JP2016048721A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent fluctuation in transistor characteristics due to a substrate floating effect which is caused when a width of a silicon pillar is reduced for improving controllability of a gate.SOLUTION: A semiconductor device 100 comprises: a semiconductor substrate 1; an active region on the semiconductor substrate 1, which is surrounded by an element isolation region 2; a silicon pillar 5 formed on the active region in a pillar shape; first diffusion layer regions 9A, 9B where one of a source and drain which covers at least a part of a bottom face of the pillar-shaped silicon pillar 5 in the active region is made; a second diffusion layer region 16 which covers at least a part of a top face of the pillar-shaped silicon pillar 5 and where the other of the source and drain is made; and a conductive film which covers at least one face of a plurality of lateral faces of the pillar-shaped silicon pillar 5 via the insulation film 10 and where a gate 11 is made. The pillar-shaped silicon pillar 5 includes a first portion 5A and a second portion 5B which are the same in height and different in width.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

近年、トランジスタの微細化技術として、縦型トランジスタが提案されている。縦型トランジスタは、半導体基板の主面に対して垂直方向に延びる半導体ピラーをチャネルとして用いるトランジスタである。具体的には、縦型トランジスタは、半導体基板から立ち上がるように半導体ピラー(基柱)が設けられており、半導体ピラーの側面にはゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。   In recent years, vertical transistors have been proposed as transistor miniaturization techniques. A vertical transistor is a transistor that uses, as a channel, a semiconductor pillar extending in a direction perpendicular to the main surface of a semiconductor substrate. Specifically, in the vertical transistor, a semiconductor pillar (base pillar) is provided so as to rise from a semiconductor substrate, and a gate electrode is provided on a side surface of the semiconductor pillar via a gate insulating film.

半導体ピラーの下部にはソース・ドレイン領域の一方が設けられ、半導体ピラーの上部にはソース・ドレイン領域の他方が設けられている。この縦型トランジスタは、チャネルを基板に平行に配置した従来のプレーナー型トランジスタと比べて、占有面積が小さく、チャネル長(ゲート長)を長くしてもトランジスタの占有面積が増加しない。そのため、トランジスタの占有面積を大きくすることなく、短チャネル効果を抑制できる。   One of the source / drain regions is provided below the semiconductor pillar, and the other of the source / drain regions is provided above the semiconductor pillar. This vertical transistor has a smaller occupied area than a conventional planar transistor in which a channel is arranged in parallel with the substrate, and the occupied area of the transistor does not increase even if the channel length (gate length) is increased. Therefore, the short channel effect can be suppressed without increasing the area occupied by the transistor.

また、チャネルの完全空乏化が可能となり、良好なS値(Subthreshold swing value)および大きなドレイン電流が得られるという利点を有している。また縦型トランジスタは、チャネルの全周に亘ってゲート電極が設けられており、ソース・ドレイン以外の外的要因に左右されることなく、チャネルの電位をゲート電極で効果的に制御することができる。   Further, the channel can be completely depleted, and there is an advantage that a good S value (Subthreshold swing value) and a large drain current can be obtained. A vertical transistor has a gate electrode all around the channel, and can effectively control the channel potential with the gate electrode without being influenced by external factors other than the source and drain. it can.

特開2009−88134号公報JP 2009-88134 A

上記特許文献1に記載された半導体装置では、ゲートの制御性を高めるために半導体ピラー(シリコンピラー)の幅を小さくした場合に生じる基板浮遊効果によるトランジスタ特性の変動については考慮されていない。   The semiconductor device described in Patent Document 1 does not take into consideration the variation in transistor characteristics due to the floating substrate effect that occurs when the width of the semiconductor pillar (silicon pillar) is reduced in order to improve the controllability of the gate.

本発明は、ゲートの制御性を高めるためにシリコンピラーの幅を小さくした場合に生じる基板浮遊効果によるトランジスタ特性の変動を防止することが可能な半導体装置及びその製造方法を提供する。   The present invention provides a semiconductor device capable of preventing a change in transistor characteristics due to a substrate floating effect that occurs when the width of a silicon pillar is reduced in order to improve controllability of a gate, and a method for manufacturing the same.

本発明の一態様に係る半導体装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板上の素子分離領域によって囲まれる活性領域と、
前記活性領域上に柱状に形成され、トランジスタのチャネル部を含んで構成されるシリコンピラーと、
前記活性領域内において柱状の前記シリコンピラーにおける底面の少なくとも一部を覆い、前記トランジスタのソース及びドレインの一方が構成される第1拡散層領域と、
柱状の前記シリコンピラーにおける上面の少なくとも一部を覆い、前記トランジスタのソース及びドレインの他方が構成される第2拡散層領域と、
柱状の前記シリコンピラーにおける複数の側面の内の少なくとも一面を絶縁膜を介して覆い、前記トランジスタのゲートが構成される導電体膜と、を備える半導体装置であって、
前記柱状のシリコンピラーは、高さが等しく幅の異なる第1及び第2部分を含むことを特徴とする。
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes:
A semiconductor substrate;
An active region surrounded by an element isolation region on the semiconductor substrate;
A silicon pillar formed in a columnar shape on the active region and configured to include a channel portion of a transistor;
A first diffusion layer region that covers at least a part of the bottom surface of the pillar-shaped silicon pillar in the active region, and that constitutes one of a source and a drain of the transistor;
A second diffusion layer region covering at least a part of the upper surface of the pillar-shaped silicon pillar and constituting the other of the source and drain of the transistor;
A semiconductor device comprising: a conductive film that covers at least one of a plurality of side surfaces of the pillar-shaped silicon pillar via an insulating film, and constitutes a gate of the transistor;
The columnar silicon pillar includes first and second portions having the same height and different widths.

また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、
第1導電型である半導体基板上に素子分離領域に囲まれる活性領域を形成し、
前記活性領域上に一部分が他の部分よりも太くなるようにシリコンピラーを形成し、
前記シリコンピラーの側面をゲート絶縁膜を介して覆うゲート電極を形成し、
前記ゲート電極で囲まれたシリコンピラーをマスクとして、前記活性領域上にイオン注入を行って前記一部分に対応する前記シリコンピラーの第1の底面部分を残して、他の部分に対応する前記シリコンピラーの第2の底面部分を第2導電型の第1拡散層領域で覆い、
前記シリコンピラーの上面を前記第2導電型の第2拡散層領域で覆うことを特徴とする。
A method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes:
Forming an active region surrounded by the element isolation region on the semiconductor substrate of the first conductivity type;
Forming a silicon pillar on the active region so that a part is thicker than the other part;
Forming a gate electrode covering a side surface of the silicon pillar via a gate insulating film;
Using the silicon pillar surrounded by the gate electrode as a mask, ion implantation is performed on the active region, leaving the first bottom surface portion of the silicon pillar corresponding to the portion, and the silicon pillar corresponding to the other portion. Covering the second bottom surface portion of the first conductive layer with a first diffusion layer region of the second conductivity type,
The upper surface of the silicon pillar is covered with a second diffusion layer region of the second conductivity type.

本発明によれば、ゲートの制御性を高めるためにシリコンピラーの幅を小さくした場合に生じる基板浮遊効果によるトランジスタ特性の変動を防止することができる   According to the present invention, it is possible to prevent a change in transistor characteristics due to a substrate floating effect that occurs when the width of the silicon pillar is reduced in order to improve the controllability of the gate.

本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の回路図である。1 is a circuit diagram of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式図であり、(a)は平面図、(b)は断面図である。1A and 1B are schematic views illustrating the structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, where FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of the semiconductor device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of the semiconductor device which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of the semiconductor device which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the semiconductor device which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the semiconductor device which concerns on the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図であり、図1に対応するレイアウトを示した図である。FIG. 2 is a plan view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and shows a layout corresponding to FIG. 1.

