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JP2007258485A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】SiGe層をFinFETのチャネル領域とし、FinFETのチャネル幅(フィン高さ)の設計に自由度を有するフィン構造のFETを有する半導体装置、及び、その製造方法を提供する。
【解決手段】Si半導体層上にGe濃度が段階的に変化して形成されたバッファ層と、バッファ層との界面のGe濃度に応じたGe濃度でバッファ層上に形成されたSiGe層とにより所定の高さで形成されたフィンと、フィンの側面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、フィンのゲート電極の両側に形成されたソース領域及びドレイン領域とを有し、フィンにおけるゲート絶縁膜を介してゲート電極と対向したチャネル領域は、SiGe層の領域内に形成されていることを特徴とするフィン構造のFETを有する半導体装置とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、FinFET(Fin- Field Effect Transistor)のデバイス構造、及びその製造方法に関する。
近年、シリコン基板上に形成されるLSIにおいて、そこに用いられる素子の微細化によって高性能化が達成されてきている。これは論理回路、またはSRAMなどの記憶装置に用いられるMOSFETにおいて、いわゆるスケーリング則に基づいてゲート長が縮小されたり、ゲート絶縁膜が薄膜化されることで実現されている。現在30nm以下の短チャネル領域においてカットオフ特性を改善するために、例えば、3次元構造MIS型半導体装置の一種として、SOI基板を用いてSOI層を短冊状に細く切り出して突起状領域を形成し(これをフィン(Fin)という)、それにゲート電極を立体交差させることで、切り出した突起状基板の上面及び側面をチャネルとするダブルゲート型Fully Depleted−SOI MOSFETが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この形のFETを特にFinFETと呼んでいる。
一方、最近ではデバイス性能、特に電流駆動力を改善するためにMOSFETのチャネル領域に対して高いキャリア移動度を得るための工夫がなされてきている。
従来の他の半導体装置として、例えば、シリコンに歪みを加えてサブバンド構造を変調し、キャリアの散乱確率と伝導の有効質量(conductivity mass)を改善することで高いキャリア移動度を得ようとする歪みシリコン技術がある。これを実現する方法の一例として、SiとGeの混晶層上にSiをエピタキシャル成長させ、両者の格子定数の違い(約4.8%)を利用してSi層に引張り応力を与えて高性能n型FETを形成する。
また、p型FETにおいてはGe自身をチャネルにすると高いホール移動度を持つのでこれもCMOS高性能化に寄与できる。この場合、SiGe、もしくはpure Geに近い層を使う場合があるが、いずれにしても高濃度のGe層を基板上に作りこむ必要がある。これにはSGOI(Silicon Germanium on Insulator)基板のSiGe領域を酸化してGe濃縮するか、もしくはSiGe上に高濃度ゲルマニウム層をエピタキシャル成長することで得られる(例えば、非特許文献1参照)。
しかし、非特許文献1によると、プレーナ(planar)型FETは比較的簡単に形成できるが、Geチャネル、もしくはSiGeチャネルのFinFETを想定した場合には問題がある。例えば、従来のSiGe/バッファ層 SiGe/Si積層構造ウエハーに酸化によるGe濃縮工程を行って高濃度ゲルマニウム層を形成するには、基板底部へのGe拡散を抑制するために基板構造はSGOI(Silicon Germanium on Insulator)基板に限定されてしまう。また縦方向への酸化によってGe濃縮を行っているため、この場合Ge濃度の高い領域の厚さは当初のSiGe膜の厚さよりも小さくなる。従って、FinFETのFin高さ、すなわち最大チャネル幅がそれで決まってしまうので、FinFETの電流駆動力が必然的に制限されることになり、設計の自由度が失われる。
また、SiGe層上に高濃度ゲルマニウム層をエピタキシャル成長で形成する場合は、Si基板上にバッファ層、緩和層を形成しておいてからGe層をエピタキシャル成長させる必要があり、やはりGe層の膜厚を大きく取れない。もしGeを厚く積めたとしてもフィンの根元に近い領域では圧縮応力がかかっているが、フィン上部では応力が弱くなり、チャネル中での応力が一様にならないという問題がある。
特開2005−19970号公報 S. Takagi et al: IEDM Tech. Dig. pp. 57-61, (2003)
本発明の目的は、SiGe層をFinFETのチャネル領域とし、FinFETのチャネル幅(フィン高さ)が大きくできて、設計に自由度を有するフィン構造のFETを有する半導体装置、及び、その製造方法を提供することにある。
