[go: up one dir, main page]

JP2018107232A - Semiconductor device and manufacturing method for the same - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method for the same Download PDF

Info

Publication number
JP2018107232A
JP2018107232A JP2016250596A JP2016250596A JP2018107232A JP 2018107232 A JP2018107232 A JP 2018107232A JP 2016250596 A JP2016250596 A JP 2016250596A JP 2016250596 A JP2016250596 A JP 2016250596A JP 2018107232 A JP2018107232 A JP 2018107232A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
semiconductor
semiconductor layer
region
drain region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2016250596A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
猛英 白土
Takehide Shirato
猛英 白土
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to JP2016250596A priority Critical patent/JP2018107232A/en
Publication of JP2018107232A publication Critical patent/JP2018107232A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

【課題】垂直方向に一定なチャネル長を有するMISFETの提供【解決手段】Si基板1上に一対のSiGe層2(第1の半導体層)を設け、SiGe層2間に1側面をそれぞれ接して一対のSiGe層6(第2の半導体層)を設け、SiGe層6間に対向する側面をそれぞれ接して歪みSi層7(第3の半導体層)を挟んで設け、歪みSi層7上にゲート絶縁膜13を介して、SiGe層6上に設けたサイドウォール12上に延在した庇構造のゲート電極14を設け、SiGe層6及び歪みSi層7直下のSi基板1に埋め込みGe層5を設け、端部がSi基板1の主面に対し、垂直な平面を有する、n+型ソースドレイン領域(8、11)をSiGe層2に、n型ソースドレイン領域(9、10)をSiGe層6に、それぞれ設け、歪みSi層7に垂直方向にチャネル長が一定の(等しい)チャネル領域を設けたMISFET。【選択図】図1A MISFET having a constant channel length in a vertical direction is provided. A pair of SiGe layers (first semiconductor layers) are provided on a Si substrate, and one side surface is in contact with each other between the SiGe layers. A pair of SiGe layers 6 (second semiconductor layers) are provided, and the side surfaces facing each other between the SiGe layers 6 are in contact with each other and the strained Si layer 7 (third semiconductor layer) is sandwiched between the gates on the strained Si layer 7. A gate electrode 14 having a ridge structure extending on a sidewall 12 provided on the SiGe layer 6 is provided via an insulating film 13, and the buried Ge layer 5 is embedded in the Si substrate 1 immediately below the SiGe layer 6 and the strained Si layer 7. The n + -type source / drain regions (8, 11) are provided in the SiGe layer 2 and the n-type source / drain regions (9, 10) are provided in the SiGe layer 6 having end portions that are perpendicular to the main surface of the Si substrate 1. Each with a strain MISFET channel length is provided a constant (equal to) the channel region in the direction perpendicular to the Si layer 7. [Selection] Figure 1

Description

本発明は半導体集積回路に係り、特に半導体基板に容易な製造プロセスにより、半導体基板の主面に対し、垂直(深さ)方向にチャネル長(ソースドレイン領域間隔)が一定である(等しい)構造のソースドレイン領域を形成し、高速、低電力、高性能、高信頼且つ高集積なショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路を形成することに関する。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and in particular, a structure in which a channel length (interval between source and drain regions) is constant (equal) in a direction perpendicular (depth) to a main surface of a semiconductor substrate by an easy manufacturing process. And forming a semiconductor integrated circuit including a high-speed, low-power, high-performance, high-reliability, and highly-integrated short channel MIS field effect transistor.

図48は従来の半導体装置の模式側断面図で、半導体基板に半導体層のエピタキシャル成長法を利用して形成したNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、61はp型のシリコン基板、62はp型のSiGe層、63はp型の歪みSi層、64はトレンチ素子分離領域のシリコン酸化膜、65はn型ソース領域、66はn型ソース領域、67はn型ドレイン領域、68はn型ドレイン領域、69はゲート酸化膜、70はゲート電極、71はサイドウォール、72はPSG膜、73はシリコン窒化膜、74はバリアメタル、75は導電プラグ、76は層間絶縁膜、77はバリアメタル、78はCu配線、79はバリア絶縁膜を示している。
同図においては、p型のシリコン基板61上に選択的にp型のSiGe層62が設けられ、p型のSiGe層62直上にp型の歪みSi層63が設けられ、積層されたSiGe層62及び歪みSi層63が素子分離領域形成用のトレンチ及び埋め込みシリコン酸化膜(SiO)64により絶縁分離されている。歪みSi層63上にはゲート酸化膜69を介してゲート電極70が設けられ、ゲート電極70の側壁にサイドウォール71が設けられ、歪みSi層63には、ゲート電極70に自己整合してn型ソースドレイン領域(66、67)及びサイドウォール71に自己整合してn型ソースドレイン領域(65、68)が設けられ、n型ソースドレイン領域(65、68)にはそれぞれバリアメタル74を有する導電プラグ75を介してバリアメタル77を有するCu配線78が接続されている慣例的なLDD(Lightly Doped Drain)構造からなるNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
したがって、シリコン基板に直接形成する慣例的なLDD構造からなるNチャネルのMIS電界効果トランジスタに比較し、シリコン基板上に、格子定数の大きなSiGe層上に格子定数の小さなSi層を積層した構造の半導体基板を形成し、この半導体基板に慣例的なLDD構造からなるNチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成できるため、SiGe層からの引っ張り応力によりSi層の格子間隔を広げることが可能で、キャリアの移動度を増加させることができることによる高速化が可能であった。
しかしゲート電極に自己整合して、積層構造の半導体基板の上面から不純物を注入して低濃度及び高濃度のソースドレイン領域を形成するため、上部においては不純物の横方向拡散が大きく、下部に近づくほど(不純物拡散層が深くなるほど)小さくなるので(チャネル長が最小である半導体基板表面近傍のソースドレイン領域の間隔を実行チャネル長と称し、それより深い領域ではチャネル長が徐々に長くなるので)、垂直(深さ)方向において等しいチャネル長(一定したチャネル長)を得ることができないため、ゲート電極に印加する電圧に対し、理想的な(損失のない)電流値を得ることができなかったこと、ゲート電極とソースドレイン領域の重なりが大きく、浮遊容量が大きかったこと及びソースドレイン領域間の耐圧が十分とれないこと等の問題があった。
FIG. 48 is a schematic sectional side view of a conventional semiconductor device, showing a part of a semiconductor integrated circuit including an N-channel MIS field effect transistor formed on a semiconductor substrate by using an epitaxial growth method of a semiconductor layer. A p-type silicon substrate, 62 is a p-type SiGe layer, 63 is a p-type strained Si layer, 64 is a silicon oxide film in a trench element isolation region, 65 is an n + -type source region, 66 is an n-type source region, 67 Is an n-type drain region, 68 is an n + -type drain region, 69 is a gate oxide film, 70 is a gate electrode, 71 is a sidewall, 72 is a PSG film, 73 is a silicon nitride film, 74 is a barrier metal, 75 is a conductive plug , 76 are interlayer insulating films, 77 is a barrier metal, 78 is a Cu wiring, and 79 is a barrier insulating film.
In the figure, a p-type SiGe layer 62 is selectively provided on a p-type silicon substrate 61, a p-type strained Si layer 63 is provided immediately above the p-type SiGe layer 62, and a stacked SiGe layer is formed. 62 and the strained Si layer 63 are insulated and isolated by a trench for forming an element isolation region and a buried silicon oxide film (SiO 2 ) 64. A gate electrode 70 is provided on the strained Si layer 63 via a gate oxide film 69, a sidewall 71 is provided on the side wall of the gate electrode 70, and the strained Si layer 63 is n-aligned in self-alignment with the gate electrode 70. The n + -type source / drain regions (65, 68) are provided in self-alignment with the source / drain regions (66, 67) and the sidewalls 71, and the barrier metal 74 is provided in each of the n + -type source / drain regions (65, 68). An N-channel MIS field effect transistor having a conventional LDD (Lightly Doped Drain) structure is formed in which a Cu wiring 78 having a barrier metal 77 is connected through a conductive plug 75 having a conductive layer.
Therefore, in comparison with an N channel MIS field effect transistor having a conventional LDD structure formed directly on a silicon substrate, a Si layer having a small lattice constant is stacked on a SiGe layer having a large lattice constant on the silicon substrate. Since a semiconductor substrate can be formed and an N-channel MIS field effect transistor having a conventional LDD structure can be formed on this semiconductor substrate, the lattice spacing of the Si layer can be widened by the tensile stress from the SiGe layer. It was possible to increase the speed by increasing the mobility.
However, since impurities are implanted from the upper surface of the semiconductor substrate having a stacked structure in self-alignment with the gate electrode to form low-concentration and high-concentration source / drain regions, the lateral diffusion of impurities is large in the upper part and approaches the lower part. (The deeper the impurity diffusion layer), the smaller (the channel length is the minimum distance between the source and drain regions in the vicinity of the semiconductor substrate surface is called the effective channel length, and the channel length gradually increases in deeper regions) Since the same channel length (constant channel length) cannot be obtained in the vertical (depth) direction, an ideal (no loss) current value could not be obtained for the voltage applied to the gate electrode. The gate electrode and the source / drain region overlap each other, the stray capacitance is large, and the withstand voltage between the source / drain regions is sufficient. There has been a problem such as that there is no.

特開昭54−044482 (特許第1718981号)JP-A-54-044282 (Japanese Patent No. 1718981) 特開2012−142492 (特許第5592281号)JP2012-142492 (Patent No. 5592281)

本願発明が解決しょうとする課題は、半導体基板にMIS電界効果トランジスタのソースドレイン領域を形成する場合、ゲート電極に自己整合して、半導体基板の上面から不純物を注入し、熱処理して不純物を活性化及び拡散してソースドレイン領域を形成するため、不純物拡散層が深くなるほど、半導体基板表面近傍の横方向拡散が大きくなるので、
(1)半導体基板の主面に対し、垂直(深さ)方向において、等しい(一定した)チャネル長を有するチャネル領域が得られなかったため、ゲート電極に印加する電圧に対し、理想的な(損失のない)電流値を得ることができなかったこと。
(2)ソースドレイン領域の抵抗を低減化するため、可能な限り拡散層を深く形成するので、ゲート電極とソースドレイン領域の重なりが大きく、浮遊容量の低減化が難しかったこと。
(3)チャネル長が等しい(一定した)チャネル領域が得られなかったため、微細化するほど安定した耐圧を持つソースドレイン領域を得ることが難しかったこと。
等の問題が顕著になりつつあり、拡散層の深さに依存せず、横方向拡散が極めて少ない、等しい(一定した)チャネル長が得られるソースドレイン領域の形成法が期待されている。
The problem to be solved by the present invention is that when a source / drain region of a MIS field effect transistor is formed on a semiconductor substrate, impurities are implanted from the upper surface of the semiconductor substrate in a self-aligned manner with the gate electrode, and heat treatment is performed to activate the impurities. Since the source / drain region is formed by diffusion and diffusion, the deeper the impurity diffusion layer, the greater the lateral diffusion near the surface of the semiconductor substrate.
(1) Since a channel region having an equal (constant) channel length in the perpendicular (depth) direction with respect to the main surface of the semiconductor substrate was not obtained, an ideal (loss) with respect to the voltage applied to the gate electrode The current value could not be obtained.
(2) Since the diffusion layer is formed as deeply as possible in order to reduce the resistance of the source / drain region, the overlap between the gate electrode and the source / drain region is large, and it is difficult to reduce the stray capacitance.
(3) Since a channel region having the same (constant) channel length could not be obtained, it was difficult to obtain a source / drain region having a stable breakdown voltage as the size was reduced.
Such a problem is becoming more prominent, and a method for forming a source / drain region that can obtain an equal (constant) channel length with little lateral diffusion regardless of the depth of the diffusion layer is expected.

上記課題は、半導体基板と、前記半導体基板上に選択的に設けられた一対の第1の半導体層と、前記一対の第1の半導体層間に、1側面をそれぞれ接して設けられた一対の第2の半導体層と、前記一対の第2の半導体層間に、対向する側面をそれぞれ接して挟まれて設けられた第3の半導体層と、前記第3の半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記一対の第1の半導体層に設けられた高濃度のソースあるいはドレイン領域と、前記一対の第2の半導体層に設けられた低濃度のソースあるいはドレイン領域と、前記第3の半導体層に設けられたチャネル領域と、を備え、少なくとも対向するソース領域及びドレイン領域の側面が、前記半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有し且つチャネル長が垂直方向に一定である本発明の半導体装置によって解決される。   The object is to provide a semiconductor substrate, a pair of first semiconductor layers selectively provided on the semiconductor substrate, and a pair of first semiconductor layers provided in contact with one side surface between the pair of first semiconductor layers. A second semiconductor layer, a third semiconductor layer provided between the pair of second semiconductor layers so that opposing side surfaces are in contact with each other, and a gate insulating film provided on the third semiconductor layer A gate electrode provided through the gate insulating film, a high-concentration source or drain region provided in the pair of first semiconductor layers, and a low concentration provided in the pair of second semiconductor layers. A source or drain region having a concentration and a channel region provided in the third semiconductor layer, wherein at least the side surfaces of the source and drain regions facing each other are perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. Have and Yaneru length is solved by a semiconductor device of the present invention which is constant in the vertical direction.

