JP2014038898A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】オン電流の劣化を招くことなく、ウェル耐圧の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板1上の凸状半導体層F内に設けられたチャネル領域3cの側面に、ゲート絶縁膜5を介してゲート電極6が設けられ、凸状半導体層Fの側面を介してチャネル領域3cに、電界効果を与える。そしてこの凸状半導体層Fの内部に、凸状半導体層Fよりもバンドギャップの大きい材料層からなる拡散ブロック層4p、4nを備える。この拡散ブロック層4p、4nが、チャネル領域3cの不純物濃度の増大を招くことなく、ソース領域およびドレイン領域から、多数キャリアが半導体基板内に拡散するのを防止し、ウェル耐圧を改善する。
【選択図】図1A semiconductor device having a high well breakdown voltage without causing deterioration of on-current is provided.
A gate electrode 6 is provided on a side surface of a channel region 3c provided in a convex semiconductor layer F on a semiconductor substrate 1 via a gate insulating film 5, and the side surface of the convex semiconductor layer F is provided. A field effect is applied to the channel region 3c. In addition, diffusion block layers 4p and 4n made of a material layer having a band gap larger than that of the convex semiconductor layer F are provided inside the convex semiconductor layer F. The diffusion block layers 4p and 4n prevent the majority carriers from diffusing from the source region and the drain region into the semiconductor substrate without increasing the impurity concentration of the channel region 3c, thereby improving the well breakdown voltage.
[Selection] Figure 1
Description
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a semiconductor device.
近年、半導体素子の微細化に伴い、プレーナ(planar)型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に代わり、Fin型MOSFET(以下、FinFET)などの3次元素子が注目されている。 2. Description of the Related Art In recent years, with the miniaturization of semiconductor elements, three-dimensional elements such as Fin-type MOSFETs (hereinafter referred to as FinFETs) have attracted attention in place of planar MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors).
FinFETは、半導体基板の表面部に形成され、長手方向と短手方向を有する凸型形状の半導体層(フィン:Fin)と、この半導体層の短手方向の両側面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を備えた構造を有している。ゲート電極に挟まれた部分の半導体層がチャネル領域となる。また、半導体層内において、チャネル領域の両側にソース・ドレイン領域が形成されている。 The FinFET is formed on a surface portion of a semiconductor substrate, and has a convex semiconductor layer (fin: Fin) having a longitudinal direction and a short direction, and gate insulating films on both side surfaces of the semiconductor layer in the short direction. It has a structure including a formed gate electrode. A portion of the semiconductor layer sandwiched between the gate electrodes becomes a channel region. In the semiconductor layer, source / drain regions are formed on both sides of the channel region.
FinFETは、バルク(Bulk)基板を用いるものと、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いるものとに大別できる。バルク基板を用いるFinFETは、SOI基板を用いるものに比べてウェハコストが低いという利点に加え、セルフヒーティングによるトランジスタ性能の劣化が小さいなどの利点がある。その反面、バルク基板を用いるFinFETは、フィンチャネルのボトムにおいてソース・ドレイン間のパンチスルーが顕在化することで、オフリーク電流が高くなるという問題があった。 FinFETs can be broadly classified into those using a bulk substrate and those using an SOI (Silicon On Insulator) substrate. A FinFET using a bulk substrate has an advantage that the transistor performance is less deteriorated due to self-heating, in addition to the advantage that the wafer cost is lower than that using an SOI substrate. On the other hand, the FinFET using a bulk substrate has a problem in that the off-leakage current is increased because the punch-through between the source and the drain becomes obvious at the bottom of the fin channel.
この問題を回避する手法として、フィンチャネルのボトムに、不純物層からなるパンチスルーストッパ(PTS)を形成する技術が提案されている。 As a technique for avoiding this problem, a technique for forming a punch-through stopper (PTS) made of an impurity layer at the bottom of the fin channel has been proposed.
本発明が解決しようとする課題は、オン電流の劣化を招くことなく、ウェル耐圧の高い半導体装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor device having a high well breakdown voltage without causing deterioration of on-current.
本発明の一つの実施形態によれば、半導体基板上に設けられた凸状半導体層内にソース領域およびドレイン領域が設けられている。このソース領域とドレイン領域との間に形成されるチャネル領域に相当する、凸状半導体層の側面に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、凸状半導体層の側面を介してチャネル領域に、電界効果を与える。そしてこの凸状半導体層の内部に、凸状半導体層よりもバンドギャップの大きい材料からなる拡散ブロック層を備える。この拡散ブロック層が、ソース領域およびドレイン領域から、多数キャリアが半導体基板内に拡散するのを防止する。 According to one embodiment of the present invention, a source region and a drain region are provided in a convex semiconductor layer provided on a semiconductor substrate. A gate electrode is provided on the side surface of the convex semiconductor layer corresponding to the channel region formed between the source region and the drain region via a gate insulating film, and the channel region is formed via the side surface of the convex semiconductor layer. A field effect is given. A diffusion block layer made of a material having a band gap larger than that of the convex semiconductor layer is provided inside the convex semiconductor layer. This diffusion block layer prevents majority carriers from diffusing into the semiconductor substrate from the source and drain regions.
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体装置およびその製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。 Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態にかかる半導体装置であるFinFETの概略構成を示す斜視図、図2−1は同FinFETを模式的に示す平面図である。図2−2は、同FinFETを模式的に示す断面図であり、図2−1のX−X断面図である。図2−3は、同FinFETを模式的に示す断面図であり、図2−1のY−Y断面図である。図3−1は、動作を説明するために同FinFETを模式的に示す平面図、図3−2は、動作を説明するために同FinFETを模式的に示す断面図である。図3−2は、図3−1のX−X断面図である。図4−1は、P型半導体からN型半導体へのホール移動の電位障壁を示す説明図である。図4−2は、N型半導体からP型半導体への電子移動の電位障壁を示す説明図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a FinFET that is a semiconductor device according to the first embodiment, and FIG. 2A is a plan view schematically illustrating the FinFET. FIG. 2-2 is a cross-sectional view schematically showing the FinFET, and is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 2-1. FIG. 2-3 is a cross-sectional view schematically showing the FinFET, and is a YY cross-sectional view of FIG. 2-1. FIG. 3A is a plan view schematically showing the FinFET for explaining the operation, and FIG. 3-2 is a cross-sectional view schematically showing the FinFET for explaining the operation. 3-2 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. FIG. 4A is an explanatory diagram of a potential barrier for hole movement from a P-type semiconductor to an N-type semiconductor. FIG. 4B is an explanatory diagram of a potential barrier for electron transfer from the N-type semiconductor to the P-type semiconductor.
本実施形態の半導体装置100は、NチャネルFETを構成する第1のFinFET10nと、PチャネルFETを構成する第2のFinFET10pとが同一基板上に形成されたCMOSFETである。これら第1および第2のFinFET10n、10pにおいては、いずれもバルクのシリコン基板1の表面に形成されたFinFET(Bulk FinFET)において、チャネルボトムにそれぞれ拡散ブロック層4p、4nとしてのシリコンカーバイド(SiC)層を形成することで、チャネル不純物濃度の増加によるオン電流の低下等のFinFETの性能劣化を招くことなく、ウェル耐圧を改善するものである。シリコンカーバイドはシリコンよりもバンドギャップの広い、ワイドバンドギャップ材料である。一方、従来のBulk FinFETではチャネルボトムにパンチスルーストッパ(PTS)と呼ばれる不純物層を形成することでソース・ドレイン間のパンチスルー電流の抑制やウェル耐圧改善を行ってきたが、PTS形成時にチャネル中に不純物が注入される問題があった。本実施形態の構成によりPTSを用いることなくソース・ドレイン間のパンチスルー電流の抑制やウェル耐圧を改善することができる。したがって、本実施形態ではチャネル不純物濃度の増加によるオン電流の低下等のFinFETの性能劣化を招くことなく、ソース・ドレイン間のパンチスルー電流抑制やウェル耐圧改善が可能となる。 The semiconductor device 100 of the present embodiment is a CMOSFET in which a first FinFET 10n constituting an N-channel FET and a second FinFET 10p constituting a P-channel FET are formed on the same substrate. In each of the first and second FinFETs 10n and 10p, in the FinFET (Bulk FinFET) formed on the surface of the bulk silicon substrate 1, silicon carbide (SiC) serving as diffusion block layers 4p and 4n, respectively, at the channel bottom. By forming the layer, the well breakdown voltage is improved without degrading the performance of the FinFET such as a decrease in on-current due to an increase in channel impurity concentration. Silicon carbide is a wide band gap material with a wider band gap than silicon. On the other hand, in the conventional Bulk FinFET, an impurity layer called a punch-through stopper (PTS) is formed at the channel bottom to suppress the punch-through current between the source and drain and improve the well breakdown voltage. There is a problem that impurities are implanted. With the configuration of this embodiment, it is possible to suppress the punch-through current between the source and drain and improve the well breakdown voltage without using PTS. Therefore, in the present embodiment, it is possible to suppress the punch-through current between the source and the drain and improve the well breakdown voltage without causing the performance degradation of the FinFET such as a decrease in the on-current due to the increase in the channel impurity concentration.
本実施形態の半導体装置100は、半導体基板としてのp型シリコン基板1表面にPウェル2pとNウェル2nを形成し、これらPウェル2pとNウェル2n内にそれぞれ設けられた凸状半導体層(フィン)F内に第1のFinFET(NチャネルFET)10nと、第2のFinFET(PチャネルFET)10pとを具備している。そして、これら第1および第2のFinFET10n、10pは、フィンFに設けられたソース領域3sおよびドレイン領域3dから、多数キャリアが基板(ここではPウェル2p、Nウェル2n)内に拡散するのを防止する拡散ブロック層4p、4nを備えている。この拡散ブロック層4p、4nはフィンFを構成するシリコンよりもバンドギャップの大きい材料であるシリコンカーバイドで構成されている。この拡散ブロック層4p、4nの不純物濃度はゼロではなく、低濃度の不純物がドーピングされており、この不純物濃度はフィンFのチャネル領域3cの不純物濃度よりも低濃度であるかあるいはチャネル領域3cと同程度である。したがって拡散ブロック層4pはp型の低濃度ドープシリコンカーバイドで形成されており、一方、拡散ブロック層4nはn型の低濃度ドープシリコンカーバイドで形成されている。 In the semiconductor device 100 according to the present embodiment, a P well 2p and an N well 2n are formed on the surface of a p-type silicon substrate 1 as a semiconductor substrate, and convex semiconductor layers (in the P well 2p and the N well 2n, respectively) The fin) F includes a first FinFET (N channel FET) 10n and a second FinFET (P channel FET) 10p. In the first and second FinFETs 10n and 10p, the majority carriers diffuse from the source region 3s and the drain region 3d provided in the fin F into the substrate (here, the P well 2p and the N well 2n). Diffusion block layers 4p and 4n for preventing are provided. The diffusion block layers 4p and 4n are made of silicon carbide which is a material having a band gap larger than that of the silicon constituting the fin F. The impurity concentration of the diffusion block layers 4p and 4n is not zero, but is doped with a low concentration impurity. The impurity concentration is lower than the impurity concentration of the channel region 3c of the fin F or is different from that of the channel region 3c. It is about the same. Accordingly, the diffusion block layer 4p is formed of p-type lightly doped silicon carbide, while the diffusion block layer 4n is formed of n-type lightly doped silicon carbide.
