JP5513416B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明はSOI(本発明においては、広義の Semiconductor On Insulator を意味し、狭義の Silicon On Insulator を意味しない)構造の半導体集積回路に係り、特に半導体基板(バルクウエハー)に、容易な製造プロセスにより、電子及び正孔の移動度を増加させたNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型の半導体集積回路を形成することに関する。 (In the present invention, it means a broad S emiconductor O n I nsulator, does not mean narrow sense S ilicon O n I nsulator) The present invention SOI relates to a semiconductor integrated circuit structure, particularly in the semiconductor substrate (bulk wafer) The present invention relates to forming a CMOS type semiconductor integrated circuit composed of N-channel and P-channel MIS field effect transistors with increased mobility of electrons and holes by an easy manufacturing process.
図31は従来の半導体装置の模式側断面図で、SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)法を使用して形成した歪みSOI構造のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、61はp型のSi基板、62はp型のSiGe層、63はn型のSiGe層、64は埋め込みシリコン酸化膜(SiO2)、65は素子分離領域(SiO2)、66はp型の歪みSi層、67はn型の歪みSi層、68はn+型ソース領域、69はn型ソース領域、70n型ドレイン領域、71n+型ドレイン領域、72p+型ドレイン領域、73p+型ソース領域、74はゲート酸化膜、75はゲート電極、76はサイドウォール、77はPSG膜、78は絶縁膜、79はバリアメタル、80は導電プラグ、81は層間絶縁膜、82はバリアメタル、83はCu配線、84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上に積層されたp型のSiGe層62中に酸素イオンを注入して高温の熱処理により形成された埋め込み酸化膜64(SIMOX法)を介して、素子分離領域(SiO2)65により島状に絶縁分離されたp型のSiGe層62上のp型の歪みSi層66からなるp型の歪みSOI基板及びn型化されたSiGe層63上のn型の歪みSi層67からなるn型の歪みSOI基板が形成され、p型の歪みSOI基板にはゲート電極75にセルフアライン形成されたn型ソースドレイン領域(69、70)、サイドウォール76にセルフアライン形成されたn+型ソースドレイン領域(68、71)からなるNチャネルのLDD(Lightly Doped Drain)構造のMIS電界効果トランジスタが形成され、n型の歪みSOI基板にはゲート電極75にセルフアライン形成されたサイドウォール76にセルフアライン形成されたp+型ソースドレイン領域(72、73)からなるPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。さらにn+型ソースドレイン領域(68、71)及びp+型ソースドレイン領域(72、73)には、それぞれバリアメタル79及び導電ブラグ80を介して、バリアメタル82を有するCu配線83が接続され、所望の電圧が印加されている。
したがって、周囲を絶縁膜で囲まれたソースドレイン領域を形成できることによる接合容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減、歪みSOI基板へのコンタクト領域の除去等により通常のバルクウエハーに形成するMIS電界効果トランジスタからなるCMOSに比較し、高速化、低電力化及び高集積化が可能となる。
またSiGe層上に歪みSi層を積層した歪みSOI基板にMIS電界効果トランジスタを形成できるため、格子定数の大きなSiGe層による引っ張り応力によりSi層に歪みを形成できるため、移動度を増すことができ、高速化が可能となる。
しかしNチャネルのMIS電界効果トランジスタ及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタともSiGe層上に歪みSi層を積層した歪みSOI基板に形成しているため、電子及び正孔の移動度の向上が達成でき、高速にはなるが、元来、電子及び正孔の移動度には4倍程度の差があるため、スイッチングスピードのオン/オフ特注のバランスが悪いという欠点があり、改善策として、PチャネルのMIS電界効果トランジスタのチャネル幅を広げなければならず高集積化に難があった。
またNチャネルのMIS電界効果トランジスタ及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタとも歪みSi層を形成しているが、PチャネルMIS電界効果トランジスタの正孔の移動度を増すSi層の面方位ではNチャネルMIS電界効果トランジスタの電子の移動度が低下してしまうという欠点もあった。
またSOI構造をつくる手段として、SIMOX法を使用しているため、極めて高価な高ドーズのイオン注入マシンを購入しなければならないこと及び高ドーズ量の酸素をイオン注入するために長時間の製造工程を要することによるコスト高の問題、10インチ〜12インチの大口径ウエハーの使用における酸素イオン注入による結晶欠陥の修復による特性の不安定性の問題、高ドーズ量の酸素をイオン注入しても厚い埋め込み酸化膜が得られず下層領域との容量の低減が難しいという問題等の欠点もあった。
またMIS電界効果トランジスタの高速化によって発生する熱による温度上昇により、高温での速度特性が劣化し、保障温度範囲における速度特性を保障できなくなりつつあるという問題には何らの対策も講じられていなかった。
Figure 31 is a schematic side sectional view of a conventional semiconductor device, SIMOX (S eparation by Im planted Ox ygen) method CMOS type semiconductor consisting of N-channel and P-channel MIS field effect transistor of the strained SOI structure formed using 1 shows a part of an integrated circuit, 61 is a p-type Si substrate, 62 is a p-type SiGe layer, 63 is an n-type SiGe layer, 64 is a buried silicon oxide film (SiO 2 ), and 65 is an element isolation region (SiO 2 ), 66 is a p-type strained Si layer, 67 is an n-type strained Si layer, 68 is an n + -type source region, 69 is an n-type source region, 70n-type drain region, 71n + -type drain region, 72p + Type drain region, 73p + type source region, 74 is a gate oxide film, 75 is a gate electrode, 76 is a sidewall, 77 is a PSG film, 7
In the figure, an element is introduced through a buried oxide film 64 (SIMOX method) formed by high-temperature heat treatment by implanting oxygen ions into a p-type SiGe layer 62 laminated on a p-
Therefore, the junction drain can be formed by forming a source / drain region surrounded by an insulating film, the breakdown voltage of the source / drain region can be improved, the threshold voltage can be reduced by improving the subthreshold characteristics, and the contact region to the strained SOI substrate can be removed. Thus, compared to a CMOS comprising MIS field effect transistors formed on a normal bulk wafer, the speed, power consumption and integration can be increased.
In addition, since a MIS field effect transistor can be formed on a strained SOI substrate in which a strained Si layer is laminated on a SiGe layer, strain can be formed in the Si layer due to tensile stress caused by the SiGe layer having a large lattice constant, thereby increasing mobility. , Speeding up becomes possible.
However, since both the N-channel MIS field-effect transistor and the P-channel MIS field-effect transistor are formed on the strained SOI substrate in which the strained Si layer is laminated on the SiGe layer, the mobility of electrons and holes can be improved. Although there is a difference of about 4 times in the mobility of electrons and holes from the beginning, although there is a high speed, there is a disadvantage that the on / off special balance of switching speed is bad. The channel width of the MIS field effect transistor has to be widened, making it difficult to achieve high integration.
The N channel MIS field effect transistor and the P channel MIS field effect transistor both form a strained Si layer. However, in the plane orientation of the Si layer that increases the hole mobility of the P channel MIS field effect transistor, the N channel MIS There is also a drawback that the mobility of electrons in the field effect transistor is lowered.
In addition, since the SIMOX method is used as a means for creating an SOI structure, it is necessary to purchase an extremely expensive high-dose ion implantation machine, and a long-time manufacturing process for implanting high-dose oxygen ions. The problem of high cost due to the need for a large-diameter wafer of 10 inches to 12 inches, the problem of instability of characteristics due to the repair of crystal defects by oxygen ion implantation, and the thick embedding even when ion implantation of high dose oxygen There are also disadvantages such as the problem that it is difficult to reduce the capacitance with the lower layer region because an oxide film cannot be obtained.
