JP5685351B1 - 柱状半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
半導体基板上に半導体柱を形成する半導体柱形成工程と、
前記半導体柱の内部に、ドナー及び/又はアクセプタ不純物を含み、少なくとも一つの不純物層からなる第1の不純物領域を形成する第1不純物領域形成工程と、
前記半導体柱の外周部を囲むように第1の絶縁層を形成する第1絶縁層形成工程と、
前記第1の絶縁層の外周部を囲むように導電層を形成する導電層形成工程と、
前記導電層の外周部を囲むように第2の絶縁層を形成する第2絶縁層形成工程と、
前記第1の不純物領域の下端近傍に上表面が位置する第3の絶縁層を形成する第3絶縁層形成工程、及び、前記導電層の側面において、高さ方向の中間に上表面が位置する第4の絶縁層を形成する第4絶縁層形成工程の内の、少なくとも一方を含む層間絶縁層形成工程と、
前記第3の絶縁層の上表面よりも上方において前記第1の不純物領域の側面の外周に位置する、前記第1の絶縁層、前記導電層、及び前記第2の絶縁層の一部をエッチングによって除去することで、不純物領域側面コンタクト部を形成する不純物領域側面コンタクト部形成工程、及び、前記第4の絶縁層の上表面よりも上方において前記導電層の外周に位置する前記第2の絶縁層の一部をエッチングによって除去することで導電層側面コンタクト部を形成する導電層側面コンタクト部形成工程の内の、少なくとも一方を含む側面コンタクト部形成工程と、
前記半導体柱の上方から前記半導体基板の上表面に対して垂直な方向に沿って、少なくとも導電材料を構成する原子を含む原子群を注入することで、前記第3の絶縁層上に、前記不純物領域側面コンタクト部が空間となり、且つ、前記不純物領域側面コンタクト部の上端部の近傍に上表面の高さが位置するように第1の材料層を形成する工程、及び、前記第4の絶縁層上に、前記導電層側面コンタクト部が空間となり、且つ、前記導電層側面コンタクト部の上端よりも上表面の高さが上方となるように第2の材料層を形成する工程の内の、少なくとも一方を含む材料層堆積工程と、
熱処理を行うことにより、前記第1の材料層又は前記第2の材料層の形状を変化させる熱処理工程と、を有し、
前記熱処理工程には、前記第1の材料層が膨張することで前記第1の不純物領域の側面に接続する工程、及び、前記第2の材料層が膨張することで前記導電層の側面に接続する工程の内の、少なくとも一方からなる材料層接続工程が含まれる、
ことを特徴とする。
前記第1の不純物領域及び前記第2の不純物領域の一方がソースとなる場合に他方がドレインとなり、前記第1の絶縁層がゲート絶縁層として機能し、前記導電層がゲート導体層として機能するSGT(Surrounding Gate MOS Transistor)が形成される、
ことが望ましい。
前記第5絶縁層形成工程の後に、前記熱処理工程を行う、
ことが望ましい。
前記半導体材料からなる前記第1の材料層又は前記第2の材料層の上表面及び下面の内の少なくとも一方に接するように、金属を含む第1の金属材料層を形成する第1金属材料層形成工程をさらに有し、
前記熱処理工程では、熱処理を行うことにより、前記第1の材料層及び前記第2の材料層の内の少なくとも一方に前記第1の金属材料層から金属原子を拡散させることで第1の合金層が形成され、前記第1の合金層が膨張することで前記材料層接続工程が行なわれる、
ことが望ましい。
前記熱処理工程では、熱処理を行うことにより、前記第2の金属材料層を塑性変形させて膨張することで前記材料層接続工程が行なわれる、
ことが望ましい。
前記第1の不純物領域の側部表層に、前記第1の合金層と同じ組成からなる第2の合金層を形成する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物領域を横方向に貫通するように、前記第1の合金層と同じ組成からなる第3の合金層を形成する、
ことが望ましい。
ことが望ましい。
前記熱処理工程において、熱処理を行うことにより、前記第1の材料層が膨張することで、前記半導体材料層の側面に接続される、
ことが望ましい。
以下、図1A〜図1Lを参照しながら、本発明の第1実施形態に係る、SGTを有するCMOSインバータ回路の製造方法について説明する。
1.従来方法では、Si柱6の側面に開口部21aを形成し、この開口部21aのN+領域2a及びP+領域3aの側部表面からSi柱6の内部に、Si柱6と異なる熱膨張係数のNiシリサイド層を直接的に形成する。このような従来方法では、互いに熱膨張係数の異なるSi柱とNiシリサイド層とにより生じる熱応力ひずみによってSi柱6に曲がりや倒れが発生し易い。これに対して、第1実施形態では、Si層15a、Ni層16aは、Si、Ni原子をi層基板1の上表面に対して垂直な方向から入射することで形成されている。これによって、Si層15aと、N+領域2a及びP+領域3aとの間に空間17を形成している。そして、その後の熱処理によって、Si層15aをシリサイド化することでNiSi層18が形成されている際に、このNiSi層18が膨張することで、空間17において、N+領域2a及びP+領域3aにNiSi層18が接続されている。これによって、Si柱6を囲むSi層15a又はNiSi層18、18aは、Si柱6の曲がりや倒れを防止する役割を果たすとともに、N+領域2a及びP+領域3aに、NiSi層が直接的に形成されないので、Si柱6の曲がり及び倒れが防止される。
