JP2004319808A - Mis field effect transistor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はSOI(Silicon On Insulator)構造の半導体集積回路に係り、特に半導体基板(バルクウエハー)に、容易な製造プロセスにより、低コストな疑似SOI基板を形成し、この疑似SOI基板に、高速、低電力、高性能、高信頼且つ高集積なショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路を形成することに関する。
従来、SOI構造の半導体集積回路に関しては、均一な単結晶を持つ半導体基板を酸化膜を介して別の半導体基板に貼り合わせる、いわゆる貼り合わせSOIウエハーを使用した半導体集積回路が実用化されつつあるが、2枚の半導体基板を使用すること及び完全空乏化するために極めて薄いSOI基板を形成しなければならないこと等から歩留りが悪く、市販されている貼り合わせSOIウエハーは極めてコスト高であるという欠点がある。
また通常の半導体基板(バルクウエハー)に酸素イオンを注入して高温の熱処理によりバルクウエハー内部に酸化膜を形成する、いわゆるSIMOX法(S−eparation by IMplanted OXygen)によるSOI基板の形成においては、高価な高ドーズイオン注入マシンの購入、長時間の製造工程によるコスト高及び大口径ウエハーの使用における特性の不安定性の問題等の欠点があった。
現状では、コスト高の問題を無視して、極めて高速化及び低電力化を要する携帯機器やアナログ/デジタル混載のシステムLSI用に限り実用化しており、いずれもSOIウエハーを使用して慣例的なサイドウオールを利用したLDD(Lightly Doped Drain)構造のショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを周囲を絶縁膜で分離されたSOI基板に形成したもので、接合容量、空乏層容量、閾値電圧等を低減することにより高速化及び低電力化を計ったものであるが、一方薄膜のSOI基板に形成するためソースドレイン領域のコンタクト抵抗が増大すること及び各要素の抵抗の低減がなされていないこと等から微細化を計っている割には高速化が達成されていないという欠点があった。またSOI基板下の導電体(半導体基板又は下層配線)にゲート電極に印加される電圧と異なる電圧が印加された場合、SOI基板底部に生ずる微小なバックチャネルリークを制御できなかったことによる高信頼性が達成されていないという欠点もあった。またMIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存しているため、大口径ウエハーにおいては製造バラツキの制御が極めて難しく、MIS電界効果トランジスタの特性を許容範囲に制御することが難しくなりつつあるという欠点も顕著になってきている。
そこで、高速大容量通信用あるいは携帯情報端末用の半導体集積回路等の製造を可能とする、低コストで、しかも容易なプロセスによりSOI構造が形成でき、さらなる高集積、高速、低電力、高信頼及び高性能が達成できるショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成できる手段が要望されている。
【0002】
【従来の技術】
図33は従来の半導体装置の模式側断面図で、貼り合わせSOIウエハーを使用して形成したSOI構造のNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、51はp型のシリコン基板、52は貼り合わせ用酸化膜、53はp型のSOI基板、54は素子分離領域形成用トレンチ及び埋め込み酸化膜、55はn型ソースドレイン領域、56はn+ 型ソースドレイン領域、57はゲート酸化膜(SiO2)、58はゲート電極(WSi/PolySi)、59は下地酸化膜、60はサイドウオール(SiO2)、61は不純物ブロック用酸化膜、62はBPSG膜、63はバリアメタル(Ti/TiN )、64はプラグ(W)、65はバリアメタル(Ti/TiN )、66はAlCu配線、67はバリアメタル(Ti/TiN )を示している。
同図においては、p型のシリコン基板51上に酸化膜52を介して貼り合わせられ、素子分離領域形成用トレンチ及び埋め込み酸化膜54により島状に絶縁分離された薄膜のp型のSOI基板53が形成され、このp型のSOI基板53にはNチャネルのLDD構造のMIS電界効果トランジスタが形成されている。
したがって、周囲を絶縁膜で囲まれたソースドレイン領域を形成できることによる接合容量の低減、SOI基板を完全空乏化できることによる空乏層容量の低減及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減、SOI基板へのコンタクト領域の除去等により通常のバルクウエハーに形成するMIS電界効果トランジスタからなる半導体集積回路に比較し、高速化、低電力化及び高集積化が可能となる。
しかし薄膜のSOI基板に形成するため、ソースドレイン領域のコンタクト抵抗が増大すること及び各要素の抵抗の低減がなされていないこと等から微細化を計っている割りには高速化が達成されていないという欠点があった。
またドレイン近傍の強電界のために生じるホットキャリア効果による寿命上の伝達コンダクタンスの劣化を改善する手段として、従来技術のLDD構造を形成することにより、ショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成しているために、不必要なソース領域にも低濃度領域が形成されてしまい、ソース領域の抵抗の低減ができないために、さらなる高速化及び高集積化が達成できないという欠点もあった。
またSOI基板下の導電体(半導体基板又は下層配線)にゲート電極に印加される電圧と異なる電圧が印加された場合、SOI基板底部に生ずる微小なバックチャネルリークを防止できなかったことによる高信頼性が達成されていないという欠点もあった。
またMIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存しているため、大口径ウエハーにおいては製造バラツキの制御が極めて難しく、MIS電界効果トランジスタの特性を許容範囲に制御することが難しいため、高速化及び高性能化を達成することが難しいという欠点もあった。
さらに、このようなSOI構造をつくるために、市販されている貼り合わせSOIウエハーを購入しなければならず、ウエハーメーカーの低コスト化技術に頼ったとしても、量産段階においてバルクウエハーの3倍〜5倍程度と極めてコスト高であるという欠点もあった。
またSOI構造をつくる別の手段として、バルクウエハーを利用し、酸素イオンを注入して高温の熱処理によりバルクウエハー内部に酸化膜を形成する、いわゆるSIMOX法によるSOI基板の形成を使用しても、極めて高価な高ドーズのイオン注入マシンを購入しなければならないこと及び高ドーズ量の酸素をイオン注入するために長時間の製造工程を要することによるコスト高の問題、あるいは10インチ〜12インチの大口径ウエハーの使用における酸素イオン注入による結晶欠陥の修復による特性の不安定性等の欠点があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、従来例に示されるように、高速性を改善したMIS電界効果トランジスタを得るためには完全空乏化させた薄膜のSOI基板が必要とされ、この薄膜化されたSOI基板にソースドレイン領域を形成するため、導電プラグ形成用の層間絶縁膜のエッチングの際、ソースドレイン領域を形成しているSOI基板がオーバーエッチングされることは避けられず、導電プラグとのコンタクトは取れるもののソースドレイン領域のコンタクト抵抗が増大してしまうこと、また容量の低減はできるものの薄層のソースドレイン領域の抵抗及びゲート電極の抵抗が低減できないこと等により微細化している割には高速化が達成できなかったこと、CーMOSを形成する場合またはSOI基板下にゲート電極に印加される電圧と異なる電圧が印加される下層配線が存在する場合、バックチャネルリークを防止できないことによる高信頼性が得られなかったこと、MIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存しているため、大口径ウエハーにおける製造バラツキの制御性が悪いことにより、安定した特性を有するMIS電界効果トランジスタを得ることが難しいことによる高速化及び高性能化が難しかったこと、SOI構造を形成するために、貼り合わせSOIウエハーを使用しても、あるいはSIMOX法によりSOI基板を形成しても、現状の技術においては歩留りが悪く、かなりのコスト高になるため、付加価値の高い特殊用途の製品にしか使用できず、廉価な汎用品に適用できる技術に乏しかったことである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、選択的に凸状構造部(柱状構造部あるいは筒状構造部)を有して形成された半導体基板と、前記半導体基板の凸状構造部の側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記半導体基板の凸状構造部の上部に設けられたドレイン領域(あるいはソース領域)と、少なくとも前記ドレイン領域(あるいはソース領域)と離間して前記ドレイン領域(あるいはソース領域)に相対して前記半導体基板の凸状構造部の底部に設けられたソース領域(あるいはドレイン領域)と、前記ドレイン領域、前記ソース領域及び前記ゲート電極に配設された配線体とを備えてなる本発明のMIS電界効果トランジスタによって解決される。
【0005】
【作 用】
即ち、本発明のMIS電界効果トランジスタにおいては、半導体基板に絶縁膜を埋め込んだ素子分離領域形成用のトレンチが選択的に設けられ、この素子分離領域形成用のトレンチの底部にはチャネルストッパー領域が設けられている。この絶縁分離された半導体基板上に選択的に完全空乏型の凸状構造の半導体層(半導体基板上に柱状構造あるいは筒状構造[中抜き柱状構造]に積層したエピタキシャル半導体層または半導体基板にトレンチを形成することにより柱状構造あるいは筒状構造に形成した半導体基板の一部)が設けられ、この凸状構造の半導体層の上部には高濃度及び低濃度のドレイン領域が設けられ、半導体基板の上面には水平方向(横方向)に拡散して凸状構造の半導体層の底部を充満した高濃度のソース領域が設けられ、凸状構造の半導体層の側面にはゲート絶縁膜を介してバリアメタルを有するゲート電極が設けられ、また凸状構造の半導体層の上部に設けられた高濃度のドレイン領域に接し、高濃度のドレイン領域より幅広い導電膜が設けられており、バリアメタルを有する導電プラグを介して上下にバリアメタルを有する配線体にそれぞれ接続されている構造の縦型のMIS電界効果トランジスタが形成されている。(ここで疑似SOI構造をつくるために、凸状構造の半導体層は極めて微細な幅[完全空乏型の半導体層となるため、50nm程度]に形成され、凸状構造の半導体層の底部では左右あるいは内外からの不純物の拡散により完全に満たされ、一体化した高濃度のソース領域により、凸状構造の半導体層[厳密に言えばチャネル領域]と半導体基板とが接触しない構造に形成されることが肝要である。)
したがって、貼り合わせSOI構造の半導体基板を使用することなく、通常の半導体基板を使用して選択的に形成した完全空乏型の凸状構造の半導体層にドレイン領域、チャネル領域、ソース領域を形成でき、ソース領域により電気的に半導体基板と絶縁分離された凸状構造の半導体層を形成できるため、疑似SOI構造を形成することが可能で、ドレイン領域の接合容量を低減(実質ゼロ)することができる。(半導体基板と同じ電圧が印加される場合のソース領域の接合容量もゼロで、異なる電圧が印加される場合のソース領域の接合容量は低減できないし、また絶縁膜上に島状に絶縁分離されたシリコン基板があるわけではないため、いわゆるSOI構造ではなく、疑似SOI構造と称している。)
また完全空乏化した疑似SOI基板を容易に形成できるため、空乏層容量の低減及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減が可能である。
またMIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存せずに、制御性の良いエピタキシャル半導体層の成長膜厚及び熱処理による不純物の拡散により決定できるため、大口径ウエハーにおいても特性の安定したMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
またチャネル領域をゲート電極で完全に包囲できるので、極めてリーク特性に優れた高性能及び高信頼のMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
またドレイン領域近傍の強電界のために生じるホットキャリア効果による寿命上の伝達コンダクタンスの劣化を改善する手段として形成する低濃度領域をドレイン領域のみに形成し、ソース領域には設けずに形成できるため、ソース領域の抵抗の低減が可能であり、耐圧を劣化させずによりチャネル長を微細にすることもできる。
また高誘電率を有するTa2O5 をゲート絶縁膜として使用できるため、ゲート絶縁膜の厚膜化が可能で、ゲート電極とチャネルを形成する半体層間の微小な電流リークの改善及びゲート容量の低減も可能である。
また不純物領域の活性化に高温の熱処理が必要なソースドレイン領域をゲート電極の形成前に自己整合して形成できることにより、多結晶シリコン膜を使用せずに、低抵抗な低融点金属からなるゲート電極を形成できるため、ゲート電極配線の低抵抗化及びゲート電極での空乏層容量を除去できることにより、閾値電圧の低減化による低電力化を可能にすることもできる。
また凸状構造の半導体層に自己整合して、各要素(低濃度及び高濃度のドレイン領域、高濃度のソース領域、ゲート酸化膜、ゲート電極及びバリアメタル)を形成することもできる。
即ち、高価なSOI構造を有する半導体基板を使用することなく、半導体基板に容易なプロセスで形成した凸状構造の半導体層を使用することにより、高速、低電力、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つチャネル包囲型低抵抗メタルゲート電極を有する疑似SOI構造の縦型のMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
【0006】
【実施例】
以下本発明を、図示実施例により具体的に説明する。