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(関連技術)
最初に、本発明の特徴をより明確にするために、本発明に関連する関連技術について説明する。
(Related technology)
First, in order to clarify the features of the present invention, related techniques related to the present invention will be described.

近年提案されている縦型トランジスタは、半導体基板の主面に対して垂直方向に延びる半導体ピラー(シリコンピラー)をチャネルとして用いる。具体的には、縦型トランジスタは、半導体基板から立ち上がるように半導体ピラーが設けられており、半導体ピラーの側面にはゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。半導体ピラーの下部にはソース・ドレイン領域の一方が設けられ、半導体ピラーの上部にはソース・ドレイン領域の他方が設けられている。   In recent years, vertical transistors that have been proposed use semiconductor pillars (silicon pillars) extending in a direction perpendicular to the main surface of a semiconductor substrate as channels. Specifically, in the vertical transistor, a semiconductor pillar is provided so as to rise from a semiconductor substrate, and a gate electrode is provided on a side surface of the semiconductor pillar via a gate insulating film. One of the source / drain regions is provided below the semiconductor pillar, and the other of the source / drain regions is provided above the semiconductor pillar.

この様な縦型トランジスタを用いた半導体装置の微細化が進んだ場合には、基板浮遊効果によるトランジスタ特性の変動が避けられないことを本発明者は見出した。以下にこの点について詳細に説明する。   When the miniaturization of a semiconductor device using such a vertical transistor has progressed, the present inventor has found that a change in transistor characteristics due to a substrate floating effect cannot be avoided. This point will be described in detail below.

半導体ピラーの下部には、ソース・ドレイン領域の内いずれか一方の領域が半導体ピラーを挟むように存在する。これらは半導体ピラーと素子分離領域によって区画されている。これらの領域をそれぞれ第1の下部ソース・ドレイン領域、および第2のソース・ドレイン領域とする。ここで、微細加工が進み、半導体ピラーの幅を縮小して行くとやがて第1の下部ソース・ドレイン領域と第2の下部ソース・ドレイン領域が重なり合ってチャネル(基板)領域とウェルが電気的に分離されてしまう。この結果生ずる種々の現象は基板浮遊効果と呼ばれる。そのほとんどは回路動作上好ましくない。従って、基板浮遊効果のない構造が望まれる。   Under the semiconductor pillar, one of the source / drain regions exists so as to sandwich the semiconductor pillar. These are partitioned by a semiconductor pillar and an element isolation region. These regions are defined as a first lower source / drain region and a second source / drain region, respectively. Here, as the microfabrication progresses and the width of the semiconductor pillar is reduced, the first lower source / drain region and the second lower source / drain region overlap each other so that the channel (substrate) region and the well are electrically connected. It will be separated. Various phenomena resulting from this are called substrate floating effects. Most of them are undesirable in terms of circuit operation. Therefore, a structure having no substrate floating effect is desired.

(本発明の第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態では、半導体ピラー(シリコンピラー)を平面視においてT字型とする点を特徴とする。この結果、下部拡散層は三つに区画される。具体的には、第1の下部ソース・ドレイン領域と第2の下部ソース・ドレイン領域に加えて、ウェル給電領域が配置される。上記本発明の構成により、基板浮遊効果を防止できる。このためには、ウェル給電領域を区画する半導体ピラーの幅が下部拡散層(第1の下部ソース・ドレイン領域および第2の下部ソース・ドレイン領域)の横方向広がりよりも大きくなるように設計することが必要である。この場合、下部拡散層(第1の下部ソース・ドレイン領域および第2の下部ソース・ドレイン領域)を区画する半導体ピラーの幅に関わらず基板とチャネル領域の電気的接続が維持される。
(First embodiment of the present invention)
The first embodiment of the present invention is characterized in that the semiconductor pillar (silicon pillar) is T-shaped in plan view. As a result, the lower diffusion layer is divided into three. Specifically, a well power supply region is arranged in addition to the first lower source / drain region and the second lower source / drain region. The substrate floating effect can be prevented by the configuration of the present invention. For this purpose, the width of the semiconductor pillar defining the well power feeding region is designed to be larger than the lateral extension of the lower diffusion layer (the first lower source / drain region and the second lower source / drain region). It is necessary. In this case, the electrical connection between the substrate and the channel region is maintained regardless of the width of the semiconductor pillar that defines the lower diffusion layer (the first lower source / drain region and the second lower source / drain region).

以下に、図1から図6を参照して、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置100の概略構成を説明する。   The schematic configuration of the semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 6.

まず、図1の半導体装置100の回路図を参照する。   First, a circuit diagram of the semiconductor device 100 in FIG. 1 is referred to.

本回路は所謂インバータ回路であるが、少なくともトランジスタ50Bが図2の様な構造となっている点が特徴である。   This circuit is a so-called inverter circuit, but is characterized in that at least the transistor 50B has a structure as shown in FIG.

次に、図2〜図5の構造図を参照する。   Reference is now made to the structural diagrams of FIGS.

第1の実施形態に係る半導体装置50Bは、シリコン単結晶からなる半導体基板1(以降、シリコン基板1と称する)において、素子分離領域(STI:Shallow Trench Isolation)2と、素子分離領域2で囲まれたシリコン基板1からなる活性領域とを備えている。   The semiconductor device 50B according to the first embodiment is surrounded by an element isolation region (STI: Shallow Trench Isolation) 2 and an element isolation region 2 in a semiconductor substrate 1 (hereinafter referred to as a silicon substrate 1) made of silicon single crystal. And an active region made of the silicon substrate 1.

半導体装置50Bは縦型トランジスタを構成し、半導体基板(以降、シリコン基板1と称する)の主面に対して垂直方向に延びる柱状のシリコンピラー5をチャネルとして用いる。具体的には、シリコン基板1から立ち上がるように柱状のシリコンピラー5が設けられており、シリコンピラー5の側面にはゲート絶縁膜10を介してゲート電極11が設けられている。   The semiconductor device 50B constitutes a vertical transistor, and uses a columnar silicon pillar 5 extending in a direction perpendicular to a main surface of a semiconductor substrate (hereinafter referred to as a silicon substrate 1) as a channel. Specifically, a columnar silicon pillar 5 is provided so as to rise from the silicon substrate 1, and a gate electrode 11 is provided on a side surface of the silicon pillar 5 via a gate insulating film 10.

シリコンピラー5の下部には、第1の下部拡散層9A(第1のソース・ドレイン領域)と、第2の下部拡散層9B(第2のソース・ドレイン領域)が設けられている。一方、シリコンピラー5の上部には、上部拡散層16(ソース・ドレイン領域)が設けられている。   Under the silicon pillar 5, a first lower diffusion layer 9A (first source / drain region) and a second lower diffusion layer 9B (second source / drain region) are provided. On the other hand, an upper diffusion layer 16 (source / drain region) is provided above the silicon pillar 5.

シリコンピラー5において、上部拡散層16と第1の下部拡散層9A及び第2の下部拡散層9Bで挟まれるシリコンピラー5はチャネル領域を構成している。更に、シリコンピラー5はゲート電極11との間にゲート絶縁膜10を挟むように構成される。   In the silicon pillar 5, the silicon pillar 5 sandwiched between the upper diffusion layer 16, the first lower diffusion layer 9A, and the second lower diffusion layer 9B constitutes a channel region. Further, the silicon pillar 5 is configured to sandwich the gate insulating film 10 between the silicon pillar 5 and the gate electrode 11.