以上説明のように本発明によれば、通常の安価な半導体基板(Si)を使用し、半導体層の選択エピタキシャル成長法を利用して、半導体基板上に一対の第1の半導体層(SiGe層)を設け、一対の第1の半導体層間に、1側面をそれぞれ接して一対の第2の半導体層(SiGe層)を設け、一対の第2の半導体層間に、対向する側面をそれぞれ接して第3の半導体層(歪みSi層)を挟んで設け、第3の半導体層上にゲート絶縁膜を介して、第2の半導体層上に設けられた逆構造のサイドウォール(慣例的なサイドウォールに対し、曲がり部の向きが反対のサイドウォール)上に延在した庇構造のゲート電極(下部より上部のゲート長が長い構造のゲート電極)を設け、第2の半導体層及び第3の半導体層の直下の半導体基板に埋め込みGe層を設け、第1の半導体層には、対向する側面が半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有する高濃度のソースドレイン領域を設け、第2の半導体層には、対向する側面が半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有する低濃度のソースドレイン領域を設け、第3の半導体層には、垂直(深さ)方向にチャネル長が等しい(一定の)チャネル領域を設けた構造を有するMIS電界効果トランジスタを、チャネル領域を形成する第3の半導体層に自己整合して極めて微細に形成することが可能である。
また低濃度及び高濃度のソースドレイン領域の対向する側面を、半導体基板の主面に対し垂直平面をなして形成できるため、電界集中を防ぐことができることによるソースドレイン領域間の耐圧の向上及び垂直(深さ)方向において等しい(一定の)チャネル長を得ることができることにより、ゲート電極に印加される電圧に対し、理想的な(損失のない)駆動電流を得ることができることによる高速化が可能である。
またソースドレイン領域の拡散層の深さに依存しないチャネル領域を形成できるため、ソースドレイン領域の抵抗を低減化できることによる高速化が可能である。
また横方向の不純物拡散を抑えた低濃度及び高濃度のソースドレイン領域を形成できるため、ゲート電極とソースドレイン領域との重なりを抑えて(ほぼゼロ)形成できることにより、浮遊容量の低減化による高速化及びチャネル長をさらに減縮できることによる微細化等が可能である。
また格子定数の小さな歪みSi層(第3の半導体層)を、左右から格子定数の大きなSiGe層(第1及び第2の半導体層)により挟んだ構造に形成できるため、左右のSiGe層(第1及び第2の半導体層)から歪みSi層(第3の半導体層、チャネル領域)の格子間隔を広げることが可能で、キャリアの移動度を増加させることができることによる高速化が可能である。
また半導体基板に高濃度の埋め込みGe層を設けることにより、エピタキシャル成長するSiGe層あるいは歪みSi層を横方向のみの成長とすることができ、結晶欠陥が極めて少ない半導体層の形成が可能である。
またドレイン領域はホットエレクトロン効果を改善したLDD構造に形成でき、ソース領域は不必要な低濃度領域が存在しない、高濃度ソース領域構造に自己整合して形成できるため、ソース領域の抵抗を低減でき、さらに高速な非対称MIS電界効果トランジスタを形成することも可能である。
また階段状接合を形成する砒素の替りに不純物分布が緩やかに変化する傾斜接合を形成する燐により高濃度のソースドレイン領域を形成し、若干チャネル長は短くなりがちであるが、第2の半導体層及び低濃度のソースドレイン領域を設けずにホットエレクトロン効果を改善した、LDD構造を有しない、微細なNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成することも可能である。
即ち、高速大容量通信、携帯情報端末、車載用機器、各種電子機械機器、宇宙関連機器等に対応可能な半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能、低電力及び高集積を併せ持つMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
本発明者は当該技術を、(垂直(深さ)方向に)不変の(一定の)チャネル長を有するMIS電界効果トランジスタ(MISFET with nvariable hannel ength)と命名し、ICL(アイシーエル)構造と略称する。
なおソースドレイン領域の構造においては、詳細は製造方法の記載により説明するが、先に設けられた半導体層に形成された不純物領域を、ゲート電極(正確には、ゲート電極を形成するための開孔)により2分割してソースドレイン領域として形成するため、ソース領域とドレイン領域の対向する側面を、半導体基板の主面に対し、垂直な平面にして対向させることが可能である。
As described above, according to the present invention, a normal inexpensive semiconductor substrate (Si) is used, and a pair of first semiconductor layers (SiGe layers) are formed on the semiconductor substrate by using a selective epitaxial growth method of the semiconductor layer. A pair of second semiconductor layers (SiGe layers) are provided in contact with one side surface between the pair of first semiconductor layers, and third surfaces are provided in contact with the opposing side surfaces between the pair of second semiconductor layers. A side wall having a reverse structure (on the conventional side wall) provided on the second semiconductor layer via a gate insulating film on the third semiconductor layer with a semiconductor layer (strained Si layer) interposed therebetween. A gate electrode having a ridge structure (a gate electrode having a structure having a longer gate length than the lower part) extending on the side wall having the opposite direction of the bent part, and the second semiconductor layer and the third semiconductor layer Embedded in the semiconductor substrate directly below An e layer is provided, the first semiconductor layer is provided with a high-concentration source / drain region in which the opposing side faces are perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate, and the opposing side faces are provided in the second semiconductor layer. Is provided with a low concentration source / drain region having a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate, and the third semiconductor layer is provided with a channel region having an equal (constant) channel length in the vertical (depth) direction. The MIS field effect transistor having the above structure can be formed extremely finely in a self-aligned manner with the third semiconductor layer forming the channel region.
Further, since the opposite side surfaces of the low-concentration and high-concentration source / drain regions can be formed in a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate, the breakdown voltage between the source / drain regions can be improved and the vertical can be prevented. Since it is possible to obtain equal (constant) channel lengths in the (depth) direction, it is possible to increase the speed by being able to obtain an ideal (lossless) driving current with respect to the voltage applied to the gate electrode. It is.
Further, since the channel region independent of the depth of the diffusion layer in the source / drain region can be formed, the speed can be increased by reducing the resistance of the source / drain region.
In addition, since low-concentration and high-concentration source / drain regions can be formed while suppressing lateral impurity diffusion, the overlap between the gate electrode and the source / drain regions can be suppressed (substantially zero), resulting in high speed due to a reduction in stray capacitance. And miniaturization by further reducing the channel length.
In addition, since a strained Si layer (third semiconductor layer) having a small lattice constant can be formed in a structure sandwiched by SiGe layers (first and second semiconductor layers) having a large lattice constant from the left and right, the left and right SiGe layers (first and second semiconductor layers) can be formed. The lattice spacing from the strained Si layer (third semiconductor layer, channel region) from the first and second semiconductor layers can be increased, and the carrier mobility can be increased, thereby increasing the speed.
Further, by providing a high-concentration buried Ge layer on the semiconductor substrate, an epitaxially grown SiGe layer or strained Si layer can be grown only in the lateral direction, and a semiconductor layer with extremely few crystal defects can be formed.
In addition, the drain region can be formed in an LDD structure with improved hot electron effect, and the source region can be formed in a self-aligned high-concentration source region structure where there is no unnecessary low-concentration region, thereby reducing the resistance of the source region. It is also possible to form a faster asymmetric MIS field effect transistor.
In addition, the high-concentration source / drain region is formed by phosphorus forming an inclined junction in which the impurity distribution gradually changes instead of arsenic forming the stepped junction, and the channel length tends to be slightly shortened. It is also possible to form a fine N-channel MIS field effect transistor having no LDD structure and improved hot electron effect without providing a layer and a low concentration source / drain region.
In other words, high-speed, high-reliability, high-performance, low-power, and high-speed that enable the manufacture of semiconductor integrated circuits that can handle high-speed, large-capacity communication, portable information terminals, in-vehicle devices, various electronic mechanical devices, space-related devices, etc. An MIS field effect transistor having integration can be obtained.
The present inventors have in this technology (vertical (depth) direction) unchanged designated (fixed) MIS field effect transistor having a channel length (MISFET with I nvariable C hannel L ength), ICL ( Icy El) Abbreviated as structure.
Note that the details of the structure of the source / drain region will be described in the description of the manufacturing method. However, the impurity region formed in the semiconductor layer provided in advance is formed as a gate electrode (precisely, an opening for forming the gate electrode). Since the source and drain regions are formed by being divided into two by holes), the opposing side surfaces of the source region and the drain region can be opposed to each other in a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate.

本発明の半導体装置における第1の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the first embodiment of the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第1の実施例の模式側断面図(チャネル幅方向)Schematic side sectional view of the first embodiment of the semiconductor device of the present invention (channel width direction) 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 2nd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the third embodiment of the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第4の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the fourth embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第5の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the fifth embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第6の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the sixth embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第7の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the seventh embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第8の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the eighth embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 従来の半導体装置の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of a conventional semiconductor device (channel length direction)

本願発明は、特に、
(1)完全単結晶からなる半導体基板(Si)上に縦(垂直)方向にエピタキシャル成長させることによる第1の半導体層(SiGe層)の全面形成。
(2)第1の半導体層をパターニングし、開孔部に絶縁膜を平坦に埋め込むことによる素子分離領域の形成。
(3)第1の半導体層への活性化した高濃度不純物領域の形成。
(4)第1の半導体層上を含む全面へのマスク材の積層。
(5)高濃度不純物領域が形成された第1の半導体層をゲート電極形成用の開孔により2分割することによる高濃度ソース領域及び高濃度ドレイン領域の形成。
(6)開孔部への不純物のイオン注入による露出した半導体基板への埋め込みGe層の形成。
(7)残された第1の半導体層の側面間の横方向エピタキシャル成長による低濃度不純物を含む第2の半導体層(SiGe層)の形成。
(8)マスク材の側壁へのサイドウォール(SiO)の形成。
(9)サイドウォール(SiO)をマスク層とし、第2の半導体層を2分割することによる低濃度ソース領域及び低濃度ドレイン領域の形成。
(10)残された第2の半導体層の側面間の横方向エピタキシャル成長による第3の半導体層(歪みSi層)の形成。
(11)閾値電圧を制御した第3の半導体層にゲート絶縁膜を介したゲート電極の形成。
(12)高濃度ソースドレイン領域及びゲート電極への配線体の形成。
等の技術を使用し、
半導体基板上に一対の第1の半導体層(SiGe層)を設け、一対の第1の半導体層間に、1側面をそれぞれ接して一対の第2の半導体層(SiGe層)を設け、一対の第2の半導体層間に、対向する側面をそれぞれ接して第3の半導体層(歪みSi層)を挟んで設け、第3の半導体層上にゲート絶縁膜を介して、第2の半導体層上に設けられた逆構造のサイドウォール上に延在した庇構造のゲート電極を設け、第2の半導体層及び第3の半導体層の直下の半導体基板に埋め込みGe層を設け、第1の半導体層には、対向する側面が半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有する高濃度のソースドレイン領域を設け、第2の半導体層には、対向する側面が半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有する低濃度のソースドレイン領域を設け、第3の半導体層には、垂直(深さ)方向にチャネル長が等しい(一定の)チャネル領域を設けた構造を有するMIS電界効果トランジスタを形成したものである。
In particular, the present invention
(1) Formation of the entire surface of the first semiconductor layer (SiGe layer) by epitaxial growth in the vertical (vertical) direction on a semiconductor substrate (Si) made of a complete single crystal.
(2) Formation of an element isolation region by patterning the first semiconductor layer and embedding an insulating film in the opening.
(3) Formation of an activated high concentration impurity region in the first semiconductor layer.
(4) Lamination of a mask material on the entire surface including on the first semiconductor layer.
(5) Formation of a high-concentration source region and a high-concentration drain region by dividing the first semiconductor layer in which the high-concentration impurity region is formed into two by an opening for forming a gate electrode.
(6) Formation of a buried Ge layer in the exposed semiconductor substrate by ion implantation of impurities into the opening.
(7) Formation of a second semiconductor layer (SiGe layer) containing low-concentration impurities by lateral epitaxial growth between the side surfaces of the remaining first semiconductor layer.
(8) Formation of side walls (SiO 2 ) on the side walls of the mask material.
(9) Formation of a low concentration source region and a low concentration drain region by dividing the second semiconductor layer into two using the sidewall (SiO 2 ) as a mask layer.
(10) Formation of a third semiconductor layer (strained Si layer) by lateral epitaxial growth between the side surfaces of the remaining second semiconductor layer.
(11) Formation of a gate electrode through a gate insulating film in the third semiconductor layer in which the threshold voltage is controlled.
(12) Formation of a wiring body to the high concentration source / drain region and the gate electrode.
Using technology such as
A pair of first semiconductor layers (SiGe layers) is provided on the semiconductor substrate, a pair of second semiconductor layers (SiGe layers) are provided between the pair of first semiconductor layers so that one side surface is in contact with each other, and a pair of first semiconductor layers is provided. Provided between the two semiconductor layers with the opposite side surfaces in contact with each other with a third semiconductor layer (strained Si layer) sandwiched therebetween, and provided on the second semiconductor layer over the third semiconductor layer with a gate insulating film interposed therebetween. A gate electrode having a saddle structure extending on the opposite sidewall is provided, a buried Ge layer is provided in a semiconductor substrate immediately below the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, and the first semiconductor layer has A high-concentration source / drain region having a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate is provided, and the second semiconductor layer has a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. A low concentration source / drain region having The semiconductor layer is obtained by forming a MIS field effect transistor having a vertical (depth) channel length is equal to the direction provided (fixed) channel region structure.