Also, no measures have been taken against the problem that the speed characteristics at high temperatures deteriorate due to the temperature rise caused by the heat generated by the speedup of the MIS field effect transistor, and the speed characteristics in the guaranteed temperature range cannot be guaranteed. It was.
本発明が解決しょうとする課題は、従来例に示されるように、
(1)SIMOX法によりSOI構造を形成するため、かなりのコスト高になり、付加価値の高い特殊用途の製品にしか使用できず、廉価な汎用品に適用できる技術に乏しかったこと。
(2)大口径ウエハーにおけるSOI基板の薄膜化の制御性が難しいため、完全空乏化させたSOI基板の形成が難しく、内蔵する多数のMIS電界効果トランジスタの特性の安定性が得られにくかったこと。
(3)歪みSi層においては電子と正孔の移動度を増す面方位が異なり、PチャネルMIS電界効果トランジスタの正孔の移動度を増す面方位ではNチャネルMIS電界効果トランジスタの電子の移動度が低下してしまうこと。
(4)MIS電界効果トランジスタの高速化によって発生する熱による温度上昇により、キャリアの散乱等により移動度が低下し、高温での速度特性が劣化するため、保障温度範囲における速度保障が難しかったこと。
等の問題が顕著になりつつあり、現状技術により微細な歪みSOI構造のMIS電界効果トランジスタを形成しているだけでは、さらなる高速化、高性能化及び高信頼性が困難になってきたことである。
The problem to be solved by the present invention, as shown in the conventional example,
(1) Since the SOI structure is formed by the SIMOX method, the cost is considerably high, and it can be used only for special purpose products with high added value, and the technology applicable to inexpensive general-purpose products is scarce.
(2) Since it is difficult to control the thinning of the SOI substrate in a large-diameter wafer, it is difficult to form a fully depleted SOI substrate, and it is difficult to obtain stability of characteristics of a large number of built-in MIS field effect transistors. .
(3) In the strained Si layer, the plane orientation that increases the mobility of electrons and holes is different, and in the plane orientation that increases the mobility of holes in the P-channel MIS field effect transistor, the mobility of electrons in the N-channel MIS field effect transistor. Will decrease.
(4) Due to the temperature rise due to heat generated by increasing the speed of the MIS field-effect transistor, the mobility is lowered due to carrier scattering and the like, and the speed characteristics at high temperatures are deteriorated, so it is difficult to guarantee speed in the guaranteed temperature range. .
Such problems are becoming more prominent, and it is difficult to achieve higher speed, higher performance, and higher reliability simply by forming a MIS field effect transistor having a fine strained SOI structure with the current technology. is there.
上記課題は、第1の半導体(Si)からなる半導体基板(Si)上に絶縁膜を介して貼り合わせられ、選択的に形成された第2の半導体(Ge)からなる第2の半導体層(Ge)に一導電型(Pチャネル)のMIS電界効果トランジスタが設けられ、前記第2の半導体層が設けられていない箇所の前記半導体基板上に一部に空孔を有する前記絶縁膜を介して、前記半導体基板より選択的にエピタキシャル成長して設けられた第1の半導体層(歪みSi層を左右から挟んだSiGe層からなる半導体層)に反対導電型(Nチャネル)のMIS電界効果トランジスタが設けられている本発明の半導体装置によって解決される。 The above problem is that a second semiconductor layer (Ge) made of a second semiconductor (Ge) selectively bonded to a semiconductor substrate (Si) made of a first semiconductor (Si) through an insulating film. Ge) is provided with a MIS field effect transistor of one conductivity type (P channel), and a part of the semiconductor substrate where the second semiconductor layer is not provided via the insulating film partially having a hole. An MIS field effect transistor of an opposite conductivity type (N channel) is provided in a first semiconductor layer (a semiconductor layer made of a SiGe layer sandwiching a strained Si layer from the left and right) provided by selective epitaxial growth from the semiconductor substrate. This is solved by the semiconductor device of the present invention.
以上説明のように本発明によれば、単結晶Ge基板を貼り合わせたSi基板を使用して、容易なプロセスにより、Si基板上に絶縁膜を介して、2つの異なる半導体層(単結晶Ge層及び単結晶歪みSi層を左右から挟んだSiGe層)を形成でき、この2つの半導体層にそれぞれPチャネルMIS電界効果トランジスタあるいはNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成することが可能で、完全空乏型のSOI構造のMIS電界効果トランジスタに特有な特性、即ちソースドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減が可能である。
また成長するシリコン窒化膜(Si3N4)の膜厚により、貼り合わせGe層(第2の半導体層)及び歪みSi層を左右から挟んだSiGe層(第1の半導体層)の膜厚を決定できるため、大口径ウエハーによる製造にも対応できる、完全空乏型の薄膜の半導体層を容易に形成することが可能である。
またPチャネルのMIS電界効果トランジスタにおいては、貼り合わせた単結晶のGe層にチャネル領域を形成でき、NチャネルのMIS電界効果トランジスタにおいては、下地の絶縁膜のない空孔直上の結晶性が良好な単結晶歪みSi層にのみチャネル領域を形成できるため、安定した特性を持つBOSDOLESOI構造(呼称の詳細は後述)に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型の半導体集積回路を形成することが可能である。
また正孔の移動度を大幅に向上できるGe層(Si層に形成する場合の5倍程度)にPチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成でき、電子の移動度を高められる歪みSi層を挟んだSiGe層に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、他方のMIS電界効果トランジスタの特性に影響されない、極めてバランスの良い高速なCMOSを得ることが可能である。
またNチャネルのMIS電界効果トランジスタが動作している時のチャネル領域と半導体基板間の容量を、空孔を設けることにより、通常のシリコン酸化膜のSOI構造に比較し、大幅に低減することが可能である。
またNチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成した歪みSi層直下に放熱用の空孔を設けることにより、NチャネルのMIS電界効果トランジスタの高速化によって発生する熱による温度上昇を抑制し、高温での速度特性の劣化を改善することも可能である。
この結果、高速大容量通信、携帯情報端末、各種電子機械機器、宇宙関連機器等に対応可能で、保障温度範囲が広い半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つCMOS型の半導体集積回路を得ることができる。
本発明者は当該技術を絶縁膜上の貼り合わせ及び2段階横(水平)方向エピタキシャル半導体層(Bonding Semiconductor and Double Lateral Epitaxial Semiconductor On Insulator)構造と命名し、以後この技術をBOSDOLESOI(ボスドールソイ)と略称する。
As described above, according to the present invention, two different semiconductor layers (single crystal Ge) are formed on an Si substrate via an insulating film by an easy process using a Si substrate bonded with a single crystal Ge substrate. Layer and a SiGe layer sandwiching a single crystal strained Si layer from the left and right), and a P-channel MIS field-effect transistor or an N-channel MIS field-effect transistor can be formed on each of these two semiconductor layers. Characteristics of the SOI structure MIS field effect transistor, that is, the reduction of the junction capacitance of the source / drain region (substantially zero), the reduction of the depletion layer capacitance, the breakdown voltage improvement of the source / drain region and the improvement of the subthreshold characteristic. Reduction is possible.
The thickness of the SiGe layer (first semiconductor layer) sandwiching the bonded Ge layer (second semiconductor layer) and the strained Si layer from the left and right is determined by the thickness of the growing silicon nitride film (Si 3 N 4 ). Therefore, it is possible to easily form a fully-depleted thin-film semiconductor layer that can be used for manufacturing with a large-diameter wafer.
In a P-channel MIS field effect transistor, a channel region can be formed in the bonded single crystal Ge layer. In an N-channel MIS field effect transistor, the crystallinity right above the vacancy without an underlying insulating film is good. Since a channel region can be formed only in a single-crystal strained Si layer, a CMOS type semiconductor comprising a short-channel N-channel and P-channel MIS field-effect transistor formed in a BODOSOLESOI structure (name details will be described later) having stable characteristics An integrated circuit can be formed.