このような構成の下、図6に示すように、第1の実施形態に係る半導体装置100では、シリコンピラー5は、高さが等しく図内A−A’において示される第1の方向について幅の異なる第1の部分5A及び第2部分5Bを含む。このように、図6(a)に示すように、シリコンピラー5は、平面視においてT字型を成す。   Under such a configuration, as shown in FIG. 6, in the semiconductor device 100 according to the first embodiment, the silicon pillar 5 has the same height in the first direction indicated by AA ′ in the drawing. The first portion 5A and the second portion 5B are different from each other. Thus, as shown in FIG. 6A, the silicon pillar 5 is T-shaped in a plan view.

図6(a)、(b)に示すように、第2部分5Bの幅は第1部分5Aの幅よりも大きく、第1部分5Aの底面は第1の下部拡散層9A及び第2の下部拡散層9Bに完全に覆われている。一方、第2部分5Bの底面は第1の下部拡散層9A及び第2の下部拡散層9Bに覆われる領域と覆われない領域とを備える。ここで、第1の下部拡散層9A及び第2の下部拡散層9Bに覆われない領域は、半導体基板1上に形成されたウェル60に対応する。そして、このウェル60に隣接してウェルの給電を行うためのウェル給電用領域61が設けられている。   As shown in FIGS. 6A and 6B, the width of the second portion 5B is larger than the width of the first portion 5A, and the bottom surface of the first portion 5A is the first lower diffusion layer 9A and the second lower portion. The diffusion layer 9B is completely covered. On the other hand, the bottom surface of the second portion 5B includes a region covered with the first lower diffusion layer 9A and the second lower diffusion layer 9B and a region not covered. Here, the region that is not covered by the first lower diffusion layer 9 </ b> A and the second lower diffusion layer 9 </ b> B corresponds to the well 60 formed on the semiconductor substrate 1. A well power supply region 61 for supplying power to the well is provided adjacent to the well 60.

このように、第1の下部拡散層9A及び第2の下部拡散層9Bにより完全に覆われない領域であるウェル60を設けることにより、第1の下部拡散層9A及び第2の下部拡散層9Bが重なり合うことにより、シリコンピラー5のチャネル部とウェル60とが電気的に分離されてシリコンピラー5がフローティング状態になるのを防止するようにしている。   Thus, by providing the well 60 which is a region not completely covered by the first lower diffusion layer 9A and the second lower diffusion layer 9B, the first lower diffusion layer 9A and the second lower diffusion layer 9B are provided. By overlapping, the channel portion of the silicon pillar 5 and the well 60 are electrically separated to prevent the silicon pillar 5 from entering a floating state.

図6(b)に示すように、ウェル給電用領域61とトランジスタを構成するシリコンピラー5の間には素子分離領域が存在しない。また、図6(a)に示すように、ウェル給電用領域61には、ウェル給電コンタクト62が配置されている。第1の下部拡散層9A及び第2の下部拡散層9Bには、下部拡散層コンタクト63がそれぞれ配置されている。上部拡散層16には上部拡散層コンタクト64が配置されている。さらに、ゲート電極11にはゲートコンタクトが配置されている。   As shown in FIG. 6B, there is no element isolation region between the well power supply region 61 and the silicon pillar 5 constituting the transistor. Further, as shown in FIG. 6A, a well power supply contact 62 is arranged in the well power supply region 61. Lower diffusion layer contacts 63 are disposed in the first lower diffusion layer 9A and the second lower diffusion layer 9B, respectively. An upper diffusion layer contact 64 is disposed in the upper diffusion layer 16. Further, a gate contact is disposed on the gate electrode 11.

ここで、図6(a)に示すように、シリコンピラーの5の第2部分5Bの幅は、第1の下部拡散層9Aおよび第2の下部拡散層9Bの横方向の幅よりも大きい。このように、第2部分5Bの幅を第1の下部拡散層9Aおよび第2の下部拡散層9BのBの横方向の幅よりも大きく設定することにより、シリコンピラー5のチャネル部とウェル60との電気的接続を維持するようにする。   Here, as shown in FIG. 6A, the width of the second portion 5B of the silicon pillar 5 is larger than the lateral width of the first lower diffusion layer 9A and the second lower diffusion layer 9B. Thus, by setting the width of the second portion 5B to be larger than the lateral width of B of the first lower diffusion layer 9A and the second lower diffusion layer 9B, the channel portion and the well 60 of the silicon pillar 5 are formed. To maintain electrical connection with.

上述のように、第1の実施形態に係る半導体装置50Bでは、シリコンピラー5がフローティング状態になるのを防止して基板浮遊効果を防止できる。このためには、ウェル給電領域61を区画するシリコンピラー5の幅が第1の下部拡散層9A及び第2の下部拡散層9Bの横方向広がりよりも大きくなるように設計する、即ち、チャネル領域5の下部領域の少なくとも一部が下部拡散層領域により覆われないことが必要である。この場合、第1の下部拡散層9A及び第2の下部拡散層9Bを区画するシリコンピラー5Aの幅が小さく、その領域が拡散層領域に覆われていたとしても図6(b)における5Bにおいてシリコン基板1とシリコンピラー5のチャネル部の電気的接続が維持される。   As described above, in the semiconductor device 50B according to the first embodiment, the silicon pillar 5 can be prevented from being in a floating state, and the substrate floating effect can be prevented. For this purpose, the width of the silicon pillar 5 defining the well power supply region 61 is designed to be larger than the lateral extension of the first lower diffusion layer 9A and the second lower diffusion layer 9B, that is, the channel region. It is necessary that at least a part of the lower region of 5 is not covered by the lower diffusion layer region. In this case, even if the width of the silicon pillar 5A partitioning the first lower diffusion layer 9A and the second lower diffusion layer 9B is small and the region is covered with the diffusion layer region, in FIG. The electrical connection between the silicon substrate 1 and the channel portion of the silicon pillar 5 is maintained.

ここで、ウェル給電の要件について説明する。
(要件):以下の(1)、(2)の同時満足が必要である。
(1)シリコンピラー5B内に中性領域が存在すること
シリコンピラー内中性領域=シリコンピラー5Bの幅−(ウェル給電側ゲート下空乏層幅+下部拡散層側ゲート下空乏層幅)>0
(2)下部中性領域が存在すること
下部中性領域=シリコンピラー5Bの幅−(下部拡散層横方向拡がり+接合空乏層幅)>0
Here, the requirements for well power supply will be described.
(Requirements): The following (1) and (2) must be satisfied simultaneously.
(1) A neutral region exists in the silicon pillar 5B. Neutral region in the silicon pillar = width of the silicon pillar 5B− (well feeding side under-gate depletion layer width + lower diffusion layer side under-gate depletion layer width)> 0
(2) Lower neutral region exists Lower neutral region = width of silicon pillar 5B− (lower diffusion layer lateral extension + junction depletion layer width)> 0

ここで、ウェル給電の要件をNMOSを例に記述する(PMOSでは適宜符号を反転)。
記号定義
− VTop 上部S/D電位
− VBottom 下部S/D電位
− VBody 基板電位
− ΦBottom 下部S/Dフェルミポテンシャル
− ΦBody 基板フェルミポテンシャル
− NBottom 下部S/D不純物濃度
− NBody 基板不純物濃度
− εSi 基板の誘電率
− q 電子素電荷
(ウェル給電の要件)
ウェル給電側ゲート下空乏層幅

