特許第5926354号(P5926354)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5926354
(24)【登録日】2016年4月28日
(45)【発行日】2016年5月25日
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/8238 20060101AFI20160516BHJP
   H01L 27/092 20060101ALI20160516BHJP
   H01L 21/336 20060101ALI20160516BHJP
   H01L 29/78 20060101ALI20160516BHJP
   H01L 29/417 20060101ALI20160516BHJP
   H01L 29/423 20060101ALI20160516BHJP
   H01L 29/49 20060101ALI20160516BHJP
【FI】
   H01L27/08 321G
   H01L29/78 301X
   H01L27/08 321N
   H01L27/08 321D
   H01L27/08 321E
   H01L29/50 M
   H01L29/58 G
【請求項の数】2
【全頁数】29
(21)【出願番号】特願2014-222461(P2014-222461)
(22)【出願日】2014年10月31日
(62)【分割の表示】特願2013-527212(P2013-527212)の分割
【原出願日】2011年12月13日
(65)【公開番号】特開2015-46621(P2015-46621A)
(43)【公開日】2015年3月12日
【審査請求日】2014年10月31日
(73)【特許権者】
【識別番号】311014428
【氏名又は名称】ユニサンティス エレクトロニクス シンガポール プライベート リミテッド
【氏名又は名称原語表記】Unisantis Electronics Singapore Pte Ltd.
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100109449
【弁理士】
【氏名又は名称】毛受 隆典
(74)【代理人】
【識別番号】100132883
【弁理士】
【氏名又は名称】森川 泰司
(72)【発明者】
【氏名】舛岡 富士雄
(72)【発明者】
【氏名】中村 広記
【審査官】 宇多川 勉
(56)【参考文献】
【文献】 特開2010−251678(JP,A)
【文献】 特開2010−258345(JP,A)
【文献】 特開2006−310651(JP,A)
【文献】 国際公開第2009/096468(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/8238
H01L 21/336
H01L 27/092
H01L 29/417
H01L 29/423
H01L 29/49
H01L 29/78
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリコン基板上に形成された平面状シリコン層と、
前記平面状シリコン層上に形成された第1の柱状シリコン層と、
前記第1の柱状シリコン層の周囲に形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜の周囲に形成された第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極に接続されたゲート配線と、
前記第1の柱状シリコン層の上部に形成された第1のn型拡散層と、
前記第1の柱状シリコン層の下部と前記平面状シリコン層の上部とに形成された第2のn型拡散層と、
前記第1の柱状シリコン層の上部側壁と前記第1のゲート電極上部とに形成された第1の絶縁膜サイドウォールと、
前記第1の絶縁膜サイドウォールと前記第1のゲート電極と前記ゲート配線の側壁とに形成された第3の絶縁膜サイドウォールと、
を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
シリコン基板上に形成された平面状シリコン層と、
前記平面状シリコン層上に形成された第2の柱状シリコン層と、
前記第2の柱状シリコン層の周囲に形成された第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜の周囲に形成された第2のゲート電極と、
前記第2のゲート電極に接続されたゲート配線と、
前記第2の柱状シリコン層の上部に形成された第1のp型拡散層と、
前記第2の柱状シリコン層の下部と前記平面状シリコン層の上部とに形成された第2のp型拡散層と、
前記第2の柱状シリコン層の上部側壁と前記第2のゲート電極上部とに形成された第2の絶縁膜サイドウォールと、
前記第2の絶縁膜サイドウォールと前記第2のゲート電極と前記ゲート配線の側壁とに形成された第3の絶縁膜サイドウォールと、
を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体集積回路、特にMOSトランジスタを用いた集積回路は、高集積化の一途を辿っている。この高集積化に伴って、その中で用いられているMOSトランジスタはナノ領域まで微細化が進んでいる。このようなMOSトランジスタの微細化が進むと、リーク電流の抑制が困難であり、必要な電流量確保の要請から回路の占有面積をなかなか小さくできない、といった問題があった。このような問題を解決するために、基板に対してソース、ゲート、ドレインが垂直方向に配置され、ゲート電極が柱状半導体層を取り囲む構造のSurrounding Gate Transistor(以下、「SGT」という。)が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3を参照)。
