JP2008205168A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ナノワイヤ又はナノチューブをチャネル形成領域とし、その周囲にゲート電極を備える垂直トランジスタを用いてCMOSインバータ回路を小面積の領域に形成することができる半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device capable of forming a CMOS inverter circuit in a small area region using a vertical transistor including a nanowire or a nanotube as a channel formation region and a gate electrode around the channel formation region, and a manufacturing method thereof.
フォトリソグラフィの進歩により現在数十nmのパターンを形成できるようになったものの、数十nm以下のゲート長のMOSトランジスタをフォトリソグラフィーを用いて工業的に製造することは非常に難しい。そこで、素子面積が小さなMOSトランジスタをフォトリソグラフィーを用いずに製造する方法として、ナノワイヤ又はナノチューブをチャネル形成領域として用いるナノワイヤトランジスタ又はナノチューブトランジスタが注目されている。とくに、チャネルを基板面に垂直に配置し、ソース・ドレインをその上下端に配置する垂直トランジスタは、ソース・ドレイン領域及びチャネルを構成するナノワイヤが重畳して配置されるので、半導体基板に占めるトランジスタ形成領域の面積を極めて小さくすることができる。 Although it is now possible to form a pattern of several tens of nanometers with the progress of photolithography, it is very difficult to industrially manufacture a MOS transistor having a gate length of several tens of nanometers or less using photolithography. Therefore, as a method for manufacturing a MOS transistor having a small element area without using photolithography, a nanowire transistor or a nanotube transistor using a nanowire or a nanotube as a channel formation region has attracted attention. In particular, a vertical transistor in which a channel is arranged perpendicular to the substrate surface and a source / drain is arranged at the upper and lower ends thereof is arranged so that the nanowires constituting the source / drain regions and the channel are superimposed, so that the transistor occupying the semiconductor substrate The area of the formation region can be extremely reduced.
図20は従来の半導体装置断面図であり、ナノワイヤトランジスタ又はナノチューブトランジスタを用いた半導体装置に使用されるトランジスタの構造を表している。なお、図20(a)は垂直ナノチューブトランジスタをスイッチング素子として用いた従来の第1の半導体装置のトランジスタを、図20(b)は基板表面に平行なナノワイヤトランジスタを用いてCMOS回路を構成する従来の第2の半導体装置のトランジスタを、図20(c)は従来の第3の半導体装置に含まれるCMOS回路を構成する1個の垂直ナノワイヤトランジスタを表している。 FIG. 20 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device and shows the structure of a transistor used in a semiconductor device using a nanowire transistor or a nanotube transistor. 20A shows a conventional first semiconductor device transistor using a vertical nanotube transistor as a switching element, and FIG. 20B shows a conventional CMOS circuit using a nanowire transistor parallel to the substrate surface. FIG. 20C shows one vertical nanowire transistor constituting a CMOS circuit included in the conventional third semiconductor device.
図20(a)を参照して、第1の従来の半導体装置では、基板101表面に形成されたソース電極103上にカーボンナノチューブ107が立設され、その上端にドレイン電極104が配置されている。なお、基板101上にカーボンナノチューブ107が貫通する小孔102aを有する絶縁膜102が設けられ、この絶縁膜102上にゲート電極105が設けられる。さらに、上記ドレイン電極104は、絶縁膜102上にされ、カーボンナノチューブ107及びゲート電極105を平坦に埋め込む不導体薄膜106の上に形成されている。(例えば特許文献1を参照。)。 Referring to FIG. 20A, in the first conventional semiconductor device, a carbon nanotube 107 is erected on a source electrode 103 formed on the surface of a substrate 101, and a drain electrode 104 is disposed on the upper end thereof. . Note that an insulating film 102 having a small hole 102 a through which the carbon nanotube 107 passes is provided on the substrate 101, and a gate electrode 105 is provided on the insulating film 102. Further, the drain electrode 104 is formed on the insulating film 102 and on the nonconductive thin film 106 in which the carbon nanotube 107 and the gate electrode 105 are flatly embedded. (For example, refer to Patent Document 1).
この従来の第1の半導体装置のnMOSトランジスタは、チャネルが形成されるカーボンナノチューブ107の上下端にソース・ドレイン領域が重畳して配置される。この垂直ナノチューブnMOSトランジスタでは、 1個のソース又はドレイン領域内にnMOSトランジスタを形成することができるので、基板表面に平面的にソース・ドレイン電極及びチャネル領域を配置する平面型のMOSトランジスタに比べて形成領域の面積を大幅に縮小することができる。 In the conventional nMOS transistor of the first semiconductor device, the source / drain regions are arranged so as to overlap the upper and lower ends of the carbon nanotube 107 where the channel is formed. In this vertical nanotube nMOS transistor, an nMOS transistor can be formed in one source or drain region. Therefore, compared to a planar MOS transistor in which source / drain electrodes and a channel region are arranged in a plane on the substrate surface. The area of the formation region can be greatly reduced.
しかし、素子の高集積化には、素子面積の微小化のみならず消費電力の削減が不可欠であり、そのため消費電力が小さなCMOS回路が高集積半導体装置に広く採用されている。上述した従来の第1の半導体装置では、スイッチング素子として 1個のnMOSトランジスタを設けたもので、pMOSトランジスタを備えておらずCMOS回路を構成することはできない。 However, for high integration of elements, it is indispensable not only to reduce the element area but also to reduce power consumption. For this reason, CMOS circuits with low power consumption are widely used in highly integrated semiconductor devices. In the conventional first semiconductor device described above, a single nMOS transistor is provided as a switching element, and no pMOS transistor is provided, so that a CMOS circuit cannot be formed.
図19は、CMOS回路の回路図であり、図19(a)はCMOSインバータ回路を、図19(b)は2個のCMOSインバータ回路の入出力端をいわゆる「たすき掛け」に接続したCMOSフリップフロップ回路を、及び、図19(c)は図19(b)のCMOSフリップフロップ回路を記憶素子とするSRAMメモリセル回路を表している。 FIG. 19 is a circuit diagram of a CMOS circuit. FIG. 19A is a CMOS inverter circuit, and FIG. 19B is a CMOS flip-flop in which the input / output terminals of two CMOS inverter circuits are connected to so-called “shaking”. FIG. 19C shows an SRAM memory cell circuit using the CMOS flip-flop circuit of FIG. 19B as a storage element.
図19を参照して、CMOS回路は、ゲート電極が互いに接続され、互いのドレインがノードN、N1又はN2に接続されたpMOSトランジスタTr1、Tr3及びnMOSトランジスタTr2、Tr4の直列接続を含むインバータ回路を基本回路として有する。そして、pMOSトランジスタTr1、Tr3及びnMOSトランジスタTr2、Tr4のソース電極は、それぞれ回路電源Vdd及び回路グラウンドVssに接続される。 Referring to FIG. 19, the CMOS circuit is an inverter circuit including a series connection of pMOS transistors Tr1 and Tr3 and nMOS transistors Tr2 and Tr4 whose gate electrodes are connected to each other and whose drains are connected to nodes N, N1, or N2. As a basic circuit. The source electrodes of the pMOS transistors Tr1 and Tr3 and the nMOS transistors Tr2 and Tr4 are connected to the circuit power supply Vdd and the circuit ground Vss, respectively.
かかるCMOS回路をナノワイヤMOSトランジスタを用いて構成する従来の第2の半導体装置が開示されている。(例えば特許文献2参照。)。 A second conventional semiconductor device in which such a CMOS circuit is configured using nanowire MOS transistors is disclosed. (For example, refer to Patent Document 2).
図20(b)を参照して、この従来の第2の半導体装置では、基板101上に平面パターンからなるソース・ドレイン電極111を形成する。そして、ソース・ドレイン電極111間を触媒球113を用いて成長させた半導体ナノワイヤ112で架橋し、このナノワイヤ112上に絶縁膜114を介してゲート電極115を設ける。基板101上には、n型不純物がドープされたナノワイヤ112をチャネル領域とするpMOSトランジスタ110pと、p型不純物がドープされたナノワイヤ112をチャネル領域とするnMOSトランジスタ110pが形成される。CMOSインバータ回路は、このpMOSトランジスタ110p及びnMOSトランジスタ110pを直列接続することで形成される。
Referring to FIG. 20B, in the conventional second semiconductor device, source /
このCMOS回路は、平面的に配置された4個のソース・ドレイン電極111と、 2個のチャネル形成領域を必要とする。さらに、ソース・ドレイン電極111を上層配線に接続するために各ソース・ドレイン電極に各1個のビア形成領域113bが必要となり、ドレイン電極111が大きくなる。このように平面的に構成されるMOSトランジスタを用いるCMOS回路は、nMOSトランジスタ及びpMOSトランジスタのそれぞれに2個の大面積のソース・ドレイン電極111と1個のチャネル領域を必要とし、垂直MOSトランジスタに比べて素子面積を小さくすることは難しい。
This CMOS circuit requires four source /
さらに、垂直ナノワイヤトランジスタを用いてCMOS回路を構成する従来の第3 の半導体装置が開示されている。(例えば特許文献3参照。)。 Further, a third conventional semiconductor device that constitutes a CMOS circuit using vertical nanowire transistors is disclosed. (For example, refer to Patent Document 3).
図20(c)を参照して、従来の第3 の半導体装置のMOSトランジスタを、その製造工程に沿い説明する。 With reference to FIG. 20C, a conventional MOS transistor of a third semiconductor device will be described along the manufacturing process thereof.
先ず、半導体基板121上面に高濃度不純物領域129aが形成され、その上面にエピタキャル成長したシリサイド膜129が形成される。次いで、半導体基板121上面にSiO2 絶縁膜122およびSi3 N4 絶縁膜124を堆積し、絶縁膜122、124を貫通して高濃度不純物領域129aを表出する開口131を開設する。次いで、開口131の底面を含む開口131表面を被覆する絶縁性膜を堆積し、複数の開口が形成されたナノチューブ成長用のマスク122aを形成する。次いで、マスク122aの開口内に触媒金属を置き、この触媒金属を触媒とするシリコンのエピタキシャル成長、例えばCVD法(化学的気相堆積法)によりシリコンをエピタキシャル成長することで、マスク122aの開口に垂直に立設するシリコンナノワイヤ120を形成する。 First, a high concentration impurity region 129a is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 121, and a silicide film 129 grown epitaxially is formed on the upper surface. Next, a SiO 2 insulating film 122 and a Si 3 N 4 insulating film 124 are deposited on the upper surface of the semiconductor substrate 121, and an opening 131 is formed through the insulating films 122 and 124 to expose the high-concentration impurity region 129a. Next, an insulating film that covers the surface of the opening 131 including the bottom surface of the opening 131 is deposited to form a nanotube growth mask 122a in which a plurality of openings are formed. Next, a catalytic metal is placed in the opening of the mask 122a, and silicon is epitaxially grown using the catalytic metal as a catalyst, for example, by epitaxial growth of silicon by a CVD method (chemical vapor deposition method), so that the opening is perpendicular to the opening of the mask 122a. The silicon nanowire 120 to be erected is formed.
次いで、上記開口131の内面及びナノワイヤ120の表出面を覆うゲート絶縁膜123を堆積する。次いで、ナノワイヤ120の周囲に、開口131の途中まで埋め込むゲート電極124を形成する。 Next, a gate insulating film 123 covering the inner surface of the opening 131 and the exposed surface of the nanowire 120 is deposited. Next, a gate electrode 124 is formed around the nanowire 120 so as to fill the middle of the opening 131.
次いで、ゲート電極124を覆い上記開口131を埋め込む絶縁膜130を堆積し、平坦化してナノワイヤ120上端を表出させ、ナノワイヤ120の上端にソース・ドレイン電極となるシリサイド膜127を形成する。さらに、絶縁膜130に、ゲート電極124に接続するビアホール126aを形成する。次いで、絶縁膜130上に、シリサイド膜127と接続するドレイン電極配線、及び、上記ビアホール126aを介してゲート電極124と接続するゲート電極配線126を形成する。上記工程を経て垂直ナノワイヤトランジスタが製造される。
Next, an
この従来の第3の半導体装置によりCMOSインバータ回路を構成するには、p型及びn型の2個のMOSトランジスタをそれぞれ独立した素子形成領域に製造し、それらを配線を用いて接続しなければならない。例えば、図19(a)に示すCMOSインバータ回路では、pMOSトランジスタTr1のドレインとnMOSトランジスタTr2のドレインとを接続するために、両トランジスタTr1,Tr2のドレイン電極を絶縁膜125、130上に形成されたドレイン電極配線128で接続する。また、入力信号を両トランジスタTr1,Tr2のゲート電極124へ伝達するため、両トランジスタTr1,Tr2のゲート電極124をゲート電極配線126により接続する。加えて、これらのトランジスタTr1,Tr2のソースを回路電源Vdd及び回路グランドVssに接続するために、絶縁膜125を貫通して半導体基板121表面に形成されたシリサイド膜129に接続するビア(コンタクトホール)を設ける必要がある。
In order to construct a CMOS inverter circuit with this conventional third semiconductor device, two p-type and n-type MOS transistors must be manufactured in independent element formation regions and connected using wiring. Don't be. For example, in the CMOS inverter circuit shown in FIG. 19A, the drain electrodes of both the transistors Tr1 and Tr2 are formed on the
即ち、pMOS及びnMOSトランジスタTr1、Tr2のそれぞれに、ソースに接続する少なくとも1個のコンタクトホール、少なくとも1個のナノワイヤを立設するためのソース・ドレイン領域及びゲート電極に接続する少なくとも1個のビアホール126aを形成する領域が設けられる。これらのコンタクトホール、ビアホール126a又はナノワイヤを形成するために必要な領域の最小面積Δは、リソグラフィの限界から制限され、これ以下に小さくすることは難しい。このため、従来の第3の半導体装置のCMOS回路の面積は、pMOS及びnMOSトランジスタTr1、Tr2のそれぞれに3Δ、即ちCMOSインバータ回路では6Δ、に絶縁分離の面積を加えた面積より小さくすることはできない。
上述したように、垂直ナノチューブnMOSトランジスタをスイッチング素子とする従来の第1の半導体装置では、素子面積をドレイン領域の程度に小さくすることができるものの、消費電力の小さなCMOS回路を構成することができない。 As described above, in the first conventional semiconductor device using the vertical nanotube nMOS transistor as a switching element, the element area can be reduced to the extent of the drain region, but a CMOS circuit with low power consumption cannot be configured. .
また、従来の第2の半導体装置のようにpMOS及びnMOSトランジスタを平面的に形成するのでは、ドレイン電極、ソース電極及びチャネル領域(ナノワイヤ形成領域)が平面的に配置されるため、リソグラフィーの限界から素子面積の縮小が制約される。 Further, when the pMOS and nMOS transistors are formed in a planar manner as in the conventional second semiconductor device, the drain electrode, the source electrode, and the channel region (nanowire forming region) are disposed in a planar manner, which limits the lithography. Therefore, reduction of the element area is restricted.