Figure 2016048721
S/D側ゲート下空乏層幅
Figure 2016048721
Figure 2016048721
・下部S/D空乏層幅
Figure 2016048721
Here, the requirements for well power supply are described using NMOS as an example (in PMOS, the sign is reversed as appropriate).
Symbol Definition-V Top Upper S / D Potential-V Bottom Lower S / D Potential-V Body Substrate Potential-Φ Bottom Lower S / D Fermi Potential-Φ Body Substrate Fermi Potential-N Bottom Lower S / D Impurity Concentration-N Body Substrate impurity concentration-Dielectric constant of ε Si substrate-q Elementary charge (requirement for well power supply)
Depletion layer width under the gate of the well feeding side
Figure 2016048721
Depletion layer width under S / D side gate
Figure 2016048721
Figure 2016048721
・ Lower S / D depletion layer width
Figure 2016048721

より好適には、例えば
− シリコンピラー内中性領域 > シリコンピラー幅/3
− 下部中性領域 > シリコンピラー幅/2
とする。
More preferably, for example-neutral region in silicon pillar> silicon pillar width / 3
-Lower neutral region> Silicon pillar width / 2
And

ここで、図2から図6においては図1におけるトランジスタ50Bの構造のみを説明したが、図29においては更にトランジスタ50Aも加えたものとしている。トランジスタ50Aの構造も上述したトランジスタ50Bの構造と同様である。   Here, in FIGS. 2 to 6, only the structure of the transistor 50B in FIG. 1 has been described, but in FIG. 29, the transistor 50A is further added. The structure of the transistor 50A is similar to that of the transistor 50B described above.

具体的に、トランジスタ50BはNMOSトランジスタでありPウェル(又はPサブ)上に形成されている。そのボディ及びソースはGND端子に、ゲートは入力端子に、ドレインは出力端子に接続される。一方、トランジスタ50AはPサブ内に形成されるNウェル上に形成されている。そのボディ及びソースは電源端子に、ゲートは入力端子に、ドレインは出力端子に接続される。   Specifically, the transistor 50B is an NMOS transistor and is formed on the P well (or P sub). The body and source are connected to the GND terminal, the gate is connected to the input terminal, and the drain is connected to the output terminal. On the other hand, the transistor 50A is formed on an N well formed in the P sub. The body and source are connected to the power supply terminal, the gate is connected to the input terminal, and the drain is connected to the output terminal.

(本発明の第2の実施形態)
以下に、図7を参照して、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置700の概略構成を説明する。
(Second embodiment of the present invention)
The schematic configuration of the semiconductor device 700 according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

上記本発明の第1の実施形態は、図6に示すように、トランジスタに隣接させてウェル給電用領域61を配置しているが、本発明の第2の実施形態では、ウェル給電用領域71をトランジスタから離れた位置に配置している。   In the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6, the well power supply region 61 is disposed adjacent to the transistor. However, in the second embodiment of the present invention, the well power supply region 71 is disposed. Is arranged at a position away from the transistor.

具体的には、本発明の第2の実施形態では、図7に示すように、縦構造MOSトランジスタにおいて必要とするボディ給電部70を、トランジスタのボディ部及びそれを囲うゲート酸化膜及びゲートのパターンにより自己整合的に形成することを特徴とする。具体的にはゲートで囲われる領域の幅が所定値以上あることが条件となる。   Specifically, in the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7, the body feeding portion 70 required in the vertical structure MOS transistor is replaced with the body portion of the transistor and the gate oxide film and the gate surrounding it. It is characterized by being formed in a self-aligned manner by a pattern. Specifically, the condition is that the width of the region surrounded by the gate is a predetermined value or more.

(本発明の第3の実施形態)
以下に、図8を参照して、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置800の概略構成を説明する。
(Third embodiment of the present invention)
The schematic configuration of the semiconductor device 800 according to the third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

上記本発明の第2の実施形態では、図7に示すように、ボディ給電部70をトランジスタの端部に配置しているが、本発明の第3の実施形態では、図8に示すように、ボディ給電部70をトランジスタのセンターに配置している。   In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7, the body power feeding unit 70 is arranged at the end of the transistor. However, in the third embodiment of the present invention, as shown in FIG. The body power supply unit 70 is arranged at the center of the transistor.

このように、ボディ給電部70は端部にある必要はなく、センターに配置しても良い。尚、このレイアウトにおいてはボディ給電部70を挟んで左右のゲートを別信号として異なる2つのトランジスタとしても良い。また、ウェル給電部71は拡散層72とショートしない範囲においてボディ給電部70と隣接しても良い。   Thus, the body power feeding unit 70 does not have to be at the end, and may be arranged at the center. In this layout, the left and right gates may be two different transistors as separate signals with the body power feeding unit 70 interposed therebetween. Further, the well power supply unit 71 may be adjacent to the body power supply unit 70 in a range that does not short-circuit the diffusion layer 72.

(本発明の第4の実施形態)
以下に、図9を参照して、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置900の概略構成を説明する。
(Fourth embodiment of the present invention)
The schematic configuration of a semiconductor device 900 according to the fourth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

本発明の第2の実施形態では、図7に示すように、トランジスタの下部拡散層は2箇所に配置されているが、本発明の第4の実施形態では図9に示すように、ソース/ドレインの一方(基板側)は一箇所とすることも可能である。また、ウェル給電部71は拡散層とショートしない範囲においてボディ給電部70と隣接しても良い。   In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7, the lower diffusion layer of the transistor is arranged in two places. In the fourth embodiment of the present invention, as shown in FIG. One of the drains (substrate side) can be provided at one place. Further, the well power supply unit 71 may be adjacent to the body power supply unit 70 in a range that does not short-circuit the diffusion layer.

(本発明の第5の実施形態)
以下に、図10を参照して、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置1000の概略構成を説明する。
(Fifth embodiment of the present invention)
The schematic configuration of the semiconductor device 1000 according to the fifth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

本発明の第3の実施形態では、図8に示すように、ボディ給電部70をトランジスタのセンターに配置している。ボディ給電部70は端部にある必要はなく、センターに配置しても良い。   In the third embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8, the body power feeding unit 70 is arranged at the center of the transistor. The body power feeding unit 70 does not need to be at the end, and may be disposed at the center.

本発明の第5の実施形態では、図8とは異なり1つのトランジスタに適用される。本発明の第5の実施形態では、ボディ給電部70の幅は、図8に示すボディ給電部70の幅よりも小さくなっている。   Unlike FIG. 8, the fifth embodiment of the present invention is applied to one transistor. In the fifth embodiment of the present invention, the width of the body power supply unit 70 is smaller than the width of the body power supply unit 70 shown in FIG.

(本発明の第6の実施形態)
本発明の第1の実施形態は、本発明をMOSトランジスタに適用した場合について説明したが、本発明の第6の実施形態では、本発明をバイポーラトランジスタに適用する。
(Sixth embodiment of the present invention)
In the first embodiment of the present invention, the case where the present invention is applied to a MOS transistor has been described. However, in the sixth embodiment of the present invention, the present invention is applied to a bipolar transistor.

本発明の第6の実施形態では、図11に示すように、ウェル(N−well)81を他のトランジスタから分離することで、同じチップ上に接合型バイポーラトランジスタを形成し、接合型バイポーラトランジスタとMOSトランジスタの両者を有するチップを形成することができる。ここで、図11は図6(b)に対応する。   In the sixth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 11, a junction bipolar transistor is formed on the same chip by separating a well (N-well) 81 from other transistors, and the junction bipolar transistor is formed. And a chip having both MOS transistors can be formed. Here, FIG. 11 corresponds to FIG.

具体的には、図11に示すように、半導体装置1100は、シリコン基板(p−Substrate)80、ウェル(N−well)81、コレクタ(P+Collector)82、ベース(N−Base)83、ベースコンタクト(N+Base Contact)84、エミッター(P+Emitter)85を有する。   Specifically, as shown in FIG. 11, a semiconductor device 1100 includes a silicon substrate (p-substrate) 80, a well (N-well) 81, a collector (P + Collector) 82, a base (N-Base) 83, and a base contact. (N + Base Contact) 84 and emitter (P + Emitter) 85.

