JP2015115353A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a CMOS with a highly integrated SOI structure composed of vertical MISFETs.SOLUTION: A CMOS with an SOI structure composed of layered structure vertical (vertical direction operation) N-channel and P-channel MISFETs comprises: semiconductor layers (5, 6) with protrusion structures, which are provided on a semiconductor substrate 1 via an insulation film 2; ptype source-drain regions (7. 8) which are provided on and under the semiconductor layers (5, 6) in an opposed manner; a barrier metal layer 12 provided in contact with an upper part of the semiconductor layer 6; semiconductor layers (14, 15) with protrusion structures, which are provided on the barrier metal layer 12; and n type and ntype source-drain regions (16-19) provided on and under the semiconductor layers (14, 15) in an opposed manner, in which the ptype drain region 8 and the ntype drain region are connected by the barrier metal layer 12 and simplified surrounding gates on insulation 10 are provided on lateral faces of the semiconductor layers (6, 15) via gate insulation films (9, 20).

Description

本発明はSOI(Silicon On Insulator)構造の半導体集積回路に係り、特に半導体基板(バルクウエハー)に容易な製造プロセスにより、単結晶シリコンからなる低コストのSOI基板を形成し、これらのSOI基板に、高集積、高速、低電力、高性能且つ高信頼なショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型半導体集積回路を形成することに関する。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit having an SOI (Silicon On Insulator) structure. In particular, a low-cost SOI substrate made of single crystal silicon is formed on a semiconductor substrate (bulk wafer) by an easy manufacturing process. In particular, the present invention relates to forming a CMOS type semiconductor integrated circuit including short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistors with high integration, high speed, low power, high performance and high reliability.

図36は従来の半導体装置の模式側断面図で、貼り合わせSOIウエハーを使用して形成したSOI構造のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、71はp型のシリコン(Si)基板、72は貼り合わせ用酸化膜、73は素子分離領域形成用トレンチ及び埋め込み酸化膜、74はp型の半導体層(SOI基板)、75はn型の半導体層(SOI基板)、76はn型ソース領域、77はn型ソース領域、78はn型ドレイン領域、79はn型ドレイン領域、80はp型ソース領域、81はp型ドレイン領域、82はゲート絶縁膜、83はゲート電極、84はサイドウォール、85はPSG膜、86は絶縁膜、87はバリアメタル、88は導電プラグ、89は層間絶縁膜、90はバリアメタル、91はCu配線、92はバリア絶縁膜を示している。
同図においては、p型のシリコン基板71上に酸化膜72を介して貼り合わせられ、素子分離領域形成用トレンチ及び埋め込み酸化膜73により島状に絶縁分離された薄膜のp型の半導体層(SOI基板)74及びn型の半導体層(SOI基板)75が形成され、このp型のSOI基板74にはゲート電極83にセルフアライン形成されたn型ソースドレイン領域(77、78)、サイドウォール84にセルフアライン形成されたn型ソースドレイン領域(76、79)からなるNチャネルのLDD(Lightly Doped Drain)構造のMIS電界効果トランジスタが形成され、n型のSOI基板75にはゲート電極83にセルフアライン形成されたサイドウォール84にセルフアライン形成されたp型ソースドレイン領域(80、81)からなるPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。さらにn型ソースドレイン領域(76、79)及びp型ソースドレイン領域(80、81)は、それぞれバリアメタル87を有する導電プラグ88を介して、バリアメタル90を有するCu配線91に接続され、所望の電圧が印加されている。
したがって、周囲を絶縁膜で囲まれたソースドレイン領域を形成できることによる接合容量の低減、SOI基板を完全空乏化できることによる空乏層容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減等により通常のバルクウエハーに形成するMIS電界効果トランジスタからなるCMOSに比較し、高速化、低電力化及び高集積化が可能となる。
しかしSOI基板下の導電体(p型のシリコン基板)に接地電圧を印加するため、p型のSOI基板に形成するNチャネルのMIS電界効果トランジスタのバックチャネルはオフ状態が保たれるが、n型のSOI基板に形成するPチャネルのMIS電界効果トランジスタのバックチャネルは常にオン状態になってしまうため、NチャネルのMIS電界効果トランジスタにおいては、ゲート電極に印加される電圧が接地電圧でも電源電圧でも正常に動作するが、PチャネルのMIS電界効果トランジスタにおいては、接地電圧ではフロントチャネルにもバックチャネルにも電流が流れ、電源電圧ではフロントチャネルはオフ(電流が流れない)であるが、バックチャネルには微小な電流リークがあり、誤動作することが避けられないという欠点があった。
またCMOSを形成する場合、酸化膜上に貼り合わせたシリコン基板にNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを横方向に並べて形成しなければならなかったため、高集積化が達成されなかった。
またCMOSの集積回路を形成する場合、一対のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタのゲート電極は同電圧に接続されるのが一般的であり、Nチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタにそれぞれ固有のゲート電極を形成し、配線体によりそれぞれのゲート電極を接続しなければならなかったので、高集積化が達成されにくかった。
またこのようなSOI構造をつくるために、均一な単結晶を持つ半導体基板を、酸化膜を介して別の半導体基板に貼り合わせる、いわゆる貼り合わせSOIウエハーを購入しなければならず、ウエハーメーカーの低コスト化技術に頼ったとしても、量産段階においてバルクウエハーの2〜3倍程度と極めてコスト高であるという欠点もあった。
またSOI構造をつくる別の手段として、バルクウエハーを利用し、酸素イオンを注入して高温の熱処理によりバルクウエハー内部にシリコン酸化膜を形成する、いわゆるSIMOX(Separation by Implanted Oxygen)法によるSOI基板の形成を使用しても、極めて高価な高ドーズのイオン注入マシンを購入しなければならないこと及び高ドーズ量の酸素をイオン注入するために長時間の製造工程を要することによるコスト高の問題、シリコン酸化膜厚の制御が難しく、完全空乏型のSOI基板の形成が難しいこと、あるいは10インチ〜12インチの大口径ウエハーの使用における酸素イオン注入による結晶欠陥のダメージ修復に関する特性の不安定性等の欠点があった。
また貼り合わせSOI基板を使用しても、SIMOX法によるSOI基板を使用しても、いずれも高温の熱処理が必要で、単結晶シリコンからなるSOI基板を多層化することが不可能であり、3次元の半導体集積回路を形成することができなかった。
また化学気相成長により成長した多結晶シリコン層を、レーザーアニールにより再結晶化させ、単結晶シリコン層に変換させる試みは、以前さかんに試みられたが、結晶粒界が存在し、完全な単結晶シリコン層が得られず、極めてリーク電流が多いため実用化できず、多層のSOI基板に関しては、実現の可能性が全く見出されていなかった。
FIG. 36 is a schematic cross-sectional side view of a conventional semiconductor device, showing a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit including N-channel and P-channel MIS field effect transistors having an SOI structure formed using a bonded SOI wafer. , 71 is a p-type silicon (Si) substrate, 72 is a bonding oxide film, 73 is an element isolation region forming trench and a buried oxide film, 74 is a p-type semiconductor layer (SOI substrate), and 75 is an n-type semiconductor film. Semiconductor layer (SOI substrate), 76 is an n + type source region, 77 is an n type source region, 78 is an n type drain region, 79 is an n + type drain region, 80 is a p + type source region, and 81 is a p + type Drain region, 82 is gate insulating film, 83 is gate electrode, 84 is side wall, 85 is PSG film, 86 is insulating film, 87 is barrier metal, 88 is conductive plug, 89 is interlayer insulation , 90 barrier metal, 91 Cu wiring 92 denotes the barrier insulating film.
In the figure, a thin p-type semiconductor layer (insulated in an island shape by an element isolation region forming trench and a buried oxide film 73, which is bonded onto a p-type silicon substrate 71 via an oxide film 72 ( SOI substrate 74 and n-type semiconductor layer (SOI substrate) 75 are formed. The p-type SOI substrate 74 has n-type source / drain regions (77, 78) self-aligned with the gate electrode 83, sidewalls. An n-channel LDD (Lightly Doped Drain) structure MIS field effect transistor composed of n + -type source / drain regions (76, 79) self-aligned to 84 is formed, and a gate electrode 83 is formed on the n-type SOI substrate 75. P + -type source / drain region self-aligned on sidewall 84 self-aligned A P-channel MIS field effect transistor made of (80, 81) is formed. Further, the n + type source / drain regions (76, 79) and the p + type source / drain regions (80, 81) are connected to the Cu wiring 91 having the barrier metal 90 via the conductive plug 88 having the barrier metal 87. A desired voltage is applied.
Therefore, the junction capacitance can be reduced by forming the source / drain region surrounded by the insulating film, the depletion layer capacitance can be reduced by completely depleting the SOI substrate, the breakdown voltage of the source / drain region can be improved, and the subthreshold characteristics can be improved. Compared with a CMOS comprising a MIS field effect transistor formed on a normal bulk wafer by reducing the threshold voltage or the like, higher speed, lower power, and higher integration are possible.
However, since the ground voltage is applied to the conductor (p-type silicon substrate) under the SOI substrate, the back channel of the N-channel MIS field effect transistor formed on the p-type SOI substrate is maintained in the off state. Since the back channel of the P-channel MIS field effect transistor formed on the type SOI substrate is always turned on, in the N-channel MIS field effect transistor, even if the voltage applied to the gate electrode is the ground voltage or the power supply voltage However, although the P-channel MIS field effect transistor operates normally, current flows through the front channel and the back channel at the ground voltage, and the front channel is off (no current flows) at the power supply voltage. There is a drawback that the channel has a small current leak and it is inevitable that it malfunctions. It was.
Further, when forming a CMOS, since N-channel and P-channel MIS field effect transistors had to be formed side by side on a silicon substrate bonded on an oxide film, high integration was not achieved.
When a CMOS integrated circuit is formed, the gate electrodes of a pair of N-channel and P-channel MIS field effect transistors are generally connected to the same voltage, and are inherent to the N-channel and P-channel MIS field effect transistors. Therefore, it was difficult to achieve high integration because each gate electrode had to be connected by a wiring body.
In order to create such an SOI structure, a so-called bonded SOI wafer in which a semiconductor substrate having a uniform single crystal is bonded to another semiconductor substrate through an oxide film must be purchased. Even if it relies on low-cost technology, there was a drawback that it was extremely expensive, about 2 to 3 times the bulk wafer in the mass production stage.
As another means for creating an SOI structure, a bulk wafer is used, an oxygen ion is implanted, and a silicon oxide film is formed inside the bulk wafer by high-temperature heat treatment. Even with forming, the costly problem of having to purchase a very expensive high-dose ion implantation machine and requiring a long manufacturing process to implant high doses of oxygen, silicon Disadvantages such as difficult control of oxide film thickness, formation of fully depleted SOI substrate, or instability of characteristics related to damage repair of crystal defects due to oxygen ion implantation in use of large-diameter wafers of 10 to 12 inches was there.
In addition, even if a bonded SOI substrate or a SOI substrate based on the SIMOX method is used, high-temperature heat treatment is necessary, and it is impossible to make an SOI substrate made of single crystal silicon multi-layered. A three-dimensional semiconductor integrated circuit could not be formed.
Attempts to recrystallize a polycrystalline silicon layer grown by chemical vapor deposition by laser annealing and convert it into a single crystal silicon layer have been tried before. A crystalline silicon layer could not be obtained, and the leakage current was so large that it could not be put into practical use, and no realization possibility was found for a multilayer SOI substrate.

特開2009−260099JP2009-260099 特開2012−142492JP2012-142492

本発明が解決しょうとする課題は、従来例に示されるように、SOI構造を形成するために、SIMOX法によりSOI基板を形成しても、あるいは、貼り合わせSOIウエハーを使用しても、
(1)かなりのコスト高になり、付加価値の高い特殊用途の製品にしか使用できず、廉価な汎用品に適用できる技術に乏しかったこと。
(2)大口径ウエハーにおけるSOI基板の薄膜化の制御性が難しいため、完全空乏化させたSOI基板の形成が難しく、内蔵する多数のMIS電界効果トランジスタの特性の安定性が得られにくかったこと。
(3)CMOSを形成する場合、いずれか一方のMIS電界効果トランジスタのバックチャネルリークを防止できなかったこと。
(4)CMOSを形成する場合、Nチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタ共に表面上の占有面積を有して形成しなければならないことにより、高集積化の妨げになっていること。
(5)CMOSを形成する場合、1対のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタの個々のゲート電極にそれぞれゲート電極接続配線を形成し、それらを結線するため、素子の微細化はできても、配線の微細化が難しく、高集積化に難があったこと。
(6)貼り合わせあるいはSIMOX法によるSOI基板を形成する際、高温処理が必要であるため、多層のSOI基板を形成し、それぞれのSOI基板にMIS電界効果トランジスタを形成することが不可能であり、3次元のSOI化が実現できなかったこと。
等の問題が顕著になりつつあり、現状技術により微細なSOI構造のMIS電界効果トランジスタを形成しているだけでは、さらなる高集積化、高速化、高性能化及び高信頼性が困難になってきたことである。
The problem to be solved by the present invention is that, as shown in the prior art, even if an SOI substrate is formed by the SIMOX method or a bonded SOI wafer is used to form an SOI structure,
(1) The cost is considerably high, it can be used only for special purpose products with high added value, and the technology applicable to inexpensive general-purpose products is lacking.
(2) Since it is difficult to control the thinning of the SOI substrate in a large-diameter wafer, it is difficult to form a fully depleted SOI substrate, and it is difficult to obtain stability of characteristics of a large number of built-in MIS field effect transistors. .
(3) When forming a CMOS, the back channel leakage of any one of the MIS field effect transistors could not be prevented.
(4) When forming a CMOS, both N-channel and P-channel MIS field-effect transistors must be formed with an occupied area on the surface, which hinders high integration.
(5) When forming a CMOS, gate electrode connection wirings are formed on the individual gate electrodes of a pair of N-channel and P-channel MIS field effect transistors, and the elements are miniaturized to connect them. However, it was difficult to miniaturize the wiring and it was difficult to achieve high integration.
(6) When an SOI substrate is formed by bonding or SIMOX, high-temperature treatment is required. Therefore, it is impossible to form a multilayer SOI substrate and to form a MIS field effect transistor on each SOI substrate. 3D SOI could not be realized.
Such problems are becoming more prominent, and it is difficult to achieve higher integration, higher speed, higher performance, and higher reliability simply by forming a MIS field effect transistor having a fine SOI structure with the current technology. That is.