In addition, a P-channel MIS field effect transistor can be formed in a Ge layer (about 5 times that formed in a Si layer) that can greatly improve the hole mobility, and a strained Si layer that can increase the electron mobility is sandwiched between them. Since an N-channel MIS field effect transistor can be formed in the SiGe layer, it is possible to obtain an extremely well-balanced high-speed CMOS that is not affected by the characteristics of the other MIS field effect transistor.
In addition, the capacitance between the channel region and the semiconductor substrate when the N-channel MIS field effect transistor is operating can be greatly reduced by providing a hole as compared with the SOI structure of a normal silicon oxide film. Is possible.
Also, by providing a heat-dissipating hole immediately below the strained Si layer on which the N-channel MIS field effect transistor is formed, the temperature rise due to heat generated by the high-speed operation of the N-channel MIS field-effect transistor is suppressed, and It is also possible to improve the deterioration of speed characteristics.
As a result, high-speed, high-capacity communication, portable information terminals, various electronic mechanical devices, space-related devices, etc. can be manufactured, and it is possible to manufacture semiconductor integrated circuits with a wide guaranteed temperature range. A CMOS type semiconductor integrated circuit having integration can be obtained.
The present inventors named the art of bonding on the insulating film and the two-step transverse (horizontal) direction epitaxial semiconductor layer (Bo nding S emiconductor and Do uble L ateral E pitaxial S emiconductor O n I nsulator) structure, hereinafter the The technology is abbreviated as BODOSOLESOI.
シリコン(Si)基板上にシリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を介して貼り合わせられ、薄膜化され、島状に絶縁分離されたGe層(第2の半導体層)が設けられ、このGe層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、ゲート電極の側壁にサイドウォールが設けられ、Ge層にはサイドウォールに自己整合してp+型のソースドレイン領域が設けられたPチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成し、一方、Si基板上にシリコン窒化膜及び一部に空孔を有するシリコン酸化膜を介して、空孔直上の歪みSi層を挟み、左右にSiGe層を有する構造からなるエピタキシャル半導体層(第1の半導体層)が島状に絶縁分離されて設けられ、歪みSi層直上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、ゲート電極の側壁にサイドウォールが設けられ、SiGe層にはゲート電極に自己整合してn型ソースドレイン領域及びサイドウォールに自己整合してn+型ソースドレイン領域がそれぞれ設けられ、歪みSi層には概略チャネル領域が形成された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した高移動度を有するCMOS型の半導体集積回路を形成したものである。 A Ge layer (second semiconductor layer) which is bonded to a silicon (Si) substrate via a silicon nitride film and a silicon oxide film, thinned, and insulated and isolated in an island shape is provided on the Ge layer. A P-channel MIS electric field in which a gate electrode is provided via a gate insulating film, a side wall is provided on the side wall of the gate electrode, and a p + -type source / drain region is provided in the Ge layer in self-alignment with the side wall. An effect transistor is formed, and on the other hand, an epitaxial structure comprising a SiGe layer on both sides sandwiching a strained Si layer directly above the vacancy through a silicon nitride film on a Si substrate and a silicon oxide film having a vacancy in part. A semiconductor layer (first semiconductor layer) is provided so as to be insulated and isolated in an island shape, a gate electrode is provided directly above the strained Si layer via a gate insulating film, and a gate electrode is provided on the side wall of the gate electrode. The SiGe layer is provided with an n-type source / drain region self-aligned with the gate electrode and the n + -type source / drain region is provided with a side wall, and an approximately channel region is formed in the strained Si layer. A CMOS type semiconductor integrated circuit having a high mobility in which an N-channel MIS field effect transistor having an LDD structure is formed.
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、また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。
図1〜図12は本発明の半導体装置における第1の実施例で、図1は模式側断面図、図2〜図12は製造方法の工程断面図である。
図1はシリコン(Si)基板を使用し、BOSDOLESOI構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1は1015cm−3程度のp型のシリコン(Si)基板、2は50nm程度のシリコン窒化膜(Si3N4)、3は200nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)、4は50nm程度の素子分離領域のシリコン窒化膜(Si3N4)、5は空孔、6は1017cm−3程度のp型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層、7は1017cm−3程度のp型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層、8は1017cm−3程度のn型の貼り合わせGe層、9は埋め込みシリコン酸化膜(SiO2)、10は1020cm−3程度のn+型ソース領域、11は5×1017cm−3程度のn型ソース領域、12は5×1017cm−3程度のn型ドレイン領域、13は1020cm−3程度のn+型ドレイン領域、14は1020cm−3程度のp+型ドレイン領域、15は1020cm−3程度のp+型ソース領域、16は5nm程度のゲート酸化膜(HfO2)、17は長さ35nm程度、厚さ100nm程度のゲート電極(WSi/polySi)、18は25nm程度のサイドウォール(SiO2)、19は400nm程度の燐珪酸ガラス(PSG)膜、20は20nm程度のシリコン窒化膜(Si3N4)、21は10nm程度のバリアメタル(TiN)、22は導電プラグ(W)、23は500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)、24は10nm程度のバリアメタル(TaN)、25は500nm程度のCu配線(Cuシード層含む)、26は20nm程度のバリア絶縁膜(Si3N4)を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1の左半分には、p型のシリコン基板1上にシリコン窒化膜(Si3N4)2が設けられ、シリコン窒化膜(Si3N4)2上には、一部に空孔5を有するシリコン酸化膜(SiO2)3が設けられ、シリコン酸化膜(SiO2)3上には、空孔5直上のp型の歪みSi層7を挟み、左右にp型のSiGe層6を有する構造からなる半導体層(横(水平)方向のエピタキシャル成長で形成した第1の半導体層)が島状に絶縁分離されて設けられている。p型の歪みSi層7の直上にはゲート酸化膜(HfO2)16を介してゲート電極(WSi/polySi)17が設けられ、ゲート電極17の側壁にはサイドウォール18が設けられ、p型のSiGe層6には、概略n型ソースドレイン領域(11、12)及びn+型ソースドレイン領域(10、13)が設けられ、p型の歪みSi層7には、概略チャネル領域が設けられており(実際にはn型ソースドレイン領域(11、12)が若干横方向拡散されているが、少なくとも空孔5の直上部のp型の歪みSi層7は下層のシリコン酸化膜の影響のない単結晶シリコン層になっている。)、n+型ソースドレイン領域(10、13)には、それぞれバリアメタル(TiN)21を有する導電プラグ(W)22を介してバリアメタル(TaN)24を有するCu配線25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が形成されている。一方、p型のシリコン基板1の右半分には、p型のシリコン基板1上にシリコン窒化膜(Si3N4)2が設けられ、シリコン窒化膜(Si3N4)2上には、シリコン酸化膜(SiO2)3が設けられ、シリコン酸化膜(SiO2)3上には、貼り合わせられ、島状に絶縁分離されたn型のGe層8(第2の半導体層)が設けられている。n型のGe層8の一部上にはゲート酸化膜(HfO2)16を介してゲート電極(WSi/polySi)17が設けられ、ゲート電極17の側壁にはサイドウォール18が設けられ、n型のGe層8にはサイドウォール18に自己整合してp+型ソースドレイン領域(14、15)が設けられ、p+型ソースドレイン領域(14、15)には、それぞれバリアメタル(TiN)21を有する導電プラグ(W)22を介してバリアメタル(TaN)24を有するCu配線25が接続されているPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。(ゲート電極17にもCu配線25が接続されているが、図1では省略されている。)
したがって、単結晶Ge基板を貼り合わせたSi基板を使用して、容易なプロセス(製造方法は別途詳述する)により、Si基板上に絶縁膜を介して、2つの異なる半導体層(単結晶Ge層及び単結晶歪みSi層を挟んだSiGe層)を形成でき、この2つの半導体層にそれぞれPチャネルMIS電界効果トランジスタあるいはNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成することが可能で、完全空乏型のSOI構造のMIS電界効果トランジスタに特有な特性、即ちソースドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減が可能である。
また成長するシリコン窒化膜(Si3N4)の膜厚により、貼り合わせGe層(第2の半導体層)及び歪みSi層を挟んだSiGe層(第1の半導体層)の膜厚を決定できるため、大口径ウエハーによる製造にも対応できる、完全空乏型の薄膜の半導体層を容易に形成することが可能である。
またPチャネルのMIS電界効果トランジスタにおいては、貼り合わせた単結晶のGe層にチャネル領域を形成でき、NチャネルのMIS電界効果トランジスタにおいては、下地の絶縁膜のない空孔直上の結晶性が良好な単結晶歪みSi層にのみチャネル領域を形成できるため、安定した特性を持つBOSDOLESOI構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型の半導体集積回路を形成することが可能である。
