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JP2011029503A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2011029503A
JP2011029503A JP2009175553A JP2009175553A JP2011029503A JP 2011029503 A JP2011029503 A JP 2011029503A JP 2009175553 A JP2009175553 A JP 2009175553A JP 2009175553 A JP2009175553 A JP 2009175553A JP 2011029503 A JP2011029503 A JP 2011029503A
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JP
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semiconductor
semiconductor substrate
layer
insulating film
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Application number
JP2009175553A
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Inventor
Takeshi Kajiyama
健 梶山
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve reliability of a gate-all-around transistor by leveling currents respectively flowing to a plurality of channels of the gate-all-around transistor. <P>SOLUTION: A semiconductor device includes a semiconductor substrate, a source-drain region where a plurality of layered structures each having a second semiconductor layer formed on a first semiconductor layer over the semiconductor substrate at a constant interval are stacked, a plurality of channel regions formed in a wire shape so as to connect identical layers of second semiconductor layers, and a gate electrode 103 formed via a gate insulating film 110 so as to cover the plurality of channel regions, wherein the channel width of a channel region decreases with the distance from the semiconductor substrate and the film thickness of a channel region of a second semiconductor layer increases with the distance from the semiconductor substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、GAA構造の半導体装置に係わり、特に、同一面積上に複数のチャネル領域を形成した半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a GAA structure, and more particularly to a semiconductor device in which a plurality of channel regions are formed on the same area.

近年、半導体集積回路の高機能化、高集積化に伴い、MOSトランジスタの微細化が進んでいる。しかしながら、従来のMOSトランジスタでは、オン・オフ比が小さい。そのため、所望のオン電流を得るためには、ゲート電極の幅を所定の値以上にする、又は、同一平面上に複数のゲート電極を形成する必要がある。これらの方法では、電界効果トランジスタの占有面積が増大し、回路密度の向上に問題がある。   In recent years, the miniaturization of MOS transistors has progressed with the increase in functionality and integration of semiconductor integrated circuits. However, the conventional MOS transistor has a small on / off ratio. Therefore, in order to obtain a desired on-state current, it is necessary to set the width of the gate electrode to a predetermined value or more, or to form a plurality of gate electrodes on the same plane. In these methods, the area occupied by the field effect transistor increases, and there is a problem in improving the circuit density.

そこで、所望のオン電流を得るための構造として、例えば、ゲート・オール・アラウンド(Gate All Around:以下、GAAと略記する)トランジスタが考えられている(例えば、特許文献1参照)。   Therefore, as a structure for obtaining a desired on-current, for example, a gate all around (hereinafter abbreviated as GAA) transistor is considered (for example, see Patent Document 1).

GAAトランジスタは、ゲート電極がチャネル領域を包み込むように形成されている。そのため、ゲート電極に電圧が印加された際、チャネル領域に電界が集中しやすく、スイッチング電流のオン・オフ比が大きく設定できる。また、同一面積上に多数のチャネル領域を形成することが可能であり、オン電流を大きくすることも可能である。   The GAA transistor is formed so that the gate electrode wraps around the channel region. Therefore, when a voltage is applied to the gate electrode, the electric field tends to concentrate on the channel region, and the on / off ratio of the switching current can be set large. In addition, a large number of channel regions can be formed over the same area, and the on-state current can be increased.

GAAトランジスタに多数のチャネル領域を形成する際、上層と下層のチャネル領域に加工変換差が生じるため、チャネル領域のチャネル幅がばらついてしまう。そのため、GAAトランジスタをオン状態にした際のチャネルの抵抗値がそれぞれ異なる。従って、チャネルそれぞれに電流が均一に流れず、抵抗値の低いチャネルに電流が集中してしまう。その結果、全てのチャネルに電流が等しく流れた際に想定されるオン電流を得ることが出来ないという問題がある。   When a large number of channel regions are formed in the GAA transistor, a processing conversion difference occurs between the upper layer and the lower layer channel regions, so that the channel width of the channel region varies. Therefore, the resistance values of the channels when the GAA transistor is turned on are different. Therefore, the current does not flow uniformly in each channel, and the current concentrates on the channel having a low resistance value. As a result, there is a problem that it is impossible to obtain an on-current that is assumed when currents flow equally in all channels.

特開2005−229107号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-229107

本発明の目的は、ゲート・オール・アラウンドトランジスタの複数のチャネルそれぞれに流れる電流を均一にし、ゲート・オール・アラウンドトランジスタの信頼性を向上させ得る半導体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of making currents flowing through a plurality of channels of a gate all-around transistor uniform and improving the reliability of the gate all-around transistor.

本発明の例に係わる半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に一定の間隔をおいて形成された第1の半導体層上に第2の半導体層を形成した積層構造が複数積み重なったソース・ドレイン領域と、前記第2の半導体層の同一レイヤ間をそれぞれ接続するようにワイア状に形成された複数のチャネル領域と、前記複数のチャネル領域をそれぞれ包み込むように形成されたゲート絶縁膜と、前記複数のチャネル領域をそれぞれ包み込むように前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを具備し、前記チャネル領域のチャネル幅は、前記半導体基板から離れるほど狭く形成され、前記第2の半導体層及びチャネル領域の膜厚は、前記半導体基板から離れるほど広く形成される。   A semiconductor device according to an example of the present invention includes a semiconductor substrate and a source in which a plurality of stacked structures in which a second semiconductor layer is formed on a first semiconductor layer formed at a predetermined interval on the semiconductor substrate are stacked. A drain region, a plurality of channel regions formed in a wire shape so as to connect the same layers of the second semiconductor layers, and a gate insulating film formed so as to enclose each of the plurality of channel regions; A gate electrode formed through the gate insulating film so as to enclose each of the plurality of channel regions, and the channel width of the channel region is formed so as to be farther from the semiconductor substrate, The film thickness of the semiconductor layer and the channel region is formed wider as the distance from the semiconductor substrate increases.