第1のFinFET10nは、P型シリコン層からなるフィンF内に設けられたソース領域3sおよびドレイン領域3dと、ソース領域3sとドレイン領域3dとの間に形成されるチャネル領域3cに相当する、フィンFの側面に、ゲート絶縁膜5を介して設けられ、フィンFの側面を介しチャネル領域3cに電界効果を与えるゲート電極6とを具備している。7は素子分離絶縁層(STI)である。ここでフィンFのボトムには低濃度のP型にドープされたシリコンカーバイドからなる拡散ブロック層4pが形成されている。また、この第1のFinFET10nにおいては、ソース領域3sおよびドレイン領域3dはN型シリコン拡散層で構成される。 The first FinFET 10n is a fin corresponding to a source region 3s and a drain region 3d provided in a fin F made of a P-type silicon layer, and a channel region 3c formed between the source region 3s and the drain region 3d. A gate electrode 6 is provided on the side surface of F via the gate insulating film 5 and applies a field effect to the channel region 3c via the side surface of the fin F. Reference numeral 7 denotes an element isolation insulating layer (STI). Here, at the bottom of the fin F, a diffusion block layer 4p made of low-concentration P-type doped silicon carbide is formed. In the first FinFET 10n, the source region 3s and the drain region 3d are formed of an N-type silicon diffusion layer.
第2のFinFET10pは、N型シリコン層からなるフィンF内に設けられたソース領域3sおよびドレイン領域3dと、ソース領域3sとドレイン領域3dとの間に形成されるチャネル領域3cに相当する、フィンFの側面に、ゲート絶縁膜5を介して設けられ、フィンFの側面を介しチャネル領域3cに電界効果を与えるゲート電極6とを具備している。ここでフィンFのボトムには低濃度のN型にドープされたシリコンカーバイドからなる拡散ブロック層4nが形成されている。また、この第2のFinFET10pにおいては、ソース領域3sおよびドレイン領域3dはP型シリコン拡散層で構成される。 The second FinFET 10p includes a fin corresponding to a source region 3s and a drain region 3d provided in a fin F made of an N-type silicon layer, and a channel region 3c formed between the source region 3s and the drain region 3d. A gate electrode 6 is provided on the side surface of F via the gate insulating film 5 and applies a field effect to the channel region 3c via the side surface of the fin F. Here, at the bottom of the fin F, a diffusion block layer 4n made of low-concentration N-type doped silicon carbide is formed. In the second FinFET 10p, the source region 3s and the drain region 3d are formed of a P-type silicon diffusion layer.
フィンFはp型の単結晶シリコン基板1上に形成されたPウェル2pおよびNウェル2n上に形成され、長手方向(図1のD1方向)と短手方向(図1のD2方向)とを有する半導体層である。 Fins F are formed on a P-well 2p and N-well formed on the single crystal silicon substrate 1 of p-type 2n, longitudinal and transverse direction (D 1 direction in FIG. 1) (D 2 direction in FIG. 1) And a semiconductor layer.
ゲート電極6は、チタンナイトライド(TiN)で構成され、ハフニウムシリコンオキシナイトライド(HfSiON)からなるゲート絶縁膜5を介してフィンFの短手方向側面および上面に形成される。また、このゲート電極6はフィンF上に形成されたシリコンナイトライドからなる上部絶縁膜8上にも形成されている。そしてゲート電極6は、素子分離絶縁層7上を横切り、第1および第2のFinFET10n、10pで共通となっている。9はゲート電極6の側面を覆う側壁絶縁膜である。 The gate electrode 6 is made of titanium nitride (TiN), and is formed on the lateral side surface and the upper surface of the fin F via the gate insulating film 5 made of hafnium silicon oxynitride (HfSiON). The gate electrode 6 is also formed on the upper insulating film 8 made of silicon nitride formed on the fin F. The gate electrode 6 crosses over the element isolation insulating layer 7 and is common to the first and second FinFETs 10n and 10p. A side wall insulating film 9 covers the side surface of the gate electrode 6.
フィンF内において、ゲート電極6の両外側部分はソース領域3sおよびドレイン領域3dになっている。フィンFのうち、ソース領域3sとドレイン領域3dの間、すなわちゲート絶縁膜5を介してゲート電極6が形成されている部分はチャネル領域3cである。そしてソース領域3sとドレイン領域3dではソース・ドレイン寄生抵抗低減のために選択的エピタキシャル成長(SEG)で形成されたエピタキシャル層3eで覆われて太くなっている。また基板コンタクトのために設けた両側の2つのフィンFにおいても同様にエピタキシャル層3eで覆われて太く形成されている。 In the fin F, both outer portions of the gate electrode 6 are a source region 3s and a drain region 3d. A portion of the fin F where the gate electrode 6 is formed between the source region 3s and the drain region 3d, that is, via the gate insulating film 5 is a channel region 3c. The source region 3s and the drain region 3d are covered with an epitaxial layer 3e formed by selective epitaxial growth (SEG) to reduce the source / drain parasitic resistance, and are thick. Similarly, the two fins F on both sides provided for the substrate contact are also thickly covered with the epitaxial layer 3e.
なお、フィンFの短手方向の側面の、ゲート電極6とシリコン基板1との間に素子分離絶縁層7が形成されている。この素子分離絶縁層7はフィン形成のためのエッチング後、プラズマCVD法等の堆積法、あるいは塗布法などで形成される。塗布法の場合は、例えばポリシラザンなどの塗布膜を成膜した後、焼成することによって形成される。 An element isolation insulating layer 7 is formed between the gate electrode 6 and the silicon substrate 1 on the side surface in the short direction of the fin F. This element isolation insulating layer 7 is formed by a deposition method such as a plasma CVD method or a coating method after etching for fin formation. In the case of a coating method, for example, a coating film such as polysilazane is formed and then baked.
フィンFはフィンチャネルのボトムにシリコンカーバイドからなる拡散ブロック層4p、4nを有するシリコン領域である。 The fin F is a silicon region having diffusion block layers 4p and 4n made of silicon carbide at the bottom of the fin channel.
このシリコンカーバイドからなる拡散ブロック層4p、4nは、フィンFに形成されたソース領域3sおよびドレイン領域3d中の多数キャリアのPウェル2pまたはNウェル2nへの拡散に対する電位障壁として機能する。なお、拡散ブロック層4p、4nは、Pウェル、Nウェル上でそれぞれP型、N型に低濃度にドーピングされている。この動作については後述する。拡散ブロック層4p、4nを構成するシリコンカーバイドは、シリコンに比べてワイドバンドギャップを有するためその分、電位障壁を増大させるという作用がある。つまり、P型半導体領域からN型半導体領域へのホールの移動に対し、電位障壁が価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)程度分、増大することになる(図4−1)。一方、N型半導体領域からP型半導体領域への電子の移動に対し、電位障壁が伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)程度分、増大することになる(図4−2)。したがって、不純物濃度を高くすることなく、電位障壁を高くすることができ、フィンFに形成されたソース領域3sおよびドレイン領域3dの多数キャリアのPウェル2pあるいはNウェル2nへの拡散を抑制することができるため、ウェル耐圧を向上することが可能となる。また、ワイドバンドギャップ材料であるシリコンカーバイドからなる拡散ブロック層4p、4nの不純物濃度は低濃度でよいため、フィンFのチャネル領域3cへの不純物の拡散も抑制される。そのため、フィンFのチャネル領域3c中の不純物濃度の増加を防ぐことができ、オン電流の低下等のFinFETの性能劣化を抑制できる。 The diffusion block layers 4p and 4n made of silicon carbide function as a potential barrier against the diffusion of majority carriers in the source region 3s and the drain region 3d formed in the fin F into the P well 2p or the N well 2n. The diffusion block layers 4p and 4n are doped at a low concentration in the P-type and N-type on the P-well and N-well, respectively. This operation will be described later. Since silicon carbide constituting the diffusion block layers 4p and 4n has a wide band gap as compared with silicon, there is an effect of increasing the potential barrier accordingly. That is, the potential barrier increases by the band offset (ΔEv) of the valence band with respect to the movement of holes from the P-type semiconductor region to the N-type semiconductor region (FIG. 4A). On the other hand, with respect to the movement of electrons from the N-type semiconductor region to the P-type semiconductor region, the potential barrier increases by the band offset (ΔEc) of the conduction band (FIG. 4-2). Therefore, the potential barrier can be increased without increasing the impurity concentration, and the diffusion of majority carriers in the source region 3s and the drain region 3d formed in the fin F into the P well 2p or the N well 2n can be suppressed. Therefore, the well breakdown voltage can be improved. Further, since the diffusion block layers 4p and 4n made of silicon carbide, which is a wide band gap material, may have a low impurity concentration, the diffusion of impurities into the channel region 3c of the fin F is also suppressed. Therefore, an increase in the impurity concentration in the channel region 3c of the fin F can be prevented, and the performance degradation of the FinFET such as a decrease in on-current can be suppressed.
このように、本実施形態による半導体装置100では、不純物層からなるPTSに代えて低濃度の不純物がドープされたシリコンカーバイドからなる拡散ブロック層4p、4nを形成している。これにより、フィンFに形成されたソース領域3sおよびドレイン領域3d中の多数キャリアのPウェル2pまたはNウェル2nへの拡散を抑制すると同時に、ソース・ドレイン間のパンチスルー電流を抑制することができる。したがって、本実施形態ではチャネル不純物濃度の増加によるオン電流の低下等のFinFETの性能劣化を招くことなく、ソース・ドレイン間のパンチスルー電流抑制やウェル耐圧改善が可能となる。 As described above, in the semiconductor device 100 according to the present embodiment, the diffusion block layers 4p and 4n made of silicon carbide doped with low-concentration impurities are formed instead of the PTS made of the impurity layer. Thereby, the diffusion of majority carriers in the source region 3s and the drain region 3d formed in the fin F to the P well 2p or the N well 2n can be suppressed, and at the same time, the punch-through current between the source and the drain can be suppressed. . Therefore, in the present embodiment, it is possible to suppress the punch-through current between the source and the drain and improve the well breakdown voltage without causing the performance degradation of the FinFET such as a decrease in the on-current due to the increase in the channel impurity concentration.
上記効果に加えて、シリコンカーバイドは熱伝導率が高いため、SOI FinFET、あるいはBulk FinFETでも、フィン幅の微細化で問題となるセルフヒーティングの影響を低減することができるという効果がある。 In addition to the above effects, silicon carbide has a high thermal conductivity. Therefore, even with an SOI FinFET or a Bulk FinFET, there is an effect that the influence of self-heating, which becomes a problem when the fin width is reduced, can be reduced.
次に本実施形態の半導体装置100の動作について説明する。図4−1はバンドギャップの小さいP型半導体とバンドギャップの大きいN型半導体のヘテロ接合におけるエネルギーバンド図を示している。また、図4−2はバンドギャップの小さいN型半導体とバンドギャップの大きいP型半導体とのヘテロ接合のエネルギーバンド図を示している。図4−1および4−2においてバンドギャップの小さい半導体はフィンFに形成されたソース領域3sおよびドレイン領域3dに対応し、バンドギャップの大きい半導体(ここではシリコンカーバイド)はフィンチャネルのボトムに形成された拡散ブロック層に対応している。なお、ここではバンドギャップの小さいP型半導体およびN型半導体はシリコンである。また、ここではバンドギャップの小さいP型半導体およびN型半導体はここではシリコンカーバイドである。 Next, the operation of the semiconductor device 100 of this embodiment will be described. FIG. 4A shows an energy band diagram of a heterojunction of a P-type semiconductor having a small band gap and an N-type semiconductor having a large band gap. FIG. 4B is an energy band diagram of a heterojunction between an N-type semiconductor with a small band gap and a P-type semiconductor with a large band gap. In FIGS. 4A and 4B, the semiconductor with a small band gap corresponds to the source region 3s and the drain region 3d formed in the fin F, and the semiconductor with a large band gap (here, silicon carbide) is formed at the bottom of the fin channel. Corresponds to the diffusion block layer formed. Here, the P-type semiconductor and the N-type semiconductor having a small band gap are silicon. Here, the P-type semiconductor and the N-type semiconductor with a small band gap are here silicon carbide.
