JPWO2020245946A1 - 柱状半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
基板上に、第1の半導体柱と、前記第1の半導体柱に隣接して、第2の半導体柱があり、前記第1の半導体柱を囲み第1のゲート絶縁層があり、前記第2の半導体柱を囲み第2のゲート絶縁層があり、前記第1ゲート絶縁層を囲み第1のゲート導体層があり、前記第2ゲート絶縁層を囲み第2のゲート導体層があり、前記第1の半導体柱の頂部に接続して第1の不純物層があり、前記第2の半導体柱の頂部に接続して第2の不純物層があり、前記第1の半導体柱の下部に接続して第3の不純物層があり、前記第2の半導体柱の下部に接続して第4の不純物層があり、前記第1の不純物層と前記第3の不純物層と、の間の前記第1の半導体柱をチャネルにした第1のSGTと、前記第2の不純物層と前記第4の不純物層と、の間の前記第2の半導体柱をチャネルにした第2のSGTと、を有したSGT装置の製造において、
前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層との上にあり、且つ前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を囲み、且つその上面位置が、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱の上面位置より下にある第1の絶縁層を形成する工程と、
前記第1の絶縁層上に、前記第1の半導体柱頂部を囲んだ第1の材料層と、前記第2の半導体柱の頂部を囲んだ第2の材料層と、を互いに離れて形成する工程と、
前記第1の絶縁層の上にあり、且つ前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、を囲んだ第2の絶縁層を形成する工程と、
前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、を除去する工程と、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程と、
前記第1の半導体柱の頂部を囲み、且つその上面位置が前記第2の絶縁層の上面位置と、同じか、または下になるドナー、またはアクセプタ不純物原子を含んだ、単結晶層である前記第1の不純物層と、前記第2の半導体柱の頂部を囲み、且つその上面位置が前記第2の絶縁層の上面位置と、同じか、または下になるドナー、またはアクセプタ不純物原子を含んだ、単結晶層である前記第2の不純物層と、を形成する工程と、有し、
前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層と、が垂直方向において、前記第1の半導体柱のチャネルと、前記第2の半導体柱のチャネルとの、領域の側面全体で接触して形成されている、
ことを特徴とする。
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程において、
前記第1の半導体柱の上に、平面視において、前記第1の半導体柱と同じ形状の第3の材料層と、前記第2の半導体柱の上に、平面視において、前記第2の半導体柱と同じ形状の第4の材料層と、を形成する工程と、
前記第1の半導体柱の頂部と前記第3の材料層との側面を囲んで前記第1の材料層を形成すると共に、前記第2の半導体柱の頂部と前記第4の材料層との側面を囲んで前記第2の材料層を形成する工程と、
前記第2の絶縁層を形成した後に、前記第2の材料層と、前記第3の材料層と、前記第4の材料層と、を除去する工程と、を有する、
ことが望ましい。
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の材料層より上にする工程において、
前記前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、前記第2の絶縁層と、の上面位置を、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の上面位置と同じにする工程と、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱との、頂部をエッチングして、上面位置が、前記第1の絶縁層の上面位置より上になる時点で終了させる工程を有する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、を選択エピタキシャル結晶成長法により、形成する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、の片方または両方を形成する工程において、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の片方または両方の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程の後に、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の片方または両方の頂部と、前記第2の絶縁層上と、にドナー、またはアクセプタを含んだ第5の不純物層を形成する工程と、
前記第5の不純物層を、上面位置が前記第2の絶縁層の上面位置になるように平坦化する工程を、有する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、の片方または両方を形成する工程において、
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、を形成する前に、露出した前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部上と、露出した前記第1の絶縁層上と、前記露出した前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部に面した前記第2の絶縁層側面上と、単結晶薄膜半導体層を形成する工程、を有する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、の片方または両方を形成する工程において、
露出した、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱との、頂部を面方位エッチングする工程、を有する、
ことが望ましい。
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程において、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、前記第2の絶縁層と、前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、の上面位置を同じくする工程と、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を、酸化して、その下面位置が、垂直方向において、前記第2の絶縁層と、前記第1の材料層と、前記第2の材料層との上面位置と、前記第1の絶縁層の上面位置と、の間にある酸化層を形成する工程と、
前記酸化膜を除去する工程を有する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層上に、その上面位置が前記第2の絶縁層と同じである、金属または合金による第1の導体層と、前記第2の不純物層上に、その上面位置が前記第2の絶縁層と同じ、金属または合金による第2の導体層と、を形成する工程を、有する、
ことを特徴が望ましい。
ドナー、またはアクセプタ不純物原子を含んだ、単結晶層である前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層とを、エピタキシャル結晶成長法により、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の一方、または両方の頂部を囲み、且つ前記第2の絶縁層上に伸延した第5の不純物層を形成するする工程と、
前記第5の不純物層の上面位置を、前記第2の絶縁層の上面位置と、同じか、または下方になるように平坦化する工程、を有する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層と第2の不純物層と、を形成する前に、露出した前記第1の半導体柱、前記第2の半導体柱との頂部を、異方性エッチングする工程、を有する、
ことが望ましい。
前記基板上に、複数のSGTより1つのセル領域を構成するSRAM(Static Random Access Memory)回路の形成において、
前記基板上に形成した半導体層上に、第5の材料層を形成する工程と、
前記セル領域において、前記第5の材料層上に、平面視で、第1の方向に、互いに平行し、且つ分離した4本または5本の帯状の第1マスク材料層を形成する工程と、
前記帯状の第1マスク材料層の下方、または上方に、前記セル領域において、平面視で、前記第1の方向に直交し、且つ互いに平行し、且つ分離した2本の帯状の第2マスク材料層が形成された状態で、
