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JP2006261283A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2006261283A JP2005074665A JP2005074665A JP2006261283A JP 2006261283 A JP2006261283 A JP 2006261283A JP 2005074665 A JP2005074665 A JP 2005074665A JP 2005074665 A JP2005074665 A JP 2005074665A JP 2006261283 A JP2006261283 A JP 2006261283A
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Abstract

【課題】主としてチャネル方向のみに引っ張り歪あるいは圧縮歪を有する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【解決手段】半導体基板1上には、ゲート絶縁膜21を介してゲート電極22n、22pが形成されている。ゲート電極22n、22p下におけるチャネル形成領域を挟むように、半導体基板1とは格子間隔の異なる材料の半導体層4,5が半導体基板1に埋め込まれて形成されている。ゲート電極22n、22pの両側における半導体基板1および前記半導体層4,5上には、ソース・ドレイン層26n,26pが形成されている。
【選択図】図11
A semiconductor device having a tensile strain or a compressive strain mainly only in a channel direction and a method for manufacturing the same.
Gate electrodes 22n and 22p are formed on a semiconductor substrate 1 with a gate insulating film 21 therebetween. Semiconductor layers 4 and 5 made of a material having a lattice spacing different from that of the semiconductor substrate 1 are embedded in the semiconductor substrate 1 so as to sandwich a channel formation region under the gate electrodes 22n and 22p. Source / drain layers 26n and 26p are formed on the semiconductor substrate 1 and the semiconductor layers 4 and 5 on both sides of the gate electrodes 22n and 22p.
[Selection] Figure 11

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、例えば、チャネル方向に引っ張り歪を有するnMOSトランジスタ(以下、nMOSと称する)、あるいはチャネル方向に圧縮歪を有するpMOSトランジスタ(以下、pMOSと称する)を備える半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and includes, for example, an nMOS transistor (hereinafter referred to as nMOS) having tensile strain in the channel direction or a pMOS transistor (hereinafter referred to as pMOS) having compressive strain in the channel direction. The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

従来、圧縮歪あるいは引っ張り歪をもつSi層を利用してトランジスタを形成することにより、Si層中におけるキャリア(電子あるいはホール)の移動度が向上することが知られている。このような歪をもつSi層を歪Si層と称する。   Conventionally, it is known that the mobility of carriers (electrons or holes) in a Si layer is improved by forming a transistor using a Si layer having compressive strain or tensile strain. A Si layer having such a strain is referred to as a strained Si layer.

nMOSにおいては引っ張り歪をもつSi層を利用し、Si層の格子間隔を広げることでキャリアの移動度は向上する。反対に、pMOSにおいては圧縮歪をもつSi層を利用し、Si層の格子間隔を狭める方がキャリアの移動度は向上する。さらなる移動度の向上のためには、360度方向にSi層の格子間隔を広げるよりも、pMOSではチャネル方向のみSi層の格子間隔を狭め、nMOSではチャネル方向のみSi層の格子間隔を広げることが望ましい。   In an nMOS, carrier mobility is improved by using a Si layer having tensile strain and increasing the lattice spacing of the Si layer. On the other hand, in the pMOS, the carrier mobility is improved by using a Si layer having a compressive strain and narrowing the lattice spacing of the Si layer. In order to further improve the mobility, rather than increasing the lattice spacing of the Si layer in the 360 degree direction, the lattice spacing of the Si layer is narrowed only in the channel direction in pMOS, and the lattice spacing of the Si layer is expanded only in the channel direction in nMOS. Is desirable.

従来、ゲート電極あるいはゲート電極の側壁をマスクとしてSi基板をエッチングした後に、ソース・ドレインの位置にSiGe層を選択的にエピタキシャル成長させて、Siよりも格子間隔の大きなSiGeからの圧縮歪を利用して、pMOSトランジスタを形成する技術が開示されている(非特許文献1参照)。非特許文献1では、nMOS側には、窒化シリコン膜からなるライナー膜を形成することにより、引っ張り歪をもつSi層としている。   Conventionally, after etching the Si substrate using the gate electrode or the side wall of the gate electrode as a mask, a SiGe layer is selectively epitaxially grown at the source / drain positions to utilize the compressive strain from SiGe having a larger lattice spacing than Si. Thus, a technique for forming a pMOS transistor is disclosed (see Non-Patent Document 1). In Non-Patent Document 1, an Si layer having tensile strain is formed by forming a liner film made of a silicon nitride film on the nMOS side.

しかしながら、上記の非特許文献1に記載の技術では、nMOS側では、ライナー膜により引っ張り歪をもつSi層とするため、チャネル方向のみSi層の格子間隔を広げることにはならない。
T. Ghai et al.,“A 90nm High Volume Manufacturing Logic Technology Featuring Novel 45nm Gate Length Strained Silicon CMOS Transistors”, IEDM Tech Dig.,pp.978-980,(2003)
However, in the technique described in Non-Patent Document 1, since the Si layer having tensile strain is formed by the liner film on the nMOS side, the lattice spacing of the Si layer cannot be increased only in the channel direction.
T. Ghai et al., “A 90nm High Volume Manufacturing Logic Technology Featuring Novel 45nm Gate Length Strained Silicon CMOS Transistors”, IEDM Tech Dig., Pp.978-980, (2003)

nMOS用にSiC層を使用することも考えられるが、SiC層はSiGe層と異なり、選択的エピタキシャル成長が困難なため、現在のところ実現されていない。   Although it is conceivable to use a SiC layer for nMOS, the SiC layer is not realized at present because it is difficult to perform selective epitaxial growth unlike the SiGe layer.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、主としてチャネル方向のみに引っ張り歪あるいは圧縮歪を有する半導体装置を製造することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of manufacturing a semiconductor device having tensile strain or compressive strain mainly only in the channel direction. .

本発明の他の目的は、チャネル方向のみに引っ張り歪あるいは圧縮歪を有することにより高性能化を図るのに好適な半導体装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a semiconductor device suitable for achieving high performance by having tensile strain or compressive strain only in the channel direction.

上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板に活性領域を区画する素子分離絶縁膜を形成する工程と、活性領域における前記半導体基板に、チャネルとなる領域を挟む溝を形成する工程と、エピタキシャル成長により、前記溝内を前記半導体基板とは格子間隔の異なる半導体層で埋め込む工程と、前記溝埋め込み工程で溝以外の前記半導体基板上に形成された前記半導体層を前記半導体基板が露出するまで除去する工程と、前記溝を埋め込んだ前記半導体層により挟まれた前記半導体基板上に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。   In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an element isolation insulating film for partitioning an active region on a semiconductor substrate, and a region serving as a channel between the semiconductor substrate in the active region. Forming a groove, filling the groove with a semiconductor layer having a lattice spacing different from that of the semiconductor substrate by epitaxial growth, and forming the semiconductor layer formed on the semiconductor substrate other than the groove in the groove filling step. Removing the semiconductor substrate until the semiconductor substrate is exposed, and forming a gate electrode on the semiconductor substrate sandwiched between the semiconductor layers embedded in the trench through a gate insulating film.

上記の本発明の半導体装置の製造方法では、ゲート電極を形成する前に、半導体基板に溝を形成し、エピタキシャル成長により溝内を半導体層で埋め込む。溝以外の半導体基板は平坦であるため、溝以外の半導体基板上に形成された半導体層を半導体基板が露出するまで除去することにより、溝内に半導体層が残る。チャネルとなる半導体基板の領域が、当該半導体基板とは格子間隔の異なる半導体層により挟まれることにより、半導体層に挟まれた半導体基板の領域には、チャネル方向に沿って圧縮応力あるいは引っ張り応力がかかる。これにより、チャネル方向に圧縮歪あるいは引っ張り歪をもつ基板構造が形成される。当該基板構造を形成した後に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成される。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a groove is formed in a semiconductor substrate before the gate electrode is formed, and the groove is filled with a semiconductor layer by epitaxial growth. Since the semiconductor substrate other than the groove is flat, the semiconductor layer formed on the semiconductor substrate other than the groove is removed until the semiconductor substrate is exposed, so that the semiconductor layer remains in the groove. The region of the semiconductor substrate that becomes the channel is sandwiched between the semiconductor layers having a lattice spacing different from that of the semiconductor substrate, so that the region of the semiconductor substrate sandwiched between the semiconductor layers is subjected to compressive stress or tensile stress along the channel direction. Take it. Thereby, a substrate structure having compressive strain or tensile strain in the channel direction is formed. After forming the substrate structure, a gate electrode is formed through a gate insulating film.