このように、本発明をバイポーラトランジスタに適用するためには、PNP型バイポーラトランジスタの場合、ウェル(N−well)81内に形成し、縦型MOSトランジスタと同時に形成する。この場合、専用のプロセスは不要である。   Thus, in order to apply the present invention to a bipolar transistor, in the case of a PNP type bipolar transistor, it is formed in a well (N-well) 81 and formed simultaneously with a vertical MOS transistor. In this case, a dedicated process is not necessary.

ただし、第1の下部拡散層9A及び第2の下部拡散層9B(第1の下部S/Dと第2の下部S/D)との重なりが必要である。   However, it is necessary to overlap the first lower diffusion layer 9A and the second lower diffusion layer 9B (the first lower S / D and the second lower S / D).

本発明の第6の実施形態によれば、バイポーラトランジスタとしての特性を良好にすることが可能である。エミッター85から注入された少数キャリアのほとんどがコレクタ82に到達可能であり、ベース輸送効率を向上させることができるからである。   According to the sixth embodiment of the present invention, characteristics as a bipolar transistor can be improved. This is because most of the minority carriers injected from the emitter 85 can reach the collector 82 and the base transport efficiency can be improved.

また、図11に示すバイポーラトランジスタは、PNP型接合型バイポーラだが極性を反転することでNPN型とすることもできる。   The bipolar transistor shown in FIG. 11 is a PNP junction bipolar, but can also be an NPN type by inverting the polarity.

(本発明の第7の実施形態)
本発明の第7の実施形態では、上記第6の実施形態と同様に、本発明をバイポーラトランジスタに適用する。
(Seventh embodiment of the present invention)
In the seventh embodiment of the present invention, the present invention is applied to a bipolar transistor as in the sixth embodiment.

本発明の第7の実施形態では、図12に示すように、ウェル(N−well)91を他のトランジスタから分離することで、同じチップ上に接合型バイポーラトランジスタを形成し、接合型バイポーラトランジスタとMOSトランジスタの両者を有するチップを形成することができる。尚、ウェル91の深さは問わない。ここで、図12は図6に対応する。   In the seventh embodiment of the present invention, as shown in FIG. 12, by separating the well (N-well) 91 from other transistors, a junction bipolar transistor is formed on the same chip, and the junction bipolar transistor is formed. And a chip having both MOS transistors can be formed. The depth of the well 91 does not matter. Here, FIG. 12 corresponds to FIG.

具体的には、図12に示すように、半導体装置1200は、シリコン基板(p−Substrate)90、ウェル(N−well)91、コレクタ(P+Collector)92、ベース(N−Base)93、ベースコンタクト(N+Base Contact)94、エミッター(P+Emitter)95を有する。   Specifically, as shown in FIG. 12, the semiconductor device 1200 includes a silicon substrate (p-substrate) 90, a well (N-well) 91, a collector (P + Collector) 92, a base (N-Base) 93, and a base contact. (N + Base Contact) 94 and emitter (P + Emitter) 95.

また、図12に示すPNP接合型バイポーラだが極性を反転することでNPN型とすることもできる。本発明の第7の実施形態によれば、ベース抵抗を低減できる。   Moreover, although it is a PNP junction type bipolar shown in FIG. 12, it can also be made an NPN type by reversing the polarity. According to the seventh embodiment of the present invention, the base resistance can be reduced.

(第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法)
次に、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
(Method for Manufacturing Semiconductor Device According to First Embodiment)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described.

本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法では、縦型トランジスタのシリコンピラー底面が、底面側拡散層形成時のピラーセルフアラインによるイオン注入(及びアニール)によって拡散層に完全に覆われて、シリコンピラー自身が完全なフローティングとならないようにボディあるいはチャネルの給電経路を確保する。そのための手段として、拡散層に完全に覆われない様な幅をもったシリコンピラーを形成することを特徴とする。   In the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the bottom surface of the silicon pillar of the vertical transistor is completely covered with the diffusion layer by ion implantation (and annealing) by pillar self-alignment when the bottom surface side diffusion layer is formed. In order to prevent the silicon pillar itself from floating completely, a feeding path for the body or channel is secured. As a means for that purpose, a silicon pillar having a width that does not completely cover the diffusion layer is formed.

以下に、第1の実施形態に係る半導体装置100の製造方法について、図13から図28までを参照しながら詳細に説明する。   The method for manufacturing the semiconductor device 100 according to the first embodiment will be described in detail below with reference to FIGS.

まず、図13と図14に示すように、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて、シリコン基板1に溝22を形成する。溝22の深さは、例えば250nmとする。   First, as shown in FIGS. 13 and 14, a groove 22 is formed in the silicon substrate 1 by using a photolithography method and a dry etching method. The depth of the groove 22 is, for example, 250 nm.

次に、溝22の内部を埋め込むように、シリコン基板1の全面へシリコン窒化膜やシリコン酸化膜からなる絶縁膜24をCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって堆積させる。その後、シリコン基板1の上面に形成された不要な絶縁膜24をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により除去して、絶縁膜24を溝22の内部だけに残すことにより、素子分離領域となるSTI2を形成する。これにより、STI2で囲まれた活性領域1aが形成される。   Next, an insulating film 24 made of a silicon nitride film or a silicon oxide film is deposited on the entire surface of the silicon substrate 1 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method so as to fill the inside of the trench 22. Thereafter, the unnecessary insulating film 24 formed on the upper surface of the silicon substrate 1 is removed by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, and the insulating film 24 is left only inside the trench 22, thereby forming the STI 2 serving as an element isolation region. Form. As a result, an active region 1a surrounded by STI2 is formed.

次に、図15から図17に示すように、CVD法によって、シリコン基板1の上面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜3を2nm厚となるように形成してから、シリコン窒化膜からなるマスク膜4を120nm厚となるように形成する。   Next, as shown in FIGS. 15 to 17, an insulating film 3 made of a silicon oxide film is formed to a thickness of 2 nm on the upper surface of the silicon substrate 1 by a CVD method, and then a mask film made of a silicon nitride film. 4 is formed to be 120 nm thick.

次に、フォトリソグラフィ法により、マスク膜4の上面へピラー溝形成領域Aのパターンを有するフォトレジストマスク7を形成する。このピラー溝形成領域Aは、シリコンピラー5の形成前における領域であるが、形成以降もシリコンピラー5を掘り出した領域について同様に呼称する。なお、このフォトレジストマスク7には、非晶質カーボン膜などのハードマスクを含んでも良い。   Next, a photoresist mask 7 having a pattern of the pillar groove forming region A is formed on the upper surface of the mask film 4 by photolithography. The pillar groove formation region A is a region before the silicon pillar 5 is formed, but the region where the silicon pillar 5 is dug after the formation is also referred to in the same manner. The photoresist mask 7 may include a hard mask such as an amorphous carbon film.

次に、フォトレジストマスク7を用いた異方性ドライエッチング法により、マスク膜4と絶縁膜3に前記パターンを転写する。これにより、パターニングした開口部(ピラー溝形成領域Aに相当)の内部には、シリコン基板1の上面とSTI2の上面が露出している。その後、フォトレジストマスク7を除去する。   Next, the pattern is transferred to the mask film 4 and the insulating film 3 by anisotropic dry etching using the photoresist mask 7. As a result, the upper surface of the silicon substrate 1 and the upper surface of the STI 2 are exposed inside the patterned opening (corresponding to the pillar groove forming region A). Thereafter, the photoresist mask 7 is removed.

