body portion. A second region that is the other of the source and drain regions, a channel region formed in a region sandwiched between the first region and the second region of the body portion, and an inner periphery of the channel region A gate electrode formed so as to cover a surface and an outer peripheral surface through a gate insulating film, and a semiconductor having the same conductivity type as that of the first region, formed below the body portion so as to be in contact with the first region And a third region composed of layers.
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a first step of forming a first semiconductor layer of a first conductivity type on a semiconductor substrate and a second conductivity type of a first semiconductor layer on the first semiconductor layer. A second step of forming a second semiconductor layer, a third step of forming a third semiconductor layer of the first conductivity type on the second semiconductor layer, and a part of the first semiconductor layer. A fourth step of etching the remaining portion of the first semiconductor layer and the second and third semiconductor layers to form a hollow cylindrical body portion, and at least the second semiconductor of the body portion. A fifth step of forming a gate insulating film so as to cover an inner peripheral surface and an outer peripheral surface of the layer, and a sixth step of forming a gate electrode in the hollow portion and the outer peripheral portion of the body portion. Features.
Further, the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a hollow cylindrical second conductive type semiconductor body so as to protrude from the main surface of the semiconductor substrate, and a first portion on the body portion. Introducing a first conductivity type impurity into the main surface of the semiconductor substrate not covered with the body portion simultaneously with introducing the conductivity type impurity; and a first conductivity type introduced into the main surface of the semiconductor substrate. And a step of forming a first conductivity type impurity region under the body portion, and a step of forming a gate electrode through a gate insulating film in the hollow portion and the outer peripheral portion of the body portion; Is provided.
本発明の半導体装置(縦型SGT)は、製造が容易で、短チャネル効果を抑制したままで、オフ電流を増加することなく、オン電流を増大させることが可能であり、また、オフ状態においてボディ領域を容易に空乏状態とすることができるので、オフ状態でのリーク電離を少なく保つことができる。 The semiconductor device (vertical SGT) of the present invention is easy to manufacture, can suppress the short channel effect, and can increase the on-current without increasing the off-current. Since the body region can be easily depleted, leakage ionization in the off state can be kept small.
[本発明の基本形態]
図1は、本発明の半導体装置の基本構成を示す縦断面図であり、図2は、図1のA−A’部分に対応した横断面図である。図1及び図2に示す半導体装置は、半導体基板1と、半導体基板1の主表面1aから突出して形成され、少なくともチャネル領域4aを有する中空筒状のボディ部4と、チャネル領域4aの半導体基板1側に形成された第1の領域3と、第1の領域3に接続された半導体層からなる引き出し部3a(第3の領域)と、チャネル領域4aの半導体基板1とは反対側に形成された第2の領域と、チャネル領域4aを含む中空筒状のボディ部4の外周面4b及び内周面4cに形成されたゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜7を介してチャネル領域4aに対向するように形成されたゲート電極8と、を具備して構成されている。
第1の領域3及び第2の領域5は、不純物がドープされた半導体からなるものであって、トランジスタのソース領域またはドレイン領域として機能する不純物拡散領域である。
[Basic form of the present invention]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a basic configuration of a semiconductor device of the present invention, and FIG. 2 is a transverse sectional view corresponding to the AA ′ portion of FIG. The semiconductor device shown in FIGS. 1 and 2 includes a
The
半導体基板1には、STI構造の埋込酸化膜2が設けられており、埋込酸化膜2の形成領域以外の部分には、半導体基板1の一部が突出されたボディ部4が形成されている。ボディ部4は、図1及び図2に示すように、中心に中空部4dを有する円筒状の半導体(例えばシリコン)から構成されている。また、半導体基板1の主面1a上には、層間絶縁膜6が形成されている。
