JP5507287B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載のトレンチゲート型トランジスタは、半導体基板に形成したトレンチ溝の内部にゲート絶縁膜を介しゲート電極が埋め込み形成され、半導体基板表面領域にゲート電極の両側に位置するようにソース/ドレイン領域が形成されてトレンチゲート型のトランジスタが構成されている。
このトレンチゲート型のトランジスタは、有効チャネル長(ゲート長)を物理的に十分に確保することができるので、DRAMのセルトランジスタの微細化に対応することができる構造として知られている。
通常、集積回路内においてこの種のキャパシタには、MOSトランジスタを用いたキャパシタ(以下、MOSキャパシタと称する。)が用いられているが、その容量は電圧に依存し、電圧変動が生じると、キャパシタの容量値が大きく変動する場合がある。そして、電圧安定化用のキャパシタの容量値が最小になるような作動条件の場合、出力電圧を安定化できなくなるおそれがある。
そこで、十分な容量値を得るために、補償容量用のトランジスタを製造する際、マスクなどを用いてトランジスタの必要部分にのみ選択的にイオン注入工程を行い、補償容量用トランジスタの閾値電圧(Vth)を下げることにより、MOSキャパシタの高容量化を図ることが考えられるが、この方法を採用すると、追加のフォトマスク工程が生じてしまうという問題がある。従って、追加のフォトマスク工程を行うことなく、補償容量用トランジスタの閾値電圧を下げることができる技術の提供が望まれる。
更に、主トランジスタ構造の主トレンチ溝の延在方向と補償容量用トランジスタ構造の副トレンチ溝の延在方向を平面視的に交差する方向に設定しておくことにより、補償容量用トランジスタ構造の副トレンチ溝の底部側にイオン注入により不純物拡散領域を形成する場合、主トレンチ溝と副トレンチ溝を形成するために利用したマスクごしに斜め方向からイオン注入するならば、副トレンチ溝の底部側の半導体基板には不純物のイオンを注入できるが、主トレンチ溝の内部側の半導体基板にはイオンを注入できない方向が生じるので、この方向に沿ってイオンを注入すると、別途フォトマスクを新たに設けることなく、主トレンチ溝と副トレンチ溝を形成する場合に用いたマスクを利用し、補償容量用トランジスタ構造側に選択的にイオンを注入することができ、このイオン注入により補償容量用トランジスタ構造側のチャネル領域に選択的に不純物拡散領域を形成することができる。 よって、別途フォトマスクを設けることなく選択的に補償容量用トランジスタ構造のチャネル領域に不純物拡散領域を形成することができ、補償容量用トランジスタ構造の閾値電圧を主トランジスタ構造の閾値電圧より低い値とすることができる。従って、別途フォトマスクを追加することなく、容量値の大きな補償容量用トランジスタ構造を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一実施形態を示すもので、図1(A)は半導体基板1の一部に形成された主トランジスタ構造の断面図、図1(B)は同半導体基板1の他の部分に形成された補償容量用トランジスタ構造の断面図である。
本実施形態の半導体装置においては、半導体基板1の一部に例えば主トランジスタ構造形成領域Aが形成され、半導体基板1の他の部分に補償容量用トランジスタ構造形成領域Bが形成されてなる。そして、例えば主トランジスタ構造は図示略の内部電源供給回路に補償容量用トランジスタ構造を介し接続され、補償容量用トランジスタ構造が主トランジスタ構造と内部電源供給回路との間の電気回路に組み込まれて補償容量として作用し、電圧の安定化を行うために設けられている。
前記主トレンチ溝2の内面にはSiO2などの絶縁材料からなるゲート絶縁膜3が主トレンチ溝2の内面を覆うように形成され、主トレンチ溝2の内底部側にTiNなどの導電材料からなるゲート電極5が形成され、ゲート電極5の上に主トレンチ溝2を埋めるようにキャップ絶縁膜6が形成されている。そして、ゲート電極5の上部側とキャップ絶縁膜6とをそれらの両側からゲート絶縁膜3を介し挟むようにソース/ドレイン領域7、8が形成され、これらソース/ドレイン領域7、8の間であってゲート絶縁膜3の周囲部分の半導体基板1にチャネル形成領域1aが形成されてMOSトランジスタT1が構成されている。