上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極下におけるチャネル形成領域を挟むように前記半導体基板に埋め込まれて形成され、前記半導体基板とは格子間隔の異なる材料の半導体層と、前記ゲート電極の両側における前記半導体基板および前記半導体層上に積層されたソース・ドレイン層とを有する。   In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a gate electrode formed on the semiconductor substrate via a gate insulating film, and a channel formation region under the gate electrode. The semiconductor substrate is formed by being embedded in a semiconductor substrate, and has a semiconductor layer having a lattice spacing different from that of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode and source / drain layers stacked on the semiconductor layer.

上記の本発明の半導体装置では、半導体基板のチャネル形成領域が、当該半導体基板とは格子間隔の異なる半導体層により挟まれることにより、半導体層に挟まれたチャネル形成領域には、チャネル方向に沿って圧縮応力あるいは引っ張り応力がかかる。これにより、半導体基板はチャネル方向に沿った圧縮歪あるいは引っ張り歪をもつ。この基板構造において、本発明では、ソース・ドレイン層は、ゲート電極の両側における半導体基板および半導体層上に積層されている。これにより、ソース・ドレイン層は、下地の半導体層の影響を受けることなく、ゲート電極の両側で均一な電気的特性(抵抗等)が得られる。   In the semiconductor device of the present invention described above, the channel formation region of the semiconductor substrate is sandwiched between the semiconductor layers having a lattice spacing different from that of the semiconductor substrate, so that the channel formation region sandwiched between the semiconductor layers extends along the channel direction. Compressive stress or tensile stress. Thereby, the semiconductor substrate has a compressive strain or a tensile strain along the channel direction. In this substrate structure, in the present invention, the source / drain layers are stacked on the semiconductor substrate and the semiconductor layer on both sides of the gate electrode. As a result, the source / drain layer can obtain uniform electrical characteristics (resistance, etc.) on both sides of the gate electrode without being affected by the underlying semiconductor layer.

本発明の半導体装置の製造方法によれば、主としてチャネル方向のみに引っ張り歪あるいは圧縮歪を有する半導体装置を製造することができる。
本発明の半導体装置によれば、チャネル方向のみに引っ張り歪あるいは圧縮歪を有し、高性能化を図った半導体装置を実現できる。
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having a tensile strain or a compressive strain mainly in only the channel direction can be manufactured.
According to the semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having a tensile strain or a compressive strain only in the channel direction and achieving high performance can be realized.

以下に、本発明の半導体装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。   Embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る半導体装置の断面図である。本実施形態に係る半導体装置は、nMOSトランジスタ(以下、nMOSと称する)とpMOSトランジスタ(以下、pMOSと称する)を備えるCMOSトランジスタである。nMOS領域が、本発明の第1領域に相当し、pMOS領域が本発明の第2領域に相当する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. The semiconductor device according to the present embodiment is a CMOS transistor including an nMOS transistor (hereinafter referred to as nMOS) and a pMOS transistor (hereinafter referred to as pMOS). The nMOS region corresponds to the first region of the present invention, and the pMOS region corresponds to the second region of the present invention.

例えばSiからなる半導体基板1には、nMOS領域とpMOS領域を活性領域として区画する例えばSTI(Shallow Trench Isolation)からなる素子分離絶縁膜2が形成されている。   For example, an element isolation insulating film 2 made of, for example, STI (Shallow Trench Isolation) is formed on a semiconductor substrate 1 made of Si, which partitions an nMOS region and a pMOS region as active regions.

nMOS領域における半導体基板1にはp型ウェル3pが形成され、pMOS領域における半導体基板1にはn型ウェル3nが形成されている。p型ウェル3pおよびn型ウェル3nの表層には、図中左右方向にチャネルが形成される。   A p-type well 3p is formed in the semiconductor substrate 1 in the nMOS region, and an n-type well 3n is formed in the semiconductor substrate 1 in the pMOS region. On the surface layer of the p-type well 3p and the n-type well 3n, channels are formed in the left-right direction in the drawing.

チャネル形成領域を挟むように、nMOS領域における半導体基板1には2つのSiC層(半導体層、第1半導体層)4が埋め込まれている。同様に、チャネル形成領域を挟むように、pMOS領域における半導体基板1には2つのSiGe層(半導体層、第2半導体層)5が埋め込まれている。   Two SiC layers (semiconductor layer, first semiconductor layer) 4 are embedded in the semiconductor substrate 1 in the nMOS region so as to sandwich the channel formation region. Similarly, two SiGe layers (semiconductor layer, second semiconductor layer) 5 are embedded in the semiconductor substrate 1 in the pMOS region so as to sandwich the channel formation region.

nMOS領域に形成されたSiC層4は、半導体基板1を構成するSiよりも格子間隔が短い。このため、SiC層4に挟まれたSi層(p型ウェル3p)には、引っ張り応力がかかる。この結果、p型ウェル3pは、格子間隔が広がった引っ張り歪をもつSi層となる。   The SiC layer 4 formed in the nMOS region has a lattice spacing shorter than that of Si constituting the semiconductor substrate 1. For this reason, tensile stress is applied to the Si layer (p-type well 3p) sandwiched between the SiC layers 4. As a result, the p-type well 3p becomes a Si layer having tensile strain with an increased lattice spacing.

pMOS領域に形成されたSiGe層5は、半導体基板1を構成するSiよりも格子間隔が長い。このため、SiGe層5に挟まれたSi層(n型ウェル3n)には、圧縮応力がかかる。このため、n型ウェル3nは、格子間隔が狭められた圧縮歪をもつSi層となる。   The SiGe layer 5 formed in the pMOS region has a longer lattice spacing than Si constituting the semiconductor substrate 1. For this reason, compressive stress is applied to the Si layer (n-type well 3n) sandwiched between the SiGe layers 5. For this reason, the n-type well 3n becomes a Si layer having a compressive strain in which the lattice spacing is narrowed.

nMOS領域における半導体基板1上には、ゲート絶縁膜11を介してゲート電極12nが形成されている。pMOS領域における半導体基板1上には、ゲート絶縁膜11を介してゲート電極12pが形成されている。ゲート絶縁膜11は、例えば酸化シリコンからなる。ゲート電極12n,12pは、例えばポリシリコンからなる。なお、ゲート電極12nをn型不純物を含有するポリシリコンとし、ゲート電極12pをp型不純物を含有するポリシリコンとしたデュアルゲート構造であってもよい。   A gate electrode 12 n is formed on the semiconductor substrate 1 in the nMOS region with a gate insulating film 11 interposed therebetween. A gate electrode 12p is formed on the semiconductor substrate 1 in the pMOS region with a gate insulating film 11 therebetween. The gate insulating film 11 is made of, for example, silicon oxide. The gate electrodes 12n and 12p are made of polysilicon, for example. Note that a dual gate structure in which the gate electrode 12n is polysilicon containing n-type impurities and the gate electrode 12p is polysilicon containing p-type impurities may be employed.

ゲート電極12n,12pの側壁には、酸化シリコンあるいは窒化シリコンからなるサイドウォール絶縁膜14が形成されている。   A sidewall insulating film 14 made of silicon oxide or silicon nitride is formed on the sidewalls of the gate electrodes 12n and 12p.

nMOS領域におけるゲート電極12nの両側であって、サイドウォール絶縁膜14の直下におけるp型ウェル3pには、n型エクステンション領域15nが形成されている。ゲート電極12nの両側であって、n型エクステンション領域15nの外側におけるp型ウェル3pおよびSiC層4には、n型エクステンション領域15nよりも深いn型ソース・ドレイン領域16nが形成されている。   An n-type extension region 15n is formed in the p-type well 3p on both sides of the gate electrode 12n in the nMOS region and immediately below the sidewall insulating film 14. N-type source / drain regions 16n deeper than the n-type extension region 15n are formed in the p-type well 3p and the SiC layer 4 on both sides of the gate electrode 12n and outside the n-type extension region 15n.

pMOS領域におけるゲート電極12pの両側であって、サイドウォール絶縁膜14の直下におけるn型ウェル3nには、p型エクステンション領域15pが形成されている。ゲート電極12pの両側であって、p型エクステンション領域15pの外側におけるn型ウェル3nおよびSiGe層5には、p型エクステンション領域15pよりも深いp型ソース・ドレイン領域16pが形成されている。   A p-type extension region 15p is formed in the n-type well 3n on both sides of the gate electrode 12p in the pMOS region and immediately below the sidewall insulating film 14. A p-type source / drain region 16p deeper than the p-type extension region 15p is formed in the n-type well 3n and the SiGe layer 5 on both sides of the gate electrode 12p and outside the p-type extension region 15p.

