JP4577592B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体装置とその製造方法に関するものである。
半導体集積回路、なかでもMOSトランジスタを用いた集積回路は、高集積化の一途を辿っている。この高集積化に伴って、その中で用いられているMOSトランジスタはナノ領域まで微細化が進んでいる。MOSトランジスタの微細化が進むと、リーク電流の抑制が困難であり、必要な電流量確保の要請から回路の占有面積をなかなか小さくできない、といった問題があった。この様な問題を解決するために、基板に対してソース、ゲート、ドレインが垂直方向に配置され、ゲートが柱状半導体層を取り囲む構造のSurrounding Gate Transistor(SGT)が提案された(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3)。
特開平2−71556号公報 特開平2−188966号公報 特開平3−145761号公報
SGTは、柱状半導体の側面を取り囲むようにチャネル領域を設けるため、大きいゲート幅を小さい占有面積内に実現する。すなわち、小さい占有面積に大きなオン電流を流すことが求められる。大きなオン電流が流れるため、ソース、ドレインの抵抗が高いと、ソース、ドレインに所望の電圧を印加することが難しくなる。そのため、ソース、ドレインの低抵抗化のための設計を含むSGTの製造方法が必要となる。また、大きなオン電流が流れるため、コンタクトの低抵抗化が必要となる。
従来のMOSトランジスタにおいて、ゲート電極は、ゲート材を堆積し、リソグラフィーによりゲートパターンを基板上のレジストに転写しゲート材をエッチングすることにより、形成される。すなわち、従来のMOSトランジスタにおいて、ゲート長はゲートパターンにより設計される。一方、SGTにおいては、柱状半導体の側面がチャネル領域であるため、基板に対して垂直に、電流が流れる。すなわち、SGTにおいて、ゲート長は、ゲートパターンにより設計されず、製造方法により設計されるため、製造方法によりゲート長とゲート長のばらつきが決定される。
SGTにおいて、微細化に伴って発生するリーク電流の増大を抑えるために、柱状半導体の直径を小さくすることが求められる。また、ソース、ドレインの最適化を行うことによりショートチャネル効果を抑制しリーク電流を抑えることができる製造方法が必要となる。
SGTにおいて、消費電力を低減するために、寄生容量を低減することが求められる。寄生容量を低減するための製造方法が求められる。
SGTは従来のMOSトランジスタと同じように製造コストを下げる必要がある。そのために、製造工程数を少なくすることが求められる。そこで、本発明は、ソース、ドレインの低抵抗化のための構造と寄生容量を低減するための構造と所望のゲート長、ソース、ドレイン形状と柱状半導体の直径が得られるSGTの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の1態様では、基板上に第1の柱状半導体層を形成し、第1の柱状半導体層の下部の基板の上部に第1の平面状半導体層を形成する工程と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に第1の第2導電型半導体層を形成する工程と、第1の柱状半導体層の底部及び第1の平面状半導体層上に第1の絶縁膜を形成する工程と、第1の柱状半導体層の周囲にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁と、ゲート電極の側壁に第2の絶縁膜をサイドウォール状に形成する工程と、第1の柱状半導体層の上部に第2の第2導電型半導体層を形成し、第1の第2導電型半導体層と第2の第2導電型半導体層との間に第1導電型半導体層を形成する工程と、第1の第2導電型半導体層の上部表面と、第2の第2導電型半導体層の上部表面に金属と半導体の化合物を形成する工程と、を含み、第1の絶縁膜の厚さは、第1の柱状半導体層の周囲に形成されるゲート絶縁膜より厚いことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第1の柱状半導体層の中心から第1の平面状半導体層の端までの長さは、第1の柱状半導体層の中心から側壁までの長さと、ゲート絶縁膜の厚さと、ゲート電極の厚さと、ゲート電極の側壁にサイドウォール状に形成した第2の絶縁膜の厚さと、の和より大きい、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、ゲート電極の厚さは、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁にサイドウォール状に形成した第2の絶縁膜の厚さより大きい、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第1の平面状半導体層は第1の平面状シリコン層であり、第1の柱状半導体層は第1の柱状シリコン層であり、第1導電型半導体層は第1導電型シリコン層であり、第1の第2導電型半導体層は、第1の第2導電型シリコン層であり、第2の第2導電型半導体層は第2の第2導電型シリコン層である、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第1導電型半導体層はp型シリコン層または、ノンドープのシリコン層であり、第1の第2導電型半導体層はn型シリコン層であり、第2の第2導電型半導体層はn型シリコン層である前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第1導電型半導体層はn型シリコン層または、ノンドープのシリコン層であり、第1の第2導電型半導体層はp型シリコン層であり、第2の第2導電型半導体層はp型シリコンである前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、シリコン基板上に、パッド酸化膜を成膜する工程と、第1の柱状シリコン層を形成時にマスクとして用いる第1の窒化膜を成膜する工程と、第1の窒化膜上に第1のアモルファスシリコンもしくはポリシリコンを形成する工程と、第1のレジストを塗布し、リソグラフィーを用いてレジストにより第1の柱状シリコン層のパターンを形成し、第1のアモルファスシリコンあるいはポリシリコンをエッチングし、第1の窒化膜をエッチングし、第1のハードマスクを形成する工程と、を含む、前記に記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第1のハードマスクをマスクとして、第1の柱状シリコン層をドライエッチングにより形成する工程と、を含む、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第1のハードマスクのアモルファスシリコンあるいはポリシリコンマスクが全てエッチングされ、ドライエッチング装置において検出することが可能なプラズマ発光強度が変化し、このプラズマ発