図1は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式側断面図、図2は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式平面図、図3は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例の模式側断面図、図4は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例の模式平面図、図5は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例の模式側断面図、図6は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例の模式平面図、図7は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例の模式側断面図、図8は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例の模式平面図、図9は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第5の実施例の模式側断面図、図10は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第6の実施例の模式側断面図、図11は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模式側断面図、図12は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模式平面図、図13は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第8の実施例の模式側断面図、図14は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第8の実施例の模式平面図、図15は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第9の実施例の模式側断面図、図16は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第10の実施例の模式側断面図、図17は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第10の実施例の模式平面図、図18〜図25は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図、図26〜図32は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の他の実施例の工程断面図である。
全図を通じ同一対象物は同一符号で示す。ただし、側断面図における斜線は主要な絶縁膜のみに記載し、配線は若干の前後のずれを含んで描かれており、また発明の要部を示すため、水平方向及び垂直方向のサイズは正確な寸法を示していない。
図1及び図2は本発明の縦型のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例(図1は模式側断面図、図2は模式平面図)で、柱状構造のp型エピタキシャルシリコン層を形成したp型のシリコン基板を使用して形成したショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1は1015cm−3程度のp型のシリコン基板、2は素子分離領域形成用のトレンチ及び埋め込み絶縁膜(SiO2)、3は1017cm−3程度のp型チャネルストッパー領域、4は高さ200 nm程度、幅50nm程度、濃度1016cm−3程度の柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層、5は1020cm−3程度のn+ 型ソース領域、6は1017cm−3程度のn型ドレイン領域、7は1020cm−3程度のn+ 型ドレイン領域、8は絶縁膜(SiO2)、9は導電膜(TiN )、10は10nm程度のゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5 )、11は20nm程度のバリアメタル(TiN )、12は膜厚200 nm程度のゲート電極(Al)、13は600 nm程度の燐珪酸ガラス(PSG )膜、14は20nm程度のバリアメタル(TiN )、15は導電プラグ(W)、16は50nm程度のバリアメタル(TiN )、17は500 nm程度のAlCu配線、18は50nm程度のバリアメタル(TiN )を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1に絶縁膜を埋め込んだ素子分離領域形成用のトレンチ2が選択的に設けられ、この素子分離領域形成用のトレンチ2底部にはp型チャネルストッパー領域3が設けられている。この絶縁分離されたp型のシリコン基板1上に選択的に柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4が設けられ、この柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の上部にはn+ 型ドレイン領域7及びn型ドレイン領域6が設けられ、p型のシリコン基板1の上面には水平方向(横方向)拡散して柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の底部を充満したn+ 型ソース領域5が設けられ、柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の側面にはゲート酸化膜10を介してバリアメタル11を有するゲート電極12が設けられ、また柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の上部に設けられたn+ 型ドレイン領域7に接し、n+ 型ドレイン領域7より幅広い導電膜9が設けられており、バリアメタル14を有する導電プラグ15を介して上下にバリアメタル(16、18)を有するAlCu配線17にそれぞれ接続されている構造の縦型のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
したがって、貼り合わせSOI構造の半導体基板を使用することなく、通常の半導体基板を使用して選択的に形成した完全空乏型の柱状構造のエピタキシャル半導体層にドレイン領域、チャネル領域、ソース領域を形成でき、ソース領域により電気的に半導体基板と絶縁分離されたエピタキシャル半導体層を形成できるため、完全空乏化した疑似SOI構造を容易に形成することが可能で、ドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減が可能である。
またMIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存せずに、制御性の良いエピタキシャル半導体層の成長膜厚及び熱処理による不純物の拡散により決定できるため、大口径ウエハーにおいても特性の安定したMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
またチャネル領域をゲート電極で完全に包囲できるので、極めてリーク特性に優れた高性能及び高信頼のMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
またドレイン領域近傍の強電界のために生じるホットキャリア効果による寿命上の伝達コンダクタンスの劣化を改善する手段として形成する低濃度領域をドレイン領域のみに形成し、ソース領域には設けずに形成できるため、ソース領域の抵抗の低減が可能であり、耐圧を劣化させずによりチャネル長を微細にすることもできる。
また高誘電率を有するTa2O5 をゲート酸化膜として使用できるため、ゲート酸化膜の厚膜化が可能で、ゲート電極とエピタキシャル半導体層間の微小な電流リークの改善及びゲート容量の低減も可能である。
また不純物領域の活性化に高温の熱処理が必要なソースドレイン領域をゲート電極の形成前に自己整合して形成できることにより、多結晶シリコン膜を使用せずに、低抵抗な低融点金属(Al)からなるゲート電極を形成できるため、ゲート電極配線の低抵抗化及びゲート電極での空乏層容量を除去できることにより、閾値電圧の低減化による低電力化を可能にすることもできる。
また柱状構造のエピタキシャル半導体層に自己整合して、各要素(低濃度及び高濃度のドレイン領域、高濃度のソース領域、ゲート酸化膜、ゲート電極及びバリアメタル)を形成することもできる。
この結果、高価なSOI構造を有する半導体基板を使用することなく、半導体基板に容易なプロセスで形成した柱状構造のエピタキシャル半導体層を使用することにより、高速、低電力、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つチャネル包囲型低抵抗メタルゲート電極を有する疑似SOI構造の縦型のMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
【0007】
図3及び図4は本発明の縦型のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例(図3は模式側断面図、図4は模式平面図)で、筒状構造のp型エピタキシャルシリコン層を形成したp型のシリコン基板を使用して形成したショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜18は図1と同じ物を示している。(ただし4は筒状構造)
同図においては、p型のシリコン基板1に柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4を形成する替わりに筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4を形成し、内部にも絶縁膜8及び導電膜9を埋め込み、この導電膜9の側面でn+ 型ドレイン領域7に接触させている以外は図1とほぼ同じ構造の縦型のショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においても第1の実施例と同じ効果を得ることができ、レイアウトの仕方によってはより微細に形成することが可能であり、また水平方向に疑似SOI構造のMIS電界効果トランジスタを形成していることが理解できる。
【0008】
図5及び図6は本発明の縦型のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例(図5は模式側断面図、図6は模式平面図)で、筒状構造のp型エピタキシャルシリコン層を形成したp型のシリコン基板を使用して形成したショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜18は図1と同じ物を示している。(ただし4は筒状構造)
同図においては、p型のシリコン基板1に筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4を形成し、内側面にもゲート絶縁膜10を介してバリアメタル11を有するゲート電極12が設けられている以外は図1とほぼ同じ構造の縦型のショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。ここでは筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の内部の側面と外部の側面に形成されるゲート電極12を接続するために、図6の波線部で示される箇所のエピタキシャルシリコン層4の一部(n+ 型ドレイン領域の一部)を除去し、この箇所の上部でゲート電極を接続している。
本実施例においても第1の実施例と同じ効果を得ることができ、また内側面にもゲート電極が形成されているため、トランジスタ幅をかせぐことが可能で、より高速化が期待できる。
【0009】
図7及び図8は本発明の縦型のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例(図7は模式側断面図、図8は模式平面図)で、筒状構造のp型エピタキシャルシリコン層を形成したp型のシリコン基板を使用して形成したショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜7、9〜18は図1と同じ物を示している。(ただし4は筒状構造)
同図においては、配線体との接続をとる以外のn+ 型ソース領域5を筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の底部及び直下部のp型のシリコン基板1のみに設け、残りのp型のシリコン基板1を素子分離領域2としていること及び筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の内部でn+ 型ソース領域5、n+ 型ドレイン領域7及びゲート電極12と配線体との接続を形成していること以外は実施例3とほぼ同じ思想で形成されている。
本実施例においても第1の実施例と同じ効果を得ることができ、また極めて高集積及び高速化が期待できる。
【0010】
図9は本発明の縦型のMIS電界効果トランジスタにおける第5の実施例で、柱状構造のp型エピタキシャルシリコン層を形成したp型のシリコン基板を使用して形成したショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜18は図1と同じ物を、19は20nm程度のバリアメタル(TiN )、20はメタル層(W)を示している。
同図においては、n+ 型ソース領域5にバリアメタル(TiN )19を有するメタル層(W)20が設けられている以外は図1と同じ構造の縦型のショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においては、第1の実施例と同じ効果のほかに、ソース領域の抵抗の低減が可能で、さらなる高速化を可能にすることができる。
【0011】
図10は本発明の縦型のMIS電界効果トランジスタにおける第6の実施例で、柱状構造のn型エピタキシャルシリコン層を形成したp型のシリコン基板を使用して形成したショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜3、5、7〜18は図1と同じ物を、21は柱状構造のn型のエピタキシャルシリコン層、22はp型不純物領域(チャネル領域)を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1上に柱状構造のn型のエピタキシャルシリコン層21が形成され、このn型のエピタキシャルシリコン層21の上部にn+ 型ドレイン領域7が設けられ、底部にはp型不純物領域(チャネル領域)22及びn+ 型ソース領域5が設けられている以外は図1と同じ構造の縦型のショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。(このp型不純物領域はチャネル領域となるもので、n+ 型ソース領域と同じp型のシリコン基板1の上面に注入されるが拡散係数が大きいため、n+ 型ソース領域を内包するように形成できる。またLDD構造と違い、n型のドレイン領域を形成する替わりにn型のエピタキシャルシリコン層を形成しているため、エンハンスメント/デプリーション型のゲート構造を形成しており、他の実施例のようなエンハンスメント型のゲート構造とは異なっている。)
本実施例においては、第1の実施例と同じ効果のほかに、チャネル領域をより微細に形成できるため、より高速化及び高集積化を可能にすることができる。
