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JP3725046B2 - Semiconductor device - Google Patents

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JP3725046B2
JP3725046B2 JP2001171150A JP2001171150A JP3725046B2 JP 3725046 B2 JP3725046 B2 JP 3725046B2 JP 2001171150 A JP2001171150 A JP 2001171150A JP 2001171150 A JP2001171150 A JP 2001171150A JP 3725046 B2 JP3725046 B2 JP 3725046B2
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保彦 竹村
晃 間瀬
秀貴 魚地
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信頼性および量産性に優れ、集積度の高い、半導体集積回路およびその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、単結晶半導体基板上に従来のように形成された半導体回路の上に、さらに、半導体の多結晶、あるいは実質的に単結晶の被膜を形成して、そこに半導体回路を形成し、より集積度を高めた半導体集積回路が開発されている。その典型的な例は、2層のMOSトランジスタ(すなわち、単結晶基板上のMOSトランジスタと、その上の薄膜トランジスタ)を有する完全CMOS型のスタティックRAM(SRAM)である。従来の完全CMOS型のSRAMは、1つの記憶セルにつき、2組のCMOS(すなわち、2つのNMOSと2つのPMOS)と2つのドライバ用のNMOSを必要とし、したがって、大きな面積を要していた。それゆえ、PMOSのかわりに高抵抗の多結晶シリコンを使用し、なおかつ、これをトランジスタに対して、立体的に配置して集積度を高めた、いわゆる高抵抗型のSRAMによって、置き換えられていった。しかしながら、より高集積化が進行すると、線型素子である抵抗を負荷とする方式では、リーク電流が大きすぎるので、再び、非線型素子であるPMOSを負荷とする従来の完全CMOS型が採用されるにいたった。しかし、集積度の点で、従来のような平面的な方式を採用することはできないので、現在のように、PMOSを薄膜トランジスタとして、これを立体的に配置するようになったのである。
【0003】
また、このように立体的に配置すると、単に集積度が上げられるに留まらず、他にも利点がもたらされる。その1つは、素子間の分離が容易で、特に従来のCMOSのモノリシック集積回路で問題となるようなラッチアップ現象がおこらないことである。すなわち、このように立体的に配置された場合には、PMOSは基板やNMOSとは完全に分離されているので、基板と隣接するNMOSを介した寄生トランジスタが発生する余地がなく、したがって、ラッチアップは全く起こりえない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような理由から多層構造の集積回路(以下、立体集積回路、あるいは3次元ICという)が形成されるようになった。しかしながら、従来の立体集積回路は、通常の半導体基板上の集積回路と同じ製造工程を援用した為、作製に要するマスク数が多くなった。例えば、3層多結晶シリコンと1層アルミニウム配線を有する立体集積回路で、CMOSインバータ回路を構成するには、1層目のMOSトランジスタ(第1の多結晶シリコン層を用いた多結晶シリコンゲイトを有する)を形成した後、さらに以下のプロセスが必要とされた。すなわち、
(1) 第1の層間絶縁物の形成
(2) 第2多結晶シリコン層の形成・エッチング▲1▼
(3) ゲイト絶縁膜の形成
(4) 層間絶縁物に、第1のMOSトランジスタのゲイト配線への接続用の穴の形成▲2▼
(5) 第2のトランジスタのゲイト電極(第3多結晶シリコン層)の形成▲3▼
(6) 不純物イオンの注入
(7) 第2の層間絶縁物の形成
(8) 第2の層間絶縁物へのソース、ドレイン電極用の穴の形成▲4▼
(9) 第1の層間絶縁物へのソース、ドレイン電極用の穴の形成▲5▼
(10)ソース、ドレイン電極配線の形成▲6▼
(11)パッシベーション膜の形成
【0005】
ここで、丸数字はマスクの番号・枚数を表す。すなわち、最低でも6枚ものマスクが必要とされる。より付加価値をつけるためには、さらに多くのマスクが必要とされる。特に、(7)と(8)のプロセスにおいては、CMOSインバータの場合には、接地側とドレイン電圧供給側にわけて配線しなければならないので仕方がないにしても、例えば、CMOSトランスファーゲイト回路では、NMOSとPMOSの不純物領域が両方とも結合されて構成されている。したがって、そのような場合には、通常、NMOSの不純物領域はPMOSの不純物領域と重なって構成されているので、NMOSの不純物領域とPMOSの不純物領域を結線するだけであれば、わざわざ、2工程にわける必要はないと考えられるかもしれない。確かに、NMOSとPMOSのソース、あるいはドレインを貫通して、1枚のマスクで穴を開ければ、双方とコンタクトをとることができるように考えられる。
【0006】
しかしながら、PMOSの不純物領域層の厚さは、最近の研究では薄いほど特性がよいことが発見され、通常、100nm以下、場合によっては20nmというような極めて薄いものが用いられる場合がある。したがって、単に1つの両不純物領域間を貫通する穴を形成しただけでは、そのコンタクトはとても十分とはいえない。典型的には、穴の半径を2μm、PMOSの不純物領域の厚さを100nmとすると、NMOSに形成される電極の面積は約12.6μm2 であるのに対し、PMOSの不純物領域の『電極』の面積はその10分の1の1.3μm2 でしかない。CMOSであるので、消費電力が小さいとはいえ、これはあまりにも小さな電極面積であり、通常の動作に耐えられないものである。
【0007】
したがって、面倒ではあるが、わざわざ、第2の層間絶縁物に穴を開けて、PMOSの不純物領域への電極形成用の穴を形成し、その上で、第2および第1の層間絶縁物を貫通して、NMOSの不純物領域への電極形成用の穴を形成し、その電極部分の面積はほぼ同じ大きさとすることが必要とされる。
【0008】
さらに、PMOSの不純物領域の厚さが50nm以下の極めて薄い場合には、第2の層間絶縁物への穴の形成も十分な注意が必要とされる。一般に、層間絶縁物はその絶縁特性と下層と上層の配線間の寄生容量とを考慮して、200nm以上とされる。実際には、先に形成されたゲイト酸化膜が残っており、ゲイト酸化膜は、薄膜トランジスタの場合には、50〜200nmの厚さに形成されるので、実際には不純物領域の上には、250〜400nm、あるいはそれ以上の厚さの酸化物が存在している。
【0009】
そして、このような層間絶縁物への穴開けは、プラズマ気相エッチング法が採用されるが、酸化珪素とシリコンとのエッチング選択比は十分大きいと言えども、プラズマエッチングを精密におこなわないと、誤って、シリコン膜をも貫通した穴を形成してしまう恐れがある。特に、平坦な部分への穴の形成は比較的容易であるが、曲面への形成は、例えば層間絶縁物の厚さ自体が、場所によってばらついているため、穴全域にわたってエッチングをシリコン膜の表面で終了することは極めて難しい。
【0010】
半導体集積回路の製作歩留りを上げ、コストダウンを図るうえで、マスクプロセスの削減が必須であることは、言うまでもない。本発明では、よりマスクの枚数を減らして、歩留りを向上させることを目的とする。また、本発明では、耐圧性に優れた絶縁被膜で配線を被覆し、よって、上部配線との短絡を防止することをも目的とする。
【0011】
【課題を解決する手段】
本発明では、従来用いられていた、上層の薄膜トランジスタ(第2のMOSトランジスタともいう。先の例では、PMOSにあたるが、NMOSであってもよいことはいうまでもない。)において、シリコンゲイト電極をアルミニウムゲイト電極とし、その表面を陽極酸化法によって酸化せしめることによって、高耐圧の酸化物層を形成し、これを層間絶縁物のかわりに用いて、マスクの枚数を減らし、なおかつ、配線間の耐圧を向上せしめる。
【0012】
すなわち、本発明で、先の例と同じCMOSインバータ回路構成しようとすると、半導体基板上に、NMOSを形成した後に、以下のプロセスが必要となる。ただし、本発明のこの例では、PMOSのゲイト電極がアルミニウムであるので、『2層多結晶シリコン、2層アルミ配線』となる。
(1a) 層間絶縁物の形成
(2a) 第2多結晶シリコン層の形成・エッチング▲1▼
(3a) ゲイト絶縁膜の形成
(4a) 層間絶縁物に、第1のMOSトランジスタのゲイト配線への接続用のの形成▲2▼
(5a) 第2のトランジスタのゲイト電極(第1アルミニウム層)の形成▲3▼
(6a) ゲイト電極・配線の表面の陽極酸化
(7a) 不純物イオンの注入
(8a) ゲイト絶縁膜の除去・PMOSの不純物領域の露出
(9a) 層間絶縁物へのソース、ドレイン電極用の穴の形成▲4▼
(10a)第2のアルミニウム層を用いてソース、ドレイン電極配線の形成▲5▼
(11a)パッシベーション膜の形成
【0013】