光強度の変化を検出することにより、ドライエッチングの終点検出を行い、第1の柱状シリコン層の高さを制御する、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第1のハードマスクのアモルファスシリコンあるいはポリシリコンマスクの厚さは、第1の柱状シリコン層の高さより小さい、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、チャネル部となる第1の柱状シリコン層の側壁の凹凸の緩和や、ドライエッチング中にカーボンなどが打ち込まれたシリコン表面の除去と、次工程のドライエッチング時に生じる副生成物等の汚染から第1の柱状シリコン層を保護するため、第1の柱状シリコン層を犠牲酸化する工程と、を含む前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第2のレジストを塗布し、リソグラフィーを用いて第2のレジストにより第1の柱状シリコン層の下部に、第1の平面状シリコン層のパターンを形成する工程と、シリコン基板をエッチングし、第1の平面状シリコン層を形成し、第2のレジストを除去する工程と、を含む前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、酸化膜を堆積し、平坦化を行い、平面状シリコン層の上部を露出するよう酸化膜をエッチングする工程と、を含む前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第1の柱状シリコン層の側壁にオフセットスペーサを形成する工程と、を含む前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、不純物注入等により第1の平面状シリコン層に第2導電型の不純物を導入し、第1の柱状シリコン層の下部と第1の平面状シリコン層に第1の第2導電型シリコン層を形成し、その後、オフセットスペーサをエッチングする工程を含む前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第1の柱状シリコン層の上部に不純物を注入せず、第1の柱状シリコン層の下部に第1の第2導電型シリコン層を形成する、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第1の柱状シリコン層の側壁より、第1の柱状シリコン層の上部と第1の柱状シリコン層下部の第1の第2導電型シリコン層上に厚く第1の絶縁膜を堆積する工程と、エッチングにより、第1の柱状シリコン層の側壁の第1の絶縁膜をエッチングし、第1の柱状シリコン層の上部と第1の柱状シリコン層下部の第1の第2導電型シリコン層上に、後に形成されるゲート絶縁膜より厚い第1の絶縁膜を形成する工程と、を含む、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、酸化膜や窒化膜などのゲート絶縁膜を形成し、ゲート電極として第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコンを、第1の柱状シリコン層を埋め込むように成膜する工程と、化学機械研磨により第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコンを研磨し、ゲート電極の上面を平坦化する工程と、を含み、化学機械研磨において、第1のハードマスクの窒化膜を化学機械研磨のストッパーとして使用することにより、再現性よく化学機械研磨量を抑制する、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、ゲート電極である第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコンをエッチバックすることにより、所望のゲート長を持つゲート電極を形成する工程と、第1の酸化膜を堆積する工程と、を含み、この第1の酸化膜により、後工程において行われるウェット処理またはドライ処理からゲート電極上面が保護されるため、ゲート長の変動、つまりゲート長のばらつきやゲート電極上面からのゲート絶縁膜へのダメージを抑制する、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第2の窒化膜を成膜する工程と、第2の窒化膜をエッチバックし、第1の酸化膜をエッチングすることにより第3の絶縁膜サイドウォールを形成する工程とを含み、反射防止膜層(BARC層)及び第3のレジストを塗布し、リソグラフィーを用いて第3のレジストによりゲート配線パターンを形成し、第3のレジストをマスクとして、前記反射防止膜層(BARC層)、及びゲート電極である第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコンをエッチングして、ゲート電極及びゲート配線パターンを形成する工程と、第1の絶縁膜の一部を、第1の柱状シリコン層下部の第1の第2導電型シリコン層の表面が露出するよう、ドライエッチングもしくはウェットエッチングにより除去し、第3のレジストと反射防止膜層を除去し、第4の酸化膜をゲート電極表面と第1の柱状シリコン層下部の第1の第2導電型シリコン層の表面に形成し、第1の柱状シリコン層上部の第1の窒化膜及び第2の窒化膜をエッチングにより除去する工程と、パッド酸化膜と第1の酸化膜と第4の酸化膜を除去する工程と、を含む、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、第3の窒化膜を成膜し、すなわち第2の絶縁膜を形成し、第3の窒化膜をエッチバックして、第1の柱状シリコン層の下部の第1の第2導電型シリコン層及び第1の柱状シリコン層の上部を露出し、ゲート電極の上部且つ第1の柱状シリコン層の上部側壁と、ゲート電極の側壁に第2の絶縁膜サイドウォールを形成、すなわち第2の絶縁膜をサイドウォール状に形成する工程と、不純物注入等により第1の柱状シリコン層の上部に第2導電型の不純物を導入し、第1の柱状シリコン層の上部に第2の第2導電型シリコン層を形成し、第1の第2導電型半導体層と第2の第2導電型半導体層との間に第1導電型半導体層を形成する工程と、ニッケル(Ni)もしくはコバルト(Co)等の第1の金属膜をスパッタし、熱処理を加えることで、第1の柱状シリコン層の下部に形成した第1の第2導電型シリコン層と、第1の柱状シリコン層の上部に形成した第2の2導電型シリコン層の表面を金属と半導体の化合物化し、未反応の金属膜を除去することによって、第1の柱状シリコン層の下部に形成した第1の第2導電型シリコン層と、第1の柱状シリコン層の上部に形成した第2の第2導電型シリコン層上に金属と半導体の化合物を形成する工程と、を含む、前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、窒化膜等コンタクトストッパーを成膜する工程と、層間膜として第3の酸化膜を成膜後、化学機械研磨により平坦化する工程と、第1の柱状シリコン層の上部に形成した第2の第2導電型シリコン層上に、エッチングによりコンタクト孔を形成する工程と、第1の柱状シリコン層の下部の第1の平面状シリコン層に形成した第1の第2導電型シリコン層上、ゲート電極上に、エッチングによりコンタクト孔を形成する工程と、コンタクトストッパーのそれぞれのコンタクト孔に対応する部分をエッチングする工程と、コンタクト孔にタンタル(Ta)や窒化タンタル(TaN)や、チタン(Ti)や窒化チタン(TiN)といったバリアメタルを成膜後、タングステン(W)や銅(Cu)及び銅を含む合金などのメタルをスパッタやめっきにより成膜して、化学機械研磨によってコンタクトプラグを形成する工程と、を含む前記記載の半導体装置の製造方法である。
