JP4658977B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
そこで、短チャネル効果を抑制する手段の一つとして、MOSトランジスタのソース及びドレイン領域の上に、エピタキシャルシリコン層を選択エピタキシャル成長により形成し、このエピタキシャルシリコン層をソース及びドレイン領域として利用する技術が採用されている(特許文献1)。また、この技術においては、エピタキシャルシリコン層の厚みが大きいほど短チャネル効果が抑制されることも知られている。
また、この種従来構造のトランジスタにおいて非対称構造を採用しようとすると、フォトリソグラフィ工程を追加し、例えばドレイン部のみを開口するレジストパターンを形成して、ドレイン部のみにイオン打ち込み法により不純物を導入する方法が考えられる。
しかしながら、この場合に工程数が増加し、コストが上昇するという問題と、ドレインの幅が小さい場合は高段差のレジストパターンの開口が必要になり、歩留まりが安定しないという問題がある。
従って内部構造が微細化されているDRAMにおいてリフレッシュ特性の優れた構造が望まれている。
また、本発明は、複雑な工程を追加することなくリフレッシュ特性を優れさせた構造とすることができる半導体記憶装置の提供を目的とする。
(2)本発明の半導体装置の製造方法は、半導体シリコン基板上に、複数のゲート電極と、前記ゲート電極に挟まれたソース領域及びドレイン領域とを有する半導体装置の製造方法であって、前記ソース領域を挟む前記ゲート電極の間隔を第1の間隔に設定し、前記ドレイン領域を挟む前記ゲート電極の間隔を前記第1の間隔よりも狭い第2の間隔に設定する工程と、前記設定された間隔に基づき前記半導体シリコン基板上に前記複数のゲート電極を形成することで、前記ドレイン領域の面積を前記ソース領域の面積よりも小さくする工程と、選択エピタキシャル成長法を用い、前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上に同時にシリコン層を積上げ形成する工程と、前記シリコン層及び前記シリコン層を介して前記ソース領域及び前記ドレイン領域に同時に不純物を注入することによって、前記注入された不純物により形成された不純物層からなるソース部及びドレイン部を形成する工程とを含み、前記選択エピタキシャル成長法によって、前記ソース領域の前記シリコン層を前記ドレイン領域の前記シリコン層よりも薄くなるように成長することで、前記ドレイン部の上端を前記ソース部の上端よりも高く形成し、前記ゲート電極のうち、前記ドレイン部を挟む前記ゲート電極の一方を、ダミーゲート電極としたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(3)本発明の半導体装置の製造方法は、前記ソース部にはビット配線が接続され、前記ドレイン部にはキャパシタが接続されていることを特徴とする。
(4)本発明の半導体装置の製造方法は、前記ゲート電極は、ワード配線であることを特徴とする。
(6)本発明の半導体装置の製造方法は、半導体シリコン基板上に、ゲート電極と、前記ゲート電極の一方の側面に隣接するソース領域、および、前記ゲート電極の他方の側面に隣接し、前記ゲート電極とダミーゲート電極とに挟まれたドレイン領域とを有する半導体装置の製造方法であって、前記ドレイン領域の面積が前記ソース領域の面積よりも小さくなるように、前記ゲート電極及び前記ダミーゲート電極を形成すべきことを決定する工程と、前記決定に基づき前記半導体シリコン基板上に前記ゲート電極及び前記ダミーゲート電極を形成する工程と、選択エピタキシャル成長法を用い、前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上に同時にシリコン層を積上げ形成する工程と、前記シリコン層及び前記シリコン層を介して前記ソース領域及び前記ドレイン領域に同時に不純物を注入することによって、前記注入された不純物により形成された不純物層からなるソース部及びドレイン部を形成する工程とを含み、前記選択エピタキシャル成長法によって、前記ソース領域の前記シリコン層を前記ドレイン領域の前記シリコン層よりも薄くなるように成長することで、前記ドレイン部の上端が前記ソース部の上端よりも高く形成されることを特徴とする。
(7)本発明の半導体装置の製造方法は、前記ダミーゲート電極は、通電使用しないダミーゲート電極であることを特徴とする。