A
ボディ部4には、その下部に第1の領域3が形成されており、その上部に第2の領域5が形成されている。そして、第1,第2の領域3、5に挟まれた部分がチャネル領域4aとされている。このようにして図1に示すボディ部4には、チャネル領域4aと第1,第2の領域3、5とが含まれている。
第1,第2の領域3、5は、トランジスタにおけるソース領域またはドレイン領域となる。また、第1の領域3と接続するように半導体層からなる引き出し部(第3の領域)3aが半導体基板1上に形成されている。第3の領域3aは、ボディ部4の外周よりも外側に延在するように設けられている。
また、チャネル領域4aは、ボディ部4の外周面4b及び内周面4cにそれぞれ露出されており、この露出されたチャネル領域4aを覆うようにゲート絶縁膜7が形成されている。ゲート絶縁膜7は、中空状のボディ部4全体を覆うように形成されている。
The
The first and
The
また、半導体基板1上には、ゲート絶縁膜7を介してチャネル領域4aと対向するゲート電極8が形成されている。ゲート電極8は、中空部4dの内部にも形成されており、中空部4d内に形成されたゲート絶縁膜7を介して、チャネル領域4と対向している。すなわちゲート電極8は、ボディ部4の内側である中空部4dに形成された内側ゲート電極8aと、ボディ部4の外側に形成された外側ゲート電極8bとから構成されており、各ゲート電極8a、8bには、同一又は異なるゲート電圧を印加できるように構成されている。
A
なお、図2に示すように、図1に示す半導体装置のボディ部4は、中空の円筒形状を示しているが、ボディ部4の形状は円形に限定されるものではない。例えば図26(a)に示したように四角形状とすることも可能である。また図26(b)に示したように、三角形状とすることも可能である。また、ボディ部4の外周側に位置するゲート電極8の外側形状は、ボディ部4と相似形で無くてもよい。
As shown in FIG. 2, the
上記の半導体装置によれば、ボディ部4の外周面4bのみならず、内周面2cにもゲート絶縁膜7を介してゲート電極8が配置されているので、ボディ部4のサイズ(円筒の直径)を大きくすることなく、閾値電圧の変動を小さくすることができ、また、トランジスタの占有面積も増えることがない。また、ボディ部4の中空部4dに設けた内側ゲート電極8aの制御については、後述のようにコンタクトを接続する構造とするため、内側ゲート電極8aに対する制御を確実に行うことができ、オフ電流を低減できる。
また、ボディ部4の下部に位置する第1の領域3には、後述のように半導体層からなる引き出し部3a(第3の領域)を介して電位が供給されるので、電位供給用のコンタクトプラグの形成が容易となる。
According to the semiconductor device described above, the
Further, since the potential is supplied to the
[第1の実施形態]
以下、本発明の第1の実施形態の半導体装置(縦型SGT)の製造方法及び製造された半導体装置について説明する。
以下の説明では、ゲート長45nm、ゲート幅(ボディ部の外周)220nm、ボディ部のチャネル領域4aを構成するシリコン層の厚さ20nmであって、厚さ5nmのシリコン酸化膜をゲート絶縁膜として備えた半導体装置を例にして説明する。また、チャネル領域のP型不純物濃度は3×1018atoms/cm3、第1,第2の領域のN型不純物濃度は2×1020atoms/cm3とする。
[First Embodiment]
A method for manufacturing a semiconductor device (vertical SGT) and a manufactured semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described below.
In the following description, the gate length is 45 nm, the gate width (periphery of the body part) is 220 nm, the silicon layer constituting the
図3において、P型のシリコン基板(半導体基板)1を用意し、STI(Shallow Trench Isolation)法等により埋込絶縁膜2を形成して素子分離領域を形成した後に、シリコン基板1の表面を露出させる。以後、埋込酸化膜2からなる素子分離領域で区画された内側の領域に1つのトランジスタが形成される。
In FIG. 3, a P-type silicon substrate (semiconductor substrate) 1 is prepared, a buried insulating
次に図4において、シリコン基板1の上に、第1の領域3及び引き出し部3aとなる一方の第1導電型シリコン層13(第1の半導体層)、チャネル領域4となる第2導電型シリコン層14(第2の半導体層)、第2の領域5となる他方の第1導電型シリコン層15(第3の半導体層)を順次積層する。一方及び他方の第1導電型シリコン層13、15にはN型不純物が1×1015〜1×1022atoms/cm3の濃度で含まれ、第2導電型シリコン層14にはP型不純物が濃度1×1015〜1×1022atoms/cm3の濃度で含まれる。各シリコン層13〜15は、シリコン基板1の表面の露出領域にシリコンを結晶成長させることで形成する。シリコン形成時には、それぞれ対応した導電型の不純物を含む原材料ガスを混入させながらシリコンを結晶成長させる。各不純物濃度は、所望するトランジスタの特性に応じて設定すればよい。
Next, in FIG. 4, on the
具体的には、はじめにシリコン基板1上の自然酸化膜を除去するために、真空チェンバで1200℃以上に加熱して清浄なシリコン原子表面を露出させる。その後、結晶成長温度の1100℃前後に設定後、原材料のSiH4,SiH2Cl2,SiHCl3,SiCl4などをシリコン基板1に供給し、CVD法によってシリコン表面の露出している部分にシリコン層を結晶成長させる。この結晶成長時にN型の不純物として、PH3、AsH3などを、またP型の不純物としてB2H6などの原材料ガスを使用して、シリコン結晶の成長と同時に混入させることで第1導電型(N型)または第2導電型(P型)のシリコン層を得る。シリコン基板1の表面から、他方の第2導電型シリコン層15の上面までの膜厚は50nm程度になるようにする。
Specifically, first, in order to remove the natural oxide film on the
その他の結晶成長の方法として、加熱による自然化酸化膜除去後に、シリコンの固体ソースを用いてMBE(分子線エピタキシー)法などによってもシリコンを結晶成長できる。この結晶時も同様にN型またはP型の不純物としてリン(P)、ヒ素(As)、ホウ素(B)などを使用する。なお、自然酸化膜除去としては、上記以外にマルチチェンバなどでエッチングによって除去してもよい。 As another crystal growth method, after removing the natural oxide film by heating, the silicon can be grown by MBE (molecular beam epitaxy) method using a solid source of silicon. Similarly, during this crystallization, phosphorus (P), arsenic (As), boron (B), or the like is used as an N-type or P-type impurity. In addition to the above, the natural oxide film may be removed by etching with a multi-chamber or the like.