さらに、従来の第3の半導体装置では、pMOS及びnMOSトランジスタを構成する2個の垂直ナノワイヤトランジスタをそれぞれ絶縁分離された個別の素子形成領域に形成するので、素子面積の他に絶縁分離のための面積が必要になり素子の十分な微細化が難しい。さらに、ソース電極がそれぞれ回路電源Vdd及び回路グランドVssに接続され、ゲート電極が共通に接続されたp型及びn型トランジスタの直列接続からなるCMOSインバータ回路を構成するには、ソース電極上にコンタクトホールかつゲート電極配線上にビアホールを各トランジスタ毎に形成する必要があり、CMOSインバータ回路の形成領域の面積を十分に縮小することができない。 Furthermore, in the conventional third semiconductor device, the two vertical nanowire transistors constituting the pMOS and nMOS transistors are formed in separate element formation regions, which are isolated from each other. An area is required and it is difficult to sufficiently miniaturize the element. Further, in order to construct a CMOS inverter circuit composed of p-type and n-type transistors connected in series with the source electrode connected to the circuit power supply Vdd and the circuit ground Vss and the gate electrode connected in common, contact is made on the source electrode. A via hole must be formed for each transistor in the hole and on the gate electrode wiring, and the area of the formation region of the CMOS inverter circuit cannot be sufficiently reduced.
なお、従来の第1の半導体装置において、仮にnMOS及びpMOSを同様に製造してCMOS回路を構成し得たとしても、このドレイン電極にコンタクトホールを形成する面積及びゲート電極配線にビアホールを形成するための面積を各トランジスタ毎に付加しなければならず、CMOSインバータ回路の面積の縮小が制約されることは従来の第3の半導体装置と同様である。 In the first conventional semiconductor device, even if an nMOS and a pMOS are manufactured in the same manner to form a CMOS circuit, a contact hole is formed in the drain electrode and a via hole is formed in the gate electrode wiring. Therefore, it is necessary to add an area for each transistor, and the reduction of the area of the CMOS inverter circuit is restricted as in the conventional third semiconductor device.
本発明は、ナノワイヤ又はナノチューブをチャネル領域とする垂直MOSトランジスタを用いたCMOSインバータ回路を含む半導体装置において、CMOSインバータ回路の回路形成面積が小さな半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device including a CMOS inverter circuit using a vertical MOS transistor having a nanowire or a nanotube as a channel region and having a small circuit formation area of the CMOS inverter circuit and a method for manufacturing the same. .
上記課題を解決するための本発明の第1の構成に係る半導体装置は、ナノワイヤー又はナノチューブの周囲にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられたnMOSトランジスタ及びpMOSトランジスタの直列接続からなるCMOSインバータ回路を備えた半導体装置に関し、
nMOS及びpMOSトランジスタのドレインは、接続領域を介してオーミック接続された半導体基板表面に形成されたn型及びp型不純物領域からなり、チャネルが形成されるナノワイヤ又はナノチューブは、n型及びp型不純物領域上にそれぞれ立設されている。
A semiconductor device according to a first configuration of the present invention for solving the above problem is a CMOS comprising a series connection of an nMOS transistor and a pMOS transistor in which a gate electrode is provided around a nanowire or a nanotube via a gate insulating film. Regarding a semiconductor device provided with an inverter circuit,
The drains of the nMOS and pMOS transistors consist of n-type and p-type impurity regions formed on the surface of the semiconductor substrate that are ohmic-connected through the connection region, and the nanowire or nanotube in which the channel is formed is an n-type or p-type impurity. Each is erected on the area.
そして、ソースはナノワイヤ又はナノチューブの上端に形成され、nMOS及びpMOSトランジスタのゲート電極は、ゲート電極配線により互いに接続される。このゲート電極配線は、例えば、ナノワイヤ又はナノチューブの下部を埋め込む埋込み絶縁膜上に形成される。 The source is formed at the upper end of the nanowire or nanotube, and the gate electrodes of the nMOS and pMOS transistors are connected to each other by a gate electrode wiring. This gate electrode wiring is formed on, for example, a buried insulating film that embeds the lower part of the nanowire or nanotube.
上記半導体装置のCMOSインバータ回路では、nMOS及びpMOSトランジスタのドレインを構成するn型及びp型不純物領域型が接続領域を介してオーミック接続されており、これらのトランジスタのドレイン間は絶縁分離されない。従って、これらのn型及びp型不純物領域型を同一素子形成領域内に形成することができる。このように、nMOS及びpMOSトランジスタの素子形成領域を絶縁分離する必要がなく一つの素子形成領域内に形成することができるので、nMOS及びpMOSトランジスタを個別の素子形成領域にそれぞれ形成する従来の方法と比較して、CMOSインバータ回路の回路形成面積を小さくすることができる。なお、本明細書の素子形成領域とは、絶縁分離帯により絶縁分離された半導体基板表面の領域をいう。 In the CMOS inverter circuit of the semiconductor device, the n-type and p-type impurity region types constituting the drains of the nMOS and pMOS transistors are ohmically connected through the connection region, and the drains of these transistors are not insulated and separated. Therefore, these n-type and p-type impurity region types can be formed in the same element formation region. As described above, since it is not necessary to isolate and isolate the element formation regions of the nMOS and pMOS transistors in one element formation region, the conventional method of forming the nMOS and pMOS transistors in the individual element formation regions, respectively. Compared with, the circuit formation area of the CMOS inverter circuit can be reduced. Note that an element formation region in this specification refers to a region on the surface of a semiconductor substrate that is insulated and separated by an insulating separation band.
また、nMOS及びpMOSトランジスタのドレインを構成するn型及びp型不純物領域型が互いにオーミック接続されているから、nMOS及びpMOSトランジスタのドレインにこれらの間を接続するためにコンタクトホール形成領域を設ける必要がない。このため、ドレイン間の接続のためにコンタクトホールを必要とする従来の半導体装置に比べて、ドレイン乃至ドレイン電極の面積を小さくすることができる。 In addition, since the n-type and p-type impurity region types constituting the drains of the nMOS and pMOS transistors are ohmically connected to each other, it is necessary to provide a contact hole forming region to connect between the drains of the nMOS and pMOS transistors. There is no. Therefore, the area of the drain or drain electrode can be reduced as compared with a conventional semiconductor device that requires a contact hole for connection between drains.
上述したように、本発明のCMOSインバータ回路を含む第1の構成の半導体装置によれば、一つの素子形成領域に2個のドレインを形成し、かつドレイン乃至ドレイン電極をナノワイヤを形成する最小面積とすることができるので、各トランジスタを個別の素子形成領域に形成する従来の半導体装置と比較してCMOS回路形成領域を小さくすることができる。 As described above, according to the semiconductor device having the first configuration including the CMOS inverter circuit of the present invention, the minimum area in which two drains are formed in one element formation region and the drain or drain electrode forms the nanowire. Therefore, the CMOS circuit formation region can be made smaller than the conventional semiconductor device in which each transistor is formed in an individual element formation region.
本発明の第2の構成は、 2個のCMOSインバータ回路を「たすき掛け」してなるフリップフロップ回路を有する半導体装置に関する。なお、インバータ回路のたすき掛けとは、互いに一方のインバータの出力を他方の入力に接続する配線をいう。 The second configuration of the present invention relates to a semiconductor device having a flip-flop circuit formed by “shaping” two CMOS inverter circuits. Note that “shaking of inverter circuits” refers to wiring that connects the outputs of one inverter to the other input.
本第2の構成では、フリップフロップ回路を構成するCMOSインバータ回路として上記第2の構成のCMOSインバータ回路を用いる。 In the second configuration, the CMOS inverter circuit having the second configuration is used as the CMOS inverter circuit configuring the flip-flop circuit.
その2個のCMOSインバータ回路を構成する2個の素子形成領域内に、それぞれn型及びp型不純物領域とそれらをオーミック接続する接続領域とが設けられ、その他に、それぞれコンタクトホール形成領域が設けられる。このコンタクトホール形成領域は、接続領域を素子形成領域上に延在したものである。 In the two element formation regions constituting the two CMOS inverter circuits, n-type and p-type impurity regions and connection regions for ohmic connection thereof are provided, respectively, and contact hole formation regions are provided respectively. It is done. This contact hole formation region is a region in which the connection region extends over the element formation region.
さらに、立設するナノワイヤ又はナノチューブの根元を埋め込む埋込み絶縁膜が素子形成領域上に形成される。その埋込み絶縁膜には、接続領域を表出するコンタクトホールが開設されている。 Further, a buried insulating film is formed on the element formation region so as to bury the roots of the standing nanowire or nanotube. A contact hole that exposes the connection region is formed in the buried insulating film.
この埋込み絶縁膜上に、一方の素子形成領域内に形成されたpMOS及びnMOSトランジスタのゲート電極間を接続し、かつコンタクトホールを通して接続領域に接続するゲート電極配線が形成される。このゲート電極配線の一方は、一方の素子形成領域に形成されたpMOS及びnMOSトランジスタのゲート電極の間を接続し、隣接して形成された他の素子形成領域内の接続領域、即ち他の素子形成領域に形成されているpMOS及びnMOSトランジスタのドレインにオーミック接続される。 On this buried insulating film, a gate electrode wiring is formed which connects between the gate electrodes of the pMOS and nMOS transistors formed in one element formation region and connects to the connection region through a contact hole. One of the gate electrode wirings connects between the gate electrodes of the pMOS and nMOS transistors formed in one element formation region, and is connected to another element formation region formed adjacently, that is, another element. It is ohmically connected to the drains of the pMOS and nMOS transistors formed in the formation region.
同様に、他方のゲート電極配線は、他の素子形成領域に形成されたpMOS及びnMOSトランジスタのゲート電極の間を接続し、隣接して形成された上記一方の素子形成領域内の接続領域、即ち一方の素子形成領域に形成されているpMOS及びnMOSトランジスタのドレインにオーミック接続される。 Similarly, the other gate electrode wiring connects between the gate electrodes of the pMOS and nMOS transistors formed in the other element formation regions, and is connected to the one element formation region formed adjacently, that is, Ohmic connection is made to the drains of the pMOS and nMOS transistors formed in one element formation region.
これらの接続領域はCMOSインバータ回路の出力端をなし、ゲート電極配線は入力端をなす。従って、上記ゲート電極配線により2個のCMOSインバータ回路はたすき掛けに配線されて、CMOSフリップフロップ回路を形成する。 These connection regions form the output end of the CMOS inverter circuit, and the gate electrode wiring forms the input end. Accordingly, the two CMOS inverter circuits are connected to each other by the gate electrode wiring to form a CMOS flip-flop circuit.
この本発明の第2の構成では、CMOSフリップフロップ回路の形成領域は、2個のnMOSトランジスタ及び2個のpMOSトランジスタの他、2個のコンタクトホールが形成される領域の面積があれば足りる。即ち、2個のCMOSインバータの形成面積を、それぞれ1個のコンタクトホール分だけ増加させるだけでフリップフロップ回路を形成することができる。 In the second configuration of the present invention, the area for forming the CMOS flip-flop circuit is sufficient if it has an area for forming two contact holes in addition to two nMOS transistors and two pMOS transistors. That is, a flip-flop circuit can be formed by increasing the formation area of two CMOS inverters by one contact hole.
なお、このコンタクトホール直上のゲート電極配線上面に、フリップフロップ回路の入出力端となる配線に接続するビアを形成することもできる。これにより、フリップフロップ回路の入出力用のビア形成面積を追加する必要がなくなり、小面積のフリップフロップ回路を実現することができる。 Note that a via connected to the wiring serving as the input / output terminal of the flip-flop circuit may be formed on the upper surface of the gate electrode wiring immediately above the contact hole. As a result, it is not necessary to add a via formation area for input / output of the flip-flop circuit, and a small-area flip-flop circuit can be realized.
本発明の第3の構成は、本発明の第2の構成のCMOSフリップフロップ回路をSRAMのメモリセルに用いた半導体装置に関する。 The third configuration of the present invention relates to a semiconductor device using the CMOS flip-flop circuit of the second configuration of the present invention as an SRAM memory cell.
本第3の構成の半導体装置は、入出力端に接続されるCMOSフリップフロップ回路の2つのノードのそれぞれに、アクセストランジスタを介して一対をなすビット線が接続されたメモリセルを有する。このアクセストランジスタのゲートはワード線に接続される。 The semiconductor device having the third configuration includes a memory cell in which a pair of bit lines are connected to each of two nodes of a CMOS flip-flop circuit connected to an input / output terminal through an access transistor. The gate of this access transistor is connected to the word line.
アクセストランジスタは、フリップフロップ回路を構成する2個のCMOSインバータ回路の各素子形成領域内にソース・ドレインとなるn型又はp型の不純物領域を有し、その不純物領域上に立設されたナノワイヤ又はナノチューブをドレインとし、そのナノワイヤ又はナノチューブの周囲にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極を有する。そして、このゲート電極は上記埋込み絶縁膜上に配置されたワード線接続配線及びワード線接続配線上に形成されたビアを介して上方のワード線に接続される。 The access transistor has an n-type or p-type impurity region serving as a source / drain in each element formation region of the two CMOS inverter circuits constituting the flip-flop circuit, and a nanowire standing on the impurity region Alternatively, a gate electrode provided with a nanotube as a drain and a gate insulating film around the nanowire or the nanotube is provided. The gate electrode is connected to an upper word line through a word line connection wiring disposed on the buried insulating film and vias formed on the word line connection wiring.
この本発明の第3 の構成では、アクセストランジスタもCMOSインバータ回路の素子形成領域内に配置するので、本発明の第2の構成のCMOSフリップフロップ回路にアクセストランジスタのドレイン形成領域及びワード線接続配線に接続するためのビア形成領域を追加するだけで、SRAMのメモリセルを構成することがてきる。このため、従来の独立したトランジスタを用いたメモリセルと比較して、非常に小面積のメモリセルを実現することができる。 In the third configuration of the present invention, since the access transistor is also disposed in the element formation region of the CMOS inverter circuit, the drain formation region of the access transistor and the word line connection wiring are added to the CMOS flip-flop circuit of the second configuration of the present invention. An SRAM memory cell can be configured simply by adding a via formation region for connection to the memory cell. For this reason, a memory cell having a very small area can be realized as compared with a memory cell using a conventional independent transistor.
