JP3488916B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置、特に二
重ゲート電界効果トランジスタの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】絶縁ゲート電界効果トランジスタにおい
て、微小なチャネル長を有するものを実現するために
は、いわゆる短チャネル効果(チャネル長を短くした場
合のしきい値電圧の急激な低下)の防止が必須である。
そのための一つの素子構造として、第10図及び第11
図に示す構造の二重ゲート電界効果トランジスタがあ
る。
【0003】第10図は、平面図であり、X−X’断面
を第11図に示す。図において、1は基板、2は絶縁層
であり、9,10及び11は溝6(第13図参照)内に分離し
て設けられた島状半導体結晶層を形成する、チャネル領
域、ソース領域およびドレイン領域である。少なくとも
チャネル領域は所定の厚さTをもって設けられる。また7
1、72はチャネル領域9の両側面部に設けられた二つのゲ
ート絶縁膜であり、81および82は溝6内に島状半導体結
晶層により分離して設けられた二つのゲート電極であ
る。また、100は絶縁膜2により基板1上に分離されて
設けられた半導体結晶層3の残部である。なお、溝6は
一旦形成された後に一部が絶縁物等21で埋められること
がしばしばあるが、その場合でも一旦形成された部分を
もって溝と称する。
【0004】この構造は短チャネル効果の抑制方法とし
ては最も有効であるとされている。すなわち、左右のゲ
ート電極81および82によりチャネル領域9をシールド
し、ドレイン電界がソース、チャネル領域界面の電位分
布に与える影響を抑えることによって、短チャネル化し
てもソース、チャネル領域界面の電位分布をゲート電極
のみで安定して制御できるようにし、しきい値電圧の急
激な低下を防止する。
【0005】しかし、集積回路素子としてこの構造の特
徴を有効に機能させるためにはチャネル領域と二つのゲ
ート電極が自己整合されて位置決めされていることが必
須である。そうでなければ、二つのゲート電極の位置不
整合、位置合わせマージンの増加等による寄生容量およ
び寄生抵抗の増大、およびその変動のため回路動作の著
しい性能低下を招く。
【0006】そこで、チャネル領域と二つのゲート電極
を自己整合させてこの構造を実現する製造方法として
は、従来の機械化学研磨法等による平坦化技術(ダマシ
ンプロセス等)を用いた方法として第12図〜第23図
の方法が考えられる。
【0007】まず第12図のようにシリコン基板1上に
酸化膜2を介して形成されたシリコン結晶層3を用意
し、さらにシリコン酸化膜4、シリコン窒化膜5を順次
堆積する。次に第13図及び第14図のようにシリコン
窒化膜5、シリコン酸化膜4およびシリコン結晶層3の
一部を除去し形成された溝6により周囲から分離された
島状層200を形成する。100は結晶層3の残存部分であ
り、31、41、51はそれぞれ結晶層3、シリコン酸化膜4お
よびシリコン窒化膜5の島状層200に残された部分であ
る。
【0008】次に第15図のように溝6にシリコン酸化
膜22を埋め込み機械化学的研磨法(CMP)等で平坦化す
る。第16図はそのX−X’断面である。次に第17図
のようにゲート電極パターンにしたがった溝12および13
をシリコン酸化膜22を少なくとも深さが酸化膜2の表面
に達するように除去して形成する。この場合溝12及び13
は島状層200を横断する一つのパターンにより形成され
る。その際の酸化膜22のエッチング除去の時、島状層表
面も同時にエッチング媒体に晒されるがシリコン窒化膜
がエッチングマスクとして働き島状層(後にチャネル領
域9となる部分)が除去されることを防止する。
【0009】第18図はそのX−X’断面を示す。さら
に第19図のように島状層200の結晶シリコン層31の溝1
2および13に露出された側面部を酸化しシリコン酸化膜7
1および72を形成する。次に第20図のように全表面に
多結晶シリコン層を堆積し、機械化学的研磨法などによ
り平坦化し、溝12および13の内部にそれぞれ多結晶シリ
コン層81、82を埋め込む。このとき、シリコン窒化膜
5、及び島状層200上に残されたシリコン窒化膜51が平坦
化のためのエッチングストッパーとして作用する。第2
1図は第20図のX−X’断面を示す。
【0010】次に、第22図のように溝6内のシリコン
酸化膜22を除去し、多結晶シリコン層81及び82が残され
た溝61を形成し、多結晶シリコン層81、および82をマス
クとし高濃度のn型不純物を側面から拡散し、島状層200
にソース領域10、及びドレイン領域11を形成する。マス
クされたシリコン結晶層31の部分がチャネル領域9とな
る。また同時に多結晶シリコン層81、および82にも高濃
度n型不純物が添加されるので、それぞれゲート電極と
して用いることが出来る。次に溝61にシリコン酸化膜21
を埋め込み機械化学的研磨法などにより平坦化する。
