JP2011103339A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】3Dピラートランジスタにおいて、ゲートコンタクトとシリコン基板との間のショートを抑制した半導体装置及びその製造方法を得るという課題があった。
【解決手段】半導体からなる基板1と、一面1aから突出され、前記半導体からなる第1の突出部2と、一面1aに設けられた溝部1cに充填された第1の絶縁体3と、第1の突出部2に隣接して一面3aから突出され、第1の絶縁体3からなる第2の突出部4と、第1の突出部2の側面を覆うゲート絶縁膜5と、ゲート絶縁膜5を覆うゲート電極6と、第1の突出部2に設けられた上部拡散層13と、下部拡散層14と、第2の突出部4の側面を覆うとともにゲート電極6に接続された連結電極60と、第1の突出部2及び第2の突出部4を覆う層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を貫通して連結電極60に接するゲートコンタクト10と、を有する半導体装置及びその製造方法を用いることにより、上記課題を解決できる。
【選択図】図1
Description
図9(b)に示すように、従来の3Dピラートランジスタは、シリコンからなる基板101と、基板101の一面101aから突出するように形成された第1のシリコンピラー102と、第1のシリコンピラー102の近傍に、基板101の一面101aから突出するように形成された第2のシリコンピラー(ダミーピラー)104と、を有している。また、基板101の一面101aには溝部101cが設けられ、溝部101cには素子分離用の絶縁膜103が充填されている。
第2のシリコンピラー104の側面には絶縁膜163が形成され、更に、絶縁膜163を覆うように連結電極160が形成されている。連結電極160は、接合部160cを介してゲート電極106に接続されている。
また、前記層間絶縁膜を貫通して下部拡散層114に接する下部拡散層コンタクト112が形成されている。更に、前記層間絶縁膜を貫通して上部拡散層113に接するように上部拡散層コンタクト111が形成されている。
溝部101cの絶縁膜103上には窒化膜175が形成されている。
第1のシリコンピラー102は、平面視略円形状の窒化膜109と、窒化膜109を囲むように形成されたゲート絶縁膜105と、ゲート絶縁膜105を囲むように形成されたゲート電極106とを有している。また、第1のシリコンピラー102に隣接して形成された第2のシリコンピラー(ダミーピラー)104は、平面視略円形状の窒化膜172と、窒化膜172を囲むように形成された連結電極160とを有している。連結電極160は、接合部160cでゲート電極106と接している。更に、平面視略長方形状の領域の長軸方向に伸びる中心線上に、平面視略円形状の下部拡散層コンタクト112と、平面視略円形状の上部拡散層コンタクト111と、平面視略円形状のゲートコンタクト110とが離間して形成されている。
そのため、絶縁膜163及び窒化膜172を貫通して、第2のシリコンピラーを部分的又は完全に露出する場合があった。この場合、ゲートコンタクト110は第2のシリコンピラー104と接し、ゲートコンタクト110とシリコン基板101との間でショートさせるという課題を発生させた。また、このショート不良は、3Dピラートランジスタの製造歩留まりを悪化させた。
例えば、特許文献1には、MIS電界効果トランジスタに関するものであり、化学気相成長により形成した燐珪酸ガラス(PSG)膜を異方性ドライエッチングして選択的にビアを開孔する構成が開示されている。また、特許文献2には、半導体装置に関するものであり、エッチング条件を任意に調整して、ゲート電極の高さを任意に調節する構成が開示されている。特許文献3には、縦型電界効果トランジスタの製造方法に関するものであり、層間絶縁層内に開口が形成され、前記開口内にタングステン等からなるプラグコンタクトが形成されている構成が開示されている。
しかし、これらの技術を用いても、前記課題を解決することは困難である。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態である半導体装置について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態である半導体装置の一例を示す図であって、図1(a)は層間絶縁膜を透過した平面図であり、図1(b)は図1(a)のA−A’線の断面図である。
