JP5543383B2 - 埋め込み絶縁層を貫いて半導体層間に接触を有するデバイス、およびこのデバイスの製造プロセス - Google Patents

埋め込み絶縁層を貫いて半導体層間に接触を有するデバイス、およびこのデバイスの製造プロセス Download PDF

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Description

本発明の分野は、ＳｅＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）上に作製された半導体デバイスに関する。
ＳｅＯＩ基板は、埋め込み絶縁層によってベース基板から離された半導体材料の薄い層を含む。
このような基板上に作製された半導体デバイスは、概して、たとえばＦＥＴトランジスタのチャネルを帯電させるための、ＦＥＴトランジスタのドレイン領域またはソース領域、あるいはＦＥＴトランジスタと関連したバイポーラトランジスタのエミッター領域といった、絶縁層上の薄い層内に作製された伝導領域を有する。
ＳｅＯＩ基板上の半導体デバイスはまた、たとえばＦＥＴトランジスタのチャネルに面した埋め込みバックコントロールゲート（ｂｕｒｉｅｄ ｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｇａｔｅ）領域といった、絶縁層の真下のベース基板内に作製された伝導領域を有する。
接触（ｃｏｎｔａｃｔ）は、これら様々なタイプの伝導領域を供給するためになされる必要がある。概して、これら接触は、半導体基板の前面表面側上に作製される。よって、典型的には、ＦＥＴトランジスタに対して、前面表面側上に作製された金属接続によって、フロントコントロールゲート（ｆｒｏｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｇａｔｅ）領域、ドレイン領域およびソース領域にそれぞれ接続されたワードライン（Ｗｏｒｄ Ｌｉｎｅ、ＷＬ）、ビットライン（Ｂｉｔ Ｌｉｎｅ、ＢＬ）およびソースライン（Ｓｏｕｒｃｅ Ｌｉｎｅ、ＳＬ）がある。
概して、半導体デバイス、特にリソグラフィー工程に関して、製造を簡潔化するために、金属接続の数を制限することが望ましい。
その上、概して半導体デバイスのフットプリント（すなわち、後者によって占有された領域）を制限することが望ましい。前面表面を介した接続の作成は、必然的にフットプリントを増加させる。
さらに一般的には、これら接続の作製を可能な限り簡潔化することが望ましい。
本発明の目的は、これらの要求を満たし、この目的のために本発明の第１の側面は、埋め込み絶縁層によってベース基板から離された半導体材料の薄い層を含むＳｅＯＩ基板上に作製された半導体デバイスであって、デバイスは薄い層内に第１の伝導領域を、ベース基板内に第２の伝導領域を含み、埋め込み絶縁層を貫いて第１の領域を第２の領域に接続している接触により特徴付けられる。
このデバイスのある望ましくはあるが限定ではない特徴は以下の通りである：
−第１の領域、第２の領域および接触は同じタイプの導電性を有する；
−第１の領域はトランジスタのドレイン領域で、第２の領域は埋め込みビットラインに属する；
−第１の領域はトランジスタのソース領域で、第２の領域は埋め込みソースラインに属する；
−第１の領域はバイポーラトランジスタのエミッターから成り、第２の領域は埋め込み注入ラインに属する；
−第２の領域はトランジスタのバックコントロールゲート領域であり、第１の領域はバックコントロールゲートドライブラインに属する；
−接触は金属相互接続材料により形成される；
−第１の領域および第２の領域は逆のタイプの導電性を有し、接触は、導電性が第１の領域と同じタイプの導電性である上部領域および導電性が第２の領域と同じタイプの導電性である下部領域を有する。
他の側面によると、本発明は、絶縁層によってベース基板から離された半導体材料の薄い層を含むＳｅＯＩ基板上に半導体デバイスを作製するプロセスに関し、デバイスは薄い層内に第１の伝導領域を、ベース基板に第２の伝導領域を含み、プロセスは絶縁層を貫いて第１の領域を第２の領域に接続する接触の構造によって特徴付けられる。
ＳｅＯＩ基板上への半導体デバイスの作製のプロセスは絶縁層によってベース基板（２）から離された半導体材料の薄い層を含み、デバイスは薄い層内に第１の伝導領域を、ベース基板内に第２の伝導領域を含み、プロセスは絶縁層を貫いて第１の領域を第２の領域に接続する接触の構造によって特徴付けられる。
このプロセスのある望ましくはあるが限定ではない特徴は以下の通りである：
−接触を形成するために、以下のステップが実行される：