2.Si層15a、Ni層16aは、Si、Ni原子をi層基板1の上表面に対して垂直な方向から入射させることで形成されているので、Si、Ni原子はSi柱6の外周部にあるSiO2層11cの側面には堆積されない。このため、SiO2層11cの側面に堆積されたSi層及びNi層を除去する工程は不要となる。これによって、CMOS型インバータ回路の製造方法が簡易化される。
以下、図2A、図2Bを参照しながら、本発明の第2実施形態に係る、SGTを有するCMOSインバータ回路の製造方法について説明する。第2実施形態のCMOSインバータ回路は、以下に説明する構造上の相違点が生じたこと以外は、第1実施形態の図1A〜図1Lに示す工程と同様な工程によって製造される。
1.NiSi層32は、N+領域2a及びP+領域3aと、高さ方向で均一に接触することが望ましい。第1実施形態ではSi層15a上においてP+領域3aの上表面近傍の高さにNi層16aが形成されているため、NiSi層18の空間17内での膨張度合は上下方向で異なる。これに対して、第2実施形態では、N+領域2aとP+領域3aとの境界面近傍の高さに形成されたNi層31aの上下に、略同じ厚さのSi層30a、30bが形成されているため、その後の熱処理によってNi層31aから形成されたNiSi層32は、Ni層31aの上下に均等に膨らみ、N+領域2a及びP+領域3aと均一に接続するようになる。
2.Ni層31aは、Si層30a、30bに挟まれているため、Niシリサイド化後において、第1実施形態のNi層16aのように除去することができない。このため、Niシリサイド化後において、NiSi層32内にNi層が残存することがあり、Ni層31aのNi原子が全てSi層30a、30bへ拡散されて消費されても、Ni層31aが存在した空間がNiSi層32とならず空孔が発生したりする。このような空孔の発生が存在すると、NiSi層18aを加工形成した際に、洗浄液による空孔内の汚染、空孔を介しての異常エッチングなどの不具合が発生する。これに対して、Ni層31aを、少なくともNiシリサイド工程後において、NiSi層32内に空孔を生じさせない程度の厚さに設定することで、このような不具合を防止することができる。
以下、図3を参照しながら、本発明の第3実施形態に係る、SGTを有するCMOSインバータ回路について説明する。
以下、図4A、図4Bを参照しながら、本発明の第4実施形態に係る、SGTを有するCMOSインバータ回路について説明する。
以下、図5A〜図5Cを参照しながら、本発明の第5実施形態に係る、SGTを有するCMOSインバータ回路について説明する。
以下、図6を参照しながら、本発明の第6実施形態に係る、SGTを有するCMOSインバータ回路について説明する。
以下、図7を参照しながら、本発明の第7実施形態に係る、SGTを有する半導体装置について説明する。
以下、図8A、図8Bを参照しながら、本発明の第8実施形態に係る、SGTを有する半導体装置について説明する。
以下、図9A〜図9Dを参照しながら、本発明の第8実施形態に係る、SGTを有する半導体装置について説明する。第9実施形態のCMOSインバータ回路は、以下に説明する構造上の相違点以外は、第1実施形態の図1A〜図1Lに示す工程と同様な工程によって製造される。
1a、4、4a i層
2、2a、7、7a N+領域
3、3a、24 P+領域
5、5a、8、11、11a、11b、11c、11d、23、27、33a、33b、35、41a、41b SiO2層
6 Si柱
9、9a、9b、9c HfO2層
10、10a、10b、10c、10d、40a、40b、40c TiN層
12、20 SiN層
13 レジスト層
14a、14b TiO層
15a、15b、30a、30b、30c、30d、30aa、30bb、43 Si層
17、17a、17b 空間
18、18a、19a、19b、19c、22、23a、23b、23c、29、30a、30b、32a、36、38、45 NiSi層
21a、21b 開口部
28a、28b、28c、28d、43a、43b、43c、43d コンタクトホール
31a、31b、31aa、44 Ni層
37a、37b Ni−Si層
42、42a ポリSi層
Vin 入力配線金属層
Vdd 電源配線金属層
Vout 出力配線金属層
Vss グランド配線金属層
V1、V2 配線金属層
Claims (9)
- 半導体基板上に半導体柱を形成する半導体柱形成工程と、
前記半導体柱の内部に、ドナー及び/又はアクセプタ不純物を含み、少なくとも一つの不純物層からなる第1の不純物領域を形成する第1不純物領域形成工程と、
前記半導体柱の外周部を囲むように第1の絶縁層を形成する第1絶縁層形成工程と、
前記第1の絶縁層の外周部を囲むように導電層を形成する導電層形成工程と、
前記導電層の外周部を囲むように第2の絶縁層を形成する第2絶縁層形成工程と、
前記第1の不純物領域の下端近傍に上表面が位置する第3の絶縁層を形成する第3絶縁層形成工程、及び、前記導電層の側面において、高さ方向の中間に上表面が位置する第4の絶縁層を形成する第4絶縁層形成工程の内の、少なくとも一方を含む層間絶縁層形成工程と、