上記課題は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に選択的に設けられた第1のバリアメタル層と、前記第1のバリアメタル層上に、前記第1のバリアメタル層とサイズを一致させて設けられた平板構造の一導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に選択的に設けられた柱状構造の一導電型の第2の半導体層と、前記第2の半導体層上に、前記第2の半導体層に一部を接して選択的に設けられた第2のバリアメタル層と、前記第2のバリアメタル層上に、前記第2のバリアメタル層とサイズを一致させて設けられた平板構造の反対導電型の第3の半導体層と、前記第3の半導体層上に選択的に設けられた柱状構造の反対導電型の第4の半導体層と、前記第1の半導体層全体及び前記第2の半導体層の下部に設けられた反対導電型のソース領域と、前記反対導電型のソース領域に相対して前記第2の半導体層の上部に設けられた反対導電型のドレイン領域と、前記第3の半導体層全体及び前記第4の半導体層の下部に設けられた一導電型のドレイン領域と、前記一導電型のドレイン領域に相対して前記第4の半導体層の上部に設けられた一導電型のソース領域と、少なくとも前記第2及び第4の半導体層の側面にゲート絶縁膜を介して、一体化して、包囲する構造に設けられたゲート電極(一体化包囲型ゲート電極)と、を備え、反対導電型のドレイン領域と一導電型のドレイン領域が前記第2のバリアメタル層により接続されている、積層構造の縦型(垂直方向動作)の一導電型及び反対導電型のMIS電界効果トランジスタからなる相補型のMIS電界効果トランジスタを構成している本発明の半導体装置によって解決される。
ここで一体化包囲型ゲート電極とは、上下に積層したNチャネルMIS電界効果トランジスタとPチャネルMIS電界効果トランジスタにおいて、それぞれ柱状構造の半導体層の側面をゲート絶縁膜を介して包囲する構造に形成されたNチャネルMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極とPチャネルMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極とが単一の包囲型ゲート電極として、一体化したものである。
また本願発明のバリアメタル層とは、
[1] エピタキシャル半導体層を成長する際、下地絶縁膜の影響による部分非晶化を防止し、単結晶半導体層を成長させるための補助膜
[2]それぞれ半導体層に形成した反対導電型の不純物領域と一導電型の不純物領域の相互不純物拡散を防止する分離膜
[3]それぞれ半導体層に形成した反対導電型の不純物領域と一導電型の不純物領域を接続する導電膜
上記[1]〜[3]のいずれか、あるいは、すべての役割をなす導電性膜(単体金属、金属化合物等)である。
The above-described problems include a semiconductor substrate, an insulating film provided on the semiconductor substrate, a first barrier metal layer selectively provided on the insulating film, and the first barrier metal layer on the first barrier metal layer. A first-conductivity-type first semiconductor layer having a flat-plate structure provided in the same size as the first barrier metal layer, and a one-conductivity-type columnar structure provided selectively on the first semiconductor layer A second semiconductor layer; a second barrier metal layer selectively provided on and in contact with the second semiconductor layer; on the second semiconductor layer; and on the second barrier metal layer In addition, a third semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the flat plate structure provided in the same size as the second barrier metal layer and a columnar structure selectively provided on the third semiconductor layer are opposite to each other. A conductive type fourth semiconductor layer, and the entire first semiconductor layer and a lower portion of the second semiconductor layer; An opposite conductivity type source region, an opposite conductivity type drain region provided above the second semiconductor layer relative to the opposite conductivity type source region, the entire third semiconductor layer, and A drain region of one conductivity type provided below the fourth semiconductor layer, and a source region of one conductivity type provided above the fourth semiconductor layer relative to the drain region of one conductivity type; A gate electrode (integrated surrounding gate electrode) provided in a structure that is integrated and surrounded by at least the side surfaces of the second and fourth semiconductor layers via a gate insulating film, and has an opposite conductivity type Complementary drains of one-type and opposite-conductivity type MIS field-effect transistors having a stacked structure, in which a drain region of one conductivity type and a drain region of one conductivity type are connected by the second barrier metal layer. Type M It is solved by a semiconductor device of the present invention constituting the S field effect transistor.
Here, the integrated surrounding gate electrode is formed in a structure in which the side surface of the columnar structure semiconductor layer is surrounded by a gate insulating film in an N-channel MIS field-effect transistor and a P-channel MIS field-effect transistor stacked one above the other. The enclosed gate electrode of the N channel MIS field effect transistor and the enclosed gate electrode of the P channel MIS field effect transistor are integrated as a single enclosed gate electrode.
The barrier metal layer of the present invention is
[1] An auxiliary film for growing a single crystal semiconductor layer by preventing partial amorphization due to the influence of a base insulating film when growing an epitaxial semiconductor layer [2] Impurity of opposite conductivity type formed in each semiconductor layer Separation film [3] for preventing mutual impurity diffusion between the region and the one-conductivity type impurity region [1] to [1] to the conductive film connecting the opposite-conductivity type impurity region and the one-conductivity type impurity region respectively formed in the semiconductor layer 3], or a conductive film (single metal, metal compound, etc.) that plays all the roles.

以上説明のように本発明によれば、通常の安価な半導体基板を使用して、エピタキシャル成長技術を利用して(製造方法については別途詳述)絶縁膜上に第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層)を設け、第1のバリアメタル層直上に第1の横(水平)方向半導体層を成長し、第1の横(水平)方向半導体層上に選択的に第1の縦(垂直)方向半導体層を成長し、凸状構造の下層のSOI基板とし、第1の縦(垂直)方向半導体層の上部に一導電型のドレイン領域を設け、離間し相対して、下部に一導電型のソース領域を設け、延在して第1の横(水平)方向半導体層全体にも一導電型のソース領域を設け、さらに第1の縦(垂直)方向半導体層上に、一部を接して第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜)を設け、第2のバリアメタル層直上に第2の横(水平)方向半導体層を成長し、第2の横(水平)方向半導体層上に、選択的に第2の縦(垂直)方向半導体層を成長し、上層のSOI基板とし、第2の縦(垂直)方向半導体層の上部に反対導電型のソース領域を設け、離間し相対して、下部に反対導電型のドレイン領域を設け、延在して第2の横(水平)方向半導体層全体にも反対導電型のドレイン領域を設け、第1の縦(垂直)方向半導体層及び第2の縦(垂直)方向半導体層の側面に、それぞれゲート絶縁膜を介して一体化した包囲型ゲート電極を設けた、積層構造の縦型(垂直方向動作)のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタからなるSOI構造のCMOSを構成できるため、ソースドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減、低電力化等が可能である。
またエピタキシャル成長による半導体層の成長時において、エピタキシャル成長半導体層と下地絶縁膜が接触しないように、絶縁膜の上面にバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層)を設けて、エピタキシャル成長半導体層を形成することにより、下地絶縁膜の影響による部分非晶質化を防止した完全空乏型の単結晶半導体層からなるSOI基板を形成することが可能である。
またゲート酸化膜を介して設けられた包囲型ゲート電極によりチャネル領域を包囲して形成できるため、チャネル以外の電流経路を遮断でき、包囲型ゲート電極による完全なチャネル制御が可能であるばかりでなく、全側面にチャネルを形成できるため、表面(上面)の占有面積を増やすことなくチャネル幅を増加できるため、駆動電流を増加させることが可能である。
また容易な製造プロセス(詳細は後述)により、PチャネルMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極とNチャネルMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極を単一の包囲型ゲート電極として一体化(共通化)して形成できることにより、配線体を削除できることによる高集積化を可能にすることができる。
また表面上の占有面積を増やすことなく、ほぼ1つのMIS電界効果トランジスタの占有面積で積層構造のCMOSを形成できることによる高集積化を可能にすることができる。
また一導電型ドレイン領域への配線体と反対導電型ドレイン領域への配線体を個別に設けることなく、一導電型(あるいは反対導電型)ドレイン領域を形成した第2の横(水平)方向半導体層の直下に設けた第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜)により、一導電型ドレイン領域と反対導電型ドレイン領域を直接接続できることにより、一方の配線体を削除できることによる高集積化を可能にすることができる。
またMIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存せずに、制御性の良いエピタキシャル半導体層の成長膜厚及び熱処理による不純物の拡散により決定できるため、大口径ウエハーにおいても特性の安定したMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
また完全なSOI構造のCMOS回路(インバータ等)を形成できるため、静電気等により半導体基板に発生する高電圧ノイズによる誤作動あるいはCMOS特有のラッチアップ特性を完全に防止することも可能である。
また第1及び第2の横(水平)方向半導体層を形成するために必要な、縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層(製造方法参照)を自己整合して素子分離領域の一部を形成する埋め込み絶縁膜に変換できることによる高信頼性及び高集積化を可能にすることができる。
また微細な、結晶性が極めて良好な第1及び第2の縦(垂直)方向半導体層(柱状構造の半導体層)に自己整合して、MIS電界効果トランジスタの構成要素(低濃度及び高濃度のソースドレイン領域、ゲート酸化膜及び一体化包囲型ゲート電極)を微細に形成することも可能である。
また一導電型のソース領域が設けられる第1の横(水平)方向半導体層直下のバリアメタル層下に配線体を設けることも可能で、この場合は一導電型のソース領域への上部からの配線体が省略できるため、第1の横(水平)方向半導体層を微細に形成することが可能となる。
また第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜)による一導電型ドレイン領域と反対導電型ドレイン領域の直接接続をやめ、一導電型ドレイン領域への配線体と反対導電型ドレイン領域への配線体を個別に設けることも可能で、この場合は両方のドレイン領域を自由に配線できるため、2入力NAND回路あるいは2入力NOR回路等を含む集積回路において、使い勝手のよい高集積な回路が形成可能である。
また半導体基板及び半導体基板上に成長した縦(垂直)方向半導体層に下層の縦型(垂直方向動作)のMIS電界効果トランジスタを形成することも可能で、この場合は半導体基板とソース領域間の接合容量が増加してしまうが、製造方法の簡略化が可能である。
即ち、高速大容量通信装置、携帯情報端末、車載用機器、各種電子機械機器、宇宙関連機器等に対応可能な大規模半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つ極めて低電力なSOI構造のCMOS型半導体装置を得ることができる。
本発明者は当該技術を、絶縁膜上の(異種導電領域)接続型バリアメタル層及び一体化包囲型ゲート電極を有する積層縦型(垂直方向動作)CMOS(ccumulated Vertical MOS with onnecting Barrier etal and implified Surrounding ate on Insulator)構造と命名し、AVECCBAMSSUG(エイベックバムサッグ)と略称する。
As described above, according to the present invention, the first barrier metal layer (underlying insulation) is formed on the insulating film by using an ordinary inexpensive semiconductor substrate and utilizing the epitaxial growth technique (the manufacturing method will be described in detail separately). A film barrier layer), a first lateral (horizontal) semiconductor layer is grown directly on the first barrier metal layer, and a first vertical (vertical) is selectively formed on the first lateral (horizontal) semiconductor layer. ) Direction semiconductor layer is grown to form a lower SOI substrate having a convex structure, and a drain region of one conductivity type is provided on the upper portion of the first vertical (vertical) direction semiconductor layer, and one conductive layer is provided on the lower side while being spaced apart from each other. A source region of a type is provided, and a source region of one conductivity type is also provided in the entire first lateral (horizontal) direction semiconductor layer, and a part of the source region is further formed on the first longitudinal (vertical) direction semiconductor layer. In contact with the second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer and conductive layer for connecting a different conductivity type drain region) And a second lateral (horizontal) direction semiconductor layer is grown directly on the second barrier metal layer, and a second longitudinal (vertical) is selectively formed on the second lateral (horizontal) direction semiconductor layer. ) Direction semiconductor layer is grown to form an upper SOI substrate, and a source region of opposite conductivity type is provided above the second vertical (vertical) direction semiconductor layer, and spaced apart and oppositely, a drain region of opposite conductivity type at the bottom. And extending the second lateral (horizontal) direction semiconductor layer by providing a drain region of the opposite conductivity type, and a first longitudinal (vertical) direction semiconductor layer and a second longitudinal (vertical) direction semiconductor layer. An SOI structure CMOS composed of vertical (vertical operation) N-channel and P-channel MIS field effect transistors, each of which is provided with a surrounding gate electrode integrated via a gate insulating film on each side surface Since it can be configured, the junction capacitance of the source drain region Reduction (substantially zero), reduction of depletion layer capacitance, improvement of the breakdown voltage of the source / drain region, and reduction of threshold voltage due to improvement of subthreshold characteristics, reduction of power consumption, and the like are possible.
In addition, a barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer) is provided on the upper surface of the insulating film so that the epitaxially growing semiconductor layer does not come into contact with the underlying insulating film during the growth of the semiconductor layer by epitaxial growth, thereby forming the epitaxially grown semiconductor layer. In addition, it is possible to form an SOI substrate including a fully depleted single crystal semiconductor layer in which partial amorphization due to the influence of the base insulating film is prevented.
Moreover, since the channel region can be formed by surrounding the gate electrode provided through the gate oxide film, the current path other than the channel can be cut off, and not only the complete channel control by the surrounding gate electrode is possible. Since a channel can be formed on all side surfaces, the channel width can be increased without increasing the occupied area of the surface (upper surface), and thus the drive current can be increased.
Also, through an easy manufacturing process (details will be described later), the enclosed gate electrode of the P-channel MIS field effect transistor and the enclosed gate electrode of the N-channel MIS field effect transistor are integrated as a single enclosed gate electrode (shared) By being formed in this manner, it is possible to achieve high integration by eliminating the wiring body.
Further, it is possible to achieve high integration by forming a stacked structure CMOS with almost one MIS field effect transistor occupied area without increasing the occupied area on the surface.
In addition, a second lateral (horizontal) direction semiconductor in which one conductive type (or opposite conductive type) drain region is formed without separately providing a wiring body to the one conductive type drain region and a wiring body to the opposite conductive type drain region. One conductivity type drain region and the opposite conductivity type drain region can be directly connected by the second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer and conductive film for connecting different conductivity type drain region) provided immediately below the layer. High integration can be achieved by eliminating the wiring body.
Further, the channel length for determining various characteristics of the MIS field effect transistor can be determined by the growth thickness of the epitaxial semiconductor layer having good controllability and the diffusion of impurities by heat treatment without depending on the control of the gate length by the photolithography technique. In addition, a MIS field effect transistor having stable characteristics can be obtained even in a large-diameter wafer.
Further, since a complete SOI structure CMOS circuit (inverter or the like) can be formed, it is possible to completely prevent malfunction due to high voltage noise generated in a semiconductor substrate due to static electricity or the like or latch-up characteristics peculiar to CMOS.
Also, a buried part that forms a part of the element isolation region by self-aligning the longitudinal (vertical) direction epitaxial semiconductor layer (see the manufacturing method) necessary for forming the first and second lateral (horizontal) direction semiconductor layers. High reliability and high integration can be achieved by being able to convert to an insulating film.
In addition, the first and second vertical (vertical) direction semiconductor layers (columnar structure semiconductor layers) having extremely good crystallinity are self-aligned to form components of the MIS field effect transistor (low concentration and high concentration). It is also possible to finely form a source / drain region, a gate oxide film, and an integrated surrounding gate electrode.
It is also possible to provide a wiring body under the barrier metal layer immediately below the first lateral (horizontal) semiconductor layer in which the one-conductivity type source region is provided. Since the wiring body can be omitted, the first lateral (horizontal) direction semiconductor layer can be finely formed.
Also, the direct connection between the one conductivity type drain region and the opposite conductivity type drain region by the second barrier metal layer (the conductive film for connecting the base insulating film barrier layer and the different conductivity type drain region) is stopped, and the connection to the one conductivity type drain region is stopped. In the integrated circuit including a 2-input NAND circuit or a 2-input NOR circuit, it is possible to separately provide a wiring body for the drain region opposite to the wiring body. In this case, both drain regions can be freely wired. A highly integrated circuit that is easy to use can be formed.
It is also possible to form a lower vertical (vertical operation) MIS field effect transistor in a semiconductor substrate and a vertical (vertical) direction semiconductor layer grown on the semiconductor substrate. In this case, between the semiconductor substrate and the source region, Although the junction capacity increases, the manufacturing method can be simplified.
In other words, high-speed, high-reliability, high-performance, and high-speed, capable of manufacturing large-scale semiconductor integrated circuits that can be used for high-speed, large-capacity communication devices, personal digital assistants, in-vehicle devices, various electronic mechanical devices, and space-related devices A CMOS semiconductor device having an extremely low power SOI structure having integration can be obtained.
The present inventors have in this technology (heterogeneous conductive region) on the insulating film connecting type barrier laminate vertical with metal layer and integrated surrounding gate electrode (vertical operation) CMOS (A ccumulated Ve rtical C MOS with C onnecting named Ba rrier M etal and S implified Su rrounding G ate on Insulator) structure, abbreviated as AVECCBAMSSUG (Eibe' click Bam sag).