【0012】
図11及び図12は本発明の縦型のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例(図11は模式側断面図、図12は模式平面図)で、筒状構造のp型エピタキシャルシリコン層を形成したp型のシリコン基板を使用して形成したショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜18は図1と同じ物を、19、20は図9と同じ物を示している。(ただし4は筒状構造)
同図においては、筒状構造のp型エピタキシャルシリコン層4の底部及び直下のp型のシリコン基板1のみにn+ 型ソース領域5が設けられ、筒状構造のp型エピタキシャルシリコン層4の内部直下のp型のシリコン基板1にバリアメタル19を有するメタル層(W)20が設けられ、残りのp型のシリコン基板1には酸化膜を埋め込んだ素子分離領域2が設けられている以外は図3とほぼ同じ構造の縦型のショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においては、第1の実施例と同じ効果のほかに、ソース領域の抵抗の低減が可能で、さらなる高速化を可能にすることができ、またメタル層を配線体としてソース領域に基板電位を印加できるため、高集積化が達成できる。
【0013】
図13及び図14は本発明の縦型のMIS電界効果トランジスタにおける第8の実施例(図13は模式側断面図、図14は模式平面図)で、筒状構造のp型及びn型のエピタキシャルシリコン層を形成したp型のシリコン基板を使用して形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むC−MOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜18は図1と同じ物を(ただし4は筒状構造)、21は図10と同じ物を(ただし筒状構造)、23はn型不純物ウエル領域、24はp+ 型ソース領域、25はp+ 型ドレイン領域を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1に絶縁膜を埋め込んだ素子分離領域形成用のトレンチ2が選択的に設けられ、この素子分離領域形成用のトレンチ2底部にはp型チャネルストッパー領域3が設けられている。この絶縁分離されたp型のシリコン基板1上の右側には選択的に筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4が設けられ、この筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の上部にはn+ 型ドレイン領域7及びn型ドレイン領域6が設けられ、p型のシリコン基板1の上面には横方向拡散して筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の底部を充満したn+ 型ソース領域5が設けられ、筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の側面にはゲート酸化膜10を介してバリアメタル11を有するゲート電極12が設けられ、また筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の上部に設けられたn+ 型ドレイン領域7に接し、n+ 型ドレイン領域7より幅広い導電膜9が設けられており、バリアメタル14を有する導電プラグ15を介して上下にバリアメタル(16、18)を有するAlCu配線17にそれぞれ接続されている構造の縦型のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。一方、絶縁分離されたp型のシリコン基板1上の左側にはn型不純物ウエル領域23が設けられ、このn型不純物ウエル領域23上に選択的に筒状構造のn型のエピタキシャルシリコン層21が設けられ、この筒状構造のn型のエピタキシャルシリコン層21の上部にはp+ 型ドレイン領域25が設けられ、n型不純物ウエル領域23の上面には横方向拡散して筒状構造のn型のエピタキシャルシリコン層21の底部を充満したp+ 型ソース領域24が設けられ、筒状構造のn型のエピタキシャルシリコン層21の側面にはゲート酸化膜10を介してバリアメタル11を有するゲート電極12が設けられ、また筒状構造のn型のエピタキシャルシリコン層21の上部に設けられたp+ 型ドレイン領域25に接し、p+ 型ドレイン領域25より幅広い導電膜9が設けられており、バリアメタル14を有する導電プラグ15を介して上下にバリアメタル(16、18)を有するAlCu配線17にそれぞれ接続されている構造の縦型のPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。(ただしゲート電極12は共通のAlCu配線17により接続されている)
本実施例においては、C−MOSにおいても第1の実施例と同じ効果を得ることが可能である。
【0014】
図15は本発明の縦型のMIS電界効果トランジスタにおける第9の実施例で、筒状構造のp型及びn型のエピタキシャルシリコン層を形成したp型のシリコン基板を使用して形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むC−MOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜18は図1と同じ物を(ただし4は筒状構造)、21は図10と同じ物を(ただし筒状構造)、23〜25は図13と同じ物を示している。
同図においては、n型のエピタキシャルシリコン層をp型のエピタキシャルシリコン層より長く、即ちPチャネルのMIS電界効果トランジスタのチャネル長を長くしている以外は図13とほぼ同じ構造のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においても、第8の実施例と同じ効果を得ることができ、またn型不純物によるソースドレイン領域に比較し、拡散係数が大きなp型不純物によるソースドレイン領域のチャネル長を最適化でき、ソースドレイン領域の耐圧の劣化を防止することが可能である。
【0015】
図16及び図17は本発明の縦型のMIS電界効果トランジスタにおける第10の実施例(図16は模式側断面図、図17は模式平面図)で、筒状構造のp型及びn型のエピタキシャルシリコン層を形成したp型のシリコン基板を使用して形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むC−MOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜18は図1と同じ物を(ただし4は筒状構造)、21は図10と同じ物を(ただし筒状構造)、23〜25は図13と同じ物を示している。
同図においては、AlCu配線17と接続を取る箇所以外のソース領域(5、24)を微細に形成するために、n型のエピタキシャルシリコン層21底部のみにp+ 型ソース領域24を、p型のエピタキシャルシリコン層4底部のみにn+ 型ソース領域5を設けている以外は図13とほぼ同じ構造のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においても、第8の実施例と同じ効果を得ることができ、またより高集積化を達成することが可能である。
【0016】
次いで本発明に係るMIS電界効果トランジスタの製造方法の一実施例について図18〜図25及び図1を参照して説明し、他の実施例について図26〜図32及び図7を参照して説明する。ただし、ここでは本発明のMIS電界効果トランジスタの形成に関する製造方法のみを記述し、一般の半導体集積回路に搭載される各種の素子(他のトランジスタ、抵抗、容量等)の形成に関する製造方法の記述は省略する。
図18
通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、p型のシリコン基板1を選択的に1000nm程度異方性ドライエッチングし、素子分離領域形成用のトレンチ2を形成する。次いで硼素のイオン注入をおこない、素子分離領域形成用のトレンチ2底部にp型のチャネルストッパー領域3を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、500 nm程度の酸化膜(SiO2)を成長する。次いで化学的機械研磨(Che−mical Mechanical Polishing 以後CMPと略称する)し、素子分離領域形成用のトレンチ2に酸化膜を平坦に埋め込む。
図19
次いで化学気相成長により、200 nm程度の酸化膜(SiO2)26を成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、酸化膜26を選択的に異方性ドライエッチングする。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
図20
次いで露出したp型のシリコン基板1上にp型のエピタキシャルシリコン層4を250 nm程度成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、酸化膜26平坦面より突出したp型のエピタキシャルシリコン層4を除去し平坦化する。次いで化学気相成長により、10nm程度のイオン注入用の酸化膜(図示せず)を成長する。次いでn型ドレイン領域6形成用の燐のイオン注入をおこなう。
図21
次いでイオン注入用の酸化膜(図示せず)及び酸化膜26を異方性ドライエッチングする。(こうして柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4が形成される。)次いで化学気相成長により、10nm程度のイオン注入用の酸化膜(図示せず)を成長する。次いでn+ 型ソースドレイン領域5、7形成用の砒素のイオン注入をおこなう。(こうしてマスク層なしで、柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4及びp型のシリコン基板1上面にn+ 型ソースドレイン領域5、7形成用の砒素が自己整合してイオン注入される。)次いで800 ℃程度でN2アニールを加えることにより、柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の上部には垂直方向に拡散してn+ 型ドレイン領域7及びn型ドレイン領域6が、p型のシリコン基板1の上面には横方向に拡散して柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の底部を充満したn+ 型ソース領域5が形成される。次いでイオン注入用の酸化膜(図示せず)を等方性ドライエッチングする。
図22
次いで10nm程度のゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5 )10を成長する。次いで20nm程度のバリアメタル(TiN )11及び200 nm程度のゲート電極となるAl12を連続スパッタにより成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、Al、バリアメタル(TiN )及びゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5 )を順次異方性ドライエッチングする。(ここでマスク層を使用してエッチングをおこなうのは、柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の側面以外にゲート電極配線部を形成するためである。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。
図23
次いで化学的機械研磨(CMP)し、p型のエピタキシャルシリコン層4上に残されたAl、バリアメタル(TiN )及びゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5 )を除去する。次いでAlを50nm程度異方性ドライエッチングする。次いで50nm程度バリアメタル(TiN )を異方性ドライエッチングする。次いで50nm程度ゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5 )を異方性ドライエッチングする。(こうしてn+ 型ドレイン領域7の上面よりゲート電極の上面を低くする。ただしゲート酸化膜はエッチング除去しなくとも差し支えない。)
図24
次いで化学気相成長により、200 nm程度の酸化膜(SiO2)8を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、柱状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4上の酸化膜(SiO2)8を除去し、平坦化する。次いでスパッタにより、30nm程度のTiN 9を成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、TiN 9を異方性ドライエッチングする。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
図25
次いで化学気相成長により、600 nm程度の燐珪酸ガラス(PSG )膜13を成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、PSG膜13を異方性ドライエッチングして選択的にビアを開孔する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN 14を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン(W)15を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ビアに平坦に埋め込み、導電プラグ(W)15を形成する。
図1
次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN 16を50nm程度成長する。次いでスパッタにより、配線となるAl(数%のCuを含む)17を500 nm程度成長する。次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN 18を50nm程度成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、バリアメタル(TiN )、Al(数%のCuを含む)及びバリアメタル(TiN )を異方性ドライエッチングしてAlCu配線17を形成し、本願発明のチャネル包囲型低抵抗メタルゲート電極を有する疑似SOI構造の縦型のMIS電界効果トランジスタを完成する。
【0017】
次いで本発明に係るMIS電界効果トランジスタの製造方法の他の実施例について図26〜図32及び図7を参照して説明する。
図26
p型のシリコン基板1上に化学気相成長により、250 nm程度の酸化膜(SiO2)27を成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、酸化膜27を選択的に異方性ドライエッチングする。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