前記帯状の第1マスク材料層と、前記帯状の第2マスク材料層と、が重なった部分に、前記第5の材料層と、前記帯状の第1マスク材料層と、前記帯状の第2のマスク材料層との、一部または全てからなる第3のマスク材料層を形成する工程と、
前記第3のマスク材料層をマスクに、前記半導体層をエッチングして、第1の線上に並んだ第1の組の半導体柱と、前記第1の線に平行した第2の線上に並んだ第2の組の半導体柱と、を形成する工程と、
前記第1の組の半導体柱の内の、前記第1の線上の一方の端に、第3の半導体柱があり、前記第2の組の半導体柱の内の、前記第2の線上にあって、且つ前記一方の端と反対の端に、第4の半導体柱があり、前記第1の線と直交する前記第3の半導体柱の中心を通る第1の中心線と、前記第2の線と、が交わる点に中心を持つ第5の半導体柱があり、前記第2の線と直交する前記第4の半導体柱の中心を通る第2の中心線と、前記第1の線と、が交わる点に中心を持つ第6の半導体柱があり、前記第1の線上に中心を有し、且つ前記第6の半導体柱に隣り合った第7の半導体柱があり、前記第2の線上に中心を有し、且つ前記第5の半導体柱に隣り合った第8の半導体柱がある、配置に形成され、
平面視において、前記第8の半導体柱の、前記第1の中心線に平行した2つの外周接線の内側を延長した第1の帯領域の中に、少なくとも一部が重なって、前記第1の組の半導体柱がない第1の半導体柱不在領域があり、前記第7の半導体柱の、前記第2の中心線に平行した2つの外周接線の内側を延長した第2の帯領域の中に、少なくとも一部が重なって、前記第2の組の半導体柱がない第2の半導体柱不在領域が形成され、
前記第5の半導体柱と、前記第8の半導体柱との、一方が前記第1の半導体柱であれば、他方が前記第2の半導体柱であり、同じく、前記第6の半導体柱と、前記第7の半導体柱との、一方が前記第1の半導体柱であれば、他方が前記第2の半導体柱であり、
前記第1の組の半導体柱の、底部に繋がって形成した第1の不純物領域と、前記第5の半導体柱と前記第8の半導体柱との、前記第1のゲート導体層と前記第2のゲート導体層と、を接続する第1のコンタクトホールを、前記第1の半導体柱不在領域上に形成し、前記第2の組の半導体柱の、底部に繋がって形成した第2の不純物領域と、前記第6の半導体柱と前記第7の半導体柱との、前記第1のゲート導体層と前記第2のゲート導体層と、を接続する第2のコンタクトホールを、前記第2の半導体柱不在領域上に形成しており、
前記第1の不純物領域と、前記第2の不純物領域とは、共に前記第3の不純物層と、前記第4の不純物層と、を含んでいる、
ことが望ましい。
以下、図1A〜図1Q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SRAM回路の製造方法について説明する。(a)は平面図、(b)は(a)のX−X’線に沿う断面構造図、(c)は(a)のY−Y’線に沿う断面構造図を示す。
[要求1]
Si柱6b、6eに負荷用SGTが形成され、Si柱6c、6dには、選択用SGTが形成される。SRAMセルの高密度化には、隣接したSi柱6b、6c間に距離を短くする必要がある。一方、隣接したSi柱6b、6cの頂部に接続した頂部導電層を含めた不純物領域は、互いに離れて形成されなければいけない。同様に、隣接したSi柱6d、6e間に距離を短くする必要がある。一方、隣接したSi柱6d、6eの頂部に接続した頂部導電層を含めた不純物領域は、互いに離れて形成されなければいけない。
[要求2]
Si柱6b、6c間と、Si柱6d、6e間と、の間隔が短すぎると、ゲートTiN層24b、24cが薄くなり、ゲート電極として必要な仕事関数が得られない。また、この間隔が長すぎると、Si柱6b、6c間と、Si柱6d、6e間と、でTiN層24b、24cが離れてしまう。このことより、SRAMセルの集積度を向上させるためには、Si柱6b、6c間、及びSi柱6d、6e間の間隔を最適化しなければいけない。
[要求3]
隣接したSi柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの頂部にSGTのソース、又はドレインとなる不純物領域を形成し、これら不純物領域の上面から、外部配線と接続するコンタクトホールを形成する従来の構造では、これら不純物領域とチャネル、及びコンタクトホールとの接続面積が、Si柱6a〜6fの断面積に限定され、SRAMセルの高密度化が進むと、これら不純物領域の抵抗の増加が問題である。このため、不純物領域とチャネル、及びコンタクトホールとの、接続面積が大きくする必要がある。そして、不純物領域はSGTのソース、またはドレインとして機能するのに必要な体積が確保されなければいけない。
[要求4]
Si柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの頂部に不純物領域を、ドナー、またはアクセプタ不純物を含んだ選択、または非選択エピタキシャル結晶成長法により形成する場合、より良好な結晶性を持つ不純物領域を形成するには、エピタキシャル結晶成長させるSi柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの頂部の面積が大きいほど、良い。
1.上記要求に対して、本実施形態は下記の特徴を有する。
[要求1に対して]
本実施形成では、平面視における、Si柱7b、7c間、及びSi柱7d、7e間の距離は帯状SiGe層8a、8bの幅により定められる。この帯状SiGe材料層8a、8bの幅は、図1Bにおいて説明したように、リソグラフィ法で形成できる最小のレジスト層の幅より更に小さく形成できる。これにより、ゲートTiN層24b、24cが、垂直方向における、Si柱7b、7c間と、及びSi柱7d、7e間とで、SGTチャネル側面全体で接触させることができる。これは、平面視において、Si柱7b、7cとSi柱7d、7eとのゲート電極間距離を最小まで近づけられることを示している。そして、SGTの不純物領域であるN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eは、互いに離れた凹部30A、30B、30C、30D,30E、30F内に形成されるため、隣接した、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eが接触することはない。そして、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eを形成する、凹部30A、30B、30C、30D,30E、30Fの内の、Si柱6a〜6fの外周の凹部30a、30b、30c、30d、30e、30fは、リソグラフィ法を用いないで、自己整合で形成されている。これにより、高密度のN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eが形成される。これは、SRAMセルの高密度化につながる。
[要求2に対して]
Si柱6b、6c間と、Si柱6d、6e間と、の間隔は、帯状SiGe層8a、8bの幅で決められる。この帯状SiGe材料層8a、8bの幅は、図1Bにおいて説明したように、リソグラフィ法で形成できる最小のレジスト層の幅より更に小さく形成できる。この帯状SiGe材料層8a、8bの狭める幅を変えることによって、必要なSi柱6b、6c間と、Si柱6d、6e間と、の間隔を得ることができる。これにより、SRAMセルの高密度化の最適化が図れる。
[要求3に対して]
本実施形態では、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eと、各SGTのチャネルとの接続は、Si柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの頂部の上面と側面とでなされる。これにより、不純物領域が、Si柱6a〜6fの頂部の内部だけに形成された構造と比べて、不純物領域とチャネルとの接続面積を大きくできる。そして、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの平面視における上面面積は、Si柱6a、6b、6c、6d、6e、6fより大きいので、コンタクトホールC1〜C10を大きくできる。また、本実施形態では、確実に不純物領域としての動作を行うための、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの体積の確保を、凹部30A、30B、30C、30D,30E、30Fの深さと、結晶成長させるN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの結晶成長時間と、を変えることにより、平面視における、不純物領域の面積を増やすことなく、容易に実現できる。
[要求4に対して]