本発明の半導体装置における第1の実施例の模式側断面図(一体化包囲型ゲート電極への接続部を示す方向)Schematic side cross-sectional view of the first embodiment of the semiconductor device of the present invention (direction showing the connecting portion to the integrally enclosed gate electrode) 本発明の半導体装置における第1の実施例の模式側断面図(異種導電型ドレイン領域への接続部を示す方向)Schematic side cross-sectional view of the first embodiment of the semiconductor device of the present invention (direction showing a connecting portion to a different conductivity type drain region) 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の模式側断面図(一体化包囲型ゲート電極への接続部を示す方向)Schematic side cross-sectional view of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention (direction showing the connecting portion to the integrally enclosed gate electrode) 本発明の半導体装置における第3の実施例の模式側断面図(一体化包囲型ゲート電極への接続部を示す方向)Schematic side cross-sectional view of a third embodiment of the semiconductor device of the present invention (direction showing a connecting portion to an integral enclosed gate electrode) 本発明の半導体装置における第3の実施例の模式側断面図(個別ドレイン領域への接続部を示す方向)Schematic side cross-sectional view of the third embodiment of the semiconductor device of the present invention (direction showing the connecting portion to the individual drain region) 本発明の半導体装置における第4の実施例の模式側断面図(一体化包囲型ゲート電極への接続部を示す方向)Schematic side cross-sectional view of a fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention (direction showing a connecting portion to an integral enclosed gate electrode) 本発明の半導体装置における第4の実施例の模式側断面図(異種導電型ドレイン領域への接続部を示す方向)Schematic side sectional view of a fourth embodiment in a semiconductor device of the present invention (direction showing a connection portion to a different conductivity type drain region) 従来の半導体装置の模式側断面図Schematic side sectional view of a conventional semiconductor device

本願発明は、特に、
(1)完全単結晶からなるSi基板を核にした縦(垂直)方向あるいは横(水平)方向エピタキシャルSi層の形成。
(2)バリアメタル層を使用したエピタキシャル成長による完全単結晶Si層の成長。
(3)柱状構造のSi層に自己整合した上下の包囲型ゲート電極の形成及び容易なプロセスによる一体化。
(4)柱状構造のSi層に自己整合した柱状構造のSi層及び平板構造のSi層へのn型及びn型ソースドレイン領域あるいはp型ソースドレイン領域の形成。
(5)柱状構造のSi層に形成したp型ドレイン領域と平板構造のSi層に形成したn型ドレイン領域のバリアメタル層による直接接続。
(6)ソースドレイン領域形成用の不純物のイオン注入後のエピタキシャル成長Si層の低温化。
(7)n型及びn型ソースドレイン領域とp型ソースドレイン領域のRTP(Rapid Thermal Processing)法による同時活性化及び深さ制御。
等の技術を使用し、
Si基板上に絶縁膜を介して第1のバリアメタル層が設けられ、第1のバリアメタル層上に、第1の横(水平)方向エピタキシャルSi層(第1の半導体層)及び第1の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層(第2の半導体層)からなるn型のSOI基板が設けられ、第1の横(水平)方向エピタキシャルSi層全体及び第1の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層下部にp型ソース領域が設けられ、相対して、第1の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層上部にp型ドレイン領域が設けられ、第1の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層の上面に接して第2のバリアメタル層が設けられ、第2のバリアメタル層上に、第2の横(水平)方向エピタキシャルSi層(第3の半導体層)及び第2の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層(第4の半導体層)からなるp型のSOI基板が設けられ、第2の横(水平)方向エピタキシャルSi層全体及び第2の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層下部にn型及びn型ドレイン領域が設けられ、相対して、第2の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層上部にn型及びn型ソース領域が設けられ、第1及び第2の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層の側面にはゲート絶縁膜を介して一体化包囲型ゲート電極が設けられた、積層構造の縦型(垂直方向動作)のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるSOI構造のCMOSを形成したものである。
In particular, the present invention
(1) Formation of a longitudinal (vertical) direction or lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer with a Si substrate made of a complete single crystal as a nucleus.
(2) Growth of a complete single crystal Si layer by epitaxial growth using a barrier metal layer.
(3) Formation of upper and lower surrounding gate electrodes self-aligned with the Si layer having a columnar structure and integration by an easy process.
(4) Formation of n-type and n + -type source / drain regions or p + -type source / drain regions in a columnar Si layer and a flat Si layer self-aligned with the columnar Si layer.
(5) Direct connection of the p + type drain region formed in the columnar Si layer and the n + type drain region formed in the flat plate Si layer by the barrier metal layer.
(6) Lowering the temperature of the epitaxially grown Si layer after ion implantation of impurities for forming the source / drain regions.
(7) Simultaneous activation and depth control of the n-type and n + -type source / drain regions and the p + -type source / drain region by the RTP (Rapid Thermal Processing) method.
Using technology such as
A first barrier metal layer is provided on an Si substrate via an insulating film, and a first lateral (horizontal) epitaxial Si layer (first semiconductor layer) and a first barrier layer are formed on the first barrier metal layer. An n-type SOI substrate composed of a longitudinal (vertical) direction epitaxial Si layer (second semiconductor layer) is provided, and the entire first lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer and the first longitudinal (vertical) direction epitaxial Si layer are provided. A p + -type source region is provided in the lower portion, and a p + -type drain region is provided in the upper portion of the first vertical (vertical) epitaxial Si layer, and the upper surface of the first vertical (vertical) epitaxial Si layer. A second barrier metal layer is provided in contact with the second barrier metal layer, and a second lateral (horizontal) epitaxial Si layer (third semiconductor layer) and a second longitudinal (vertical) epitaxial are formed on the second barrier metal layer. Si layer (4th Semiconductor layer) p-type SOI substrate is provided comprising a second lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer as a whole and a second longitudinal (vertical) direction the epitaxial Si layer n-type lower and n + -type drain region is provided In contrast, n-type and n + -type source regions are provided above the second vertical (vertical) epitaxial Si layer, and gates are provided on the side surfaces of the first and second vertical (Si) vertical epitaxial Si layers. This is an SOI-structured CMOS comprising vertical (vertical operation) N-channel and P-channel MIS field effect transistors, in which an integral surrounding gate electrode is provided via an insulating film.

以下本発明を図示実施例により具体的に説明する。
全図を通じ同一対象物は同一符号で示す。ただし、側断面図における斜線は主要な絶縁膜のみに記載し、配線は若干の前後のずれを含んで描かれており、また発明の要部を示すため、水平方向及び垂直方向のサイズは正確な寸法を示していない。
図1〜図30は本発明の半導体装置における第1の実施例で、図1は一体化包囲型ゲート電極への接続部を示す方向の模式側断面図、図2は異種導電型ドレイン領域への接続部を示す方向の模式側断面図、図3〜図30は製造方法の工程断面図である。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the illustrated embodiments.
Throughout the drawings, the same object is denoted by the same reference numeral. However, the diagonal lines in the side sectional view are shown only on the main insulating film, and the wiring is drawn with a slight back-and-forth displacement, and the horizontal and vertical sizes are accurate to show the main part of the invention. The dimensions are not shown.
1 to 30 show a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. FIG. 1 is a schematic side sectional view in a direction showing a connecting portion to an integrated surrounding gate electrode, and FIG. 2 shows a drain region of a different conductivity type. FIG. 3 to FIG. 30 are process cross-sectional views of the manufacturing method.

図1及び図2はシリコン(Si)基板を使用し、AVECCBAMSSUG構造に形成した縦型(垂直方向動作)のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1は1015cm−3程度のp型のシリコン(Si)基板、2は150nm程度のシリコン酸化膜(SiO)、3は30nm程度の第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)、4は80nm程度の素子分離領域のシリコン窒化膜(Si)、5は1017cm−3程度のn型のSi層(第1の横(水平)方向エピタキシャル半導体層)、6は1017cm−3程度のn型のSi層(第1の縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層)、7は1020cm−3程度のp型ソース領域、8は1020cm−3程度のp型ドレイン領域、9は5nm程度のゲート酸化膜(SiO)、10は一体化包囲型ゲート電極(WSi)、11は150nm程度の燐珪酸ガラス(PSG)膜、12は50nm程度の第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)、13は100nm程度の素子分離領域のシリコン窒化膜(Si)、14は1017cm−3程度のp型のSi層(第2の横(水平)方向エピタキシャル半導体層)、15は1017cm−3程度のp型のSi層(第2の縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層)、16は1020cm−3程度のn型ドレイン領域、17は5×1017cm−3程度のn型ドレイン領域、18は5×1017cm−3程度のn型ソース領域、19は1020cm−3程度のn型ソース領域、20は5nm程度のゲート酸化膜(SiO)、21は300nm程度の燐珪酸ガラス(PSG)膜、22は20nm程度のシリコン窒化膜(Si)、23は10nm程度のバリアメタル(TiN)、24は導電プラグ(W)、25は500nm程度の絶縁膜(SiOC)、26は10nm程度のバリアメタル(TaN)、27は500nm程度のCu配線(Cuシード層含む)、28は20nm程度のバリア絶縁膜(Si)を示している。 1 and 2 show a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit using a silicon (Si) substrate and formed of vertical (vertical operation) N-channel and P-channel MIS field effect transistors formed in an AVECCBAMSSUG structure. 1 is a p-type silicon (Si) substrate of about 10 15 cm −3 , 2 is a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 150 nm, and 3 is a first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer of about 30 nm) , TiN), 4 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) in an element isolation region of about 80 nm, and 5 is an n-type Si layer of about 10 17 cm −3 (first lateral (horizontal) epitaxial semiconductor layer) , 6 is an n-type Si layer (first vertical (vertical) epitaxial semiconductor layer) of about 10 17 cm −3 , and 7 is a p + type source region of about 10 20 cm −3. , 8 is a p + type drain region of about 10 20 cm −3 , 9 is a gate oxide film (SiO 2 ) of about 5 nm, 10 is an integrated surrounding gate electrode (WSi), and 11 is a phosphosilicate glass (about 150 nm) ( PSG) film, 12 is a second barrier metal layer of about 50 nm (underlying insulating film barrier layer and conductive film for connecting different types of drain regions, TiN), and 13 is a silicon nitride film (SiN) of an element isolation region of about 100 nm. 3 N 4 ), 14 is a p-type Si layer of about 10 17 cm −3 (second lateral (horizontal) epitaxial semiconductor layer), and 15 is a p-type Si layer of about 10 17 cm −3 (second longitudinal (vertical) direction epitaxial semiconductor layer) of, 16 10 20 cm -3 of about n + -type drain region 17 is about 5 × 10 17 cm -3 of n-type drain region 18 is 5 × 10 17 cm 3 about the n-type source region, the 10 20 cm -3 of about n + -type source regions 19, 20 are 5nm approximately the gate oxide film (SiO 2), 21 is 300nm approximately phosphosilicate glass (PSG) film, 22 Is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 20 nm, 23 is a barrier metal (TiN) of about 10 nm, 24 is a conductive plug (W), 25 is an insulating film (SiOC) of about 500 nm, and 26 is a barrier of about 10 nm. Metal (TaN), 27 is a Cu wiring (including a Cu seed layer) of about 500 nm, and 28 is a barrier insulating film (Si 3 N 4 ) of about 20 nm.

