JPH0812763B2 - 半導体トランジスタの製造方法 - Google Patents

半導体トランジスタの製造方法

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JPH0812763B2
JPH0812763B2 JP13374189A JP13374189A JPH0812763B2 JP H0812763 B2 JPH0812763 B2 JP H0812763B2 JP 13374189 A JP13374189 A JP 13374189A JP 13374189 A JP13374189 A JP 13374189A JP H0812763 B2 JPH0812763 B2 JP H0812763B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 この発明は半導体トランジスタの製造方法に関し、更
に詳しくは、半導体集積回路においてスイッチング素子
として用いられるトランジスタの高速度化に関するもの
である。
(ロ)従来の技術 半導体トランジスタの構造として現在最も広く用いら
れているのはMOS構造のトランジスタである(例えばS.
M.Sze Physics of Semiconductor Devices P.431〜510
参照)。
その動作原理は、リン(P)またはホウ素(B)をSi
単結晶表面に拡散させて形成したソース、ドレイン間に
両者間に位置するゲートの印加電圧を変化させることで
反転層を形成させ、電子又は正孔を反転層を通して流す
ことでオン・オフ動作を実現させるものである。
(ハ)発明が解決しようとする課題 従来の上記のごとき半導体トランジスタでは、Si単結
晶からなる固体中を電子または正孔が走行するから、こ
れら電子、正孔は固体中で格子振動による散乱や不純物
による散乱を受け、その分、スイッチング速度が低下す
るのを避け難い。
この問題を解決するための手段として半導体表面層に
真空管を形成し、真空中の電子を制御する技術が考えら
れている(例えば、応用物理Vol.57 No.9(1988)P.142
1〜P.1422参照,日経マイクロデバイス1988年8月号P.7
0〜P.71参照)。
本発明は、従来の半導体製造プロセスに適用すること
が可能な方法で半導体表面層に真空中で電子を走行させ
る構造のトランジスタを形成し、従来の半導体トランジ
スタでは避けられない電子の散乱によるスイッチング速
度の低下を解消して素子の高速化をおこなうようにする
製造方法を提供することを目的とするものである。
(ニ)課題を解決するための手段 この発明は、シリコン基板上に、ソース、ドレインお
よびゲートの役割をする各不純物領域を形成し、続いて
熱酸化を行って、前記シリコン基板上全面に酸化シリコ
ン膜を形成し、所定のパターンを有するマスク膜を用い
て、前記酸化シリコン膜とシリコン基板の一部を除去す
ることによって、シリコン基板表面に、上記各不純物領
域の側壁に空隙を介して対向する突起部を有する空洞を
形成し、しかる後、上面に酸化シリコン膜を有する上記
シリコン基板に、全面に酸化シリコン膜を有するシリコ
ン基板を、これら酸化シリコン膜の表面同志が接着する
ように高真空中にて張り合わせて、上記空洞内を高真空
にし、続いて、接着したシリコン基板を除去した後、上
記各不純物領域上の上記接着された両酸化シリコン膜の
一部を除去して開孔を形成し、これら開孔を介して上記
各突起に接続される電極を形成する半導体トランジスタ
の製造方法である。
すなわち、この発明は、シリコン基板表面に、ソー
ス、ドレインおよびゲートの役割をする突起を有した空
洞を形成し、空洞内部を仕事関数の低い金属で覆った
後、高真空中で空洞にフタをして、電流を高真空中の空
洞内で制御するようにするものである。
この発明における空洞は、シリコン基板上に熱酸化膜
を形成した後に公知の反応性イオンエッチングを用いて
所定領域を除去して形成できる。
この発明において、空洞内部の金属被覆はタングステ
ン(W)の選択成長や、その他選択成長が可能な高融点
金属膜でおこないうる。
この発明において、空洞に蓋をするには、表面にシリ
コン酸化膜を有するSiの平面ウェハーを空洞を掘ってあ
る表面にシリコン酸化膜を有するSi基板に両酸化膜の表
面同志を高真空中で貼り合わせ、平面ウェーハーのシリ
コン部分のみを研磨およびイオンエッチング又はウェッ
トエッチングによって除去する方法を用いている。
さらに、空洞内の真空度は、10-4Torr以上の高真空が
好ましい。
シリコン基板の表面積に真空中で電子を走らせること
