電界効果トランジスタを備える半導体素子及びその製造方法
【課題】電界効果トランジスタを備える半導体素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子と、前記第1FET素子上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第2ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子と、を備える。
【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子と、前記第1FET素子上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第2ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子及びその製造方法に係り、特に、電界効果トランジスタ(FET)素子及びFET素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体素子のサイズが持続的に減少するにつれて、既存のMOSFET(Metal Oxide SemiconductorFET)素子を信頼して代替できる素子が要求されている。そのうち一つがFinFET素子であるが、この素子は、減少した漏れ電流及び高い駆動電流の特性を有することが知られている。例えば、セルにNMOS及びPMOSが同時に存在するデュアルゲート構造であるSRAMで、NMOSとPMOSとをそれぞれ代替して、n型FinFETとp型FinFETとを形成する方法に関し、特許文献1に開示されている。
【0003】
しかし、製造工程上の問題によって、FinFET素子をメモリチップ内に具現し難い。特に、ゲートがフィンの両側面と上面とを包んでいるトリゲート構造のFinFETの場合、不純物をドーピングし難い。これは、垂直角度でイオンを注入することによって、上面ゲートに対して両側面ゲートに不純物が十分にドーピングされないので、両側面ゲートの空乏が深化されるためである。このような問題及び他の製造工程上の問題によって、FinFET基盤のメモリ素子の具現に限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許第6,657,259号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明が解決しようとする課題は、半導体素子の性能低下なしに、セル領域には、FinFETを備え、周辺回路領域には、MOSFETを備える半導体素子の製造方法を提供するところにある。
【0006】
本発明が解決しようとする他の課題は、相異なる導電型のFETを備える高集積の半導体素子を提供するところにある。
【0007】
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、半導体素子の性能低下なしに、相異なる導電型のFETを備える半導体素子の製造方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様によれば、セル領域と周辺回路領域とを有する半導体基板を提供する工程、前記半導体基板の前記セル領域及び前記周辺回路領域上に、マスク膜を形成する工程、前記マスク膜内に第1開口部を形成して、前記半導体基板の前記セル領域の第1ゲート領域を露出させた後、前記第1開口部内にダマシン方法でFinFETゲート電極を形成して、FinFETゲートを形成する工程、及び前記マスク膜内に第2開口部を形成して、前記半導体基板の前記周辺回路領域の第2ゲート領域を露出させた後、前記第2開口部内にダマシン方法でMOSFETゲート電極を形成して、MOSFETゲートを形成する工程を含む半導体素子の製造方法が提供される。
【0009】
本発明の他の態様によれば、半導体基板のセル領域上に、第1物質から形成されたFinFETゲート電極をダマシン方法で形成する工程、及び前記半導体基板の周辺回路領域上に、第2物質から形成されたMOSFETゲート電極をダマシン方法で形成する工程を含む半導体素子の製造方法が提供される。
【0010】
本発明のさらに他の態様によれば、半導体基板、前記半導体基板上に形成され、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子、前記第1FET素子上に形成された層間絶縁膜、及び前記層間絶縁膜上に形成され、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第2ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子を備える半導体素子が提供される。
【0011】
本発明のさらに他の態様によれば、半導体基板上に、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子を形成する工程、前記第1FET素子上に層間絶縁膜を形成する工程、及び前記層間絶縁膜上に、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第2ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子を形成する工程を含む半導体素子の製造方法が提供される。
【0012】
本発明のさらに他の態様によれば、セル領域と周辺回路領域とを有する半導体基板を提供する工程、前記半導体基板の前記セル領域及び前記周辺回路領域上に、マスク膜を形成する工程、第1開口部を前記マスク膜内に形成して、前記半導体基板の前記セル領域の第1ゲート領域を露出させた後、前記第1開口部内にダマシン方法で第1FinFETゲート電極を形成して、第1FinFETゲートを形成する工程、第2開口部を前記マスク膜内に形成して、前記半導体基板の前記周辺回路領域の第2ゲート領域を露出させた後、前記第2開口部内にダマシン方法でMOSFETゲート電極を形成して、MOSFETゲートを形成する工程、前記第1FinFETゲートの両側に第1ソース/ドレイン領域を形成して、第1FinFETを定義する工程、前記MOSFETゲートの両側に第2ソース/ドレイン領域を形成して、MOSFETを定義する工程、前記第1FinFET及びMOSFET上に層間絶縁膜を形成する工程、及び前記層間絶縁膜上に、第2FinFETゲート電極を有し、前記第1FinFETと積層される第2FinFETを形成する工程を含む半導体素子の製造方法が提供される。
【0013】
本発明のさらに他の態様によれば、半導体基板のセル領域上に、第1物質から形成された第1FinFETゲート電極をダマシン方法で形成する工程、前記半導体基板の周辺回路領域上に、第2物質から形成されたMOSFETゲート電極をダマシン方法で形成する工程、及び層間絶縁膜を介して前記第1FinFETゲート電極上に積層され、第3物質から形成された第2FinFETゲート電極を形成する工程を含む半導体素子の製造方法が提供される。
【0014】
本発明のさらに他の態様によれば、セル領域と周辺回路領域とを有する半導体基板、前記半導体基板の前記セル領域内に形成され、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子、前記周辺回路領域上に位置し、第2ゲート電極を有するMOSFET素子、前記第1FET素子及びMOSFET素子上に形成された層間絶縁膜、及び前記層間絶縁膜上に形成され、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第3ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子を備える半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【0015】
本発明は、SRAMのように相異なる二つの導電型のFinFETを備える素子において、異なる導電型を有したFinFETを基板の同一な平面上に形成する代わりに、垂直に積層することによって、基板の使用面積を減少できるので、さらに高集積化が可能である。
【0016】
また、第1導電型FinFETと第2導電型FinFETとを形成するときに、それぞれの特性に合う相異なる種類のゲート導電層を適用して、FinFETの特性を大きく向上させることができる。
【0017】
ダマシンゲート工程を適用する場合、従来のゲート導電層のエッチングによる難しさを解決でき、これと共に、既存のFinFET工程を適用して活性領域の全体をフィンで作る場合、減った活性領域の幅によって、ソース/ドレインの直列抵抗が増加し、また、コンタクトの形成及びシリサイド工程の難しさが発生して素子の劣化を引き起こすという問題を共に解決できる。すなわち、既存工程の大きい変化なしに、FinFETの長所、すなわち活性領域幅の増加による素子電流の増加効果及びダマシンゲートの長所(例えば、局部的なチャンネルのイオン注入を適用して、接合静電容量を減少させることができる)を共に有した素子を製作できる。
【0018】
一方、従来のFinFETは、通常、SOI(Silicon On Insulator)基板を利用して製作するが、これは、ウェーハコストが高く、SOI MOSFET素子で可能なフローティングボディ効果やドレイン/ソース間の降伏電圧降下、オフ電流の増加を引き起こし、基板に熱伝導がよくならないという問題がある。しかし、本発明では、SOI基板の代りに、バルクシリコン基板を使用できるので、このような問題を解決できる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法で、製造する半導体素子のレイアウトの概略図である。
【図2A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図2B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図3A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図3B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図4A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図4B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図5A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図5B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図6A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図6B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図7A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図7B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図8A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図8B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図9A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図9B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図10A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図10B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図11】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図12】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図13】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図14】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図15】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図16】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図17】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図18】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図19】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図20A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図20B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図21A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図21B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図22A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図22B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図23A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図23B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図24A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図24B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図25A