以上のように、工程数は変わらないが、マスクの枚数を1枚減らすことができた。特に、ここで、削減されたマスクプロセスは、先に説明したように、最も難易度の高いプロセスであり、この工程を省略することによって、歩留りは著しく高められる。従来の例のプロセス(8)の代わりに、本発明では、プロセス(8a)があるが、これは、例えば、弗化水素酸のように、シリコンおよび酸化アルミニウムをおかさず、かつ、酸化珪素を溶解させるような溶液によって、エッチングをおこなえばよい。この工程において、先に形成されていた層間絶縁物の一部が浸食されるが、、層間絶縁物が、ゲイト酸化膜以上に厚く形成されていれば、この工程によって、層間絶縁物が浸食されて、下地の半導体基板や多結晶シリコンが露出することはない。
【0014】
また、特に第1の多結晶シリコン(第1のMOSトランジスタのゲイト配線・電極が形成されている)層が露出することを積極的に防ぐためには、第1の多結晶シリコン配線・電極に重なるように第1のアルミニウム層による配線(第2のMOSトランジスタのゲイト配線・電極が形成されている)を形成すればよい。すなわち、このアルミニウム配線は陽極酸化されるので、表面は、不溶性の酸化アルミニウムにかわり、その下にある物体は浸食されにくいからである。
【0015】
同じく、2層多結晶シリコン、2層アルミ配線で、CMOSトランスファーゲイト回路を構成しようとすると、半導体基板上に、NMOSを形成した後に、以下のプロセスが必要となる。
(1b) 層間絶縁物の形成
(2b) 第2多結晶シリコン層の形成・エッチング▲1▼
(3b) ゲイト絶縁膜の形成
(4b) 第2のトランジスタのゲイト電極(第1アルミニウム層)の形成▲2▼
(5b) ゲイト電極・配線の表面の陽極酸化
(6b) 不純物イオンの注入
(7b) ゲイト絶縁膜の除去・PMOSの不純物領域の露出
(8b) 層間絶縁物へのソース、ドレイン電極用の穴の形成▲3▼
(9b) 第2のアルミニウム層を用いてソース、ドレイン電極配線の形成▲4▼
(10b)パッシベーション膜の形成
【0016】
すなわち、CMOSインバータの工程で必要だった(4a)の工程は必要とされない。CMOSトランスファーゲイト回路では、NMOSとPMOSのゲイトは結線される必要がないので、この工程は不要である。結局、4枚のマスクで完成される。このことは、従来の方法をもってしても同様で、従来の立体集積回路の作製においても、インバータの場合より1枚マスクの少ない、計5枚のマスクで作製される。
【0017】
本発明では、マスクの枚数は従来と同じでも、より信頼性の高い回路を形成することができる。その方法によって、同じインバータを作製する工程は以下のようになる。
(1c) 第1の層間絶縁物の形成
(2c) 第2多結晶シリコン層の形成・エッチング▲1▼
(3c) ゲイト絶縁膜の形成
(4c) 層間絶縁物に、第1のMOSトランジスタのゲイト配線への接続用の穴の形成▲2▼
(5c) 第2のトランジスタのゲイト電極(第1アルミニウム層)の形成▲3▼
(6c) ゲイト電極・配線の表面の陽極酸化
(7c) 不純物イオンの注入
(8c) 第2の層間絶縁物の形成
(9c) 第2の層間絶縁物へのソース、ドレイン電極用の穴の形成▲4▼
(10c)第2の層間絶縁物へのソース、ドレイン電極用の穴の形成▲5▼
(11c)第2のアルミニウム層を用いてソース、ドレイン電極配線の形成▲6▼
(12c)パッシベーション膜の形成
【0018】
このように、工程が増え、さらにマスクプロセスの数も従来と変わらないが、このようにして形成された回路では、特に第2のトランジスタのゲイト電極・配線の表面は陽極酸化膜と層間絶縁物で覆われ、特に、陽極酸化膜はちみつで耐圧性に優れているので、配線間に不意の高電圧がかかった場合の短絡を防止するうえで有効である。
【0019】
従来、層間絶縁物として使用される酸化珪素は、配線の起伏を完全にカバーすることができず、その厚さに厚いところや薄いところが生じ、特に、下部配線であるゲイト配線の側面では膜は薄くなった。一方、下部配線の上面には十分な厚さの膜が形成された。そして、この厚さの変動は、その後の熱処理等によって層間絶縁物の剥離等につながった。この状態で、上部配線を形成すると、下部配線の側面において、短絡がおこりやすかった。しかしながら、本発明によれば、下部配線の側面も上面もほぼ同じ厚さの陽極酸化絶縁膜を形成できるので、そのような問題は解決される。
【0020】
本発明においては、第2のMOSトランジスタのゲイト電極はほとんど不純物を含有しないアルミニウムや、純粋なアルミニウムでは強度が不十分で、例えば、エレクトロマイグレーションのような機械的な力に弱い場合には、アルミニウムにシリコンを1〜10%添加した合金等を用いて被膜を形成する。アルミニウムのかわりにチタンやタンタルであってもよい。これらの金属は陽極酸化法(陽極化成法)によってその酸化物膜を形成することができ、また、この酸化物膜は耐圧性に優れている。しかしながら、この金属の選択で注意しなければならないことは、酸化アルミニウムに比べると、酸化チタンや酸化タンタルは格段に比誘電率が大きいということである。したがって、層間絶縁物としてこれらの誘電率の高い材料を使用すれば、誘電損失が大きくなることがある。また、タンタルやチタンはアルミニウムに比して抵抗率が高いことも材料の選択においては検討しなければならない。また、チタンやタンタルは耐熱性が優れているので、後の製造プロセスで高温となる場合には、これらの材料を用いるとよい。
【0021】
特に、第2のトランジスタがPMOSの場合にアルミニウムを用いると、アルミニウムの仕事関数と、シリコンの仕事関数、エネルギー準位の関係から、オフ状態のチャネル形成がほとんどなく(すなわちリーク電流の少ない)、極めて信頼性の高いMOSトランジスタとなる。
【0022】
アルミニウムのかわりにチタンやタンタルを使用とする場合には、これらの材料と、下地の酸化膜との密着性も考慮しなければならない。一般に、これらの材料と酸化珪素の間の密着性はよくない。したがって、ゲイト絶縁膜を多層膜として、密着性の不連続性を無くす工夫が必要であるが、そのようなことは工程の複雑化につながり望ましくない。
【0023】
陽極酸化の方法としては、溶液法とプラズマ法がある。溶液法は、電解溶液中に基板ごと浸漬して、ゲイト配線を電源に接続し、直流もしくは交流の電流を通じて陽極酸化をおこない、ゲイト配線、ゲイト電極等の表面に酸化膜を形成する方法である。ゲイト配線等の材料としてアルミニウムを用いた場合には酸化アルミニウムの、チタンを用いた場合には酸化チタンの、タンタルを用いた場合には酸化タンタルの被膜が形成される。これらの酸化物膜は、純粋に金属と酸素からなるのではなく、内部に電解質を構成する元素が含まれたり、水和物となったりし、よって、その物理的性質は変化する。例えば、電解質に有機酸を用いた場合には、酸化物膜中に炭素が含まれ、硫酸を用いた場合には硫黄が含まれる。電解質にアルカリ金属イオンを含む材料を用いることは避けるべきである。アルカリ金属イオン(ナトリウムやカリウム)は、半導体領域中に侵入すると半導体の導電特性に著しい損害を与えるからである。
【0024】
また、例えば、特定のゲイト配線だけを電源に接続し、他のゲイト配線はつながなかった場合には、電源に接続されたゲイト配線にのみ酸化物膜が形成され、他のゲイト配線には、自然酸化膜以外には実質的に酸化物膜が形成されない。あるいは、それぞれに通電する時間、電流、電圧等を変化させてもよい。このようにして、形成される酸化物膜の厚さを変化させることが可能である。例えば、層間絶縁物として使用する場合には配線間の容量を減らす為に膜厚は大きい方が望ましいが、一方、キャパシタの絶縁物として使用する場合には薄い方が望ましい。このような目的に違いがある場合には上記のような手法を用いることが有効である。
【0025】
このようにして、上記配線等が酸化物膜で被覆されたら、基板を溶液から取り出し、よく乾燥させる。また、必要によっては熱水あるいは高温蒸気にさらすことによって酸化物膜の改質をおこなってもい。すなわち、陽極酸化法において、特に厚い酸化物膜を得ることを目的とする条件においては、得られる膜は多孔質の膜である。このような膜は厚いけれども耐圧に問題がある場合があり、また、後の工程において、孔を介して電流が短絡することがある。そのような場合には酸化物膜を高温の水と反応させて、水和物とし、体積を膨張させることによって孔をふさぐとよい。このようにして緻密な絶縁性のよい膜が得られる。いずれにせよ、被膜上に電解質が残存しないように十分に洗浄し、乾燥させることが必要である。このようにして、図1(C)が得られる。
【0026】
また、陽極酸化の手法としては、通常の酸溶液中での方法以外に、プラズマ中での方法を採用してもよい。溶液を用いる方法は、安価で、一度に多量の処理が可能であるが、例えば、ナトリウム等の可動イオンの侵入が容易であり、特にサブミクロン、クォータミクロンのデバイスにおいては、このようなイオンの存在は致命的である。一方、プラズマ陽極酸化法は、溶液を用いる方法に比べると極めてクリーンな手法である。しかしながら、量産性に欠けるとともに、厚い酸化膜を形成することが困難であるという欠点をも有する。
【0027】
陽極酸化膜の厚さは、その目的に応じて、決定されなければならない。通常は、層間絶縁物として機能することを期待されるので、0.1〜0.6μm、好ましくは0.2〜0.5μmとされる。
【0028】