本発明の一態様によれば、Si半導体層上にGe濃度が段階的に変化して形成されたバッファ層と、前記バッファ層との界面のGe濃度に応じたGe濃度で前記バッファ層上に形成されたSiGe層とにより所定の高さで形成されたフィンと、前記フィンの側面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記フィンの前記ゲート電極の両側に形成されたソース領域及びドレイン領域とを有し、前記フィンにおける前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と対向したチャネル領域は、前記SiGe層の領域内に形成されていることを特徴とするフィン構造のFETを有する半導体装置を提供する。
本発明の一態様によれば、Si半導体層上にGe濃度を段階的に変化させて形成されたバッファ層と前記バッファ層の上にGe濃度を略一定にして形成されたSiGe層とを有する基板を所定の形状にエッチングしてフィンを形成する第1の工程と、前記フィンのバッファ層とSiGe層を酸化して酸化層を形成することにより、前記フィンのGe濃度を高める第2の工程と、前記酸化層をエッチングにより除去する第3の工程と、前記酸化層がエッチング除去された前記フィンの側面にゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第4の工程と、前記ゲート電極の両側にソース領域及びドレイン領域を形成する第5の工程と、を含むフィン構造の半導体装置の製造方法を提供する。
本発明の実施の態様によれば、SiGe層をFinFETのチャネル領域とし、FinFETのチャネル幅(フィン高さ)が大きくできて、設計に自由度を有するフィン構造のFETを有する半導体装置、及び、その製造方法を提供することが可能となる。
(本発明の第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置であるp型FinFET(以下、pFinFETという)の構成を示す図である。
pFinFETは、所定の高さで形成されたフィン20、ゲート電極30、ソース領域40、及び、ドレイン領域50とを有して構成され、各素子は、素子分離膜60で素子分離されている。
フィン20は、Si半導体層10c上にGe濃度が段階的に変化して形成されたバッファ層10aとこのバッファ層10a上にGe濃度が略一定に形成されたSiGe層10bとにより形成された半導体基板10上に、所定の厚さ及び所定の高さで形成されている。SiGe層10bは、n型不純物で所定の濃度に形成されている。また、フィン20の厚さは、例えば、20nm、フィンの高さは、50nm〜100nmである。
フィン20において、ゲート電極30の下部には、ゲート絶縁膜31を介して、ゲート電極30と対向したチャネル領域32がSiGe層10bの領域内に形成されている。
ソース領域40、及び、ドレイン領域50は、ゲート電極30と対向したチャネル領域32の両側に形成されている。ソース領域40、及び、ドレイン領域50は、ボロンB等のp型不純物がイオン注入されて所定の不純物濃度に形成されている。尚、以上のほかに、一般的に具備されているので図示は省略したが、ソース領域40、及び、ドレイン領域50へ電圧を印加するためのコンタクト部、電極部等がある。以下に、製造方法を説明しながら、上記半導体装置1を説明する。
(第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法)
図2(a)、(b)、(c)、(d)、図3(a)、(b)、(c)、図4(a)、(b)、(c)、図5(a)、(b)、(c)、図6(a)、(b)、(c)は、本発明の第1の実施の形態に係るp型FinFETの製造工程を斜視図により順に示す図である。
(1a)Si半導体層10c上に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、Ge濃度を段階的に変化させてバッファ層10aを形成し、その上に、Ge濃度を所定の濃度にしてSiGe層10bを形成する。SiGe層10bを、n型不純物で所定の濃度に形成する。バッファ層10aは、Si半導体層10cからSiGe層10bにかけてGe濃度が高くなるようにGe濃度を変化させて、格子不整合を緩和させながらエピタキシャル成長を行なう。尚、SiGe層10bのGe濃度は、バッファ層10aとの界面のGe濃度に応じたGe濃度にするのが好ましく、特に、バッファ層10aとの界面のGe濃度に近似した濃度にするのが好ましい。また、SiGe層10bのGe濃度は、一定であることが好ましい。上記のようにして形成された半導体基板10において、SiGe層10bの上にSiNマスク11を形成する(図2(a))。本実施の形態においては、SiNマスク11が形成された半導体基板10を予め準備しておくことにより、以下の工程から本実施の形態に係る製造方法を始めることができる。
(1b)リソグラフィ技術によりSiNマスク11を所定の形状にパターニングし、これを基にRIE(Reactive Ion Etching)によりフィン20を形成する(図2(b))。