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図25B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図26A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図26B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図27A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図27B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図28A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図28B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図29A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図29B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図30A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図30B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図31A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図31B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図32A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図32B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、相異なる多様な形態で具現され、単に本実施形態は、本発明の開示を完全にし、当業者に発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、特許請求の範囲により定義されるだけである。明細書の全体にわたって、同一な参照符号は同一な構成要素を指称する。
【0021】
本発明は、セル領域には、FinFETを備え、周辺回路領域には、MOSFETを備える半導体素子の製造方法を提供する。本発明は、また、セル領域に相異なる導電型のFinFETを備える半導体素子及びその製造方法を提供する。この半導体素子の周辺回路領域には、望ましくは、MOSFETを備え、MOSFETの代りにFinFETを備えることもある。
【0022】
第1実施形態
図1は、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法で製造しようとする半導体素子のレイアウトの概略図である。図1に示すように、この半導体素子は、セル領域と周辺回路領域とを有する。また、説明のために、行(X)方向は、図面で横に伸張し、列(Y)方向は、図面で縦に伸張する。
【0023】
この半導体素子は、セル領域にFinFETを備え、周辺回路領域にMOSFETを備える。図1に示すように、活性領域35が、セル領域と周辺回路領域とで横X方向に伸張し、素子分離膜30により定義されている。セル領域の素子分離膜30及び活性領域35上には、縦Y方向に伸張するFinFETゲート電極65aが形成されている。FinFETゲート電極65a側の活性領域35内には、FinFETソース/ドレイン領域(図示せず)が形成される。周辺回路領域の素子分離膜30及び活性領域35上には、縦Y方向に伸張するMOSFETゲート電極85aが形成されている。MOSFETゲート電極85a側の活性領域35内には、MOSFETソース/ドレイン領域(図示せず)が形成される。
【0024】
図2Aないし図10Bは、本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図2A、図3A、図4A、図5A、図6A、図7A、図8A、図9A及び図10Aは、図1のa−a’(X方向)断面に対応し、図2B、図3B、図4B、図5B、図6B、図7B、図8B、図9B及び図10Bは、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する。
【0025】
まず、図2A及び図2Bに示すように、半導体基板10、望ましくは、バルクシリコン基板内に素子分離膜30を形成する。活性領域35は、素子分離膜30が形成されていない部分の半導体基板10の表面領域と定義される。
【0026】
ここで、素子分離膜30は、トレンチ素子分離膜で形成でき、通常、次のような方法で形成できる。例えば、半導体基板10の所定部分をエッチングして、素子分離用トレンチ15を形成する。半導体基板10のエッチングには、例えばHBrまたはCl2のようなハロゲンガスと酸素とを混合して使用するドライエッチングを利用する。次いで、トレンチ15の内壁に絶縁膜ライナー20を形成する。絶縁膜ライナー20は、トレンチ15のエッチング時の損傷を補完し、トレンチ15に埋め込まれる酸化膜との応力を調節できるように、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはそれらの積層膜で形成でき、省略してもよい。このときのシリコン酸化膜は、熱酸化方式で形成する。次いで、トレンチ15を充填するギャップフィル酸化膜25を蒸着する。ギャップフィル酸化膜25の蒸着には、例えばHDP(High Density Plasma)−CVDを利用する。次いで、半導体基板10上に形成されているギャップフィル酸化膜25及び絶縁膜ライナー20の部分を除去して、基板10内に埋め込まれた素子分離膜30を完成する。
【0027】
次に、図3A及び図3Bに示すように、半導体基板10上にマスク膜50を形成する。本実施形態において、マスク膜50は、マスク酸化膜40とマスク窒化膜45との積層膜で形成する。マスク酸化膜40は、熱酸化方式で形成し、マスク窒化膜45は、低圧CVD(LPCVD)で形成できる。マスク膜50の厚さは、FinFETゲート電極の高さを考慮して決定する。
【0028】
次いで、セル領域のマスク膜50をエッチングして、FinFETゲート形成領域55を定義する。周辺回路領域は、マスク膜50で覆われたままで置く。次いで、FinFETゲート形成領域55内に露出されている素子分離膜30、すなわち絶縁膜ライナー20とギャップフィル酸化膜25とを所定厚さにエッチングして、活性領域35を素子分離膜30’より突出させて、いわゆるフィン35’を形成する。絶縁膜ライナー20とギャップフィル酸化膜25とのエッチングには、ドライエッチングまたはウェットエッチングを利用する。
【0029】
次に、図4A及び図4Bに示すように、露出されたFinFETゲート形成領域(図3Aの55)内の半導体基板10、すなわちフィン(図3Bの35’)の表面に沿ってFinFETゲート酸化膜60を形成する。FinFETゲート酸化膜60は、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。次いで、マスク膜50上にFinFETゲート導電層65を形成して、FinFETゲート形成領域(図3Aの55)を充填する。FinFETゲート導電層65は、アンドープトポリシリコン膜で形成した後、後続工程で適切にドーピングして使用することもあるが、フィン(図3Bの35’)による段差のため、イオン注入時に均一にドーピングされないことを考慮すれば、インシチュ(in situ)ドープトポリシリコン膜で形成することが望ましい。例えば、インシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成する。代りに、FinFETゲート導電層65は、SiGeでも形成できる。FinFETゲート導電層65は、金属であることもある。
【0030】
図5A及び図5Bに示すように、マスク膜50の上面が露出されるまで、FinFETゲート導電層65を平坦化させて、FinFETゲート形成領域(図3Aの55)内にダマシン方法でFinFETゲート電極65aを形成する。これにより、FinFETゲート酸化膜60上にフィン35’を包みつつ、上面が平坦なFinFETゲート電極65aが形成される。FinFETゲート導電層65の平坦化には、CMPを利用できる。これにより、FinFETゲート電極65aは、FinFETゲート酸化膜60を介して活性領域、特にフィン35’の三面に接する。
【0031】
従来には、FinFETの形成において、ゲート電極形成時にフィン形成で発生するゲート導電層の段差問題、これによるゲート導電層の露光問題及びエッチング問題がある。特に、ゲート導電層のエッチングを通じて、ゲート電極の形成工程を進めるとき、最後のエッチング阻止膜でゲート酸化膜が使われるが、FinFETの場合は、フィンにより発生するゲート導電層の段差によって、ゲート導電層の絶対的なエッチング量が増加するだけでなく、フィン周囲にゲート導電層の残留物がスペーサで形成される可能性が高い。
【0032】
しかし、本発明のように、ダマシンゲート工程を適用する場合、このようなゲート導電層のエッチングによる難しさを解決でき、これと共に、既存のFinFET工程を適用して活性領域の全体をフィンで作る場合、減った活性領域の幅によって、ソース/ドレインの直列抵抗が増加し、また、コンタクトの形成及びシリサイド工程の難しさが発生して素子の劣化を引き起こすという問題を共に解決できる。すなわち、既存工程の大きい変化なしに、FinFETの長所、すなわち活性領域幅の増加による素子電流の増加効果及びダマシンゲートの長所(例えば、局部的なチャンネルのイオン注入を適用して、接合静電容量を減少させることができる)を共に有した素子を製作できる。
【0033】
次いで、図6A及び図6Bに示すように、後続工程からFinFETゲート電極65aを保護できる保護膜70、例えばHDP−CVD酸化膜を半導体基板10の全面に蒸着する。保護膜70の蒸着は、選択的な事項であり、省略してもよい。保護膜70は、PEOXまたはPE−TEOS(PE−Tetra Ethyl Ortho Silicate)酸化膜で形成してもよい。PEOXは、SiH4とO2(またはN2O)との反応を利用し、PE−TEOSは、Si(OC2H5)4とO2との反応を利用する。しかし、保護膜70の種類が必ずしもこれに限定されるものではなく、CVD、LPCVD、あるいはSOD(Spin On Deposition)によってもよい。
【0034】
次いで、図7A及び図7Bに示すように、周辺回路領域の保護膜70とマスク膜50とをエッチングして、MOSFETゲート形成領域75をオープンする。セル領域は、保護膜70で覆われたままで置く。次いで、MOSFETゲート形成領域70内の半導体基板10上に、MOSFETゲート酸化膜80を形成する。MOSFETゲート酸化膜80も、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。
【0035】
次いで、図8A及び図8Bに示すように、保護膜70上にMOSFETゲート導電層85を形成して、MOSFETゲート形成領域(図7Aの75)を充填する。MOSFETゲート導電層85は、FinFETゲート導電層65と種類を異ならせることが可能である。特に、アンドープトポリシリコン膜で形成して、後続的に導電型に合うようにイオン注入を実施することが望ましい。しかし、MOSFETゲート導電層85の形成に、他の方法を利用することもある。MOSFETゲート導電層85は、金属であってもよい。
【0036】
図9A及び図9Bに示すように、マスク膜50の上面が露出されるまで、MOSFETゲート導電層85を平坦化させて、MOSFETゲート形成領域(図7Aの75)内にMOSFETゲート電極85aをダマシン方法で形成する。MOSFETゲート導電層85の平坦化には、CMPを利用できる。
【0037】
次に、図10A及び図10Bに示すように、マスク膜50を除去した後、適切なイオン注入工程を実施して、ゲートのドーピング及びソース/ドレイン領域を形成する。マスク窒化膜45の除去には、燐酸ストリップを利用でき、マスク酸化膜40の除去には、HF希釈液やBOE溶液を利用したウェットエッチングを利用できる。半導体基板10の表面保護のために、マスク酸化膜40は、除去せずに残すこともある。
FinFETゲート電極65aをインシチュドープトポリシリコン膜で形成した場合には、FinFETゲートをドーピングする必要なく、FinFETゲート電極65aの両側にFinFETソース/ドレイン領域90を形成する。FinFETをいずれもn型で形成する場合には、FinFETゲート電極65aをインシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成した後、ここでは、n型FinFETソース/ドレインのみを形成すればよいが、p型FinFETも基板上に共に形成する場合には、n型、p型による適切なイオン注入のマスクを利用して、適正なトーパントでドーピングする。例えば、B、In、Gaなどを注入して、n型FinFETソース/ドレイン領域を形成し、P、As、Sbなどを注入して、p型FinFETゲートをドーピングした後、p型FinFETソース/ドレイン領域を形成する。この際、p型FinFETのスレショルド電圧の増加を防止するために、p型FinFETチャンネルの方にカウンタのドーピングを実施することが望ましい。
【0038】
一方、MOSFETゲート電極85aについても、n型、p型による適切なイオン注入マスクを利用してゲートをドーピングする。次いで、MOSFETゲート電極85aの両側に、MOSFETソース/ドレイン領域95を形成する。FinFETソース/ドレイン領域90及びMOSFETドレイン領域95は、LDD(Lightly Doped Drain)タイプに形成することもあり、その場合、高濃度(E15/cm2レベル)のイオン注入と低濃度(E12/cm2〜E13/cm2レベル)のイオン注入との間に、FinFETゲート電極65a及びMOSFETゲート電極85aの側壁に、スペーサを形成する工程を追加する必要がある。
【0039】
本実施形態では、FinFETゲート電極65aをMOSFETゲート電極85aより先に形成する例を挙げたが、MOSFETゲート電極85aをFinFETゲート電極65aより先に形成することもあるということを、本明細書の記載から当業者であれば分かることである。
