JP2002057329A - Vertical field effect transistor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明は、チャネル層のすべての方向に引っ張
り歪みを加えて、高速化、高性能化を計った縦型電界効
果トランジスタを提供することを目的とする。
【解決手段】一主面を有する基板1と、その一主面上に
設けられた一導電型の第1のSiGe層4と、前記第1
のSiGe層4と電気的に分離されたSiとは格子定数
の異なる物質からなる中間層5と、前記第1のSiGe
層4と離間し、且つ前記中間層5と電気的に分離された
一導電型の第2のSiGe層6と、前記中間層5表面を
含む前記第1のSiGe層4から前記第2のSiGe層
6に至る表面に積層された引っ張りひずみを有する歪S
i層7と、前記歪Si層7上に設けられたゲート絶縁膜
8及びゲート電極9とを有する縦型電界効果トランジス
タ。
(57) Abstract: An object of the present invention is to provide a vertical field-effect transistor in which tensile strain is applied in all directions of a channel layer to achieve higher speed and higher performance. A substrate having one main surface, a first SiGe layer of one conductivity type provided on the one main surface,
An intermediate layer 5 made of a material having a different lattice constant from Si electrically separated from the first SiGe layer 4;
A second SiGe layer 6 of one conductivity type separated from the layer 4 and electrically separated from the intermediate layer 5, and from the first SiGe layer 4 including the surface of the intermediate layer 5 to the second SiGe Strain S having tensile strain laminated on the surface up to layer 6
A vertical field-effect transistor having an i-layer 7, a gate insulating film 8 and a gate electrode 9 provided on the strained Si layer 7.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、チャネル層の結晶
歪みを最大限に利用して縦型電界効果トランジスタの高
性能化を図った縦型電界効果トランジスタ並びにその製
造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vertical field-effect transistor in which the performance of a vertical field-effect transistor is enhanced by making the most of crystal distortion in a channel layer, and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、歪Siをチャネルとすることで電
界効果トランジスタの動作速度を高速化できることは知
られているが、その理論を縦型電界効果トランジスタに
応用したものとしては、Liu,K.C.等によるEl
ectron DevicesMeeting,199
9.IEDM Technical Digest.I
nternational,1999 Page
(s):3.3.1−3.3.4の「A Novel
Sidewall Strained−Si Chan
nel nMOSFET」などが知られている。2. Description of the Related Art Conventionally, it has been known that the operating speed of a field effect transistor can be increased by using strained Si as a channel. However, Liu, K. . C. El by etc.
electron Devices Meeting, 199
9. IEDM Technical Digest. I
international, 1999 Page
(S): “A Novel” in 3.3.1-3.3.4.
Sidewall Strained-Si Chan
nel nMOSFET "is known.
【0003】この公知の縦型電界効果トランジスタは、
アンドープのSiGe層をソース及びドレイン領域とな
るn型Siの上層と下層により挟み込こんだ柱状の積層
構造が、Si基板の表面に形成され、更に、その積層構
造を構成する三層(Siの上層、SiGe層、及びSi
の下層)の側面に、1200nm以下の極薄い歪Si膜
とゲート酸化膜が形成されると共に、前記SiGe層の
側面と対応するゲート酸化膜表面にpoly Siのゲ
ート電極が設けられた構造となっている。[0003] This known vertical field effect transistor is:
A columnar laminated structure in which an undoped SiGe layer is sandwiched between upper and lower layers of n-type Si serving as source and drain regions is formed on the surface of the Si substrate. Upper layer, SiGe layer, and Si
(Lower layer), a very thin strained Si film of 1200 nm or less and a gate oxide film are formed on the side surface, and a poly Si gate electrode is provided on the surface of the gate oxide film corresponding to the side surface of the SiGe layer. ing.
【0004】このような縦型電界効果トランジスタで
は、前記SiGe層は、前記下層のSi上に形成されて
いるので、前記SiGe層のSi基板表面と平行な方向
の格子定数は圧縮歪みを伴ってSiの格子定数と等しく
なる。その反面、前記SiGe層のSi基板表面と垂直
な方向では、格子定数がSiGe本来の格子定数よりも
大きくなり、チャネルとなる極薄い歪Si膜は、SiG
e本来の格子定数より大きな格子定数に一致するように
弾性変形することになる。この歪Si膜は、Siの格子
定数がSiGeよりも小さいため、SiGe本来の格子
定数より大きな格子定数に接することで、より大きな応
力を受け、Si基板表面と垂直な方向に引っ張り歪みを
受けている。In such a vertical field effect transistor, since the SiGe layer is formed on the lower Si layer, the lattice constant of the SiGe layer in a direction parallel to the surface of the Si substrate is accompanied by compressive strain. It becomes equal to the lattice constant of Si. On the other hand, in the direction perpendicular to the Si substrate surface of the SiGe layer, the lattice constant becomes larger than the original lattice constant of SiGe, and the ultra-thin strained Si film serving as a channel is formed of SiG.
e The material is elastically deformed to match a lattice constant larger than the original lattice constant. Since the strained Si film has a lattice constant of Si smaller than that of SiGe, the strained Si film comes into contact with a lattice constant larger than the original lattice constant of SiGe, thereby receiving a greater stress and receiving a tensile strain in a direction perpendicular to the Si substrate surface. I have.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
構成では、歪Si膜に、Si基板表面と垂直な方向にし
か歪みがかからず、チャネルを形成するSi膜の厚さ方
向に垂直なすべての方向に歪みがかかっている場合に比
べると、電子及び正孔の電子構造変化の割合が小さく、
結果としてMOSトランジスタの歪みによる高速化、高
性能化の効果が限定されるという問題があった。However, in the above configuration, the strain is applied only to the strained Si film in a direction perpendicular to the surface of the Si substrate, and the strained Si film is formed in a direction perpendicular to the thickness direction of the Si film forming the channel. The ratio of electronic structure change of electrons and holes is smaller than that in the case where strain is applied in the direction of
As a result, there is a problem that the effect of increasing the speed and improving the performance due to the distortion of the MOS transistor is limited.
【0006】本発明は、詳述の問題を考慮して成された
もので、チャネルを形成するSi層の厚さ方向に垂直な
すべての方向に引っ張り歪みを加えて、高速化、高性能
化を計った縦型電界効果トランジスタ及びその製造方法
を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problem of the detailed description, and provides tensile strain in all directions perpendicular to the thickness direction of a Si layer forming a channel to increase the speed and the performance. It is an object of the present invention to provide a vertical field-effect transistor that measures the above and a method for manufacturing the same.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明は次のような構成を採用している。To solve the above-mentioned problems, the present invention employs the following configuration.
【0008】即ち、一主面を有する基板と、前記基板の
一主面上に設けられた一導電型の第1のSiGe層と、
この第1のSiGe層に選択的に形成され、前記第1の
SiGe層と電気的に分離されたSiとは格子定数の異
なる物質からなる中間層と、前記中間層上に設けられ、
前記第1のSiGe層と離間し、且つ前記中間層と電気
的に分離された一導電型の第2のSiGe層と、前記中
間層表面を含む前記第1のSiGe層から前記第2のS
iGe層に至る表面に積層された引っ張りひずみを有す
る歪Si層と、前記歪Si層上に設けられたゲート絶縁
膜と、前記第1及び第2のSiGe層の離間させられた
部位に対応して前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲ
ート電極とを有する縦型電界効果トランジスタである。That is, a substrate having one main surface, a first SiGe layer of one conductivity type provided on one main surface of the substrate,
An intermediate layer selectively formed on the first SiGe layer and made of a material having a different lattice constant from Si electrically separated from the first SiGe layer, and provided on the intermediate layer;
A second SiGe layer of one conductivity type separated from the first SiGe layer and electrically separated from the intermediate layer; and a second SiGe layer formed from the first SiGe layer including the intermediate layer surface.
a strained Si layer having a tensile strain laminated on a surface reaching the iGe layer, a gate insulating film provided on the strained Si layer, and a portion corresponding to a separated portion of the first and second SiGe layers. And a gate electrode formed via the gate insulating film.
【0009】この縦型電界効果トランジスタにおいて、
前記第1のSiGe層、及び第2のSiGe層は、格子
歪の緩和されたものであることことが、SiGe層の特
性上重要である。In this vertical field effect transistor,
It is important for the characteristics of the SiGe layer that the first SiGe layer and the second SiGe layer have relaxed lattice strain.
【0010】また、中間層を逆導電型のSiGe層とす
れば、前記第1のSiGe層及び第2のSiGe層とは
PN接合により簡便に電気的分離が図れる。If the intermediate layer is a reverse-conductivity-type SiGe layer, the first and second SiGe layers can be easily and electrically separated from each other by a PN junction.
