JP5052823B2 - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
「70nm DRAM大きさ以上のためのS-RCAT(球状リセスチャンネル配列トランジスタ)技術(S-RCAT(Sphere-shaped-Recess-Channel-Array-Transistor) Technology for 70nm DRAM feature size and beyond)」、2005年度VLSI技術要約に関するシンポジウム論文集、P.34〜35
第1の方向に延在する活性領域を含む半導体基板と、前記活性領域のチャンネル領域に形成され、下部における前記第1の方向の幅が上部における前記第1の方向の幅よりも大きく形成されたリセスと、前記活性領域を画成する素子分離構造であって、前記素子分離構造は、前記第1の方向と実質上直交する第2の方向に前記リセス下部から延在する対向して食刻された部分を含み、各対向する前記食刻された部分は前記リセス中の前記活性領域の上面よりも深い位置まで延在し、前記リセス下部は前記第2の方向における幅が前記上部の前記第2の方向における幅よりも大きく形成され、前記リセス上部の前記第2の方向における最小幅が前記リセス中の前記活性領域の最大幅よりも大きく形成された素子分離構造と、前記リセス中の前記活性領域の上部に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上部に、前記リセスと前記素子分離構造の食刻された部分を埋め込んで形成されたゲート電極と、を含むことを特徴とする。
(a)パッド絶縁膜が備えられた半導体基板に活性領域を画成する素子分離構造を形成する段階と、(b)前記パッド絶縁膜を除去して前記半導体基板を露出する段階と、(c)アイランド型リセスゲートマスクを食刻マスクに前記露出された半導体基板を所定厚さに食刻して第1リセス及び第2リセスを形成するものの、前記第2リセス下部にフィン型チャンネル領域を形成する段階であって、前記所定の深さの食刻は、(c−1)全体表面上部に平坦化された第1絶縁膜と第1ハードマスク層を形成する段階と、(c−2)アイランド型リセスゲートマスクで前記第1ハードマスク層、第1絶縁膜および所定厚さの半導体基板とこれと隣接した素子分離構造を食刻してリセスチャンネル領域を画成する前記第1リセスを形成する段階と、(c−3)前記第1ハードマスク層を除去する段階と、(c−4)前記第1リセスの側壁にスペーサを形成する段階と、(c−5)前記第1リセス下部に露出された前記半導体基板を等方性食刻して第2リセスを形成する段階と、(c−6)ゲート領域の長手方向で前記第2リセス下部に露出された素子分離構造を等方性食刻してフィン型チャンネル領域を形成する段階と、(c−7)前記スペーサと第1絶縁膜を除去して前記半導体基板を露出する段階と、を含む段階と(d)前記フィン型チャンネル領域、前記第1リセス及び前記第2リセスを含む活性領域上部にゲート絶縁膜を形成する段階と、(e)前記フィン型チャンネル領域、第1リセス及び第2リセスを埋め込むゲート導電層を形成する段階と、(f)前記ゲート導電層の上部にゲートハードマスク層を形成する段階と、(g)ゲートマスクを食刻マスクに前記ゲートハードマスク層及びゲート導電層をパターニングしてゲート構造を形成する段階と、を含むことを特徴とする。
103 リセスゲート領域
105 ゲート領域
110 半導体基板
113 パッド酸化膜
115 パッド窒化膜
120 素子分離構造
123 第1酸化膜
125 第1窒化膜
127 第1ハードマスク層
135 第1リセス
140 スペーサ
143 第2酸化膜パターン
145 第2窒化膜パターン
150 第2リセス
153 第3酸化膜
155 フィン型チャンネル領域
160 ゲート絶縁膜
170 下部ゲート導電層
175 ゲート下部電極
180 上部ゲート導電層
185 ゲート上部電極
190 ゲートハードマスク層
195 ゲートハードマスク層パターン
197 ゲート電極
199 ゲート
Claims (26)
- 第1の方向に延在する活性領域を含む半導体基板と、
前記活性領域のチャンネル領域に形成され、下部における前記第1の方向の幅が上部における前記第1の方向の幅よりも大きく形成されたリセスと、
前記活性領域を画成する素子分離構造であって、前記素子分離構造は、前記第1の方向と実質上直交する第2の方向に前記リセス下部から延在する対向して食刻された部分を含み、各対向する前記食刻された部分は前記リセス中の前記活性領域の上面よりも深い位置まで延在し、前記リセス下部は前記第2の方向における幅が前記上部の前記第2の方向における幅よりも大きく形成され、前記リセス上部の前記第2の方向における最小幅が前記リセス中の前記活性領域の最大幅よりも大きく形成された素子分離構造と、
前記リセス中の前記活性領域の上部に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上部に、前記リセスと前記素子分離構造の食刻された部分を埋め込んで形成されたゲート電極と、
を含む半導体素子。 - 前記対向して食刻された部分は、前記リセス中の前記活性領域の前記上面よりも低い深さまで延在し、前記リセスの底部の前記活性領域が前記リセス中に上向きのフィンの形状で嵌入して(入込んで)いることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記リセスは、
前記第1の方向に第1の幅を有する垂直形状の上部と、
前記第1の部分の直下に隣接し、前記第1の方向に前記第1の幅よりも大きな第2の幅を有する湾曲形状の下部と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。 - 前記リセスの下部の前記第1の方向の湾曲形状は、楕円形又は円形であることを特徴とする請求項3に記載の半導体素子。
- 前記対向して食刻された部分は、前記リセス中の前記活性領域の上前記面よりも低い深さまで延在し、前記リセス下部の底部の前記活性領域が上向きのフィンの形状で前記リセス下部に嵌入して(入込んで)いることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記リセスの前記第2の方向の最小幅は、前記活性領域の上部の前記ゲート絶縁膜の前記第2の方向の最大幅よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記素子分離構造は、第1のライナ酸化膜、ライナ窒化膜及び埋め込み酸化膜の積層構造を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記素子分離構造は、それぞれ異なる食刻率を有する第1の酸化膜及び第2の酸化膜の積層構造を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記リセスの上部の前記第2の方向の幅は、前記リセス中の前記活性領域の最大幅よりも2Eだけ大きい、但し0<E<(1/2)F、Fは前記第1の方向における隣接するゲート領域の間の距離、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記ゲート絶縁膜は、酸化膜、窒化膜、及びこれらの組み合わせのうちのいずれかで形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記ゲート電極は、ポリシリコン膜、窒化チタン膜、タングステン膜、及びこれらの組み合わせのうちのいずれかで形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- (a)パッド絶縁膜が備えられた半導体基板に活性領域を画成する素子分離構造を形成する段階と、
