JPH07161977A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

半導体装置とその製造方法

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JPH07161977A
JPH07161977A JP30494893A JP30494893A JPH07161977A JP H07161977 A JPH07161977 A JP H07161977A JP 30494893 A JP30494893 A JP 30494893A JP 30494893 A JP30494893 A JP 30494893A JP H07161977 A JPH07161977 A JP H07161977A
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JP
Japan
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groove
impurity region
substrate
insulating film
forming
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JP30494893A
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English (en)
Inventor
Hiromasa Noda
浩正 野田
Shinichiro Kimura
紳一郎 木村
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】微細化に適した溝ゲートMOSトランジスタ並
びにその製造方法を提供する。 【構成】ゲート電極71を埋め込んだ溝の底部に、ソー
ス・ドレイン36と同じ導電型を有しかつそれらとは接
しない第三の不純物領域65を有し、電子はソース36
から反転層と不純物領域65を介してドレイン36へと
流れる。不純物領域65は溝の角を被うように存在す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、微細化に有利な特徴を
有する半導体装置とその製造方法に係り、特に、短チャ
ネル特性に優れた利点を有するMOS(Metal-Oxide-Se
miconductor)トランジスタの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】シリコン基板を用いたMOSトランジス
タは、スケーリング則にしたがって微細化を進めること
で、その性能を向上させてきた。しかし、微細化の促進
は、しきい電圧の低下やパンチスルーなどに代表される
短チャネル効果と呼ばれる現象を引き起こし、トランジ
スタ特性の制御を困難にしている。
【0003】短チャネル効果を抑えながらMOSトラン
ジスタの微細化を進める指針として、従来より、ゲート
酸化膜の薄膜化,チャネル近傍の不純物の高濃度化,ソ
ース・ドレインの浅接合化の三つが知られている。この
中で、ゲート酸化膜厚は既にトンネルリークで決まる薄
膜限界に近いところが使用されており、改善の余地は少
ない。また、チャネル近傍の不純物濃度の高濃度化も、
しきい電圧の増加や移動度の低下を伴い、これらを避け
るために必要な濃度プロファイルの制御も、適当なプロ
ファイル形成には、現状のプロセス技術では不十分であ
る。これらに対して、ソース・ドレインの浅接合化は、
従来のMOSトランジスタの構造では難しいが、ゲート
の構造を溝型に変えることで対処することができる。
【0004】図2に示す溝ゲートMOSトランジスタ
(例えば、特開昭59−99771 号公報に述べられている)
は、従来のMOSトランジスタがゲート電極を形成して
からソース・ドレインをイオン打ち込みで形成するのに
対して、先にソース・ドレイン36を形成してからその
中央部に溝を形成して、ゲート電極71を形成する点に
特徴がある。基板に溝を形成した結果、ソース・ドレイ
ンの接合はチャネル部よりも上になる。この結果、溝ゲ
ートMOSトランジスタでは、従来構造MOSトランジ
スタに比べて短チャネル特性は大幅に改善する。また、
ソース・ドレイン引き出し電極41と配線13をつなぐ
コンタクト孔12を素子分離酸化膜上で開孔することが
できるため、微細化にはさらに有利となる。このため、
ゲート長が0.1μm を切るほどの微細なMOSトラン
ジスタを実現する有力な候補として注目されている。
【0005】ここで11は層間絶縁膜、13は配線、3
1はp型シリコン基板、32はp型ウェル領域、33は
素子間分離酸化膜、35は素子間分離を向上させる高濃
度不純物領域、41はソース・ドレイン引き出し電極、
42はソース・ドレイン引き出し電極加工マスクとなる
酸化膜、61はシリコン窒化膜サイドウォール、66は
ゲート酸化膜、71はゲート電極である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、溝ゲートMO
Sトランジスタでは、同じチャネル長で比較した場合、
従来のMOSトランジスタよりも性能が低下する。この
原因にはプロセス上の問題と構造上の問題がある。前者
は、ドライエッチで溝を掘った結果、チャネル部にエッ
チングのダメージが入ってしまう問題である。これは、
プロセスの改良により対処することが可能であると考え
られている。後者は、溝形状に係わるより本質的な問題
である。溝の角の部分は電界集中の結果、反転層が形成
されにくくなり、小さなポテンシャルバリアを形成す
る。このバリアは、溝の角が鋭くなればなるほど顕著に
なり、相互コンダクタンスとドレイン電流の低下をもた