ゲート電極12n,12p、n型ソース・ドレイン領域16nおよびp型ソース・ドレイン領域16pには、シリサイド層17が形成されている。シリサイド層17は、例えばNiSiあるいはCoSiからなる。   A silicide layer 17 is formed in the gate electrodes 12n, 12p, the n-type source / drain region 16n, and the p-type source / drain region 16p. The silicide layer 17 is made of, for example, NiSi or CoSi.

nMOSトランジスタおよびpMOSトランジスタを被覆して、例えば酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜30が形成されている。   An interlayer insulating film 30 made of, for example, a silicon oxide film is formed so as to cover the nMOS transistor and the pMOS transistor.

層間絶縁膜30上には、配線層31が形成されている。配線層31は、ゲート電極12n,12p、n型ソース・ドレイン領域16nおよびp型ソース・ドレイン領域16pに電気的に接続されている。   A wiring layer 31 is formed on the interlayer insulating film 30. The wiring layer 31 is electrically connected to the gate electrodes 12n and 12p, the n-type source / drain region 16n, and the p-type source / drain region 16p.

上記の本実施形態に係る半導体装置では、nMOS領域においては、ゲート電極12n下のSi層(p型ウェル3p)を挟むように、Siよりも格子間隔の短い2つのSiC層4が形成されている。SiC層4によりSi層の両側から引っ張り応力がかかり、ゲート電極12n下のSi層はチャネル方向に引っ張り歪をもつこととなる。このため、nMOSのキャリアとなる電子の移動度を向上させることができる。   In the semiconductor device according to the present embodiment, in the nMOS region, two SiC layers 4 having a lattice interval shorter than that of Si are formed so as to sandwich the Si layer (p-type well 3p) under the gate electrode 12n. Yes. The SiC layer 4 applies tensile stress from both sides of the Si layer, and the Si layer under the gate electrode 12n has tensile strain in the channel direction. For this reason, the mobility of the electron used as a carrier of nMOS can be improved.

また、pMOSにおいては、ゲート電極12p下のSi層(n型ウェル3n)を挟むように、Siよりも格子間隔の長い2つのSiGe層5が形成されている。SiGe層5によりSi層の両側から圧縮応力がかかり、ゲート電極12p下のSi層はチャネル方向に圧縮歪をもつこととなる。このため、pMOSのキャリアとなるホールの移動度を向上させることができる。   In the pMOS, two SiGe layers 5 having a lattice interval longer than that of Si are formed so as to sandwich the Si layer (n-type well 3n) under the gate electrode 12p. The SiGe layer 5 applies compressive stress from both sides of the Si layer, and the Si layer under the gate electrode 12p has compressive strain in the channel direction. For this reason, the mobility of holes serving as carriers of the pMOS can be improved.

nMOSおよびpMOSのそれぞれのキャリアの移動度を向上させることができることから、高性能なCMOSトランジスタが実現される。   Since the mobility of each carrier of nMOS and pMOS can be improved, a high-performance CMOS transistor is realized.

次に、上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図2〜図10を参照して説明する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図2(a)に示すように、例えばSiからなる半導体基板1に、STI技術により、nMOS領域およびpMOS領域を区画する素子分離絶縁膜2を形成する。素子分離絶縁膜2は、主として酸化シリコン膜からなる。   As shown in FIG. 2A, an element isolation insulating film 2 that partitions an nMOS region and a pMOS region is formed on a semiconductor substrate 1 made of, for example, Si by STI technology. The element isolation insulating film 2 is mainly made of a silicon oxide film.

次に、図2(b)に示すように、nMOS領域における半導体基板1にp型不純物(例えばボロン)をイオン注入してp型ウェル3pを形成し、pMOS領域における半導体基板1にn型不純物(例えば砒素あるいはリン)をイオン注入してn型ウェル3nを形成する。nMOS領域あるいはpMOS領域をレジストでマスクしたイオン注入を繰り返すことにより、p型ウェル3pおよびn型ウェル3nが形成される。   Next, as shown in FIG. 2B, a p-type impurity (for example, boron) is ion-implanted into the semiconductor substrate 1 in the nMOS region to form a p-type well 3p, and the n-type impurity is formed in the semiconductor substrate 1 in the pMOS region. The n-type well 3n is formed by ion implantation (for example, arsenic or phosphorus). By repeating ion implantation with the nMOS region or the pMOS region masked with a resist, the p-type well 3p and the n-type well 3n are formed.

次に、図3(a)に示すように、pMOS領域の全面を覆い、nMOS領域においてはゲート電極を形成する領域(チャネルとなる領域)を中心として、当該ゲート電極を形成する領域よりも広い領域を覆うマスク層41を形成する。マスク層41は、レジストマスクであってもハードマスクであってもよい。   Next, as shown in FIG. 3A, the entire surface of the pMOS region is covered, and the nMOS region is wider than the region where the gate electrode is formed, centering on the region where the gate electrode is formed (region serving as a channel). A mask layer 41 covering the region is formed. The mask layer 41 may be a resist mask or a hard mask.

次に、図3(b)に示すように、マスク層41から露出した半導体基板1をエッチングする。これにより、nMOS領域における半導体基板1を挟む2つの溝(第1溝)1nが形成される。その後、マスク層41を除去する。   Next, as shown in FIG. 3B, the semiconductor substrate 1 exposed from the mask layer 41 is etched. Thus, two grooves (first grooves) 1n sandwiching the semiconductor substrate 1 in the nMOS region are formed. Thereafter, the mask layer 41 is removed.

次に、図4(a)に示すように、半導体基板1の全面に、SiC層4をエピタキシャル成長させる。これにより、溝1nを埋め込むSiC層4が、半導体基板1上に形成される。エピタキシャル成長では、例えば、ガスとしてSiH/C/Hをそれぞれ3sccm/2sccm/8slmで流し、温度を800℃とする。 Next, as shown in FIG. 4A, the SiC layer 4 is epitaxially grown on the entire surface of the semiconductor substrate 1. Thereby, SiC layer 4 filling trench 1n is formed on semiconductor substrate 1. In the epitaxial growth, for example, SiH 4 / C 3 H 8 / H 2 is supplied as gas at 3 sccm / 2 sccm / 8 slm, and the temperature is set to 800 ° C.

次に、図4(b)に示すように、溝1n以外の半導体基板1上に形成されたSiC層4を除去して、半導体基板1を露出させる。当該工程は、例えば、素子分離絶縁膜2をストッパとして、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により、半導体基板1が露出するまでSiC層4を研磨することにより行う。このとき、半導体基板1上のSiC層4を完全に除去するため、半導体基板1の表層部を研磨してもよい。これにより、nMOS領域の2つの溝1nにはSiC層4が残る。   Next, as shown in FIG. 4B, the SiC layer 4 formed on the semiconductor substrate 1 other than the trench 1n is removed, and the semiconductor substrate 1 is exposed. This step is performed, for example, by polishing the SiC layer 4 by CMP (Chemical Mechanical Polishing) using the element isolation insulating film 2 as a stopper until the semiconductor substrate 1 is exposed. At this time, in order to completely remove the SiC layer 4 on the semiconductor substrate 1, the surface layer portion of the semiconductor substrate 1 may be polished. As a result, the SiC layer 4 remains in the two trenches 1n in the nMOS region.

次に、図5(a)に示すように、nMOS領域の全面を覆い、pMOS領域においてはゲート電極を形成する領域(チャネルとなる領域)を中心として、当該ゲート電極を形成する領域よりも広い領域を覆うマスク層42を形成する。マスク層42は、レジストマスクであってもハードマスクであってもよい。   Next, as shown in FIG. 5A, the entire surface of the nMOS region is covered, and the pMOS region is wider than the region where the gate electrode is formed, centering on the region where the gate electrode is formed (region serving as a channel). A mask layer 42 covering the region is formed. The mask layer 42 may be a resist mask or a hard mask.

次に、図5(b)に示すように、マスク層42から露出した半導体基板1をエッチングする。これにより、pMOS領域における半導体基板1を挟む2つの溝(第2溝)1pが形成される。その後、マスク層42を除去する。   Next, as shown in FIG. 5B, the semiconductor substrate 1 exposed from the mask layer 42 is etched. Thus, two grooves (second grooves) 1p sandwiching the semiconductor substrate 1 in the pMOS region are formed. Thereafter, the mask layer 42 is removed.

次に、図6(a)に示すように、半導体基板1の全面に、SiGe層5をエピタキシャル成長させる。これにより、溝1pを埋め込むSiGe層5が、半導体基板1上に形成される。エピタキシャル成長では、例えば、ガスとしてSi/GeHをそれぞれ2sccm/3sccmで流し、温度を575℃とする。 Next, as shown in FIG. 6A, the SiGe layer 5 is epitaxially grown on the entire surface of the semiconductor substrate 1. Thereby, the SiGe layer 5 filling the trench 1p is formed on the semiconductor substrate 1. In the epitaxial growth, for example, Si 2 H 6 / GeH 4 is flowed at 2 sccm / 3 sccm as a gas, and the temperature is set to 575 ° C.

