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JP2009152485A - Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device Download PDF

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JP2009152485A
JP2009152485A JP2007330786A JP2007330786A JP2009152485A JP 2009152485 A JP2009152485 A JP 2009152485A JP 2007330786 A JP2007330786 A JP 2007330786A JP 2007330786 A JP2007330786 A JP 2007330786A JP 2009152485 A JP2009152485 A JP 2009152485A
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Japan
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semiconductor layer
layer
insulating film
film
forming
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JP2007330786A
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Inventor
Juri Kato
樹理 加藤
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Seiko Epson Corp
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Seiko Epson Corp
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

【課題】キャリアの移動度が高い歪SOI構造を、結晶欠陥少なく且つ安価に形成できるようにした半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供する。
【解決手段】Si基板1上にSiGe層とSi層5とを順次形成し、その上にSi34膜9、13を形成する。次に、Si34膜9、13と、Si層5及びSiGe層を貫く支持体穴hを形成する。そして、支持体穴hを埋め込むようにSiO2膜21を形成する。次に、SiO2膜21とSi層5とを部分的にエッチングして、SiGe層を露出させる溝Hを形成する。そして、この溝Hを介してSiGe層をエッチングすることにより、Si層5とSi基板1との間に空洞部25を形成し、空洞部25を埋め込むようにSiO2膜を形成する。この際、Si34膜9が有する圧縮応力と、Si34膜13が有する引っ張り応力とをSi層5にそれぞれ作用させてSi層5の歪を増大させる。
【選択図】図8
A semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device in which a strained SOI structure with high carrier mobility can be formed at low cost with few crystal defects.
A SiGe layer and a Si layer are sequentially formed on a Si substrate, and Si 3 N 4 films are formed thereon. Next, a support hole h that penetrates the Si 3 N 4 films 9 and 13 and the Si layer 5 and the SiGe layer is formed. Then, the SiO 2 film 21 is formed so as to fill the support hole h. Next, the SiO 2 film 21 and the Si layer 5 are partially etched to form a groove H that exposes the SiGe layer. Then, by etching the SiGe layer through the groove H, a cavity 25 is formed between the Si layer 5 and the Si substrate 1, and a SiO 2 film is formed so as to fill the cavity 25. At this time, the compressive stress of the Si 3 N 4 film 9 and the tensile stress of the Si 3 N 4 film 13 are applied to the Si layer 5 to increase the strain of the Si layer 5.
[Selection] Figure 8

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device.

従来から、チャネル領域を有する半導体層に歪を与えることにより、電子とホールの移動度を向上させ、半導体層に形成された電界効果トランジスタを高速化する方法が知られている。ここで、非特許文献1には、SOI(Silicon On Insulator)構造において、埋め込み絶縁層(即ち、BOX層)上のSi薄膜層(即ち、SOI層)全体に歪を与える方法が開示されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a method of increasing the speed of a field effect transistor formed in a semiconductor layer by imparting strain to a semiconductor layer having a channel region to improve mobility of electrons and holes. Here, Non-Patent Document 1 discloses a method of applying strain to the entire Si thin film layer (ie, SOI layer) on the buried insulating layer (ie, BOX layer) in the SOI (Silicon On Insulator) structure. .

一方、特許文献1には、バルクのSi基板上にSOI構造を部分的に形成することで、SOIトランジスタを低コストで形成できる方法(いわゆる、SBSI法)が開示されている。SBSI法では、Si基板上にSi/SiGe層を成膜し、SiとSiGeとのエッチングレートの違いを利用してSiGe層のみを選択的に除去することにより、Si基板とSi層との間に空洞部を形成し、この空洞部内に絶縁層を形成する。このようにして、絶縁層と、Si層とからなるSOI構造をSi基板上に形成する。上記のSBSI法によれば、Si層(即ち、SOI層)の膜厚を制度良く制御すると共に薄膜化することができ、SOI構造を安価に形成することができるという利点がある。
特開2005−354024号公報 K.Rim,K.Chan,D.Boyd,J.Ott,N.Kiymko,F.Casdone,L.Tai,S.Koester,M.Cobb,D.Canaperi,B.To,E.Duch,I.Babich,R.Carruthers,P.Saunders,G.Walker,Y.Zhang,M.Steen,and M.Ieong “Fabrication and Mobility Characreristics of Ultra−thin Strained Si Directly on Insulator(SSDOI)MOSFETs”2003 IEEE 3.1.1−3.1.4
On the other hand, Patent Document 1 discloses a method (so-called SBSI method) in which an SOI transistor can be formed at low cost by partially forming an SOI structure on a bulk Si substrate. In the SBSI method, a Si / SiGe layer is formed on a Si substrate, and only the SiGe layer is selectively removed by utilizing a difference in etching rate between Si and SiGe, whereby the Si substrate and the Si layer are removed. A cavity is formed, and an insulating layer is formed in the cavity. In this way, an SOI structure composed of the insulating layer and the Si layer is formed on the Si substrate. According to the SBSI method, the thickness of the Si layer (that is, the SOI layer) can be controlled systematically and the thickness can be reduced, and the SOI structure can be formed at low cost.
JP 2005-354024 A K. Rim, K.M. Chan, D.C. Boyd, J .; Ott, N.M. Kiymko, F.M. Casdone, L.M. Tai, S .; Koester, M.C. Cobb, D.C. Canaperi, B.M. To, E .; Duch, I.D. Babich, R.A. Carruthers, P.M. Saunders, G.M. Walker, Y. et al. Zhang, M .; Steen, and M.M. Ieon “Fabrication and Mobility Characeristics of Ultra-thin Strained Si Dirty on Insulator (SSDOI) MOSFETs” 2003 IEEE 3.1.1-3.1.4.

非特許文献1に開示されたような従来の製造方法は、高価なSOIウエーハを用いており、また、SiGe層を厚くエピタキシャル成長させたり、高温の酸化プロセスを行ったりする必要があった。このため、コスト高で且つ、SOI層(即ち、SOI構造の上層をなすSi層)の結晶欠陥を制御することが難しいという問題があった。
また、従来の製造方法では、ウエーハ全面に同一の歪SOI層を形成していたが、2次元引っ張り歪により電子とホールの移動度向上させた場合、接合耐圧劣化、接合リーク増加など、歪によりトレードオフ関係にある特性を全て満足させることができなかった。特に、電子とホールでは、移動度の歪依存が異なるため、PchとNchのトランジスタ性能を同時に向上することができなかった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、PchとNch、或いは、低電圧駆動デバイスと低電圧駆動デバイスなど、種々のデバイスに応じた最適な歪を与え、キャリアの移動度が高い歪SOI構造を、結晶欠陥少なく且つ安価に形成できるようにした半導体装置の製造方法及び半導体装置の提供を目的とする。
The conventional manufacturing method as disclosed in Non-Patent Document 1 uses an expensive SOI wafer, and it is necessary to epitaxially grow the SiGe layer thickly or to perform a high-temperature oxidation process. For this reason, there is a problem that the cost is high and it is difficult to control crystal defects in the SOI layer (that is, the Si layer that forms the upper layer of the SOI structure).
In the conventional manufacturing method, the same strained SOI layer is formed on the entire surface of the wafer. However, when the mobility of electrons and holes is improved by two-dimensional tensile strain, it is caused by strain such as deterioration in junction breakdown voltage and increase in junction leakage. It was not possible to satisfy all the characteristics in the trade-off relationship. In particular, since the strain dependency of mobility differs between electrons and holes, the transistor performance of Pch and Nch cannot be improved at the same time.
The present invention has been made in view of such circumstances, and gives the optimum strain according to various devices such as Pch and Nch, or low voltage drive device and low voltage drive device, and carrier mobility. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device which can form a strained SOI structure having a high strain at a low cost with few crystal defects.

〔発明1〕 発明1の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1半導体層を形成する工程と、前記第1半導体層上に第2半導体層を形成する工程と、前記第2半導体層上に、前記第2半導体層に歪を生じさせるための表面絶縁膜を形成する工程と、前記表面絶縁膜と、前記第2半導体層及び前記第1半導体層をエッチングして、前記表面絶縁膜と、前記第2半導体層及び前記第1半導体層を貫く第1溝を形成する工程と、前記第1溝内に支持体を形成する工程と、前記表面絶縁膜と前記第2半導体層とをエッチングして、前記第1半導体層を露出させる第2溝を形成する工程と、前記第2溝を介して前記第1半導体層をエッチングすることにより、前記第2半導体層と前記半導体基板との間に空洞部を形成する工程と、前記表面絶縁膜が有する力を前記第2半導体層に作用させる工程と、前記空洞部に絶縁膜を形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。   [Invention 1] A method of manufacturing a semiconductor device of Invention 1 includes a step of forming a first semiconductor layer on a semiconductor substrate, a step of forming a second semiconductor layer on the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer. Forming a surface insulating film for generating strain on the second semiconductor layer; etching the surface insulating film; the second semiconductor layer; and the first semiconductor layer; A step of forming a first groove penetrating the second semiconductor layer and the first semiconductor layer, a step of forming a support in the first groove, the surface insulating film, and the second semiconductor layer. Etching to form a second groove exposing the first semiconductor layer, and etching the first semiconductor layer through the second groove, thereby forming the second semiconductor layer and the semiconductor substrate. A step of forming a cavity in between, and the surface insulating film It is characterized in that comprises the step of applying a force to said second semiconductor layer, and forming an insulating film on the cavity.

ここで、本発明の「半導体基板」は例えばバルクのシリコン(Si)基板であり、「第1半導体層」は例えば単結晶のシリコンゲルマニウム(SiGe)層であり、「第2半導体層」は例えば単結晶のSi層である。SiGe層及びSi層は、例えばエピタキシャル成長法によって形成することができる。また、本発明の「支持体」は例えばシリコン酸化(SiO2)膜若しくはシリコン窒化(Si34)膜、又は、ポリシリコン(Poly−Si)等の半導体膜からなる。「歪」とは、結晶格子の歪のことである。 Here, the “semiconductor substrate” of the present invention is, for example, a bulk silicon (Si) substrate, the “first semiconductor layer” is, for example, a single crystal silicon germanium (SiGe) layer, and the “second semiconductor layer” is, for example, It is a single crystal Si layer. The SiGe layer and the Si layer can be formed by, for example, an epitaxial growth method. The “support” of the present invention is made of, for example, a silicon oxide (SiO 2 ) film, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film, or a semiconductor film such as polysilicon (Poly-Si). “Strain” means strain of the crystal lattice.