また、本発明の好ましい態様では、基板上に形成された第1の平面状半導体層と、第1の平面状半導体層上に形成された第1の柱状半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層との間に形成された第1導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の周囲に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜と、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、ゲート電極の側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、第1の平面状半導体層に形成した第1の第2導電型半導体層の上部表面と第1の柱状半導体層の上部に形成した第2の第2導電型半導体層の上部表面に形成された金属と半導体の化合物と、を含み、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜の厚さは、第1の柱状半導体層の周囲に形成されるゲート絶縁膜より厚いことを特徴とする半導体装置である。
また、本発明の好ましい態様では、基板上に形成された第1の平面状半導体層と、第1の平面状半導体層上に形成された第1の柱状半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層との間に形成された第1導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の周囲に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜と、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、ゲート電極の側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、第1の平面状半導体層に形成した第1の第2導電型半導体層の上部表面と第1の柱状半導体層の上部に形成した第2の第2導電型半導体層の上部表面に形成された金属と半導体の化合物と、を含み、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜の厚さは、第1の柱状半導体層の周囲に形成されるゲート絶縁膜より厚いことを特徴とし、第1の柱状半導体層の中心から第1の平面状半導体層の端までの長さが、第1の柱状半導体層の中心から側壁までの長さと、ゲート絶縁膜の厚さと、ゲート電極の厚さと、ゲート電極の側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜の厚さと、の和より大きいことを特徴とする半導体装置である。
また、本発明の好ましい態様では、基板上に形成された第1の平面状半導体層と、第1の平面状半導体層上に形成された第1の柱状半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層との間に形成された第1導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の周囲に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜と、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、ゲート電極の側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、第1の平面状半導体層に形成した第1の第2導電型半導体層の上部表面と第1の柱状半導体層の上部に形成した第2の第2導電型半導体層の上部表面に形成された金属と半導体の化合物と、を含み、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜の厚さは、第1の柱状半導体層の周囲に形成されるゲート絶縁膜より厚いことを特徴とし、ゲート電極の厚さが、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜の厚さより大きいことを特徴とする半導体装置である。
本発明では、基板上に第1の柱状半導体層を形成し、第1の柱状半導体層の下部の基板の上部に第1の平面状半導体層を形成する工程と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に第1の第2導電型半導体層を形成する工程と、第1の柱状半導体層の底部及び第1の平面状半導体層上に第1の絶縁膜を形成する工程と、第1の柱状半導体層の周囲にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁と、ゲート電極の側壁に第2の絶縁膜をサイドウォール状に形成する工程と、第1の柱状半導体層の上部に第2の第2導電型半導体層を形成し、第1の第2導電型半導体層と第2の第2導電型半導体層との間に第1導電型半導体層を形成する工程と、第1の第2導電型半導体層の上部表面と、第2の第2導電型半導体層の上部表面に金属と半導体の化合物を形成する工程と、を含み、第1の絶縁膜の厚さは、第1の柱状半導体層の周囲に形成されるゲート絶縁膜より厚いことを特徴とする半導体装置の製造方法により、ソース、ドレイン、ゲート電極の低抵抗化のための構造と寄生容量を低減するための構造と所望のゲート長、ソース、ドレイン形状と柱状半導体の直径が得られるSGTの製造方法を提供する。
また、本発明では、第1の柱状半導体層の中心から第1の平面状半導体層の端までの長さは、第1の柱状半導体層の中心から側壁までの長さと、ゲート絶縁膜の厚さと、ゲート電極の厚さと、ゲート電極の側壁にサイドウォール状に形成した第2の絶縁膜の厚さと、の和より大きい、ことを特徴とすることにより、第1の柱状半導体層の下部の第1の平面状半導体層に形成した第1の第2導電型半導体層に金属と半導体の化合物を形成することができ、第1の柱状半導体層の下部の第1の平面状半導体層に形成した第1の第2導電型半導体層を低抵抗化することができる。