本発明によってもたらされる効果は以上述べただけにはとどまらない。例えば、通常の立体集積回路では、薄膜トランジスタに、低濃度ドレイン(LDD)領域を設けるということはほとんどされなかった。これは、工程が複雑になるという理由だけからではなく、従来の方法によってLDD領域を形成しようとした場合、LDD領域の幅を決定するうえで重要な側壁は、厚い絶縁膜を方向性エッチングによってゲイト電極の側面に残存せしめるという手法によって得られていたのに対し、特に立体集積回路における薄膜トランジスタの存在する場所は起伏が激しく、したがって、再現性良く、あるいは場所に依存することなく同じ大きさの側壁を得られなかったためである。
【0029】
したがって、従来の薄膜トランジスタはたいてい、図8に示すような典型的なMOSトランジスタの構造をしていた。これは以下のように形成された。まず、薄膜状の半導体領域の表面にゲイト絶縁膜801を形成し、その上にゲイト電極802を形成し、このゲイト電極をマスクとしてイオン注入法によって自己整合的に不純物領域803を形成した。その後、層間絶縁物804を形成した。このようにして形成された薄膜トランジスタでは図8(B)に見られるように、どうしても、イオン注入の際のイオンの2次散乱によってゲイト電極の下の部分に不純物が侵入する。そして、長さLの領域だけ、ゲイト電極と不純物領域の重なる部分ができた。このような重なりは、寄生容量となり、MOSトランジスタの動作を鈍らせる原因である。
【0030】
一方、本発明を利用すれば、このような問題は解決される。図3には、本発明を用いた薄膜トランジスタの作製方法が示されている。すなわち、図3(A)のように、薄膜状の半導体領域上にゲイト絶縁膜301を形成し、さらにゲイト電極302を形成して、自己整合的に不純物領域303を形成する。不純物領域303は通常、ゲイト電極の下方に回り込む。ここまでは従来の例と同じである。しかしながら、本発明によって、次に、ゲイト電極の表面を陽極酸化すると事情は異なる。陽極酸化によって、図3(B)のように酸化膜304が形成されるが、この酸化によって、ゲイト電極の表面は後退する。そして、イオン注入によるイオンの2次散乱と陽極酸化によるゲイト電極表面の後退を考慮すれば、図3に示すように、ほとんど不純物領域とゲイト電極の重なりのない状態が実現される。イオンの2次散乱や陽極酸化の程度は、シュミレーションや経験によって、かなり正確に計算できるので、実質的に重なりのない状態を実現することも可能である。また、任意の幅だけ重ねることや、任意の幅だけ離すことも可能である。
【0031】
図4は別の例である。まず図4(A)のように薄膜状の半導体領域403上にゲイト絶縁膜401とゲイト電極402を形成する。そして、図4(B)のように、先に陽極酸化をおこない、ゲイト電極のまわりに酸化物404を形成する。そして、図4(C)のように、イオン注入をおこない、不純物領域405を形成する。このときには不純物領域とゲイト電極は重なりがなく、逆に離れた状態(オフセット状態)となる。特に薄膜トランジスタでは、粒界を経由したオフ電流(リーク電流)が問題とされることがあるが、このようにオフセット状態とすることによって、オフ電流を著しく低減させることができる。また、ゲイト電極に逆電圧を加えた場合には、薄膜トランジスタでは、しばしば、電流が流れる現象(逆方向リーク)が観測されたが、これも抑制できることがあきらかになった。このオフセットの長さLとしては0.2〜0.5μmが適しているので、そのような条件を実現できるように、イオン注入のエネルギーと陽極酸化膜の厚さを決定すればよい。このとき、これらのパラメータを変更することによって、Lの値を任意の値にすることができる。
【0032】
図5は本発明によって、LDD領域を形成する例である。まず、図5(A)のように不純物領域503を形成する。ここで、この不純物領域の不純物濃度は、1×1017〜5×1018cm-3、好ましくは5×1017〜2×1018cm-3となるようにする。ついで、図5(B)のようにゲイト電極を陽極酸化し、酸化物504を形成する。最後に、図5(C)に示すように、再びイオン注入をおこない、不純物領域を形成する。この不純物領域の不純物濃度は1×1019〜5×1022cm-3、好ましくは5×1020〜2×1021cm-3とする。すると、低濃度の不純物領域503と高濃度の不純物領域505が形成される。本発明では、陽極酸化法を採用するので、酸化物(側壁として機能する)の厚さは、半導体領域の傾斜に関係なくほぼ一定であり、極めて再現性の良くLDD領域が得られる。
【0033】
図6は本発明に、レーザーアニール法を組み合わせた例である。まず、図6(A)に示すように、従来の方法によって、不純物領域603を形成する。そして、ゲイト電極を陽極酸化し、酸化物604を得る。このとき、イオン注入によって不純物領域はアモルファス状態、あるいは微結晶状態となっている。そして、図6(C)のように、上面からレーザー光、あるいはそれと同等な強力な電磁波を照射すれば、このようなアモルファスあるいは微結晶は再結晶化するが、ゲイト電極とその周囲の酸化物が影となって、酸化物604の下に存在する部分は再結晶化できない。すなわち、N型(P型)領域−アモルファスN型(P型)領域−I型チャネル形成領域−アモルファスN型(P型)領域−N型(P型)領域という構造が得られる。この構造によって、LDD領域を設けることと同等な効果が得られることが本発明人らによって確認されている。その詳細は、本発明人等の発明で、株式会社半導体エネルギー研究所の平成3年8月26日出願の『絶縁ゲイト型半導体装置およびその作製方法』に詳述されているのでここでは省略する。
【0034】
図7は、本発明によって得られるオフセット領域と先のアモルファス領域を組み合わせたものである。すなわち、図7(A)に示すように、半導体領域701上にゲイト絶縁膜702とゲイト電極703を形成し、ゲイト電極を陽極酸化して酸化物704を得る。次に図7(B)のように、イオン注入法によって不純物領域705を形成する。最後に、図6の場合のように、レーザーアニールをおこなう。以上の工程によって、N型(P型)領域−アモルファスN型(P型)領域−I型オフッセト領域−I型チャネル形成領域−I型オフセット領域−アモルファスN型(P型)領域−N型(P型)領域という構造が得られる。この構造の薄膜トランジスタの効果は、図4と図6を組み合わせたものである。
このように、本発明によって、実に多用な構造の薄膜トランジスタが形成される。そして、これらの多種多用な薄膜トランジスタを形成するには、特殊な技術や複雑な工程はほとんど必要とされず、いずれもゲイト電極の陽極酸化という、本発明の根幹となっている技術がそのベースとなっていることは容易に理解されるであろう。
【0035】
以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明するとともに、その効果を明らかにする。
【0036】
【実施例】
図1には本実施例を示す。図1(A)には、既に単結晶シリコンウェファー上に第1のMOSトランジスタが形成されている。すなわち、素子分離領域(いわゆるLOCOS)107の間に露出された単結晶シリコン面に、LDD領域を有するN型不純物領域101が形成され、その上に側壁を伴ったゲイト電極102が形成されている。また、素子分離領域107上には、このゲイト電極から延びたゲイト配線108が走っている。これらの電極・配線を包んで層間絶縁物103が形成されている。そして、第2のMOSトランジスタを形成するために選択的に形成された多結晶シリコン膜104とその上の熱酸化によって形成されたゲイト酸化膜105があり、ゲイト配線108上の層間絶縁物には、ゲイト配線の接続用の穴106が形成されてある。
【0037】
次に、図1(B)のように第1のトランジスタのゲイト電極配線と重なるようにアルミニウムの第2のトランジスタのゲイト電極109とそれにつながるゲイト配線110を形成する。第1のトランジスタのゲイト配線108と第2のトランジスタのゲイト配線110とは、穴106を介して接続されている。
【0038】
そして、第2のトランジスタのゲイト電極を陽極酸化する。陽極酸化は以下のような手順によっておこなわれた。ここで、注意しなければならないことは、以下の記述で用いられる数値は、一例に過ぎず、作製する素子の大きさ等によって、最適な値が決定されるということである。すなわち、以下の記述で用いられる数値は絶対的なものではない。まず、充分にアルカリイオン濃度の小さい、酒石酸のエチレングリコール溶液を作製した。酒石酸の濃度としては、0.1〜10%、例えば、3%とし、これに、1〜20%、例えば10%のアンモニア水を加え、pHが7±0.5となるように調整した。
【0039】
この溶液中に、陰極として白金電極を設け、シリコンウェファーごと溶液に浸した。そして、ウェファー上のゲイト配線・電極を直流電源装置の正極に接続した。そして、最初は電流を2mAで一定となるように通じた。陽極と陰極(白金電極)との間の電圧は、溶液の濃度とともに、ゲイト電極・配線上に形成される酸化膜の厚さによって時間とともに変化し、一般に酸化膜の厚さが大きくなるにしたがって、高い電圧を要するようになる。このように電流を流し続け、電圧が150Vとなったところで、電圧を一定に保持し、電流が0.1mAになるまで電流を流し続けた。定電流状態は約50分、定電圧状態は約2時間続いた。このようにして、ゲイト電極・配線の表面に厚さ0.3〜0.5μmの酸化アルミニウム膜111を形成することができた。このようにして形成された酸化アルミニウム膜は、それだけでも十分に緻密であったが、より絶縁性を増すために、熱水中で10分間保持した。この工程によって、6〜12MV/cmの高耐圧被膜が形成できた。
【0040】
その後、公知のイオン注入法によって、ゲイト電極109をマスクとして硼素イオンあるいは硼素化合物イオン(例えばBF2 + )を注入する。こうして、P型の不純物領域112を形成する。さらに、ウェファーを熱アニールして、不純物領域の再結晶をおこなう。