【0011】かくして、同一主面上にソース領域10,ド
レイン領域11、チャネル領域9、ゲート電極81及び82が
自己整合してなる絶縁物21で分離された第10図及び第
11図の構成を実現できる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
製造方法では機械化学的研磨法などによる平坦化技術が
第15図及び第16図の第一回目、第20図及び第21
図の第2回目、第23図の第3回目と合計3回の工程を
必要とする。機械化学的研磨法などによる平坦化プロセ
スは汚染などの入りやすい工程であり、またその後の洗
浄プロセスにも負担がかかるのでなるべく少なくした
い。本発明ではこの機械化学的研磨法などによる平坦化
プロセスの回数を削減するすることを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】平坦化するために3回の
工程を要する理由を考えてみると、従来の手法を単純に
適用した方法では目的とした最終形状パターンの溝を形
成し、そこに目的とした材料を埋め込むことしか行われ
ていないので、埋め込んだ後の材料をさらに加工し最終
目的の形状のパターンを作製すると言う概念がないため
であると言える。本発明においては、一旦、目的の形状
パターンを内に含む大きな面積の溝を形成し、そこに目
的の材料を埋め込み、さらに目的の材料からなる目的の
形状パターンを残し、他は溝内から除去する方法を用い
機械化学的研磨法などによる平坦化プロセスの回数を削
減する。
【0014】
【実施例】第1図〜第9図に本発明の実施例を示す。ま
ず第1図のようにシリコン基板1上に酸化膜2を介して
形成されたシリコン結晶層3を用意し、さらにシリコン
酸化膜4、シリコン窒化膜5を順次堆積する。次に第2
図及び第3図のようにシリコン窒化膜5、シリコン酸化
膜4およびシリコン結晶層3の一部を除去し形成された
溝6により周囲から分離された島状層200を形成する。1
00は溝6外の残存部分であり、31、41および51はそれぞ
れ結晶層3、シリコン酸化膜4およびシリコン窒化膜5が
島状層200に残された部分である。ここまでは従来の方
法と同じである。
【0015】この後、溝に露出されたシリコン層の側面
部に熱酸化等で酸化膜7を形成する。シリコン窒化膜は
この際のシリコン層表面の酸化進行防止膜として働く。
次に第4図のように溝6に、従来ではシリコン酸化膜層
であったが、本発明では多結晶シリコン層8を埋め込み
第1回目の機械化学的研磨法(CMP)等で平坦化する。こ
の場合、島状層200および外部100の各表面のシリコン窒
化膜はエッチングストッパー層として働く。
【0016】第5図はそのX−X’断面である。この場
合、多結晶シリコン層8は後の不純物拡散工程などの高
温熱工程に耐え、かつシリコン窒化膜がエッチングマス
クとなり得ると言う材料の特性から用いられている。ま
た、ゲート電極として導電性を持たせ得ることが望まし
い。したがって、これらの特性を有する材料であれば任
意に代替できる。
【0017】次に第6図のようにゲート電極パターンに
したがった多結晶シリコン層81および82を残し、溝6に
埋め込まれた多結晶シリコン層8の残部を除去する。こ
の場合多結晶シリコン層81および82は島状層200を横断
する一つのパターンにより形成されるので互いに自己整
合されている。その際、多結晶シリコン層8のエッチン
グ除去の時、島状層表面のレジスト300に保護されない
部分も同時にエッチング媒体に晒されるがシリコン窒化
膜がエッチングマスクとして働き島状層のその部分(後
にソース領域、ドレイン領域となる部分)が除去される
ことを防止する。また、溝6の外部でレジストに保護さ
れない部分も同様である。また、溝6内に面したシリコ
ン層の側面部は先にその側面に形成しておいたシリコン
酸化膜7がマスクとなりエッチングの進行を防止し、形
状を保つ働きをする。
【0018】第7図はそのX−X’断面を示す。300は
多結晶シリコン層81および82を形成するためのレジスト
マスクである。また、多結晶シリコン層81および82に接
した酸化膜7の部分がそれぞれゲート酸化膜71および72
となり、多結晶シリコン層81および82により挟まれたシ
リコン結晶層31の部分がチャネル領域9となる。次に、
レジストマスク300を除去し、多結晶シリコン層81及び8
2をマスクとし、シリコン層31の側面のシリコン酸化膜7
を除去し、さらに高濃度のn型不純物を側面から拡散
し、島状層200のシリコン層31にソース領域10、及びド
レイン領域11を形成する。マスクされたシリコン結晶層
31の部分9がチャネル領域となる。また同時に多結晶シ
リコン層81および82にも高濃度n型不純物が添加される
ので、それぞれゲート電極として用いることが出来る。
【0019】次に第8図のように溝6にシリコン酸化膜2
1を埋め込み第2回目の機械化学的研磨法などにより平
坦化する。第9図はそのX−X’断面である。かくし