図1(一体化包囲型ゲート電極への接続部を示す方向)においては、p型のシリコン基板1上にシリコン酸化膜(SiO)2が設けられ、シリコン酸化膜(SiO)2上には、選択的に第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3が設けられ、第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3直上には、n型のSi層5(第1の横(水平)方向エピタキシャル半導体層)が設けられ、Si層5上には、選択的にn型のSi層6(第1の縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層)が設けられ、Si層5及びSi層6からなるn型のSOI基板がシリコン窒化膜(Si)4により島状に絶縁分離されて設けられている。Si層6の側面は、ゲート酸化膜(SiO)9を介して膜厚が異なるゲート電極(WSi、一体化包囲型ゲート電極)10に包囲されている。Si層6の上部には、p型ドレイン領域8が設けられ、Si層6の下部には、p型ドレイン領域8に相対してp型ソース領域7が設けられ、p型ソース領域7は延在してSi層5全体にも設けられている構造からなる縦型(垂直方向動作)のPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。またSi層6上には、Si層6に一部を接して選択的に第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12が設けられ、第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12直上には、p型のSi層14(第2の横(水平)方向エピタキシャル半導体層)が設けられ、Si層14上には、選択的にp型のSi層15(第2の縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層)が設けられ、Si層14及びSi層15からなるp型のSOI基板がシリコン窒化膜(Si)13により島状に絶縁分離されて設けられている。Si層15の側面は、ゲート酸化膜(SiO)20を介して膜厚が異なるゲート電極(WSi、一体化包囲型ゲート電極)10に包囲されており、上層のゲート電極10の一部で下層のゲート電極10と直接接続されて、一体化包囲型ゲート電極10を形成している。Si層15の上部には、n型及びn型ソース領域(18、19)が設けられ、Si層15の下部には、n型及びn型ソース領域(18、19)に相対してn型及びn型ドレイン領域(16、17)が設けられ、n型ドレイン領域16は延在してSi層14全体にも設けられている構造からなる縦型(垂直方向動作)のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。ここでp型ドレイン領域とn型ドレイン領域は第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12により直接接続されている。p型ソース領域7、n型ソース領域19及び一体化包囲型ゲート電極10は、それぞれバリアメタル(TiN)23を有する導電プラグ(W)24を介してバリアメタル(TaN)26を有するCu配線27が接続されている。なお一体化包囲型ゲート電極は、配線体との接続箇所及び一体化する箇所においてはゲート電極膜厚が厚く形成され、それ以外の箇所では薄く形成されている。 In FIG. 1 (the direction indicated connections to integrated surround gate electrode), a silicon oxide film (SiO 2) 2 is provided on the silicon substrate 1 of p-type, on the silicon oxide film (SiO 2) 2 Is selectively provided with a first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN) 3, and an n-type Si layer immediately above the first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN) 3. 5 (first lateral (horizontal) direction epitaxial semiconductor layer) is provided, and an n-type Si layer 6 (first longitudinal (vertical) direction epitaxial semiconductor layer) is selectively provided on the Si layer 5. In addition, an n-type SOI substrate composed of the Si layer 5 and the Si layer 6 is provided so as to be insulated and isolated in an island shape by a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 4. The side surface of the Si layer 6 is surrounded by gate electrodes (WSi, integrally surrounded gate electrodes) 10 having different film thicknesses via a gate oxide film (SiO 2 ) 9. On top of the Si layer 6, p + -type drain region 8 is provided, in the lower portion of the Si layer 6, p + -type source region 7 is provided relative to the p + -type drain region 8, p + -type source A vertical (vertical operation) P-channel MIS field effect transistor having a structure in which the region 7 extends and is also provided in the entire Si layer 5 is formed. A second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer / conductive film for connecting different conductivity type drain regions, TiN) 12 is selectively provided on the Si layer 6 so as to partially contact the Si layer 6. The p-type Si layer 14 (second lateral (horizontal) direction epitaxial semiconductor layer) is directly above the second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer and conductive film for connecting different conductivity type drain region, TiN) 12. ) And a p-type Si layer 15 (second longitudinal (vertical) epitaxial semiconductor layer) is selectively provided on the Si layer 14, and a p-type layer composed of the Si layer 14 and the Si layer 15 is provided. An SOI substrate is provided by being insulated and isolated in an island shape by a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 13. The side surface of the Si layer 15 is surrounded by a gate electrode (WSi, integrally surrounded gate electrode) 10 having a different film thickness via a gate oxide film (SiO 2 ) 20, and is part of the upper gate electrode 10. An integral surrounding gate electrode 10 is formed by being directly connected to the lower gate electrode 10. On top of the Si layer 15, n-type and n + -type source region (18, 19) are mounted on the lower portion of the Si layer 15, relative to n-type and the n + -type source region (18, 19) N-type and n + -type drain regions (16, 17) are provided, and the n + -type drain region 16 extends and is provided in the entire Si layer 14 as well. A channel MIS field effect transistor is formed. Here, the p + -type drain region and the n + -type drain region are directly connected by a second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer / conductive film for connecting different conductivity type drain regions, TiN) 12. The p + -type source region 7, the n + -type source region 19, and the integrated surrounding gate electrode 10 each have a Cu having a barrier metal (TaN) 26 via a conductive plug (W) 24 having a barrier metal (TiN) 23. The wiring 27 is connected. Note that the integrated surrounding gate electrode is formed to have a thick gate electrode thickness at the connection portion with the wiring body and at the integration portion, and thin at the other portions.

図2(異種導電型ドレイン領域への接続部を示す方向)においては、p型のシリコン基板1上にシリコン酸化膜(SiO)2が設けられ、シリコン酸化膜(SiO)2上には、選択的に第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3が設けられ、第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3直上には、n型のSi層5(第1の横(水平)方向エピタキシャル半導体層)が設けられ、Si層5上には、選択的にn型のSi層6(第1の縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層)が設けられ、Si層5及びSi層6からなるn型のSOI基板がシリコン窒化膜(Si)4により島状に絶縁分離されて設けられている。Si層6の側面は、ゲート酸化膜(SiO)9を介してゲート電極(WSi、一体化包囲型ゲート電極)10に包囲されている。Si層6の上部には、p型ドレイン領域8が設けられ、Si層6の下部には、p型ドレイン領域8に相対してp型ソース領域7が設けられ、p型ソース領域7は延在してSi層5全体にも設けられている構造からなる縦型(垂直方向動作)のPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。またSi層6上には、Si層6に一部を接して選択的に第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12が設けられ、第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12直上には、p型のSi層14(第2の横(水平)方向エピタキシャル半導体層)が設けられ、Si層14上には、選択的にp型のSi層15(第2の縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層)が設けられ、Si層14及びSi層15からなるp型のSOI基板がシリコン窒化膜(Si)13により島状に絶縁分離されて設けられている。Si層15の側面は、ゲート酸化膜(SiO)20を介してゲート電極(WSi、一体化包囲型ゲート電極)10に包囲されている。Si層15の上部には、n型及びn型ソース領域(18、19)が設けられ、Si層15の下部には、n型及びn型ソース領域(18、19)に相対してn型及びn型ドレイン領域(16、17)が設けられ、n型ドレイン領域16は延在してSi層14全体にも設けられている構造からなる縦型(垂直方向動作)のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。ここでp型ドレイン領域8とn型ドレイン領域16は第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12により直接接続されている。n型ソース領域19及び第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12によりp型ドレイン領域8と直接接続されているn型ドレイン領域16は、それぞれバリアメタル(TiN)23を有する導電プラグ(W)24を介してバリアメタル(TaN)26を有するCu配線27が接続されている。 In FIG. 2 (direction indicated connections to different conductivity type drain region), a silicon oxide film (SiO 2) 2 is provided on the silicon substrate 1 of p-type, on the silicon oxide film (SiO 2) 2 is A first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN) 3 is selectively provided, and an n-type Si layer 5 is disposed immediately above the first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN) 3. (First lateral (horizontal) direction epitaxial semiconductor layer) is provided, and an n-type Si layer 6 (first longitudinal (vertical) direction epitaxial semiconductor layer) is selectively provided on the Si layer 5, An n-type SOI substrate composed of the Si layer 5 and the Si layer 6 is provided by being insulated and isolated in an island shape by a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 4. A side surface of the Si layer 6 is surrounded by a gate electrode (WSi, an integral surrounding gate electrode) 10 via a gate oxide film (SiO 2 ) 9. On top of the Si layer 6, p + -type drain region 8 is provided, in the lower portion of the Si layer 6, p + -type source region 7 is provided relative to the p + -type drain region 8, p + -type source A vertical (vertical operation) P-channel MIS field effect transistor having a structure in which the region 7 extends and is also provided in the entire Si layer 5 is formed. A second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer / conductive film for connecting different conductivity type drain regions, TiN) 12 is selectively provided on the Si layer 6 so as to partially contact the Si layer 6. The p-type Si layer 14 (second lateral (horizontal) direction epitaxial semiconductor layer) is directly above the second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer and conductive film for connecting different conductivity type drain region, TiN) 12. ) And a p-type Si layer 15 (second longitudinal (vertical) epitaxial semiconductor layer) is selectively provided on the Si layer 14, and a p-type layer composed of the Si layer 14 and the Si layer 15 is provided. An SOI substrate is provided by being insulated and isolated in an island shape by a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 13. The side surface of the Si layer 15 is surrounded by a gate electrode (WSi, integrated surrounding gate electrode) 10 via a gate oxide film (SiO 2 ) 20. On top of the Si layer 15, n-type and n + -type source region (18, 19) are mounted on the lower portion of the Si layer 15, relative to n-type and the n + -type source region (18, 19) N-type and n + -type drain regions (16, 17) are provided, and the n + -type drain region 16 extends and is provided in the entire Si layer 14 as well. A channel MIS field effect transistor is formed. Here, the p + -type drain region 8 and the n + -type drain region 16 are directly connected by a second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer / conductive film for connecting a different conductivity type drain region, TiN) 12. n + -type source region 19 and the second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer and different conductivity type drain region for connection of the conductive film, TiN) 12 by direct the attached n + -type and p + -type drain region 8 The drain region 16 is connected to a Cu wiring 27 having a barrier metal (TaN) 26 via a conductive plug (W) 24 having a barrier metal (TiN) 23.

また図1及び図2をCMOS型インバータとみれば、n型ソース領域19が接続されたCu配線27に接地電圧(Vss)を与え、p型ソース領域7が接続されたCu配線27に電源電圧(Vdd)を与え、一体化包囲型ゲート電極10が接続されたCu配線27に入力電圧(Vin)を与えれば、第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12によりp型ドレイン領域8と直接接続されているn型ドレイン領域16が接続されたCu配線27から出力電圧(Vout)を取り出すことができる。 Further, if FIGS. 1 and 2 are regarded as a CMOS type inverter, a ground voltage (Vss) is applied to the Cu wiring 27 to which the n + type source region 19 is connected, and the Cu wiring 27 to which the p + type source region 7 is connected. When a power supply voltage (Vdd) is applied and an input voltage (Vin) is applied to the Cu wiring 27 to which the integrated surrounding gate electrode 10 is connected, a second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer / different conductivity type drain region) The output voltage (Vout) can be taken out from the Cu wiring 27 connected to the n + type drain region 16 directly connected to the p + type drain region 8 by the conductive film for connection, TiN) 12.