【0003】
この技術によれば、ゲート電極に、ポリシリコンではなくメタルを用いることにより、空乏化を抑制できるとともに、ゲート電極を低抵抗化することができる。
しかしながら、メタルゲートを形成した後工程は、常にメタルゲートによるメタル汚染を考慮した製造工程にする必要がある。
【0004】
従来のSGTの製造方法では、窒化膜ハードマスクが柱状に形成されたシリコン柱を形成し、シリコン柱下部の拡散層を形成した後、ゲート材料を堆積し、その後にゲート材料を平坦化、エッチバックをし、シリコン柱と窒化膜ハードマスクの側壁に絶縁膜サイドウォールを形成する。その後、ゲート配線のためのレジストパターンを形成し、ゲート材料をエッチングした後、窒化膜ハードマスクを除去し、シリコン柱上部に拡散層を形成している(例えば、特許文献4を参照)。
【0005】
このような方法では、シリコン柱下部の拡散層を形成した後、ゲート電極を形成し、シリコン柱上部に拡散層を形成することから、ボロンは拡散速度が速く、砒素は拡散速度が遅いために、いわゆるCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) SGTとしたとき、NMOS(Negative channel Metal Oxide Semiconductor),PMOS(Positive channel Metal Oxide Semiconductor)それぞれに対して最適な熱処理を行うことが困難となる。
従って、シリコン柱下部、上部を別々に形成し、窒化膜ハードマスクを除去することになるため、工程数が増加してしまう。
【0006】
また、従来のSGTの製造方法では、シリコン柱を形成後、シリコン柱上部、下部に拡散層を形成し、ゲート材料を堆積する。その後、ゲート材料を平坦化、エッチバックをし、シリコン柱の側壁に絶縁膜サイドウォールを形成した後、ゲート材料をエッチングし、フローティングゲートを形成した後、絶縁膜サイドウォールを除去している(例えば、特許文献5を参照)。
【0007】
このような方法では、ゲート材料をエッチングし、フローティングゲートを形成する際に、シリコン柱上部にはゲート絶縁膜だけが存在するので、エッチング中にゲート絶縁膜がエッチングされ、シリコン柱がエッチングされる可能性がある。
また、フローティングゲートを形成後、絶縁膜サイドウォールを除去するため、工程数が増加してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平2−71556号公報
【特許文献2】特開平2−188966号公報
【特許文献3】特開平3−145761号公報
【特許文献4】特開2009−182317号公報
【特許文献5】特開2006−310651号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
そこで、本発明は、製造の際、工程数が少なく、ゲートのエッチング中にシリコン柱上部が保護される半導体装置(SGTの構造)を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の第1の観点に係る半導体装置は、
シリコン基板上に形成された平面状シリコン層と、
前記平面状シリコン層上に形成された第1の柱状シリコン層と、
前記第1の柱状シリコン層の周囲に形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜の周囲に形成された第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極に接続されたゲート配線と、
前記第1の柱状シリコン層の上部に形成された第1のn型拡散層と、
前記第1の柱状シリコン層の下部と前記平面状シリコン層の上部とに形成された第2のn型拡散層と、
前記第1の柱状シリコン層の上部側壁と前記第1のゲート電極上部とに形成された第1の絶縁膜サイドウォールと、
前記第1の絶縁膜サイドウォールと前記第1のゲート電極と前記ゲート配線の側壁とに形成された第3の絶縁膜サイドウォールと、
を有する、
ことを特徴とする。
【0011】
本発明の第2の観点に係る半導体装置は、
シリコン基板上に形成された平面状シリコン層と、
前記平面状シリコン層上に形成された第2の柱状シリコン層と、
前記第2の柱状シリコン層の周囲に形成された第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜の周囲に形成された第2のゲート電極と、
前記第2のゲート電極に接続されたゲート配線と、
前記第2の柱状シリコン層の上部に形成された第1のp型拡散層と、
前記第2の柱状シリコン層の下部と前記平面状シリコン層の上部とに形成された第2のp型拡散層と、
前記第2の柱状シリコン層の上部側壁と前記第2のゲート電極上部とに形成された第2の絶縁膜サイドウォールと、
前記第2の絶縁膜サイドウォールと前記第2のゲート電極と前記ゲート配線の側壁とに形成された第3の絶縁膜サイドウォールと、
を有する、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、製造の際、工程数が少なく、ゲートのエッチング中にシリコン柱上部が保護される半導体装置(SGTの構造)を提供することができる。
また、製造の際、シリコン柱下部拡散層、上部拡散層を同時に形成することもできるため、工程数を低減することができる。
【0013】
また、第1のゲート電極は、上部が第1の絶縁膜サイドウォールに覆われ、側壁が第3の絶縁膜サイドウォールに覆われている。第1の絶縁膜サイドウォールの側壁は第3の絶縁膜サイドウォールに覆われている。従って、平面状シリコン層上部の拡散層上に形成するコンタクトが、第1のゲート電極側に位置ずれしたとき、第1のゲート電極とコンタクトが短絡することを防止できる。
