JP5989238B2 - 半導体装置、及び、半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、及び、半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は半導体装置、及び、半導体装置の製造方法に関する。
半導体集積回路、特にＭＯＳトランジスタを用いた集積回路は、高集積化の一途を辿っている。この高集積化に伴って、その中で用いられているＭＯＳトランジスタはナノ領域まで微細化が進んでいる。このようなＭＯＳトランジスタの微細化が進むと、リーク電流の抑制が困難であり、必要な電流量確保の要請から回路の占有面積をなかなか小さくできない、といった問題があった。このような問題を解決するために、基板に対してソース、ゲート、ドレインが垂直方向に配置され、ゲート電極が柱状半導体層を取り囲む構造のSurrounding Gate Transistor（以下、「ＳＧＴ」という。）が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３を参照）。
従来のＳＧＴを用いたインバータでは、一本のシリコン柱に一個のトランジスタが形成され、１本のシリコン柱からなるｎＭＯＳトランジスタと１本のシリコン柱からなるｐＭＯＳトランジスタが平面上に形成されている（例えば特許文献４を参照）。少なくとも２本のシリコン柱が平面上に形成されているため、少なくとも２本のシリコン柱分の面積が必要となる。
従来の不揮発性メモリにおいて、一本のシリコン柱に複数のゲートが形成されている（例えば特許文献５を参照）。シリコン柱の側壁にゲート絶縁膜が形成され、シリコン柱の上部端と下部端でソース線、ビット線が接続されている。
特開平２−７１５５６号公報 特開平２−１８８９６６号公報 特開平３−１４５７６１号公報 特開２００８−３００５５８号公報 特開２０１４−５７０６８号公報
そこで、高集積な半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成された第１の柱状半導体層と、前記第１の柱状半導体層に形成された第１の第１導電型半導体層と、前記第１の柱状半導体層に形成された前記第１の第１導電型半導体層より高い位置にある第３の第１導電型半導体層と、 前記第１の第１導電型半導体層と第３の第１導電型半導体層とに挟まれた領域の前記第１の柱状半導体層の周囲に形成された第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁膜の周囲に形成された第１のゲートと、前記第１の第１導電型半導体層と第３の第１導電型半導体層とに挟まれた領域の前記第１の柱状半導体層の周囲に形成された第２のゲート絶縁膜と、前記第２のゲート絶縁膜の周囲に形成された第２のゲートと、前記第１のゲートと前記第２のゲートは接続されていることを特徴とする。
また、前記半導体基板上に形成された第４の第１導電型半導体層と、前記半導体基板上に形成された前記第１の柱状半導体層であって、前記第１の第１導電型半導体層と第１のボディ領域、第２の第１導電型半導体層、第２のボディ領域、前記第３の第１導電型半導体層、第１の第２導電型半導体層、第２のボディ領域、第２の第２導電型半導体層、第３の第２導電型半導体層が基板側からこの順に形成された前記第1の柱状半導体層と、前記第１のボディ領域の周囲に形成された前記第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁膜の周囲に形成された前記第１のゲートと、前記第２のボディ領域の周囲に形成された前記第２のゲート絶縁膜と、前記第２のゲート絶縁膜の周囲に形成された前記第２のゲートと、前記第３のボディ領域の周囲に形成された第３のゲート絶縁膜と、前記第３のゲート絶縁膜の周囲に形成された第３のゲートと、前記第３の第１導電型半導体層と前記第１の第２導電型半導体層とに接続する出力端子と、前記第１のゲートと前記第２のゲートと前記第３のゲートとを接続する第１のコンタクトと、を有することを特徴とする。
また、前記出力端子は半導体であって、前記出力端子にさらに形成された前記第３の第１導電型半導体層と前記第１の第２導電型半導体層とを有することを特徴とする。