次に、図5において、一方の第1導電型シリコン層13の一部13aを残しつつ、一方の第1導電型シリコン層13の残部と第2導電型シリコン層14と他方の第1導電型シリコン層15とをエッチングすることによって、中空筒状のボディ部4を形成する。具体的には、はじめに他方の第1導電型シリコン層15上にフォトレジスト膜を塗布後、所望のマスクを用いて露光し、他方の第1導電型シリコン層15上にフォトレジスト膜のパターン(図示せず)を形成する。その後、このフォトレジスト膜をマスクとして、異方性のドライエッチングを行い、他方の第1導電型シリコン層15、第2導電型シリコン層14を除去し、さらに3層目の一方の第1導電型シリコン層13を10nm程度の厚みを残して除去する。本実施形態においては、他方の第1導電型シリコン層15と第2導電型シリコン層14は中空の円筒形状を有するように形成する。このようにして、外周面4bと、中空部4dの形成に伴って設けられた内周面4cとを有する中空円筒状のボディ部4が形成される。また、一方の第1導電型層13の一部13a(第3の領域)は、埋込酸化膜2(素子分離領域)で区画された領域内部の全体に渡って残存している。
Next, in FIG. 5, while leaving a
なお、異方性ドライエッチングの代わりに次のようにして形成してもよい。まず、他方の第2導電型シリコン層15の表面を高温でアニールすることによって、自然酸化膜より膜厚の厚いシリコン酸化膜を形成し、ハードマスク層とする。次に、ハードマスク層上にフォトレジスト膜を塗布後、所望のフォトマスクを使って露光し、ハードマスク層上にフォトレジスト膜のパターンを形成する。その後、このフォトレジスト膜パターンをマスクとして、シリコン酸化膜からなるハードマスク層をドライエッチングによって除去する。次に、アルカリ溶液のTMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)などで、異方性ウェットエッチングを行い、他方の第1導電型シリコン層15と第2導電型シリコン層14と、一方の第1導電型シリコン層13の下部の約10nmを除いて除去する。このようにすることによっても、外周面4bと、中空部4dの形成に伴って設けられた内周面4cとを有する中空円筒状のボディ部4が形成できる。
Instead of anisotropic dry etching, it may be formed as follows. First, the surface of the other second conductivity
次に、図6において、シリコン基板1の表面全体を覆うように、シリコン酸化膜等の層間絶縁膜6を形成する。具体的には、TEOS(Tetra ethoxysilane)などの酸化シリコンのガスソースを使用したCVD法によって堆積させる。もしくは、低誘電率のLow-K材料などをSOG(Spin On Glass)などの方法で形成してもよい。
Next, in FIG. 6, an
次に、図7において、層間絶縁膜6の上面の凹凸をCMP(Chemical Mechanical Polishing)によって研磨して平坦化した後に、エッチングを行う。この際、層間絶縁膜6の上面が、第2導電型シリコン層14と一方の第1導電型N型シリコン層13の境界部から半導体基板1側に3〜7nm程度下がった位置になるようにエッチングの制御を行う。
Next, in FIG. 7, the unevenness on the upper surface of the
次に図8において、CVD法もしくは酸化雰囲気でのアニールによって、1〜10nmのシリコン酸化膜を形成することで、層間絶縁膜6から露出したボディ部4の全面にゲート絶縁膜7を設ける。ゲート絶縁膜7としては、高誘電率材料であるHfO2などのHigh−K膜を形成してもよい。また窒素等を含んだ複数の膜からなる積層膜を形成してもよい。
Next, in FIG. 8, a
次に図9に示すように、リン等の不純物を導入したポリシリコン膜8aを、層間絶縁膜6及びゲート絶縁膜7上に積層し、その後、CMPで表面の平坦化を行う。ポリシリコン膜8aは中空部4dの内部にも充填される。
Next, as shown in FIG. 9, a
次に図10に示すように、ポリシリコン膜8aをエッチバックして、ポリシリコン膜8aの上面が、第2導電型シリコン層14と他方の第1導電型シリコン層15の境界部から他方の第1導電型シリコン層15側に3〜7nm程度の高さに位置するようにした後に、パターニングしたフォトレジスト膜をマスクとしてドライエッチングを行い、ゲート電極8を形成する。ゲート電極8の外形は、必ずしもボディ部4が形成されているシリコン円筒と相似形でなくてもかまわない。ゲート電極8は、ボディ部4の内側である中空部4dに形成された内側ゲート電極8aと、ボディ部4の外側に形成された外側ゲート電極8bとから構成される。
Next, as shown in FIG. 10, the
次に図11に示すように、ゲート電極8、層間絶縁膜6およびボディ部4を覆うようにシリコン酸化膜等を用いて層間絶縁膜9を形成する。シリコン酸化膜の代わりに、Low−K膜(低誘電率膜)等を用いてもよい。層間絶縁膜9の上面はCMPによって平坦化する。
Next, as shown in FIG. 11, an interlayer insulating film 9 is formed using a silicon oxide film or the like so as to cover the