図27
次いで露出したp型のシリコン基板1上にp型のエピタキシャルシリコン層4を300 nm程度成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、酸化膜27平坦面より突出したp型のエピタキシャルシリコン層4を除去し平坦化する。次いでp型のエピタキシャルシリコン層4を50nm異方性ドライエッチングし、凹部を形成する。次いで化学気相成長により、50nm程度の窒化膜(Si3N4 )28を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、酸化膜27上の窒化膜(Si3N4 )28を除去し、凹部に平坦に埋め込む。次いでn型ドレイン領域6形成用の燐のイオン注入をおこなう。
図28
次いで酸化膜27を異方性ドライエッチングする。(こうして筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4が形成される。)次いで化学気相成長により、10nm程度のイオン注入用の酸化膜(図示せず)を成長する。次いでn+ 型ソースドレイン領域5、7形成用の砒素のイオン注入をおこなう。(こうしてマスク層なしで、筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4及びp型のシリコン基板1上面にn+ 型ソースドレイン領域5、7形成用の砒素が自己整合してイオン注入される。)次いで800 ℃程度でN2アニールを加えることにより、筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の上部には縦方向に拡散してn+ 型ドレイン領域7及びn型ドレイン領域6が、p型のシリコン基板1の上面には横方向に拡散して筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の底部を充満したn+ 型ソース領域5が形成される。次いでイオン注入用の酸化膜(図示せず)を等方性ドライエッチングする。
図29
次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)及び窒化膜(Si3N4 )28をマスク層として、p型のシリコン基板1を選択的に1000nm程度異方性ドライエッチングし、素子分離領域形成用のトレンチ2を形成する。次いで硼素のイオン注入をおこない、素子分離領域形成用のトレンチ2底部にp型のチャネルストッパー領域3を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで窒化膜(Si3N4 )28を異方性ドライエッチングする。
図30
次いで化学気相成長により、500nm 程度の酸化膜(SiO2)を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4上の酸化膜(SiO2)を除去し、平坦化する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、選択的に酸化膜(SiO2)を30nm程度異方性ドライエッチングし、凹部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでスパッタにより、30nm程度のTiN 9を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、凹部に埋め込み平坦化する。次いで200nm 程度酸化膜を異方性ドライエッチングし、素子分離領域2を形成する。
図31
次いで10nm程度のゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5 )10を成長する。次いで20nm程度のバリアメタル(TiN )11及び200 nm程度のゲート電極となるAl12を連続スパッタにより成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、Al、バリアメタル(TiN )及びゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5 )を順次異方性ドライエッチングする。(ここでマスク層を使用してエッチングをおこなうのは、筒状構造のp型のエピタキシャルシリコン層4の側面以外にゲート電極配線部を形成するためである。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、p型のエピタキシャルシリコン層4上に残されたAl、バリアメタル(TiN )及びゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5 )を除去する。
図32
次いで化学気相成長により、800 nm程度の燐珪酸ガラス(PSG )膜13を成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、PSG膜13を異方性ドライエッチングして選択的にビアを開孔する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN 14を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン(W)15を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ビアに平坦に埋め込み、導電プラグ(W)15を形成する。
図7
次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN 16を50nm程度成長する。次いでスパッタにより、配線となるAl(数%のCuを含む)17を500 nm程度成長する。次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN 18を50nm程度成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、バリアメタル(TiN )、Al(数%のCuを含む)及びバリアメタル(TiN )を異方性ドライエッチングしてAlCu配線17を形成し、本願発明のチャネル包囲型低抵抗メタルゲート電極を有する疑似SOI構造の縦型のMIS電界効果トランジスタを完成する。
【0018】
上記説明においては、シリコン基板にエピタキシャルシリコン層を形成する場合を説明しているが、シリコン基板に化合物半導体層を形成してもよく、またシリコン基板に限らず、化合物半導体基板を使用してもよい。また凸状構造の半導体層を形成する際、エピタキシャル半導体層を使用しているが、半導体基板にトレンチを設けることにより、柱状構造あるいは筒状構造に形成した半導体基板を使用してもよいし、半導体層を積層する場合は化学気相成長によるばかりでなく、分子線成長(MBE)によっても、有機金属気相成長法(MOCVD)によっても、原子層結晶成長法(ALE)によっても、また他のいかなる結晶成長法を利用してもよい。また柱状構造あるいは筒状構造の平面形状は直線であっても、曲線であっても、円であっても、矩形であっても、その他の幾何学上の形であっても、また2重であっても3重であっても本願発明は成立する。また導電膜、メタル層、ゲート電極、バリアメタル、導電プラグ、配線等は上記実施例に限定されず、同様の特性を有する材料であればどのような材料を使用しても差し支えない。また上記実施例のすべてはエピタキシャル半導体層の上部にドレイン領域を形成し、底部にソース領域を形成しているが、これらを反対にして形成してもよい。ただし、この場合はソース領域の接合容量は低減できるが、ドレイン領域の接合容量は低減できないことになり、また第6の実施例は製造がより容易になるが、他の実施例の場合はやや繁雑になる。(エピタキシャル半導体層の上部を複雑にする方が底部を複雑にするより製造は容易である。)また上記実施例のすべてはエンハンスメント型のMIS電界効果トランジスタを形成する場合について記載しているが、デプリーション型のMIS電界効果トランジスタを形成してもよい。この場合は導電型が反対のエピタキシャル半導体層を成長するか、あるいはエピタキシャル半導体層を成長して後に反対導電型の不純物をイオン注入して導電型を変換したエピタキシャル半導体層を使用して同様構造のMIS電界効果トランジスタを形成すればよい。
【0019】
【発明の効果】
以上説明のように本発明によれば、貼り合わせSOI構造の半導体基板を使用することなく、通常の半導体基板を使用して選択的に形成した完全空乏型の凸状構造の半導体層(半導体基板上に柱状構造あるいは筒状構造に積層したエピタキシャル半導体層または半導体基板にトレンチを形成することにより柱状構造あるいは筒状構造に形成した半導体基板の一部)に、電気的に半導体基板と絶縁分離された疑似SOI構造のドレイン領域、チャネル領域及びソース領域を形成できるため、ドレイン領域(あるいはソース領域)の接合容量を低減(実質ゼロ)することができる。
また完全空乏化した疑似SOI基板を容易に形成できるため、空乏層容量の低減及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減が可能である。
またMIS電界効果トランジスタのチャネル長の決定をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存せずに、制御性の良いエピタキシャル半導体層の成長膜厚及び熱処理による不純物の拡散により決定することができる。
またチャネル領域をゲート電極で完全に包囲できるので、極めてリーク特性に優れたMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
またホットキャリア効果の改善対策として形成する低濃度領域を必要とされるドレイン領域のみに形成することが可能なため、ソース領域の抵抗の低減ができ、耐圧を劣化させずによりチャネル長を微細にすることも可能である。
また高誘電率のTa2O5 をゲート酸化膜として使用しているため、ゲート酸化膜の厚膜化が可能で、ゲート電極とチャネル形成部の半導体層間の微小な電流リークの改善及びゲート容量の低減もできる。
また低抵抗な低融点金属からなるゲート電極を形成できるため、ゲート電極配線の低抵抗化及びゲート電極での空乏層容量を除去できることにより、閾値電圧の低減による低電力化も可能である。
また凸状構造に形成した半導体層に自己整合して、MIS電界効果トランジスタの各要素を微細に形成することも可能である。また高集積なC−MOSを形成することも可能である。
即ち、高価なSOI構造を有する半導体基板を使用することなく、半導体基板に形成した凸状構造の半導体層を使用することにより、高速大容量通信、携帯情報端末等に対応可能な半導体集積回路の製造を可能とする、高速、低電力、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つチャネル包囲型低抵抗メタルゲート電極を有する疑似SOI構造の縦型のMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式側断面図
【図2】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式平面図
【図3】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例の模式側断面図
【図4】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例の模式平面図
【図5】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例の模式側断面図
【図6】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例の模式平面図
【図7】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例の模式側断面図
【図8】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例の模式平面図
【図9】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第5の実施例の模式側断面図
【図10】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第6の実施例の模式側断面図
【図11】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模式側断面図
【図12】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模式平面図
【図13】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第8の実施例の模側断面図
【図14】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第8の実施例の模式平面図
【図15】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第9の実施例の模式側断面
【図16】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第10の実施例の模式側断面図
【図17】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第10の実施例の模式平面図
【図18】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図19】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図20】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図21】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図22】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図23】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図24】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図25】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図26】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の他の実施例の工程断面図
【図27】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の他の実施例の工程断面図
【図28】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の他の実施例の工程断面図