また、前記第１のゲート絶縁膜は前記第１のゲートの上面と下面にさらに形成され、前記第２のゲート絶縁膜は前記第２のゲートの上面と下面にさらに形成され、前記第３のゲート絶縁膜は前記第３のゲートの上面と下面にさらに形成されていることを特徴とする。
また、前記第３の第１導電型半導体層と前記第１の第２導電型半導体層との間に形成された第１の接続領域を有することを特徴とする。
また、前記第１の第１導電型半導体層を取り囲む第１の絶縁膜と、前記第２の第１導電型半導体層を取り囲む第２の絶縁膜と、前記第３の第１導電型半導体層を取り囲む第３の絶縁膜と、を有し、前記第１の絶縁膜は、前記第１の第１導電型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、前記第２の絶縁膜は、前記第２の第１導電型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、 前記第３の絶縁膜は、前記第３の第１導電型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、前記第１の第２導電型半導体層を取り囲む第４の絶縁膜と、前記第２の第２導電型半導体層を取り囲む第５の絶縁膜とを有し、前記第４の絶縁膜は、前記第１の第２導電型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、前記第５の絶縁膜は、前記第２の第２導電型半導体層の不純物と同じ不純物を有することを特徴とする。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、第４の第１導電型半導体層が形成された基板上に、第１の導電型の不純物を含む酸化膜である第１の絶縁膜を堆積し、窒化膜である第６の絶縁膜を堆積し、第１の導電型の不純物を含む酸化膜である第２の絶縁膜を堆積し、窒化膜である第７の絶縁膜を堆積し、第１の導電型の不純物を含む酸化膜である第３の絶縁膜を堆積し、前記第１の絶縁膜、第６の絶縁膜、第２の絶縁膜、第７の絶縁膜をエッチングしコンタクト孔を形成し、前記コンタクト孔にエピタキシャル成長により第１の柱状シリコン層を形成し、前記第６の絶縁膜と前記第７の絶縁膜を除去し、第１のゲートと第２のゲートを形成し、前記第１のゲートと前記第２のゲートを接続するコンタクトを形成することを特徴とする。
また、前記コンタクト孔にエピタキシャル成長により第１の柱状シリコン層を形成した後に、熱処理を行うことにより、第１の柱状シリコン層に第１の第１導電型半導体層と第２の第１導電型半導体層と第３の第１導電型半導体層とを形成することを特徴とする。
本発明によれば、高集積な半導体装置を提供することを提供することができる。
半導体基板上に形成された第１の柱状半導体層と、前記第１の柱状半導体層に形成された第１の第１導電型半導体層と、前記第１の柱状半導体層に形成された前記第１の第１導電型半導体層より高い位置にある第３の第１導電型半導体層と、前記第１の第１導電型半導体層と第３の第１導電型半導体層とに挟まれた領域の前記第１の柱状半導体層の周囲に形成された第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁膜の周囲に形成された第１のゲートと、 前記第１の第１導電型半導体層と第３の第１導電型半導体層とに挟まれた領域の前記第１の柱状半導体層の周囲に形成された第２のゲート絶縁膜と、前記第２のゲート絶縁膜の周囲に形成された第２のゲートと、前記第１のゲートと前記第２のゲートは接続されていることを特徴とすることにより、ゲート長が二倍の半導体装置を実現することができる。ゲート長が長いゲートを実現しようとすると、ゲート長分の高さのリセス領域を埋めるため、原子層堆積で金属を厚く堆積しなければならず、原子層堆積は原子層毎に堆積するため堆積時間が長くかかり、製造時間が増大する。一方、本発明は、それぞれのゲートのためのリセス領域の高さを押さえることができるため、原子層堆積で金属を薄く堆積することがき、原子層堆積の堆積時間を短くすることができ、製造時間を減少できる。