【0040】
第2実施形態
図11ないし図19は、本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。本実施形態では、相異なる導電型のFET素子、例えばFinFETが垂直に積層された構造を含む半導体素子及びその製造方法を説明する。例えば、図1のセル領域のレイアウトのようなFinFETを、いずれも第1導電型で半導体基板上に形成した後、その上部に、第2導電型FinFETを形成する。本実施形態では、第1導電型がn型であり、第2導電型がp型であるが、それらが互いに変わることができる。
【0041】
図11ないし図19で左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、各図面の右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する。この際、周辺回路領域は、第1実施形態のように、MOSFETを備えるように形成してもよく、セル領域と類似している方法で垂直積層されたFinFETで形成することもある。セル領域にFinFETを垂直積層しつつ、周辺回路領域にMOSFETを形成する方法は、次の第3実施形態で後述する。
【0042】
本発明は、FinFETを備えるいかなる種類の半導体素子にも応用できる。本実施形態は、特にSRAMセルの設計及び製造方法に関する。SRAMで2つのNMOSと2つのPMOSとは、ストレージセルを形成し、他の2つのNMOSは、ストレージセルとビットラインとの連結を制御するパスゲートトランジスタとして利用される。本発明では、SRAMのNMOSとPMOSを、それぞれn型FinFETとp型FinFETに代替する。パスゲートトランジスタとして使われるn型FinFET、及びストレージセルとして使われるn型FinFETをいずれも下層に形成した後、ストレージセルとして使われるp型FinFETをn型FinFETの上層に形成する。もちろん、これと逆に、p型FinFETをいずれも下層に形成した後、n型FinFETをいずれもその上層に形成することもある。
【0043】
まず、図11に示すように、半導体基板110、望ましくは、バルクシリコン基板内に素子分離膜130を形成して、素子分離膜130が形成されていない部分を第1活性領域135と定義する。素子分離膜130の形成方法は、前記第1実施形態と同一に可能である。すなわち、半導体基板110の所定部分をエッチングして、素子分離用トレンチ115を形成した後、トレンチ115の内壁に絶縁膜ライナー120を形成し、トレンチ115を充填するギャップフィル酸化膜125を形成した後、基板110内に埋め込めて素子分離膜130を完成する。
【0044】
次に、図12に示すように、半導体基板110上にマスク膜150を形成する。マスク膜150は、マスク酸化膜140とマスク窒化膜145との積層膜で形成する。次いで、マスク膜150をエッチングして、第1ゲート形成領域155(第1導電型FinFETゲート形成領域)をオープンする。次いで、第1導電型FinFETゲート形成領域155内に露出されている素子分離膜130、すなわち絶縁膜ライナー120とギャップフィル酸化膜125とを所定厚さにエッチングして、第1活性領域135を素子分離膜130’より突出させてフィン135’を形成する。
【0045】
次に、図13に示すように、露出された第1ゲート形成領域(図12の155)内の半導体基板110、すなわちフィン(図12の135’)上に、フィンの表面に沿って第1ゲート酸化膜160(第1導電型FinFETゲート酸化膜)を形成する。第1ゲート酸化膜160は、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。次いで、マスク膜150上に第1ゲート導電層165(第1導電型FinFETゲート導電層)を形成して、第1ゲート形成領域(図12の155)を充填する。ここで、第1ゲート導電層165は、インシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成することが望ましい。
【0046】
図14に示すように、マスク膜150の上面が露出されるまで、第1ゲート導電層165をCMPなどの方法で平坦化させて、第1ゲート形成領域(図12の155)内にダマシン方法で第1ゲート電極165a(第1導電型FinFETゲート電極)を形成する。しかし、第1ゲート電極165aの形成方法は、ここに説明したダマシン方法に限定されるものではなく、従来のフィン形成、ゲート導電層の形成及びゲート導電層のパターニングのような方式により形成されることもある。
【0047】
次に、図15に示すように、マスク膜150を除去した後、適切なイオン注入工程を実施して、ゲートのドーピング及び第1ソース/ドレイン領域170(第1導電型FinFETソース/ドレイン領域)を形成する。第1ゲート電極165aをインシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成した場合には、FinFETゲートをドーピングする必要なく、セル領域に第1ソース/ドレイン領域170を形成する。第1ソース/ドレイン領域170は、LDDタイプに形成することもあり、その場合、第1ゲート電極165aの側壁にスペーサを形成する工程を追加する必要がある。
【0048】
次に、図16に示すように、HDP−CVD酸化膜のような層間絶縁膜175を基板110の全面に形成する。次いで、第1ソース/ドレイン領域170のうち、いずれか一つを露出させるホール180を形成する。
【0049】
次に、図17に示すように、ホール180を通じて露出された第1ソース/ドレイン領域170から、シリコンの選択エピタキシャル成長(Selective Epitaxial Growth:SEG)を進めて、層間絶縁膜175の上層までシリコン層を形成した後、適切な形態でパターニングして、第2導電型FinFET形成のためのフィン状の第2活性領域185を形成する。
【0050】
次に、図18に示すように、第2活性領域185上に第2ゲート酸化膜190(第2導電型FinFETゲート酸化膜)を形成する。第2ゲート酸化膜190は、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。次いで、第2ゲート導電層195(第2導電型FinFETゲート導電層)を形成する。ここで、第2ゲート導電層195は、第1ゲート導電層165と物質の種類を異ならせることが可能であるので、導電型に適した物質を選択できる。例えば、第2ゲート導電層195は、インシチュp+ドープトポリシリコンで形成することもあるが、アンドープトポリシリコンで形成した後、後続工程で適切にドーピングして使用することが望ましい。
【0051】
次に、図19に示すように、第2ゲート導電層195をパターニングして、第2ゲート電極195a(第2導電型FinFETゲート電極)を形成する。次いで、適切なイオン注入工程を実施してゲートをドーピングし、第2ゲート電極195aの両側に第2ソース/ドレイン領域200(第2導電型FinFETソース/ドレイン領域)を形成する。第2ゲート電極195aをインシチュp+ドープトポリシリコン膜で形成した場合には、FinFETゲートをドーピングする必要なく、第2活性領域185に第2ソース/ドレイン領域200を形成する。第2ゲート電極195aをアンドープトポリシリコン膜で形成した場合には、ゲートを先にドーピングした後、第2ソース/ドレイン領域200を形成する。第2ソース/ドレイン領域200は、LDDタイプに形成することもあり、その場合、第2ゲート電極195aの側壁にスペーサを形成する工程を追加する必要がある。
【0052】
一方、本実施形態では、第1導電型FinFETをダマシン方法で形成し、第2導電型FinFETは、一般的なゲートパターニング方法で形成する例を説明したが、第1導電型FinFETを一般的なゲートパターニング方法で形成することもあり、第2導電型FinFETをダマシン方法で形成することもある。第1導電型FinFET及び第2導電型FinFETをSEGシリコンで連結させて、上下垂直に積層すればよく、その細部的なゲートの形成方法に限定されるものではない。
【0053】
図19に示すように、本発明による半導体素子は、第1導電型FinFET及び第1導電型FinFET上に積層された第2導電型FinFETを備える。積層された第1及び第2導電型FinFETは、半導体基板110のセル領域に形成されている。第1導電型FinFETは、第1活性領域135に形成された第1ゲート酸化膜160、第1ゲート電極165a及び第1ソース/ドレイン領域170を備える。第1ゲート電極165aは、第1活性領域135の上面及び向き合う側面を経て伸張する。第1導電型FinFET上には、層間絶縁膜175が形成されている。そして、第2活性領域185は、層間絶縁膜175を貫通して第1ソース/ドレイン領域170と連結され、層間絶縁膜175上に形成されている。第2導電型FinFETは、この第2活性領域185上に形成された第2ゲート酸化膜190、第2ゲート電極195a及び第2ソース/ドレイン領域200を備える。第2ゲート電極195aは、第2活性領域185の上面及び向き合う側面を経て伸張する。
【0054】
第1導電型FinFETは、ダマシン方法で形成されるので、半導体基板110は、半導体基板110より低い素子分離膜130’を備え、第1活性領域135は、素子分離膜130’より突出されて、フィン135’をなしており、第1導電型FinFETゲート酸化膜160は、このフィン135’の表面に沿って形成されている。そして、第1導電型FinFETゲート電極165aは、フィン135’を包みつつ上面が平坦である。そして、第2活性領域185は、第1導電型FinFETソース/ドレイン領域170からのSEGシリコン層である。
【0055】
このように本発明によれば、セル領域に相異なる導電型のFinFETを形成するときに、下層FinFETは、いずれも第1導電型で形成し、上層FinFETは、いずれも第2導電型で形成する。例えば、SRAMでストレージセルを構成する2つのNMOS及び2つのPMOS、ストレージセルとビットラインとの連結を制御するパスゲートトランジスタとして利用される他の2つのNMOSをFinFETに代替して、パスゲートトランジスタとして使われるn型FinFETと、ストレージセルとして使われるn型FinFETとをいずれも下層に形成した後、ストレージセルとして使われるp型FinFETをn型FinFETの上層に形成する。
【0056】
このように、相異なる2つの導電型のFinFETを備える素子において、異なる導電型を有したFinFETを基板の同一な平面上に形成する代わりに、垂直に積層することによって、基板の使用面積を減少できるので、セルの面積を縮少することによって、さらに高集積化が可能である。また、第1導電型FinFETと第2導電型FinFETとを形成するとき、それぞれの特性に合う相異なる種類のゲート導電層を適用して、FinFETの特性を大きく向上させることができる。
【0057】
第3実施形態
図20Aないし図32Bは、本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。本実施形態では、セル領域に相異なる導電型のFinFETが垂直に積層された構造であり、周辺回路領域には、MOSFETを備える半導体素子の製造方法を説明する。例えば、本実施形態による半導体素子は、セル領域にn型FinFET及びその上部に積層されたp型FinFETを備える。
【0058】
図20A、図21A、図22A、図23A、図24A、図25A、図26A、図27A、図28A、図29A、図30A、図31A及び図32Aの左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、図20A、図21A、図22A、図23A、図24A、図25A、図26A、図27A、図28A、図29A、図30A、図31A及び図32Aの右側は、図1の周辺回路領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、図20B、図21B、図22B、図23B、図24B、図25B、図26B、図27B、図28B、図29B、図30B、図31B及び図32Bの左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、図20B、図21B、図22B、図23B、図24B、図25B、図26B、図27B、図28B、図29B、図30B、図31B及び図32Bの右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する。
【0059】
まず、図20A及び図20Bに示すように、半導体基板210、望ましくは、バルクシリコン基板内に素子分離膜230を形成して、素子分離膜230が形成されていない部分を第1活性領域235と定義する。素子分離膜230は、また、セル領域及び周辺回路領域も定義する。
【0060】
ここで、素子分離膜230の形成方法は、前記第1実施形態と同様にできる。すなわち、半導体基板210の所定部分をエッチングして、素子分離用トレンチ215を形成した後、トレンチ215の内壁に絶縁膜ライナー220を形成し、トレンチ215を充填するギャップフィル酸化膜225を形成した後、基板210内に埋め込んで素子分離膜230を完成する。
【0061】
次に、図21A及び図21Bに示すように、半導体基板210上にマスク酸化膜240とマスク窒化膜245とを積層して、マスク膜250を形成する。次いで、マスク膜250をエッチングして、第1ゲート形成領域255をオープンする。次いで、第1ゲート形成領域255内に露出されている素子分離膜230、すなわち絶縁膜ライナー220とギャップフィル酸化膜225とを所定厚さにエッチングして、第1活性領域235を素子分離膜230’より突出させてフィン235’を形成する。
【0062】
次に、図22A及び図22Bに示すように、露出された第1ゲート形成領域(図21Aの155)内の半導体基板210、すなわちフィン(図21Bの235’)上に第1ゲート酸化膜260を形成する。第1ゲート酸化膜260は、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。次いで、マスク膜250上に第1ゲート導電層265を形成して、第1ゲート形成領域(図21Aの255)を充填する。第1ゲート導電層265は、インシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成することが望ましい。