(1c)SiGe層10b及びバッファ層10aを選択的に酸化してGe濃縮を行ない、チャネル領域等となる部分のGe濃度を高める。SiGe層10bを酸化することにより、SiGe中のSiをSiO中に取り込む。チャネル領域等となる部分は、高濃度GeのSiGeチャネル、Geチャネル、あるいは、歪Geチャネルに形成される。これにより、SiGe層10b表面に形成されるSiO酸化膜12は厚くなると共に、SiGe層10bは薄くなる。尚、SiGe層10bはGe濃度の勾配をその厚さ方向にほぼ対称に有する。また、各フィン20の間の底部20aにもSiO酸化膜12が形成される(図2(c))。
(1d)SiNマスク11をホットリン酸により、スリミングして酸化後のSiGe層10bとほぼ同じ厚さにする(図2(d))。
(1e)SiGe層10bの表面のSiO酸化膜12を、フッ酸系のガスにより除去する。これにより、SiGe層10bは薄くなり、所定のフィン厚さとなる。同様に、各フィン20の間の底部20aのSiO酸化膜12も除去され、フィン20の高さが所定の値に形成される。尚、バッファ層10aの一部も除去される(図3(a))。
(1f)各FinFETの素子分離のため、CVD法により、SiO等の素子分離膜60を堆積、充填する(図3(b))。
(1g)素子分離膜60をエッチングにより所定の深さまでエッチバックする。所定の深さは、エッチバックによりバッファ層10aが露出するまではエッチングされず、バッファ層10aは素子分離膜60に埋め込まれているようにする(図3(c))。
(1h)各フィン20の間の素子分離膜上面60aに、イオン注入を行う。リンP等のn型不純物を上方から素子分離膜上面60aに向って図示A方向に打ち込むと、フィン20にはその頂部にSiNマスク11があるのでイオン注入されないが、素子分離膜上面60aにはイオン注入される。素子分離膜上面60aにイオン注入されると共に、不純物は横方向にも拡散されるので、フィン下部の不純物濃度が高くなり、パンチスルーストッパとなる(図4(a))。
(1i)ゲートとなるポリシリコンを堆積させる工程である。ゲート絶縁膜31(SiO等)を熱酸化等により形成した後に、MOCVD法等によりポリシリコン70をフィン20を含む全体に堆積させる(図4(b))。
(1j)上記の工程後、平坦化する。CMPにより、SiNマスク11の上端をストッパ位置として、ポリシリコン70を平坦化処理する(図4(c))。
(1k)平坦化されたポリシリコン70及びSiNマスク11上に、第2のポリシリコン71をMOCVD法等により堆積させる(図5(a))。
(1l)SiN膜12を所定の膜厚でMOCVD法により堆積させ、ゲート形成のためのレジスト13をSiN膜12上に形成する(図5(b))。
(1m)SiN膜12をRIE等によりエッチングする(図5(c))。
(1n)SiN膜12をマスクとして、CF等のフッ素系ガスを用いたRIEによりエッチングを行う。これにより、フィン20及びゲート33の構造が形成される(図6(a))。
(1o)SiNマスク11及びSiN膜12を剥離した後、フィン20の上面から垂直に、あるいは、傾斜させて、ボロンB等のp型不純物のイオン注入を行い、ソース領域とチャネル領域及びドレイン領域とチャネル領域との間の浅い接合部(図示を省略)を各々形成する。ゲート側壁34を形成するため、SiO膜80をCVD法等により、等方的に堆積させる(図6(b))。
(1p)CF等のフッ素系ガスを用いたRIEによりSiO膜80をエッチバック除去して、ゲート側壁34を形成する。ここで、フィン20の上面から垂直に、あるいは、傾斜させて、ボロンB等のp型不純物のイオン注入を行い、ゲート側壁34をマスクエッジとして、ソース領域40及びドレイン領域50となる深い接合部を各々形成する(図6(c))。
(1q)上記の工程後に、ゲート電極、ソース・ドレイン電極、コンタクト、配線等を公知技術による半導体製造プロセスを用いて形成することにより、pFinFETが作製されることになる。
(第1の実施の形態の効果)
1.本発明の第1の実施の形態によれば、高濃度Geをエピタキシャル成長させてある程度の膜厚を形成してからFinFETを構成した場合よりもフィン高さを比較的大きく確保できる。そして、FinFETにおいて、チャネル領域を高濃度GeのSiGeチャネル、Geチャネル、あるいは、歪Geチャネルとできるので、キャリア移動度の向上に有利な効果を有する。
2.また、バッファ層を介してSiGe層をエピタキシャル成長させてフィンを形成し、チャネル領域として転移密度の大きいバッファ層を使用しないので、結晶欠陥が少ないフィン構造のFETを形成しやすい。そして、フィン下部に不純物をイオン注入して、パンチスルーストッパを形成するので、接合リーク電流の増大を抑制する効果を有する。
3.また、Ge濃度はフィン表面が高く、中心部にかけて傾斜分布を持つような低温酸化を行うことにより、中心部のSiGe部のGe濃度を小さくすることができる。従って外側のフィン表面よりも内部の方が格子定数が小さいので、フィン表面のGeチャネルに対しては圧縮歪みが印加されることになり、キャリア移動度の向上に有利な効果を有する。
4.また、素子分離のために高価なSGOI基板等を使用しないので、コスト低減にも効果を有する。
(本発明の第2の実施の形態)
第2の実施の形態は、第1の実施の形態において、基板底部へのGe拡散を抑制するためにSi半導体基板の替わりに、SGOI基板を使用してpFinFETを構成したものである。以下においては、第1の実施の形態との相違点について、その製造工程を説明する。
