JP3937894B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特には基板表面の溝内に埋込ゲート電極を設けてなる溝ゲート型の半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化および高機能化の要求にともない、素子構造の微細化が進んでいる。このようななか、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して埋込ゲート電極を設けてなる半導体装置(いわゆるMOSトランジスタンジスタ)においては、微細化によって顕著になる短チャネル効果(例えばパンチスルー現象)を、不純物濃度の増加やゲート絶縁膜の薄膜化によって抑制することが限界となってきている。
【0003】
そこで、特開平7−38095に開示されているように、基板の表面層に形成した溝内に埋込ゲート電極を埋め込んで溝ゲート型とする構成の半導体装置が提案されている。溝ゲート型の半導体装置は、図5に示すように、基板3の表面層に形成された溝3aの内壁がゲート絶縁膜5で覆われ、この溝3a内にゲート絶縁膜5を介して埋込ゲート電極7が設けられている。埋込ゲート電極7は、基板3の表面よりも低い位置に埋め込まれており、溝3aの両側における基板3の表面層には、ソース/ドレイン拡散層(S/D層)9a,9bが設けられている。
【0004】
また、埋込ゲート電極7上の溝3aの内壁には、酸化シリコンや窒化シリコンからなる絶縁性のサイドウォール11が設けられ、このサイドウォール11によって、S/D層9a,9bに対して十分に絶縁された状態で、埋込ゲート電極7の表面にシリサイド層13が設けられている。
【0005】
このような構成の半導体装置1においては、埋込ゲート電極7の線幅Lgを微細化しつつも、S/D層9a,9bを溝3aの深さHよりも浅く形成することによってS/D層9a−S/D層9b間の距離、すなわちチャネル長Laを確保することができる。このため、S/D層9a,9bからの空乏層の伸びによる短チャネル効果を抑制しつつ、安定した閾値電圧を保って素子構造の微細化を図ることが可能になる。このため、DRAMのセルトランジスタのような微細化が要求される回路素子として有効に用いられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した溝ゲート型の半導体装置を、DRAMのセルトランジスタとして用いる場合には、次のような課題が生じる。すなわち、DRAMのセルトランジスタには、電荷の保持特性が求められるため、S/D層とチャネル領域との間の電界を緩和するべく、S/D層の不純物(例えばP)の濃度を低濃度に抑える必要がある。しかし、S/D層の不純物濃度を低濃度に抑えた場合、S/D層の寄生抵抗が大きくなるため、電流駆動能力が得られないといった問題が生じるのである。したがって、上記構造の溝ゲート型の半導体装置をDRAMのセルトランジスタとして用いた場合、電荷の保持特性を確保しようとすると、書き込み不良による歩留まりの低下が引き起こされる。
【0007】
そこで発明は、S/D層の不純物濃度を上昇させることなく電流駆動能力の向上を図ることで、DRAMのセルトランジスタのような電荷の保持特性が求められる回路素子として好適に用いることが可能な溝ゲート型の半導体装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明の半導体装置は、基板の表面層に形成された溝の内壁を覆うゲート絶縁膜を備えている。そして、ゲート絶縁膜で覆われた溝内には、基板の上面よりも低い高さで埋込ゲート電極が設けられている。また、溝の両側における基板の表面層には、溝よりも浅いソース/ドレイン拡散層が設けられている。そして特に、埋込ゲート電極上部には、ゲート絶縁膜を介してソース/ドレイン拡散層と対向させた状態で、窒化シリコンよりも誘電率の高い材料で構成された絶縁膜が設けられていることを特徴としている。
【0009】
このような構成の半導体装置では、埋込ゲート電極に電圧を印加した場合に、当該埋込ゲート電極上に設けられた窒化シリコンよりも誘電率の高い材料で構成された絶縁膜の誘電分極により、当該絶縁膜に対向する位置のソース/ドレイン拡散層の界面部分のキャリア濃度が十分に高められ、ソース/ドレイン拡散層の溝側界面の低抵抗化が図られる。したがって、ソース/ドレイン拡散層の不純物濃度が同程度であれば、この絶縁膜に窒化シリコンや酸化シリコンを用いた場合よりも、電流駆動能力を向上させることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0011】
図1は、実施形態の半導体装置の構成を示す断面図である。この図に示す半導体装置100と、図5を用いて説明した従来の半導体装置との異なるところは、埋込ゲート電極7上部における溝3aの側壁を覆うサイドウォール101が、窒化シリコンよりも誘電率の高い絶縁性材料で構成されている点にある。
【0012】
このような絶縁性材料としては、金属酸化膜を用いることができるが、具体的には、Al,Ti,Ta,Zr,Hf,In,Sr,Pb,Ba,Pa等の酸化物やこれらの酸化物の混晶が用いられる。またこの中でも特に、HfO2 Ta25、Al23、ZrO2等、さらにはPZT[Pb(Zr,Ti)O3]、BST[BaTiO3とSrTiO3との混晶]を用いることができる。
【0013】
以下、半導体装置100のさらに詳しい構成を、図2を用いてその製造手順と共に説明する。
【0014】
先ず、図2(1)に示すように、例えばp型の単結晶シリコンからなる基板3上に、酸化シリコンのような絶縁性の保護膜4を成膜する。そして、この保護膜4上から基板3をパターンエッチングすることによって、基板3に溝3aを形成する。この溝3aは、基板3の表面に対して所定深さHで形成されることとする。その後、溝3aの内壁に、必要に応じて閾値電圧調整用の不純物をイオン注入によって導入する。