また、本発明では、ゲート電極の厚さは、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁にサイドウォール状に形成した第2の絶縁膜の厚さより大きいことにより、ゲート電極に金属と半導体の化合物を形成する場合、ゲート電極に金属と半導体の化合物を形成することができ、ゲート電極を低抵抗化することができる。
また、本発明では、シリコン基板上に、パッド酸化膜を成膜する工程と、第1の柱状シリコン層を形成時にマスクとして用いる第1の窒化膜を成膜する工程と、第1の窒化膜上に第1のアモルファスシリコンもしくはポリシリコンを形成する工程と、第1のレジストを塗布し、リソグラフィーを用いてレジストにより第1の柱状シリコン層のパターンを形成し、第1のアモルファスシリコンあるいはポリシリコンをエッチングし、第1の窒化膜をエッチングし、第1のハードマスクを形成する工程と、を含むことにより、後に行われるドライエッチングの終点検出を行い、第1の柱状シリコン層の高さを制御することができる。
また、本発明では、第1のハードマスクをマスクとして、第1の柱状シリコン層をドライエッチングにより形成する工程により、第1のハードマスクのアモルファスシリコンあるいはポリシリコンマスクが全てエッチングされ、ドライエッチング装置において検出することが可能なプラズマ発光強度が変化し、このプラズマ発光強度の変化を検出することにより、ドライエッチングの終点検出を行い、第1の柱状シリコン層の高さを制御することができる。
また、本発明では、第1のハードマスクのアモルファスシリコンあるいはポリシリコンマスクの厚さは、第1の柱状シリコン層の高さより小さいことにより、ドライエッチングの終点検出を行うことができる。
また、本発明では、チャネル部となる第1の柱状シリコン層の側壁の凹凸の緩和や、ドライエッチング中にカーボンなどが打ち込まれたシリコン表面の除去と、次工程のドライエッチング時に生じる副生成物等の汚染から第1の柱状シリコン層を保護するため、第1の柱状シリコン層を犠牲酸化する工程により、チャネル部となる第1の柱状シリコン層の側壁の凹凸の緩和や、ドライエッチング中にカーボンなどが打ち込まれたシリコン表面の除去と、次工程のドライエッチング時に生じる副生成物等の汚染から第1の柱状シリコン層を保護することができる。
また、本発明では、第2のレジストを塗布し、リソグラフィーを用いて第2のレジストにより第1の柱状シリコン層の下部に、第1の平面状シリコン層のパターンを形成する工程と、シリコン基板をエッチングし、第1の平面状シリコン層を形成し、第2のレジストを除去する工程と、を含むことにより、素子分離を行うことができる。
また、本発明では、酸化膜を堆積し、平坦化を行い、平面状シリコン層の上部を露出するよう酸化膜をエッチングする工程と、を含むことにより、素子分離を行うことができる。
また、本発明では、第1の柱状シリコン層の側壁にオフセットスペーサを形成する工程と、を含むことにより、注入時に第1の柱状シリコン層の側壁から不純物が打ち込まれることを防ぐことができる。
また、本発明では、不純物注入等により第1の平面状シリコン層に第2導電型の不純物を導入し、その後オフセットスペーサをエッチングすることにより、第1の柱状シリコン層の下部と第1の平面状シリコン層に第1の第2導電型シリコン層を形成することができる。
また、本発明では、第1の柱状シリコン層の上部に不純物を注入せず、第1の柱状シリコン層の下部に第1の第2導電型シリコン層を形成することにより、第1の柱状シリコン層上部と、第1の柱状シリコン層の下部の第1の平面状シリコン層の注入条件を容易に最適化できるため、ショートチャネル効果を抑制しリーク電流を抑制することができる。
また、本発明では、第1の柱状シリコン層の側壁より、第1の柱状シリコン層の上部と第1の柱状シリコン層下部の第1の第2導電型シリコン層上に厚く第1の絶縁膜を堆積する工程と、エッチングにより、第1の柱状シリコン層の側壁の第1の絶縁膜をエッチングし、第1の柱状シリコン層の上部と第1の柱状シリコン層下部の第1の第2導電型シリコン層上に、後に形成されるゲート絶縁膜より厚い第1の絶縁膜を形成する工程と、を含むことにより、ゲート、ソース間の寄生容量を低減することができる。
また、本発明では、酸化膜や窒化膜などのゲート絶縁膜を形成し、ゲート電極として第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコンを、第1の柱状シリコン層を埋め込むように成膜する工程と、化学機械研磨により第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコンを研磨し、ゲート電極の上面を平坦化する工程と、を含むことにより、化学機械研磨において、第1のハードマスクの窒化膜を化学機械研磨のストッパーとして使用することにより、再現性よく化学機械研磨量を抑制することができる。
また、本発明では、ゲート電極である第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコンをエッチバックすることにより、所望のゲート長を持つゲート電極を形成する工程と、第1の酸化膜を堆積する工程と、を含むことにより、この第1の酸化膜により、後工程において行われるウェット処理またはドライ処理からゲート電極上面が保護されるため、ゲート長の変動、つまりゲート長のばらつきやゲート電極上面からのゲート絶縁膜へのダメージを抑制することができる。
また、本発明では、第2の窒化膜を成膜する工程と、第2の窒化膜をエッチバックし、第1の酸化膜をエッチングすることにより第3の絶縁膜サイドウォールを形成する工程とを含み、反射防止膜層(BARC層)及び第3のレジストを塗布し、リソグラフィーを用いて第3のレジストによりゲート配線パターンを形成し、第3のレジストをマスクとして、前記反射防止膜層(BARC層)、及びゲート電極である第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコンをエッチングして、ゲート電極及びゲート配線パターンを形成する工程と、第1の絶縁膜の一部を、第1の柱状シリコン層下部の第1の第2導電型シリコン層の表面が露出するよう、ドライエッチングもしくはウェットエッチングにより除去し、第3のレジストと反射防止膜層を除去し、第4の酸化膜をゲート電極表面と第1の柱状シリコン層下部の第1の第2導電型シリコン層の表面に形成し、第1の柱状シリコン層上部の第1の窒化膜及び第2の窒化膜をエッチングにより除去する工程と、パッド酸化膜と第1の酸化膜と第4の酸化膜を除去する工程と、を含むことにより、第1の柱状シリコン層の周りにゲート電極を形成できる。