NチャネルFinFETでは図4−2に示すように、フィンFに形成されたソース領域3sおよびドレイン領域3dを構成するN型シリコン層から拡散ブロック層4pを構成するP型シリコンカーバイド層への電子の移動に対し、電位障壁が伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)分高くなり、電子が流れ込みにくくなる。 In the N-channel FinFET, as shown in FIG. 4B, electrons from the N-type silicon layer constituting the source region 3s and the drain region 3d formed in the fin F to the P-type silicon carbide layer constituting the diffusion block layer 4p are transferred. With respect to the movement, the potential barrier becomes higher by the band offset (ΔEc) of the conduction band, and electrons do not flow easily.
一方、PチャネルFinFETでは図4−1に示すように、フィンFに形成されたソースおよびドレイン領域3s、3dを構成するP型シリコン層から拡散ブロック層4nを構成するN型シリコンカーバイド層へのホールの移動に対し、電位障壁が価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)分高くなり、ホールが流れ込みにくくなる。 On the other hand, in the P-channel FinFET, as shown in FIG. 4A, from the P-type silicon layer constituting the source and drain regions 3s and 3d formed in the fin F to the N-type silicon carbide layer constituting the diffusion block layer 4n. With respect to the movement of holes, the potential barrier becomes higher by the band offset (ΔEv) of the valence band, and the holes do not flow easily.
このように、従来の不純物層からなるPTSの代わりに、フィンチャネルのボトムにワイドバンドギャップ材料からなる拡散ブロック層4p、4nを形成することでフィンボトムの電位障壁を高くしてPウェル2pおよびNウェル2nへの多数キャリアによるリーク電流を抑制することができる。P型拡散層の場合はP型拡散層中のホールのシリコン基板1への拡散が拡散ブロック層4nでブロックされ、N型拡散層の場合はN型拡散層中の電子のシリコン基板1への拡散が拡散ブロック層4pでブロックされ、いずれのケースにおいてもリーク電流が抑制され、ウェル耐圧の改善が可能となる。また、フィンチャネルのボトムにワイドバンドギャップ層を形成することでソース・ドレイン間のパンチスルー電流を抑制する効果も期待できるため、本実施形態により従来のBulk FinFETで必須と考えられていた不純物層からなるPTSの形成が不要になる。 As described above, instead of the conventional PTS made of the impurity layer, the diffusion barrier layers 4p and 4n made of the wide band gap material are formed at the bottom of the fin channel to increase the potential barrier of the fin bottom and increase the P well 2p and Leakage current due to majority carriers to N well 2n can be suppressed. In the case of the P-type diffusion layer, the diffusion of holes in the P-type diffusion layer to the silicon substrate 1 is blocked by the diffusion block layer 4n. In the case of the N-type diffusion layer, electrons in the N-type diffusion layer enter the silicon substrate 1. Diffusion is blocked by the diffusion block layer 4p, and in any case, the leakage current is suppressed and the well breakdown voltage can be improved. Further, since the effect of suppressing the punch-through current between the source and the drain can be expected by forming the wide band gap layer at the bottom of the fin channel, the impurity layer considered to be essential in the conventional Bulk FinFET according to the present embodiment. The formation of PTS made of is not necessary.
次に本実施形態の半導体装置の製造工程について説明する。図10−1〜図10−20は本実施形態の半導体装置の製造工程を示す図である。図10−1〜図10−20において、(c)は、平面図であり、(a)は、(c)のA−A断面図、(b)は、(c)のB−B断面図に相当する。また表示位置の理解を容易にするために(c)は、全図において完成状態を示すものとする。なお、工程図ではフィンを2本に省略して示した。 Next, the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment will be described. 10-1 to 10-20 are views showing the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment. 10-1 to 10-20, (c) is a plan view, (a) is a sectional view taken along line AA in (c), and (b) is a sectional view taken along line BB in (c). It corresponds to. In order to facilitate understanding of the display position, (c) shows a completed state in all drawings. In the process diagram, two fins are omitted.
この方法では、半導体基板を構成するP型のシリコン基板1上に、拡散ブロック層4p、4nを形成するためのシリコンカーバイド層4をエピタキシャル成長させる。次に、シリコンカーバイド層上にノンドープのシリコンエピタキシャル層3を形成し、Si/SiC/Siの積層構造を得る。そしてこの積層構造に各導電型のウェルを形成した後、Si/SiC/Siの積層構造をフィン状に加工し、続いて素子分離絶縁層7形成、ゲート絶縁膜5形成、ゲート電極6形成という通常のFinFET形成プロセスに従ってFinFETが形成される。 In this method, a silicon carbide layer 4 for forming diffusion block layers 4p and 4n is epitaxially grown on a P-type silicon substrate 1 constituting a semiconductor substrate. Next, a non-doped silicon epitaxial layer 3 is formed on the silicon carbide layer to obtain a stacked structure of Si / SiC / Si. Then, after forming wells of each conductivity type in this laminated structure, the laminated structure of Si / SiC / Si is processed into fins, followed by formation of element isolation insulating layer 7, formation of gate insulating film 5, and formation of gate electrode 6. The FinFET is formed according to a normal FinFET formation process.
まず、CVD法を用いて、拡散ブロック層4p、4nを形成するためのシリコンカーバイド層4を、半導体基板を構成するp型のシリコン基板1上にエピタキシャル成長させる。なお、シリコンカーバイド層として具体的には3C−SiC(β−SiC)を用いることができる。シリコンカーバイド層中へのドーピングはシリコンカーバイドエピタキシャル成長時にドーピングガスを添加するか、成長後にイオン注入で行うことができる。次に、シリコンカーバイド層4上にCVD法を用いてノンドープのシリコンエピタキシャル層3を形成することでSi/SiC/Siの積層構造が形成される(図10−1)。 First, the silicon carbide layer 4 for forming the diffusion block layers 4p and 4n is epitaxially grown on the p-type silicon substrate 1 constituting the semiconductor substrate by using the CVD method. Note that specifically, 3C—SiC (β-SiC) can be used as the silicon carbide layer. Doping into the silicon carbide layer can be performed by adding a doping gas during silicon carbide epitaxial growth or by ion implantation after growth. Next, a non-doped silicon epitaxial layer 3 is formed on the silicon carbide layer 4 using a CVD method, thereby forming a Si / SiC / Si stacked structure (FIG. 10-1).
次に、図10−2に示すように、ノンドープのシリコンエピタキシャル層3上に第1のレジストR1からなるマスクパターンを形成する。そして、このマスクパターン越しにボロンのイオン注入を行ない、Pウェル2pを形成する。このときノンドープのシリコンエピタキシャル層3およびシリコンカーバイド層についてもPウェルと同様にボロンが注入される。このボロン注入のなされたシリコンカーバイド層が拡散ブロック層4Pとなる。ただし、このときシリコンカーバイド中では、ボロンが欠陥にトラップされ、キャリア濃度はシリコン中に比べて大幅に低い。 Next, as shown in FIG. 10-2, a mask pattern made of the first resist R1 is formed on the non-doped silicon epitaxial layer 3. Then, boron ions are implanted through the mask pattern to form a P well 2p. At this time, boron is implanted also into the non-doped silicon epitaxial layer 3 and the silicon carbide layer as in the P well. The silicon carbide layer into which boron has been implanted becomes the diffusion block layer 4P. However, at this time, in silicon carbide, boron is trapped by defects, and the carrier concentration is significantly lower than in silicon.
そして図10−3に示すように、第2のレジストR2からなるマスクパターンを形成する。そして、このマスクパターン越しにリンのイオン注入を行ないNウェル2nを形成する。このときノンドープのシリコンエピタキシャル層3およびシリコンカーバイド層についてもNウェルと同様にリンが注入される。このリン注入のなされたシリコンカーバイド層が拡散ブロック層4Pとなる。ただし、このときシリコンカーバイド中では、リンが欠陥にトラップされ、キャリア濃度はシリコン中に比べて大幅に低い。 Then, as shown in FIG. 10-3, a mask pattern made of the second resist R2 is formed. Then, phosphorus ions are implanted through this mask pattern to form an N well 2n. At this time, phosphorus is also implanted into the non-doped silicon epitaxial layer 3 and the silicon carbide layer as in the N well. This phosphorus-implanted silicon carbide layer becomes the diffusion block layer 4P. However, at this time, in silicon carbide, phosphorus is trapped by defects, and the carrier concentration is significantly lower than in silicon.
この後、図10−4に示すように、CVD法によりシリコンナイトライド層を形成し、このシリコンナイトライド層をフォトリソグラフィとRIE(Reactive Ion Etching)によりパターニングしてハードマスクHRを形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 10-4, a silicon nitride layer is formed by a CVD method, and this silicon nitride layer is patterned by photolithography and RIE (Reactive Ion Etching) to form a hard mask HR.
そして、図10−5に示すように、このハードマスクHRをマスクとして、ノンドープのシリコンエピタキシャル層3、シリコンカーバイド層からなる拡散ブロック層4p、4nおよびPウェル2p、Nウェル2nを所定の高さまでエッチング除去し、フィンFを形成する。 Then, as shown in FIG. 10-5, with the hard mask HR as a mask, the non-doped silicon epitaxial layer 3, the diffusion block layers 4p and 4n made of a silicon carbide layer, the P well 2p, and the N well 2n are brought to a predetermined height. Etching is removed to form fins F.
この後、図10−6に示すように、プラズマCVD法を用いて、素子分離絶縁層7を形成するためのTEOS膜を堆積する。 Thereafter, as shown in FIG. 10-6, a TEOS film for forming the element isolation insulating layer 7 is deposited by plasma CVD.
次に、図10−7に示すように、シリコンナイトライド層からなるハードマスクHRをストッパとしてCMP(Chemical Mechanical Polish)法により平坦化する。 Next, as shown in FIG. 10-7, planarization is performed by a CMP (Chemical Mechanical Polish) method using a hard mask HR made of a silicon nitride layer as a stopper.
さらに、図10−8に示すように、TEOS膜の上面位置がシリコンカーバイド層からなる拡散ブロック層4p、4nの上面位置と同程度となるようにRIE加工することで、素子分離絶縁層7が形成される。 Further, as shown in FIG. 10-8, the element isolation insulating layer 7 is formed by RIE processing so that the upper surface position of the TEOS film is substantially the same as the upper surface position of the diffusion block layers 4p and 4n made of the silicon carbide layer. It is formed.
なお、必要に応じて、素子分離絶縁層7上面に対してそれぞれ順次NチャネルFET側およびPチャネルFET側をレジスト被覆しボロンあるいはリンを垂直にイオン注入する。このときSTI表面で反跳したボロンあるいはリンの一部がフィンチャネルボトムのシリコンカーバイド層に注入されて、拡散ブロック層4p、4nを形成するようにしてもよい。 If necessary, the N channel FET side and the P channel FET side are sequentially coated with resist on the upper surface of the element isolation insulating layer 7, and boron or phosphorus is ion-implanted vertically. At this time, a part of boron or phosphorus recoiled on the STI surface may be injected into the silicon carbide layer at the fin channel bottom to form the diffusion block layers 4p and 4n.
この後、図10−9に示すように、ALD(Atomic Layer Deposition)法によりフィンF表面にゲート絶縁膜5となるハフニウムシリコンオキシナイトライドを成膜する。 Thereafter, as shown in FIG. 10-9, hafnium silicon oxynitride to be the gate insulating film 5 is formed on the surface of the fin F by an ALD (Atomic Layer Deposition) method.