【0011】更に、前記第1のSiGe層、第2のSi
Ge層及び前記中間層を前記基板の一主面上に一体に設
けられた単一の層から形成し、その単一の層を選択的に
除去して柱状部分を形成すれば、前記歪Si層が形成さ
れる柱状部分側壁の平坦性が確保し易い。Further, the first SiGe layer, the second SiGe layer
If the Ge layer and the intermediate layer are formed from a single layer integrally provided on one main surface of the substrate, and the single layer is selectively removed to form a columnar portion, the strain Si It is easy to ensure the flatness of the side wall of the columnar portion where the layer is formed.
【0012】また、特にゲート幅を確保するためには、
前記歪Si層、ゲート絶縁膜、及びゲート電極を、前記
柱状部分の側壁を囲むように形成することが好ましい。
更にまた、本発明の縦型電界効果トランジスタは、次の
ように構成することも可能である。即ち、一主面を有す
る基板と、前記基板の一主面上に設けられた一導電型の
第1のSiGe層と、この第1のSiGe層に選択的に
形成され、前記第1のSiGe層と電気的に分離された
Siとは格子定数の異なる物質からなる中間層と、前記
中間層上に設けられ、前記第1のSiGe層と離間し、
且つ前記中間層と電気的に分離された一導電型の第2の
SiGe層と、前記中間層表面を含む前記第1のSiG
e層から前記第2のSiGe層に至る表面に積層された
第3のSiGe層と、この第3のSiGe層上に積層さ
れた引っ張りひずみを有する歪Si層と、前記歪Si層
上に設けられたゲート絶縁膜と、前記第1及び第2のS
iGe層の離間させられた部位に対応して前記ゲート絶
縁膜を介して形成されたゲート電極とを有する縦型電界
効果トランジスタである。In order to secure the gate width in particular,
It is preferable that the strained Si layer, the gate insulating film, and the gate electrode are formed so as to surround a side wall of the columnar portion.
Furthermore, the vertical field effect transistor of the present invention can be configured as follows. That is, a substrate having one main surface, a first SiGe layer of one conductivity type provided on one main surface of the substrate, and the first SiGe layer selectively formed on the first SiGe layer. An intermediate layer made of a material having a different lattice constant from Si electrically separated from the layer, and an intermediate layer provided on the intermediate layer and separated from the first SiGe layer;
A second SiGe layer of one conductivity type electrically separated from the intermediate layer; and the first SiG layer including a surface of the intermediate layer.
a third SiGe layer laminated on a surface from the e layer to the second SiGe layer, a strained Si layer having a tensile strain laminated on the third SiGe layer, and a third SiGe layer provided on the strained Si layer. Gate insulating film, and the first and second S
A vertical field-effect transistor having a gate electrode formed via the gate insulating film corresponding to a separated portion of the iGe layer.
【0013】このような構成の縦型電界効果トランジス
タにおいても、前記第1のSiGe層、第2のSiGe
層、及び第3のSiGe層は、格子歪の緩和されたもの
であることが、SiGe層の特性上重要である。In the vertical field effect transistor having such a structure, the first SiGe layer and the second SiGe
It is important for the characteristics of the SiGe layer that the layer and the third SiGe layer have relaxed lattice strain.
【0014】また、中間層を絶縁層で構成することによ
り、前記第1のSiGe層及び第2のSiGe層との電
気的分離が確実に行われ、浮遊容量の低減効果から更に
高速動作が期待できる。Further, by forming the intermediate layer from an insulating layer, electrical separation from the first SiGe layer and the second SiGe layer is reliably performed, and a higher speed operation is expected from the effect of reducing stray capacitance. it can.
【0015】更に、前記第1のSiGe層、第2のSi
Ge層及び前記中間層を前記基板の一主面上に一体に設
けられた単一の層から形成し、その単一の層を選択的に
除去して柱状部分を形成すれば、前記歪Si層が形成さ
れる柱状部分側壁の平坦性が確保し易い。Further, the first SiGe layer and the second SiGe layer
If the Ge layer and the intermediate layer are formed from a single layer integrally provided on one main surface of the substrate, and the single layer is selectively removed to form a columnar portion, the strain Si It is easy to ensure the flatness of the side wall of the columnar portion where the layer is formed.
【0016】また、特にゲート幅を確保するためには、
前記歪Si層、ゲート絶縁膜、及びゲート電極を、前記
柱状部分の側壁を囲むように形成することが好ましい。In order to secure the gate width in particular,
It is preferable that the strained Si layer, the gate insulating film, and the gate electrode are formed so as to surround a side wall of the columnar portion.
【0017】更に、基板及び第1のSiGe層間に素子
分離絶縁層が介在する構成をとることは、基板とドレイ
ン領域との間のリーク電流や浮遊容量を実質的に無くす
ることか出来るため、低消費電力化、動作の高速化にお
いて極めて有効である。Further, the configuration in which the element isolation insulating layer is interposed between the substrate and the first SiGe layer can substantially eliminate leak current and stray capacitance between the substrate and the drain region. This is extremely effective in reducing power consumption and operating speed.
【0018】そして、上述のような縦型電界効果トラン
ジスタの内、中間層を逆導電型のSiGe層とするのに
好適する製造方法は次の様な工程を必要とする。In the above-mentioned vertical field effect transistor, a manufacturing method suitable for forming the intermediate layer into a reverse-conductivity-type SiGe layer requires the following steps.
【0019】即ち、一主面を有する基板を用意する工程
と、前記一主面上に一導電型の第1のSiGe層を形成
する工程と、前記第1のSiGe層上に逆導電型の第2
のSiGe層を形成する工程と、前記第2のSiGe層
上に一導電型の第3のSiGe層を形成する工程と、前
記第1のSiGe層乃至第3のSiGe層を選択的に除
去し、前記基板の一主面と交わる方向に伸びた、前記第
1のSiGe層乃至第3のSiGe層の積層構造の柱状
部分を形成する工程と、前記柱状部分の側壁表面にSi
層を積層し、引っ張りひずみを有する歪Si層を形成す
る工程と、前記歪Si層上にゲート絶縁膜を形成する工
程と、前記第1及び第3のSiGe層の離間させられた
部位に対応して前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を
形成する工程である。That is, a step of preparing a substrate having one major surface, a step of forming a first SiGe layer of one conductivity type on the one major surface, and a step of forming a first conductivity type SiGe layer on the first SiGe layer. Second
Forming a third SiGe layer of one conductivity type on the second SiGe layer, and selectively removing the first to third SiGe layers from the first to third SiGe layers. Forming a columnar portion of the stacked structure of the first to third SiGe layers extending in a direction intersecting one main surface of the substrate; and forming a Si portion on a sidewall surface of the columnar portion.
Stacking layers to form a strained Si layer having tensile strain, forming a gate insulating film on the strained Si layer, and corresponding to the separated portions of the first and third SiGe layers. Forming a gate electrode via the gate insulating film.
【0020】また、中間層を絶縁層とするのに好適する
製造方法は次の様な工程を必要とする。A manufacturing method suitable for using the intermediate layer as an insulating layer requires the following steps.
【0021】即ち、一主面を有する基板を用意する工程
と、前記一主面上に一導電型の第1のSiGe層を形成
する工程と、前記第1のSiGe層の上面、及びその上
面と対向する底面から離れた部位に前記第1のSiGe
層を上層及び下層に電気的に分離する絶縁層を形成する
工程と、前記第1のSiGe層の上層、下層、及び絶縁
層を選択的に除去し、前記基板の一主面と交わる方向に
伸びた、前記第1のSiGe層及び絶縁層の積層構造の
柱状部分を形成する工程と、前記柱状部分の側壁表面に
第2のSiGe層を形成する工程と、前記第2のSiG
e層表面にSi層を積層し、引っ張りひずみを有する歪
Si層を形成する工程と、前記第1のSiGe層の上層
及び下層の間の前記柱状部分側壁に沿った前記歪Si層
上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜
上にゲート電極を形成する工程である。That is, a step of preparing a substrate having one main surface, a step of forming a first SiGe layer of one conductivity type on the one main surface, an upper surface of the first SiGe layer, and an upper surface thereof The first SiGe is located at a position away from the bottom surface facing
Forming an insulating layer for electrically separating the layer into an upper layer and a lower layer; and selectively removing the upper layer, the lower layer, and the insulating layer of the first SiGe layer in a direction intersecting one main surface of the substrate. Forming an elongated columnar portion of the laminated structure of the first SiGe layer and the insulating layer, forming a second SiGe layer on the side wall surface of the columnar portion,
stacking a Si layer on the surface of the e layer to form a strained Si layer having a tensile strain, and forming a gate on the strained Si layer along the columnar portion side wall between the upper and lower layers of the first SiGe layer. Forming an insulating film; and forming a gate electrode on the gate insulating film.