また、本発明では、第3の窒化膜を成膜し、すなわち第2の絶縁膜を形成し、第3の窒化膜をエッチバックして、第1の柱状シリコン層の下部の第1の第2導電型シリコン層及び第1の柱状シリコン層の上部を露出し、ゲート電極の上部且つ第1の柱状シリコン層の上部側壁と、ゲート電極の側壁に第2の絶縁膜サイドウォールを形成、すなわち第2の絶縁膜をサイドウォール状に形成する工程と、不純物注入等により第1の柱状シリコン層の上部に第2導電型の不純物を導入し、第1の柱状シリコン層の上部に第2の第2導電型シリコン層を形成し、第1の第2導電型半導体層と第2の第2導電型半導体層との間に第1導電型半導体層を形成する工程と、ニッケル(Ni)もしくはコバルト(Co)等の第1の金属膜をスパッタし、熱処理を加えることで、第1の柱状シリコン層の下部に形成した第1の第2導電型シリコン層と、第1の柱状シリコン層の上部に形成した第2の2導電型シリコン層の表面を金属と半導体の化合物化し、未反応の金属膜を除去することによって、第1の柱状シリコン層の下部に形成した第1の第2導電型シリコン層と、第1の柱状シリコン層の上部に形成した第2の第2導電型シリコン層上に金属と半導体の化合物を形成する工程と、を含むことにより、第2の絶縁膜サイドウォールにより、ゲート電極と第1の柱状シリコン層の下部に形成した第1の第2導電型シリコン層及び第1の柱状シリコン層の上部に形成した第2の第2導電型シリコン層が分離されるため、金属と半導体の化合物によるゲート電極と第1の柱状シリコン層の下部に形成した第1の第2導電型シリコン層及び第1の柱状シリコン層の上部に形成した第2の第2導電型シリコン層の短絡を防止でき、第1の柱状シリコン層上部の側壁を第2の絶縁膜サイドウォールで覆うことにより、第1の柱状シリコン層の側壁からの金属と半導体の化合物化を制御することができる。
また、本発明では、窒化膜等コンタクトストッパーを成膜する工程と、層間膜として第3の酸化膜を成膜後、化学機械研磨により平坦化する工程と、第1の柱状シリコン層の上部に形成した第2の第2導電型シリコン層上に、エッチングによりコンタクト孔を形成する工程と、第1の柱状シリコン層の下部の第1の平面状シリコン層に形成した第1の第2導電型シリコン層上、ゲート電極に、エッチングによりコンタクト孔を形成する工程と、コンタクトストッパーのそれぞれのコンタクト孔に対応する部分をエッチングする工程と、コンタクト孔にタンタル(Ta)や窒化タンタル(TaN)や、チタン(Ti)や窒化チタン(TiN)といったバリアメタルを成膜後、タングステン(W)や銅(Cu)及び銅を含む合金などのメタルをスパッタやめっきにより成膜して、化学機械研磨によってコンタクトプラグを形成する工程と、を含むことにより、コンタクトの低抵抗化ができる。
また、本発明では、基板上に形成された第1の平面状半導体層と、第1の平面状半導体層上に形成された第1の柱状半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層との間に形成された第1導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の周囲に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜と、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、ゲート電極の側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、第1の平面状半導体層に形成した第1の第2導電型半導体層の上部表面と第1の柱状半導体層の上部に形成した第2の第2導電型半導体層の上部表面に形成された金属と半導体の化合物と、を含み、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜の厚さは、第1の柱状半導体層の周囲に形成されるゲート絶縁膜より厚いことを特徴とすることにより、第1の柱状半導体層の下部の第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層、ゲート電極、第1の柱状半導体層の上部に形成した第2の第2導電型半導体層それぞれに異なる電圧を印加でき、第1の柱状半導体層の下部の第1の平面状半導体層に形成した第1の第2導電型半導体層、第1の柱状半導体層の上部に形成した第2の第2導電型半導体層を低抵抗化し、また、ゲート、ソース間の寄生容量を低減することができる。
また、本発明では、基板上に形成された第1の平面状半導体層と、第1の平面状半導体層上に形成された第1の柱状半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層との間に形成された第1導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の周囲に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜と、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、ゲート電極の側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、第1の平面状半導体層に形成した第1の第2導電型半導体層の上部表面と第1の柱状半導体層の上部に形成した第2の第2導電型半導体層の上部表面に形成された金属と半導体の化合物と、を含み、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜の厚さは、第1の柱状半導体層の周囲に形成されるゲート絶縁膜より厚いことを特徴とし、第1の柱状半導体層の中心から第1の平面状半導体層の端までの長さが、第1の柱状半導体層の中心から側壁までの長さと、ゲート絶縁膜の厚さと、ゲート電極の厚さと、ゲート電極の側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜の厚さと、の和より大きいことにより、第1の柱状半導体層の下部の第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層に金属と半導体の化合物を形成することができ、第1の柱状半導体層の下部の第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層を低抵抗化することができる。
また、本発明では、基板上に形成された第1の平面状半導体層と、第1の平面状半導体層上に形成された第1の柱状半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の下部と第1の平面状半導体層に形成された第1の第2導電型半導体層と第1の柱状半導体層の上部に形成された第2の第2導電型半導体層との間に形成された第1導電型半導体層と、第1の柱状半導体層の周囲に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜と、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、ゲート電極の側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜と、第1の平面状半導体層に形成した第1の第2導電型半導体層の上部表面と第1の柱状半導体層の上部に形成した第2の第2導電型半導体層の上部表面に形成された金属と半導体の化合物と、を含み、ゲート電極と第1の平面状半導体層の間に形成された第1の絶縁膜の厚さは、第1の柱状半導体層の周囲に形成されるゲート絶縁膜より厚いことを特徴とし、ゲート電極の厚さが、ゲート電極の上部且つ第1の柱状半導体層の上部側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜の厚さより大きいことにより、ゲート電極に金属と半導体の化合物を形成する場合、ゲート電極に金属と半導体の化合物を形成することができ、ゲート電極を低抵抗化することができる。