そして、図10−10に示すように、ゲート電極6となるチタンナイトライドをCVD法により成膜する。このようにゲート電極6としてチタンナイトライドなど仕事関数がシリコンのバンドギャップの中央にある材料を用いることで、NチャネルFinFETとPチャネルFinFETとにおいてゲート電極を共通化することができる。 Then, as shown in FIG. 10-10, titanium nitride to be the gate electrode 6 is formed by a CVD method. Thus, by using a material having a work function in the center of the silicon band gap, such as titanium nitride, as the gate electrode 6, the gate electrode can be shared between the N-channel FinFET and the P-channel FinFET.
この後、図10−11に示すように、シリコンナイトライドを成膜し、フォトリソグラフィとRIEを用いてパターニングしてハードマスクHR2を形成する。 Thereafter, as shown in FIGS. 10-11, a silicon nitride film is formed and patterned by photolithography and RIE to form a hard mask HR2.
この後、図10−12に示すように、ハードマスクHR2をマスクとしてゲート電極6をRIEで加工する。このときソース・ドレイン領域のゲート電極材料はRIEで除去される。なお、このソース・ドレイン領域のゲート電極材料のRIEにおいてゲート絶縁膜5はエッチングストッパとして機能する。 Thereafter, as shown in FIG. 10-12, the gate electrode 6 is processed by RIE using the hard mask HR2 as a mask. At this time, the gate electrode material in the source / drain regions is removed by RIE. In the RIE of the gate electrode material in the source / drain regions, the gate insulating film 5 functions as an etching stopper.
この後、図10−13に示すように、ソース・ドレイン領域のゲート絶縁膜5をウェットエッチングにより選択的に除去する。 Thereafter, as shown in FIG. 10-13, the gate insulating film 5 in the source / drain regions is selectively removed by wet etching.
この後、図10−14に示すように、CVD法により側壁絶縁膜9となるシリコンナイトライドを成膜する。 Thereafter, as shown in FIGS. 10-14, a silicon nitride film to be the sidewall insulating film 9 is formed by the CVD method.
そして、図10−15に示すように、RIEを行いソース・ドレイン領域のフィンFの側面のシリコンナイトライドは完全に除去しつつ、ゲート電極6の側面のシリコンナイトライドは残留させて側壁絶縁膜9を形成する(なお、図10−15では側壁絶縁膜は見えないため図示を省略する)。 Then, as shown in FIG. 10-15, RIE is performed to completely remove the silicon nitride on the side surfaces of the fins F in the source / drain regions, while leaving the silicon nitride on the side surfaces of the gate electrode 6 to remain. 9 is formed (the side wall insulating film is not visible in FIGS. 10-15 and is not shown).
この後、図10−16に示すように、選択的エピタキシャル成長法により、ゲート電極6および側壁絶縁膜9で覆われていないフィンFの表面にシリコンエピタキシャル層3eを形成する。この工程により、ソース・ドレイン領域のフィン幅を広くすることができるため、ソース・ドレインの寄生抵抗を低減することができる。 Thereafter, as shown in FIG. 10-16, a silicon epitaxial layer 3e is formed on the surface of the fin F not covered with the gate electrode 6 and the sidewall insulating film 9 by selective epitaxial growth. By this step, the fin width of the source / drain region can be increased, so that the parasitic resistance of the source / drain can be reduced.
そして、図10−17に示すように、シリコンエピタキシャル層3eを形成して、太くなったフィンFに不純物のイオン注入を行い、ソース・ドレイン領域3s、3dを形成する。まずPチャネルFET側を第3のレジストR3で被覆し、NチャネルFET側にリンまたは砒素などのN型不純物をイオン注入する。 Then, as shown in FIG. 10-17, a silicon epitaxial layer 3e is formed, and impurity ions are implanted into the thickened fin F to form source / drain regions 3s, 3d. First, the P-channel FET side is covered with the third resist R3, and N-type impurities such as phosphorus or arsenic are ion-implanted into the N-channel FET side.
そして、図10−18に示すように、NチャネルFET側を第4のレジストR4で被覆し、PチャネルFET側にボロンなどのP型不純物をイオン注入する。 Then, as shown in FIG. 10-18, the N-channel FET side is covered with the fourth resist R4, and P-type impurities such as boron are ion-implanted into the P-channel FET side.
この後、図10−19に示すように、不活性ガス雰囲気中でアニールを行ない、ソース・ドレイン領域3s、3dに注入された不純物を活性化する。また、ここでのアニールによって、図10−17および図10−18でソース・ドレイン領域に注入された不純物がフィンの中央およびチャネル方向へ拡散することで、ソース・ドレイン エクステンションを形成することができる。このため、ここでは通常のトランジスタ形成で用いられているエクステンション イオン注入は省略した。 Thereafter, as shown in FIG. 10-19, annealing is performed in an inert gas atmosphere to activate the impurities implanted in the source / drain regions 3s and 3d. Further, by the annealing here, the impurity implanted into the source / drain region in FIGS. 10-17 and 10-18 diffuses in the center of the fin and in the channel direction, whereby the source / drain extension can be formed. . For this reason, the extension ion implantation used in normal transistor formation is omitted here.
この後、図10−20に示すように、スパッタリング法により、ソース・ドレイン領域3s、3dに、金属膜を成膜してから熱処理を行い、シリサイド3Mを形成する。ここでシリサイド形成時にソース・ドレイン領域3s、3dが完全にシリサイドになってしまわないようにすることが必要である。完全にシリサイド化してしまうと、ソース・ドレイン寄生抵抗の主要因であるSiとシリサイドの接触面積が減少し、界面抵抗が増大するため、完全なシリサイド化は回避する必要がある。シリサイド材料としてはニッケルシリサイド、コバルトシリサイド、チタンシリサイドなどを用いることができる。 Thereafter, as shown in FIG. 10-20, a metal film is formed in the source / drain regions 3s and 3d by sputtering and then heat treatment is performed to form silicide 3M. Here, it is necessary to prevent the source / drain regions 3s and 3d from being completely silicided when the silicide is formed. If silicidation is complete, the contact area between Si and silicide, which is the main cause of source / drain parasitic resistance, decreases, and the interface resistance increases. Therefore, complete silicidation must be avoided. As the silicide material, nickel silicide, cobalt silicide, titanium silicide, or the like can be used.
このようにして、図1に示した構成の半導体装置(FinFET)が完成する。ここでフィン上のハードマスクHRはそのまま残し上部絶縁膜8とする。 Thus, the semiconductor device (FinFET) having the configuration shown in FIG. 1 is completed. Here, the hard mask HR on the fin is left as it is to form the upper insulating film 8.
上述のように、フィンチャネルのボトムにバンドギャップの大きいシリコンカーバイドからなる拡散ブロック層4p、4nを形成することで、ウェル耐圧の低下を抑制することができる。また、これによって不純物からなるPTSを用いることなくフィンチャネルボトムのソース領域3s・ドレイン領域3d間のパンチスルー電流を抑制することが可能となる。また、拡散ブロック層4p、4n中の不純物濃度が低いため、チャネル中の不純物濃度の増加が抑制できる。これによって、チャネル不純物濃度の増加によるオン電流の低下等のFinFETの性能劣化を抑制することが可能となる。 As described above, by forming the diffusion block layers 4p and 4n made of silicon carbide having a large band gap at the bottom of the fin channel, it is possible to suppress a decrease in well breakdown voltage. This also makes it possible to suppress the punch-through current between the source region 3s and the drain region 3d at the fin channel bottom without using PTS made of impurities. Further, since the impurity concentration in the diffusion block layers 4p and 4n is low, an increase in the impurity concentration in the channel can be suppressed. As a result, it is possible to suppress degradation of FinFET performance such as a decrease in on-current due to an increase in channel impurity concentration.
加えて、フィンチャネルのボトム領域にシリコンカーバイドからなる拡散ブロック層4p、4nを用いた場合、シリコンカーバイドの熱伝導率が高いためセルフヒーティング効果を抑制することができる。SOI基板を用いたFinFET(SOI FinFET)ではシリコンのフィンチャネル下にBOX(Buried Oxide:SiO2)が存在し、SiO2の熱伝導率が小さいためセルフヒーティングによる性能の劣化が報告されている。一方、Bulk FinFETではBOXが存在せずSOI FinFETと比べてセルフヒーティングの影響を受けにくいが、デバイスの微細化によりフィン幅が微細になるとシリコンフィンチャネルからシリコン基板への熱の輸送がしにくくなり、セルフヒーティングの影響を受けやすくなる。したがってフィンチャネルボトムにシリコンカーバイドなどの高熱伝導率の材料を用いることはセルフヒーティングによる性能劣化抑制の点でもメリットがある。 In addition, when the diffusion block layers 4p and 4n made of silicon carbide are used in the bottom region of the fin channel, the self-heating effect can be suppressed because the thermal conductivity of silicon carbide is high. In FinFETs using SOI substrates (SOI FinFETs), BOX (Buried Oxide: SiO 2 ) exists under the fin channel of silicon, and since the thermal conductivity of SiO 2 is small, performance degradation due to self-heating has been reported. . On the other hand, Bulk FinFET does not have BOX and is less susceptible to self-heating than SOI FinFET. However, if the fin width becomes fine due to device miniaturization, it is difficult to transport heat from the silicon fin channel to the silicon substrate. Become more susceptible to self-heating. Therefore, the use of a material having high thermal conductivity such as silicon carbide for the fin channel bottom is advantageous in terms of suppressing performance deterioration due to self-heating.
また、本実施形態においては、拡散ブロック層4p、4nの少なくとも一部が素子分離絶縁層7で被覆されており素子分離絶縁層7は拡散ブロック層4p、4nと接した位置を上面として、シリコン基板1上のPウェル2pおよびNウェル2nまで形成されている。このため、本実施形態のFinFETでは拡散ブロック層4p、4nのバンドギャップを十分大きくすることで、チャネル幅を拡散ブロック層4p、4nの上面の位置で規定することができる。従って素子分離絶縁層7の上面の位置が変動した場合でも拡散ブロック層4p、4nの領域に納まるようにすることで、チャネル幅を一定に保つことができる。従来のBulk FinFETでは、素子分離絶縁層7の上面の位置がプロセスばらつきで変動することでチャネル幅が変動することが課題であったが、本実施形態ではそれを解決することができる。 Further, in this embodiment, at least a part of the diffusion block layers 4p and 4n is covered with the element isolation insulating layer 7, and the element isolation insulating layer 7 is silicon with the position in contact with the diffusion block layers 4p and 4n as the upper surface. The P well 2p and the N well 2n on the substrate 1 are formed. For this reason, in the FinFET of this embodiment, the channel width can be defined by the position of the upper surface of the diffusion block layers 4p and 4n by sufficiently increasing the band gap of the diffusion block layers 4p and 4n. Therefore, even when the position of the upper surface of the element isolation insulating layer 7 is changed, the channel width can be kept constant by being within the diffusion block layers 4p and 4n. In the conventional Bulk FinFET, the problem is that the channel width fluctuates because the position of the upper surface of the element isolation insulating layer 7 fluctuates due to process variations, but this embodiment can solve this problem.