さらに、本発明の「表面絶縁膜」は、例えばSi34膜若しくはSiO2膜、又は、これらを積層した膜からなり、少なくとも第2半導体層に作用させる力(例えば、応力)を有する膜である。「表面絶縁膜が有する力を第2半導体層に作用させる」とは、即ち、表面絶縁膜が有する応力の向きと大きさに応じた荷重を当該表面絶縁膜から第2半導体層に働かせる、という意味である。例えば、図20(a)に示すように、表面絶縁膜(例えば、Si34膜9)が圧縮応力を有する場合は、表面絶縁膜と接する第2半導体層(例えば、Si層5)に圧縮応力の向きと大きさに応じた圧縮荷重が働く。また図20(b)に示すように、表面絶縁膜(例えば、Si34膜13)が引っ張り応力を有する場合は、表面絶縁膜と接する第2半導体層(例えば、Si層5)に引っ張り応力の向きと大きさに応じた引っ張り荷重が働く。このように、「表面絶縁膜が有する力を第2半導体層に作用させる」ことにより、第2半導体層の歪を増大させる。また、第2半導体層の歪量がゼロ(0)の場合は、「表面絶縁膜が有する力を第2半導体層に作用させる」ことにより、当該第2半導体層に歪を生じさせる。
また、本発明の「絶縁膜」は例えばSiO2膜若しくはSi34膜、又は、これらを積層した膜からなる。
Furthermore, the “surface insulating film” of the present invention is made of, for example, a Si 3 N 4 film or a SiO 2 film, or a film in which these are laminated, and has a force (for example, stress) that acts on at least the second semiconductor layer. It is. “Applying the force of the surface insulating film to the second semiconductor layer” means that a load corresponding to the direction and magnitude of the stress of the surface insulating film is applied from the surface insulating film to the second semiconductor layer. Meaning. For example, as shown in FIG. 20A, when the surface insulating film (for example, the Si 3 N 4 film 9) has a compressive stress, the second semiconductor layer (for example, the Si layer 5) in contact with the surface insulating film is formed. A compressive load is applied according to the direction and magnitude of the compressive stress. As shown in FIG. 20B, when the surface insulating film (for example, Si 3 N 4 film 13) has a tensile stress, it is pulled to the second semiconductor layer (for example, Si layer 5) in contact with the surface insulating film. A tensile load is applied according to the direction and magnitude of the stress. In this way, the strain of the second semiconductor layer is increased by “acting the force of the surface insulating film on the second semiconductor layer”. When the amount of strain of the second semiconductor layer is zero (0), strain is generated in the second semiconductor layer by “applying the force of the surface insulating film to the second semiconductor layer”.
The “insulating film” of the present invention is made of, for example, a SiO 2 film, a Si 3 N 4 film, or a film in which these are laminated.

発明1の半導体装置の製造方法によれば、キャリアの移動度(Mobility)が高い歪SOI構造を半導体基板上の必要な場所にのみ形成することができる。例えば、pMOSトランジスタが形成される領域、及び/又は、nMOSトランジスタが形成される領域にのみ、歪SOI構造を形成することができる。また、圧縮や引っ張りの反対の歪を各々の領域に独立に与えることができる。基板上の全面に歪SOI構造を有する高価なSOIウエーハを用いる必要がなくなるので、半導体装置の製造コストを安価に抑えることができる。また、歪SOI構造を形成する際に、例えばSiGe層を厚く形成したり、高温の酸化プロセスを行ったりする必要がないので、SOI層(即ち、第2半導体層)における結晶欠陥の発生を抑制することができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the first aspect, a strained SOI structure having high carrier mobility can be formed only at a required location on a semiconductor substrate. For example, a strained SOI structure can be formed only in a region where a pMOS transistor is formed and / or a region where an nMOS transistor is formed. Further, a strain opposite to compression or tension can be applied to each region independently. Since it is not necessary to use an expensive SOI wafer having a strained SOI structure on the entire surface of the substrate, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced. In addition, when forming a strained SOI structure, for example, it is not necessary to form a thick SiGe layer or perform a high-temperature oxidation process, thereby suppressing the occurrence of crystal defects in the SOI layer (ie, the second semiconductor layer). can do.

〔発明2〕 発明2の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1半導体層を形成する工程と、前記第1半導体層上に第2半導体層を形成する工程と、前記第2半導体層上に、前記第2半導体層に歪を生じさせるための表面絶縁膜を形成する工程と、前記表面絶縁膜と、前記第2半導体層及び前記第1半導体層をエッチングして、前記表面絶縁膜と、前記第2半導体層及び前記第1半導体層を貫く第1溝を形成する工程と、前記第1溝内に支持体を形成する工程と、前記表面絶縁膜と前記第2半導体層とをエッチングして、前記第1半導体層を露出させる第2溝を形成する工程と、前記第2溝を介して前記第1半導体層をエッチングすることにより、前記第2半導体層と前記半導体基板との間に空洞部を形成する工程と、前記表面絶縁膜が有する力を前記第2半導体層に作用させる工程と、前記空洞部を残しつつ、当該空洞部の内部に面する前記半導体基板の上面と前記第2半導体層の下面とに絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜が形成された前記空洞部に導電膜を形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。   [Invention 2] A method of manufacturing a semiconductor device of Invention 2 includes a step of forming a first semiconductor layer on a semiconductor substrate, a step of forming a second semiconductor layer on the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer. Forming a surface insulating film for generating strain on the second semiconductor layer; etching the surface insulating film; the second semiconductor layer; and the first semiconductor layer; A step of forming a first groove penetrating the second semiconductor layer and the first semiconductor layer, a step of forming a support in the first groove, the surface insulating film, and the second semiconductor layer. Etching to form a second groove exposing the first semiconductor layer, and etching the first semiconductor layer through the second groove, thereby forming the second semiconductor layer and the semiconductor substrate. A step of forming a cavity in between, and the surface insulating film Applying a force to the second semiconductor layer, and forming an insulating film on the upper surface of the semiconductor substrate facing the inside of the cavity and the lower surface of the second semiconductor layer while leaving the cavity And a step of forming a conductive film in the cavity where the insulating film is formed.

このような方法によれば、発明1と同様、半導体装置の製造コストを安価に抑えることができると共に、SOI層(即ち、第2半導体層)における結晶欠陥の発生を抑制することができる。また、導電膜を例えばバックゲート電極として使用することができ、その場合は、バックゲートバイアスによりMOSトランジスタの閾値電圧を制御することができる。   According to such a method, as in the first aspect, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced, and the generation of crystal defects in the SOI layer (that is, the second semiconductor layer) can be suppressed. Further, the conductive film can be used as, for example, a back gate electrode. In that case, the threshold voltage of the MOS transistor can be controlled by the back gate bias.

〔発明3、4〕 発明3の半導体装置の製造方法は、発明1又は発明2の半導体装置の製造方法において、前記空洞部を形成する工程と、前記表面絶縁膜が有する力を前記第2半導体層に作用させる工程とを並行して行うことを特徴とするものである。
発明4の半導体装置の製造方法は、発明1又は発明2の半導体装置の製造方法において、前記空洞部を形成する工程の後に、前記表面絶縁膜に熱処理を施して当該表面絶縁膜が有する力を変化させ、変化後の力を前記第2半導体層に作用させる工程をさらに含むことを特徴とするものである。
発明3、4の半導体装置の製造方法によれば、第2半導体層の歪を増大させる際に、第2半導体層下には空洞部が存在し、第2半導体層の下面は他の膜によって固定されていないので、比較的小さな力で歪を増大させることができる。
[Invention 3, 4] The method for manufacturing a semiconductor device according to Invention 3 is the method for manufacturing a semiconductor device according to Invention 1 or 2, wherein the step of forming the cavity and the force of the surface insulating film are applied to the second semiconductor. The step of acting on the layer is performed in parallel.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device according to the first or second aspect of the present invention, wherein the surface insulating film is subjected to a heat treatment after the step of forming the hollow portion so that the surface insulating film has a force. The method further includes a step of changing and applying the changed force to the second semiconductor layer.
According to the method for manufacturing a semiconductor device of inventions 3 and 4, when increasing the strain of the second semiconductor layer, a cavity exists under the second semiconductor layer, and the lower surface of the second semiconductor layer is covered with another film. Since it is not fixed, the strain can be increased with a relatively small force.

〔発明5〕 発明5の半導体装置の製造方法は、発明1から発明4の何れか一の半導体装置の製造方法において、前記半導体基板上にpMOSトランジスタが形成される領域とnMOSトランジスタが形成される領域とを有し、前記表面絶縁膜を形成する工程は、前記pMOSトランジスタが形成される領域の前記第2半導体層上に圧縮応力を有する第1表面絶縁膜を形成する工程と、前記nMOSトランジスタが形成される領域の前記第2半導体層上に引っ張り応力を有する第2表面絶縁膜を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。
発明5の半導体装置の製造方法によれば、pMOSトランジスタが形成される領域(以下、pMOS領域ともいう。)の半導体基板上に圧縮歪を有する第2半導体層を形成すると共に、nMOSトランジスタが形成される領域(以下、nMOS領域ともいう。)の半導体基板上に引っ張り歪を有する第2半導体層を形成することができる。
[Invention 5] A method for manufacturing a semiconductor device according to Invention 5 is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Inventions 1 to 4, wherein a region where a pMOS transistor is formed and an nMOS transistor are formed on the semiconductor substrate. And forming the surface insulating film includes forming a first surface insulating film having compressive stress on the second semiconductor layer in the region where the pMOS transistor is formed, and the nMOS transistor. Forming a second surface insulating film having a tensile stress on the second semiconductor layer in a region where the film is formed.
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the fifth aspect, the second semiconductor layer having compressive strain is formed on the semiconductor substrate in the region where the pMOS transistor is formed (hereinafter also referred to as pMOS region), and the nMOS transistor is formed. A second semiconductor layer having tensile strain can be formed on a semiconductor substrate in a region to be formed (hereinafter also referred to as an nMOS region).

なお、「圧縮歪」とは、圧縮荷重を受けて生じる歪のことであり、結晶格子における格子間距離が縮小された歪のことである。表面絶縁膜が圧縮応力を有する場合、表面絶縁膜から第2半導体層に圧縮荷重が働き、この圧縮荷重を受けて第2半導体層では圧縮歪が生じる。また、「引っ張り歪」とは、引っ張り荷重を受けて生じる歪のことであり、結晶格子における格子間距離が拡大された歪のことである。表面絶縁膜が引っ張り応力を有する場合、表面絶縁膜から第2半導体層に引っ張り荷重が働き、この引っ張り荷重を受けて第2半導体層では引っ張り歪が生じる。   Note that “compressive strain” refers to strain generated by receiving a compressive load, and is strain in which the interstitial distance in the crystal lattice is reduced. When the surface insulating film has a compressive stress, a compressive load acts on the second semiconductor layer from the surface insulating film, and compressive strain is generated in the second semiconductor layer in response to the compressive load. “Tensile strain” refers to strain generated by receiving a tensile load, and is strain in which the interstitial distance in the crystal lattice is expanded. When the surface insulating film has a tensile stress, a tensile load acts on the second semiconductor layer from the surface insulating film, and tensile strain is generated in the second semiconductor layer in response to the tensile load.