本発明の第4の構成は、上述した本発明の第1〜第3の構成の半導体装置の製造方法に関し、素子形成領域に選択成長用のマスク(絶縁膜)を用いてナノワイヤ又はナノチューブを形成した後、ナノワイヤ又はナノチューブ及び前記マスク上面を被覆するようにゲート絶縁膜及びシリコン膜を順次形成し、そのシリコン膜及びゲート絶縁膜を、例えば、シリコンを選択的にエッチングする全面異方性イオンエッチングによりエッチングする。 The fourth configuration of the present invention relates to the method of manufacturing the semiconductor device having the first to third configurations of the present invention described above, and forms nanowires or nanotubes using a selective growth mask (insulating film) in the element formation region. After that, a gate insulating film and a silicon film are sequentially formed so as to cover the nanowire or the nanotube and the mask upper surface, and the silicon film and the gate insulating film are selectively etched, for example, by silicon. Etch with
これにより、ナノワイヤ又はナノチューブ周囲のゲート絶縁膜及びナノワイヤ又はナノチューブの周囲のシリコン膜を残し、他の前記シリコン膜及びゲート絶縁膜が除去される。このとき、ナノワイヤ又はナノチューブの上端部周囲のシリコン膜も除去される。その結果、ゲート電極は、ナノワイヤ又はナノチューブの上端より低い位置に形成される。なお、この除去された部分にはゲート絶縁膜が露出する。 As a result, the gate insulating film around the nanowire or nanotube and the silicon film around the nanowire or nanotube are left, and the other silicon film and gate insulating film are removed. At this time, the silicon film around the upper end of the nanowire or nanotube is also removed. As a result, the gate electrode is formed at a position lower than the upper end of the nanowire or nanotube. Note that the gate insulating film is exposed in the removed portion.
次いで、ナノワイヤ又はナノチューブ、シリコン膜及びゲート絶縁膜をエッチングマスクとする等方性エッチングによりマスクをエッチングする。この結果、ナノワイヤ又はナノチューブが形成されていない領域上のマスクが除去され半導体基板表面が表出する。 Next, the mask is etched by isotropic etching using nanowires or nanotubes, a silicon film, and a gate insulating film as an etching mask. As a result, the mask on the region where the nanowire or the nanotube is not formed is removed, and the surface of the semiconductor substrate is exposed.
次いで、例えば、サリサイド法(自己整合シリサイド形成:Self Aligned Silicidation)により、前記ナノワイヤ又はナノチューブの上端、シリコン膜及び表出する前記半導体基板表面にシリサイド膜を形成する。この結果、ナノワイヤ又はナノチューブの上端をソース電極、周囲のシリサイド膜をゲート電極、ナノワイヤ又はナノチューブをチャネル、及び、p型及びn型不純物領域をそれぞれドレインとするpMOS及びnMOSトランジスタが形成される。また、これと同時に、半導体基板表面に形成されたシリサイド膜は、p型及びn型不純物領域の間をオーミック接続する接続領域となる。 Next, a silicide film is formed on the upper end of the nanowire or nanotube, the silicon film, and the exposed surface of the semiconductor substrate by, for example, a salicide method (self-aligned silicide formation). As a result, a pMOS and an nMOS transistor are formed in which the upper end of the nanowire or nanotube is the source electrode, the surrounding silicide film is the gate electrode, the nanowire or nanotube is the channel, and the p-type and n-type impurity regions are the drains, respectively. At the same time, the silicide film formed on the surface of the semiconductor substrate becomes a connection region for ohmic connection between the p-type and n-type impurity regions.
上記第4の構成では、シリコンの選択的異方性エッチングを用いて、シリコン膜及びゲート絶縁膜をエッチングする。これにより、ナノワイヤ又はナノチューブの周囲先端付近のシリコン膜がゲート絶縁膜を残して除去されるので、その後のサリサイド法によりナノワイヤ又はナノチューブの上端と周囲に形成されるシリサイド膜、即ちソース電極とゲート電極、の短絡を回避することができる。 In the fourth configuration, the silicon film and the gate insulating film are etched using selective anisotropic etching of silicon. As a result, the silicon film in the vicinity of the peripheral tip of the nanowire or nanotube is removed leaving the gate insulating film, so that the silicide film formed on the top and the periphery of the nanowire or nanotube by the subsequent salicide method, that is, the source electrode and the gate electrode , Short circuit can be avoided.
また、ナノワイヤ又はナノチューブが形成されていない領域の半導体基板表面をセルフアラインに表出し、ナノワイヤ又はナノチューブの上端及びシリコン膜と同時にシリサイド化するので、接続領域形成のための特別な工程を付加することなく接続領域を形成することができる。 Also, since the surface of the semiconductor substrate in the region where the nanowire or nanotube is not formed is self-aligned and silicidized simultaneously with the upper end of the nanowire or nanotube and the silicon film, a special process for forming the connection region is added. The connection region can be formed without any problem.
本発明の第4の構成の半導体装置の製造方法において、
前記接続領域を形成する工程の後、p型及びn型MOSトランジスタを構成するナノワイヤ又はナノチューブの下部を埋め込む埋込み絶縁膜を形成し、その埋込み絶縁膜上に、p型及びn型MOSトランジスタのゲート電極間を接続するゲート電極配線を形成してもよい。
In the method for manufacturing a semiconductor device having the fourth structure according to the present invention,
After the step of forming the connection region, a buried insulating film is formed that embeds the lower part of the nanowires or nanotubes constituting the p-type and n-type MOS transistors, and the gates of the p-type and n-type MOS transistors are formed on the buried insulating film. You may form the gate electrode wiring which connects between electrodes.
この方法では、ゲート電極配線が埋込み絶縁膜上に配置されるから、ゲート電極配線の寄生容量を小さくすることができる。また、埋込み絶縁膜は、ナノワイヤ又はナノチューブを被覆するまで堆積したのち平坦化し、さらに全面をエッチバックすることで容易に形成することができる。また、埋込み絶縁膜を指向性の強い堆積方法を用いて、ナノワイヤ又はナノチューブの上端及びナノワイヤ又はナノチューブの間に表出する半導体基板上に堆積してもよい。この方法によれば、導電膜を埋込み絶縁膜上に同様に堆積した後、ナノワイヤ又はナノチューブの上端に堆積した導電膜をリフトオフにより除去することができる。このため、導電膜からなるゲート電極配線の成形が容易である。 In this method, since the gate electrode wiring is disposed on the buried insulating film, the parasitic capacitance of the gate electrode wiring can be reduced. The buried insulating film can be easily formed by depositing the nanowire or nanotube until they are covered and then flattening and then etching back the entire surface. Alternatively, the embedded insulating film may be deposited on the semiconductor substrate exposed between the upper ends of the nanowires or nanotubes and the nanowires or nanotubes using a highly directional deposition method. According to this method, after the conductive film is embedded and similarly deposited on the insulating film, the conductive film deposited on the upper end of the nanowire or nanotube can be removed by lift-off. For this reason, it is easy to form a gate electrode wiring made of a conductive film.
本発明によれば、垂直に設けられたナノワイヤ又はナノチューブをチャネルとするnMOSトランジスタ及びpMOSトランジスタが、同一素子形成領域内にソース領域を互いにオーミック接合されて形成されるから、これらのMOSトランジスタを用いて構成されるCMOSインバータを含む回路の形成面積を、平面的に形成されたMOSトランジスタあるいは個別の素子形成領域に形成されたMOSトランジスタを用いて構成するよりも小さくすることができる。 According to the present invention, an nMOS transistor and a pMOS transistor having a nanowire or a nanotube provided vertically as a channel are formed in the same element formation region with the source region being in ohmic contact with each other. The formation area of the circuit including the CMOS inverter configured as described above can be made smaller than the configuration using a MOS transistor formed in a plane or a MOS transistor formed in an individual element formation region.
本発明の第1実施形態は図19(a)に示すCMOSインバータ回路を含む半導体装置に関する。 The first embodiment of the present invention relates to a semiconductor device including the CMOS inverter circuit shown in FIG.
図1は本発明の第1実施形態CMOSインバータ回路構造図であり、CMOSインバータ回路をセルとして有する半導体装置のセル構造を表している。ここで、図1(a)は図1(b)中のBB’垂直断面図を、図1(b)は図1(a)中のAA’水平断面図を、図1(c)はトランジスタ及びビアの配置を表す斜視図である。なお、図1(c)は明瞭を期すため、各種絶縁膜を除いて描いている。 FIG. 1 is a structural diagram of a CMOS inverter circuit according to a first embodiment of the present invention, and shows a cell structure of a semiconductor device having a CMOS inverter circuit as a cell. Here, FIG. 1A is a vertical sectional view taken along line BB ′ in FIG. 1B, FIG. 1B is a horizontal sectional view taken along line AA ′ in FIG. 1A, and FIG. It is a perspective view showing arrangement | positioning of a via | veer. Note that FIG. 1C is drawn excluding various insulating films for the sake of clarity.
図1(a)〜図1(c)を参照して、半導体例えばシリコンからなる半導体基板1上にマトリックス状に矩形のCMOSインバータ回路のセル10が設けられ、その内部に絶縁分離帯2により画定された素子形成領域5が形成されている。この素子形成領域5は、その一端にビア17が形成できる大きさを残して配置される。また、絶縁分離体2は、例えばLOCOSあるいはシャロートレンチ(STI)により形成される。
Referring to FIGS. 1A to 1C, a rectangular CMOS
素子形成領域5の半導体基板1表面には、n型及びp型不純物領域1n、1pが形成されており、それぞれの不純物領域1n、1p上にそれぞれnMOS及びpMOSトランジスタTr2、Tr1のチャネルを構成する半導体、例えばシリコンナノワイヤ3が立設されている。
N-type and p-
ナノワイヤ3の底部周囲には絶縁膜からなるマスク11(成長用のマスク11の一部)が残されており、その上方のナノワイヤ3周囲にゲート絶縁膜12が設けられている。さらに、ゲート絶縁膜12上に導電膜からなるゲート電極13、例えばシリサイド膜又はポリサイド膜からなるゲート電極13が形成されている。このゲート電極13は、ナノワイヤ3の上端部には設けられていない。これにより、ナノワイヤ3上端に形成されるソース電極14との短絡が防止される。また、ゲート電極13の下端はマスク11上に形成されるので、素子形成領域5の表面に形成された接続領域4とゲート電極13との短絡が防止される。
A
素子形成領域5の表面は、ナノワイヤ3底部周辺に残るマスク11の直下及びナノワイヤ3の直下を除いて、不純物領域1n、1pの表面に形成されたシリサイド膜からなる接続領域4により覆われている。ここで、ナノワイヤ3の下端底部は、不純物領域1n、1pから拡散した不純物元素によりドープされ、ドレイン領域の一部を形成するようにすることが、ドレイン抵抗を低減するために望ましい。なお、接続領域4の下に、不純物領域1n、1pが存在しなくても、これらの領域との接合のオーミック抵抗が低ければ差し支えない。
The surface of the
ナノワイヤ3の上端はシリサイド膜からなるソース電極14となっている。
The upper end of the
半導体基板1上には、ナノワイヤ3をソース電極14上面まで埋め込むように、埋込み絶縁膜6と絶縁膜7とがこの順に設けられ、さらにその上に層間絶縁膜8が設けられる。なお、層間絶縁膜8を省くこともできる。埋込み絶縁膜6はゲート電極13の底部を埋め込む厚さを有し、その上に2つのゲート電極13を接続し、素子分離帯2上に延在するゲート電極配線15が設けられる。このように埋込み絶縁膜6を配置することで、ゲート電極配線15と半導体基板1との間の寄生容量を小さくすることができる。
A buried insulating
これらn型及びp型不純物領域1n、1pにそれぞれ形成されたnMOSトランジスタTr2及びpMOSトランジスタTr1のソース電極14は、それぞれ層間絶縁膜8に形成されたビア18、19を介して、層間絶縁膜8上に設けられた回路グランドVss及び回路電源Vddが供給される低電圧配線22及び高電圧配線23に接続される。
The nMOS transistor Tr2 and the
また、層間絶縁膜8、絶縁膜7及び埋込み絶縁膜6を貫通するコンタクトホールが設けられ、このコンタクトホールを充填するビア16を介して、層間絶縁膜8上に設けられた出力配線21と接続領域4(図19のノードN)とが接続されている。
Further, a contact hole penetrating the
さらに、素子分離帯2上に延在するゲート電極配線15上に層間絶縁膜8及び絶縁膜7を貫通するビア17を介して、ゲート電極配線15と層間絶縁膜8上に配置された入力配線24とが接続される。
Further, the input wiring disposed on the
図1(b)及び図1(c)を参照して、上記ビア16、nMOS及びpMOSトランジスタTr2、Tr1の 2個のソース電極14、及びビア17は、この順でセル10の長辺に沿って一列に配置されている。従って、ビア16、17及び2個のナノワイヤ3(即ちトランジスタTr1、Tr2のチャネル形成領域)の形成領域の最小面積をそれぞれΔとすると、本第1実施形態のCMOSインバータ回路の形成領域の最小面積は4Δとなる。これは、従来の第1の半導体装置のCMOSインバータ回路の形成領域の最小面積6Δと比べて2/3に縮小されている。なお、従来必要とされたトランジスタTr1、Tr2を分離する絶縁分離帯を考慮すると、さらに縮小比はさらに小さくされている。
Referring to FIGS. 1B and 1C, the via 16, the two
次に、上記第1実施形態の半導体装置の製造工程を説明する。 Next, the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment will be described.
図2〜図4は本発明の第1実施形態製造工程図であり、CMOSインバータ回路の製造工程を表している。ここで、図2(a)〜図4(g)はCMOSインバータ回路セルの平面を、図2(a−1)〜図4(g−1)は図2(a)中の直線BB’に沿う垂直断面を表している。 2 to 4 are manufacturing process diagrams of the first embodiment of the present invention, and show the manufacturing process of the CMOS inverter circuit. Here, FIGS. 2A to 4G show the plane of the CMOS inverter circuit cell, and FIGS. 2A-1 to 4G-1 show the straight line BB ′ in FIG. 2A. It represents a vertical section along.