本発明の例に係わる半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に一定の間隔をおいて形成された第1の半導体層上にシリコンで構成された第2の半導体層を形成した積層構造が複数積み重なったソース・ドレイン領域と、前記第2の半導体層の同一レイヤ間それぞれを接続するようにワイア状に形成された複数のチャネル領域と、前記複数のチャネル領域をそれぞれ包み込むように形成されたゲート絶縁膜と、前記複数のチャネル領域をそれぞれ包み込むように前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを具備し、前記第2の半導体層の膜厚は、前記半導体基板から離れるほど厚く形成され、前記複数のチャネル領域それぞれは、チャネル長方向と垂直な方向の断面が円形に形成される。   A semiconductor device according to an example of the present invention has a stacked structure in which a semiconductor substrate and a second semiconductor layer made of silicon are formed on a first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate at a predetermined interval. A plurality of stacked source / drain regions, a plurality of channel regions formed in a wire shape so as to connect the same layers of the second semiconductor layer, and a plurality of channel regions, respectively. A gate electrode formed through the gate insulating film so as to enclose each of the plurality of channel regions, and the film thickness of the second semiconductor layer increases as the distance from the semiconductor substrate increases. Each of the plurality of channel regions is formed to have a circular cross section in a direction perpendicular to the channel length direction.

本発明によれば、ゲート・オール・アラウンドトランジスタの複数のチャネルそれぞれに流れる電流が均一化され、ゲート・オール・アラウンドトランジスタの信頼性が向上する。   According to the present invention, the current flowing through each of the plurality of channels of the gate all-around transistor is made uniform, and the reliability of the gate all-around transistor is improved.

第1の実施形態に係わるGAAトランジスタを模式的に示す平面図。The top view which shows typically the GAA transistor concerning 1st Embodiment. 第1の実施形態に係わる図1のII−II線に沿ったGAAトランジスタの断面図。Sectional drawing of the GAA transistor which followed the II-II line | wire of FIG. 1 concerning 1st Embodiment. 第1の実施形態に係わる図1のIII−III線に沿ったGAAトランジスタの断面図。Sectional drawing of the GAA transistor which followed the III-III line | wire of FIG. 1 concerning 1st Embodiment. 第2の実施形態に係わるGAAトランジスタのナノワイアチャネルを模式的に示した図。The figure which showed typically the nanowire channel of the GAA transistor concerning 2nd Embodiment. 第2の実施形態におけるGAAトランジスタのナノワイアチャネルを従来例と比較して示した平面図。The top view which showed the nanowire channel of the GAA transistor in 2nd Embodiment compared with the prior art example. 第2の実施形態に係わるGAAトランジスタのチャネル長方向と垂直な方向に沿った断面図。Sectional drawing along the direction perpendicular | vertical to the channel length direction of the GAA transistor concerning 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係わるGAAトランジスタの製造工程を示す鳥瞰図。The bird's-eye view which shows the manufacturing process of the GAA transistor concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わるGAAトランジスタの製造工程を示す鳥瞰図。The bird's-eye view which shows the manufacturing process of the GAA transistor concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わるGAAトランジスタの製造工程を示す鳥瞰図。The bird's-eye view which shows the manufacturing process of the GAA transistor concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わるGAAトランジスタの製造工程を示す鳥瞰図。The bird's-eye view which shows the manufacturing process of the GAA transistor concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わるGAAトランジスタの製造工程を示す鳥瞰図。The bird's-eye view which shows the manufacturing process of the GAA transistor concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わるGAAトランジスタの製造工程を示す鳥瞰図。The bird's-eye view which shows the manufacturing process of the GAA transistor concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わるGAAトランジスタの製造工程を示す鳥瞰図。The bird's-eye view which shows the manufacturing process of the GAA transistor concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わるGAAトランジスタの製造工程を示す図13のA−A線に沿った断面図。Sectional drawing along the AA of FIG. 13 which shows the manufacturing process of the GAA transistor concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わるGAAトランジスタの製造工程を示す図13のA−A線に沿った断面図。Sectional drawing along the AA of FIG. 13 which shows the manufacturing process of the GAA transistor concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わるGAAトランジスタの製造工程を示す図13のA−A線に沿った断面図。Sectional drawing along the AA of FIG. 13 which shows the manufacturing process of the GAA transistor concerning 3rd Embodiment.

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

1. 概要
本発明の例において、GAAトランジスタの複数のナノワイアチャネルは、上層のナノワイアチャネルと下層のナノワイアチャネルの外周の長さの違いを考慮して膜厚が形成される。つまり、下層に形成されるナノワイアチャネルの膜厚を薄く形成し、上層に形成されるナノワイアチャネルの膜厚を厚く形成する。
1. Overview
In the example of the present invention, the thickness of the plurality of nanowire channels of the GAA transistor is formed in consideration of the difference in the length of the outer periphery of the upper nanowire channel and the lower nanowire channel. That is, the nanowire channel formed in the lower layer is formed thin, and the nanowire channel formed in the upper layer is formed thick.