【0015】
次に、溝3aの内壁を含む基板3の表面に、例えば熱酸化によって酸化シリコンからなるゲート絶縁膜5を形成する。その後、ゲート絶縁膜5で覆われた溝3a内に、基板3の表面よりも低い高となるようにゲート材料を埋め込んでなる埋込ゲート電極7を形成する。この埋込ゲート電極7を形成する場合には、例えば、溝3a内を埋め込む状態で基板3上にポリシリコン膜を成膜し、このポリシリコン膜をエッチバックすることで溝3a内のみにポリシリコン膜を残すことによって得られる。
【0016】
次に、図2(2)に示すように、イオン注入によって、基板3の表面層および埋込ゲート電極7に不純物を導入し、基板3の表面層にS/D層9a,9bを形成すると共に、埋込ゲート電極7の導電性を確保する。この際、例えば、S/D層9a,9bが、溝3aの深さHよりも浅く、かつ埋込ゲート電極7の高さに対して所定の深さとなり、例えば埋込ゲート電極7と高さ方向に所定の重なりSを持つように、イオン注入の注入エネルギーを設定することが重要である。尚、ここでは、p型の基板3に対して、P(リン)のようなn型不純物を導入することとする。また、ここで形成する半導体装置100が、DRAMのセルトランジスタのような電荷の保持特性が要求される回路素子として用いられる場合、S/D層9a,9bの不純物濃度は、できるだけ低く抑えられることとする。
【0017】
次いで、図2(3)に示すように、埋込ゲート電極7上部の溝3aの側壁に、本発明の特徴である、窒化シリコンよりも誘電率の高い材料で構成された絶縁性材料からなるサイドウォール101を形成する。このサイドウォール101を形成する場合には、先ず、上述した絶縁性材料の材料膜(例えば金属酸化膜)を、MOCVD(metal organic-chemical vapor deposition)法、プラズマCVD法、またはスパッタ法などの成膜方法によって、溝3a内が完全に埋め込まれる状態に成膜する。その後、この材料膜を全面エッチバックすることにより、溝3aの内壁のみに材料膜を残してこれをサイドウォール101とする。尚、このサイドウォール101は、基板3aに形成された溝3aの側壁を覆う高さを有していれば良く、図示したように基板3上の保護膜4の側壁をも覆う高さで有っても良い。
【0018】
以上の後、サイドウォール101から露出している埋込ゲート電極7の表面層をシリサイド化して低抵抗化層13を形成する。この低抵抗化層13を形成する場合には、先ず、サイドウォール101および溝3aの内壁を覆う状態で、金属膜(例えばCo、Ni、Ti、Pt等の高融点金属)を成膜する。次に、熱処理を行うことにより、埋込ゲート電極7と金属膜との界面でシリサイド化反応を進める。これにより、サイドウォール101によってS/D層9a,9bと絶縁された金属シリサイドからなる低抵抗化層13を、埋込ゲート電極7の表面層に自己整合的に形成する。そして、このシリサイド化反応の後には、金属膜の未反応部分を除去する工程を行う。
【0019】
以上の後、図1に示したように、低抵抗化層13及びサイドウォール101上を覆う状態で、絶縁性のストッパ層15を形成する。このストッパ層15は、以降の工程で接続孔を形成する場合のエッチングにおいて、エッチングストッパとなる膜であり、例えば窒化シリコンで形成する。その後、このストッパ層15上に、例えば酸化シリコンからなる平坦化絶縁膜17を形成し、平坦化絶縁膜17、ストッパ層15、および保護膜4を順次パターンエッチングすることで、S/D層9bに達する接続孔19を形成する。このパターンエッチングにおいては、ストッパ層15で一端エッチングを停止させることで、S/D層9bが過剰にエッチングされることを防止する。その後、この接続孔19内に、S/D層9bに達するプラグ21を埋め込む。尚、この半導体装置100が、DRAMのセルトランジスタとして設けられる場合には、このプラグがビットコンタクトとなる。
【0020】
以上のような、製造手順にしたがって得られた構成の半導体装置100では、埋込ゲート電極7上部の溝3a側壁を覆うサイドウォール101が、窒化シリコンよりも誘電率の高い材料で構成されている。このため、埋込ゲート電極7にゲート電圧を印加した場合には、サイドウォール101の誘電分極により、サイドウォール101に対向する位置におけるS/D層9a,9bの界面部分のキャリア濃度を十分に高めることができる。すなわち、ゲート電圧を印加した際のフリンジ電界を有効的に利用して、S/D層9a,9bの溝側界面の低抵抗化が図られ、電流駆動能力の向上を図ることが可能になる。
【0021】
さらに、ゲート長を短縮させることなく、すなわち閾値電圧を確保して短チャンチャネル効果を抑制した状態で電流駆動能力の向上が図られるため、半導体装置の動作マージンを確保することが可能になり、ゲート幅を縮小して素子構造のさらなる微細化を図ることも可能になる。
【0022】
そして、S/D層9a,9bの不純物濃度を上昇させることなく、すなわち電荷の保持特性を確保した状態で電流駆動能力の向上が図られるため、例えばDRAMのセルトランジスタとしてこの半導体装置100を用いた場合には、書き込み不良を抑えることが可能になる。しかも、電流駆動能力を一定とすれば、S/D層9a,9bの不純物濃度を低下させることができるので、電荷の保持特性の向上を図ることが可能になる。したがって、DRAMのセルトランジスタのような回路素子として、溝ゲート型の半導体装置を好適に用いることが可能になる。
【0023】
図3には、サイドウォールの誘電率に対する電流駆動能力のシミュレーション結果を示す。また、図4には、サイドウォールの誘電率に対する閾値電圧のシミュレーション結果を示す。尚、各シミュレーションにおいては、各構造部分の設計値を以下のように設定した。
ゲート長Lg :0.14μm