以下本発明を図示実施例により具体的に説明する。
全図を通じ同一対象物は同一符号で示す。ただし、側断面図における斜線は主要な絶縁膜のみに記載し、配線は若干の前後のずれを含んで描かれており、発明の要部を示すため、水平方向及び垂直方向のサイズは正確な寸法を示していない。またドットは半導体基板に導入された埋め込みGe層を示している。
図1〜図20は本発明の半導体装置における第1の実施例で、図1はチャネル長方向の模式側断面図、図2はチャネル幅方向の模式側断面図、図3〜図20は製造方法の工程断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
Throughout the drawings, the same object is denoted by the same reference numeral. However, the diagonal lines in the side cross-sectional view are shown only on the main insulating film, and the wiring is drawn with some forward and backward misalignment, and the size in the horizontal and vertical directions is accurate to show the main part of the invention. Dimensions are not shown. A dot indicates a buried Ge layer introduced into the semiconductor substrate.
1 to 20 show a first embodiment of the semiconductor device of the present invention. FIG. 1 is a schematic side sectional view in the channel length direction, FIG. 2 is a schematic side sectional view in the channel width direction, and FIGS. It is process sectional drawing of a method.

図1及び図2はシリコン(Si)基板を使用し、ICL構造に形成したNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1は1016cm−3程度のp型のシリコン(Si)基板、2は1017cm−3程度のp型のエピタキシャルSiGe層(第1の半導体層、高濃度のソースドレイン領域形成部)、3は1018cm−3程度のp型チャネルストッパー領域、4は深さ100nm程度のトレンチ素子分離領域の埋め込みシリコン酸化膜(SiO)、5は5×1017cm−3程度の埋め込みGe層、6は5×1017cm−3程度のn型のエピタキシャルSiGe層(第2の半導体層、低濃度のソースドレイン領域形成部)、7は1017cm−3程度のp型のエピタキシャル歪みSi層(第3の半導体層、チャネル領域形成部)、8は1020cm−3程度のn型ソース領域、9は5×1017cm−3程度のn型ドレイン領域、10は5×1017cm−3程度のn型ソース領域、11は1020cm−3程度のn型ドレイン領域、12は20nm程度のサイドウォール(SiO)、13は5nm程度のゲート酸化膜(SiO)、14はゲート長20nm程度、膜厚100nm程度のゲート電極(WSi)、15は300nm程度の燐珪酸ガラス(PSG)膜、16は20nm程度のシリコン窒化膜(Si)、17は10nm程度のバリアメタル(TiN)、18は導電プラグ(W)、19は500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)、20は10nm程度のバリアメタル(TaN)、21は500nm程度のCu配線(Cuシード層含む)、22は20nm程度のバリア絶縁膜(Si)を示している。 FIGS. 1 and 2 show a part of a semiconductor integrated circuit including an N-channel MIS field effect transistor formed in an ICL structure using a silicon (Si) substrate, where 1 is a p of about 10 16 cm −3. Type silicon (Si) substrate, 2 is a p-type epitaxial SiGe layer of about 10 17 cm −3 (first semiconductor layer, high-concentration source / drain region forming portion), and 3 is a p of about 10 18 cm −3. + Type channel stopper region, 4 is a buried silicon oxide film (SiO 2 ) of trench element isolation region having a depth of about 100 nm, 5 is a buried Ge layer of about 5 × 10 17 cm −3 , and 6 is 5 × 10 17 cm −. N-type epitaxial SiGe layer of about 3 (second semiconductor layer, low-concentration source / drain region forming portion), 7 is p-type epitaxial strain of about 10 17 cm −3 Si layer (third semiconductor layer, channel region forming portion), 8 is an n + type source region of about 10 20 cm −3 , 9 is an n type drain region of about 5 × 10 17 cm −3 , and 10 is 5 × An n-type source region of about 10 17 cm −3 , 11 is an n + -type drain region of about 10 20 cm −3 , 12 is a sidewall (SiO 2 ) of about 20 nm, and 13 is a gate oxide film (SiO 2 of about 5 nm). ), 14 is a gate electrode (WSi) having a gate length of about 20 nm and a film thickness of about 100 nm, 15 is a phosphosilicate glass (PSG) film of about 300 nm, 16 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 20 nm, and 17 is Barrier metal (TiN) of about 10 nm, 18 is a conductive plug (W), 19 is an interlayer insulating film (SiOC) of about 500 nm, 20 is a barrier metal (TaN) of about 10 nm, 1 (including Cu seed layer) 500 nm of approximately Cu wiring 22 shows the 20nm approximately barrier insulating film (Si 3 N 4).

図1(チャネル長方向)においては、p型のシリコン基板1の一部直上に一対のp型のSiGe層2(第1の半導体層)が選択的に設けられ、一対のSiGe層2間には1側面をそれぞれ接して一対のn型のSiGe層6(第2の半導体層)が設けられ、一対のSiGe層6間には対向する側面をそれぞれ接してp型の歪みSi層7(第3の半導体層)が挟まれて設けられ、一対のSiGe層2、一対のSiGe層6及び歪みSi層7からなる半導体層がトレンチ素子分離領域のシリコン酸化膜(SiO)4により島状に絶縁分離されている。一対のSiGe層2には上面、下面及び4側面がすべて平面からなるn型ソース領域8あるいはn型ドレイン領域11が設けられ、一対のSiGe層6には上面、下面及び4側面がすべて平面からなるn型ソース領域9あるいはn型ドレイン領域10が設けられ、歪みSi層7にはチャネル領域が設けられ、歪みSi層7上に設けられたゲート酸化膜(SiO)13及び一対のSiGe層6上に設けられた逆構造のサイドウォール(SiO)12を介して上部になるほど長いゲート長を有する構造のゲート電極(WSi)14が設けられ、一対のSiGe層6及び歪みSi層7直下のシリコン基板1の上部には埋め込みGe層5が設けられ、トレンチ素子分離領域のシリコン酸化膜(SiO)4直下にはp型チャネルストッパー領域3が設けられており、n型ソースドレイン領域(8、11)には、それぞれバリアメタル(TiN)17を有する導電プラグ(W)18を介してバリアメタル(TaN)20を有するCu配線21が接続されているLDD構造からなるNチャネルのMIS電界効果トランジスタのチャネル長方向の側断面図が示されている。(ソースドレイン領域の構造に関する詳細は製造方法で記載する。) In FIG. 1 (channel length direction), a pair of p-type SiGe layers 2 (first semiconductor layers) are selectively provided immediately above a part of the p-type silicon substrate 1, and between the pair of SiGe layers 2. Is provided with a pair of n-type SiGe layers 6 (second semiconductor layers) in contact with one side surface, and a p-type strained Si layer 7 (first layer) between the pair of SiGe layers 6 in contact with opposite side surfaces. 3 semiconductor layers), and a semiconductor layer composed of a pair of SiGe layers 2, a pair of SiGe layers 6 and a strained Si layer 7 is formed into an island shape by a silicon oxide film (SiO 2 ) 4 in the trench element isolation region. Isolated. The pair of SiGe layers 2 are provided with an n + -type source region 8 or an n + -type drain region 11 whose upper surface, lower surface, and four side surfaces are all flat, and the pair of SiGe layers 6 have an upper surface, a lower surface, and all four side surfaces. A planar n-type source region 9 or n-type drain region 10 is provided, a strained Si layer 7 is provided with a channel region, a gate oxide film (SiO 2 ) 13 provided on the strained Si layer 7 and a pair of A gate electrode (WSi) 14 having a structure having a longer gate length is provided on the SiGe layer 6 through an inverted structure side wall (SiO 2 ) 12 provided on the SiGe layer 6, and a pair of SiGe layer 6 and a strained Si layer are provided. 7 Ge layer 5 embedded on the upper portion of the silicon substrate 1 is provided immediately below, the silicon oxide film (SiO 2) 4 directly below the trench isolation region p + -type channel list Par region 3 is provided on the n + -type source and drain regions (8, 11), Cu having a barrier metal (TaN) 20 via a conductive plug (W) 18 with a barrier metal (TiN) 17, respectively A side sectional view in the channel length direction of an N-channel MIS field effect transistor having an LDD structure to which the wiring 21 is connected is shown. (Details regarding the structure of the source / drain region will be described in the manufacturing method.)

図2(チャネル幅方向)においては、p型のシリコン基板1の一部直上にp型の歪みSi層7(第3の半導体層)が選択的に設けられ、底部にp型チャネルストッパー領域3を有するトレンチ素子分離領域のシリコン酸化膜(SiO)4により島状に絶縁分離されている。歪みSi層7直下のシリコン基板1の上部には埋め込みGe層5が設けられ、歪みSi層7直上にはゲート酸化膜(SiO)13を介して、トレンチ素子分離領域のシリコン酸化膜(SiO)4上に延在し、両端に逆構造のサイドウォール(SiO)12を有する、上部になるほど長いゲート長を有する構造のゲート電極(WSi)14が設けられ、ゲート電極(WSi)14にはバリアメタル(TiN)17を有する導電プラグ(W)18を介してバリアメタル(TaN)20を有するCu配線21が接続されているNチャネルのMIS電界効果トランジスタの一部でチャネル幅方向の側断面図が示されている。 In FIG. 2 (channel width direction), a p-type strained Si layer 7 (third semiconductor layer) is selectively provided immediately above a part of the p-type silicon substrate 1, and a p + -type channel stopper region is provided at the bottom. 3 is insulated and isolated in an island shape by a silicon oxide film (SiO 2 ) 4 in the trench element isolation region. A buried Ge layer 5 is provided on the upper portion of the silicon substrate 1 immediately below the strained Si layer 7, and a silicon oxide film (SiO 2 ) in the trench element isolation region is interposed on the strained Si layer 7 via a gate oxide film (SiO 2 ) 13. 2 ) A gate electrode (WSi) 14 having a structure with a longer gate length extending toward the top is provided, extending on 4 and having oppositely structured sidewalls (SiO 2 ) 12 at both ends. Is a part of an N channel MIS field effect transistor to which a Cu wiring 21 having a barrier metal (TaN) 20 is connected via a conductive plug (W) 18 having a barrier metal (TiN) 17 in the channel width direction. A side sectional view is shown.