【0022】本発明によれば、チャネル領域の歪Si層
を基板の一主面と垂直な表面を有するSiGe層上に渡
って形成しているため、基板の一主面に垂直な方向及び
基板の一主面と平行で歪Si層の厚さ方向に垂直な方向
にも引っ張り歪がかかり、基板の一主面と垂直方向のみ
の引っ張り歪を利用した縦型電界効果トランジスタと比
べ、高速動作が可能な縦型電界効果トランジスタが提供
できる。According to the present invention, since the strained Si layer of the channel region is formed over the SiGe layer having a surface perpendicular to one main surface of the substrate, the direction perpendicular to the one main surface of the substrate and the substrate Tensile strain is also applied in a direction parallel to one principal plane of the substrate and perpendicular to the thickness direction of the strained Si layer, so that it operates at a higher speed than a vertical field-effect transistor using tensile strain only in the direction perpendicular to one principal plane of the substrate. Can be provided.
【0023】[0023]
【発明の実施の形態】(第1実施形態)図1は、本発明
の第1の実施形態に係わる縦型電界効果トランジスタを
示す部分断面図である。(First Embodiment) FIG. 1 is a partial sectional view showing a vertical field effect transistor according to a first embodiment of the present invention.
【0024】図1において、1はp型Si(シリコン)
基板、2はp型にドープされたSiGe(シリコン・ゲ
ルマニウム)のグレーディッド層、3は同様にp型にド
ープされたSiGe(シリコン・ゲルマニウム)のバッ
ファ層、4及び6は格子歪が緩和されたn+型SiGe
(シリコン・ゲルマニウム)層、5は格子歪が緩和され
たp−型SiGe(シリコン・ゲルマニウム)層、7は
歪Si(シリコン)層、8は酸化Si(シリコン)のゲ
ート絶縁膜、9は多結晶Si(シリコン)のゲート電
極、10乃至12はAl等の金属によるゲート、ソー
ス、ドレインの各配線層、13は絶縁層、14は酸化S
i(シリコン)の素子分離絶縁層である。In FIG. 1, reference numeral 1 denotes p-type Si (silicon)
The substrate 2 is a graded layer of p-doped SiGe (silicon germanium), 3 is a buffer layer of similarly p-doped SiGe (silicon germanium), and 4 and 6 are lattice strain relaxed. N + type SiGe
(Silicon-germanium) layer, 5 is a p-type SiGe (silicon-germanium) layer whose lattice strain is relaxed, 7 is a strained Si (silicon) layer, 8 is a gate insulating film of silicon oxide (silicon), and 9 is many. A gate electrode of crystalline Si (silicon), 10 to 12 are gate, source and drain wiring layers made of a metal such as Al, 13 is an insulating layer, and 14 is oxidized S
It is an element isolation insulating layer of i (silicon).
【0025】図示されるように、n+型SiGe層4の
中央の一部と、その上のp−型SiGe層5、及びn+
型SiGe層6は、柱状に形成され、これら三つのSi
Ge層により構成される柱状部分の側面は、歪Si層7
により覆われている。As shown in the figure, a part of the center of the n + -type SiGe layer 4, the p − -type SiGe layer 5 thereabove, and the n + -type
The type SiGe layer 6 is formed in a columnar shape, and these three Si
The side surface of the columnar portion composed of the Ge layer is the strained Si layer 7.
Covered by
【0026】n+型SiGe層4は、前記柱状部分を含
む断面が凸形に形成され、柱状部分の一部とその部分の
底部に連続した延在部を有するように加工されている。
また、先に述べた通り、歪Si層7は前記柱状部分の側
面を取り巻くように形成されるが、その一部はn+型S
iGe層4の延在部表面にも延長されている。そして、
前記柱状部分を構成する三つの層が共にSiGe層であ
るため、歪Si層7には、前記柱状部分の側面に沿って
基板表面に垂直な方向の引っ張り歪みがかかるばかりで
なく、前記柱状部分の側面にそって基板表面に並行な方
向にも引っ張り歪みがかかる。The n + -type SiGe layer 4 is formed so that the cross section including the columnar portion is formed in a convex shape, and has a part of the columnar portion and a continuous extension at the bottom of the portion.
Further, as described above, the strained Si layer 7 is formed so as to surround the side surface of the columnar portion, and a part thereof is n + type S
It also extends to the surface of the extending portion of the iGe layer 4. And
Since the three layers constituting the columnar portion are all SiGe layers, the strained Si layer 7 is not only subjected to tensile strain in the direction perpendicular to the substrate surface along the side surface of the columnar portion, but also to the columnar portion. Tensile strain is also applied in a direction parallel to the substrate surface along the side surface of the substrate.
【0027】縦型電界効果トランジスタとしては、ゲー
ト電極9にゲート電圧が印加されると、歪Si層7及
び、場合によってはp−型SiGe層5のゲート電極に
対向する表面部分にチャネルとなる反転層が生じ、ソー
ス領域としてのn+型SiGe層6及びドレイン領域と
してのn+型SiGe層4の間に電流が流れるように動
作する。In the vertical field effect transistor, when a gate voltage is applied to the gate electrode 9, a channel is formed on the surface of the strained Si layer 7 and, in some cases, the p-type SiGe layer 5 facing the gate electrode. An inversion layer is generated and operates so that a current flows between the n + -type SiGe layer 6 as the source region and the n + -type SiGe layer 4 as the drain region.
【0028】次に、この電界効果トランジスタの製造方
法について、図2乃至図7を参照して説明する。Next, a method of manufacturing the field effect transistor will be described with reference to FIGS.
【0029】まず、図2に示されるように、Si基板1
上にエピタキシャル成長によってSi(1−y)Ge
(y)のグレーディッド層2が形成される。グレーディ
ッド層2ではyの値を0から0.2〜0.5の範囲に変
えることができ、例えば1000nmの厚さとすること
ができる。ここでは、基板にSiを使用した場合を示し
たが、SiGe等のエピタキシャル層を形成するのに適
した材料とすることもできる。First, as shown in FIG.
Si (1-y) Ge is grown thereon by epitaxial growth.
The graded layer 2 of (y) is formed. In the graded layer 2, the value of y can be changed from 0 to a range of 0.2 to 0.5, for example, a thickness of 1000 nm. Here, the case where Si is used for the substrate is described, but a material suitable for forming an epitaxial layer such as SiGe can be used.
【0030】続いてエピタキシャル成長によって格子歪
が緩和されたSi(1−x)Ge(x)のバッファ層3
が形成される。バッファ層3のxはグレーディッド層2
の上面の格子定数に一致するように選ばれる。従って、
バッファ層3の表面には実質的に歪みがない結晶構造が
得られる。Subsequently, a buffer layer 3 of Si (1-x) Ge (x) whose lattice strain has been relaxed by epitaxial growth
Is formed. X of the buffer layer 3 is the graded layer 2
Are selected to match the lattice constant of the upper surface of. Therefore,
A crystal structure having substantially no distortion is obtained on the surface of the buffer layer 3.
【0031】次に、バッファ層3の表面に、n+型不純
物を高濃度にドープされたSiGe層4、p型不純物を
ドープされたSiGe層5、SiGe層4と同様にn+
型不純物を高濃度にドープされたSiGe層6の積層構
造が、連続したエピタキシャル成長によって形成され
る。ここでは、SiGe層4乃至SiGe層6を連続す
るエピタキシャル成長により形成する代わりに、イオン
注入とエピタキシャル成長を交互に行って積層構造を形
成してもよい。Next, on the surface of the buffer layer 3, the n + -type impurity is doped at a high concentration, the SiGe layer 5 is doped with the p-type impurity, and the n + -type impurity is doped similarly to the SiGe layer 4.
A stacked structure of the SiGe layer 6 heavily doped with the type impurity is formed by continuous epitaxial growth. Here, instead of forming the SiGe layers 4 to 6 by continuous epitaxial growth, a stacked structure may be formed by alternately performing ion implantation and epitaxial growth.
【0032】この後、図3に示されるように、素子形成
予定領域を除く位置に溝が設けられ、その溝内にSiO
2等の絶縁物が充填されて、素子分離絶縁層14が形成
される。Thereafter, as shown in FIG. 3, a groove is provided at a position other than a region where an element is to be formed, and SiO 2 is formed in the groove.
The element isolation insulating layer 14 is formed by filling an insulator such as 2.
【0033】次いで、図4に示されるように、SiGe
層4乃至SiGe層6がRIE(Reactive I
on Etching)により選択的に除去され、柱状
部分20が形成される。Next, as shown in FIG.
The layers 4 to 6 are made of RIE (Reactive I
(Etching) to form a columnar portion 20.
【0034】図5に示されるように、厚さ10nmの歪
Si層7が、エピタキシャル成長によってSiGe層4
乃至SiGe層6からなる前記柱状部分20の側壁表
面、及びSiGe層6の表面に形成される。続いて、7
00℃の酸素希釈のウェット酸化により、前記歪Si層
7が酸化され、ゲート絶縁膜8となる厚さ2nmの酸化
Si膜が形成される。As shown in FIG. 5, a strained Si layer 7 having a thickness of 10 nm is formed on the SiGe layer 4 by epitaxial growth.