ナノワイアチャネルの膜厚をそれぞれ変えて形成することにより、ナノワイアチャネルそれぞれで外周の長さが等しくなる。そのため、GAAトランジスタをオン状態にした際のナノワイアチャネルの抵抗値のばらつきを抑えることが出来る。従って、GAAトランジスタの動作時において、ナノワイアチャネルそれぞれに電流が均一に流れる。その結果、所定のオン電流を得ることが可能となる。更に、ナノワイアチャネルそれぞれに電流が均一に流れるため、チャネル領域の劣化の速度が均一となり、GAAトランジスタの信頼性が向上する。   By forming the nanowire channel with different film thicknesses, the outer circumferences of the nanowire channels have the same length. Therefore, variation in the resistance value of the nanowire channel when the GAA transistor is turned on can be suppressed. Therefore, during the operation of the GAA transistor, a current flows uniformly through each nanowire channel. As a result, a predetermined on-current can be obtained. Furthermore, since the current flows uniformly through each nanowire channel, the channel region is uniformly deteriorated and the reliability of the GAA transistor is improved.

2. 実施形態
(1) 第1の実施形態
図1は、GAAトランジスタを模式的に示す平面図である。
2. Embodiment
(1) First Embodiment FIG. 1 is a plan view schematically showing a GAA transistor.

素子分離領域101に取り囲まれた領域に一つのGAAトランジスタ102が形成されている。GAAトランジスタ102のソース・ドレイン領域104は、一定の間隔を有して2つ形成されている。更に、ソース・ドレイン領域104に挟まれてゲート電極103が形成されている。また、ソース・ドレイン領域104それぞれには、配線層とコンタクトを取るためのコンタクト部105が形成される。   One GAA transistor 102 is formed in a region surrounded by the element isolation region 101. Two source / drain regions 104 of the GAA transistor 102 are formed at regular intervals. Further, a gate electrode 103 is formed between the source / drain regions 104. Further, in each of the source / drain regions 104, a contact portion 105 for making contact with the wiring layer is formed.

GAAトランジスタのゲート電極103は、ナノワイアチャネルを包み込むように形成される。そのため、図1で示している点線領域daには、周囲をゲート電極103で覆われたナノワイアチャネルが形成される。   The gate electrode 103 of the GAA transistor is formed so as to enclose the nanowire channel. Therefore, a nanowire channel whose periphery is covered with the gate electrode 103 is formed in the dotted line region da shown in FIG.

図2は、GAAトランジスタにおける図1のII−II線に沿った断面図を示している。   FIG. 2 is a cross-sectional view of the GAA transistor taken along line II-II in FIG.

図2において、P型半導体基板106上には、SiGe(シリコンゲルマニウム)層107a,107b,107c及びSi(シリコン)層108a,108b,108cが交互に形成された積層構造を有する。また、この積層構造は、GAAトランジスタのソース・ドレイン領域104として機能する。ここで、SiGe層及びSi層の積層構造のみではなく、Si層、SiGe層、SiC層及びSiGeC層のいずれか2つを組み合わせた積層構造であってもよい。 In FIG. 2, on a P + type semiconductor substrate 106, there is a laminated structure in which SiGe (silicon germanium) layers 107a, 107b and 107c and Si (silicon) layers 108a, 108b and 108c are alternately formed. Further, this stacked structure functions as the source / drain region 104 of the GAA transistor. Here, not only the stacked structure of the SiGe layer and the Si layer, but also a stacked structure in which any two of the Si layer, the SiGe layer, the SiC layer, and the SiGeC layer are combined.

この積層構造は、一定の間隔を有して2つ形成されている。積層構造内の2つのSi層108aに挟まれた領域には、Si(シリコン)で構成されたワイア状のナノワイアチャネル109aが形成される。更に、積層構造内の2つのSi層108bに挟まれた領域、及び、2つのSi層108cに挟まれた領域にも、Siで構成されたワイア状のナノワイアチャネル109b及び109cがそれぞれ形成される。   Two such laminated structures are formed at regular intervals. A wire-shaped nanowire channel 109a made of Si (silicon) is formed in a region sandwiched between two Si layers 108a in the stacked structure. Furthermore, wire-like nanowire channels 109b and 109c made of Si are also formed in the region sandwiched between the two Si layers 108b and the region sandwiched between the two Si layers 108c, respectively. The

このように、GAAトランジスタは、同一面積上に複数のチャネル領域を有する構造となる。   Thus, the GAA transistor has a structure having a plurality of channel regions on the same area.

また、SiGe層107及びSi層108が相対する側壁を覆い、ナノワイアチャネル109それぞれを包み込むようにゲート絶縁膜110が形成される。   Further, the gate insulating film 110 is formed so as to cover the opposite side walls of the SiGe layer 107 and the Si layer 108 and enclose each of the nanowire channels 109.

更に、ナノワイアチャネル109を包み込むようにゲート絶縁膜110を介してゲート電極103が形成される。   Further, the gate electrode 103 is formed through the gate insulating film 110 so as to enclose the nanowire channel 109.

また、Si層108cの上部には、コンタクトプラグ111が形成される。   Further, a contact plug 111 is formed on the Si layer 108c.