(第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法)
図7(a)、(b)は、本発明の第2の実施の形態に係るp型FinFETの製造工程を斜視図により順に示す図である。
(2a)Si基板100上に、埋め込み酸化膜であるBOX層100d、その上に形成されたSi層100c、その上に形成されたバッファ層100a、及び、その上にGe濃度を略一定にして形成されたSiGe層100bを有するSGOI基板を用意する。すなわち、BOX層100d上のSi層100cには、Ge濃度を段階的に変化させてバッファ層100aが形成され、その上に、SiGe層100bがGe濃度を略一定にして形成されている。バッファ層100aは、BOX層100dからSiGe層100bにかけてGe濃度が高くなるようにGe濃度を変化させて、格子不整合を緩和させながら形成されている。SiGe層100bは、n型不純物で所定の濃度に形成されている。SiGe層100bの上には、SiNマスク11が形成されている(図7(a))。
(2b)〜(2d)の工程は、第1の実施の形態の(1b)〜(1d)の工程と同様である。
(2e)SiGe層100bの表面のSiO酸化膜12を、フッ酸系のガスにより除去する。これにより、SiGe層100bは薄くなり、所定のフィン厚さとなる。同様に、各フィン20の間のBOX層100dの埋め込み酸化膜も、この工程により除去される。従って、エッチング量を時間の管理等により注意しながらこの工程を実施するのが好ましい(図7(b))。以下の工程は、第1の実施の形態の(1i)〜(1q)と同様である。
(第2の実施の形態の効果)
本発明の第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果に示した1及び3項の効果に加え、以下のような効果を有する。
SGOI基板を使用するので、基板底部へのGe拡散を抑制でき、素子分離が容易になるという効果を有する。また、フィンの横方向からGe濃縮を行うので、フィンの縦方向に関してSiGe層のGe濃度は均一に高濃度化され、Ge濃度の高い領域の厚さをSiGe層の厚さ以上にできるという効果を有する。
(本発明の第3の実施の形態)
第3の実施の形態は、第1の実施の形態で示したpFinFETと、n型FinFET(以下、nFinFETという)を有し、1枚の半導体基板上に少なくとも1つのpFinFETと少なくとも1つのnFinFETとで構成された半導体装置である。以下に、製造方法を説明しながら、上記半導体装置を説明する。
図8(a)、(b)、(c)、図9(a)、(b)、(c)、図10(a)、(b)、(c)、図11(a)、(b)は、本発明の第3の実施の形態に係るnFinFET及びpFinFETの製造工程を断面図により順に示す図である。左側にnFinFET領域、右側にpFinFET領域の製造工程を示す。
(3a)Si半導体層10c上に、CVD法により、Ge濃度を段階的に変化させてバッファ層10aを形成し、その上に、Ge濃度を所定の濃度にしてSiGe層10bを形成する。バッファ層10aは、Si半導体層10cからSiGe層10bにかけてGe濃度が高くなるようにGe濃度を変化させて、格子不整合を緩和させながらエピタキシャル成長を行なう。尚、SiGe層10bのGe濃度は、バッファ層10aとの界面のGe濃度に応じたGe濃度にするのが好ましく、特に、バッファ層10aとの界面のGe濃度に近似した濃度にするのが好ましい。また、SiGe層10bのGe濃度は、一定であることが好ましい。SiGe層10bは、pFinFET領域ではn型不純物で所定の濃度に形成され、nFinFET領域ではp型不純物で所定の濃度に形成されている。SiGe層10bの上に、SiNマスク11を形成する(図8(a))。
(3b)まず、pFinFET領域を形成するため、nFinFET領域にレジスト(図示を省略)を施し、選択的にpFinFETの製造工程を進める。pFinFET領域にリソグラフィ技術によりSiNマスク11を所定の形状にパターニングし、これを基にRIEによりフィン20を形成する(図8(b))。
(3c)SiGe層10b及びバッファ層10aを選択的に酸化してGe濃縮を行ない、チャネル領域等となる部分のGe濃度を高める。SiGe層を酸化することにより、SiGe中のSiをSiO中に取り込む。チャネル領域等となる部分は、高濃度GeのSiGeチャネル、Geチャネル、あるいは、歪Geチャネルに形成される。これにより、SiGe層10b表面に形成されるSiO酸化膜12は厚くなると共に、SiGe層10bは薄くなる。尚、SiGe層10bはGe濃度の勾配をその厚さ方向にほぼ対称に有する。また、各フィン20の間の底部20aにもSiO酸化膜12が形成される(図8(c))。
(3d)次に、nFinFET領域のレジストを剥離後、pFinFET領域にレジスト(図示を省略)を施し、選択的に、nFinFET領域に、リソグラフィ技術とRIEによりフィン20を形成するため、SiNマスク11を所定の形状にパターニングする(図9(a))。