(a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 (a)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示す平面図、(b)はこの発明に係る半導体装置の製造例を示すA−A’断面工程図である。 図41(a)のB−B’断面図である。
図41(a)は、本発明を用いて形成されたNMOS SGTの平面図であり、図41(b)は、図41(a)のカットラインA−A'に沿った断面図である。以下に図41を参照して、本発明を用いて形成されたNMOS SGTについて説明する。基板であるシリコン基板110上に、第1の平面状半導体層である第1の平面状シリコン層112が形成され、第1の平面状シリコン層112上に第1の柱状半導体層である第1の柱状シリコン層113が形成され、第1の柱状シリコン層113の下部と第1の平面状シリコン層112には、第1の第2導電型半導体層であるソース拡散層200が形成され、柱状シリコン層113の上部には第2の第2導電型半導体層であるドレイン拡散層201が形成されている。
第1の柱状シリコン層113の下部と第1の平面状シリコン層112に形成されたソース拡散層200と柱状シリコン層113の上部に形成されたドレイン拡散層201の間に第1導電型半導体層であるボディ309が形成されている。第1の柱状シリコン層113の周囲にゲート絶縁膜124およびゲート電極141が形成されている。
また、ゲート電極141とソース拡散層200の間には、ゲート絶縁膜より厚い酸化膜すなわち第1の絶縁膜303が形成されている。ゲート電極141とソース拡散層200の間に、ゲート絶縁膜より厚い酸化膜すなわち第1の絶縁膜を形成することにより、ゲート、ソース間の寄生容量を低減することができる。
ゲート電極141の上部且つ第1の柱状シリコン層113の上部側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜すなわち第2の絶縁膜サイドウォール134が形成され、ゲート電極の側壁にサイドウォール状に形成された第2の絶縁膜すなわち第2の絶縁膜サイドウォール133が形成されている。ソース拡散層200の上部表面に金属と半導体の化合物153が形成され、ドレイン拡散層201の上部表面に金属と半導体の化合物152が形成されている。
ソース拡散層200上にはコンタクト174が形成され、ドレイン拡散層201上にはコンタクト173が形成され、ゲート電極141aより延在するゲート配線141b上にはコンタクト172が形成されている。
図42は図41(a)のカットラインB−B'に沿った断面図である。ソース領域を低抵抗化するためにはソース領域に金属と半導体の化合物153を形成することが必要である。そのため、ソース拡散層200に金属と半導体の化合物を形成するためには以下の条件が必要である。
Wa>Wp+Wox+Wg+Ws 式(1)
ここでWaは第1の柱状シリコン層113の中心からソース拡散層の端までの長さ、Wpは柱状シリコン層113の中心から側壁までの長さ、Woxはゲート酸化膜124の厚さ、Wgはゲート電極141の幅、Wsは第2の絶縁膜サイドウォール133の幅、すなわち第2の絶縁膜の幅である。
ゲート電極141を低抵抗化するためにはゲート電極141に金属と半導体の化合物151を形成することが必要である。そのため、ゲート電極141に金属と半導体の化合物151を形成するためには以下の条件が必要である。
Wg>Ws 式(2)
ここでWgはゲート電極141の幅、Wsは第2の絶縁膜サイドウォール134の幅、すなわち第2の絶縁膜の幅である。上記条件を満たす構造を用いることにより、ソース、ドレイン、ゲート電極の寄生抵抗を低減し、オン電流を大きくすることができる。
ソース拡散層をGND電位に接続し、ドレイン拡散層をVcc電位に接続し、ゲート電極に0〜Vccの電位を与えることにより上記SGTはトランジスタ動作を行う。
また、第1の柱状シリコン層の上部に形成される拡散層がソース拡散層であり、第1の柱状シリコン層下部に形成される拡散層がドレイン拡散層でもよい。
以下に本発明のSGTを形成するための製造方法の一例を図1〜図41を参照して説明する。なお、これらの図面では、同一の構成要素に対しては同一の符号が付されている。図1〜図41は、この発明に係るSGTの製造例を示している。(a)は平面図、(b)はA−A’の断面図を示している。
図1を参照して、シリコン基板110上にパッド酸化膜121を成膜する。
図2を参照して、第1の窒化膜130成膜し、続いて第1のアモルファスシリコンもしくはポリシリコン140を成膜する。
図3を参照して、第1のレジスト301を塗布し、リソグラフィーを用いてレジストにより第1の柱状シリコン層パターンを形成する。
図4を参照して、第1のアモルファスシリコンもしくはポリシリコン140をエッチングし、第1の窒化膜130をエッチングし、第1のハードマスクを作成し、パッド酸化膜121をエッチングする。
図5を参照して、第1のレジストを除去する。
図6を参照して、第1のハードマスクである第1の窒化膜130及び第1のアモルファスシリコンあるいはポリシリコン140をマスクにして、第1の柱状シリコン層113をドライエッチングにより形成する。ドライエッチング時には、第1のハードマスクのアモルファスシリコンあるいはポリシリコン140もエッチングされ、第1のアモルファスシリコンあるいはポリシリコン140が全てエッチングされると、ドライエッチング装置において検出することが可能なプラズマ発光強度が変化するため、このプラズマ発光強度の変化を検出することにより、エッチングの終点検出が可能になり、エッチングレートによらず安定して第1の柱状シリコン層113の高さを制御することができる。
上記の終点検出方法を用いるためには、第1の柱状シリコン層ドライエッチング前のアモルファスシリコンあるいはポリシリコン140の膜厚が、柱状シリコン層の高さより小さく形成されている必要がある。
図7を参照して、チャネル部となる第1の柱状シリコン層113の側壁の凹凸の緩和や、ドライエッチング中にカーボンなどが打ち込まれたシリコン表面の除去のため、第1の柱状シリコン層113及びシリコン基板110表面を犠牲酸化し、犠牲酸化膜123を形成する。
図8を参照して、第2のレジスト150を塗布し、リソグラフィーを用いて第2のレジストにより第1の平面状シリコン層のパターンを形成する。このときに、柱状シリコン層113及びシリコン基板110上には上記の犠牲酸化により形成された犠牲酸化膜123により、次工程のドライエッチング時に生じる副生成物等の汚染からシリコン表面が保護される。