また正孔の移動度を大幅に向上できるGe層(Si層に形成する場合の5倍程度)にPチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成でき、電子の移動度を高められる歪みSi層を挟んだSiGe層に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、他方のMIS電界効果トランジスタの特性に影響されない、極めてバランスの良い高速なCMOSを得ることが可能である。
またNチャネルのMIS電界効果トランジスタが動作している時のチャネル領域と半導体基板間の容量を、空孔を設けることにより、通常のシリコン酸化膜のSOI構造に比較し、大幅に低減することが可能である。
またNチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成した歪みSi層直下に放熱用の空孔を設けることにより、NチャネルのMIS電界効果トランジスタの高速化によって発生する熱による温度上昇を抑制し、高温での速度特性の劣化を改善することも可能である。
この結果、高速大容量通信、携帯情報端末、各種電子機械機器、宇宙関連機器等に対応可能で、保障温度範囲が広い半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つCMOS型の半導体集積回路を得ることができる。
Hereinafter, the present invention will be specifically described 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 sectional view are shown only on the main insulating film, and the wiring is drawn with a slight back-and-forth displacement, and the horizontal and vertical sizes are accurate to show the main part of the invention. The dimensions are not shown.
1 to 12 show a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. FIG. 1 is a schematic sectional side view, and FIGS.
FIG. 1 shows a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel and P-channel MIS field-effect transistor formed using a silicon (Si) substrate and having a BODOSOLESOI structure, where 1 is 10 15 cm. P-type silicon (Si) substrate of about −3 , 2 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 50 nm, 3 is a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 200 nm, and 4 is an element isolation region of about 50 nm silicon nitride film (Si 3 N 4), it is pore 5, 6 10 17 cm -3 of about p-type lateral (horizontal) direction the epitaxial SiGe layer, 7 10 17 cm -3 of about p-type beside ( horizontal) epitaxial strained Si layer, Ge layer bonded to n-type of about 10 17 cm -3 is 8, 9 buried silicon oxide film (SiO 2), 10 10 20 cm -3 of about n + -type source region, n-type source region of about 5 × 10 17 cm -3 is 11, 12 about 5 × 10 17 cm -3 of n-type drain region, 13 10 20 cm -3 of n + -type drain region, the 10 20 cm -3 of about p + -type drain region 14, 15 10 20 cm -3 of about p + -type source region 16 is 5nm approximately the gate oxide film (HfO 2 ), 17 is a gate electrode (WSi / polySi) having a length of about 35 nm and a thickness of about 100 nm, 18 is a sidewall (SiO 2 ) of about 25 nm, 19 is a phosphosilicate glass (PSG) film of about 400 nm, and 20 is 20nm approximately silicon nitride film (Si 3 N 4), 21 is 10nm approximately barrier metal (TiN), 22 is a conductive plug (W), 23 is 500nm approximately interlayer insulation Film (SiOC), 24 is 10nm approximately barrier metal (TaN), 25 is 500nm approximately Cu wiring (including Cu seed layer), 26 denotes a 20nm approximately barrier insulating film (Si 3 N 4).
In the figure, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 2 is provided on the p-
Therefore, two different semiconductor layers (single crystal Ge) are formed on the Si substrate through an insulating film by an easy process (a manufacturing method will be described in detail later) using a Si substrate on which a single crystal Ge substrate is bonded. Layer and a SiGe layer sandwiching a single crystal strained Si layer), a P-channel MIS field-effect transistor or an N-channel MIS field-effect transistor can be formed in each of these two semiconductor layers, and a fully depleted SOI Characteristics peculiar to the MIS field effect transistor having the structure, that is, reduction of the junction capacitance of the source / drain region (substantially zero), reduction of the depletion layer capacitance, improvement of the breakdown voltage of the source / drain region and reduction of the threshold voltage due to improvement of the subthreshold characteristics Is possible.
The thickness of the SiGe layer (first semiconductor layer) sandwiching the bonded Ge layer (second semiconductor layer) and the strained Si layer can be determined by the thickness of the grown silicon nitride film (Si 3 N 4 ). Therefore, it is possible to easily form a fully-depleted thin-film semiconductor layer that can be manufactured by a large-diameter wafer.
In a P-channel MIS field effect transistor, a channel region can be formed in the bonded single crystal Ge layer. In an N-channel MIS field effect transistor, the crystallinity right above the vacancy without an underlying insulating film is good. Since a channel region can be formed only in a single-crystal strained Si layer, it is possible to form a CMOS type semiconductor integrated circuit composed of short-channel N-channel and P-channel MIS field-effect transistors formed in a BODOSOLESOI structure having stable characteristics. Is possible.
In addition, a P-channel MIS field effect transistor can be formed in a Ge layer (about 5 times that formed in a Si layer) that can greatly improve the hole mobility, and a strained Si layer that can increase the electron mobility is sandwiched between them. Since an N-channel MIS field effect transistor can be formed in the SiGe layer, it is possible to obtain an extremely well-balanced high-speed CMOS that is not affected by the characteristics of the other MIS field effect transistor.
In addition, the capacitance between the channel region and the semiconductor substrate when the N-channel MIS field effect transistor is operating can be greatly reduced by providing a hole as compared with the SOI structure of a normal silicon oxide film. Is possible.
Also, by providing a heat-dissipating hole immediately below the strained Si layer on which the N-channel MIS field effect transistor is formed, the temperature rise due to heat generated by the high-speed operation of the N-channel MIS field-effect transistor is suppressed, and It is also possible to improve the deterioration of speed characteristics.
As a result, high-speed, high-capacity communication, portable information terminals, various electronic mechanical devices, space-related devices, etc. can be manufactured, and it is possible to manufacture semiconductor integrated circuits with a wide guaranteed temperature range. A CMOS type semiconductor integrated circuit 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2〜図12及び図1を参照して説明する。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. 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2
化学気相成長により、n型のGe基板8上に200nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)3を成長する。次いで化学気相成長により、シリコン窒化膜(Si3N4)2を50nm程度成長する。次いで上下を反対にして、900℃以下で熱処理し、p型のSi基板1上にシリコン酸化膜(SiO2)3及びシリコン窒化膜(Si3N4)2を成長させたn型のGe基板8を貼り合わせる。次いで化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing 以後CMPと略称)し、n型のGe基板8を50nm程度に薄膜化する。
FIG.