The SiGe layer 6 is formed on the side wall surface of the columnar portion 20 and on the surface of the SiGe layer 6. Then, 7
The strained Si layer 7 is oxidized by wet oxidation with oxygen dilution at 00 ° C., and a 2 nm-thick Si oxide film serving as a gate insulating film 8 is formed.
【0035】また、図6に示されるように、減圧CVD
法により厚さ200nmの多結晶Si膜が前記ゲート絶
縁膜8の表面及び素子分離絶縁層14の表面を含む全面
に堆積され、RIE等の異方性エッチングによりゲート
電極9がパターニングされる。この際、少なくとも、柱
状部分20の側壁に設けられたゲート絶縁膜8上、及び
ゲート電極9引出しのための配線層10の形成予定領域
に、ゲート電極9が存在するように、予め図示されてい
ないレジスト膜で被覆されてRIEが行われる。Further, as shown in FIG.
A polycrystalline Si film having a thickness of 200 nm is deposited on the entire surface including the surface of the gate insulating film 8 and the surface of the element isolation insulating layer 14 by a method, and the gate electrode 9 is patterned by anisotropic etching such as RIE. At this time, the gate electrode 9 is illustrated in advance so that the gate electrode 9 exists at least on the gate insulating film 8 provided on the side wall of the columnar portion 20 and on the region where the wiring layer 10 for extracting the gate electrode 9 is to be formed. RIE is performed by coating with no resist film.
【0036】更に、図7に示されるように、絶縁膜13
としてCVD法により酸化Si膜が500nm堆積され
平坦化されると共に、コンタクト孔がRIE法にて開孔
される。その後、Siを1%含有するアルミニウム膜が
スパッタ法で堆積され、パターニングされることによ
り、図1に示されるようなゲート、ソース、及びドレイ
ンの各配線層10乃至12が形成される。Further, as shown in FIG.
A 500 nm Si oxide film is deposited by CVD and planarized, and a contact hole is opened by RIE. Thereafter, an aluminum film containing 1% of Si is deposited by a sputtering method, and is patterned to form the gate, source, and drain wiring layers 10 to 12 as shown in FIG.
【0037】これ以後は、通常の半導体装置の製造方法
と同様に、パッシベーション膜形成工程等を経て半導体
装置が完成される。Thereafter, the semiconductor device is completed through a passivation film forming step and the like in the same manner as in a normal semiconductor device manufacturing method.
【0038】このように本実施形態によれば、膜厚方向
に垂直なすべての方向に引っ張り歪みがかかった歪Si
層7をチャネル領域とした縦型電界効果トランジスタを
製造することができる。従って、歪みの効果が前記柱状
部分20側壁にそって基板に垂直な方向に限られた従来
の縦型電界効果トランジスタに較べキャリアの移動度が
大きく向上し動作速度の高速化及び高性能化を図ること
ができる。 (第2実施形態)図8は、本発明の第2の実施形態に係
わる縦型電界効果トランジスタを示す部分断面図であ
る。尚、図1との同一部分には同一符号を付して、その
詳しい説明は省略する。As described above, according to the present embodiment, the strained Si with tensile strain applied in all directions perpendicular to the film thickness direction.
A vertical field-effect transistor using the layer 7 as a channel region can be manufactured. Therefore, the mobility of carriers is greatly improved as compared with the conventional vertical field effect transistor in which the effect of the distortion is limited to the direction perpendicular to the substrate along the side wall of the columnar portion 20, and the operation speed and the performance are improved. Can be planned. (Second Embodiment) FIG. 8 is a partial sectional view showing a vertical field-effect transistor according to a second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
【0039】本実施形態が先に説明した第1の実施形態
と異なる点は、格子歪が緩和された緩和SiGe層が、
直接、酸化Si膜上に形成されていること、及び、素子
分離方法としてトレンチ分離ではなくメサ分離を用いた
ことにある。This embodiment is different from the first embodiment described above in that the relaxed SiGe layer in which the lattice strain is relaxed is
It is formed directly on the Si oxide film, and uses a mesa isolation instead of a trench isolation as an element isolation method.
【0040】図8において、1はp型Si(シリコン)
基板、30はSiGe(シリコン・ゲルマニウム)層、
32は埋め込み酸化膜、300及び6は格子歪が緩和さ
れたn+型SiGe(シリコン・ゲルマニウム)層、5
は格子歪が緩和されたp−型SiGe(シリコン・ゲル
マニウム)層、7は歪Si(シリコン)層、8は酸化S
i(シリコン)のゲート絶縁膜、9は多結晶Si(シリ
コン)のゲート電極、10乃至12はAl等の金属によ
るゲート、ソース、ドレインの各配線層、13は酸化S
i(シリコン)等から成るの素子分離用の絶縁層であ
る。In FIG. 8, reference numeral 1 denotes p-type Si (silicon)
The substrate, 30 is a SiGe (silicon germanium) layer,
Reference numeral 32 denotes a buried oxide film, and reference numerals 300 and 6 denote n + -type SiGe (silicon-germanium) layers in which lattice strain is relaxed.
Is a p-type SiGe (silicon-germanium) layer with relaxed lattice strain, 7 is a strained Si (silicon) layer, and 8 is S oxide
a gate insulating film of i (silicon); 9, a gate electrode of polycrystalline Si (silicon); 10 to 12, gate and source / drain wiring layers of metal such as Al;
An insulating layer made of i (silicon) or the like for element isolation.
【0041】図示されるように、n+型SiGe層30
0の中央の一部と、その上のp−型SiGe層5、及び
n+型SiGe層6は、柱状に形成され、これら三つの
SiGe層により構成される柱状部分の側面は、歪Si
層7により覆われている。As shown, the n + type SiGe layer 30
0, and a p- type SiGe layer 5 and an n + type SiGe layer 6 thereon are formed in a columnar shape, and the side surface of the columnar portion formed by these three SiGe layers has strained Si.
Covered by layer 7.
【0042】n+型SiGe層300は、前記柱状部分
を含む断面が凸形に形成され、柱状部分の一部とその部
分の底部に連続した延在部を有するように加工されてい
る。また、先に述べた通り、歪Si層7は前記柱状部分
の側面を取り巻くように形成されるが、その一部はn+
型SiGe層300の延在部表面にも延長されている。
そして、前記柱状部分を構成する三つの層が共にSiG
e層であるため、歪Si層7には、前記柱状部分の側面
に沿って基板表面に垂直な方向の引っ張り歪みがかかる
ばかりでなく、前記柱状部分の側面にそって基板表面に
並行な方向、にも引っ張り歪みがかかる。The n + type SiGe layer 300 has a section including the columnar portion formed in a convex shape, and is processed so as to have a part of the columnar portion and a continuous extension at the bottom of the portion. Further, as described above, the strained Si layer 7 is formed so as to surround the side surface of the columnar portion, and a part thereof is n +
It also extends to the surface of the extending portion of the type SiGe layer 300.
The three layers constituting the columnar portion are all SiG.
Because of the e-layer, the strained Si layer 7 is not only subjected to tensile strain in a direction perpendicular to the substrate surface along the side surface of the columnar portion, but also in a direction parallel to the substrate surface along the side surface of the columnar portion. Also, tensile strain is applied.
【0043】縦型電界効果トランジスタとしては、ゲー
ト電極9にゲート電圧が印加されると、歪Si層7及
び、場合によってはp−型SiGe層5のゲート電極に
対向する表面部分にチャネルとなる反転層が生じ、ソー
ス領域としてのn+型SiGe層6及びドレイン領域と
してのn+型SiGe層300の間に電流が流れるよう
に動作する。In the vertical field effect transistor, when a gate voltage is applied to the gate electrode 9, a channel is formed on the surface of the strained Si layer 7 and, in some cases, the p-type SiGe layer 5 facing the gate electrode. An inversion layer is generated and operates so that a current flows between the n + -type SiGe layer 6 as the source region and the n + -type SiGe layer 300 as the drain region.
【0044】本実施形態における縦型電界効果トランジ
スタの製造方法を、図9乃至図15を参照して以下に説
明する。A method of manufacturing the vertical field effect transistor according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS.
【0045】先ず、図9に示すようにSi基板1上にS
iGe層30を1000nmエピタキシャル成長させ
る。この場合、最上部に基板保護のために薄いSi層3
1があることが望ましい。次いで、SiGe層30中
に、酸素が加速エネルギー180keV、ドーズ量4×
10E17cm−2の条件で、Si基板1及びSiGe
層30の表面から離れた位置に濃度ピークが存在するよ
うにイオン注入される。その後、温度1350℃で4時
間、酸素を微量に添加した窒素雰囲気中でアニールされ
ることで埋め込み酸化膜32が形成される。First, as shown in FIG.
The iGe layer 30 is epitaxially grown to a thickness of 1000 nm. In this case, a thin Si layer 3 is provided on the top to protect the substrate.