したがって、通常の安価な半導体基板を使用して、エピタキシャル成長技術を利用して(製造方法については別途詳述)絶縁膜上に第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層)を設け、第1のバリアメタル層直上に第1の横(水平)方向半導体層を成長し、第1の横(水平)方向半導体層上に選択的に第2の縦(垂直)方向半導体層を成長し、凸状構造の下層のSOI基板とし、第1の縦(垂直)方向半導体層の上部にp型ドレイン領域を設け、離間し相対して、下部にp型ソース領域を設け、延在して第1の横(水平)方向半導体層全体にもp型のソース領域を設け、さらに第1の縦(垂直)方向半導体層上に、一部を接して第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜)を設け、第2のバリアメタル層直上に第2の横(水平)方向半導体層を成長し、第2の横(水平)方向半導体層上に、選択的に第2の縦(垂直)方向半導体層を成長し、上層のSOI基板とし、第2の縦(垂直)方向半導体層の上部にn型及びn型ソース領域を設け、離間し相対して、下部にn型及びn型ドレイン領域を設け、延在して第2の横(水平)方向半導体層全体にもn型ドレイン領域を設け、第1の縦(垂直)方向半導体層及び第2の縦(垂直)方向半導体層の側面に、それぞれゲート絶縁膜を介して一体化した包囲型ゲート電極を設けた、積層構造の縦型(垂直方向動作)のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタからなるSOI構造のCMOSを構成できるため、ソースドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減、低電力化等が可能である。
またエピタキシャル成長による半導体層の成長時において、エピタキシャル成長半導体層と下地絶縁膜が接触しないように、絶縁膜の上面にバリア層(下地絶縁膜バリア層)を設けて、エピタキシャル成長半導体層を形成することにより、下地絶縁膜の影響による部分非晶質化を防止した完全空乏型の単結晶半導体層からなるSOI基板を形成することが可能である。
またゲート酸化膜を介して設けられた包囲型ゲート電極によりチャネル領域を包囲して形成できるため、チャネル以外の電流経路を遮断でき、包囲型ゲート電極による完全なチャネル制御が可能であるばかりでなく、全側面にチャネルを形成できるため、表面(上面)の占有面積を増やすことなくチャネル幅を増加できるため、駆動電流を増加させることが可能である。
また容易な製造プロセス(詳細は後述)により、PチャネルMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極とNチャネルMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極を単一の包囲型ゲート電極として一体化して形成できることにより、配線体を削除できることによる高集積化を可能にすることができる。
また表面上の占有面積を増やすことなく、ほぼ1つのMIS電界効果トランジスタの占有面積で積層構造のCMOSを形成できることによる高集積化を可能にすることができる。
またn型ドレイン領域への配線体とp型ドレイン領域への配線体を個別に設けることなく、n型ドレイン領域を形成した第2の横(水平)方向半導体層の直下に設けた第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜)により、n型ドレイン領域とp型ドレイン領域を直接接続できることにより、一方の配線体を削除できることによる高集積化を可能にすることができる。(特にインバータ回路に有効である。)
またMIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存せずに、制御性の良いエピタキシャル半導体層の成長膜厚及び熱処理による不純物の拡散により決定できるため、大口径ウエハーにおいても特性の安定したMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
また完全なSOI構造のCMOS回路を形成できるため、静電気等により半導体基板に発生する高電圧ノイズによる誤作動あるいはCMOS特有のラッチアップ特性を完全に防止することも可能である。
また第1及び第2の横(水平)方向半導体層を形成するために必要な、縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層(製造方法参照)を自己整合して素子分離領域の一部を形成する埋め込み絶縁膜に変換できることによる高信頼性及び高集積化を可能にすることができる。
また微細な、結晶性が極めて良好な柱状構造の半導体層(第1及び第2の縦(垂直)方向半導体層)に自己整合して、MIS電界効果トランジスタの構成要素(低濃度及び高濃度のソースドレイン領域、ゲート酸化膜及び一体化包囲型ゲート電極)を微細に形成することも可能である。
即ち、高速大容量通信装置、携帯情報端末、車載用機器、各種電子機械機器、宇宙関連機器等に対応可能な大規模半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つ極めて低電力なSOI構造のCMOS型半導体装置を得ることができる。
Therefore, the first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer) is provided on the insulating film by using an ordinary inexpensive semiconductor substrate and utilizing the epitaxial growth technology (the manufacturing method will be described in detail separately). A first lateral (horizontal) semiconductor layer is grown directly on the barrier metal layer, and a second vertical (vertical) semiconductor layer is selectively grown on the first lateral (horizontal) semiconductor layer, And forming a p + type drain region on the upper part of the first vertical (vertical) semiconductor layer and providing a p + type source region on the lower side and extending away from the first vertical (vertical) semiconductor layer. A p + -type source region is also provided in the entire first lateral (horizontal) direction semiconductor layer, and a second barrier metal layer (underlying insulating layer) is partially in contact with the first longitudinal (vertical) direction semiconductor layer. A film barrier layer and a conductive film for connecting a different conductivity type drain region) and a second barrier film. A second lateral (horizontal) direction semiconductor layer is grown directly on the tall layer, and a second longitudinal (vertical) direction semiconductor layer is selectively grown on the second lateral (horizontal) direction semiconductor layer, As an SOI substrate, n-type and n + -type source regions are provided above the second vertical (vertical) direction semiconductor layer, and n-type and n + -type drain regions are provided below and spaced apart from each other. An n + -type drain region is also provided in the entire second lateral (horizontal) direction semiconductor layer, and gate insulation is provided on the side surfaces of the first vertical (vertical) direction semiconductor layer and the second vertical (vertical) direction semiconductor layer, respectively. Since an SOI-structure CMOS comprising vertical (vertical operation) N-channel and P-channel MIS field effect transistors having a surrounding gate electrode integrated through a film can be formed, a source / drain region can be formed. Reduction of junction capacitance (substantially zero), depletion layer capacitance It is possible to reduce the threshold voltage, lower power, etc. by reducing the amount, improving the breakdown voltage of the source / drain region, and improving the subthreshold characteristics.
Also, by providing a barrier layer (underlying insulating film barrier layer) on the upper surface of the insulating film so that the epitaxially growing semiconductor layer and the underlying insulating film do not come into contact with each other during the growth of the semiconductor layer by epitaxial growth, It is possible to form an SOI substrate including a fully depleted single crystal semiconductor layer in which partial amorphization due to the influence of the base insulating film is prevented.
Moreover, since the channel region can be formed by surrounding the gate electrode provided through the gate oxide film, the current path other than the channel can be cut off, and not only the complete channel control by the surrounding gate electrode is possible. Since a channel can be formed on all side surfaces, the channel width can be increased without increasing the occupied area of the surface (upper surface), and thus the drive current can be increased.
Further, by an easy manufacturing process (details will be described later), the surrounding gate electrode of the P-channel MIS field effect transistor and the surrounding gate electrode of the N-channel MIS field effect transistor can be integrally formed as a single surrounding gate electrode. High integration can be made possible by eliminating the wiring body.
Further, it is possible to achieve high integration by forming a stacked structure CMOS with almost one MIS field effect transistor occupied area without increasing the occupied area on the surface.
Further, the wiring body to the n + -type drain region and the wiring body to the p + -type drain region are not provided separately, but are provided immediately below the second lateral (horizontal) direction semiconductor layer in which the n + -type drain region is formed. The n + -type drain region and the p + -type drain region can be directly connected by the second barrier metal layer (conductive film for connecting the underlying insulating film barrier layer and the different conductivity type drain region), so that one wiring body can be eliminated. High integration can be achieved. (Especially effective for inverter circuits.)
Further, the channel length for determining various characteristics of the MIS field effect transistor can be determined by the growth thickness of the epitaxial semiconductor layer having good controllability and the diffusion of impurities by heat treatment without depending on the control of the gate length by the photolithography technique. In addition, a MIS field effect transistor having stable characteristics can be obtained even in a large-diameter wafer.
Further, since a complete SOI structure CMOS circuit can be formed, it is possible to completely prevent malfunction due to high voltage noise generated in a semiconductor substrate due to static electricity or the like or latch-up characteristics peculiar to CMOS.
Also, a buried part that forms a part of the element isolation region by self-aligning the longitudinal (vertical) direction epitaxial semiconductor layer (see the manufacturing method) necessary for forming the first and second lateral (horizontal) direction semiconductor layers. High reliability and high integration can be achieved by being able to convert to an insulating film.
In addition, it is self-aligned with a fine columnar semiconductor layer (first and second vertical (vertical) semiconductor layers) having very good crystallinity, and the components of the MIS field effect transistor (low and high concentration). It is also possible to finely form a source / drain region, a gate oxide film, and an integrated surrounding gate electrode.
In other words, high-speed, high-reliability, high-performance, and high-speed, capable of manufacturing large-scale semiconductor integrated circuits that can be used for high-speed, large-capacity communication devices, portable information terminals, in-vehicle devices, various electronic mechanical devices, space-related devices, etc. A CMOS semiconductor device having an extremely low power SOI structure having integration can be obtained.

次いで本発明に係る半導体装置における第1の実施例の製造方法について図3〜図30、図1及び図2を参照し、一体化包囲型ゲート電極への接続部を示す方向の模式側断面図を用いて説明する。ただし、ここでは本発明の半導体装置の形成に関する製造方法のみを記述し、一般の半導体集積回路に搭載される各種の素子(他のトランジスタ、抵抗、容量等)の形成に関する製造方法の記述は省略する。   Next, referring to FIGS. 3 to 30, FIG. 1 and FIG. 2 for the manufacturing method of the first embodiment in the semiconductor device according to the present invention, the schematic side sectional view in the direction showing the connecting portion to the integrally enclosed gate electrode. Will be described. However, here, only the manufacturing method relating to the formation of the semiconductor device of the present invention is described, and the description of the manufacturing method relating to the formation of various elements (other transistors, resistors, capacitors, etc.) mounted on a general semiconductor integrated circuit is omitted. To do.

図3
化学気相成長により、p型のシリコン基板1上に150nm程度のシリコン酸化膜(SiO)2を成長する。次いで化学気相成長により、30nm程度の第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3を成長する。次いで化学気相成長により、エピタキシャル半導体層膜厚規定用絶縁膜となるシリコン窒化膜(Si)29を60nm程度成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)29、第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3及びシリコン酸化膜(SiO)2を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
A silicon oxide film (SiO 2 ) 2 of about 150 nm is grown on the p-type silicon substrate 1 by chemical vapor deposition. Next, a first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN) 3 of about 30 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 29 serving as an insulating film for defining the epitaxial semiconductor layer thickness is grown by about 60 nm by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, using a resist (not shown) as a mask layer, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 29, a first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN) 3 and the silicon oxide film (SiO 2 ) 2 are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form an opening. Next, the resist (not shown) is removed.

図4
次いで露出したp型のシリコン基板1上にn型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層30を成長する。次いで化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing 以後CMPと略称)し、シリコン窒化膜(Si)29の平坦面より突出した縦(垂直)方向エピタキシャルSi層30を平坦化する。次いで選択化学気相成長法により30nm程度のタングステン膜31を成長する。
FIG.
Next, an n-type vertical (vertical) epitaxial Si layer 30 is grown on the exposed p-type silicon substrate 1. Then, chemical mechanical polishing (hereinafter abbreviated as CMP) is performed to planarize the vertical (vertical) epitaxial Si layer 30 protruding from the flat surface of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 29. Next, a tungsten film 31 of about 30 nm is grown by selective chemical vapor deposition.

図5
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)29を異方性ドライエッチングし、縦(垂直)方向エピタキシャルSi層30の一部側面及び第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3の一部上面を露出する開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 29 is anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer, and a longitudinal (vertical) direction epitaxial Si layer An opening is formed to expose a partial side surface of 30 and a partial upper surface of the first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN) 3. Next, the resist (not shown) is removed.

図6
次いで露出した縦(垂直)方向エピタキシャルSi層30の側面から第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3上にn型の第1の横(水平)方向エピタキシャルSi層5を成長し、シリコン窒化膜(Si)29の開孔部を埋め込む。ここで成長したSi層5は第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3により下地のシリコン酸化膜(SiO)2の影響を受けない完全な単結晶半導体層となる。(この第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3がないと下地のシリコン酸化膜(SiO)2の影響を受け一部が非晶質化した半導体層となってしまい、微少な電流リークを生じる原因となる。)
FIG.
Next, an n-type first lateral (horizontal) epitaxial Si layer 5 is grown on the first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN) 3 from the exposed side surface of the longitudinal (vertical) epitaxial Si layer 30. Then, the opening portion of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 29 is embedded. The grown Si layer 5 becomes a complete single crystal semiconductor layer that is not affected by the underlying silicon oxide film (SiO 2 ) 2 by the first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN) 3. (Without this first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN) 3, a part of the semiconductor layer becomes amorphous due to the influence of the underlying silicon oxide film (SiO 2 ) 2. (This may cause minute current leakage.)

図7
次いでSi層5の表面を900℃程度で酸化し、20nm程度のシリコン酸化膜(SiO)32を成長する。次いでシリコン酸化膜(SiO)32をマスク層として、タングステン膜31、Si層30、シリコン窒化膜(Si)29及び第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3を順次異方性ドライエッチングし、2段の開孔部を形成する。
FIG.
Next, the surface of the Si layer 5 is oxidized at about 900 ° C. to grow a silicon oxide film (SiO 2 ) 32 of about 20 nm. Next, using the silicon oxide film (SiO 2 ) 32 as a mask layer, a tungsten film 31, a Si layer 30, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 29, and a first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN) 3 are formed. Sequential anisotropic dry etching is performed to form two-stage apertures.

図8
次いで化学気相成長により、80nm程度のシリコン窒化膜(Si)を成長する。次いでSi層5の平坦面上のシリコン窒化膜(Si)及びシリコン酸化膜(SiO)32を化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)4を開孔部に平坦に埋め込み素子分離領域を形成する。
FIG.
Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 80 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) and the silicon oxide film (SiO 2 ) 32 on the flat surface of the Si layer 5 are subjected to chemical mechanical polishing (CMP) to open the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 4. A buried element isolation region is formed flat in the part.