ゲート酸化膜の膜厚 :5nm
基板のp型不純物濃度 :5×1016個/cm3
S/D層のn型不純物(P)濃度 :1018個/cm3
【0024】
これらのシミュレーション結果から、サイドウォールに、酸化シリコン(SiO2:誘電率3.9)や窒化シリコン(Si34:誘電率7)を用いた場合と比較して、上述した実施形態のように酸化ハフニウム(HfO2:誘電率25)や酸化タンタル(Ta25:誘電率30)のような窒化シリコンよりも誘電率の高い材料を用いることで、閾値電圧を変化させることなく、電流駆動能力の向上が図られていることが分かる。具体的には、サイドウォールを、酸化シリコンから酸化ハフニウム(HfO2)に変えることで、電流駆動能力を3%上昇させることが可能である。
【0025】
尚、上述した実施形態においては、埋込ゲート電極7の上部における溝3aの側壁にサイドウォール101を設け、このサイドウォール101が窒化シリコンよりも誘電率の高い材料からなる構成を説明した。しかし、本発明はこのような構成に限定されることはない。例えば、埋込ゲート電極7の上部の溝3a内に、サイドウォールを形成せずに絶縁膜が埋め込まれる場合、この溝3a内に埋め込まれる絶縁膜部分を、窒化シリコンよりも誘電率の高い材料とする構成としても良い。このような構成では、S/D層9a,9bが配置された溝3aの側壁部分に、ゲート絶縁膜5を介して窒化シリコンよりも誘電率の高い絶縁膜部分が配置されることになるため、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。ただし、このような絶縁膜は、ゲート絶縁膜5を介してS/D層9a,9bに近い位置に配置されることが好ましく、より高い効果を得ることが可能になる。
【0026】
また、本発明は、溝ゲート構造の半導体装置に広く適用可能である。例えば、溝の構造は、図示したような底部に角部を有する構成に限定されることはなく、角部のない曲面状の底部を有する構成であっても同様の効果を得ることができる。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の溝ゲート型の半導体装置によれば、埋込ゲート電極上の溝側壁に、ゲート絶縁膜を介してS/Dに対向させた状態で、窒化シリコンよりも誘電率の高い材料からなる絶縁膜を設けたことで、埋込ゲート電極にゲート電圧を印加した場合に、絶縁膜の誘電分極によりS/D層の界面部分のキャリア濃度を十分に高めて低抵抗化を図ることが可能になる。したがって、ゲート長およびS/D層の不純物濃度を上昇させることなく、すなわち閾値電圧および電荷の保持特性を確保しつつ、電流駆動能力の向上を図ることができる。この結果、溝ゲート型の半導体装置を、DRAMのような微細でかつ電荷の保持特性が要求される素子として用いることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の一構成例を示す断面図である。
【図2】図1の半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。
【図3】半導体装置におけるサイドウォールの誘電率に対する電流駆動能力のシミュレーション結果を示す図である。
【図4】半導体装置におけるサイドウォールの誘電率に対する閾値電圧のシミュレーション結果を示す図である。
【図5】従来の溝ゲート型の半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
100…半導体装置、3…基板、3a…溝、5…ゲート絶縁膜、7…埋込ゲート電極、9a,9b…S/D層(ソース/ドレイン拡散層)、13…低抵抗化層、101…サイドウォール(絶縁膜)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a trench gate type semiconductor device in which a buried gate electrode is provided in a trench on a substrate surface.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the demand for higher integration and higher functionality of semiconductor devices, element structures have been miniaturized. Under such circumstances, in a semiconductor device (a so-called MOS transistor transistor) in which a buried gate electrode is provided on a semiconductor substrate via a gate insulating film, a short channel effect (for example, a punch-through phenomenon) that becomes conspicuous by miniaturization, Limitation by increasing the impurity concentration or reducing the thickness of the gate insulating film has become a limit.
[0003]