前記ソース/ドレイン領域7、8は、半導体基板1に対し不純物をイオン注入することにより構成された不純物注入領域である。なお、本実施形態においてゲート電極5に接続される配線5aとソース/ドレイン領域7、8に接続されるコンタクト電極7a、8aについては図1(A)に簡略的に示す。この構造のMOSトランジスタT1は、ゲート電極5に印加する電圧を制御することで、ゲート絶縁膜3の周囲側の半導体基板にチャネル領域を生成することができ、ソース/ドレイン領域7、8間に流れる電流を制御することができるMOSトランジスタとして機能する。
なお、MOSトランジスタT1において一般的には、P型の半導体基板であるならば、n型の不純物を注入してソース/ドレイン領域7、8を形成し、nMOS構造とし、N型の半導体基板であれば、p型の不純物を注入してソース/ドレイン領域7,8を形成し、pMOS構造とするが、本願発明ではいずれのタイプのMOS構造としても良く、また、注入するイオンの種別により適切なウエル構造を採用することで、どちらのタイプの半導体基板であっても、nMOS構造とpMOS構造を適宜作り分けすることができるのは勿論であるので、本実施形態では適用する半導体基板の種別とMOS構造の種別は特には問わないものとする。
即ち、半導体基板1に対し所定深さで所定幅の複数の副トレンチ溝12が所定の間隔で複数形成されている。ただし、この副トレンチ溝12は、先の主トランジスタ構造領域Aの主トレンチ溝2に対し、半導体基板1を平面視した場合に、90°交差する方向に形成されている。なお、図1(A)、図1(B)においては図面視した場合に見やすくするために主トレンチ溝2、12を同じ方向に描いているが、実際は半導体基板1の表面において平面視90゜異なる向きに形成されている。
前記副トレンチ溝12の内面にはSiO2などの絶縁材料からなるゲート絶縁膜13が副トレンチ溝12の内面を覆うように設けられるとともに、副トレンチ溝2の内底部側にTiNなどの導電材料からなるゲート電極15が形成され、ゲート電極15の上に副トレンチ溝12を埋めるようにキャップ絶縁膜16が形成されている。そして、ゲート電極15の上部側とキャップ絶縁膜16とをそれらの両側からゲート絶縁膜13を介して挟むようにソース/ドレイン領域17、18が形成され、これらソース/ドレイン領域17、18の間であってゲート絶縁膜13の周囲部分の半導体基板1にチャネル形成領域1bが形成され、更にソース/ドレイン領域17、18が短絡されてMOSトランジスタキャパシタT2が構成されている。
なお、この補償容量用トランジスタ構造領域BにおけるMOSトランジスタキャパシタT2の構造においても先のMOSトランジスタT1の場合と同様に、pMOSであるか、nMOSであるか、MOSの構造種別は問わない。
図2は副トランジスタ構造形成領域Bにおいて副トレンチ溝12を形成するためのマスク20を半導体基板1上に形成し、マスク20にフォトリソグラフィ技術を適用してパターニングし、パターニングしたマスク20を用いてエッチングにより半導体基板1の表面に間欠的に所定幅の複数の副トレンチ溝12を形成後、Asなどのn型の不純物をイオン注入により形成して不純物拡散領域19を形成した状態を示している。
この副トレンチ溝12を形成するためのエッチングを行う場合、副トランジスタ構造形成領域Bのマスク20を例えば平面視、図3に示す如く縦方向に延在するライン状に複数所定間隔で横方向に整列形成し(縦格子状に形成し)、図4に示す如く主トランジスタ構造形成領域Aのマスク21を例えば平面視、横方向に延在するライン状に複数所定間隔で縦方向に整列形成する(横格子状に形成する)。
即ち、本実施形態では図3に示す副トランジスタ構造形成領域Bのライン状のマスク20と主トランジスタ構造形成領域Aのライン状のマスク21が半導体基板1に対し平面視90゜で交差するように形成する。
本実施形態のイオン注入においては、図3に示すように副トレンチ溝12に対しては溝底部にイオンが到達するように、図4に示すように主トレンチ溝2に対しては45゜程度の入射角でイオンを照射できるように、イオンを半導体基板1に対し斜め方向に照射している。