図9
次いで化学気相成長により、150nm程度のシリコン酸化膜(SiO)33を成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン酸化膜(SiO)33を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(開孔部幅は80nm程度)次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 33 of about 150 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon oxide film (SiO 2 ) 33 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. (The opening width is about 80 nm) Next, the resist (not shown) is removed.

図10
次いで露出したSi層5上にn型の第1の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層6を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、シリコン酸化膜(SiO)33の平坦面より突出した第1の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層6を平坦化する。
FIG.
Next, an n-type first longitudinal (vertical) epitaxial Si layer 6 is grown on the exposed Si layer 5. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to flatten the first vertical (vertical) epitaxial Si layer 6 protruding from the flat surface of the silicon oxide film (SiO 2 ) 33.

図11
次いでシリコン酸化膜(SiO)33をエッチング除去する。次いで化学気相成長により、5nm程度のイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)を成長する。次いでSi層6に閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。次いで700℃程度でランニングし、所望の閾値電圧に制御する。次いでSi層5及びSi層6にp型ソースドレイン領域(7、8)形成用の硼素のイオン注入をおこなう。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)をエッチング除去する。(ここではp型ソースドレイン領域の活性化及び深さ制御用の熱処理工程は行わないが、p型ソースドレイン領域は図示しておく。)
FIG.
Next, the silicon oxide film (SiO 2 ) 33 is removed by etching. Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, boron ions for controlling the threshold voltage are implanted into the Si layer 6. Next, it is run at about 700 ° C. and controlled to a desired threshold voltage. Next, boron ions are implanted into the Si layer 5 and the Si layer 6 to form p + -type source / drain regions (7, 8). Next, the silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation is removed by etching. (Here it does not perform the heat treatment step for activating and controlling the depth of the p + -type source and drain regions, p + -type source and drain regions previously shown.)

図12
次いで露出しているSi層5及びSi層6の表面を酸化し、5nm程度のゲート酸化膜(SiO)9を成長する。次いで化学気相成長により、150nm程度のタングステンシリサイド膜(WSi)10aを成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、Si層6の平坦面より上に成長したゲート酸化膜(SiO)9及びタングステンシリサイド膜(WSi)10aを除去し、平坦化する。
FIG.
Next, the exposed surfaces of the Si layer 5 and the Si layer 6 are oxidized to grow a gate oxide film (SiO 2 ) 9 of about 5 nm. Next, a tungsten silicide film (WSi) 10a of about 150 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove and planarize the gate oxide film (SiO 2 ) 9 and tungsten silicide film (WSi) 10a grown above the flat surface of the Si layer 6.

図13
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、タングステンシリサイド膜(WSi)10aを異方性ドライエッチングする。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでタングステンシリサイド膜(WSi)10a及びゲート酸化膜(SiO)9を50nm程度順次異方性ドライエッチング(オーバーエッチング)し、下層の包囲型ゲート電極10aを形成する。
FIG.
Next, the tungsten silicide film (WSi) 10a is anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer using a normal lithography technique using an exposure drawing apparatus. Next, the resist (not shown) is removed. Next, the tungsten silicide film (WSi) 10a and the gate oxide film (SiO 2 ) 9 are sequentially subjected to anisotropic dry etching (overetching) of about 50 nm to form a lower-layer surrounding gate electrode 10a.

図14
次いで化学気相成長により、150nm程度のPSG膜11を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、Si層6の平坦面より上に成長したPSG膜11を除去し、平坦化する。
FIG.
Next, a PSG film 11 of about 150 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, and the PSG film 11 grown above the flat surface of the Si layer 6 is removed and flattened.

図15
次いで化学気相成長により、50nm程度の第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12を成長する。次いで化学気相成長により、エピタキシャル半導体層膜厚規定用絶縁膜となるシリコン窒化膜(Si)34を50nm程度成長する。
FIG.
Next, a second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer / conductive film for connecting a different conductivity type drain region, TiN) 12 of about 50 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 34 to be an epitaxial semiconductor layer thickness regulating insulating film is grown by about 50 nm by chemical vapor deposition.

図16
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)34、第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12及びPSG膜11を順次異方性ドライエッチングし、Si層5の一部の表面を露出する開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, using a resist (not shown) as a mask layer, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 34, a second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer and heterogeneous conductivity) The conductive film for connecting the drain region, TiN) 12 and the PSG film 11 are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form an opening that exposes a part of the surface of the Si layer 5. Next, the resist (not shown) is removed.

図17
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置(electron coupling resonance plasma enhanced chemical vapor deposition system)により、露出したSi層5上にp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層35を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)34の平坦面より突出した縦(垂直)方向エピタキシャルSi層35を平坦化する。次いで選択化学気相成長法により30nm程度のタングステン膜36を成長する。
FIG.
Next, a p-type vertical (vertical) epitaxial Si layer 35 is grown on the exposed Si layer 5 by an ECR plasma CVD enhanced chemical vapor deposition deposition system capable of low-temperature growth (500 ° C. or lower). . Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to flatten the vertical (vertical) epitaxial Si layer 35 protruding from the flat surface of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 34. Next, a tungsten film 36 of about 30 nm is grown by selective chemical vapor deposition.

図18
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)34を異方性ドライエッチングし、縦(垂直)方向エピタキシャルSi層35の一部側面及び第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12の一部上面を露出する開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 34 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer, and a longitudinal (vertical) direction epitaxial Si layer An opening is formed that exposes a part of the side surface 35 and a part of the upper surface of the second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer and conductive film for connecting different conductivity type drain region, TiN) 12. Next, the resist (not shown) is removed.

図19
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置により、露出した縦(垂直)方向エピタキシャルSi層35の側面から第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12上にp型の第2の横(水平)方向エピタキシャルSi層14を成長し、シリコン窒化膜(Si)34の開孔部を埋め込む。ここで成長したSi層14は第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12により下地のPSG膜11の影響を受けない完全な単結晶半導体層となる。(この第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12がないと下地のPSG膜11の影響を受け一部が非晶質化した半導体層となってしまい、微少な電流リークを生じる原因となる。)
FIG.
Next, by using an ECR plasma CVD apparatus capable of low-temperature growth (500 ° C. or less), the second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer also serving as a different conductivity type drain region connection is formed from the side surface of the exposed vertical (vertical) epitaxial Si layer 35. A p-type second lateral (horizontal) epitaxial Si layer 14 is grown on the conductive film TiN) 12 and a hole in the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 34 is buried. The Si layer 14 grown here is a complete single crystal that is not affected by the underlying PSG film 11 by the second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer / conductive film for connecting different conductivity type drain regions, TiN) 12. It becomes a semiconductor layer. (Semiconductor partially amorphized under the influence of the underlying PSG film 11 without the second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer and conductive film for connecting a different conductivity type drain region, TiN) 12 It becomes a layer and causes a minute current leak.)

図20
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、タングステン膜36、Si層(14、35、5)、シリコン窒化膜(Si)34及び第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)12を順次異方性ドライエッチングし、2段の開孔部を形成する。(この際、下層の第1のバリアメタル層3の一部も除去される。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, a resist (not shown) is used as a mask layer, a tungsten film 36, a Si layer (14, 35, 5), a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 34, and a second layer. Two barrier metal layers (underlying insulating film barrier layer and conductive film for connecting different conductivity type drain regions, TiN) 12 are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form two-stage openings. (At this time, a part of the lower first barrier metal layer 3 is also removed.) Next, the resist (not shown) is removed.

図21
次いで化学気相成長により、100nm程度のシリコン窒化膜(Si)を成長する。次いでSi層14の平坦面上のシリコン窒化膜(Si)を化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)13を開孔部に平坦に埋め込み素子分離領域を形成する。
FIG.
Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) on the flat surface of the Si layer 14 is subjected to chemical mechanical polishing (CMP), and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 13 is flatly embedded in the opening to form an element isolation region. Form.

図22
次いで化学気相成長により、150nm程度のシリコン酸化膜(SiO)37を成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン酸化膜(SiO)37を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(開孔部幅は80nm程度)次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 37 having a thickness of about 150 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon oxide film (SiO 2 ) 37 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. (The opening width is about 80 nm) Next, the resist (not shown) is removed.

図23
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置により、露出したSi層14上にp型の第2の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層15を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、シリコン酸化膜(SiO)37の平坦面より突出した第2の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層15を平坦化する。
FIG.
Next, a p-type second longitudinal (vertical) epitaxial Si layer 15 is grown on the exposed Si layer 14 by an ECR plasma CVD apparatus capable of low-temperature growth (500 ° C. or less). Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to planarize the second vertical (vertical) epitaxial Si layer 15 protruding from the flat surface of the silicon oxide film (SiO 2 ) 37.

図24
次いでシリコン酸化膜(SiO)37をエッチング除去する。次いで化学気相成長により、5nm程度のイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)を成長する。次いでSi層15に閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。次いでSi層14及びSi層15にn型ソースドレイン領域(17、18)形成用の燐のイオン注入を、連続してn型ソースドレイン領域(16、19)形成用の砒素のイオン注入をおこなう。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)をエッチング除去する。(ここではn型及びn型ソースドレイン領域の活性化及び深さ制御用の熱処理工程は行わないが、n型及びn型ソースドレイン領域は図示しておく。)
FIG.
Next, the silicon oxide film (SiO 2 ) 37 is removed by etching. Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, boron ions for controlling the threshold voltage are implanted into the Si layer 15. Next, phosphorus ions are implanted into the Si layer 14 and Si layer 15 for forming the n-type source / drain regions (17, 18), and arsenic ions are implanted successively to form the n + -type source / drain regions (16, 19). Do it. Next, the silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation is removed by etching. (Although not performed here n-type and the n + -type source and drain region a heat treatment step of the activation and depth control of, the n-type and n + -type source and drain regions previously shown.)

図25
次いで露出しているSi層14及びSi層15の表面を酸化し、5nm程度のゲート酸化膜(SiO)20を成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)13及びPSG膜11を順次異方性ドライエッチングし、下層の包囲型ゲート電極10aの一部を露出する開孔部を形成する。(開孔部幅は80nm程度)次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, the exposed surfaces of the Si layer 14 and the Si layer 15 are oxidized to grow a gate oxide film (SiO 2 ) 20 of about 5 nm. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 13 and the PSG film 11 are sequentially subjected to anisotropic dry etching using a resist (not shown) as a mask layer to surround the lower layer An opening that exposes a portion of the mold gate electrode 10a is formed. (The opening width is about 80 nm) Next, the resist (not shown) is removed.

図26
次いで化学気相成長により、150nm程度のタングステンシリサイド膜(WSi)10bを成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、Si層15の平坦面より上に成長したゲート酸化膜(SiO)9及びタングステンシリサイド膜(WSi)10bを除去し、平坦化する。
FIG.
Next, a tungsten silicide film (WSi) 10b of about 150 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove and planarize the gate oxide film (SiO 2 ) 9 and tungsten silicide film (WSi) 10b grown above the flat surface of the Si layer 15.

図27
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、タングステンシリサイド膜(WSi)10bを異方性ドライエッチングする。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでタングステンシリサイド膜(WSi)10b及びゲート酸化膜(SiO)20を50nm程度順次異方性ドライエッチング(オーバーエッチング)し、上層の包囲型ゲート電極10bを形成する。こうして下層の包囲型ゲート電極10aと上層の包囲型ゲート電極10bが一体化された一体化包囲型ゲート電極10が形成される。次いでRTP(Rapid Thermal Processing)法により活性化及び深さ制御用のアニールをおこない、Si層5及びSi層6にp型ソースドレイン領域(7、8)を、Si層14及びSi層15にn型ソースドレイン領域(17、18)及びn型ソースドレイン領域(16、19)を形成する。
FIG.
Next, the tungsten silicide film (WSi) 10b is anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer using a normal lithography technique using an exposure drawing apparatus. Next, the resist (not shown) is removed. Next, the tungsten silicide film (WSi) 10b and the gate oxide film (SiO 2 ) 20 are successively subjected to anisotropic dry etching (overetching) by about 50 nm to form an upper-layer surrounding gate electrode 10b. Thus, the integrated surrounding gate electrode 10 in which the lower surrounding gate electrode 10a and the upper surrounding gate electrode 10b are integrated is formed. Next, annealing for activation and depth control is performed by an RTP (Rapid Thermal Processing) method, p + -type source / drain regions (7, 8) are formed in the Si layer 5 and the Si layer 6, and the Si layer 14 and the Si layer 15 are formed. An n-type source / drain region (17, 18) and an n + -type source / drain region (16, 19) are formed.

図28
次いで化学気相成長により、300nm程度のPSG膜21を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、平坦化する。次いで化学気相成長により、20nm程度のシリコン窒化膜(Si)22を成長する。
FIG.
Next, a PSG film 21 of about 300 nm is grown by chemical vapor deposition. Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed and planarization is performed. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 22 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition.

図29
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)22、PSG膜21、シリコン窒化膜(Si)13及びPSG膜11を順次異方性ドライエッチングし、ビアを形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, using a resist (not shown) as a mask layer, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 22, a PSG film 21, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 13, and The PSG film 11 is sequentially subjected to anisotropic dry etching to form vias. Next, the resist (not shown) is removed.

図30
次いで化学気相成長により、バリアメタルとなるTiN23を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン(W)24を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ビアに平坦に埋め込み、バリアメタル(TiN)23を有する導電プラグ(W)24を形成する。
FIG.
Next, TiN 23 serving as a barrier metal is grown by chemical vapor deposition. Next, tungsten (W) 24 is grown by chemical vapor deposition. Next, a conductive plug (W) 24 having a barrier metal (TiN) 23 is formed by chemical mechanical polishing (CMP).