図9を参照して、シリコン基板110をドライエッチングにより加工して、第1の平面状シリコン層112を形成する。
図10を参照して、第2のレジストを除去する。
図11を参照して、埋め込み酸化膜120を堆積し、平坦化を行う。
図12を参照して、平坦化を行った埋め込み酸化膜120をエッチングし、第1の平面状シリコン層112を露出する。
図13を参照して、注入時に第1の柱状シリコン層113の側壁から不純物が打ち込まれないために、オフセットスペーサ307を形成する。
図14を参照して、第1の平面状シリコン層112に砒素やリンといった不純物を注入し、第1の柱状シリコン層113下部と第1の平面状シリコン層112に第2導電型シリコン層であるソース拡散層200を形成する。
また、本工程においては第1の柱状シリコン層113上に形成される第1の窒化膜130により、第1の柱状シリコン層113の上部への注入は行われない。上記のように第1の平面状シリコン層に形成されるソース拡散層と第1の柱状シリコン層上部に形成されるドレイン拡散層への注入を別々に行うことにより、それぞれの注入条件を容易に最適化できるため、ショートチャネル効果を抑制しリーク電流を抑制することができる。
図15を参照して、オフセットスペーサ307をエッチングする。
図16を参照して、酸化膜などの第1の絶縁膜を堆積する。第1の柱状シリコン層の底部、ソース拡散層上、第1の柱状シリコン層上部に厚く絶縁膜を堆積し、第1の柱状シリコン層の側壁に薄く絶縁膜を堆積する。
図17を参照して、エッチングにより、第1の柱状シリコン層の側壁の酸化膜などの第1の絶縁膜をエッチングする。エッチングは等方性エッチングが好ましい。第1の柱状シリコン層の底部、ソース拡散層上、第1の柱状シリコン層上部に厚く絶縁膜を堆積し、第1の柱状シリコン層の側壁に薄く絶縁膜を堆積したため、第1の柱状シリコン層の側壁の絶縁膜をエッチングした後も、第1の柱状シリコン層の底部ソース拡散層上に第1の絶縁膜303が、第1の柱状シリコン層上部に絶縁膜306が残る。この絶縁膜が、後に形成されるゲート電極とソース拡散層の間に、ゲート絶縁膜より厚い第1の絶縁膜303となる。この第1の絶縁膜により後に形成されるゲート、ソース間の寄生容量を低減することができる。このゲート電極と第1の平面状シリコン層の間に形成されることとなる第1の絶縁膜は、絶縁膜を堆積し、平坦化し、エッチバックを行うことで形成してもよい。
図18を参照して、酸化膜やシリコン酸窒化膜などのゲート絶縁膜124を形成する。
図19を参照して、ゲート導電膜である第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコン141を、第1の柱状シリコン層113を埋め込むように成膜する。
図20を参照して、CMP(化学機械研磨)により第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコン141を研磨し、ゲート導電膜の上面を平坦化する。CMPにおいて、第1のハードマスクである窒化膜130をCMPのストッパーとして使用することにより、再現性よくCMP研磨量を制御することができる。
図21を参照して、ゲート導電膜である第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコン141をエッチバックすることにより、ゲート長を決定する。
図22を参照して、第1の酸化膜125を堆積し、第2の窒化膜131を堆積する。この第1の酸化膜125により、後工程において行われるウェット処理またはドライ処理からゲート電極上面が保護されるため、ゲート長の変動、つまりゲート長のばらつきやゲート電極上面からのゲート絶縁膜124へのダメージを抑制することができる。
図23を参照して、第2の窒化膜131をエッチバックすることにより第3の絶縁膜サイドウォールを形成する。このとき、第1の酸化膜125もエッチングされる。第3の絶縁膜サイドウォールの膜厚がゲート電極の膜厚となるため、第2の窒化膜131の成膜膜厚及びエッチバック条件を調整することによって、所望の膜厚のゲート電極を形成することができる。
図24を参照して、ゲート導電膜である第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコン141にリン(P)などの不純物を注入する。
図25を参照して、BARC層161及び第3のレジスト160を塗布し、リソグラフィーを用いて第3のレジスト160によりゲート配線パターンを形成する。
図26を参照して、第3のレジスト160をマスクとして、BARC層161及びゲート導電膜である第2のアモルファスシリコンあるいはポリシリコン141をエッチングして、ゲート電極141a及びゲート配線141bを形成する。
図27を参照して、第1の絶縁膜303の一部を、ソース拡散層200の表面が露出するよう、ドライエッチングもしくはウェットエッチングにより除去する。
図28を参照して、第3のレジスト160及びBARC層161を除去し、後工程において行われる第1の窒化膜130及び第2の窒化膜131を除去する際、ゲート電極を保護するため、第4の酸化膜305を形成する。
図29を参照して、第1の柱状シリコン113上部の第1の窒化膜130及び第2の窒化膜131をドライエッチングもしくはウェットエッチングにより除去する。
図30を参照して、ドライエッチングもしくはウェットエッチングによりパッド酸化膜121、第1の酸化膜125、第4の酸化膜305を除去し、ソース拡散層200を露出する。
図31を参照して、第3の窒化膜132を成膜する。
図32を参照して、第3の窒化膜132をエッチバックして、ソース拡散層200の上面および第1の柱状シリコン113上部の表面を露出させ、第1の柱状シリコン層113の側壁およびゲート電極141側壁に、第2の絶縁膜サイドウォール133,134を形成、すなわち第2の絶縁膜をサイドウォール状に形成する。この第2の絶縁膜サイドウォール133,134によりゲート電極141とソース拡散層200及び第1の柱状シリコン上部に後に形成されるドレイン拡散層が分離されるため、金属と半導体の化合物によるゲート電極141とソース拡散層200及びドレイン拡散層の間のショートを防止できる。また、第1の柱状シリコン113上部の側壁を第2の絶縁膜サイドウォール134で覆うことにより、第1の柱状シリコン層113の側壁における金属と半導体の化合物化を制御することができる。
図33を参照して、不純物注入等により第1の柱状シリコン層113の上部にPやAsなどの不純物を導入し、ドレイン拡散層201を形成する。ソース拡散層とドレイン拡散層との間は第1導電型半導体層すなわちボディ309となる。