また、本実施形態の半導体装置は、PチャネルFinFETとNチャネルFinFETとが同一のシリコン基板上に形成されたCMOSFETについて説明したが、異なる導電型のチャネルを有する3個以上のFinFETを形成した場合にも有効である。また多数キャリアが電子である場合にもホールである場合にもワイドバンドギャップ層が電位障壁を高くすることになり、個別のPチャネルFinFET、NチャネルFinFETのいずれの場合にもソース領域3s、ドレイン領域3d中の多数キャリアの基板への拡散抑制に有効である。特に、この拡散ブロック層はPチャネルFinFETとNチャネルFinFETのいずれに対しても有効であるため、いずれに対しても、例えばSi/SiC/Siなど同一の積層構造を用いることができ、製造工程の簡略化をはかることができる。 In the semiconductor device according to the present embodiment, the CMOSFET in which the P-channel FinFET and the N-channel FinFET are formed on the same silicon substrate has been described. However, when three or more FinFETs having different conductivity types are formed. Also effective. In addition, the wide band gap layer raises the potential barrier regardless of whether the majority carrier is an electron or a hole, and the source region 3s, the drain is drained in both cases of individual P-channel FinFET and N-channel FinFET. This is effective for suppressing the diffusion of majority carriers in the region 3d into the substrate. In particular, since this diffusion block layer is effective for both the P-channel FinFET and the N-channel FinFET, for example, the same laminated structure such as Si / SiC / Si can be used for the manufacturing process. Can be simplified.
なお、Bulk FinFETを用いたCMOS回路におけるウェル耐圧評価の構造例を図3−1および図3−2に示す。図3−1および図3−2ではPウェルの基板コンタクト端子Aと端子BをGND電位、端子Cをフローティングにした状態で、端子Dの電位をスイープし、N+拡散層とNウェル間のリーク電流を評価するものである。P+拡散層とPウェル間のリーク電流を評価する場合は、端子Cおよび端子DをGND電位、端子Bをフローティングにした状態で、端子Aの電位をスイープすることで行うことができる。 A structural example of well breakdown voltage evaluation in a CMOS circuit using a Bulk FinFET is shown in FIGS. 3-1 and 3-2. In FIGS. 3A and 3B, the potential of the terminal D is swept while the substrate contact terminal A and the terminal B of the P well are set to the GND potential and the terminal C is floated, and the N + diffusion layer and the N well are The leakage current is evaluated. The leakage current between the P + diffusion layer and the P well can be evaluated by sweeping the potential of the terminal A while the terminal C and the terminal D are in the GND potential and the terminal B is in the floating state.
次に、従来のPTSを用いた場合のウェル耐圧のPTS中の不純物濃度依存性について説明する。図3−1および図3−2と同様の構造をもつ半導体装置を用いて、ウェル耐圧のPTS濃度依存性をシミュレーションした結果を図5−1および図5−2に示す。縦軸はリーク電流、横軸はウェルバイアス(図3−2の構造および各端子のバイアス条件で、端子Dへの印加電位に対応)である。図中破線で示すのがリーク電流のスペック(許容上限値)である。図5−1はSTI幅が120nmのとき、図5−2はSTI幅が150nmのときの結果を示す。また図5−1および図5−2において、a〜eはPTS濃度がそれぞれ1x1017、1x1018、3x1018、5x1018、1x1019(atoms/cm3)のときのシミュレーション結果である。図5−1および図5−2からウェル耐圧はPTS濃度の増加、STI幅の増加で改善することがわかる。 Next, the dependence of the well breakdown voltage on the impurity concentration in the PTS when the conventional PTS is used will be described. FIGS. 5A and 5B show the results of simulating the PTS concentration dependence of the well breakdown voltage using a semiconductor device having the same structure as FIGS. 3A and 3B. The vertical axis represents the leakage current, and the horizontal axis represents the well bias (corresponding to the potential applied to the terminal D under the structure of FIG. 3-2 and the bias condition of each terminal). The broken line in the figure indicates the specification (allowable upper limit value) of the leakage current. FIG. 5-1 shows the results when the STI width is 120 nm, and FIG. 5-2 shows the results when the STI width is 150 nm. In Figure 5-1 and Figure 5-2, a to e is the simulation result when the each PTS concentration 1x10 17, 1x10 18, 3x10 18 , 5x10 18, 1x10 19 (atoms / cm 3). 5A and 5B, the well breakdown voltage is improved by increasing the PTS concentration and the STI width.
また、図6−1は端子A、端子BがGND電位、端子Cがフローティングの状態で、端子Dに3Vの電位を印加した場合のウェル内のリーク電流(電子電流)分布を示したものであり、図6−2は端子C、端子DがGND電位、端子Bがフローティングの状態で、端子Aに-3Vの電位を印加した場合のウェル内のリーク電流(ホール電流)分布を示したものである。この結果からウェルバイアス印加時にウェルを流れるリーク電流は、図6−1では端子B、D間(N+拡散層/Nウェル)、図6−2では端子A、C間(P+拡散層/Pウェル)に流れる電流が支配的であることがわかる。 FIG. 6A shows the leakage current (electron current) distribution in the well when a potential of 3 V is applied to the terminal D with the terminal A and the terminal B being in the GND potential and the terminal C in the floating state. Fig. 6-2 shows the leakage current (hole current) distribution in the well when a potential of -3V is applied to the terminal A with the terminal C and terminal D in the GND potential and the terminal B in the floating state. It is. From this result, the leakage current flowing through the well when the well bias is applied is between terminals B and D (N + diffusion layer / N well) in FIG. 6-1, and between terminals A and C (P + diffusion layer / It can be seen that the current flowing in the (P well) is dominant.
上記のウェルリーク電流の起源を調べるためウェル内の電位分布をシミュレーションした結果を図7に示す。なお、ここではN+拡散層/Nウェル間の耐圧評価に対応した図6−1の場合についてのみ示す。図7においてP地点からQ地点までおよびQ地点からR地点までのルートにおける電位分布はそれぞれ図8−1および8−2に示すようになる。電子のエネルギーはグラフの上側ほど低くなっており、N+拡散層中の電子がPTS領域の電位障壁を乗り越えてQ地点まで到達するとそこから電位障壁の坂を下るようにR地点に流れ込むことがわかる。このようにして流れる電流が図6−1に示したウェルリーク電流の起源である。このためPTS領域の電位障壁がウェルリーク電流と関係していることが予想される。 FIG. 7 shows the result of simulating the potential distribution in the well in order to investigate the origin of the well leakage current. Here, only the case of FIG. 6A corresponding to the evaluation of the breakdown voltage between the N + diffusion layer / N well is shown. In FIG. 7, potential distributions in the route from the point P to the point Q and from the point Q to the point R are as shown in FIGS. 8-1 and 8-2, respectively. The energy of the electrons is lower toward the upper side of the graph, and when electrons in the N + diffusion layer get over the potential barrier in the PTS region and reach the point Q, they can flow into the point R so as to go down the potential barrier slope. Recognize. The current flowing in this way is the origin of the well leakage current shown in FIG. For this reason, it is expected that the potential barrier in the PTS region is related to the well leakage current.
次に、PTS濃度を変えて同様の電位分布を調べた。図9−1〜図9−4は、それぞれPTS濃度が1x1017、1x1018、3x1018、5x1018(atoms/cm3)のときの電位分布を示す。図9−1〜9−4に示すようにPTS濃度の増加によりPTS領域の電位障壁が増加している。これにより図5−1、5−2に示すPTS濃度増加によるウェルリーク電流の低減(耐圧の改善)はこの電位障壁の増加が原因であることがわかる。 Next, the same potential distribution was examined by changing the PTS concentration. 9A to 9D show potential distributions when the PTS concentrations are 1 × 10 17 , 1 × 10 18 , 3 × 10 18 , and 5 × 10 18 (atoms / cm 3 ), respectively. As shown in FIGS. 9-1 to 9-4, the potential barrier of the PTS region is increased by increasing the PTS concentration. Thus, it can be seen that the decrease in well leakage current (improvement of breakdown voltage) due to the increase in PTS concentration shown in FIGS. 5A and 5B is caused by the increase in the potential barrier.
PTS領域はBulk FinFETのフィンチャネルのボトムを流れるソース・ドレイン間のパンチスルー電流の抑制に必要なものであるが、上記のようにウェルリーク電流の抑制にも有効であることがわかる。 The PTS region is necessary for suppressing the punch-through current between the source and the drain flowing through the bottom of the fin channel of the Bulk FinFET, but it can be seen that it is also effective for suppressing the well leak current as described above.
ただし前述したように、ウェル耐圧の改善のためPTS濃度を増加させるとFinFETのチャネル不純物濃度が増加して1)オン電流劣化、2)不純物ゆらぎによる特性ばらつき増加、3)ソース・ドレイン領域のフィンボトムでの接合リーク電流増加、などの問題がある。 However, as described above, if the PTS concentration is increased to improve the well breakdown voltage, the channel impurity concentration of the FinFET increases, 1) deterioration of on-current, 2) increase in characteristic variation due to impurity fluctuations, and 3) fins in the source / drain regions. There are problems such as an increase in junction leakage current at the bottom.
以上については、本実施形態の半導体装置で用いられている拡散ブロック層ではなく、不純物層からなるPTSを用いたものであるが、それ以外の構成については拡散ブロック層を有するものと同様のFinFETを用いて行なった。 The above is not the diffusion block layer used in the semiconductor device of the present embodiment, but a PTS made of an impurity layer, but the rest of the configuration is the same FinFET having a diffusion block layer. It was performed using.
これに対し、本実施形態のように、ワイドバンドギャップ材料からなる拡散ブロック層を用いることで、不純物層からなるPTSを形成することなく、ウェル耐圧の改善が実現される。一方、STI幅増加、Fin幅増加などもウェル耐圧の改善に効果があることが上記のシミュレーションで確認されたが、これらの方法はLSIの高集積化には適さない。したがって、Bulk FinFETのウェル耐圧改善技術として、本実施形態の半導体装置はPTSを用いた場合の問題点を回避しつつ、LSIの高集積化に有効な技術であることがわかる。 On the other hand, by using a diffusion block layer made of a wide band gap material as in this embodiment, the well breakdown voltage can be improved without forming a PTS made of an impurity layer. On the other hand, it has been confirmed in the above simulation that an increase in STI width and an increase in Fin width are effective in improving the well breakdown voltage. However, these methods are not suitable for high integration of LSI. Therefore, it can be seen that, as a technique for improving the well breakdown voltage of Bulk FinFET, the semiconductor device of this embodiment is an effective technique for high integration of LSI while avoiding the problems when PTS is used.
なお、前記実施形態では、フィンチャネルがシリコンで構成された場合について説明したが、シリコンゲルマニウムSiGe、あるいはゲルマニウムGeでもよい。 In the embodiment, the case where the fin channel is made of silicon has been described. However, silicon germanium SiGe or germanium Ge may be used.
また、拡散ブロック層を構成するワイドバンドギャップ材料としては、シリコンカーバイド(SiC)の他、ガリウムリン(GaP)、ガリウムナイトライド(GaN)など他の材料を用いることも可能である。このように、フィンをシリコンで構成した場合、GaPは格子整合性の観点からは、拡散ブロック層として極めて有効である。これは、GaPの格子定数は、5.45Åであるためシリコンの5.43Åにきわめて近く、Siとの格子ミスマッチが小さくヘテロ接合での結晶欠陥が発生しにくいためである。 As the wide band gap material constituting the diffusion block layer, other materials such as gallium phosphide (GaP) and gallium nitride (GaN) can be used in addition to silicon carbide (SiC). Thus, when the fin is made of silicon, GaP is extremely effective as a diffusion block layer from the viewpoint of lattice matching. This is because the lattice constant of GaP is 5.45Å, so that it is very close to 5.43Å of silicon, the lattice mismatch with Si is small, and crystal defects at the heterojunction are less likely to occur.