次に、図6(b)に示すように、溝1p以外の半導体基板1上に形成されたSiGe層5を除去して、半導体基板1を露出させる。当該工程は、例えば、素子分離絶縁膜2をストッパとして、CMPにより、半導体基板1が露出するまでSiGe層5を研磨することにより行う。このとき、半導体基板1上のSiGe層5を完全に除去するため、半導体基板1の表層部を研磨してもよい。これにより、pMOS領域の2つの溝1pにはSiGe層5が残る。   Next, as shown in FIG. 6B, the SiGe layer 5 formed on the semiconductor substrate 1 other than the trench 1p is removed, and the semiconductor substrate 1 is exposed. This process is performed, for example, by polishing the SiGe layer 5 by CMP using the element isolation insulating film 2 as a stopper until the semiconductor substrate 1 is exposed. At this time, the surface layer portion of the semiconductor substrate 1 may be polished in order to completely remove the SiGe layer 5 on the semiconductor substrate 1. As a result, the SiGe layer 5 remains in the two trenches 1p in the pMOS region.

以上のようにして、nMOS領域にはSiC層4からの引っ張り応力により、チャネル方向に引っ張り歪を有し、pMOS領域にはSiGe層5からの圧縮応力によりチャネル方向に圧縮歪を有する基板構造が形成される。なお、先にpMOS領域にSiGe層5を形成し、その後、nMOS領域にSiC層4を形成してもよい。   As described above, a substrate structure having tensile strain in the channel direction due to tensile stress from the SiC layer 4 in the nMOS region and compressive strain in the channel direction due to compressive stress from the SiGe layer 5 in the pMOS region. It is formed. Note that the SiGe layer 5 may be formed in the pMOS region first, and then the SiC layer 4 may be formed in the nMOS region.

次に、図7(a)に示すように、nMOS領域のp型ウェル3p上およびpMOS領域のn型ウェル3n上に、それぞれゲート絶縁膜11を介して、ゲート電極12n,12pを形成する。ゲート絶縁膜11は、例えば熱酸化法により形成した酸化シリコン膜である。ゲート電極12n,12pは、例えばポリシリコン膜を堆積させた後に、リソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターン加工することにより形成される。なお、ゲート電極12nにはn型不純物としてリンあるいは砒素をイオン注入し、ゲート電極12pにはp型不純物としてボロンをイオン注入してもよい。   Next, as shown in FIG. 7A, gate electrodes 12n and 12p are formed on the p-type well 3p in the nMOS region and the n-type well 3n in the pMOS region via the gate insulating film 11, respectively. The gate insulating film 11 is a silicon oxide film formed by, for example, a thermal oxidation method. The gate electrodes 12n and 12p are formed, for example, by depositing a polysilicon film and then patterning it with a lithography technique and an etching technique. Note that phosphorus or arsenic may be ion-implanted as an n-type impurity into the gate electrode 12n, and boron may be ion-implanted as a p-type impurity into the gate electrode 12p.

先の工程において、ゲート電極12n,12pの位置ずれを考慮して、SiC層4およびSiGe層5は、当該ゲート電極12n,12pを形成する領域よりも広い領域を挟むように形成されている。このため、ゲート電極12n,12pを確実にSi層(p型ウェル3pおよびn型ウェル3n)上に形成できる。   In the previous step, the SiC layer 4 and the SiGe layer 5 are formed so as to sandwich a region wider than the region where the gate electrodes 12n and 12p are formed in consideration of the positional deviation of the gate electrodes 12n and 12p. Therefore, the gate electrodes 12n and 12p can be reliably formed on the Si layer (p-type well 3p and n-type well 3n).

次に、図7(b)に示すように、nMOS領域におけるp型ウェル3pおよびSiC層4にn型エクステンション領域15nを形成し、pMOS領域におけるn型ウェル3nおよびSiGe層5にp型エクステンション領域15pを形成する。当該工程では、例えば、レジスト等によりpMOS領域を覆った状態で、n型不純物としてリンあるいは砒素をイオン注入して、nMOS領域のゲート電極12nの両側におけるp型ウェル3pおよびSiC層4にn型エクステンション領域15nを形成する。レジスト等を除去した後、再びレジスト等によりnMOS領域をマスクした状態で、p型不純物としてボロンをイオン注入して、pMOS領域のゲート電極12pの両側におけるn型ウェル3nおよびSiGe層5にp型エクステンション領域15pを形成する。   Next, as shown in FIG. 7B, an n-type extension region 15n is formed in the p-type well 3p and the SiC layer 4 in the nMOS region, and a p-type extension region is formed in the n-type well 3n and the SiGe layer 5 in the pMOS region. 15p is formed. In this process, for example, phosphorus or arsenic is ion-implanted as an n-type impurity in a state where the pMOS region is covered with a resist or the like, and n-type is applied to the p-type well 3p and the SiC layer 4 on both sides of the gate electrode 12n in the nMOS region. An extension region 15n is formed. After removing the resist or the like, boron is ion-implanted as a p-type impurity while the nMOS region is again masked with the resist or the like, and p-type is applied to the n-type well 3n and the SiGe layer 5 on both sides of the gate electrode 12p in the pMOS region. An extension region 15p is formed.

次に、図8(a)に示すように、ゲート電極12n,12pの側壁にサイドウォール絶縁膜14を形成する。ゲート電極12n,12pを被覆するように半導体基板1上に、例えばCVD法により酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜を堆積させた後、異方性エッチングによりエッチバックを行うことにより、サイドウォール絶縁膜14が形成される。   Next, as shown in FIG. 8A, a sidewall insulating film 14 is formed on the side walls of the gate electrodes 12n and 12p. A silicon oxide film or a silicon nitride film is deposited on the semiconductor substrate 1 so as to cover the gate electrodes 12n and 12p, for example, by CVD, and then etched back by anisotropic etching, whereby the sidewall insulating film 14 Is formed.

次に、図8(b)に示すように、nMOS領域におけるp型ウェル3pおよびSiC層4にn型ソース・ドレイン領域16nを形成し、pMOS領域におけるn型ウェル3nおよびSiGe層5にp型ソース・ドレイン領域16pを形成する。当該工程では、例えば、レジスト等によりpMOS領域を覆った状態で、n型不純物としてリンあるいは砒素をイオン注入して、nMOS領域のサイドウォール絶縁膜14の両側におけるp型ウェル3pおよびSiC層4にn型ソース・ドレイン領域16nを形成する。レジスト等を除去した後、レジスト等によりnMOS領域をマスクした状態で、p型不純物としてボロンをイオン注入して、pMOS領域のサイドウォール絶縁膜14の両側におけるn型ウェル3nおよびSiGe層5にp型ソース・ドレイン領域16pを形成する。   Next, as shown in FIG. 8B, n-type source / drain regions 16n are formed in the p-type well 3p and the SiC layer 4 in the nMOS region, and p-type are formed in the n-type well 3n and the SiGe layer 5 in the pMOS region. Source / drain regions 16p are formed. In this step, for example, phosphorus or arsenic is ion-implanted as an n-type impurity in a state where the pMOS region is covered with a resist or the like, and the p-type well 3p and the SiC layer 4 on both sides of the sidewall insulating film 14 in the nMOS region are implanted. An n-type source / drain region 16n is formed. After removing the resist and the like, boron is ion-implanted as a p-type impurity in a state where the nMOS region is masked by the resist and the like, and p is applied to the n-type well 3n and the SiGe layer 5 on both sides of the sidewall insulating film 14 in the pMOS region. A type source / drain region 16p is formed.

次に、図9(a)に示すように、ゲート電極12n,12p、n型ソース・ドレイン領域16nおよびp型ソース・ドレイン領域16pに、シリサイド層17を形成する。当該工程は、ゲート電極12n,12p、n型ソース・ドレイン領域16nおよびp型ソース・ドレイン領域16pを被覆するNiあるいはCoなどの金属膜を堆積させた後、熱処理によりシリサイド層17を形成し、その後不要な金属膜を除去する。   Next, as shown in FIG. 9A, silicide layers 17 are formed in the gate electrodes 12n and 12p, the n-type source / drain region 16n, and the p-type source / drain region 16p. In this step, after depositing a metal film such as Ni or Co covering the gate electrodes 12n and 12p, the n-type source / drain region 16n and the p-type source / drain region 16p, the silicide layer 17 is formed by heat treatment, Thereafter, unnecessary metal film is removed.

次に、図9(b)に示すように、例えば、CVD法により酸化シリコン膜を堆積させて、nMOS領域およびpMOS領域の全面を覆う層間絶縁膜30を形成する。   Next, as shown in FIG. 9B, a silicon oxide film is deposited by, for example, a CVD method to form an interlayer insulating film 30 that covers the entire surface of the nMOS region and the pMOS region.