【図29】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の他の実施例の工程断面図
【図30】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の他の実施例の工程断面図
【図31】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の他の実施例の工程断面図
【図32】本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の他の実施例の工程断面図
【図33】従来のMIS電界効果トランジスタの模式側断面図
【符号の説明】
1 p型のシリコン基板
2 素子分離領域形成用のトレンチ及び埋め込み絶縁膜(SiO2)
3 p型チャネルストッパー領域
4 凸状構造(柱状構造あるいは筒状構造)のp型エピタキシャルシリコン層
5 n+ 型ソース領域
6 n型ドレイン領域
7 n+ 型ドレイン領域
8 埋め込み絶縁膜(SiO2)
9 接続用導電膜(TiN )
10 ゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5 )
11 バリアメタル(TiN )
12 ゲート電極(Al)
13 燐珪酸ガラス(PSG )膜
14 バリアメタル(TiN )
15 導電プラグ(W)
16 バリアメタル(TiN )
17 AlCu配線
18 バリアメタル(TiN )
19 バリアメタル(TiN )
20 メタル(W)
21 凸状構造(柱状構造あるいは筒状構造)のn型エピタキシャルシリコン層
22 p型不純物領域(チャネル領域)
23 n型不純物ウエル領域
24 p+ 型ソース領域
25 p+ 型ドレイン領域
26 酸化膜(SiO2)
27 酸化膜(SiO2)
28 窒化膜(Si3N4 )[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to SOI ( S ilicon O n I The present invention relates to a semiconductor integrated circuit having an nsulator structure, in particular, a low-cost pseudo SOI substrate is formed on a semiconductor substrate (bulk wafer) by an easy manufacturing process, and the pseudo SOI substrate is provided with a high speed, low power, high performance, and high performance. The present invention relates to forming a semiconductor integrated circuit including a reliable and highly integrated short channel MIS field effect transistor.
Conventionally, as for a semiconductor integrated circuit having an SOI structure, a semiconductor integrated circuit using a so-called bonded SOI wafer, in which a semiconductor substrate having a uniform single crystal is bonded to another semiconductor substrate via an oxide film, is being put to practical use. However, the yield is low because two semiconductor substrates are used and an extremely thin SOI substrate must be formed to completely deplete the semiconductor substrate, and a commercially available bonded SOI wafer is extremely expensive. There are drawbacks.
In addition, a so-called SIMOX method (in which an oxide film is formed inside a bulk wafer by high-temperature heat treatment by implanting oxygen ions into a normal semiconductor substrate (bulk wafer) ( S -Eparation by IM planted OX ygen) has drawbacks such as the purchase of expensive high-dose ion implantation machines, high costs due to long manufacturing processes, and instability of characteristics when using large-diameter wafers.
At present, ignoring the problem of high cost, it is practically used only for portable devices requiring extremely high speed and low power consumption and for system LSIs mixed with analog / digital, and all of them are customary using SOI wafers. LDD using sidewall ( L rightly D oped D A short channel MIS field-effect transistor having a (rain) structure is formed on an SOI substrate whose periphery is separated by an insulating film. By reducing junction capacitance, depletion layer capacitance, threshold voltage, etc., high speed and low power consumption are achieved. On the other hand, it is high speed despite the miniaturization because the contact resistance of the source / drain region is increased because it is formed on a thin film SOI substrate and the resistance of each element is not reduced. There is a drawback that the conversion has not been achieved. In addition, when a voltage different from the voltage applied to the gate electrode is applied to a conductor (semiconductor substrate or lower wiring) under the SOI substrate, a small back channel leak generated at the bottom of the SOI substrate cannot be controlled. There was also a disadvantage that the property was not achieved. In addition, since the channel length that determines various characteristics of the MIS field-effect transistor depends on the control of the gate length by the photolithography technique, it is extremely difficult to control the manufacturing variation in a large-diameter wafer, and the characteristics of the MIS field-effect transistor may be reduced. The disadvantage that it is becoming difficult to control it to an allowable range has also become significant.
Therefore, an SOI structure can be formed by a low-cost and easy process that enables the manufacture of a semiconductor integrated circuit for high-speed large-capacity communication or a portable information terminal, and further high integration, high speed, low power, and high reliability. There is a need for a means that can form a short-channel MIS field-effect transistor that can achieve high performance.
[0002]
[Prior art]
FIG. 33 is a schematic side sectional view of a conventional semiconductor device. FIG. 33 shows a part of a semiconductor integrated circuit including an N-channel MIS field-effect transistor having an SOI structure formed using a bonded SOI wafer. Type silicon substrate, 52 is a bonding oxide film, 53 is a p-type SOI substrate, 54 is a trench and a buried oxide film for forming an isolation region, 55 is an n-type source / drain region, and 56 is n + Type source /
In the figure, a thin p-
Therefore, the junction capacitance can be reduced by forming a source / drain region surrounded by an insulating film, the depletion layer capacitance can be reduced by completely depleting the SOI substrate, and the threshold voltage can be reduced by improving the subthreshold characteristics. As compared with a semiconductor integrated circuit including MIS field-effect transistors formed on a normal bulk wafer by removing a contact region to the semiconductor device, high speed, low power, and high integration can be achieved.
However, since it is formed on a thin-film SOI substrate, a high speed has not been achieved despite miniaturization because the contact resistance of the source / drain region increases and the resistance of each element is not reduced. There was a disadvantage.
Further, as a means for improving the deterioration of the transmission conductance over the lifetime due to the hot carrier effect caused by the strong electric field near the drain, a short channel MIS field effect transistor is formed by forming a conventional LDD structure. For this reason, a low-concentration region is also formed in an unnecessary source region, and the resistance of the source region cannot be reduced, so that there is a disadvantage that further higher speed and higher integration cannot be achieved.
In addition, when a voltage different from the voltage applied to the gate electrode is applied to a conductor (semiconductor substrate or lower wiring) under the SOI substrate, a small back channel leak generated at the bottom of the SOI substrate cannot be prevented. There was also a disadvantage that the property was not achieved.