【0041】
その後、弗酸溶液、例えば1/10弗酸に基板を浸し、ゲイト酸化膜(酸化珪素)105をエッチングし、半導体領域112の表面を露出させる。このとき、酸化アルミニウムは弗酸に不溶なので、ゲイト電極・配線の下の酸化珪素膜は除去されず、そのまま残存する。しかしながら、長時間にわたって弗酸中に置いておくとゲイト電極・配線の下の酸化珪素膜も溶解してしまうので、注意しなければならない。
【0042】
最後に、第2のトランジスタの不純物領域112を貫通して第1のトランジスタの不純物領域101に穴113を形成し、アルミニウム、クロム等の金属材料によって、トランジスタに電極・配線114を形成し、完成する。
【0043】
図2には、図1の工程によって得られた立体構造CMOS回路を上面から見た図を示す。図2(A)は第1のトランジスタが形成されている様子を示し、図2(B)は、その上に第2のトランジスタが形成され、トランジスタ間の結線が完了した様子を示す。
【0044】
このように本発明では、第2のトランジスタ上に層間絶縁物を形成しないで、じかに上部配線を形成することが可能である。すなわち、既に下部配線が酸化物膜で被覆されているからである。したがって、従来の方法に比べて、この段階で、マスクを1枚減らすことが可能となる。
【0045】
しかしながら、そのような方法では、実質的に問題がのこる場合がある。図1の例では、層間絶縁物は、下部配線の酸化膜だけであったが、その場合には、厚さの点で問題があり、また、このような酸化物は誘電率が大きいので、配線間容量の増加の原因となる。そこで、陽極酸化膜を用いるとともに、従来のように層間絶縁物をその上に形成し、その厚さを増すとともに、平均的な誘電率の低下を計って、配線間容量の低減をおこなってもよい。すなわち、陽極化成によって形成された酸化物はちみつで耐圧性に富んでいるため、層間の絶縁分離には好適である。従来は、層間絶縁物層が1層だけであったので、その耐圧性には問題があり、特に、配線交差部では段差が存在するため、層間絶縁物が、この段差を覆いきれず、クラック等の欠陥が存在して、上部配線との短絡等を招くことが多かった。しかしながら、本発明では、このような段差による欠陥は全く考慮する必要がなく、歩留りの大いなる向上に寄与している。このような方法を採用するにあたっては、装置の作製に必要なマスクの枚数は従来と同じであるので、第2のトランジスタの不純物領域の厚さが極端に薄い場合には適切でないが、50nm以上の場合には、電極形成の工程で歩留りを下げることなく量産することができる。このような回路は、特に高圧用に適している。
【0046】
【発明の効果】
本発明によって、従来よりも少ない枚数のマスクによって立体集積回路を作製することができた。また、本発明によって、従来とマスクの枚数は変わらないけれどもより信頼性の高い立体集積回路を作製することができた。特に本発明の目的は、立体集積回路の歩留りの向上にある。特に、立体集積回路において薄膜トランジスタのソース、ドレインの電極の形成は、幅1μm以下、厚さ10nm以下の精度を要求される高度な作業であり、この工程によって発生する不良は、他の工程で発生するものより著しく多かった。本発明によれば、薄膜トランジスタへの電極の穴開けは不要であるので、歩留りは、著しく向上する。
【0047】
一方、特に多層配線集積回路においては、ゲイト配線と信号線(ソース、ドレイン配線)との短絡による不良の発生は大きな問題であった。これは、直接的には取扱上の問題に起因する不良であったが、間接的には、層間絶縁物の不良であると考えられる。すなわち、層間絶縁物として使用される酸化珪素は、配線の起伏を完全にカバーすることができず、その厚さに厚いところや薄いところが生じ、特に、下部配線であるゲイト配線の側面では膜は薄くなった。一方、下部配線の上面には十分な厚さの膜が形成された。この状態で、上部配線を形成すると、下部配線の側面において、短絡がおこりやすかった。しかしながら、本発明によれば、下部配線の側面も上面もほぼ同じ厚さの陽極酸化絶縁膜を形成できるので、そのような問題は解決される。この陽極酸化絶縁膜を形成したのちに、従来のように層間絶縁膜を形成すれば、絶縁効果は一層高められる。
【0048】
本発明で対象とする立体集積回路は、CMOSだけには限らない。NMOSのみ、あるいはPMOSのみからなる集積回路も本発明を利用すれば、同等な効果を得られることは明らかであろう。さらに、本発明では、説明を容易にするため、第1のトランジスタはNMOS、第2のトランジスタはPMOSという例を頻繁に用いたが、それは逆であっても何ら本発明の根幹を否定するものでないことは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による立体集積回路の作製工程例を示す。
【図2】本発明によって作製した立体集積回路の例を示す。
【図3】本発明による薄膜トランジスタとその作製工程例を示す。
【図4】本発明による薄膜トランジスタとその作製工程例を示す。
【図5】本発明による薄膜トランジスタとその作製工程例を示す。
【図6】本発明による薄膜トランジスタとその作製工程例を示す。
【図7】本発明による薄膜トランジスタとその作製工程例を示す。
【図8】従来法による薄膜トランジスタとその作製工程例を示す。
【符号の説明】
101 第1のMOSトランジスタの不純物領域
102 第1のMOSトランジスタのゲイト電極
103 層間絶縁物
104 半導体(シリコン)被膜
105 第2のMOSトランジスタのゲイト酸化膜
106 ゲイト電極接続用の穴
107 素子分離領域(LOCOS)
108 第1のMOSトランジスタのゲイト配線
109 第2のMOSトランジスタのゲイト電極
110 第2のMOSトランジスタのゲイト配線
111 陽極酸化膜
112 第2のMOSトランジスタの不純物領域
113 第1のMOSトランジスタの不純物領域への電極形成用穴
114 金属配線
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit excellent in reliability and mass productivity and having a high degree of integration, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a polycrystalline or substantially monocrystalline film of a semiconductor is further formed on a semiconductor circuit formed on a single crystal semiconductor substrate as in the past, and a semiconductor circuit is formed thereon. Semiconductor integrated circuits with increased integration levels have been developed. A typical example is a fully CMOS static RAM (SRAM) having two layers of MOS transistors (that is, a MOS transistor on a single crystal substrate and a thin film transistor thereon). Conventional full CMOS SRAM requires two sets of CMOS (ie, two NMOS and two PMOS) and two driver NMOSs per memory cell, and thus requires a large area. . Therefore, it is replaced by a so-called high resistance type SRAM in which high resistance polycrystalline silicon is used instead of PMOS, and this is three-dimensionally arranged with respect to the transistor to increase the degree of integration. It was. However, as higher integration progresses, the leak current is too large in the method using a load, which is a linear element, so that the conventional full CMOS type using a PMOS, which is a non-linear element, is adopted again. I went to. However, in terms of the degree of integration, the conventional planar method cannot be adopted, so that the PMOS is used as a thin film transistor and is three-dimensionally arranged as it is now.
