JP2013021077A - Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
近年、半導体におけるトランジスタの微細化、かつ低消費電力化が求められている。しかしながら、トランジスタの微細化と低消費電力化を両立することは困難になってきている。トランジスタの微細化と低消費電力化の両立を実現する方法の一つとして、溝トランジスタ(FinFET)が挙げられる。 In recent years, miniaturization of transistors in semiconductors and reduction in power consumption have been demanded. However, it has become difficult to achieve both transistor miniaturization and low power consumption. One method for realizing both miniaturization of transistors and low power consumption is a trench transistor (FinFET).
溝トランジスタは、エッチングによってシリコン基板に溝を形成し、溝にゲート電極を埋め込むことで得られる。特許文献1−5には、デバイス特性を向上した溝トランジスタが開示されている。特許文献1には、素子面積を同一としたまま、溝の深さを深くするとチャネル幅を大きくすることができると記載されている。特許文献2には、平面面積を拡大することなくチャネルの幅を増大すると、相互コンダクタンスと併せて耐圧を向上することができると記載されている。特許文献3には、ソース、およびドレインをゲート電極の底部近傍まで形成することで、半導体装置の駆動能力を向上することができると記載されている。特許文献4では、ソースおよびドレインの一部において、ゲート電極形成前の溝部にフォトレジスト膜を塗布しパターニングしている。その後、イオン注入を行うことによって溝部上面から底部にかけて深く拡散させることができると記載されている。特許文献5には、複数の突起状のエピタキシャルシリコン領域を具備させることで、大きな駆動力を得ることができると記載されている。 A trench transistor is obtained by forming a trench in a silicon substrate by etching and embedding a gate electrode in the trench. Patent Documents 1-5 disclose a trench transistor with improved device characteristics. Patent Document 1 describes that the channel width can be increased by increasing the depth of the groove while keeping the element area the same. Patent Document 2 describes that when the channel width is increased without increasing the plane area, the breakdown voltage can be improved together with the mutual conductance. Patent Document 3 describes that the drive capability of a semiconductor device can be improved by forming the source and drain to the vicinity of the bottom of the gate electrode. In Patent Document 4, a photoresist film is applied and patterned in a groove before forming a gate electrode in a part of a source and a drain. Thereafter, it is described that ion implantation can be performed to diffuse deeply from the upper surface to the bottom of the groove. Patent Document 5 describes that a large driving force can be obtained by providing a plurality of protruding epitaxial silicon regions.
溝トランジスタにおいて、ゲート幅を拡大することによって、ON電流を向上させる必要がある。 In the trench transistor, it is necessary to improve the ON current by increasing the gate width.
本発明によれば、表面に少なくとも一つ以上の溝部を有している半導体基板と、
上記溝部の側壁を覆うように形成されたゲート絶縁膜と、
上記溝部に埋めこまれているゲート電極と、
上記半導体基板の表面に形成され、上記ゲート電極を介して互いに対向しているソースおよびドレインと、
を含み、
上記溝部の側壁には、複数の凸凹が形成されている半導体装置が提供される。
According to the present invention, a semiconductor substrate having at least one groove on the surface;
A gate insulating film formed to cover the side wall of the trench,
A gate electrode embedded in the groove,
A source and a drain formed on the surface of the semiconductor substrate and facing each other via the gate electrode;
Including
A semiconductor device in which a plurality of irregularities are formed on the side wall of the groove is provided.
さらに、本発明によれば、半導体基板の表面に、側壁に複数の凸凹を有する少なくとも一つ以上の溝部を形成する溝部形成工程と、
上記溝部の側壁を覆うようにゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
ゲート電極を上記溝部に埋め込むゲート電極形成工程と、
上記半導体基板の表面に、上記ゲート電極を介して互いに対向するように、ソースおよびドレインを形成するソース・ドレイン形成工程と、
を含む半導体装置の製造方法が提供される。
Furthermore, according to the present invention, a groove portion forming step of forming at least one groove portion having a plurality of irregularities on the side wall on the surface of the semiconductor substrate;
Forming a gate insulating film so as to cover the sidewall of the groove,
A gate electrode forming step of burying the gate electrode in the groove,
A source / drain forming step of forming a source and a drain on the surface of the semiconductor substrate so as to face each other through the gate electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
本発明によれば、溝トランジスタにおける溝の側壁に複数の凸凹を設けている。これによって、ゲート幅を拡大した溝トランジスタを得ることができる。 According to the present invention, the plurality of irregularities are provided on the side wall of the groove in the groove transistor. Thereby, a trench transistor with an enlarged gate width can be obtained.