また、ソース部及びドレイン部の構造に非対称性を導入し、ソース部とドレイン部のチャネル領域からの高さを異なる高さとした構造の半導体記憶装置であるならば、ゲートの端部側においてソース近傍側とドレイン近傍側の電界強度を変えることができるので、ビット配線に接続される側の電極とキャパシタに接続される側の電極の電界強度を異なるようにすることができ、これにより、例えばビット配線に印加される電界強度を低減することにより、配線の信号遅延の問題を解消でき、リフレッシュ特性の優れた半導体記憶装置を特別なフォトリソグラフィ工程を別途付加することなく実現できる効果がある。
図1は本発明に係る半導体装置の第1実施形態の断面構造を示す概念図である。
図1において、本発明の半導体装置Hに適用される半導体基板1は所定濃度の不純物を含有する半導体、例えばシリコンにて形成されている。トレンチ分離絶縁膜(素子分離絶縁膜)2は、上記半導体基板1の表面にSTI(Shallow Trench Isolation)法により、活性領域K以外の部分に形成され、隣接する活性領域Kを絶縁分離している。
この形態の半導体装置では、図1の断面構造に示す如くトレンチ分離絶縁膜2、2に挟まれた領域に、ソース部3とドレイン部5とが左右に離間して形成され、ソース部3とドレイン部5との間に位置する半導体基板表面部分にチャネル領域6が形成され、このチャネル領域6の上に前記ソース部3とドレイン部5とに挟まれた状態でゲート絶縁膜7が形成され、このゲート絶縁膜7上に積層構造のゲート電極8が形成されている。また、図1においてゲート電極8の右側の半導体基板1上には、ダミーとなる通電使用しないダミーゲート電極9がその右側に位置するトレンチ分離絶縁膜2に隣接するように形成されている。
前記ソース部3は、その底部3aを半導体基板1の活性領域Kまで到達させ、その上部3bを半導体基板1の上方まで所定の厚さで出すように形成されている。このソース部3の厚さにおいて、半導体基板1の上面の位置からソース部3の上方端までの厚さ(高さ)をt1、活性領域Kまで達しているソース部3の底部から半導体基板上方に突出しているソース部3の最上端までの厚さ(高さ:総厚)をt2と表記する。また、図1における断面構造においてソース部3の幅をd1と表記する。
前記ドレイン部5は、その底部5aを半導体基板1の活性領域Kまで到達させ、その上部5bを半導体基板1の上方まで所定の厚さで達するように形成されている。このドレイン部5の厚さにおいて、半導体基板1の上面の位置からドレイン部5の上方端までの厚さ(高さ)をt3、活性領域Kまで達しているドレイン部5の底部から半導体基板上方に突出しているドレイン部5の最上端までの厚さ(高さ:総厚)をt4と表記する。また、図1における断面構造においてドレイン部5の幅をd2と表記する。
また、半導体基板1の上に形成されているソース部3とドレイン部5及びゲート電極8、9の位置間隔について説明すれば、ソース部3の幅d1よりもドレイン部5の幅d2の方が小さいので、図1の左側の素子分離絶縁膜2とゲート電極8との間の距離がゲート電極8、9間の距離よりも長く形成されている。
なお、ソース部3の全体の層厚t2とドレイン部5の全体の層厚t4はほぼ等しい厚さとされている。
図2に示すレイアウト構造において、ダミーゲート電極9には特別他の配線が接続されていないが、ゲート電極8には活性領域Kの外側の素子分離領域においてゲート供給用コンタクト電極21が形成されていて、ゲート電極8に給電できるように構成されている。
図3は通常のMOSトランジスタ製造プロセスにおいて、ゲート電極のサイドウォール構造を形成した後の断面構造を示す図である。
図3中の符号8によりゲート電極の構造を、符号9によりダミーとなるダミーゲート電極の構造を示してある。
図4はシリコンの選択エピタキシャル成長後の状態を示している。ソース部側に選択エピタキシャル成長により形成したシリコン層を符号30で示し、ドレイン部側に選択エピタキシャル成長により形成したシリコン層を符号31で示している。また、ソース部側で示したシリコン基板表面の幅は例えば150nmであり、ドレイン部側で示したシリコン基板表面の幅は例えば70nmである。
これにより、選択エピタキシャル法により成長したシリコン層の厚さがソース部で50nmであり、かつドレイン部で60nmである図4に示す厚さ構成のトランジスタ構造を容易に実現できる。
この次に図7に示す如く層間絶縁膜36を形成し通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術によりコンタクトホールを開孔し、その穴内に導電膜を堆積させたのちにCMP法により層間絶縁膜上の導電膜を除去するならば、図7に示す構造を得ることができ、この構造は図1に示す構造と同等となる。