〔発明6〕 発明6の半導体装置の製造方法は、発明1から発明5の何れか一の半導体装置の製造方法において、前記第2半導体層上から前記表面絶縁膜を除去する工程と、前記表面絶縁膜が除去された前記表面絶縁膜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、前記ゲート電極両側の前記第2半導体層に不純物を導入してソース又はドレインを形成する工程と、をさらに含むことを特徴とするものである。   [Invention 6] The semiconductor device manufacturing method of Invention 6 is the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Inventions 1 to 5, wherein the surface insulating film is removed from the second semiconductor layer, and the surface Forming a gate electrode through the gate insulating film on the surface insulating film from which the insulating film has been removed, and forming a source or drain by introducing impurities into the second semiconductor layer on both sides of the gate electrode; , Further comprising.

このような方法によれば、例えば、pMOS領域の半導体基板上に、圧縮歪を有する第2半導体層を形成することができ、ホールの移動度を向上したpMOSトランジスタを形成することができる。また、例えば、nMOS領域の半導体基板上に、引っ張り歪を有する第2半導体層を形成することができ、電子の移動度を向上したnMOSトランジスタを形成することができる。   According to such a method, for example, the second semiconductor layer having compressive strain can be formed on the semiconductor substrate in the pMOS region, and a pMOS transistor with improved hole mobility can be formed. In addition, for example, a second semiconductor layer having tensile strain can be formed on the semiconductor substrate in the nMOS region, and an nMOS transistor with improved electron mobility can be formed.

〔発明7〕 発明7の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に第1絶縁膜を介して形成された半導体層と、pMOSトランジスタが形成される領域の前記半導体層と、nMOSトランジスタが形成される領域の前記半導体層とをそれぞれ平面視で囲むように前記半導体基板上に設けられた第2絶縁膜と、を有し、前記pMOSトランジスタが形成される領域の前記半導体層は圧縮歪を有し、前記nMOSトランジスタが形成される領域の前記半導体層は引っ張り歪を有することを特徴とするものである。すなわち、種々のデバイスごと最適な歪を持った第2半導体層を形成することができる。   [Invention 7] A semiconductor device of Invention 7 includes a semiconductor substrate, a semiconductor layer formed on the semiconductor substrate via a first insulating film, the semiconductor layer in a region where a pMOS transistor is formed, and an nMOS transistor. A second insulating film provided on the semiconductor substrate so as to surround the semiconductor layer in a region to be formed in plan view, and the semiconductor layer in the region in which the pMOS transistor is formed has a compressive strain The semiconductor layer in the region where the nMOS transistor is formed has a tensile strain. That is, it is possible to form the second semiconductor layer having the optimum strain for each of various devices.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その重複する説明は省略する。
(1)第1実施形態
〔半導体装置の製造方法、構成の一例〕
図1〜図12は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図であり、図1(a)〜図12(a)は平面図、図1(b)〜図12(b)は図1(a)〜図12(a)をX1−X´1〜X12−X´12線でそれぞれ切断したときの断面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, parts having the same configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
(1) First Embodiment [Example of Semiconductor Device Manufacturing Method and Configuration]
1 to 12 are views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIGS. 1A to 12A are plan views, and FIGS. (B) is sectional drawing when Fig.1 (a)-FIG.12 (a) are each cut | disconnected by X1-X'1-X12-X'12 line | wire.

まず始めに、図1(a)及び(b)に示すように、pMOSトランジスタが形成される領域(以下、pMOS領域という。)と、nMOSトランジスタが形成される領域(以下、nMOS領域という。)とを有するバルクのSi基板1上に、図示しない単結晶のシリコンバッファ(Si−buffer)層を形成し、その上に単結晶のシリコンゲルマニウム(SiGe)層3を形成し、その上に単結晶のシリコン(Si)層5を形成する。これらSi−buffer層、SiGe層3、Si層5は、例えばエピタキシャル成長法で連続して形成する。次に、Si層5上にシリコン酸化(SiO2)膜7を形成し、その上にシリコン窒化(Si34)膜9を形成する。ここで、Si34膜9は水平方向(即ち、平面視で縦方向及び横方向)への圧縮応力を有する膜である。SiO2膜7及びSi34膜9は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)で形成する。 First, as shown in FIGS. 1A and 1B, a region where a pMOS transistor is formed (hereinafter referred to as a pMOS region) and a region where an nMOS transistor is formed (hereinafter referred to as an nMOS region). A single crystal silicon buffer (Si-buffer) layer (not shown) is formed on a bulk Si substrate 1 having the following structure, a single crystal silicon germanium (SiGe) layer 3 is formed thereon, and a single crystal is formed thereon. The silicon (Si) layer 5 is formed. The Si-buffer layer, the SiGe layer 3 and the Si layer 5 are continuously formed by, for example, an epitaxial growth method. Next, a silicon oxide (SiO 2 ) film 7 is formed on the Si layer 5, and a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film 9 is formed thereon. Here, the Si 3 N 4 film 9 is a film having a compressive stress in the horizontal direction (that is, the vertical direction and the horizontal direction in plan view). The SiO 2 film 7 and the Si 3 N 4 film 9 are formed by, for example, CVD (Chemical Vapor Deposition).

次に、図2(a)及び(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、Si34膜9を部分的にエッチング(即ち、パターニング)して、nMOS領域のSiO2膜7上からSi34膜9を除去すると共に、pMOS領域のSiO2膜7上にSi34膜9を残す。このようなSi34膜9のパターニングはドライエッチング又はウェットエッチングのどちらで行っても良く、何れの場合でも、Si34膜9下のSiO2膜7がエッチングストッパとして機能する。 Next, as shown in FIGS. 2A and 2B, the Si 3 N 4 film 9 is partially etched (that is, patterned) by the photolithography technique and the etching technique, so that the SiO 2 film in the nMOS region is obtained. 7, the Si 3 N 4 film 9 is removed, and the Si 3 N 4 film 9 is left on the SiO 2 film 7 in the pMOS region. Such patterning of the Si 3 N 4 film 9 may be carried out in either dry etching or wet etching, in any case, the Si 3 N 4 film 9 SiO 2 film 7 below serves as an etching stopper.

次に、図3(a)及び(b)に示すように、Si34膜9をパターニングした後のSi基板1上にSiO2膜11を形成する。そして、SiO2膜11を形成した後のSi基板1上にSi34膜13を形成する。ここで、Si34膜13は水平方向への引っ張り応力を有する膜である。SiO2膜11及びSi34膜13は、例えばCVDで形成する。
次に、図4(a)及び(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、Si34膜13を部分的にエッチングして、pMOS領域のSiO2膜7上からSi34膜13を除去すると共に、nMOS領域のSiO2膜7上にSi34膜13を残す。このようなSi34膜13のパターニングはドライエッチング又はウェットエッチングのどちらで行っても良く、何れの場合でも、Si34膜13下のSiO2膜7、11がエッチングストッパとして機能する。
Next, as shown in FIGS. 3A and 3B, an SiO 2 film 11 is formed on the Si substrate 1 after the Si 3 N 4 film 9 is patterned. Then, a Si 3 N 4 film 13 is formed on the Si substrate 1 after the SiO 2 film 11 is formed. Here, the Si 3 N 4 film 13 is a film having a tensile stress in the horizontal direction. The SiO 2 film 11 and the Si 3 N 4 film 13 are formed by, for example, CVD.
Next, as shown in FIG. 4 (a) and (b), by a photolithography technique and an etching technique, Si 3 the N 4 film 13 is partially etched, Si 3 from the top SiO 2 film 7 in the pMOS region The N 4 film 13 is removed and the Si 3 N 4 film 13 is left on the SiO 2 film 7 in the nMOS region. Patterning such the Si 3 N 4 film 13 may be carried out in either dry etching or wet etching, in any case, the Si 3 N 4 film 13 SiO 2 film 7 and 11 below serves as an etching stopper .

Si34膜9、13のパターニング後は、Si34膜9が有する圧縮応力の向きと大きさに応じた圧縮荷重がSi34膜9からpMOS領域のSi層5に働くと共に、Si34膜13が有する引っ張り応力の向きと大きさに応じた引っ張り荷重がSi34膜13からnMOS領域のSi層5に働くこととなる。これにより、pMOS領域のSi層5には圧縮歪が生じると共に、nMOS領域のSi層5には引っ張り歪が生じる。但し、この図4(a)及び(b)に示す段階では、Si層5はCubic構造を持ち、且つその下側はSiGe層3と接してその結晶構造が固定されているので、上記の圧縮歪及び引っ張り歪はそれぞれ無視できる程度となっている。 After patterning of the Si 3 N 4 film 9 and 13, together with the compressive load corresponding to the direction and magnitude of the compressive stress the Si 3 N 4 film 9 has works from the Si 3 N 4 film 9 on the Si layer 5 in the pMOS region , the Si 3 N 4 film 13 tensile load corresponding to the direction and magnitude of a tensile stress is to work from the Si 3 N 4 film 13 to the Si layer 5 in the nMOS region. Thereby, compressive strain is generated in the Si layer 5 in the pMOS region, and tensile strain is generated in the Si layer 5 in the nMOS region. However, at the stage shown in FIGS. 4A and 4B, the Si layer 5 has a Cubic structure, and the lower side thereof is in contact with the SiGe layer 3 and its crystal structure is fixed. Strain and tensile strain are negligible.

次に、図5(a)及び(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、SiO2膜7、Si層5、SiGe層3及びSi−buffer層(図示せず)をそれぞれ部分的にエッチングする。これにより、素子分離領域(即ち、SOI構造を形成しない領域)と平面視で重なる領域に、Si基板1を底面とする支持体穴hを形成する。このエッチング工程では、Si基板1の表面でエッチングを止めるようにしてもよいし、Si基板1をオーバーエッチングして凹部を形成するようにしても良い。 Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, the SiO 2 film 7, the Si layer 5, the SiGe layer 3, and the Si-buffer layer (not shown) are partially formed by photolithography technique and etching technique, respectively. Etch. Thus, a support hole h having the Si substrate 1 as a bottom surface is formed in a region overlapping with the element isolation region (that is, a region where the SOI structure is not formed) in plan view. In this etching step, the etching may be stopped on the surface of the Si substrate 1, or the Si substrate 1 may be over-etched to form a recess.