らす。したがって、溝の角の形状はできるだけ滑らかに
しなければならないが、これは逆に短チャネル効果を助
長する方向に働く。
【0007】本発明の目的は、溝の角の影響を弱め、微
細化つまり短チャネル化とトランジスタの性能向上を両
立することが可能な溝ゲートMOSトランジスタを提供
することにある。
【0008】本発明の他の目的は、溝ゲートMOSトラ
ンジスタにおいてチャネルの抵抗を減少させる方法を提
供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明では、上記の問題
を解決するために、ソース・ドレイン36の中間に、ソ
ース・ドレインとは接することなく、ソース・ドレイン
と同じ導電型を有する不純物領域を形成し、溝ゲートの
角をこの不純物領域が被う構造とした。
【0010】
【作用】本発明によれば、電界集中が起きる溝の角は、
ソース・ドレインと同じ導電型を有する不純物領域の中
に含まれるため、この不純物領域がない場合に溝の角に
集中した電流の経路は、この不純物領域の中で拡がりを
もつことになり、電界集中の影響を受けにくくなる。さ
らに、本発明によれば、チャネルの一部が反転層より抵
抗の低い不純物領域に置き換えられるため、全体として
チャネル抵抗も低下する。これらの作用により、ドレイ
ン電流及び相互コンダクタンスは増加する。また、本発
明によれば、溝の底部をソース・ドレインと同じ導電型
を有する不純物領域に置き換えるため、短チャネル効果
の原因となるドレイン電界のソースへの張り出しがこの
不純物領域の存在により助長されることもなく、トラン
ジスタの性能向上と微細化を両立できる。さらに、本発
明によれば、ドライエッチにさらされた溝の底部をソー
ス・ドレインと同じ導電型を有する不純物領域に置き換
えるため、ドライエッチによる基板の損傷がもたらすト
ランジスタの性能低下も緩和される。
【0011】
【実施例】図1は、本発明の実施例に基づく、MOSト
ランジスタ素子の断面図である。溝の底部に、溝の角を
被うように、ソース・ドレインと同じ導電型を有する不
純物領域65を有し、電子はソース36→反転層→不純
物領域65→反転層→ドレイン36へと順に流れる。
【0012】ここで11は層間絶縁膜、12はコンタク
ト孔を埋める金属、13は配線、31はp型シリコン基
板、32はp型ウェル領域、33は素子間分離酸化膜、
35は素子間分離を向上させる高濃度不純物領域、41
はソース・ドレイン引き出し電極、42はソース・ドレ
イン引き出し電極加工マスクとなる酸化膜、61はシリ
コン窒化膜サイドウォール、66はゲート酸化膜、71
はゲート電極である。
【0013】以下、nチャネルについて本実施例のMO
Sトランジスタの製造方法を説明する。pチャネルにつ
いても、不純物の導電型を逆にすれば、同じ工程で作る
ことができ、また、同一基板上に導電型の異なる本MO
SFETを形成すれば、相補型の回路が構成できる。
【0014】図3乃至図4は本発明の実施例のトランジ
スタ製造工程を示す。
【0015】まず、図3(A)に示したように、半導体
基板31の中に、ウェル領域32を、公知の表面酸化法
とイオン打ち込み法を用いて作成する。具体的には、半
導体基板は濃度1×1015/cm3 のボロンを含むp型シ
リコン基板であり、ウェル32はボロンを約5×1016
/cm3 含む。ウェルを形成後、公知の選択酸化法を用い
て素子間分離用の酸化膜33を約500nm形成し、さ
らに基板表面に酸化膜34を約20nm形成した後、素
子分離特性を向上させるために、素子分離酸化膜直下で
濃度が最大となるような、ウェル領域と導電型の等しい
不純物領域35をイオン打ち込み法で形成する。具体的
には、ボロンをピーク濃度が約1×1018/cm3 になる
ように打ち込む。さらに、後にソース・ドレインの一部
となる、ウェル領域とは導電型の異なる不純物領域36
をイオン打ち込み法で形成する。具体的には、砒素をピ
ーク濃度が約1×1020/cm3 になるように打ち込む。
【0016】次に、素子領域表面の酸化膜34を除去し
た後、図3(B)のように、基板表面に多結晶シリコン
膜41を100nm、公知のCVD(Chemical VaporDe
position)で堆積する。そしてこの膜にもイオン打ち込
みを行い、ウェル領域と導電型の異なる不純物領域とす
る。具体的には、リンをピーク濃度が約1×1020/cm
3になるように打ち込む。その後、酸化膜42を約10
0nm、公知のCVDで堆積する。
【0017】続いて、図3(C)に示すように、公知の
ドライエッチ法を用いて前述の酸化膜42と多結晶シリ
コン膜41を加工して、一対の積み上げ拡散層に分離す
る。この際、下地となるシリコン基板があまり掘られな
いように、つまりウェル領域と導電型の異なる不純物領
域36がなくならないようにエッチング量を制御した。
その後、シリコン窒化膜53を、公知のCVDで堆積す
る。このときに堆積する膜厚によって、ゲート電極を埋
め込む溝の幅が決められる。
【0018】次に、図4(A)のように、公知の異方性
ドライエッチングを用いて、窒化膜のサイドウォール6
1を形成する。さらに、公知の異方性ドライエッチング
を用いて基板に溝62を形成する。溝62の壁はできる
だけ垂直になっていなければならない。前述のウェル領
域と導電型の異なる不純物領域36は溝62により分断
され、ソース・ドレイン36となる。この後、公知の熱
酸化法で溝表面に5nm程度の酸化膜を形成してから、
イオン打ち込みを行い、ウェル領域と導電型の異なる不
純物領域65を形成する。溝62の壁が垂直でないと溝
全体にこの不純物領域65が拡がってしまうため、垂直
な加工ができるエッチング法を採用した。続いて、5n