(3e)pFinFET領域のレジストを剥離した後、pFinFET領域及びnFinFET領域において、SiNマスク11をホットリン酸により、スリミングして酸化後のSiGe層10bとほぼ同じ厚さにする(図9(b))。
(3f)次に、nFinFET領域を形成するため、pFinFET領域にレジスト(図示を省略)を施し、選択的にnFinFETの製造工程を進める。nFinFET領域において、SiNマスク11を基にRIEによりフィン20を形成する(図9(c))。
(3g)pFinFET領域のレジストを剥離後、pFinFET領域において、SiGe層10bの表面のSiO酸化膜12を、フッ酸系のガスにより除去する。これにより、SiGe層10bは薄くなり、所定のフィン厚さとなる。同様に、各フィン20の間の底部20aのSiO酸化膜12も除去され、フィン20の高さが所定の値に形成される。尚、バッファ層10aの一部も除去される(図10(a))。
(3h)pFinFET領域及びnFinFET領域において、各FinFETの素子分離を行うため、CVD法により、SiO等の素子分離膜60を堆積、充填する(図10(b))。
(3i)素子分離膜60をエッチングにより所定の深さまでエッチバックする。所定の深さは、エッチバックによりバッファ層10aが露出するまではエッチングされず、バッファ層10aは素子分離膜60に埋め込まれているようにする(図10(c))。
(3j)pFinFET領域にレジスト(図示を省略)を施し、選択的に、nFinFET領域の各フィン20の間の素子分離膜上面60aに、イオン注入を行う。ボロンB又はインジウムIn等のp型不純物を上方から素子分離膜上面60aに向って図示A方向に打ち込むと、フィン20にはその頂部にSiNマスク11があるのでイオン注入されないが、素子分離膜上面60aにはイオン注入される。素子分離膜上面60aにイオン注入されると共に、不純物は横方向にも拡散され、フィン下部にもイオン注入され、フィン下部の不純物濃度が高くなり、パンチスルーストッパとなる(図11(a))。
(3k)次に、nFinFET領域にレジスト(図示を省略)を施し、選択的に、pFinFET領域の各フィン20の間の素子分離膜上面60aに、イオン注入を行う。リンP又は砒素As等のn型不純物を上方から素子分離膜上面60aに向って図示A方向に打ち込むと、フィン20にはその頂部にSiNマスク11があるのでイオン注入されないが、素子分離膜上面60aにはイオン注入される。素子分離膜上面60aにイオン注入されると共に、不純物は横方向にも拡散され、フィン下部にもイオン注入され、フィン下部の不純物濃度が高くなり、パンチスルーストッパとなる(図11(b))。
(3l)以下の工程は、第1の実施の形態において示した(1i)〜(1q)、すなわち、図4(b)〜図6(c)の製造工程と共通である。レジスト剥離後、ゲート絶縁膜31(SiO等)を熱酸化等により形成した後に、MOCVD法等によりポリシリコン70をフィン20を含む全体に堆積させる。上記の工程後、CMPにより、SiNマスク11の上端をストッパ位置として、平坦化処理する。平坦化されたポリシリコン70及びSiNマスク11上に、第2のポリシリコン71をMOCVD法等により堆積させる。SiN膜12を所定の膜厚でMOCVD法により堆積させ、ゲート形成のためのレジストをSiN膜12上に形成する。SiN膜12をRIE等によりエッチングした後、SiN膜12をマスクとして、CF等のフッ素系ガスを用いたRIEによりエッチングを行う。これにより、フィン20及びゲート33の構造が形成される。
SiNマスク11及びSiN膜12を剥離した後、フィン20の上面から垂直に、あるいは、傾斜させて、不純物のイオン注入を行い、ソース領域とチャネル領域及びドレイン領域とチャネル領域との間の浅い接合部を各々形成する。
ゲート側壁を形成するため、SiO膜80をCVD法等により、等方的に堆積させる。CF等のフッ素系ガスを用いたRIEによりSiO膜80をエッチバック除去して、ゲート側壁34を形成する。そして、フィン20の上面から垂直に、あるいは、傾斜させて、不純物のイオン注入を行い、ゲート側壁34をマスクエッジとして、ソース領域40及びドレイン領域50となる深い接合部を各々形成する。
上記の工程後に、ゲート電極、ソース・ドレイン電極、コンタクト、配線等を公知技術による半導体製造プロセスを用いて形成するこにより、nFinFET及びpFinFETが作製されることになる。
尚、ソース領域とチャネル領域及びドレイン領域とチャネル領域との間の浅い接合部、ソース領域及びドレイン領域となる深い接合部の形成では、nFinFETの場合は、リンP等のn型不純物のイオン注入を行い、pFinFETの場合は、ボロンB等のp型不純物のイオン注入を行なう。
(第3の実施の形態の効果)
1.本発明の第3の実施の形態によれば、pFinFETにおいては、第1の実施の形態の効果と同様に、チャネル領域32を高濃度GeのSiGeチャネル、Geチャネル、あるいは、歪Geチャネルとできるので、キャリア移動度の向上に有利な効果を有する。また、nFinFETにおいては、pFinFETチャネル領域32のGe濃度よりも低濃度のSiGeチャネルが形成される。
2.上記のように、同一の基板上に、高濃度GeのSiGeチャネルを有するpFinFETと、低濃度GeのSiGeチャネルを有するnFinFETとが形成できるので、CMOS構成にする場合に特に効果を有する。