次に、図6(a)及び(b)に示すように、支持体穴hを埋め込むようにしてSi基板1上にSiO2膜21を形成する。このSiO2膜21は例えばCVDで形成する。そして、図7(a)及び(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、SiO2膜21、7、Si層5、SiGe層3及びSi−buffer層(図示せず)をそれぞれ順次、部分的にエッチングする。これにより、SiO2膜21からなる支持体を形成すると共に、素子分離領域と平面視で重なる領域にSi基板1を底面とする溝Hを形成する。この溝Hを形成する工程では、Si基板1の表面でエッチングを止めるようにしても良いし、Si基板1をオーバーエッチングして凹部を形成するようにしても良い。 Next, as shown in FIGS. 6A and 6B, a SiO 2 film 21 is formed on the Si substrate 1 so as to fill the support hole h. This SiO 2 film 21 is formed by, for example, CVD. Then, as shown in FIGS. 7A and 7B, the SiO 2 films 21, 7, the Si layer 5, the SiGe layer 3, and the Si-buffer layer (not shown) are respectively formed by photolithography technique and etching technique. In sequence, partial etching is performed. As a result, a support made of the SiO 2 film 21 is formed, and a groove H having the bottom surface of the Si substrate 1 is formed in a region overlapping the element isolation region in plan view. In the step of forming the groove H, the etching may be stopped on the surface of the Si substrate 1, or the Si substrate 1 may be over-etched to form a recess.

次に、溝Hを介して例えばフッ硝酸溶液をSi層5及びSiGe層3のそれぞれの側面に接触させて、SiGe層3を選択的にエッチングして除去する。これにより、図8(a)及び(b)に示すように、Si層5とSi基板1との間に空洞部25を形成する。フッ硝酸溶液を用いたウェットエッチングでは、Siと比べてSiGeのエッチングレートが大きい(即ち、Siに対するエッチングの選択比が大きい)ので、Si層5を残しつつSiGe層だけをエッチングして除去することが可能である。空洞部25の形成後、Si層5は支持体21により支えられることとなる。また、図8(a)及び(b)に示す段階では、Si層5はその下側が他の膜と接触していない(つまり、支持されていない)ので、Si34膜9、13からSi膜5に働く荷重により、Si膜5の歪は増大する。つまり、pMOS領域のSiGe層3では圧縮歪が増大し、nMOSのSiGe層3では引っ張り歪が増大する。 Next, for example, a hydrofluoric acid solution is brought into contact with the respective side surfaces of the Si layer 5 and the SiGe layer 3 through the groove H, and the SiGe layer 3 is selectively etched and removed. Thereby, as shown in FIGS. 8A and 8B, a cavity 25 is formed between the Si layer 5 and the Si substrate 1. In wet etching using a hydrofluoric acid solution, the etching rate of SiGe is higher than that of Si (that is, the etching selectivity with respect to Si is large), so only the SiGe layer is etched and removed while leaving the Si layer 5. Is possible. After the formation of the cavity 25, the Si layer 5 is supported by the support 21. Further, at the stage shown in FIGS. 8A and 8B, since the lower side of the Si layer 5 is not in contact with another film (that is, not supported), the Si 3 N 4 films 9 and 13 Due to the load acting on the Si film 5, the strain of the Si film 5 increases. That is, the compressive strain increases in the SiGe layer 3 in the pMOS region, and the tensile strain increases in the SiGe layer 3 in the nMOS region.

なお、上記のSiGe層3をエッチングする工程では、フッ硝酸溶液の代わりに、フッ硝酸過水、アンモニア過水、或いはフッ酢酸過水などを用いても良い。過水とは過酸化水素水のことである。この場合も、Siと比べてSiGeのエッチングレートが大きいので、SiGe層3を選択的に除去することが可能である。
次に、図9(a)及び(b)に示すように、Si基板1上にSiO2膜27を形成して空洞部を完全に埋め込む。このSiO2膜27の形成は例えば熱酸化又はCVD、或いは、熱酸化とCVDとを組み合わせた成膜処理で行う。SiO2膜27をCVD、或いは、熱酸化とCVDとを組み合わせた成膜処理で形成する場合は、SiO2膜27を厚く形成することができ、空洞部と溝Hの両方を完全に埋め込むことができる。
Note that, in the step of etching the SiGe layer 3 described above, hydrofluoric acid overwater, ammonia overwater, or hydrofluoric acid overwater may be used instead of the hydrofluoric acid solution. Overwater is hydrogen peroxide water. Also in this case, since the etching rate of SiGe is higher than that of Si, the SiGe layer 3 can be selectively removed.
Next, as shown in FIGS. 9A and 9B, a SiO 2 film 27 is formed on the Si substrate 1 to completely fill the cavity. The SiO 2 film 27 is formed by, for example, thermal oxidation or CVD, or a film forming process that combines thermal oxidation and CVD. When the SiO 2 film 27 is formed by CVD or a film forming process combining thermal oxidation and CVD, the SiO 2 film 27 can be formed thick and both the cavity and the groove H are completely buried. Can do.

図8(a)及び(b)に示す空洞部25の形成工程、及び、図9(a)及び(b)に示す空洞部25の埋め込み工程では、Si34膜9、13からSi層5に応力が転与され(即ち、荷重がかかり)、pMOS領域のSi層5では圧縮歪が増大し、nMOS領域のSi層5では引っ張り歪が増大する。そして、この増大した歪は、Si層5下に形成された空洞部25をSiO2膜27で埋め込むことにより、保持することができる。即ち、空洞部25をSiO2膜27で埋め込むことにより、Si層5の下側はSiO2膜27と接触した状態となり、Si層5の歪はSiO2膜27により固定される。 In the step of forming the cavity 25 shown in FIGS. 8A and 8B and the process of embedding the cavity 25 shown in FIGS. 9A and 9B, the Si 3 N 4 films 9 and 13 are used to form the Si layer. Stress is transferred to 5 (ie, a load is applied), compressive strain increases in the Si layer 5 in the pMOS region, and tensile strain increases in the Si layer 5 in the nMOS region. This increased strain can be maintained by filling the cavity 25 formed under the Si layer 5 with the SiO 2 film 27. That is, by filling the cavity 25 with the SiO 2 film 27, the lower side of the Si layer 5 comes into contact with the SiO 2 film 27, and the strain of the Si layer 5 is fixed by the SiO 2 film 27.

次に、SiO2膜27及び支持体21を例えばCMP(Chemical Mechanical Polish)により平坦化しながら除去して、図10(a)及び(b)に示すように、Si34膜9、13の表面を露出させる。この平坦化工程では、Si34膜9、13がCMPの研磨パッドに対するストッパーとして機能する。続いて、Si34膜9、13を例えば熱リン酸でウェットエッチングして除去し、さらに、SiO2膜7を例えば希フッ酸溶液を用いたウェットエッチングで除去して、Si層5の表面を露出させる。これにより、図10(a)及び(b)に示すように、バルクのSi基板1上に、SiO2膜(即ち、BOX層)27と、Si層5(即ち、SOI層)とからなるSOI構造を有するSOI基板10が完成する。上述したように、pMOS領域のSi層5の圧縮歪と、nMOS領域のSi層5の引っ張り歪は、SiO2膜27により下側から固定されているので、Si34膜の除去後も上記の圧縮歪と引っ張り歪とをそれぞれ保持することができる。 Next, the SiO 2 film 27 and the support 21 are removed while being planarized by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polish), and the Si 3 N 4 films 9 and 13 are removed as shown in FIGS. Expose the surface. In this planarization step, the Si 3 N 4 films 9 and 13 function as stoppers for the CMP polishing pad. Subsequently, the Si 3 N 4 films 9 and 13 are removed by wet etching, for example, with hot phosphoric acid, and the SiO 2 film 7 is removed by wet etching, for example, using a dilute hydrofluoric acid solution. Expose the surface. As a result, as shown in FIGS. 10A and 10B, an SOI composed of a SiO 2 film (ie, BOX layer) 27 and a Si layer 5 (ie, SOI layer) on the bulk Si substrate 1. The SOI substrate 10 having the structure is completed. As described above, since the compressive strain of the Si layer 5 in the pMOS region and the tensile strain of the Si layer 5 in the nMOS region are fixed from the lower side by the SiO 2 film 27, even after the removal of the Si 3 N 4 film. The compressive strain and tensile strain described above can be maintained.

なお、図11(a)に示すように、pMOS領域のSi層5の周囲には、当該Si層5を平面視で囲むSiO2膜21、27が形成されており、これらSiO2膜21、27が素子分離層として機能することとなる。また、nMOS領域のSi層5の周囲にも、当該Si層5を平面視で囲むSiO2膜21、27が形成されており、これらSiO2膜21、27が素子分離層として機能することとなる。 Incidentally, as shown in FIG. 11 (a), the periphery of the Si layer 5 in the pMOS region, and the SiO 2 film 21, 27 surrounding the Si layer 5 in a plan view are formed, these SiO 2 films 21, 27 functions as an element isolation layer. In addition, SiO 2 films 21 and 27 surrounding the Si layer 5 in plan view are also formed around the Si layer 5 in the nMOS region, and the SiO 2 films 21 and 27 function as element isolation layers. Become.

次に、図12(a)及び(b)に示すSOI基板10に、pMOSトランジスタとnMOSトランジスタとを形成する。即ち、図13(a)及び(b)に示すように、Si層5の表面にゲート絶縁膜31を形成する。ゲート絶縁膜31は、例えば、熱酸化により形成されるシリコン酸化膜(SiO2)若しくはシリコン酸化窒化膜(SiON)、又は、High−k材料膜である。次に、このゲート絶縁膜31が形成されたSOI基板10上の全面にポリシリコン(poly−Si)膜を形成する。このポリシリコン膜の形成は、例えばCVD法により行う。ここでは、ポリシリコン膜に不純物をイオン注入、又は、in−Situ等で導入して、ポリシリコン膜に導電性を持たせる。 Next, a pMOS transistor and an nMOS transistor are formed on the SOI substrate 10 shown in FIGS. That is, as shown in FIGS. 13A and 13B, the gate insulating film 31 is formed on the surface of the Si layer 5. The gate insulating film 31 is, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ) or silicon oxynitride film (SiON) formed by thermal oxidation, or a High-k material film. Next, a polysilicon (poly-Si) film is formed on the entire surface of the SOI substrate 10 on which the gate insulating film 31 is formed. The polysilicon film is formed by, for example, a CVD method. Here, impurities are introduced into the polysilicon film by ion implantation or in-situ to make the polysilicon film conductive.

具体的には、nMOS領域全体をフォトレジストで覆った状態で、pMOS領域のポリシリコン膜にp型不純物をイオン注入し、次に、pMOS領域全体をフォトレジストで覆った状態で、nMOS領域のポリシリコン膜にn型不純物をイオン注入する。その後、SOI基板10全体に熱処理を施してp型不純物とn型不純物とを同時に拡散させる。これにより、pMOS領域のポリシリコン膜にp型の導電性を持たせると共に、nMOS領域のポリシリコン膜にn型の導電性を持たせることができる。
次に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術により、ポリシリコン膜を部分的にエッチングする。これにより、pMOS領域のゲート絶縁膜31上にゲート電極33を形成すると共に、nMOS領域のゲート絶縁膜31上にゲート電極33を形成する。
Specifically, p-type impurities are ion-implanted into the polysilicon film in the pMOS region while the entire nMOS region is covered with the photoresist, and then the nMOS region is covered in the state where the entire pMOS region is covered with the photoresist. N-type impurities are ion-implanted into the polysilicon film. Thereafter, the entire SOI substrate 10 is subjected to heat treatment to simultaneously diffuse p-type impurities and n-type impurities. As a result, the polysilicon film in the pMOS region can have p-type conductivity, and the polysilicon film in the nMOS region can have n-type conductivity.
Next, the polysilicon film is partially etched by a photolithography technique and an etching technique. Thereby, the gate electrode 33 is formed on the gate insulating film 31 in the pMOS region, and the gate electrode 33 is formed on the gate insulating film 31 in the nMOS region.