Therefore, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-38095, a semiconductor device having a trench gate type in which a buried gate electrode is buried in a trench formed in a surface layer of a substrate has been proposed. In the trench gate type semiconductor device, as shown in FIG. 5, the inner wall of the trench 3 a formed in the surface layer of the substrate 3 is covered with the gate insulating film 5, and the trench 3 a is buried via the gate insulating film 5. A buried gate electrode 7 is provided. The buried gate electrode 7 is buried at a position lower than the surface of the substrate 3, and source / drain diffusion layers (S / D layers) 9a, 9b are provided on the surface layer of the substrate 3 on both sides of the groove 3a. It has been.
[0004]
Further, an insulating side wall 11 made of silicon oxide or silicon nitride is provided on the inner wall of the groove 3a on the embedded gate electrode 7, and the side wall 11 is sufficient for the S / D layers 9a and 9b. A silicide layer 13 is provided on the surface of the buried gate electrode 7 while being insulated from each other.
[0005]
In the semiconductor device 1 having such a configuration, the S / D layers 9a and 9b are formed shallower than the depth H of the groove 3a while the line width Lg of the buried gate electrode 7 is reduced. The distance between the layer 9a and the S / D layer 9b, that is, the channel length La can be ensured. Therefore, it is possible to reduce the element structure while maintaining a stable threshold voltage while suppressing the short channel effect due to the extension of the depletion layer from the S / D layers 9a and 9b. For this reason, it is effectively used as a circuit element requiring miniaturization, such as a cell transistor of a DRAM.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the above-described trench gate type semiconductor device is used as a DRAM cell transistor, the following problems arise. That is, since the DRAM cell transistor is required to have charge retention characteristics, the concentration of impurities (for example, P) in the S / D layer is reduced to reduce the electric field between the S / D layer and the channel region. It is necessary to keep it down. However, when the impurity concentration of the S / D layer is suppressed to a low concentration, the parasitic resistance of the S / D layer is increased, which causes a problem that current drive capability cannot be obtained. Therefore, when the trench gate type semiconductor device having the above structure is used as a cell transistor of a DRAM, a reduction in yield due to a write failure is caused if an attempt is made to secure charge retention characteristics.