mの酸化膜をウェットエッチングで除去した後、改めて
ゲート酸化膜66を5nmの厚さに公知の熱酸化法で形
成する。
【0019】次に、多結晶シリコン膜を100nm堆積
し、リンを濃度が約1×1020/cm3 になるようにイオ
ン打ち込みを行った後、800℃,10分程度の熱処理
を加えて、打ち込まれた不純物を活性化させる。その
後、図4(B)のように、多結晶シリコン膜を加工し、
ゲート電極71を形成する。
【0020】続いて、基板表面を洗浄した後、図1のよ
うに、基板全体に層間絶縁膜11をCVD法で堆積し、
続いて熱処理を加え、表面を平坦化する。具体的には、
最初に不純物を含まない酸化膜を100nm程度堆積
し、その上にボロンとリンを高濃度で含む酸化膜を堆積
して、800℃で熱処理を加える。最後に、絶縁膜11
にコンタクト孔を開口し、公知の選択CVD法でタング
ステンなどの金属を埋め戻した後、配線13を形成し、
本発明のトランジスタが完成する。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、溝ゲートMOSトラン
ジスタ特有の溝の角の電界集中によるトランジスタ性能
の阻害を緩和することができ、かつチャネル抵抗を低く
することができるため、微細化に有利な特徴を有する溝
ゲートMOSトランジスタに高性能という特徴が付加さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるMOSトランジスタの実施例を示
す断面図。
【図2】従来の溝ゲートMOSトランジスタの例を示す
断面。
【図3】実施例の説明に用いられる、図1のMOSトラ
ンジスタの製造工程を示す断面図。
【図4】図3に続く製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
11…層間絶縁膜、12…コンタクト孔を埋める金属、
13…配線、31…p型シリコン基板、32…p型ウェ
ル領域、33…素子間分離酸化膜、34…酸化膜、35
…素子間分離を向上させる高濃度不純物領域、36…n
型不純物領域(ソース・ドレイン)、41…n型不純物
を含む多結晶シリコン(ソース・ドレイン引き出し電
極)、42…酸化膜(ソース・ドレイン引き出し電極加
工マスク)、53…シリコン窒化膜、61…シリコン窒
化膜サイドウォール、62…ゲート電極を埋め込む溝、
65…n型不純物領域、66…ゲート酸化膜、71…ゲ
ート電極。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板と、前記半導体基板に設けら
    れ、基板とは導電型の異なる第一,第二の不純物領域
    と、前記第一,第二の不純物領域の間に設けられた溝
    と、前記溝の表面に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲ
    ート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを有する金属−
    酸化膜−半導体型の電界効果半導体装置において、前記
    溝の底面は、前記第一,第二の不純物領域と前記半導体
    基板との境界よりも深いところに存在しかつ、前記溝の
    底面に接して前記第一,第二の不純物領域とは接しない
    が導電型は同じである第三の不純物領域が存在すること
    を特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記第三の不純物領域
    は、前記溝の底面および側面の一部に接している半導体
    装置。
  3. 【請求項3】請求項1において、同一基板上に、導電型
    の異なる半導体装置が複数個形成されている半導体装
    置。
  4. 【請求項4】半導体基板に、各素子を電気的に分離する
    ための絶縁膜を成長させる工程と、前記半導体基板とは
    導電型の異なる不純物領域を形成する工程と、前記不純
    物領域への引き出し電極を形成する工程と、前記引き出
    し電極の側壁に側壁絶縁膜を形成する工程と、前記引き
    出し電極と前記側壁絶縁膜をマスクにして基板に溝を形
    成し前記溝により前記不純物領域を二分する工程と、前
    記溝の底部に接する基板とは導電型の異なる不純物領域
    を形成する工程と、前記溝の表面にゲート絶縁膜を形成
    する工程と、前記溝にゲート電極を埋め込んで加工する
    工程と、配線層の下地となる層間絶縁膜を堆積する工程
    と、前記層間絶縁膜に孔を開けて半導体基板,ゲート電
    極,基板とは導電型の異なる不純物領域の導電層を露出
    させる工程と、配線層を形成する工程からなることを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
JP30494893A 1993-12-06 1993-12-06 半導体装置とその製造方法 Pending JPH07161977A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001267514A (ja) * 2000-03-16 2001-09-28 Yasuo Tarui トランジスタ型強誘電体不揮発性記憶素子
JP2003017587A (ja) * 2001-06-29 2003-01-17 Sony Corp 半導体装置およびその製造方法
JP2006261625A (ja) * 2005-03-18 2006-09-28 Hynix Semiconductor Inc 半導体素子の製造方法

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