さらにまた、前記実施形態では、拡散ブロック層をシリコンカーバイド単層で構成したが、シリコンで構成されたフィンとシリコンカーバイドの間に組成傾斜層を介在させたり、バッファ層を介在させたりすることで、Siとの格子不整合(ミスフィット)を緩和し、ヘテロ接合での結晶欠陥の発生を抑制するようにしてもよい。組成傾斜層は、Si1−xCx(0<x<0.5)の組成式で表され、その中に含まれるカーボン濃度が、シリコン層との界面で低く、シリコンカーバイドに近づくにつれて高くなるような組成を有する。バッファ層は、組成が連続的ではない、複数の層で構成されても良い。この場合も、拡散ブロック層側に位置する層の格子定数が、凸状半導体層側に位置する層の格子定数よりも、拡散ブロック層の格子定数に近く、また、凸状半導体層側に位置する層の格子定数が、拡散ブロック層側に位置する層の格子定数よりも、凸状半導体層の格子定数に近くなるようになっていることが望ましい。 Furthermore, in the above embodiment, the diffusion block layer is composed of a single layer of silicon carbide. However, a composition gradient layer is interposed between the fin composed of silicon and silicon carbide, or a buffer layer is interposed. The lattice mismatch (misfit) with Si may be alleviated, and the generation of crystal defects at the heterojunction may be suppressed. The composition gradient layer is represented by a composition formula of Si 1-x C x (0 <x <0.5), and the concentration of carbon contained therein is low at the interface with the silicon layer and becomes higher as it approaches silicon carbide. The composition is as follows. The buffer layer may be composed of a plurality of layers whose composition is not continuous. Also in this case, the lattice constant of the layer located on the diffusion block layer side is closer to the lattice constant of the diffusion block layer than the lattice constant of the layer located on the convex semiconductor layer side, and is located on the convex semiconductor layer side. It is desirable that the lattice constant of the layer to be formed is closer to the lattice constant of the convex semiconductor layer than the lattice constant of the layer located on the diffusion block layer side.
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図11は、第2の実施形態にかかる半導体装置であるFinFETの概略構成を示す斜視図、図12は図11のA−A断面図である。本実施形態では、NチャネルFinFETについて説明する。前記実施形態1のCMOS FinFETで用いたNチャネルFinFETとほぼ同様であるが、本実施形態では図11および図12に示すように、シリコンカーバイド層4からなる拡散ブロック層とフィンFを構成するPウェル2pとの間に、カーボン濃度が連続的に変化する組成傾斜層Si1−xCx(0<x<0.5)4Gを介在させたことを特徴とする。本実施形態において組成傾斜層4Gは、チャネル領域3c側のフィンFと拡散ブロック層4との間に形成されている。組成傾斜層4G中のカーボン濃度は、シリコン層との界面で低く、シリコンカーバイド層に近づくにつれて高くなる。組成傾斜層4Gの形成に際しては、フィンFを構成するシリコンとの界面ではカーボン濃度が低く、界面から離れるにつれてカーボン濃度が高くなるよう成膜中にカーボン濃度をコントロールすることで得られる。他は前記第1の実施形態のCMOS FinFETのNチャネルFinFETと同様であるためここでは説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a FinFET that is a semiconductor device according to the second embodiment, and FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. In this embodiment, an N-channel FinFET will be described. Although it is almost the same as the N-channel FinFET used in the CMOS FinFET of the first embodiment, in this embodiment, as shown in FIGS. 11 and 12, the diffusion block layer composed of the silicon carbide layer 4 and the P constituting the fin F are formed. The composition gradient layer Si 1-x C x (0 <x <0.5) 4G having a continuously changing carbon concentration is interposed between the well 2p and the well 2p. In the present embodiment, the composition gradient layer 4G is formed between the fin F on the channel region 3c side and the diffusion block layer 4. The carbon concentration in the composition gradient layer 4G is low at the interface with the silicon layer, and increases as it approaches the silicon carbide layer. The composition gradient layer 4G is formed by controlling the carbon concentration during film formation so that the carbon concentration is low at the interface with the silicon constituting the fin F, and the carbon concentration increases as the distance from the interface increases. Others are the same as those of the N-channel FinFET of the CMOS FinFET of the first embodiment, and the description is omitted here.
フィンチャネルのボトム領域に形成されるワイドバンドギャップ材料にシリコンカーバイドを用いる場合、例えば3C−SiCを用いることができる。しかしながら、格子定数はSiが5.43Å、3C−SiCが4.36Åと格子ミスフィットが大きいため、Si中に圧縮歪が発生することがある。また、格子ミスフィットを低減するために結晶欠陥(ミスフィット転位)が発生することもある。FinFETにおいてSi/SiC積層構造はSiフィンチャネル中にソース・ドレイン方向に圧縮応力を生じてPMOSのチャネル中のホール移動度を向上させるが、NMOSのチャネル中の電子移動度を低下させる。これに対し、本実施形態では、シリコンカーバイド層4からなる拡散ブロック層とフィンFを構成するPウェル2pとの間に、カーボン濃度が連続的に変化する組成傾斜層Si1−xCx(0<x<0.5)4Gを介在させている。このため、Si/SiCの格子ミスフィットを低減することができ、電子移動度の低下を招くことがない。従って、NMOS FinFETの性能劣化を抑制することができる。 When silicon carbide is used for the wide band gap material formed in the bottom region of the fin channel, for example, 3C—SiC can be used. However, since the lattice constant is 5.435 for Si and 4.36Å for 3C-SiC and the lattice misfit is large, compressive strain may occur in Si. In addition, crystal defects (misfit dislocations) may occur in order to reduce lattice misfit. In the FinFET, the Si / SiC stacked structure generates a compressive stress in the source / drain direction in the Si fin channel to improve the hole mobility in the PMOS channel, but decreases the electron mobility in the NMOS channel. On the other hand, in the present embodiment, the composition gradient layer Si 1-x C x (in which the carbon concentration continuously changes between the diffusion block layer formed of the silicon carbide layer 4 and the P well 2p constituting the fin F. 0 <x <0.5) 4G is interposed. For this reason, the lattice misfit of Si / SiC can be reduced, and the fall of an electron mobility is not caused. Therefore, the performance degradation of the NMOS FinFET can be suppressed.
さらにまた、組成傾斜層4Gを拡散ブロック層4の上部だけでなく下部にも形成しても良い。 Furthermore, the composition gradient layer 4G may be formed not only on the diffusion block layer 4 but also on the bottom.
加えて、拡散ブロック層自体を組成傾斜層で形成しても良い。この場合は、拡散ブロック層の内部にシリコンカーバイド層が形成され、それよりも上層側、下層側に行くに従いカーボン濃度xが連続的に減少する組成傾斜層Si1−xCxを拡散ブロック層として用いることができる。 In addition, the diffusion block layer itself may be formed of a composition gradient layer. In this case, a silicon carbide layer is formed inside the diffusion block layer, and the composition gradient layer Si 1-x C x in which the carbon concentration x continuously decreases toward the upper layer side and the lower layer side is formed as the diffusion block layer. Can be used as
なお、前記第2の実施形態ではバッファ層として組成傾斜層を用いたが、格子定数が、拡散ブロック層の格子定数と凸状半導体層(フィン)の格子定数との間の値を持つSi0.75C0.25などの単一バッファ層を用いてもよい。また単一バッファ層としては、格子定数が、拡散ブロック層の格子定数と凸状半導体層の格子定数との中間の値であるのが望ましいが、いずれかに近い値をもっていてもよい。また、バッファ層は、組成が連続的ではない、複数の層で構成されても良い。この場合も、拡散ブロック層側に位置する層の格子定数が、凸状半導体層側に位置する層の格子定数よりも、拡散ブロック層の格子定数に近く、また、凸状半導体層側に位置する層の格子定数が、拡散ブロック層側に位置する層の格子定数よりも、凸状半導体層の格子定数に近くなるように形成するのが望ましい。 Although the composition gradient layer is used as the buffer layer in the second embodiment, the lattice constant is Si 0 having a value between the lattice constant of the diffusion block layer and the lattice constant of the convex semiconductor layer (fin). A single buffer layer such as .75 C 0.25 may be used. The single buffer layer preferably has a lattice constant that is an intermediate value between the lattice constant of the diffusion block layer and the lattice constant of the convex semiconductor layer, but may have a value close to either. Further, the buffer layer may be composed of a plurality of layers whose composition is not continuous. Also in this case, the lattice constant of the layer located on the diffusion block layer side is closer to the lattice constant of the diffusion block layer than the lattice constant of the layer located on the convex semiconductor layer side, and is located on the convex semiconductor layer side. The lattice constant of the layer to be formed is preferably closer to the lattice constant of the convex semiconductor layer than the lattice constant of the layer located on the diffusion block layer side.
また別の方法としてSi/SiC間にバッファ層としてリン化ホウ素(BP)を用いてもよい。 As another method, boron phosphide (BP) may be used as a buffer layer between Si / SiC.
さらにまた、第2の実施形態ではNチャネルFinFETについて説明したが、PチャネルFinFETについても適用可能であることはいうまでもなく、第1の実施形態のようにCMOS FinFETにも適用可能である。この場合もNチャネルFinFETについてチャネル中の電子移動度の低下を招くことなくウェル耐圧の高いFinFETを得ることが可能である。 Furthermore, in the second embodiment, the N-channel FinFET has been described. However, it is needless to say that the present invention can also be applied to a P-channel FinFET, and can be applied to a CMOS FinFET as in the first embodiment. Also in this case, it is possible to obtain a FinFET having a high well breakdown voltage without causing a decrease in electron mobility in the channel for the N-channel FinFET.
以上のように、本実施形態の半導体装置によれば、フィンチャネルのボトムに形成されたワイドバンドギャップ材料からなる拡散ブロック層とその上下のシリコン層とのヘテロ界面にバッファ層を形成することで、拡散ブロック層とシリコン層との格子不整合によるシリコン中への歪や結晶欠陥発生によるFinFETの特性劣化を抑制することが可能となる。 As described above, according to the semiconductor device of the present embodiment, the buffer layer is formed at the heterointerface between the diffusion block layer made of the wide band gap material formed at the bottom of the fin channel and the silicon layer above and below the diffusion block layer. Thus, it is possible to suppress the deterioration of the characteristics of the FinFET due to the strain in silicon due to the lattice mismatch between the diffusion block layer and the silicon layer and the occurrence of crystal defects.
また、本実施形態の半導体装置は、第1の実施形態の半導体装置のようにCMOS構造のFinFETにも適用可能である。この場合フィンチャネルと拡散ブロック層のヘテロ接合によりフィンチャネル中に歪が発生してチャネル中のキャリア移動度が変化することでNチャネルFinFETとPチャネルFinFETのいずれかの性能が劣化する可能性がある。これに対して組成傾斜層あるいはバッファ層を用いる場合は、ヘテロ接合における格子不整合の緩和をはかることができ、格子不整合に起因したFinFETの性能劣化を回避することが可能となる。 In addition, the semiconductor device of this embodiment can be applied to a FinFET having a CMOS structure like the semiconductor device of the first embodiment. In this case, distortion may occur in the fin channel due to the heterojunction between the fin channel and the diffusion block layer, and the carrier mobility in the channel may change, which may degrade the performance of either the N-channel FinFET or the P-channel FinFET. is there. On the other hand, when the composition gradient layer or the buffer layer is used, the lattice mismatch at the heterojunction can be relaxed, and the performance degradation of the FinFET due to the lattice mismatch can be avoided.