本実施形態では、選択エピタキシャル結晶成長によるN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの形成は、Si柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの頂部の上面と側面とでなされる。これにより、不純物領域が、Si柱6a〜6fの頂部の内部だけに形成された構造の場合と比べて、選択エピタキシャル結晶成長のためのSi柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの露出面積を広くできる。これは、より良好な結晶性を持つ不純物領域が形成される。これはSRAMセル特性が向上につながる。
2.良好なSRAMセル特性を得るには、如何に、平面視におけるSi柱6a〜6fの形状を精度よく形成するかが重要である。本実施形態では、図1C,図1Dに示すように、Si柱6a〜6fを、帯状SiGe層8a、8bの両側に形成した帯状SiN層13aa、13ab、13ba、13bbを用いて行っている。帯状SiN層13aa、13ab、13ba、13bbは、SiN膜を1原子層ずつ堆積するALD(Atomic Layered Deposition)法により形成している。これは、帯状SiN層13aa、13ab、13ba、13bbの厚さを1原子層の精度で形成できることを意味している。同様に、帯状マスク材料層12aa、12ab、12ba、12bbは、帯状SiN層13aa、13ab、13ba、13bbの頂部形状をそのまま現しているので、高精度で帯状SiN層13aa、13ab、13ba、13bbが形成できる。これは、高精度なSi柱6a〜6f形成に繋がる。このことは、帯状マスク材料層17a、17bの形成に対しても、同様である。これにより、高精度にSi柱6a〜6fが形成させる。
3.本実施形態では、6個のSGTよりなるSRAMセルについて説明した。これに対して、8個のSGTよりなるSRAMセルに対しても、本発明は適用できる。8個のSGTよりなるSRAMセルでは、Y方向に並んだ2列が、それぞれ4個のSGTより構成される。そして、この4個のSGTの内、負荷用または駆動用のSGTが2個隣接して並ぶ。この場合、3個並んだ負荷用と駆動用のSGTのゲート電極は接続しており、そして、隣接した負荷用と駆動用のSGTの上部の不純物層は離れて形成されなければいけない。隣接した負荷用と駆動用のSGTの関係は、6個のSGTよりなるSRAMセルと同じであるので、本実施形態の方法を適用することによって、高密度の8個のSGTより構成されたSRAMセルを形成できる。本発明は、他の複数のSGTよりなるSRAMセル形成にも適用できる。
4.本実施形態では、本発明をSRAMセルに適用した例について説明した。同じチップ上に形成されるロジック回路において、もっとも多く使われるインバータ回路は、少なくとも2つのNチャネルSGTとPチャネルSGTよりなり、NチャネルSGTとPチャネルSGTとのゲート電極は接続している。そして、2つのNチャネルSGTとPチャネルSGTのそれぞれの上部の不純物領域は離れていなければいけない。このように、SRAMセルの負荷SGTと駆動SGTとの関係と、インバータ回路のNチャネルSGTとPチャネルSGTとの関係は同じである。これは、例えばSRAMセル領域とロジック回路領域を含んだマイクロプロセッサ回路に本発明を適用せることにより、高密度マイクロプロセッサ回路が実現できることを示している。なお、本発明は、少なくとも2個並んだ、同じ極性のSGT形成にも適用できる。この場合、これらSGTを形成する半導体柱頂部に接続して形成する不純物層は同じ極性のものになるので、これら不純物層は同時に形成してもよい。
5.本実施形態では、平面視において、円形状のSi柱6a〜6fを形成した。Si柱6a〜6fの一部または全ての平面視における形状は、円形、楕円、一方方向に長く伸びた形状などの形状が容易に形成できる。そして、SRAM領域から離れて形成されるロジック回路領域においても、ロジック回路設計に応じて、ロジック回路領域に、平面視形状の異なるSi柱が混在して形成することができる。これにより、高密度で、且つ高性能マイクロプロセッサ回路が実現できる。
以下、図2A〜図2C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SRAM回路の製造方法について説明する。(a)は平面図、(b)は(a)のX−X’線に沿う断面構造図、(c)は(a)のY−Y’線に沿う断面構造図を示す。
図1A〜図1Jまでの工程を行う。そして、Si柱6A、6B、6C、6D、6E、6F上のマスク材料層7a、7b、7c、7d、7e、7fを除去する。Si柱6A、6B、6C、6D、6E、6Fの高さは、Si柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの高さよりマスク材料層7a、7b、7c、7d、7e、7fの厚さだけ大きいのが望ましい。そして、図1Kの工程を行ない、図2Aに示すように、Si柱6A〜6Fの頂部を囲んでSiO2層28a〜28fと、SiN層29を形成する。
第1実施形態では、図1Mに示したSi柱6a〜6fの頂部上の凹部30A〜30Fの深さは、図1Lで示した、マスク材料層7a〜7fの厚さで決められる。これらマスク材料層7a〜7fは、図1B、図1I〜図1Lで示したRIE、及びCMP工程におけるエッチングマスク、またはストッパ材料層として用いられている。このため、各工程でのウエハ内一様性がSi柱6a〜6fの頂部上の凹部30A〜30Fの深さのウエハ内一様性に影響する。このため、マスク材料層7a〜7fを、材料の選択、そして各工程に合わせた材料層よりなる多層構造にするにするなどの工夫が必要である。これに対し、本実施形態では、図2A、図2BにおけるCMP、Si柱6A〜6Fの頂部エッチング工程を主に精度を高めることにより、Si柱6a〜6fの頂部上の凹部30A〜30Fの深さの一様性の向上が図れる。
以下、図3A〜図3C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SRAM回路の製造方法について説明する。(a)は平面図、(b)は(a)のX−X’線に沿う断面構造図、(c)は(a)のY−Y’線に沿う断面構造図を示す。
第1実施形態では、N+層32a、32c、32d、32fと、P+層32b、32eと、を選択エピタキシャル結晶成長法を用いて形成した。選択エピタキシャル結晶成長法では、凹部30A〜30Fの外周部のSiN層29に堆積したSi、及びドナー、またはアクセプタ不純物原子が、SiN層29表面を移動し、凹部30A〜30Fに到達した後に、凹部30A〜30F内で結晶成長して、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eが形成される。このため、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの体積は、凹部30A〜30FがSiN層29上で、どのように配置されているかに影響されて、同じではない。このため、均一なN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eを、凹部30A〜30F内に形成することに困難さを生じる。これに対して、本実施形態では、図3A、図3Bに示した様に、凹部30b、30d内と、SiN層29、SiO2層31a、31c、31d、31f上とにアクセプタ不純物を含んだP+層43を形成した後、P+層43を、その上面がSiN層29の上面位置になるようにエッチバック、またはCMP法を用いて、Si柱6b、6eの頂部を囲み、且つ凹部30b、30e内にP+層43b、43eを形成する。このため、選択エピタキシャル結晶成長法の場合のような、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの体積のばらつきは生じない。
以下、図4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SRAM回路の製造方法について説明する。(a)は平面図、(b)は(a)のX−X’線に沿う断面構造図、(c)は(a)のY−Y’線に沿う断面構造図を示す。
1.第3実施形態では、凹部30a〜30f内部のSiN層27の上面、及びSiN層29側面は、結晶性を有しないSiN層がそのまま露出している。エピタキシャル結晶成長法では、単結晶層表面の原子配列に繋がって単結晶層が成長される。そのため、凹部30a〜30f内部の露出したSiN層27、29表面上では、単結晶層が形成されない。このため、凹部30a〜30f内部に形成されるP+層43、N+層(図示せず)の結晶性が損なわれる。これに対し、本実施形態では、P+層43の形成前に、凹部30b、30e内部全体に、単結晶の薄い半導体層46を形成する(N+層においても同じ)。これにより、凹部30a〜30f内部に形成されるP+層43、N+層(図示せず)の結晶性が向上する。これによりSGT特性が改善される。