次に、図18から図20に示すように、マスク膜4をマスクに用いた異方性ドライエッチング法により、露出させたシリコン基板1とSTI2を深さが150nmとなるように掘り下げて、1つのシリコンピラー5と、2つのピラー6(6a、6b)を形成する。   Next, as shown in FIGS. 18 to 20, the exposed silicon substrate 1 and STI 2 are dug down to a depth of 150 nm by anisotropic dry etching using the mask film 4 as a mask. One silicon pillar 5 and two pillars 6 (6a, 6b) are formed.

シリコンピラー5は、掘り下げられたシリコン基板1の上面から上方に突き出るように形成されており、ピラー6は、掘り下げられたSTI2の上面から上方に突き出るように形成される。これにより、シリコンピラー5は、X方向の幅を45nmとした矩形で形成される。   The silicon pillar 5 is formed so as to protrude upward from the upper surface of the dug down silicon substrate 1, and the pillar 6 is formed so as to protrude upward from the upper surface of the dug down STI 2. Thereby, the silicon pillar 5 is formed in a rectangle with a width in the X direction of 45 nm.

また、図20に示したように、シリコンピラー5のY方向における両側面と接触するように、2つのピラー6が形成される。   As shown in FIG. 20, two pillars 6 are formed so as to come into contact with both side surfaces of the silicon pillar 5 in the Y direction.

次に、図21から図23に示すように、シリコンピラー5の側面に熱酸化法で5nm厚の酸化膜(図示せず)を形成する。さらに、CVD法によるシリコン窒化膜を20nm厚となるように成膜してから、全面エッチバックを行って、シリコンピラー5とピラー6とマスク膜4の側面にサイドウォール膜(図示せず)を形成する。   Next, as shown in FIGS. 21 to 23, an oxide film (not shown) having a thickness of 5 nm is formed on the side surface of the silicon pillar 5 by thermal oxidation. Further, a silicon nitride film is formed by CVD to a thickness of 20 nm, and then the entire surface is etched back to form a sidewall film (not shown) on the side surfaces of the silicon pillar 5, pillar 6, and mask film 4. Form.

次に、熱酸化法によって、シリコンピラー5の周囲で露出している活性領域1aに、30nm厚のシリコン酸化膜からなる絶縁膜8を形成する。このとき、シリコンピラー5の側面は、シリコン窒化膜からなる前記サイドウォール膜で覆われているので酸化されない。   Next, an insulating film 8 made of a silicon oxide film having a thickness of 30 nm is formed in the active region 1a exposed around the silicon pillar 5 by thermal oxidation. At this time, the side surface of the silicon pillar 5 is not oxidized because it is covered with the sidewall film made of the silicon nitride film.

次に、イオン注入法によって、絶縁膜8の下方に下部拡散層9(9A、9B)を形成する。ここで、第1下部拡散層9Aと第2下部拡散層9Bは、シリコンピラー5によって分離されている。イオン注入の際には、図示しないマスク(レジスト)を用いて、N、Pそれぞれのイオンを注入する。注入する不純物は、N型トランジスタとするのであれば、ヒ素を用いることができる。   Next, the lower diffusion layer 9 (9A, 9B) is formed below the insulating film 8 by ion implantation. Here, the first lower diffusion layer 9 </ b> A and the second lower diffusion layer 9 </ b> B are separated by the silicon pillar 5. In the ion implantation, N and P ions are implanted using a mask (resist) (not shown). As an impurity to be implanted, arsenic can be used if an N-type transistor is used.

次に、ドライエッチング法あるいはウェットエッチング法によって、シリコンピラー5とピラー6の側面に形成した前記サイドウォール膜と酸化膜を除去する。次に、熱酸化法によって、シリコンピラー5の側面に、3nm厚のシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜10(10A、10B)を形成する。   Next, the sidewall film and the oxide film formed on the side surfaces of the silicon pillar 5 and the pillar 6 are removed by a dry etching method or a wet etching method. Next, a gate insulating film 10 (10A, 10B) made of a 3 nm thick silicon oxide film is formed on the side surface of the silicon pillar 5 by thermal oxidation.

次に、シリコン基板1の全面に、ゲート電極となる20nm厚のポリシリコン膜(多結晶シリコン膜)をCVD法により成膜してから、全面エッチバックを行う。この処理によって、シリコンピラー5の側面にゲート電極11a(11aA、11aB)を形成するとともに、ピラー6の側面にダミーゲート電極11bを形成する。ここでは、図19に示したように、ピラー6の側面におけるダミーゲート電極11bが、シリコンピラー5の側面におけるゲート電極11aへ接続されている。なお、シリコンピラー5とピラー6の側面にゲート電極配線11を形成した場合、STI2の側面にもゲート電極配線11(図示せず)が形成される。   Next, a 20 nm thick polysilicon film (polycrystalline silicon film) serving as a gate electrode is formed on the entire surface of the silicon substrate 1 by the CVD method, and then the entire surface is etched back. By this process, the gate electrode 11a (11aA, 11aB) is formed on the side surface of the silicon pillar 5, and the dummy gate electrode 11b is formed on the side surface of the pillar 6. Here, as shown in FIG. 19, the dummy gate electrode 11 b on the side surface of the pillar 6 is connected to the gate electrode 11 a on the side surface of the silicon pillar 5. When the gate electrode wiring 11 is formed on the side surfaces of the silicon pillar 5 and the pillar 6, the gate electrode wiring 11 (not shown) is also formed on the side surface of the STI 2.

次に、図24から図26に示すように、シリコンピラー5とピラー6を埋め込むように、CVD法によって、シリコン酸化膜からなる第1層間絶縁膜12を形成する。次に、CMP法によって、マスク膜4が露出するように第1層間絶縁膜12を平坦化し、続けてCVD法によって、シリコン酸化膜からなるマスク膜13を50nm厚となるように成膜する。   Next, as shown in FIGS. 24 to 26, a first interlayer insulating film 12 made of a silicon oxide film is formed by a CVD method so as to embed the silicon pillar 5 and the pillar 6. Next, the first interlayer insulating film 12 is planarized by the CMP method so that the mask film 4 is exposed, and then the mask film 13 made of a silicon oxide film is formed to a thickness of 50 nm by the CVD method.

次に、フォトリソグラフィ法によって、マスク膜13の上面にフォトレジストマスク26を形成する。このフォトレジストマスク26には、シリコンピラー5の上方におけるマスク膜13だけを露出させた開口部28を有しており、第1活性領域1aAと第2活性領域1aB並びにSTI2の上方におけるマスク膜13は、フォトレジストマスク26で覆われている。   Next, a photoresist mask 26 is formed on the upper surface of the mask film 13 by photolithography. The photoresist mask 26 has an opening 28 exposing only the mask film 13 above the silicon pillar 5. The mask film 13 above the first active region 1 aA, the second active region 1 aB, and the STI 2. Is covered with a photoresist mask 26.

次に、図27に示すように、次に、異方性ドライエッチング法を用いて、露出させたマスク膜13を除去する。マスク膜13を除去した開口部14には、シリコンピラー5の上方におけるマスク膜4が露出する。   Next, as shown in FIG. 27, the exposed mask film 13 is then removed using anisotropic dry etching. The mask film 4 above the silicon pillar 5 is exposed in the opening 14 from which the mask film 13 has been removed.

次に、露出させたマスク膜4を異方性ドライエッチング法によって除去し、さらに、除去したマスク膜4の下地となっていた絶縁膜3を除去することで、シリコンピラー5の上方に開口部15を形成する。開口部15の底面には、シリコンピラー5の上面が露出しており、側面にはゲート電極11aの一部が露出している。   Next, the exposed mask film 4 is removed by anisotropic dry etching, and further, the insulating film 3 which is the base of the removed mask film 4 is removed, so that an opening is formed above the silicon pillar 5. 15 is formed. The upper surface of the silicon pillar 5 is exposed at the bottom surface of the opening 15, and a part of the gate electrode 11 a is exposed at the side surface.