次に図12に示すように、層間絶縁膜9に開口部(スルーホール)を設けた後に、不純物を導入したポリシリコン等を充填することで、トランジスタの各電極と接続するコンタクトプラグを形成する。すなわち、第1の領域3の引き出し部3a(一方の第1導電型シリコン層13の残部13a)と接続するプラグ10、第2の領域(他方の第1導電型シリコン層15)5と接続するプラグ11、中空部4d内の内側ゲート電極8aと接続するプラグ12、ボディ部4の外側ゲート電極8bと接続するプラグ13をそれぞれ形成する。なお、ポリシリコンの代わりにタングステン(W)等を埋め込んでコンタクトプラグを形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 12, after an opening (through hole) is formed in the interlayer insulating film 9, a contact plug connected to each electrode of the transistor is formed by filling polysilicon or the like into which impurities are introduced. . That is, the
この後に、各コンタクトプラグ接続する配線層をアルミニウム(Al)、銅(Cu)、タングステン等を用いて形成することにより、本発明の半導体装置(縦型SGT)が完成する。トランジスタの閾値電圧は、第2導電型シリコン層14の不純物濃度を調整することで、所望の値に設定することができる。このようにして本実施形態の半導体装置1が得られる。
Thereafter, a wiring layer for connecting each contact plug is formed using aluminum (Al), copper (Cu), tungsten, or the like, thereby completing the semiconductor device (vertical SGT) of the present invention. The threshold voltage of the transistor can be set to a desired value by adjusting the impurity concentration of the second conductivity
図12に示す半導体装置は、半導体基板1と、半導体基板1から突出して形成され、少なくともチャネル領域4aを有する中空筒状のボディ部4と、ボディ部4の下部(チャネル領域4aに対して半導体基板1側)に形成された第1の領域3と、ボディ部4の上部(チャネル領域4aに対して半導体基板1とは反対側)に形成された第2の領域5と、第1の領域に接続された半導体層で構成される引き出し部(第3の領域)3aと、チャネル領域4aを含む中空筒状のボディ部4の外周面4b及び内周面4cに形成されたゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜7を介してチャネル領域4aに対向するように形成されたゲート電極8と、を具備して構成されている。
The semiconductor device shown in FIG. 12 includes a
半導体基板1には、STI構造の埋込酸化膜2が設けられており、埋込酸化膜2の形成領域以外の部分には、前記半導体基板1の一部が突出されたボディ部4が形成されている。ボディ部4は、図2に示すように、中心に中空部4dを有する円筒状のシリコン柱から構成されている。
A
ボディ部4には、その上部に第2の領域5が形成され、下方に第1の領域3が形成されている。第1の領域3に接続されている引き出し部3aの不純物は、半導体基板1側に拡散されていてもよい。そして、第1,第2の領域3、5に挟まれた部分がチャネル領域4aとされている。このようにして図12に示すボディ部4には、チャネル領域4aと第1、第2の領域3、5とが含まれている。また、チャネル領域4aは、ボディ部4の外周面4b及び内周面4cにそれぞれ露出されており、この露出されたチャネル領域4aを覆うようにゲート絶縁膜7が形成されている。ゲート絶縁膜7は、中空状のボディ部4全体を覆うように形成されている。
The
また、半導体基板1上には、ゲート絶縁膜7を介してチャネル領域4aと対向するゲート電極8が形成されている。ゲート電極8は、中空部4dの内部にも形成されており、中空部4d内に形成されたゲート絶縁膜7を介して、チャネル領域4と対向している。すなわちゲート電極8は、ボディ部4の内側である中空部4dに形成された内側ゲート電極8aと、ボディ部4の外側に形成された外側ゲート電極8bとから構成されており、各ゲート電極8a、8bには、同一又は異なるゲート電圧を印加できるように構成されている。
A
本実施形態の半導体装置は、ボディ部4の内側と外側にゲート電極8が設けられているので、短チャネル効果を抑制したままで、オン電流を増大させることが可能となる。またボディ部4のチャネル領域4aの厚さ(内側と外側のゲート電極8a、8b間の距離)を薄くすることにより、オフ状態においてチャネル領域4aを容易に空乏状態とすることができるので、オフ状態でのリーク電離を少なく保つことができる。また、ボディ部4の下層部の一方の第1導電型シリコン層13(ソースドレイン領域3)に接続する引き出し部3aが、トランジスタの下部から外部方向に延在して設けられているので、第1の領域3へ電位の供給を行うための電極の取り出しを容易に行うことができる。また、ボディ部4の中空部4dにはゲート絶縁膜7と内側ゲート電極8aが形成されているだけなので、より微細化が進んだ場合においても、製造が非常に容易である。
In the semiconductor device of this embodiment, since the
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態の半導体装置(縦型SGT)の製造方法及び製造された半導体装置について説明する。なお、第1の実施形態の説明と重複する部分の説明は省略する場合がある。
図13に示すように、P型のシリコン基板1(半導体基板)を用意し、埋込絶縁膜2を用いてSTI構造の素子分離領域を形成した後に、イオン注入法を用いてリン等の第1導電型不純物(N型不純物)を導入し、一方の第1導電型不純物領域20を形成する。N型不純物の濃度は1×1015〜1×1022atoms/cm3程度になるように設定する。この後に、シリコン基板1の表面を露出させる。