(第3の実施形態)
次に本発明の第3の実施形態について説明する。図13は、第3の実施形態にかかる半導体装置であるFinFETの概略構成を示す斜視図、図14は図13のA−A断面図である。本実施形態では、NチャネルFinFETの拡散ブロック層4Nとしてシリコンカーバイドに代えてガリウムナイトライド(GaN)を用いたことを特徴とする。本実施形態についても第1の実施形態および第2の実施形態のNチャネルFinFETとほぼ同様であるが、本実施形態では図13および図14に示すように、ガリウムナイトライド層からなる拡散ブロック層4Nの膜厚を10nmと極めて薄く形成することで、格子定数の差に起因する欠陥の発生を回避する構成としたものである。他は前記第1の実施形態のCMOS FinFETのNチャネルFinFETと同様であるためここでは説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 13 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a FinFET which is a semiconductor device according to the third embodiment, and FIG. 14 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. In this embodiment, gallium nitride (GaN) is used in place of silicon carbide as the diffusion block layer 4N of the N-channel FinFET. This embodiment is also substantially the same as the N-channel FinFET of the first embodiment and the second embodiment, but in this embodiment, as shown in FIGS. 13 and 14, a diffusion block layer made of a gallium nitride layer. By forming the 4N film thickness as thin as 10 nm, it is possible to avoid the occurrence of defects due to the difference in lattice constant. Others are the same as those of the N-channel FinFET of the CMOS FinFET of the first embodiment, and the description is omitted here.
GaNは格子定数が3.19Åである。Siは5.43Åであるため、Si/GaNヘテロ接合は格子ミスマッチによる結晶欠陥が発生し易い。このとき、GaNの膜厚を薄くすることで欠陥発生を回避することができる。この膜厚については10nmに限定されることなく、5nmから100nmの間で適宜設定可能である。 GaN has a lattice constant of 3.19 Å. Since Si is 5.43 mm, Si / GaN heterojunction is likely to have crystal defects due to lattice mismatch. At this time, generation of defects can be avoided by reducing the film thickness of GaN. The film thickness is not limited to 10 nm and can be set appropriately between 5 nm and 100 nm.
以上のように、本実施形態の半導体装置によれば、フィンチャネルのボトムに形成されたワイドバンドギャップ材料からなる拡散ブロック層の膜厚を十分薄くすることで、その上層側および下層側のシリコンとのヘテロ界面において、格子不整合によるシリコン中への歪や結晶欠陥発生によるFinFETの特性劣化を抑制することが可能となる。 As described above, according to the semiconductor device of this embodiment, the upper and lower silicon layers are sufficiently thinned by sufficiently reducing the thickness of the diffusion block layer made of the wide band gap material formed at the bottom of the fin channel. It is possible to suppress deterioration in characteristics of the FinFET due to strain in silicon due to lattice mismatch or generation of crystal defects at the heterointerface with the.
また、本実施形態の半導体装置の場合にも、第1の実施形態の半導体装置のようにCMOS構造のFinFETにも適用可能である。この場合フィンチャネルと拡散ブロック層のヘテロ接合によりフィンチャネル中に歪が発生してチャネル中のキャリア移動度が変化することでNチャネルFinFETとPチャネルFinFETのいずれかの性能が劣化する可能性がある。これに対して本実施形態のように拡散ブロック層に薄膜のGaNを用いれば、ヘテロ接合における格子不整合の緩和をはかることができ、格子不整合に起因したFinFETの性能劣化を回避することが可能となる。 In addition, the semiconductor device of this embodiment can also be applied to a FinFET having a CMOS structure like the semiconductor device of the first embodiment. In this case, distortion may occur in the fin channel due to the heterojunction between the fin channel and the diffusion block layer, and the carrier mobility in the channel may change, which may degrade the performance of either the N-channel FinFET or the P-channel FinFET. is there. On the other hand, if thin GaN is used for the diffusion block layer as in this embodiment, lattice mismatch at the heterojunction can be mitigated, and performance degradation of the FinFET due to lattice mismatch can be avoided. It becomes possible.
(第4の実施形態)
次に本発明の第4の実施形態について説明する。図15は、第4の実施形態にかかる半導体装置であるFinFETの概略構成を示す斜視図、図16は図15のA−A断面図である。本実施形態では、拡散ブロック層にGaNを用いており、GaNとSiの格子定数の違いに起因する格子不整合を、バッファ層4Bを挟むことで緩和し、格子不整合による歪の発生を低減するようにしている。つまり、拡散ブロック層4NであるGaNと、フィンを形成するシリコンとの間にバッファ層4Bとしてリン化ホウ素(BP)を挟んだ構成となっている。このSi/GaNヘテロ接合のバッファ層4Bとしてはリン化ホウ素に限定されることなく他の材料を用いることもできる。他は前記第1の実施形態のCMOS FinFETのNチャネルFinFETと同様であるためここでは説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 15 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a FinFET which is a semiconductor device according to the fourth embodiment, and FIG. 16 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. In this embodiment, GaN is used for the diffusion block layer, and the lattice mismatch due to the difference in lattice constant between GaN and Si is alleviated by sandwiching the buffer layer 4B, and the generation of strain due to the lattice mismatch is reduced. Like to do. That is, boron phosphide (BP) is sandwiched between the GaN as the diffusion block layer 4N and the silicon forming the fin as the buffer layer 4B. The Si / GaN heterojunction buffer layer 4B is not limited to boron phosphide, and other materials can also be used. Others are the same as those of the N-channel FinFET of the CMOS FinFET of the first embodiment, and the description is omitted here.
以上のように、本実施形態の半導体装置によれば、フィンチャネルのボトムに形成されたワイドバンドギャップ材料からなる拡散ブロック層4Nとその上下のシリコン層とのヘテロ界面において、バッファ層4Bを形成している。これにより拡散ブロック層とシリコン層との格子不整合によるシリコン中への歪や結晶欠陥によるFinFETの特性劣化を抑制することが可能となる。 As described above, according to the semiconductor device of the present embodiment, the buffer layer 4B is formed at the heterointerface between the diffusion block layer 4N made of the wide band gap material formed at the bottom of the fin channel and the silicon layer above and below the diffusion block layer 4N. doing. As a result, it is possible to suppress the deterioration of the characteristics of the FinFET due to strain into the silicon and crystal defects due to lattice mismatch between the diffusion block layer and the silicon layer.
製造に際しては、少なくとも表面が第1の半導体層からなる半導体基板上に拡散ブロック層4Nとなる第2の半導体層を形成する工程と、前記第2の半導体層上にチャネル領域となる第3の半導体層を形成する工程と、エッチングを行い、第1〜第3の半導体層からなる凸状半導体層としてのフィンFを形成する工程とを順次実施する。ここで第2の半導体層である拡散ブロック層4Nのバンドギャップは前記第3の半導体層のバンドギャップよりも大きい。 At the time of manufacture, a step of forming a second semiconductor layer to be the diffusion block layer 4N on a semiconductor substrate having at least a surface made of the first semiconductor layer, and a third region to be a channel region on the second semiconductor layer A step of forming the semiconductor layer and a step of performing etching to form the fin F as the convex semiconductor layer made of the first to third semiconductor layers are sequentially performed. Here, the band gap of the diffusion block layer 4N as the second semiconductor layer is larger than the band gap of the third semiconductor layer.
そして本実施形態では、第2の半導体層を形成する工程に先立ち、第1の半導体層と前記第2の半導体層の格子定数の中間の格子定数をもつバッファ層4Bを、第1の半導体層上に形成する工程を含む。この構成によれば、拡散ブロック層4Nを構成する第2の半導体層と第1の半導体層との、格子不整合による結晶欠陥の発生を回避することができる。これは拡散ブロック層4N上に形成されるチャネル領域を構成する第3の半導体層の結晶性を高めるという役割を果たす。 In the present embodiment, prior to the step of forming the second semiconductor layer, the buffer layer 4B having a lattice constant intermediate between the lattice constants of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is replaced with the first semiconductor layer. Forming on the top. According to this configuration, it is possible to avoid generation of crystal defects due to lattice mismatch between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer constituting the diffusion block layer 4N. This plays a role of enhancing the crystallinity of the third semiconductor layer constituting the channel region formed on the diffusion block layer 4N.
さらに本実施形態では、第2の半導体層を形成する工程の後にも、第2の半導体層と前記第3の半導体層の格子定数の中間の格子定数をもつバッファ層4Bを、第2の半導体層上に形成する工程を含む。この構成によれば、拡散ブロック層4Nを構成する第2の半導体層とチャネル領域を構成する第3の半導体層との、格子不整合による結晶欠陥の発生を回避することができる。そしてチャネル領域を構成する第3の半導体層の結晶性をさらに高めることができる。 Furthermore, in this embodiment, after the step of forming the second semiconductor layer, the buffer layer 4B having a lattice constant intermediate between the lattice constants of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer is replaced with the second semiconductor layer. Forming on the layer. According to this configuration, it is possible to avoid the occurrence of crystal defects due to lattice mismatch between the second semiconductor layer constituting the diffusion block layer 4N and the third semiconductor layer constituting the channel region. Then, the crystallinity of the third semiconductor layer constituting the channel region can be further increased.
上記バッファ層4Bは拡散ブロック層の上層および下層で異なる組成を持つものであっても良いし、同じ組成をもつものであってもよい。またバッファ層4Bは拡散ブロック層4Nの上層または下層のいずれかに形成されていても良いし、両方に形成されていてもよい。 The buffer layer 4B may have different compositions between the upper layer and the lower layer of the diffusion block layer, or may have the same composition. The buffer layer 4B may be formed on either the upper layer or the lower layer of the diffusion block layer 4N, or may be formed on both.
また、本実施形態の半導体装置の場合にも、第1の実施形態の半導体装置のようにCMOS構造のFinFETにも適用可能である。この場合フィンチャネルと拡散ブロック層のヘテロ接合によりフィンチャネル中に歪が発生してチャネル中のキャリア移動度が変化することでNチャネルFinFETとPチャネルFinFETのいずれかの性能が劣化する可能性がある。これに対して本実施形態のようにバッファ層にリン化ホウ素(BP)を用いることでヘテロ接合における格子不整合の緩和をはかることができ、格子不整合に起因したFinFETの性能劣化を回避することが可能となる。 In addition, the semiconductor device of this embodiment can also be applied to a FinFET having a CMOS structure like the semiconductor device of the first embodiment. In this case, distortion may occur in the fin channel due to the heterojunction between the fin channel and the diffusion block layer, and the carrier mobility in the channel may change, which may degrade the performance of either the N-channel FinFET or the P-channel FinFET. is there. On the other hand, by using boron phosphide (BP) in the buffer layer as in this embodiment, the lattice mismatch at the heterojunction can be alleviated, and the performance degradation of the FinFET due to the lattice mismatch is avoided. It becomes possible.
(第5の実施形態)
次に本発明の第5の実施形態について説明する。図17は、第5の実施形態にかかる半導体装置であるFinFETの概略構成を示す斜視図、図18は図17のA−A断面図である。本実施形態では、フィンチャネルをシリコンに代えてゲルマニウム(Ge)で構成したもので、NチャネルFinFETの拡散ブロック層4aとしてガリウム砒素(GaAs)を用いたことを特徴とする。本実施形態についても第1実施形態〜第4実施形態のNチャネルFinFETとほぼ同様であるが、本実施形態では図17および図18に示すように、フィンFをシリコンに代えてゲルマニウムで構成しガリウム砒素からなる拡散ブロック層4aを用いた構成としたものである。他は前記第1の実施形態のCMOSFinFETのNチャネルFinFETと同様であるためここでは説明を省略する。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 17 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a FinFET which is a semiconductor device according to the fifth embodiment, and FIG. 18 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. In this embodiment, the fin channel is made of germanium (Ge) instead of silicon, and gallium arsenide (GaAs) is used as the diffusion block layer 4a of the N-channel FinFET. This embodiment is also substantially the same as the N-channel FinFET of the first to fourth embodiments, but in this embodiment, as shown in FIGS. 17 and 18, the fin F is made of germanium instead of silicon. The diffusion block layer 4a made of gallium arsenide is used. The rest is the same as the N-channel FinFET of the CMOS FinFET of the first embodiment, and a description thereof will be omitted here.