[0003]
Further, such a three-dimensional arrangement not only increases the degree of integration, but also provides other advantages. One of them is that the elements can be easily separated, and the latch-up phenomenon which causes a problem in the conventional CMOS monolithic integrated circuit does not occur. That is, in such a three-dimensional arrangement, since the PMOS is completely separated from the substrate and the NMOS, there is no room for a parasitic transistor to be generated via the NMOS adjacent to the substrate. Up is never possible.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
For these reasons, an integrated circuit having a multilayer structure (hereinafter referred to as a three-dimensional integrated circuit or a three-dimensional IC) has been formed. However, since the conventional three-dimensional integrated circuit uses the same manufacturing process as that of an integrated circuit on a normal semiconductor substrate, the number of masks required for manufacturing increases. For example, to form a CMOS inverter circuit with a three-dimensional integrated circuit having three layers of polycrystalline silicon and one layer of aluminum wiring, a first-layer MOS transistor (a polycrystalline silicon gate using a first polysilicon layer is used). In addition, the following process was required. That is,
(1) Formation of first interlayer insulator
(2) Formation and etching of the second polycrystalline silicon layer (1)
(3) Formation of gate insulating film
(4) Formation of a hole for connecting to the gate wiring of the first MOS transistor in the interlayer insulator (2)
(5) Formation of gate electrode (third polycrystalline silicon layer) of second transistor (3)
(6) Impurity ion implantation
(7) Formation of second interlayer insulator
(8) Formation of holes for source and drain electrodes in the second interlayer insulator (4)
(9) Formation of holes for source and drain electrodes in the first interlayer insulator (5)
(10) Formation of source and drain electrode wirings (6)
(11) Formation of passivation film
[0005]
Here, the circled numbers represent the mask number / number. That is, at least six masks are required. In order to add more value, more masks are required. In particular, in the processes of (7) and (8), in the case of a CMOS inverter, since wiring must be performed separately on the ground side and the drain voltage supply side, for example, a CMOS transfer gate circuit can be used. In this case, both the NMOS and PMOS impurity regions are combined. Therefore, in such a case, the NMOS impurity region is usually formed so as to overlap the PMOS impurity region. Therefore, if only the NMOS impurity region and the PMOS impurity region are connected, the two steps are bothered. You may think that there is no need to divide. Certainly, it can be considered that if a hole is made with one mask through the source or drain of NMOS and PMOS, contact can be made with both.
[0006]
However, the thickness of the impurity region layer of the PMOS has been found to be better as the thickness is reduced in recent research. Usually, a very thin thickness of 100 nm or less, and in some cases, 20 nm may be used. Therefore, simply forming a hole penetrating between one impurity region is not sufficient. Typically, assuming that the hole radius is 2 μm and the thickness of the PMOS impurity region is 100 nm, the area of the electrode formed in the NMOS is about 12.6 μm.2On the other hand, the area of the “electrode” in the PMOS impurity region is one-tenth of 1.3 μm.2Only it is. Since it is a CMOS, although it consumes less power, it has a too small electrode area and cannot withstand normal operation.
[0007]
Therefore, although it is troublesome, a hole is purposely made in the second interlayer insulator to form a hole for forming an electrode in the impurity region of the PMOS, and then the second and first interlayer insulators are formed. It is necessary to form a hole for forming an electrode in the impurity region of the NMOS so that the area of the electrode portion is almost the same size.
[0008]
Further, when the thickness of the impurity region of the PMOS is very thin, such as 50 nm or less, sufficient attention is required for forming a hole in the second interlayer insulator. In general, the interlayer insulator is 200 nm or more in consideration of its insulating characteristics and parasitic capacitance between lower and upper wirings. Actually, the previously formed gate oxide film remains, and in the case of a thin film transistor, the gate oxide film is formed to a thickness of 50 to 200 nm. An oxide with a thickness of 250 to 400 nm or more is present.
[0009]
And, in order to make a hole in such an interlayer insulator, a plasma vapor phase etching method is adopted, but even if the etching selectivity between silicon oxide and silicon is sufficiently large, if plasma etching is not performed accurately, There is a risk that a hole penetrating through the silicon film may be formed by mistake. In particular, it is relatively easy to form a hole in a flat part, but in the formation to a curved surface, for example, the thickness of the interlayer insulator itself varies depending on the location. It is extremely difficult to finish with.
[0010]
Needless to say, it is essential to reduce the mask process in order to increase the manufacturing yield of semiconductor integrated circuits and to reduce costs. An object of the present invention is to improve the yield by further reducing the number of masks. Another object of the present invention is to cover the wiring with an insulating film having excellent pressure resistance, and thus prevent a short circuit with the upper wiring.
[0011]
[Means for solving the problems]
In the present invention, an upper-layer thin film transistor (also referred to as a second MOS transistor, which corresponds to a PMOS in the previous example, needless to say, may be an NMOS), which has been conventionally used. Is an aluminum gate electrode, and its surface is oxidized by an anodic oxidation method to form a high breakdown voltage oxide layer, which is used in place of an interlayer insulator to reduce the number of masks, and between wirings. Improve pressure resistance.
[0012]
That is, in the present invention, if the same CMOS inverter circuit as that of the previous example is to be configured, the following process is required after forming the NMOS on the semiconductor substrate. However, in this example of the present invention, since the gate electrode of the PMOS is aluminum, it becomes “two-layer polycrystalline silicon, two-layer aluminum wiring”.
(1a) Formation of interlayer insulator
(2a) Formation / etching of second polycrystalline silicon layer (1)
(3a) Formation of gate insulating film
(4a) Formation of an interlayer insulator for connection to the gate wiring of the first MOS transistor (2)
(5a) Formation of gate electrode (first aluminum layer) of second transistor (3)
(6a) Anodization of gate electrode / wiring surface
(7a) Impurity ion implantation
(8a) Removal of gate insulating film and exposure of impurity region of PMOS
(9a) Formation of holes for source and drain electrodes in the interlayer insulator (4)
(10a) Formation of source and drain electrode wirings using the second aluminum layer (5)
(11a) Formation of passivation film
[0013]
As described above, the number of steps was not changed, but the number of masks could be reduced by one. In particular, as described above, the reduced mask process is the most difficult process, and the yield is remarkably increased by omitting this process. Instead of the process (8) of the conventional example, in the present invention, there is a process (8a), which does not contain silicon and aluminum oxide and does not contain silicon oxide like hydrofluoric acid, for example. Etching may be performed with a solution that dissolves. In this step, a part of the interlayer insulator formed earlier is eroded, but if the interlayer insulator is formed thicker than the gate oxide film, the interlayer insulator is eroded by this step. Thus, the underlying semiconductor substrate and polycrystalline silicon are not exposed.
[0014]
In particular, in order to positively prevent the exposure of the first polycrystalline silicon layer (where the gate wiring / electrode of the first MOS transistor is formed), it overlaps the first polycrystalline silicon wiring / electrode. In this way, the wiring by the first aluminum layer (the gate wiring / electrode of the second MOS transistor is formed) may be formed. That is, since the aluminum wiring is anodized, the surface is replaced with insoluble aluminum oxide, and the underlying object is not easily eroded.
[0015]
Similarly, when a CMOS transfer gate circuit is to be configured with two-layer polycrystalline silicon and two-layer aluminum wiring, the following process is required after forming an NMOS on a semiconductor substrate.
(1b) Formation of interlayer insulator
(2b) Formation / etching of second polycrystalline silicon layer (1)
(3b) Formation of gate insulating film
(4b) Formation of gate electrode (first aluminum layer) of second transistor (2)
(5b) Anodization of gate electrode / wiring surface
(6b) Impurity ion implantation
(7b) Removal of gate insulating film and exposure of impurity region of PMOS
(8b) Formation of holes for source and drain electrodes in the interlayer insulator (3)
(9b) Formation of source and drain electrode wirings using the second aluminum layer (4)
(10b) Formation of passivation film
[0016]
That is, the step (4a) required in the CMOS inverter step is not required. In the CMOS transfer gate circuit, it is not necessary to connect the gates of the NMOS and PMOS, so this step is unnecessary. After all, it is completed with four masks. This is the same with the conventional method, and even in the manufacture of the conventional three-dimensional integrated circuit, the mask is manufactured with a total of five masks, which is one mask less than in the case of the inverter.
[0017]
In the present invention, a circuit with higher reliability can be formed even if the number of masks is the same as the conventional one. The process for producing the same inverter by the method is as follows.