最も上部に形成されたゲート電極103の上部には、絶縁膜112が形成され、その側面には、絶縁膜113が形成される。更に、絶縁膜112及び絶縁膜113を覆うように絶縁膜114が形成される。   An insulating film 112 is formed on the uppermost gate electrode 103, and an insulating film 113 is formed on the side surface. Further, an insulating film 114 is formed so as to cover the insulating film 112 and the insulating film 113.

図3は、図1のIII−III線に沿った断面図を示している。   FIG. 3 shows a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.

図3に示したように、例えば、上層に形成されたナノワイアチャネル109cは、チャネル幅が狭くなり、下層に形成されたナノワイアチャネル109aは、チャネル幅が広くなる。また、ナノワイアチャネル109それぞれの上面の表面積は、下面の表面積よりも小さくなる。   As shown in FIG. 3, for example, the nanowire channel 109c formed in the upper layer has a narrow channel width, and the nanowire channel 109a formed in the lower layer has a wide channel width. Further, the surface area of the upper surface of each nanowire channel 109 is smaller than the surface area of the lower surface.

これは、シリコン基板上に多層のSi層を形成し、このSi層からGAAトランジスタのナノワイアチャネル109を形成する。この際、ナノワイアチャネルとなる領域を残すようエッチングすることによってSi層に開口部が形成される。しかしながら、この開口部は、上層と下層との加工変換差に起因して、順テーパー形状となってしまう。   This forms a multi-layered Si layer on a silicon substrate and forms a nanowire channel 109 of a GAA transistor from this Si layer. At this time, an opening is formed in the Si layer by etching so as to leave a region to be a nanowire channel. However, this opening has a forward taper shape due to a difference in processing conversion between the upper layer and the lower layer.

従って、従来のように全てのSi層の膜厚を同じにした場合、GAAトランジスタのナノワイアチャネル109は、上層のナノワイアチャネル109cのチャネル幅が下層のナノワイアチャネル109aより狭くなってしまう。そのため、上層のナノワイアチャネル109cの外周の長さは、下層のナノワイアチャネル109aの外周の長さと比較して短くなる。   Therefore, when all the Si layers have the same film thickness as in the prior art, the channel width of the upper nanowire channel 109c of the nanowire channel 109 of the GAA transistor is narrower than that of the lower nanowire channel 109a. Therefore, the outer circumference of the upper nanowire channel 109c is shorter than the outer circumference of the lower nanowire channel 109a.

そこで、第1の実施形態において、ナノワイアチャネル109それぞれの外周の長さの違いを考慮して膜厚を形成する。つまり、下層に形成されるナノワイアチャネル109の膜厚を薄く形成し、上層に形成されるナノワイアチャネル109の膜厚を厚く形成する。   Therefore, in the first embodiment, the film thickness is formed in consideration of the difference in the outer peripheral length of each nanowire channel 109. That is, the nanowire channel 109 formed in the lower layer is formed thin, and the nanowire channel 109 formed in the upper layer is formed thick.

このように形成することで、全てのナノワイアチャネル109の外周の長さ等しくすることが可能となる。そのため、GAAトランジスタのゲート電極103に所定の電圧を印加してオン状態にした際、ナノワイアチャネル抵抗値のばらつきが低減できる。従って、GAAトランジスタの動作時、ナノワイアチャネル109それぞれに均一な電流が流れ、所定のオン電流を得ることができる。   By forming in this way, it becomes possible to make the length of the outer periphery of all the nanowire channels 109 equal. Therefore, when a predetermined voltage is applied to the gate electrode 103 of the GAA transistor to turn it on, variations in the nanowire channel resistance value can be reduced. Therefore, during the operation of the GAA transistor, a uniform current flows through each nanowire channel 109, and a predetermined on-current can be obtained.

更に、ナノワイアチャネル109それぞれに均一な電流が流れるため、ナノワイアチャネル109の劣化の速度も等しくなる。そのため、GAAトランジスタの信頼性が向上する。   Furthermore, since a uniform current flows through each nanowire channel 109, the degradation rate of the nanowire channel 109 becomes equal. Therefore, the reliability of the GAA transistor is improved.

(2) 第2の実施形態
図4は、GAAトランジスタのナノワイアチャネルを模式的に示しており、図5(a)は、従来のGAAトランジスタのナノワイアチャネルのみを模式的に示した平面図である。
(2) Second Embodiment FIG. 4 schematically shows a nanowire channel of a GAA transistor, and FIG. 5A is a plan view schematically showing only the nanowire channel of a conventional GAA transistor. It is.

GAAトランジスタのナノワイアチャネル109を形成する際、RIE法を用いてSi層がエッチングされる。しかしながら、このRIE法によってエッチングされた面は、図4で示すように凹凸が生じてしまう。更に、図4及び図5(a)で示すように、RIE法によって形成されたナノワイアチャネル109は、うねっている。この凹凸及びうねりに起因してナノワイアチャネル109内のキャリアが散乱されてしまい、GAAトランジスタをオン状態にした際、ナノワイアチャネル109に流れる電流値が低下してしまう。その結果、GAAトランジスタをオン状態にした際、それぞれのナノワイアチャネル109の抵抗値は、凹凸の形状及びうねりの形状によってばらつくという問題がある。   When forming the nanowire channel 109 of the GAA transistor, the Si layer is etched using the RIE method. However, the surface etched by this RIE method has irregularities as shown in FIG. Furthermore, as shown in FIGS. 4 and 5A, the nanowire channel 109 formed by the RIE method is wavy. Carriers in the nanowire channel 109 are scattered due to the unevenness and undulation, and when the GAA transistor is turned on, the value of the current flowing through the nanowire channel 109 decreases. As a result, when the GAA transistor is turned on, there is a problem that the resistance value of each nanowire channel 109 varies depending on the shape of the unevenness and the shape of the undulation.