また、前記半導体基板上に形成された第４の第１導電型半導体層と、前記半導体基板上に形成された前記第１の柱状半導体層であって、前記第１の第１導電型半導体層と第１のボディ領域、第２の第１導電型半導体層、第２のボディ領域、前記第３の第１導電型半導体層、第１の第２導電型半導体層、第２のボディ領域、第２の第２導電型半導体層、第３の第２導電型半導体層が基板側からこの順に形成された前記第1の柱状半導体層と、前記第１のボディ領域の周囲に形成された前記第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁膜の周囲に形成された前記第１のゲートと、前記第２のボディ領域の周囲に形成された前記第２のゲート絶縁膜と、前記第２のゲート絶縁膜の周囲に形成された前記第２のゲートと、前記第３のボディ領域の周囲に形成された第３のゲート絶縁膜と、前記第３のゲート絶縁膜の周囲に形成された第３のゲートと、前記第３の第１導電型半導体層と前記第１の第２導電型半導体層とに接続する出力端子と、前記第１のゲートと前記第２のゲートと前記第３のゲートとを接続する第１のコンタクトと、を有することを特徴とすることにより、一本の半導体柱で形成されたインバータが形成されるため、１本の半導体柱分の面積でインバータを実現することができる。また、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とすると、第１のゲートと第２のゲートからなるｎ型トランジスタの電流量と、第３のゲートからなるｐ型トランジスタの電流量を等しくすることができ、回路しきい値を電源電圧の半分とすることができる。
また、出力端子を半導体、例えばシリコンで形成すると、窒化膜を除去するときに使用する熱燐酸によりシリコンはエッチングされないため、第１のゲートと第２のゲートと第３のゲートを同時に形成することができる。また、出力端子をシリサイド化することができる。
また、前記第１のゲート絶縁膜は前記第１のゲートの上面と下面にさらに形成され、前記第２のゲート絶縁膜は前記第２のゲートの上面と下面にさらに形成され、前記第３のゲート絶縁膜は前記第３のゲートの上面と下面にさらに形成されていることにより、第１のゲートの上下方向の絶縁と、第２のゲートの上下方向の絶縁と、第３のゲートの上下方向の絶縁を確かなものとすることができる。
また、前記第３の第１導電型半導体層と前記第１の第２導電型半導体層との間に形成された第１の接続領域を有することにより、第３の第１導電型半導体層と第１の第２導電型半導体層とを分離することができ、接続領域に延在する第３の第１導電型半導体層と第１の第２導電型半導体層と出力端子を接続することができる。
また、前記第１の第１導電型半導体層を取り囲む第１の絶縁膜と、前記第２の第１導電型半導体層を取り囲む第２の絶縁膜と、前記第３の第１導電型半導体層を取り囲む第３の絶縁膜と、を有し、前記第１の絶縁膜は、前記第１の第１導電型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、前記第２の絶縁膜は、前記第２の第１導電型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、 前記第３の絶縁膜は、前記第３の第１導電型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、前記第１の第２導電型半導体層を取り囲む第４の絶縁膜と、前記第２の第２導電型半導体層を取り囲む第５の絶縁膜とを有し、前記第４の絶縁膜は、前記第１の第２導電型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、前記第５の絶縁膜は、前記第２の第２導電型半導体層の不純物と同じ不純物を有することを特徴とすることにより、固相拡散により、一本の柱状半導体層に異なる導電型の半導体層を形成することができる。
（ａ）は本発明に係る半導体装置の平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。 （ａ）は本発明に係る半導体装置の製造方法に係る平面図である。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’線での断面図である。（ｃ）は（ａ）のｙ−ｙ’線での断面図である。