・埋め込み絶縁層を超えて、第１の領域を貫通し、第２の領域に到達するまで延びた溝を内部に形成するための半導体基板のエッチング；および
・溝の内部接続材料による充填；
−内部接続材料は半導体材料である；
−内部接続材料は予めドープされている；
−溝内に半導体材料をドープするステップを更に含む；
−溝の上部領域および下部領域は正負逆にドープされている；
−上部領域と下部領域との境界は絶縁層と水平に位置している；
−上部領域と下部領域との境界は第１の領域上の薄い層と水平に位置している；
−内部接続材料は金属である。
本発明のほかの特徴、目的および利点は、以下の、限定されない例を添付の図を参照しながら望ましい実施形態の詳しい記述を読むことにより、さらに明確になるであろう。
絶縁層の直下にあり、絶縁層を貫通して接続によってＦＥＴトランジスタのドレイン領域に接続されている埋め込みビットラインの１つの可能な実施形態を示す図である。 絶縁層の直下にあり、絶縁層を貫通して接続によってソース領域ＳＬに接続されている埋め込みソースラインの１つの可能な実施形態を示す図である。 絶縁層の直下にあり、絶縁層を貫通して接続によってバイポーラトランジスタのエミッター領域に接続されている埋め込み注入ラインの１つの可能な実施形態を示す図である。 半導体デバイスの２つの伝導領域を示し、第１の領域は薄い層内に位置し、第２の領域はベース基板内に位置することを示す図である。 埋め込み絶縁層を超えて、第１の領域を貫通し、第２の領域に到達するまで延びた溝の作製を示す図である。 溝の内部接続材料での充填を示す図である。 リソグラフィーマスクを用いて実行された、内部接続材料のエッチングのほかの方法を示す図である。 リソグラフィーマスクを用いず実行された、内部接続材料のエッチングのほかの方法を示す図である。 第１の伝導領域がＳｅＯＩの全面表面に接触していない実施形態を示す図である。 第１の領域および第２の領域が逆のタイプの導電性を有する実施形態を示す図である。
本発明の対象は、簡潔な方法で、ＳｅＯＩ基板上の半導体デバイスの半導体領域に接続するラインを提供することである。
特に、本発明の目的は、デバイスのフットプリントを制限し、金属接続の使用を制限することである。
このために、本発明は、半導体領域を、ＳｅＯＩ基板内の絶縁層からは反対の側に位置している他の半導体領域に、絶縁層を貫通して接続を使用して接続することを提案する。
よって、ＳｅＯＩ基板上の薄い層内に位置する第１の半導体領域を考慮する場合、この第１の領域は、絶縁層を貫通する接続によって、埋め込み絶縁層の真下のベース基板内の第２の半導体領域によって形成されるアクセスラインに接続される。
反対に、ベース基板内に位置する第１の半導体領域を考慮する場合、この第１の領域は、絶縁層を貫通する接続によって、埋め込み絶縁層の上の薄い層内の第２の半導体領域によって形成されるアクセスラインに接続される。
第１の状況は、たとえば、ＦＥＴトランジスタのドレイン領域またはソース領域タイプの薄い層内の第１の領域に関する。よって本発明は、絶縁層の真下のベース基板内にビットラインＢＬまたはソースラインＳＬを埋め込むことを可能にする。
第１の状況はまた、ＦＥＴトランジスタのチャネルに電荷を注入するためにＦＥＴトランジスタに関係するバイポーラトランジスタのエミッター領域タイプの薄い層内の第１の領域に関する。よって本発明は、絶縁層の真下のベース基板内のエミッター領域に注入ラインＩＬを埋め込むことを可能にする。
第２の状況は、たとえば、ＦＥＴトランジスタのチャネルに面する絶縁層の真下に位置するバックコントロールゲート領域タイプのベース基板内の第１の領域に関する。よって本発明は、バックコントロールゲートドライブラインによってＳｅＯＩ基板の全面表面を介してこの埋め込みバックコントロールゲートにアクセスすることを可能にする。
本発明の文面では、表現「半導体領域の間の接続」は、同じタイプの導電性を有する半導体領域間のオーミック接合と、反対のタイプの導電性を有する半導体領域間のｐｎ接合との両方を意味する。
図１から３は、埋め込み絶縁層によってベース基板から離された半導体材料の薄い層を含むＳｅＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上、望ましくはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に作製される本発明の第１の側面の１つの可能な実施形態に従う半導体デバイスの断面図を示す。
絶縁層はたとえばＢＯＸ（ｂｕｒｉｅｄ ｏｘｉｄｅ）層、典型的にはＳｉＯ２層である。