A silicon oxide film (SiO 2 ) 3 of about 200 nm is grown on the n-
図3
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、n型のGe基板8を選択的に異方性ドライエッチングし、n型のGe層8を形成する。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、シリコン窒化膜(Si3N4)4を50nm程度成長する。次いで化学的機械研磨し、n型のGe層8上のシリコン窒化膜(Si3N4)4を除去し、平坦化する。こうしてn型のGe層8(第2の半導体層)は島状に絶縁分離される。
FIG.
Next, the n-
図4
次いで化学気相成長により、5nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)27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、シリコン酸化膜(SiO2)27、シリコン窒化膜(Si3N4)4、シリコン酸化膜(SiO2)3及びシリコン窒化膜(Si3N4)2を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 27 of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, using a resist (not shown) as a mask layer, a silicon oxide film (SiO 2 ) 27, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 4, a silicon oxide film (SiO 2) ) 3 and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 2 are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form openings. Next, the resist (not shown) is removed.
図5
次いで露出したp型のシリコン基板1上にp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層28を成長する。次いで化学的機械研磨し、シリコン酸化膜(SiO2)27の平坦面より突出したp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層28を平坦化する。次いで選択化学気相成長法により50nm程度のタングステン膜29を成長する。
FIG.
Next, a p-type longitudinal (vertical)
図6
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、シリコン酸化膜(SiO2)27及びシリコン窒化膜(Si3N4)4を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで露出したp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層28の側面にp型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層6(Ge濃度30%程度)を成長し、開孔部を埋め込む。ここで残されたシリコン窒化膜(Si3N4)4は素子分離領域となる。次いでp型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層6の表面を800℃程度で酸化し、5nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)30を成長する。
FIG.
Next, using an ordinary lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon oxide film (SiO 2 ) 27 and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 4 are sequentially anisotropic dry etched using a resist (not shown) as a mask layer. Then, an opening is formed. Next, the resist (not shown) is removed. Next, a p-type lateral (horizontal) direction epitaxial SiGe layer 6 (Ge concentration of about 30%) is grown on the side surface of the exposed p-type longitudinal (vertical) direction
図7
次いでシリコン酸化膜(SiO2)27及びシリコン酸化膜(SiO2)30をマスク層として、タングステン膜29及びp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層28を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いで化学気相成長により、60nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)9を成長する。次いでシリコン窒化膜(Si3N4)4、p型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層6及びn型のGe層8の平坦面上のシリコン酸化膜(SiO2)9、シリコン酸化膜(SiO2)27及びシリコン酸化膜(SiO2)30を化学的機械研磨(CMP)し、シリコン酸化膜(SiO2)9を開孔部に平坦に埋め込む。(開孔部幅は100nm程度なのでシリコン酸化膜(SiO2)9は十分に埋め込める。この領域も素子分離領域の一部となる。)
FIG.
Next, using the silicon oxide film (SiO 2 ) 27 and the silicon oxide film (SiO 2 ) 30 as a mask layer, the
図8
次いで化学気相成長により、100nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)31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、シリコン酸化膜(SiO2)31、p型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層6及びシリコン酸化膜(SiO2)3を選択的に順次異方性ドライエッチングし、シリコン窒化膜(Si3N4)2の一部を露出する開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 31 of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, using a resist (not shown) as a mask layer, a silicon oxide film (SiO 2 ) 31, a p-type lateral (horizontal)
図9
次いで露出したp型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層6の側面間にp型の横(水平)方向エピタキシャルSi層を成長し、下部に空孔5を有するp型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層7を形成する。(この際、空孔5直上は下地の影響が全くない単結晶シリコン層となる。この歪みSi層7を左右から挟んだSiGe層6からなる構造の半導体層が第1の半導体層となる。)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、シリコン酸化膜(SiO2)31を異方性ドライエッチングし、n型のGe層8の一部に開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, a p-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer is grown between the exposed side surfaces of the p-type lateral (horizontal)
図10
次いで化学気相成長により、5nm程度のゲート酸化膜(HfO2)16を成長する。次いで化学気相成長により、50nm程度の多結晶シリコン膜(polySi)を成長する。次いでスパッタにより、50nm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し、シリコン酸化膜(SiO2)31上のタングステンシリサイド膜(WSi)、多結晶シリコン膜(polySi)及びゲート酸化膜(HfO2)を除去し、p型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層7及びn型のGe層8の開孔部に平坦に埋め込む。
FIG.
Next, a gate oxide film (HfO 2 ) 16 of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a polycrystalline silicon film (polySi) of about 50 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a tungsten silicide film (WSi) of about 50 nm is grown by sputtering. Next, chemical mechanical polishing is performed to remove the tungsten silicide film (WSi), the polycrystalline silicon film (polySi), and the gate oxide film (HfO 2 ) on the silicon oxide film (SiO 2 ) 31, and p-type lateral (horizontal). The directional epitaxial strained Si layer 7 and the n-
図11
次いでシリコン酸化膜(SiO2)31をエッチング除去する。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(SiO2、図示せず)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、p型の横(水平)方向エピタキシャル歪み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。連続してレジスト(図示せず)及びゲート電極(WSi/polySi)17をマスク層として、n型ソースドレイン領域(11、12)形成用の燐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。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO2、図示せず)をエッチング除去する。次いで化学気相成長により、25nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)を成長する。次いで全面異方性ドライエッチングし、ゲート電極(WSi/polySi)17の側壁にのみサイドウォール(SiO2)18を形成する。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(SiO2、図示せず)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)、サイドウォール(SiO2)18及びゲート電極(WSi/polySi)17をマスク層として、n+型ソースドレイン領域(10、13)形成用の砒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。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、n型のGe層8に閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。連続してレジスト(図示せず)、サイドウォール(SiO2)18及びゲート電極(WSi/polySi)17をマスク層として、p+型ソースドレイン領域(14、15)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。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO2、図示せず)をエッチング除去する。次いでRTP(Rapid Thermal Processing)法によりアニールをおこない、n型ソースドレイン領域(11、12)、n+型ソースドレイン領域(10、13)及びp+型ソースドレイン領域(14、15)を形成する。
FIG.
Next, the silicon oxide film (SiO 2 ) 31 is removed by etching. Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, boron (for threshold voltage control) is implanted into the p-type lateral (horizontal) epitaxial strained Si layer 7 using a resist (not shown) as a mask layer. Using the resist (not shown) and the gate electrode (WSi / polySi) 17 as a mask layer, phosphorus ions are implanted for forming the n-type source / drain regions (11, 12). Next, the resist (not shown) is removed. Next, the silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation is removed by etching. Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 25 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, whole surface anisotropic dry etching is performed to form a side wall (SiO 2 ) 18 only on the side wall of the gate electrode (WSi / polySi) 17. Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, an n + type source / drain region (10,) is formed using a resist (not shown), a sidewall (SiO 2 ) 18 and a gate electrode (WSi / polySi) 17 as a mask layer. 13) Perform arsenic ion implantation for formation. Next, the resist (not shown) is removed. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, boron (for threshold voltage control) is implanted into the n-
図12
次いで化学気相成長により、400nm程度のPSG膜19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(Si3N4)20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、シリコン窒化膜(Si3N4)20及びPSG膜19を順次異方性ドライエッチングし、ビアを形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN21を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン(W)22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)21を有する導電プラグ(W)22を形成する。
FIG.
Next, a
図1
次いで化学気相成長により、500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)23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)23を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、シリコン窒化膜(Si3N4)20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)24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)24を有するCu配線25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(Si3N4)26を成長し、本願発明のBOSDOLESOI構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型の半導体集積回路を完成する。
FIG.