したがって、通常の安価な半導体基板(Si)を使用し、半導体層の選択エピタキシャル成長法を利用して、半導体基板上に一対の第1の半導体層(SiGe層)を設け、一対の第1の半導体層間に、1側面をそれぞれ接して一対の第2の半導体層(SiGe層)を設け、一対の第2の半導体層間に、対向する側面をそれぞれ接して第3の半導体層(歪みSi層)を挟んで設け、第3の半導体層上にゲート絶縁膜を介して、第2の半導体層上に設けられた逆構造のサイドウォール(慣例的なサイドウォールに対し、向きが反対のサイドウォール)上に延在した庇構造のゲート電極(下部より上部のゲート長が長い構造のゲート電極)を設け、第2の半導体層及び第3の半導体層の直下の半導体基板に埋め込みGe層を設け、第1の半導体層には、対向する側面が半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有する高濃度のソースドレイン領域を設け、第2の半導体層には、対向する側面が半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有する低濃度のソースドレイン領域を設け、第3の半導体層には、垂直(深さ)方向にチャネル長が等しい(一定)チャネル領域を設けた構造を有するMIS電界効果トランジスタを、チャネル領域を形成する第3の半導体層に自己整合して極めて微細に形成することが可能である。
また低濃度及び高濃度のソースドレイン領域の対向する側面を、半導体基板の主面に対し垂直平面をなして形成できるため、電界集中を防ぐことができることによるソースドレイン領域間の耐圧の向上及び垂直(深さ)方向において等しい(一定の)チャネル長を得ることができることにより、ゲート電極に印加される電圧に対し、理想的な(損失のない)駆動電流を得ることができることによる高速化が可能である。
またソースドレイン領域の拡散層の深さに依存しないチャネル領域を形成できるため、ソースドレイン領域の抵抗を低減化できることによる高速化が可能である。
また横方向の不純物拡散を抑えた低濃度及び高濃度のソースドレイン領域を形成できるため、ゲート電極とソースドレイン領域との重なりを抑えて(ほぼゼロ)形成できることにより、浮遊容量の低減化による高速化及びチャネル長をさらに減縮できることによる微細化等が可能である。
また格子定数の小さな歪みSi層(第3の半導体層)を、左右から格子定数の大きなSiGe層(第1及び第2の半導体層)により挟んだ構造に形成できるため、左右のSiGe層(第1及び第2の半導体層)から歪みSi層(第3の半導体層、チャネル領域)の格子間隔を広げることが可能で、キャリアの移動度を増加させることができることによる高速化が可能である。
また半導体基板に高濃度の埋め込みGe層を設けることにより、エピタキシャル成長するSiGe層あるいは歪みSi層を横方向のみの成長とすることができ、結晶欠陥が極めて少ない半導体層の形成が可能である。
即ち、高速大容量通信、携帯情報端末、車載用機器、各種電子機械機器、宇宙関連機器等に対応可能な半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能、低電力及び高集積を併せ持つMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
Therefore, a pair of first semiconductor layers (SiGe layers) is provided on a semiconductor substrate by using a normal inexpensive semiconductor substrate (Si) and a selective epitaxial growth method of the semiconductor layer, and the pair of first semiconductors. A pair of second semiconductor layers (SiGe layers) are provided in contact with each other between the side surfaces, and a third semiconductor layer (strained Si layer) is provided in contact with the opposing side surfaces between the pair of second semiconductor layers. On the opposite side wall (side wall opposite to the conventional side wall) provided on the second semiconductor layer via the gate insulating film on the third semiconductor layer. A gate electrode having a ridge structure (a gate electrode having a longer gate length above the lower portion) extending to the second semiconductor layer, a buried Ge layer on the semiconductor substrate immediately below the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, 1 semiconductor layer A high-concentration source / drain region having a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate is provided, and the second semiconductor layer has a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. A MIS field effect transistor having a structure in which a channel region having a constant channel length in the vertical (depth) direction is provided in the third semiconductor layer. It can be formed very finely in a self-aligned manner with the third semiconductor layer to be formed.
Further, since the opposite side surfaces of the low-concentration and high-concentration source / drain regions can be formed in a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate, the breakdown voltage between the source / drain regions can be improved and the vertical can be prevented. Since it is possible to obtain equal (constant) channel lengths in the (depth) direction, it is possible to increase the speed by being able to obtain an ideal (lossless) driving current with respect to the voltage applied to the gate electrode. It is.
Further, since the channel region independent of the depth of the diffusion layer in the source / drain region can be formed, the speed can be increased by reducing the resistance of the source / drain region.
In addition, since low-concentration and high-concentration source / drain regions can be formed while suppressing lateral impurity diffusion, the overlap between the gate electrode and the source / drain regions can be suppressed (substantially zero), resulting in high speed due to a reduction in stray capacitance. And miniaturization by further reducing the channel length.
In addition, since a strained Si layer (third semiconductor layer) having a small lattice constant can be formed in a structure sandwiched by SiGe layers (first and second semiconductor layers) having a large lattice constant from the left and right, the left and right SiGe layers (first and second semiconductor layers) can be formed. The lattice spacing from the strained Si layer (third semiconductor layer, channel region) from the first and second semiconductor layers can be increased, and the carrier mobility can be increased, thereby increasing the speed.
Further, by providing a high-concentration buried Ge layer on the semiconductor substrate, an epitaxially grown SiGe layer or strained Si layer can be grown only in the lateral direction, and a semiconductor layer with extremely few crystal defects can be formed.
In other words, high-speed, high-reliability, high-performance, low-power, and high-speed that enable the manufacture of semiconductor integrated circuits that can handle high-speed, large-capacity communication, portable information terminals, in-vehicle devices, various electronic mechanical devices, space-related devices, etc. An MIS field effect transistor having integration can be obtained.

次いで本発明に係る半導体装置における第1の実施例の製造方法について、図1〜図20を参照し、主にチャネル長方向を示す図面を用いて説明する。ただし、ここでは本発明の半導体装置の形成に関する製造方法のみを記述し、一般の半導体集積回路に搭載される各種の素子(他のトランジスタ、抵抗、容量等)の形成に関する製造方法の記述は省略する。   Next, the manufacturing method of the first embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 20 mainly using the drawings showing the channel length direction. However, here, only the manufacturing method related to the formation of the semiconductor device of the present invention is described, and the description of the manufacturing method related to the formation of various elements (other transistors, resistors, capacitors, etc.) mounted on a general semiconductor integrated circuit is omitted. To do.

図3(チャネル長方向)
p型のシリコン基板1上に100nm程度のp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層2(第1の半導体層、Ge濃度20%程度)を成長する。
Figure 3 (channel length direction)
A p-type longitudinal (vertical) direction epitaxial SiGe layer 2 (first semiconductor layer, Ge concentration of about 20%) of about 100 nm is grown on the p-type silicon substrate 1.

図4(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、SiGe層2を異方性エッチングし、シリコン基板1の一部を露出する浅いトレンチを形成する。
Fig. 4 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the SiGe layer 2 is anisotropically etched using a resist (not shown) as a mask layer to form a shallow trench exposing a part of the silicon substrate 1.

図5(チャネル長方向)
次いでレジスト(図示せず)をマスク層として、露出したシリコン基板1にチャネルストッパー領域3形成用の硼素のイオン注入をおこなう。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
Figure 5 (channel length direction)
Next, boron is implanted into the exposed silicon substrate 1 to form the channel stopper region 3 using a resist (not shown) as a mask layer. Next, the resist (not shown) is removed.

図6(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、100nm程度のシリコン酸化膜(SiO)を成長する。次いで化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing 以後CMPと略称)し、SiGe層2の平坦面上のシリコン酸化膜(SiO)を除去し、トレンチにシリコン酸化膜(SiO)4を平坦に埋め込む。
Fig. 6 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (hereinafter abbreviated as CMP) is performed, the silicon oxide film (SiO 2 ) on the flat surface of the SiGe layer 2 is removed, and the silicon oxide film (SiO 2 ) 4 is flatly embedded in the trench.

図7(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、5nm程度のイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)を成長する。次いでn型不純物領域形成用の砒素のイオン注入をおこなう。次いで1000℃程度でアニールをおこない、SiGe層2に50nm程度のn型不純物領域23(最終的には高濃度のソースドレイン領域となる)を形成する。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)をエッチング除去する。
Fig. 7 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, ion implantation of arsenic for forming an n + -type impurity region is performed. Next, annealing is performed at about 1000 ° C. to form an n + -type impurity region 23 (finally a high-concentration source / drain region) of about 50 nm in the SiGe layer 2. Next, the silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation is removed by etching.

図8(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、100nm程度のシリコン窒化膜(Si)24を成長する。
Fig. 8 (channel length direction)
Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 24 of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition.

図9(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)24及びSiGe層2を順次異方性エッチングし、シリコン基板1の表面の一部を露出する開孔部(最短の開孔部幅は50nm程度)を形成する。この際n型不純物領域23は2分割され、端部がシリコン基板1の主面に垂直な側面を有し、相対するn型ソース領域8及びn型ドレイン領域11となる。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
Figure 9 (channel length direction)
Next, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 24 and the SiGe layer 2 are anisotropically etched sequentially using a resist (not shown) as a mask layer using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, An opening (a shortest opening width is about 50 nm) that exposes part of the surface is formed. At this time, the n + -type impurity region 23 is divided into two, the end portion has a side surface perpendicular to the main surface of the silicon substrate 1, and becomes the n + -type source region 8 and the n + -type drain region 11 that face each other. Next, the resist (not shown) is removed.

図10(チャネル長方向)
次いで開孔部を通して露出しているシリコン基板1の表面にゲルマニウム(Ge)のイオン注入をおこなう。これは露出しているシリコン基板1の表面を高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たすためである。
Figure 10 (channel length direction)
Next, germanium (Ge) ions are implanted into the surface of the silicon substrate 1 exposed through the opening. This is to fill the exposed surface of the silicon substrate 1 with a high concentration germanium (Ge) layer 5.

図11(チャネル長方向)
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置(electron coupling resonance plasma enhanced chemical vapor deposition system)により、露出したSiGe層2の側面間にn型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層6(第2の半導体層、Ge濃度20%程度)を成長する。この際SiGe層6は、表面が高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たされたシリコン基板1から縦(垂直)方向には成長しない。こうして横(水平)方向のみにエピタキシャルSiGe層6を成長させることにより、結晶成長における結晶欠陥を防止している。このn型のSiGe層6は以後2分割されて低濃度のソースドレイン領域となるため、5×1017cm−3程度に形成される。
FIG. 11 (channel length direction)
Next, an n-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer 6 between the side surfaces of the exposed SiGe layer 2 by an ECR plasma CVD enhanced chemical vapor deposition deposition system capable of low temperature growth (500 ° C. or less) ( A second semiconductor layer, Ge concentration of about 20%) is grown. At this time, the SiGe layer 6 does not grow in the vertical (vertical) direction from the silicon substrate 1 whose surface is filled with the germanium (Ge) layer 5 having a high concentration. Thus, the epitaxial SiGe layer 6 is grown only in the lateral (horizontal) direction, thereby preventing crystal defects in the crystal growth. Since this n-type SiGe layer 6 is divided into two portions to form a low-concentration source / drain region, the n-type SiGe layer 6 is formed at about 5 × 10 17 cm −3 .

図12(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、15nm程度のシリコン酸化膜(SiO)を成長する。次いで全面異方性エッチングし、開孔部の側壁にのみサイドウォール(SiO)12を形成する。
Figure 12 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 15 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the entire surface is anisotropically etched to form a side wall (SiO 2 ) 12 only on the side wall of the opening.

図13(チャネル長方向)
次いでサイドウォール(SiO)12及びシリコン窒化膜(Si)24をマスク層として、SiGe層6を異方性エッチングし、表面が高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たされたシリコン基板1の一部を露出する。この際n型のSiGe層6は2分割されて、端部がシリコン基板1の主面に垂直な平面を有し、相対するn型ソース領域9及びn型ドレイン領域10となる。
FIG. 13 (channel length direction)
Next, the SiGe layer 6 is anisotropically etched using the sidewall (SiO 2 ) 12 and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 24 as a mask layer, and the surface is filled with the germanium (Ge) layer 5 having a high concentration. A part of the substrate 1 is exposed. At this time, the n-type SiGe layer 6 is divided into two, and the end portion has a plane perpendicular to the main surface of the silicon substrate 1 and becomes an n-type source region 9 and an n-type drain region 10 which face each other.

図14(チャネル長方向)
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置により、露出したSiGe層6の側面間にp型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層7(第3の半導体層)を成長する。この際歪みSi層7は、表面が高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たされたシリコン基板1から縦(垂直)方向には成長しない。こうして横(水平)方向のみにエピタキシャル歪みSi層7を成長させることにより、結晶成長における結晶欠陥を防止している。
Fig. 14 (channel length direction)
Next, a p-type lateral (horizontal) epitaxial strained Si layer 7 (third semiconductor layer) is grown between the exposed side surfaces of the SiGe layer 6 by an ECR plasma CVD apparatus capable of low temperature growth (500 ° C. or less). At this time, the strained Si layer 7 does not grow in the vertical (vertical) direction from the silicon substrate 1 whose surface is filled with the germanium (Ge) layer 5 having a high concentration. Thus, by growing the epitaxial strained Si layer 7 only in the lateral (horizontal) direction, crystal defects in the crystal growth are prevented.

図15(チャネル長方向)
次いで露出している歪みSi層7の表面を熱酸化し、5nm程度のゲート酸化膜(SiO)13を成長する。次いで歪みSi層7に閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。(歪みSi層7をエピタキシャルする際、閾値電圧を制御した濃度にエピタキシャル成長をしてもよい。)次いで比較的低温でアニールをおこない、チャネル領域となる歪みSi層7の閾値電圧制御用の硼素を活性化させる。
FIG. 15 (channel length direction)
Next, the exposed surface of the strained Si layer 7 is thermally oxidized to grow a gate oxide film (SiO 2 ) 13 of about 5 nm. Next, boron ions for controlling the threshold voltage are implanted into the strained Si layer 7. (When the strained Si layer 7 is epitaxially grown, it may be epitaxially grown to a concentration in which the threshold voltage is controlled.) Next, annealing is performed at a relatively low temperature, and boron for controlling the threshold voltage of the strained Si layer 7 serving as the channel region is used. Activate.