以上説明のトレンチ溝2、12に対し、ゲート絶縁膜3、13を形成し、ゲート電極5、15を形成し、キャップ絶縁膜6、16を形成し、ゲート絶縁膜5、15の各々の位置を挟むように個々にMOSトランジスタ形成用のイオン注入を行って不純物拡散領域7、8、17、18を形成することで、図1(A)、(B)に示す構造のMOSトランジスタT1とMOSトランジスタキャパシタT2を半導体基板1上に作り分けることができる。
そして、MOSトランジスタA1とMOSトランジスタキャパシタT2を形成後、MOSトランジスタキャパシタT2のゲート電極15とソース/ドレイン領域7,8をそれぞれ図1(C)に示す如く接続することにより、容量値の高いMOSトランジスタキャパシタT2を構成することができる。
この実施形態のDRAM30は、セルアレイ部31にXデコーダ部32とYデコーダ部33とが併設され、更にバッファ部34とタイミングジェネレータ35が設けられ、内部電源回路36とセルアレイ部31とを接続した回路配線37の途中に補償容量部38が組み込まれて概略構成されている。
この実施形態のDRAM30のセルアレイ部31においてビット線40とワード線41との交差部分にセルアレイ42が設けられ、各セルアレイ42に前述の実施形態のMOSトランジスタT1と図示略のDRAM用キャパシタが設けられている。なお、図5において43はビット線40に接続されたセンスアンプである。
そして、前記内部電源回路36とセルアレイ部31とを接続した回路配線37に組み込まれた補償容量部38として、図1(B)、(C)に示す構造のMOSトランジスタキャパシタT2が組み込まれている。
図5に示す構造のDRAM30において、MOSトランジスタキャパシタT2がその容量でもって内部電源回路36からの供給電源の安定化を図る。
即ち、図1(B)に示すMOSトランジスタキャパシタT2においては、図6に示す如く0.5V〜1.0Vの低電圧領域であっても、メモリセル部のMOSトランジスタT1に対し、十分な容量が得られることがわかる。
なお、本発明の実施形態では補償容量部において、図6に示す如く1V以上で7E−12F以上に容量が増加するが、0Vでは1E−12F程度まで容量が落ち込む。通常のDRAMの実際の回路では、約0.5V〜1V程度の電位差がかけられるので、補償容量部であると0.5Vでは約5E−12F程度の容量を確保できるが、チャネル領域に不純物拡散領域を有していないメモリセル部のMOSトランジスタでは1E−12F程度しか容量がないので、本発明で意図する閾値電圧(Vth)が低いとは、MOSトランジスタキャパシタT2において図6に示すVCカーブが左側にシフトすることを利用し、低閾値の方が容量値が大きく、補償容量として優れていることがわかる。
なお、一般的なDRAM構造において前述のメモリセル部31のMOSトランジスタT1として閾値電圧を0.65V程度とすると、MOSトランジスタキャパシタT2のチャネル領域にAsの不純物拡散領域を形成することにより、閾値電圧を0.5V程度とすることができる。即ち、MOSトランジスタキャパシタT2の閾値電圧をMOSトランジスタT1の閾値電圧より低くした構造のDRAMを提供することができる。
図7はDRAMのセル構造の一部要素を示す平面図であり、図8は半導体記憶装置の部分断面構造を示すが、図8は図7のA−A’線に沿う断面構造を示し、図9は補償容量部の断面構造の一例を示す。
図5に示すDRAM30のセル構造の一例が図7と図8に示す構造となり、補償容量部の構造の一例が図9に示す構造となる。
図8は、図7のA−A‘線に対応するDRAMの断面構造を示す断面図である。DRAMのキャパシタ素子の記載は図3においては省略し、図4にのみ記載した。
基板コンタクト部205a、205bおよび205cは、後述する基板コンタクトプラグ109を配置する位置にあり、かつ、半導体基板101と接する部分に設けられている。
本実施形態のDRAMのメモリセル部は、MOSトランジスタTr1と、MOSトランジスタTr1に接続された基板コンタクトプラグ109及び容量コンタクトプラグ107Aと、基板コンタクトプラグ109及び容量コンタクトプラグ107Aを介して接続され、金属酸化膜からなる積層膜を容量絶縁膜114として備えたキャパシタ素子Capとから概略構成されている。