Next, an interlayer insulating film (SiOC) 23 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) 23 is anisotropically dry-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 ) 20 becomes an etching stopper film.) Next, the resist (not shown) is removed. Next, a barrier metal (TaN) 24 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, Cu is embedded in the opening portion flatly, and a
図13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、BOSDOLESOI構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜16、18〜26は図1と同じ物を、32はポリサイドゲート電極(CoSi2/polySi)、33はサリサイド層(CoSi2)を示している。
同図においては、ポリサイドゲート電極(CoSi2/polySi)及びメタルソースドレインとなるサリサイド層(CoSi2)が形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネル及びPチャネル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、製造方法はやや複雑になるが、ソースドレイン領域の抵抗を低減できるため、より高速化が可能である。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional side view of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention, which is a CMOS including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor using a silicon (Si) substrate and formed in a BODOSOLESOI structure. 1 to 16 and 18 to 26 are the same as those in FIG. 1, 32 is a polycide gate electrode (CoSi 2 / polySi), and 33 is a salicide layer (CoSi 2 ). Show.
In this figure, N-channel and P-channel MIS field effects having substantially the same structure as in FIG. 1 except that a polycide gate electrode (CoSi 2 / polySi) and a salicide layer (CoSi 2 ) to be a metal source / drain are formed. A transistor is formed.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the manufacturing method is somewhat complicated. However, since the resistance of the source / drain region can be reduced, higher speed can be achieved.
図14は本発明の半導体装置における第4の実施例で、シリコン(Si)基板を使用し、BOSDOLESOI構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜16、18〜26は図1と同じ物を、34は燐珪酸ガラス(PSG)膜、35はゲート電極(Al)を示している。
同図においては、燐珪酸ガラス(PSG)膜が2層に形成されていること及びゲート電極が低抵抗のAlにより形成されていること(いわゆるダマシンプロセスにより形成)以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネル及びPチャネル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、製造方法はやや複雑になるが、低抵抗のAlによりゲート電極の抵抗を低減できるため、より高速化が可能である。
FIG. 14 shows a fourth embodiment of the semiconductor device according to the present invention, which is a CMOS type semiconductor integrated circuit including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor using a silicon (Si) substrate and having a BODOSOLESIO structure. 1 to 16, 18 to 26 are the same as in FIG. 1, 34 is a phosphosilicate glass (PSG) film, and 35 is a gate electrode (Al).
In this figure, the structure is almost the same as in FIG. 1 except that the phosphosilicate glass (PSG) film is formed in two layers and the gate electrode is formed of low resistance Al (formed by a so-called damascene process). N-channel and P-channel MIS field effect transistors are formed.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the manufacturing method is somewhat complicated. However, the resistance of the gate electrode can be reduced by low resistance Al, so that the speed can be further increased. .
図15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、BOSDOLESOI構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜5、8〜26は図1と同じ物を、36はp型の横(水平)方向エピタキシャルSi層、37はp型の横(水平)方向エピタキシャルSi層を示している。
同図においては、NチャネルMIS電界効果トランジスタにおいて、半導体層がエピタキシャルSi層のみで形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネル及びPチャネル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、製造方法はやや簡単になるが、歪みSi層を使用しないため、高速性がやや劣ることになる。
FIG. 15 is a schematic cross-sectional side view of a fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention, which is a CMOS including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor formed in a BODOSOLEI SOI structure using a silicon (Si) substrate. 1 to 5 and 8 to 26 are the same as those in FIG. 1, 36 is a p-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer, and 37 is a p-type lateral (horizontal). ) Direction epitaxial Si layer.
In the figure, in the N-channel MIS field effect transistor, N-channel and P-channel MIS field effect transistors having substantially the same structure as those in FIG. 1 are formed except that the semiconductor layer is formed only of an epitaxial Si layer.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the manufacturing method is somewhat simple. However, since the strained Si layer is not used, the high speed performance is slightly inferior.
図16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、BOSDOLESOI構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜6、8〜26は図1と同じ物を、38はp型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層、39はp型の縦(垂直)方向エピタキシャル歪みSi層を示している。
同図においては、NチャネルMIS電界効果トランジスタにおいて、SiGe層上に歪みSi層を積層させた半導体層が形成されていること及びその関連上ゲート電極の厚みが薄く形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においては製造方法がやや複雑になるが、第1の実施例と同様の効果を得ることができる。
FIG. 16 is a schematic cross-sectional side view of a fifth embodiment of the semiconductor device of the present invention, which is a CMOS including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor using a silicon (Si) substrate and having a BODOSOLESOI structure. 1 to 6 and 8 to 26 are the same as those in FIG. 1, 38 is a p-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer, and 39 is a p-type vertical (vertical). ) Direction epitaxial strained Si layer.
In the figure, in the N-channel MIS field effect transistor, a semiconductor layer in which a strained Si layer is stacked on a SiGe layer is formed, and the gate electrode is formed to have a small thickness. N-channel and P-channel MIS field effect transistors having substantially the same structure as 1 are formed.
In this embodiment, the manufacturing method is somewhat complicated, but the same effect as in the first embodiment can be obtained.
図17〜図29は本発明の半導体装置における第6の実施例で、図17は模式側断面図、図18〜図29は製造方法の工程断面図である。
図17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、BOSDOLESOI構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜5、8〜16、18〜26は図1と同じ物を、34、35は図14と同じ物を、40はシリコン酸化膜(SiO2)、41はシリコン窒化膜(Si3N4)、42はp型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層、43はp型の横(水平)方向エピタキシャルSi層、44はp型化された貼り合わせGe層を示している。
同図においては、NチャネルMIS電界効果トランジスタにおいて、ゲート電極直下部の歪みSi層直下部に、空孔の替りにp型化された貼り合わせGe層が設けられ、歪みSi層に歪みを与えていること、Ge層の両側に空孔が形成されていること、歪みSi層の両側にはSiGe層の替りにSi層が設けられていること、素子分離領域の一部がシリコン窒化膜(Si3N4)の替りにシリコン酸化膜(SiO2)とシリコン窒化膜(Si3N4)の2層から形成されていること、NチャネルMIS電界効果トランジスタの構造に関連してPチャネルMIS電界効果トランジスタのゲート電極の厚みが厚く形成されていること、燐珪酸ガラス(PSG)膜が2層に形成されていること及びゲート電極が低抵抗のAlにより形成されていること(いわゆるダマシンプロセスにより形成)以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネル及びPチャネル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、製造方法はやや複雑になるが、低抵抗のAlによりゲート電極の抵抗を低減できること、下層のGe層から歪みSi層の格子定数をより広げることが可能で、さらに電子の移動度を増加させることができること等により、さらなる高速化が可能である。
FIGS. 17 to 29 show a sixth embodiment of the semiconductor device of the present invention. FIG. 17 is a schematic sectional side view and FIGS. 18 to 29 are sectional views of the manufacturing method.
FIG. 17 is a schematic cross-sectional side view of a sixth embodiment of the semiconductor device of the present invention. A CMOS including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor using a silicon (Si) substrate and having a BODOSOLESOI structure. 1 to 5, 8 to 16, and 18 to 26 are the same as those in FIG. 1, 34 and 35 are the same as those in FIG. 14, and 40 is a silicon oxide film (
In the figure, in an N-channel MIS field effect transistor, a p-type bonded Ge layer is provided directly below the strained Si layer immediately below the gate electrode, to give strain to the strained Si layer. , Vacancies are formed on both sides of the Ge layer, Si layers are provided on both sides of the strained Si layer instead of the SiGe layer, and a part of the element isolation region is a silicon nitride film ( Si 3 N 4) instead be formed of two layers of silicon oxide film (SiO 2) and
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the manufacturing method is somewhat complicated. However, the resistance of the gate electrode can be reduced by low resistance Al, and the strained Si layer can be reduced from the lower Ge layer. It is possible to further increase the lattice constant, and further increase the mobility of electrons, and so on, so that the speed can be further increased.