以下に、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る半導体装置の構造を図１に示す。本実施例では、半導体をシリコンとしたが、シリコン以外の半導体としてもよい。
シリコン基板１０１上に形成された第１の柱状シリコン層１１６と、前記第１の柱状シリコン層１１６に形成された第１の第１導電型シリコン層１２５と、前記第１の柱状シリコン層１１６に形成された前記第１の第１導電型シリコン層１２５より高い位置にある第３の第１導電型シリコン層１２９と、前記第１の第１導電型シリコン層１２５と第３の第１導電型シリコン層１２９とに挟まれた領域の前記第１の柱状シリコン層１１６の周囲に形成された第１のゲート絶縁膜１２３ｃと、前記第１のゲート絶縁膜１２３ｃの周囲に形成された第１のゲート１２４ｃと、 前記第１の第１導電型シリコン層１２５と第３の第１導電型シリコン層１２９とに挟まれた領域の前記第１の柱状シリコン層１１６の周囲に形成された第２のゲート絶縁膜１２３ｂと、前記第２のゲート絶縁膜１２３ｂの周囲に形成された第２のゲート１２４ｂと、前記第１のゲート１２４ｃと前記第２のゲート１２４ｂは接続されていることを特徴とする。
前記シリコン基板１０１上に形成された第４の第１導電型シリコン層１０２と、前記シリコン基板１０１上に形成された前記第１の柱状シリコン層１１６であって、前記第１の第１導電型シリコン層１２５と第１のボディ領域１２６、第２の第１導電型シリコン層１２７、第２のボディ領域１２８、前記第３の第１導電型シリコン層１２９、第１の第２導電型シリコン層１３１、第３のボディ領域１３２、第２の第２導電型シリコン層１３３、第３の第２導電型シリコン層１１７が基板側からこの順に形成された前記第1の柱状シリコン層１１６と、前記第１のボディ領域１２６の周囲に形成された前記第１のゲート絶縁膜１２３ｃと、前記第１のゲート絶縁膜１２３ｃの周囲に形成された前記第１のゲート１２４ｃと、前記第２のボディ領域１２８の周囲に形成された前記第２のゲート絶縁膜１２３ｂと、前記第２のゲート絶縁膜１２３ｂの周囲に形成された前記第２のゲート１２４ｂと、前記第３のボディ領域１３２の周囲に形成された第３のゲート絶縁膜１２３ａと、前記第３のゲート絶縁膜１３２ａの周囲に形成された第３のゲート１２４ａと、前記第３の第１導電型シリコン層１２９と前記第１の第２導電型シリコン層１３１とに接続する出力端子１２２と、前記第１のゲート１２４ｃと前記第２のゲート１２４ｂと前記第３のゲート１２４ａとを接続する第１のコンタクト１４６と、を有することを特徴とする。
前記出力端子１２２はシリコンであって、前記出力端子１２２にさらに形成された前記第３の第１導電型シリコン層１２９と前記第１の第２導電型シリコン層１３１とを有することを特徴とする。
また、出力端子１２２には、シリサイド１４０が形成され、前記第３の第１導電型シリコン層１２９と前記第１の第２導電型シリコン層１３１とが接続される。コンタクトにより、前記第３の第１導電型シリコン層１２９と前記第１の第２導電型シリコン層１３１とを接続してもよい。
第１のゲート１２４ｃと第２のゲート１２４ｂと第３のゲート１２４ａは、トランジスタのしきい値を調整するため、金属であることが好ましい。また、金属は、窒化チタン、窒化アルミチタンが好ましい。また、第１のゲート絶縁膜１２３ｃと第２のゲート絶縁膜１２３ｂと第３のゲート絶縁膜１２３ａは、酸化膜、酸窒化膜、高誘電体膜が好ましい。
前記第１のゲート絶縁膜１２３ｃは前記第１のゲート１２４ｃの上面と下面にさらに形成され、前記第２のゲート絶縁膜１２３ｂは前記第２のゲート１２４ｂの上面と下面にさらに形成され、前記第３のゲート絶縁膜１２３ａは前記第３のゲート１２４ａの上面と下面にさらに形成されていることを特徴とする。
前記第３の第１導電型シリコン層１２９と前記第１の第２導電型シリコン層１３１との間に形成された第１の接続領域１３０を有することを特徴とする。