[0007]
Therefore, the present invention can be suitably used as a circuit element that requires charge retention characteristics, such as a cell transistor of a DRAM, by improving the current driving capability without increasing the impurity concentration of the S / D layer. An object is to provide a trench gate type semiconductor device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, a semiconductor device of the present invention includes a gate insulating film that covers an inner wall of a groove formed in a surface layer of a substrate. In the trench covered with the gate insulating film, a buried gate electrode is provided at a height lower than the upper surface of the substrate. Further, a source / drain diffusion layer shallower than the groove is provided on the surface layer of the substrate on both sides of the groove. In particular, an insulating film made of a material having a dielectric constant higher than that of silicon nitride is provided on the buried gate electrode in a state facing the source / drain diffusion layer through the gate insulating film. It is characterized by.
[0009]
In the semiconductor device having such a configuration, when a voltage is applied to the buried gate electrode, the dielectric polarization of the insulating film made of a material having a dielectric constant higher than that of silicon nitride provided on the buried gate electrode. The carrier concentration at the interface portion of the source / drain diffusion layer at the position facing the insulating film is sufficiently increased, and the resistance at the groove side interface of the source / drain diffusion layer is reduced. Therefore, if the impurity concentration of the source / drain diffusion layer is approximately the same, the current driving capability can be improved as compared with the case where silicon nitride or silicon oxide is used for this insulating film.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a semiconductor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0011]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to an embodiment. The difference between the semiconductor device 100 shown in this figure and the conventional semiconductor device described with reference to FIG. 5 is that the sidewall 101 covering the sidewall of the groove 3a above the embedded gate electrode 7 has a dielectric constant higher than that of silicon nitride. This is because it is made of a highly insulating material.
[0012]
As such an insulating material, a metal oxide film can be used. Specifically, oxides such as Al, Ti, Ta, Zr, Hf, In, Sr, Pb, Ba, Pa, and the like can be used. Oxide mixed crystals are used. Of these, in particular, HfO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , ZrO 2, etc., as well as PZT [Pb (Zr, Ti) O 3 ], BST [mixed crystal of BaTiO 3 and SrTiO 3 ] are used. be able to.
[0013]
Hereinafter, a more detailed configuration of the semiconductor device 100 will be described with reference to FIG.
[0014]
First, as shown in FIG. 2A, an insulating protective film 4 such as silicon oxide is formed on a substrate 3 made of, for example, p-type single crystal silicon. Then, a groove 3 a is formed in the substrate 3 by pattern etching the substrate 3 from above the protective film 4. The groove 3 a is formed with a predetermined depth H with respect to the surface of the substrate 3. Thereafter, an impurity for adjusting the threshold voltage is introduced into the inner wall of the groove 3a as necessary by ion implantation.
[0015]
Next, the gate insulating film 5 made of silicon oxide is formed on the surface of the substrate 3 including the inner wall of the groove 3a by, for example, thermal oxidation. Thereafter, a buried gate electrode 7 is formed by embedding a gate material in the groove 3 a covered with the gate insulating film 5 so as to be lower than the surface of the substrate 3. In the case of forming the buried gate electrode 7, for example, a polysilicon film is formed on the substrate 3 in a state in which the trench 3a is buried, and the polysilicon film is etched back so that the polysilicon is formed only in the trench 3a. It is obtained by leaving the silicon film.
[0016]
Next, as shown in FIG. 2B, impurities are introduced into the surface layer of the substrate 3 and the buried gate electrode 7 by ion implantation to form S / D layers 9a and 9b in the surface layer of the substrate 3. At the same time, the conductivity of the buried gate electrode 7 is ensured. At this time, for example, the S / D layers 9 a and 9 b are shallower than the depth H of the groove 3 a and have a predetermined depth with respect to the height of the buried gate electrode 7. It is important to set the implantation energy for ion implantation so as to have a predetermined overlap S in the vertical direction. Here, an n-type impurity such as P (phosphorus) is introduced into the p-type substrate 3. In addition, when the semiconductor device 100 formed here is used as a circuit element that requires charge retention characteristics such as a DRAM cell transistor, the impurity concentration of the S / D layers 9a and 9b can be kept as low as possible. And
[0017]
Next, as shown in FIG. 2 (3), the sidewall of the trench 3a above the buried gate electrode 7 is made of an insulating material made of a material having a dielectric constant higher than that of silicon nitride, which is a feature of the present invention. Sidewall 101 is formed. In the case of forming the sidewall 101, first, a material film (for example, a metal oxide film) of the insulating material described above is formed by a MOCVD (metal organic-chemical vapor deposition) method, a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. The film is formed so that the groove 3a is completely filled by the film method. Thereafter, the entire material film is etched back to leave the material film only on the inner wall of the groove 3a, thereby forming the sidewall 101. The sidewall 101 only needs to have a height that covers the side wall of the groove 3a formed in the substrate 3a, and has a height that also covers the side wall of the protective film 4 on the substrate 3 as shown in the figure. It's okay.