前記第3の絶縁層の上表面よりも上方において前記第1の不純物領域の側面の外周に位置する、前記第1の絶縁層、前記導電層、及び前記第2の絶縁層の一部をエッチングによって除去することで、不純物領域側面コンタクト部を形成する不純物領域側面コンタクト部形成工程、及び、前記第4の絶縁層の上表面よりも上方において前記導電層の外周に位置する前記第2の絶縁層の一部をエッチングによって除去することで導電層側面コンタクト部を形成する導電層側面コンタクト部形成工程の内の、少なくとも一方を含む側面コンタクト部形成工程と、
前記半導体柱の上方から前記半導体基板の上表面に対して垂直な方向に沿って、少なくとも導電材料を構成する原子を含む原子群を注入することで、前記第3の絶縁層上に、前記不純物領域側面コンタクト部が空間となり、且つ、前記不純物領域側面コンタクト部の上端部の近傍に上表面の高さが位置するように第1の材料層を形成する工程、及び、前記第4の絶縁層上に、前記導電層側面コンタクト部が空間となり、且つ、前記導電層側面コンタクト部の上端よりも上表面の高さが上方となるように第2の材料層を形成する工程の内の、少なくとも一方を含む材料層堆積工程と、
熱処理を行うことにより、前記第1の材料層又は前記第2の材料層の形状を変化させる熱処理工程と、を有し、
前記熱処理工程には、前記第1の材料層が膨張することで前記第1の不純物領域の側面に接続する工程、及び、前記第2の材料層が膨張することで前記導電層の側面に接続する工程の内の、少なくとも一方からなる材料層接続工程が含まれる、
ことを特徴とする柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の不純物領域を構成するそれぞれの不純物層と同じ導電型の第2の不純物領域を、前記半導体柱の下部及び/又は上部に形成する第2不純物領域形成工程をさらに有し、
前記第1の不純物領域及び前記第2の不純物領域の一方がソースとなる場合に他方がドレインとなり、前記第1の絶縁層がゲート絶縁層として機能し、前記導電層がゲート導体層として機能するSGT(Surrounding Gate MOS Transistor)が形成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の材料層及び前記第2の材料層の内の少なくとも一方を形成した後に、前記第1の材料層及び前記第2の材料層上に第5の絶縁層を形成する第5絶縁層形成工程をさらに有し、
前記第5絶縁層形成工程の後に、前記熱処理工程を行う、
ことを特徴とする請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の材料層及び前記第2の材料層の内の少なくとも一方が、半導体材料からなり、
前記半導体材料からなる前記第1の材料層又は前記第2の材料層の上表面及び下面の内の少なくとも一方に接するように、金属を含む第1の金属材料層を形成する第1金属材料層形成工程をさらに有し、
前記熱処理工程では、熱処理を行うことにより、前記第1の材料層及び前記第2の材料層の内の少なくとも一方に前記第1の金属材料層から金属原子を拡散させることで第1の合金層が形成され、前記第1の合金層が膨張することで前記材料層接続工程が行なわれる、
ことを特徴とする請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の材料層及び前記第2の材料層の内の少なくとも一方に金属を含有させて第2の金属材料層を形成する第2金属材料層形成工程をさらに有し、
前記熱処理工程では、熱処理を行うことにより、前記第2の金属材料層を塑性変形させて膨張することで前記材料層接続工程が行なわれる、
ことを特徴とする請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の合金層が膨張することで前記第1の不純物領域の側面に接続する前記材料層接続工程において、
前記第1の不純物領域の側部表層に、前記第1の合金層と同じ組成からなる第2の合金層を形成する、
ことを特徴とする請求項4に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の合金層が膨張することで前記第1の不純物領域の側面に接続する前記材料層接続工程において、
前記第1の不純物領域を横方向に貫通するように、前記第1の合金層と同じ組成の第3の合金層を形成する、
ことを特徴とする請求項4に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記材料層接続工程において、前記第1の不純物領域の一部に、前記第2の金属材料層に含まれる金属原子を含む第4の合金層を形成する、
ことを特徴とする請求項5に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記不純物領域側面コンタクト部における前記第1の不純物領域の外周を囲むように半導体材料層を形成する半導体材料層形成工程をさらに有し、
前記熱処理工程において、熱処理を行うことにより、前記第1の材料層が膨張することで、前記半導体材料層の側面に接続される、
ことを特徴とする請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。
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