のできる構造のトランジスタを形成するには、 (i)まず、シリコン基板にリン(P)をソース、ドレ
イン、ゲートになる部分にドーピングし(第1図参
照)、 (ii)次に、シリコン表面を熱酸化してSiO2膜を形成し
た後、フォトリソグラフィによってSiO2膜をパターニン
グして異方性プラズマエッチングで空洞を形成する(第
2図参照)。
(iii)フォトレジストを除去後、空洞内部にタングス
テン(W)を選択成長させ、第3図に示すように空洞内
部のみをタングステン層で覆う(日経マイクロデバイス
1988年5月号P66〜P68参照)。
(iv)このあとで、第4図に示すように、空洞の上に、
熱酸化膜のついたシリコン基板を高真空中で貼り合わせ
る。この貼り合わせは、加熱、電圧印加の条件下で行う
ことができる(応用物理学会結晶工学分科会第5回結晶
工学 予稿集1988年7月15日P.35〜P.38参照、日経マイ
クロデバイス1988年3月号P.92〜P.95参照)。
(V)貼り合わせたウェーハーのシリコン部分は、機械
的な研磨でうすくした後SiO2との選択比の大きい(即
ち、SiO2膜がエッチングされにくい)プラズマエッチン
グ又はウェットエッチングでけずりとる(第5図参
照)。
(VI)最後に、フォトリソグラフィーとプラズマエッチ
ングでソース、ドレインおよびゲート部分にコンタクト
の穴をあけて電極を形成する(第6図参照)。
このようにして真空中で電子を走らせる構造のトラン
ジスタがシリコン表面層に形成される。
(ホ)作用 内壁に、ソース、ドレイン、ゲートのそれぞれの役割
をする突起を有する高真空の空洞をシリコン基板表面層
に形成し、電流を高真空中で制御して素子のオン・オフ
動作を行うようにしたことから、各突起間を走行する電
子が散乱されることがなく、これにより素子の高速化を
図ることができるとともに、シリコン基板の固体中を電
子、正孔が走行する従来のように微細化を妨害するおそ
れのある短チャネル効果、狭チャネル効果あるいはホッ
トエレクトロン効果などが発生することがなく、素子の
高集積化を図ることができる。
また、本発明の半導体トランジスタの製造方法によれ
ば、従来のMOS構造トランジスタの形成工程に、容易に
組み入れられる。
(ヘ)実施例 この発明を第1図ないし第10図に示す実施例に基づき
詳述する。しかし、これによってこの発明が限定される
ものではない。
第6図において、半導体トランジスタは、シリコン基
板1の所定領域に10-6〜10-7Torr程度の高真空の空洞10
がSiO2膜5を介してSiO2膜9の蓋によって形成されてい
る。この空洞10は、上記所定領域の周囲3箇所にそれぞ
れソース、ドレインおよびゲートの役割をするリン・ド
ープの拡散層2,4および3を有するとともに、内部のそ
れぞれソース側の側壁10a、ドレイン側の側壁10bおよび
ゲート側の側壁10cに、突起20,21および22を有する[第
9図(b)参照]。さらに、その空洞内の側壁および底
壁に沿って1000Å程度のタングステン膜7が形成されて
いる[第3,10図参照]。
そして、上記拡散層2,4および3上の両SiO2膜5,9が開
孔されて形成された開孔部23,24および25を介して各突
起20,21,22に対応するW膜に接続する電極11,13および1
2が形成される。
次に製造方法について説明する。
まず、シリコンウェーハー1にフォトリソグラフィー
でレジストを用いてソース2、ゲート3、ドレイン4に
なる場所にフォトレジストの窓をあけ、リン(P)をイ
オン注入により打ち込み、フォトレジストを除去後、シ
リコンウェーハー1を熱酸化により1000Å酸化してSiO2
膜5を形成する。この熱酸化はリンの活性化のためのア
ニールをかねている。
再びフォトリソグラフィーで空洞形成用の所定パター
ンを有するレジスト6を用いて、第2図に示すような形
状の空洞10を形成する。この際、SiO2膜5および基板1
のシリコンのエッチングを反応性イオンエッチング(RI
E)で行う。ここで、SiO2膜5のエッチングには例えばC
HF3ガスを用い、シリコン基板1のエッチングには例え
ばSF6+CCl4系のガスを用いて行うことができる。
そして、フォトレジスト6を除去後に、例えばSi2H6
を還元ガスとして用いるWF6によるタングステンの選択
成長によって、空洞10の内部のシリコン露出部のみにタ
ングステンを1000Å程度成長させる(第3図参照)。
次に、表面を5000Å程度酸化して形成されたSiO2膜9
を有する他のシリコンウェーハー8を10-6〜10-7Torr程
度の高真空中で両SiO2膜5,9を向かい合せて貼り合わせ
る(第4図参照)。この貼り合わせは、両ウェーハー1