次いで本発明に係る半導体装置における第6の実施例の製造方法について図18〜図29及び図17を参照して説明する。
第1の実施例に示される図2の工程をおこなった後、次の図18の工程をおこなう。
Next, a manufacturing method of the sixth embodiment in the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
After the process of FIG. 2 shown in the first embodiment is performed, the next process of FIG. 18 is performed.
図18
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、n型のGe基板8を選択的に異方性ドライエッチングし、n型のGe層8を形成する。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、シリコン窒化膜(Si3N4)4を50nm程度成長する。次いで化学的機械研磨し、n型のGe層8上のシリコン窒化膜(Si3N4)4を除去し、平坦化する。こうしてGe層8(第2の半導体層)は島状に絶縁分離される。(この際、NチャネルMIS電界効果トランジスタを形成する箇所にもn型のGe層8は形成される。)
FIG.
Next, the n-
図19
次いで化学気相成長により、5nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)40を成長する。次いで化学気相成長により、45nm程度のシリコン窒化膜(Si3N4)41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、PチャネルMIS電界効果トランジスタを形成する箇所のn型のGe層8に閾値電圧制御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。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、NチャネルMIS電界効果トランジスタを形成する箇所のn型のGe層8をp型化するための硼素のイオン注入をおこなう。(熱処理後p型化されたGe層44となる。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。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、シリコン窒化膜(Si3N4)41、シリコン酸化膜(SiO2)40、シリコン窒化膜(Si3N4)4、シリコン酸化膜(SiO2)3及びシリコン窒化膜(Si3N4)2を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 40 of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 41 of about 45 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, boron ions for controlling the threshold voltage are applied to the n-
図20
次いで露出したp型のシリコン基板1上にp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層45を成長する。次いで化学的機械研磨し、シリコン窒化膜(Si3N4)41の平坦面より突出したp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層45を平坦化する。次いで選択化学気相成長法により50nm程度のタングステン膜29を成長する。
FIG.
Next, a p-type vertical (vertical)
図21
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(Si3N4)41及びシリコン酸化膜(SiO2)40を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで露出したp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層45の側面にp型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層42を成長し、開孔部を埋め込む。次いでp型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層42の表面を800℃程度で酸化し、5nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)30を成長する。
FIG.
Next, using an ordinary lithography technique by an exposure drawing apparatus, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 41 and a silicon oxide film (SiO 2 ) 40 are sequentially anisotropic dry etched using a resist (not shown) as a mask layer. Then, an opening is formed. Next, the resist (not shown) is removed. Next, a p-type lateral (horizontal) direction epitaxial
図22
次いでシリコン窒化膜(Si3N4)41及びシリコン酸化膜(SiO2)30をマスク層として、タングステン膜29及びp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層45を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、p型のシリコン基板1も若干エッチングされるが、特に問題はない。)次いで化学気相成長により、60nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)9を成長する。次いでシリコン窒化膜(Si3N4)41及びp型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層42の平坦面上のシリコン酸化膜(SiO2)9及びシリコン酸化膜(SiO2)30を化学的機械研磨(CMP)し、シリコン酸化膜(SiO2)9を開孔部に平坦に埋め込む。(開孔部幅は100nm程度なのでシリコン酸化膜(SiO2)9は十分に埋め込める。この領域も素子分離領域の一部となる。)
FIG.
Next, with the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 41 and the silicon oxide film (SiO 2 ) 30 as mask layers, the
図23
次いで化学気相成長により、5nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)46を成長する。次いで化学気相成長により、100nm程度のシリコン窒化膜(Si3N4)47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、シリコン窒化膜(Si3N4)47、シリコン酸化膜(SiO2)46、p型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層42及びp型化されたGe層44を順次異方性ドライエッチングし、階段状の開孔部を形成する。
FIG.
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 46 of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 47 of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, using a resist (not shown) as a mask layer, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 47, a silicon oxide film (SiO 2 ) 46, a p-type lateral (horizontal) The directionally
図24
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、左半分を覆うレジスト(NチャネルMIS電界効果トランジスタを形成する箇所、図示せず)及び前工程のレジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si3N4)41及びシリコン酸化膜(SiO2)40を順次異方性ドライエッチングする。(PチャネルMIS電界効果トランジスタを形成する箇所)次いで両方のレジスト(図示せず)を除去する。
FIG.
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, a resist covering the left half (a portion where an N-channel MIS field effect transistor is formed, not shown) and a resist (not shown) in the previous process are used as mask layers. The nitride film (Si 3 N 4 ) 41 and the silicon oxide film (SiO 2 ) 40 are sequentially subjected to anisotropic dry etching. (Location where P-channel MIS field-effect transistor is formed) Next, both resists (not shown) are removed.
図25
次いで露出したp型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層42の両側面にp型の横(水平)方向エピタキシャルSi層43を成長する。(この際、p型の横(水平)方向エピタキシャルSi層43の一部の下部、即ちp型化されたGe層44の両側に空孔5が形成される。)ここでNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成する箇所に残されたシリコン窒化膜(Si3N4)47及びシリコン酸化膜(SiO2)46、PチャネルMIS電界効果トランジスタを形成する箇所に残されたシリコン窒化膜(Si3N4)47、シリコン酸化膜(SiO2)46、シリコン窒化膜(Si3N4)41及びシリコン酸化膜(SiO2)40はそれぞれダミーゲート電極及びダミーゲート酸化膜となる。
FIG.
Next, a p-type lateral (horizontal)
図26
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(SiO2、図示せず)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、p型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層42に閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。連続してレジスト(図示せず)及びダミーゲート電極47をマスク層として、n型ソースドレイン領域(11、12)形成用の燐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。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO2、図示せず)をエッチング除去する。次いで化学気相成長により、25nm程度のシリコン酸化膜(SiO2)を成長する。次いで全面異方性ドライエッチングし、ダミーゲート電極及びダミーゲート酸化膜(40、41、46、47)の側壁にのみサイドウォール(SiO2)18を形成する。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(SiO2、図示せず)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)、サイドウォール(SiO2)18及びダミーゲート電極47をマスク層として、n+型ソースドレイン領域(10、13)形成用の砒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。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)、サイドウォール(SiO2)18及びダミーゲート電極(41、46、47)をマスク層として、p+型ソースドレイン領域(14、15)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。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO2、図示せず)をエッチング除去する。次いでRTP法によりアニールをおこない、n型ソースドレイン領域(11、12)、n+型ソースドレイン領域(10、13)及びp+型ソースドレイン領域(14、15)を形成する。
FIG.
Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, boron ions for threshold voltage control are implanted into the p-type lateral (horizontal) epitaxial
図27
次いで化学気相成長により、150nm程度のPSG膜34を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、平坦化する。次いで残されたシリコン窒化膜(Si3N4)47、シリコン酸化膜(SiO2)46、シリコン窒化膜(Si3N4)41及びシリコン酸化膜(SiO2)40を順次異方性ドライエッチングし、p型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層42及びn型のGe層8上に開孔部を形成する。
FIG.
Next, a
図28
次いで化学気相成長により、5nm程度のゲート酸化膜(HfO2)16を成長する。次いでスパッタにより、150nm程度のアルミニウム(Al)35を成長する。次いで化学的機械研磨し、PSG膜34上のアルミニウム(Al)35及びゲート酸化膜(HfO2)を除去し、p型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層42及びn型のGe層8の開孔部に平坦に埋め込む。
FIG.