図16(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、100nm程度のタングステンシリサイド膜(WSi)を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)24上に成長したタングステンシリサイド膜(WSi)を除去して、開孔部を平坦に埋め込んだゲート電極(WSi)14を形成する。この際ゲート電極(WSi)14は、側壁に逆構造のサイドウォール(SiO)12を有し、ゲート長が上部になるほど長い構造(実効的なゲート長は最下部)に形成されるが、歪みSi層7において、垂直(深さ)方向にチャネル長の等しいチャネル領域が形成される。(即ち、垂直(深さ)方向において、ソース領域とドレイン領域の間隔が等しい。)
FIG. 16 (channel length direction)
Next, a tungsten silicide film (WSi) of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove the tungsten silicide film (WSi) grown on the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 24, and the gate electrode (WSi) 14 in which the opening is flatly buried is formed. Form. At this time, the gate electrode (WSi) 14 has a sidewall (SiO 2 ) 12 having an inverse structure on the side wall, and is formed in a longer structure (effective gate length is the lowermost portion) as the gate length is higher. In the strained Si layer 7, channel regions having the same channel length are formed in the vertical (depth) direction. (In other words, the distance between the source region and the drain region is equal in the vertical (depth) direction.)

図17(チャネル長方向)
次いでゲート電極(WSi)14をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)24をエッチング除去する。
FIG. 17 (channel length direction)
Next, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 24 is removed by etching using the gate electrode (WSi) 14 as a mask layer.

図18(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、300nm程度の燐珪酸ガラス(PSG)膜15を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、平坦化する。次いで化学気相成長により、20nm程度のシリコン窒化膜(Si)16を成長する。
FIG. 18 (channel length direction)
Next, a phosphosilicate glass (PSG) film 15 of about 300 nm is grown by chemical vapor deposition. Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed and planarization is performed. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 16 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition.

図19(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)16及びPSG膜15を順次異方性エッチングし、ビアを形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 19 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 16 and the PSG film 15 are sequentially anisotropically etched using a resist (not shown) as a mask layer to form a via. . Next, the resist (not shown) is removed.

図20(チャネル長方向)
次いで化学気相成長によりにより、バリアメタルとなるTiN17を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン(W)18を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ビアに平坦に埋め込み、バリアメタル(TiN)17を有する導電プラグ(W)18を形成する。
FIG. 20 (channel length direction)
Next, TiN 17 serving as a barrier metal is grown by chemical vapor deposition. Next, tungsten (W) 18 is grown by chemical vapor deposition. Next, a conductive plug (W) 18 having a barrier metal (TiN) 17 is formed by chemical mechanical polishing (CMP).

図1(チャネル長方向)、図2(チャネル幅方向)
次いで化学気相成長により、500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)19を成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、層間絶縁膜(SiOC)19を異方性エッチングし、開孔部を形成する。(この際、シリコン窒化膜(Si)16がエッチングストッパー膜となる。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、10nm程度のバリアメタル(TaN)20を成長する。次いでスパッタにより、Cuシード層を成長する。次いで電解メッキ法により500nm程度のCuを成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、開孔部にCuを平坦に埋め込み、バリアメタル(TaN)20を有するCu配線21を形成する。次いで化学気相成長により、Cuのバリア絶縁膜となるシリコン窒化膜(Si)22を成長し、本願発明のICL構造の半導体装置(NチャネルのMIS電界効果トランジスタ)を完成する。
Fig. 1 (channel length direction), Fig. 2 (channel width direction)
Next, an interlayer insulating film (SiOC) 19 having a thickness of about 500 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary lithography technique by an exposure drawing apparatus, the interlayer insulating film (SiOC) 19 is anisotropically etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. (At this time, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 16 becomes an etching stopper film.) Next, the resist (not shown) is removed. Next, a barrier metal (TaN) 20 of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a Cu seed layer is grown by sputtering. Next, Cu of about 500 nm is grown by electrolytic plating. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, and Cu is embedded in the opening portion flatly to form a Cu wiring 21 having a barrier metal (TaN) 20. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 22 serving as a Cu barrier insulating film is grown by chemical vapor deposition to complete the ICL structure semiconductor device (N-channel MIS field effect transistor) of the present invention.

図21〜図34は本発明の半導体装置における第2の実施例で、図21はチャネル長方向の模式側断面図、図22〜図34は製造方法の工程断面図の一部である。   FIGS. 21 to 34 show a second embodiment of the semiconductor device of the present invention. FIG. 21 is a schematic side sectional view in the channel length direction, and FIGS. 22 to 34 are a part of process sectional views of the manufacturing method.

図21(チャネル長方向)は本発明の半導体装置における第2の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、ICL構造に形成した非対称のNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜8、10〜22は図1と同じ物を、25はシリコン窒化膜(Si)を示している。
同図においては、ソース領域側のゲート電極(WSi)14の側壁にサイドウォール(SiO)12が設けられていないこと及びn型ソース領域9が設けられていないこと以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネルの非対称MIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においても第1の実施例と同様の効果を得ることができ、さらにドレイン領域はホットエレクトロン効果を改善したLDD構造に形成でき、ソース領域は不必要な低濃度領域が存在しない、高濃度ソース領域構造に自己整合して形成できるため、ソース領域の抵抗を低減できることによる高速化が可能であり、またn型ソース領域が設けられない分、微細なMIS電界効果トランジスタを形成することも可能である。
FIG. 21 (channel length direction) is a schematic cross-sectional side view of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention, which shows an asymmetric N-channel MIS field effect transistor formed in an ICL structure using a silicon (Si) substrate. 1 to 8 and 10 to 22 are the same as those in FIG. 1, and 25 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ).
This figure is almost the same as FIG. 1 except that the side wall (SiO 2 ) 12 is not provided on the side wall of the gate electrode (WSi) 14 on the source region side and the n-type source region 9 is not provided. An N-channel asymmetric MIS field effect transistor having a structure is formed.
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, the drain region can be formed in an LDD structure with improved hot electron effect, and the source region has no unnecessary low concentration region. Since it can be formed in a self-aligned manner with the concentration source region structure, it is possible to increase the speed by reducing the resistance of the source region, and it is also possible to form a fine MIS field-effect transistor because no n-type source region is provided. Is possible.

次いで本発明に係る半導体装置における第2の実施例の製造方法について図22〜図34及び図21を参照して説明する。
第1の実施例に示される図3〜図6の工程をおこなった後、図22の工程をおこなう。
Next, a manufacturing method of the second embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
After performing the steps of FIGS. 3 to 6 shown in the first embodiment, the step of FIG. 22 is performed.

図22(チャネル長方向)
次いでシリコン酸化膜(SiO)4を10nm程度異方性エッチングし微小な段差を形成する。次いで化学気相成長により、10nm程度のシリコン窒化膜(Si)25を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、SiGe層2の平坦面上のシリコン窒化膜(Si)25を除去し、微小な段差にシリコン窒化膜(Si)25を埋め込み平坦化する。
FIG. 22 (channel length direction)
Next, the silicon oxide film (SiO 2 ) 4 is anisotropically etched by about 10 nm to form minute steps. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 25 of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 25 on the flat surface of the SiGe layer 2 is removed, and a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 25 is embedded and planarized in a minute step. To do.

図23(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、5nm程度のイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)を成長する。次いでn型不純物領域形成用の砒素のイオン注入をおこなう。次いで1000℃程度でアニールをおこない、SiGe層2に50nm程度のn型不純物領域23(最終的には高濃度のソースドレイン領域となる)を形成する。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)をエッチング除去する。
FIG. 23 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, ion implantation of arsenic for forming an n + -type impurity region is performed. Next, annealing is performed at about 1000 ° C. to form an n + -type impurity region 23 (finally a high-concentration source / drain region) of about 50 nm in the SiGe layer 2. Next, the silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation is removed by etching.

図24(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、90nm程度のシリコン酸化膜(SiO)26を成長する。次いで化学気相成長により、10nm程度のシリコン窒化膜(Si)27を成長する。
FIG. 24 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 26 of about 90 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 27 of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition.

図25(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)27、シリコン酸化膜(SiO)26及びSiGe層2を順次異方性エッチングし、シリコン基板1の表面の一部を露出する開孔部(最短の開孔部幅は50nm程度)を形成する。この際n型不純物領域23は2分割され、端部がシリコン基板1の主面に垂直な側面を有し、相対するn型ソース領域8及びn型ドレイン領域11となる。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 25 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 27, the silicon oxide film (SiO 2 ) 26, and the SiGe layer 2 are sequentially different using a resist (not shown) as a mask layer. Isotropic etching is performed to form an opening (a shortest opening width is about 50 nm) exposing a part of the surface of the silicon substrate 1. At this time, the n + -type impurity region 23 is divided into two, the end portion has a side surface perpendicular to the main surface of the silicon substrate 1, and becomes the n + -type source region 8 and the n + -type drain region 11 that face each other. Next, the resist (not shown) is removed.

図26(チャネル長方向)
次いで開孔部を通して露出しているシリコン基板1の表面にゲルマニウム(Ge)のイオン注入をおこなう。これは露出しているシリコン基板1の表面を高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たすためである。
FIG. 26 (channel length direction)
Next, germanium (Ge) ions are implanted into the surface of the silicon substrate 1 exposed through the opening. This is to fill the exposed surface of the silicon substrate 1 with a high concentration germanium (Ge) layer 5.

図27(チャネル長方向)
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置により、露出したSiGe層2の側面間にn型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層6(第2の半導体層、Ge濃度20%程度)を成長する。この際SiGe層6は、表面が高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たされたシリコン基板1から縦(垂直)方向には成長しない。こうして横(水平)方向のみにエピタキシャルSiGe層6を成長させることにより、結晶成長における結晶欠陥を防止している。このn型のSiGe層6は以後分割されて低濃度のドレイン領域となるため、5×1017cm−3程度に形成される。
FIG. 27 (channel length direction)
Next, an n-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer 6 (second semiconductor layer, Ge concentration of about 20%) is formed between the exposed side surfaces of the SiGe layer 2 by an ECR plasma CVD apparatus capable of low temperature growth (500 ° C. or less). ) Grow. At this time, the SiGe layer 6 does not grow in the vertical (vertical) direction from the silicon substrate 1 whose surface is filled with the germanium (Ge) layer 5 having a high concentration. Thus, the epitaxial SiGe layer 6 is grown only in the lateral (horizontal) direction, thereby preventing crystal defects in the crystal growth. Since this n-type SiGe layer 6 is divided thereafter to form a low-concentration drain region, the n-type SiGe layer 6 is formed at about 5 × 10 17 cm −3 .

図28(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、15nm程度のシリコン酸化膜(SiO)を成長する。次いで全面異方性エッチングし、開孔部の側壁にのみサイドウォール(SiO)12を形成する。
FIG. 28 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 15 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the entire surface is anisotropically etched to form a side wall (SiO 2 ) 12 only on the side wall of the opening.

図29(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)及びシリコン窒化膜(Si)(27、25)をマスク層として、ソース領域側の開孔部の側壁に形成したサイドウォール(SiO)12を異方性エッチングする。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 29 (channel length direction)
Next, a resist (not shown) and a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) (27, 25) are formed as mask layers on the side wall of the opening portion on the source region side using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus. The etched sidewall (SiO 2 ) 12 is anisotropically etched. Next, the resist (not shown) is removed.

図30(チャネル長方向)
次いでドレイン領域側に残されたサイドウォール(SiO)12及びシリコン窒化膜(Si)(27、25)をマスク層として、SiGe層6を異方性エッチングし、表面が高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たされたシリコン基板1の一部を露出する。この際n型のSiGe層6はドレイン領域側のサイドウォール(SiO)12直下にのみ残され、n型ドレイン領域10となる。
FIG. 30 (channel length direction)
Next, the SiGe layer 6 is anisotropically etched using the sidewall (SiO 2 ) 12 and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) (27, 25) left on the drain region side as a mask layer, and the surface has a high concentration. A part of the silicon substrate 1 filled with the germanium (Ge) layer 5 is exposed. At this time, the n-type SiGe layer 6 is left only directly under the sidewall (SiO 2 ) 12 on the drain region side to become the n-type drain region 10.