本発明によれば、溝トランジスタにおいて、ゲート幅を拡大することよって、ON電流を向上させることができる。 According to the present invention, in the trench transistor, the ON current can be improved by increasing the gate width.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
(第1の実施形態)
図1(a)は、本実施形態に係る半導体装置のB−B'断面、(b)は、B−B'断面と垂直方向のA−A'断面を示す断面図である。
図1に示すように、表面に少なくとも一つ以上の溝部250を有している半導体基板40と、溝部250の側壁を覆うように形成されたゲート絶縁膜20と、溝部250に埋めこまれているゲート電極10と、半導体基板40の表面に形成され、ゲート電極10を介して互いに対向しているソースおよびドレイン150と、を含み、溝部250の側壁には、複数の凸凹100が形成されている。
(First embodiment)
1A is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view illustrating the AA ′ cross section perpendicular to the BB ′ cross section.
As shown in FIG. 1, the
なお、ゲート絶縁膜20としては、シリコン酸化膜もしくはハフニウムやアルミニウムを含む酸化物から出来た高誘電率膜といったものが挙げられ、ゲート電極10としては、多結晶シリコンやニッケル、コバルト、チタンのシリコン化合物もしくはチタンやタンタルを含む窒化物といったものが挙げられる。
Examples of the
本実施形態に係る半導体装置について、以下、詳細に説明する。 The semiconductor device according to this embodiment will be described in detail below.
図1(a)および(b)に示すように、本実施形態に係る半導体装置300は、半導体基板40と、半導体基板40の一面側に形成された溝トランジスタを含んでいる。半導体基板40には、シリコン基板などを用いることができる。また、溝トランジスタは、半導体基板40に形成された素子分離膜30と、素子分離膜30で区分された素子形成領域と、該素子形成領域に位置している。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
半導体基板40の一面の素子分離領域には、p型の不純物拡散領域であるウェル110と、n型の不純物拡散領域であるソースおよびドレイン150が設けられている。さらに、ソースおよびドレイン150の内側には、それぞれ設けられたn型の不純物拡散領域であるオフセット領域130が形成されている。なお、オフセット領域130、およびソースおよびドレイン150は、ウェル110内に形成されている。図1では、構成を分かりやすくするため、ウェル110およびオフセット領域130のみ破線で示している。これらは、ウェル110の内、ゲート長方向においてソースおよびドレイン150の間に設けられている。さらに、オフセット領域130で規定された領域は、p型のチャネル領域120である。
The element isolation region on one surface of the
また、半導体装置300は半導体基板40の一面の、ソースおよびドレイン150の間にチャネル領域120が、位置している。ただし、溝部250の深さは、素子分離より深く設定することはできない。さらに、溝部250の深さは素子分離と同程度であることが好ましい。
In the
各溝部250の側壁および底面には、ゲート絶縁膜20が形成されており、ゲート絶縁膜20の上にはゲート電極10が溝部250に埋め込まれるように設けられている。また、ゲート電極10の側壁には、サイドウォール90が、ゲート電極10の上部には、シリサイド層60が、設けられている。さらに、これら溝トランジスタの上部には層間絶縁膜50が設けられている。この層間絶縁膜50を介して上部の層と電気的に接続させるためコンタクト80が配されている。
The
図2は、本実施形態に係る半導体装置の上面図である。なお、図1は、図2の断面図であり、図1(a)はB−B'断面、図1(b)はA−A'断面を示している。また、図2では、ゲート電極10の記載を省略しており、また、各領域を線のみで示している。
図2に示すように、素子分離膜30より内側に、素子形成領域は配されている。この素子形成領域において、ソースおよびドレイン150はゲート長方向にゲート電極10を介して互いに対向するように設けられている。次に、オフセット領域130は、ソースおよびドレイン150より内側に、ゲート長方向にゲート電極10を介して互いに対向するように設けられている。なお、側壁に複数の凸凹100を有した溝部250に埋め込まれているゲート電極10は、ソース・ドレイン領域150やオフセット領域130よりも内側に配されている。
FIG. 2 is a top view of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 1 is a cross-sectional view of FIG. 2, FIG. 1 (a) shows a BB ′ cross section, and FIG. 1 (b) shows an AA ′ cross section. In FIG. 2, the