更に、ナノワイアチャネル109のチャネル長方向と垂直な方向における断面が四角形となっている場合、その角部に電界が集中し易い。そのため、角部近傍の絶縁膜に高い電圧が印加されてしまい、絶縁膜を破壊してしまう可能性が高まる。その結果、GAAトランジスタの信頼性が低下してしまうという問題がある。   Furthermore, when the cross section in the direction perpendicular to the channel length direction of the nanowire channel 109 is a square, the electric field tends to concentrate on the corners. Therefore, a high voltage is applied to the insulating film in the vicinity of the corners, and the possibility of destroying the insulating film is increased. As a result, there is a problem that the reliability of the GAA transistor is lowered.

図6は、第2の実施形態における図1のIII−III線に沿った断面図を示している。また、図5(b)は、第2の実施形態におけるGAAトランジスタのナノワイアチャネルのみを模式的に示した平面図である。   FIG. 6 shows a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 1 in the second embodiment. FIG. 5B is a plan view schematically showing only the nanowire channel of the GAA transistor in the second embodiment.

第2の実施形態では、上記の問題を解決するため、まず、第1の実施形態と同様に、全てのナノワイアチャネル109それぞれの外周の長さを等しく形成する。   In the second embodiment, in order to solve the above problem, first, the lengths of the outer peripheries of all the nanowire channels 109 are formed to be equal to each other as in the first embodiment.

その後、例えば、800度程度のHを含む雰囲気下でアニールを行い、ナノワイアチャネル109の表面のマイグレーションを行う。このプロセスによりナノワイアチャネル109それぞれのチャネル長方向と垂直な方向の断面は、四角形から円形に変形する。 After that, for example, annealing is performed in an atmosphere containing H 2 of about 800 degrees, and the surface of the nanowire channel 109 is migrated. By this process, the cross section of each nanowire channel 109 in the direction perpendicular to the channel length direction is deformed from a square to a circle.

ナノワイアチャネル109それぞれのチャネル長方向と垂直な方向の断面を円形に形成し直すことによりRIE法によって形成された凹凸をなくすことが出来る。更に、図5(b)で示すように、ナノワイアチャネル109それぞれは、円形に形成される際、直線状に形成するよう制御することが出来る。そのため、GAAトランジスタのゲート電極103に所定の電圧を印加してオン状態にした際、ナノワイアチャネル抵抗値のばらつきが低減できる。   By re-forming the cross section of each nanowire channel 109 in the direction perpendicular to the channel length direction, irregularities formed by the RIE method can be eliminated. Furthermore, as shown in FIG. 5B, each nanowire channel 109 can be controlled to be formed in a straight line when formed in a circular shape. For this reason, when a predetermined voltage is applied to the gate electrode 103 of the GAA transistor to turn it on, variations in the nanowire channel resistance value can be reduced.

更に、第2の実施形態において、第1の実施形態と同様にナノワイアチャネル109それぞれの外周の長さは、等しくなるよう形成される。そのため、GAAトランジスタをオン状態にした際、ナノワイアチャネル抵抗値のばらつきが更に低減できる。その結果、GAAトランジスタの動作時、ナノワイアチャネル109それぞれに均一な電流が流れ、所定のオン電流を得ることができる。   Furthermore, in the second embodiment, the lengths of the outer peripheries of the nanowire channels 109 are formed to be equal to each other as in the first embodiment. For this reason, when the GAA transistor is turned on, variations in the nanowire channel resistance value can be further reduced. As a result, during the operation of the GAA transistor, a uniform current flows through each nanowire channel 109, and a predetermined on-current can be obtained.

また、ナノワイアチャネル109それぞれは、均一に電流が流れるため、ナノワイアチャネル109それぞれの劣化の速度も等しくなる。更に、図6で示すようにナノワイアチャネル109それぞれのチャネル長方向と垂直な方向における断面は、円形になる。そのため、ナノワイアチャネル109に角部が形成されなくなり、電界の集中する場所が無くなりため、ゲート絶縁膜の破壊が抑制される。その結果、GAAトランジスタの信頼性が向上する。   In addition, since current flows uniformly through each nanowire channel 109, the degradation rate of each nanowire channel 109 is also equal. Furthermore, as shown in FIG. 6, the cross section of each nanowire channel 109 in the direction perpendicular to the channel length direction is circular. For this reason, corner portions are not formed in the nanowire channel 109, and there is no place where the electric field concentrates, so that the breakdown of the gate insulating film is suppressed. As a result, the reliability of the GAA transistor is improved.