(本発明の第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態は、第3の実施の形態において、Si半導体基板上に成長させる結晶を、nFinFETとpFinFETとで異ならせることにより、pFinFETチャネル領域32のGe濃度よりもさらに低濃度GeのSiチャネルが形成されたnFinFETを形成するものである。
図12は、本発明の第4の実施の形態に係り、Si半導体層10c上に、pFinFET領域とnFinFET領域とで異なる層をエピタキシャル成長させた基板を示す図である。
CVD法により、pFinFETを形成する領域には、Ge濃度を段階的に変化させてバッファ層10aを形成し、その上に、Ge濃度を一定にしてSiGe層10bを形成する。SiGe層10bは、n型不純物で所定の濃度に形成されている。バッファ層10aは、Si半導体層10cからSiGe層10bにかけてGe濃度が高くなるようにGe濃度を変化させて、格子不整合を緩和させながらエピタキシャル成長を行なう。
一方、nFinFETを形成する領域は、Siをエピタキシャル成長させたSiエピタキシャル層10dとする。Siエピタキシャル層10dは、p型不純物で所定の濃度に形成されている。pFinFET領域及びnFinFET領域へのエピタキシャル成長後に、全領域にSiNマスク11を形成する。
nFinFET及びpFinFETの製造方法は、第3の実施の形態と同様であり、説明を省略する。
本発明の第4の実施の形態によれば、第3の実施の形態の効果に加え、pFinFETチャネル領域32のGe濃度よりもさらに低濃度GeのSiチャネルが形成されたnFinFETを形成できるので、CMOS構成にする場合に特に効果を有する。
(本発明の第5の実施の形態)
第5の実施の形態は、第1〜3の実施の形態で示したFinFETと、プレーナ型FETを有する半導体装置である。以下に、製造方法を説明しながら、上記半導体装置を説明する。
図13(a)、(b)、(c)、図14(a)、(b)、(c)、図15(a)、(b)、(c)、図16(a)、(b)、(c)、図17(a)、(b)、(c)、図18は、本発明の第5の実施の形態に係るFinFET及びプレーナ型FETの製造工程を断面図により順に示す図である。本説明では、FinFETはpFinFET、及び、プレーナ型FETはn型のプレーナ型FET(以下、nFETという)とする。各図においては、左側にnFET領域、右側にpFinFET領域の製造工程を示す。
(5a)Si半導体層10c上に、CVD法により、pFinFETを形成する領域には、Ge濃度を段階的に変化させてバッファ層10aを形成し、その上に、Ge濃度を所定の濃度にしてSiGe層10bを形成する。SiGe層10bは、n型不純物で所定の濃度に形成されている。バッファ層10aは、Si半導体層10cからSiGe層10bにかけてGe濃度が高くなるようにGeを変化させて、格子不整合を緩和させながらエピタキシャル成長を行なう。尚、SiGe層10bのGe濃度は、バッファ層10aとの界面のGe濃度に応じたGe濃度にするのが好ましく、特に、バッファ層10aとの界面のGe濃度に近似した濃度にするのが好ましい。また、SiGe層10bのGe濃度は、略一定であることが好ましい。
一方、nFETを形成する領域は、Siをエピタキシャル成長させたSiエピタキシャル層10dとする。Siエピタキシャル層10dは、p型不純物で所定の濃度に形成されている。pFinFET領域及びnFET領域へのエピタキシャル成長後に、全領域にSiNマスク11を形成する。図13(a)参照。
(5b)まず、pFinFET領域を形成するため、nFET領域にレジスト(図示を省略)を施し、選択的にpFinFETの製造工程を進める。pFinFET領域にリソグラフィ技術によりSiNマスク11を所定の形状にパターニングし、これを基にRIEによりフィン20を形成する(図13(b))。
(5c)SiGe層10b及びバッファ層10aを選択的に酸化してGe濃縮を行ない、チャネル領域等となる部分のGe濃度を高める。SiGe層10bを酸化することにより、SiGe中のSiをSiO中に取り込む。チャネル領域等となる部分は、高濃度GeのSiGeチャネル、Geチャネル、あるいは、歪Geチャネルに形成される。これにより、SiGe層10b表面に形成されるSiO酸化膜12は厚くなると共に、SiGe層10bは薄くなる。尚、SiGe層10bはGe濃度の勾配をその厚さ方向にほぼ対称に有する。また、各フィン20の間の底部20aにもSiO酸化膜12が形成される(図13(c))。
(5d)次に、nFinFET領域のレジストを剥離後、pFinFET領域にレジスト(図示を省略)を施し、選択的に、nFET領域に、リソグラフィ技術とRIEによりnFET素子領域83を形成するため、SiNマスク11を所定の形状にパターニングする(図14(a))。
(5e)SiNマスク11により、nFET素子領域83の素子分離のためのトレンチ81をSi半導体層10cに達するまでエッチングする(図14(b))。