Next, a gate oxide film (HfO 2 ) 16 of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, aluminum (Al) 35 of about 150 nm is grown by sputtering. Next, chemical mechanical polishing is performed to remove the aluminum (Al) 35 and the gate oxide film (HfO 2 ) on the
図29
次いで化学気相成長により、300nm程度のPSG膜19を成長する。次いで化学気相成長により、20nm程度のシリコン窒化膜(Si3N4)20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、シリコン窒化膜(Si3N4)20、PSG膜19及びPSG膜34を順次異方性ドライエッチングし、ビアを形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN21を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン(W)22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)21を有する導電プラグ(W)22を形成する。
FIG.
Next, a
図17
次いで化学気相成長により、500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)23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)23を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、シリコン窒化膜(Si3N4)20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)24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)24を有するCu配線25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(Si3N4)26を成長し、本願発明のBOSDOLESOI構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型の半導体集積回路を完成する。
FIG.
Next, an interlayer insulating film (SiOC) 23 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) 23 is anisotropically dry-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 ) 20 becomes an etching stopper film.) Next, the resist (not shown) is removed. Next, a barrier metal (TaN) 24 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, Cu is embedded in the opening portion flatly, and a
図30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、BOSDOLESOI構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜4、8〜16、18〜26は図1と同じ物を、34、35は図14と同じ物を、40〜42は図17と同じ物を、48はp型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層を示している。
同図においては、p型の横(水平)方向エピタキシャルSi層43の替りにp型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層48が形成されていること及び両側に空孔をもたないGe層44が形成されていること以外は図17とほぼ同じ構造のNチャネル及びPチャネル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、製造方法はやや複雑になるが、低抵抗のAlによりゲート電極の抵抗を低減できること、下層のGe層及び両側のSiGe層から歪みSi層の格子定数をさらに広げることが可能で、さらなる電子の移動度を増加させることができること等により、さらなる高速化が可能である。
FIG. 30 is a schematic cross-sectional side view of a seventh embodiment of the semiconductor device of the present invention, a CMOS including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor formed in a BODOSOLEI SOI structure using a silicon (Si) substrate. 1 to 4, 8 to 16 and 18 to 26 are the same as in FIG. 1, 34 and 35 are the same as in FIG. 14, and 40 to 42 are in FIG. 17. The same thing, 48 shows a p-type lateral (horizontal) direction epitaxial SiGe layer.
In the figure, a p-type lateral (horizontal)
In this embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and the manufacturing method is somewhat complicated. However, the resistance of the gate electrode can be reduced by low resistance Al, the lower Ge layer and the SiGe on both sides. The lattice constant of the strained Si layer can be further increased from the layer, and the mobility of electrons can be further increased, so that further increase in speed is possible.
また上記実施例においては、シリコン基板にゲルマニウム(Ge)基板を貼り合わせる場合を説明しているが、ゲルマニウム(Ge)基板に限らず、正孔の移動度が高い半導体であればどのような半導体基板を貼り合わせてもよく、また化合物半導体基板を貼り合わせても本願発明は成立する。
また半導体層を成長させる場合は、通常の化学気相成長によるばかりでなく、ECRプラズマCVD法によっても、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。
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、導電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。
In the above embodiment, the case where a germanium (Ge) substrate is bonded to a silicon substrate is described. However, the semiconductor is not limited to a germanium (Ge) substrate, and any semiconductor can be used as long as it has a high hole mobility. The present invention is established even if the substrates may be bonded together or the compound semiconductor substrate may be bonded.
When a semiconductor layer is grown, not only by the normal chemical vapor deposition, but also by the ECR plasma CVD method, the molecular beam growth method (MBE), or the metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD). The layer crystal growth method (ALE) may be used or any other crystal growth method may be used.
The gate electrode, the gate oxide film, the barrier metal, the conductive plug, the wiring, the insulating film, the conductive film, and the like are not limited to the above embodiments, and any material may be used as long as it has similar 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.
本願発明は、特に極めて高速で、高信頼且つ高集積なCMOS型の半導体集積回路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、液晶用のTFT(Thin Film Transistor)等に利用できる可能性がある。
The present invention is aimed at a CMOS semiconductor integrated circuit that is extremely fast, highly reliable, and highly integrated. However, the present invention is not limited to a high speed, and is used for all semiconductor integrated circuits equipped with MIS field effect transistors. Is possible.
Moreover, it can be used not only as a semiconductor integrated circuit but also as a single individual semiconductor element.
The MIS field-effect transistor as well, may be available other field effect transistors, such as a liquid crystal for a TFT (T hin F ilm T ransistor ).
1 p型のシリコン(Si)基板
2 シリコン窒化膜(Si3N4)
3 シリコン酸化膜(SiO2)
4 素子分離領域のシリコン窒化膜(Si3N4)
5 空孔
6 p型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層
7 p型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層
8 n型の貼り合わせGe層
9 埋め込みシリコン酸化膜(SiO2)
10 n+型ソース領域
11 n型ソース領域
12 n型ドレイン領域
13 n+型ドレイン領域
14 p+型ドレイン領域
15 p+型ソース領域
16 ゲート酸化膜(HfO2)
17 ゲート電極(WSi/polySi)
18 サイドウォール(SiO2)
19 燐珪酸ガラス(PSG)膜
20 シリコン窒化膜(Si3N4)
21 バリアメタル(TiN)
22 導電プラグ(W)
23 層間絶縁膜(SiOC)
24 バリアメタル(TaN)
25 Cu配線(Cuシード層含む)
26 バリア絶縁膜(Si3N4)
27 シリコン酸化膜(SiO2)
28 p型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層
29 選択化学気相成長導電膜(W)
30 シリコン酸化膜(SiO2)
31 シリコン酸化膜(SiO2)
32 ポリサイドゲート電極(CoSi2/polySi)
33 サリサイド層(CoSi2)
34 燐珪酸ガラス(PSG)膜
35 ゲート電極(Al)
36 p型の横(水平)方向エピタキシャルSi層
37 p型の横(水平)方向エピタキシャルSi層
38 p型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層
39 p型の縦(垂直)方向エピタキシャル歪みSi層
40 シリコン酸化膜(SiO2)
41 シリコン窒化膜(Si3N4)
42 p型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層
43 p型の横(水平)方向エピタキシャルSi層
44 p型化された貼り合わせGe層
45 p型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層
46 シリコン酸化膜(SiO2)
47 シリコン窒化膜(Si3N4)
48 p型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層
1 p-type silicon (Si)
3 Silicon oxide film (SiO 2 )
4 Silicon nitride film in element isolation region (Si 3 N 4 )
5 Hole 6 p-type lateral (horizontal) direction epitaxial SiGe layer 7 p-type lateral (horizontal) direction epitaxial strained Si layer 8 n-type bonded
10 n + type source region 11 n type source region 12 n type drain region 13 n + type drain region 14 p + type drain region 15 p +
17 Gate electrode (WSi / polySi)
18 Side wall (SiO 2 )
19 Phosphorsilicate glass (PSG)
21 Barrier metal (TiN)
22 Conductive plug (W)
23 Interlayer insulation film (SiOC)
24 Barrier metal (TaN)
25 Cu wiring (including Cu seed layer)
26 Barrier insulating film (Si 3 N 4 )
27 Silicon oxide film (SiO 2 )
28 p-type vertical (vertical)
30 Silicon oxide film (SiO 2 )
31 Silicon oxide film (SiO 2 )
32 Polycide gate electrode (CoSi 2 / polySi)
33 Salicide layer (CoSi 2 )
34 Phosphorsilicate glass (PSG)
36 p-type lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer 37 p-type lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer 38 p-type lateral (horizontal) direction epitaxial SiGe layer 39 p-type longitudinal (vertical) direction epitaxial
41 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
42 p-type lateral (horizontal) direction epitaxial strained Si layer 43 p-type lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer 44 p-type bonded Ge layer 45 p-type longitudinal (vertical) direction
47 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
48 p-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer
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