また、前記第１の第１導電型シリコン層１２５を取り囲む第１の絶縁膜１０３と、前記第２の第１導電型シリコン層１２７を取り囲む第２の絶縁膜１０５と、前記第３の第１導電型シリコン層１２９を取り囲む第３の絶縁膜１０７と、を有し、前記第１の絶縁膜１０３は、前記第１の第１導電型シリコン層１２５の不純物と同じ不純物を有し、前記第２の絶縁膜１０５は、前記第２の第１導電型シリコン層１２７の不純物と同じ不純物を有し、 前記第３の絶縁膜１０７は、前記第３の第１導電型シリコン層１２９の不純物と同じ不純物を有し、前記第１の第２導電型シリコン層１３１を取り囲む第４の絶縁膜１１１と、前記第２の第２導電型シリコン層１３３を取り囲む第５の絶縁膜１１３とを有し、前記第４の絶縁膜１１１は、前記第１の第２導電型シリコン層１３１の不純物と同じ不純物を有し、前記第５の絶縁膜１１３は、前記第２の第２導電型シリコン層１３３の不純物と同じ不純物を有することを特徴とする。
下部のトランジスタがｎＭＯＳの場合、第１の絶縁膜１０３と第２の絶縁膜１０５と第３の絶縁膜１０７は、リンもしくは砒素を高濃度に含む酸化膜が好ましい。上部のトランジスタがｐＭＯＳの場合、第４の絶縁膜１１１と第５の絶縁膜１１３は、ボロンを高濃度に含む酸化膜が好ましい。下部のトランジスタがｐＭＯＳの場合、第１の絶縁膜１０３と第２の絶縁膜１０５と第３の絶縁膜１０７は、ボロンを高濃度に含む酸化膜が好ましい。上部のトランジスタがｎＭＯＳの場合、第４の絶縁膜１１１と前記第５の絶縁膜１１３は、リンもしくは砒素を高濃度に含む酸化膜が好ましい。また、本実施例では、下部に２個のｎＭＯＳを直列に配置し、上部に１個のｐＭＯＳを配置したが、下部に１個のｐＭＯＳを配置し、上部に２個のｎＭＯＳを直列に配置してもよい。また、ｎＭＯＳを複数直列に配置してもよい。また、ｐＭＯＳを複数直列に配置してもよい。
本発明の実施形態に係るＳＧＴの構造を形成するための製造工程を、図２〜図６０を参照して説明する。本実施例では、基板にシリコンを使用したが、他の半導体を用いてもよい。また、本実施例では、柱状半導体層の下部にｎＭＯＳを、上部にｐＭＯＳを形成する工程としたが、下部にｐＭＯＳを、上部にｎＭＯＳを形成してもよい。
図２に示すように、シリコン基板１０１に不純物を導入し、第４の第１導電型シリコン層１０２を形成する。
図３に示すように、第１の絶縁膜１０３を形成する。第１の絶縁膜１０３は、酸化膜が好ましい。リンもしくは砒素を高濃度に含む酸化膜が好ましい。また、第１の絶縁膜１０３を形成後、不純物を注入し、リンもしくは砒素を高濃度に含む酸化膜としてもよい。
図４に示すように、第６の絶縁膜１０４を形成する。第６の絶縁膜１０４は窒化膜が好ましい。
図５に示すように、第２の絶縁膜１０５を形成する。第２の絶縁膜１０５は、酸化膜が好ましい。リンもしくは砒素を高濃度に含む酸化膜が好ましい。また、第２の絶縁膜１０５を形成後、不純物を注入し、リンもしくは砒素を高濃度に含む酸化膜としてもよい。
図６に示すように、第７の絶縁膜１０６を形成する。第７の絶縁膜１０６は窒化膜が好ましい。
図７に示すように、第３の絶縁膜１０７を形成する。第３の絶縁膜１０７は、酸化膜が好ましい。リンもしくは砒素を高濃度に含む酸化膜が好ましい。また、第３の絶縁膜１０７を形成後、不純物を注入し、リンもしくは砒素を高濃度に含む酸化膜としてもよい。
図８に示すように、第８の絶縁膜１０８を形成する。第８の絶縁膜１０８は窒化膜が好ましい。
図９に示すように、第１のレジスト１０９を形成する。
図１０に示すように、第８の絶縁膜１０８をエッチングする。
図１１に示すように、第１のレジスト１０９を除去する。
図１２に示すように、第９の絶縁膜１１０を形成し、平坦化する。第９の絶縁膜１１０は酸化膜が好ましい。
図１３に示すように、第９の絶縁膜１１０をエッチバックし、第８の絶縁膜１０８を露出する。
図１４に示すように、第４の絶縁膜１１１を形成する。第４の絶縁膜１１１は、酸化膜が好ましい。ボロンを高濃度に含む酸化膜が好ましい。また、第４の絶縁膜１１１を形成後、不純物を注入し、ボロンを高濃度に含む酸化膜としてもよい。
図１５に示すように、第１０の絶縁膜１１２を形成する。第１０の絶縁膜１１２は窒化膜が好ましい。
図１６に示すように、第５の絶縁膜１１３を形成する。第５の絶縁膜１１３は、酸化膜が好ましい。ボロンを高濃度に含む酸化膜が好ましい。また、第５の絶縁膜１１３を形成後、不純物を注入し、ボロンを高濃度に含む酸化膜としてもよい。
図１７に示すように、第２のレジスト１１４を形成する。