次に、これらゲート電極33、34をマスクにSi層5に不純物をイオン注入し、熱処理を施して、pMOS領域のSi層5にp型のソース又はドレイン(以下、S/D層という。)35を形成すると共に、nMOS領域のSi層5にn型のS/D層36を形成する。具体的には、nMOS領域全体をフォトレジストで覆った状態で、pMOS領域のSi層5にp型不純物をイオン注入し、次に、pMOS領域全体をフォトレジストで覆った状態で、nMOS領域のSi層5にn型不純物をイオン注入する。その後、SOI基板10全体に熱処理を施してp型不純物とn型不純物とを同時に拡散させる。これにより、pMOS領域のSi層5にp型のS/D層35を形成すると共に、nMOS領域のSi層5にn型のS/D層36を形成することができる。   Next, impurities are ion-implanted into the Si layer 5 using the gate electrodes 33 and 34 as a mask, heat treatment is performed, and a p-type source or drain (hereinafter referred to as an S / D layer) is applied to the Si layer 5 in the pMOS region. 35, and an n-type S / D layer 36 is formed on the Si layer 5 in the nMOS region. Specifically, p-type impurities are ion-implanted into the Si layer 5 in the pMOS region while the entire nMOS region is covered with the photoresist, and then the nMOS region is covered in the state where the entire pMOS region is covered with the photoresist. An n-type impurity is ion-implanted into the Si layer 5. Thereafter, the entire SOI substrate 10 is subjected to heat treatment to simultaneously diffuse p-type impurities and n-type impurities. Thereby, the p-type S / D layer 35 can be formed on the Si layer 5 in the pMOS region, and the n-type S / D layer 36 can be formed on the Si layer 5 in the nMOS region.

次に、SOI基板10上に層間絶縁膜(図示せず)を形成し、この層間絶縁膜を部分的にエッチングして、ゲート電極33、34を底面とする第1のコンタクトホール(図示せず)と、S/D層35、36を底面とする第2のコンタクトホール(図示せず)とを形成する。そして、コンタクトホールの内部にAl配線又はプラグ電極等を形成する。このようにして、pMOSトランジスタ60とnMOSトランジスタ70とを完成させる。   Next, an interlayer insulating film (not shown) is formed on the SOI substrate 10, and this interlayer insulating film is partially etched to form a first contact hole (not shown) having the gate electrodes 33 and 34 as bottom surfaces. ) And a second contact hole (not shown) having the S / D layers 35 and 36 as bottom surfaces. Then, an Al wiring or a plug electrode is formed inside the contact hole. In this way, the pMOS transistor 60 and the nMOS transistor 70 are completed.

なお、図12(a)及び(b)では、いわゆるLDD層(Lightly Doped Drain)を図示していないが、本実施の形態ではLDD層を形成しても良い。その場合は、S/D層35を形成する前に、ゲート電極33をマスクにSi層5にp型不純物をイオン注入することで、pMOS領域のSi層5にp型のLDD層を形成することができる。同様に、S/D層36を形成する前に、ゲート電極34をマスクにSi層5にn型不純物をイオン注入することで、nMOS領域のSi層5にn型のLDD層を形成することができる。そして、LDD層の形成後、ゲート電極33、34の側壁に絶縁膜からなるサイドウォール(図示せず)を形成し、このサイドウォール及びゲート電極33、34をマスクに、p型不純物及びn型不純物をそれぞれ選択的にイオン注入する。これにより、LDD層に隣接してS/D層35、36を形成することができる。   In FIGS. 12A and 12B, a so-called LDD layer (Lightly Doped Drain) is not shown, but an LDD layer may be formed in this embodiment mode. In that case, before forming the S / D layer 35, a p-type LDD layer is formed in the Si layer 5 in the pMOS region by ion-implanting p-type impurities into the Si layer 5 using the gate electrode 33 as a mask. be able to. Similarly, before forming the S / D layer 36, an n-type LDD layer is formed in the Si layer 5 in the nMOS region by ion-implanting n-type impurities into the Si layer 5 using the gate electrode 34 as a mask. Can do. Then, after forming the LDD layer, sidewalls (not shown) made of an insulating film are formed on the side walls of the gate electrodes 33 and 34, and p-type impurities and n-type are formed using the sidewalls and the gate electrodes 33 and 34 as masks. Each impurity is selectively ion-implanted. Thereby, the S / D layers 35 and 36 can be formed adjacent to the LDD layer.

〔応力と移動度との関係〕
次に、表面絶縁膜(例えば、Si34膜9、13)が有する応力と、MOSトランジスタの移動度との関係について説明する。
図18は、表面絶縁膜が有する応力[MPa]と、MOSトランジスタの移動度向上の比率[%]との関係を模式的に示す図である。平面方向の二軸引っ張り応力において電子の移動度が向上し、平面方向ニ軸圧縮応力によりホールの移動度が向上していることを模式的に示している。図18の横軸は表面絶縁膜が有する応力を示す。横軸において、(+)に近いほど圧縮応力が大きい状態であり、(−)に近いほど引っ張り応力が大きい状態である。また、図18の縦軸は、移動度向上の比率を示す。縦軸において、(+)に近いほど移動度が高く、(−)に近いほど移動度が低い状態である。なお、図18の縦軸では、SOI層の結晶格子に歪が生じていないときの移動度を基準値(即ち、0%)としている。
[Relationship between stress and mobility]
Next, the relationship between the stress of the surface insulating film (for example, the Si 3 N 4 films 9 and 13) and the mobility of the MOS transistor will be described.
FIG. 18 is a diagram schematically showing the relationship between the stress [MPa] possessed by the surface insulating film and the ratio [%] of the mobility improvement of the MOS transistor. It is schematically shown that the mobility of electrons is improved in the biaxial tensile stress in the plane direction and the mobility of holes is improved by the biaxial compressive stress in the plane direction. The horizontal axis of FIG. 18 shows the stress that the surface insulating film has. On the horizontal axis, the closer to (+), the greater the compressive stress, and the closer to (−), the greater the tensile stress. Also, the vertical axis in FIG. 18 indicates the rate of mobility improvement. On the vertical axis, the closer to (+), the higher the mobility, and the closer to (−), the lower the mobility. Note that, on the vertical axis in FIG. 18, the mobility when the strain is not generated in the crystal lattice of the SOI layer is a reference value (that is, 0%).

図18に示すように、pMOSトランジスタでは、表面絶縁膜が有する圧縮応力が増大するほど移動度が向上する。これは、表面絶縁膜が有する圧縮応力が、圧縮荷重としてSOI層(例えば、Si層5)に働き、この圧縮荷重を受けてSOI層に圧縮歪が生じるからである。SOI層に圧縮歪が生じると、格子間距離が縮小しホールが移動し易くなる。このため、pMOSトランジスタの移動度が向上する。   As shown in FIG. 18, in the pMOS transistor, the mobility improves as the compressive stress of the surface insulating film increases. This is because the compressive stress of the surface insulating film acts on the SOI layer (for example, the Si layer 5) as a compressive load, and compressive strain is generated in the SOI layer in response to the compressive load. When compressive strain is generated in the SOI layer, the interstitial distance is reduced and holes are easily moved. For this reason, the mobility of the pMOS transistor is improved.

一方、nMOSトランジスタでは、表面絶縁膜が有する引っ張り応力が増大するほど移動度が向上する。これは、表面絶縁膜が有する引っ張り応力が、引っ張り荷重としてSOI層(例えば、Si層5)に働き、この引っ張り荷重を受けてSOI層(例えば、Si層5)に圧縮歪が生じるからである。SOI層に引っ張り歪が生じると、格子間距離が拡大し、電子が移動し易くなる。このため、nMOSトランジスタの移動度が向上する。
従って、本発明では、pMOSトランジスタ60の設計段階で、予め実験又はシミュレーション等を行ってSi34膜9とpMOSトランジスタ60の移動度との関係を調べておき、所望の移動度に対応した圧縮応力を求めておくことが望ましい。同様に、本発明では、nMOSトランジスタ70の設計段階で、予め実験又はシミュレーション等を行ってSi34膜13とpMOSトランジスタ70の移動度との関係を調べておき、所望の移動度に対応した引っ張り応力を求めておくことが望ましい
On the other hand, in an nMOS transistor, the mobility increases as the tensile stress of the surface insulating film increases. This is because the tensile stress of the surface insulating film acts on the SOI layer (for example, the Si layer 5) as a tensile load, and compressive strain is generated in the SOI layer (for example, the Si layer 5) by receiving this tensile load. . When tensile strain occurs in the SOI layer, the interstitial distance increases and electrons move easily. For this reason, the mobility of the nMOS transistor is improved.
Therefore, in the present invention, at the design stage of the pMOS transistor 60, the relationship between the Si 3 N 4 film 9 and the mobility of the pMOS transistor 60 is investigated by conducting experiments or simulations in advance, and the desired mobility is supported. It is desirable to obtain the compressive stress. Similarly, in the present invention, at the design stage of the nMOS transistor 70, the relationship between the Si 3 N 4 film 13 and the mobility of the pMOS transistor 70 is investigated by conducting experiments or simulations in advance, and the desired mobility is supported. It is desirable to determine the tensile stress

さらに、表面絶縁膜の応力特性は、その成膜条件等によって変動する。例えば、Si34膜9、13をCVDで形成する場合は、成膜する際のプラズマの有無、使用するガス種、ガスの混合比、チャンバ内の圧力等によって、Si34膜9、13の応力特性は引っ張り方向又は圧縮方向に変動する。また、この変動の傾向は、使用する成膜装置のタイプによっても異なる。従って、例えばSi34膜9、13について、成膜装置のタイプごとに予め実験又はシミュレーション等を行って、目標とする応力特性(即ち、所望の移動度に対応した応力特性)が得られるような最適な成膜条件を見出しておくことが望ましい。これにより、pMOSトランジスタ60とnMOSトランジスタ70の両方の移動度をそれぞれ向上させた半導体装置を再現性高く製造することができる。 Further, the stress characteristics of the surface insulating film vary depending on the film forming conditions. For example, to form a Si 3 N 4 film 9 and 13 by the CVD, the presence of plasma at the time of film formation, gas species to be used, the mixing ratio of the gas, the pressure in the chamber such as, the Si 3 N 4 film 9 , 13 varies in the tensile or compressive direction. In addition, the tendency of this variation varies depending on the type of film forming apparatus used. Therefore, for example, with respect to the Si 3 N 4 films 9 and 13, experiments or simulations are performed in advance for each type of film forming apparatus to obtain target stress characteristics (that is, stress characteristics corresponding to desired mobility). It is desirable to find such optimum film forming conditions. Thereby, a semiconductor device in which the mobility of both the pMOS transistor 60 and the nMOS transistor 70 is improved can be manufactured with high reproducibility.