図2(a)及び図2(a−1)を参照して、まず、半導体例えばシリコン(111)を主面とする半導体基板1上面に例えば短辺50nm、長辺150nmの矩形のCMOSインバータ回路セル10を画定し、そのセル10内に、絶縁分離帯2で画定された例えば短辺30nm、長辺100nmの矩形の素子形成領域5を形成する。
2A and 2A-1, first, a rectangular CMOS inverter circuit having a short side of 50 nm and a long side of 150 nm, for example, is formed on the upper surface of a
次いで、素子形成領域5の左端からおよそ65nmまでの領域に、n型不純物をイオン注入してn型不純物領域1nを形成する。さらに、素子形成領域の右側の残りの領域にp型不純物をイオン注入してp型不純物領域1pを形成する。これらの不純物領域は、後述するナノワイヤ3の立設領域に形成されていれば足り、必ずしも素子形成領域5の全面に形成されなくてもよい。
Next, an n-
次いで、図2(b)及び図2(b−1)を参照して、例えば厚さ10nm〜20nmのアモルファスのシリコン酸化膜を堆積する。その後、n型及びp型不純物領域1n、1pをそれぞれ表出する直径ほぼ20nmの開口11a、11bをそのシリコン酸化膜に開設し、アモルファスのシリコン酸化膜からなる選択成長用のマスク11を形成する。これらの開口1a、1bは、セル10のほぼ中央に隣接して配置する。
Next, referring to FIGS. 2B and 2B-1, an amorphous silicon oxide film having a thickness of 10 nm to 20 nm, for example, is deposited. Thereafter,
次いで、図2(c)及び図2(c−1)を参照して、マスク11を用いた選択成長により、開口11a及び開口11bの底面に表出する半導体基板1表面から半導体、例えばシリコン結晶をエピタキシャル成長させ、開口11a及び開口11bを底面として立設する直径ほぼ20nm、高さ100nmの円柱状のナノワイヤ3を形成する。
Next, referring to FIGS. 2C and 2C-1, by selective growth using the
次いで、半導体基板1上全面に、ナノワイヤ3の表出面を被覆するようにゲート絶縁膜12及びシリコン膜13aを順次堆積する。ゲート絶縁膜12は、例えば熱酸化により形成されたシリコン熱酸化膜、CVD法により形成されたシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、その他の高誘電体膜(例えば、Hf、Al及びLaの何れかを含む、酸化物、シリケート又は窒化物)を用いることができる。また、シリコン膜13aはポリシリコン膜又はアモルファスシリコン膜からなり、例えばCVD法により形成することができる。
Next, a
次いで、ゲート絶縁膜12に対してシリコンを選択的にエッチングする異方性イオンエッチングを用いて、シリコン膜13aを全面エッチングする。この異方性イオンエッチング工程では、初めにシリコン膜13aがナノワイヤ3上面のゲート絶縁膜12を表出するまで平坦にエッチングされる。次いで、ナノワイヤ3上面に表出するゲート絶縁膜12がエッチングされ除去される間に、ナノワイヤ3周囲に延在するシリコン膜3aはナノワイヤ3上面から少し低い位置まで平坦にエッチングされる。これは、シリコン膜13aがゲート絶縁膜12より早く(選択的に)エッチングされるためである。
Next, the entire surface of the
さらに、図3(d)及び図3(d−1)を参照して、上記の異方性イオンエッチングを継続し、ナノワイヤ3の外側のマスク11上面に延在するゲート絶縁膜12が表出するまで、又はそのゲート絶縁膜がエッチングされマスク11を表出するないし表面の一部がエッチングされるまで、シリコン膜13aを除去する。このとき同時にナノワイヤ3もシリコン膜13aとほぼ同じ速度でエッチングされ、ほぼ高さ70nmのナノワイヤ3となる。
Further, referring to FIG. 3D and FIG. 3D-1, the above-described anisotropic ion etching is continued, and the
このナノワイヤ3の周囲には、ゲート絶縁膜12が残される。そして、そのゲート絶縁膜12上にシリコン膜13aからなる側壁が形成される。このシリコン膜13aの上端は異方性イオンエッチングによりエッチングされ、ナノワイヤ3の上端から例えば20nm以内の距離にはシリコン膜13aは形成されない。このシリコン膜13aが形成されない距離は、異方性イオンエッチングの選択性を選ぶことで制御することができる。
A
次いで、ナノワイヤ3、ゲート絶縁膜12及びシリコン膜13aをエッチングマスクとする等方性エッチングを用いて、マスク11をエッチングして半導体基板1表面(素子形成領域5の表面)を表出する。このマスク11をオーバーエッチングすることで、半導体基板1の表出面とナノワイヤ3との距離を制御することもできる。
Next, isotropic etching using the
次いで、図3(e)及び図3(e−1)を参照して、金属膜、例えばNi膜を基板上全面に堆積し、シリサイド化熱処理後に未反応の金属膜を除去するいわゆるサリサイド工程を経て、ナノワイヤ3の上端、ナノワイヤ3の周辺に形成されたシリコン13a及び素子形成領域5の表出面に、それぞれソース電極14、ゲート電極13及び接続領域4となるシリサイド膜(例えばNiシリサイド膜)を形成する。
Next, referring to FIGS. 3E and 3E-1, a so-called salicide process is performed in which a metal film, for example, a Ni film is deposited on the entire surface of the substrate, and the unreacted metal film is removed after the silicidation heat treatment. Then, a silicide film (for example, a Ni silicide film) serving as the
この結果、n型不純物領域1n上のナノワイヤ3をチャネル領域とするnMOSトランジスタTr2、及び、p型不純物領域1p上のナノワイヤ3をチャネル領域とするpMOSトランジスタtr1が製造される。なお、これらのトランジスタTr2、Tr1のドレイン(それぞれ、n型及びp型不純物領域1n、1p)は、それぞれにオーミック接続する接続領域4を介して接続されている。
As a result, an nMOS transistor Tr2 having the
このようにして形成されたゲート電極13は、半導体基板1表面からはマスク11及びゲート絶縁膜の厚みを隔てて形成され、かつ、ソース電極14からはナノワイヤ3上端部のボリシリコン膜13aが形成されない距離を隔てて形成される。これらの厚み及び距離は精密に制御できるから、ゲートとソース・ドレイン間の距離が精密に制御された垂直ナノワイヤMOSトランジスタTr1、Tr2が形成される。
The
なお、本願の1実施形態のゲート電極13は、全体がシリサイドであってもよく,表面のみがシリサイドからなるポリサイド構造とすることもできる。
It should be noted that the
次いで、図4(f)及び図4(f−1)を参照して、ナノワイヤ3の底部周囲を埋め込む例えば厚さ30nmのシリコン酸化膜からなる埋込み絶縁膜6を形成する。この埋込み絶縁膜6は、上方からの指向性の強い堆積方法、例えばコリメートしたスパッタリング、蒸着又はプラズマ化学的気相堆積(PECVD)法により半導体基板1上全面に例えば厚さ30nmのシリコン酸化膜を堆積することで形成される。
Next, referring to FIG. 4F and FIG. 4F-1, an embedded insulating
このとき、シリコン酸化膜のうちナノワイヤ3の外側に堆積し埋込み絶縁膜となる部分は、ナノワイヤ3の上端に堆積したシリコン酸化膜からナノワイヤ3の高さが作る段差により分離されて形成される。さらに、シリコン酸化膜を微量に等方性エッチングして、ナノワイヤ3周囲(ゲート電極13の表面)に付着した薄いシリコン酸化膜を除去する。これにより、ゲート電極13の表面を露出するとともに、埋込み絶縁膜6とナノワイヤ3上面のシリコン酸化膜との分離を確実にすることができる。
At this time, a portion of the silicon oxide film that is deposited outside the
次いで、上方からの指向性の強い堆積方法を用いて導電膜、例えば厚さ26nmのAl膜を半導体基板1上全面に堆積する。このとき、ナノワイヤ3の外側とナノワイヤ3の上端にそれぞれ分離された導電膜が形成される。次いで、この導電膜をフォトリソグラフィを用いてパターニングし、導電膜からなるゲート電極配線15を形成する。このゲート電極配線15は、ナノワイヤ3の周囲を囲み、かつセル10右端の絶縁分離帯2上に延在するようにパターニングされる。
Next, a conductive film, for example, an Al film having a thickness of 26 nm is deposited on the entire surface of the
ゲート電極配線15の形成後、ナノワイヤ上端に堆積するシリコン酸化膜をエッチング除去し、同時にその上の導電膜をリフトオフして除去する。
After the formation of the
次いで、ナノワイヤ3を上端(ソース電極14上面)まで埋め込む絶縁膜7を堆積し、その上に層間絶縁膜8を堆積する。次いで、層間絶縁膜8を貫通しソース電極14に接続するビア18、19を形成する。さらに、ビア18、19の形成と同時に、素子形成領域5の左端に層間絶縁膜7及び埋込み絶縁膜6を貫通して接続領域4と接続するビア16と、ゲート電極配線15の右端に層間絶縁膜7を貫通するビア17を形成する。
Next, an insulating
次いで、ビア18、19上にそれぞれ低電圧配線22及び高電圧配線23を形成し、ビア16、17上にそれぞれ出力配線21及び入力配線24を形成して、CMOSインバータ回路が形成される。その後、必要な回路の製造工程を経て本第1実施形態の半導体装置が製造される。
Next, the
上述した本第1実施形態では、半導体基板1としてシリコン基板を用いたが、Ge基板や化合物半導体基板、例えばIII−V化合物半導体基板やII−VI化合物半導体基板を用いることもできる。また、シリコンナノワイヤの他、化合物半導体からなるナノワイヤ、さらにはカーボンナノチューブを用いることもできる。これらのナノワイヤ及びナノチューブは、良く知られているように選択成長の他、触媒を用いて形成することができる。
In the first embodiment described above, a silicon substrate is used as the
本発明の第2実施形態はフリップフロップ回路をセルアレイとして備えた半導体装置に関する。 The second embodiment of the present invention relates to a semiconductor device including a flip-flop circuit as a cell array.
本第2実施形態の半導体装置は、図19(b)に示すCMOSフリップフロップ回路をセルとして備える。このフリップフロップ回路は、互いにたすき掛けに配線された2個のCMOSインバータ回路から構成されている。 The semiconductor device of the second embodiment includes a CMOS flip-flop circuit shown in FIG. 19B as a cell. This flip-flop circuit is composed of two CMOS inverter circuits wired to each other.
図5は本発明の第2実施形態フリップフロップ回路セル構造図であり、図5(a)は垂直断面図、図5(b)は平面図である。なお、図5(a)は図5(b)中のCC’断面を表している。 FIG. 5 is a structural diagram of a flip-flop circuit cell according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 (a) is a vertical sectional view and FIG. 5 (b) is a plan view. FIG. 5A shows a CC ′ cross section in FIG.
本第2実施形態では、図5を参照して、半導体基板1上にフリップフロップ回路の形成領域として矩形のセル30が画定されている。説明を簡明にするために、セル30を、図5(b)の紙面内で、上下に2列、左右に3列の6区画に区分して説明する。
In the second embodiment, referring to FIG. 5, a
図5(b)に示すセル30内の左側上下の2区画及び上側中央の1区画に連なる素子形成領域5Aが設けられ、さらにセル30内の右側上下の2区画及び下側中央の1区画に連なる素子形成領域5Bが設けられている。
5B, an
素子形成領域5A、5Bのうち上側半分(上側の区画部分)には半導体基板1表面にp型不純物領域1pが形成され、下側半分にはn型不純物領域1nが形成されている。この素子形成領域5A、5Bの表面は、上述した第1実施形態と同様に、ナノワイヤ(及びマスク11)形成領域を除き全表面にシリサイド膜からなる接続領域4が形成されている。
A p-
そして、セル30の四隅を占める区画にナノワイヤ3が立設され、その下端はn型又はp型不純物領域1pに接している。これらのナノワイヤ3は、図19(b)をも参照して、左上隅のものが第1のCMOSインバータ回路のpMOSトランジスタTr1を、左下隅のものが第1のCMOSインバータ回路のnMOSトランジスタTr2を構成している。また、右上隅のものが第2のCMOSインバータ回路のpMOSトランジスタTr3を、右下隅のものが第2のCMOSインバータ回路のnMOSトランジスタTr4を構成している。即ち、第1のCMOSインバータ回路を構成するトランジスタTr1、Tr2は素子形成領域5A内に設けられ、第2のCMOSインバータ回路を構成するトランジスタTr3、Tr4は素子形成領域5B内に設けられる。なお、これらのMOSトランジスタTr1〜4の構造、例えばドレイン(不純物領域1p、1n)、ソース電極14及びゲート電極13の構造は、上述した第1実施形態のMOSトランジスタTr1、Tr2と同様である。
The
さらに、第1実施形態と同様、ナノワイヤ3の底部を埋め込む埋込み絶縁膜6と、埋込み絶縁膜6上に形成されたゲート電極配線15が設けられている。
Further, as in the first embodiment, a buried insulating
本第2実施形態では、埋込み絶縁膜6に接続領域4を表出するコンタクトホール31aが開設され、ゲート電極配線15はコンタクトホール31aを充填するビア31を介して接続領域4に接続されている。
In the second embodiment, a
ゲート電極配線15は2つ配置され、その一つは、第1のCMOSインバータ回路を構成するpMOS及びnMOSトランジスタTr1、Tr2のゲート電極13を接続し、さらに第2のCMOSインバータ回路の素子形成領域5Bに形成された接続領域4にビア31を介して接続される。なお、素子形成領域5Bのこの接続領域4は、図19(b)中のノードN2を構成する。かかる一つのゲート電極配線15は、セル30左側の2区画及び上側中央の1区画に延在するΓ字状のパターンとして形成される。
Two
他方のゲート電極配線15は、第2のCMOSインバータ回路を構成するpMOS及びnMOSトランジスタTr3、Tr4のゲート電極13を接続し、さらに第1のCMOSインバータ回路の素子形成領域5Aに形成された接続領域4にビア31を介して接続される。なお、素子形成領域5Aのこの接続領域4は、図19(b)中のノードN1を構成する。かかる他方のゲート電極配線15は、セル30左側の2区画及び上側中央の1区画に延在するΓ字を180度回転させたパターンとして形成される。
The other
さらに、半導体基板1上に、ゲート電極配線15を被覆し、かつソース電極14を表出してナノワイヤ3をその上端まで平坦に埋め込む絶縁膜7が形成されている。本第2実施形態では、この絶縁膜7を貫通してゲート電極配線15上面に接続するビア32が形成されている。このビア32は、ビア31の直上に配置される。従って、ビア32を設けても、セル面積は増加しない。
Furthermore, an insulating
上述したビア32はノードN1、N2にそれぞれ接続し、それぞれCMOSフリップフロップ回路の入力端201及び出力端203に接続される。また、pMOSトランジスタTr1、Tr3のソース電極14は回路電源Vddが印加される高電圧配線23に接続され、nMOSトランジスタTr2、Tr4のソース電極14は回路グランドに接続された低電圧配線22に接続される。
The vias 32 described above are connected to the nodes N1 and N2, respectively, and are connected to the
本第2実施形態のCMOSフリップ回路のセル面積は、各区画をナノワイヤ3又はビア31、32の形成に要する最小面積Δとして、6Δとなる。これは、トランジスタ毎に3Δを要する従来のCMOSフリップ回路のセル面積12Δに比べて、1/2に縮小されている。
The cell area of the CMOS flip circuit of the second embodiment is 6Δ, where each section is the minimum area Δ required for forming the
次に、上述した第2実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明する。 Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment described above will be described.
図6は本発明の第2実施形態製造工程断面図、図7は本発明の第2実施形態製造工程平面図である。なお、図6は図7(a)中のDD’垂直断面を表している。 FIG. 6 is a sectional view of a manufacturing process according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a plan view of the manufacturing process of the second embodiment of the present invention. FIG. 6 shows a DD ′ vertical section in FIG.