2.第1実施形態においても、凹部30a〜30f内部のSiN層27の上面、及びSiN層29側面は、結晶性を有しないSiN層がそのまま露出している。これに対し、選択エピタキシャル結晶成長法によるN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの形成の前に、本実施形態と同じく、薄い単結晶半導体層を被覆することにより、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの結晶性の向上が図れる。これによりSGT特性が改善される。
以下、図5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SRAM回路の製造方法について説明する。(a)は平面図、(b)は(a)のX−X’線に沿う断面構造図、(c)は(a)のY−Y’線に沿う断面構造図を示す。
エピタキシャル結晶成長法では、単結晶層表面の原子配列に繋がって単結晶層が成長される。第1実施形態では、平面視における、露出したSi柱6a〜6f頂部はRIEエッチングされているため側面表面は、多くの面方位を有し、且つRIEによりイオンダメージにより、結晶性の良い状態ではない。これに対し、本実施形態では、Si柱6a〜6f頂部の異方性エッチングにより、RIEエッチングでのイオンダメージ層を除き、且つ特定の方位面をSi柱6a〜6f頂部側面は特定の方位面を有する。これにより、良い結晶性を有するN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eが形成される。これはSGTの性能向上につながる。
2、2a、2b N層
3、3a、3b、3aa、3ab、3ba、3bb、32a、32c、32d、32f、43a、43c、43d、43f N+層
4、4a、4b、5、32b、32e、43、43b、43e P+層
6 i層
7、7a、7b、7c、7d、7e、7f、9、10 マスク材料層
9a、9b、10a、10b、12aa、12ab、12ba、12bb、17a、17b 帯状マスク材料層
19a、19b、19c、19d、19e、19f、19g、19h 矩形状のマスク材料層
8、 SiGe層
12、13a、13b、13c、16 SiN層
13aa、13ab、13ba、13bb 帯状SiN層
8a、8b 帯状SiGe層
6a、6b、6c、6d、6e、6f、6A,6B、6C、6D、6E、6F Si柱
15、22、25、28a、28b、28c、28d、28e、28f、30a、30b、30c、30d、30e、30f、35、36、37、38、39 SiO2層
20a、20b、20c、20d、20e、20f、20g、20h SiN柱
30a、30b、30c、30d、30e、30f、30A、30B、30C、30D,30E、30F、41a、41b、41c、41d、41e、41f 凹部
23 HfO2層
24a、24b、24c、24d TiN層
コンタクトホール
33a、33b、33c、33e、33f W層
21a、21b Si柱台
46 単結晶半導体層
48a、48b、48c、48d、48e、48f 特定方位面
C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10 コンタクトホール
WL ワード配線金属層
BL ビット配線金属層
RBL 反転ビット配線金属層
Vss1,Vss2 グランド配線金属層
Vdd 電源配線金属層
XC1、XC2 接続配線金属層
基板上に、第1の半導体柱と、前記第1の半導体柱に隣接して、第2の半導体柱があり、前記第1の半導体柱を囲み第1のゲート絶縁層があり、前記第2の半導体柱を囲み第2のゲート絶縁層があり、前記第1ゲート絶縁層を囲み第1のゲート導体層があり、前記第2ゲート絶縁層を囲み第2のゲート導体層があり、前記第1の半導体柱の頂部に接続して第1の不純物層があり、前記第2の半導体柱の頂部に接続して第2の不純物層があり、前記第1の半導体柱の下部に接続して第3の不純物層があり、前記第2の半導体柱の下部に接続して第4の不純物層があり、前記第1の不純物層と前記第3の不純物層と、の間の前記第1の半導体柱をチャネルにした第1のSGTと、前記第2の不純物層と前記第4の不純物層と、の間の前記第2の半導体柱をチャネルにした第2のSGTと、を有したSGT装置の製造において、
前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層との上にあり、且つ前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を囲み、且つその上面位置が、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱の上面位置より下にある第1の絶縁層を形成する工程と、
前記第1の絶縁層上に、前記第1の半導体柱頂部を囲んだ第1の材料層と、前記第2の半導体柱の頂部を囲んだ第2の材料層と、を互いに離れて形成する工程と、
前記第1の絶縁層の上にあり、且つ前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、を囲んだ第2の絶縁層を形成する工程と、
前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、を除去する工程と、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程と、
前記第1の半導体柱の頂部を囲み、且つその上面位置が前記第2の絶縁層の上面位置と、同じか、または下になるドナー、またはアクセプタ不純物原子を含んだ、単結晶層である前記第1の不純物層と、前記第2の半導体柱の頂部を囲み、且つその上面位置が前記第2の絶縁層の上面位置と、同じか、または下になるドナー、またはアクセプタ不純物原子を含んだ、単結晶層である前記第2の不純物層と、を形成する工程と、有し、
前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層と、が垂直方向において、前記第1の半導体柱のチャネルと、前記第2の半導体柱のチャネルとの、領域の側面全体で接触して形成されている、
ことを特徴とする。
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程において、
前記第1の半導体柱の上に、平面視において、前記第1の半導体柱と同じ形状の第3の材料層と、前記第2の半導体柱の上に、平面視において、前記第2の半導体柱と同じ形状の第4の材料層と、を形成する工程と、
前記第1の半導体柱の頂部と前記第3の材料層との側面を囲んで前記第1の材料層を形成すると共に、前記第2の半導体柱の頂部と前記第4の材料層との側面を囲んで前記第2の材料層を形成する工程と、
前記第2の絶縁層を形成した後に、前記第2の材料層と、前記第3の材料層と、前記第4の材料層と、を除去する工程と、を有する、
ことが望ましい。
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の材料層より上にする工程において、
前記前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、前記第2の絶縁層と、の上面位置を、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の上面位置と同じにする工程と、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱との、頂部をエッチングして、上面位置が、前記第1の絶縁層の上面位置より上になる時点で終了させる工程を有する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、を選択エピタキシャル結晶成長法により、形成する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、の片方または両方を形成する工程において、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の片方または両方の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程の後に、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の片方または両方の頂部と、前記第2の絶縁層上と、にドナー、またはアクセプタを含んだ第5の不純物層を形成する工程と、
前記第5の不純物層を、上面位置が前記第2の絶縁層の上面位置になるように平坦化する工程を、有する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、の片方または両方を形成する工程において、
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、を形成する前に、露出した前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部上と、露出した前記第1の絶縁層上と、前記露出した前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部に面した前記第2の絶縁層側面上と、単結晶薄膜半導体層を形成する工程、を有する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、の片方または両方を形成する工程において、