以上説明したように、本発明の第1実施形態によれば、キャリアの移動度が高い歪SOI構造をSi基板1上の必要な場所(例えば、pMOS領域及びnMOS領域)にのみ形成することができる。Si基板1上の全面に歪SOI構造を有する高価なSOIウエーハを用いる必要がなくなるので、半導体装置の製造コストを安価に抑えることができる。
また、歪SOI構造を形成する際に、例えばSiGe層を厚く形成したり、高温の酸化プロセスを行ったりする必要がなく、歪SOI層は、ウエーハ全面ではなく、ウエーハ全体に島状に形成するため、Si層5における結晶欠陥の発生を抑制することができる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the strained SOI structure with high carrier mobility can be formed only in necessary places (for example, the pMOS region and the nMOS region) on the Si substrate 1. it can. Since it is not necessary to use an expensive SOI wafer having a strained SOI structure on the entire surface of the Si substrate 1, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.
Further, when forming the strained SOI structure, for example, it is not necessary to form a thick SiGe layer or perform a high-temperature oxidation process, and the strained SOI layer is formed in an island shape not on the entire wafer surface but on the entire wafer. Therefore, generation of crystal defects in the Si layer 5 can be suppressed.

この第1実施形態では、Si基板1が本発明の「半導体基板」に対応し、SiGe層3が本発明の「第1半導体層」に対応し、Si層5が本発明の「第2半導体層」に対応している。また、Si34膜9が本発明の「第1表面絶縁膜」に対応し、Si34膜13が本発明の「第2表面絶縁膜」に対応している。さらに、支持体穴hが本発明の「第1溝」に対応し、溝Hが本発明の「第2溝」に対応している。また、SiO2膜27が本発明の「絶縁膜」又は「第1絶縁膜」に対応し、SiO2膜21とSiO2膜27との組み合わせが本発明の「第2絶縁膜」に対応している。 In the first embodiment, the Si substrate 1 corresponds to the “semiconductor substrate” of the present invention, the SiGe layer 3 corresponds to the “first semiconductor layer” of the present invention, and the Si layer 5 corresponds to the “second semiconductor of the present invention. It corresponds to “layer”. The Si 3 N 4 film 9 corresponds to the “first surface insulating film” of the present invention, and the Si 3 N 4 film 13 corresponds to the “second surface insulating film” of the present invention. Further, the support hole h corresponds to the “first groove” of the present invention, and the groove H corresponds to the “second groove” of the present invention. The SiO 2 film 27 corresponds to the “insulating film” or “first insulating film” of the present invention, and the combination of the SiO 2 film 21 and the SiO 2 film 27 corresponds to the “second insulating film” of the present invention. ing.

(2)第2実施形態
上述の第1実施形態では、Si基板1上にSiO2膜27を介してSi層5を配置する場合について説明した。しかしながら、本発明のSOI構造に限られることはない。例えば、Si基板1上に、SiO2膜51と、ポリシリコン膜53と、SiO2膜51と、Si層5とを順次配置したSOI構造であっても良い。このような構造であれば、ポリシリコン膜53をバックゲート電極に用いることができる。
(2) Second Embodiment In the first embodiment described above, the case where the Si layer 5 is disposed on the Si substrate 1 via the SiO 2 film 27 has been described. However, the present invention is not limited to the SOI structure. For example, an SOI structure in which the SiO 2 film 51, the polysilicon film 53, the SiO 2 film 51, and the Si layer 5 are sequentially arranged on the Si substrate 1 may be used. With such a structure, the polysilicon film 53 can be used for the back gate electrode.

図13〜図17は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図であり、図13(a)〜図17(a)は平面図、図13(b)〜図17(b)は図13(a)〜図17(a)をX13−x´13〜X17−X´17線でそれぞれ切断したときの断面図である。
図13(a)及び(b)において、Si層5とSi基板1との間に空洞部25を形成する工程までは、第1実施形態と同じである。この第2実施形態では、空洞部25の形成後、Si基板1を熱酸化して空洞部25の内部に面するSi基板1の上面及びSi層5の下面にそれぞれSiO2膜51を形成する。続いて、図14(a)及び(b)に示すように、例えば、Si基板1上にポリシリコン膜53を形成して空洞部を完全に埋め込むと共に、ポリシリコン膜53にp型不純物又はn型不純物を導入する。ポリシリコン膜53の形成は例えばCVDで行い、ポリシリコン膜53へのp型不純物又はn型不純物の導入は例えばin−Situで行う。
13 to 17 are views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, in which FIGS. 13 (a) to 17 (a) are plan views, and FIGS. 13 (b) to 17 are shown. (B) is sectional drawing when Fig.13 (a)-FIG.17 (a) are each cut | disconnected by X13-x'13-X17-X'17 line | wire.
13A and 13B, the process up to the step of forming the cavity 25 between the Si layer 5 and the Si substrate 1 is the same as that in the first embodiment. In the second embodiment, after forming the cavity 25, the Si substrate 1 is thermally oxidized to form SiO 2 films 51 on the upper surface of the Si substrate 1 facing the inside of the cavity 25 and the lower surface of the Si layer 5. . Subsequently, as shown in FIGS. 14A and 14B, for example, a polysilicon film 53 is formed on the Si substrate 1 to completely fill the cavity, and the p-type impurity or n is added to the polysilicon film 53. Type impurities are introduced. The polysilicon film 53 is formed by, for example, CVD, and p-type impurities or n-type impurities are introduced into the polysilicon film 53 by, for example, in-situ.

上記の空洞部25の形成工程、及び、空洞部25の埋め込み工程では、Si34膜9、13からSi層5に応力が転与され(即ち、荷重がかかり)、pMOS領域のSi層5では圧縮歪が増大し、nMOS領域のSi層5では引っ張り歪が増大する。そして、この増大した歪は、Si層5下に形成された空洞部25をポリシリコン膜53で埋め込むことにより、保持することができる。即ち、空洞部25をポリシリコン膜53で埋め込むことにより、Si層5の下側はSiO2膜51を介してポリシリコン膜53と接触した状態となり、Si層5の歪はポリシリコン膜53により固定される。
なお、本発明では、ポリシリコン膜の代わりに、例えば金属膜を用いて空洞部25を埋め込んでも良い。これにより、空洞部25内にポリシリコン膜53又は金属膜からなるバックゲート電極を形成することができる。
In the step of forming the cavity portion 25 and the step of filling the cavity portion 25, stress is transferred from the Si 3 N 4 films 9 and 13 to the Si layer 5 (ie, a load is applied), and the Si layer in the pMOS region. 5, the compressive strain increases, and the tensile strain increases in the Si layer 5 in the nMOS region. The increased strain can be maintained by filling the cavity 25 formed under the Si layer 5 with the polysilicon film 53. That is, by filling the cavity 25 with the polysilicon film 53, the lower side of the Si layer 5 comes into contact with the polysilicon film 53 via the SiO 2 film 51, and the strain of the Si layer 5 is caused by the polysilicon film 53. Fixed.
In the present invention, the cavity 25 may be embedded using, for example, a metal film instead of the polysilicon film. Thereby, a back gate electrode made of the polysilicon film 53 or the metal film can be formed in the cavity 25.

次に、ポリシリコン膜53に対して例えば異方性のエッチングを行い、空洞部以外のSi基板1上からポリシリコン膜53を取り除く。そして、Si基板1上にSiO2膜55(図15(a)参照)を形成して溝Hを完全に埋め込む。次に、Si基板1上のSiO2膜55、21を例えばCMPにより平坦化しながら除去して、Si34膜9、13の表面を露出させる。この平坦化工程では、Si34膜9、13がCMPの研磨パッドに対するストッパーとして機能する。続いて、Si34膜9、13を例えば熱リン酸でウェットエッチングして除去し、さらに、SiO2膜7を例えば希フッ酸溶液を用いたウェットエッチングで除去して、図15(a)及び(b)に示すように、Si層5の表面を露出させる。これにより、バルクのSi基板1上に、Si基板1上に、SiO2膜51と、ポリシリコン膜53と、SiO2膜(即ち、BOX層)51と、Si層(即ち、SOI層)5とからなるSOI構造を有するSOI基板10´が完成する。 Next, for example, anisotropic etching is performed on the polysilicon film 53 to remove the polysilicon film 53 from the Si substrate 1 other than the cavity. Then, a SiO 2 film 55 (see FIG. 15A) is formed on the Si substrate 1 to completely fill the groove H. Next, the SiO 2 films 55 and 21 on the Si substrate 1 are removed while being flattened by CMP, for example, and the surfaces of the Si 3 N 4 films 9 and 13 are exposed. In this planarization step, the Si 3 N 4 films 9 and 13 function as stoppers for the CMP polishing pad. Subsequently, the Si 3 N 4 films 9 and 13 are removed by wet etching, for example, with hot phosphoric acid, and the SiO 2 film 7 is removed by wet etching, for example, using a dilute hydrofluoric acid solution. ) And (b), the surface of the Si layer 5 is exposed. As a result, the SiO 2 film 51, the polysilicon film 53, the SiO 2 film (that is, the BOX layer) 51, and the Si layer (that is, the SOI layer) 5 are formed on the bulk Si substrate 1, the Si substrate 1. An SOI substrate 10 'having an SOI structure consisting of

上述したように、pMOS領域のSi層5の圧縮歪と、nMOS領域のSi層5の引っ張り歪は、ポリシリコン膜53により下側から固定されているので、Si34膜9、13の除去後も上記の圧縮歪と引っ張り歪とをそれぞれ保持することができる。
なお、図15(a)に示すように、pMOS領域のSi層5の周囲には、当該Si層5を平面視で囲むSiO2膜21、55が形成されており、これらのSiO2膜21、55が素子分離層として機能することとなる。また、nMOS領域のSi層5の周囲にも、当該Si層5を平面視で囲むSiO2膜21、55が形成されており、これらのSiO2膜21、55が素子分離層として機能することとなる。
As described above, since the compressive strain of the Si layer 5 in the pMOS region and the tensile strain of the Si layer 5 in the nMOS region are fixed from the lower side by the polysilicon film 53, the Si 3 N 4 films 9 and 13 Even after the removal, the compression strain and the tensile strain can be maintained.
Incidentally, as shown in FIG. 15 (a), the periphery of the Si layer 5 in the pMOS region, and the SiO 2 film 21,55 surrounding the Si layer 5 in a plan view are formed, these SiO 2 films 21 , 55 function as element isolation layers. In addition, SiO 2 films 21 and 55 surrounding the Si layer 5 in plan view are also formed around the Si layer 5 in the nMOS region, and these SiO 2 films 21 and 55 function as element isolation layers. It becomes.