て、同一主面上にソース領域10,ドレイン領域11、チャ
ネル領域9、ゲート電極81及び82が自己整合してなる絶
縁物21で残部100より分離された第10図及び第11図
の構成を実現できる。この実施例で明らかのように機械
化学的研磨法などによる平坦化工程は2回で済み、従来
工程の3回より少なくできる。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば機械化学的研磨法などに
よる平坦化プロセスの回数を削減することが出来、汚染
の防止、製造工程数の削減、製造コストの削減を行うこ
とができる。また、ソース領域、ドレイン領域、チャネ
ル領域と二つのゲート電極がそれぞれ同一主面上に自己
整合して配置された二重ゲート電界効果トランジスタを
形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明の実施例である製造工程の説明図
(A)。
【図2】本願発明の実施例である製造工程の説明図
(B)。
【図3】図2のX−X’断面図である製造工程の説明図
(C)。
【図4】本願発明の実施例である製造工程の説明図
(D)。
【図5】図4のX−X’断面図である製造工程の説明図
(E)。
【図6】本願発明の実施例である製造工程の説明図
(F)。
【図7】図6のX−X’断面図である製造工程の説明図
(G)。
【図8】本願発明の実施例である製造工程の説明図
(H)。
【図9】図8のX−X’断面図である製造工程の説明図
(I)。
【図10】本願発明により形成される2重ゲート電界効
果トランジスタの一例の平面図。
【図11】図10におけるX−X’断面図。
【図12】従来工程の説明図(a)。
【図13】従来工程の説明図(b)。
【図14】図13のX−X’断面図である従来工程の説
明図(c)。
【図15】従来工程の説明図(d)。
【図16】図15のX−X’断面図である従来工程の説
明図(e)。
【図17】従来工程の説明図(f)。
【図18】図17のX−X’断面図である従来工程の説
明図(g)。
【図19】従来工程の説明図(h)。
【図20】従来工程の説明図(i)。
【図21】図20のX−X’断面図である従来工程の説
明図(j)。
【図22】従来工程の説明図(k)。
【図23】従来工程の説明図(l)。
【符号の説明】
1 基板 2 酸化物 3 結晶シリコン層 4 シリコン酸化膜 5 シリコン窒化膜 6 溝 7 シリコン酸化膜 8 多結晶シリコン層 9 チャネル領域 10 ソース領域 11 ドレイン領域 12 溝 13 溝 21 シリコン酸化膜層 22 シリコン酸化膜層 31 シリコン層 41 シリコン酸化膜 51 シリコン窒化膜 71 ゲート酸化膜 72 ゲート酸化膜 81 ゲート電極 82 ゲート電極 100 溝6の外側部分 200 溝6内の島状層 300 レジストマスクパターン
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−151738(JP,A) 特開 平10−93093(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/786 H01L 21/336

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板より第一の絶縁層により分離され、
    かつエッチングマスクを表面に積層した半導体層中に、
    ソース、ドレイン及びチャンネルとなる第一の島状部の
    両側面部が露出するように、深さが該第一の絶縁層の表
    面に達する溝を形成する工程と、該溝を多結晶シリコン
    により埋め込み平坦化する工程と、該第一の島状部を横
    断する平面形状を有するパターンにより該多結晶シリコ
    からなる第二の島状部を形成するとともに、上記マス
    クにより第一の島状部を残し、該溝内にある該多結晶シ
    リコンの他の部分を除去する工程を含む二重ゲート半導
    体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、上記溝に露出された
    上記半導体層の上記両側面部の表面に上記多結晶シリコ
    のエッチングマスクとなる第二の絶縁層を形成する工
    程を含むことを特徴とする二重ゲート半導体装置の製造
    方法。
  3. 【請求項3】 請求項1において、上記多結晶シリコン
    からなる島状部をマスクとし、上記半導体部分の側面部
    から不純物を導入する工程を含むことを特徴とする二重
    ゲート半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 請求項1において、上記多結晶シリコン
    からなる島状部を除く上記溝内を第三の絶縁物で埋め込
    み平坦化させる工程を含むことを特徴とする二重ゲート
    半導体装置の製造方法。
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