(3) 第3の実施形態
第3の実施形態において、図7〜図16を参照しながら、本発明の第2の実施形態におけるGAAトランジスタの製造方法の一例について説明する。
(3) Third Embodiment In the third embodiment, an example of a method for manufacturing a GAA transistor according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

先ず、図7に示すように、半導体基板にP型の不純物をイオン注入し、P型半導体基板106を形成する。これは、半導体基板に寄生チャネルを形成するのを防止するためである。次に、ナノワイアチャネル及びソース・ドレインとなるSiGe(シリコンゲルマニウム)層201a及びSi(シリコン)層202aの積層構造をエピタキシャル成長により形成する。更に、SiGe層201b,Si層202b,SiGe層201c及びSi層202cを順次エピタキシャル成長により形成する。 First, as shown in FIG. 7, P-type impurities are ion-implanted into the semiconductor substrate to form a P + -type semiconductor substrate 106. This is to prevent the formation of a parasitic channel in the semiconductor substrate. Next, a stacked structure of a SiGe (silicon germanium) layer 201a and a Si (silicon) layer 202a to be a nanowire channel and source / drain is formed by epitaxial growth. Further, the SiGe layer 201b, the Si layer 202b, the SiGe layer 201c, and the Si layer 202c are sequentially formed by epitaxial growth.

ここで、本実施形態の製造方法において、SiGe層及びSi層からなる積層構造が3層の場合について説明しているが、2層の積層構造を形成しても、3層より多層の積層構造を形成してもよい。   Here, in the manufacturing method of the present embodiment, the case where the laminated structure composed of the SiGe layer and the Si layer is three layers has been described. However, even if a two-layer laminated structure is formed, a multilayered structure having more than three layers is formed. May be formed.

次に、図8に示すように、最上部に形成されたSi層202c上にナノワイアチャネルのエッチングマスクとして用いるマスク材203をプラズマCVD法により形成する。このマスク材203は、例えば、シリコン酸化膜203b及びシリコン窒化膜203aの積層膜である。   Next, as shown in FIG. 8, a mask material 203 used as an etching mask for the nanowire channel is formed on the Si layer 202c formed on the top by a plasma CVD method. The mask material 203 is, for example, a laminated film of a silicon oxide film 203b and a silicon nitride film 203a.

次に、図示はしないが、GAAトランジスタが形成される領域にシリコン酸化膜203b及びシリコン窒化膜203aが残存するようパターニングを行い、RIE法によりSTI(Shallow Trench Isolation)溝を形成する。その後、プラズマCVD法によりSTI溝内に素子分離絶縁膜を埋め込む。この素子分離絶縁膜は、例えば、シリコン酸化膜である。更に、CMP法によりSTI溝に埋め込まれた素子分離絶縁膜の平坦化を行い、STI構造の素子分離絶縁膜を形成する。   Next, although not shown, patterning is performed so that the silicon oxide film 203b and the silicon nitride film 203a remain in the region where the GAA transistor is to be formed, and an STI (Shallow Trench Isolation) groove is formed by RIE. Thereafter, an element isolation insulating film is embedded in the STI trench by plasma CVD. This element isolation insulating film is, for example, a silicon oxide film. Further, the element isolation insulating film embedded in the STI trench is planarized by CMP to form an element isolation insulating film having an STI structure.

その後、シリコン窒化膜203aをリソグラフィー工程及びRIE法により所望のナノワイアパターンに形成する。   Thereafter, the silicon nitride film 203a is formed into a desired nanowire pattern by a lithography process and an RIE method.

次に、図9に示すように、ダマシンゲート溝をエッチングするために用いるマスク材204をプラズマCVD法により堆積する。このマスク材204は、例えば、シリコン酸化膜204b及びシリコン窒化膜204aの積層膜である。   Next, as shown in FIG. 9, a mask material 204 used for etching the damascene gate groove is deposited by plasma CVD. The mask material 204 is, for example, a laminated film of a silicon oxide film 204b and a silicon nitride film 204a.

次に、図10に示すように、リソグラフィー工程及びRIE法により、シリコン窒化膜204aを選択的にエッチングした後、シリコン酸化膜203b及びシリコン酸化膜204b選択的にエッチングすることでゲート電極を形成するためのゲートダマシン溝を形成する。   Next, as shown in FIG. 10, after the silicon nitride film 204a is selectively etched by a lithography process and RIE, a gate electrode is formed by selectively etching the silicon oxide film 203b and the silicon oxide film 204b. Forming a gate damascene trench.

この時、ナノワイアチャネルを形成する領域の上部に形成したシリコン酸化膜203b及びシリコン窒化膜203aは選択的に残す。   At this time, the silicon oxide film 203b and the silicon nitride film 203a formed over the region where the nanowire channel is to be formed are selectively left.

次に、図11に示すように、ナノワイアチャネルを形成するため、シリコン酸化膜203b及びシリコン酸化膜204bをマスクに用いてSiGe層201b,201c及びSi層202a,202b,202cがワイア状になるよう順次エッチングを行う。   Next, as shown in FIG. 11, in order to form a nanowire channel, the SiGe layers 201b and 201c and the Si layers 202a, 202b, and 202c are formed in a wire shape using the silicon oxide film 203b and the silicon oxide film 204b as a mask. Etching is performed sequentially.

この時、Si層202aをエッチングする際、オーバーエッチングを行うことにより、ナノワイアチャネルが形成されるSi層202上のシリコン窒化膜203a,シリコン酸化膜203bを選択的に除去すると共に、シリコン酸化膜204bを除去する。   At this time, when the Si layer 202a is etched, over-etching is performed to selectively remove the silicon nitride film 203a and the silicon oxide film 203b on the Si layer 202 where the nanowire channel is to be formed. 204b is removed.