露出した、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱との、頂部を面方位エッチングする工程、を有する、
ことが望ましい。
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程において、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、前記第2の絶縁層と、前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、の上面位置を同じくする工程と、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を、酸化して、その下面位置が、垂直方向において、前記第2の絶縁層と、前記第1の材料層と、前記第2の材料層との上面位置と、前記第1の絶縁層の上面位置と、の間にある酸化層を形成する工程と、
前記酸化層を除去する工程を有する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層上に、その上面位置が前記第2の絶縁層と同じである、金属または合金による第1の導体層と、前記第2の不純物層上に、その上面位置が前記第2の絶縁層と同じ、金属または合金による第2の導体層と、を形成する工程を、有する、
ことを特徴が望ましい。
ドナー、またはアクセプタ不純物原子を含んだ、単結晶層である前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層とを形成する工程において、エピタキシャル結晶成長法により、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の一方、または両方の頂部を囲み、且つ前記第2の絶縁層上に伸延した第5の不純物層を形成するする工程と、
前記第5の不純物層の上面位置を、前記第2の絶縁層の上面位置と、同じか、または下方になるように平坦化する工程、を有する、
ことが望ましい。
前記第1の不純物層と第2の不純物層と、を形成する前に、露出した前記第1の半導体柱、前記第2の半導体柱との頂部を、異方性エッチングする工程、を有する、
ことが望ましい。
前記基板上に、複数のSGTより1つのセル領域を構成するSRAM(Static Random Access Memory)回路の形成において、
前記基板上に形成した半導体層上に、第5の材料層を形成する工程と、
前記セル領域において、前記第5の材料層上に、平面視で、第1の方向に、互いに平行し、且つ分離した4本または5本の帯状の第1マスク材料層を形成する工程と、
前記帯状の第1マスク材料層の下方、または上方に、前記セル領域において、平面視で、前記第1の方向に直交し、且つ互いに平行し、且つ分離した2本の帯状の第2マスク材料層が形成された状態で、
前記帯状の第1マスク材料層と、前記帯状の第2マスク材料層と、が重なった部分に、前記第5の材料層と、前記帯状の第1マスク材料層と、前記帯状の第2のマスク材料層との、一部または全てからなる第3のマスク材料層を形成する工程と、
前記第3のマスク材料層をマスクに、前記半導体層をエッチングして、第1の線上に並んだ第1の組の半導体柱と、前記第1の線に平行した第2の線上に並んだ第2の組の半導体柱と、を形成する工程と、
前記第1の組の半導体柱の内の、前記第1の線上の一方の端に、第3の半導体柱があり、前記第2の組の半導体柱の内の、前記第2の線上にあって、且つ前記一方の端と反対の端に、第4の半導体柱があり、前記第1の線と直交する前記第3の半導体柱の中心を通る第1の中心線と、前記第2の線と、が交わる点に中心を持つ第5の半導体柱があり、前記第2の線と直交する前記第4の半導体柱の中心を通る第2の中心線と、前記第1の線と、が交わる点に中心を持つ第6の半導体柱があり、前記第1の線上に中心を有し、且つ前記第6の半導体柱に隣り合った第7の半導体柱があり、前記第2の線上に中心を有し、且つ前記第5の半導体柱に隣り合った第8の半導体柱がある、配置に形成され、
平面視において、前記第8の半導体柱の、前記第1の中心線に平行した2つの外周接線の内側を延長した第1の帯領域の中に、少なくとも一部が重なって、前記第1の組の半導体柱がない第1の半導体柱不在領域があり、前記第7の半導体柱の、前記第2の中心線に平行した2つの外周接線の内側を延長した第2の帯領域の中に、少なくとも一部が重なって、前記第2の組の半導体柱がない第2の半導体柱不在領域が形成され、
前記第5の半導体柱と、前記第8の半導体柱との、一方が前記第1の半導体柱であれば、他方が前記第2の半導体柱であり、同じく、前記第6の半導体柱と、前記第7の半導体柱との、一方が前記第1の半導体柱であれば、他方が前記第2の半導体柱であり、
前記第1の組の半導体柱の、底部に繋がって形成した第1の不純物領域と、前記第5の半導体柱と前記第8の半導体柱との、前記第1のゲート導体層と前記第2のゲート導体層と、を接続する第1のコンタクトホールを、前記第1の半導体柱不在領域上に形成し、前記第2の組の半導体柱の、底部に繋がって形成した第2の不純物領域と、前記第6の半導体柱と前記第7の半導体柱との、前記第1のゲート導体層と前記第2のゲート導体層と、を接続する第2のコンタクトホールを、前記第2の半導体柱不在領域上に形成しており、
前記第1の不純物領域と、前記第2の不純物領域とは、共に前記第3の不純物層と、前記第4の不純物層と、を含んでいる、
ことが望ましい。
以下、図1A〜図1Q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SRAM回路の製造方法について説明する。(a)は平面図、(b)は(a)のX−X’線に沿う断面構造図、(c)は(a)のY−Y’線に沿う断面構造図を示す。
[要求1]
Si柱6b、6eに負荷用SGTが形成され、Si柱6c、6dには、選択用SGTが形成される。SRAMセルの高密度化には、隣接したSi柱6b、6c間に距離を短くする必要がある。一方、隣接したSi柱6b、6cの頂部に接続した頂部導電層を含めた不純物領域は、互いに離れて形成されなければいけない。同様に、隣接したSi柱6d、6e間に距離を短くする必要がある。一方、隣接したSi柱6d、6eの頂部に接続した頂部導電層を含めた不純物領域は、互いに離れて形成されなければいけない。
[要求2]
Si柱6b、6c間と、Si柱6d、6e間と、の間隔が短すぎると、ゲートTiN層24b、24cが薄くなり、ゲート電極として必要な仕事関数が得られない。また、この間隔が長すぎると、Si柱6b、6c間と、Si柱6d、6e間と、でTiN層24b、24cが離れてしまう。このことより、SRAMセルの集積度を向上させるためには、Si柱6b、6c間、及びSi柱6d、6e間の間隔を最適化しなければいけない。
[要求3]
隣接したSi柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの頂部にSGTのソース、又はドレインとなる不純物領域を形成し、これら不純物領域の上面から、外部配線と接続するコンタクトホールを形成する従来の構造では、これら不純物領域とチャネル、及びコンタクトホールとの接続面積が、Si柱6a〜6fの断面積に限定され、SRAMセルの高密度化が進むと、これら不純物領域の抵抗の増加が問題である。このため、不純物領域とチャネル、及びコンタクトホールとの、接続面積が大きくする必要がある。そして、不純物領域はSGTのソース、またはドレインとして機能するのに必要な体積が確保されなければいけない。
[要求4]
Si柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの頂部に不純物領域を、ドナー、またはアクセプタ不純物を含んだ選択、または非選択エピタキシャル結晶成長法により形成する場合、より良好な結晶性を持つ不純物領域を形成するには、エピタキシャル結晶成長させるSi柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの頂部の面積が大きいほど、良い。
1.上記要求に対して、本実施形態は下記の特徴を有する。
[要求1に対して]