図31(チャネル長方向)
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置により、露出したSiGe層2とSiGe層6の側面間にp型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層7(第3の半導体層)を成長する。この際歪みSi層7は、表面が高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たされたシリコン基板1から縦(垂直)方向には成長しない。こうして横(水平)方向のみにエピタキシャル歪みSi層7を成長させることにより、結晶成長における結晶欠陥を防止している。
Figure 31 (channel length direction)
Next, a p-type lateral (horizontal) epitaxial strained Si layer 7 (third semiconductor layer) is formed between the exposed side surfaces of the SiGe layer 2 and the SiGe layer 6 by an ECR plasma CVD apparatus capable of low temperature growth (500 ° C. or lower). To grow. At this time, the strained Si layer 7 does not grow in the vertical (vertical) direction from the silicon substrate 1 whose surface is filled with the germanium (Ge) layer 5 having a high concentration. Thus, by growing the epitaxial strained Si layer 7 only in the lateral (horizontal) direction, crystal defects in the crystal growth are prevented.

図32(チャネル長方向)
次いで露出している歪みSi層7の表面を熱酸化し、5nm程度のゲート酸化膜(SiO)13を成長する。次いで歪みSi層7に閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。(歪みSi層7をエピタキシャルする際、閾値電圧を制御した濃度にエピタキシャル成長をしてもよい。)次いで比較的低温でアニールをおこない、チャネル領域となる歪みSi層7の閾値電圧制御用の硼素を活性化させる。
Figure 32 (channel length direction)
Next, the exposed surface of the strained Si layer 7 is thermally oxidized to grow a gate oxide film (SiO 2 ) 13 of about 5 nm. Next, boron ions for controlling the threshold voltage are implanted into the strained Si layer 7. (When the strained Si layer 7 is epitaxially grown, it may be epitaxially grown to a concentration in which the threshold voltage is controlled.) Next, annealing is performed at a relatively low temperature, and boron for controlling the threshold voltage of the strained Si layer 7 serving as the channel region is used. Activate.

図33(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、100nm程度のタングステンシリサイド膜(WSi)を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)27上に成長したタングステンシリサイド膜(WSi)を除去して、開孔部を平坦に埋め込んだゲート電極(WSi)14を形成する。この際ゲート電極(WSi)14は、ドレイン領域側の側壁にのみ逆構造のサイドウォール(SiO)12を有し、ゲート長が上部になるほど長い構造(実効的なゲート長は最下部)に形成されるが、歪みSi層7において、垂直(深さ)方向にチャネル長の等しいチャネル領域が形成される。(即ち、垂直(深さ)方向において、ソース領域とドレイン領域の間隔が等しい。)
FIG. 33 (channel length direction)
Next, a tungsten silicide film (WSi) of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove the tungsten silicide film (WSi) grown on the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 27, and the gate electrode (WSi) 14 in which the opening is flatly buried is formed. Form. At this time, the gate electrode (WSi) 14 has a side wall (SiO 2 ) 12 having an inverted structure only on the side wall on the drain region side, and has a longer structure (effective gate length is the lowest) as the gate length becomes higher. Although formed, in the strained Si layer 7, channel regions having the same channel length are formed in the vertical (depth) direction. (In other words, the distance between the source region and the drain region is equal in the vertical (depth) direction.)

図34(チャネル長方向)
次いでゲート電極(WSi)14をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)27及びシリコン酸化膜(SiO)26を順次異方性エッチングする。
FIG. 34 (channel length direction)
Next, using the gate electrode (WSi) 14 as a mask layer, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 27 and the silicon oxide film (SiO 2 ) 26 are sequentially anisotropically etched.

以後第1の実施例に示される図18〜図20及び図1の工程をおこない、本願発明のICL構造の半導体装置(Nチャネルの非対称MIS電界効果トランジスタ)を完成する。(完成図、図21(チャネル長方向))   Thereafter, the steps of FIGS. 18 to 20 and FIG. 1 shown in the first embodiment are performed to complete the ICL structure semiconductor device (N-channel asymmetric MIS field effect transistor) of the present invention. (Completed drawing, Fig. 21 (channel length direction))

図35は本発明の半導体装置における第3の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、ICL構造に形成したNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜11、13〜22は図1と同じ物を、25は図21と同じ物を、28は埋め込みシリコン酸化膜(SiO)、29は空孔を示している。
同図においては、サイドウォール(SiO)12が形成されていないこと、n型ソース領域9とn型ドレイン領域10間隔(チャネル長)にほぼ等しいゲート長を有する微細なゲート電極が設けられていること、n型ソースドレイン領域(9、10)下に埋め込みシリコン酸化膜(SiO)28が設けられていること及びチャネル領域直下に空孔29が形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においても第1の実施例と同様の効果を得ることができ、チャネル領域直下に空孔を形成できるため、動作時のチャネル領域と半導体基板間の容量を低減できることによる高速化が可能である。
FIG. 35 is a schematic sectional side view of the third embodiment of the semiconductor device of the present invention, which is a part of a semiconductor integrated circuit including an N-channel MIS field effect transistor formed in an ICL structure using a silicon (Si) substrate. 1 to 11 and 13 to 22 are the same as in FIG. 1, 25 is the same as in FIG. 21, 28 is a buried silicon oxide film (SiO 2 ), and 29 is a void.
In the figure, the side wall (SiO 2 ) 12 is not formed, and a fine gate electrode having a gate length substantially equal to the distance (channel length) between the n-type source region 9 and the n-type drain region 10 is provided. 1 except that a buried silicon oxide film (SiO 2 ) 28 is provided under the n-type source / drain regions (9, 10) and a hole 29 is formed immediately below the channel region. An N-channel MIS field effect transistor having the same structure is formed.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and a hole can be formed immediately below the channel region, so that the capacity between the channel region and the semiconductor substrate during operation can be reduced, and the speed can be increased. It is.

次いで本発明に係る半導体装置における第3の実施例の製造方法について図36〜図42及び図35を参照して説明する。
第1の実施例に示される図3〜図6及び第2の実施例に示される図22〜図25の工程をおこなった後、図36の工程をおこなう。
Next, a manufacturing method of the third embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 36 to 42 and FIG.
After performing the steps of FIGS. 3 to 6 shown in the first embodiment and FIGS. 22 to 25 shown in the second embodiment, the steps of FIG. 36 are performed.

図36(チャネル長方向)
次いで露出したシリコン基板1を30nm程度等方性エッチングし、庇構造の開孔部を形成する。
FIG. 36 (channel length direction)
Next, the exposed silicon substrate 1 is isotropically etched by about 30 nm to form an opening portion having a ridge structure.

図37(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、15nm程度のシリコン酸化膜(SiO)を成長する。次いでシリコン酸化膜(SiO)を全面異方性エッチングし、開孔部の庇部にのみシリコン酸化膜(SiO)28を埋め込む。
FIG. 37 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 15 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the entire surface of the silicon oxide film (SiO 2 ) is anisotropically etched, and the silicon oxide film (SiO 2 ) 28 is embedded only in the flange portion of the opening.

図38(チャネル長方向)
次いで開孔部を通して露出しているシリコン基板1の表面にゲルマニウム(Ge)のイオン注入をおこなう。これは露出しているシリコン基板1の表面を高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たすためである。
FIG. 38 (channel length direction)
Next, germanium (Ge) ions are implanted into the surface of the silicon substrate 1 exposed through the opening. This is to fill the exposed surface of the silicon substrate 1 with a high concentration germanium (Ge) layer 5.

図39(チャネル長方向)
次いで側面が露出しているSiGe層2を20nm程度等方性エッチングし、庇構造の開孔部を形成する。
FIG. 39 (channel length direction)
Next, the SiGe layer 2 whose side surface is exposed is isotropically etched by about 20 nm to form a hole portion having a ridge structure.

図40(チャネル長方向)
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置により、露出したSiGe層2の側面間にn型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層6(第2の半導体層、Ge濃度20%程度)を成長する。この際SiGe層6は、表面が高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たされたシリコン基板1から縦(垂直)方向には成長しない。こうして横(水平)方向のみにエピタキシャルSiGe層6を成長させることにより、結晶成長における結晶欠陥を防止している。このn型のSiGe層6は以後2分割されて低濃度のソースドレイン領域となるため、5×1017cm−3程度に形成される。この際SiGe層6下の一部に空孔29が形成される。
FIG. 40 (channel length direction)
Next, an n-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer 6 (second semiconductor layer, Ge concentration of about 20%) is formed between the exposed side surfaces of the SiGe layer 2 by an ECR plasma CVD apparatus capable of low temperature growth (500 ° C. or less). ) Grow. At this time, the SiGe layer 6 does not grow in the vertical (vertical) direction from the silicon substrate 1 whose surface is filled with the germanium (Ge) layer 5 having a high concentration. Thus, the epitaxial SiGe layer 6 is grown only in the lateral (horizontal) direction, thereby preventing crystal defects in the crystal growth. Since this n-type SiGe layer 6 is divided into two portions to form a low-concentration source / drain region, the n-type SiGe layer 6 is formed at about 5 × 10 17 cm −3 . At this time, vacancies 29 are formed in a part under the SiGe layer 6.

図41(チャネル長方向)
次いでシリコン窒化膜(Si)(27、25)をマスク層として、開孔部を通してSiGe層6を異方性エッチングし、表面が高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たされたシリコン基板1の一部を露出する。この際n型のSiGe層6は2分割されて、端部がシリコン基板1の主面に垂直な平面を有し、相対するn型ソース領域9及びn型ドレイン領域10となる。
FIG. 41 (channel length direction)
Next, using the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) (27, 25) as a mask layer, the SiGe layer 6 is anisotropically etched through the opening, and the surface is filled with the germanium (Ge) layer 5 having a high concentration. A part of the substrate 1 is exposed. At this time, the n-type SiGe layer 6 is divided into two, and the end portion has a plane perpendicular to the main surface of the silicon substrate 1 and becomes an n-type source region 9 and an n-type drain region 10 which face each other.

図42(チャネル長方向)
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置により、露出したSiGe層6の側面間にp型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層7(第3の半導体層)を成長する。この際歪みSi層7は、表面が高濃度のゲルマニウム(Ge)層5で満たされたシリコン基板1から縦(垂直)方向には成長しない。こうして横(水平)方向のみにエピタキシャル歪みSi層7を成長させることにより、結晶成長における結晶欠陥を防止している。この際歪みSi層7直下に空孔29が再形成される。
Fig. 42 (channel length direction)
Next, a p-type lateral (horizontal) epitaxial strained Si layer 7 (third semiconductor layer) is grown between the exposed side surfaces of the SiGe layer 6 by an ECR plasma CVD apparatus capable of low temperature growth (500 ° C. or less). At this time, the strained Si layer 7 does not grow in the vertical (vertical) direction from the silicon substrate 1 whose surface is filled with the germanium (Ge) layer 5 having a high concentration. Thus, by growing the epitaxial strained Si layer 7 only in the lateral (horizontal) direction, crystal defects in the crystal growth are prevented. At this time, vacancies 29 are re-formed just below the strained Si layer 7.

以後第2の実施例に示される図32〜図34、第1の実施例に示される図18〜図20及び図1の工程をおこない、本願発明のICL構造の半導体装置(NチャネルのMIS電界効果トランジスタ)を完成する。(完成図、図35(チャネル長方向))   Thereafter, the steps of FIGS. 32 to 34 shown in the second embodiment, FIGS. 18 to 20 and FIG. 1 shown in the first embodiment are performed, and the ICL structure semiconductor device of the present invention (N-channel MIS electric field). Effect transistor). (Completed drawing, Fig. 35 (channel length direction))

図43は本発明の半導体装置における第4の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、ICL構造に形成したNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1、3〜5、8〜22は図1と同じ物を、30はn型のエピタキシャルSi層(第2の半導体層、低濃度のソースドレイン領域形成部)、31はp型のエピタキシャルSi層(第3の半導体層、チャネル領域形成部)を示している。
同図においては、シリコン基板1上にSiGe層2が設けられておらず、シリコン基板1に直接n型ソース領域8及びn型ドレイン領域11が設けられていること、n型のエピタキシャルSiGe層6(第2の半導体層、低濃度のソースドレイン領域形成部)の替りにn型のエピタキシャルSi層30(第2の半導体層、低濃度のソースドレイン領域形成部)が設けられていること及びp型のエピタキシャル歪みSi層7(第3の半導体層、チャネル領域形成部)の替りにp型のエピタキシャルSi層31(第3の半導体層、チャネル領域形成部)が設けられていること以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においてもほぼ第1の実施例と同様の効果を得ることができ、またチャネル領域が歪み構造に形成されていないため、移動度の向上による高速化は達成できないが、製造工程はやや簡略化することが可能である。
FIG. 43 is a schematic sectional side view of the fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention, which is a part of a semiconductor integrated circuit including an N-channel MIS field effect transistor formed in an ICL structure using a silicon (Si) substrate. 1, 3 to 5, and 8 to 22 are the same as in FIG. 1, 30 is an n-type epitaxial Si layer (second semiconductor layer, low-concentration source / drain region forming portion), and 31 is p A type epitaxial Si layer (third semiconductor layer, channel region forming portion) is shown.
In the figure, the SiGe layer 2 is not provided on the silicon substrate 1, but the n + type source region 8 and the n + type drain region 11 are provided directly on the silicon substrate 1, and the n type epitaxial SiGe. An n-type epitaxial Si layer 30 (second semiconductor layer, low concentration source / drain region formation portion) is provided instead of the layer 6 (second semiconductor layer, low concentration source / drain region formation portion). In addition, a p-type epitaxial Si layer 31 (third semiconductor layer, channel region forming portion) is provided instead of the p-type epitaxial strained Si layer 7 (third semiconductor layer, channel region forming portion). Is formed with an N-channel MIS field effect transistor having substantially the same structure as in FIG.
In this embodiment, substantially the same effect as in the first embodiment can be obtained, and since the channel region is not formed in a strained structure, high speed cannot be achieved by improving mobility, but the manufacturing process is somewhat It can be simplified.