図6(a)及び図7(a)を参照して、半導体基板1表面に画定されたセル30内に、絶縁分離帯2により分離される2つの素子形成領域5A、5Bを形成する。素子形成領域5Aはセルの左側及び下側中央にかかるように形成され、素子形成領域5Bはセルの右側及び上側中央にかかるように形成される。
With reference to FIGS. 6A and 7A, two
素子形成領域5A、5Bのうちセル30の上半分を占める部分はp型不純物領域1pが、下半分を占める部分はn型不純物領域1nがイオン注入により形成される。
Of the
p型不純物領域1pの左右端部に、それぞれpMOSトランジスタTr1、Tr3を構成するナノワイヤ3を、n型不純物領域1nの左右端部に、それぞれnMOSトランジスタTr2、Tr4を構成するナノワイヤ3を形成する。さらに、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13及びソース電極14を形成する。さらに、素子形成領域5A、5Bの表出面に接続領域4を形成する。これらの製造工程は、上述した第1実施形態の製造工程と同様になされる。
次いで、図6(b)及び図7(b)を参照して、第1実施形態と同様に、指向性の強い堆積方法を用いて、半導体基板1全面に埋込み絶縁膜6を堆積する。このとき、ナノワイヤ3の上端に堆積した絶縁膜6は、半導体基板1表面に形成された絶縁膜6から分離される。
Next, referring to FIG. 6B and FIG. 7B, as in the first embodiment, the buried insulating
次いで、フォトリソグラフィにより、セル30の上側及び下側の各中央部に位置する素子形成領域5A、5B上に、接続領域を表出するコンタクトホール31aを形成する。
Next, a
次いで、図6(c)及び図7(c)を参照して、指向性の強い堆積方法により半導体基板1上全面に導電膜を堆積し、ナノワイヤ3上端の埋込み絶縁膜6の除去によりその上の導電膜をリフトオフする。その後、導電膜をパターニングして、ゲート電極配線15を形成する。
Next, referring to FIGS. 6C and 7C, a conductive film is deposited on the entire surface of the
一つのゲート電極配線15は、素子形成領域5Aに形成されたp型MOSトランジスタTr1及びn型MOSトランジスタTr2のゲート電極13を接続し、さらに素子形成領域5Bに開設されたコンタクトホール31aを埋め込み接続領域4に接続するようにパターニングされる。他方のゲート電極配線15は、素子形成領域5Bに形成されたp型MOSトランジスタTr3及びn型MOSトランジスタTr4のゲート電極13を接続し、さらに素子形成領域5Aに開設されたコンタクトホール31aを埋め込み接続領域4に接続するようにパターニングされる。
One
その後、図5を参照して、ナノワイヤ3を埋め込む絶縁膜7を形成し、さらに絶縁膜7を貫通してゲート電極配線15上面に接続するビア32を、ビア31直上に形成する。次いで、通常の多層配線を用いて入出力端201、203に接続する配線、高電位配線23、低電位配線22を形成し、CMOSフリップフロップ回路を備えた半導体装置が製造される。
After that, referring to FIG. 5, the insulating
図8は本発明の第2実施形態変形例製造工程断面図であり、第2実施形態の埋込み絶縁膜6及びゲート電極配線15の他の製造方法を表している。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the second embodiment modification of the present invention, and shows another manufacturing method of the buried insulating
図8を参照して、図6(a)及び図7(a)に示した工程後、ナノワイヤ3を被覆する表面が平坦な絶縁膜6aを、半導体基板1上全面に形成する。次いで、絶縁膜6a上に、開口31bを有するエッチングマスク6bを形成する。この開口31bは、埋込み絶縁膜6に形成されるべきコンタクトホール31aの直上に設けられる。また、開口31bを上端に傾斜面を設ける、例えば開口31bを漏斗状にすることで、コンタクトホール31aの上部に傾斜面を形成することができる。これにより、その上に形成されるゲート電極配線15の段差による断線を防止することができる。
Referring to FIG. 8, after the steps shown in FIGS. 6A and 7A, an insulating film 6a having a flat
次いで、エッチングマスク31bをマスクとする全面エッチングにより絶縁膜6aをエッチングして、図中の点線で示す埋込み絶縁膜6を形成する。この1回の全面エッチングにより、埋込み絶縁膜6にはコンタクトホール31aが形成される。従って、コンタクトホール31aを形成するためのリソグラフィは不要である。
Next, the insulating film 6a is etched by whole surface etching using the
次いで、図6(c)と同様に導電膜を堆積し、パターニングしてゲート電極配線15を形成する。本変形例では、ナノワイヤ3上端の絶縁膜6aは除去されているので、この導電膜はナノワイヤ上端にも堆積する。この導電膜は、ソース電極14の一部としてこのまま残すこともできる。また、不要ならば、ナノワイヤ3を上端まで埋め込む絶縁膜7を平坦化する工程で除去することもできる。その後、上記第2実施形態と同様の工程を経て本第2実施形態変形例の半導体装置が製造される。
Next, as in FIG. 6C, a conductive film is deposited and patterned to form the
本発明の第3実施形態はSRAM(スタテックランダムアクセスメモリ)セルを具備する半導体装置に関する。 The third embodiment of the present invention relates to a semiconductor device including SRAM (Static Random Access Memory) cells.
本第3実施形態のSRAMセル回路は、図19(c)を参照して、pMOSトランジスタTr1とnMOSトランジスタTr2の直列回路からなる第1のCMOSインバータと、pMOSトランジスタTr3とnMOSトランジスタTr4の直列回路からなる第2のCMOSインバータをたすき掛けに接続してなるフリップフロップ回路をSRAMのメモリセルとして有する。 As shown in FIG. 19C, the SRAM cell circuit of the third embodiment includes a first CMOS inverter composed of a series circuit of a pMOS transistor Tr1 and an nMOS transistor Tr2, and a series circuit of a pMOS transistor Tr3 and an nMOS transistor Tr4. As a SRAM memory cell, a flip-flop circuit formed by connecting a second CMOS inverter composed of
そして、フリップフロップ回路の入出力ノードN1、N2にそれぞれ接続するアクセストランジスタTr5、Tr6を介して、相補的なビット線B、/Bの対に接続される。このアクセストランジスタTr5、Tr6のゲートはワード線Wに接続される。 Then, it is connected to a pair of complementary bit lines B and / B via access transistors Tr5 and Tr6 connected to input / output nodes N1 and N2 of the flip-flop circuit, respectively. The gates of the access transistors Tr5 and Tr6 are connected to the word line W.
図9は本発明の第3実施形態SRAMセル断面図、図10は本発明の第3実施形態SRAMセル平面図であり、図9は図10(b)中の折線EE’に沿う断面を、図10(a)は上層の配線の構造を、図10(b)はトランジスタ及びビアの配置を表している。 9 is a cross-sectional view of the SRAM cell according to the third embodiment of the present invention, FIG. 10 is a plan view of the SRAM cell according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-section along the fold line EE ′ in FIG. 10A shows the structure of the upper wiring, and FIG. 10B shows the arrangement of the transistors and vias.
図10(b)を参照して、本第3実施形態では、半導体基板1表面に辺長100nmのほぼ正方形のSRAMセル40が画定される。
セル40の左側に紙面上から下にほぼ等間隔、例えば30nmのピッチで、アクセストランジスタTr5、nMOSトランジスタTr2及びpMOSトランジスタTr1がこの順に配設されている。また、セル40の右側に紙面上から下に、pMOSトランジスタTr3、nMOSトランジスタTr4及びアクセストランジスタTr6がこの順に配設される。
Referring to FIG. 10B, in the third embodiment, a substantially
On the left side of the
セル40の中心を通り上下に伸びる直線(セル40の左右の中心線)上に、上から順にほぼ等間隔、例えば30nmピッチで、ビア32C、ビア31B、ビア31A及びビア32Dが形成されている。これらのビア32C、31B、31A、32Dについては後述する。なお、ビア31Bは、nMOSトランジスタTr2とpMOSトランジスタTr3とを結ぶ直線上に設けられ、ビア31Aは、pMOSトランジスタTr1とnMOSトランジスタTr4とを結ぶ直線上に設けられれる。従って、左右のトランジスタTr5、Tr2、Tr1及びTr3、Tr4、Tr6の列と、ビア32C、31B、31A、32Dの列とは、上下方向に15nm、即ち1/2ピッチ分ずれて配設されている。
セル40内には、2つの素子形成領域5A、5Bが形成されている。素子形成領域5Aは、セル40左側のトランジスタ列Tr5、Tr2、Tr1及びビア31Aをその領域内に含むように形成され、素子形成領域5Bは、セル40右側のトランジスタ列Tr3、Tr4、Tr6及びビア31Bをその領域内に含むように形成されている。
In the
図9を参照して、半導体基板1表面に絶縁分離帯2により素子分離された素子形成領域5A、5Bが形成されている。素子形成領域5A、5Bは、n型不純物領域1nとn型不純物領域1pとに2分され、n型不純物領域1n上にnMOSトランジスタTr5、Tr2及びTr4、Tr6が形成され、p型不純物領域1p上にpMOSトランジスタTr1及びTr3が形成されている。
Referring to FIG. 9,
これらのトランジスタTr1〜Tr6は、第1及び第2実施形態のトランジスタと同様の構造を有する。即ち、p型又はn型不純物領域をドレインとし、その上に立設するナノワイヤ3をチャネル形成領域とし、ナノワイヤ3の周囲にゲート絶縁膜12を介して設けられたゲート電極13を備え、ナノワイヤ3の上端に形成されたシリサイド膜をソース電極14として備える。
These transistors Tr1 to Tr6 have the same structure as the transistors of the first and second embodiments. That is, a p-type or n-type impurity region is used as a drain, a
さらに、これらのトランジスタTr1〜Tr6の間に表出する素子形成領域5A、5Bの表面に、シリサイド膜からなる接続領域4が形成されている。この接続領域4は、p型及びn型不純物領域1p、1nとオーミック接続する。
Further, a
図9及び図10(b)を参照して、ナノワイヤ3及びナノワイヤ3の底部に残るマスク11の直下を除く半導体基板1上全面に、ナノワイヤ3の根元(底部)を埋め込む埋込み絶縁膜6が設けられる。この埋込み絶縁膜6には、ビア31A及びビア31Bが形成される位置に、接続領域4を表出するコンタクトホール31aが開設されている。
Referring to FIGS. 9 and 10B, a buried insulating
埋込み絶縁膜6上に、ゲート電極配線15A〜15Dが設けられる。ゲート電極配線15Aは、素子形成領域5A上に形成されたCMOSインバータ回路を構成するpMOSトランジスタTr1及びnMOSトランジスタTr2のゲート電極13間を接続する。さらに、素子形成領域5B上に開口するコンタクトホール31a上に延在し、コンタクトホール31aを埋めるビア31Bを介して素子形成領域5Bに形成された接続領域4に接続される。即ち、ゲート電極配線15Aは、トランジスタTr1、Tr2のゲート電極13を接続し、ノードN2(トランジスタTr3及びトランジスタTr4のドレイン領域と接続するノード)に接続する。
Gate electrode wirings 15 </ b> A to 15 </ b> D are provided on the buried insulating
一方、ゲート電極配線15Bは、素子形成領域5B上に形成されたCMOSインバータ回路を構成するpMOSトランジスタTr3及びnMOSトランジスタTr4のゲート電極13間を接続する。さらに、素子形成領域5A上に開口するコンタクトホール31a上に延在し、コンタクトホール31aを埋めるビア31Aを介して素子形成領域5Aに形成された接続領域4に接続される。即ち、ゲート電極配線15Bは、トランジスタTr3、Tr4のゲート電極13を接続し、ノードN1(トランジスタTr1及びトランジスタTr2のドレイン領域と接続するノード)に接続する。このゲート電極配線15A、15Bは、素子形成領域5A、5B上に形成された2個のCMOSインバータ回路をたすき掛けに配線し、CMOSフリップフロップ回路を作製する。
On the other hand, the
ゲート電極配線15Cは、nMOSアクセストランジスタTr5のゲート電極13に接続され、ビア32Cの形成領域上へ延在する。同様に、ゲート電極配線15Dは、nMOSアクセストランジスタTr6のゲート電極13に接続され、ビア32Cの形成領域上へ延在する。なお、アクセストランジスタTr5、Tr6はn型に限らず、p型とすることもできる。このとき、ドレインはp型不純物領域となる。
The gate electrode wiring 15C is connected to the
上記トランジスタTr1〜Tr6を覆い、上面が平坦な絶縁膜7が半導体基板1上全面に形成される。さらに、絶縁膜7上に平坦な層間絶縁膜8が形成される。絶縁膜7上面に、ワード線26(W)と、相補的な信号線からなる一対のビット線25(B、/B)とが配置される。また、層間絶縁膜8の上面には、回路グランドVssを給電する低電圧配線22及び回路電源Vddを給電する高電圧配線23が配置されている。
An insulating
図9、図10(a)及び図10(b)を参照して、絶縁膜7及び層間絶縁膜8を貫通して、低電位配線22をnMOSトランジスタTr2、Tr4のソース電極14に接続するビア18と、高電位配線23をpMOSトランジスタTr1、Tr3のソース電極14に接続するビア19とが設けられている。さらに、絶縁膜7を貫通して、一対のビット線25(B、/B)のそれぞれをアクセストランジスタTr5、Tr6のソース電極14に接続するビア20が設けられている。また、絶縁膜7を貫通して、ワード線26を、アクセストランジスタTr5、Tr6のゲート電極に接続されたゲート電極配線15C、15D上面に接続するビア32C、32Dが設けられる。
Referring to FIGS. 9, 10A and 10B, vias that penetrate through the insulating
アクセストランジスタTr5、Tr6のドレインを構成するn型不純物領域1n(ナノワイヤ3の下端の不純物領域)は、接続領域4を介して同一素子形成領域内の他のトランジスタのドレインを構成する不純物領域1n、1pに接続される。この結果、図19(c)及び図10(a)を参照して、アクセストランジスタTr5、Tr6のドレインは、それぞれノードN1及びN2に接続される。従って、アクセストランジスタTr5、Tr6を介して、フリップフロッブ回路の入出端に相補的な1対のビット線25が接続される。この入出力動作は、アクセストランジスタTr5、Tr6のゲート電極13に接続されたワード線26の信号により制御される。
The n-
上述の本第3実施形態によると、SRAMセルの面積を、6個のトランジスタを形成するための面積6Δと、3個のビアを形成するための面積3Δの和9Δで形成することができる。ここで、ビア32C及び32Dの面積は、それぞれ上下に隣接するセル40と共有するものとして計算した。なお、ビア32C及びビア32Dがセル毎に設けられる場合でも、上下に隣接するセルをセルの横幅(左右の幅)の半分だけずらして千鳥に配置することで、セル面積を9Δにすることができる。これは、トランジスタが独立した素子形成領域に形成され、トランジスタ毎に3Δの面積を要する従来の半導体装置において、6個のトランジスタTr1〜Tr6を用いたSRAMセルでは最小でも18Δのセル面積を要することと比較して1/2に縮小されている。
According to the third embodiment described above, the area of the SRAM cell can be formed by the sum 9Δ of the area 6Δ for forming six transistors and the area 3Δ for forming three vias. Here, the areas of the vias 32 </ b> C and 32 </ b> D were calculated as being shared with the
次に、上述した本第3実施形態の半導体装置の製造工程を説明する。 Next, the manufacturing process of the semiconductor device of the third embodiment described above will be described.