本実施形成では、平面視における、Si柱7b、7c間、及びSi柱7d、7e間の距離は帯状SiGe層8a、8bの幅により定められる。この帯状SiGe材料層8a、8bの幅は、図1Bにおいて説明したように、リソグラフィ法で形成できる最小のレジスト層の幅より更に小さく形成できる。これにより、ゲートTiN層24b、24cが、垂直方向における、Si柱7b、7c間と、及びSi柱7d、7e間とで、SGTチャネル側面全体で接触させることができる。これは、平面視において、Si柱7b、7cとSi柱7d、7eとのゲート電極間距離を最小まで近づけられることを示している。そして、SGTの不純物領域であるN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eは、互いに離れた凹部30A、30B、30C、30D,30E、30F内に形成されるため、隣接した、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eが接触することはない。そして、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eを形成する、凹部30A、30B、30C、30D,30E、30Fの内の、Si柱6a〜6fの外周の凹部30a、30b、30c、30d、30e、30fは、リソグラフィ法を用いないで、自己整合で形成されている。これにより、高密度のN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eが形成される。これは、SRAMセルの高密度化につながる。
[要求2に対して]
Si柱6b、6c間と、Si柱6d、6e間と、の間隔は、帯状SiGe層8a、8bの幅で決められる。この帯状SiGe材料層8a、8bの幅は、図1Bにおいて説明したように、リソグラフィ法で形成できる最小のレジスト層の幅より更に小さく形成できる。この帯状SiGe材料層8a、8bの狭める幅を変えることによって、必要なSi柱6b、6c間と、Si柱6d、6e間と、の間隔を得ることができる。これにより、SRAMセルの高密度化の最適化が図れる。
[要求3に対して]
本実施形態では、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eと、各SGTのチャネルとの接続は、Si柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの頂部の上面と側面とでなされる。これにより、不純物領域が、Si柱6a〜6fの頂部の内部だけに形成された構造と比べて、不純物領域とチャネルとの接続面積を大きくできる。そして、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの平面視における上面面積は、Si柱6a、6b、6c、6d、6e、6fより大きいので、コンタクトホールC1〜C10を大きくできる。また、本実施形態では、確実に不純物領域としての動作を行うための、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの体積の確保を、凹部30A、30B、30C、30D,30E、30Fの深さと、結晶成長させるN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの結晶成長時間と、を変えることにより、平面視における、不純物領域の面積を増やすことなく、容易に実現できる。
[要求4に対して]
本実施形態では、選択エピタキシャル結晶成長によるN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの形成は、Si柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの頂部の上面と側面とでなされる。これにより、不純物領域が、Si柱6a〜6fの頂部の内部だけに形成された構造の場合と比べて、選択エピタキシャル結晶成長のためのSi柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの露出面積を広くできる。これは、より良好な結晶性を持つ不純物領域が形成される。これはSRAMセル特性が向上につながる。
2.良好なSRAMセル特性を得るには、如何に、平面視におけるSi柱6a〜6fの形状を精度よく形成するかが重要である。本実施形態では、図1C,図1Dに示すように、Si柱6a〜6fを、帯状SiGe層8a、8bの両側に形成した帯状SiN層13aa、13ab、13ba、13bbを用いて形成している。帯状SiN層13aa、13ab、13ba、13bbは、SiN膜を1原子層ずつ堆積するALD(Atomic Layered Deposition)法により形成している。これは、帯状SiN層13aa、13ab、13ba、13bbの厚さを1原子層の精度で形成できることを意味している。同様に、帯状マスク材料層12aa、12ab、12ba、12bbは、帯状SiN層13aa、13ab、13ba、13bbの頂部形状をそのまま現しているので、高精度で帯状SiN層13aa、13ab、13ba、13bbが形成できる。これは、高精度なSi柱6a〜6f形成に繋がる。このことは、帯状マスク材料層17a、17bの形成に対しても、同様である。これにより、高精度にSi柱6a〜6fが形成させる。
3.本実施形態では、6個のSGTよりなるSRAMセルについて説明した。これに対して、8個のSGTよりなるSRAMセルに対しても、本発明は適用できる。8個のSGTよりなるSRAMセルでは、Y方向に並んだ2列が、それぞれ4個のSGTより構成される。そして、この4個のSGTの内、負荷用または駆動用のSGTが2個隣接して並ぶ。この場合、3個並んだ負荷用と駆動用のSGTのゲート電極は接続しており、そして、隣接した負荷用と駆動用のSGTの上部の不純物層は離れて形成されなければいけない。隣接した負荷用と駆動用のSGTの関係は、6個のSGTよりなるSRAMセルと同じであるので、本実施形態の方法を適用することによって、高密度の8個のSGTより構成されたSRAMセルを形成できる。本発明は、他の複数のSGTよりなるSRAMセル形成にも適用できる。
4.本実施形態では、本発明をSRAMセルに適用した例について説明した。同じチップ上に形成されるロジック回路において、もっとも多く使われるインバータ回路は、少なくとも2つのNチャネルSGTとPチャネルSGTよりなり、NチャネルSGTとPチャネルSGTとのゲート電極は接続している。そして、2つのNチャネルSGTとPチャネルSGTのそれぞれの上部の不純物領域は離れていなければいけない。このように、SRAMセルの負荷SGTと駆動SGTとの関係と、インバータ回路のNチャネルSGTとPチャネルSGTとの関係は同じである。これは、例えばSRAMセル領域とロジック回路領域を含んだマイクロプロセッサ回路に本発明を適用せることにより、高密度マイクロプロセッサ回路が実現できることを示している。なお、本発明は、少なくとも2個並んだ、同じ極性のSGT形成にも適用できる。この場合、これらSGTを形成する半導体柱頂部に接続して形成する不純物層は同じ極性のものになるので、これら不純物層は同時に形成してもよい。
5.本実施形態では、平面視において、円形状のSi柱6a〜6fを形成した。Si柱6a〜6fの一部または全ての平面視における形状は、円形、楕円、一方方向に長く伸びた形状などの形状が容易に形成できる。そして、SRAM領域から離れて形成されるロジック回路領域においても、ロジック回路設計に応じて、ロジック回路領域に、平面視形状の異なるSi柱が混在して形成することができる。これにより、高密度で、且つ高性能マイクロプロセッサ回路が実現できる。
以下、図2A〜図2C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SRAM回路の製造方法について説明する。(a)は平面図、(b)は(a)のX−X’線に沿う断面構造図、(c)は(a)のY−Y’線に沿う断面構造図を示す。
図1A〜図1Jまでの工程を行う。そして、Si柱6A、6B、6C、6D、6E、6F上のマスク材料層7a、7b、7c、7d、7e、7fを除去する。Si柱6A、6B、6C、6D、6E、6Fの高さは、Si柱6a、6b、6c、6d、6e、6fの高さよりマスク材料層7a、7b、7c、7d、7e、7fの厚さだけ大きいのが望ましい。そして、図1Kの工程を行ない、図2Aに示すように、Si柱6A〜6Fの頂部を囲んでSiO2層28a〜28fと、SiN層29を形成する。
第1実施形態では、図1Mに示したSi柱6a〜6fの頂部上の凹部30A〜30Fの深さは、図1Lで示した、マスク材料層7a〜7fの厚さで決められる。これらマスク材料層7a〜7fは、図1B、図1I〜図1Lで示したRIE、及びCMP工程におけるエッチングマスク、またはストッパ材料層として用いられている。このため、各工程でのウエハ内一様性がSi柱6a〜6fの頂部上の凹部30A〜30Fの深さのウエハ内一様性に影響する。このため、マスク材料層7a〜7fを、材料の選択、そして各工程に合わせた材料層よりなる多層構造にするにするなどの工夫が必要である。これに対し、本実施形態では、図2A、図2BにおけるCMP、Si柱6A〜6Fの頂部エッチング工程を主に精度を高めることにより、Si柱6a〜6fの頂部上の凹部30A〜30Fの深さの一様性の向上が図れる。
以下、図3A〜図3C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SRAM回路の製造方法について説明する。(a)は平面図、(b)は(a)のX−X’線に沿う断面構造図、(c)は(a)のY−Y’線に沿う断面構造図を示す。