図44は本発明の半導体装置における第5の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、ICL構造に形成したNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜5、7、8、11、13〜22は図1と同じ物を示している。
同図においては、サイドウォール(SiO)12が形成されていないこと、n型のエピタキシャルSiGe層6(第2の半導体層、低濃度のソースドレイン領域形成部)が設けられておらず、n型ソース領域9とn型ドレイン領域10が設けられていない(即ちLDD構造ではない)こと及びn型ソース領域8とn型ドレイン領域11が高濃度の燐により形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においてもほぼ第1の実施例と同様の効果を得ることができ、不純物分布が緩やかに変化する傾斜接合が可能な燐により高濃度のソースドレイン領域を形成できるため、低濃度のソースドレイン領域を設けずにホットエレクトロン効果を改善したショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成できるので、微細化及び製造工程の簡略化が可能である。
FIG. 44 is a schematic sectional side view of a fifth embodiment of the semiconductor device of the present invention, which is a part of a semiconductor integrated circuit including an N-channel MIS field effect transistor formed in an ICL structure using a silicon (Si) substrate. 1-5, 7, 8, 11, 13-22 show the same thing as FIG.
In the figure, the sidewall (SiO 2 ) 12 is not formed, the n-type epitaxial SiGe layer 6 (second semiconductor layer, low-concentration source / drain region forming portion) is not provided, and n Except that the source region 9 and the n-type drain region 10 are not provided (that is, not the LDD structure) and that the n + -type source region 8 and the n + -type drain region 11 are formed of high-concentration phosphorus. An N-channel MIS field effect transistor having substantially the same structure as that of FIG. 1 is formed.
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and a high concentration source / drain region can be formed by phosphorus capable of a slanted junction whose impurity distribution changes gradually. Since a short channel MIS field effect transistor with improved hot electron effect can be formed without providing a drain region, miniaturization and simplification of the manufacturing process are possible.

図45は本発明の半導体装置における第6の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、ICL構造に形成したNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜5、7、8、11、13〜22は図1と同じ物を、28、29は図35と同じ物を示している。
同図においては、サイドウォール(SiO)12が形成されていないこと、n型のエピタキシャルSiGe層6(第2の半導体層、低濃度のソースドレイン領域形成部)が設けられておらず、n型ソース領域9とn型ドレイン領域10が設けられていない(即ちLDD構造ではない)こと、n型ソース領域8とn型ドレイン領域11が高濃度の燐により形成されていること、p型のエピタキシャルSiGe層2(第1の半導体層、高濃度のソースドレイン領域形成部)の一部下に埋め込みシリコン酸化膜(SiO)28が設けられていること及びチャネル領域直下に空孔29が形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においてもほぼ第1の実施例と同様の効果を得ることができ、またチャネル領域直下に空孔を形成できるため、動作時のチャネル領域と半導体基板間の容量を低減できることによる高速化が可能であり、さらに不純物分布が緩やかに変化する傾斜接合が可能な燐により高濃度のソースドレイン領域を形成できるため、低濃度のソースドレイン領域を設けずにホットエレクトロン効果を改善したショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成できるので、微細化及び製造工程の簡略化も可能である。
FIG. 45 is a schematic sectional side view of a sixth embodiment of the semiconductor device of the present invention, which is a part of a semiconductor integrated circuit including an N-channel MIS field effect transistor formed in an ICL structure using a silicon (Si) substrate. 1-5, 7, 8, 11, 13-22 are the same as in FIG. 1, and 28, 29 are the same as in FIG.
In the figure, the sidewall (SiO 2 ) 12 is not formed, the n-type epitaxial SiGe layer 6 (second semiconductor layer, low-concentration source / drain region forming portion) is not provided, and n The n-type source region 9 and the n-type drain region 10 are not provided (that is, not the LDD structure), the n + -type source region 8 and the n + -type drain region 11 are formed of high-concentration phosphorus, p Embedded silicon oxide film (SiO 2 ) 28 is provided below part of the epitaxial SiGe layer 2 (first semiconductor layer, high-concentration source / drain region forming portion), and vacancies 29 are provided immediately below the channel region. An N-channel MIS field effect transistor having substantially the same structure as that shown in FIG. 1 is formed except that it is formed.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and since a hole can be formed immediately below the channel region, the speed between the channel region and the semiconductor substrate during operation can be reduced. In addition, it is possible to form a high-concentration source / drain region by using phosphorus that can be graded junction with a gradual change in impurity distribution, so that a short channel improved in hot electron effect without providing a low-concentration source / drain region. Since the MIS field effect transistor can be formed, miniaturization and simplification of the manufacturing process are possible.

図46は本発明の半導体装置における第7の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、ICL構造に形成したNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1、3〜5、8、11、13〜22は図1と同じ物を、31は図43と同じ物を示している。
同図においては、サイドウォール(SiO)12が形成されていないこと、シリコン基板1上にSiGe層2が設けられておらず、シリコン基板1に直接、高濃度の燐からなるn型ソース領域8及びn型ドレイン領域11が設けられていること、n型のエピタキシャルSiGe層6(第2の半導体層、低濃度のソースドレイン領域形成部)が設けられておらず、n型ソース領域9とn型ドレイン領域10が設けられていない(即ちLDD構造ではない)こと及びp型のエピタキシャル歪みSi層7(第3の半導体層、チャネル領域形成部)の替りにp型のエピタキシャルSi層31(第3の半導体層、チャネル領域形成部)が設けられていること以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においてもほぼ第1の実施例と同様の効果を得ることができ、またチャネル領域が歪み構造に形成されていないため、移動度の向上による高速化は達成できないが、製造工程はやや簡略化することが可能であり、さらに不純物分布が緩やかに変化する傾斜接合が可能な燐により高濃度のソースドレイン領域を形成できるため、低濃度のソースドレイン領域を設けずにホットエレクトロン効果を改善したショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成できるので、微細化及び製造工程の簡略化も可能である。
FIG. 46 is a schematic sectional side view of a seventh embodiment of the semiconductor device of the present invention, which is a part of a semiconductor integrated circuit including an N-channel MIS field effect transistor formed in an ICL structure using a silicon (Si) substrate. 1, 3 to 5, 8, 11, 13 to 22 are the same as in FIG. 1, and 31 is the same as in FIG.
In the figure, the side wall (SiO 2 ) 12 is not formed, the SiGe layer 2 is not provided on the silicon substrate 1, and the n + type source made of high-concentration phosphorus directly on the silicon substrate 1. The region 8 and the n + -type drain region 11 are provided, the n-type epitaxial SiGe layer 6 (second semiconductor layer, low-concentration source / drain region forming portion) is not provided, and the n-type source region 9 and the n-type drain region 10 are not provided (that is, not an LDD structure), and a p-type epitaxial Si layer is used instead of the p-type epitaxial strained Si layer 7 (third semiconductor layer, channel region forming portion). An N-channel MIS field effect transistor having substantially the same structure as that in FIG. 1 is formed except that 31 (third semiconductor layer, channel region forming portion) is provided. The
In this embodiment, substantially the same effect as in the first embodiment can be obtained, and since the channel region is not formed in a strained structure, high speed cannot be achieved by improving mobility, but the manufacturing process is somewhat High concentration source / drain regions can be formed with phosphorus, which can be simplified, and can be graded junctions with a gradual change in impurity distribution, improving hot electron effect without providing low concentration source / drain regions Since the short channel MIS field effect transistor can be formed, miniaturization and simplification of the manufacturing process are possible.

図47は本発明の半導体装置における第8の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、ICL構造に形成したNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜4、6〜22は図1と同じ物を、25は図21と同じ物を、32は埋め込みシリコン酸化膜(SiO)、33は空孔を示している。
同図においては、半導体基板に埋め込みGe層5が形成されていないこと、p型のエピタキシャル歪みSi層7(第3の半導体層、チャネル領域形成部)の直下に空孔33が形成されていること及びn型のエピタキシャルSiGe層6(第2の半導体層、低濃度のソースドレイン領域形成部)とp型のエピタキシャル歪みSi層7(第3の半導体層、チャネル領域形成部)下に埋め込みシリコン酸化膜(SiO)32が形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においてもほぼ第1の実施例と同様の効果を得ることができ、またチャネル領域直下に空孔を形成できるため、動作時のチャネル領域と半導体基板間の容量を低減できることによる高速化が可能であり、さらに埋め込みGe層を設けずに、結晶欠陥を防止した高性能の第2及び第3の半導体層を設けることも可能である。
FIG. 47 is a schematic sectional side view of an eighth embodiment of the semiconductor device of the present invention, which is a part of a semiconductor integrated circuit including an N-channel MIS field effect transistor formed in an ICL structure using a silicon (Si) substrate. 1 to 4 and 6 to 22 are the same as in FIG. 1, 25 is the same as in FIG. 21, 32 is a buried silicon oxide film (SiO 2 ), and 33 is a hole.
In the figure, the buried Ge layer 5 is not formed on the semiconductor substrate, and a vacancy 33 is formed immediately below the p-type epitaxial strained Si layer 7 (third semiconductor layer, channel region forming portion). And embedded silicon under the n-type epitaxial SiGe layer 6 (second semiconductor layer, low-concentration source / drain region forming portion) and the p-type epitaxial strained Si layer 7 (third semiconductor layer, channel region forming portion). An N-channel MIS field effect transistor having substantially the same structure as that of FIG. 1 is formed except that an oxide film (SiO 2 ) 32 is formed.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and since a hole can be formed immediately below the channel region, the speed between the channel region and the semiconductor substrate during operation can be reduced. It is also possible to provide high-performance second and third semiconductor layers that prevent crystal defects without providing a buried Ge layer.

上記実施例においては、半導体層を成長させる場合に化学気相成長を使用しているが、これに限定されず、分子線成長法(MBE)によっても、有機金属気相成長法(MOCVD)によっても、原子層結晶成長法(ALE)によっても、また他のいかなる結晶成長法を利用してもよい。
上記実施例のすべては、単一チャネル(NチャネルあるいはPチャネル)のMIS電界効果トランジスタを形成する場合について記載しているが、Nチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタが共存するCMOSを形成しても本願発明は成立する。
またゲート電極、ゲート酸化膜、バリアメタル、導電プラグ、配線、絶縁膜等は上記実施例に限定されず、同様の特性を有する材料であればどのような材料を使用してもよい。
また上記実施例のすべてはエンハンスメント型のMIS電界効果トランジスタを形成する場合について記載しているが、デブリーション型のMIS電界効果トランジスタを形成してもよい。この場合は導電型が反対のエピタキシャル半導体層を成長するか、あるいはエピタキシャル半導体層を成長して後に反対導電型の不純物をイオン注入して導電型を変換したエピタキシャル半導体層を使用して同様構造のMIS電界効果トランジスタを形成すればよい。
また上記実施例においては、標準的な電源電圧で動作するMIS電界効果トランジスタを扱っているが、オフセット領域(高濃度ドレイン領域からゲート電極の端部までの距離、概略低濃度ドレイン領域の長さ)を長くとる高耐圧のMIS電界効果トランジスタに応用することも可能である。
また上記実施例においては、単体元素半導体基板を使用しているが、化合物半導体基板(あるいは単体元素半導体基板上に形成した化合物半導体層)を使用して上記の半導体装置を形成することも可能である。
In the above embodiment, chemical vapor deposition is used when growing the semiconductor layer. However, the present invention is not limited to this, and molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is also used. Alternatively, atomic layer crystal growth (ALE) or any other crystal growth method may be used.
All of the above embodiments describe the case where a single channel (N channel or P channel) MIS field effect transistor is formed. However, a CMOS in which N channel and P channel MIS field effect transistors coexist is formed. However, the present invention is established.
The gate electrode, the gate oxide film, the barrier metal, the conductive plug, the wiring, the insulating film, and the like are not limited to the above embodiments, and any material may be used as long as it has the same characteristics.
In addition, although all of the above embodiments describe the case where an enhancement type MIS field effect transistor is formed, a depletion type MIS field effect transistor may be formed. In this case, an epitaxial semiconductor layer having the opposite conductivity type is grown, or an epitaxial semiconductor layer having a similar structure is formed by growing an epitaxial semiconductor layer and then ion-implanting an impurity of the opposite conductivity type to convert the conductivity type. A MIS field effect transistor may be formed.
In the above embodiment, a MIS field effect transistor that operates at a standard power supply voltage is used. However, the offset region (distance from the high concentration drain region to the end of the gate electrode, the length of the low concentration drain region). ) Can be applied to a high breakdown voltage MIS field effect transistor.
In the above embodiment, a single element semiconductor substrate is used. However, it is also possible to form the semiconductor device using a compound semiconductor substrate (or a compound semiconductor layer formed on the single element semiconductor substrate). is there.