溝部1cで囲まれた領域は凸部1dとされており、凸部1dでは、基板1の一面1aから突出するように第1の突出部2が形成されている。
第2の突出部4は、第1の絶縁体3により形成されている。第1の絶縁体3としてシリコン酸化膜を用いた場合には、第2の突出部4は、シリコン酸化膜からなるピラーとなる。なお、第2の突出部4は、ゲートコンタクト10を接続する連結電極60を形成するためのピラーである。
第1の突出部2及び第2の突出部4を覆うように層間絶縁膜(図示略)が形成されている。また、前記層間絶縁膜を貫通して連結電極60に接するようにゲートコンタクト10が形成されている。
このように第1の絶縁膜3からなる第2の突出部4の側面に形成した連結電極60の上端部60bに接するようにゲートコンタクト10を形成することが好ましい。これにより、コンタクトホールのエッチング深さを制御できず、第2のマスク部72を貫通させたとしても、ゲートコンタクト10と基板1との間に第1の絶縁膜3を存在させて、ゲートコンタクト10と基板1との間でのショートの発生を抑制できる。つまり、第2の突出部4により、コンタクトホールの深さ方向のエッチングマージンを増やす事ができる。
凸部1dの領域内には第1の突出部2が配置されている。第1の突出部2は、平面視略円形状の窒化膜9と、窒化膜9を囲むように形成されたゲート絶縁膜5と、ゲート絶縁膜5を囲むように形成されたゲート電極6とを有する。
また、第1の突出部2に隣接して、第1の絶縁膜3の領域内には第2の突出部4が形成されている。第2の突出部4は、平面視略円形状の第2のマスク部72と、第2のマスク部72を囲むように形成された連結電極60とを有する。
更に、第1の突出部2の中心と第2の突出部4の中心を結ぶ線上に、平面視略円形状の第2のコンタクト12と、平面視略円形状の第1のコンタクト11と、平面視略円形状のゲートコンタクト10とが離間して形成されている。
本発明の実施形態である半導体装置の製造方法は、第1の絶縁膜の形成工程(第1工程)と、第1のマスク部及び第2のマスク部の形成工程(第2工程)と、第1の突出部及び第2の突出部の形成工程(第3工程)と、下部拡散層の形成工程(第4工程)と、ゲート絶縁膜の形成工程(第5工程)と、ゲート電極及び連結電極の形成工程(第6工程)と、上部拡散層及び層間絶縁膜の形成工程(第7工程)と、ゲートコンタクトの形成工程(第8工程)と、を有する。
図2〜図7は、本発明の実施形態である半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。以下、各図を用いて、各工程を説明する。
図2は、半導体装置の製造方法を示す工程断面図であって、第1のマスク部及び第2のマスク部を形成した時点の断面図である。
まず、STI法を用いて、シリコンからなる基板1の所定の位置に溝部1cを形成する。これにより、溝部1cで囲まれた凸部1dが形成される。
次に、溝部1cを充填するように第1の絶縁膜3を成膜する。第1の絶縁膜3としては、例えば、シリコン酸化膜を用いる。これにより、溝部1cに第1の絶縁膜3が充填された領域は素子分離領域(STI領域)となる。
溝部1cの深さは、通常のSTI領域のために設ける溝の深さより深くすることが好ましい。溝部1cに充填した第1の絶縁膜を深さ方向にエッチングして、第1の絶縁膜からなる第2の突出部4を形成するため、溝部1cの深さが深くないと、第2の突出部4の高さを必要とする高さにできない場合が発生するためである。
次に、シリコンからなる基板1の表面を酸化して、数nmの厚さのシリコン酸化膜3’を形成する。シリコン酸化膜3’は第1の絶縁膜3と連続するように形成され、第1の絶縁膜3がシリコン酸化膜の場合には同一となる。
シリコン酸化膜3’形成後、第1の絶縁膜3及びシリコン酸化膜3’を覆うようにシリコン窒化膜を形成する。
次に、リソグラフィ法とエッチング法により前記シリコン窒化膜をパターニングして、第1の突出部を形成する位置に所定の大きさの第1のマスク部71を形成するとともに、第2の突出部を形成する位置に所定の大きさの第2のマスク部72を形成する。なお、第1のマスク部71は凸部1dを形成した領域内に形成し、第2のマスク部72は溝部1cを形成した領域内に形成する。