In addition, since the channel length that determines various characteristics of the MIS field-effect transistor depends on the control of the gate length by the photolithography technique, it is extremely difficult to control the manufacturing variation in a large-diameter wafer, and the characteristics of the MIS field-effect transistor may be reduced. There is also a disadvantage that it is difficult to achieve high speed and high performance because it is difficult to control to an allowable range.
Furthermore, in order to form such an SOI structure, a commercially available bonded SOI wafer must be purchased, and even if the cost reduction technology of a wafer maker is relied on, it is three times as large as a bulk wafer in a mass production stage. There is also a disadvantage that the cost is extremely high, about five times.
Further, as another means for forming an SOI structure, a so-called SIMOX method of forming an SOI substrate by using a bulk wafer, implanting oxygen ions and forming an oxide film inside the bulk wafer by high-temperature heat treatment, The problem of having to purchase very expensive high dose ion implantation machines and the cost of long manufacturing steps to implant high doses of oxygen, or the large size of 10 to 12 inches. There are disadvantages such as instability of characteristics due to repair of crystal defects due to oxygen ion implantation in the use of a large diameter wafer.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved by the present invention is that, as shown in the prior art, a fully depleted thin-film SOI substrate is required to obtain a MIS field-effect transistor with improved high-speed performance. In order to form the source / drain region on the SOI substrate, the SOI substrate forming the source / drain region is inevitably over-etched when the interlayer insulating film for forming the conductive plug is etched. Although the contact can be removed, the contact resistance of the source / drain region increases, and the capacitance can be reduced but the resistance of the thin source / drain region and the resistance of the gate electrode cannot be reduced. High speed could not be achieved, applied to gate electrode under C-MOS or under SOI substrate When there is a lower wiring to which a voltage different from the voltage is applied, high reliability cannot be obtained because back channel leak cannot be prevented, and the channel length that determines various characteristics of the MIS field-effect transistor is determined by photolithography technology. , It is difficult to obtain a MIS field-effect transistor having stable characteristics due to poor controllability of manufacturing variations in a large-diameter wafer, and it is difficult to achieve high speed and high performance. That is, even if a bonded SOI wafer is used to form an SOI structure or an SOI substrate is formed by a SIMOX method, the yield is poor in the current technology and the cost is considerably increased. Can be used only for high value-added special-purpose products, and can be applied to inexpensive general-purpose products It is that it was poor in technology.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The object is to provide a semiconductor substrate selectively having a convex structure (a columnar structure or a cylindrical structure) and a semiconductor substrate provided on a side surface of the convex structure with a gate insulating film interposed therebetween. A drain region (or a source region) provided above the convex structure of the semiconductor substrate, and at least a distance from the drain region (or the source region). A source region (or a drain region) provided at the bottom of the convex structure portion of the semiconductor substrate, and a wiring body provided at the drain region, the source region, and the gate electrode. The problem is solved by the MIS field effect transistor of the present invention.
[0005]
[Operation]
That is, in the MIS field-effect transistor of the present invention, a trench for forming an element isolation region in which an insulating film is embedded in a semiconductor substrate is selectively provided, and a channel stopper region is formed at the bottom of the trench for forming the element isolation region. Is provided. A semiconductor layer having a fully depleted convex structure (a columnar structure or a cylindrical structure [a hollow columnar structure] on the semiconductor substrate) or a trench in the semiconductor substrate is selectively selectively depleted on the insulated semiconductor substrate. Is formed, a part of a semiconductor substrate formed in a columnar structure or a cylindrical structure is provided, and high-concentration and low-concentration drain regions are provided on the semiconductor layer having the convex structure. A high-concentration source region is provided on the upper surface, which is diffused in the horizontal direction (lateral direction) and fills the bottom of the semiconductor layer having a convex structure, and a side surface of the semiconductor layer having the convex structure is provided with a barrier via a gate insulating film. A gate electrode having metal is provided, and a conductive film wider than the high-concentration drain region is provided in contact with the high-concentration drain region provided over the semiconductor layer having the convex structure. Barrier vertical MIS field effect transistor of the structure being connected to a wiring having a barrier metal vertically via a conductive plug having a metal is formed. (Here, in order to form a pseudo SOI structure, the semiconductor layer having a convex structure is formed to have an extremely fine width (about 50 nm because it is a fully depleted semiconductor layer). Alternatively, the semiconductor layer having a convex structure (strictly speaking, a channel region) and a semiconductor substrate are formed so as not to be in contact with each other by a high-concentration source region which is completely filled by the diffusion of impurities from inside and outside and is integrated. Is essential.)
Therefore, a drain region, a channel region, and a source region can be formed in a semiconductor layer having a fully depleted convex structure selectively formed using a normal semiconductor substrate without using a semiconductor substrate having a bonded SOI structure. Since the semiconductor layer having a convex structure electrically isolated from the semiconductor substrate by the source region can be formed, a pseudo SOI structure can be formed, and the junction capacitance of the drain region can be reduced (substantially zero). it can. (The junction capacitance of the source region when the same voltage as that of the semiconductor substrate is applied is also zero, and the junction capacitance of the source region when a different voltage is applied cannot be reduced. (Since there is no silicon substrate, it is called a pseudo SOI structure instead of a so-called SOI structure.)
In addition, since a fully depleted pseudo SOI substrate can be easily formed, the capacitance of the depletion layer can be reduced and the threshold voltage can be reduced by improving the subthreshold characteristics.
Further, the channel length that determines various characteristics of the MIS field-effect transistor can be determined by the growth thickness of the epitaxial semiconductor layer with good controllability and the diffusion of impurities by heat treatment without depending on the control of the gate length by the photolithography technique. Thus, an MIS field-effect transistor having stable characteristics can be obtained even for a large-diameter wafer.
Further, since the channel region can be completely surrounded by the gate electrode, a high-performance and highly reliable MIS field-effect transistor having extremely excellent leakage characteristics can be obtained.
In addition, a low-concentration region formed as a means for improving the deterioration of transmission conductance over the lifetime due to a hot carrier effect caused by a strong electric field near the drain region can be formed only in the drain region and not in the source region. In addition, the resistance of the source region can be reduced, and the channel length can be reduced without deteriorating the breakdown voltage.
Ta having a high dielectric constant 2 O 5 Can be used as a gate insulating film, so that the thickness of the gate insulating film can be increased, a minute current leak between the half layers forming the gate electrode and the channel can be improved, and the gate capacitance can be reduced.
In addition, since the source / drain regions requiring high-temperature heat treatment to activate the impurity regions can be formed in a self-aligned manner before forming the gate electrode, a gate made of a low-resistance low-melting-point metal can be used without using a polycrystalline silicon film. Since the electrodes can be formed, the resistance of the gate electrode wiring can be reduced and the capacitance of the depletion layer at the gate electrode can be removed, so that the power consumption can be reduced by reducing the threshold voltage.
In addition, each element (low-concentration and high-concentration drain regions, high-concentration source regions, a gate oxide film, a gate electrode, and a barrier metal) can be formed by self-alignment with the semiconductor layer having a convex structure.
That is, high speed, low power, high reliability, high performance, and high integration can be achieved by using a semiconductor layer having a convex structure formed by an easy process on a semiconductor substrate without using a semiconductor substrate having an expensive SOI structure. And a vertical MIS field-effect transistor having a pseudo SOI structure and having a channel surrounding low-resistance metal gate electrode.
[0006]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
FIG. 1 is a schematic side sectional view of a first embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, FIG. 2 is a schematic plan view of the first embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a schematic side sectional view of a second embodiment of the field effect transistor, FIG. 4 is a schematic plan view of the second embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and FIG. FIG. 6 is a schematic plan view of a third embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention, and FIG. 7 is a schematic side cross-sectional view of a fourth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention. FIG. 8 is a schematic plan view of a fourth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and FIG. 9 is a schematic plan view of a fifth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention. FIG. 10 is a schematic side sectional view of a sixth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, FIG. 11 is a schematic side sectional view of a seventh embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and FIG. FIG. 13 is a schematic plan view of a seventh embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention, FIG. 13 is a schematic side sectional view of an eighth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention, and FIG. 14 is a MIS field-effect transistor of the present invention. , FIG. 15 is a schematic side sectional view of a ninth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention, and FIG. 16 is a schematic plan view of a tenth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention. FIG. 17 is a schematic side sectional view, FIG. 17 is a schematic plan view of a MIS field-effect transistor according to a tenth embodiment of the present invention, and FIGS. Sectional views of an embodiment of a manufacturing method in fruit transistor, FIGS. 26 32 are sectional views of another embodiment of the manufacturing method in the MIS field effect transistor of the present invention.
The same object is denoted by the same reference numeral throughout the drawings. However, the diagonal lines in the side sectional views are drawn only on the main insulating film, and the wiring is drawn with a slight shift before and after, and the size in the horizontal and vertical directions is accurate to show the main part of the invention. The dimensions are not shown.