図11〜図14は本発明の第3実施形態製造工程断面図(その1)〜(その4)、図15〜図18は本発明の第3実施形態製造工程平面図(その1)〜(その4)であり、製造途中のSRAMセル領域の構造を表している。なお、図11(a)〜図14(l)は、それぞれ図15(a)〜図18(l)の各工程に対応している。なお、図11(a)〜図14(l)は、図11(a)中の折線EE’に沿う位置での垂直断面を表している。 FIGS. 11 to 14 are sectional views (part 1) to (part 4) of the manufacturing process of the third embodiment of the present invention, and FIGS. No. 4), which shows the structure of the SRAM cell region being manufactured. FIGS. 11A to 14L correspond to the steps of FIGS. 15A to 18L, respectively. FIG. 11A to FIG. 14L represent vertical sections at positions along the fold line EE ′ in FIG.
図11(a)及び図15(a)を参照して、まず、シリコンからなる半導体基板1表面に画定されたSRAMセル40の内部に、絶縁分離帯2により分離された2個の素子形成領域5A、5Bを形成する。
Referring to FIGS. 11A and 15A, first, two element formation regions separated by an insulating
次いで、図11(b)及び図15(b)を参照して、斜めのZ字型の開口41poを有するイオン注入マスク41pを用いて素子形成領域5A、5Bにp型不純物をイオン注入し、素子形成領域5A、5B表面のうちpMOSトランジスタTr1、Tr3形成領域及びビア31A、31B形成領域42A、42Bにp型不純物領域1pを形成する。
Next, referring to FIG. 11B and FIG. 15B, p-type impurities are ion-implanted into the
次いで、図11(c)及び図15(c)を参照して、p型不純物領域1pが形成されていない素子形成領域5A、5Bを表出する開口41noを有するイオン注入マスク41nを用いて、n型不純物をイオン注入し、nMOSトランジスタTr2、Tr4及びアクセストランジスタTr5、Tr6の形成領域にn型不純物領域1nを形成する。
Next, referring to FIG. 11C and FIG. 15C, using an ion implantation mask 41n having an opening 41no that exposes the
次いで、図12(d)及び図16(d)を参照して、素子形成領域5A、5Bの表面に厚さ20nmの熱酸化膜を形成する。そして、この熱酸化膜に、トランジスタTr1〜Tr6の形成領域に半導体基板1表面を表出する直径20nmの開口11aを開設して、熱酸化膜からなる選択成長用のマスク11を形成する。
Next, referring to FIG. 12D and FIG. 16D, a thermal oxide film having a thickness of 20 nm is formed on the surface of the
次いで、図12(e)及び図16(e)を参照して、マスク11を用いたシリコンのエピタキシャル選択成長により、開口11aに表出する半導体基板1表面からシリコンナノワイヤ3を選択的にエピタキシャル成長させ、開口11aから立設するノンドープのシリコンナノワイヤ3を形成する。
Next, with reference to FIGS. 12E and 16E,
このとき、各開口11a内にn型又はp型不純物を含む金属触媒を設けて成長することで、p型及びn型のシリコンナノワイヤ3を同時に形成しても差し支えない。また、ノンドープのナノワイヤ3にp型及びn型不純物をイオン注入してp型及びn型のシリコンナノワイヤ3を形成することもできる。
At this time, the p-type and n-
次いで、図12(f)及び図16(f)を参照して、半導体基板1上全面に、熱酸化により、又は被覆性の良好な堆積方法、例えばCVDを用いて、シリコン酸化膜又は高誘電体膜からなるゲート絶縁膜12をナノワイヤ3の上面及び側面を被覆するように堆積する。さらに、被覆性の良好な堆積方法、例えばCVDを用いて、ゲート絶縁膜12上にシリコン膜13a、例えばポリシリコン膜を形成する。
12 (f) and 16 (f), a silicon oxide film or a high dielectric is formed on the entire surface of the
次いで、ゲート絶縁膜に比べてシリコンを選択的にエッチングする異方性イオンエッチングを用いて、シリコン膜13aを全面エッチバックする。その結果、図13(g)及び図17(g)を参照して、ナノワイヤ3の周囲のシリコン膜13aを残して、他のシリコン膜13aは除去される。同時に、ナノワイヤ3の上端上のゲート絶縁膜12は、シリコン膜13がエッチングにより除去された後、さらなるオーバーエッチングにより除去される。続いて、シリコンナノワイヤ3の上端がエッチングされ、高さ70nmのナノワイヤ3が形成される。
Next, the entire surface of the
この全面異方性イオンエッチングは、ナノワイヤ3の間に、マスク11上に形成されたゲート絶縁膜12が表出し、さらにこのゲート絶縁膜12が除去されるまで又は除去されたゲート絶縁膜12の下に表出するマスク11の表層が除去されるまで続けられる。
In this whole surface anisotropic ion etching, the
このようにして形成されたナノワイヤ3周囲に残るシリコン膜13aは、ナノワイヤ3の上端面から20nm程度下までは除去され、それより下部にのみ形成される。ナノワイヤ3の高さ、シリコン膜13aの上端の位置およびナノワイヤ3間のゲート絶縁膜12の除去の関係は、異方性イオンエッチングのゲート絶縁膜12に対するシリコンナノワイヤ3及びシリコン膜12の選択性、最初のナノワイヤ3の高さ及びエンチング時間を調整することで制御される。
The
ナノワイヤ3を所定の高さに形成するには、上述した全面エッチングによるものの他、シリコン膜13aを形成後、ナノワイヤ3を被覆する絶縁膜を形成し、その後CMP(化学的機械的研摩)あるいは全面エッチバックによりナノワイヤ3が所定の高さになるまで平坦化してもよい。その後、ゲート酸化膜をナノワイヤ3上端面に形成し、絶縁膜を除去し、シリコン膜13aの全面異方性エッチングを行なうことで図13(g)及び図17(g)に示す構造とする。この方法では、ナノワイヤ上端のゲート絶縁膜がエッチストッパとなるから、エッチングの選択性の条件が緩和される。
In order to form the
次いで、図13(h)及び図17(h)を参照して、ナノワイヤ3、ゲート絶縁膜12及びシリコン膜13aをマスクとする等方性エッチングにより、マスク11を半導体基板1表面が表出するまでエッチングする。その結果、マスク11はオーバーエッチングされて、ナノワイヤ3の周囲近傍にのみ残留し、その外側に半導体基板1表面が表出する。
Next, referring to FIGS. 13H and 17H, the surface of the
次いで、図13(i)及び図17(i)を参照して、周知のサリサイド法を用いて表出するシリコン表面をシリサイド化する。その結果、シリコンナノワイヤ3の上端面にシリサイド膜からなるソース電極14を、ナノワイヤ3周囲にゲート絶縁膜12を介してシリサイド膜からなるゲート電極を、及び、マスク11の間に表出する半導体基板1表面にシリコン膜からなる接続領域4が形成される。なお、ゲート電極13は、シリコンとシリサイドの2層からなるポリサイド構造とすることもできる。
Next, referring to FIGS. 13 (i) and 17 (i), the exposed silicon surface is silicided using a known salicide method. As a result, the
より具体的には、半導体基板1上全面に金属膜、例えばNi膜を堆積する。ついで熱処理してシリコンの表出面と接触するNi膜を反応させて、シリサイド膜を形成する。その後、未反応のNi膜をエッチングして除去することで、ソース電極14、ゲート電極13及び接続領域4が形成される。
More specifically, a metal film such as a Ni film is deposited on the entire surface of the
次いで、図14(j)及び図18(j)を参照して、半導体基板1上全面に、ナノワイヤ3を埋め込むシリコン酸化膜からなる絶縁膜6aをCVD法により堆積する。次いで、絶縁膜6a上に、開口31bを有するエッチングマスク6bを形成する。この開口31bは、素子形成領域5A、5Bにそれぞれ設けられたビア形成領域42A、42Bの直上に形成され、上部が広く下部が狭い2段の開口となっている。
14 (j) and 18 (j), an insulating film 6a made of a silicon oxide film for embedding the
なお、エッチングマスク6bの開口31bは、円形に限られず、例えば矩形又は非対称であってもよい。とくに、開口31bの絶縁分離体2に近い壁面を段面の広い2段、あるいは傾斜の緩い断面となし、反対側の壁面を急峻にすることが望ましい。開口31b断面をかかる非対称断面形状とすることで、開口の一部(広い段面)を絶縁分離体2上に形成することができる。このため、絶縁分離体2を広く形成することができるので、素子形成領域5A、5B間の短絡を防止される。かかるエッチングマスク6bは、鋳型を用いたインプリント法により容易に形成することができる。
Note that the
次いで、図14(k)及び図18(k)を参照して、異方性イオンエッチングにより絶縁膜6aをエッチングして、エッチングマスク6bの形状を絶縁膜6aに転写しつつ、絶縁膜を厚さ30nmまで薄くして埋込み絶縁膜6を形成する。なお、ゲート電極配線15A〜15Dと半導体基板1間の寄生容量が大きくても許容されるならば、埋込み絶縁膜6をマスク11と同じ厚さにすることもできる。この埋込み絶縁膜6には、それぞれビア形成領域42A、42Bに接続領域4を表出する開口31aが形成される。なお、開口31bが転写された開口31aは、上部が広く下部が狭い2段の開口、例えば上部が直径30nm、下部が直径20nmの開口となる。
Next, referring to FIGS. 14K and 18K, the insulating film 6a is etched by anisotropic ion etching, and the shape of the etching mask 6b is transferred to the insulating film 6a, and the insulating film is thickened. The buried insulating
次いで、図14(k)及び図18(k)を参照して、半導体基板1上全面に、指向性の強い堆積方法、例えばコリメートされた蒸着法により厚さ15nmのAl膜を堆積し、フォトリソグラフィによりパターニングしてゲート電極配線15A〜15Dを形成する。同時に形成されて開口31aを充填するAl膜は、ゲート電極配線15A〜15Dを接続領域に接続するビア31を形成する。なお、このパターニングにより、ナノワイヤ3上端面(ソース電極14上面)に堆積したAl膜はエッチングされ除去される。もちろん、ソース電極14上にAl膜を残し、ソース電極14の一部とすることもできる。
Next, referring to FIGS. 14K and 18K, an Al film having a thickness of 15 nm is deposited on the entire surface of the
上述した埋込み絶縁膜6及びゲート電極配線15A〜15Dを、第2実施形態の製造工程、図6(b)〜図6(c)を参照して説明した方法により形成することもできる。即ち、図13(i)を参照して、シリサイド膜からなるソース電極14、ゲート電極13及び接続領域4を形成した後、図14(j)〜図14(l)の工程に代えて以下の工程により埋込み絶縁膜6及びゲート電極配線15A〜15Dを形成する。
The buried insulating
まず、図13(i)に示す工程の後、半導体基板1上全面に、厚さ30nmの絶縁膜を指向性の強い堆積方法により堆積する。その結果、図14(k)を参照して、ナノワイヤ3の根元を埋め込む厚さ30nmの埋込み絶縁膜6が形成され、同時に、ナノワイヤ3の上端(ソース電極14)上に絶縁膜が同じ厚さに形成される。次いで、絶縁膜を僅かにエッチングして、ゲート電極12上に薄く付着する絶縁膜を除去する。
First, after the step shown in FIG. 13I, an insulating film having a thickness of 30 nm is deposited on the entire surface of the
次いで、フォトリソグラフィを用いて絶縁膜に開口31aを開設し、絶縁膜からなる埋込み絶縁膜6を形成する。なお、2段の開口31aは、周知のように、図14(j)に示す2段の開口31bを有するエッチングマスクを用いて形成することができる
次いで、半導体基板1上全面に、導電膜、例えば厚さ15nmのAl膜を指向性の強い堆積法を用いて堆積する。次いで、ナノワイヤ3上端上の絶縁膜をエッチング除去すると同時に、リフトオフによりナノワイヤ3上端上に堆積した導電膜を除去する。次いで、埋込み絶縁膜6上に堆積した導電膜をパターニングして、導電膜からなるゲート電極配線15A〜15Dを形成する。以上の工程により、埋込み絶縁膜6及びゲート電極配線15A〜15Dを形成することができる。
Next, an
上述のゲート電極配線15Aは、素子形成領域5A内に形成されたCMOSインバータ回路を構成するpMOS及びnMOSトランジスタTr1、Tr2のゲート電極13間を接続し、さらに他方の素子形成領域5Bに形成されたビア31Bを介して接続領域4(ノードN2)に接続するようにパターニングされる。他方、ゲート電極配線15Bは、素子形成領域5B内に形成されたCMOSインバータ回路を構成するpMOS及びnMOSトランジスタTr3、Tr4のゲート電極13間を接続し、さらに素子形成領域5Aに形成されたビア31Aを介して接続領域4(ノードN1)に接続するようにパターニングされる。
The
その後、図9及び図10を参照して、半導体基板1上全面に絶縁膜7を形成し、各トランジスタTr1〜Tr6のソース電極14を表出する開口(ビアホール)を形成する。さらに、ビア32C、32Dの形成領域に、ゲート電極配線15C、15Dを表出する開口(ビアホール)を形成する。次いで、これらの開口(ビアホール)を充填するビア18〜20、32C、32Dを形成する。
9 and 10, an insulating
次いで、CMOSインバータ回路を構成するトランジスタTr1〜Tr4のソース電極14に接続するビア18、19上に、さらに上層へ引き出すためのビア中継用となる配線を形成する。また、、アクセストランジスタTr5、Tr6のソース電極14に接続するビア20と接続し、絶縁膜7上に延在するビット線25(B、/B)を形成する。同時に、ゲート電極配線15C、15Dに接続すのビア32C、32Dと接続し、絶縁膜7上に延在するワード線26(W)を形成する。
Next, via
次いで、半導体基板1上全面に層間絶縁膜8を形成し、ビア18、19に接続するビアを形成する。さらに、これらのビアに接続する低電位配線22及び高電位配線23を、層間絶縁膜8上に形成する。以上の工程を経て第3実施形態に係る半導体装置が製造される。
Next, an
上述した第1〜第3実施形態において、半導体基板1は、シリコン以外の半導体基板、例えばIII −V族又はII−VI族化合物半導体とすることもできる。ナノワイヤも同様である。また、ナノワイヤに代えてカーボンナノチューブを用いてもよい。
In the first to third embodiments described above, the
また、接続領域4は、p型及びn型不純物領域1p、1nより深く形成されてもよい。なお、p型及びn型不純物領域1p、1nは互いに接続領域4によりオーミック接合されるので、互いに接して配置される必要はない。
Further, the
上述したように、本明細書には以下の付記記載の発明が開示されている。
(付記1)ナノワイヤー又はナノチューブをチャネルとし、前記ナノワイヤー又はナノチューブの周囲にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられたnMOSトランジスタ及びpMOSトランジスタの直列接続からなるCMOSインバータ回路を備えた半導体装置において、
前記nMOS及びpMOSトランジスタのドレインは、それぞれ半導体基板表面に形成されたn型及びp型不純物領域からなり、
前記n型及びp型不純物領域間は、前記n型及びp型不純物領域とオーミック接続する接続領域を介してオーミック接続され、
前記ナノワイヤ又はナノチューブは、前記n型及びp型不純物領域上にそれぞれ立設され、
前記nMOS及びpMOSトランジスタのソースは、前記ナノワイヤ又はナノチューブの上端に形成され、
前記nMOS及び前記pMOSトランジスタのゲート電極は、ゲート電極配線により接続されていることを特徴とする半導体装置。
(付記2)第1及び第2の前記CMOSインバータ回路を有し、前記第1及び第2のCMOSインバータ回路の一方の入力端と他方の出力端とを互いに接続してなるフリップフロップ回路を備えた付記1記載の半導体装置において、
前記ゲート電極配線は、前記ナノワイヤ又はナノチューブの下端底部を埋め込む埋込み絶縁膜上に形成され、
前記埋込み絶縁膜は、前記接続領域を表出するコンタクトホールを有し、
前記第1及び第2のCMOSインバータの一方を構成する前記ゲート電極配線が、前記コンタクトホールを通じて前記第1及び第2のCMOSインバータの他方を構成する前記接続領域に接続されていることを特徴とする半導体装置。
(付記3)付記2記載の半導体装置において、
前記フリップフロップ回路は、矩形状のフリップフロップ回路形成領域内に形成され、
前記第1のCMOSインバータ回路を構成する前記nMOSトランジスタを、前記フリップフロップ回路形成領域の左上隅に配置し、
前記第1のCMOSインバータ回路を構成する前記pMOSトランジスタを、前記フリップフロップ回路形成領域の左下隅に配置し、
前記2のCMOSインバータ回路を構成する前記nMOSトランジスタを、前記フリップフロップ回路形成領域の右上隅に配置し、
前記第2のCMOSインバータ回路を構成する前記pMOSトランジスタを、前記フリップフロップ回路形成領域の右下隅に配置し、
前記nMOSトランジスタの間及び前記pMOSトランジスタの間に、それぞれ前記第1及び第2のCMOSインバータの接続領域を表出する前記コンタクトホールを配置したことを特徴とする半導体装置。
(付記4)前記フリップフロップ回路をSRAMのメモリセル内に備える付記2記載の半導体装置において、
前記接続領域とビット線との間に挿入されたアクセストランジスタを備え、
前記アクセストランジスタは、前記半導体基板表面に形成され、前記接続領域にオーミック接続するアクセストランジスタ用n型不純物領域と、
前記アクセストランジスタ用n型不純物領域上に立設されたアクセストランジスタ用ナノワイヤ又はナノチューブと、
前記アクセストランジスタ用ナノワイヤ又はナノチューブの上端に形成され、前記ビット線に接続する電極と、
前記アクセストランジスタ用ナノワイヤ又はナノチューブの周囲にゲート絶縁膜を介して設けられ、ワード線に接続されたアクセストランジスタゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置。
(付記5)付記4記載の半導体装置において、
前記SRAMのメモリセルは矩形状のメモリセル形成領域内に形成され、
前記メモリセル形成領域の一辺に沿って第1の方向に、前記第1のCMOSインバータ回路を構成する前記アクセストランジスタ、前記nMOSトランジスタ及び前記pMOSトランジスタがこの順に配置され、