次に、図10に示すように、層間絶縁膜30に、ゲート電極12n,12p、n型ソース・ドレイン領域16nおよびp型ソース・ドレイン領域16pに達するコンタクトホール30aを形成する。コンタクトホール30aは、レジストを用いて、層間絶縁膜30をエッチングすることにより形成される。   Next, as shown in FIG. 10, contact holes 30a reaching the gate electrodes 12n, 12p, the n-type source / drain region 16n, and the p-type source / drain region 16p are formed in the interlayer insulating film 30. The contact hole 30a is formed by etching the interlayer insulating film 30 using a resist.

次に、コンタクトホール30aを埋め込むように、層間絶縁膜30上に配線層31を形成する(図1参照)。必要に応じて、さらに多層配線形成工程を経ることにより、半導体装置が完成する。   Next, a wiring layer 31 is formed on the interlayer insulating film 30 so as to fill the contact hole 30a (see FIG. 1). If necessary, a semiconductor device is completed through a multilayer wiring formation process.

上記の本実施形態では、ゲート電極12n,12pを形成する前に、nMOS領域における半導体基板1に溝1nを形成し、溝1nを埋め込むように半導体基板1上にSiC層4を全面エピタキシャル成長させる。溝1n以外の半導体基板1は平坦であるため、素子分離絶縁膜2をストッパとして溝1n以外の半導体基板1上のSiC層4を研磨することにより、nMOS領域のSi層(p型ウェル3p)を挟む2つのSiC層4を形成できる。   In the above embodiment, before forming the gate electrodes 12n and 12p, the trench 1n is formed in the semiconductor substrate 1 in the nMOS region, and the SiC layer 4 is epitaxially grown on the entire surface of the semiconductor substrate 1 so as to fill the trench 1n. Since the semiconductor substrate 1 other than the trench 1n is flat, the Si layer (p-type well 3p) in the nMOS region is polished by polishing the SiC layer 4 on the semiconductor substrate 1 other than the trench 1n using the element isolation insulating film 2 as a stopper. Can be formed.

同様にして、ゲート電極12n,12pを形成する前に、pMOS領域における半導体基板1に溝1pを形成し、溝1pを埋め込むように半導体基板1上にSiGe層5を全面エピタキシャル成長させる。溝1p以外の半導体基板1は平坦であるため、素子分離絶縁膜2をストッパとして溝1p以外の半導体基板1上のSiGe層5を研磨することにより、pMOS領域のSi層(n型ウェル3n)を挟む2つのSiGe層5を形成できる。   Similarly, before forming the gate electrodes 12n and 12p, the trench 1p is formed in the semiconductor substrate 1 in the pMOS region, and the SiGe layer 5 is epitaxially grown on the entire surface of the semiconductor substrate 1 so as to fill the trench 1p. Since the semiconductor substrate 1 other than the trench 1p is flat, the Si layer (n-type well 3n) in the pMOS region is polished by polishing the SiGe layer 5 on the semiconductor substrate 1 other than the trench 1p using the element isolation insulating film 2 as a stopper. Can be formed.

以上のようにして、nMOS領域にはSiC層4からの引っ張り応力により、チャネル方向に引っ張り歪を有し、pMOS領域にはSiGe層5からの圧縮応力によりチャネル方向に圧縮歪を有する基板構造が形成される。   As described above, a substrate structure having tensile strain in the channel direction due to tensile stress from the SiC layer 4 in the nMOS region and compressive strain in the channel direction due to compressive stress from the SiGe layer 5 in the pMOS region. It is formed.

特にSiC層4は選択的エピタキシャル成長が困難であり、半導体基板1の全面にエピタキシャル成長してしまうが、上記の方法を用いることにより、チャネル領域における半導体基板1を挟むSiC層4を形成することができる。   In particular, the SiC layer 4 is difficult to selectively grow epitaxially and grows epitaxially on the entire surface of the semiconductor substrate 1. By using the above method, the SiC layer 4 sandwiching the semiconductor substrate 1 in the channel region can be formed. .

また、本実施形態では、ゲート電極を形成する領域よりも広い領域を挟むように、SiC層4およびSiGe層5を形成している。このため、ゲート電極12n,12pに位置ずれが生じた場合にも、SiC層4あるいはSiGe層5に挟まれたSi層にゲート電極12n,12pを形成することができる。ゲート電極12n,12p下のチャネルが、Si層(p型ウェル3pあるいはn型ウェル3n)内のみに形成されることから、キャリアの移動度を向上させることができる。   In the present embodiment, the SiC layer 4 and the SiGe layer 5 are formed so as to sandwich a region wider than the region where the gate electrode is formed. Therefore, even when the gate electrodes 12n and 12p are displaced, the gate electrodes 12n and 12p can be formed in the Si layer sandwiched between the SiC layer 4 or the SiGe layer 5. Since the channel under the gate electrodes 12n and 12p is formed only in the Si layer (p-type well 3p or n-type well 3n), carrier mobility can be improved.

以上のように、主としてチャネル方向のみに引っ張り歪あるいは圧縮歪を有するCMOSトランジスタを備えた半導体装置を製造することができる。   As described above, a semiconductor device including a CMOS transistor having a tensile strain or a compressive strain mainly in the channel direction can be manufactured.

(第2実施形態)
図11は、第2実施形態に係る半導体装置の断面図である。本実施形態では、いわゆる持ち上げエクステンション(Raised Extension)構造および持ち上げソース・ドレイン(Raised Source/Drain)構造の半導体装置について説明する。なお、第1実施形態と同様の構成要素には、同一の符号を付しておりその説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment. In the present embodiment, a semiconductor device having a so-called lifted extension (Raised Extension) structure and a lifted source / drain (Raised Source / Drain) structure will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

nMOS領域にはSiC層4が形成され、pMOS領域にはSiGe層5が形成されている点については第1実施形態と同様である。これによりnMOS領域にはSiC層4からの引っ張り応力により、チャネル方向に引っ張り歪を有し、pMOS領域にはSiGe層5からの圧縮応力によりチャネル方向に圧縮歪を有する基板構造となっている。   Similar to the first embodiment, the SiC layer 4 is formed in the nMOS region, and the SiGe layer 5 is formed in the pMOS region. As a result, the nMOS region has a tensile strain in the channel direction due to tensile stress from the SiC layer 4, and the pMOS region has a substrate structure that has compressive strain in the channel direction due to compressive stress from the SiGe layer 5.

nMOS領域における半導体基板1上には、ゲート絶縁膜21を介してゲート電極22nが形成されている。pMOS領域における半導体基板1上には、ゲート絶縁膜21を介してゲート電極22pが形成されている。ゲート絶縁膜11は、例えば酸化シリコンからなる。ゲート電極22n,22pは、例えばポリシリコンからなる。なお、ゲート電極22nはn型不純物を含有するポリシリコンとし、ゲート電極22pはp型不純物を含有するポリシリコンとしたデュアルゲート構造であってもよい。ゲート電極22n,22pの側壁には、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜23が形成されている。   A gate electrode 22n is formed on the semiconductor substrate 1 in the nMOS region with a gate insulating film 21 interposed therebetween. A gate electrode 22p is formed on the semiconductor substrate 1 in the pMOS region via a gate insulating film 21. The gate insulating film 11 is made of, for example, silicon oxide. The gate electrodes 22n and 22p are made of polysilicon, for example. The gate electrode 22n may be a dual gate structure made of polysilicon containing n-type impurities, and the gate electrode 22p may be made of polysilicon containing p-type impurities. An insulating film 23 made of, for example, silicon oxide is formed on the side walls of the gate electrodes 22n and 22p.

nMOS領域におけるゲート電極22nの両側において、p型ウェル3pおよびSiC層4上には、n型エクステンション層25nが形成されている。n型エクステンション層25n上には、ゲート電極22nの側壁を覆うサイドウォール絶縁膜24が形成されている。サイドウォール絶縁膜24から露出したn型エクステンション層25n上には、n型ソース・ドレイン層26nが形成されている。このように、nMOS領域において、半導体基板1の主面から持ち上げられたn型エクステンション層25nおよびn型ソース・ドレイン層26nが形成されている。   On both sides of the gate electrode 22n in the nMOS region, an n-type extension layer 25n is formed on the p-type well 3p and the SiC layer 4. A sidewall insulating film 24 is formed on the n-type extension layer 25n to cover the sidewall of the gate electrode 22n. An n-type source / drain layer 26 n is formed on the n-type extension layer 25 n exposed from the sidewall insulating film 24. Thus, in the nMOS region, the n-type extension layer 25n and the n-type source / drain layer 26n lifted from the main surface of the semiconductor substrate 1 are formed.

pMOS領域におけるゲート電極22pの両側において、n型ウェル3nおよびSiGe層5上には、p型エクステンション層25pが形成されている。p型エクステンション層25p上には、ゲート電極22pの側壁を覆うサイドウォール絶縁膜24が形成されている。サイドウォール絶縁膜24から露出したp型エクステンション層25p上には、p型ソース・ドレイン層26pが形成されている。このように、pMOS領域において、半導体基板1の主面から持ち上げられたp型エクステンション層25pおよびp型ソース・ドレイン層26pが形成されている。   A p-type extension layer 25p is formed on the n-type well 3n and the SiGe layer 5 on both sides of the gate electrode 22p in the pMOS region. A sidewall insulating film 24 is formed on the p-type extension layer 25p to cover the sidewall of the gate electrode 22p. A p-type source / drain layer 26 p is formed on the p-type extension layer 25 p exposed from the sidewall insulating film 24. Thus, in the pMOS region, the p-type extension layer 25p and the p-type source / drain layer 26p lifted from the main surface of the semiconductor substrate 1 are formed.