(5f)pFinFET領域のレジストを剥離後、pFinFET領域において、SiGe層10b及びバッファ層10aの表面のSiO酸化膜12を、フッ酸系のガスにより除去する。これにより、SiGe層10bは薄くなり、所定のフィン厚さとなる。同様に、各フィン20の間の底部20aのSiO酸化膜12も除去され、フィン20の高さが所定の値に形成される。尚、バッファ層10aの一部も除去される(図14(c))。
(5g)pFinFET領域及びnFET領域において、SiNマスク11をホットリン酸により、スリミングする。pFinFET領域では、スリミングした後のSiNマスク11厚さは、SiO酸化膜12が除去された後のSiGe層10bとほぼ同じ厚さとなる(図15(a))。
(5h)pFinFET領域及びnFET領域において、各素子の素子分離を行うため、CVD法により、SiO等の素子分離膜60を各フィン20の間及びトレンチ81に堆積、充填する(図15(b))。
(5i)素子分離膜60をSiNマスク11をストッパとして、pFinFET領域及びnFET領域の素子分離膜60の高さが同一になるよう、エッチングする(図15(c))。
(5j)次に、nFET領域にレジスト(図示を省略)を施し、選択的に、素子分離膜60をエッチングにより所定の深さまでエッチバックする。所定の深さは、エッチバックによりバッファ層10aが露出するまではエッチングされず、バッファ層10aは素子分離膜60に埋め込まれているようにする。次に、pFinFET領域の各フィン20の間の素子分離膜上面60aに、イオン注入を行う。リンP又は砒素As等のn型不純物を上方から素子分離膜上面60aに向って図示A方向に打ち込むと、フィン20にはその頂部にSiNマスク11があるのでイオン注入されないが、素子分離膜上面60aにはイオン注入される。素子分離膜上面60aにイオン注入されると共に、不純物は横方向にも拡散され、フィン20の下部にもイオン注入され、フィン20の下部の不純物濃度が高くなり、パンチスルーストッパとなる(図16(a))。
(5k)nFET領域のレジストを剥離後、pFinFET領域にレジスト(図示を省略)を施し、nFET領域のSiNマスク11を剥離する(図16(b))。
(5l)
pFinFET領域及びnFET領域に、各々、ゲート絶縁膜31(SiO等)を熱酸化等により形成する(図16(c))。
(5m)ゲートとなるポリシリコン70を堆積させる工程である。MOCVD法等によりポリシリコン70をpFinFET領域及びnFET領域全体に堆積させる(図17(a))。
(5n)上記の工程後、平坦化する。CMPにより、pFinFET領域のSiNマスク11の上端をストッパ位置として、ポリシリコン70を平坦化処理する(図17(b))。
(5o)平坦化されたポリシリコン70及びSiNマスク11上に、第2のポリシリコン71をMOCVD法等により堆積させる(図17(c))。
(5p)
pFinFET領域にレジスト(図示を省略)を施し、選択的に、nFET領域のゲート電極82を所定のパターンで形成する(図18)。
(5q)以下、pFinFET領域の工程は、第1の実施の形態において示した(1l)〜(1q)、すなわち、図5(b)〜図6(c)の製造工程と共通である。すなわち、pFinFET領域のレジスト剥離後、nFET領域にレジスト(図示を省略)を施し、SiN膜12を所定の膜厚でMOCVD法により堆積させ、ゲート形成のためのレジスト13をSiN膜12上に形成する。SiN膜12をRIE等によりエッチングした後、SiN膜12をマスクとして、CF等のフッ素系ガスを用いたRIEによりエッチングを行う。これにより、フィン20及びゲート33の構造が形成される。SiNマスク11及びSiN膜12を剥離した後、フィン20の上面から垂直に、あるいは、傾斜させて、ボロンB等のp型不純物のイオン注入を行い、ソース領域とチャネル領域及びドレイン領域とチャネル領域との間の浅い接合部を形成する。ゲート側壁34を形成するため、SiO膜80をCVD法等により、等方的に堆積させる。CF等のフッ素系ガスを用いたRIEによりSiO膜80をエッチバック除去して、ゲート側壁34を形成する。ここで、フィン上面から垂直に、あるいは、傾斜させて、ボロンB等のp型不純物のイオン注入を行い、ゲート側壁34をマスクエッジとして、ソース領域40及びドレイン領域50となる深い接合部を形成する。
(5r)一方、nFET領域では、上面からリンP等のn型不純物のイオン注入を行い、ソース領域とチャネル領域及びドレイン領域とチャネル領域との間の浅い接合部を形成する。次に、ゲート側壁を形成するため、SiO膜をCVD法等により、等方的に堆積させる。CF等のフッ素系ガスを用いたRIEによりSiO膜をエッチバック除去して、ゲート側壁を形成する。上面から、リンP等のn型不純物のイオン注入を行い、ゲート側壁をマスクエッジとして、ソース領域及びドレイン領域となる深い接合部を形成する。
上記の工程後に、ゲート電極、ソース・ドレイン電極、コンタクト、配線等を公知技術による半導体製造プロセスを用いて形成することにより、pFinFET及びnFETが作製されることになる。
(第5の実施の形態の効果)
本発明の第5の実施の形態によれば、第1〜4の実施の形態に示した効果に加え、同一基板上にFinFETとプレーナ型FETとが形成され、各々を混載した半導体装置が可能となる。