前記メモリセル形成領域の前記一辺と対向する辺に沿って前記第1の方向の逆方向に、前記第2のCMOSインバータ回路を構成する前記アクセストランジスタ、前記nMOSトランジスタ及び前記pMOSトランジスタがこの順に配置され、
前記第1のCMOSインバータ回路の前記接続領域を表出する前記コンタクトホールが、前記第1のCMOSインバータ回路を構成する前記pMOSトランジスタと、前記第2のCMOSインバータ回路を構成する前記nMOSトランジスタとの間に配置され、
前記第2のCMOSインバータ回路の前記接続領域を表出する前記コンタクトホールが、前記第2のCMOSインバータ回路を構成する前記pMOSトランジスタと、前記第1のCMOSインバータ回路を構成する前記nMOSトランジスタとの間に配置されたことを特徴とする半導体装置。
(付記6)前記ナノワイヤは、マスクを用いた選択成長により形成された半導体ナノワイヤであることを特徴とする付記1〜5の何れかに記載の半導体装置。
(付記7)前記半導体ナノワイヤは、p型又はn型不純物がドープされていることを特徴とする付記6記載の半導体装置。
(付記8)前記ナノワイヤは、カーボンナノチューブであることを特徴とする付記1〜5の何れかに記載の半導体装置。
(付記9)半導体基板表面に形成された絶縁分離帯により絶縁分離された素子形成領域内に、p型不純物領域及びn型不純物領域を形成する工程と、
前記p型及びn型不純物領域をそれぞれ表出する第1及び第2の開口を有する絶縁膜を前記半導体基板上に形成する工程と、
化学的気相堆積法により、前記第1及び第2の開口部に立設された半導体柱からなるナノワイヤ又はナノチューブを形成する工程と、
前記ナノワイヤ又はナノチューブ及び前記絶縁膜上面を被覆するゲート絶縁膜及びシリコン膜を順次形成する工程と、
前記ナノワイヤ又はナノチューブ周囲に前記ゲート絶縁膜を残し、かつ、上端が前記ナノワイヤ又はナノチューブの上端面より低い位置にある前記シリコン膜を前記ナノワイヤ又はナノチューブの周囲に残し、他の前記シリコン膜及び前記ゲート絶縁膜を除去する工程と、
前記ナノワイヤ又はナノチューブが形成されていない領域の前記絶縁膜を除去して前記半導体基板表面を表出する工程と、
次いで、前記ナノワイヤ又はナノチューブの上端、前記シリコン膜及び表出する前記半導体基板表面にシリサイド膜を形成し、前記ナノワイヤ又はナノチューブの上端及び周囲のシリサイド膜をそれぞれソース電極及びゲート電極とし前記ナノワイヤ又はナノチューブをチャネルとし前記p型及びn型不純物領域をそれぞれドレインとするpMOS及びnMOSトランジスタを形成すると同時に、前記半導体基板表面に形成された前記シリサイド膜からなり前記p型及びn型不純物領域の間をオーミック接続する接続領域を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記10)付記9記載の半導体装置の製造方法において、
前記接続領域を形成する工程の後、
前記p型及びn型MOSトランジスタを構成する前記ナノワイヤ又はナノチューブの下部を埋め込む埋込み絶縁膜を形成する工程と、
次いで、前記埋込み絶縁膜上に、前記ナノワイヤ又はナノチューブの周囲に形成された前記p型及びn型MOSトランジスタの前記ゲート電極間を接続するゲート電極配線を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記11)付記10記載の半導体装置の製造方法において、
第1及び第2の前記素子形成領域内のそれぞれに前記pMOS及びnMOSトランジスタを形成する工程と、
前記埋込み絶縁膜に、前記第1の素子形成領域に形成された前記接続領域を表出する第1のコンタクトホール及び前記第2の素子形成領域に形成された前記接続領域を表出する第2のコンタクトホールを形成する工程とを有し、
前記ゲート電極配線の形成工程では、前記埋込み絶縁膜上及び前記コンタクトホール内に堆積された導電膜をパターニングして、前記第1の素子形成領域上に形成されるゲート電極配線が前記第2のコンタクトホールを通して前記接続領域に接続され、前記第2の素子形成領域上に形成されるゲート電極配線が前記第1のコンタクトホールを通して前記接続領域に接続されるように前記ゲート電極配線を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記12)付記11記載の半導体装置の製造方法において、
前記埋込み絶縁膜及び前記コンタクトホールの形成工程は、
前記ナノワイヤ又はナノチューブの上面を平坦に覆う絶縁膜を堆積する工程と、
前記絶縁膜上に、前記コンタクホール形成領域上が他の領域より薄く形成されたエッチングマスクを形成する工程と、
前記エッチングマスクを用いた異方性エッチングにより前記絶縁膜をエッチングして、前記コンタクトホールが開設された前記埋込み絶縁膜を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記13)前記半導体基板上全面に、指向性の強い堆積方法を用いて前記埋込み絶縁膜を堆積する工程と、
次いで、前記半導体基板上全面に、指向性の強い堆積方法を用いて前記導電膜を堆積する工程と、
前記ナノワイヤ上端面上に堆積した前記埋込み絶縁膜をエッチングして、前記ナノワイヤ上端面上に堆積した前記導電膜をリフトオフする工程とを有することを特徴とする付記10又は11記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)前記全面異方性イオンエッチングは、前記ゲート絶縁膜に対してシリコン及びシリコンを選択的にエッチングするエッチングであり、
前記全面異方性イオンエッチングを用いて前記シリコン膜及び前記ゲート絶縁膜をエッチングする工程により、前記ナノワイヤを上端からエッチングして所定の高さにすることを特徴とする付記9〜13の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記15)前記ナノワイヤは所定長に形成され、
シリコンを選択的にエッチングする前記全面異方性イオンエッチングは、ゲート絶縁膜をストッパとするエッチングであることを特徴とする付記9〜13の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記16)前記ナノワイヤの形成後、前記ナノワイヤにイオン注入マスクを用いてp型不純物又はn型不純物をドープする工程を有することを特徴とする付記9〜15記載の半導体装置の製造方法。
As described above, the present invention disclosed in the following supplementary notes is disclosed in this specification.
(Appendix 1) A semiconductor device comprising a CMOS inverter circuit comprising a series connection of an nMOS transistor and a pMOS transistor in which a nanowire or nanotube is used as a channel and a gate electrode is provided around the nanowire or nanotube via a gate insulating film In
The drains of the nMOS and pMOS transistors are n-type and p-type impurity regions formed on the surface of the semiconductor substrate, respectively.
The n-type and p-type impurity regions are ohmically connected via a connection region that is ohmically connected to the n-type and p-type impurity regions,
The nanowires or nanotubes are respectively erected on the n-type and p-type impurity regions,
The sources of the nMOS and pMOS transistors are formed at the top of the nanowire or nanotube,
A gate electrode of the nMOS and the pMOS transistor is connected by a gate electrode wiring.
(Supplementary Note 2) A flip-flop circuit having the first and second CMOS inverter circuits and having one input terminal and the other output terminal of the first and second CMOS inverter circuits connected to each other is provided. In the semiconductor device described in
The gate electrode wiring is formed on a buried insulating film that embeds the bottom end of the nanowire or nanotube,
The buried insulating film has a contact hole that exposes the connection region,
The gate electrode wiring constituting one of the first and second CMOS inverters is connected to the connection region constituting the other of the first and second CMOS inverters through the contact hole. Semiconductor device.
(Appendix 3) In the semiconductor device described in
The flip-flop circuit is formed in a rectangular flip-flop circuit formation region,
The nMOS transistor constituting the first CMOS inverter circuit is arranged at the upper left corner of the flip-flop circuit formation region,
The pMOS transistor constituting the first CMOS inverter circuit is arranged at the lower left corner of the flip-flop circuit formation region,
The nMOS transistors constituting the two CMOS inverter circuits are arranged in the upper right corner of the flip-flop circuit formation region,
The pMOS transistor constituting the second CMOS inverter circuit is disposed at the lower right corner of the flip-flop circuit formation region,
2. A semiconductor device according to
(Supplementary Note 4) In the semiconductor device according to
Comprising an access transistor inserted between the connection region and the bit line;
The access transistor is formed on the surface of the semiconductor substrate and is ohmic-connected to the connection region, an access transistor n-type impurity region;
A nanowire or a nanotube for an access transistor standing on the n-type impurity region for the access transistor;
An electrode formed on an upper end of the access transistor nanowire or nanotube, and connected to the bit line;
A semiconductor device comprising an access transistor gate electrode provided around a nanowire or nanotube for an access transistor via a gate insulating film and connected to a word line.
(Appendix 5) In the semiconductor device according to
The SRAM memory cell is formed in a rectangular memory cell formation region,
In the first direction along one side of the memory cell formation region, the access transistor, the nMOS transistor, and the pMOS transistor constituting the first CMOS inverter circuit are arranged in this order,
The access transistor, the nMOS transistor, and the pMOS transistor that constitute the second CMOS inverter circuit are arranged in this order in a direction opposite to the first direction along a side opposite to the one side of the memory cell formation region. And
The contact hole that exposes the connection region of the first CMOS inverter circuit includes the pMOS transistor that constitutes the first CMOS inverter circuit and the nMOS transistor that constitutes the second CMOS inverter circuit. Placed between
The contact hole that exposes the connection region of the second CMOS inverter circuit includes the pMOS transistor that constitutes the second CMOS inverter circuit and the nMOS transistor that constitutes the first CMOS inverter circuit. A semiconductor device characterized by being disposed between.
(Supplementary note 6) The semiconductor device according to any one of
(Supplementary note 7) The semiconductor device according to
(Supplementary note 8) The semiconductor device according to any one of
(Supplementary Note 9) A step of forming a p-type impurity region and an n-type impurity region in an element forming region isolated by an insulating isolation band formed on the surface of a semiconductor substrate;
Forming an insulating film having first and second openings for exposing the p-type and n-type impurity regions on the semiconductor substrate;
Forming a nanowire or a nanotube composed of semiconductor pillars erected in the first and second openings by chemical vapor deposition;
A step of sequentially forming a gate insulating film and a silicon film covering the nanowires or nanotubes and the insulating film upper surface;
The gate insulating film is left around the nanowire or the nanotube, and the silicon film whose upper end is lower than the upper end surface of the nanowire or the nanotube is left around the nanowire or the nanotube, and the other silicon film and the gate Removing the insulating film;
Removing the insulating film in a region where the nanowires or nanotubes are not formed to expose the semiconductor substrate surface;
Next, a silicide film is formed on the upper end of the nanowire or nanotube, the silicon film, and the exposed surface of the semiconductor substrate, and the upper end of the nanowire or nanotube and the surrounding silicide film are used as a source electrode and a gate electrode, respectively. And pMOS and nMOS transistors having the p-type and n-type impurity regions as drains, respectively, and at the same time ohmic between the p-type and n-type impurity regions comprising the silicide film formed on the surface of the semiconductor substrate. And a step of forming a connection region to be connected.