ゲート電極22n,22p、n型ソース・ドレイン層26nおよびp型ソース・ドレイン層26pには、シリサイド層17が形成されている。シリサイド層17は、例えばNiSiあるいはCoSiからなる。   A silicide layer 17 is formed on the gate electrodes 22n, 22p, the n-type source / drain layer 26n, and the p-type source / drain layer 26p. The silicide layer 17 is made of, for example, NiSi or CoSi.

nMOSトランジスタおよびpMOSトランジスタを被覆して、例えば酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜30が形成されている。   An interlayer insulating film 30 made of, for example, a silicon oxide film is formed so as to cover the nMOS transistor and the pMOS transistor.

層間絶縁膜30上には、配線層31が形成されている。配線層31は、ゲート電極22n,22p、n型ソース・ドレイン層26nおよびp型ソース・ドレイン層26pに電気的に接続されている。   A wiring layer 31 is formed on the interlayer insulating film 30. The wiring layer 31 is electrically connected to the gate electrodes 22n, 22p, the n-type source / drain layer 26n, and the p-type source / drain layer 26p.

上記の本実施形態に係る半導体装置では、nMOS領域においては、ゲート電極22n2下のSi層(p型ウェル3p)を挟むように、Siよりも格子間隔の短い2つのSiC層4が形成されている。SiC層4によりSi層の両側から引っ張り応力がかかり、ゲート電極22n下のSi層はチャネル方向に引っ張り歪をもつこととなる。このため、nMOSのキャリアとなる電子の移動度を向上させることができる。   In the semiconductor device according to the present embodiment, in the nMOS region, two SiC layers 4 having a lattice interval shorter than that of Si are formed so as to sandwich the Si layer (p-type well 3p) under the gate electrode 22n2. Yes. A tensile stress is applied from both sides of the Si layer by the SiC layer 4, and the Si layer under the gate electrode 22n has a tensile strain in the channel direction. For this reason, the mobility of the electron used as a carrier of nMOS can be improved.

また、pMOSにおいては、ゲート電極22p下のSi層(n型ウェル3n)を挟むように、Siよりも格子間隔の長い2つのSiGe層5が形成されている。SiGe層5によりSi層の両側から圧縮応力がかかり、ゲート電極22p下のSi層はチャネル方向に圧縮歪をもつこととなる。このため、pMOSのキャリアとなるホールの移動度を向上させることができる。   In the pMOS, two SiGe layers 5 having a lattice interval longer than that of Si are formed so as to sandwich the Si layer (n-type well 3n) under the gate electrode 22p. The SiGe layer 5 applies compressive stress from both sides of the Si layer, and the Si layer under the gate electrode 22p has compressive strain in the channel direction. For this reason, the mobility of holes serving as carriers of the pMOS can be improved.

nMOSおよびpMOSのそれぞれのキャリアの移動度を向上させることができることから、高性能なCMOSトランジスタが実現される。   Since the mobility of each carrier of nMOS and pMOS can be improved, a high-performance CMOS transistor is realized.

次に、上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図12〜図16を参照して説明する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、第1実施形態と同様にして、図2〜図6に示す工程を経る。これにより、nMOS領域にはSiC層4からの引っ張り応力により、チャネル方向に引っ張り歪を有し、pMOS領域にはSiGe層5からの圧縮応力によりチャネル方向に圧縮歪を有する基板構造が形成される。なお、先にpMOS領域にSiGe層5を形成し、その後、nMOS領域にSiC層4を形成してもよい。   First, similarly to the first embodiment, the steps shown in FIGS. As a result, a substrate structure having tensile strain in the channel direction due to tensile stress from the SiC layer 4 in the nMOS region and compressive strain in the channel direction due to compressive stress from the SiGe layer 5 is formed in the pMOS region. . Note that the SiGe layer 5 may be formed in the pMOS region first, and then the SiC layer 4 may be formed in the nMOS region.

次に、図12(a)に示すように、nMOS領域のp型ウェル3p上およびpMOS領域のn型ウェル3n上に、それぞれゲート絶縁膜21を介して、ゲート電極22n,22pを形成する。ゲート絶縁膜21は、例えば熱酸化法により形成した酸化シリコン膜である。ゲート電極22n,22pは、例えばポリシリコン膜を堆積させた後に、リソグラフィ技術およびエッチング技術によりゲート電極に対応したパターンのマスク層28を形成した後、ポリシリコン膜をエッチングすることにより形成される。マスク層28は、例えば酸化シリコンからなり、本実施形態ではこのマスク層28を残しておく。なお、ゲート電極22nにはn型不純物としてリンあるいは砒素をイオン注入し、ゲート電極22pにはp型不純物としてボロンをイオン注入してもよい。   Next, as shown in FIG. 12A, gate electrodes 22n and 22p are formed on the p-type well 3p in the nMOS region and the n-type well 3n in the pMOS region via the gate insulating film 21, respectively. The gate insulating film 21 is a silicon oxide film formed by, for example, a thermal oxidation method. The gate electrodes 22n and 22p are formed, for example, by depositing a polysilicon film, forming a mask layer 28 having a pattern corresponding to the gate electrode by lithography and etching techniques, and then etching the polysilicon film. The mask layer 28 is made of, for example, silicon oxide, and the mask layer 28 is left in this embodiment. The gate electrode 22n may be ion-implanted with phosphorus or arsenic as an n-type impurity, and the gate electrode 22p may be ion-implanted with boron as a p-type impurity.

先の工程において、ゲート電極22n,22pの位置ずれを考慮して、SiC層4およびSiGe層5は、当該ゲート電極22n,22pを形成する領域よりも広い領域を挟むように形成されている。このため、ゲート電極22n,22pを確実にSi層(p型ウェル3pおよびn型ウェル3n)上に形成できる。   In the previous step, the SiC layer 4 and the SiGe layer 5 are formed so as to sandwich a region wider than the region where the gate electrodes 22n and 22p are formed in consideration of the positional shift of the gate electrodes 22n and 22p. Therefore, the gate electrodes 22n and 22p can be reliably formed on the Si layer (p-type well 3p and n-type well 3n).

次に、図12(b)に示すように、ゲート電極22n,22pの側壁に、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜23を形成する。例えば、ゲート電極22n,22pを被覆するように半導体基板1上に、CVD法により酸化シリコン膜を堆積させた後、異方性エッチングによりエッチバックを行うことにより、ゲート電極22n,22pの側壁に絶縁膜23が形成される。   Next, as shown in FIG. 12B, an insulating film 23 made of, for example, silicon oxide is formed on the side walls of the gate electrodes 22n and 22p. For example, a silicon oxide film is deposited on the semiconductor substrate 1 so as to cover the gate electrodes 22n and 22p by a CVD method, and then etched back by anisotropic etching, thereby forming sidewalls of the gate electrodes 22n and 22p. An insulating film 23 is formed.

次に、図13(a)に示すように、nMOS領域における半導体基板1上にn型エクステンション層25nを形成し、pMOS領域における半導体基板1上にp型エクステンション層25pを形成する。   Next, as shown in FIG. 13A, an n-type extension layer 25n is formed on the semiconductor substrate 1 in the nMOS region, and a p-type extension layer 25p is formed on the semiconductor substrate 1 in the pMOS region.