図3は、半導体装置の製造方法を示す工程断面図であって、第1の突出部及び第2の突出部を形成した時点の断面図である。
次に、第1のマスク部71及び第2のマスク部72を用いて、基板1、シリコン酸化膜3’及び第1の絶縁膜3を、基板1の一面1aに垂直な方向に異方性エッチングして、凸部1dにシリコンからなる第1の突出部2を形成するとともに、溝部1cに第1の絶縁膜3からなる第2の突出部4を形成する。
なお、第1のマスク部71と第1の突出部2との間には、シリコン酸化膜3’が残されている。
第1の突出部2と第2の突出部4は互いに近傍になるように形成することが好ましい。第2の突出部4は、ゲートコンタクトからゲート電極に給電する連結電極を形成するためのピラーである。そのため、第1の突出部と第2の突出部を離れて配置すると、連結電極の長さを長くすることを要し、ゲートコンタクトからゲート電極への給電能力が低減するおそれが発生する。
図4は、半導体装置の製造方法を示す工程断面図であって、下部拡散層14を形成した時点の断面図である。
第1の突出部2と第2の突出部4形成後、第1の突出部2の側面を酸化して、第1の突出部2の側面を覆うようにシリコン酸化膜5’を形成する。
次に、第1の突出部2及び第2の突出部4を覆うとともに、基板1の一面1a及び第1の絶縁膜3の一面3aを覆うように、シリコン窒化膜を堆積する。
次に、前記シリコン窒化膜をエッチバックして、第1の突出部2の側面にシリコン窒化膜からなる第1のサイドウォール部73を形成するとともに、第2の突出部4の側面にシリコン窒化膜からなる第2のサイドウォール部74を形成する。
次に、第1の突出部2の基端側の基板1の一面1aを酸化して、シリコン酸化膜75を形成する。
次に、第1の突出部2の基端側に不純物注入を行い、下部拡散層14を形成する。
下部拡散層14を形成後、ウェットエッチング法により、シリコン窒化膜からなる第1のサイドウォール部73及び第2のサイドウォール部74を除去する。このとき、第1のマスク部71及び第2のマスク部72の厚さが薄くされるとともに、第1の突出部2の側面に形成されたシリコン酸化膜5’も除去される。
次に、第1の突出部2の側面にゲート絶縁膜5を数nmの厚さで形成する。
図5は、半導体装置の製造方法を示す工程断面図であって、ゲート電極及び連結電極を形成した時点の断面図である。
ゲート絶縁膜5形成後、第1の突出部2及び第1の突出部4を覆い、基板1の一面1a及び第1の絶縁膜3の一面3aを覆うようにゲート電極材料を堆積させる。
次に、前記ゲート電極材料をエッチバックして、第1の突出部2の側面に、ゲート絶縁膜5を覆うように略筒状のゲート電極6を形成するとともに、第2の突出部4の側面に略筒状の連結電極60を形成する。このとき、連結電極60は接合部60cでゲート電極6と接するように形成する。
図6は、半導体装置の製造方法を示す工程断面図であって、第3のコンタクトホール10cを形成した時点の断面図である。
ゲート電極及び連結電極形成後、第2のマスク部72が覆われる高さまで層間絶縁膜21を堆積してから、第2のマスク部72をストッパとして、CMP法により層間絶縁膜21の平坦化を行う。
次に、層間絶縁膜21上に酸化膜を10nm程度堆積してから、リソグラフィ法とエッチング法を用いて前記酸化膜をエッチングして第1のマスク部71のみを露出させる孔部を設ける。
次に、第3のサイドウォール部9から露出された第1の突出部2上にシリコンを選択的エピタキシャル成長させてから、前記選択的エピタキシャル成長させたシリコンに不純物を注入して、上部拡散層13を形成する。
次に、第1の突出部2及び第2の突出部4を覆うように層間絶縁膜22を堆積してから、CMP法などを用いて層間絶縁膜22を平坦化する。以下、層間絶縁膜21と層間絶縁膜22を層間絶縁膜23と呼称する。
層間絶縁膜23形成後、異方性ドライエッチング法を用いて、層間絶縁膜23を貫通して連結電極60の上端部60bを露出させる第3のコンタクトホール10cを形成する。
図6に示すように、第3のコンタクトホール10cからは、連結電極60の上端部60b以外に、第2のマスク部72も一部露出されている。
第3のコンタクトホール10cを形成後、第3のコンタクトホール10cに金属材料を充填して、第3のコンタクトホール10c内にゲートコンタクト10を形成する。
図7に示すように、ゲートコンタクト10は、連結電極60の上端部60bに接するように形成される。