Preferably there is one. Next, oxygen is supplied into the SiGe layer 30 at an acceleration energy of 180 keV and a dose of 4 ×.
Under conditions of 10E17 cm−2, Si substrate 1 and SiGe
Ion implantation is performed so that a concentration peak exists at a position away from the surface of the layer 30. Thereafter, the buried oxide film 32 is formed by annealing at a temperature of 1350 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere containing a small amount of oxygen.
【0046】前記アニールにより、埋め込み酸化膜32
上のSiGe層30では格子歪が緩和され歪みが極小化
されると共に、表面には前記薄いSi層31によりSi
酸化膜33が形成される。また、埋め込み酸化膜32直
下のSiGe層30からはGeがSi基板1方向に拡散
され、図10に示される状態になる。By the annealing, the buried oxide film 32 is formed.
In the upper SiGe layer 30, the lattice strain is relaxed and the strain is minimized.
An oxide film 33 is formed. In addition, Ge is diffused from the SiGe layer 30 immediately below the buried oxide film 32 in the direction of the Si substrate 1 to be in a state shown in FIG.
【0047】次に、埋め込み酸化膜32上のSiGe層
300に、n型の不純物としてAsが、50keV、
6.0×10E15cm−2でイオン注入され、不純物
の活性化のためにアニールが行われる。このアニールの
ときに生じた表面の酸化膜をフッ酸により除去後、p型
にドープされたSiGe層5とn型にドープされたSi
Ge層6が続けてエピタキシャル成長され、図11に示
される積層構造を得る。Next, As is added as an n-type impurity to the SiGe layer 300 on the buried oxide film 32 by 50 keV,
Ions are implanted at 6.0 × 10E15 cm−2, and annealing is performed to activate impurities. After removing the oxide film on the surface generated during this annealing with hydrofluoric acid, the p-type doped SiGe layer 5 and the n-type doped Si
The Ge layer 6 is subsequently epitaxially grown to obtain a laminated structure shown in FIG.
【0048】次いで、図12に示されるように、RIE
法によりn+型SiGe層300、p−型SiGe層
5、n+型SiGe層6が選択的に除去され、柱状突起
200が形成される。Next, as shown in FIG.
By the method, the n + -type SiGe layer 300, the p − -type SiGe layer 5, and the n + -type SiGe layer 6 are selectively removed, and the columnar projection 200 is formed.
【0049】先の工程で形成された柱状突起200、及
びその柱状突起200の底部に繋がるn+型SiGe層
300の表面には、厚さ10nmの歪Si層がエピタキ
シャル成長により形成される。図示しないが、その後、
光蝕刻法により、柱状突起200及びその周辺部を保護
するようにレジストのパターニングを行い、図13に示
されるようにn+型SiGe層300をRIE法により
埋め込み酸化膜32に達するまで除去し、素子分離を行
う。A strained Si layer having a thickness of 10 nm is formed by epitaxial growth on the surface of the columnar projection 200 formed in the previous step and the n + -type SiGe layer 300 connected to the bottom of the columnar projection 200. Although not shown,
The resist is patterned by photo-etching so as to protect the columnar projections 200 and the periphery thereof, and the n + type SiGe layer 300 is removed by RIE until reaching the buried oxide film 32 as shown in FIG. Perform separation.
【0050】続いて、図14に示されるように、700
℃の酸素希釈ウェット酸化により歪Si層7が酸化さ
れ、ゲート絶縁膜8として厚さ2nmの酸化Si膜が形
成される。Subsequently, as shown in FIG.
The strained Si layer 7 is oxidized by oxygen dilution wet oxidation at a temperature of 0 ° C., and a 2-nm-thick Si oxide film is formed as the gate insulating film 8.
【0051】また、図15に示されるように、減圧CV
D法により厚さ200nmの多結晶Si膜が前記ゲート
絶縁膜8の表面及び埋め込み酸化膜の表面を含む全面に
堆積され、RIE等の異方性エッチングによりゲート電
極9がパターニングされる。この際、少なくとも、柱状
突起の側壁に設けられたゲート絶縁膜8上、及びゲート
電極9引出しのための配線層10の形成予定領域に、ゲ
ート電極9が存在するように、予め図示されていないレ
ジスト膜で被覆されてRIEが行われる。Further, as shown in FIG.
A polycrystalline Si film having a thickness of 200 nm is deposited on the entire surface including the surface of the gate insulating film 8 and the surface of the buried oxide film by the method D, and the gate electrode 9 is patterned by anisotropic etching such as RIE. At this time, the gate electrode 9 is not shown in advance so that the gate electrode 9 exists at least on the gate insulating film 8 provided on the side wall of the columnar protrusion and in the region where the wiring layer 10 for extracting the gate electrode 9 is to be formed. RIE is performed after being covered with a resist film.
【0052】更に、図8に示されるように、絶縁層13
としてCVD法により酸化Si膜が500nm堆積され
平坦化されると共に、コンタクト孔がRIE法にて開孔
される。その後、Siを1%含有するアルミニウム膜が
スパッタ法で堆積され、パターニングされることによ
り、ゲート、ソース、及びドレインの各配線層10乃至
配線層12が形成される。Further, as shown in FIG.
A 500 nm Si oxide film is deposited by CVD and planarized, and a contact hole is opened by RIE. Thereafter, an aluminum film containing 1% of Si is deposited by a sputtering method and is patterned to form each of the gate, source, and drain wiring layers 10 to 12.
【0053】これ以後は、通常の半導体装置の製造方法
と同様に、パッシベーション膜形成工程等を経て半導体
装置が完成される。Thereafter, the semiconductor device is completed through a passivation film forming step and the like in the same manner as in a normal semiconductor device manufacturing method.
【0054】このように本実施形態によれば、柱状部分
の側面に沿って基板表面に垂直な方向の引っ張り歪みが
かかるばかりでなく、柱状部分の側面に沿って基板表面
に並行な方向にも引っ張り歪みがかかった歪Si層7を
チャネル領域とした縦型電界効果トランジスタを製造す
ることができる。従って、歪みの効果が前記柱状突起側
壁に沿う方向で基板表面に垂直な方向に限られた従来の
縦型電界効果トランジスタに較べキャリアの移動度が大
きく向上し動作速度の高速化及び高性能化を図ることが
できる。As described above, according to the present embodiment, not only tensile strain in the direction perpendicular to the substrate surface is applied along the side surface of the columnar portion, but also in the direction parallel to the substrate surface along the side surface of the columnar portion. A vertical field-effect transistor using the strained Si layer 7 subjected to tensile strain as a channel region can be manufactured. Therefore, the mobility of carriers is greatly improved as compared with the conventional vertical field effect transistor in which the effect of distortion is limited to the direction perpendicular to the substrate surface in the direction along the side wall of the columnar protrusion, and the operating speed is increased and the performance is improved. Can be achieved.
【0055】また、ドレイン領域が直に埋め込み酸化膜
と接しているので、ドレイン領域がPN接合により分離
されている場合より、ドレイン容量を小さくでき、更に
動作速度を高速化できる。 (第3の実施形態)図16は、本発明の第3の実施形態
に係わる縦型柱状構造の電界効果トランジスタを示す素
子構造断面図である。尚、第2の実施形態に係わる図8
との同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は
省略する。Further, since the drain region is in direct contact with the buried oxide film, the drain capacitance can be reduced and the operation speed can be further increased as compared with the case where the drain region is separated by a PN junction. (Third Embodiment) FIG. 16 is a sectional view of an element structure showing a field effect transistor having a vertical columnar structure according to a third embodiment of the present invention. FIG. 8 according to the second embodiment.
The same reference numerals are given to the same parts as in the above, and the detailed description thereof is omitted.
【0056】本実施形態が先に説明した第2の実施形態
と異なる点は、p−型SiGe層5の代わりに絶縁層が
形成されている点にある。またソース領域及びドレイン
領域の形成はゲート電極形成後にイオン注入法によって
形成する点が異なっている。This embodiment is different from the above-described second embodiment in that an insulating layer is formed instead of the p − -type SiGe layer 5. Further, the formation of the source region and the drain region is different in that they are formed by ion implantation after the formation of the gate electrode.
【0057】図16において、100はSOI基板、3
0はSiGe(シリコン・ゲルマニウム)層、32は埋
め込み酸化膜、41は歪SiGe(シリコン・ゲルマニ
ウム)層、42は歪Si(シリコン)層、43はソース
領域、44はドレイン領域、8は酸化Si(シリコン)
のゲート絶縁膜、9は多結晶Si(シリコン)のゲート
電極、10乃至12はAl等の金属によるゲート、ソー
ス、ドレインの各配線層、13は絶縁層である。In FIG. 16, reference numeral 100 denotes an SOI substrate, 3
0 is a SiGe (silicon-germanium) layer, 32 is a buried oxide film, 41 is a strained SiGe (silicon-germanium) layer, 42 is a strained Si (silicon) layer, 43 is a source region, 44 is a drain region, and 8 is Si oxide. (silicon)
Is a gate electrode of polycrystalline Si (silicon), 10 is a gate, source and drain wiring layer made of metal such as Al, and 13 is an insulating layer.