(b)前記パッド絶縁膜を除去して前記半導体基板を露出する段階と、
(c)アイランド型リセスゲートマスクを食刻マスクに前記露出された半導体基板を所定厚さに食刻して第1リセス及び第2リセスを形成するものの、前記第2リセス下部にフィン型チャンネル領域を形成する段階であって、前記所定厚さの食刻は、
(c−1)全体表面上部に平坦化された第1絶縁膜と第1ハードマスク層を形成する段階と、
(c−2)アイランド型リセスゲートマスクで前記第1ハードマスク層、第1絶縁膜および所定厚さの半導体基板とこれと隣接した素子分離構造を食刻してリセスチャンネル領域を画成する前記第1リセスを形成する段階と、
(c−3)前記第1ハードマスク層を除去する段階と、
(c−4)前記第1リセスの側壁にスペーサを形成する段階と、
(c−5)前記第1リセス下部に露出された前記半導体基板を等方性食刻して第2リセスを形成する段階と、
(c−6)ゲート領域の長手方向で前記第2リセス下部に露出された素子分離構造を等方性食刻してフィン型チャンネル領域を形成する段階と、
(c−7)前記スペーサと第1絶縁膜を除去して前記半導体基板を露出する段階と、
を含む段階と
(d)前記フィン型チャンネル領域、前記第1リセス及び前記第2リセスを含む活性領域上部にゲート絶縁膜を形成する段階と、
(e)前記フィン型チャンネル領域、第1リセス及び第2リセスを埋め込むゲート導電層を形成する段階と、
(f)前記ゲート導電層の上部にゲートハードマスク層を形成する段階と、
(g)ゲートマスクを食刻マスクに前記ゲートハードマスク層及びゲート導電層をパターニングしてゲート構造を形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記(a)段階は
(a−1)素子分離用マスクを食刻マスクに前記パッド絶縁膜が備えられた半導体基板を所定厚さに食刻してトレンチを形成する段階と、
(a−2)前記活性領域を画成する素子分離構造を形成するものの、前記素子分離構造は前記トレンチを埋め込む段階と、
を含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記トレンチと前記素子分離構造の界面に熱酸化膜、ライナ窒化膜及びライナ酸化膜の積層構造を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記素子分離用酸化膜は、食刻率が相対的に差がある第1素子分離用酸化膜と第2素子分離用酸化膜の積層構造で形成することを特徴とする請求項13に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記アイランド型リセスゲートマスクは閉じられた多角形を含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記閉じられた多角形リセスゲートマスクは楕円形または矩形であることを特徴とする請求項16に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記矩形リセスゲートマスクの線幅は前記活性領域の長手方向で前記ゲートの線幅より2Dほど小さく、前記ゲート電極の長手方向で前記リセスゲートマスクの長さは前記活性領域の幅より2Eほど大きいことを特徴とする請求項17に記載の半導体素子の製造方法(但し、0<D<(1/3)F、0<E<(1/2)F、Fは隣接ゲート領域の間の距離)。
- 前記第1絶縁膜は第1酸化膜と第2酸化膜の積層構造を含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第1ハードマスク層は窒化膜、ポリシリコン膜、非晶質炭素膜、CVD酸化膜、SiON膜及びこれらの組合せのうち選択されたいずれか一つで形成することを特徴とする請求項12に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第1ハードマスク層上部にリセスゲート領域を露出する感光膜パターンを形成する段階と、
前記感光膜パターンを食刻マスクに前記第1ハードマスク層、第1絶縁膜及び所定厚さの半導体基板とこれと隣接した素子分離構造を食刻してリセスチャンネル領域を画成する第1リセスを形成する段階と、
前記感光膜パターンを除去する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記(c−2)段階は
前記第1ハードマスク層上部にゲート領域を画成する第1感光膜パターンを形成する段階と、
前記第1感光膜パターンを食刻マスクに前記第1ハードマスク層を所定厚さに食刻した後、前記第1感光膜パターンを除去する段階と、
前記残った第1ハードマスク層上部にリセスゲート領域を画成する第2感光膜パターンを形成する段階と、
前記第2感光膜パターンを食刻マスクに前記残った第1ハードマスク層、第1絶縁膜及び所定厚さの半導体基板とこれと隣接した素子分離構造を食刻してリセスチャンネル領域を画成する第1リセスを形成する段階と、
前記第2感光膜パターンを除去する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記第1リセスの表面に第2絶縁膜を形成する段階と、
前記第2絶縁膜を乾式食刻して第1リセスの側壁にスペーサを形成する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記第2絶縁膜は酸化膜、窒化膜またはこれらの組合せで形成されることを特徴とする請求項23に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記活性領域の長手方向で前記第2リセス下部は楕円形または円形であることを特徴とする請求項12に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記スペーサと第1絶縁膜に対する除去工程は湿式食刻法で行われることを特徴とする請求項12に記載の半導体素子の製造方法。
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