次に、異方性ドライエッチング法により、層間絶縁膜23を貫通して上部拡散層13を露出させる第1のコンタクトホール11cを形成してから、第1のコンタクトホール11cに金属材料を充填して、第1のコンタクト11を形成する。
なお、ゲートコンタクト10、第2のコンタクト12及び第1のコンタクト11の形成順序はこれに限られるものではなく、いずれのコンタクトを先に行ってもよく、同時に形成してもよい。
次に、層間絶縁膜23上に、ゲートコンタクト10と接続するように配線部(図示略)を形成する。これにより、ゲートコンタクト10及び連結電極60を介して、前記配線部からゲート電極106へ給電可能となる。
本発明の第2の実施形態である半導体装置について説明する。
図8は、本発明の第1の実施形態である半導体装置の一例を示す図であって、図8(a)は層間絶縁膜を透過した平面図であり、図8(b)は図8(a)のC−C’線の断面図である。
このような構成であっても、第2の突出部4は第1の絶縁膜3からなるので、ゲートコンタクト10と基板1との間のショートの発生を抑制することができる。
Claims (6)
- 半導体からなる基板と、
前記基板の一面から突出され、前記半導体からなる第1の突出部と、
前記基板の一面に設けられた溝部に充填された第1の絶縁体と、
前記第1の突出部に隣接して前記第1の絶縁体の一面から突出され、前記第1の絶縁体からなる第2の突出部と、
前記第1の突出部の側面を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を覆うゲート電極と、
前記第1の突出部の先端側に設けられた上部拡散層と、
前記第1の突出部の基端側に設けられた下部拡散層と、
前記第2の突出部の側面を覆うとともに前記ゲート電極に接続された連結電極と、
前記第1の突出部及び前記第2の突出部を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜を貫通して前記連結電極に接するゲートコンタクトと、を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体がシリコンからなり、前記第1の絶縁体がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記連結電極が前記第2の突出部の側面を覆うように形成された略筒状の部材であり、前記連結電極の上端部に、前記ゲートコンタクトが接することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
- 前記連結電極が前記第2の突出部の側面を覆うように形成された略筒状の部材であり、前記連結電極の内壁面に、前記ゲートコンタクトが接することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
- 半導体からなる基板の一面をエッチングして、溝部と前記溝部に囲まれてなる凸部を形成し、前記溝部に第1の絶縁膜を充填した後、前記凸部の領域を部分的に覆う第1のマスク部を形成するとともに、前記溝部の領域を部分的に覆う第2のマスク部を形成する工程と、
前記第1のマスク部を用いて前記凸部を異方性エッチングして、前記半導体からなる第1の突出部を形成するとともに、前記第2のマスク部を用いて前記第1の絶縁膜を異方性エッチングして、前記第1の絶縁膜からなる第2の突出部を形成する工程と、
前記第1の突出部の側面を覆うようにゲート絶縁膜を形成してから、前記ゲート絶縁膜を覆うようにゲート電極を形成するとともに、前記ゲート電極に接し、前記第2の突出部の側面を覆うように連結電極を形成する工程と、
前記第1の突出部の基端側に下部拡散層を形成し、前記第1の突出部の先端側に上部拡散層を形成してから、前記第1の突出部と前記第2の突出部を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を貫通して前記連結電極に接続されたゲートコンタクトを形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1のマスク部及び第2のマスク部が窒化膜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。
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