これと同様に、第2のゲート電極は、上部が第2の絶縁膜サイドウォールで覆われ、側壁が第3の絶縁膜サイドウォールで覆われる。また、第2の絶縁膜サイドウォールの側壁は第3の絶縁膜サイドウォールで覆われる。従って、平面状シリコン層上部の拡散層上に形成するコンタクトが第2のゲート電極の近傍に形成されたとき、そのコンタクトが第2のゲート電極側に位置ずれしたとき、第2のゲート電極とコンタクトが短絡することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】(a)は本発明の実施形態に係る半導体装置の平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図2】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図3】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図4】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図5】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図6】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図7】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図8】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図9】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図10】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図11】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図12】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図13】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図14】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図15】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図16】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図17】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図18】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図19】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図20】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図21】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図22】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図23】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図24】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図25】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図26】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図27】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図28】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図29】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図30】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図31】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図32】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図33】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図34】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図35】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図36】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図37】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図38】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図39】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図40】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図41】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図42】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図43】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図44】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図45】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図46】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図47】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
図48】(a)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。(b)は(a)のX−X’線での断面図である。(c)は(a)のY−Y’線での断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施形態に係る、SGTの構造を有する半導体装置の製造工程を、図2図48を参照しながら説明する。
【0016】
(第1の工程)
以下に、シリコン基板101上に平面状シリコン層107と、平面状シリコン層107上とに、第1の柱状シリコン層105と第2の柱状シリコン層104と、を形成する第1の工程を示す。
【0017】
まず、図2に示すように、シリコン基板101上に第1の柱状シリコン層105と第2の柱状シリコン層104とを形成するための第1のレジスト102、103を形成する。
【0018】
次に、図3に示すように、シリコン基板101をエッチングし、第1の柱状シリコン層105と第2の柱状シリコン層104とを形成する。
【0019】
続いて、図4に示すように、第1のレジスト102、103を除去する。
【0020】
続いて、図5に示すように、平面状シリコン層107を形成するための第2のレジスト106を形成する。
【0021】
続いて、図6に示すように、シリコン基板101をエッチングし、平面状シリコン層107を形成する。
【0022】
続いて、図7に示すように、第2のレジスト106を除去する。
【0023】
以上により、シリコン基板101上に平面状シリコン層107と、平面状シリコン層107上とに、第1の柱状シリコン層105と第2の柱状シリコン層104とを形成する第1の工程が示された。
【0024】
次に、図8に示すように、第1の酸化膜108を堆積するとともにその表面を平坦化する。
【0025】
そして、図9に示すように、第1の酸化膜108をエッチングし、平面状シリコン層107の周囲に残存させる。
【0026】
(第2の工程)
次に、第2の工程、即ち、図10に示すように、第1の柱状シリコン層105及び第2の柱状シリコン層104の周囲にゲート絶縁膜109を形成し、ゲート絶縁膜109の周囲に金属膜110とポリシリコン111とを堆積するとともにその表面を平坦化し、エッチングすることにより第1の柱状シリコン層105と第2の柱状シリコン層104の上部とを露出させる。そして、第1の柱状シリコン層105の上部側壁に第1の絶縁膜サイドウォール201を形成し、第2の柱状シリコン層104の上部側壁に第2の絶縁膜サイドウォール200を形成し、ゲート絶縁膜109の周囲に金属膜110及びポリシリコン111の積層構造からなる第1のゲート電極117bと第2のゲート電極117aとを形成する。そして、第1のゲート電極117bと第2のゲート電極117aとに接続されたゲート配線117cを形成する第2の工程を示す。
【0027】
まず、図10に示すように、第1の柱状シリコン層105及び第2の柱状シリコン層104の周囲にゲート絶縁膜109を形成する。ここでのゲート絶縁膜109の材質としては、酸化膜、酸化膜及び窒化膜の積層構造、窒化膜、または、高誘電体膜が使用できる。
【0028】
次に、図11に示すように、ゲート絶縁膜109の周囲に金属膜110を形成する。
ここでの金属膜110には、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタルなどのゲート電極に使用しうる金属材料が使用できる。
【0029】
続いて、図12に示すように、ポリシリコン111を堆積するとともにその表面を平坦化する。
【0030】
続いて、図13に示すように、ポリシリコン111をエッチングする。
【0031】
続いて、図14に示すように、ポリシリコン111をエッチングし、金属膜110を露出させる。
【0032】
続いて、図15に示すように、ポリシリコン111をエッチングし、第1の柱状シリコン層105及び第2の柱状シリコン層104の上部を露出させる。
【0033】
続いて、図16に示すように、金属膜110をエッチングする。ここでは、ウエットエッチングを用いることが好ましい。
【0034】
続いて、図17に示すように、第2の酸化膜112と第1の窒化膜113とを堆積する。
【0035】
続いて、図18に示すように、第1の窒化膜113をエッチングすることで2つの柱状体の側壁にサイドウォール状に残存させ、窒化膜サイドウォール114、115を形成する。ここでは、第2の酸化膜112と窒化膜サイドウォール115とから第1の絶縁膜サイドウォール201が形成される。また、第2の酸化膜112と窒化膜サイドウォール114とから第2の絶縁膜サイドウォール200が形成される。
【0036】
続いて、図19に示すように、第1のゲート電極117bと、第2のゲート電極117aと、ゲート配線117cと、を形成するために、第1の柱状シリコン層105の上部と第2の柱状シリコン層104の上部とを覆うように第3のレジスト116を形成する。
このとき、第1の柱状シリコン層105の上部と第2の柱状シリコン層104の上部とが第3のレジストで覆われるので、エッチング中にゲート絶縁膜109がエッチングされてしまい、柱状シリコン層がエッチングされることが防止される。
【0037】
続いて、図20に示すように、第2の酸化膜112をエッチングする。
【0038】
続いて、図21に示すように、ポリシリコン111をエッチングし、金属膜110をエッチングし、第1のゲート電極117bと、第2のゲート電極117aと、ゲート配線117cと、を形成する。
【0039】
続いて、図22に示すように、第3のレジスト116を除去する。
【0040】
続いて、図23に示すように、金属膜110の残渣を除去するためにウエットエッチングを行う。この処理は、金属膜110の残渣が存在しない場合には省略できる。
【0041】
以上により、第2の工程、即ち、第1の柱状シリコン層105及び第2の柱状シリコン層104の周囲にゲート絶縁膜109を形成し、ゲート絶縁膜109の周囲に金属膜110とポリシリコン111とを堆積するとともにその表面を平坦化し、さらにエッチングを行うことによって第1の柱状シリコン層105及び第2の柱状シリコン層104の上部を露出させる。そして、第1の柱状シリコン層105の上部側壁に第1の絶縁膜サイドウォール201を形成し、第2の柱状シリコン層104の上部側壁に第2の絶縁膜サイドウォール200を形成する。そして、ゲート絶縁膜109の周囲に金属膜110とポリシリコン111の積層構造からなる第1のゲート電極117bと第2のゲート電極117aを形成する。その後、第1のゲート電極117bと第2のゲート電極117aとに接続されたゲート配線117cを形成する第2の工程が示された。
【0042】
(第3の工程)
次に、第3の工程、即ち、第1の柱状シリコン層105の上部に第1のn型拡散層119を形成し、第1の柱状シリコン層105の下部と平面状シリコン層107の上部とに第2のn型拡散層120を形成する。そして、第2の柱状シリコン層104の上部に第1のp型拡散層125を形成し、第2の柱状シリコン層104の下部と平面状シリコン層107の上部とに第2のp型拡散層126を形成する第3の工程を示す。
【0043】
まず、図24に示すように、第1のn型拡散層119と第2のn型拡散層120とを形成するための第4のレジスト118を形成する。
【0044】
次に、図25に示すように、砒素を注入し、第1のn型拡散層119と第2のn型拡散層120とを形成する。ここでは、砒素の代わりにリンを注入することもできる。
【0045】
続いて、図26に示すように、第4のレジスト118を除去し、第3の酸化膜121を堆積する。
【0046】
続いて、図27を参照して、熱処理を行う。ここでは、NMOS SGTに対して最適化された熱処理を行うことが好ましい。
【0047】
続いて、図28に示すように、第3の酸化膜121を除去し、第2の酸化膜112とゲート絶縁膜109とをエッチングする。第2の酸化膜112はエッチングされ、第1の柱状シリコン層105の周囲に残存し、酸化膜サイドウォール123となるとともに、第2の柱状シリコン層104の周囲に残存し、酸化膜サイドウォール122となる。従って、酸化膜サイドウォール123と窒化膜サイドウォール115とが第1の絶縁膜サイドウォール201となるとともに、酸化膜サイドウォール122と窒化膜サイドウォール114とが第2の絶縁膜サイドウォール200となる。
【0048】
続いて、図29に示すように、第1のp型拡散層125と第2のp型拡散層126とを形成するための第5のレジスト124を形成する。
【0049】
続いて、図30に示すように、ボロンを注入し、第1のp型拡散層125と第2のp型拡散層126とを形成する。
【0050】
続いて、図31に示すように、第5のレジスト124を除去する。
【0051】
続いて、図32に示すように、第2の窒化膜127を堆積する。
【0052】
続いて、図33を参照して、熱処理を行う。ここでは、PMOS SGTに対して最適化された熱処理を行うことが好ましい。
【0053】
以上により、第3の工程、即ち、第1の柱状シリコン層105の上部に第1のn型拡散層119を形成し、第1の柱状シリコン層105の下部と平面状シリコン層107の上部に第2のn型拡散層120を形成する。そして、第2の柱状シリコン層104の上部に第1のp型拡散層125を形成し、第2の柱状シリコン層104の下部と平面状シリコン層107の上部に第2のp型拡散層126を形成する第3の工程が示された。
【0054】
上記実施例においては、ゲート電極を形成した後に第1のn型拡散層と第2のn型拡散層と第1のp型拡散層と第2のp型拡散層を形成した。しかしこれに限られず、柱状シリコン層と平面状シリコン層とを形成した後に、柱状シリコン層の側壁にサイドウォールを形成し、その後に第1のn型拡散層及び第2のn型拡散層を形成し、さらにその後に、第1のp型拡散層及び第2のp型拡散層を形成し、しかる後にゲート電極を形成してもよい。
【0055】
(第4の工程)
次に、第1の絶縁膜サイドウォール201と、第2の絶縁膜サイドウォール200と、第1のゲート電極117bと、第2のゲート電極117aと、ゲート配線117cとの側壁に、第3の絶縁膜サイドウォール202を形成する第4の工程を示す。
【0056】
まず、図34に示すように、第2の窒化膜127をエッチングし、サイドウォール状に残存させ、窒化膜サイドウォール128、129、130を形成する。
ここで、窒化膜サイドウォール128は、第3の絶縁膜サイドウォール202となる。
【0057】
このとき、第1のゲート電極117bは、上部が第1の絶縁膜サイドウォール201で覆われ、側壁が第3の絶縁膜サイドウォール202で覆われる。また、第1の絶縁膜サイドウォール201の側壁は第3の絶縁膜サイドウォール202で覆われる。従って、平面状シリコン層上部の拡散層上に形成するコンタクトが、第1のゲート電極側に位置ずれしたとき、第1のゲート電極とコンタクトが短絡することが防止される。