Si層202a,202b,202cを順次エッチングする際、上層のSi層202cと下層のSi層202aとでは、エッチングの加工変換差が生じてしまう。そのため、このエッチングによって形成された溝は、順テーパー形状が形成される。そのため、ナノワイアチャネルが形成されるSi層202のチャネル長方向と垂直な方向に沿った断面は、台形となってしまう。   When the Si layers 202a, 202b, and 202c are sequentially etched, an etching process conversion difference occurs between the upper Si layer 202c and the lower Si layer 202a. For this reason, the groove formed by this etching has a forward tapered shape. Therefore, the cross section along the direction perpendicular to the channel length direction of the Si layer 202 in which the nanowire channel is formed becomes a trapezoid.

また、図12に示すように、ナノワイアチャネルを形成するためのSi層202a,202b,202cそれぞれの下部に形成されたSiGe層201a,201b,201cを等方的にエッチングする。ここで、等方エッチングとして、ドライエッチングで行う場合、例えば、三フッ化塩素(ClF)を含んだガスを用いれば良く、ウェットエッチングで行う場合、例えば、エッチャントとしてフッ硝酸を用いれば良い。この時、ナノワイアチャネルが形成されるSi層207a,207b,207cそれぞれの全面が露出する様にエッチングを行う。 Also, as shown in FIG. 12, the SiGe layers 201a, 201b, 201c formed under the Si layers 202a, 202b, 202c for forming the nanowire channel are isotropically etched. Here, when dry etching is performed as isotropic etching, for example, a gas containing chlorine trifluoride (ClF 3 ) may be used. When wet etching is performed, for example, hydrofluoric acid may be used as an etchant. At this time, etching is performed so that the entire surfaces of the Si layers 207a, 207b, and 207c where the nanowire channel is formed are exposed.

この時、ナノワイアチャネルが形成されるSi層207a,207b,207cは、それぞれSi層202のチャネル長方向と垂直な方向における断面が四角い形状をしている。   At this time, each of the Si layers 207a, 207b, and 207c in which the nanowire channel is formed has a square cross section in a direction perpendicular to the channel length direction of the Si layer 202.

次に、図13に示すように、この形状ナノワイアチャネルが形成されるSi層207a,207b,207cそれぞれのチャネル長方向と垂直な方向における断面を円形にするため、例えば、約800度のH雰囲気下でアニールを行う。 Next, as shown in FIG. 13, in order to make the cross section in the direction perpendicular to the channel length direction of each of the Si layers 207a, 207b, and 207c in which the shape nanowire channel is formed, Annealing is performed under two atmospheres.

また、ナノワイアチャネルが形成されるSi層207a,207b,207cのチャネル長方向と垂直な方向の断面を円形に形成した後、ナノワイアチャネルを形成する領域にP型の不純物を斜めからイオン注入し、結晶回復のためのアニールを行う工程を加えてもよい。   Further, after the cross section in the direction perpendicular to the channel length direction of the Si layers 207a, 207b, and 207c in which the nanowire channel is formed is formed in a circular shape, a P-type impurity is ion-implanted obliquely into the region where the nanowire channel is formed In addition, an annealing process for crystal recovery may be added.

これ以後の図14乃至図17は、図13のA−A線に沿った断面図を示している。   FIG. 14 to FIG. 17 thereafter show sectional views along the line AA in FIG.

次に、図14に示すように、例えば、例えば、窒素、酸素、塩化水素(N,O,HCl)の混合ガス雰囲気中で、900度の熱処理を行い、ゲート絶縁膜として機能するシリコン酸化膜208を形成する。 Next, as shown in FIG. 14, for example, in a mixed gas atmosphere of nitrogen, oxygen, and hydrogen chloride (N 2 , O 2 , HCl), heat treatment is performed at 900 degrees to form silicon that functions as a gate insulating film, for example. An oxide film 208 is formed.

次に、図15に示すように、メタルCVD法により、金属化合物209をゲートダマシン溝に埋め込む。この金属化合物209は、例えば、窒化チタンとタングステンの化合物で構成される。その後、金属化合物209をCMP法によって平坦化する。続けて、RIE法により、金属化合物209上にリセスを形成する。更に、CVD法によりシリコン窒化膜210とα−シリコン層211をリセス内に形成する。その後、CMP法によりα−シリコン層211を平坦化する。   Next, as shown in FIG. 15, a metal compound 209 is embedded in the gate damascene trench by a metal CVD method. The metal compound 209 is made of, for example, a compound of titanium nitride and tungsten. Thereafter, the metal compound 209 is planarized by a CMP method. Subsequently, a recess is formed on the metal compound 209 by the RIE method. Further, the silicon nitride film 210 and the α-silicon layer 211 are formed in the recess by the CVD method. Thereafter, the α-silicon layer 211 is planarized by CMP.

次に、図16に示すように、α−シリコン層211をマスクとしてマスク材203及びシリコン酸化膜204bを選択的に除去する。その後、α−シリコン層211を選択的に除去する。   Next, as shown in FIG. 16, the mask material 203 and the silicon oxide film 204b are selectively removed using the α-silicon layer 211 as a mask. Thereafter, the α-silicon layer 211 is selectively removed.

次に、通常の工程で金属化合物の側壁に絶縁膜が形成される。更に、通常の工程で、Si層202cの上部、シリコン窒化膜210の上部に絶縁膜が形成される。更に、通常の工程でSi層202cの上部に形成された絶縁膜にコンタクト孔を開口し、コンタクトプラグを形成することで、図2に示すGAAトランジスタが完成する。   Next, an insulating film is formed on the sidewall of the metal compound by a normal process. Further, an insulating film is formed on the Si layer 202c and the silicon nitride film 210 by a normal process. Further, a contact hole is formed in the insulating film formed on the upper part of the Si layer 202c by a normal process to form a contact plug, thereby completing the GAA transistor shown in FIG.