As shown in FIG. 2, the element formation region is disposed inside the
次に、半導体装置300に設けられた複数の凸凹100について、詳細に説明する。
Next, the plurality of
図3は、本実施形態に係る半導体装置における溝部を説明するための断面拡大図である。
図3に示すように、溝部250の側壁には複数の凸凹100が形成されている。この凸凹100の断面形状は、角状であっても半円状であっても良い。ただし、各凸凹100の深さは、それぞれ、ほぼ等しいことが好ましい。これによって、溝部250の垂直性を向上させることができる。溝部250の垂直性が向上することで、複数の凸凹100に成膜するゲート絶縁膜20の膜厚を、ほぼ一様に制御することができる。なお、凸凹100が角状である場合、凸凹100における凸部を形成している辺のなす角の角度αは、30°以上180°未満の範囲であることが好ましい。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view for explaining a groove in the semiconductor device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 3, a plurality of
これは、単位面積当たりのゲート幅が増すことによってON電流が増え、チップサイズを犠牲にすることなく特性向上に寄与できるという溝トランジスタの特徴に関連している。したがって、溝部250に形成された各凸凹におけるそれぞれの深さを深くすればするほどゲート幅を拡大させることができる。しかしながら、その深さを深くしすぎると不純物注入が困難になる。
This is related to the feature of the trench transistor that the ON current increases as the gate width per unit area increases and can contribute to the improvement of characteristics without sacrificing the chip size. Therefore, the gate width can be increased as the depth of each unevenness formed in the
本実施形態の半導体装置では、例えば、凸凹100における凸部を形成している辺のなす角の角度αは角度αが60°の場合、段差1つ分に対し、一段分の深さの2倍の実効をトランジスタに計上することが出来る。これによって、溝部250の深さを深くすることなく、ゲート幅を拡大することができる。
In the semiconductor device of the present embodiment, for example, the angle α formed by the sides forming the protrusions in the
また、溝部250の側壁における不純物濃度は、底面における不純物濃度よりも高いほうが好ましい。この時、半導体装置300のように溝部250の側壁がほぼ垂直であり、かつゲート絶縁膜20の膜厚が均一である場合、溝部250において側壁のみに不純物であるイオンの注入を行う。これによって、ゲート絶縁膜20の膜厚差に起因する閾値電圧の変動を制御することができる。
Further, it is preferable that the impurity concentration on the side wall of the
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described.
図4は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法における溝部形成工程において、(a)は、素子分離膜の形成、(b)は、エッチング、(c)は、不純物の注入を説明するための図である。
図4に示すように、半導体基板40の表面に、複数の凸凹100を有する少なくとも一つ以上の溝部250を形成する。このとき、溝部250の形成に係るドライエッチングには、ボッシュ法を用いることが好ましい。ボッシュ法とは、MEMS用途エッチャーを用い、側壁保護と底面エッチングを交互に繰り返すことで深掘作業を行うエッチング方法である。具体的には、エッチングガスによるエッチングと、フルオロカーボンガスによるデポ被膜ステップを数秒単位で交互に繰り返す方法である。
4A and 4B are diagrams illustrating a step of forming a trench in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, in which FIG. 4A illustrates formation of an element isolation film, FIG. 4B illustrates etching, and FIG. 4C illustrates impurity implantation. FIG.