ここでは半導体デバイスはＤＲＡＭメモリセル（ＤＲＡＭはダイナミックランダムアクセスメモリを表す）である。メモリセルは、ソースＳ、ドレインＤ１、フローティングチャネルＣ１を有するＦＥＴトランジスタを含む。ゲート誘電層およびコントロールゲート電極は順番にフローティングチャネルＣ１上に堆積する。
ドレインＤ１およびソースＳは、ＦＥＴトランジスタが十分枯渇するように、埋め込み酸化層ＢＯＸと接していることが望ましい。
よってソースＳは２つの隣接したメモリセルの間を占有することがある（よってこれはドレインＤ２およびチャネルＣ２を有するＦＥＴトランジスタのソース領域としての機能を果たす）。この占有は、メモリセルのフットプリントが減少することを可能にする。
ドレインＤ１はビットラインＢＬに、ソースＳはソースラインＳＬに、コントロールゲートはワードラインＷＬ１に接続される。
図１に示す実施形態の文面内では、薄い層内ではドレインＤ１は第１の半導体領域（たとえばｎｐｎ−ＦＥＴトランジスタの場合、ｎ＋ドープ）を構成し、ドレインＤ１は、絶縁層ＢＯＸを貫通した接触Ｉ１によって、絶縁層ＢＯＸの真下のベース基板内に埋め込まれたビットラインＢＬに接続される。ビットラインＢＬは従って、ベース基板内に第２の半導体層を形成する。
図１に示されるように、ビットラインＢＬは特に、ドレイン領域のそれぞれから提供される絶縁層を貫いてドレイン領域Ｄ１、Ｄ２がメモリアレイの１行上に沿うように接続するように位置されることがある。
図２に示される実施形態の文面において、ソースＳは薄い層内に第１の半導体領域（たとえばｎｐｎ−ＦＥＴトランジスタの場合、ｎ＋ドープ）を構成し、ソースＳは、絶縁層ＢＯＸを貫通した接触ＩＮによって、絶縁層ＢＯＸの真下のベース基板内に埋め込まれたソースラインＳＬに接続される。ソースラインＳＬは従って、ベース基板内に第２の半導体層を形成する。
ソースラインＳＬは特に、ソース領域のそれぞれから提供される絶縁層を貫いてソース領域がメモリアレイの１行上に沿うように接続するように位置されることがある。埋め込みソースラインＳＬはよってワードラインＷＬ１、ＷＬ２に平行である。
図３に示される実施形態の文面において、ベースはＦＥＴトランジスタのソースＳによって形成され、コレクタはトランジスタのチャネルＣ１によって形成される、バイポーラトランジスタは、チャネルＣ１に電荷を注入するためにＦＥＴトランジスタに関連付けられる。バイポーラトランジスタは薄い層内に第１の半導体領域（たとえばｎｐｎ−ＦＥＴトランジスタの場合、ｐ＋ドープ）を構成するエミッターＥを有する。エミッターＥは絶縁層ＢＯＸを貫通した接触ＩＰによって、絶縁層ＢＯＸの真下のベース基板内に埋め込まれた注入ラインＩＬに接続される。注入ラインＩＬは従って、ベース基板内に第２の半導体層を形成する。
図１から３に示された例において、薄い層内の第１の領域および第２の領域は同じタイプ（図１、２ではｎ＋、図３ではｐ＋）の導電性を有し、よって内部接続Ｉ１、Ｉ２、ＩＮ、ＩＰは同じタイプの導電性を有する半導体材料によって提供される。
ドープされた半導体材料を用いたアクセスラインを提供することは、金属接続の使用を避けることが理解される。
さらに、これらラインを埋め込むことは全面表面上の表面を自由にする。この構造は、埋め込みアクセスラインが複数のメモリセルの真下に延びることができる限り、比較的柔軟性があり、単一の接続はラインよって複数のセルに対応する必要がある。
埋め込みライン（図１ではビットライン、図２ではソースライン、図３では注入ライン）は、ダイオードを生成するために、外側の強調された孤立としての役割を果たすため、逆の導電性の井戸Ｗによってベース基板から孤立しているのが望ましい。
しかし、本発明は、第１の領域と第２の領域とが逆の導電性である場合にも拡張する。この場合、接触はｐ−ｎ接合を提供できる。
接触は第１の領域と同じ導電性の上部領域と、第２の領域と同じ導電性の下部領域とを有する。
ほかの実施形態において、接触は金属の性質の材料、とくにシリサイド（たとえばＷＳｉＯ２）によって提供されても良い。
メモリトランジスタは図１、２、３に示されていたとしても、本発明はロジックＭＯＳトランジスタの間の接続のすべてのタイプに適応できることは明らかであることに注目されたい。
本発明の第１の側面に関する半導体デバイスの様々な実施形態は、図４から９を参照しながら、以下に記述される。
図４は、埋め込み絶縁層３によってベース基板２から隔離された薄い層１を含むＳｅＯＩ基板を示す。薄い層１は概して、デバイスが十分枯渇させられたか部分的に枯渇させられたかに依存して、数ｎｍから数１０ｎｍの間の厚さを有する。絶縁層３は１ｎｍから数１０ｎｍの間の厚さを有する。
第１の半導体領域４は絶縁層上の薄い層１内に位置し、第２の半導体領域５は絶縁層の下のベース基板内に位置する。