第1実施形態では、N+層32a、32c、32d、32fと、P+層32b、32eと、を選択エピタキシャル結晶成長法を用いて形成した。選択エピタキシャル結晶成長法では、凹部30A〜30Fの外周部のSiN層29に堆積したSi、及びドナー、またはアクセプタ不純物原子が、SiN層29表面を移動し、凹部30A〜30Fに到達した後に、凹部30A〜30F内で結晶成長して、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eが形成される。このため、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの体積は、凹部30A〜30FがSiN層29上で、どのように配置されているかに影響されて、同じではない。このため、均一なN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eを、凹部30A〜30F内に形成することに困難さを生じる。これに対して、本実施形態では、図3A、図3Bに示した様に、凹部30b、30d内と、SiN層29、SiO2層31a、31c、31d、31f上とにアクセプタ不純物を含んだP+層43を形成した後、P+層43を、その上面がSiN層29の上面位置になるようにエッチバック、またはCMP法を用いて、Si柱6b、6eの頂部を囲み、且つ凹部30b、30e内にP+層43b、43eを形成する。このため、選択エピタキシャル結晶成長法の場合のような、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの体積のばらつきは生じない。
以下、図4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SRAM回路の製造方法について説明する。(a)は平面図、(b)は(a)のX−X’線に沿う断面構造図、(c)は(a)のY−Y’線に沿う断面構造図を示す。
1.第3実施形態では、凹部30a〜30f内部のSiN層27の上面、及びSiN層29側面は、結晶性を有しないSiN層がそのまま露出している。エピタキシャル結晶成長法では、単結晶層表面の原子配列に繋がって単結晶層が成長される。そのため、凹部30a〜30f内部の露出したSiN層27、29表面上では、単結晶層が形成されない。このため、凹部30a〜30f内部に形成されるP+層43、N+層(図示せず)の結晶性が損なわれる。これに対し、本実施形態では、P+層43の形成前に、凹部30b、30e内部全体に、単結晶の薄い半導体層46を形成する(N+層においても同じ)。これにより、凹部30a〜30f内部に形成されるP+層43、N+層(図示せず)の結晶性が向上する。これによりSGT特性が改善される。
2.第1実施形態においても、凹部30a〜30f内部のSiN層27の上面、及びSiN層29側面は、結晶性を有しないSiN層がそのまま露出している。これに対し、選択エピタキシャル結晶成長法によるN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの形成の前に、本実施形態と同じく、薄い単結晶半導体層を被覆することにより、N+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eの結晶性の向上が図れる。これによりSGT特性が改善される。
以下、図5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SRAM回路の製造方法について説明する。(a)は平面図、(b)は(a)のX−X’線に沿う断面構造図、(c)は(a)のY−Y’線に沿う断面構造図を示す。
エピタキシャル結晶成長法では、単結晶層表面の原子配列に繋がって単結晶層が成長される。第1実施形態では、平面視における、露出したSi柱6a〜6f頂部はRIEエッチングされているため側面表面は、多くの面方位を有し、且つRIEによりイオンダメージにより、結晶性の良い状態ではない。これに対し、本実施形態では、Si柱6a〜6f頂部の異方性エッチングにより、RIEエッチングでのイオンダメージ層を除き、且つSi柱6a〜6f頂部側面は特定の方位面を有する。これにより、良い結晶性を有するN+層32a、32c、32d、32f、P+層32b、32eが形成される。これはSGTの性能向上につながる。
2、2a、2b N層
3、3a、3b、3aa、3ab、3ba、3bb、32a、32c、32d、32f、43a、43c、43d、43f N+層
4、4a、4b、5、32b、32e、43、43b、43e P+層
6 i層
7、7a、7b、7c、7d、7e、7f、9、10 マスク材料層
9a、9b、10a、10b、12aa、12ab、12ba、12bb、17a、17b 帯状マスク材料層
19a、19b、19c、19d、19e、19f、19g、19h 矩形状のマスク材料層
8、 SiGe層
12、13a、13b、13c、16 SiN層
13aa、13ab、13ba、13bb 帯状SiN層
8a、8b 帯状SiGe層
6a、6b、6c、6d、6e、6f、6A,6B、6C、6D、6E、6F Si柱
15、22、25、28a、28b、28c、28d、28e、28f、31a、31b、31c、31d、31e、31f、35、36、37、38、39 SiO2層
20a、20b、20c、20d、20e、20f、20g、20h SiN柱
30a、30b、30c、30d、30e、30f、30A、30B、30C、30D,30E、30F、41a、41b、41c、41d、41e、41f 凹部
23 HfO2層
24a、24b、24c、24d TiN層
コンタクトホール
33a、33b、33c、33e、33f W層
21a、21b Si柱台
46 単結晶半導体層
48a、48b、48c、48d、48e、48f 特定方位面
C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10 コンタクトホール
WL ワード配線金属層
BL ビット配線金属層
RBL 反転ビット配線金属層
Vss1,Vss2 グランド配線金属層
Vdd 電源配線金属層
XC1、XC2 接続配線金属層
Claims (12)
- 基板上に、第1の半導体柱と、前記第1の半導体柱に隣接して、第2の半導体柱があり、前記第1の半導体柱を囲み第1のゲート絶縁層があり、前記第2の半導体柱を囲み第2のゲート絶縁層があり、前記第1ゲート絶縁層を囲み第1のゲート導体層があり、前記第2ゲート絶縁層を囲み第2のゲート導体層があり、前記第1の半導体柱の頂部に接続して第1の不純物層があり、前記第2の半導体柱の頂部に接続して第2の不純物層があり、前記第1の半導体柱の下部に接続して第3の不純物層があり、前記第2の半導体柱の下部に接続して第4の不純物層があり、前記第1の不純物層と前記第3の不純物層と、の間の前記第1の半導体柱をチャネルにした第1のSGTと、前記第2の不純物層と前記第4の不純物層と、の間の前記第2の半導体柱をチャネルにした第2のSGTと、を有したSGT装置の製造において、
前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層との上にあり、且つ前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を囲み、且つその上面位置が、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱の上面位置より下にある第1の絶縁層を形成する工程と、
前記第1の絶縁層上に、前記第1の半導体柱頂部を囲んだ第1の材料層と、前記第2の半導体柱の頂部を囲んだ第2の材料層と、を互いに離れて形成する工程と、
前記第1の絶縁層の上にあり、且つ前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、を囲んだ第2の絶縁層を形成する工程と、
前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、を除去する工程と、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程と、
前記第1の半導体柱の頂部を囲み、且つその上面位置が前記第2の絶縁層の上面位置と、同じか、または下になるドナー、またはアクセプタ不純物原子を含んだ、単結晶層である前記第1の不純物層と、前記第2の半導体柱の頂部を囲み、且つその上面位置が前記第2の絶縁層の上面位置と、同じか、または下になるドナー、またはアクセプタ不純物原子を含んだ、単結晶層である前記第2の不純物層と、を形成する工程と、有し、
前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層と、が垂直方向において、前記第1の半導体柱のチャネルと、前記第2の半導体柱のチャネルとの、領域の側面全体で接触して形成されている、
ことを特徴とした柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程において、
前記第1の半導体柱の上に、平面視において、前記第1の半導体柱と同じ形状の第3の材料層と、前記第2の半導体柱の上に、平面視において、前記第2の半導体柱と同じ形状の第4の材料層と、を形成する工程と、