次に、図15(a)及び(b)に示すSOI基板10´にpMOSトランジスタとnMOSトランジスタとを形成する。即ち、図16(a)及び(b)に示すように、Si層5の表面にゲート絶縁膜31を形成する。次に、このゲート絶縁膜31が形成されたSOI基板10´上の全面にポリシリコン膜を形成する。第1実施形態と同様、例えばフォトリソグラフィーを用いた選択的イオン注入により、pMOS領域のポリシリコン膜にはp型不純物を導入し、nMOS領域のポリシリコン膜にはn型不純物を導入する。   Next, a pMOS transistor and an nMOS transistor are formed on the SOI substrate 10 'shown in FIGS. That is, as shown in FIGS. 16A and 16B, the gate insulating film 31 is formed on the surface of the Si layer 5. Next, a polysilicon film is formed on the entire surface of the SOI substrate 10 ′ on which the gate insulating film 31 is formed. As in the first embodiment, p-type impurities are introduced into the polysilicon film in the pMOS region and n-type impurities are introduced into the polysilicon film in the nMOS region, for example, by selective ion implantation using photolithography.

次に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術により、ポリシリコン膜を部分的にエッチングして、pMOS領域のゲート絶縁膜31上にゲート電極33を形成すると共に、nMOS領域のゲート絶縁膜31上にゲート電極34を形成する。その後、第1実施形態と同様、例えばゲート電極33、34をマスクにSi層5に不純物をイオン注入し、熱処理を施して、pMOS領域のSi層5にp型のS/D層35を形成すると共に、nMOS領域のSi層5にn型のS/D層36を形成する。なお、図16(a)及び(b)ではLDD層を図示していないが、第1実施形態と同様、pMOS領域とnMOS領域とにそれぞれLDD層を形成しても良い。LDDの形成方法は例えば第1実施形態と同じである。   Next, the polysilicon film is partially etched by a photolithography technique and an etching technique to form a gate electrode 33 on the gate insulating film 31 in the pMOS region and a gate electrode on the gate insulating film 31 in the nMOS region. 34 is formed. Thereafter, as in the first embodiment, for example, impurities are ion-implanted into the Si layer 5 using the gate electrodes 33 and 34 as a mask, and a heat treatment is performed to form a p-type S / D layer 35 in the Si layer 5 in the pMOS region. At the same time, an n-type S / D layer 36 is formed on the Si layer 5 in the nMOS region. Although the LDD layer is not shown in FIGS. 16A and 16B, LDD layers may be formed in the pMOS region and the nMOS region, respectively, as in the first embodiment. The LDD formation method is the same as that of the first embodiment, for example.

次に、図16(a)及び(b)に示すように、フォトリソグラフィー及びエッチング技術により、S/D層35、36のうちの少なくとも一方を部分的にエッチングして、ポリシリコン膜53を底面の一部とする開口部h1を形成する。次に、図17(a)及び(b)に示すように、この開口部を埋め込むようにSOI基板10´上に層間絶縁膜61を形成する。層間絶縁膜61は例えばSiO2膜である。そして、層間絶縁膜61の表面を例えばCMPにより平坦化する。次に、層間絶縁膜61を部分的にエッチングして、ゲート電極33、34を底面とする第1のコンタクトホール(図示せず)と、S/D層35、36を底面とする第2のコンタクトホール(図示せず)と、ポリシリコン膜53を底面とする第3のコンタクトホールH1とを形成する。その後、コンタクトホールH1等の内部にAl配線又はプラグ電極等を形成する。これにより、ポリシリコン膜53を層間絶縁膜61上に引き出すことができ、Al配線又はプラグ電極を介して、ポリシリコン膜53の電位を所望の値に設定することができる。 Next, as shown in FIGS. 16A and 16B, at least one of the S / D layers 35 and 36 is partially etched by photolithography and etching techniques to form the polysilicon film 53 on the bottom surface. An opening h1 is formed as a part. Next, as shown in FIGS. 17A and 17B, an interlayer insulating film 61 is formed on the SOI substrate 10 ′ so as to fill the opening. The interlayer insulating film 61 is, for example, a SiO 2 film. Then, the surface of the interlayer insulating film 61 is planarized by, for example, CMP. Next, the interlayer insulating film 61 is partially etched to form a first contact hole (not shown) having the gate electrodes 33 and 34 as bottom surfaces, and a second contact having the S / D layers 35 and 36 as bottom surfaces. A contact hole (not shown) and a third contact hole H1 having the polysilicon film 53 as a bottom surface are formed. Thereafter, an Al wiring or a plug electrode or the like is formed inside the contact hole H1 or the like. As a result, the polysilicon film 53 can be drawn on the interlayer insulating film 61, and the potential of the polysilicon film 53 can be set to a desired value via the Al wiring or the plug electrode.

このように、本発明の第2実施形態によれば、第1実施形態と同様、キャリアの移動度が高い歪SOI構造をSi基板1上の必要な場所にのみ形成することができ、高価なSOIウエーハを用いる必要がないので、半導体装置の製造コストを安価に抑えることができる。
また、歪SOI構造を形成する際に、例えばSiGe層を厚く形成したり、高温の酸化プロセスを行ったりする必要がないので、Si層5における結晶欠陥の発生を抑制することができる。さらに、ポリシリコン膜53を例えばバックゲート電極として使用することができ、その場合は、バックゲートバイアスによりMOSトランジスタ60、70の閾値電圧を制御することができる。
この第2実施形態では、SiO2膜51が本発明の「絶縁膜」又は「第1絶縁膜」に対応し、SiO2膜21とSiO2膜55との組み合わせが本発明の「第2絶縁膜」に対応している。また、ポリシリコン膜53が本発明の「導電膜」に対応している。その他の対応関係は第1実施形態と同じである。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, similarly to the first embodiment, a strained SOI structure having a high carrier mobility can be formed only at a necessary place on the Si substrate 1 and is expensive. Since it is not necessary to use an SOI wafer, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.
Further, when forming the strained SOI structure, for example, it is not necessary to form a thick SiGe layer or perform a high-temperature oxidation process, so that the generation of crystal defects in the Si layer 5 can be suppressed. Further, the polysilicon film 53 can be used as, for example, a back gate electrode. In this case, the threshold voltages of the MOS transistors 60 and 70 can be controlled by the back gate bias.
In the second embodiment, the SiO 2 film 51 corresponds to the “insulating film” or “first insulating film” of the present invention, and the combination of the SiO 2 film 21 and the SiO 2 film 55 is the “second insulating film” of the present invention. Corresponds to "membrane". The polysilicon film 53 corresponds to the “conductive film” of the present invention. Other correspondences are the same as those in the first embodiment.

(3)その他
なお、上記の第1、第2実施形態では、空洞部25の形成工程及び空洞部25の埋め込み工程で、Si層5に歪を生じさせたり、歪を増大させたりする場合について説明した。しかしながら、表面絶縁膜(例えば、Si34膜9、13)の応力特性はプロセスの熱履歴によって変動する場合がある。
図19は、Si34膜の応力特性の変動の一例を示す図である。図19の横軸は半導体装置の製造工程を示す。また、図19の縦軸はSi34膜が有する応力特性を示す。縦軸において、(+)に近いほど圧縮応力が大きい状態であり、(−)に近いほど引っ張り応力が大きい状態である。
(3) Others In the first and second embodiments described above, the Si layer 5 is distorted or increased in the cavity 25 forming process and the cavity 25 filling process. explained. However, the stress characteristics of the surface insulating films (for example, Si 3 N 4 films 9 and 13) may vary depending on the thermal history of the process.
FIG. 19 is a diagram illustrating an example of fluctuations in stress characteristics of the Si 3 N 4 film. The horizontal axis of FIG. 19 shows the manufacturing process of the semiconductor device. Further, the vertical axis of FIG. 19 shows the stress characteristics of the Si 3 N 4 film. On the vertical axis, the closer to (+), the greater the compressive stress, and the closer to (−), the greater the tensile stress.

図19に示すように、Si34膜を例えば450℃で成膜した場合、成膜直後の応力が圧縮応力であったとしても、その後1000℃の熱処理を行うことによって、圧縮応力が増大したり、圧縮応力から引っ張り応力に変化したりする場合がある。また、成膜直後の応力がゼロ(0)であったとしても、1000℃の熱処理を行うことによって圧縮応力が生じたり、引っ張り応力が生じたりする場合もある。このような応力特性の変動は、Si34膜に例示される表面絶縁膜の種類や、膜質によってその傾向が異なる。従って、本発明においては、半導体装置の設計又は試作の段階で実験又はシミュレーション等を行い、各々の表面絶縁膜について熱履歴と応力特性との関係を予め把握しておくことが好ましい。 As shown in FIG. 19, when the Si 3 N 4 film is formed at 450 ° C., for example, even if the stress immediately after the film formation is a compressive stress, the compressive stress is increased by performing a heat treatment at 1000 ° C. Or change from compressive stress to tensile stress. Further, even if the stress immediately after film formation is zero (0), a heat treatment at 1000 ° C. may cause a compressive stress or a tensile stress. Such tendency of the stress characteristic varies depending on the type of surface insulating film exemplified by the Si 3 N 4 film and the film quality. Therefore, in the present invention, it is preferable to conduct experiments or simulations at the stage of designing or prototyping a semiconductor device and to grasp in advance the relationship between the thermal history and stress characteristics for each surface insulating film.

また、上記の第1、第2実施形態では、上記の熱履歴による応力特性の変動を利用して、応力特性の合わせ込みを行うようにしても良い。即ち、表面絶縁膜の応力特性をその成膜工程ではなく、それ以降の熱を伴う工程(但し、空洞部の埋め込み工程の前)で合わせ込むようにしても良い。例えば、上記の第1、第2実施形態において、空洞部25の形成工程と空洞部25の埋め込み工程との間に熱処理工程を設け、この熱処理工程において、Si34膜9、13の応力特性をそれぞれ目標とする応力特性に合わせ込むようにしても良い。このような方法であれば、Si34膜について成膜条件の自由度を高めることができ、応力特性の制御性を高めることもできる。 In the first and second embodiments described above, the stress characteristics may be adjusted by using the fluctuation of the stress characteristics due to the thermal history. That is, the stress characteristics of the surface insulating film may be adjusted not in the film forming process but in a process with subsequent heat (but before the cavity filling process). For example, in the first and second embodiments described above, a heat treatment step is provided between the step of forming the cavity portion 25 and the step of filling the cavity portion 25, and in this heat treatment step, the stress of the Si 3 N 4 films 9 and 13 is provided. The characteristics may be adjusted to the target stress characteristics. With such a method, the degree of freedom of film forming conditions for the Si 3 N 4 film can be increased, and the controllability of the stress characteristics can be improved.