1 and 2 show a first embodiment (FIG. 1 is a schematic side sectional view, FIG. 2 is a schematic plan view) of a vertical MIS field-effect transistor according to the present invention, in which a p-type epitaxial silicon layer having a columnar structure is formed. Shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field-effect transistor formed using a p-type silicon substrate described above, where 1 is 10 Fifteen cm -3 A p-type silicon substrate, and 2 is a trench for forming an element isolation region and a buried insulating film (SiO 2). 2 ), 3 is 10 17 cm -3 The p-type channel stopper region having a height of about 200 nm, a width of about 50 nm, and a concentration of 10 16 cm -3 P-type epitaxial silicon layer having a columnar structure of 20 cm -3 Degree n + Mold source region, 6 is 10 17 cm -3 N-type drain region, 7 is 10 20 cm -3 Degree n +
In FIG. 1, a
Therefore, a drain region, a channel region, and a source region can be formed in a fully depleted columnar structure epitaxial semiconductor layer selectively formed using a normal semiconductor substrate without using a bonded SOI structure semiconductor substrate. Since the source region can form an epitaxial semiconductor layer electrically insulated and separated from the semiconductor substrate, a fully depleted pseudo SOI structure can be easily formed, and the junction capacitance of the drain region can be reduced (substantially zero). In addition, the threshold voltage can be reduced by reducing the depletion layer capacitance and improving the sub-threshold characteristics.
Further, the channel length that determines various characteristics of the MIS field-effect transistor can be determined by the growth thickness of the epitaxial semiconductor layer with good controllability and the diffusion of impurities by heat treatment without depending on the control of the gate length by the photolithography technique. Thus, an MIS field-effect transistor having stable characteristics can be obtained even for a large-diameter wafer.
Further, since the channel region can be completely surrounded by the gate electrode, a high-performance and highly reliable MIS field-effect transistor having extremely excellent leakage characteristics can be obtained.
In addition, a low-concentration region formed as a means for improving the deterioration of transmission conductance over the lifetime due to a hot carrier effect caused by a strong electric field near the drain region can be formed only in the drain region and not in the source region. In addition, the resistance of the source region can be reduced, and the channel length can be reduced without deteriorating the breakdown voltage.
Ta having a high dielectric constant 2 O 5 Can be used as a gate oxide film, so that the thickness of the gate oxide film can be increased, minute current leakage between the gate electrode and the epitaxial semiconductor layer can be improved, and gate capacitance can be reduced.
In addition, since the source / drain region requiring high-temperature heat treatment for activation of the impurity region can be formed by self-alignment before forming the gate electrode, a low-resistance low melting point metal (Al) can be formed without using a polycrystalline silicon film. Since the gate electrode can be formed, the resistance of the gate electrode wiring can be reduced and the depletion layer capacitance at the gate electrode can be removed, so that the power consumption can be reduced by reducing the threshold voltage.
In addition, each element (a low-concentration and high-concentration drain region, a high-concentration source region, a gate oxide film, a gate electrode, and a barrier metal) can be formed by self-alignment with the epitaxial semiconductor layer having a columnar structure.
As a result, high speed, low power, high reliability, high performance, and high performance can be achieved by using a columnar epitaxial semiconductor layer formed by an easy process on a semiconductor substrate without using an expensive semiconductor substrate having an SOI structure. A vertical MIS field-effect transistor having a pseudo-SOI structure and having a channel-enclosed low-resistance metal gate electrode combined with integration can be obtained.
[0007]
3 and 4 show a vertical MIS field-effect transistor according to a second embodiment of the present invention (FIG. 3 is a schematic side sectional view, and FIG. 4 is a schematic plan view). 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field-effect transistor formed using a formed p-type silicon substrate, and 1 to 18 show the same parts as those in FIG. (However, 4 has a cylindrical structure)
In FIG. 1, instead of forming a p-type
In this embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and it can be formed finer depending on the layout. Further, a MIS field effect transistor having a pseudo SOI structure is formed in the horizontal direction. I can understand that
[0008]
FIGS. 5 and 6 show a third embodiment (FIG. 5 is a schematic side sectional view, and FIG. 6 is a schematic plan view) of a vertical MIS field-effect transistor according to the present invention. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field-effect transistor formed using a formed p-type silicon substrate, and 1 to 18 show the same parts as those in FIG. (However, 4 has a cylindrical structure)
In FIG. 1, a p-type
In this embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Further, since the gate electrode is formed on the inner side surface, the transistor width can be increased, and higher speed can be expected.
[0009]
FIGS. 7 and 8 show a fourth embodiment (FIG. 7 is a schematic side sectional view and FIG. 8 is a schematic plan view) of a vertical MIS field-effect transistor according to the present invention. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field-effect transistor formed using a formed p-type silicon substrate, and 1 to 7 and 9 to 18 show the same thing as FIG. Is shown. (However, 4 has a cylindrical structure)
In the figure, n other than the connection with the wiring body is taken. + The
In this embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and extremely high integration and high speed can be expected.
[0010]
FIG. 9 shows a vertical MIS field-effect transistor according to a fifth embodiment of the present invention, which is a short-channel N-channel MIS formed using a p-type silicon substrate on which a p-type epitaxial silicon layer having a columnar structure is formed. A part of a semiconductor integrated circuit including a field effect transistor is shown, wherein 1 to 18 are the same as those in FIG. 1, 19 is a barrier metal (TiN) of about 20 nm, and 20 is a metal layer (W).
In FIG. + A vertical short-channel N-channel MIS field-effect transistor having the same structure as that of FIG. 1 is formed except that a metal layer (W) 20 having a barrier metal (TiN) 19 is provided in the
In this embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, the resistance of the source region can be reduced, and the speed can be further increased.
[0011]
FIG. 10 shows a sixth embodiment of a vertical MIS field-effect transistor according to the present invention, which is a short-channel N-channel MIS formed using a p-type silicon substrate on which an n-type epitaxial silicon layer having a columnar structure is formed. 1 to 3, 5 and 7 to 18 are the same as those in FIG. 1, 21 is an n-type epitaxial silicon layer having a columnar structure, and 22 is a p-type impurity. 2 shows a region (channel region).
In FIG. 1, an n-type
In the present embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, since the channel region can be formed finer, higher speed and higher integration can be achieved.
[0012]
FIGS. 11 and 12 show a seventh embodiment (FIG. 11 is a schematic side sectional view, and FIG. 12 is a schematic plan view) of a vertical MIS field-effect transistor according to the present invention. 1 to 18 show a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field-effect transistor formed using a formed p-type silicon substrate. Shows the same thing as FIG. (However, 4 has a cylindrical structure)
In the figure, only the bottom of the p-type
In the present embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, the resistance of the source region can be reduced and the speed can be further increased. Since a potential can be applied, high integration can be achieved.
[0013]
13 and 14 show an eighth embodiment (FIG. 13 is a schematic side sectional view, and FIG. 14 is a schematic plan view) of a vertical MIS field-effect transistor according to the present invention. 1 shows a part of a C-MOS type semiconductor integrated circuit including short-channel N-channel and P-channel MIS field-effect transistors formed using a p-type silicon substrate on which an epitaxial silicon layer is formed; 18 is the same as FIG. 1 (4 is a cylindrical structure), 21 is the same as FIG. 10 (but a cylindrical structure), 23 is an n-type impurity well region, and 24 is a p-type impurity well region. + Mold source region, 25 is
In FIG. 1, a
In the present embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained also in the C-MOS.
[0014]
FIG. 15 shows a ninth embodiment of a vertical MIS field-effect transistor according to the present invention, which is a short channel formed using a p-type silicon substrate on which p-type and n-type epitaxial silicon layers having a cylindrical structure are formed. 1 to 18 show a part of a C-MOS type semiconductor integrated circuit including N-channel and P-channel MIS field-effect transistors, wherein 1 to 18 are the same as those in FIG. 1 (4 is a cylindrical structure), and 21 is The same thing as FIG. 10 (however, cylindrical structure), 23 to 25 show the same thing as FIG.
13, the n-channel epitaxial layer and the n-channel epitaxial layer have substantially the same structure as that of FIG. 13 except that the n-type epitaxial silicon layer is longer than the p-type epitaxial silicon layer, that is, the channel length of the p-channel MIS field-effect transistor is increased. A channel MIS field-effect transistor is formed.
Also in this embodiment, the same effect as in the eighth embodiment can be obtained, and the channel length of the source / drain region can be optimized by the p-type impurity having a large diffusion coefficient as compared with the source / drain region by the n-type impurity. In addition, it is possible to prevent deterioration of the breakdown voltage of the source / drain region.
[0015]
16 and 17 show a tenth embodiment (FIG. 16 is a schematic side sectional view, and FIG. 17 is a schematic plan view) of a vertical MIS field-effect transistor according to the present invention. 1 shows a part of a C-MOS type semiconductor integrated circuit including short-channel N-channel and P-channel MIS field-effect transistors formed using a p-type silicon substrate on which an epitaxial silicon layer is formed;
In the same figure, in order to finely form the source regions (5, 24) other than the portions where the connection with the
Also in this embodiment, the same effects as in the eighth embodiment can be obtained, and higher integration can be achieved.
[0016]
Next, one embodiment of the method of manufacturing the MIS field-effect transistor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 18 to 25 and FIG. 1, and another embodiment will be described with reference to FIGS. 26 to 32 and FIG. I do. However, here, only the manufacturing method relating to the formation of the MIS field effect transistor of the present invention will be described, and the description of the manufacturing method relating to the formation of various elements (other transistors, resistors, capacitors, etc.) mounted on a general semiconductor integrated circuit will be described. Is omitted.
FIG.
Using a normal photolithography technique and using a resist (not shown) as a mask layer, the p-
FIG.
Next, an oxide film (SiO 2) of about 200 nm is formed by chemical vapor deposition. 2 ) Grow 26. Next, the
FIG.