本願発明は、特に極めて高速で、高性能且つ高集積なMIS電界効果トランジスタを目指したものではあるが、高速に限らず、MIS電界効果トランジスタを搭載するすべての半導体集積回路に利用することは可能である。
また半導体集積回路ばかりでなく、単体の個別半導体素子としての利用も可能である。
またMIS電界効果トランジスタばかりでなく、他の電界効果トランジスタ等に利用できる可能性がある。
The present invention is particularly aimed at a high-speed, high-performance and highly-integrated MIS field effect transistor. However, the present invention is not limited to high-speed, and can be used for all semiconductor integrated circuits equipped with a MIS field-effect transistor. It is.
Moreover, it can be used not only as a semiconductor integrated circuit but also as a single individual semiconductor element.
In addition to the MIS field effect transistor, it may be used for other field effect transistors.

1 p型のシリコン(Si)基板
2 p型のエピタキシャルSiGe層(第1の半導体層、高濃度のソースドレイン領域形成部)
3 p型チャネルストッパー領域
4 トレンチ素子分離領域の埋め込みシリコン酸化膜(SiO
5 埋め込みGe層
6 n型のエピタキシャルSiGe層(第2の半導体層、低濃度のソースドレイン領域形成部)
7 p型のエピタキシャル歪みSi層(第3の半導体層、チャネル領域形成部)
8 n型ソース領域
9 n型ソース領域
10 n型ドレイン領域
11 n型ドレイン領域
12 サイドウォール(SiO
13 ゲート酸化膜(SiO
14 ゲート電極(WSi)
15 燐珪酸ガラス(PSG)膜
16 シリコン窒化膜(Si
17 バリアメタル(TiN)
18 導電プラグ(W)
19 層間絶縁膜(SiOC)
20 バリアメタル(TaN)
21 Cu配線(Cuシード層含む)
22 バリア絶縁膜(Si
23 n型不純物領域
24 シリコン窒化膜(Si
25 シリコン窒化膜(Si
26 シリコン酸化膜(SiO
27 シリコン窒化膜(Si
28 埋め込みシリコン酸化膜(SiO
29 空孔
30 n型のエピタキシャルSi層(第2の半導体層、低濃度のソースドレイン領域形成部)
31 p型のエピタキシャルSi層(第3の半導体層、チャネル領域形成部)
32 埋め込みシリコン酸化膜(SiO
33 空孔
1 p-type silicon (Si) substrate 2 p-type epitaxial SiGe layer (first semiconductor layer, high-concentration source / drain region forming portion)
3 p + type channel stopper region 4 Trench element isolation region buried silicon oxide film (SiO 2 )
5 buried Ge layer 6 n-type epitaxial SiGe layer (second semiconductor layer, low concentration source / drain region forming part)
7 p-type epitaxial strained Si layer (third semiconductor layer, channel region forming portion)
8 n + type source region 9 n type source region 10 n type drain region 11 n + type drain region 12 Side wall (SiO 2 )
13 Gate oxide film (SiO 2 )
14 Gate electrode (WSi)
15 Phosphorsilicate glass (PSG) film 16 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
17 Barrier metal (TiN)
18 Conductive plug (W)
19 Interlayer insulation film (SiOC)
20 Barrier metal (TaN)
21 Cu wiring (including Cu seed layer)
22 Barrier insulating film (Si 3 N 4 )
23 n + type impurity region 24 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
25 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
26 Silicon oxide film (SiO 2 )
27 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
28 Embedded silicon oxide film (SiO 2 )
29 vacancy 30 n-type epitaxial Si layer (second semiconductor layer, low concentration source / drain region forming portion)
31 p-type epitaxial Si layer (third semiconductor layer, channel region forming portion)
32 buried silicon oxide film (SiO 2 )
33 holes

Claims (8)

半導体基板と、前記半導体基板上に選択的に設けられた一対の第1の半導体層と、前記一対の第1の半導体層間に、1側面をそれぞれ接して設けられた一対の第2の半導体層と、前記一対の第2の半導体層間に、対向する側面をそれぞれ接して挟まれて設けられた第3の半導体層と、前記第3の半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して積層して設けられたゲート電極と、前記一対の第1の半導体層に設けられた高濃度のソース領域あるいはドレイン領域と、前記一対の第2の半導体層に設けられた低濃度のソース領域あるいはドレイン領域と、前記第3の半導体層に設けられたチャネル領域と、を備え、少なくとも対向するソース領域及びドレイン領域の側面が、前記半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有し且つチャネル長が垂直(深さ)方向に一定である(等しい)ことを特徴とする半導体装置。   A semiconductor substrate, a pair of first semiconductor layers selectively provided on the semiconductor substrate, and a pair of second semiconductor layers provided in contact with one side surface between the pair of first semiconductor layers A third semiconductor layer provided between the pair of second semiconductor layers so that opposite side surfaces are in contact with each other, a gate insulating film provided on the third semiconductor layer, and the gate A gate electrode provided by being stacked with an insulating film interposed therebetween, a high-concentration source or drain region provided in the pair of first semiconductor layers, and a low electrode provided in the pair of second semiconductor layers A source region or a drain region having a concentration and a channel region provided in the third semiconductor layer, wherein at least the side surfaces of the source region and the drain region facing each other are perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate Have One channel length is constant in the vertical (depth) direction (equivalent) wherein a. 少なくとも前記第3の半導体層の直下の前記半導体基板に、前記半導体基板とは異なる4族元素からなる導入層が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein an introduction layer made of a group 4 element different from the semiconductor substrate is provided at least on the semiconductor substrate immediately below the third semiconductor layer. 前記第1及び第2の半導体層の格子定数が、前記第3の半導体層の格子定数より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 a lattice constant of the first and second semiconductor layers is larger than a lattice constant of the third semiconductor layer. 前記ゲート電極の少なくとも一方の端部が庇構造に設けられ、前記庇構造を埋め込んでサイドウォールが設けられている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 at least one end portion of the gate electrode is provided in a ridge structure, and a sidewall is provided by embedding the ridge structure. 前記第2の半導体層が設けられず、前記第1の半導体層間に前記第3の半導体層が挟まれて設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor layer is not provided and the third semiconductor layer is provided between the first semiconductor layers. 前記第3の半導体層の直下に空孔が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a hole is provided immediately below the third semiconductor layer. 半導体基板上に選択的に設けられた、活性化された不純物領域が形成された第1の半導体層において、前記第1の半導体層上にマスク材料を形成し、前記マスク材料及び前記不純物領域が形成された第1の半導体層を選択的に順次異方性エッチングして開孔部を形成することにより、前記不純物領域が左右に分割されたソース領域及びドレイン領域を形成して後、露出している前記半導体基板に4族元素の導入層を形成し、次いで露出している前記第1の半導体層の側面間に第2の半導体層をエピタキシャル形成して後、前記第2の半導体層上にゲート絶縁膜を介して前記開孔部を埋め込むゲート電極を形成することにより、前記ゲート電極と前記ソースドレイン領域を自己整合して形成したことを特徴とする半導体装置の製造方法。   In a first semiconductor layer provided with an activated impurity region selectively provided on a semiconductor substrate, a mask material is formed on the first semiconductor layer, and the mask material and the impurity region are The first semiconductor layer thus formed is selectively and anisotropically etched to form an opening, thereby forming a source region and a drain region in which the impurity region is divided into left and right, and then exposing the first and second regions. Forming a Group 4 element introduction layer on the semiconductor substrate, and then epitaxially forming a second semiconductor layer between the exposed side surfaces of the first semiconductor layer, and then on the second semiconductor layer. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a gate electrode that embeds the opening portion through a gate insulating film in a self-aligned manner with the gate electrode and the source / drain region. 半導体基板上に選択的に設けられた、活性化された高濃度の不純物領域が形成された第1の半導体層において、前記第1の半導体層上にマスク材料を形成し、前記マスク材料及び前記高濃度の不純物領域が形成された第1の半導体層を選択的に順次異方性エッチングして第1の開孔部を形成することにより、前記高濃度の不純物領域が左右に分割された高濃度のソース領域及びドレイン領域を形成して後、露出している前記半導体基板に4族元素の導入層を形成し、次いで露出している前記第1の半導体層の側面間に低濃度の不純物を含む第2の半導体層をエピタキシャル形成して後、前記第1の開孔部の側壁にサイドウォールを形成し、前記サイドウォール間に露出している前記第2の半導体層を異方性エッチングして第2の開孔部を形成することにより、低濃度の不純物領域が左右に分割された低濃度のソース領域及びドレイン領域を形成し、次いで露出している前記第2の半導体層の側面間に第3の半導体層をエピタキシャル形成して後、前記第3の半導体層上にゲート絶縁膜を介して前記サイドウォールが形成された前記第1の開孔部を埋め込むゲート電極を形成することにより、前記ゲート電極と前記低濃度及び高濃度のソースドレイン領域を自己整合して形成したことを特徴とする半導体装置の製造方法。   In the first semiconductor layer in which the activated high-concentration impurity region is selectively provided on the semiconductor substrate, a mask material is formed on the first semiconductor layer, and the mask material and the mask The first semiconductor layer in which the high concentration impurity region is formed is selectively and sequentially anisotropically etched to form the first opening portion, whereby the high concentration impurity region is divided into left and right portions. After forming the concentration source region and drain region, a Group 4 element introduction layer is formed on the exposed semiconductor substrate, and then a low concentration impurity is formed between the exposed side surfaces of the first semiconductor layer. And epitaxially forming a second semiconductor layer containing a sidewall, forming a sidewall on a sidewall of the first opening, and anisotropically etching the second semiconductor layer exposed between the sidewalls To form the second aperture As a result, a low-concentration source region and a drain region in which the low-concentration impurity region is divided into left and right are formed, and then a third semiconductor layer is epitaxially formed between the exposed side surfaces of the second semiconductor layer. Thereafter, a gate electrode is formed on the third semiconductor layer to fill the first opening portion in which the sidewall is formed via a gate insulating film, thereby forming the gate electrode and the low concentration and A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a high concentration source / drain region is formed in a self-aligned manner.
JP2016250596A 2016-12-26 2016-12-26 Semiconductor device and manufacturing method for the same Pending JP2018107232A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016250596A JP2018107232A (en) 2016-12-26 2016-12-26 Semiconductor device and manufacturing method for the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016250596A JP2018107232A (en) 2016-12-26 2016-12-26 Semiconductor device and manufacturing method for the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2018107232A true JP2018107232A (en) 2018-07-05

Family

ID=62787476

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016250596A Pending JP2018107232A (en) 2016-12-26 2016-12-26 Semiconductor device and manufacturing method for the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2018107232A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10170469B2 (en) Vertical field-effect-transistors having multiple threshold voltages
CN113224138A (en) Semiconductor device with a plurality of transistors
TWI697985B (en) Semiconductor device and method forming the same
JP5551350B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2011029469A (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP5513157B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2019106453A (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP5185061B2 (en) MIS field effect transistor and method of manufacturing semiconductor substrate
JP5513416B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2012039003A (en) Semiconductor device
JP2013197171A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP5529766B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5519118B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5689606B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2018107230A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2019106452A (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
KR19990075417A (en) Manufacturing Method of Semiconductor Device
JP2018107232A (en) Semiconductor device and manufacturing method for the same
CN104681437A (en) Semiconductor device with strained channel and preparation method thereof
JP6083783B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6125802B2 (en) Semiconductor device
JP2011228596A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2018206798A (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2017117820A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6204162B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof