JP2005019584A - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】溝ゲート構造において位置精度良好にエクステンション領域を設けることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板3に形成された溝3aの側壁にサイドウォール5が設けられ、サイドウォール5から露出する溝3aの底部にゲート絶縁膜9が設けられた状態で、当該溝3a内にゲート電極11が埋め込み形成されている。そして、半導体基板3の表面層には、サイドウォール5を介してゲート電極11と対向配置されたソースS/ドレインDが設けられ、さらにソースS/ドレインDとゲート絶縁膜9下方のチャネル形成部Aとの間には、サイドウォール5から半導体基板3への不純物拡散によって形成された低濃度拡散層15が設けられている。
【選択図】 図1A semiconductor device capable of providing an extension region with good positional accuracy in a trench gate structure and a method for manufacturing the same are provided.
A side wall 5 is provided on a side wall of a groove 3a formed in a semiconductor substrate 3, and a gate insulating film 9 is provided at the bottom of the groove 3a exposed from the side wall 5 in the groove 3a. A gate electrode 11 is embedded. The surface layer of the semiconductor substrate 3 is provided with a source S / drain D disposed opposite to the gate electrode 11 via the sidewall 5, and a channel forming portion below the source S / drain D and the gate insulating film 9. A low-concentration diffusion layer 15 formed by impurity diffusion from the side wall 5 to the semiconductor substrate 3 is provided between A and A.
[Selection] Figure 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特には基板表面の溝内に埋込ゲート電極を設けてなる溝ゲート型のMOSトランジスタを有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化および高機能化の要求にともない、素子構造の微細化が進んでいる。このようななか、半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けてなる従来構成の半導体装置(いわゆるMOSトランジスタ)においては、微細化によって顕著になる短チャネル効果(例えばパンチスルー現象)を、不純物濃度の増加やゲート絶縁膜の薄膜化によって抑制することが限界となってきている。
【0003】
そこで、半導体基板の表面層に形成した溝内にゲート電極を埋め込んで溝ゲート型とする構成の半導体装置が提案されている。以下、図5に基づき、溝ゲート型の半導体装置の製造方法の一例を説明する。先ず、図5(1)に示すように、半導体基板101の表面層にソース・ドレインとなる第1拡散層102を形成した後、第1拡散層102の表面側に溝103を形成する。次いで、図5(2)に示すように、溝103の内壁に酸化シリコンからなるスルー膜104を形成した後、イオン注入によって溝103の底部にエクステンション領域となる第2拡散層105を、第1拡散層102よりも深い位置に第1拡散層102に連続させて形成する。この第2拡散層105は、第1拡散層102と同じ導電型で、かつ第1拡散層102よりも低濃度であることとする。また、第2拡散層105形成後には、スルー膜104を除去する。次に、図5(3)に示すように、溝103の側壁に絶縁性のサイドウォール106を形成し、次いでサイドウォール106から露出している溝103の底部を第2拡散層105と同程度まで掘り下げる。これにより第1拡散層102および第2拡散層105を分離してソースS/ドレインDを形成すると共に、ソースS/ドレインDに連続するエクステンション領域105aを形成する。その後、図5(4)に示すように、掘り下げた溝103の露出面を覆う状態でゲート絶縁膜107を形成し、次いで溝103内に導電膜を埋め込んでゲート電極108を形成する。
【0004】
以上により、ソースS/ドレインDとゲート絶縁膜107下のチャネル形成部Aとの間に、ソースS/ドレインDよりも低濃度のエクステンション領域105aを設けた半導体装置が得られる。この半導体装置は、エクステンション領域105aによって短チャネル効果が抑制されたものになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した構成の半導体装置においては、エクステンション領域となる第2拡散層が、スルー膜を介してのイオン注入によって形成されたものとなる。このため、エクステンション領域の形成位置および深さは、スルー膜の膜厚とイオン注入のエネルギーに影響され、設計値に対して正確な位置および深さでの形成が困難であった。これは、溝ゲート型の半導体装置の高集積化、高速化を妨げる要因になっている。
【0006】
そこで本発明は、溝ゲート構造において位置精度良好にエクステンション領域を設けることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明の半導体装置は、半導体基板に形成された溝の側壁にサイドウォールが設けられ、サイドウォールから露出する前記溝の底部にゲート絶縁膜が設けられた状態で、当該溝内にゲート電極が埋め込み形成されている。そして、半導体基板の表面層には、サイドウォールを介してゲート電極と対向配置されたソース/ドレインが設けられ、さらにソース/ドレインとゲート絶縁膜下方におけるチャネル形成部との間には、サイドウォールから半導体基板への不純物拡散によって形成された低濃度拡散層が設けられている。
【0008】
以上の半導体装置において、サイドウォールは導電性材料であっても良く、この場合、溝の側壁には、サイドウォールを介して絶縁性サイドウォールが設けられていることとする。
【0009】
このような構成の半導体装置では、低濃度拡散層を、サイドウォールから半導体基板への不純物拡散によって形成されたものとしたことで、当該低濃度拡散層は、サイドウォールからの不純物の拡散の程度のみを因子とした位置および深さで形成されたものとなる。
【0010】
半導体装置の製造方法は、次のように行われる。先ず、半導体基板の表面層に溝を形成し、溝の側壁に不純物を含有するサイドウォールを形成した後、溝の底部にゲート絶縁膜を形成し、さらに溝内にゲート電極を埋め込み形成する。このような工程において、溝を形成する前またはゲート電極を埋め込み形成した後に、半導体基板の表面層にゲート絶縁膜の形成位置よりも浅くなるようにソース/ドレインとなる第1拡散層を形成する。また、サイドウォールを形成した後には、第1拡散層よりも深くなる位置までサイドウォール中の不純物を半導体基板中に拡散させて第2拡散層を形成する工程を行う。
【0011】
以上の製造方法において、サイドウォールは導電性材料であっても良く、この場合、溝の側壁にサイドウォール形成した後、ゲート電極を埋め込み形成する前に、溝の側壁にサイドウォールを介して絶縁性サイドウォールを形成する工程を行う。
【0012】
このような製造方法では、溝の側壁に形成したサイドウォールからの不純物拡散によって、第1拡散層よりも深い第2拡散層を形成している。ここで、第1拡散層は、溝の底部のゲート絶縁膜を超えない深さで形成されているため、第2拡散層は第1拡散層とゲート絶縁膜との間に位置するように形成されることになる。そして、その深さは、サイドウォールからの不純物拡散の程度のみによって調整される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0014】
<半導体装置>
図1は、本発明の半導体装置の一例を示す断面図である。この図に示す半導体装置1は、溝ゲート型の半導体装置であり、例えばp型の単結晶シリコンからなる半導体基板3の表面層に溝3aが設けられている。この溝3aは、ゲート長に相当する20nm〜100nm程度の幅で、かつソース・ドレインのジャンクション深さである50nm〜150nm程度の深さで設けられていることとする。尚、ここでの図示を省略したが、この半導体装置1がpチャンネル型である場合には、半導体基板3の表面層には、nウェル拡散層が設けられており、溝3aおよび以下に説明する各部材はこのnウェル拡散層中に設けられることとする。
【0015】
溝3aの内壁には、サイドウォール5が設けられている。このサイドウォール5は、半導体基板3中に拡散可能な不純物が含有されていれば、導電性であっても絶縁性であっても良い。サイドウォール5中に含有される不純物は、この半導体装置1がnチャンネル型であればリン(P)やヒ素(As)などのn型不純物であり、pチャンネル型であればホウ素(B)のようなp型不純物であることとする。
【0016】
そして、サイドウォール5が絶縁性である場合には、n型不純物を含有する材料としてPSG(リンシリケートガラス)、AsSG(ヒ素ガラス)が用いられる。また、n型不純物であるリン(P)の含有量がp型不純物であるボロン(B)の含有量よりも多いことを条件としてBPSG(ボロン・リンシリケートガラス)を用いても良い。同様にサイドウォール5が絶縁性である場合に、p型不純物を含有する材料としては、BSG(ボロンシリケートガラス)が用いられ、p型不純物であるボロン(B)の含有量がn型不純物であるリン(P)の含有量よりも多いことを条件としてBPSG(ボロン・リンシリケートガラス)を用いても良い。
【0017】
一方、サイドウォール5が導電性である場合には、上述したp型不純物またはn型不純物を含有するシリコン膜や金属膜が用いられる。
【0018】
そして、サイドウォール5が導電性材料からなる場合には、さらにこのサイドウォール5を覆う状態で絶縁性サイドウォール7が設けられていることとする。絶縁性サイドウォール7を設ける場合には、この絶縁性サイドウォール7も、半導体基板3中に拡散可能な不純物が含有されていることが好ましい。これにより、絶縁性サイドウォール7の膜厚ばらつきによって、次に説明する低濃度拡散層15の形成位置がばらつくことを防止する。この場合、上述したサイドウォール5が絶縁性である場合と同様の材料で絶縁性サイドウォール7が形成される。また、絶縁性サイドウォール7には、不純物が含有されていなくても良い。この場合、絶縁性サイドウォール7は、酸化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、窒化シリコン膜のいずれかの絶縁膜で構成される。
【0019】
尚、図面においては、絶縁性サイドウォール7を設けた場合を図示したが、サイドウォール5が絶縁性である場合、この絶縁性サイドウォール7を設ける必要がないことは、上述したとおりである。また、以上のサイドウォール5,7は、1層または2層構造であることに限定されず、溝3aの最も中央に位置するサイドウォールが絶縁性であれば3層以上の多層構造であっても良い。3層以上の多層構造である場合、各層に不純物が含有されていることが好ましい。
【0020】
そして、以上のサイドウォール5,7から露出する溝3aの底面には、ゲート絶縁膜9が設けられている。このゲート絶縁膜9は、酸化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、高誘電率絶縁膜(いわゆるHigh−k膜)等のいずれかを用いることができる。高誘電率絶縁膜としては、アルミニウム酸化物、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物かもしくはそれらの合金の酸化物、あるいはそれらの積層膜、もしくはそれらの合金にシリコンを加えたものの酸化物等が用いられる。
【0021】
そして、これらのサイドウォール5,7およびゲート絶縁膜9で内壁が覆われた溝3a内に、ゲート電極11が埋め込み形成されている。このゲート電極11は、ポリシリコン膜、ポリシリコン膜とシリサイド膜との積層膜、ポリシリコン膜と金属膜の積層膜、または金属膜の埋込によって形成されている。
【0022】
また、半導体基板3の表面層には、サイドウォール5,7を介してゲート電極と対向配置されたソースS/ドレインDが設けられている。これらのソースS/ドレインDは、この半導体装置1がnチャンネル型であればn型不純物、pチャンネル型であればp型不純物が拡散された層であり、ゲート絶縁膜9を越えることのない深さ、すなわちここでは溝3aの深さよりも浅い深さで設けられていることとする。
【0023】
そして、このようなソースS/ドレインDと、ゲート絶縁膜9下方に形成される当該半導体装置1のチャネル形成部Aとの間には、サイドウォール5からの不純物拡散によって形成された低濃度拡散層15が設けられている。この低濃度拡散層15は、いわゆるエクステンション領域であり、ソースS/ドレインDと同一の導電型の不純物が低濃度で拡散されていることとする。尚、絶縁性サイドウォール7が設けられている場合であって、この絶縁性サイドウォール7が不純物を含有するものである場合、低濃度拡散層15は、サイドウォール5,7からの不純物拡散によって形成されたものとしても良い。これにより、絶縁性サイドウォール7の膜厚ばらつきによって、低濃度拡散層15のゲート絶縁膜9に対する形成位置がばらつくことが防止される。
【0024】
尚、絶縁性サイドウォール7が設けられている場合であって、この絶縁性サイドウォール7が不純物を含有しないものである場合、ゲート絶縁膜9は、絶縁性サイドウォール7と半導体基板3との間にまで縁設されていても良い。ただし、実際にゲート絶縁膜9として機能する部分は、ゲート電極11と半導体基板3十で狭持された部分となる。
【0025】
このような構成の半導体装置1では、ゲート電極11に電圧を印加することにより、ゲート絶縁膜9下のチャネル形成部Aに反転層領域(いわゆるチャネル)が形成される。このチャネルは、エクステンション領域として形成された低濃度拡散層15に接するため、従来のトランジスタと全く同じ動作をする。そして、電流の経路は、ソースD→ソースDの低濃度拡散層15→チャネル形成部A→ドレインDの低濃度拡散層15→ドレインDとなる。この場合、サイドウォール5が導電性を有していれば、ソースS→ソースS側のサイドウォール5→ソースS側の低濃度拡散層15→チャネル形成部A→ドレインDの低濃度拡散層15→ドレインD側のサイドウォール5→ドレインDという電流経路も生まれる。
【0026】
そして、以上説明した構成の半導体装置1では、低濃度拡散層15を、サイドウォール5,7から半導体基板3への不純物拡散によって形成されたものとしたことで、当該低濃度拡散層15を、サイドウォール5,7からの不純物の拡散の程度のみを因子とした位置および深さで形成されたものとすることが可能になる。したがって、より位置精度の良好な低濃度拡散層15を備えた半導体装置1とすることができる。
【0027】
<半導体装置−2>
図2には、本発明の半導体装置の変形例を示す。この図に示す半導体装置20と、図1に示した半導体装置1との異なることころは、サイドウォール5,7が設けられた溝3aの底部をさらに深く削った凹部21が設けられ、この凹部21の内壁を覆う状態でゲート絶縁膜9が設けられている点であり、他の構成は同様であることとする。
【0028】
このような構成の半導体装置20であっても、ソースS/ドレインDとチャネル形成部Aとの間の低濃度拡散層15が、サイドウォール5,7から半導体基板3への不純物拡散によって形成されたものであるため、先の図1に示した半導体装置1と同様に、より位置精度の良好な低濃度拡散層15を備えた半導体装置1とすることができる。
【0029】
尚、このような構成の半導体装置20であっても、ソースS/ドレインDの深さは、ゲート絶縁膜9を越えない深さで有れば良く、例えば図中2点鎖線で示したようにサイドウォール5,7よりも深い位置にまでソースS/ドレインDが達していても良い。
【0030】
<半導体装置の製造方法−1>
次に、本発明の半導体装置の製造方法を、図1を用いて説明した構成の半導体装置の製造を例にとって説明する。
【0031】
先ず、図3(1)に示すように、例えばp型の単結晶シリコンからなる半導体基板3の表面層に溝3aを形成する。この溝3aは、リソグラフィー技術及び異方性エッチング技術を用いて上述した所定形状で形成することとする。
【0032】
次に、図3(2)に示すように、溝3aの側壁に上述した不純物を含有するサイドウォール5を形成する。この際、先ず、溝3aの内壁を覆う状態で膜厚5nm〜30nm程度の不純物を含有する材料膜を形成した後、この材料膜をエッチバックすることにより、溝3aの側壁のみに材料膜を残して半導体基板3の表面および溝3aの底面上の材料膜を除去する。これにより、当該材料膜からなるサイドウォール5を形成する。尚、サイドウォール5に含有される不純物は、材料膜の成膜ガスに不純物を含有させておくことにより、成膜と同時に材料膜に含有されるようにしても良く、成膜した材料膜に対して後から不純物を拡散させる手順であっても良い。材料膜に対して後から不純物を拡散させる場合には、材料膜をエッチバックする前に不純物の拡散を行うことにより、半導体基板3への不純物の拡散を防止することが好ましい。
【0033】
次いで、必要に応じて絶縁性サイドウォール7を形成する工程を行う。この絶縁性サイドウォール7の形成は、サイドウォール5の形成と同様に行われる。
【0034】
続いて、図3(3)に示すように、サイドウォール5,7が形成された溝3aの低部を覆う状態で、例えば膜厚1nm程度のゲート絶縁膜9を形成する。ここでは、熱酸化によって溝3aの底面にゲート絶縁膜9を形成するようにしても良く、溝3aの内壁全体を覆う形状に一体化したゲート絶縁膜9が成膜されても良い。
【0035】
次いで、溝3aの内部にゲート電極11を埋め込み形成する。この際、先ず、溝3aの内部が埋め込まれるまで半導体基板3上に単層または多層のゲート電極材料膜を形成し、次いでCMP、ドライエッチング、ウェットエッチング等により溝3a内のみにゲート電極材料膜を残して半導体基板3上のゲート電極材料膜を除去する。これにより、溝3a内にゲート電極材料膜を残してなるゲート電極11を形成する。
【0036】
その後、図3(4)に示すように、半導体基板3の表面層に所定の導電型の不純物を導入してソースS/ドレインDとなる第1拡散層13を形成する。ここでは、ゲート絶縁膜9の深さを越えない深さで不純物が導入されて第1拡散層13が形成されるように、加速電圧を調整したイオン注入を行うこととする。
【0037】
しかる後、図3(5)に示すように、1000℃程度の高温熱処理により、熱処理を行うことにより、サイドウォール5中の不純物を半導体基板3中に拡散させて低濃度拡散層(いわゆるエクステンション領域)となる第2拡散層15を形成する。この際、絶縁性サイドウォール7が設けられている場合であって、この絶縁性サイドウォール7中に不純物を含有させている場合には、この絶縁性サイドウォール7からも不純物を拡散させて第2拡散層15を形成する。この際、ソースS/ドレインD中の不純物が、サイドウォール5,7中を介してサイドウォール5,7の下方に拡散しても良い。
【0038】
また、この熱処理により、第1拡散層13中の第2拡散層15中の不純物が活性化され、第1拡散層13からなるソースS/ドレインDおよび低濃度拡散層15が形成される。
【0039】
以上により、図1を用いて説明した構成の半導体装置1を得ることができる。
【0040】
このような製造方法では、溝3aの側壁に形成したサイドウォール5,7からの不純物拡散によって、ソースS/ドレインDとチャネル形成部Aとの間の低濃度拡散層15が形成される。このため、サイドウォール5,7からの不純物拡散の程度によって、この低濃度拡散層15を所定の深さに制御良く形成することが可能である。また、絶縁性サイドウォール7を設けた場合に、この絶縁性サイドウォール7が不純物を含有するものである場合、低濃度拡散層15は、サイドウォール5,7からの不純物拡散によって形成されたものとなる。これにより、絶縁性サイドウォール7を設けた場合であっても、その膜厚ばらつきによって低濃度拡散層15のゲート絶縁膜9に対する形成位置がばらつくことを防止できる。
【0041】
尚、以上説明した製造方法において、低濃度拡散層15を形成するための不純物拡散は、図3(2)を用いて説明したようにサイドウォール5(場合によってはさらに絶縁性サイドウォール7)を形成した後であれば、ゲート絶縁膜9を形成する前、ゲート電極11を形成する前であっても良い。
【0042】
また、絶縁性サイドウォール7が設けられている場合であって、この絶縁性サイドウォール7から半導体基板3への不純物拡散を行う必要がない場合には、サイドウォール5を形成した後、上述したゲート絶縁膜9を形成し、次いで絶縁性サイドウォール7を形成する手順であっても良い。
【0043】
また、図2を用いて説明した構成の半導体装置を形成する場合には、図3(2)を用いて説明したようにサイドウォール5を形成した後で、ゲート絶縁膜9を形成する前に、溝3aの露出底部を更に掘り下げて凹部を形成する工程を追加する。また、第1拡散層13を形成する場合には、凹部の底部に形成されるゲート絶縁膜9よりも浅ければ、溝13aよりも深く第1拡散層13を形成しても良い。ただし、この場合、第1拡散層13を形成するためのイオン注入を行う前に、サイドウォール5からの不純物拡散による低濃度拡散層(第2拡散層)15の形成を行うことにより、第1拡散層13よりも深い低濃度拡散層15を形成することが重要である。
【0044】
<半導体装置の製造方法−2>
次に、本発明の半導体装置の製造方法の第2例を、図1を用いて説明した構成の半導体装置の製造を例にとって説明する。
【0045】
先ず、図4(1)に示すように、例えばp型の単結晶シリコンからなる半導体基板3の表面層の全面に、所定の導電型の不純物を導入してソースS/ドレインDとなる第1拡散層13を形成する。ここでは、後に形成するゲート絶縁膜の深さを越えない深さで不純物が導入されて第1拡散層13が形成されるように、加速電圧を調整したイオン注入を行うこととする。
【0046】
次に、図4(2)に示すように、半導体基板3に溝3aを形成する。この溝3aは、リソグラフィー技術及び異方性エッチング技術を用いて上述した所定形状で形成することとする。また、少なくとも第1拡散層13と同一深さかそれ以上の深さ溝3aを形成することとする。
【0047】
次に、図4(3)に示すように、溝3aの側壁に上述した不純物を含有するサイドウォール5を形成し、さらに必要に応じて絶縁性サイドウォール7を形成する。この工程は、先の製造方法の第1例で図3(2)を用いて説明したと同様に行う。
【0048】
続いて、図4(4)に示すように、ゲート絶縁膜9およびゲート電極11を形成する。この工程は、先の製造方法の第1例で図3(3)を用いて説明したと同様に行う。
【0049】
しかる後、図4(5)に示すように、サイドウォール5、さらには絶縁性サイドウォール中の不純物を半導体基板3中に拡散させて低濃度拡散層15となる第2拡散層を形成し、第1拡散層13内の不純物を活性化させたソースS/ドレインDを形成する。この工程は、この工程は、先の製造方法の第1例で図3(3)を用いて説明したと同様に行う。
【0050】
以上により、図1を用いて説明した構成の半導体装置1を得ることができる。
【0051】
このような製造方法であっても、溝3aの側壁に形成したサイドウォール5,7からの不純物拡散によって、ソースS/ドレインDとチャネル形成部Aとの間の低濃度拡散層15が形成される。このため、サイドウォール5,7からの不純物拡散の程度によって、この低濃度拡散層15を所定の深さに制御良く形成することが可能である。
【0052】
尚、以上説明した製造方法において、低濃度拡散層15を形成するための不純物拡散は、図4(3)を用いて説明したようにサイドウォール5(場合によってはさらに絶縁性サイドウォール7)を形成した後であれば、ゲート絶縁膜9を形成する前、ゲート電極11を形成する前であっても良い。
【0053】
また、絶縁性サイドウォール7が設けられている場合であって、この絶縁性サイドウォール7から半導体基板3への不純物拡散を行う必要がない場合には、サイドウォール5を形成した後、上述したゲート絶縁膜9を形成し、次いで絶縁性サイドウォール7を形成する手順であっても良い。
【0054】
また、図2を用いて説明した構成の半導体装置を形成する場合には、図4(3)を用いて説明したようにサイドウォール5を形成した後で、ゲート絶縁膜9を形成する前に、溝3aの露出底部を更に掘り下げて凹部を形成する工程を追加する。ただし、この場合であっても、第1拡散層13を溝3aよりも浅くなるように形成することで、溝3aの側壁に形成されるサイドウォール5,7を第1拡散層13よりも深くにまで配置し、サイドウォール5からの不純物拡散による低濃度拡散層15が第1拡散層13よりも深くなるようにすることが重要である。
【0055】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、溝ゲート構造の半導体装置において、ソース/ドレインとチャネル形成部との間に配置される低濃度拡散層を溝の側壁に設けたサイドウォールからの不純物拡散によって形成されたものとすることで、溝ゲート構造において位置精度良好にエクステンション領域となる低濃度拡散層を設けることが可能となる。この結果、溝ゲート型の半導体装置の高集積化、高速化の達成が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図2】本発明の半導体装置の他の構成を示す断面図である。
【図3】本発明の半導体装置の製造方法の第1例を示す断面工程図である。
【図4】本発明の半導体装置の製造方法の第2例を示す断面工程図である。
【図5】従来の溝ゲート構造の半導体装置の製造工程図である。
【符号の説明】
1,20…半導体装置、3…半導体基板、3a…溝、5…サイドウォール、7…絶縁性サイドウォール、9…ゲート絶縁膜、11…ゲート電極、13…第1拡散層、15…低濃度拡散層(第2拡散層)、A…チャネル形成部、S…ソース、D…ドレイン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a trench gate type MOS transistor in which a buried gate electrode is provided in a trench on a substrate surface and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the demand for higher integration and higher functionality of semiconductor devices, element structures have been miniaturized. Under such circumstances, in a semiconductor device having a conventional structure (so-called MOS transistor) in which a gate electrode is provided on a semiconductor substrate via a gate insulating film, a short channel effect (for example, a punch-through phenomenon) that becomes conspicuous by miniaturization, Limitation by increasing the impurity concentration or reducing the thickness of the gate insulating film has become a limit.
[0003]
Therefore, a semiconductor device having a structure in which a gate electrode is embedded in a groove formed in a surface layer of a semiconductor substrate to form a groove gate type has been proposed. Hereinafter, an example of a method for manufacturing a trench gate type semiconductor device will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 5A, after forming a
[0004]
As described above, a semiconductor device in which the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the semiconductor device configured as described above, the second diffusion layer serving as the extension region is formed by ion implantation through the through film. For this reason, the formation position and depth of the extension region are affected by the thickness of the through film and the energy of ion implantation, and it is difficult to form the extension region at an accurate position and depth with respect to the design value. This is a factor that hinders high integration and high speed of the trench gate type semiconductor device.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of providing an extension region with good positional accuracy in a trench gate structure and a manufacturing method thereof.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the semiconductor device of the present invention has a sidewall provided on a sidewall of a groove formed in a semiconductor substrate, and a gate insulating film provided on the bottom of the groove exposed from the sidewall. Thus, a gate electrode is embedded in the trench. The surface layer of the semiconductor substrate is provided with a source / drain disposed opposite to the gate electrode through the sidewall, and further between the source / drain and the channel formation portion below the gate insulating film, the sidewall is provided. A low concentration diffusion layer formed by impurity diffusion from the semiconductor substrate to the semiconductor substrate is provided.
[0008]
In the semiconductor device described above, the sidewall may be a conductive material. In this case, an insulating sidewall is provided on the sidewall of the groove via the sidewall.
[0009]
In the semiconductor device having such a configuration, the low-concentration diffusion layer is formed by impurity diffusion from the sidewall to the semiconductor substrate, so that the low-concentration diffusion layer has a degree of impurity diffusion from the sidewall. It is formed at the position and depth with only the factor as the factor.
[0010]
A method for manufacturing a semiconductor device is performed as follows. First, after forming a trench in the surface layer of the semiconductor substrate and forming a sidewall containing impurities on the sidewall of the trench, a gate insulating film is formed at the bottom of the trench, and a gate electrode is embedded in the trench. In such a process, a first diffusion layer serving as a source / drain is formed on the surface layer of the semiconductor substrate so as to be shallower than the formation position of the gate insulating film before the trench is formed or after the gate electrode is buried. . In addition, after forming the sidewall, a step of diffusing impurities in the sidewall into the semiconductor substrate to a position deeper than the first diffusion layer to form the second diffusion layer is performed.
[0011]
In the above manufacturing method, the sidewall may be made of a conductive material. In this case, after the sidewall is formed on the sidewall of the groove, the sidewall is insulated through the sidewall before the gate electrode is embedded. Forming a conductive sidewall.
[0012]
In such a manufacturing method, the second diffusion layer deeper than the first diffusion layer is formed by impurity diffusion from the sidewall formed on the sidewall of the groove. Here, since the first diffusion layer is formed at a depth not exceeding the gate insulating film at the bottom of the trench, the second diffusion layer is formed so as to be positioned between the first diffusion layer and the gate insulating film. Will be. The depth is adjusted only by the degree of impurity diffusion from the sidewall.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
<Semiconductor device>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor device of the present invention. The
[0015]
A
[0016]
When the
[0017]
On the other hand, when the
[0018]
When the
[0019]
Although the case where the insulating
[0020]
A
[0021]
A
[0022]
In addition, a source S / drain D is provided on the surface layer of the
[0023]
A low-concentration diffusion formed by impurity diffusion from the
[0024]
In the case where the insulating
[0025]
In the
[0026]
In the
[0027]
<Semiconductor device-2>
FIG. 2 shows a modification of the semiconductor device of the present invention. The difference between the semiconductor device 20 shown in this figure and the
[0028]
Even in the semiconductor device 20 having such a configuration, the low
[0029]
Even in the semiconductor device 20 having such a configuration, the depth of the source S / drain D may be a depth that does not exceed the
[0030]
<Semiconductor Device Manufacturing Method-1>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described by taking an example of manufacturing a semiconductor device having the structure described with reference to FIG.
[0031]
First, as shown in FIG. 3A, a
[0032]
Next, as shown in FIG. 3B, the
[0033]
Next, a process of forming the insulating
[0034]
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a
[0035]
Next, a
[0036]
Thereafter, as shown in FIG. 3 (4), impurities of a predetermined conductivity type are introduced into the surface layer of the
[0037]
Thereafter, as shown in FIG. 3 (5), by performing the heat treatment at a high temperature of about 1000 ° C., the impurities in the
[0038]
Further, by this heat treatment, the impurities in the
[0039]
As described above, the
[0040]
In such a manufacturing method, the low
[0041]
In the manufacturing method described above, the impurity diffusion for forming the low-
[0042]
Further, in the case where the insulating
[0043]
In the case of forming the semiconductor device having the structure described with reference to FIG. 2, after the
[0044]
<Semiconductor Device Manufacturing Method-2>
Next, a second example of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described by taking an example of manufacturing a semiconductor device having the configuration described with reference to FIG.
[0045]
First, as shown in FIG. 4A, a first conductivity impurity is introduced into the entire surface layer of a
[0046]
Next, as shown in FIG. 4 (2), a
[0047]
Next, as shown in FIG. 4 (3), the
[0048]
Subsequently, as shown in FIG. 4D, a
[0049]
Thereafter, as shown in FIG. 4 (5), the second diffusion layer to be the low
[0050]
As described above, the
[0051]
Even in such a manufacturing method, the low
[0052]
In the manufacturing method described above, the impurity diffusion for forming the low-
[0053]
Further, in the case where the insulating
[0054]
In the case of forming the semiconductor device having the structure described with reference to FIG. 2, after the
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor device and the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention, in the semiconductor device having the trench gate structure, the low-concentration diffusion layer disposed between the source / drain and the channel forming portion is disposed on the sidewall of the trench. Thus, it is possible to provide a low-concentration diffusion layer serving as an extension region with good positional accuracy in the trench gate structure. As a result, it is possible to achieve high integration and high speed of the trench gate type semiconductor device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing another configuration of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional process diagram illustrating a first example of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional process diagram illustrating a second example of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 5 is a manufacturing process diagram of a conventional semiconductor device having a trench gate structure;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記溝の側壁に設けられたサイドウォールと、
前記サイドウォールから露出する前記溝の底部に設けられたゲート絶縁膜と、前記サイドウォールおよびゲート絶縁膜を介して前記溝内に埋め込み形成されたゲート電極と、
前記半導体基板の表面層に前記サイドウォールを介して前記ゲート電極と対向配置されたソース/ドレインと、
前記ソース/ドレインと前記ゲート絶縁膜下方におけるチャネル形成部との間に設けられた低濃度拡散層とを備え、
前記低濃度拡散層が前記サイドウォールから前記半導体基板への不純物拡散によって形成されたものであることを特徴とする半導体装置。A semiconductor substrate having grooves formed thereon;
A sidewall provided on the sidewall of the groove;
A gate insulating film provided at the bottom of the trench exposed from the sidewall, and a gate electrode embedded in the trench via the sidewall and the gate insulating film;
A source / drain disposed opposite to the gate electrode on the surface layer of the semiconductor substrate via the sidewall;
A low-concentration diffusion layer provided between the source / drain and a channel formation portion below the gate insulating film,
The semiconductor device, wherein the low-concentration diffusion layer is formed by impurity diffusion from the sidewall to the semiconductor substrate.
前記サイドウォールは導電性材料からなり、
前記溝の側壁には、前記サイドウォールを介して絶縁性サイドウォールが設けられていることを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 1,
The sidewall is made of a conductive material,
An insulating sidewall is provided on the sidewall of the groove via the sidewall.
前記低濃度拡散層が前記サイドウォールおよび前記絶縁性サイドウォールから前記半導体基板への不純物拡散によって形成されたものであることを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 2,
The semiconductor device, wherein the low concentration diffusion layer is formed by impurity diffusion from the sidewall and the insulating sidewall to the semiconductor substrate.
前記溝の側壁に不純物を含有するサイドウォールを形成する第2工程と、
前記サイドウォールが形成された溝の底部にゲート絶縁膜を形成する第3工程と、
前記ゲート絶縁膜が形成された前記溝内にゲート電極を埋め込み形成する第4工程と、
前記第1工程の前または前記第4工程の後に、前記半導体基板の表面層に前記ゲート絶縁膜の形成位置よりも浅くなるようにソース/ドレインとなる第1拡散層を形成する第5工程と、
前記第2工程の後に、前記第1拡散層よりも深くなる位置まで前記サイドウォール中の不純物を前記半導体基板中に拡散させて第2拡散層を形成する第6工程とを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。A first step of forming grooves in the surface layer of the semiconductor substrate;
A second step of forming a side wall containing impurities on the side wall of the groove;
A third step of forming a gate insulating film at the bottom of the trench in which the sidewall is formed;
A fourth step of embedding and forming a gate electrode in the trench in which the gate insulating film is formed;
A fifth step of forming a first diffusion layer serving as a source / drain on the surface layer of the semiconductor substrate before the first step or after the fourth step so as to be shallower than the formation position of the gate insulating film; ,
And a sixth step of forming a second diffusion layer by diffusing impurities in the sidewall into the semiconductor substrate to a position deeper than the first diffusion layer after the second step. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記サイドウォールは導電性材料からなり、
前記第2工程の後で前記第4工程の前に、前記溝の側壁に前記サイドウォールを介して絶縁性サイドウォールを形成する工程を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 4,
The sidewall is made of a conductive material,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising performing a step of forming an insulating sidewall on the side wall of the groove via the sidewall after the second step and before the fourth step.
前記第2工程と第3工程との間に、前記溝の側壁に前記サイドウォールを介して絶縁性サイドウォールを形成する工程を行い、
前記第3工程の後に、前記第1拡散層よりも深くなる位置まで前記サイドウォールおよび前記絶縁性サイドウォール中の不純物を前記半導体基板中に拡散させて第2拡散層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 4,
Between the second step and the third step, performing a step of forming an insulating sidewall on the sidewall of the groove via the sidewall,
After the third step, the second diffusion layer is formed by diffusing impurities in the sidewall and the insulating sidewall to a position deeper than the first diffusion layer in the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device.
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|---|---|---|---|---|
| KR100596833B1 (en) | 2005-03-18 | 2006-07-04 | 주식회사 하이닉스반도체 | Manufacturing Method of Semiconductor Device |
| CN104167357A (en) * | 2013-05-17 | 2014-11-26 | 中国科学院微电子研究所 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
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2003
- 2003-06-25 JP JP2003180603A patent/JP2005019584A/en active Pending
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| US7332397B2 (en) | 2005-03-18 | 2008-02-19 | Hynix Semiconductor Inc. | Method for fabricating semiconductor device |
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