【0063】
図23A及び図23Bに示すように、マスク膜250の上面が露出されるまで、CMPなどの方法で第1ゲート導電層265を平坦化させて、第1ゲート形成領域(図21Aの255)内にダマシン方法で第1ゲート電極265aを形成する。
【0064】
次に、図24A及び図24Bに示すように、後続工程から第1ゲート電極265aを保護できる保護膜270、例えばHDP−CVD酸化膜を半導体基板210の全面に蒸着する。保護膜270の蒸着は、選択的な事項であり、省略してもよい。
【0065】
次いで、図25A及び図25Bに示すように、周辺回路領域の保護膜270とマスク膜250とをエッチングして、MOSFETゲート形成領域275をオープンする。セル領域は、保護膜270で覆われたままで置く。次いで、MOSFETゲート形成領域275内の半導体基板210上に、MOSFETゲート酸化膜280を形成する。MOSFETゲート酸化膜280も、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。
【0066】
次いで、図26A及び図26Bに示すように、保護膜270上にMOSFETゲート導電層285を形成して、MOSFETゲート形成領域(図25Aの275)を充填する。MOSFETゲート導電層285は、第1ゲート導電層265と異なることがあり、MOSFETゲート導電層285は、アンドープトポリシリコン膜で形成することが望ましい。
【0067】
図27A及び図27Bに示すように、マスク膜250の上面が露出されるまで、MOSFETゲート導電層285を平坦化させて、MOSFETゲート形成領域(図26Aの275)内にダマシン方法でMOSFETゲート電極285aを形成する。MOSFETゲート導電層285の平坦化には、CMPを利用できる。
【0068】
次に、図28A及び図28Bに示すように、マスク膜250を除去した後、適切なイオン注入工程を実施して、ゲートのドーピング及びソース/ドレイン領域を形成する。第1ゲート電極265aをインシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成した場合には、FinFETゲートをドーピングする必要なく、セル領域に第1ソース/ドレイン領域290を形成する。
【0069】
一方、MOSFETゲート電極285aについても、n型、p型による適切なイオン注入マスクを利用してゲートをドーピングする。次いで、MOSFETソース/ドレイン領域295を形成する。第1ソース/ドレイン領域290及びMOSFETソース/ドレイン領域295は、LDDタイプに形成することもあり、その場合、第1ゲート電極265a及びMOSFETゲート電極285aの側壁にスペーサを形成する工程を追加する必要がある。
【0070】
次に、図29A及び図29Bに示すように、層間絶縁膜300を基板210の全面に形成する。次いで、第1ソース/ドレイン領域290のうち、いずれか一つを露出させるホール305を形成する。
【0071】
次に、図30A及び図30Bに示すように、ホール305を通じて露出された第1ソース/ドレイン領域290からシリコンのSEGを進めて、層間絶縁膜300の上層までシリコン層を形成した後、適切な形態でパターニングして、フィン状の第2活性領域310を形成する。
【0072】
次に、図31A及び図31Bに示すように、第2活性領域310上に第2ゲート酸化膜315を形成する。第2ゲート酸化膜315は、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。次いで、第2ゲート導電層320を形成する。第2ゲート導電層320は、第1ゲート導電層265及びMOSFETゲート導電層285と異なることがある。ここでは、第2ゲート導電層320は、アンドープトポリシリコン膜で形成できる。
【0073】
次に、図32A及び図32Bに示すように、第2ゲート導電層320をパターニングして第2ゲート電極320aを形成する。次いで、適切なイオン注入工程を実施して、ゲートのドーピング及び第2ソース/ドレイン領域325を形成する。第2ソース/ドレイン領域325は、LDDタイプに形成することもあり、その場合、第2ゲート電極320aの側壁にスペーサを形成する工程を追加する必要がある。
【0074】
図32A及び図32Bに示すように、本発明による半導体素子は、セル領域と周辺回路領域とを備える半導体基板210のセル領域の第1活性領域235に形成され、第1ゲート酸化膜260、第1ゲート電極265a及び第1ソース/ドレイン領域290から形成された第1導電型FinFETを備える。第1導電型FinFET上には、層間絶縁膜300が形成されている。そして、層間絶縁膜300を貫通して第1ソース/ドレイン領域290と連結され、層間絶縁膜300上に第2活性領域310が形成されている。この第2活性領域310には、第2ゲート酸化膜315、第2ゲート電極320a及び第2ソース/ドレイン領域325から形成された第2導電型FinFETが形成されている。
【0075】
第1導電型FinFETは、ダマシン方法で形成されるので、半導体基板210は、半導体基板210より低い素子分離膜230’を備え、第1活性領域235は、素子分離膜230’より突出されてフィン235’をなしており、第1ゲート酸化膜260は、このフィン235’の表面に沿って形成されている。そして、第1ゲート電極265aは、フィン235’を包みつつ、上面が平坦である。そして、第2活性領域310は、第1ソース/ドレイン領域290からのSEGシリコン層である。周辺回路領域には、MOSFETゲート酸化膜280、MOSFETゲート電極285a及びMOSFETソース/ドレイン領域295から形成されたMOSFETをさらに備える。
【0076】
このように、本実施形態では、セル領域に、下層FinFETは、いずれも第1導電型で形成し、上層FinFETは、いずれも第2導電型で形成し、周辺回路領域にMOSFETを形成する。したがって、SRAMのように、セル領域に相異なる導電型のトランジスタ(特に、FinFET)が必要であり、特に周辺回路領域には、スレッショルド電圧の固定を憂慮してMOSFETを形成する場合、本発明が有用に適用されることができる。
【0077】
本発明の特定な実施形態についての以上の説明は、例示及び説明を目的として提供された。本発明は、前記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で当業者によって色々な多くの修正及び変形が可能であるということは明白である。例えば、本実施形態では、相異なる2つの導電型のFinFETが、上下2層で積層される場合を例と挙げたが、同一な層に形成されるFinFETの導電型が同一であれば、導電型を交互に3層以上に積層することもあるということが分かる。例えば、第2導電型FinFET上に第2層間絶縁膜を形成し、この第2層間絶縁膜上に、第3活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第3ゲート電極を有する第1導電型の第3FinFET素子をさらに備え、前記第3FinFET素子の前記第3活性領域は、前記第2層間絶縁膜内のホールを通じて、前記第2FET素子のソース/ドレイン領域と連結できる。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその等価物により限定される。
【産業上の利用可能性】
【0078】
本発明は、セル領域には、FinFETを備え、周辺回路領域には、MOSFETを備える半導体素子の製造に利用できる。本発明は、また、セル領域に相異なる導電型のFinFETを備える半導体素子及びその製造方法に利用できる。この半導体素子の周辺回路領域には、望ましくは、MOSFETを備え、MOSFETの代わりにFinFETを備えることもある。
【符号の説明】
【0079】
110、210 半導体基板、
125、225 ギャップフィル酸化膜、
135、235 フィン、
140、240 マスク酸化膜、
145、245 マスク窒化膜、
150、250 マスク膜、
155、255 第1ゲート形成領域、
160、260 第1ゲート酸化膜、
165a、265a 第1ゲート電極、
275 MOSFETゲート形成領域、
280 MOSFETゲート酸化膜、
285a MOSFETゲート電極、
170、290 第1ソース/ドレイン領域、
295 MOSFETソース/ドレイン領域、
175、300 層間絶縁膜、
180、305 ホール、
190、315 第2ゲート酸化膜、
195a、320a 第2ゲート電極、
200、325 第2ソース/ドレイン領域。
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子及びその製造方法に係り、特に、電界効果トランジスタ(FET)素子及びFET素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体素子のサイズが持続的に減少するにつれて、既存のMOSFET(Metal Oxide SemiconductorFET)素子を信頼して代替できる素子が要求されている。そのうち一つがFinFET素子であるが、この素子は、減少した漏れ電流及び高い駆動電流の特性を有することが知られている。例えば、セルにNMOS及びPMOSが同時に存在するデュアルゲート構造であるSRAMで、NMOSとPMOSとをそれぞれ代替して、n型FinFETとp型FinFETとを形成する方法に関し、特許文献1に開示されている。
【0003】
しかし、製造工程上の問題によって、FinFET素子をメモリチップ内に具現し難い。特に、ゲートがフィンの両側面と上面とを包んでいるトリゲート構造のFinFETの場合、不純物をドーピングし難い。これは、垂直角度でイオンを注入することによって、上面ゲートに対して両側面ゲートに不純物が十分にドーピングされないので、両側面ゲートの空乏が深化されるためである。このような問題及び他の製造工程上の問題によって、FinFET基盤のメモリ素子の具現に限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許第6,657,259号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明が解決しようとする課題は、半導体素子の性能低下なしに、セル領域には、FinFETを備え、周辺回路領域には、MOSFETを備える半導体素子の製造方法を提供するところにある。
【0006】
本発明が解決しようとする他の課題は、相異なる導電型のFETを備える高集積の半導体素子を提供するところにある。
【0007】
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、半導体素子の性能低下なしに、相異なる導電型のFETを備える半導体素子の製造方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様によれば、セル領域と周辺回路領域とを有する半導体基板を提供する工程、前記半導体基板の前記セル領域及び前記周辺回路領域上に、マスク膜を形成する工程、前記マスク膜内に第1開口部を形成して、前記半導体基板の前記セル領域の第1ゲート領域を露出させた後、前記第1開口部内にダマシン方法でFinFETゲート電極を形成して、FinFETゲートを形成する工程、及び前記マスク膜内に第2開口部を形成して、前記半導体基板の前記周辺回路領域の第2ゲート領域を露出させた後、前記第2開口部内にダマシン方法でMOSFETゲート電極を形成して、MOSFETゲートを形成する工程を含む半導体素子の製造方法が提供される。
【0009】
本発明の他の態様によれば、半導体基板のセル領域上に、第1物質から形成されたFinFETゲート電極をダマシン方法で形成する工程、及び前記半導体基板の周辺回路領域上に、第2物質から形成されたMOSFETゲート電極をダマシン方法で形成する工程を含む半導体素子の製造方法が提供される。
【0010】
本発明のさらに他の態様によれば、半導体基板、前記半導体基板上に形成され、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子、前記第1FET素子上に形成された層間絶縁膜、及び前記層間絶縁膜上に形成され、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第2ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子を備える半導体素子が提供される。
【0011】
本発明のさらに他の態様によれば、半導体基板上に、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子を形成する工程、前記第1FET素子上に層間絶縁膜を形成する工程、及び前記層間絶縁膜上に、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第2ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子を形成する工程を含む半導体素子の製造方法が提供される。
【0012】
本発明のさらに他の態様によれば、セル領域と周辺回路領域とを有する半導体基板を提供する工程、前記半導体基板の前記セル領域及び前記周辺回路領域上に、マスク膜を形成する工程、第1開口部を前記マスク膜内に形成して、前記半導体基板の前記セル領域の第1ゲート領域を露出させた後、前記第1開口部内にダマシン方法で第1FinFETゲート電極を形成して、第1FinFETゲートを形成する工程、第2開口部を前記マスク膜内に形成して、前記半導体基板の前記周辺回路領域の第2ゲート領域を露出させた後、前記第2開口部内にダマシン方法でMOSFETゲート電極を形成して、MOSFETゲートを形成する工程、前記第1FinFETゲートの両側に第1ソース/ドレイン領域を形成して、第1FinFETを定義する工程、前記MOSFETゲートの両側に第2ソース/ドレイン領域を形成して、MOSFETを定義する工程、前記第1FinFET及びMOSFET上に層間絶縁膜を形成する工程、及び前記層間絶縁膜上に、第2FinFETゲート電極を有し、前記第1FinFETと積層される第2FinFETを形成する工程を含む半導体素子の製造方法が提供される。
【0013】