図１８に示すように、第５の絶縁膜１１３、第１０の絶縁膜１１２、第４の絶縁膜１１１、第８の絶縁膜１０８、第３の絶縁膜１０７、第７の絶縁膜１０６、第２の絶縁膜１０５、第６の絶縁膜１０４、第１の絶縁膜１０３をエッチングし、コンタクト孔１１５を形成する。
図１９に示すように、第２のレジスト１１４を除去する。
図２０に示すように、エピタキシャル成長を行い、第１の柱状シリコン層１１６を形成する。ポリシリコンを堆積してもよい。
図２１に示すように、ボロンの不純物導入を行い、第３の第２導電型シリコン層１１７を形成する。
図２２に示すように、ポリシリコン１１８を堆積する。ポリシリコンを用いたが、ハードマスクとなる材料であればよい。
図２３に示すように、第１１の絶縁膜１１９を堆積する。第１１の絶縁膜１１９は、酸化膜が好ましい。
図２４に示すように、第３のレジスト１２０を形成する。
図２５に示すように、第１１の絶縁膜１１９、ポリシリコン１１８、第５の絶縁膜１１３、第１０の絶縁膜１１２、第４の絶縁膜１１１エッチングする。
図２６に示すように、第３のレジスト１２０を除去する。
図２７に示すように、第１２の絶縁膜１２１を堆積する。第１２の絶縁膜１２１は、酸化膜が好ましい。
図２８に示すように、第１２の絶縁膜１２１をエッチングし、サイドウォール状に残存させる。
図２９に示すように、第８の絶縁膜１０８を除去する。熱燐酸によるウエットエッチングが好ましい。また、ドライエッチングを用いてもよい。
図３０に示すように、シリコンのエピタキシャル成長を行うことにより出力端子１２２を形成する。ポリシリコンを用いてもよい。
図３１に示すように、シリコンエッチングを行うことにより、出力端子１２２の余分な部分を除去する。シリコンエッチングは、ドライエッチングが好ましい。
図３２に示すように、第９の絶縁膜１１０、第３の絶縁膜１０７、第７の絶縁膜１０６、第２の絶縁膜１０５、をエッチングする。ドライエッチングが好ましい。同時に、第１１の絶縁膜１１９、第１２の絶縁膜１２１もエッチングされる。
図３３に示すように、第１２の絶縁膜１２１を除去する。ウエットエッチングといった等方性エッチングが好ましい。
図３４に示すように、第１０の絶縁膜１１２、第７の絶縁膜１０６、第６の絶縁膜１０４を除去する。熱燐酸によるウエットエッチングが好ましい。また、ドライエッチングを用いてもよい。また、出力端子がシリコンで形成されているため、窒化膜を除去するときに使用する熱燐酸によりシリコンはエッチングされない。
図３５に示すように、ゲート絶縁膜１２３を形成する。ゲート絶縁膜１２３は、酸化膜、酸窒化膜、高誘電体膜が好ましい。
図３６に示すように、ゲートとなる金属１２４を形成する。金属１２４は、窒化チタン、窒化アルミチタンが好ましい。また、チタン、タンタル、タングステン、窒化タンタル、または上記の積層物を用いてもよい。それぞれのゲートのためのリセス領域の高さを押さえることができるため、原子層堆積で金属を薄く堆積することがき、原子層堆積の堆積時間を短くすることができ、製造時間を減少できる。
図３７に示すように、金属１２４をエッチングし、第１のゲート１２４ｃ、第２のゲート１２４ｂ、第３のゲート１２４ａを形成する。このとき、ゲート絶縁膜１２３は、第１のゲート絶縁膜１２３ｃ、第２のゲート絶縁膜１２３ｂ、第３のゲート絶縁膜１２３ａとなる。金属のエッチングは等方性エッチングが好ましい。また、
図３８に示すように、熱処理を行い、固相拡散により、第１の第１導電型シリコン層１２５と第２の第１導電型シリコン層１２７と第３の第１導電型シリコン層１２９と第１の第２導電型シリコン層１３１と第２の第２導電型シリコン層１３３が形成される。第１のゲート１２３ｃ、第２のゲート１２３ｂ、第３のゲート１２３ａ形成前に熱処理を行ってもよい。また、出力端子１２２に第３の第１導電型シリコン層１２９と第１の第２導電型シリコン層１３１が形成される。また、ポリシリコン１１８に拡散層１３４が形成される。
図３９に示すように、第１の層間絶縁膜１３５を形成する。
図４０に示すように、第１の層間絶縁膜１３５を平坦化し、エッチバックする。このとき、ゲート絶縁膜１２３上部、ポリシリコン１１８、第３の第２導電型シリコン層１１７上部を除去する。
図４１に示すように、第２の層間絶縁膜１３６を堆積する。
図４２に示すように、第４のレジスト１３７を形成する。