半導体基板101は、所定の濃度のP型不純物を含有する半導体、例えばシリコン(Si)にて形成されている。この半導体基板101には、素子分離領域103が形成されている。素子分離領域103は、半導体基板1の表面に形成した溝内にシリコン酸化膜(SiO2)等の絶縁膜を埋設することで形成される。これにより、隣接する活性領域Kがそれぞれ絶縁分離される。さらに、活性領域Kにおいて、溝型の2つのゲート電極105によって3つに分割(離間)された半導体基板101の一面側には、たとえば、リン(P)などのn型不純物を拡散させたソース/ドレイン領域108が形成されている。
また、ゲート電極105は、不純物を含有させた多結晶シリコン膜と金属膜との多層膜により構成される。前記多結晶シリコン膜は、CVD法(Chemical Vapor Deposition)での成膜時にリン(P)などのN型不純物を含有させて形成することができる。また、前記金属膜は、タングステン(W)や窒化タングステン(WN)、タングステンシリサイド(WSi)等の高融点金属を用いることができる。
以上の構成により、2つのゲート電極105は、それぞれ2つのMOSトランジスタTr1のゲート電極として機能する。
層間絶縁膜104は、ゲート電極105上の絶縁膜105c上を覆うように形成されている。ビット線コンタクトプラグ104Aは、図7の基板コンタクト部205aの位置に配置され、層間絶縁膜104を貫通し、基板コンタクトプラグ109と導通するように形成されている。ビット線コンタクトプラグ104Aは、例えば、チタン(Ti)及び窒化チタン(TiN)の積層膜からなるバリア膜(TiN/Ti)上にタングステン(W)等を積層して形成される。
窒化シリコンからなる第三の層間絶縁膜111は、第二の層間絶縁膜107を覆うように形成されており、シリコン酸化膜からなる第四の層間絶縁膜112は、第三の層間絶縁膜111を覆うように形成されている。
キャパシタ素子Capの上部電極115には、所定の電位が与えられている。そこで、キャパシタ素子Capに保持された電荷の有無を判定することによって、情報の記憶動作を行うDRAMとして機能することができる。
図9に示す構造において、図8に示すMOSトランジスタTr1と同等の部分には同一符号を付してそれらの部分の構造説明を略する。図9に示すMOSトランジスタキャパシタT3においてMOSトランジスタTr1と異なっているのは、ソース/ドレイン領域109、109の間に位置し、ゲート電極105の底部側のゲート絶縁膜105aの周囲側のチャネル形成領域に不純物拡散領域200が形成されている点である。また、MOSトランジスタTr1の主トレンチ溝100に対しMOSトランジスタキャパシタT3の副トレンチ溝102は先の実施形態の場合と同様に半導体基板101上において平面視90゜交差する方向に形成されている。
なお、図9に示す構造において、MOSトランジスタキャパシタT3のソース/ドレイン領域108、108は、図1(C)に示す如く相互接続されて一方の電極とされ、ゲート電極105が他方の電極とされて補償容量部となるMOSトランジスタキャパシタT3とされ、例えば、図5に示す内部電源回路36とメモリセル部31の間の配線に組み込まれて上述の如く内部電源回路の電圧安定化のために利用される。
Claims (11)
- 半導体基板の一面に形成された主トレンチ溝内に、ゲート絶縁膜を介しゲート電極が形成され、前記半導体基板一面の表面側に前記主トレンチ溝を前記ゲート絶縁膜を介し挟むようにソース/ドレイン領域が形成されてなる主トランジスタ構造と、前記半導体基板の一面に形成された副トレンチ溝内に、ゲート絶縁膜を介しゲート電極が形成され、前記半導体基板一面の表面側に前記副トレンチ溝を前記ゲート絶縁膜を介し挟むようにソース/ドレイン領域が形成されてなる補償容量用トランジスタ構造とが前記半導体基板に個々に形成され、前記主トランジスタ構造の主トレンチ溝の延在方向と前記補償容量用トランジスタ構造の副トレンチ溝の延在方向が平面視的に交差する方向に設定されるとともに、前記補償容量用トランジスタ構造のゲート絶縁膜周囲のチャネル領域に不純物拡散領域が形成されて前記補償容量トランジスタ構造の閾値電圧が前記主トランジスタ構造の閾値電圧より低くされてなることを特徴とする半導体装置。