および8を800℃程度に加熱して、±250V程度のパルス
電圧を印加することで行うことができる。
次に、貼り合わせたシリコンウェーハー(表面に5000
Åの酸化膜をつけたウェーハー)8の裏面側のシリコン
基板部分8aをまず機械的な研磨で削り、その後酸化膜9
を傷つけないように、酸化膜9との選択比の高いウェッ
トエッチング又は、プラズマエッチングで残りの表面側
のシリコン基板部分8bを削る(第5図参照)。
最後に、フォトリソグラフィーで、ソース、ゲート、
ドレイン部分のSiO2膜5,9の部分に窓をあけ、このSiO2
膜5,9をウェット又はプラズマエッチングで除去するこ
とによってそれぞれ開孔部23,25,24を形成し、これら開
孔部を介して、例えば、Alの電極11,12,13を形成する。
このトランジスタの動作は、ソース電極11、ドレイン
電極13間に電圧VDをかけることでソース2の突起20より
真空中に飛び出しドレイン4に到達する電子をゲート電
極12に電圧VGをかけて調整するものである。
このように本実施例では従来のMOS構造のトランジス
タと同様に、ゲート電圧によりトランジスタのオン・オ
フ動作を行うことができる。
オンの状態はドレイン電圧が正(VD>0)で、ゲート
電極12に電圧をかけない(VG=0)場合で、この時、ソ
ース2から飛び出した電子は真空空洞中を走り、ドレイ
ン4に達する(第7図参照)。
オフの状態は、ドレイン電圧が正(VD>0)で、ゲー
トにも正の電圧をかけた(VD>0)場合で、この時、ソ
ース2から飛び出した電子はゲート3に引き寄せられド
レイン4に達することができない(第8図参照)。
(ト)発明の効果 以上のようにこの発明の半導体トランジスタの製造方
法によれば、内壁に、ソース、ドレイン、ゲートのそれ
ぞれの役割をする突起を有する高真空の空洞をシリコン
基板表面層に形成し、電流を高真空中で制御して素子の
オン・オフ動作を行うようにしたことから、各突起間を
走行する電子が散乱されることがなく、これにより素子
の高速化を図ることができるとともに、シリコンウェハ
ーの固体中を電子、正孔が走行する従来素子のように場
合に微細化を妨害するおそれのある短チャネル効果、狭
チャネル効果あるいはホットエレクトロン効果などが発
生することがなく、素子の高集積化を図ることができ
る。
また本発明によるトランジスタ形成工程は、従来のMO
S構造トランジスタ形成工程に容易に組み入れることが
可能であり工業的量産にも耐えうるものであり、産業上
多大の効果を奏す。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第6図はこの発明の一実施例を説明するための
製造工程説明図、第7図および第8図はそれぞれ上記実
施例によって製造されたトランジスタのオン状態および
オフ状態を示す説明図、第9図(a)および(b)はそ
れぞれ第2図における概略平面図および概略斜視図、第
10図は第3図における概略平面図である。 1……シリコン基板、 2……拡散層(ソース)、 3……拡散層(ゲート)、 4……拡散層(ドレイン)、 5……SiO2膜(熱酸化膜)、 6……フォトレジスト、 7……タングステン膜、 8……シリコン基板、 9……SiO2膜(熱酸化膜)、 10……空洞、11……ソース電極、 12……ゲート電極、13……ドレイン電極、 20,21,22……突起、 23,24,25……開孔部。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン基板上に、ソース、ドレインおよ
    びゲートの役割をする各不純物領域を形成し、 続いて熱酸化を行って、前記シリコン基板上全面に酸化
    シリコン膜を形成し、 所定のパターンを有するマスク膜を用いて、前記酸化シ
    リコン膜とシリコン基板の一部を除去することによっ
    て、シリコン基板表面に、上記各不純物領域の側壁に空
    隙を介して対向する突起部を有する空洞を形成し、 しかる後、上面に酸化シリコン膜を有する上記シリコン
    基板に、全面に酸化シリコン膜を有するシリコン基板
    を、これら酸化シリコン膜の表面同志が接着するように
    高真空中にて張り合わせて、上記空洞内を高真空にし、 続いて、接着したシリコン基板を除去した後、上記各不
    純物領域上の上記接着された両酸化シリコン膜の一部を
    除去して開孔を形成し、これら開孔を介して上記各突起
    に接続される電極を形成することを特徴とする半導体ト
    ランジスタの製造方法。
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