【0058】縦型電界効果トランジスタとしては、ゲー
ト電極9にゲート電圧が印加されると、歪Si層42及
び、歪SiGe層41のゲート電極に対向する表面部分
にチャネルとなる反転層が生じ、ソース領域43及びド
レイン領域44の間に電流が流れるように動作する。In the vertical field effect transistor, when a gate voltage is applied to the gate electrode 9, an inversion layer serving as a channel is formed on the surface of the strained Si layer 42 and the surface of the strained SiGe layer 41 facing the gate electrode. It operates so that a current flows between the source region 43 and the drain region 44.
【0059】本実施形態における電界効果トランジスタ
の製造方法を、図17乃至図21を参照して以下に説明
する。The method of manufacturing the field-effect transistor according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS.
【0060】まず、図17に示されるように、Si基
板、埋め込み酸化膜、Si層の積層構造を有するSOI
(Silicon On Insulator)基板1
00上にSiGe層30が1000nmの厚さでエピタ
キシャル成長される。この場合、最上層に基板保護のた
めに薄いSi層31があることが望ましい。First, as shown in FIG. 17, SOI having a laminated structure of a Si substrate, a buried oxide film, and a Si layer
(Silicon On Insulator) Substrate 1
A SiGe layer 30 is epitaxially grown to a thickness of 1000 nm on the substrate. In this case, it is desirable that there be a thin Si layer 31 on the uppermost layer to protect the substrate.
【0061】次に、SiGe層30中に、酸素が加速エ
ネルギー180keV、ドーズ量4×10E17cm−
2の条件で、SOI基板100の埋め込み酸化膜及びS
iGe層30の表面から離れた位置に濃度ピークが存在
するようにイオン注入される。その後、温度1350℃
で4時間、酸素を微量に添加した窒素雰囲気中でアニー
ルされ、図18に示されるように埋め込み酸化膜32が
形成される。Next, oxygen is introduced into the SiGe layer 30 at an acceleration energy of 180 keV and a dose of 4 × 10E17 cm−.
Under the conditions of 2, the buried oxide film of the SOI substrate 100 and S
Ion implantation is performed so that a concentration peak exists at a position away from the surface of the iGe layer 30. After that, the temperature is 1350 ° C
For 4 hours in a nitrogen atmosphere containing a small amount of oxygen to form a buried oxide film 32 as shown in FIG.
【0062】アニールが終了した時点で埋め込み酸化膜
32の上下のSiGe層は格子歪が緩和された状態とな
り歪みは極小化される。前記アニールにより埋め込み酸
化膜32直下のSiGe層30中のGeは、SOI基板
100のSi層内へ拡散するが、埋め込み酸化膜によっ
て、それ以上の拡散は阻止される。また、埋め込み酸化
膜32上のSiGe層30の表面にはアニール時にSi
酸化膜33が形成されるが、この酸化膜33はフッ酸に
より除去される。At the end of the annealing, the SiGe layers above and below the buried oxide film 32 are in a state where the lattice strain is relaxed, and the strain is minimized. Ge in the SiGe layer 30 immediately below the buried oxide film 32 diffuses into the Si layer of the SOI substrate 100 by the annealing, but further diffusion is prevented by the buried oxide film. Further, the surface of the SiGe layer 30 on the buried oxide film 32 is
An oxide film 33 is formed, and this oxide film 33 is removed by hydrofluoric acid.
【0063】次いで、図19に示されるように、埋め込
み酸化膜32、及びその上下のSiGe層30が、RI
E法により選択的に除去され柱状構造部400が設けら
れる。また、その表面には、厚さ20nmの歪SiGe
層41及び厚さ10nmの歪Si層42が積層形成され
る。Next, as shown in FIG. 19, the buried oxide film 32 and the upper and lower SiGe layers 30
The columnar structure 400 is selectively removed by the method E and provided. Also, on the surface thereof, strained SiGe having a thickness of 20 nm is formed.
A layer 41 and a strained Si layer 42 having a thickness of 10 nm are laminated.
【0064】ここで、柱状構造部400の底部に連続し
て延在するSiGe層30は、その上部の歪SiGe層
41及び歪Si層42と共に、柱状構造部400底部の
周辺に一部が残存するように、SOI基板100の埋め
込み酸化膜が露出するまで、RIE法により選択的に除
去され、この加工により図20に示されるように素子分
離が行われる。Here, the SiGe layer 30 extending continuously to the bottom of the columnar structure 400 is partially left around the bottom of the columnar structure 400 together with the strained SiGe layer 41 and the strained Si layer 42 thereabove. As shown in FIG. 20, the buried oxide film of the SOI substrate 100 is selectively removed by the RIE method until the buried oxide film is exposed, and element isolation is performed by this processing as shown in FIG.
【0065】続いて、700℃の酸素希釈のウェット酸
化により、歪Si層42の表層が酸化され、厚さ2nm
の酸化Si膜が、ゲート絶縁膜8として形成される。そ
の後、LPCVD法により厚さ200nmの多結晶Si
膜が堆積され、RIE法により加工されてゲート電極9
が形成される。尚、RIE法による加工に先立ってレジ
ストパターンを柱状構造部400の側壁に続く領域の一
部に形成し、多結晶Si膜を残存させることにより、ゲ
ート電極の引出しを容易にできる。Subsequently, the surface layer of the strained Si layer 42 is oxidized by wet oxidation with oxygen dilution at 700 ° C. to have a thickness of 2 nm.
Is formed as the gate insulating film 8. Thereafter, polycrystalline Si having a thickness of 200 nm is formed by LPCVD.
A film is deposited and processed by RIE to form a gate electrode 9.
Is formed. Note that the gate electrode can be easily pulled out by forming a resist pattern on a part of the region following the side wall of the columnar structure portion 400 before processing by the RIE method and leaving the polycrystalline Si film.
【0066】更に、図21に示されるように、ゲート電
極をマスクにしてソース領域43及びドレイン領域44
を形成するためのイオン注入が行われる。この時のイオ
ン注入条件は、例えば、Asを50keVで6.0×1
0E15cm−2とすれば良い。この後、アニールを行
い、イオン注入されたAsを活性化することにより、ソ
ース領域43及びドレイン領域44が形成される。Further, as shown in FIG. 21, using the gate electrode as a mask, the source region 43 and the drain region 44 are used.
Is implanted to form. The ion implantation conditions at this time are, for example, 6.0 × 1 with As at 50 keV.
What is necessary is just to set it to 0E15cm-2. Thereafter, annealing is performed to activate the ion-implanted As, so that the source region 43 and the drain region 44 are formed.
【0067】これ以降の製造方法は、第2の実施形態の
図8及びその図に関する上述の説明と同じであるため、
説明を省略するが、絶縁層13、並びに、ゲート、ソー
ス、及びドレインの各配線層10乃至配線層12が形成
されることで、図16にしめされる構造が得られる。Since the subsequent manufacturing method is the same as that of FIG. 8 of the second embodiment and the above description relating to FIG.
Although the description is omitted, the structure shown in FIG. 16 is obtained by forming the insulating layer 13 and the wiring layers 10 to 12 for the gate, source, and drain.
【0068】このように本実施形態によれば、柱状部分
の側面に沿って基板表面に垂直な方向の引っ張り歪みが
かかるばかりでなく、前記柱状部分の側面にそって基板
表面に並行な方向にも引っ張り歪みがかかった歪Si層
42をチャネル領域とした縦型電界効果トランジスタを
製造することができる。従って、歪みの効果が前記柱状
突起側壁に沿って基板表面に垂直な方向に限られた従来
の縦型電界効果トランジスタに較べ、キャリアの移動度
が大きく向上し動作速度の高速化及び高性能化を図るこ
とができる。As described above, according to this embodiment, not only tensile strain in the direction perpendicular to the substrate surface is applied along the side surface of the columnar portion, but also in the direction parallel to the substrate surface along the side surface of the columnar portion. Also, a vertical field effect transistor using the strained Si layer 42 subjected to tensile strain as a channel region can be manufactured. Therefore, as compared with the conventional vertical field-effect transistor in which the effect of the distortion is limited to the direction perpendicular to the substrate surface along the columnar projection side wall, the carrier mobility is greatly improved, and the operation speed is increased and the performance is improved. Can be achieved.