As shown in FIG. 4, at least one
まず、図4(a)に示すように、半導体基板上40において、溝トランジスタを形成する領域の周囲に、素子分離膜30を形成する。この素子分離膜30上に、溝部250(溝ゲート領域)となる箇所の上に位置する部分を開口して、フォトレジスト200を形成する。
First, as shown in FIG. 4A, an
次に、図4(b)に示すように、複数の凸凹100を付ける異方性エッチを、ボッシュ法によって形成する。これによって、少なくとも一つ以上の溝部250が形成される。同時に、溝部250の側壁には、複数の凸凹100が形成される。
Next, as shown in FIG. 4B, an anisotropic etch for forming a plurality of
次に、図4(c)に示すように、フォトレジスト200を残した状態で溝部250の側壁に対して不純物であるイオンの注入を行う。イオンの注入は、高電流または中電流イオン注入機を用いて15°〜40°程度の角度を付けて行う。
Next, as shown in FIG. 4C, ions that are impurities are implanted into the sidewalls of the
図5および図6は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるエッチング方法を説明するための断面写真である。
図5および図6に示すように、ボッシュ法を用いドライエッチングすることによって、底面まで幅が変化することがなく、ほぼ垂直な溝部250を形成することが出来る。
5 and 6 are cross-sectional photographs for explaining an etching method in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.
As shown in FIGS. 5 and 6, by performing dry etching using the Bosch method, the
図7は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法における、(d)は、ゲート絶縁膜形成工程、(e)はゲート電極形成工程を説明するための図である。
図7(d)に示すように、溝部250の側壁にイオン注入を行った後、溝部250の側壁を覆うようにゲート絶縁膜20を形成する。このとき、ゲート絶縁膜20の膜厚は、ほぼ一様になるように制御される。
7A and 7B are diagrams for explaining the gate insulating film forming step and FIG. 7E for explaining the gate electrode forming step in the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment.
As shown in FIG. 7D, after ion implantation is performed on the sidewall of the
次に、図7(e)に示すように、ゲート電極10を溝部250に埋め込むように、ゲート絶縁膜20上に形成する。この時、ゲート電極10は、ポリシリコンをCVD法によって成膜している。
Next, as illustrated in FIG. 7E, the
次に、半導体基板40の表面に、ゲート電極10を介して互いに対向するように、ソースおよびドレイン150を形成する(図示せず)。
Next, a source and a
以上の各工程によって、本実施形態に係る半導体装置が形成されている。 The semiconductor device according to this embodiment is formed by the above steps.
次に、本実施形態に係る半導体装置の効果について説明する。 Next, effects of the semiconductor device according to the present embodiment will be described.
溝部250の側壁に複数の凸凹100を形成した。つまり、溝部250の深さを変えることなくゲート幅を大きくすることが出来る。これによって、ON電流を増大させることができる。
さらに、溝部250は、溝部250の側壁の垂直性が保たれている。これによって、ゲート絶縁膜20の膜厚が一様になるように制御できるため、閾値電圧のバラつきを抑制することができる。
A plurality of
Further, in the
通常、素子分離と溝部250の底面の深さが同じである場合において、溝部250の下をチャネル領域120として電流が流れた際、リーク電流が流れる。しかしながら、本願では、溝部250の側壁における不純物濃度が、溝部250の底面よりも高くなるように設けられている。このため、溝部250の下は、チャネル領域120になりにくい。したがって、リーク電流が流れることを抑制することができる。
Normally, when the element isolation and the depth of the bottom surface of the
(第2の実施形態)
本実施形態に係る半導体装置300は、第1の実施形態と同じ構成である。このため、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。しかしながら、本実施形態では、半導体装置の製造方法において、フォトレジスト200をドライエッチングのマスクとして用いるのではなく、パターニングされたハードマスク、例えば、マスク酸化膜210をマスクとして用いてドライエッチングを行っているという点で第1の実施形態とは異なっている。
(Second Embodiment)
The
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について詳細に説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment will be described in detail.