図34を参照して、NiもしくはCo等の第1の金属膜をスパッタし、熱処理を加えることでソース拡散層200表面及びドレイン拡散層201表面を、金属と半導体の化合物を形成し、未反応の金属膜を除去することによってドレイン拡散層201上の金属と半導体の化合物152、およびソース拡散層200上の金属と半導体の化合物153を形成する。第1の柱状シリコン層を囲むゲート電極上141に金属と半導体の化合物151が形成されることにより、ゲート電極141の寄生抵抗が減少する。ゲート電極141上に金属と半導体の化合物151が形成されるためには、ゲート電極141の膜厚Wgと絶縁膜サイドウォール134の膜厚Wsの膜厚において、Wg>Wsとなっており、ゲート電極141の表面が露出していればよい。
図35を参照して、窒化膜等のコンタクトストッパー135を成膜する。
図36を参照して、第3の酸化膜である層間絶縁膜126を成膜後、CMPにより平坦化する。
図37を参照して、第1の柱状シリコン層113上部のドレイン拡散層201上にコンタクト孔をエッチングして形成する。コンタクト孔はコンタクトストッパー135によりエッチングが停止する。
図38を参照して、ゲート配線141b上およびソース拡散層200上にコンタクト孔をエッチングして形成する。コンタクト孔はコンタクトストッパー135によりエッチングが停止する。
図39を参照して、コンタクトストッパーをエッチングする。
図40を参照して、コンタクト孔にバリアメタル171であるタンタル(Ta)や窒化タンタル(TaN)などを成膜後、銅(Cu)などの金属170をスパッタやめっきにより成膜して、CMPによってコンタクト172、173、174を形成する。バリアメタルとしてチタン(Ti)や窒化チタン(TiN)を用いてもよい。また、タングステン(W)を用いてもよい。また、銅を含む合金を用いてもよい。
図41を参照して、TaやTaNなどのバリアメタル175を成膜後、金属176を成膜し、リソグラフィーを用いてレジストにより第1層配線177、178、179を形成する。バリアメタルとしてチタン(Ti)や窒化チタン(TiN)を用いてもよい。また、タングステン(W)を用いてもよい。
110.シリコン基板
112.第1の平面状シリコン層
113.第1の柱状シリコン層
120.埋め込み酸化膜
121.パッド酸化膜
123.犠牲酸化膜
124.ゲート絶縁膜
125.第1の酸化膜
126.層間絶縁膜
130.第1の窒化膜
131.第2の窒化膜
132.第3の窒化膜
133.第2の絶縁膜サイドウォール
134.第2の絶縁膜サイドウォール
135.コンタクトストッパー
140.第1のアモルファスシリコンもしくはポリシリコン
141.第2のアモルファスシリコンもしくはポリシリコン(ゲート電極)
141a.ゲート電極
141b.ゲート配線
150.第2のレジスト
151.金属と半導体の化合物
152.金属と半導体の化合物
153.金属と半導体の化合物
160.第3のレジスト
161.反射防止膜層(BARC層)
170.金属
171.バリアメタル
172.コンタクト
173.コンタクト
174.コンタクト
175.バリアメタル
176.金属
177.第1層配線
178.第1層配線
179.第1層配線
200.ソース拡散層
201.ドレイン拡散層
301.第1のレジスト
303.第1の絶縁膜
305.第4の酸化膜
306.絶縁膜
307.オフセットスペーサ
309.ボディ

Claims (1)

  1. 平面状シリコン層と、
    前記平面状シリコン層上に形成された柱状シリコン層と、
    前記柱状シリコン層の上部に形成されたハードマスクと、
    前記柱状シリコン層の下部と前記平面状シリコン層に形成されたソース拡散層と、
    前記平面状シリコン層上の、少なくとも、前記ソース拡散層上に形成された絶縁膜と、
    前記柱状シリコン層の周囲に形成された、前記絶縁膜よりも膜厚の薄いゲート絶縁膜と、を有する構造に、
    ゲート電極及び前記ゲート電極より延在するゲート配線となるアモルファスシリコンあるいはポリシリコンを、前記柱状シリコン層を埋め込むように成膜し、化学機械研磨により前記アモルファスシリコンあるいはポリシリコンを平坦化し、
    前記平坦化したのち、前記アモルファスシリコンあるいはポリシリコンを前記柱状シリコン層の上面よりも低くなるようにエッチバックすることによりトランジスタのゲート長を決定し、
    前記ゲート長を決定したのち、前記ゲート電極をパターニングするために用いる第1のサイドウォールを形成するために第1の酸化膜及び第1の窒化膜を堆積し、
    前記第1の酸化膜、第1の窒化膜をエッチバックすることにより、前記柱状シリコン層の側面で、かつ、前記アモルファスシリコンあるいはポリシリコン上に第1のサイドウォールを形成し、
    前記第1のサイドウォールを形成したのち、前記アモルファスシリコンあるいはポリシリコンに不純物注入を行い、前記アモルファスシリコンあるいはポリシリコンを前記ソース拡散層と同じ導電型とし、
    前記不純物注入を行ったのち、前記ゲート配線をパターニングするためのレジストを前記アモルファスシリコンあるいはポリシリコン上に形成し、
    前記第1のサイドウォールと前記レジストを用いて前記アモルファスシリコンあるいはポリシリコンをエッチングすることで、前記柱状シリコン層の周囲に設けられたゲート電極と前記ゲート電極より延在するゲート配線をパターニングして形成し
    前記パターニングしたのち、前記絶縁膜の一部を前記ゲート電極と前記ゲート配線をマスクとしてエッチングを行い、前記平面状シリコン層に形成された前記ソース拡散層上面を露出し、
    前記ソース拡散層上面を露出したのち、前記レジストを剥離し、
    前記レジストを剥離したのち、前記ゲート電極とゲート配線の表面に第2の酸化膜を形成し、
    前記第2の酸化膜を形成したのち、前記ハードマスク及び前記第1のサイドウォールの第1の窒化膜を除去し、
    前記ハードマスク及び第1のサイドウォールの第1の窒化膜を除去したのち、前記第1の酸化膜及び第2の酸化膜を除去し、
    前記第1の酸化膜及び第2の酸化膜を除去したのち、第2のサイドウォールを形成するために、第2の窒化膜を堆積し、
    前記第2の窒化膜をエッチバックすることにより、前記ゲート電極の上面、前記平面状シリコン層上の前記ソース拡散層の上面及び前記柱状シリコン層の上部の表面を露出させ、かつ、前記柱状シリコン層の側面及び前記ゲート電極側面に、第2のサイドウォールを形成することを特徴とし、
    前記第2のサイドウォールを形成したのち、前記柱状シリコン層の上部の表面にドレイン拡散層を形成し、
    前記ドレイン拡散層を形成したのち、金属膜を堆積し熱処理を行い、前記露出している前記ゲート電極の上面、前記平面状シリコン層上の前記ソース拡散層の上面、前記ドレイン拡散層が形成された前記柱状シリコン層の上部に金属とシリコンの化合物層を形成し、
    前記第2のサイドウォールを前記化合物層を形成する際の化合物化を抑制するために用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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