- 前記補償容量用トランジスタ構造のゲート絶縁膜周囲のチャネル領域に不純物導入領域が形成されて、前記補償容量用トランジスタ構造の閾値電圧が前記主トランジスタ構造の閾値電圧より低くされてなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記主トランジスタ構造の主トレンチ溝の延在方向と前記補償容量トランジスタ構造の副トレンチ溝の延在方向が90゜異なる方向とされてなることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記補償容量トランジスタ構造の不純物拡散領域が前記副トレンチ溝の底部側の半導体基板に形成されてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記主トランジスタ構造と前記補償容量用トランジスタ構造が、両方のトレンチ溝の延在方向および閾値電圧の差異を除いて実質的に同一構造とされたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記主トランジスタ構造と前記補償容量用トランジスタ構造が何れもnMOSトランジスタであり、前記ゲート絶縁膜周囲のチャネル領域に、当該チャネル領域の導電型とは反対の導電型を呈する不純物が導入されてなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
- 半導体基板の一面に形成された主トレンチ溝内に、ゲート絶縁膜を介しゲート電極が形成され、前記半導体基板一面の表面側に前記主トレンチ溝を前記ゲート絶縁膜を介し挟むようにソース/ドレイン領域が形成されてなる主トランジスタ構造と、前記半導体基板の一面に形成された副トレンチ溝内に、ゲート絶縁膜を介しゲート電極が形成され、前記半導体基板一面の表面側に前記副トレンチ溝を前記ゲート絶縁膜を介し挟むようにソース/ドレイン領域が形成されてなる補償容量用トランジスタ構造とが前記半導体基板に個々に形成されてなる半導体装置を製造するにあたり、
前記半導体基板上にトレンチ溝を形成するためのライン状のマスクを所定の間隔をあけて複数配列形成し、前記マスク層を介し前記半導体基板を蝕刻してトレンチ溝を形成する際、前記半導体基板の主トランジスタ構造を形成するべき領域に形成する主トレンチ溝の延在方向と前記半導体基板の補償容量用トランジスタ構造を形成するべき領域に形成する副トレンチ溝の延在方向を平面視的に交差する方向になるように前記マスクを配置し、前記マスクを介し前記半導体基板を蝕刻して前記主トレンチ溝と副トレンチ溝を形成した後、
前記補償容量用トランジスタ形成領域のマスクごしに前記副トレンチ溝に沿ってその溝底部にイオンが到達するように、かつ、前記主トランジスタ形成領域のマスクには遮られて主トレンチ溝の内部にイオンが到達しないように斜めイオン注入を行い、前記副トレンチ溝の底部側の半導体基板に不純物拡散領域を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記副トレンチ溝の底部側の半導体基板に不純物拡散領域を形成することにより、前記補償容量トランジスタ構造の閾値電圧を前記主トランジスタ構造の閾値電圧より低くすることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記トレンチ溝の内面側にゲート絶縁膜とゲート電極とを形成する工程を具備することを特徴とする請求項7または8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記主トランジスタ構造の主トレンチ溝の延在方向と前記補償容量トランジスタ構造の副トレンチ溝の延在方向を90゜異なる方向とすることを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記主トランジスタ構造と前記補償容量用トランジスタ構造について、両方のトレンチ溝の延在方向と、前記トレンチ溝の底部側の半導体基板における不純物拡散層の有無を除いて実質的に同一構造とすることを特徴とする請求項7〜10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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