本発明のさらに他の態様によれば、半導体基板のセル領域上に、第1物質から形成された第1FinFETゲート電極をダマシン方法で形成する工程、前記半導体基板の周辺回路領域上に、第2物質から形成されたMOSFETゲート電極をダマシン方法で形成する工程、及び層間絶縁膜を介して前記第1FinFETゲート電極上に積層され、第3物質から形成された第2FinFETゲート電極を形成する工程を含む半導体素子の製造方法が提供される。
【0014】
本発明のさらに他の態様によれば、セル領域と周辺回路領域とを有する半導体基板、前記半導体基板の前記セル領域内に形成され、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子、前記周辺回路領域上に位置し、第2ゲート電極を有するMOSFET素子、前記第1FET素子及びMOSFET素子上に形成された層間絶縁膜、及び前記層間絶縁膜上に形成され、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第3ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子を備える半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【0015】
本発明は、SRAMのように相異なる二つの導電型のFinFETを備える素子において、異なる導電型を有したFinFETを基板の同一な平面上に形成する代わりに、垂直に積層することによって、基板の使用面積を減少できるので、さらに高集積化が可能である。
【0016】
また、第1導電型FinFETと第2導電型FinFETとを形成するときに、それぞれの特性に合う相異なる種類のゲート導電層を適用して、FinFETの特性を大きく向上させることができる。
【0017】
ダマシンゲート工程を適用する場合、従来のゲート導電層のエッチングによる難しさを解決でき、これと共に、既存のFinFET工程を適用して活性領域の全体をフィンで作る場合、減った活性領域の幅によって、ソース/ドレインの直列抵抗が増加し、また、コンタクトの形成及びシリサイド工程の難しさが発生して素子の劣化を引き起こすという問題を共に解決できる。すなわち、既存工程の大きい変化なしに、FinFETの長所、すなわち活性領域幅の増加による素子電流の増加効果及びダマシンゲートの長所(例えば、局部的なチャンネルのイオン注入を適用して、接合静電容量を減少させることができる)を共に有した素子を製作できる。
【0018】
一方、従来のFinFETは、通常、SOI(Silicon On Insulator)基板を利用して製作するが、これは、ウェーハコストが高く、SOI MOSFET素子で可能なフローティングボディ効果やドレイン/ソース間の降伏電圧降下、オフ電流の増加を引き起こし、基板に熱伝導がよくならないという問題がある。しかし、本発明では、SOI基板の代りに、バルクシリコン基板を使用できるので、このような問題を解決できる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法で、製造する半導体素子のレイアウトの概略図である。
【図2A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図2B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図3A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図3B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図4A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図4B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図5A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図5B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図6A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図6B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図7A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図7B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図8A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図8B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図9A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図9B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図10A】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のa−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図10B】本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図11】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図12】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図13】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図14】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図15】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図16】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図17】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図18】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図19】本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図20A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図20B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図21A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図21B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図22A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図22B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図23A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図23B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図24A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図24B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図25A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図25B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図26A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図26B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図27A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図27B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図28A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図28B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図29A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図29B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図30A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図30B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図31A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図31B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【図32A】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうち、a−a’(X方向)断面に対応する図面である。
【図32B】本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する図面である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、相異なる多様な形態で具現され、単に本実施形態は、本発明の開示を完全にし、当業者に発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、特許請求の範囲により定義されるだけである。明細書の全体にわたって、同一な参照符号は同一な構成要素を指称する。
【0021】
本発明は、セル領域には、FinFETを備え、周辺回路領域には、MOSFETを備える半導体素子の製造方法を提供する。本発明は、また、セル領域に相異なる導電型のFinFETを備える半導体素子及びその製造方法を提供する。この半導体素子の周辺回路領域には、望ましくは、MOSFETを備え、MOSFETの代りにFinFETを備えることもある。
【0022】
第1実施形態
図1は、本発明の実施形態による半導体素子の製造方法で製造しようとする半導体素子のレイアウトの概略図である。図1に示すように、この半導体素子は、セル領域と周辺回路領域とを有する。また、説明のために、行(X)方向は、図面で横に伸張し、列(Y)方向は、図面で縦に伸張する。
【0023】
この半導体素子は、セル領域にFinFETを備え、周辺回路領域にMOSFETを備える。図1に示すように、活性領域35が、セル領域と周辺回路領域とで横X方向に伸張し、素子分離膜30により定義されている。セル領域の素子分離膜30及び活性領域35上には、縦Y方向に伸張するFinFETゲート電極65aが形成されている。FinFETゲート電極65a側の活性領域35内には、FinFETソース/ドレイン領域(図示せず)が形成される。周辺回路領域の素子分離膜30及び活性領域35上には、縦Y方向に伸張するMOSFETゲート電極85aが形成されている。MOSFETゲート電極85a側の活性領域35内には、MOSFETソース/ドレイン領域(図示せず)が形成される。
【0024】
図2Aないし図10Bは、本発明の第1実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図であって、図2A、図3A、図4A、図5A、図6A、図7A、図8A、図9A及び図10Aは、図1のa−a’(X方向)断面に対応し、図2B、図3B、図4B、図5B、図6B、図7B、図8B、図9B及び図10Bは、図1のb−b’(Y方向)断面に対応する。
【0025】
まず、図2A及び図2Bに示すように、半導体基板10、望ましくは、バルクシリコン基板内に素子分離膜30を形成する。活性領域35は、素子分離膜30が形成されていない部分の半導体基板10の表面領域と定義される。
【0026】
ここで、素子分離膜30は、トレンチ素子分離膜で形成でき、通常、次のような方法で形成できる。例えば、半導体基板10の所定部分をエッチングして、素子分離用トレンチ15を形成する。半導体基板10のエッチングには、例えばHBrまたはCl2のようなハロゲンガスと酸素とを混合して使用するドライエッチングを利用する。次いで、トレンチ15の内壁に絶縁膜ライナー20を形成する。絶縁膜ライナー20は、トレンチ15のエッチング時の損傷を補完し、トレンチ15に埋め込まれる酸化膜との応力を調節できるように、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはそれらの積層膜で形成でき、省略してもよい。このときのシリコン酸化膜は、熱酸化方式で形成する。次いで、トレンチ15を充填するギャップフィル酸化膜25を蒸着する。ギャップフィル酸化膜25の蒸着には、例えばHDP(High Density Plasma)−CVDを利用する。次いで、半導体基板10上に形成されているギャップフィル酸化膜25及び絶縁膜ライナー20の部分を除去して、基板10内に埋め込まれた素子分離膜30を完成する。
【0027】
次に、図3A及び図3Bに示すように、半導体基板10上にマスク膜50を形成する。本実施形態において、マスク膜50は、マスク酸化膜40とマスク窒化膜45との積層膜で形成する。マスク酸化膜40は、熱酸化方式で形成し、マスク窒化膜45は、低圧CVD(LPCVD)で形成できる。マスク膜50の厚さは、FinFETゲート電極の高さを考慮して決定する。
【0028】