図10〜図13は本発明に係る半導体記憶装置の製造工程を段階的に説明するための図であり、図13〜図15に示す構造の半導体記憶装置が提供される。なお、図15は図13と図14に示される半導体装置とビット配線並びにワード配線の上方に積層される形式で立体配置されるキャパシタ構造の一例を例示したものである。
この実施形態では1つの活性領域Kに2ビットのメモリセルが配置されるセル構造に本発明を適用した場合の一例構造を示す。
なお、この図のような平面形状の活性領域K1が規定されているのは、本実施形態に特有の形状であるが、活性領域K1の形状や方向は特に規定されるべきものではないので図14に示す活性領域K1の形状はその他一般的な半導体記憶装置のランジスタに適用される活性領域の形状で良いのは勿論であり、本発明の形状に規定されるものではない。
前記ゲート電極8、9の構造と半導体基板1の構造は基本的に先の図1に示す半導体装置H1の構造と同等であるので、説明は略する。
この実施形態では、活性化領域K1の中央部に1つのソース部3が設けられ、その左右両側に離間してドレイン部5、5が配置されている。従って、ソース部3の左右両側にチャネル領域とドレイン部5、5が形成されている。
また、図15に示すコンタクト部46、47、48の上方には、一例として図15に断面構造を示すキャパシタ構造が形成される。この例の構造では、図13に示す絶縁膜10の上に第2の層間絶縁膜60が形成され、この第2の層間絶縁膜60において前記コンタクト部46、47、48の上に対応する位置に個々にコンタクトホール61、62、63が形成され、これらのコンタクトホール内にコンタクトプラグ64、65、66が形成され、コンタクトプラグ65の上にビット配線50が配置されている。更に第2の層間絶縁層60の上に第3の層間絶縁層67が形成され、この第3の層間絶縁層67上に第4の層間絶縁層68が形成され、その第4の層間絶縁膜68内に形成されているシリンダ穴69埋設される形態で下部電極70、容量絶縁膜71、上部電極72からなる容量記憶部73が形成され、各容量記憶部73は図13に示すコンタクト部(ソース電極)46あるいはコンタクト部(ドレイン電極)48に接続されてDRAM構造が構成されている。
その他の構造についても基本的には先の図1の半導体装置H1の構造と同様である。
図14に示すDRAMの平面レイアウト構造図では、ビット配線用コンタクト部46を形成するゲート間スペースであるスペースEがキャパシタ用コンタクト部47および48を形成するゲート間スペースFより広いレイアウトとなっている。この場合、例えばスペースEを70nm、スペースFを50nmの幅とすることができる。
後述する試験結果から明らかなように、選択エピタキシャル成長のシリコンの成長速度はゲート間のスペース依存性があり、ジクロロシランとHCLの流量比が200対100sccm、成膜温度が800度、成膜時の真空度が15mTorrの成膜条件の場合ではゲート間スペースが50nmの部分と70nmの部分とでは5%の成長速度差が生じる。 これにより、選択成長により形成したシリコンの膜80aの厚さがビット配線用コンタクトを形成するゲート間スペース部80で60nmであり、かつキャパシタ用コンタクトを形成するゲート間スペース81および82でシリコン膜81aおよび82aが63nmであるトランジスタ構造を形成できる。
この次に層間絶縁膜を形成し通常のリソグラフィ技術とドライエッチング技術によりコンタクトホールを開孔し、その穴内に導電膜46、47、48を同時に堆積させたのちにCMP法により層間絶縁膜上の導電膜を除去し980℃、10秒の熱処理を施した状態が図13に示す構造となる。この構造により、キャパシタコンタクト側の電界を緩和することによりリフレッシュ特性に優れたDRAMを形成することができる。
この結果、セルコンタクト側の選択エピタキシャル成長速度の方をビット線コンタクト側の選択エピタキシャル成長の速度より早くできるため、結果として、セルコンタクト側の選択エピタキシャルによるシリコンの膜厚がビット線コンタクト側のシリコンの膜厚より厚く形成される。
そして、この後にソース/ドレイン用の不純物を導入することにより、ソース側およびドレイン側の不純物濃度分布に非対称性を生じさせることができる。即ち、セルコンタクト側(ドレイン電極5、5側)の電界を緩和することによりリフレッシュ特性に優れたDRAMを形成することができる。また、これら不純物濃度分布に非対称性をもたせるプロセスにおいて注入のためのリソグラフィプロセスを別途追加する必要がないので、容易に実施することができる。