前記第1の半導体柱の頂部と前記第3の材料層との側面を囲んで前記第1の材料層を形成すると共に、前記第2の半導体柱の頂部と前記第4の材料層との側面を囲んで前記第2の材料層を形成する工程と、
前記第2の絶縁層を形成した後に、前記第2の材料層と、前記第3の材料層と、前記第4の材料層と、を除去する工程と、を有する、
ことを特徴とした請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の材料層より上にする工程において、
前記前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、前記第2の絶縁層と、の上面位置を、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の上面位置と同じにする工程と、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱との、頂部をエッチングして、上面位置が、前記第1の絶縁層の上面位置より上になる時点で終了させる工程を有する、
ことを特徴とした請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、を選択エピタキシャル結晶成長法により、形成する、
ことを特徴とした請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、の片方または両方を形成する工程において、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の片方または両方の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程の後に、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の片方または両方の頂部と、前記第2の絶縁層上と、にドナー、またはアクセプタを含んだ第5の不純物層を形成する工程と、
前記第5の不純物層を、上面位置が前記第2の絶縁層の上面位置になるように平坦化する工程を、有する、
ことを特徴とした請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、の片方または両方を形成する工程において、
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、を形成する前に、露出した前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部上と、露出した前記第1の絶縁層上と、前記露出した前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部に面した前記第2の絶縁層側面上と、単結晶薄膜半導体層を形成する工程、を有する、
ことを特徴とした請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、の片方または両方を形成する工程において、
露出した、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱との、頂部を面方位エッチングする工程、を有する、
ことを特徴とした請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を露出させ、且つ露出頂部上面位置が、前記第2の絶縁層の上面位置より下で、且つ前記第1の絶縁層より上にする工程において、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、前記第2の絶縁層と、前記第1の材料層と、前記第2の材料層と、の上面位置を同じくする工程と、
前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の頂部を、酸化して、その下面位置が、垂直方向において、前記第2の絶縁層と、前記第1の材料層と、前記第2の材料層との上面位置と、前記第1の絶縁層の上面位置と、の間にある酸化層を形成する工程と、
前記酸化膜を除去する工程を有する、
ことを特徴とした請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の不純物層上に、その上面位置が前記第2の絶縁層と同じである、金属または合金による第1の導体層と、前記第2の不純物層上に、その上面位置が前記第2の絶縁層と同じ、金属または合金による第2の導体層と、を形成する工程を、有する、
ことを特徴とした請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - ドナー、またはアクセプタ不純物原子を含んだ、単結晶層である前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層とを、エピタキシャル結晶成長法により、前記第1の半導体柱と、前記第2の半導体柱と、の一方、または両方の頂部を囲み、且つ前記第2の絶縁層上に伸延した第5の不純物層を形成するする工程と、
前記第5の不純物層の上面位置を、前記第2の絶縁層の上面位置と、同じか、または下方になるように平坦化する工程、を有する、
ことを特徴とした請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記第1の不純物層と第2の不純物層と、を形成する前に、露出した前記第1の半導体柱、前記第2の半導体柱との頂部を、異方性エッチングする工程、を有する、
ことを特徴とした請求項1に記載の柱状半導体装置の製造方法。 - 前記基板上に、複数のSGTより1つのセル領域を構成するSRAM(Static Random Access Memory)回路の形成において、
前記基板上に形成した半導体層上に、第5の材料層を形成する工程と、
前記セル領域において、前記第5の材料層上に、平面視で、第1の方向に、互いに平行し、且つ分離した4本または5本の帯状の第1マスク材料層を形成する工程と、
前記帯状の第1マスク材料層の下方、または上方に、前記セル領域において、平面視で、前記第1の方向に直交し、且つ互いに平行し、且つ分離した2本の帯状の第2マスク材料層が形成された状態で、
前記帯状の第1マスク材料層と、前記帯状の第2マスク材料層と、が重なった部分に、前記第5の材料層と、前記帯状の第1マスク材料層と、前記帯状の第2のマスク材料層との、一部または全てからなる第3のマスク材料層を形成する工程と、
前記第3のマスク材料層をマスクに、前記半導体層をエッチングして、第1の線上に並んだ第1の組の半導体柱と、前記第1の線に平行した第2の線上に並んだ第2の組の半導体柱と、を形成する工程と、
前記第1の組の半導体柱の内の、前記第1の線上の一方の端に、第3の半導体柱があり、前記第2の組の半導体柱の内の、前記第2の線上にあって、且つ前記一方の端と反対の端に、第4の半導体柱があり、前記第1の線と直交する前記第3の半導体柱の中心を通る第1の中心線と、前記第2の線と、が交わる点に中心を持つ第5の半導体柱があり、前記第2の線と直交する前記第4の半導体柱の中心を通る第2の中心線と、前記第1の線と、が交わる点に中心を持つ第6の半導体柱があり、前記第1の線上に中心を有し、且つ前記第6の半導体柱に隣り合った第7の半導体柱があり、前記第2の線上に中心を有し、且つ前記第5の半導体柱に隣り合った第8の半導体柱がある、配置に形成され、
平面視において、前記第8の半導体柱の、前記第1の中心線に平行した2つの外周接線の内側を延長した第1の帯領域の中に、少なくとも一部が重なって、前記第1の組の半導体柱がない第1の半導体柱不在領域があり、前記第7の半導体柱の、前記第2の中心線に平行した2つの外周接線の内側を延長した第2の帯領域の中に、少なくとも一部が重なって、前記第2の組の半導体柱がない第2の半導体柱不在領域が形成され、
前記第5の半導体柱と、前記第8の半導体柱との、一方が前記第1の半導体柱であれば、他方が前記第2の半導体柱であり、同じく、前記第6の半導体柱と、前記第7の半導体柱との、一方が前記第1の半導体柱であれば、他方が前記第2の半導体柱であり、
前記第1の組の半導体柱の、底部に繋がって形成した第1の不純物領域と、前記第5の半導体柱と前記第8の半導体柱との、前記第1のゲート導体層と前記第2のゲート導体層と、を接続する第1のコンタクトホールを、前記第1の半導体柱不在領域上に形成し、前記第2の組の半導体柱の、底部に繋がって形成した第2の不純物領域と、前記第6の半導体柱と前記第7の半導体柱との、前記第1のゲート導体層と前記第2のゲート導体層と、を接続する第2のコンタクトホールを、前記第2の半導体柱不在領域上に形成しており、
前記第1の不純物領域と、前記第2の不純物領域とは、共に前記第3の不純物層と、前記第4の不純物層と、を含んでいる、
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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