[Second Embodiment]
Next, a method for manufacturing a semiconductor device (vertical SGT) and a manufactured semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. In addition, the description of the part which overlaps with description of 1st Embodiment may be abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 13, after preparing a P-type silicon substrate 1 (semiconductor substrate) and forming an element isolation region having an STI structure using a buried insulating
次に図14に示すように、第2導電型不純物として、ホウ素等のP型不純物(濃度1×1015〜1×1022atoms/cm3)を含んだ第2導電型シリコン層21を形成した後に、第2導電型シリコン層21及びシリコン基板1の一部を中空円筒状にパターニングする。これによりボディ部4が形成される。この際に、下側の第1導電型不純物領域20が一部残存するようにエッチングを制御する。
Next, as shown in FIG. 14, a second conductivity
次に図15に示すように、第2導電型シリコン層21の上部に、イオン注入法を用いてリン等のN型不純物(第1導電型不純物)を導入し、他方の第1導電型不純物領域(N型不純物領域)22を形成する。N型不純物の濃度は1×1015〜1×1022atoms/cm3程度になるように設定する。この際に、素子分離領域2で覆われていない一方の第1導電型不純物領域20にもN型不純物(第1導電型不純物)が注入されるので、新たなN型不純物領域23が形成される。図15では説明のために各領域20、23の間に境界線を記載したが、実際には境界は明確ではなく、両者は一体となっている。
Next, as shown in FIG. 15, an N-type impurity (first conductivity type impurity) such as phosphorus is introduced into the upper portion of the second conductivity
なお、図14に示したボディ部のパターニングを行う前に、イオン注入を行って第1導電型不純物領域22を形成しておいてもよい。さらに第1導電型不純物領域22の形成とは別の工程でN型不純物領域23形成のイオン注入を行ってもよい。第1導電型不純物領域22とN型不純物領域23の形成工程を分けることで、それぞれの層の不純物濃度を最適に設定することが可能となる。すなわち、N型不純物領域23の濃度のみを濃くすることにより、トランジスタ特性に影響を与える事無く、引き出し部(3a)の配線抵抗を低下させることができる。
Note that the first conductivity
次に図16に示すように、シリコン酸化膜等を堆積した後にシリコン酸化膜をエッチバックすることにより半導体基板1上に層間絶縁膜24を形成する。層間絶縁膜24の上面は、第2導電型シリコン層21と一方の第1導電型不純物領域20の境界部から第1導電型不純物領域20側に3〜7nm程度の位置となるようにエッチングの制御を行う。
Next, as shown in FIG. 16, an
次に図17に示すように、第1の実施形態と同様にしてゲート絶縁膜25とゲート電極26の形成を行う。
Next, as shown in FIG. 17, the
次に、図18に示すように、シリコン酸化膜等を用いて層間絶縁膜27を形成した後に、トランジスタの各電極に接続するコンタクトプラグ28、29、30、31を形成する。この後に、各コンタクトプラグ接続する配線層を形成すれば、本実施形態の半導体装置が完成する。
Next, as shown in FIG. 18, after forming the
図18に示す半導体装置は、半導体基板1と、半導体基板1から突出して形成され、少なくともチャネル領域4a(第2導電型シリコン層21)を有する中空筒状のボディ部4と、ボディ部4の下部(チャネル領域4aに対して半導体基板1側)に形成された第1の領域3(一方の第1導電型不純物領域20)と、ボディ部4の上部(チャネル領域4aに対して半導体基板1とは反対側)に形成された第2の領域5(他方の第1導電型不純物領域22)と、第1の領域3に接続される引き出し部3aと、チャネル領域4aを含む中空筒状のボディ部4の外周面4b及び内周面4cに形成されたゲート絶縁膜25と、ゲート絶縁膜25を介してチャネル領域4aに対向するように形成されたゲート電極26と、を具備して構成されている。
The semiconductor device shown in FIG. 18 includes a
ボディ部4には、その上部に第2の領域5が形成され、下方に第1の領域3が形成されている。第1の領域3は、引き出し部3aに接続されている。そして、第1,第2の領域3、5に挟まれた部分がチャネル領域4aとされている。このようにして図18に示すボディ部4には、チャネル領域4aと第1,第2の領域3、5とが含まれている。また、チャネル領域4aは、ボディ部4の外周面4b及び内周面4cにそれぞれ露出されており、この露出されたチャネル領域4aを覆うようにゲート絶縁膜25が形成されている。ゲート絶縁膜25は、中空状のボディ部4全体を覆うように形成されている。