シリコン基板にSTI法により素子分離絶縁膜を形成後、フォトリソグラフィ法を繰り返し行い、図3に示す構造のゲート電極とダミーゲート電極を形成した。
図3の構造において、ゲート電極のサイドウォールの側方に位置する半導体基板の幅を150nm、ゲート電極とダミーゲート電極の間隔を50nm〜520nmの範囲内で、50nm、(110)nm、260nm、270nm、280nm、520nmの各間隔になるように各試料を形成し以下の選択エピタキシャル法に供する試料とした。
ここで選択エピタキシャル法に従い、ジクロロシランとHClとの流量比を200対100sccm、成膜温度を800度、成膜時の真空度を15mTorr(2Pa)の成膜条件とした場合、シリコン基板上にシリコン層が成長する状況は、図16に示す相関関係が得られることが判明した。
図16に示す相関関係から、ゲート電極間のスペースが70nmの部分と150nmの部分とでは20%程度の成長速度差が生じることが分かる。
このように選択エピタキシャル法を用いてシリコン膜を成長させる場合、ゲート電極間のスペースを調節することにより、得られるシリコン膜の膜厚を調節できることが明らかになった。
図1に示す構造を製造するために、MOSトランジスタ製造プロセスに従い、図3に示すサイドウォール構造を備えたゲート電極を形成した。ソース側で示したシリコン基板表面の幅は150nm、ドレイン側で示したシリコン基板表面の幅は70nmとした。
半導体基板はSi基板を用い、厚さ70nmのポリシリコンの延出層、厚さ5〜10nmのタングステンのシリサイド層、厚さ50nmのタングステンの金属層、厚さ140nmの窒化珪素のハード絶縁膜、厚さ20nmのサイドウールを備えたゲート電極を上述の間隔で形成した。
次に、950℃10秒間の熱処理によりAsを活性化することにより図4に示すソースとドレイン部での不純物層のシリコン基板中の深さが異なるMOSトランジスタを形成することができた。
図13〜図14に示すレイアウト構造を有するDRAMを製造するために、MOSトランジスタ製造プロセスに従い、図13に示すサイドウォール構造を備えたゲート電極を形成した。図14に示す平面レイアウト構造においてスペースEを70nm、スペースFを50nmとした。
半導体基板はSi基板を用い、厚さ70nmのポリシリコンの延出層、厚さ5〜10nmのタングステンのシリサイド層、厚さ50nmのタングステンの金属層、厚さ140nmの窒化珪素のハード絶縁膜、厚さ20nmのサイドウールを備えたゲート電極を上述の間隔で形成した。
Claims (7)
- 半導体シリコン基板の活性領域上に複数のゲート電極を形成するとともに、前記ゲート電極に挟まれたソース領域及びドレイン領域に選択エピタキシャル成長法により同時にシリコン層を形成した後、前記シリコン層及び前記シリコン層を介して前記ソース領域及びドレイン領域に同時に不純物を注入することで、前記注入された不純物により形成された不純物層からなるソース部及びドレイン部を同時に形成するに際し、前記ドレイン領域を挟むゲート電極間の間隔を、前記ソース領域を挟む前記ゲート電極間の間隔よりも狭い間隔とすることで、前記ドレイン領域をなす前記活性領域の面積を、前記ソース領域をなす前記活性領域の面積よりも小さくすることにより、前記選択エピタキシャル成長法では、前記ソース領域の前記シリコン層を前記ドレイン領域の前記シリコン層よりも薄くなるように成長することで、前記半導体シリコン基板表面から前記ドレイン部の上端までの高さを前記半導体シリコン基板表面から前記ソース部の上端までの高さよりも高くし、前記ゲート電極のうち、前記ドレイン部を挟む前記ゲート電極の一方を、ダミーゲート電極としたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 半導体シリコン基板上に、複数のゲート電極と、前記ゲート電極に挟まれたソース領域及びドレイン領域とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記ソース領域を挟む前記ゲート電極の間隔を第1の間隔に設定し、前記ドレイン領域を挟む前記ゲート電極の間隔を前記第1の間隔よりも狭い第2の間隔に設定する工程と、
前記設定された間隔に基づき前記半導体シリコン基板上に前記複数のゲート電極を形成することで、前記ドレイン領域の面積を前記ソース領域の面積よりも小さくする工程と、