ガリウム砒素はゲルマニウムとの格子ミスフィットが小さいワイドバンドギャップ材料であるため、格子不整合によるゲルマニウムチャネル中の結晶欠陥の発生を回避しながらウェル耐圧の高いFinFETを得ることが可能となる。 Since gallium arsenide is a wide band gap material with a small lattice misfit with germanium, it is possible to obtain a FinFET with a high well breakdown voltage while avoiding the generation of crystal defects in the germanium channel due to lattice mismatch.
なお、前記第1の実施形態から第4の実施形態においては、拡散ブロック層の上下の半導体層が同一材料で構成された例について説明したが、第5の実施形態のように、異なる材料で構成されていてもよい。 In the first to fourth embodiments, the example in which the upper and lower semiconductor layers of the diffusion block layer are made of the same material has been described. However, different materials are used as in the fifth embodiment. It may be configured.
また、前記第1の実施形態から第5の実施形態においては、拡散ブロック層と、その上層または下層の半導体層との間に、密着性を高めるための密着層や、チャネルおよび拡散ブロック層とは誘電率の異なる薄い誘電体層など、他の機能層が介在していてもよい。この機能層の格子定数は拡散ブロック層とその上下の半導体層の格子定数の中間値からはずれていてもよい。 In the first to fifth embodiments, an adhesion layer for enhancing adhesion between the diffusion block layer and the upper or lower semiconductor layer, a channel and the diffusion block layer, and May be interposed with other functional layers such as thin dielectric layers having different dielectric constants. The lattice constant of this functional layer may deviate from the intermediate value of the lattice constants of the diffusion block layer and the semiconductor layers above and below it.
例えば、上記第1の実施形態から第5の実施形態またはそれぞれに示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、上記第1の実施形態から第5の実施形態にわたる構成要件を適宜組み合わせてもよい。 For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in the first to fifth embodiments or the respective embodiments, the problems described in the column of problems to be solved by the invention can be solved. When the effects described in the column “Effects of the Invention” can be obtained, a configuration from which this component is deleted can be extracted as an invention. Furthermore, you may combine suitably the structural requirement covering the said 1st Embodiment to 5th Embodiment.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
なお、本実施形態の半導体装置およびその製造方法の構成例のまとめの一部を以下に示す。
(1)前記凸状半導体層がシリコン層であり、
前記拡散ブロック層がシリコンカーバイド(SiC)層であって、
前記バッファ層は、Si1−xCxの組成式で表された組成傾斜層であり、組成傾斜層中のカーボン濃度が、前記シリコン層との界面で低く、
前記シリコンカーバイド層に近づくにつれて高くなるものを含む。
A part of the summary of the configuration example of the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment is shown below.
(1) The convex semiconductor layer is a silicon layer,
The diffusion block layer is a silicon carbide (SiC) layer,
The buffer layer is a composition gradient layer represented by a composition formula of Si 1-x C x , and the carbon concentration in the composition gradient layer is low at the interface with the silicon layer,
The height increases as the silicon carbide layer is approached.
(2)前記凸状半導体層がシリコン層であり、
前記拡散ブロック層がシリコンカーバイド層であって、
前記バッファ層は、リン化ホウ素(BP)層であるものを含む。
(2) The convex semiconductor layer is a silicon layer,
The diffusion block layer is a silicon carbide layer;
The buffer layer includes a boron phosphide (BP) layer.
(3)前記凸状半導体層がシリコン層であり、
前記拡散ブロック層がガリウムナイトライド(GaN)層であって、
前記バッファ層は、リン化ホウ素(BP)層であるものを含む。
(3) The convex semiconductor layer is a silicon layer,
The diffusion block layer is a gallium nitride (GaN) layer,
The buffer layer includes a boron phosphide (BP) layer.
(4)前記凸状半導体層がシリコン層であり、
前記拡散ブロック層がガリウムリン(GaP)層であるものを含む。
(4) The convex semiconductor layer is a silicon layer,
The diffusion block layer includes a gallium phosphide (GaP) layer.
(5)前記拡散ブロック層の少なくとも一部が絶縁層で被覆されており、
前記絶縁層は前記拡散ブロック層と接した位置を上面として前記半導体基板まで形成されているものを含む。
(5) At least a part of the diffusion block layer is covered with an insulating layer,
The insulating layer includes a layer formed up to the semiconductor substrate with a position in contact with the diffusion block layer as an upper surface.
(6)前記凸状半導体層が電子を多数キャリアとする、NチャネルFinFETのソース・ドレイン領域を構成するものを含む。 (6) The convex semiconductor layer includes a source / drain region of an N-channel FinFET in which electrons are majority carriers.
(7)前記半導体基板上に、複数の凸状半導体層を含み、
前記複数の凸状半導体層が異なる導電型のチャネルを有するFinFETを構成するものを含む。
(7) including a plurality of convex semiconductor layers on the semiconductor substrate;
The plurality of convex semiconductor layers include those constituting FinFETs having channels of different conductivity types.
(8)第1の半導体層からなる半導体基板上に拡散ブロック層となる第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層上にチャネル領域となる第3の半導体層を形成する工程と、
エッチングを行い、第1〜第3の半導体層からなる凸状半導体層を形成する工程と、
を含み、
前記第2の半導体層のバンドギャップが前記第3の半導体層のバンドギャップよりも大きいものを含む。
(8) forming a second semiconductor layer serving as a diffusion block layer on a semiconductor substrate composed of the first semiconductor layer;
Forming a third semiconductor layer to be a channel region on the second semiconductor layer;
Etching to form a convex semiconductor layer comprising the first to third semiconductor layers;
Including
The band gap of the second semiconductor layer includes a band gap larger than that of the third semiconductor layer.
(9)前記第1の半導体層を形成した後、前記第2の半導体層を形成する工程に先立ち、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層の格子定数の中間の格子定数をもつバッファ層を形成する工程を含む。
(9) After forming the first semiconductor layer, prior to the step of forming the second semiconductor layer,
Forming a buffer layer having a lattice constant intermediate between lattice constants of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
(10)前記第2の半導体層を形成した後、前記第3の半導体層を形成する工程に先立ち、
前記第2の半導体層と前記第3の半導体層の格子定数の中間の格子定数をもつバッファ層を形成する工程を含む。
(10) After forming the second semiconductor layer, prior to the step of forming the third semiconductor layer,
Forming a buffer layer having a lattice constant intermediate between lattice constants of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer.
(11)前記バッファ層を形成する工程は、
格子定数が次第に変化するように、組成を徐々に変化させた、組成傾斜層を形成する工程であるものを含む。
(11) The step of forming the buffer layer includes:
This includes a step of forming a composition gradient layer in which the composition is gradually changed so that the lattice constant gradually changes.
(12)前記凸状半導体層を形成する工程は、
前記第3の半導体層上にマスク材を形成した後に、前記マスク材で覆われていない前記第1半導体層の一部と前記第2の半導体層および前記第3の半導体層の全体を異方性エッチングによりエッチングする工程であり、
前記エッチング工程でエッチングされた領域に、前記凸状半導体層を囲むように、絶縁層を充填する工程を具備したものを含む。
(12) The step of forming the convex semiconductor layer includes:
After forming a mask material on the third semiconductor layer, a part of the first semiconductor layer that is not covered with the mask material, the second semiconductor layer, and the entire third semiconductor layer are anisotropic. Is a process of etching by reactive etching,
The method includes a step of filling the region etched in the etching step with an insulating layer so as to surround the convex semiconductor layer.
1 p型シリコン基板、2p Pウェル、2n Nウェル、3c チャネル領域、3e エピタキシャル層、3s ソース領域、3d ドレイン領域、3M シリサイド層、4 シリコンカーバイド層、4p,4n,4N,4a 拡散ブロック層、4G 組成傾斜層、4B バッファ層、5 ゲート絶縁膜、6 ゲート電極、7 素子分離絶縁層、8 上部絶縁膜、9 側壁絶縁膜、10n 第1のFinFET(NチャネルFET)、10p 第2のFinFET(PチャネルFET)、F フィン(凸状半導体層) 1 p-type silicon substrate, 2p P well, 2n N well, 3c channel region, 3e epitaxial layer, 3s source region, 3d drain region, 3M silicide layer, 4 silicon carbide layer, 4p, 4n, 4N, 4a diffusion block layer, 4G composition gradient layer, 4B buffer layer, 5 gate insulating film, 6 gate electrode, 7 element isolation insulating layer, 8 upper insulating film, 9 side wall insulating film, 10n first FinFET (N channel FET), 10p second FinFET (P channel FET), F fin (convex semiconductor layer)
Claims (7)
前記凸状半導体層内に設けられたソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に形成されるチャネル領域に相当する前記凸状半導体層の側面に、ゲート絶縁膜を介して設けられ、前記チャネル領域に電界効果を与えるゲート電極と、
前記凸状半導体層の内部に形成され、前記凸状半導体層よりもバンドギャップの大きい材料層を含み、前記ソース領域および前記ドレイン領域から、多数キャリアが前記半導体基板内に拡散するのを防止する拡散ブロック層と、
前記拡散ブロック層と前記凸状半導体層との間に介在し、格子定数が、拡散ブロック層の格子定数と前記凸状半導体層の格子定数との間の値を持つ、バッファ層と、
を具備し、
前記拡散ブロック層の少なくとも一部が絶縁層で被覆されており、
前記絶縁層は前記拡散ブロック層と接した位置を上面として前記半導体基板まで形成され、
前記複数の凸状半導体層が異なる導電型のチャネルを有する半導体装置。 A plurality of convex semiconductor layers provided on a semiconductor substrate;
A source region and a drain region provided in the convex semiconductor layer;
A gate electrode provided on a side surface of the convex semiconductor layer corresponding to a channel region formed between the source region and the drain region via a gate insulating film, and giving a field effect to the channel region;
A material layer having a band gap larger than that of the convex semiconductor layer is formed inside the convex semiconductor layer, and prevents majority carriers from diffusing into the semiconductor substrate from the source region and the drain region. A diffusion block layer;
A buffer layer interposed between the diffusion block layer and the convex semiconductor layer, the lattice constant having a value between the lattice constant of the diffusion block layer and the lattice constant of the convex semiconductor layer;
Comprising
At least a part of the diffusion block layer is covered with an insulating layer;
The insulating layer is formed up to the semiconductor substrate with the position in contact with the diffusion block layer as an upper surface,
A semiconductor device in which the plurality of convex semiconductor layers have different conductivity type channels.
前記凸状半導体層内に設けられたソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に形成されるチャネル領域に相当する前記凸状半導体層の側面に、ゲート絶縁膜を介して設けられ、前記チャネル領域に電界効果を与えるゲート電極と、
前記凸状半導体層の内部に、前記ソース領域および前記ドレイン領域から、多数キャリアが前記半導体基板内に拡散するのを防止する拡散ブロック層とを備え、
前記拡散ブロック層が前記凸状半導体層よりもバンドギャップの大きい材料層からなる半導体装置。 A convex semiconductor layer provided on a semiconductor substrate;
A source region and a drain region provided in the convex semiconductor layer;
A gate electrode provided on a side surface of the convex semiconductor layer corresponding to a channel region formed between the source region and the drain region via a gate insulating film, and giving a field effect to the channel region;
A diffusion block layer for preventing majority carriers from diffusing into the semiconductor substrate from the source region and the drain region inside the convex semiconductor layer,
A semiconductor device in which the diffusion block layer is made of a material layer having a band gap larger than that of the convex semiconductor layer.
前記バッファ層の格子定数が、前記拡散ブロック層の格子定数と前記凸状半導体層の格子定数との間の値を持つ請求項2〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。 A buffer layer is provided between the diffusion block layer and the convex semiconductor layer,
The semiconductor device according to claim 2, wherein a lattice constant of the buffer layer has a value between a lattice constant of the diffusion block layer and a lattice constant of the convex semiconductor layer.
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