第１および第２の領域４、５は以下に示す内部接続形成前に提供される必要はなく、この形成の間、または内部接続が形成されてから提供されても良い。
図５を参照すると、半導体基板は埋め込み絶縁層を超えて、第１の領域４を貫通し、第２の領域５に到達するまで延びた溝６を内部に形成するためにエッチングされる。
図６に示すように、溝６は内部接続材料７によって充填されている。
内部接続材料は金属（たとえばシリサイド：ＷＳｉＯ２）であってよい。よって、オーミック接続が絶縁層を貫通して第１の層４と第２の層５との間に形成される。
内部接続材料は半導体材料であることが望ましく、典型的にはＳｅＯＩ基板の薄い層と同じ材料である。
ＳｅＯＩ基板においてたとえば、溝を埋めるためにＳｅＯＩ基板の表面上にアモルファスまたは多結晶シリコンを堆積させる。
代わりに、シリコンの原子層をＡＬＤ（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって堆積させても良い。
次に、リソグラフィーマスクがＳｅＯＩ基板の表面上に位置し、マスクは保持することを望まれる領域を覆う。領域に覆われられていない堆積した材料はエッチングされる（図７ａ）。
変形型として（図７ｂ）、リソグラフィーマスクは使用されず、ＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）型の局所エッチング工程が施され、基板の表面のすべての堆積された材料が取り除かれている。
堆積される材料はドープされるのが望ましい。よって、接続される領域がどちらもｎ＋型導電性（図１、２）またはどちらもｐ＋型導電性（図３）である場合、堆積される材料はそれぞれｎ＋またはｐ＋型導電性である。
よって方法は２つの経路を要求することに注意されたい：一つはある溝をｎ＋Ｓｉで充填し、もう1つは他の溝をｐ＋Ｓｉで充填することである。よって短絡の危険を回避するためにリソグラフィーマスクを使用することが望ましい。
この点で、金属内部接続の作製は1つの充填されたパスのみを要求することに注意されたい。
変形型として、材料を順番にドープしても良い。接続する２つの領域が同じ導電性のタイプを有する場合、第１の領域、絶縁層および第２の領域に位置する溝の領域は同じタイプのドーピングをなされる。
第１の領域４がＳｅＯＩ基板の全面表面に接続されていない、図８に示す場合、溝の上部領域８および下部領域９は逆の導電性を有し、上部領域と下部領域の境界は第１の領域４上の薄い層１と同じレベルに位置する。よって接続する領域がｐ＋型の場合、溝の下部領域はｐ＋型であり、第１の領域４上の上部領域はｎ＋型であり、接点は薄い単結晶層内に作られる。逆の型のこれら導電性は、示された例においては、上部領域にｎ＋型ドーピングを、下部領域にｐ＋型ドーピングを、注入またはエピタキシによって得ることができる。
本発明はまた、ｐｎ接合型の、逆の型の導電性を有する、接続する第１および第２の領域の図９に示す場合に拡張する。詳細は述べたように、溝内に、逆の導電性型の上部領域８と下部領域９を形成する（上部領域は第１の領域と同じ型、たとえばｎ＋型の導電性を有し、下部領域は第２の領域と同じ型、たとえばｐ＋型の導電性を有する）。溝の上部領域と下部領域の境界はｐｎ接合の位置を定める。この接合は絶縁層と同じレベルになるよう選択されるのが望ましい。
溝がドープされていない半導体材料で充填された場合、第１の領域４および第２の領域５から接触にドーパントが拡散するため、アニーリング工程を施すことができることに注意されたい。第１の領域４および第２の領域５のドーピングのレベルは、接触に向かってドーピングのレベルの希釈を考慮するために、最初は非常に高くなければならない（１０２０のオーダー）。領域４および５が同じ極性の場合、オーミックコンタクトが生成される。逆に、領域４および５が逆にドープされていると、ダイオードが生成される。こうして生成されたダイオードは特に、注入のための４番目のドライブ電極を形成することによってメモリセルのバイポーラトランジスタに関連付けることができ（図３）、よってメモリセルを書き込み、消去のためにより低い電圧で操作することができる。

Claims (14)

  1. 半導体材料の薄い層と、
    ベース基板と、
    前記薄い層と前記ベース基板とを隔離する埋め込み絶縁層と、
    を含み、前記薄い層は電界効果トランジスタのソース領域及びチャネル領域を含み、前記ベース基板は埋め込み注入ラインを含む、ＳｅＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に作製された半導体デバイスであって、前記半導体デバイスは、