【0058】
同様に、第2のゲート電極117aは、上部が第2の絶縁膜サイドウォール200で覆われ、側壁が第3の絶縁膜サイドウォール202で覆われる。また、第2の絶縁膜サイドウォール200の側壁は第3の絶縁膜サイドウォール202で覆われる。従って、平面状シリコン層上部の拡散層上に形成するコンタクトが第2のゲート電極117aの近傍に形成された場合において、そのコンタクトが第2のゲート電極側に位置ずれしたときに、第2のゲート電極とコンタクトとが短絡することが防止される。
【0059】
以上により、第1の絶縁膜サイドウォール201と、第2の絶縁膜サイドウォール200と、第1のゲート電極117bと、第2のゲート電極117aと、ゲート配線117cの側壁とに第3の絶縁膜サイドウォール202を形成する第4の工程が示された。
【0060】
(第5の工程)
次に、第1のn型拡散層119上と、第2のn型拡散層120上と、第1のp型拡散層125と、第2のp型拡散層126上と、ゲート配線117c上と、にシリサイドを形成する第5の工程を示す。
【0061】
まず、図35に示すように、ニッケルやコバルトといった金属を堆積するとともに熱処理を行い、未反応の金属を除去する。これにより、第1のn型拡散層119上と、第2のn型拡散層120上と、第1のp型拡散層125と、第2のp型拡散層126上と、ゲート配線117c上とに、シリサイド133、134、135、136、132、131、137を形成する。このとき、第2のn型拡散層120と第2のp型拡散層126とがシリサイド134、135によって接続される。インバータの出力端子をシリコン柱下部に形成しないときは、第2のn型拡散層120と第2のp型拡散層126とをシリサイドにより接続することを省略できる。
【0062】
以上により、前記第1のn型拡散層119上と、前記第2のn型拡散層120上と、第1のp型拡散層125と、第2のp型拡散層126上と、ゲート配線117c上とにシリサイドを形成する第5の工程が示された。
【0063】
次に、図36に示すように、第3の窒化膜138を堆積し、さらに、層間絶縁膜139を堆積するとともにその表面を平坦化する。
【0064】
続いて、図37に示すように、第1の柱状シリコン層105上と第2の柱状シリコン層104上とにコンタクトを形成するための第6のレジスト140を形成する。
【0065】
続いて、図38に示すように、層間絶縁膜139をエッチングし、コンタクト孔141、142を形成する。
【0066】
続いて、図39に示すように、第6のレジスト140を除去する。
【0067】
続いて、図40に示すように、ゲート配線117c上と、平面状シリコン層107上と、にコンタクトを形成するための第7のレジスト143を形成する。
【0068】
続いて、図41に示すように、層間絶縁膜139をエッチングし、コンタクト孔144、145を形成する。
【0069】
続いて、図42に示すように、第7のレジスト143を除去する。
【0070】
続いて、図43に示すように、第3の窒化膜138をエッチングする。
【0071】
続いて、図44に示すように、金属を堆積し、コンタクト146、147、148、149を形成する。
【0072】
続いて、図45に示すように、金属配線のための金属150を堆積する。
【0073】
続いて、図46に示すように、金属配線を形成するために第8のレジスト151、152、153、154を形成する。
【0074】
続いて、図47に示すように、金属150をエッチングし、金属配線155、156、157、158を形成する。
【0075】
続いて、図48に示すように、第8のレジスト151、152、153、154を除去する。
以上により、工程数が少なく、ゲートのエッチング中にシリコン柱上部が保護されるSGTの製造方法が示された。
【0076】
上記製造方法によって得られる半導体装置の構造を図1に示す。
図1に示すように、半導体装置は、
シリコン基板101上に形成された平面状シリコン層107と、
前記平面状シリコン層107上に形成された第1の柱状シリコン層105と、
前記平面状シリコン層107上に形成された第2の柱状シリコン層104と、
前記第1の柱状シリコン層105の周囲に形成されたゲート絶縁膜109と、
前記ゲート絶縁膜109の周囲に形成された金属膜110とポリシリコン111の積層構造からなる第1のゲート電極117bと、
前記第2の柱状シリコン層104の周囲に形成されたゲート絶縁膜109と、
前記ゲート絶縁膜109の周囲に形成された金属膜110とポリシリコン111の積層構造からなる第2のゲート電極117aと、
前記第1のゲート電極117bと前記第2のゲート電極117aに接続されたゲート配線117cと、
前記第1の柱状シリコン層105の上部に形成された第1のn型拡散層119と、
前記第1の柱状シリコン層105の下部と前記平面状シリコン層107の上部に形成された第2のn型拡散層120と、
前記第2の柱状シリコン層104の上部に形成された第1のp型拡散層125と、
前記第2の柱状シリコン層104の下部と前記平面状シリコン層107の上部に形成された第2のp型拡散層126と、
前記第1の柱状シリコン層105の上部側壁と前記第1のゲート電極117b上部に形成された第1の絶縁膜サイドウォール201と、
前記第2の柱状シリコン層104の上部側壁と前記第2のゲート電極117a上部に形成された第2の絶縁膜サイドウォール200と、
前記第1の絶縁膜サイドウォール201と前記第2の絶縁膜サイドウォール200と前記第1のゲート電極117bと前記第2のゲート電極117aと前記ゲート配線117cの側壁に形成された第3の絶縁膜サイドウォール202と、
前記第1のn型拡散層119上と前記第2のn型拡散層120上と前記第1のp型拡散層125と前記第2のp型拡散層126上と、ゲート配線117c上に形成されたシリサイド133、134、135、136、132、131、137と、