図４３に示すように、第２の層間絶縁膜１３６、第１の層間絶縁膜１３５、第５の絶縁膜１１３、第３のゲート絶縁膜１２３ａ、第３のゲート１２４ａ、第３のゲート絶縁膜１３２ａ、第４の絶縁膜１１１をエッチングし、コンタクト孔１３８を形成する。
図４４に示すように、第４のレジスト１３７を除去する。
図４５に示すように、第１３の絶縁膜１３９を堆積する。第１３の絶縁膜１３９は、酸化膜もしくは窒化膜が好ましい。
図４６に示すように、第１３の絶縁膜１３９をエッチングし、サイドウォール状に残存させる。
図４７に示すように、出力端子１２２にシリサイド１４０が形成され、前記第３の第１導電型シリコン層１２９と第１の第２導電型半導体層１３１とが接続される。
図４８に示すように、金属を堆積し、コンタクト２００を形成する。
図４９に示すように、第５のレジスト１４１を形成する。
図５０に示すように、第２の層間絶縁膜１３６、第１の層間絶縁膜１３５をエッチングし、コンタクト孔１４２を形成する。
図５１に示すように、第５のレジスト１４１を除去する。
図５２に示すように、第６のレジスト１４３を形成する。
図５３に示すように、第２の層間絶縁膜１３６、第１の層間絶縁膜１３５、第５の絶縁膜１１３、第３のゲート絶縁膜１２３ａ、第３のゲート１２４ａ、第３のゲート絶縁膜１３２ａ、第４の絶縁膜１１１、第９の絶縁膜１１０、第３の絶縁膜１０７、第２のゲート絶縁膜１２３ｂ、第２のゲート１２４ｂ、第２のゲート絶縁膜１２３ｂ、第２の絶縁膜１０５、第１のゲート絶縁膜１２３ｃをエッチングし、コンタクト孔１４４を形成する。
図５４に示すように、第６のレジスト１４３を除去する。
図５５に示すように、金属を堆積し、第１のコンタクト１４６、コンタクト１４５を形成する。
図５６に示すように、第２の層間絶縁膜１３６をエッチングし、第３の第２導電型シリコン層１１７を露出する。
図５７に示すように、金属１４７を堆積する。
図５８に示すように、第７のレジスト１４８、１４９、１５０、１５１を形成する。
図５９に示すように、金属１４７をエッチングし、金属配線１４７ａ、１４７ｂ、１４７ｃ、１４７ｄを形成する。
図６０に示すように、第７のレジスト１４８、１４９、１５０、１５１を除去する。
以上により、本発明の半導体装置の製造方法が示された。
なお、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明の一実施例を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
例えば、上記実施例において、ｐ型（ｐ+型を含む。）とｎ型（ｎ+型を含む。）とをそれぞれ反対の導電型とした半導体装置の製造方法、及び、それにより得られる半導体装置も当然に本発明の技術的範囲に含まれる。
１０１．シリコン基板
１０２．第４の第１導電型シリコン層
１０３．第１の絶縁膜
１０４．第６の絶縁膜
１０５．第２の絶縁膜
１０６．第７の絶縁膜
１０７．第３の絶縁膜
１０８．第８の絶縁膜
１０９．第１のレジスト
１１０．第９の絶縁膜
１１１．第４の絶縁膜
１１２．第１０の絶縁膜
１１３．第５の絶縁膜
１１４．第２のレジスト
１１５．コンタクト孔
１１６．第１の柱状シリコン層
１１７．第３の第２導電型シリコン層
１１８．ポリシリコン
１１９．第１１の絶縁膜
１２０．第３のレジスト
１２１．第１２の絶縁膜
１２２．出力端子
１２３．ゲート絶縁膜
１２３ａ．第３のゲート絶縁膜
１２３ｂ．第２のゲート絶縁膜
１２３ｃ．第１のゲート絶縁膜
１２４．金属
１２４ａ．第３のゲート
１２４ｂ．第２のゲート
１２４ｃ．第１のゲート
１２５．第１の第１導電型シリコン層
１２６．第１のボディ領域
１２７．第２の第１導電型シリコン層
１２８．第２のボディ領域
１２９．第３の第１導電型シリコン層
１３０．第１の接続領域
１３１．第１の第２導電型シリコン層
１３２．第３のボディ領域
１３３．第２の第２導電型シリコン層
１３４．拡散層
１３５．第１の層間絶縁膜
１３６．第２の層間絶縁膜
１３７．第４のレジスト
１３８．コンタクト孔
１３９．第１３の絶縁膜
１４０．シリサイド
１４１．第５のレジスト
１４２．コンタクト孔
１４３．第６のレジスト
１４４．コンタクト孔
１４５．コンタクト