更に、引き出し部3a(第3の領域)は、ボディ部4の直下に位置する第4の領域3bと、ボディ部4の直下以外に位置する第5の領域3cとから形成されている。そして、第5の領域3cを構成する半導体層の厚さが、第4の領域3bを構成する半導体層の厚さよりも大きくなっている。
The
Further, the
また、半導体基板1上には、ゲート絶縁膜25を介してチャネル領域4aと対向するゲート電極26が形成されている。ゲート電極26は、中空部4dの内部にも形成されており、中空部4d内に形成されたゲート絶縁膜25を介して、チャネル領域4と対向している。すなわちゲート電極26は、ボディ部4の内側である中空部4dに形成された内側ゲート電極26aと、ボディ部4の外側に形成された外側ゲート電極26bとから構成されており、各ゲート電極26a、26bには、同一又は異なるゲート電圧を印加できるように構成されている。
この半導体装置の第1の領域3には、引き出し部3aに接続したコンタクトプラグ28を介して電位を供給できる。
A
A potential can be supplied to the
[第3の実施形態]
次に、本発明の第3実施形態の半導体装置の製造方法を、図19〜図23を参照して説明する。なお、第1の実施形態の説明と重複する部分の説明は省略する場合がある。
先ず、図19に示すように、P型のシリコン基板1を用意し、埋込絶縁膜2を用いてSTI構造の素子分離領域を形成した後に、シリコン基板1の表面を露出させる。この後に、P型不純物(濃度1×1015〜1×1022atoms/cm3)を含んだ第2導電型シリコン層30(P型シリコン層)を形成し、これを円筒形状にパターニングすることによりボディ部4を形成する。この際、下層のシリコン基板1の表面が露出した時点でエッチングを終了するように制御する。
[Third Embodiment]
Next, a semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the description of the part which overlaps with description of 1st Embodiment may be abbreviate | omitted.
First, as shown in FIG. 19, a P-
次に図20に示すように、イオン注入法を用いてリン等のN型不純物を導入して、ボディ部4の上部に、第2の領域となる一方の第1導電型不純物領域31(N型不純物領域)を形成する。N型不純物の濃度は1×1015〜1×1022atoms/cm3程度になるように設定する。この際に、第2導電型シリコン層30および埋込酸化膜2によって覆われないシリコン基板1の表面にも不純物が導入され、第1の領域に接続される引き出し部(第3の領域)となる第2導電型不純物領域31aが形成される。
Next, as shown in FIG. 20, an N-type impurity such as phosphorus is introduced by using an ion implantation method, and one first conductivity type impurity region 31 (N Type impurity region). The concentration of the N-type impurity is set to be about 1 × 10 15 to 1 × 10 22 atoms / cm 3 . At this time, impurities are also introduced into the surface of the
次に図21に示すように、600〜900℃程度の高温の窒素雰囲気中でアニールを行うことにより、第2導電型不純物領域31aからN型不純物の拡散を起こす。第2導電型シリコン層30(P型シリコン層)およびシリコン基板1のP型不純物濃度が、第2導電型不純物領域31a(N型不純物領域)の不純物濃度よりも低い場合には、N型領域が拡大する方向に不純物の拡散が進行する。拡散により新たに形成されたN型シリコン領域を32で示す。N型不純物の拡散によって、隣接するN型シリコン領域31a間(ボディ部4の下部)にも新たなN型シリコン領域32が形成され、第2導電型(P型)シリコン層30の下部に第1の領域32が形成される。この際、N型シリコン領域31aのN型不純物はボディ部4の上方に向かっても拡散する。従ってボディ部4の下部における第2導電型シリコン層30とN型シリコン層の境界は、半導体基板1の主表面1aよりも上方に位置することになる。新たに形成されたN型シリコン領域32で挟まれた第2導電型シリコン層30がチャネル領域となる。
Next, as shown in FIG. 21, N-type impurities are diffused from the second conductivity
次に、図22に示すように、シリコン基板1表面に層間絶縁膜34を形成した後に、第1の実施形態と同様にしてゲート絶縁膜35とゲート電極36の形成を行う。
Next, as shown in FIG. 22, after forming an
次に、図23に示すように、シリコン酸化膜等を用いて層間絶縁膜37を形成した後に、トランジスタの各電極に接続するコンタクトプラグ38、39、40、41を形成する。この後に、各コンタクトプラグ接続する配線層を形成すれば、本実施形態のトランジスタが完成する。
Next, as shown in FIG. 23, after forming an
図23に示す半導体装置は、半導体基板1と、半導体基板1から突出して形成され、少なくともチャネル領域4aを有する中空筒状のボディ部4と、ボディ部4の下部(チャネル領域4aに対して半導体基板1側)に形成された第1の領域3と、ボディ部4の上部(チャネル領域4aに対して半導体基板1とは反対側)に形成された第2の領域5と、第1の領域3に接続する引き出し部31a(第3の領域)と、チャネル領域4aを含む中空筒状のボディ部4の外周面4b及び内周面4cに形成されたゲート絶縁膜35と、ゲート絶縁膜35を介してチャネル領域4aに対向するように形成されたゲート電極36と、を具備して構成されている。なお、引き出し部31aは半導体基板1の主表面1aよりも下部(半導体基板1の内部側)に形成されている。