【0069】また、ドレイン領域が直に埋め込み酸化膜
と接しているので、ドレイン領域がPN接合により分離
されている場合より、ドレイン容量を小さくでき、更に
動作速度を高速化できる。更に、縦型電界効果トランジ
スタのチャネル部分が埋め込み酸化膜32により実質的
に浅くなっているのでパンチスルーが抑制される。Further, since the drain region is in direct contact with the buried oxide film, the drain capacitance can be reduced and the operation speed can be further increased as compared with the case where the drain region is separated by a PN junction. Further, since the channel portion of the vertical field effect transistor is substantially shallow by the buried oxide film 32, punch-through is suppressed.
【0070】尚、上述の本願の実施形態においては、何
れも、nチャネル型電界効果トランジスタについて説明
したが、不純物の導電型を逆にすればpチャネル型の電
界効果トランジスタも全く同様に構成され、且つ本実施
形態と同様の効果が得られる。従って、相補型電界効果
トランジスタとして構成することも可能である。また、
縦型電界効果トランジスタを単独で用いる以外に、プレ
ーナ型の電界効果トランジスタや、バイポーラ型トラン
ジスタ等の他の能動素子ないしは抵抗体、インダクタ、
及びキャパシタ等の受動素子をも含む半導体集積回路装
置の一部として本実施形態の縦型電界効果トランジスタ
を用いることも可能である。In each of the above embodiments of the present invention, an n-channel field-effect transistor has been described. However, if the conductivity type of the impurity is reversed, the p-channel field-effect transistor is configured in exactly the same manner. In addition, the same effect as in the present embodiment can be obtained. Therefore, it can be configured as a complementary field effect transistor. Also,
In addition to using the vertical field effect transistor alone, other active elements or resistors such as planar type field effect transistors and bipolar transistors, inductors,
It is also possible to use the vertical field effect transistor of the present embodiment as a part of a semiconductor integrated circuit device including a passive element such as a capacitor.
【0071】更に、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種
々変形して実施することができる。Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified and implemented without departing from the gist thereof.
【0072】[0072]
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の縦型電界
効果トランジスタにおいては、柱状部分の側面に沿って
基板表面に垂直な方向の引っ張り歪みがかかるばかりで
なく、柱状部分の側面に沿って基板表面に並行な方向に
も引っ張り歪みのかかった歪Si層をチャネル領域とし
て使用できる。従って、歪みの効果によりキャリアの移
動度が向上し動作速度の高速化を図ることができる。As described above in detail, in the vertical field effect transistor of the present invention, not only the tensile strain in the direction perpendicular to the substrate surface is applied along the side surface of the columnar portion, but also the side surface of the columnar portion. A strained Si layer having tensile strain applied along a direction parallel to the substrate surface can be used as a channel region. Therefore, the mobility of the carrier is improved by the effect of the distortion, and the operation speed can be increased.
【図1】第1の実施形態に係わる縦型電界効果トランジ
スタの素子構造を示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing an element structure of a vertical field effect transistor according to a first embodiment.
【図2】第1の実施形態に係わる縦型電界効果トランジ
スタの製造工程を示す断面図。FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the vertical field effect transistor according to the first embodiment.
【図3】第1の実施形態に係わる縦型電界効果トランジ
スタの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a sectional view showing the manufacturing process of the vertical field effect transistor according to the first embodiment.
【図4】第1の実施形態に係わる縦型電界効果トランジ
スタの製造工程を示す断面図。FIG. 4 is a sectional view showing a manufacturing step of the vertical field-effect transistor according to the first embodiment.
【図5】第1の実施形態に係わる縦型電界効果トランジ
スタの製造工程を示す断面図。FIG. 5 is a sectional view showing the manufacturing process of the vertical field-effect transistor according to the first embodiment.
【図6】第1の実施形態に係わる縦型電界効果トランジ
スタの製造工程を示す断面図。FIG. 6 is a sectional view showing the manufacturing process of the vertical field-effect transistor according to the first embodiment.
【図7】第1の実施形態に係わる縦型電界効果トランジ
スタの製造工程を示す断面図。FIG. 7 is a sectional view showing the manufacturing process of the vertical field-effect transistor according to the first embodiment.
【図8】第2の実施形態に係わる縦型電界効果トランジ
スタの素子構造を示す断面図。FIG. 8 is a sectional view showing an element structure of a vertical field effect transistor according to a second embodiment.
【図9】第2の実施形態に係わる縦型電界効果トランジ
スタの製造工程を示す断面図。FIG. 9 is a sectional view showing a manufacturing step of the vertical field-effect transistor according to the second embodiment.
【図10】第2の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 10 is a sectional view showing the manufacturing process of the vertical field-effect transistor according to the second embodiment.
【図11】第2の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 11 is a sectional view showing a manufacturing step of the vertical field-effect transistor according to the second embodiment.
【図12】第2の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 12 is a sectional view showing a manufacturing process of the vertical field-effect transistor according to the second embodiment.
【図13】第2の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 13 is a sectional view showing a manufacturing step of the vertical field-effect transistor according to the second embodiment.
【図14】第2の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 14 is a sectional view showing a manufacturing step of the vertical field-effect transistor according to the second embodiment.
【図15】第2の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 15 is a sectional view showing a manufacturing step of the vertical field-effect transistor according to the second embodiment.
【図16】第3の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの素子構造を示す断面図。FIG. 16 is a sectional view showing an element structure of a vertical field effect transistor according to a third embodiment.
【図17】第3の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 17 is a sectional view showing the manufacturing process of the vertical field-effect transistor according to the third embodiment.
【図18】第3の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 18 is a sectional view showing the manufacturing process of the vertical field-effect transistor according to the third embodiment.
【図19】第3の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 19 is a sectional view showing a manufacturing step of the vertical field-effect transistor according to the third embodiment.
【図20】第3の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 20 is a sectional view showing a manufacturing step of the vertical field-effect transistor according to the third embodiment.
【図21】第3の実施形態に係わる縦型電界効果トラン
ジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 21 is a sectional view showing a manufacturing step of the vertical field-effect transistor according to the third embodiment.
1・・・Si基板 2・・・クレーデイド層 3・・・バッファ層 4,6,300・・・n+SiGe層 5・・・p−SiGe層 7・・・歪Si層 8・・・ゲート絶縁膜 9・・・ゲート電極 10,11,12・・・配線層 13・・・絶縁層 14・・・素子分離絶縁層 20・・・柱状部分 30・・・SiGe層 31・・・Si層 32・・・埋め込み酸化膜 41・・・歪SiGe層 42・・・歪Si層 43・・・ソース領域 44・・・ドレイン領域 100・・・SOI基板 200・・・柱状突起 400・・・柱状構造部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Si substrate 2 ... Claide layer 3 ... Buffer layer 4,6,300 ... n + SiGe layer 5 ... p-SiGe layer 7 ... Strained Si layer 8 ... Gate insulating film 9 gate electrode 10, 11, 12 wiring layer 13 insulating layer 14 element isolation insulating layer 20 columnar part 30 SiGe layer 31 Si layer 32 ..Embedded oxide film 41: Strained SiGe layer 42: Strained Si layer 43: Source region 44: Drain region 100: SOI substrate 200: Columnar projection 400: Columnar structure
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 臼田 宏治 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 手塚 勉 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 水野 智久 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 高木 信一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Fターム(参考) 5F040 DA01 DC01 EB12 EC07 EC19 EC24 EE03 EE04 EE06 EK05 EM10 FC05 5F110 AA01 CC09 DD05 DD13 EE09 EE45 FF02 FF23 GG01 GG25 HJ01 HJ04 HJ13 HJ23 HK01 HK32 QQ11 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Koji Usuda, Inventor 1 at Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Tsutomu Tezuka Toshiba Komukai, Sachi-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture No. 1 town Toshiba R & D Center (72) Inventor Tomohisa Mizuno 8 Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture In-house Toshiba Yokohama office (72) Inventor Shinichi Takagi Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa No. 1 Muko Toshiba F-term in Toshiba Research and Development Center Co., Ltd. (Reference)
Claims (16)
Ge層と、 この第1のSiGe層に選択的に形成され、前記第1の
SiGe層と電気的に分離されたSiとは格子定数の異
なる物質からなる中間層と、 前記中間層上に設けられ、前記第1のSiGe層と離間
し、且つ前記中間層と電気的に分離された一導電型の第
2のSiGe層と、 前記中間層表面を含む前記第1のSiGe層から前記第
2のSiGe層に至る表面に積層された引っ張りひずみ
を有する歪Si層と、 前記歪Si層上に設けられたゲート絶縁膜と、 前記第1及び第2のSiGe層の離間させられた部位に
対応して前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電
極とを有することを特徴とする縦型電界効果トランジス
タ。A substrate having one main surface; and a first conductive type first Si provided on the one main surface of the substrate.