(1c) Formation of first interlayer insulator
(2c) Formation / etching of second polycrystalline silicon layer (1)
(3c) Formation of gate insulating film
(4c) Formation of a hole for connection to the gate wiring of the first MOS transistor in the interlayer insulator (2)
(5c) Formation of gate electrode (first aluminum layer) of second transistor (3)
(6c) Anodization of gate electrode / wiring surface
(7c) Impurity ion implantation
(8c) Formation of second interlayer insulator
(9c) Formation of holes for source and drain electrodes in the second interlayer insulator (4)
(10c) Formation of holes for source and drain electrodes in the second interlayer insulator (5)
(11c) Formation of source and drain electrode wirings using the second aluminum layer (6)
(12c) Formation of passivation film
[0018]
As described above, the number of processes is increased, and the number of mask processes is not different from the conventional one. However, in the circuit formed in this way, the surface of the gate electrode / wiring of the second transistor is particularly an anodized film and an interlayer insulator. In particular, since the anodic oxide film is honey and excellent in pressure resistance, it is effective in preventing a short circuit when an unexpectedly high voltage is applied between the wirings.
[0019]
Conventionally, silicon oxide used as an interlayer insulator cannot completely cover the undulations of the wiring, and the thickness is thick or thin, especially on the side of the gate wiring that is the lower wiring. It became thin. On the other hand, a sufficiently thick film was formed on the upper surface of the lower wiring. This variation in thickness led to peeling of the interlayer insulator due to subsequent heat treatment or the like. When the upper wiring is formed in this state, a short circuit is likely to occur on the side surface of the lower wiring. However, according to the present invention, the anodic oxide insulating film having substantially the same thickness can be formed on the side surface and the upper surface of the lower wiring, and thus such a problem is solved.
[0020]
In the present invention, the gate electrode of the second MOS transistor is aluminum that contains almost no impurities or pure aluminum, but the strength is insufficient. For example, when the mechanical force such as electromigration is weak, aluminum A film is formed using an alloy or the like obtained by adding 1 to 10% of silicon. Titanium or tantalum may be used instead of aluminum. An oxide film of these metals can be formed by an anodic oxidation method (anodization method), and the oxide film is excellent in pressure resistance. However, it should be noted when selecting this metal that titanium oxide and tantalum oxide have a significantly higher relative dielectric constant than aluminum oxide. Therefore, when these materials having a high dielectric constant are used as the interlayer insulator, the dielectric loss may increase. In addition, tantalum and titanium have a higher resistivity than aluminum, which must be considered in selecting materials. Further, since titanium and tantalum have excellent heat resistance, these materials are preferably used when the temperature becomes high in a later manufacturing process.
[0021]
In particular, when aluminum is used when the second transistor is a PMOS, there is almost no off-state channel formation (ie, less leakage current) due to the relationship between the work function of aluminum, the work function of silicon, and the energy level. It becomes an extremely reliable MOS transistor.
[0022]
When titanium or tantalum is used instead of aluminum, the adhesion between these materials and the underlying oxide film must also be considered. In general, the adhesion between these materials and silicon oxide is not good. Therefore, it is necessary to make a gate insulating film as a multilayer film to eliminate the discontinuity of adhesion, but this is not desirable because it complicates the process.
[0023]
As an anodic oxidation method, there are a solution method and a plasma method. The solution method is a method in which an entire substrate is immersed in an electrolytic solution, a gate wiring is connected to a power source, anodization is performed through direct current or alternating current, and an oxide film is formed on the surface of the gate wiring, gate electrode, or the like. . A film of aluminum oxide is formed when aluminum is used as a material for the gate wiring or the like, a film of titanium oxide is formed when titanium is used, and a tantalum oxide film is formed when tantalum is used. These oxide films are not purely made of metal and oxygen, but contain elements constituting the electrolyte inside or become hydrates, so that their physical properties change. For example, when an organic acid is used as the electrolyte, carbon is contained in the oxide film, and when sulfuric acid is used, sulfur is contained. The use of materials containing alkali metal ions in the electrolyte should be avoided. This is because alkali metal ions (sodium and potassium), when entering the semiconductor region, cause significant damage to the conductive properties of the semiconductor.
[0024]
In addition, for example, when only a specific gate wiring is connected to the power supply and the other gate wiring is not connected, an oxide film is formed only on the gate wiring connected to the power supply. An oxide film is not substantially formed other than the natural oxide film. Or you may change the time, electric current, voltage, etc. which energize each. In this way, the thickness of the oxide film to be formed can be changed. For example, when it is used as an interlayer insulator, it is desirable that the film thickness is large in order to reduce the capacitance between the wirings, while on the other hand, when it is used as an insulator of a capacitor, it is desirable that the film is thin. When there is a difference in such purposes, it is effective to use the above method.
[0025]
In this way, when the wiring or the like is covered with the oxide film, the substrate is taken out of the solution and dried well. If necessary, the oxide film may be modified by exposure to hot water or high-temperature steam. That is, in the anodic oxidation method, the obtained film is a porous film under the condition for obtaining a particularly thick oxide film. Although such a film is thick, there may be a problem with the withstand voltage, and a current may be short-circuited through a hole in a later process. In such a case, the pores may be closed by reacting the oxide film with high-temperature water to form a hydrate and expanding the volume. In this way, a dense and good insulating film can be obtained. In any case, it is necessary to sufficiently wash and dry the electrolyte so that it does not remain on the coating. In this way, FIG. 1C is obtained.
[0026]
Further, as a method for anodization, a method in plasma may be adopted in addition to a method in a normal acid solution. The solution-based method is inexpensive and can be processed in large quantities at a time. However, for example, mobile ions such as sodium can easily enter. Especially in submicron and quarter micron devices, such ions can Existence is fatal. On the other hand, the plasma anodic oxidation method is an extremely clean method compared to the method using a solution. However, it has the disadvantages that it lacks mass productivity and it is difficult to form a thick oxide film.
[0027]
The thickness of the anodic oxide film must be determined according to its purpose. Usually, since it is expected to function as an interlayer insulator, the thickness is 0.1 to 0.6 μm, preferably 0.2 to 0.5 μm.
[0028]
The effects brought about by the present invention are not limited to those described above. For example, in a typical three-dimensional integrated circuit, it has hardly been provided with a low concentration drain (LDD) region in a thin film transistor. This is not only because the process is complicated, but when an LDD region is formed by a conventional method, a side wall that is important in determining the width of the LDD region is formed by directional etching of a thick insulating film. Whereas the thin film transistors exist in the three-dimensional integrated circuit, the area of the thin film transistors is particularly undulating, and the same size is obtained regardless of the location. This is because the side wall could not be obtained.
[0029]
Therefore, the conventional thin film transistor usually has a typical MOS transistor structure as shown in FIG. This was formed as follows. First, a gate insulating film 801 is formed on the surface of a thin semiconductor region, a gate electrode 802 is formed thereon, and an impurity region 803 is formed in a self-aligned manner by ion implantation using the gate electrode as a mask. After that, an interlayer insulator 804 was formed. In the thin film transistor formed in this manner, as shown in FIG. 8B, impurities inevitably enter the lower part of the gate electrode due to secondary scattering of ions during ion implantation. Only in the region of length L, a portion where the gate electrode and the impurity region overlap was formed. Such an overlap becomes a parasitic capacitance and causes the operation of the MOS transistor to be dull.
[0030]
On the other hand, if this invention is utilized, such a problem will be solved. FIG. 3 shows a method for manufacturing a thin film transistor using the present invention. That is, as shown in FIG. 3A, a gate insulating film 301 is formed over a thin-film semiconductor region, a gate electrode 302 is further formed, and an impurity region 303 is formed in a self-aligning manner. The impurity region 303 usually goes under the gate electrode. So far, it is the same as the conventional example. However, according to the present invention, the situation is different when the surface of the gate electrode is then anodized. By anodic oxidation, an oxide film 304 is formed as shown in FIG. 3B, but the surface of the gate electrode is retreated by this oxidation. Considering secondary scattering of ions by ion implantation and receding of the gate electrode surface due to anodic oxidation, a state in which the impurity region and the gate electrode hardly overlap is realized as shown in FIG. Since the degree of secondary ion scattering and anodization can be calculated fairly accurately by simulation and experience, it is possible to realize a substantially non-overlapping state. It is also possible to overlap by an arbitrary width or to separate by an arbitrary width.