当該工程では、例えば、ゲート電極22n,22pの両側における半導体基板1上にSi層を選択的エピタキシャル成長させる。当該工程では、ゲート電極22n,22pは絶縁膜23およびマスク層28により被覆されていることから、ゲート電極22n,22pにはSi層はエピタキシャル成長されずに、ゲート電極22n,22pの両側に選択的にSi層がエピタキシャル成長される。エピタキシャル成長では、例えば、ガスとしてSiを4sccmで流し、温度を600℃とする。続いて、nMOS領域におけるSi層にn型不純物をイオン注入し、pMOS領域におけるSi層にp型不純物をイオン注入する。これにより、n型エクステンション層25nおよびp型エクステンション層25pが形成される。 In this step, for example, a Si layer is selectively epitaxially grown on the semiconductor substrate 1 on both sides of the gate electrodes 22n and 22p. In this process, since the gate electrodes 22n and 22p are covered with the insulating film 23 and the mask layer 28, the Si layer is not epitaxially grown on the gate electrodes 22n and 22p, but is selectively formed on both sides of the gate electrodes 22n and 22p. The Si layer is epitaxially grown. In the epitaxial growth, for example, Si 2 H 6 is flowed at 4 sccm as a gas, and the temperature is set to 600 ° C. Subsequently, n-type impurities are ion-implanted into the Si layer in the nMOS region, and p-type impurities are ion-implanted into the Si layer in the pMOS region. Thereby, the n-type extension layer 25n and the p-type extension layer 25p are formed.

次に、図13(b)に示すように、ゲート電極22n,22pの側壁に絶縁膜23を介して、例えば窒化シリコンからなるサイドウォール絶縁膜24を形成する。例えば、ゲート電極22n,22pを被覆するように半導体基板1上に、CVD法により窒化シリコン膜を堆積させた後、異方性エッチングによりエッチバックを行うことにより、ゲート電極22n,22pの側壁にサイドウォール絶縁膜24が形成される。   Next, as shown in FIG. 13B, sidewall insulating films 24 made of, for example, silicon nitride are formed on the sidewalls of the gate electrodes 22n and 22p with the insulating film 23 interposed therebetween. For example, a silicon nitride film is deposited on the semiconductor substrate 1 so as to cover the gate electrodes 22n and 22p by CVD, and then etched back by anisotropic etching, so that the sidewalls of the gate electrodes 22n and 22p are formed. A sidewall insulating film 24 is formed.

次に、図14(a)に示すように、nMOS領域におけるn型エクステンション層25n上にn型ソース・ドレイン層26nを形成し、pMOS領域におけるp型エクステンション層25p上にp型ソース・ドレイン層26pを形成する。   Next, as shown in FIG. 14A, an n-type source / drain layer 26n is formed on the n-type extension layer 25n in the nMOS region, and a p-type source / drain layer is formed on the p-type extension layer 25p in the pMOS region. 26p is formed.

当該工程では、ゲート電極22n,22pの両側であって、サイドウォール絶縁膜24から露出したn型ソース・ドレイン層26nおよびp型ソース・ドレイン層26p上に、Si層を選択的エピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長では、例えば、ガスとしてSiを4sccmで流し、温度を600℃とする。続いて、nMOS領域におけるSi層にn型不純物をイオン注入し、pMOS領域におけるSi層にp型不純物をイオン注入する。これにより、n型ソース・ドレイン層26nおよびp型ソース・ドレイン層26pが形成される。その後、RTA(Rapid Thermal Annealing)を行って、エクステンション層およびソース・ドレイン層に注入した不純物の活性化を行う。 In this step, a Si layer is selectively epitaxially grown on the n-type source / drain layer 26n and the p-type source / drain layer 26p exposed from the sidewall insulating film 24 on both sides of the gate electrodes 22n and 22p. In the epitaxial growth, for example, Si 2 H 6 is flowed at 4 sccm as a gas, and the temperature is set to 600 ° C. Subsequently, n-type impurities are ion-implanted into the Si layer in the nMOS region, and p-type impurities are ion-implanted into the Si layer in the pMOS region. Thereby, the n-type source / drain layer 26n and the p-type source / drain layer 26p are formed. Thereafter, RTA (Rapid Thermal Annealing) is performed to activate the impurities implanted into the extension layer and the source / drain layers.

次に、図14(b)に示すように、ゲート電極22n,22p、n型ソース・ドレイン層26nおよびp型ソース・ドレイン層26pに、シリサイド層27を形成する。当該工程は、ゲート電極22n,22p、n型ソース・ドレイン層26nおよびp型ソース・ドレイン層26pを被覆するNiあるいはCoなどの金属膜を堆積させた後、熱処理によりシリサイド層27を形成し、その後不要な金属膜を除去する。   Next, as shown in FIG. 14B, silicide layers 27 are formed on the gate electrodes 22n, 22p, the n-type source / drain layer 26n, and the p-type source / drain layer 26p. In this process, after depositing a metal film such as Ni or Co covering the gate electrodes 22n, 22p, the n-type source / drain layer 26n and the p-type source / drain layer 26p, the silicide layer 27 is formed by heat treatment, Thereafter, unnecessary metal film is removed.

次に、図15に示すように、例えば、CVD法により酸化シリコン膜を堆積させて、nMOS領域およびpMOS領域の全面を覆う層間絶縁膜30を形成する。   Next, as shown in FIG. 15, for example, a silicon oxide film is deposited by the CVD method to form an interlayer insulating film 30 that covers the entire surface of the nMOS region and the pMOS region.

次に、図16に示すように、層間絶縁膜30に、ゲート電極22n,22p、n型ソース・ドレイン層26nおよびp型ソース・ドレイン層26pに達するコンタクトホール30aを形成する。コンタクトホール30aは、レジストを用いて、層間絶縁膜30をエッチングすることにより形成される。   Next, as shown in FIG. 16, contact holes 30 a reaching the gate electrodes 22 n and 22 p, the n-type source / drain layer 26 n and the p-type source / drain layer 26 p are formed in the interlayer insulating film 30. The contact hole 30a is formed by etching the interlayer insulating film 30 using a resist.

次に、コンタクトホール30aを埋め込むように、層間絶縁膜30上に配線層31を形成する(図11参照)。必要に応じて、さらに多層配線形成工程を経ることにより、半導体装置が完成する。   Next, a wiring layer 31 is formed on the interlayer insulating film 30 so as to fill the contact hole 30a (see FIG. 11). If necessary, a semiconductor device is completed through a multilayer wiring formation process.

上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法によっても、第1実施形態と同様にして、nMOS領域にはSiC層4からの引っ張り応力により、チャネル方向に引っ張り歪を有し、pMOS領域にはSiGe層5からの圧縮応力によりチャネル方向に圧縮歪を有する基板構造が形成される。   Also in the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment, the nMOS region has tensile strain in the channel direction due to tensile stress from the SiC layer 4 and the pMOS region has A substrate structure having a compressive strain in the channel direction is formed by the compressive stress from the SiGe layer 5.

また、本実施形態では、ゲート電極を形成する領域よりも広い領域を挟むように、SiC層4およびSiGe層5を形成している。このため、ゲート電極22n,22pに位置ずれが生じた場合にも、SiC層4あるいはSiGe層5に挟まれたSi層にゲート電極22n,22pを形成することができる。ゲート電極22n,22p下のチャネルが、Si層(p型ウェル3pあるいはn型ウェル3n)内のみに形成されることから、キャリアの移動度を向上させることができる。   In the present embodiment, the SiC layer 4 and the SiGe layer 5 are formed so as to sandwich a region wider than the region where the gate electrode is formed. Therefore, even when the gate electrodes 22n and 22p are displaced, the gate electrodes 22n and 22p can be formed on the Si layer sandwiched between the SiC layer 4 or the SiGe layer 5. Since the channel under the gate electrodes 22n and 22p is formed only in the Si layer (p-type well 3p or n-type well 3n), carrier mobility can be improved.

さらに、第1実施形態ではSiC層4およびSiGe層5内にソース・ドレイン領域16n,16pが形成されるのに対し、本実施形態では、SiC層4およびSiGe層5上にソース・ドレイン層26n,26pが形成される。これによる効果について説明する。   Furthermore, in the first embodiment, the source / drain regions 16n and 16p are formed in the SiC layer 4 and the SiGe layer 5, whereas in this embodiment, the source / drain layer 26n is formed on the SiC layer 4 and the SiGe layer 5. , 26p are formed. The effect by this is demonstrated.

エクステンション領域15n,15pやソース・ドレイン領域16n,16pがSiC層4およびSiGe層5にも形成される場合には、Si層(ウェル3p,3n)中と、SiC層4およびSiGe層5とで不純物の拡散係数が異なるため、不純物プロファイルのずれが生じる可能性がある。また、ゲート電極12n,12pが左右にずれた場合には、エクステンション領域15n,15pやソース・ドレイン領域16n,16pの不純物プロファイルが左右対称でなくなる。このため、トランジスタ特性に影響を与える可能性がある。   When the extension regions 15n and 15p and the source / drain regions 16n and 16p are also formed in the SiC layer 4 and the SiGe layer 5, the Si layer (wells 3p and 3n) and the SiC layer 4 and the SiGe layer 5 Since the impurity diffusion coefficients are different, the impurity profile may be shifted. When the gate electrodes 12n and 12p are shifted to the left and right, the impurity profiles of the extension regions 15n and 15p and the source / drain regions 16n and 16p are not symmetrical. For this reason, there is a possibility of affecting the transistor characteristics.