また、上記の第1、第2実施形態では、Si層5上に圧縮応力又は引っ張り応力を有する表面絶縁膜を形成する場合について説明した。しかしながら、本発明ではこれに加えて、空洞部25内に圧縮応力又は引っ張り応力を有するSiO2膜27(又は、SiO2膜51及びポリシリコン膜53)を形成しても良い。例えば、pMOS領域の空洞部25内に圧縮応力を有するSiO2膜27を形成し、nMOS領域の空洞部25内に引っ張り応力を有するSiO2膜27を形成する。このような方法を用いた場合は、第2半導体層に対して上側及び下側の両方からそれぞれ応力を転与する(即ち、荷重をかける)ことができるので、各々の領域に移動度の高い歪SOI構造を実現することができ、高性能なCMOS半導体装置を提供することができる。 In the first and second embodiments, the case where the surface insulating film having compressive stress or tensile stress is formed on the Si layer 5 has been described. However, in the present invention, in addition to this, the SiO 2 film 27 (or the SiO 2 film 51 and the polysilicon film 53) having compressive stress or tensile stress may be formed in the cavity 25. For example, to form an SiO 2 film 27 having a compressive stress in the cavity 25 of the pMOS region, a SiO 2 film 27 having a tensile stress in the cavity 25 in the nMOS region. When such a method is used, stress can be transferred (that is, a load is applied) to the second semiconductor layer from both the upper side and the lower side, so that each region has high mobility. A strained SOI structure can be realized, and a high-performance CMOS semiconductor device can be provided.

第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その1)。FIG. 3 is a view showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment (No. 1). 第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その2)。FIG. 6 is a diagram (No. 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その3)。3A and 3B are diagrams illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment (No. 3). 第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その4)。4A and 4B are diagrams illustrating the method for fabricating a semiconductor device according to the first embodiment (No. 4). 第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その5)。FIG. 5 is a view showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment (No. 5). 第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その6)。6A and 6B are diagrams illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment (No. 6). 第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その7)。FIG. 7 is a view showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment (No. 7). 第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その8)。FIG. 8 is a view showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment (No. 8). 第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その9)。FIG. 9 is a view showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment (No. 9). 第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その10)。FIG. 10 is a view showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment (No. 10). 第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その11)。FIG. 11 is a view (No. 11) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その12)。FIG. 12 is a view (No. 12) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment; 第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その1)。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment (the 1). 第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その2)。FIG. 6 is a view (No. 2) showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その3)。FIG. 9 is a diagram (No. 3) for illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その4)。FIG. 8 is a diagram (part 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図(その5)。FIG. 6 is a diagram (No. 5) for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment; 応力と移動度との関係を模式的に示す図。The figure which shows typically the relationship between stress and mobility. Si34膜の応力特性の変動の一例を示す図。It illustrates an example of a variation of the stress characteristics of the Si 3 N 4 film. 応力と荷重との関係を模式的に示す図。The figure which shows typically the relationship between stress and a load.

符号の説明Explanation of symbols

1 Si基板、3 SiGe層、5 Si層、7、13、27、51、55 SiO2膜、9 (圧縮応力を有する)Si34膜、10、10´ SOI基板、13 (引っ張り応力を有する)Si34膜、21 SiO2膜(支持体)、31 ゲート絶縁膜、33、34 ゲート電極、35 p型のS/D層、36 n型のS/D層、53 ポリシリコン膜、60 pMOSトランジスタ、61 層間絶縁膜、70 nMOSトランジスタ、h 支持体穴、h1 開口部、H 溝、H1 コンタクトホール 1 Si substrate, 3 SiGe layer, 5 Si layer, 7, 13, 27, 51, 55 SiO 2 film, 9 (with compressive stress) Si 3 N 4 film, 10, 10 ′ SOI substrate, 13 (with tensile stress Si 3 N 4 film, 21 SiO 2 film (support), 31 gate insulating film, 33, 34 gate electrode, 35 p-type S / D layer, 36 n-type S / D layer, 53 polysilicon film , 60 pMOS transistor, 61 interlayer insulating film, 70 nMOS transistor, h support hole, h1 opening, H groove, H1 contact hole

Claims (7)

半導体基板上に第1半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層上に第2半導体層を形成する工程と、
前記第2半導体層上に、前記第2半導体層に歪を生じさせるための表面絶縁膜を形成する工程と、
前記表面絶縁膜と、前記第2半導体層及び前記第1半導体層をエッチングして、前記表面絶縁膜と、前記第2半導体層及び前記第1半導体層を貫く第1溝を形成する工程と、
前記第1溝内に支持体を形成する工程と、
前記表面絶縁膜と前記第2半導体層とをエッチングして、前記第1半導体層を露出させる第2溝を形成する工程と、
前記第2溝を介して前記第1半導体層をエッチングすることにより、前記第2半導体層と前記半導体基板との間に空洞部を形成する工程と、
前記表面絶縁膜が有する力を前記第2半導体層に作用させる工程と、
前記空洞部に絶縁膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first semiconductor layer on a semiconductor substrate;
Forming a second semiconductor layer on the first semiconductor layer;
Forming a surface insulating film on the second semiconductor layer for causing strain in the second semiconductor layer;
Etching the surface insulating film, the second semiconductor layer and the first semiconductor layer to form a first groove penetrating the surface insulating film, the second semiconductor layer and the first semiconductor layer;
Forming a support in the first groove;
Etching the surface insulating film and the second semiconductor layer to form a second groove exposing the first semiconductor layer;
Etching the first semiconductor layer through the second groove to form a cavity between the second semiconductor layer and the semiconductor substrate;
Applying the force of the surface insulating film to the second semiconductor layer;
Forming an insulating film in the cavity. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
半導体基板上に第1半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層上に第2半導体層を形成する工程と、
前記第2半導体層上に、前記第2半導体層に歪を生じさせるための表面絶縁膜を形成する工程と、
前記表面絶縁膜と、前記第2半導体層及び前記第1半導体層をエッチングして、前記表面絶縁膜と、前記第2半導体層及び前記第1半導体層を貫く第1溝を形成する工程と、
前記第1溝内に支持体を形成する工程と、
前記表面絶縁膜と前記第2半導体層とをエッチングして、前記第1半導体層を露出させる第2溝を形成する工程と、
前記第2溝を介して前記第1半導体層をエッチングすることにより、前記第2半導体層と前記半導体基板との間に空洞部を形成する工程と、
前記表面絶縁膜が有する力を前記第2半導体層に作用させる工程と、
前記空洞部を残しつつ、当該空洞部の内部に面する前記半導体基板の上面と前記第2半導体層の下面とに絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜が形成された前記空洞部に導電膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first semiconductor layer on a semiconductor substrate;
Forming a second semiconductor layer on the first semiconductor layer;
Forming a surface insulating film on the second semiconductor layer for causing strain in the second semiconductor layer;
Etching the surface insulating film, the second semiconductor layer and the first semiconductor layer to form a first groove penetrating the surface insulating film, the second semiconductor layer and the first semiconductor layer;
Forming a support in the first groove;
Etching the surface insulating film and the second semiconductor layer to form a second groove exposing the first semiconductor layer;
Etching the first semiconductor layer through the second groove to form a cavity between the second semiconductor layer and the semiconductor substrate;
Applying the force of the surface insulating film to the second semiconductor layer;
Forming an insulating film on the upper surface of the semiconductor substrate facing the inside of the cavity and the lower surface of the second semiconductor layer while leaving the cavity,
And a step of forming a conductive film in the cavity where the insulating film is formed.
前記空洞部を形成する工程と、前記表面絶縁膜が有する力を前記第2半導体層に作用させる工程とを並行して行うことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the step of forming the hollow portion and the step of applying the force of the surface insulating film to the second semiconductor layer are performed in parallel. Production method. 前記空洞部を形成する工程の後に、
前記表面絶縁膜に熱処理を施して当該表面絶縁膜が有する力を変化させ、変化後の力を前記第2半導体層に作用させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
After the step of forming the cavity,
3. The method according to claim 1, further comprising a step of applying a heat treatment to the surface insulating film to change a force of the surface insulating film and causing the changed force to act on the second semiconductor layer. The manufacturing method of the semiconductor device of description.
前記半導体基板上にpMOSトランジスタが形成される領域とnMOSトランジスタが形成される領域とを有し、
前記表面絶縁膜を形成する工程は、
前記pMOSトランジスタが形成される領域の前記第2半導体層上に圧縮応力を有する第1表面絶縁膜を形成する工程と、
前記nMOSトランジスタが形成される領域の前記第2半導体層上に引っ張り応力を有する第2表面絶縁膜を形成する工程と、を有することを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
A region where a pMOS transistor is formed on the semiconductor substrate and a region where an nMOS transistor is formed;
The step of forming the surface insulating film includes
Forming a first surface insulating film having compressive stress on the second semiconductor layer in a region where the pMOS transistor is formed;
And forming a second surface insulating film having a tensile stress on the second semiconductor layer in a region where the nMOS transistor is to be formed. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 1-3.
前記第2半導体層上から前記表面絶縁膜を除去する工程と、
前記表面絶縁膜が除去された前記表面絶縁膜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、
前記ゲート電極両側の前記第2半導体層に不純物を導入してソース又はドレインを形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
Removing the surface insulating film from on the second semiconductor layer;
Forming a gate electrode through the gate insulating film on the surface insulating film from which the surface insulating film has been removed;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of introducing an impurity into the second semiconductor layer on both sides of the gate electrode to form a source or a drain. Manufacturing method.
半導体基板と、前記半導体基板上に第1絶縁膜を介して形成された半導体層と、
pMOSトランジスタが形成される領域の前記半導体層と、nMOSトランジスタが形成される領域の前記半導体層とをそれぞれ平面視で囲むように前記半導体基板上に設けられた第2絶縁膜と、を有し、
前記pMOSトランジスタが形成される領域の前記半導体層は圧縮歪を有し、
前記nMOSトランジスタが形成される領域の前記半導体層は引っ張り歪を有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate, a semiconductor layer formed on the semiconductor substrate via a first insulating film,
a second insulating film provided on the semiconductor substrate so as to surround the semiconductor layer in the region where the pMOS transistor is formed and the semiconductor layer in the region where the nMOS transistor is formed in a plan view, respectively. ,
The semiconductor layer in the region where the pMOS transistor is formed has a compressive strain;
The semiconductor device, wherein the semiconductor layer in a region where the nMOS transistor is formed has tensile strain.
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