次いで、セル領域のマスク膜50をエッチングして、FinFETゲート形成領域55を定義する。周辺回路領域は、マスク膜50で覆われたままで置く。次いで、FinFETゲート形成領域55内に露出されている素子分離膜30、すなわち絶縁膜ライナー20とギャップフィル酸化膜25とを所定厚さにエッチングして、活性領域35を素子分離膜30’より突出させて、いわゆるフィン35’を形成する。絶縁膜ライナー20とギャップフィル酸化膜25とのエッチングには、ドライエッチングまたはウェットエッチングを利用する。
【0029】
次に、図4A及び図4Bに示すように、露出されたFinFETゲート形成領域(図3Aの55)内の半導体基板10、すなわちフィン(図3Bの35’)の表面に沿ってFinFETゲート酸化膜60を形成する。FinFETゲート酸化膜60は、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。次いで、マスク膜50上にFinFETゲート導電層65を形成して、FinFETゲート形成領域(図3Aの55)を充填する。FinFETゲート導電層65は、アンドープトポリシリコン膜で形成した後、後続工程で適切にドーピングして使用することもあるが、フィン(図3Bの35’)による段差のため、イオン注入時に均一にドーピングされないことを考慮すれば、インシチュ(in situ)ドープトポリシリコン膜で形成することが望ましい。例えば、インシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成する。代りに、FinFETゲート導電層65は、SiGeでも形成できる。FinFETゲート導電層65は、金属であることもある。
【0030】
図5A及び図5Bに示すように、マスク膜50の上面が露出されるまで、FinFETゲート導電層65を平坦化させて、FinFETゲート形成領域(図3Aの55)内にダマシン方法でFinFETゲート電極65aを形成する。これにより、FinFETゲート酸化膜60上にフィン35’を包みつつ、上面が平坦なFinFETゲート電極65aが形成される。FinFETゲート導電層65の平坦化には、CMPを利用できる。これにより、FinFETゲート電極65aは、FinFETゲート酸化膜60を介して活性領域、特にフィン35’の三面に接する。
【0031】
従来には、FinFETの形成において、ゲート電極形成時にフィン形成で発生するゲート導電層の段差問題、これによるゲート導電層の露光問題及びエッチング問題がある。特に、ゲート導電層のエッチングを通じて、ゲート電極の形成工程を進めるとき、最後のエッチング阻止膜でゲート酸化膜が使われるが、FinFETの場合は、フィンにより発生するゲート導電層の段差によって、ゲート導電層の絶対的なエッチング量が増加するだけでなく、フィン周囲にゲート導電層の残留物がスペーサで形成される可能性が高い。
【0032】
しかし、本発明のように、ダマシンゲート工程を適用する場合、このようなゲート導電層のエッチングによる難しさを解決でき、これと共に、既存のFinFET工程を適用して活性領域の全体をフィンで作る場合、減った活性領域の幅によって、ソース/ドレインの直列抵抗が増加し、また、コンタクトの形成及びシリサイド工程の難しさが発生して素子の劣化を引き起こすという問題を共に解決できる。すなわち、既存工程の大きい変化なしに、FinFETの長所、すなわち活性領域幅の増加による素子電流の増加効果及びダマシンゲートの長所(例えば、局部的なチャンネルのイオン注入を適用して、接合静電容量を減少させることができる)を共に有した素子を製作できる。
【0033】
次いで、図6A及び図6Bに示すように、後続工程からFinFETゲート電極65aを保護できる保護膜70、例えばHDP−CVD酸化膜を半導体基板10の全面に蒸着する。保護膜70の蒸着は、選択的な事項であり、省略してもよい。保護膜70は、PEOXまたはPE−TEOS(PE−Tetra Ethyl Ortho Silicate)酸化膜で形成してもよい。PEOXは、SiH4とO2(またはN2O)との反応を利用し、PE−TEOSは、Si(OC2H5)4とO2との反応を利用する。しかし、保護膜70の種類が必ずしもこれに限定されるものではなく、CVD、LPCVD、あるいはSOD(Spin On Deposition)によってもよい。
【0034】
次いで、図7A及び図7Bに示すように、周辺回路領域の保護膜70とマスク膜50とをエッチングして、MOSFETゲート形成領域75をオープンする。セル領域は、保護膜70で覆われたままで置く。次いで、MOSFETゲート形成領域70内の半導体基板10上に、MOSFETゲート酸化膜80を形成する。MOSFETゲート酸化膜80も、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。
【0035】
次いで、図8A及び図8Bに示すように、保護膜70上にMOSFETゲート導電層85を形成して、MOSFETゲート形成領域(図7Aの75)を充填する。MOSFETゲート導電層85は、FinFETゲート導電層65と種類を異ならせることが可能である。特に、アンドープトポリシリコン膜で形成して、後続的に導電型に合うようにイオン注入を実施することが望ましい。しかし、MOSFETゲート導電層85の形成に、他の方法を利用することもある。MOSFETゲート導電層85は、金属であってもよい。
【0036】
図9A及び図9Bに示すように、マスク膜50の上面が露出されるまで、MOSFETゲート導電層85を平坦化させて、MOSFETゲート形成領域(図7Aの75)内にMOSFETゲート電極85aをダマシン方法で形成する。MOSFETゲート導電層85の平坦化には、CMPを利用できる。
【0037】
次に、図10A及び図10Bに示すように、マスク膜50を除去した後、適切なイオン注入工程を実施して、ゲートのドーピング及びソース/ドレイン領域を形成する。マスク窒化膜45の除去には、燐酸ストリップを利用でき、マスク酸化膜40の除去には、HF希釈液やBOE溶液を利用したウェットエッチングを利用できる。半導体基板10の表面保護のために、マスク酸化膜40は、除去せずに残すこともある。
FinFETゲート電極65aをインシチュドープトポリシリコン膜で形成した場合には、FinFETゲートをドーピングする必要なく、FinFETゲート電極65aの両側にFinFETソース/ドレイン領域90を形成する。FinFETをいずれもn型で形成する場合には、FinFETゲート電極65aをインシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成した後、ここでは、n型FinFETソース/ドレインのみを形成すればよいが、p型FinFETも基板上に共に形成する場合には、n型、p型による適切なイオン注入のマスクを利用して、適正なトーパントでドーピングする。例えば、B、In、Gaなどを注入して、n型FinFETソース/ドレイン領域を形成し、P、As、Sbなどを注入して、p型FinFETゲートをドーピングした後、p型FinFETソース/ドレイン領域を形成する。この際、p型FinFETのスレショルド電圧の増加を防止するために、p型FinFETチャンネルの方にカウンタのドーピングを実施することが望ましい。
【0038】
一方、MOSFETゲート電極85aについても、n型、p型による適切なイオン注入マスクを利用してゲートをドーピングする。次いで、MOSFETゲート電極85aの両側に、MOSFETソース/ドレイン領域95を形成する。FinFETソース/ドレイン領域90及びMOSFETドレイン領域95は、LDD(Lightly Doped Drain)タイプに形成することもあり、その場合、高濃度(E15/cm2レベル)のイオン注入と低濃度(E12/cm2〜E13/cm2レベル)のイオン注入との間に、FinFETゲート電極65a及びMOSFETゲート電極85aの側壁に、スペーサを形成する工程を追加する必要がある。
【0039】
本実施形態では、FinFETゲート電極65aをMOSFETゲート電極85aより先に形成する例を挙げたが、MOSFETゲート電極85aをFinFETゲート電極65aより先に形成することもあるということを、本明細書の記載から当業者であれば分かることである。
【0040】
第2実施形態
図11ないし図19は、本発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。本実施形態では、相異なる導電型のFET素子、例えばFinFETが垂直に積層された構造を含む半導体素子及びその製造方法を説明する。例えば、図1のセル領域のレイアウトのようなFinFETを、いずれも第1導電型で半導体基板上に形成した後、その上部に、第2導電型FinFETを形成する。本実施形態では、第1導電型がn型であり、第2導電型がp型であるが、それらが互いに変わることができる。
【0041】
図11ないし図19で左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、各図面の右側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する。この際、周辺回路領域は、第1実施形態のように、MOSFETを備えるように形成してもよく、セル領域と類似している方法で垂直積層されたFinFETで形成することもある。セル領域にFinFETを垂直積層しつつ、周辺回路領域にMOSFETを形成する方法は、次の第3実施形態で後述する。
【0042】
本発明は、FinFETを備えるいかなる種類の半導体素子にも応用できる。本実施形態は、特にSRAMセルの設計及び製造方法に関する。SRAMで2つのNMOSと2つのPMOSとは、ストレージセルを形成し、他の2つのNMOSは、ストレージセルとビットラインとの連結を制御するパスゲートトランジスタとして利用される。本発明では、SRAMのNMOSとPMOSを、それぞれn型FinFETとp型FinFETに代替する。パスゲートトランジスタとして使われるn型FinFET、及びストレージセルとして使われるn型FinFETをいずれも下層に形成した後、ストレージセルとして使われるp型FinFETをn型FinFETの上層に形成する。もちろん、これと逆に、p型FinFETをいずれも下層に形成した後、n型FinFETをいずれもその上層に形成することもある。
【0043】
まず、図11に示すように、半導体基板110、望ましくは、バルクシリコン基板内に素子分離膜130を形成して、素子分離膜130が形成されていない部分を第1活性領域135と定義する。素子分離膜130の形成方法は、前記第1実施形態と同一に可能である。すなわち、半導体基板110の所定部分をエッチングして、素子分離用トレンチ115を形成した後、トレンチ115の内壁に絶縁膜ライナー120を形成し、トレンチ115を充填するギャップフィル酸化膜125を形成した後、基板110内に埋め込めて素子分離膜130を完成する。
【0044】
次に、図12に示すように、半導体基板110上にマスク膜150を形成する。マスク膜150は、マスク酸化膜140とマスク窒化膜145との積層膜で形成する。次いで、マスク膜150をエッチングして、第1ゲート形成領域155(第1導電型FinFETゲート形成領域)をオープンする。次いで、第1導電型FinFETゲート形成領域155内に露出されている素子分離膜130、すなわち絶縁膜ライナー120とギャップフィル酸化膜125とを所定厚さにエッチングして、第1活性領域135を素子分離膜130’より突出させてフィン135’を形成する。
【0045】
次に、図13に示すように、露出された第1ゲート形成領域(図12の155)内の半導体基板110、すなわちフィン(図12の135’)上に、フィンの表面に沿って第1ゲート酸化膜160(第1導電型FinFETゲート酸化膜)を形成する。第1ゲート酸化膜160は、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。次いで、マスク膜150上に第1ゲート導電層165(第1導電型FinFETゲート導電層)を形成して、第1ゲート形成領域(図12の155)を充填する。ここで、第1ゲート導電層165は、インシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成することが望ましい。
【0046】
図14に示すように、マスク膜150の上面が露出されるまで、第1ゲート導電層165をCMPなどの方法で平坦化させて、第1ゲート形成領域(図12の155)内にダマシン方法で第1ゲート電極165a(第1導電型FinFETゲート電極)を形成する。しかし、第1ゲート電極165aの形成方法は、ここに説明したダマシン方法に限定されるものではなく、従来のフィン形成、ゲート導電層の形成及びゲート導電層のパターニングのような方式により形成されることもある。
【0047】
次に、図15に示すように、マスク膜150を除去した後、適切なイオン注入工程を実施して、ゲートのドーピング及び第1ソース/ドレイン領域170(第1導電型FinFETソース/ドレイン領域)を形成する。第1ゲート電極165aをインシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成した場合には、FinFETゲートをドーピングする必要なく、セル領域に第1ソース/ドレイン領域170を形成する。第1ソース/ドレイン領域170は、LDDタイプに形成することもあり、その場合、第1ゲート電極165aの側壁にスペーサを形成する工程を追加する必要がある。
【0048】
次に、図16に示すように、HDP−CVD酸化膜のような層間絶縁膜175を基板110の全面に形成する。次いで、第1ソース/ドレイン領域170のうち、いずれか一つを露出させるホール180を形成する。
【0049】
次に、図17に示すように、ホール180を通じて露出された第1ソース/ドレイン領域170から、シリコンの選択エピタキシャル成長(Selective Epitaxial Growth:SEG)を進めて、層間絶縁膜175の上層までシリコン層を形成した後、適切な形態でパターニングして、第2導電型FinFET形成のためのフィン状の第2活性領域185を形成する。
【0050】
次に、図18に示すように、第2活性領域185上に第2ゲート酸化膜190(第2導電型FinFETゲート酸化膜)を形成する。第2ゲート酸化膜190は、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。次いで、第2ゲート導電層195(第2導電型FinFETゲート導電層)を形成する。ここで、第2ゲート導電層195は、第1ゲート導電層165と物質の種類を異ならせることが可能であるので、導電型に適した物質を選択できる。例えば、第2ゲート導電層195は、インシチュp+ドープトポリシリコンで形成することもあるが、アンドープトポリシリコンで形成した後、後続工程で適切にドーピングして使用することが望ましい。
【0051】
次に、図19に示すように、第2ゲート導電層195をパターニングして、第2ゲート電極195a(第2導電型FinFETゲート電極)を形成する。次いで、適切なイオン注入工程を実施してゲートをドーピングし、第2ゲート電極195aの両側に第2ソース/ドレイン領域200(第2導電型FinFETソース/ドレイン領域)を形成する。第2ゲート電極195aをインシチュp+ドープトポリシリコン膜で形成した場合には、FinFETゲートをドーピングする必要なく、第2活性領域185に第2ソース/ドレイン領域200を形成する。第2ゲート電極195aをアンドープトポリシリコン膜で形成した場合には、ゲートを先にドーピングした後、第2ソース/ドレイン領域200を形成する。第2ソース/ドレイン領域200は、LDDタイプに形成することもあり、その場合、第2ゲート電極195aの側壁にスペーサを形成する工程を追加する必要がある。
【0052】
一方、本実施形態では、第1導電型FinFETをダマシン方法で形成し、第2導電型FinFETは、一般的なゲートパターニング方法で形成する例を説明したが、第1導電型FinFETを一般的なゲートパターニング方法で形成することもあり、第2導電型FinFETをダマシン方法で形成することもある。第1導電型FinFET及び第2導電型FinFETをSEGシリコンで連結させて、上下垂直に積層すればよく、その細部的なゲートの形成方法に限定されるものではない。
【0053】
図19に示すように、本発明による半導体素子は、第1導電型FinFET及び第1導電型FinFET上に積層された第2導電型FinFETを備える。積層された第1及び第2導電型FinFETは、半導体基板110のセル領域に形成されている。第1導電型FinFETは、第1活性領域135に形成された第1ゲート酸化膜160、第1ゲート電極165a及び第1ソース/ドレイン領域170を備える。第1ゲート電極165aは、第1活性領域135の上面及び向き合う側面を経て伸張する。第1導電型FinFET上には、層間絶縁膜175が形成されている。そして、第2活性領域185は、層間絶縁膜175を貫通して第1ソース/ドレイン領域170と連結され、層間絶縁膜175上に形成されている。第2導電型FinFETは、この第2活性領域185上に形成された第2ゲート酸化膜190、第2ゲート電極195a及び第2ソース/ドレイン領域200を備える。第2ゲート電極195aは、第2活性領域185の上面及び向き合う側面を経て伸張する。
【0054】
第1導電型FinFETは、ダマシン方法で形成されるので、半導体基板110は、半導体基板110より低い素子分離膜130’を備え、第1活性領域135は、素子分離膜130’より突出されて、フィン135’をなしており、第1導電型FinFETゲート酸化膜160は、このフィン135’の表面に沿って形成されている。そして、第1導電型FinFETゲート電極165aは、フィン135’を包みつつ上面が平坦である。そして、第2活性領域185は、第1導電型FinFETソース/ドレイン領域170からのSEGシリコン層である。
【0055】
このように本発明によれば、セル領域に相異なる導電型のFinFETを形成するときに、下層FinFETは、いずれも第1導電型で形成し、上層FinFETは、いずれも第2導電型で形成する。例えば、SRAMでストレージセルを構成する2つのNMOS及び2つのPMOS、ストレージセルとビットラインとの連結を制御するパスゲートトランジスタとして利用される他の2つのNMOSをFinFETに代替して、パスゲートトランジスタとして使われるn型FinFETと、ストレージセルとして使われるn型FinFETとをいずれも下層に形成した後、ストレージセルとして使われるp型FinFETをn型FinFETの上層に形成する。
【0056】
このように、相異なる2つの導電型のFinFETを備える素子において、異なる導電型を有したFinFETを基板の同一な平面上に形成する代わりに、垂直に積層することによって、基板の使用面積を減少できるので、セルの面積を縮少することによって、さらに高集積化が可能である。また、第1導電型FinFETと第2導電型FinFETとを形成するとき、それぞれの特性に合う相異なる種類のゲート導電層を適用して、FinFETの特性を大きく向上させることができる。
【0057】
第3実施形態
図20Aないし図32Bは、本発明の第3実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。本実施形態では、セル領域に相異なる導電型のFinFETが垂直に積層された構造であり、周辺回路領域には、MOSFETを備える半導体素子の製造方法を説明する。例えば、本実施形態による半導体素子は、セル領域にn型FinFET及びその上部に積層されたp型FinFETを備える。
【0058】
図20A、図21A、図22A、図23A、図24A、図25A、図26A、図27A、図28A、図29A、図30A、図31A及び図32Aの左側は、図1のセル領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、図20A、図21A、図22A、図23A、図24A、図25A、図26A、図27A、図28A、図29A、図30A、図31A及び図32Aの右側は、図1の周辺回路領域のうちa−a’(X方向)断面に対応し、図20B、図21B、図22B、図23B、図24B、図25B、図26B、図27B、図28B、図29B、図30B、図31B及び図32Bの左側は、図1のセル領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応し、図20B、図21B、図22B、図23B、図24B、図25B、図26B、図27B、図28B、図29B、図30B、図31B及び図32Bの右側は、図1の周辺回路領域のうちb−b’(Y方向)断面に対応する。
【0059】
まず、図20A及び図20Bに示すように、半導体基板210、望ましくは、バルクシリコン基板内に素子分離膜230を形成して、素子分離膜230が形成されていない部分を第1活性領域235と定義する。素子分離膜230は、また、セル領域及び周辺回路領域も定義する。
【0060】
ここで、素子分離膜230の形成方法は、前記第1実施形態と同様にできる。すなわち、半導体基板210の所定部分をエッチングして、素子分離用トレンチ215を形成した後、トレンチ215の内壁に絶縁膜ライナー220を形成し、トレンチ215を充填するギャップフィル酸化膜225を形成した後、基板210内に埋め込んで素子分離膜230を完成する。
【0061】
次に、図21A及び図21Bに示すように、半導体基板210上にマスク酸化膜240とマスク窒化膜245とを積層して、マスク膜250を形成する。次いで、マスク膜250をエッチングして、第1ゲート形成領域255をオープンする。次いで、第1ゲート形成領域255内に露出されている素子分離膜230、すなわち絶縁膜ライナー220とギャップフィル酸化膜225とを所定厚さにエッチングして、第1活性領域235を素子分離膜230’より突出させてフィン235’を形成する。
【0062】
次に、図22A及び図22Bに示すように、露出された第1ゲート形成領域(図21Aの155)内の半導体基板210、すなわちフィン(図21Bの235’)上に第1ゲート酸化膜260を形成する。第1ゲート酸化膜260は、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。次いで、マスク膜250上に第1ゲート導電層265を形成して、第1ゲート形成領域(図21Aの255)を充填する。第1ゲート導電層265は、インシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成することが望ましい。
【0063】
図23A及び図23Bに示すように、マスク膜250の上面が露出されるまで、CMPなどの方法で第1ゲート導電層265を平坦化させて、第1ゲート形成領域(図21Aの255)内にダマシン方法で第1ゲート電極265aを形成する。
【0064】
次に、図24A及び図24Bに示すように、後続工程から第1ゲート電極265aを保護できる保護膜270、例えばHDP−CVD酸化膜を半導体基板210の全面に蒸着する。保護膜270の蒸着は、選択的な事項であり、省略してもよい。
【0065】
次いで、図25A及び図25Bに示すように、周辺回路領域の保護膜270とマスク膜250とをエッチングして、MOSFETゲート形成領域275をオープンする。セル領域は、保護膜270で覆われたままで置く。次いで、MOSFETゲート形成領域275内の半導体基板210上に、MOSFETゲート酸化膜280を形成する。MOSFETゲート酸化膜280も、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。
【0066】
次いで、図26A及び図26Bに示すように、保護膜270上にMOSFETゲート導電層285を形成して、MOSFETゲート形成領域(図25Aの275)を充填する。MOSFETゲート導電層285は、第1ゲート導電層265と異なることがあり、MOSFETゲート導電層285は、アンドープトポリシリコン膜で形成することが望ましい。
【0067】
図27A及び図27Bに示すように、マスク膜250の上面が露出されるまで、MOSFETゲート導電層285を平坦化させて、MOSFETゲート形成領域(図26Aの275)内にダマシン方法でMOSFETゲート電極285aを形成する。MOSFETゲート導電層285の平坦化には、CMPを利用できる。
【0068】
次に、図28A及び図28Bに示すように、マスク膜250を除去した後、適切なイオン注入工程を実施して、ゲートのドーピング及びソース/ドレイン領域を形成する。第1ゲート電極265aをインシチュn+ドープトポリシリコン膜で形成した場合には、FinFETゲートをドーピングする必要なく、セル領域に第1ソース/ドレイン領域290を形成する。
【0069】
一方、MOSFETゲート電極285aについても、n型、p型による適切なイオン注入マスクを利用してゲートをドーピングする。次いで、MOSFETソース/ドレイン領域295を形成する。第1ソース/ドレイン領域290及びMOSFETソース/ドレイン領域295は、LDDタイプに形成することもあり、その場合、第1ゲート電極265a及びMOSFETゲート電極285aの側壁にスペーサを形成する工程を追加する必要がある。
【0070】
次に、図29A及び図29Bに示すように、層間絶縁膜300を基板210の全面に形成する。次いで、第1ソース/ドレイン領域290のうち、いずれか一つを露出させるホール305を形成する。
【0071】
次に、図30A及び図30Bに示すように、ホール305を通じて露出された第1ソース/ドレイン領域290からシリコンのSEGを進めて、層間絶縁膜300の上層までシリコン層を形成した後、適切な形態でパターニングして、フィン状の第2活性領域310を形成する。
【0072】
次に、図31A及び図31Bに示すように、第2活性領域310上に第2ゲート酸化膜315を形成する。第2ゲート酸化膜315は、熱酸化方法でシリコン酸化膜を成長させて形成できる。次いで、第2ゲート導電層320を形成する。第2ゲート導電層320は、第1ゲート導電層265及びMOSFETゲート導電層285と異なることがある。ここでは、第2ゲート導電層320は、アンドープトポリシリコン膜で形成できる。
【0073】
次に、図32A及び図32Bに示すように、第2ゲート導電層320をパターニングして第2ゲート電極320aを形成する。次いで、適切なイオン注入工程を実施して、ゲートのドーピング及び第2ソース/ドレイン領域325を形成する。第2ソース/ドレイン領域325は、LDDタイプに形成することもあり、その場合、第2ゲート電極320aの側壁にスペーサを形成する工程を追加する必要がある。
【0074】
図32A及び図32Bに示すように、本発明による半導体素子は、セル領域と周辺回路領域とを備える半導体基板210のセル領域の第1活性領域235に形成され、第1ゲート酸化膜260、第1ゲート電極265a及び第1ソース/ドレイン領域290から形成された第1導電型FinFETを備える。第1導電型FinFET上には、層間絶縁膜300が形成されている。そして、層間絶縁膜300を貫通して第1ソース/ドレイン領域290と連結され、層間絶縁膜300上に第2活性領域310が形成されている。この第2活性領域310には、第2ゲート酸化膜315、第2ゲート電極320a及び第2ソース/ドレイン領域325から形成された第2導電型FinFETが形成されている。
【0075】
第1導電型FinFETは、ダマシン方法で形成されるので、半導体基板210は、半導体基板210より低い素子分離膜230’を備え、第1活性領域235は、素子分離膜230’より突出されてフィン235’をなしており、第1ゲート酸化膜260は、このフィン235’の表面に沿って形成されている。そして、第1ゲート電極265aは、フィン235’を包みつつ、上面が平坦である。そして、第2活性領域310は、第1ソース/ドレイン領域290からのSEGシリコン層である。周辺回路領域には、MOSFETゲート酸化膜280、MOSFETゲート電極285a及びMOSFETソース/ドレイン領域295から形成されたMOSFETをさらに備える。
【0076】
このように、本実施形態では、セル領域に、下層FinFETは、いずれも第1導電型で形成し、上層FinFETは、いずれも第2導電型で形成し、周辺回路領域にMOSFETを形成する。したがって、SRAMのように、セル領域に相異なる導電型のトランジスタ(特に、FinFET)が必要であり、特に周辺回路領域には、スレッショルド電圧の固定を憂慮してMOSFETを形成する場合、本発明が有用に適用されることができる。
【0077】
本発明の特定な実施形態についての以上の説明は、例示及び説明を目的として提供された。本発明は、前記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で当業者によって色々な多くの修正及び変形が可能であるということは明白である。例えば、本実施形態では、相異なる2つの導電型のFinFETが、上下2層で積層される場合を例と挙げたが、同一な層に形成されるFinFETの導電型が同一であれば、導電型を交互に3層以上に積層することもあるということが分かる。例えば、第2導電型FinFET上に第2層間絶縁膜を形成し、この第2層間絶縁膜上に、第3活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第3ゲート電極を有する第1導電型の第3FinFET素子をさらに備え、前記第3FinFET素子の前記第3活性領域は、前記第2層間絶縁膜内のホールを通じて、前記第2FET素子のソース/ドレイン領域と連結できる。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその等価物により限定される。
【産業上の利用可能性】
【0078】
本発明は、セル領域には、FinFETを備え、周辺回路領域には、MOSFETを備える半導体素子の製造に利用できる。本発明は、また、セル領域に相異なる導電型のFinFETを備える半導体素子及びその製造方法に利用できる。この半導体素子の周辺回路領域には、望ましくは、MOSFETを備え、MOSFETの代わりにFinFETを備えることもある。
【符号の説明】
【0079】
110、210 半導体基板、
125、225 ギャップフィル酸化膜、
135、235 フィン、
140、240 マスク酸化膜、
145、245 マスク窒化膜、
150、250 マスク膜、
155、255 第1ゲート形成領域、
160、260 第1ゲート酸化膜、
165a、265a 第1ゲート電極、
275 MOSFETゲート形成領域、
280 MOSFETゲート酸化膜、
285a MOSFETゲート電極、
170、290 第1ソース/ドレイン領域、
295 MOSFETソース/ドレイン領域、
175、300 層間絶縁膜、
180、305 ホール、
190、315 第2ゲート酸化膜、
195a、320a 第2ゲート電極、
200、325 第2ソース/ドレイン領域。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子と、
前記第1FET素子上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成され、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第2ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子と、を備えることを特徴とする半導体素子。
【請求項2】
前記第1及び第2FET素子は、FinFET素子であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
【請求項3】
前記第2FET素子の前記第2活性領域は、前記層間絶縁膜内のホールを通じて、前記第1FET素子のソース/ドレイン領域と連結されたことを特徴とする請求項2に記載の半導体素子。
【請求項4】
前記第1ゲート電極をなす物質と前記第2ゲート電極をなす物質とが、異なることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子。
【請求項5】
前記第1ゲート電極は、n+ドープトポリシリコンを含むことを特徴とする請求項4に記載の半導体素子。
【請求項6】
前記第1ゲート電極は、SiGeを含むことを特徴とする請求項4に記載の半導体素子。
【請求項7】
前記第2ゲート電極は、p+ドープトポリシリコンを含むことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の半導体素子。
【請求項8】
前記第2FET素子上に形成された第2層間絶縁膜と、
前記第2層間絶縁膜上に形成され、第3活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第3ゲート電極を有する第1導電型の第3FinFET素子と、をさらに備え、
前記第3FinFET素子の前記第3活性領域は、前記第2層間絶縁膜内のホールを通じて、前記第2FET素子のソース/ドレイン領域と連結されたことを特徴とする請求項6に記載の半導体素子。
【請求項9】
前記第1ゲート電極をなす物質と前記第2及び第3ゲート電極をなす物質とが、異なることを特徴とする請求項8に記載の半導体素子。
【請求項10】
前記第2ゲート電極をなす物質と前記第3ゲート電極をなす物質とが、異なることを特徴とする請求項9に記載の半導体素子。
【請求項11】
半導体基板上に、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子を形成する工程と、
前記第1FET素子上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第2ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項12】
前記第1及び第2FET素子は、FinFET素子であることを特徴とする請求項11に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項13】
前記層間絶縁膜内のホールを通じて、前記第2FET素子の前記第2活性領域を前記第1FET素子のソース/ドレイン領域と連結する工程をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項14】
前記第2活性領域は、前記層間絶縁膜内の前記ホールを通じた選択的なエピタキシャル成長で形成することを特徴とする請求項13に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項15】
前記第1ゲート電極をなす物質と前記第2ゲート電極をなす物質とが、異なることを特徴とする請求項13に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項16】
前記第1ゲート電極は、n+ドープトポリシリコンを含むことを特徴とする請求項15に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項17】
前記第1ゲート電極は、SiGeを含むことを特徴とする請求項15に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項18】
前記第2ゲート電極は、p+ドープトポリシリコンを含むことを特徴とする請求項15に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項19】
前記第2ゲート電極は、p+ドープトポリシリコンを含むことを特徴とする請求項16に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項1】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子と、
前記第1FET素子上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成され、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第2ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子と、を備えることを特徴とする半導体素子。
【請求項2】
前記第1及び第2FET素子は、FinFET素子であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
【請求項3】
前記第2FET素子の前記第2活性領域は、前記層間絶縁膜内のホールを通じて、前記第1FET素子のソース/ドレイン領域と連結されたことを特徴とする請求項2に記載の半導体素子。
【請求項4】
前記第1ゲート電極をなす物質と前記第2ゲート電極をなす物質とが、異なることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子。
【請求項5】
前記第1ゲート電極は、n+ドープトポリシリコンを含むことを特徴とする請求項4に記載の半導体素子。
【請求項6】
前記第1ゲート電極は、SiGeを含むことを特徴とする請求項4に記載の半導体素子。
【請求項7】
前記第2ゲート電極は、p+ドープトポリシリコンを含むことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の半導体素子。
【請求項8】
前記第2FET素子上に形成された第2層間絶縁膜と、
前記第2層間絶縁膜上に形成され、第3活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第3ゲート電極を有する第1導電型の第3FinFET素子と、をさらに備え、
前記第3FinFET素子の前記第3活性領域は、前記第2層間絶縁膜内のホールを通じて、前記第2FET素子のソース/ドレイン領域と連結されたことを特徴とする請求項6に記載の半導体素子。
【請求項9】
前記第1ゲート電極をなす物質と前記第2及び第3ゲート電極をなす物質とが、異なることを特徴とする請求項8に記載の半導体素子。
【請求項10】
前記第2ゲート電極をなす物質と前記第3ゲート電極をなす物質とが、異なることを特徴とする請求項9に記載の半導体素子。
【請求項11】
半導体基板上に、第1活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第1ゲート電極を有する第1導電型の第1FET素子を形成する工程と、
前記第1FET素子上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に、第2活性領域の上面及び向き合う側面を経て伸張する第2ゲート電極を有する第2導電型の第2FET素子を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項12】
前記第1及び第2FET素子は、FinFET素子であることを特徴とする請求項11に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項13】
前記層間絶縁膜内のホールを通じて、前記第2FET素子の前記第2活性領域を前記第1FET素子のソース/ドレイン領域と連結する工程をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項14】
前記第2活性領域は、前記層間絶縁膜内の前記ホールを通じた選択的なエピタキシャル成長で形成することを特徴とする請求項13に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項15】
前記第1ゲート電極をなす物質と前記第2ゲート電極をなす物質とが、異なることを特徴とする請求項13に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項16】
前記第1ゲート電極は、n+ドープトポリシリコンを含むことを特徴とする請求項15に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項17】
前記第1ゲート電極は、SiGeを含むことを特徴とする請求項15に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項18】
前記第2ゲート電極は、p+ドープトポリシリコンを含むことを特徴とする請求項15に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項19】
前記第2ゲート電極は、p+ドープトポリシリコンを含むことを特徴とする請求項16に記載の半導体素子の製造方法。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20A】
【図20B】
【図21A】
【図21B】
【図22A】
【図22B】
【図23A】
【図23B】
【図24A】
【図24B】
【図25A】
【図25B】
【図26A】
【図26B】
【図27A】
【図27B】
【図28A】
【図28B】
【図29A】
【図29B】
【図30A】
【図30B】
【図31A】
【図31B】
【図32A】
【図32B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20A】
【図20B】
【図21A】
【図21B】
【図22A】
【図22B】
【図23A】
【図23B】
【図24A】
【図24B】
【図25A】
【図25B】
【図26A】
【図26B】
【図27A】
【図27B】
【図28A】
【図28B】
【図29A】
【図29B】
【図30A】
【図30B】
【図31A】
【図31B】
【図32A】
【図32B】
【公開番号】特開2012−160749(P2012−160749A)
【公開日】平成24年8月23日(2012.8.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−77736(P2012−77736)
【出願日】平成24年3月29日(2012.3.29)
【分割の表示】特願2005−144264(P2005−144264)の分割
【原出願日】平成17年5月17日(2005.5.17)
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】129,Samsung−ro,Yeongtong−gu,Suwon−si,Gyeonggi−do,Republic of Korea
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年8月23日(2012.8.23)
【国際特許分類】
【出願日】平成24年3月29日(2012.3.29)
【分割の表示】特願2005−144264(P2005−144264)の分割
【原出願日】平成17年5月17日(2005.5.17)
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】129,Samsung−ro,Yeongtong−gu,Suwon−si,Gyeonggi−do,Republic of Korea
【Fターム(参考)】
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