A Ge layer, an intermediate layer selectively formed on the first SiGe layer and made of a material having a different lattice constant from Si electrically separated from the first SiGe layer; A second SiGe layer of one conductivity type separated from the first SiGe layer and electrically separated from the intermediate layer; and a second SiGe layer including the surface of the intermediate layer and the second SiGe layer. A strained Si layer having a tensile strain laminated on a surface reaching the SiGe layer, a gate insulating film provided on the strained Si layer, and a portion separated from the first and second SiGe layers. And a gate electrode formed with the gate insulating film interposed therebetween.
e層は、格子歪の緩和されたものであることを特徴とす
る請求項1記載の縦型電界効果トランジスタ。2. The first SiGe layer and a second SiG layer.
2. The vertical field effect transistor according to claim 1, wherein the e layer has a lattice strain reduced.
一主面と垂直な方向に突出した突出部を有し、この突出
部上に前記中間層が形成されていることを特徴とする請
求項1又は請求項2記載の縦型電界効果トランジスタ。3. The first SiGe layer has a flat portion and a projecting portion projecting in a direction perpendicular to the one main surface, and the intermediate layer is formed on the projecting portion. The vertical field-effect transistor according to claim 1 or 2, wherein
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3記載の縦型電界
効果トランジスタ。4. The vertical field effect transistor according to claim 1, wherein said intermediate layer is a SiGe layer of a reverse conductivity type.
及び前記中間層は、前記基板の一主面上に一体に設けら
れた単一の層から形成されたものであり、その単一の層
は選択的に設けられた柱状部分を有するよう形成されて
いることを特徴とする請求項1乃至請求項4記載の縦型
電界効果トランジスタ。5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first SiGe layer, the second SiGe layer, and the intermediate layer are formed from a single layer integrally provided on one main surface of the substrate. 5. The vertical field effect transistor according to claim 1, wherein one layer is formed to have a columnar portion selectively provided.
電極は、前記柱状部分の側壁を囲むように形成されてい
ることを特徴とする請求項5記載の縦型電界効果トラン
ジスタ。6. The vertical field effect transistor according to claim 5, wherein the strained Si layer, the gate insulating film, and the gate electrode are formed so as to surround a side wall of the columnar portion.
Ge層と、 この第1のSiGe層に選択的に形成され、前記第1の
SiGe層と電気的に分離されたSiとは格子定数の異
なる物質からなる中間層と、 前記中間層上に設けられ、前記第1のSiGe層と離間
し、且つ前記中間層と電気的に分離された一導電型の第
2のSiGe層と、 前記中間層表面を含む前記第1のSiGe層から前記第
2のSiGe層に至る表面に積層された第3のSiGe
層と、 この第3のSiGe層上に積層された引っ張りひずみを
有する歪Si層と、 前記歪Si層上に設けられたゲート絶縁膜と、 前記第1及び第2のSiGe層の離間させられた部位に
対応して前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電
極とを有することを特徴とする縦型電界効果トランジス
タ。7. A substrate having one main surface, and a first conductive type first Si provided on one main surface of the substrate.
A Ge layer, an intermediate layer selectively formed on the first SiGe layer and made of a material having a different lattice constant from Si electrically separated from the first SiGe layer; A second SiGe layer of one conductivity type separated from the first SiGe layer and electrically separated from the intermediate layer; and a second SiGe layer including the surface of the intermediate layer and the second SiGe layer. SiGe laminated on the surface reaching the SiGe layer of
A layer, a strained Si layer having tensile strain laminated on the third SiGe layer, a gate insulating film provided on the strained Si layer, and the first and second SiGe layers separated from each other. A vertical field-effect transistor, comprising: a gate electrode formed via the gate insulating film at a position corresponding to the region.
層、及び第3のSiGe層は、格子歪の緩和されたもの
であることを特徴とする請求項7記載の縦型電界効果ト
ランジスタ。8. The first SiGe layer and the second SiGe layer.
The vertical field-effect transistor according to claim 7, wherein the layer and the third SiGe layer have a lattice strain relaxed.
一主面と垂直な方向に突出した突出部を有し、この突出
部上に前記中間層が形成されていることを特徴とする請
求項7又は請求項8記載の縦型電界効果トランジスタ。9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first SiGe layer has a flat portion and a protrusion protruding in a direction perpendicular to the one main surface, and the intermediate layer is formed on the protrusion. 9. The vertical field-effect transistor according to claim 7, wherein:
する請求項7乃至請求項9記載の縦型電界効果トランジ
スタ。10. The vertical field effect transistor according to claim 7, wherein said intermediate layer is an insulating layer.
層及び前記中間層は、前記基板の一主面上に一体に設け
られた単一の層から形成されたものであり、その単一の
層は選択的に設けられた柱状部分を有するよう形成され
ていることを特徴とする請求項7乃至請求項10記載の
縦型電界効果トランジスタ。11. The first SiGe layer and the second SiGe layer.
The layer and the intermediate layer are formed from a single layer integrally provided on one main surface of the substrate, and the single layer is formed to have selectively provided columnar portions. The vertical field-effect transistor according to claim 7, wherein:
ト電極は、前記柱状部分の側壁を囲むように形成されて
いることを特徴とする請求項11記載の半導体装置。12. The semiconductor device according to claim 11, wherein said strained Si layer, gate insulating film, and gate electrode are formed so as to surround a side wall of said columnar portion.
に分離用絶縁層が介在しており、電気的に前記第1のS
iGe層が前記基板と分離されていることを特徴とする
請求項1記載乃至請求項12記載の縦型電界効果トラン
ジスタ。13. An insulating layer for separation is interposed between said substrate and said first SiGe layer, and is electrically connected to said first SGe layer.
13. The vertical field effect transistor according to claim 1, wherein an iGe layer is separated from the substrate.
工程と、 前記第1のSiGe層上に逆導電型の第2のSiGe層
を形成する工程と、 前記第2のSiGe層上に一導電型の第3のSiGe層
を形成する工程と、 前記第1のSiGe層乃至第3のSiGe層を選択的に
除去し、前記基板の一主面と交わる方向に伸びた、前記
第1のSiGe層乃至第3のSiGe層の積層構造の柱
状部分を形成する工程と、 前記柱状部分の側壁表面にSi層を積層し、引っ張りひ
ずみを有する歪Si層を形成する工程と、 前記歪Si層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、 前記第1及び第3のSiGe層の離間させられた部位に
対応して前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成す
る工程とを有することを特徴とする縦型電界効果トラン
ジスタの製造方法。14. A step of preparing a substrate having one main surface, a step of forming a first SiGe layer of one conductivity type on the one main surface, and a step of forming a first conductivity type SiGe layer on the first SiGe layer. A step of forming a second SiGe layer; a step of forming a third SiGe layer of one conductivity type on the second SiGe layer; and selectively forming the first to third SiGe layers. Removing and forming a columnar portion of the stacked structure of the first to third SiGe layers extending in a direction intersecting one main surface of the substrate; and forming a Si layer on a side wall surface of the columnar portion. Stacking and forming a strained Si layer having a tensile strain, forming a gate insulating film on the strained Si layer, and corresponding to the separated portions of the first and third SiGe layers. Forming a gate electrode via the gate insulating film. A method for manufacturing a vertical field effect transistor, comprising:
工程と、 前記第1のSiGe層の上面、及びその上面と対向する
底面から離れた部位に前記第1のSiGe層を上層及び
下層に電気的に分離する絶縁層を形成する工程と、 前記第1のSiGe層の上層、下層、及び絶縁層を選択
的に除去し、前記基板の一主面と交わる方向に伸びた、
前記第1のSiGe層及び絶縁層の積層構造の柱状部分
を形成する工程と、 前記柱状部分の側壁表面に第2のSiGe層を形成する
工程と、 前記第2のSiGe層表面にSi層を積層し、引っ張り
ひずみを有する歪Si層を形成する工程と、 前記第1のSiGe層の上層及び下層の間の前記柱状部
分側壁に沿った前記歪Si層上にゲート絶縁膜を形成す
る工程と、 前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とを有
することを特徴とする縦型電界効果トランジスタの製造
方法。15. A step of preparing a substrate having one main surface, a step of forming a first SiGe layer of one conductivity type on the one main surface, an upper surface of the first SiGe layer, and an upper surface thereof Forming an insulating layer that electrically separates the first SiGe layer into an upper layer and a lower layer at a position distant from the bottom surface facing the substrate; and selectively forming an upper layer, a lower layer, and an insulating layer of the first SiGe layer. Removed, extended in a direction intersecting one main surface of the substrate,
Forming a columnar portion of the stacked structure of the first SiGe layer and the insulating layer; forming a second SiGe layer on the side wall surface of the columnar portion; and forming a Si layer on the second SiGe layer surface. Stacking and forming a strained Si layer having tensile strain; and forming a gate insulating film on the strained Si layer along the columnar portion side wall between the upper and lower layers of the first SiGe layer. Forming a gate electrode on the gate insulating film.
離用絶縁層を介して形成されることを特徴とする請求項
14又は請求項15記載の縦型電界効果トランジスタの
製造方法。16. The method according to claim 14, wherein the first SiGe layer is formed on the substrate with an insulating layer interposed therebetween.
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