The semiconductor device shown in FIG. 23 includes a
ボディ部4には、その上部に第2の領域5が形成されている。そして、第1,第2の領域3、5に挟まれた部分がチャネル領域4aとされている。このようにして図23に示すボディ部4には、チャネル領域4aと第1,第2の領域3、5とが含まれている。また、チャネル領域4aは、ボディ部4の外周面4b及び内周面4cにそれぞれ露出されており、この露出されたチャネル領域4aを覆うようにゲート絶縁膜35が形成されている。ゲート絶縁膜35は、中空状のボディ部4全体を覆うように形成されている。
The
また、半導体基板1上には、ゲート絶縁膜35を介してチャネル領域4aと対向するゲート電極36が形成されている。ゲート電極36は、中空部4dの内部にも形成されており、中空部4d内に形成されたゲート絶縁膜35を介して、チャネル領域4と対向している。すなわちゲート電極36は、ボディ部4の内側である中空部4dに形成された内側ゲート電極36aと、ボディ部4の外側に形成された外側ゲート電極36bとから構成されており、各ゲート電極8a、8bには、同一又は異なるゲート電圧を印加できるように構成されている。
A
上述した本発明に係る半導体装置の動作特性について以下に説明する。
図24に、外側のゲート電極に印加した電圧(横軸)に対するドレイン電流(縦軸)の電気的特性を示す。ドレイン電圧は1.2Vに設定した。また内側のゲート電極に印加したゲート電圧(InGate)を−1.5Vから+1.5Vまで変化させている。オフ状態においては、例えば内側と外側のゲート電極を共に0Vとなるようにした場合には、ドレイン電流(オフ電流)を0.1pA以下とすることができる。
The operation characteristics of the semiconductor device according to the present invention described above will be described below.
FIG. 24 shows the electrical characteristics of the drain current (vertical axis) with respect to the voltage (horizontal axis) applied to the outer gate electrode. The drain voltage was set to 1.2V. The gate voltage (InGate) applied to the inner gate electrode is changed from -1.5V to + 1.5V. In the off state, for example, when both the inner and outer gate electrodes are set to 0 V, the drain current (off current) can be 0.1 pA or less.
図25に、ドレイン電圧(横軸)を0〜5Vまで印加した場合のドレイン電流(縦軸)の電気的特性を示す。図25(a)は、内側ゲート電極を0Vに固定した状態で外側ゲート電極のみに0.5〜3Vのゲート電圧を印加した場合を示す。図25(b)は、内側ゲート電極と外側ゲート電極共に0.5〜3Vのゲート電圧を印加した場合を示す。図25を比較すると、内側と外側のゲート電極に同時に電圧を印加することで、外側ゲート電極のみに電圧印加した場合に比較して約2倍のドレイン電流(オン電流)が流れることがわかる。 FIG. 25 shows the electrical characteristics of the drain current (vertical axis) when the drain voltage (horizontal axis) is applied from 0 to 5V. FIG. 25A shows a case where a gate voltage of 0.5 to 3 V is applied only to the outer gate electrode while the inner gate electrode is fixed at 0V. FIG. 25B shows a case where a gate voltage of 0.5 to 3 V is applied to both the inner gate electrode and the outer gate electrode. Comparing FIG. 25, it can be seen that by applying a voltage to the inner and outer gate electrodes at the same time, a drain current (on-current) that is about twice that of the case where a voltage is applied only to the outer gate electrode flows.
本発明では、内側と外側のゲート電極の制御を行うことで、オフ電流を小さく保ったまま、オン電流の向上を容易に行うことが可能となる。 In the present invention, by controlling the inner and outer gate electrodes, it is possible to easily improve the on-current while keeping the off-current small.