次に、図28(26)に示すように、熱酸化法によって、開口部15の内壁へシリコン酸化膜からなる図示しない絶縁膜を形成する。   Next, as shown in FIG. 28 (26), an insulating film (not shown) made of a silicon oxide film is formed on the inner wall of the opening 15 by thermal oxidation.

次に、CVD法によるシリコン窒化膜を10nm厚として成膜してから、エッチバックを行うことにより、開口部15の内壁へシリコン窒化膜からなるサイドウォール絶縁膜18を形成する。このサイドウォール絶縁膜18の形成時に、シリコンピラー5の上面に形成されていた図示しない絶縁膜を除去して、シリコンピラー5の上面を露出させる。サイドウォール絶縁膜18は、この後形成する導体層とゲート電極11aとの間の絶縁を確保する役割を果たす。   Next, after forming a silicon nitride film having a thickness of 10 nm by CVD, etch back is performed to form a sidewall insulating film 18 made of a silicon nitride film on the inner wall of the opening 15. When the sidewall insulating film 18 is formed, an insulating film (not shown) formed on the upper surface of the silicon pillar 5 is removed to expose the upper surface of the silicon pillar 5. The sidewall insulating film 18 plays a role of ensuring insulation between the conductor layer to be formed later and the gate electrode 11a.

次に、選択エピタキシャル成長法を用いて、シリコンピラー5の上面へシリコンからなる導体層16を成長させる。このとき、導体層16の上面の位置は、第1層間絶縁膜12の上面よりも下方にしている。その後、N型トランジスタとする場合には、ヒ素などをイオン注入することにより、導体層16をn型の導電体として、シリコンピラー5の上部と電気的に接触させる。このようにして、図1に示す半導体装置50Bが完成する。   Next, a conductor layer 16 made of silicon is grown on the upper surface of the silicon pillar 5 by using a selective epitaxial growth method. At this time, the position of the upper surface of the conductor layer 16 is set lower than the upper surface of the first interlayer insulating film 12. Thereafter, when an N-type transistor is formed, arsenic or the like is ion-implanted to make the conductor layer 16 electrically contact with the upper portion of the silicon pillar 5 as an n-type conductor. In this way, the semiconductor device 50B shown in FIG. 1 is completed.

上述のように、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置100の製造方法では、縦型トランジスタのシリコンピラーの底面が、底面側拡散層形成時のピラーセルフアラインによるイオン注入(及びアニール)によって拡散層に完全に覆われて、シリコンピラー自身が完全なフローティングとならないようにボディまたはチャネルの給電経路を確保する。そのための手段として、拡散層に完全に覆われない様な幅をもったシリコンピラーを形成することを特徴とする。   As described above, in the method for manufacturing the semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention, the bottom surface of the silicon pillar of the vertical transistor is ion-implanted (and annealed) by pillar self-alignment when the bottom-side diffusion layer is formed. Thus, the body or channel feeding path is secured so that the silicon pillar itself is not completely floated by being completely covered by the diffusion layer. As a means for that purpose, a silicon pillar having a width that does not completely cover the diffusion layer is formed.

より具体的には、第1導電型である半導体基板上に素子分離領域に囲まれる活性領域を形成し、活性領域上に一部分が他の部分よりも太くなるようにシリコンピラーを形成し、シリコンピラーの側面をゲート絶縁膜を介して覆うゲート電極を形成し、ゲート電極で囲まれたシリコンピラーをマスクとして、活性領域上にイオン注入を行って一部分に対応する前記シリコンピラーの第1の底面部分を残して、他の部分に対応するシリコンピラーの第2の底面部分を第2導電型の第1拡散層領域で覆い、シリコンピラーの上面を前記第2導電型の第2拡散層領域で覆うことを特徴とする。ここで、前記イオン注入は、シリコンピラーをマスクとしたセルフアライン法により行われる。   More specifically, an active region surrounded by an element isolation region is formed on a semiconductor substrate of the first conductivity type, and a silicon pillar is formed on the active region so that a part is thicker than the other part. A gate electrode that covers a side surface of the pillar through a gate insulating film is formed, and the silicon pillar surrounded by the gate electrode is used as a mask to perform ion implantation on the active region, and the first bottom surface of the silicon pillar corresponding to a part thereof The second bottom surface portion of the silicon pillar corresponding to the other portion is covered with the first diffusion layer region of the second conductivity type, leaving the portion, and the upper surface of the silicon pillar is covered with the second diffusion layer region of the second conductivity type. It is characterized by covering. Here, the ion implantation is performed by a self-alignment method using a silicon pillar as a mask.

そして、シリコンピラーの第1の底面部分は、第1拡散層領域により完全に覆われないような第1の幅を有し、シリコンピラーの第2の底面部分は、第1拡散層領域により完全に覆われるような第2の幅を有する。ここで、第1の幅は、前記第2の幅よりも大きく設定されている。シリコンピラーの第1の底面部分が第1拡散層領域により完全に覆われないような前記第1の幅を有することにより、シリコンピラーがフローティング状態になることを防止する。   The first bottom surface portion of the silicon pillar has a first width that is not completely covered by the first diffusion layer region, and the second bottom surface portion of the silicon pillar is completely formed by the first diffusion layer region. The second width is such that it is covered. Here, the first width is set larger than the second width. By having the first width such that the first bottom surface portion of the silicon pillar is not completely covered by the first diffusion layer region, the silicon pillar is prevented from being in a floating state.

上述のように、本発明の実施形態によれば、半導体装置の必要面積を縮小することができ、基板浮遊効果を防止できる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, the required area of the semiconductor device can be reduced and the substrate floating effect can be prevented.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。   The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Needless to say, it is included in the range.

例えば、図3においてはシリコンピラー5が第1下部拡散層9A及び第2下部拡散層9Bにより完全に覆われている構造となっているが、完全に拡散層によって覆われていない場合であっても、第1下部拡散層9A及び第2下部拡散層9Bの其々により生じる空乏層によってウェルからの給電が不十分となるケースも考えられる。その様な構造も本発明に含まれるものである。   For example, in FIG. 3, the silicon pillar 5 is completely covered by the first lower diffusion layer 9A and the second lower diffusion layer 9B, but is not completely covered by the diffusion layer. However, there may be a case where power supply from the well is insufficient due to the depletion layers generated by the first lower diffusion layer 9A and the second lower diffusion layer 9B. Such a structure is also included in the present invention.