これに対して、本実施形態ではエクステンション層25n,25pおよびソース・ドレイン層26n,26pを、SiC層4およびSiGe層5上に形成している。このため、上記した不純物プロファイルのずれや非対称性といった問題はなく、安定したトランジスタ特性を得ることができる。ただし、この場合にも、ゲート電極22n,22pは、Si層(ウェル3p,3n)上に形成される必要があるが、この点については上記したように問題はない。   In contrast, in this embodiment, the extension layers 25n and 25p and the source / drain layers 26n and 26p are formed on the SiC layer 4 and the SiGe layer 5, respectively. For this reason, there are no problems such as deviation of the impurity profile and asymmetry described above, and stable transistor characteristics can be obtained. However, also in this case, the gate electrodes 22n and 22p need to be formed on the Si layer (wells 3p and 3n), but there is no problem with this point as described above.

以上のように、主としてチャネル方向のみに引っ張り歪あるいは圧縮歪を有するCMOSトランジスタを備えた半導体装置を製造することができる。   As described above, a semiconductor device including a CMOS transistor having a tensile strain or a compressive strain mainly in the channel direction can be manufactured.

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、エクステンション層25n,25pや、ソース・ドレイン層26n,26pは、Si層を選択的にエピタキシャル成長した後に、イオン注入することにより形成する以外にも、不純物を含有するSi層を選択的エピタキシャル成長させてもよい。この場合には、nMOS領域とpMOS領域とで別々に選択的エピタキシャル成長させればよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
The present invention is not limited to the description of the above embodiment.
For example, the extension layers 25n and 25p and the source / drain layers 26n and 26p may be formed by selectively epitaxially growing an Si layer containing impurities in addition to forming the Si layer by selective epitaxial growth and then ion implantation. May be. In this case, the nMOS region and the pMOS region may be selectively epitaxially grown separately.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

第1実施形態に係る半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…半導体基板、1n…溝、1p…溝、2…素子分離絶縁膜、3n…n型ウェル、3p…p型ウェル、4…SiC層、5…SiGe層、11…ゲート絶縁膜、12n…ゲート電極、12p…ゲート電極、14…サイドウォール絶縁膜、15n…n型エクステンション領域、15p…p型エクステンション領域、16n…n型ソース・ドレイン領域、16p…p型ソース・ドレイン領域、17…シリサイド層、21…ゲート絶縁膜、22n…ゲート電極、22p…ゲート電極、23…絶縁膜、24…サイドウォール絶縁膜、25n…n型エクステンション層、25p…p型エクステンション層、26n…n型ソース・ドレイン層、26p…p型ソース・ドレイン層、27…シリサイド層、28…マスク層、30…層間絶縁膜、30a…コンタクトホール、31…配線層、41…マスク層、42…マスク層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 1n ... groove | channel, 1p ... groove | channel, 2 ... Element isolation insulating film, 3n ... n-type well, 3p ... p-type well, 4 ... SiC layer, 5 ... SiGe layer, 11 ... Gate insulating film, 12n ... Gate electrode, 12p ... gate electrode, 14 ... sidewall insulating film, 15n ... n-type extension region, 15p ... p-type extension region, 16n ... n-type source / drain region, 16p ... p-type source / drain region, 17 ... silicide Layer, 21 ... gate insulating film, 22n ... gate electrode, 22p ... gate electrode, 23 ... insulating film, 24 ... side wall insulating film, 25n ... n-type extension layer, 25p ... p-type extension layer, 26n ... n-type source Drain layer, 26p ... p-type source / drain layer, 27 ... silicide layer, 28 ... mask layer, 30 ... interlayer insulating film, 30a ... contact Hall, 31 ... wiring layer, 41 ... mask layer, 42 ... mask layer

Claims (6)

半導体基板に活性領域を区画する素子分離絶縁膜を形成する工程と、
活性領域における前記半導体基板に、チャネルとなる領域を挟む溝を形成する工程と、
エピタキシャル成長により、前記溝内を前記半導体基板とは格子間隔の異なる半導体層で埋め込む工程と、
前記溝埋め込み工程で溝以外の前記半導体基板上に形成された前記半導体層を前記半導体基板が露出するまで除去する工程と、
前記溝を埋め込んだ前記半導体層により挟まれた前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
Forming an element isolation insulating film for partitioning an active region on a semiconductor substrate;
Forming a groove sandwiching a region to be a channel in the semiconductor substrate in the active region;
A step of filling the trench with a semiconductor layer having a lattice spacing different from that of the semiconductor substrate by epitaxial growth;
Removing the semiconductor layer formed on the semiconductor substrate other than the groove in the groove embedding step until the semiconductor substrate is exposed;
Forming a gate electrode through a gate insulating film on the semiconductor substrate sandwiched between the semiconductor layers embedded in the trench.
前記ゲート電極を形成する工程の後に、前記ゲート電極の両側における前記半導体基板および前記半導体層に不純物を導入して、ソース・ドレイン領域を形成する工程をさらに有する
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of forming a source / drain region by introducing an impurity into the semiconductor substrate and the semiconductor layer on both sides of the gate electrode after the step of forming the gate electrode. Method.
前記ゲート電極を形成する工程の後に、前記ゲート電極の両側における前記半導体基板および前記半導体層上に、エピタキシャル成長によりソース・ドレイン層を形成する工程をさらに有する
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of forming a source / drain layer by epitaxial growth on the semiconductor substrate and the semiconductor layer on both sides of the gate electrode after the step of forming the gate electrode.
前記溝を形成する工程において、前記ゲート電極を形成する領域よりも広い領域を挟む前記溝を形成する
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of forming the groove, the groove is formed so as to sandwich a region wider than a region where the gate electrode is formed.
半導体基板の第1領域および第2領域に、キャリアの異なる第1トランジスタおよび第2トランジスタを形成する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板の第1領域および第2領域を活性領域として区画する素子分離絶縁膜を形成する工程と、
前記第1領域における前記半導体基板に、チャネルとなる領域を挟む第1溝を形成する工程と、
エピタキシャル成長により、前記第1溝内を前記半導体基板とは格子間隔の異なる第1半導体層で埋め込む工程と、
前記第1溝埋め込み工程で第1溝以外の前記半導体基板上に形成された前記第1半導体層を前記半導体基板が露出するまで除去する工程と、
第2領域における前記半導体基板に、チャネルとなる領域を挟む第2溝を形成する工程と、
エピタキシャル成長により、前記第2溝内を前記半導体基板とは格子間隔の異なる第2半導体層で埋め込む工程と、
前記第2溝埋め込み工程で第2溝以外の前記半導体基板上に形成された前記第2半導体層を前記半導体基板が露出するまで除去する工程と、
前記半導体基板の前記第1領域および前記第2領域に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極をそれぞれ形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a first transistor and a second transistor having different carriers are formed in a first region and a second region of a semiconductor substrate,
Forming an element isolation insulating film that partitions the first region and the second region of the semiconductor substrate as active regions;
Forming a first groove sandwiching a region to be a channel in the semiconductor substrate in the first region;
Filling the first trench with a first semiconductor layer having a lattice spacing different from that of the semiconductor substrate by epitaxial growth;
Removing the first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate other than the first groove in the first groove embedding step until the semiconductor substrate is exposed;
Forming a second groove sandwiching a region to be a channel in the semiconductor substrate in the second region;
Filling the second groove with a second semiconductor layer having a lattice spacing different from that of the semiconductor substrate by epitaxial growth;
Removing the second semiconductor layer formed on the semiconductor substrate other than the second groove in the second groove embedding step until the semiconductor substrate is exposed;
Forming a gate electrode in each of the first region and the second region of the semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween.
半導体基板と、
前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極下におけるチャネル形成領域を挟むように前記半導体基板に埋め込まれて形成され、前記半導体基板とは格子間隔の異なる材料の半導体層と、
前記ゲート電極の両側における前記半導体基板および前記半導体層上に積層されたソース・ドレイン層と
を有する半導体装置。
A semiconductor substrate;
A gate electrode formed on the semiconductor substrate via a gate insulating film;
Embedded in the semiconductor substrate so as to sandwich a channel formation region under the gate electrode, and a semiconductor layer of a material having a lattice spacing different from that of the semiconductor substrate;
A semiconductor device comprising: the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode; and a source / drain layer stacked on the semiconductor layer.
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