図1(一体化包囲型ゲート電極への接続部を示す方向)及び図2(異種導電型ドレイン領域への接続部を示す方向)
次いで化学気相成長により、500nm程度の絶縁膜(SiOC)25を成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、SiOC膜25を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、シリコン窒化膜(Si)24がエッチングストッパー膜となる。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、10nm程度のバリアメタル(TaN)26を成長する。次いでスパッタにより、Cuシード層を成長する。次いで電解メッキ法により500nm程度のCuを成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、開孔部にCuを平坦に埋め込み、バリアメタル(TaN)26を有するCu配線27を形成する。次いで化学気相成長により、Cuのバリア絶縁膜となるシリコン窒化膜(Si)28を成長し、本願発明のAVECCBAMSSUG構造の半導体装置を完成する。
FIG. 1 (direction showing the connecting portion to the integrated surrounding gate electrode) and FIG. 2 (direction showing the connecting portion to the different conductivity type drain region)
Next, an insulating film (SiOC) 25 of about 500 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary lithography technique using an exposure drawing apparatus, the SiOC film 25 is anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. (At this time, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 24 becomes an etching stopper film.) Next, the resist (not shown) is removed. Next, a barrier metal (TaN) 26 of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a Cu seed layer is grown by sputtering. Next, Cu of about 500 nm is grown by electrolytic plating. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, and Cu is flatly embedded in the opening portion to form a Cu wiring 27 having a barrier metal (TaN) 26. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 28 serving as a Cu barrier insulating film is grown by chemical vapor deposition to complete the semiconductor device having the AVECC BAMS SUG structure of the present invention.

図31は本発明の半導体装置における第2の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、AVECCBAMSSUG構造に形成した縦型(垂直方向動作)のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜28は図1と同じ物を、38は下部接続配線体(WSi)を示している。
同図においては、PチャネルMIS電界効果トランジスタのp型ソース領域へ直接接続するCu配線27が存在せずに替りにp型ソース領域直下の第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)3に下から接続する下部接続配線体(WSi)38が形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造の半導体装置が形成されている。
本実施例においては、第1の実施例と同様の効果を得ることができ、またPチャネルMIS電界効果トランジスタのSOI基板を形成する前に、下部接続配線体(WSi)を形成する工程が必要となるが、第1の横(水平)方向エピタキシャルSi層を微細に形成できることによる高集積化が可能となる。
FIG. 31 is a schematic sectional side view of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention. Vertical (vertical operation) N-channel and P-channel MIS electric fields formed in an AVECCBAMSSUG structure using a silicon (Si) substrate. 1 shows a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit composed of effect transistors, in which 1 to 28 are the same as in FIG. 1, and 38 is a lower connection wiring body (WSi).
In the figure, there is no Cu wiring 27 directly connected to the p + type source region of the P channel MIS field effect transistor, but instead a first barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer immediately below the p + type source region). , TiN) 3, a semiconductor device having substantially the same structure as that of FIG. 1 is formed except that a lower connection wiring body (WSi) 38 connected from below is formed.
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and a step of forming a lower connection wiring body (WSi) is required before forming the SOI substrate of the P-channel MIS field effect transistor. However, it is possible to achieve high integration by forming the first lateral (horizontal) epitaxial Si layer finely.

図32(一体化包囲型ゲート電極への接続部を示す方向)及び図33(個別ドレイン領域への接続部を示す方向)は本発明の半導体装置における第3の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、AVECCBAMSSUG構造に形成した縦型(垂直方向動作)のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜28は図1と同じ物を、39は上部接続配線体(WSi)、40はシリコン酸化膜(SiO)を示している。
同図においては、シリコン酸化膜(SiO)40により異種導電型ドレイン領域が分離して形成され、PチャネルMIS電界効果トランジスタのドレイン領域上に配線体(WSi)39が設けられていること及び配線体(WSi)39に接続するCu配線27が設けられていること以外は図1及び図2とほぼ同じ構造の半導体装置が形成されている。
本実施例においては、第1の実施例と同様の効果を得ることができ、また両方のドレイン領域を自由に配線できるため、2入力NAND回路あるいは2入力NOR回路等を含む集積回路において、第1の実施例あるいは第2の実施例と組み合わせ、使い分けることにより、使い勝手のよい高集積な集積回路が形成可能である。
FIG. 32 (direction showing the connection portion to the integrated surrounding gate electrode) and FIG. 33 (direction showing the connection portion to the individual drain region) are schematic side sectional views of the third embodiment of the semiconductor device of the present invention. 1 shows a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit composed of vertical (vertical operation) N-channel and P-channel MIS field effect transistors formed on an AVECCBAMSSUG structure using a silicon (Si) substrate. 1 is the same as FIG. 1, 39 is an upper connection wiring body (WSi), and 40 is a silicon oxide film (SiO 2 ).
In the figure, the drain region of the different conductivity type is separated and formed by the silicon oxide film (SiO 2 ) 40, and the wiring body (WSi) 39 is provided on the drain region of the P-channel MIS field effect transistor. A semiconductor device having substantially the same structure as that of FIGS. 1 and 2 is formed except that the Cu wiring 27 connected to the wiring body (WSi) 39 is provided.
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and both drain regions can be freely wired. Therefore, in an integrated circuit including a 2-input NAND circuit or a 2-input NOR circuit, By combining with the first embodiment or the second embodiment, it is possible to form a highly integrated circuit that is easy to use.

図34(一体化包囲型ゲート電極への接続部を示す方向)及び図35(異種導電型ドレイン領域への接続部を示す方向)は本発明の半導体装置における第4の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、AVECCBAMSSUG構造に形成した縦型(垂直方向動作)のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、6〜28は図1と同じ物を、41はn型のシリコン(Si)基板、42はn型基板コンタクト領域、43はトレンチ素子分離領域(Si)、44はn型チャネルストッパー領域を示している。
同図においては、PチャネルMIS電界効果トランジスタがn型のシリコン(Si)基板41及びn型のSi層(第1の縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層)6に形成されていること、n型のシリコン(Si)基板41に形成されたp型ソース領域7を、底部にn型チャネルストッパー領域44が設けられたトレンチ素子分離領域(Si)43によって分離画定していること及びn型のシリコン(Si)基板41にn型基板コンタクト領域が形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造の半導体装置が形成されている。
本実施例においても第1の実施例とほぼ同様の効果を得ることができ、またp型ソース領域とn型のシリコン(Si)基板間に接合容量が存在してしまうが、製造方法はやや簡単にすることが可能である。
FIG. 34 (direction showing the connecting portion to the integrated surrounding gate electrode) and FIG. 35 (direction showing the connecting portion to the different conductivity type drain region) are schematic side cross sections of the fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention. In the figure, a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit composed of vertical (vertical operation) N-channel and P-channel MIS field effect transistors formed on an AVECCBAMSSUG structure using a silicon (Si) substrate is shown. 1 to 28 are the same as in FIG. 1, 41 is an n-type silicon (Si) substrate, 42 is an n + type substrate contact region, 43 is a trench element isolation region (Si 3 N 4 ), 44 is an n + type channel stopper Indicates the area.
In the figure, a P-channel MIS field effect transistor is formed on an n-type silicon (Si) substrate 41 and an n-type Si layer (first vertical (vertical) epitaxial semiconductor layer) 6, and n-type. The p + type source region 7 formed on the silicon (Si) substrate 41 is separated and defined by a trench element isolation region (Si 3 N 4 ) 43 provided with an n + type channel stopper region 44 at the bottom. A semiconductor device having substantially the same structure as that of FIG. 1 is formed except that an n + -type substrate contact region is formed on an n-type silicon (Si) substrate 41.
In this embodiment, substantially the same effect as in the first embodiment can be obtained, and a junction capacitance exists between the p + type source region and the n type silicon (Si) substrate. It can be somewhat simpler.

上記実施例においては、半導体層を成長させる場合に化学気相成長を使用しているが、これに限定されず、分子線成長法(MBE)によっても、有機金属気相成長法(MOCVD)によっても、原子層結晶成長法(ALE)によっても、また他のいかなる結晶成長法を利用してもよい。
また上記実施例においては、下層半導体層にPチャネルMIS電界効果トランジスタを形成し、上層半導体層にNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成したCMOS型半導体集積回路を形成しているが、これを逆にして形成してもよい。
またゲート電極、ゲート酸化膜、バリアメタル、導電プラグ、配線、絶縁膜、バリアメタル層(下地絶縁膜バリア層あるいは下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜)等は上記実施例に限定されず、同様の特性を有する材料であればどのような材料を使用してもよい。
また上記実施例のすべてはエンハンスメント型のMIS電界効果トランジスタを形成する場合について記載しているが、デブリーション型のMIS電界効果トランジスタを形成してもよい。この場合は導電型が反対のエピタキシャル半導体層を成長するか、あるいはエピタキシャル半導体層を成長して後に反対導電型の不純物をイオン注入して導電型を変換したエピタキシャル半導体層を使用して同様構造のMIS電界効果トランジスタを形成すればよい。
また上記実施例においては、異なる導電型のMIS電界効果トランジスタを上下の凸状構造の半導体層にそれぞれ形成したCMOS型半導体集積回路を形成しているが、同じ導電型のMIS電界効果トランジスタを形成する場合に利用することも可能である。
In the above embodiment, chemical vapor deposition is used when growing the semiconductor layer. However, the present invention is not limited to this, and molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is also used. Alternatively, atomic layer crystal growth (ALE) or any other crystal growth method may be used.
In the above embodiment, a CMOS type semiconductor integrated circuit is formed in which a P-channel MIS field effect transistor is formed in the lower semiconductor layer and an N-channel MIS field effect transistor is formed in the upper semiconductor layer. May be formed.
The gate electrode, gate oxide film, barrier metal, conductive plug, wiring, insulating film, barrier metal layer (base insulating film barrier layer or base insulating film barrier layer and conductive film for connecting different conductivity type drain regions), etc. are implemented as described above. The material is not limited to an example, and any material having similar characteristics may be used.
In addition, although all of the above embodiments describe the case where an enhancement type MIS field effect transistor is formed, a depletion type MIS field effect transistor may be formed. In this case, an epitaxial semiconductor layer having the opposite conductivity type is grown, or an epitaxial semiconductor layer having a similar structure is formed by growing an epitaxial semiconductor layer and then ion-implanting an impurity of the opposite conductivity type to convert the conductivity type. A MIS field effect transistor may be formed.
Further, in the above embodiment, the CMOS type semiconductor integrated circuit is formed in which the MIS field effect transistors of different conductivity types are formed in the upper and lower convex structure semiconductor layers, respectively, but the MIS field effect transistor of the same conductivity type is formed. It is also possible to use it when doing so.

本願発明は、特に極めて高集積、高速且つ高信頼な半導体装置を目指したものではあるが、高速に限らず、すべてのCMOS型半導体集積回路に利用することは可能である。
またMIS電界効果トランジスタばかりでなく、他のトランジスタからなる半導体集積回路に利用できる可能性がある。
The present invention is particularly aimed at a semiconductor device with extremely high integration, high speed, and high reliability. However, the present invention is not limited to high speed and can be used for all CMOS type semiconductor integrated circuits.
In addition to the MIS field effect transistor, there is a possibility that it can be used for a semiconductor integrated circuit including other transistors.

1 p型のシリコン(Si)基板
2 シリコン酸化膜(SiO
3 第1のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層、TiN)
4 素子分離領域のシリコン窒化膜(Si
5 n型のSi層(第1の横(水平)方向エピタキシャル半導体層)
6 n型のSi層(第1の縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層)
7 p型ソース領域
8 p型ドレイン領域
9 ゲート酸化膜(SiO
10 一体化包囲型ゲート電極(WSi)
10a 下層のMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極(WSi)
10b 上層のMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極(WSi)
11 燐珪酸ガラス(PSG)膜
12 第2のバリアメタル層(下地絶縁膜バリア層兼異種導電型ドレイン領域接続用の導電膜、TiN)
13 素子分離領域のシリコン窒化膜(Si
14 p型のSi層(第2の横(水平)方向エピタキシャル半導体層)
15 p型のSi層(第2の縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層)
16 n型ドレイン領域
17 n型ドレイン領域
18 n型ソース領域
19 n型ソース領域
20 ゲート酸化膜(SiO
21 燐珪酸ガラス(PSG)膜
22 シリコン窒化膜(Si
23 バリアメタル(TiN)
24 導電プラグ(W)
25 SiOC膜
26 バリアメタル(TaN)
27 Cu配線(Cuシード層含む)
28 バリア絶縁膜(Si
29 シリコン窒化膜(Si
30 n型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層
31 選択化学気相成長導電膜(W)
32 シリコン酸化膜(SiO
33 シリコン酸化膜(SiO
34 シリコン窒化膜(Si
35 p型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層
36 選択化学気相成長導電膜(W)
37 シリコン酸化膜(SiO
38 下部接続配線体(WSi)
39 上部接続配線体(WSi)
40 シリコン酸化膜(SiO
41 n型のシリコン(Si)基板
42 n型基板コンタクト領域
43 トレンチ素子分離領域(Si
44 n型チャネルストッパー領域
1 p-type silicon (Si) substrate 2 silicon oxide film (SiO 2 )
3 First barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer, TiN)
4 Silicon nitride film in element isolation region (Si 3 N 4 )
5 n-type Si layer (first lateral (horizontal) direction epitaxial semiconductor layer)
6 n-type Si layer (first longitudinal (vertical) direction epitaxial semiconductor layer)
7 p + type source region 8 p + type drain region 9 Gate oxide film (SiO 2 )
10 Integrated enclosed gate electrode (WSi)
10a Surrounding gate electrode (WSi) of lower MIS field effect transistor
10b Surround MIS field effect transistor surrounding gate electrode (WSi)
11 Phosphorsilicate glass (PSG) film 12 Second barrier metal layer (underlying insulating film barrier layer and conductive film for connecting different conductivity type drain region, TiN)
13 Silicon nitride film (Si 3 N 4 ) in element isolation region
14 p-type Si layer (second lateral (horizontal) direction epitaxial semiconductor layer)
15 p-type Si layer (second longitudinal (vertical) direction epitaxial semiconductor layer)
16 n + type drain region 17 n type drain region 18 n type source region 19 n + type source region 20 Gate oxide film (SiO 2 )
21 Phosphorsilicate glass (PSG) film 22 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
23 Barrier metal (TiN)
24 Conductive plug (W)
25 SiOC film 26 Barrier metal (TaN)
27 Cu wiring (including Cu seed layer)
28 Barrier insulating film (Si 3 N 4 )
29 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
30 n-type vertical (vertical) epitaxial Si layer 31 selective chemical vapor deposition conductive film (W)
32 Silicon oxide film (SiO 2 )
33 Silicon oxide film (SiO 2 )
34 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
35 p-type vertical (vertical) epitaxial Si layer 36 selective chemical vapor deposition conductive film (W)
37 Silicon oxide film (SiO 2 )
38 Lower connection wiring (WSi)
39 Upper connection wiring body (WSi)
40 Silicon oxide film (SiO 2 )
41 n-type silicon (Si) substrate 42 n + -type substrate contact region 43 trench element isolation region (Si 3 N 4 )
44 n + type channel stopper region