Next, a p-type
FIG.
Next, an oxide film (not shown) for ion implantation and the
FIG.
Next, a gate oxide film (SiO 2 / Ta 2 O 5 ) Grow ten. Next, a barrier metal (TiN) 11 of about 20 nm and Al12 to be a gate electrode of about 200 nm are grown by continuous sputtering. Next, using a normal photolithography technique, using a resist (not shown) as a mask layer, Al, a barrier metal (TiN 2), and a gate oxide film (SiO 2) 2 / Ta 2 O 5 ) Are sequentially subjected to anisotropic dry etching. (The reason why the etching is performed using the mask layer here is to form a gate electrode wiring portion other than the side surface of the p-type
FIG.
Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, and Al, a barrier metal (TiN 2) and a gate oxide film (SiO 2) remaining on the p-type
FIG.
Next, an oxide film (SiO 2) of about 200 nm is formed by chemical vapor deposition. 2 )
FIG.
Next, a phosphosilicate glass (PSG)
FIG.
Next,
[0017]
Next, another embodiment of the method of manufacturing the MIS field-effect transistor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 26 to 32 and FIG.
FIG.
An oxide film (SiO 2) of about 250 nm is formed on a p-
FIG.
Next, a p-type
FIG.
Next,
FIG.
Next, using a normal photolithography technique, a resist (not shown) and a nitride film (Si 3 N 4 2.) Using the
FIG.
Next, an oxide film (SiO 2) of about 500 nm is formed by chemical vapor deposition. 2 Grow). Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to form an oxide film (SiO 2) on the p-type
FIG.
Next, a gate oxide film (SiO 2 / Ta 2 O 5 ) Grow ten. Next, a barrier metal (TiN) 11 of about 20 nm and Al12 to be a gate electrode of about 200 nm are grown by continuous sputtering. Next, using a normal photolithography technique, using a resist (not shown) as a mask layer, Al, a barrier metal (TiN 2), and a gate oxide film (SiO 2) 2 / Ta 2 O 5 ) Are sequentially subjected to anisotropic dry etching. (The reason why the etching is performed using the mask layer here is to form a gate electrode wiring portion other than the side surface of the p-type
FIG.
Next, a phosphor silicate glass (PSG)
FIG.
Next,
[0018]
In the above description, the case where an epitaxial silicon layer is formed on a silicon substrate is described. However, a compound semiconductor layer may be formed on a silicon substrate, and the present invention is not limited to a silicon substrate. Good. When forming the semiconductor layer having a convex structure, an epitaxial semiconductor layer is used.However, by providing a trench in the semiconductor substrate, a semiconductor substrate formed in a columnar structure or a cylindrical structure may be used, When stacking semiconductor layers, not only by chemical vapor deposition, but also by molecular beam epitaxy (MBE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), atomic layer crystal epitaxy (ALE), and others. May be used. Further, the planar shape of the columnar structure or the cylindrical structure may be a straight line, a curved line, a circle, a rectangle, another geometric shape, or a double shape. The invention of the present application is satisfied even if the number is three or three. Further, the conductive film, the metal layer, the gate electrode, the barrier metal, the conductive plug, the wiring, and the like are not limited to those in the above-described embodiment, and any material having similar characteristics may be used. In all of the above embodiments, the drain region is formed on the upper portion of the epitaxial semiconductor layer and the source region is formed on the bottom portion. However, in this case, the junction capacitance of the source region can be reduced, but the junction capacitance of the drain region cannot be reduced. In addition, although the sixth embodiment is easier to manufacture, the other embodiments are slightly more difficult. It gets messy. (Complicating the top of the epitaxial semiconductor layer is easier to manufacture than complicating the bottom.) All of the above embodiments describe the case of forming an enhancement-type MIS field-effect transistor. A depletion-type MIS field-effect transistor may be formed. In this case, an epitaxial semiconductor layer of the opposite conductivity type is grown, or an epitaxial semiconductor layer having a similar structure is formed by growing the epitaxial semiconductor layer and then ion-implanting impurities of the opposite conductivity type to convert the conductivity type. An MIS field-effect transistor may be formed.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a fully depleted semiconductor layer (semiconductor substrate) selectively formed using a normal semiconductor substrate without using a semiconductor substrate having a bonded SOI structure is used. An epitaxial semiconductor layer or a part of a semiconductor substrate formed in a columnar structure or a cylindrical structure by forming a trench in a semiconductor substrate or an epitaxial semiconductor layer stacked in a columnar structure or a cylindrical structure on the semiconductor substrate. Since the drain region, the channel region, and the source region having the pseudo SOI structure can be formed, the junction capacitance of the drain region (or the source region) can be reduced (substantially zero).
In addition, since a fully depleted pseudo SOI substrate can be easily formed, the capacitance of the depletion layer can be reduced and the threshold voltage can be reduced by improving the subthreshold characteristics.
Further, the channel length of the MIS field-effect transistor can be determined by the growth thickness of the epitaxial semiconductor layer having good controllability and the diffusion of impurities by heat treatment without depending on the control of the gate length by the photolithography technique.
Further, since the channel region can be completely surrounded by the gate electrode, a MIS field effect transistor having extremely excellent leakage characteristics can be obtained.
In addition, since a low-concentration region formed as a measure for improving the hot carrier effect can be formed only in the necessary drain region, the resistance of the source region can be reduced, and the channel length can be reduced without deteriorating the breakdown voltage. It is also possible.
In addition, high dielectric constant Ta 2 O 5 Is used as a gate oxide film, so that the thickness of the gate oxide film can be increased, a minute current leak between the gate electrode and the semiconductor layer in the channel formation portion can be improved, and the gate capacitance can be reduced.
In addition, since a gate electrode made of a low-resistance low-melting-point metal can be formed, the resistance of the gate electrode wiring can be reduced and the depletion layer capacitance at the gate electrode can be eliminated.
Further, each element of the MIS field-effect transistor can be finely formed by self-alignment with the semiconductor layer formed in the convex structure. It is also possible to form a highly integrated C-MOS.
That is, by using a semiconductor layer having a convex structure formed on a semiconductor substrate without using a semiconductor substrate having an expensive SOI structure, a semiconductor integrated circuit capable of supporting high-speed, large-capacity communication, a portable information terminal, and the like. It is possible to obtain a vertical MIS field-effect transistor having a pseudo SOI structure having a channel-enclosed low-resistance metal gate electrode having high speed, low power, high reliability, high performance, and high integration, which enables manufacturing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side sectional view of a first embodiment of a MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view of a first embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 3 is a schematic side sectional view of a MIS field-effect transistor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic plan view of a second embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 5 is a schematic side sectional view of a third embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 6 is a schematic plan view of a third embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 7 is a schematic side sectional view of a fourth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 8 is a schematic plan view of a MIS field-effect transistor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic side sectional view of a fifth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 10 is a schematic side sectional view of a sixth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 11 is a schematic side sectional view of a MIS field-effect transistor according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic plan view of a MIS field-effect transistor according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic side sectional view of an eighth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 14 is a schematic plan view of an MIS field-effect transistor according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic side sectional view of a ninth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 16 is a schematic side sectional view of a tenth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 17 is a schematic plan view of a MIS field-effect transistor according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a process sectional view of one embodiment of a method for manufacturing a MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 19 is a process sectional view of one embodiment of a method for manufacturing a MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 20 is a process cross-sectional view of one embodiment of a method for manufacturing a MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 21 is a process cross-sectional view of one embodiment of a method for manufacturing a MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 22 is a process sectional view of an embodiment of a method for manufacturing a MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 23 is a process cross-sectional view of one embodiment of a method for manufacturing a MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 24 is a process sectional view of an embodiment of a method for manufacturing a MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 25 is a process sectional view of an embodiment of a method for manufacturing a MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 26 is a process sectional view of another example of the method for manufacturing the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 27 is a process sectional view of another embodiment of the method of manufacturing the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 28 is a process sectional view of another embodiment of the method of manufacturing the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 29 is a process cross-sectional view of another embodiment of the method of manufacturing the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 30 is a process cross-sectional view of another example of the method for manufacturing the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 31 is a process sectional view of another embodiment of the method of manufacturing the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 32 is a process sectional view of another example of the method for manufacturing the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 33 is a schematic side sectional view of a conventional MIS field-effect transistor.
[Explanation of symbols]
1p type silicon substrate
2 Trench and buried insulating film (SiO 2 )
3 p-type channel stopper region
4 p-type epitaxial silicon layer with convex structure (columnar structure or cylindrical structure)
5 n + Type source area
6 N-type drain region
7 n + Drain region
8 Buried insulating film (SiO 2 )
9 Connecting conductive film (TiN)
10 Gate oxide film (SiO 2 / Ta 2 O 5 )
11 Barrier metal (TiN)
12 Gate electrode (Al)
13. Phosphosilicate glass (PSG) film
14 Barrier metal (TiN)
15 Conductive plug (W)
16 Barrier metal (TiN)
17 AlCu wiring
18 Barrier metal (TiN)
19 Barrier metal (TiN)
20 Metal (W)
21 n-type epitaxial silicon layer with convex structure (columnar structure or cylindrical structure)
22 p-type impurity region (channel region)
23 n-type impurity well region
24p + Type source area
25 p + Drain region
26 Oxide film (SiO 2 )
27 Oxide film (SiO 2 )
28 Nitride film (Si 3 N 4 )
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