を有する。
【0077】
このとき、第1のゲート電極117bは、上部が第1の絶縁膜サイドウォール201で覆われ、側壁が第3の絶縁膜サイドウォール202で覆われる。また、第1の絶縁膜サイドウォール201の側壁は第3の絶縁膜サイドウォール202で覆われる。従って、平面状シリコン層上部の拡散層上に形成するコンタクト149が、第1のゲート電極117b側に位置ずれしたときに、第1のゲート電極117bとコンタクト149とが短絡することが防止される。
また、同様に、第2のゲート電極117aは、上部が第2の絶縁膜サイドウォール200で覆われ、側壁が第3の絶縁膜サイドウォール202で覆われる。また、第2の絶縁膜サイドウォール200の側壁は第3の絶縁膜サイドウォール202で覆われる。従って、平面状シリコン層上部の拡散層上に形成するコンタクトが第2のゲート電極117aの近傍に形成された場合において、そのコンタクトが第2のゲート電極117a側に位置ずれしたときに、第2のゲート電極117aとコンタクトとが短絡することを防止できる。
【0078】
なお、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明の一実施例を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【0079】
例えば、上記実施例において、p型(p型を含む。)とn型(n型を含む。)とをそれぞれ反対の導電型とした半導体装置の製造方法、及び、それにより得られる半導体装置も当然に本発明の技術的範囲に含まれる。
【0080】
[付記1]
シリコン基板上に第1の柱状シリコン層と第2の柱状シリコン層とを形成し、前記第1の柱状シリコン層及び前記第2の柱状シリコン層の下で前記シリコン基板上に平面状シリコン層を形成する第1の工程と、
前記第1の工程の後、前記第1の柱状シリコン層及び前記第2の柱状シリコン層の周囲にゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜の周囲に金属膜及びポリシリコンを堆積するとともに平坦化をし、エッチングを行うことにより前記第1の柱状シリコン層及び前記第2の柱状シリコン層の上部とを露出し、前記第1の柱状シリコン層の上部側壁に第1の絶縁膜サイドウォールを形成し、前記第2の柱状シリコン層の上部側壁に第2の絶縁膜サイドウォールを形成し、前記ゲート絶縁膜の周囲に金属膜とポリシリコンの積層構造からなる第1のゲート電極と第2のゲート電極とを形成し、前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極とに接続されたゲート配線を形成する第2の工程と、
前記第2の工程の後、前記第1の柱状シリコン層の上部に第1のn型拡散層を形成し、前記第1の柱状シリコン層の下部と前記平面状シリコン層の上部に第2のn型拡散層を形成し、前記第2の柱状シリコン層の上部に第1のp型拡散層を形成し、前記第2の柱状シリコン層の下部と前記平面状シリコン層の上部に第2のp型拡散層を形成する第3の工程と、
前記第3の工程の後、前記第1の絶縁膜サイドウォール及び前記第2の絶縁膜サイドウォールと前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極と前記ゲート配線の側壁とに第3の絶縁膜サイドウォールを形成する第4の工程と、
前記第4の工程の後、前記第1のn型拡散層及び前記第2のn型拡散層上と前記第1のp型拡散層及び前記第2のp型拡散層上と前記ゲート配線上とにシリサイドを形成する第5の工程と、を有する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
[付記2]
前記シリコン基板上に前記第1の柱状シリコン層及び前記第2の柱状シリコン層を形成するための第1のレジストを形成し、前記シリコン基板をエッチングし、前記第1の柱状シリコン層及び前記第2の柱状シリコン層とを形成し、前記第1のレジストを除去し、前記平面状シリコン層を形成するための第2のレジストを形成し、前記シリコン基板をエッチングし、前記平面状シリコン層を形成し、前記第2のレジストを除去する、
ことを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
[付記3]
前記シリコン基板上に形成された前記平面状シリコン層と、前記平面状シリコン層上に形成された前記第1の柱状シリコン層と、前記平面状シリコン層上に形成された前記第2の柱状シリコン層と、前記平面状シリコン層の周囲に第1の絶縁膜が形成された構造において、前記第1の柱状シリコン層及び前記第2の柱状シリコン層の周囲に前記ゲート絶縁膜が形成され、
前記ゲート絶縁膜の周囲に金属膜を形成し、ポリシリコンを堆積するとともに平坦化し、前記ポリシリコンをエッチングし、前記金属膜を露出させ、前記ポリシリコンをエッチングし、前記第1の柱状シリコン層及び前記第2の柱状シリコン層の上部とを露出し、
前記金属膜をエッチングし、第2の酸化膜と第1の窒化膜とを堆積し、前記第1の窒化膜をサイドウォール状にエッチングすることで、窒化膜サイドウォールを形成し、
前記第2の酸化膜と前記窒化膜サイドウォールとが前記第1の絶縁膜サイドウォール及び前記第2の絶縁膜サイドウォールとなり、
前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極と前記ゲート配線とを形成するために、前記第1の柱状シリコン層及び前記第2の柱状シリコン層の上部を覆うように第3のレジストを形成し、
前記第2の酸化膜をエッチングし、前記ポリシリコンをエッチングし、前記金属膜をエッチングし、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極と前記ゲート配線とを形成した後、前記第3のレジストを除去することを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