FinFETは、高集積化に寄与し、かつ、大電流化が可能となるが、周辺回路の構成にはプレーナ型FETを必要とする場合があり、実際の集積半導体装置を構成する場合に有利な効果を有する。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置であるpFinFETの構成を示す図である。 本発明の第1の実施の形態に係るp型FinFETの製造工程を斜視図により順に示す図である。 本発明の第1の実施の形態に係るp型FinFETの製造工程を斜視図により順に示す図である。 本発明の第1の実施の形態に係るp型FinFETの製造工程を斜視図により順に示す図である。 本発明の第1の実施の形態に係るp型FinFETの製造工程を斜視図により順に示す図である。 本発明の第1の実施の形態に係るp型FinFETの製造工程を斜視図により順に示す図である。 本発明の第2の実施の形態に係るp型FinFETの製造工程を斜視図により順に示す図である。 本発明の第3の実施の形態に係るnFinFET及びpFinFETの製造工程を断面図により順に示す図である。 本発明の第3の実施の形態に係るnFinFET及びpFinFETの製造工程を断面図により順に示す図である。 本発明の第3の実施の形態に係るnFinFET及びpFinFETの製造工程を断面図により順に示す図である。 本発明の第3の実施の形態に係るnFinFET及びpFinFETの製造工程を断面図により順に示す図である。 本発明の第4の実施の形態に係り、Si半導体層10c上に、pFinFET領域とnFinFET領域とで異なる層をエピタキシャル成長させた基板を示す図である。 本発明の第5の実施の形態に係るFinFET及びプレーナ型FETの製造工程を断面図により順に示す図である。 本発明の第5の実施の形態に係るFinFET及びプレーナ型FETの製造工程を断面図により順に示す図である。 本発明の第5の実施の形態に係るFinFET及びプレーナ型FETの製造工程を断面図により順に示す図である。 本発明の第5の実施の形態に係るFinFET及びプレーナ型FETの製造工程を断面図により順に示す図である。 本発明の第5の実施の形態に係るFinFET及びプレーナ型FETの製造工程を断面図により順に示す図である。 本発明の第5の実施の形態に係るFinFET及びプレーナ型FETの製造工程を断面図により順に示す図である。
符号の説明
1 半導体装置
10 半導体基板
10a バッファ層
10b SiGe層
10c Si半導体層
20 フィン
30 ゲート電極
31 ゲート絶縁膜
32 チャネル領域
40 ソース領域
50 ドレイン領域

Claims (5)

  1. Si半導体層上にGe濃度が段階的に変化して形成されたバッファ層と、前記バッファ層との界面のGe濃度に応じたGe濃度で前記バッファ層上に形成されたSiGe層とにより所定の高さで形成されたフィンと、
    前記フィンの側面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
    前記フィンの前記ゲート電極の両側に形成されたソース領域及びドレイン領域とを有し、
    前記フィンにおける前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と対向したチャネル領域は、前記SiGe層の領域内に形成されていることを特徴とするフィン構造のFETを有する半導体装置。
  2. 前記フィン、前記ゲート電極、前記ソース領域及びドレイン領域とを有して形成される半導体素子領域を他の半導体素子領域から分離する素子分離層をさらに有し、
    前記素子分離層は、前記バッファ層を埋め込む位置まで形成されていることを特徴とする請求項1に記載のフィン構造のFETを有する半導体装置。
  3. 少なくとも1つのp型の前記フィン構造のFETと、少なくとも1つのn型のフィン構造のFETとで構成され、
    前記p型の前記フィン構造のFETの前記Ge濃度は、前記n型のフィン構造のFETのGe濃度よりも高いことを特徴とする請求項1又は2に記載のフィン構造のFETを有する半導体装置。
  4. 前記Si半導体層上に、さらにプレーナ構造のFETが形成されたことを特徴とする前記請求項1乃至3のいずれか1に記載のFETを有する半導体装置。
  5. Si半導体層上にGe濃度を段階的に変化させて形成されたバッファ層と前記バッファ層の上にGe濃度を略一定にして形成されたSiGe層とを有する基板を所定の形状にエッチングしてフィンを形成する第1の工程と、
    前記フィンのバッファ層とSiGe層を酸化して酸化層を形成することにより、前記フィンのGe濃度を高める第2の工程と、
    前記酸化層をエッチングにより除去する第3の工程と、
    前記酸化層がエッチング除去された前記フィンの側面にゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第4の工程と、
    前記ゲート電極の両側にソース領域及びドレイン領域を形成する第5の工程と、を含むフィン構造の半導体装置の製造方法。
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