[0018]
Thereafter, the surface layer of the buried gate electrode 7 exposed from the sidewall 101 is silicided to form the low resistance layer 13. In the case of forming the low resistance layer 13, first, a metal film (for example, a refractory metal such as Co, Ni, Ti, Pt or the like) is formed so as to cover the sidewalls 101 and the inner walls of the grooves 3 a. Next, a silicidation reaction is advanced at the interface between the buried gate electrode 7 and the metal film by performing heat treatment. As a result, the low resistance layer 13 made of metal silicide insulated from the S / D layers 9 a and 9 b by the sidewall 101 is formed on the surface layer of the buried gate electrode 7 in a self-aligned manner. And after this silicidation reaction, the process of removing the unreacted part of a metal film is performed.
[0019]
After the above, as shown in FIG. 1, the insulating stopper layer 15 is formed so as to cover the low resistance layer 13 and the sidewall 101. The stopper layer 15 is a film that serves as an etching stopper in the etching in the case where the connection hole is formed in the subsequent process, and is formed of, for example, silicon nitride. Thereafter, a planarization insulating film 17 made of, for example, silicon oxide is formed on the stopper layer 15, and the planarization insulating film 17, the stopper layer 15, and the protective film 4 are sequentially subjected to pattern etching, whereby the S / D layer 9b. Is formed. In this pattern etching, the stopper layer 15 stops etching at one end to prevent the S / D layer 9b from being etched excessively. Thereafter, the plug 21 reaching the S / D layer 9 b is embedded in the connection hole 19. When the semiconductor device 100 is provided as a DRAM cell transistor, the plug serves as a bit contact.
[0020]
In the semiconductor device 100 having the configuration obtained according to the manufacturing procedure as described above, the sidewall 101 that covers the sidewall of the groove 3a above the embedded gate electrode 7 is made of a material having a dielectric constant higher than that of silicon nitride. . Therefore, when a gate voltage is applied to the buried gate electrode 7, the carrier concentration at the interface portion between the S / D layers 9 a and 9 b at the position facing the sidewall 101 is sufficiently increased due to the dielectric polarization of the sidewall 101. Can be increased. That is, by effectively using the fringe electric field when the gate voltage is applied, the resistance at the groove side interface of the S / D layers 9a and 9b can be reduced, and the current driving capability can be improved. .
[0021]
Furthermore, since the current drive capability can be improved without reducing the gate length, that is, in a state in which the threshold voltage is secured and the short channel effect is suppressed, it becomes possible to secure an operation margin of the semiconductor device, It becomes possible to further reduce the size of the device structure by reducing the gate width.
[0022]
Since the current drive capability can be improved without increasing the impurity concentration of the S / D layers 9a and 9b, that is, while maintaining the charge retention characteristic, the semiconductor device 100 is used as a cell transistor of a DRAM, for example. If there is, it becomes possible to suppress defective writing. In addition, if the current driving capability is made constant, the impurity concentration of the S / D layers 9a and 9b can be lowered, so that the charge retention characteristics can be improved. Therefore, a trench gate type semiconductor device can be suitably used as a circuit element such as a DRAM cell transistor.
[0023]
FIG. 3 shows a simulation result of the current driving capability with respect to the dielectric constant of the sidewall. FIG. 4 shows the simulation result of the threshold voltage with respect to the dielectric constant of the sidewall. In each simulation, the design value of each structural part was set as follows.
Gate length Lg: 0.14 μm
Gate oxide film thickness: 5 nm
P-type impurity concentration of substrate: 5 × 10 16 / cm 3
N-type impurity (P) concentration in the S / D layer: 10 18 / cm 3
[0024]
From these simulation results, compared to the case where silicon oxide (SiO 2 : dielectric constant 3.9) or silicon nitride (Si 3 N 4 : dielectric constant 7) is used for the sidewall, By using a material having a dielectric constant higher than that of silicon nitride such as hafnium oxide (HfO 2 : dielectric constant 25) and tantalum oxide (Ta 2 O 5 : dielectric constant 30), the current can be changed without changing the threshold voltage. It can be seen that the driving ability is improved. Specifically, by changing the sidewall from silicon oxide to hafnium oxide (HfO 2 ), the current driving capability can be increased by 3%.