[0031]
FIG. 4 is another example. First, as shown in FIG. 4A, a gate insulating film 401 and a gate electrode 402 are formed over a thin semiconductor region 403. Then, as shown in FIG. 4B, anodization is first performed to form an oxide 404 around the gate electrode. Then, as shown in FIG. 4C, ion implantation is performed to form an impurity region 405. At this time, the impurity region and the gate electrode do not overlap each other and are in a separated state (offset state). In particular, in a thin film transistor, off-state current (leakage current) via a grain boundary may be a problem, but the off-state current can be significantly reduced by setting the offset state in this way. In addition, when a reverse voltage was applied to the gate electrode, in the thin film transistor, a phenomenon in which a current often flows (reverse leakage) was observed, but it has become clear that this can also be suppressed. Since the offset length L is suitably 0.2 to 0.5 μm, the ion implantation energy and the thickness of the anodic oxide film may be determined so as to realize such conditions. At this time, the value of L can be changed to an arbitrary value by changing these parameters.
[0032]
FIG. 5 shows an example of forming an LDD region according to the present invention. First, an impurity region 503 is formed as shown in FIG. Here, the impurity concentration of this impurity region is 1 × 10 5.17~ 5x1018cm-3, Preferably 5 × 1017~ 2x1018cm-3To be. Next, as shown in FIG. 5B, the gate electrode is anodized to form an oxide 504. Finally, as shown in FIG. 5C, ion implantation is performed again to form impurity regions. The impurity concentration of this impurity region is 1 × 1019~ 5x10twenty twocm-3, Preferably 5 × 1020~ 2x10twenty onecm-3And Then, a low concentration impurity region 503 and a high concentration impurity region 505 are formed. In the present invention, since the anodic oxidation method is employed, the thickness of the oxide (which functions as a sidewall) is almost constant regardless of the inclination of the semiconductor region, and an LDD region can be obtained with extremely good reproducibility.
[0033]
FIG. 6 shows an example in which the laser annealing method is combined with the present invention. First, as shown in FIG. 6A, an impurity region 603 is formed by a conventional method. Then, the gate electrode is anodized to obtain an oxide 604. At this time, the impurity region is in an amorphous state or a microcrystalline state by ion implantation. Then, as shown in FIG. 6 (C), when laser light or a powerful electromagnetic wave equivalent thereto is irradiated from the upper surface, such amorphous or microcrystals are recrystallized, but the gate electrode and its surrounding oxides. The portion existing under the oxide 604 cannot be recrystallized. That is, a structure of N-type (P-type) region-amorphous N-type (P-type) region-I-type channel formation region-amorphous N-type (P-type) region-N-type (P-type) region is obtained. It has been confirmed by the present inventors that this structure can obtain an effect equivalent to that of providing an LDD region. Details thereof are the inventions of the present inventors and the like, and are described in detail in “Insulated Gate Type Semiconductor Device and Manufacturing Method thereof” filed on August 26, 1991 by Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. .
[0034]
FIG. 7 is a combination of the offset region obtained by the present invention and the above amorphous region. That is, as shown in FIG. 7A, a gate insulating film 702 and a gate electrode 703 are formed over a semiconductor region 701, and the gate electrode is anodized to obtain an oxide 704. Next, as shown in FIG. 7B, an impurity region 705 is formed by ion implantation. Finally, laser annealing is performed as in FIG. Through the above steps, N-type (P-type) region-amorphous N-type (P-type) region-I-type offset region-I-type channel formation region-I-type offset region-amorphous N-type (P-type) region-N-type ( A structure called “P-type” region is obtained. The effect of the thin film transistor having this structure is a combination of FIG. 4 and FIG.
As described above, a thin film transistor having a very versatile structure is formed by the present invention. In order to form these various types of thin film transistors, almost no special technique or complicated process is required, and the base technology of the present invention, which is the anodic oxidation of the gate electrode, is based It will be easy to understand.
[0035]
The following examples illustrate the present invention in more detail and clarify its effects.
[0036]
【Example】
FIG. 1 shows this embodiment. In FIG. 1A, a first MOS transistor is already formed on a single crystal silicon wafer. That is, an N-type impurity region 101 having an LDD region is formed on a single crystal silicon surface exposed between element isolation regions (so-called LOCOS) 107, and a gate electrode 102 with a sidewall is formed thereon. . A gate wiring 108 extending from the gate electrode runs on the element isolation region 107. An interlayer insulator 103 is formed so as to enclose these electrodes and wirings. Then, there is a polycrystalline silicon film 104 selectively formed to form a second MOS transistor and a gate oxide film 105 formed by thermal oxidation thereon, and an interlayer insulator on the gate wiring 108 includes A hole 106 for connecting the gate wiring is formed.
[0037]
Next, as shown in FIG. 1B, the gate electrode 109 of the aluminum second transistor and the gate wiring 110 connected thereto are formed so as to overlap with the gate electrode wiring of the first transistor. The gate wiring 108 of the first transistor and the gate wiring 110 of the second transistor are connected through the hole 106.
[0038]
Then, the gate electrode of the second transistor is anodized. Anodization was performed by the following procedure. Here, it should be noted that the numerical values used in the following description are merely examples, and optimum values are determined depending on the size of the element to be manufactured. That is, the numerical values used in the following description are not absolute. First, an ethylene glycol solution of tartaric acid having a sufficiently low alkali ion concentration was prepared. The concentration of tartaric acid was 0.1 to 10%, for example, 3%, and 1 to 20%, for example, 10% ammonia water was added thereto to adjust the pH to 7 ± 0.5.
[0039]
A platinum electrode was provided as a cathode in the solution, and the silicon wafer was immersed in the solution. Then, the gate wiring / electrode on the wafer was connected to the positive electrode of the DC power supply. At first, the current was made constant at 2 mA. The voltage between the anode and the cathode (platinum electrode) varies with time depending on the concentration of the solution and the thickness of the oxide film formed on the gate electrode / wiring. Generally, as the thickness of the oxide film increases , High voltage is required. In this way, the current was continuously supplied, and when the voltage reached 150 V, the voltage was kept constant and the current was continuously supplied until the current reached 0.1 mA. The constant current state lasted for about 50 minutes and the constant voltage state lasted for about 2 hours. In this manner, an aluminum oxide film 111 having a thickness of 0.3 to 0.5 μm could be formed on the surface of the gate electrode / wiring. The aluminum oxide film thus formed was sufficiently dense by itself, but was kept in hot water for 10 minutes in order to further increase the insulating properties. By this process, a high withstand voltage film of 6 to 12 MV / cm could be formed.
[0040]
Thereafter, boron ions or boron compound ions (for example, BF) are used by a known ion implantation method using the gate electrode 109 as a mask.2 +). Thus, the P-type impurity region 112 is formed. Further, the wafer is thermally annealed to recrystallize the impurity region.
[0041]
Thereafter, the substrate is immersed in a hydrofluoric acid solution, for example, 1/10 hydrofluoric acid, and the gate oxide film (silicon oxide) 105 is etched to expose the surface of the semiconductor region 112. At this time, since the aluminum oxide is insoluble in hydrofluoric acid, the silicon oxide film under the gate electrode / wiring is not removed and remains as it is. However, care must be taken because the silicon oxide film under the gate electrode / wiring is dissolved if left in hydrofluoric acid for a long time.
[0042]
Finally, a hole 113 is formed in the impurity region 101 of the first transistor through the impurity region 112 of the second transistor, and an electrode / wiring 114 is formed in the transistor by using a metal material such as aluminum or chromium. To do.
[0043]
FIG. 2 shows a top view of the three-dimensional CMOS circuit obtained by the process of FIG. FIG. 2A shows a state in which the first transistor is formed, and FIG. 2B shows a state in which the second transistor is formed thereon and the connection between the transistors is completed.
[0044]
As described above, in the present invention, it is possible to form the upper wiring directly without forming an interlayer insulator on the second transistor. That is, the lower wiring is already covered with the oxide film. Therefore, one mask can be reduced at this stage as compared with the conventional method.
[0045]
However, such a method can be substantially problematic. In the example of FIG. 1, the interlayer insulator is only the oxide film of the lower wiring, but in that case, there is a problem in terms of thickness, and since such an oxide has a large dielectric constant, This causes an increase in inter-wiring capacitance. Therefore, an anodic oxide film is used, and an interlayer insulator is formed thereon as in the prior art. Good. That is, since the oxide formed by anodization is honey and has high pressure resistance, it is suitable for insulating separation between layers. Conventionally, since there is only one interlayer insulating layer, there is a problem with its pressure resistance. In particular, since there is a step at the wiring intersection, the interlayer insulator cannot cover this step, and cracks are generated. In many cases, a short circuit with the upper wiring is caused. However, in the present invention, there is no need to consider such a defect due to a step, which contributes to an improvement in yield. In adopting such a method, since the number of masks necessary for manufacturing the device is the same as the conventional one, it is not appropriate when the impurity region of the second transistor is extremely thin, but it is not less than 50 nm. In this case, mass production can be achieved without reducing the yield in the electrode forming step. Such a circuit is particularly suitable for high pressure applications.