図8は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法における溝部形成工程において、(a)は、マスクの形成、(b)は、素子分離膜の形成、(c)は、エッチング、(d)は、不純物の注入を説明するための図である。図9は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法における、(e)は、ゲート酸化膜形成工程、(f)はゲート電極形成工程を説明するための図である。
図8(a)に示すように、まず溝トランジスタを形成する領域の周囲に、素子分離膜30を形成した後、マスク酸化膜210をCVD法によって成膜する。
8A and 8B show a groove forming step in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, in which FIG. 8A is a mask formation, FIG. 8B is an element isolation film formation, FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining impurity implantation; 9A and 9B are diagrams for explaining the gate oxide film forming step and FIG. 9F for explaining the gate electrode forming step in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 8A, first, after forming an
次に、図8(b)に示すように、フォトレジスト200をマスクとして、マスク酸化膜210をエッチングすることによりマスク酸化膜210上において溝部250となる箇所の上に位置する部分を、選択的に除去して開口する。
Next, as shown in FIG. 8B, by selectively etching a portion of the
次に、第1の実施形態と同様に、複数の凸凹100を付ける異方性エッチを、ボッシュ法によって形成する(図8(c))。これによって、複数の凸凹100を側壁に有した溝部250は、形成される。そして、フォトレジスト200は残した状態で溝部250の側壁に対して不純物であるイオンの注入を行う(図8(d))。
Next, as in the first embodiment, an anisotropic etch for forming a plurality of
次に、第1の実施形態と同様に、溝部250の側壁にイオン注入を行った後、溝部250の側壁を覆うようにゲート絶縁膜20を形成する(図9(e))。ゲート電極10を溝部250に埋め込むように、ゲート絶縁膜20状に形成する(図9(f))。最後に、半導体基板40の表面に、ゲート電極10を介して互いに対向するように、ソース・ドレイン領域150を形成する(図示せず)。
Next, as in the first embodiment, after ion implantation is performed on the sidewall of the
本実施形態に係る半導体装置の製造方法を行うことによって、フォトレジスト200がドライエッチング時のマスクとイオン注入時のマスクを兼ねる必要がなくなる。このため、イオン注入後におけるフォトレジスト200の硬化の懸念性も、剥離性に対する懸念性もなくなる。さらに、マスク酸化膜210は、フォトレジスト200よりも加工精度が高い。このため、第1の実施形態と比べて、溝部250の形成が容易になる。
By performing the method of manufacturing a semiconductor device according to this embodiment, it is not necessary for the
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
10 ゲート電極
20 ゲート絶縁膜
30 素子分離膜
40 半導体基板
50 層間絶縁膜
60 シリサイド層
80 コンタクト
90 サイドウォール
100 凸凹
110 ウェル
120 チャネル領域
130 オフセット領域
150 ソースおよびドレイン
160 不純物
200 フォトレジスト
210 マスク酸化膜
250 溝部
300 半導体装置
10
Claims (5)
前記溝部の側壁を覆うように形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝部に埋めこまれているゲート電極と、
前記半導体基板の表面に形成され、前記ゲート電極を介して互いに対向しているソースおよびドレインと、
を含み、
前記溝部の側壁には、複数の凸凹が形成されている半導体装置。 A semiconductor substrate having at least one groove on the surface;
A gate insulating film formed to cover the side wall of the trench,
A gate electrode embedded in the groove;
A source and a drain formed on the surface of the semiconductor substrate and facing each other via the gate electrode;
Including
A semiconductor device in which a plurality of irregularities are formed on a side wall of the groove.
前記溝部の側壁を覆うようにゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
ゲート電極を前記溝部に埋め込むゲート電極形成工程と、
前記半導体基板の表面に、前記ゲート電極を介して互いに対向するように、ソース・ドレイン領域を形成するソース・ドレイン形成工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 A groove portion forming step of forming at least one groove portion having a plurality of irregularities on the side wall on the surface of the semiconductor substrate;
A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film so as to cover the side wall of the groove;
Forming a gate electrode in the trench, and forming a gate electrode;
A source / drain formation step of forming source / drain regions on the surface of the semiconductor substrate so as to face each other through the gate electrode;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the groove is formed using a Bosch method.
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