[0025]
In the above-described embodiment, the side wall 101 is provided on the side wall of the groove 3a above the buried gate electrode 7, and the side wall 101 is made of a material having a dielectric constant higher than that of silicon nitride. However, the present invention is not limited to such a configuration. For example, when an insulating film is embedded without forming a sidewall in the groove 3a above the embedded gate electrode 7, the insulating film portion embedded in the groove 3a is made of a material having a dielectric constant higher than that of silicon nitride. It is good also as a structure. In such a configuration, an insulating film portion having a dielectric constant higher than that of silicon nitride is disposed on the side wall portion of the groove 3a in which the S / D layers 9a and 9b are disposed via the gate insulating film 5. The same effects as those of the above-described embodiment can be obtained. However, such an insulating film is preferably arranged at a position close to the S / D layers 9a and 9b via the gate insulating film 5, and a higher effect can be obtained.
[0026]
The present invention can be widely applied to semiconductor devices having a trench gate structure. For example, the structure of the groove is not limited to the configuration having corners at the bottom as shown in the figure, and the same effect can be obtained even with a configuration having a curved bottom without corners.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the trench gate type semiconductor device of the present invention, the dielectric constant is higher than that of silicon nitride in the state where the trench sidewall on the buried gate electrode is opposed to the S / D through the gate insulating film. By providing an insulating film made of a material with a high resistance, when a gate voltage is applied to the buried gate electrode, the carrier concentration at the interface portion of the S / D layer is sufficiently increased by the dielectric polarization of the insulating film to reduce the resistance. Can be achieved. Therefore, the current driving capability can be improved without increasing the gate length and the impurity concentration of the S / D layer, that is, while ensuring the threshold voltage and the charge retention characteristics. As a result, the trench gate type semiconductor device can be used as a fine element such as a DRAM that requires charge retention characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a semiconductor device of the present invention.
2 is a cross-sectional process diagram illustrating a method of manufacturing the semiconductor device of FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating a simulation result of current drive capability with respect to a dielectric constant of a sidewall in a semiconductor device.
FIG. 4 is a diagram illustrating a simulation result of a threshold voltage with respect to a dielectric constant of a sidewall in a semiconductor device.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional trench gate type semiconductor device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Semiconductor device, 3 ... Substrate, 3a ... Groove, 5 ... Gate insulating film, 7 ... Embedded gate electrode, 9a, 9b ... S / D layer (source / drain diffusion layer), 13 ... Low resistance layer, 101 ... Sidewall (insulating film)

Claims (2)

基板の表面層に形成された溝の内壁を覆うゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜で覆われた溝内に前記基板の上面よりも低い高さで埋め込まれた埋込ゲート電極と、前記溝の両側における前記基板の表面層に設けられた前記溝よりも浅いソース/ドレイン拡散層とを備えた半導体装置において、
前記埋込ゲート電極上には、前記ゲート絶縁膜を介して前記ソース/ドレイン拡散層と対向させた状態で、窒化シリコンよりも誘電率の高い材料で構成された絶縁膜が設けられている
ことを特徴とする半導体装置。
A gate insulating film covering an inner wall of the groove formed in the surface layer of the substrate; a buried gate electrode embedded in the groove covered with the gate insulating film at a height lower than the upper surface of the substrate; and the groove A source / drain diffusion layer shallower than the groove provided in the surface layer of the substrate on both sides of the substrate,
An insulating film made of a material having a dielectric constant higher than that of silicon nitride is provided on the buried gate electrode in a state facing the source / drain diffusion layer through the gate insulating film. A semiconductor device characterized by the above.
請求項1記載の半導体装置において、
前記絶縁膜は、前記溝の側壁を覆うサイドウォールとして設けられ、
前記サイドウォールから露出している埋込ゲート電極の表面層には、低抵抗化層が形成されている
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The insulating film is provided as a sidewall covering the sidewall of the groove;
A semiconductor device characterized in that a low resistance layer is formed on a surface layer of the buried gate electrode exposed from the sidewall.
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