    前記薄い層内の第１の伝導領域と、
    前記ベース基板内の第２の伝導領域であって、前記第２の伝導領域は前記埋め込み注入ラインに含まれる、第２の伝導領域と、
    前記埋め込み絶縁層を貫通して前記第１の伝導領域と前記第２の伝導領域とを接続する接触部と、を含み、
    前記第１の伝導領域は、バイポーラトランジスタのエミッター、前記電界効果トランジスタの前記ソース領域によって形成される前記バイポーラトランジスタのベースおよび前記電界効果トランジスタの前記チャネル領域によって形成される前記バイポーラトランジスタのコレクタを構成することを特徴とする半導体デバイス。
  2. 前記第２の伝導領域はバックコントロールゲート領域であり、前記第１の伝導領域はバックコントロールゲートドライブラインに属することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
  3. 前記接触部はドープされた半導体内部接続材料によって形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイス。
  4. 前記接触部は、前記第１の伝導領域と同じ型の導電性である下部領域と、逆の型の導電性である上部領域とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  5. 前記上部領域と前記下部領域との境界は前記埋め込み絶縁層と同じ水平面上に位置することを特徴とする請求項４に記載の半導体デバイス。
  6. 前記上部領域と前記下部領域との境界は前記第１の伝導領域上の前記薄い層と同じ水平面上に位置することを特徴とする請求項４に記載の半導体デバイス。
  7. 半導体材料の薄い層と、
    ベース基板と、
    前記薄い層と前記ベース基板との間に埋め込まれ、前記薄い層と前記ベース基板とを隔離する埋め込み絶縁層と、
    を含み、前記薄い層は電界効果トランジスタのソース領域及びチャネル領域を含み、前記ベース基板は埋め込み注入ラインを含む、ＳｅＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に作製された半導体デバイスを製作するプロセスであって、前記半導体デバイスは、
    前記薄い層内の第１の伝導領域と、
    前記ベース基板内の第２の伝導領域であって、前記第２の伝導領域は前記埋め込み注入ライン内に含まれる、第２の伝導領域と、を含み、
    前記第１の伝導領域は、バイポーラトランジスタのエミッター、前記電界効果トランジスタの前記ソース領域によって形成される前記バイポーラトランジスタのベースおよび前記電界効果トランジスタの前記チャネル領域によって形成される前記バイポーラトランジスタのコレクタを構成し、
    前記プロセスは、前記埋め込み絶縁層を貫通して前記第１の伝導領域と前記第２の伝導領域を接続する接触部を形成するステップを含むことを特徴とするプロセス。
  8. 前記接触部を形成するために、
    前記半導体基板内に、前記埋め込み絶縁層を越えて、前記第１の伝導領域を貫通し、前記第２の伝導領域に到達するまで延びている溝（６）を形成するために前記半導体基板をエッチングするステップと、
    内部接続材料によって前記溝を充填するステップと
    が実行されることを特徴とする請求項７に記載のプロセス。
  9. 前記内部接続材料は事前にドープされた半導体材料であることを特徴とする請求項８に記載のプロセス。
  10. 前記内部接続材料は半導体材料であり、前記溝内の前記半導体材料にドーピングするステップを更に含むことを特徴とする請求項９に記載のプロセス。
  11. 前記溝内の前記半導体材料にドーピングするステップは、前記溝内にドーパントを拡散させるアニーリング工程によって実行されることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス。
  12. 前記溝の上部領域（８）と下部領域（９）が逆の型の導電性を有することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載のプロセス。
  13. 前記上部領域と前記下部領域との境界は前記埋め込み絶縁層と同じ水平面上に位置することを特徴とする請求項１２に記載のプロセス。
  14. 前記上部領域と前記下部領域との境界は前記第１の伝導領域上の前記薄い層と同じ水平面上に位置することを特徴とする請求項１２に記載のプロセス。
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