[付記4]
前記第1のn型拡散層と前記第2のn型拡散層とを形成するための第4のレジストを形成し、砒素を注入し、前記第1のn型拡散層及び前記第2のn型拡散層とを形成し、前記第4のレジストを除去し、第3の酸化膜を堆積した後、熱処理を行い、
前記第3の酸化膜を除去し、前記第2の酸化膜と前記ゲート絶縁膜とをエッチングし、前記第2の酸化膜は、エッチングされ、前記第1の柱状シリコン層及び前記第2の柱状シリコン層の周囲に残存し酸化膜サイドウォールとなり、
前記酸化膜サイドウォールと前記窒化膜サイドウォールとが前記第1の絶縁膜サイドウォールとなるとともに、前記酸化膜サイドウォールと前記窒化膜サイドウォールとが前記第2の絶縁膜サイドウォールとなり、
前記第1のp型拡散層と前記第2のp型拡散層とを形成するための第5のレジストを形成し、ボロンを注入し、前記第1のp型拡散層及び前記第2のp型拡散層を形成し、前記第5のレジストを除去した後、熱処理を行う、
ことを特徴とする付記3に記載の半導体装置の製造方法。
[付記5]
第2の窒化膜をさらに堆積し、前記第2の窒化膜をサイドウォール状にエッチングすることで、前記第3の絶縁膜サイドウォールとなる窒化膜サイドウォールを形成する、
ことを特徴とする付記4に記載の半導体装置の製造方法。
[付記6]
シリコン基板上に形成された平面状シリコン層と、
前記平面状シリコン層上に形成された第1の柱状シリコン層及び第2の柱状シリコン層と、
前記第1の柱状シリコン層の周囲に形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜の周囲に形成された金属膜及びポリシリコンの積層構造からなる第1のゲート電極と、
前記第2の柱状シリコン層の周囲に形成された第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜の周囲に形成された金属膜及びポリシリコンの積層構造からなる第2のゲート電極と、
前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極に接続されたゲート配線と、
前記第1の柱状シリコン層の上部に形成された第1のn型拡散層と、
前記第1の柱状シリコン層の下部と前記平面状シリコン層の上部とに形成された第2のn型拡散層と、
前記第2の柱状シリコン層の上部に形成された第1のp型拡散層と、
前記第2の柱状シリコン層の下部と前記平面状シリコン層の上部とに形成された第2のp型拡散層と、
前記第1の柱状シリコン層の上部側壁と前記第1のゲート電極上部とに形成された第1の絶縁膜サイドウォールと、
前記第2の柱状シリコン層の上部側壁と前記第2のゲート電極上部とに形成された第2の絶縁膜サイドウォールと、
前記第1の絶縁膜サイドウォール及び前記第2の絶縁膜サイドウォールと前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極と前記ゲート配線の側壁とに形成された第3の絶縁膜サイドウォールと、
前記第1のn型拡散層及び前記第2のn型拡散層上と前記第1のp型拡散層及び前記第2のp型拡散層上と、前記ゲート配線上に形成されたシリサイドと、を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【符号の説明】
【0081】
101.シリコン基板
102.第1のレジスト
103.第1のレジスト
104.第2の柱状シリコン層
105.第1の柱状シリコン層
106.第2のレジスト
107.平面状シリコン層
108.第1の酸化膜
109.ゲート絶縁膜
110.金属膜
111.ポリシリコン
112.第2の酸化膜
113.第1の窒化膜
114.窒化膜サイドウォール
115.窒化膜サイドウォール
116.第3のレジスト
117a.第2のゲート電極
117b.第1のゲート電極
117c.ゲート配線
118.第4のレジスト
119.第1のn型拡散層
120.第2のn型拡散層
121.第3の酸化膜
122.酸化膜サイドウォール
123.酸化膜サイドウォール
124.第5のレジスト
125.第1のp型拡散層
126.第2のp型拡散層
127.第2の窒化膜
128.窒化膜サイドウォール
129.窒化膜サイドウォール
130.窒化膜サイドウォール
131.シリサイド
132.シリサイド
133.シリサイド
134.シリサイド
135.シリサイド
136.シリサイド
137.シリサイド
138.第3の窒化膜
139.層間絶縁膜
140.第6のレジスト
141.コンタクト孔
142.コンタクト孔
143.第7のレジスト
144.コンタクト孔
145.コンタクト孔
146.コンタクト
147.コンタクト
148.コンタクト
149.コンタクト
150.金属
151.第8のレジスト
152.第8のレジスト
153.第8のレジスト
154.第8のレジスト
155.金属配線
156.金属配線
157.金属配線
158.金属配線
200.第2の絶縁膜サイドウォール
201.第1の絶縁膜サイドウォール
202.第3の絶縁膜サイドウォール
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16
図17
図18
図19
図20
図21
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図23
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図26
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図30
図31
図32
図33
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図48