(Supplementary note 10) In the method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 9,
After the step of forming the connection region,
Forming a buried insulating film filling the lower part of the nanowire or nanotube constituting the p-type and n-type MOS transistor;
And forming a gate electrode wiring connecting the gate electrodes of the p-type and n-type MOS transistors formed around the nanowire or the nanotube on the buried insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device.
(Additional remark 11) In the manufacturing method of the semiconductor device of
Forming the pMOS and nMOS transistors in each of the first and second element formation regions;
A first contact hole that exposes the connection region formed in the first element formation region and a second contact region that exposes the connection region formed in the second element formation region are formed in the buried insulating film. Forming a contact hole of
In the step of forming the gate electrode wiring, the conductive film deposited on the buried insulating film and in the contact hole is patterned so that the gate electrode wiring formed on the first element formation region is the second electrode Forming the gate electrode wiring such that a gate electrode wiring connected to the connection region through a contact hole and connected to the connection region through the first contact hole is connected to the connection region; A method of manufacturing a semiconductor device.
(Appendix 12) In the method for manufacturing a semiconductor device according to
The step of forming the buried insulating film and the contact hole includes:
Depositing an insulating film covering the top surface of the nanowire or nanotube flatly;
On the insulating film, forming an etching mask in which the contact hole forming region is formed thinner than other regions;
And a step of etching the insulating film by anisotropic etching using the etching mask to form the buried insulating film in which the contact hole is formed.
(Appendix 13) A step of depositing the buried insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate using a highly directional deposition method;
Then, depositing the conductive film on the entire surface of the semiconductor substrate using a highly directional deposition method;
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to
(Additional remark 14) The said whole surface anisotropic ion etching is an etching which etches silicon and silicon selectively with respect to the said gate insulating film,
Any one of appendices 9 to 13, wherein the nanowire is etched from the upper end to a predetermined height by the step of etching the silicon film and the gate insulating film using the whole surface anisotropic ion etching. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 1-3.
(Supplementary note 15) The nanowire is formed in a predetermined length,
14. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 9 to 13, wherein the whole surface anisotropic ion etching for selectively etching silicon is etching using a gate insulating film as a stopper.
(Supplementary note 16) The method of manufacturing a semiconductor device according to supplementary notes 9 to 15, further comprising a step of doping the nanowire with a p-type impurity or an n-type impurity using an ion implantation mask after the nanowire is formed.
本発明によれば、小面積のセル内に、垂直MOSトランジスタを用いて構成されるCMOSインバータ回路を形成することができるのて、CMOSインバータ回路を含む半導体装置を小面積の半導体基板上に形成することができる。 According to the present invention, a CMOS inverter circuit configured using vertical MOS transistors can be formed in a small area cell, and a semiconductor device including the CMOS inverter circuit is formed on a small area semiconductor substrate. can do.
1 半導体基板
1n n型不純物領域
1p p型不純物領域
2 絶縁分離帯
3 ナノワイヤ
4 接続領域
5、5A、5B 素子形成領域
6 埋込み絶縁膜
6a 絶縁膜
6b エッチングマスク
7 絶縁膜
8 層間絶縁膜
10、30、40 セル
11 マスク
12 ゲート絶縁膜
13 ゲート電極
14 ソース電極
15、15A、15B、15C、15D ゲート電極配線
16、17、18、19、20 ビア
21 入力配線
22 低電圧配線(Vss配線)
23 高電圧配線(Vdd配線)
24 出力配線
25 ビット線(B、/B)
26 ワード線(W)
31、31A、31B、32、32C、32D ビア
31a コンタクトホール
31b 開口
41n、41p イオン注入マスク
41no、41po 開口
42A、42B ビア形成領域
101 基板
102、114、122、125、130 絶縁膜
102a 小孔
103 ソース電極
104 ドレイン電極
105、115、124 ゲート電極
106 不導体薄膜
107 ナノチューブ
110n nMOSトランジスタ
110p pMOSトランジスタ
111 ソース・ドレイン電極
112、120 ナノワイヤ
113 触媒球
121 半導体基板
123 ゲート絶縁膜
126 ゲート電極配線
126a ビアホール
127、129 シリサイド膜
128 ドレイン電極配線
129a 不純物領域
131 開口
201 入力端
202、203 出力端
Tr1、Tr3 pMOSトランジスタ
Tr2、Tr4 nMOSトランジスタ
Tr5、Tr6 アクセストランジスタ
N、N1、N2 ノード
Vdd 回路電源
Vss 回路グランド
DESCRIPTION OF
23 High voltage wiring (Vdd wiring)
24 output wiring 25 bit line (B, / B)
26 Word line (W)
31, 31A, 31B, 32, 32C,
Claims (6)
前記nMOS及びpMOSトランジスタのドレインは、それぞれ半導体基板表面に形成されたn型及びp型不純物領域からなり、
前記n型及びp型不純物領域間は、前記n型及びp型不純物領域とオーミック接続する接続領域を介してオーミック接続され、
前記ナノワイヤ又はナノチューブは、前記n型及びp型不純物領域上にそれぞれ立設され、
前記nMOS及びpMOSトランジスタのソースは、前記ナノワイヤ又はナノチューブの上端に形成され、
前記nMOS及び前記pMOSトランジスタのゲート電極は、ゲート電極配線により接続されていることを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device comprising a CMOS inverter circuit comprising a series connection of an nMOS transistor and a pMOS transistor in which a nanowire or nanotube is used as a channel, and a gate electrode is provided around the nanowire or nanotube via a gate insulating film,
The drains of the nMOS and pMOS transistors are n-type and p-type impurity regions formed on the surface of the semiconductor substrate, respectively.
The n-type and p-type impurity regions are ohmically connected via a connection region that is ohmically connected to the n-type and p-type impurity regions,
The nanowires or nanotubes are respectively erected on the n-type and p-type impurity regions,
The sources of the nMOS and pMOS transistors are formed at the top of the nanowire or nanotube,
A gate electrode of the nMOS and the pMOS transistor is connected by a gate electrode wiring.
前記ゲート電極配線は、前記ナノワイヤ又はナノチューブの下端底部を埋め込む埋込み絶縁膜上に形成され、
前記埋込み絶縁膜は、前記接続領域を表出するコンタクトホールを有し、
前記第1及び第2のCMOSインバータの一方を構成する前記ゲート電極配線が、前記コンタクトホールを通じて前記第1及び第2のCMOSインバータの他方を構成する前記接続領域に接続されていることを特徴とする半導体装置。 2. A flip-flop circuit comprising first and second CMOS inverter circuits, wherein one input terminal and the other output terminal of the first and second CMOS inverter circuits are connected to each other. In the described semiconductor device,
The gate electrode wiring is formed on a buried insulating film that embeds the bottom end of the nanowire or nanotube,
The buried insulating film has a contact hole that exposes the connection region,
The gate electrode wiring constituting one of the first and second CMOS inverters is connected to the connection region constituting the other of the first and second CMOS inverters through the contact hole. Semiconductor device.
前記フリップフロップ回路は、矩形状のフリップフロップ回路形成領域内に形成され、
前記第1のCMOSインバータ回路を構成する前記nMOSトランジスタを、前記フリップフロップ回路形成領域の左上隅に配置し、
前記第1のCMOSインバータ回路を構成する前記pMOSトランジスタを、前記フリップフロップ回路形成領域の左下隅に配置し、
前記第2のCMOSインバータ回路を構成する前記nMOSトランジスタを、前記フリップフロップ回路形成領域の右上隅に配置し、
前記第2のCMOSインバータ回路を構成する前記pMOSトランジスタを、前記フリップフロップ回路形成領域の右下隅に配置し、
前記nMOSトランジスタの間及び前記pMOSトランジスタの間に、それぞれ前記第1及び第2のCMOSインバータの接続領域を表出する前記コンタクトホールを配置したことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The flip-flop circuit is formed in a rectangular flip-flop circuit formation region,
The nMOS transistor constituting the first CMOS inverter circuit is arranged at the upper left corner of the flip-flop circuit formation region,
The pMOS transistor constituting the first CMOS inverter circuit is arranged at the lower left corner of the flip-flop circuit formation region,
The nMOS transistor constituting the second CMOS inverter circuit is arranged in the upper right corner of the flip-flop circuit formation region,
The pMOS transistor constituting the second CMOS inverter circuit is disposed at the lower right corner of the flip-flop circuit formation region,
2. A semiconductor device according to claim 1, wherein the contact holes are formed between the nMOS transistors and between the pMOS transistors to expose connection regions of the first and second CMOS inverters, respectively.
前記接続領域とビット線との間に挿入されたアクセストランジスタを備え、
前記アクセストランジスタは、前記半導体基板表面に形成され、かつ前記接続領域にオーミック接続するアクセストランジスタ用n型不純物領域と、
前記アクセストランジスタ用n型不純物領域上に立設されたアクセストランジスタ用ナノワイヤ又はナノチューブと、
前記アクセストランジスタ用ナノワイヤ又はナノチューブの上端に形成され、前記ビット線に接続する電極と、
前記アクセストランジスタ用ナノワイヤ又はナノチューブの周囲にゲート絶縁膜を介して設けられ、ワード線に接続されたアクセストランジスタゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein the flip-flop circuit is provided in an SRAM memory cell.
Comprising an access transistor inserted between the connection region and the bit line;
The access transistor is formed on the surface of the semiconductor substrate and is ohmic-connected to the connection region, and an access transistor n-type impurity region;
A nanowire or a nanotube for an access transistor standing on the n-type impurity region for the access transistor;
An electrode formed on an upper end of the access transistor nanowire or nanotube, and connected to the bit line;
A semiconductor device comprising an access transistor gate electrode provided around a nanowire or nanotube for an access transistor via a gate insulating film and connected to a word line.
前記SRAMのメモリセルは矩形状のメモリセル形成領域内に形成され、
前記メモリセル形成領域の一辺に沿って第1の方向に、前記第1のCMOSインバータ回路を構成する前記アクセストランジスタ、前記nMOSトランジスタ及び前記pMOSトランジスタがこの順に配置され、
前記メモリセル形成領域の前記一辺と対向する辺に沿って前記第1の方向の逆方向に、前記第2のCMOSインバータ回路を構成する前記アクセストランジスタ、前記nMOSトランジスタ及び前記pMOSトランジスタがこの順に配置され、
前記第1のCMOSインバータ回路の前記接続領域を表出する前記コンタクトホールが、前記第1のCMOSインバータ回路を構成する前記pMOSトランジスタと、前記第2のCMOSインバータ回路を構成する前記nMOSトランジスタとの間に配置され、
前記第2のCMOSインバータ回路の前記接続領域を表出する前記コンタクトホールが、前記第2のCMOSインバータ回路を構成する前記pMOSトランジスタと、前記第1のCMOSインバータ回路を構成する前記nMOSトランジスタとの間に配置されたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4.
The SRAM memory cell is formed in a rectangular memory cell formation region,
In the first direction along one side of the memory cell formation region, the access transistor, the nMOS transistor, and the pMOS transistor constituting the first CMOS inverter circuit are arranged in this order,
The access transistor, the nMOS transistor, and the pMOS transistor that constitute the second CMOS inverter circuit are arranged in this order in a direction opposite to the first direction along a side opposite to the one side of the memory cell formation region. And
The contact hole that exposes the connection region of the first CMOS inverter circuit includes the pMOS transistor that constitutes the first CMOS inverter circuit and the nMOS transistor that constitutes the second CMOS inverter circuit. Placed between
The contact hole that exposes the connection region of the second CMOS inverter circuit includes the pMOS transistor that constitutes the second CMOS inverter circuit and the nMOS transistor that constitutes the first CMOS inverter circuit. A semiconductor device characterized by being disposed between.
前記p型及びn型不純物領域をそれぞれ表出する第1及び第2の開口を有する絶縁膜を前記半導体基板上に形成する工程と、
化学的気相堆積法により、前記第1及び第2の開口部に立設された半導体柱からなるナノワイヤ又はナノチューブを形成する工程と、
前記ナノワイヤ又はナノチューブ及び前記絶縁膜上面を被覆するゲート絶縁膜及びシリコン膜を順次形成する工程と、
前記ナノワイヤ又はナノチューブ周囲に前記ゲート絶縁膜を残し、かつ、上端が前記ナノワイヤ又はナノチューブの上端面より低い位置にある前記シリコン膜を前記ナノワイヤ又はナノチューブの周囲に残し、他の前記シリコン膜及び前記ゲート絶縁膜を除去する工程と、
前記ナノワイヤ又はナノチューブが形成されていない領域の前記絶縁膜を除去して前記半導体基板表面を表出する工程と、
次いで、前記ナノワイヤ又はナノチューブの上端、前記シリコン膜及び表出する前記半導体基板表面にシリサイド膜を形成し、前記ナノワイヤ又はナノチューブの上端及び周囲のシリサイド膜をそれぞれソース電極及びゲート電極とし前記ナノワイヤ又はナノチューブをチャネルとし前記p型及びn型不純物領域をそれぞれドレインとするpMOS及びnMOSトランジスタを形成すると同時に、前記半導体基板表面に形成された前記シリサイド膜からなり前記p型及びn型不純物領域の間をオーミック接続する接続領域を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a p-type impurity region and an n-type impurity region in an element formation region isolated by an isolation band formed on the surface of the semiconductor substrate;
Forming an insulating film having first and second openings for exposing the p-type and n-type impurity regions on the semiconductor substrate;
Forming a nanowire or a nanotube composed of semiconductor pillars erected in the first and second openings by chemical vapor deposition;
A step of sequentially forming a gate insulating film and a silicon film covering the nanowires or nanotubes and the insulating film upper surface;
The gate insulating film is left around the nanowire or the nanotube, and the silicon film whose upper end is lower than the upper end surface of the nanowire or the nanotube is left around the nanowire or the nanotube, and the other silicon film and the gate Removing the insulating film;
Removing the insulating film in a region where the nanowires or nanotubes are not formed to expose the semiconductor substrate surface;
Next, a silicide film is formed on the upper end of the nanowire or nanotube, the silicon film, and the exposed surface of the semiconductor substrate, and the upper end of the nanowire or nanotube and the surrounding silicide film are used as a source electrode and a gate electrode, respectively. And pMOS and nMOS transistors having the p-type and n-type impurity regions as drains, respectively, and at the same time ohmic between the p-type and n-type impurity regions comprising the silicide film formed on the surface of the semiconductor substrate. And a step of forming a connection region to be connected.
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