オン電流を多く必要とする集積回路、パワーデバイス、PRAM(相変化メモリ)のメモリセル、オフ電流特性に優れた点を生かした、DRAMのメモリセル等、半導体装置を複数配列し、メモリセル用の選択トランジスタ、超短チャネル化してもオン・オフ特性の維持が可能な点を生かした、超高速集積回路、10GHz以上のクロック周波数で動作するCPU等、縦型SGTの優れた放熱特性を生かした、過酷な条件下でも対応できる集積回路。自動車エンジン制御用集積回路、宇宙向け衛星の集積回路等である。 For memory cells, multiple semiconductor devices such as integrated circuits, power devices, PRAM (phase change memory) memory cells that require a large amount of on-current, and DRAM memory cells that take advantage of the excellent off-current characteristics are arranged. Utilizing the excellent heat dissipation characteristics of vertical SGTs, such as ultra-high-speed integrated circuits, CPUs operating at a clock frequency of 10 GHz or higher, taking advantage of the ability to maintain on / off characteristics even with ultra-short channel selection transistors Integrated circuits that can handle even harsh conditions. These are integrated circuits for controlling automobile engines, integrated circuits for satellites for space, and the like.
1…基板
2…埋込絶縁膜
3、5、20、22、31、32…第1の領域
3a…引き出し部(第3の領域)
4、21、30…ボディ部
4a…チャネル領域
5…第2の領域
6、9、27…層間絶縁膜
24、34…層間絶縁膜
7、25、35…ゲート絶縁膜
8、26、36…ゲート電極
8a…ポリシリコン層
10、11、12、13、28、29、30、31、38、39、40、41…コンタクトプラグ
DESCRIPTION OF
4, 21, 30 ...
Claims (9)
前記ボディ部の下部に形成され、ソースおよびドレイン領域の一方となる第1の領域と、
前記ボディ部の上部に形成され、ソースおよびドレイン領域の他方となる第2の領域と、
前記ボディ部の前記第1の領域と前記第2の領域に挟まれた領域に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域の内周面および外周面をゲート絶縁膜を介して覆うように形成されたゲート電極と、
前記第1の領域に接するように前記ボディ部の下方に形成され、前記第1の領域と同じ導電型の半導体層からなる第3の領域とを、備えたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor body formed in a hollow cylindrical shape;
A first region formed under the body portion and serving as one of a source and drain region;
A second region formed on the body portion and serving as the other of the source and drain regions;
A channel region formed in a region sandwiched between the first region and the second region of the body portion;
A gate electrode formed so as to cover an inner peripheral surface and an outer peripheral surface of the channel region via a gate insulating film;
A semiconductor device, comprising: a third region formed below the body portion so as to be in contact with the first region and made of a semiconductor layer having the same conductivity type as that of the first region.
前記第5の領域の半導体層の厚さが前記第4の領域の半導体層の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置。 The third region is formed of a fourth region located immediately below the body portion and a fifth region located other than directly below the body portion;
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the semiconductor layer in the fifth region is larger than a thickness of the semiconductor layer in the fourth region. 5.
第1導電型の第1の半導体層を形成する第1の工程と、
前記第1の半導体層上に第2導電型の第2の半導体層を形成する第2の工程と、
前記第2の半導体層上に第1導電型の第3の半導体層を形成する第3の工程と、
前記第1の半導体層の一部を残しつつ、前記第1の半導体層の残部と前記第2および第3の半導体層をエッチングして中空筒状のボディ部を形成する第4の工程と
前記ボディ部の少なくとも前記第2の半導体層の内周面および外周面を覆うようにゲート絶縁膜を形成する第5の工程と、
前記ボディ部の中空部および外周部にゲート電極を形成する第6の工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 On the semiconductor substrate,
A first step of forming a first semiconductor layer of a first conductivity type;
A second step of forming a second semiconductor layer of a second conductivity type on the first semiconductor layer;
Forming a third semiconductor layer of the first conductivity type on the second semiconductor layer;
A fourth step of etching the remaining portion of the first semiconductor layer and the second and third semiconductor layers to form a hollow cylindrical body portion while leaving a part of the first semiconductor layer; A fifth step of forming a gate insulating film so as to cover at least the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the second semiconductor layer of the body portion;
A sixth step of forming a gate electrode in the hollow portion and the outer peripheral portion of the body portion;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記ボディ部の上部に第1導電型の不純物を導入すると同時に、前記ボディ部で覆われていない前記半導体基板の主表面に第1導電型の不純物を導入する工程と、
前記半導体基板の主表面に導入された第1導電型の不純物を熱拡散させて、前記ボディ部の下部に第1導電型の不純物領域を形成する工程と、
前記ボディ部の中空部および外周部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a hollow conductive cylindrical body portion of the second conductivity type so as to protrude from the main surface of the semiconductor substrate;
Introducing a first conductivity type impurity into the main surface of the semiconductor substrate not covered with the body portion simultaneously with introducing a first conductivity type impurity into the upper portion of the body portion;
A step of thermally diffusing a first conductivity type impurity introduced into the main surface of the semiconductor substrate to form a first conductivity type impurity region under the body portion;
Forming a gate electrode on a hollow portion and an outer peripheral portion of the body portion with a gate insulating film interposed therebetween, and a method for manufacturing a semiconductor device.
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