Claims (3)

半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に選択的に設けられた第1のバリアメタル層と、前記第1のバリアメタル層上に、前記第1のバリアメタル層とサイズを一致させて設けられた平板構造の第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に選択的に設けられた柱状構造の第2の半導体層と、前記第2の半導体層上に、前記第2の半導体層に一部を接して選択的に設けられた第2のバリアメタル層と、前記第2のバリアメタル層上に、前記第2のバリアメタル層とサイズを一致させて設けられた平板構造の第3の半導体層と、前記第3の半導体層上に選択的に設けられた柱状構造の第4の半導体層と、前記第1の半導体層全体及び前記第2の半導体層の下部に設けられた第1の不純物領域と、前記第1の不純物領域に相対して前記第2の半導体層の上部に設けられた第2の不純物領域と、前記第3の半導体層全体及び前記第4の半導体層の下部に設けられた第3の不純物領域と、前記第3の不純物領域に相対して前記第4の半導体層の上部に設けられた第4の不純物領域と、を備え、前記第2の不純物領域と前記第3の不純物領域が前記第2のバリアメタル層により接続されていることを特徴とする半導体装置。   A semiconductor substrate; an insulating film provided on the semiconductor substrate; a first barrier metal layer selectively provided on the insulating film; and the first barrier on the first barrier metal layer. A first semiconductor layer having a flat plate structure having the same size as the metal layer, a second semiconductor layer having a columnar structure selectively provided on the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer A second barrier metal layer selectively provided in contact with a part of the second semiconductor layer, and a size of the second barrier metal layer on the second barrier metal layer; A third semiconductor layer having a flat plate structure provided in correspondence, a fourth semiconductor layer having a columnar structure selectively provided on the third semiconductor layer, the entire first semiconductor layer, and the first semiconductor layer; And a first impurity region provided in a lower portion of the semiconductor layer, relative to the first impurity region. A second impurity region provided above the second semiconductor layer, a third impurity region provided below the entire third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer, and the third impurity region. And a fourth impurity region provided on the fourth semiconductor layer relative to the impurity region, wherein the second impurity region and the third impurity region are the second barrier metal layer. A semiconductor device characterized by being connected by 前記第1及び第2の半導体層が一導電型の半導体層をなし、前記第3及び第4の半導体層が反対導電型の半導体層をなし、前記第1及び第2の不純物領域が反対導電型のソースドレイン領域をなし、前記第3及び第4の不純物領域が一導電型のソースドレイン領域をなし、少なくとも前記第2及び第4の半導体層の側面にゲート絶縁膜を介して、一体化して、包囲する構造のゲート電極(一体化包囲型ゲート電極)が設けられ、積層構造の縦型(垂直方向動作)の一導電型及び反対導電型のMIS電界効果トランジスタからなる相補型のMIS電界効果トランジスタを構成していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The first and second semiconductor layers constitute a semiconductor layer of one conductivity type, the third and fourth semiconductor layers constitute a semiconductor layer of opposite conductivity type, and the first and second impurity regions are oppositely conductive. A source / drain region of a type, and the third and fourth impurity regions form a source / drain region of one conductivity type, and are integrated with at least a side surface of the second and fourth semiconductor layers via a gate insulating film. A complementary MIS electric field provided with a gate electrode (integrated enclosure type gate electrode) having a surrounding structure and composed of a MIS field effect transistor of one conductivity type and an opposite conductivity type of a vertical structure (vertical operation) having a laminated structure. The semiconductor device according to claim 1, comprising an effect transistor. 半導体基板上に第1の絶縁膜、第1のバリアメタル層及び第2の絶縁膜を順次形成する工程と、選択的に前記第2の絶縁膜、前記第1のバリアメタル層及び前記第1の絶縁膜を順次エッチング除去して、第1の開孔部を形成し、前記半導体基板の上面の一部を露出する工程と、前記第1の開孔部に第1の縦方向エピタキシャル半導体層を形成し、平坦化する工程と、前記第1の縦方向エピタキシャル半導体層の上面に第1のマスク層を形成する工程と、前記第2の絶縁膜の一部を選択的にエッチング除去し、前記第1の縦方向エピタキシャル半導体層の側面の一部を露出する第2の開孔部を形成する工程と、露出した前記第1の縦方向エピタキシャル半導体層の側面から第1の横方向エピタキシャル半導体層を形成し、前記第2の開孔部を平坦に埋め込む工程と、前記第1の横方向エピタキシャル半導体層の上面に第2のマスク層を形成する工程と、前記第2のマスク層をエッチングマスクとして、前記第1のマスク層、前記第1の縦方向エピタキシャル半導体層、前記第2の絶縁膜及び前記第1のバリアメタル層を順次エッチング除去し、第3の開孔部を形成する工程と、前記第3の開孔部に第3の絶縁膜を埋め込み、第2のマスク層を除去し、平坦化する工程と、第4の絶縁膜を形成する工程と、前記第4の絶縁膜に選択的に第4の開孔部を形成し、前記第1の横方向エピタキシャル半導体層の上面の一部を露出する工程と、前記第4の開孔部に第2の縦方向エピタキシャル半導体層を形成し、平坦化する工程と、前記第4の絶縁膜をエッチング除去する工程と、露出した前記第2の縦方向エピタキシャル半導体層及び前記第1の横方向エピタキシャル半導体層の上面に一導電型の不純物をイオン注入する工程と、前記第2の縦方向エピタキシャル半導体層及び前記第1の横方向エピタキシャル半導体層の露出表面に第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、第1のゲート電極形成膜を成長し、前記第2の縦方向エピタキシャル半導体層の高さに平坦化する工程と、前記第1のゲート電極形成膜を選択的にエッチング除去し、下層の包囲型ゲート電極を形成する工程と、第5の絶縁膜を成長し、前記第2の縦方向エピタキシャル半導体層の高さに平坦化する工程と、第2のバリアメタル層及び第6の絶縁膜を順次形成する工程と、選択的に前記第6の絶縁膜、前記第2のバリアメタル層及び前記第5の絶縁膜を順次エッチング除去して、第5の開孔部を形成し、前記第1の横方向エピタキシャル半導体層の上面の一部を露出する工程と、前記第5の開孔部に第3の縦方向エピタキシャル半導体層を形成し、平坦化する工程と、前記第3の縦方向エピタキシャル半導体層の上面に第3のマスク層を形成する工程と、前記第6の絶縁膜の一部を選択的にエッチング除去し、前記第3の縦方向エピタキシャル半導体層の側面の一部を露出する第6の開孔部を形成する工程と、露出した前記第3の縦方向エピタキシャル半導体層の側面から第2の横方向エピタキシャル半導体層を形成し、前記第6の開孔部を平坦に埋め込む工程と、選択的に前記第3のマスク層、前記第3の縦方向エピタキシャル半導体層、前記第6の絶縁膜及び前記第2のバリアメタル層を順次エッチング除去し、第7の開孔部を形成する工程と、前記第7の開孔部に第7の絶縁膜を平坦に埋め込む工程と、第8の絶縁膜を形成する工程と、前記第8の絶縁膜に選択的に第8の開孔部を形成し、前記第2の横方向エピタキシャル半導体層の上面の一部を露出する工程と、前記第8の開孔部に第4の縦方向エピタキシャル半導体層を形成し、平坦化する工程と、前記第8の絶縁膜をエッチング除去する工程と、露出した前記第4の縦方向エピタキシャル半導体層及び前記第2の横方向エピタキシャル半導体層の上面に反対導電型の不純物をイオン注入する工程と、前記第4の縦方向エピタキシャル半導体層及び前記第2の横方向エピタキシャル半導体層の露出表面に第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、選択的に前記第7の絶縁膜及び前記第5の絶縁膜を順次エッチング除去し、前記下層の包囲型ゲート電極の上面の一部を露出する第9の開孔部を形成する工程と、第2のゲート電極形成膜を成長して、前記第9の開孔部を埋め込み、前記第4の縦方向エピタキシャル半導体層の高さに平坦化する工程と、前記第2のゲート電極形成膜を選択的にエッチング除去し、一体化包囲型ゲート電極を形成する工程と、熱処理を施し、一導電型ソースドレイン領域及び反対導電型ソースドレイン領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。   A step of sequentially forming a first insulating film, a first barrier metal layer, and a second insulating film on a semiconductor substrate; and, selectively, the second insulating film, the first barrier metal layer, and the first And sequentially etching away the insulating film to form a first opening, exposing a part of the upper surface of the semiconductor substrate, and a first vertical epitaxial semiconductor layer in the first opening. Forming and planarizing, a step of forming a first mask layer on the upper surface of the first vertical epitaxial semiconductor layer, a portion of the second insulating film is selectively etched away, Forming a second opening exposing a part of the side surface of the first vertical epitaxial semiconductor layer; and first lateral epitaxial semiconductor from the exposed side surface of the first vertical epitaxial semiconductor layer. Forming a layer and flattening the second aperture. Burying in, a step of forming a second mask layer on the top surface of the first lateral epitaxial semiconductor layer, and using the second mask layer as an etching mask, the first mask layer, the first mask layer, A step of sequentially removing the vertical epitaxial semiconductor layer, the second insulating film, and the first barrier metal layer by etching to form a third hole portion; and a third insulation in the third hole portion. Embedding a film, removing the second mask layer, planarizing, forming a fourth insulating film, and selectively forming a fourth opening in the fourth insulating film; Exposing a part of the upper surface of the first lateral epitaxial semiconductor layer; forming a second vertical epitaxial semiconductor layer in the fourth hole portion; and planarizing the second vertical epitaxial semiconductor layer; Removing the insulating film by etching, and exposing the exposed Ion implantation of one conductivity type impurity into the upper surfaces of the two longitudinal epitaxial semiconductor layers and the first lateral epitaxial semiconductor layer; the second longitudinal epitaxial semiconductor layer and the first lateral epitaxial semiconductor; Forming a first gate insulating film on the exposed surface of the layer; growing a first gate electrode formation film; and planarizing to a height of the second longitudinal epitaxial semiconductor layer; The gate electrode forming film is selectively etched away to form a lower-layer surrounding gate electrode, and a fifth insulating film is grown and planarized to the height of the second vertical epitaxial semiconductor layer. A step of sequentially forming a second barrier metal layer and a sixth insulating film, and selectively etching the sixth insulating film, the second barrier metal layer, and the fifth insulating film sequentially Forming a fifth opening, exposing a part of the upper surface of the first lateral epitaxial semiconductor layer, and a third vertical epitaxial semiconductor in the fifth opening. Forming and planarizing a layer; forming a third mask layer on an upper surface of the third longitudinal epitaxial semiconductor layer; and selectively etching away a part of the sixth insulating film. A step of forming a sixth opening exposing a part of the side surface of the third vertical epitaxial semiconductor layer, and a second lateral epitaxial layer from the exposed side surface of the third vertical epitaxial semiconductor layer. Forming a semiconductor layer and filling the sixth opening portion flatly, selectively the third mask layer, the third longitudinal epitaxial semiconductor layer, the sixth insulating film, and the second Etch the barrier metal layers sequentially A step of forming a seventh opening, a step of flatly embedding a seventh insulating film in the seventh opening, a step of forming an eighth insulating film, and the eighth Forming an eighth opening selectively in the insulating film and exposing a part of the upper surface of the second lateral epitaxial semiconductor layer; and a fourth vertical direction in the eighth opening. Forming and planarizing an epitaxial semiconductor layer; etching removing the eighth insulating film; and exposing the upper surfaces of the fourth vertical epitaxial semiconductor layer and the second lateral epitaxial semiconductor layer. Selectively implanting impurities of opposite conductivity type, forming a second gate insulating film on the exposed surfaces of the fourth longitudinal epitaxial semiconductor layer and the second lateral epitaxial semiconductor layer, and selectively The seventh insulating film and the fifth insulating film; The insulating film is removed by etching in order to form a ninth opening exposing a part of the upper surface of the lower-layer surrounding gate electrode, and a second gate electrode forming film is grown. A step of filling the opening and flattening to the height of the fourth vertical epitaxial semiconductor layer, and selectively etching away the second gate electrode formation film to form an integral enclosed gate electrode And a step of forming a one-conductivity-type source / drain region and an opposite-conductivity-type source / drain region by performing heat treatment.
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