1 シリコン基板
2 素子分離領域(STI)
1a 活性領域
1aA 第1活性領域
1aB 第2活性領域
5 シリコンピラー
6 ピラー
8 絶縁膜
9A 第1下部拡散層
9B 第2下部拡散層
10A 第1ゲート絶縁膜
10B 第2ゲート絶縁膜
11a ゲート電極
11b ダミーゲート電極
12 第1層間絶縁膜
16 上部拡散層
18 サイドウォール絶縁膜
50A 第1トランジスタ
50B 第2トランジスタ
100 半導体装置
1 Silicon substrate 2 Element isolation region (STI)
1a active region 1aA first active region 1aB second active region 5 silicon pillar 6 pillar 8 insulating film 9A first lower diffusion layer 9B second lower diffusion layer 10A first gate insulating film 10B second gate insulating film 11a gate electrode 11b dummy Gate electrode 12 First interlayer insulating film 16 Upper diffusion layer 18 Side wall insulating film 50A First transistor 50B Second transistor 100 Semiconductor device

Claims (20)

半導体基板と、
前記半導体基板上の素子分離領域によって囲まれる活性領域と、
前記活性領域上に柱状に形成され、トランジスタのチャネル部を含んで構成されるシリコンピラーと、
前記活性領域内において柱状の前記シリコンピラーにおける底面の少なくとも一部を覆い、前記トランジスタのソース及びドレインの一方が構成される第1拡散層領域と、
柱状の前記シリコンピラーにおける上面の少なくとも一部を覆い、前記トランジスタのソース及びドレインの他方が構成される第2拡散層領域と、
柱状の前記シリコンピラーにおける複数の側面の内の少なくとも一面を絶縁膜を介して覆い、前記トランジスタのゲートが構成される導電体膜と、を備える半導体装置であって、
前記柱状のシリコンピラーは、高さが等しく幅の異なる第1及び第2部分を含むことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
An active region surrounded by an element isolation region on the semiconductor substrate;
A silicon pillar formed in a columnar shape on the active region and configured to include a channel portion of a transistor;
A first diffusion layer region that covers at least a part of the bottom surface of the pillar-shaped silicon pillar in the active region, and that constitutes one of a source and a drain of the transistor;
A second diffusion layer region covering at least a part of the upper surface of the pillar-shaped silicon pillar and constituting the other of the source and drain of the transistor;
A semiconductor device comprising: a conductive film that covers at least one of a plurality of side surfaces of the pillar-shaped silicon pillar via an insulating film, and constitutes a gate of the transistor;
The columnar silicon pillar includes first and second portions having the same height and different widths.
前記第2部分の幅は前記第1部分の幅よりも大きく、前記第1部分の底面は前記第1拡散層領域に覆われ、前記第2部分の底面は前記第1拡散層領域に覆われる領域と覆われない領域とを備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The width of the second portion is larger than the width of the first portion, the bottom surface of the first portion is covered with the first diffusion layer region, and the bottom surface of the second portion is covered with the first diffusion layer region. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a region and a region that is not covered. 前記第1拡散層領域に覆われない領域は、前記半導体基板上に形成されたウェルに対応することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the region not covered with the first diffusion layer region corresponds to a well formed on the semiconductor substrate. 前記ウェルに隣接してウェル給電用領域が設けられていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 3, wherein a well power feeding region is provided adjacent to the well. 前記柱状のシリコンピラーは、T字型を成すことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the columnar silicon pillar has a T shape. 前記第1拡散層領域は、第1下部拡散層領域と第2下部拡散層領域とに区画されており、
前記第1拡散層領域に覆われない領域は、前記第1下部拡散層領域と前記第2下部拡散層領域とが重なり合うことにより前記チャネル部と前記ウェルとが電気的に分離されて前記柱状のシリコンピラーがフローティング状態になるのを防止することを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
The first diffusion layer region is partitioned into a first lower diffusion layer region and a second lower diffusion layer region,
The region that is not covered with the first diffusion layer region has the columnar shape because the channel portion and the well are electrically separated by overlapping the first lower diffusion layer region and the second lower diffusion layer region. 6. The semiconductor device according to claim 3, wherein the silicon pillar is prevented from entering a floating state.
前記ウェル給電用領域と前記トランジスタ間には素子分離領域が存在しないことを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。   7. The semiconductor device according to claim 4, wherein an element isolation region does not exist between the well power supply region and the transistor. 前記柱状のシリコンピラーの前記第2部分の幅は、前記第1拡散層領域の横方向の幅よりも大きいことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。   8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a width of the second portion of the columnar silicon pillar is larger than a width in a lateral direction of the first diffusion layer region. 9. 前記第2部分の幅を前記第1拡散層領域の横方向の幅よりも大きく設定することにより、前記チャネル部と前記ウェルとの電気的接続を維持することを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。   9. The electrical connection between the channel portion and the well is maintained by setting the width of the second portion to be larger than the lateral width of the first diffusion layer region. Semiconductor device. 第1導電型である半導体基板上に素子分離領域に囲まれる活性領域を形成し、
前記活性領域上に一部分が他の部分よりも太くなるようにシリコンピラーを形成し、
前記シリコンピラーの側面をゲート絶縁膜を介して覆うゲート電極を形成し、
前記ゲート電極で囲まれたシリコンピラーをマスクとして、前記活性領域上にイオン注入を行って前記一部分に対応する前記シリコンピラーの第1の底面部分を残して、他の部分に対応する前記シリコンピラーの第2の底面部分を第2導電型の第1拡散層領域で覆い、
前記シリコンピラーの上面を前記第2導電型の第2拡散層領域で覆うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an active region surrounded by the element isolation region on the semiconductor substrate of the first conductivity type;
Forming a silicon pillar on the active region so that a part is thicker than the other part;
Forming a gate electrode covering a side surface of the silicon pillar via a gate insulating film;
Using the silicon pillar surrounded by the gate electrode as a mask, ion implantation is performed on the active region, leaving the first bottom surface portion of the silicon pillar corresponding to the portion, and the silicon pillar corresponding to the other portion. Covering the second bottom surface portion of the first conductive layer with a first diffusion layer region of the second conductivity type,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein an upper surface of the silicon pillar is covered with a second diffusion layer region of the second conductivity type.
前記イオン注入は、前記シリコンピラーをマスクとしたセルフアライン法により行われることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the ion implantation is performed by a self-alignment method using the silicon pillar as a mask. 前記シリコンピラーの前記第1の底面部分は、前記第1拡散層領域により完全に覆われないような第1の幅を有し、
前記シリコンピラーの前記第2の底面部分は、前記第1拡散層領域により完全に覆われるような第2の幅を有することを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法。
The first bottom surface portion of the silicon pillar has a first width that is not completely covered by the first diffusion layer region;
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the second bottom surface portion of the silicon pillar has a second width so as to be completely covered by the first diffusion layer region.
前記第1の幅は、前記第2の幅よりも大きいことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the first width is larger than the second width. 前記シリコンピラーの前記第1の底面部分が前記第1拡散層領域により完全に覆われないような前記第1の幅を有することにより、前記シリコンピラーがフローティング状態になることを防止することを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   Having the first width such that the first bottom surface portion of the silicon pillar is not completely covered by the first diffusion layer region prevents the silicon pillar from entering a floating state. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 11. 前記シリコンピラーの前記第1の底面部分には、前記半導体基板上のウェルが形成されていることを特徴とする請求項10〜14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein a well on the semiconductor substrate is formed in the first bottom surface portion of the silicon pillar. 前記ウェルに隣接してウェル給電用領域が形成されていることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の製造方法。   16. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 15, wherein a well power supply region is formed adjacent to the well. 前記ウェル給電用領域と前記シリコンピラー間には素子分離領域が存在しないことを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。   17. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein an element isolation region does not exist between the well power supply region and the silicon pillar. 前記シリコンピラーは、平面視においてT字状に形成されていることを特徴とする請求項10〜17のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the silicon pillar is formed in a T shape in a plan view. 前記シリコンピラーの前記第1の幅は、前記第1拡散層領域の横方向の幅よりも大きいことを特徴とする請求項10〜18のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   19. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the first width of the silicon pillar is larger than a lateral width of the first diffusion layer region. 前記シリコンピラーの前記第1の幅を前記第1拡散層領域の横方向の幅よりも大きく設定することにより、前記前記シリコンピラーと前記ウェルとの電気的接続を維持することを特徴とする請求項15〜19のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   The electrical connection between the silicon pillar and the well is maintained by setting the first width of the silicon pillar to be larger than a lateral width of the first diffusion layer region. Item 20. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Items 15 to 19.
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