選択エピタキシャル成長法を用い、前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上に同時にシリコン層を積上げ形成する工程と、
前記シリコン層及び前記シリコン層を介して前記ソース領域及び前記ドレイン領域に同時に不純物を注入することによって、前記注入された不純物により形成された不純物層からなるソース部及びドレイン部を形成する工程とを含み、
前記選択エピタキシャル成長法によって、前記ソース領域の前記シリコン層を前記ドレイン領域の前記シリコン層よりも薄くなるように成長することで、前記ドレイン部の上端を前記ソース部の上端よりも高く形成し、
前記ゲート電極のうち、前記ドレイン部を挟む前記ゲート電極の一方を、ダミーゲート電極としたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記ソース部にはビット配線が接続され、前記ドレイン部にはキャパシタが接続されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート電極は、ワード配線であることを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体シリコン基板上に、ゲート電極と、前記ゲート電極の一方の側面に隣接するソース領域、および、前記ゲート電極の他方の側面に隣接し、前記ゲート電極とダミーゲート電極とに挟まれたドレイン領域とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記ソース領域と前記ドレイン領域の前記ゲート電極を挟む方向に沿う幅において、前記ドレイン領域の幅が前記ソース領域の幅よりも小さくなるような位置に、前記ゲート電極及び前記ダミーゲート電極を形成すべきことを決定する工程と、
前記決定に基づき前記半導体シリコン基板上に前記ゲート電極及び前記ダミーゲート電極を形成することで、前記ドレイン領域の面積を前記ソース領域の面積よりも小さくする工程と、
選択エピタキシャル成長法を用い、前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上に同時にシリコン層を積上げ形成する工程と、
前記シリコン層及び前記シリコン層を介して前記ソース領域及び前記ドレイン領域に同時に不純物を注入することによって、前記注入された不純物により形成された不純物層からなるソース部及びドレイン部を形成する工程とを含み、
前記エピタキシャル成長法によって、前記ソース領域の前記シリコン層を前記ドレイン領域の前記シリコン層よりも薄くなるように成長することで、前記ドレイン部の上端が前記ソース部の上端よりも高く形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体シリコン基板上に、ゲート電極と、前記ゲート電極の一方の側面に隣接するソース領域、および、前記ゲート電極の他方の側面に隣接し、前記ゲート電極とダミーゲート電極とに挟まれたドレイン領域とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記ドレイン領域の面積が前記ソース領域の面積よりも小さくなるように、前記ゲート電極及び前記ダミーゲート電極を形成すべきことを決定する工程と、
前記決定に基づき前記半導体シリコン基板上に前記ゲート電極及び前記ダミーゲート電極を形成する工程と、
選択エピタキシャル成長法を用い、前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上に同時にシリコン層を積上げ形成する工程と、
前記シリコン層及び前記シリコン層を介して前記ソース領域及び前記ドレイン領域に同時に不純物を注入することによって、前記注入された不純物により形成された不純物層からなるソース部及びドレイン部を形成する工程とを含み、
前記選択エピタキシャル成長法によって、前記ソース領域の前記シリコン層を前記ドレイン領域の前記シリコン層よりも薄くなるように成長することで、前記ドレイン部の上端が前記ソース部の上端よりも高く形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記ダミーゲート電極は、通電使用しないダミーゲート電極であることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
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