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, a three-dimensional integrated circuit can be manufactured with a smaller number of masks than before. Further, according to the present invention, a three-dimensional integrated circuit with higher reliability can be manufactured although the number of masks is not different from the conventional one. In particular, an object of the present invention is to improve the yield of a three-dimensional integrated circuit. In particular, in the three-dimensional integrated circuit, the formation of the source and drain electrodes of the thin film transistor is an advanced operation requiring accuracy of a width of 1 μm or less and a thickness of 10 nm or less, and defects caused by this process occur in other processes. It was significantly more than what it did. According to the present invention, since it is not necessary to make a hole in the thin film transistor, the yield is remarkably improved.
[0047]
On the other hand, particularly in a multilayer wiring integrated circuit, the occurrence of a defect due to a short circuit between a gate wiring and a signal line (source and drain wiring) is a serious problem. This is a defect caused directly by a handling problem, but indirectly, it is considered to be a defect of an interlayer insulator. In other words, silicon oxide used as an interlayer insulator cannot completely cover the undulations of the wiring, resulting in thick or thin portions of the thickness, especially on the side of the gate wiring that is the lower wiring. It became thin. On the other hand, a sufficiently thick film was formed on the upper surface of the lower wiring. When the upper wiring is formed in this state, a short circuit is likely to occur on the side surface of the lower wiring. However, according to the present invention, the anodic oxide insulating film having substantially the same thickness can be formed on the side surface and the upper surface of the lower wiring, and thus such a problem is solved. If an interlayer insulating film is formed as in the prior art after forming this anodized insulating film, the insulating effect can be further enhanced.
[0048]
The three-dimensional integrated circuit targeted by the present invention is not limited to CMOS. It will be apparent that an integrated circuit consisting only of NMOS or only PMOS can obtain the same effect if the present invention is used. Further, in the present invention, for ease of explanation, the example in which the first transistor is NMOS and the second transistor is PMOS is frequently used. However, even if the case is reversed, the basis of the present invention is denied. It will be clear that it is not.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an example of a manufacturing process of a three-dimensional integrated circuit according to the present invention.
FIG. 2 shows an example of a three-dimensional integrated circuit manufactured according to the present invention.
FIG. 3 shows a thin film transistor according to the present invention and an example of a manufacturing process thereof.
FIG. 4 shows a thin film transistor according to the present invention and an example of a manufacturing process thereof.
FIG. 5 shows a thin film transistor according to the present invention and an example of a manufacturing process thereof.
FIG. 6 shows a thin film transistor according to the present invention and an example of a manufacturing process thereof.
FIG. 7 shows a thin film transistor according to the present invention and an example of a manufacturing process thereof.
FIG. 8 illustrates a thin film transistor by a conventional method and an example of a manufacturing process thereof.
[Explanation of symbols]
101 Impurity region of first MOS transistor
102 Gate electrode of first MOS transistor
103 Interlayer insulator
104 Semiconductor (silicon) coating
105 Gate oxide film of second MOS transistor
106 Hole for connecting gate electrode
107 Element isolation region (LOCOS)
108 Gate wiring of the first MOS transistor
109 Gate electrode of second MOS transistor
110 Gate wiring of second MOS transistor
111 Anodized film
112 Impurity region of second MOS transistor
113 Electrode forming hole in impurity region of first MOS transistor
114 Metal wiring

Claims (5)

半導体基板に形成された絶縁ゲイト型電界効果トランジスタと、
前記絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ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た薄膜トランジスタを有し、
前記絶縁ゲイト型電界効果トランジスタはゲイト電極とゲイト酸化膜と不純物領域を有し、前記薄膜トランジスタはゲイト電極と、該ゲイト電極下に形成されたゲイト酸化膜と不純物領域を有し、
前記絶縁ゲイト型電界効果トランジスタの不純物領域は、前記薄膜トランジスタの不純物領域と配線を通して接続した半導体装置であって、
前記薄膜トランジスタのゲイト電極につながるゲイト配線を有し、
前記薄膜トランジスタのゲイト電極および前記ゲイト配線は、それぞれ、アルミニウム、チタンまたはタンタルでなり、それぞれの上面および側面は、前記薄膜トランジスタのゲイト電極および前記ゲイト配線それぞれを酸化した酸化膜で覆われており、
前記配線は、前記薄膜トランジスタの不純物領域に形成された穴の内側面および前記薄膜トランジスタの不純物領域の上面それぞれと前記絶縁ゲイト型電界効果トランジスタの不純物領域の上面と接続すると共に、前記ゲイト配線上に前記酸化膜を介して配置することを特徴とする半導体装置。
An insulated gate field effect transistor formed on a semiconductor substrate;
An interlayer insulating film formed on the insulating gate type field effect transistor;
A thin film transistor formed on the interlayer insulating film;
The insulated gate field effect transistor has a gate electrode, a gate oxide film, and an impurity region, and the thin film transistor has a gate electrode , a gate oxide film formed under the gate electrode, and an impurity region,
The impurity region of the insulated gate field effect transistor is a semiconductor device connected to the impurity region of the thin film transistor through a wiring,
A gate wiring connected to the gate electrode of the thin film transistor;
The gate electrode and the gate wiring of the thin film transistor are each made of aluminum, titanium, or tantalum, and the upper surface and the side surface of each are covered with an oxide film that oxidizes the gate electrode of the thin film transistor and the gate wiring, respectively.
The wiring is connected to the inner side surface of the hole formed in the impurity region of the thin film transistor and the upper surface of the impurity region of the thin film transistor, and to the upper surface of the impurity region of the insulated gate field effect transistor, and on the gate wiring, the wiring A semiconductor device characterized by being disposed through an oxide film.
半導体基板に形成された絶縁ゲイト型電界効果トランジスタと、
前記絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ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た薄膜トランジスタを有し、
前記絶縁ゲイト型電界効果トランジスタはゲイト電極とゲイト酸化膜と不純物領域を有し、前記薄膜トランジスタはゲイト電極と、該ゲイト電極下に形成されたゲイト酸化膜と不純物領域を有し、
前記絶縁ゲイト型電界効果トランジスタの不純物領域は、前記薄膜トランジスタの不純物領域と配線を通して接続した半導体装置であって、
前記薄膜トランジスタのゲイト電極につながるゲイト配線を有し、
前記薄膜トランジスタのゲイト電極および前記ゲイト配線は、それぞれ、アルミニウム、チタンまたはタンタルでなり、それぞれの上面および側面は、前記薄膜トランジスタのゲイト電極および前記ゲイト配線それぞれを酸化した酸化膜で覆われており、
前記配線は、前記薄膜トランジスタの不純物領域に形成された穴の内側面および前記薄膜トランジスタの不純物領域の上面それぞれと前記絶縁ゲイト型電界効果トランジスタの不純物領域の上面と接続すると共に、前記ゲイト配線上に前記酸化膜を介して配置し、
前記薄膜トランジスタの不純物領域が前記薄膜トランジスタのゲイト電極と重なりのない位置に形成されていることを特徴とする半導体装置。
An insulated gate field effect transistor formed on a semiconductor substrate;
An interlayer insulating film formed on the insulating gate type field effect transistor;
A thin film transistor formed on the interlayer insulating film;
The insulated gate field effect transistor has a gate electrode, a gate oxide film, and an impurity region, and the thin film transistor has a gate electrode , a gate oxide film formed under the gate electrode, and an impurity region,
The impurity region of the insulated gate field effect transistor is a semiconductor device connected to the impurity region of the thin film transistor through a wiring,
A gate wiring connected to the gate electrode of the thin film transistor;
The gate electrode and the gate wiring of the thin film transistor are each made of aluminum, titanium, or tantalum, and the upper surface and the side surface of each are covered with an oxide film that oxidizes the gate electrode of the thin film transistor and the gate wiring, respectively.
The wiring is connected to the inner side surface of the hole formed in the impurity region of the thin film transistor and the upper surface of the impurity region of the thin film transistor, and to the upper surface of the impurity region of the insulated gate field effect transistor, and on the gate wiring, the wiring Through the oxide film,
An impurity region of the thin film transistor is formed at a position where it does not overlap with a gate electrode of the thin film transistor.
前記薄膜トランジスタの不純物領域にはLDD領域が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein an LDD region is formed in the impurity region of the thin film transistor. 前記絶縁ゲイト型電界効果トランジスタの不純物領域にはLDD領域が形成されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一に記載の半導体装置。The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the LDD region is formed in the impurity region of the insulated gate field effect transistor. 前記絶縁ゲイト型電界効果トランジスタと前記薄膜トランジスタはCMOSインバータ回路またはCMOSトランスファーゲイト回路を構成していることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一に記載の半導体装置。The insulated gate field effect transistor and the thin film transistor semiconductor device according it to any one of claims 1 to 4, characterized in that a CMOS inverter circuit or a CMOS transfer gate circuits.
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