4. むすび
本発明によれば、ゲート・オール・アラウンドトランジスタの複数のチャネルそれぞれに流れる電流が均一され、ゲート・オール・アラウンドトランジスタの信頼性が向上する。
4). Conclusion
According to the present invention, the current flowing through each of the plurality of channels of the gate all-around transistor is made uniform, and the reliability of the gate all-around transistor is improved.

本発明の例は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。   The example of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied by modifying each component without departing from the scope of the invention. Various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the above-described embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.

101: 素子分離絶縁膜、 102: GAAトランジスタ、 103: ゲート電極、 104: ソース・ドレイン領域、 105: コンタクト部、 106: P型半導体基板、 107:SiGe層、 108: Si層、 109: ナノワイアチャネル、 110: ゲート絶縁膜、 111: コンタクトプラグ、 112:絶縁膜、113: 絶縁膜: 114: 絶縁膜、 201: SiGe層、 202: Si層、 203: マスク材、 203a: シリコン窒化膜、 203b: シリコン酸化膜、 204: マスク材、 204a: シリコン窒化膜、 204b: シリコン酸化膜、 207: Si層、 208: シリコン酸化膜、 209: 金属化合物、 210: シリコン窒化膜、 211: α−シリコン層。 101: element isolation insulating film, 102: GAA transistor, 103: gate electrode, 104: source / drain region, 105: contact portion, 106: P + type semiconductor substrate, 107: SiGe layer, 108: Si layer, 109: nano Wire channel, 110: gate insulating film, 111: contact plug, 112: insulating film, 113: insulating film: 114: insulating film, 201: SiGe layer, 202: Si layer, 203: mask material, 203a: silicon nitride film, 203b: Silicon oxide film, 204: Mask material, 204a: Silicon nitride film, 204b: Silicon oxide film, 207: Si layer, 208: Silicon oxide film, 209: Metal compound, 210: Silicon nitride film, 211: α-silicon layer.

Claims (5)

半導体基板と、
前記半導体基板上に一定の間隔をおいて形成された第1の半導体層上に第2の半導体層を形成した積層構造が複数積み重なったソース・ドレイン領域と、
前記第2の半導体層の同一レイヤ間をそれぞれ接続するようにワイア状に形成された複数のチャネル領域と、
前記複数のチャネル領域をそれぞれ包み込むように形成されたゲート絶縁膜と、
前記複数のチャネル領域をそれぞれ包み込むように前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と
を具備し、
前記チャネル領域のチャネル幅は、前記半導体基板から離れるほど狭く形成され、
前記第2の半導体層及びチャネル領域の膜厚は、前記半導体基板から離れるほど広く形成されることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A source / drain region in which a plurality of stacked structures in which a second semiconductor layer is formed on a first semiconductor layer formed at a predetermined interval on the semiconductor substrate are stacked;
A plurality of channel regions formed in a wire shape so as to connect between the same layers of the second semiconductor layer;
A gate insulating film formed to enclose each of the plurality of channel regions;
A gate electrode formed through the gate insulating film so as to enclose each of the plurality of channel regions,
The channel width of the channel region is formed narrower as the distance from the semiconductor substrate increases.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor layer and the channel region are formed wider as they are separated from the semiconductor substrate.
前記複数のチャネル領域それぞれは、上面の表面積より下面の表面積の方が大きいことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein each of the plurality of channel regions has a surface area on a lower surface larger than a surface area on an upper surface. 前記第1及び第2の半導体層はそれぞれ、Si、SiGe、SiC、SiGeCのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項に記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 1, wherein each of the first and second semiconductor layers is made of any one of Si, SiGe, SiC, and SiGeC. 5. 半導体基板と、
前記半導体基板上に一定の間隔をおいて形成された第1の半導体層上に第2の半導体層を形成した積層構造が複数積み重なったソース・ドレイン領域と、
前記第2の半導体層の同一レイヤ間それぞれを接続するようにワイア状に形成された複数のチャネル領域と、
前記複数のチャネル領域をそれぞれ包み込むように形成されたゲート絶縁膜と、
前記複数のチャネル領域をそれぞれ包み込むように前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と
を具備し、
前記第2の半導体層の膜厚は、前記半導体基板から離れるほど厚く形成され、
前記複数のチャネル領域それぞれは、チャネル長方向と垂直な方向の断面が円形に形成されることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A source / drain region in which a plurality of stacked structures in which a second semiconductor layer is formed on a first semiconductor layer formed at regular intervals on the semiconductor substrate are stacked;
A plurality of channel regions formed in a wire shape so as to connect each of the same layers of the second semiconductor layers;
A gate insulating film formed to enclose each of the plurality of channel regions;
A gate electrode formed through the gate insulating film so as to enclose each of the plurality of channel regions,
The film thickness of the second semiconductor layer is formed so as to increase away from the semiconductor substrate,
Each of the plurality of channel regions has a circular cross section in a direction perpendicular to the channel length direction.
前記第1及び第2の半導体層はそれぞれ、Si、SiGe、SiC、SiGeCのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 4, wherein each of the first and second semiconductor layers is made of any one of Si, SiGe, SiC, and SiGeC.
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