１４６．第１のコンタクト
１４７．金属
１４７ａ．金属配線
１４７ｂ．金属配線
１４７ｃ．金属配線
１４７ｄ．金属配線
１４８．第７のレジスト
１４９．第７のレジスト
１５０．第７のレジスト
１５１．第７のレジスト
２００．コンタクト

Claims (4)

  1. 半導体基板上に形成された第１の柱状半導体層と、
    前記第１の柱状半導体層に形成された第１のｎ型半導体層と、
    前記第１の柱状半導体層に形成された前記第１のｎ型半導体層より高い位置にある第３のｎ型半導体層と、
    前記第１のｎ型半導体層と第３のｎ型半導体層とに挟まれた領域の前記第１の柱状半導体層の周囲に形成された第１のゲート絶縁膜と、
    前記第１のゲート絶縁膜の周囲に形成された第１のゲートと、
    前記第１のｎ半導体層と第３のｎ型半導体層とに挟まれた領域の前記第１の柱状半導体層の周囲に形成された第２のゲート絶縁膜と、
    前記第２のゲート絶縁膜の周囲に形成された、前記第１のゲートと接続された第２のゲートと、
    前記半導体基板上に形成された第４のｎ型半導体層と、
    前記半導体基板上に形成された前記第１の柱状半導体層であって、前記第１のｎ型半導体層と第１のボディ領域、第２のｎ型半導体層、第２のボディ領域、前記第３のｎ型半導体層、第１のｐ型半導体層、第３のボディ領域、第２のｐ型半導体層、第３のｐ型半導体層が基板側からこの順に形成された前記第１の柱状半導体層と、
    前記第１のボディ領域の周囲に形成された前記第１のゲート絶縁膜と、
    前記第１のゲート絶縁膜の周囲に形成された前記第１のゲートと、
    前記第２のボディ領域の周囲に形成された前記第２のゲート絶縁膜と、
    前記第２のゲート絶縁膜の周囲に形成された前記第２のゲートと、
    前記第３のボディ領域の周囲に形成された第３のゲート絶縁膜と、
    前記第３のゲート絶縁膜の周囲に形成された第３のゲートと、
    前記第３のｎ型半導体層と前記第１のｐ型半導体層とに接続する出力端子と、
    前記第１のゲートと前記第２のゲートと前記第３のゲートとを接続する第１のコンタクトと、
    を有し、
    前記出力端子は半導体であって、前記出力端子にさらに形成された前記第３のｎ型半導体層と前記第１のｐ型半導体層とを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１のゲート絶縁膜は前記第１のゲートの上面と下面にさらに形成され、前記第２のゲート絶縁膜は前記第２のゲートの上面と下面にさらに形成され、前記第３のゲート絶縁膜は前記第３のゲートの上面と下面にさらに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第３のｎ型半導体層と前記第１のｐ型半導体層との間に形成された第１の接続領域を有ることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記第１のｎ型半導体層を取り囲む第１の絶縁膜と、前記第２のｎ型半導体層を取り囲む第２の絶縁膜と、前記第３のｎ型半導体層を取り囲む第３の絶縁膜と、を有し、
    前記第１の絶縁膜は、前記第１のｎ型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、
    前記第２の絶縁膜は、前記第２のｎ型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、
    前記第３の絶縁膜は、前記第３のｎ型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、
    前記第１のｐ型半導体層を取り囲む第４の絶縁膜と、前記第２のｐ型半導体層を取り囲む第５の絶縁膜とを有し、
    前記第４の絶縁膜は、前記第１のｐ型半導体層の不純物と同じ不純物を有し、
    前記第５の絶縁膜は、前記第２のｐ型半導体層の不純物と同じ不純物を有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
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