JP2000077658A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device

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JP2000077658A
JP2000077658A JP10243758A JP24375898A JP2000077658A JP 2000077658 A JP2000077658 A JP 2000077658A JP 10243758 A JP10243758 A JP 10243758A JP 24375898 A JP24375898 A JP 24375898A JP 2000077658 A JP2000077658 A JP 2000077658A
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Japan
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forming
gate
semiconductor
region
insulating film
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JP10243758A
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Japanese (ja)
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Kyoichi Suguro
恭一 須黒
Atsushi Murakoshi
篤 村越
Yoshitaka Tsunashima
祥隆 綱島
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method capable of forming a semiconductor device excellent in characteristic and reliability. SOLUTION: This manufacturing method consists of a process for forming a dummy gate in a region on an Si substrate in which a gate is to be formed, a process for forming source.drain regions 23, 25 by introducing impurities in the Si substrate of corresponding regions on both sides of the dummy gate and activating the impurities by heat treatment, a process for forming insulating films 24, 26 surrounding the side wall of the dummy gate, a process for eliminating the dummy gate and forming an aperture part 22a, a process for forming an SiGe layer 28 in a region where the aperture part is formed or in its lower part region, and a process for forming gate electrodes 30, 31 on the SiGe layer exposed in the aperture part, via a gate insulating film 29.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法、特にMISトランジスタのチャネル領域等にSi
Ge等を用いた半導体装置の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using Ge or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】MISトランジスタを用いた半導体集積
回路では、基板材料にSi(シリコン)を用いたものが
現在広く利用されているが、情報・通信機器等の高性能
化等の観点から、素子の動作速度のより一層の高速化が
要望されている。このような要請に対して、半導体材料
にSiよりも移動度の高いSiGe(シリコンゲルマニ
ウム)を用いるという提案がなされている。
2. Description of the Related Art In semiconductor integrated circuits using MIS transistors, those using Si (silicon) as a substrate material are widely used at present, but from the viewpoint of improving the performance of information and communication equipment, etc. There is a demand for a further increase in the operating speed. In response to such a request, it has been proposed to use SiGe (silicon germanium) having higher mobility than Si as a semiconductor material.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、MIS
トランジスタのチャネル領域等にSiGeを用いた場合
には、Geが高温処理に対して不安定であるため、高温
処理によってGeが拡散しやすいという問題がある。し
たがって、例えばソース・ドレインの活性化処理等の高
温熱処理を行うことにより、Geがゲート絶縁膜中に取
り込まれてゲート絶縁膜の特性が劣化したり、ゲート絶
縁膜の界面準位が増加して素子特性を悪化させるといっ
た問題が生じる。そのため、ゲート絶縁膜とSiGe層
との間にSi層を介在させるといった対策を施さざるを
得ず、チャネル領域の半導体材料に移動度の高いSiG
eを用いるという利点を十分に発揮させることが困難で
あった。
However, the MIS
In the case where SiGe is used for a channel region or the like of a transistor, Ge is unstable to high-temperature processing, so that there is a problem that Ge is easily diffused by high-temperature processing. Therefore, for example, by performing a high-temperature heat treatment such as a source / drain activation treatment, Ge is taken into the gate insulating film to deteriorate the characteristics of the gate insulating film or increase the interface state of the gate insulating film. There is a problem that the element characteristics are deteriorated. Therefore, it is necessary to take measures such as interposing a Si layer between the gate insulating film and the SiGe layer, and the semiconductor material in the channel region has high mobility.
It has been difficult to sufficiently exhibit the advantage of using e.

【0004】本発明は上記従来の課題に対してなされた
ものであり、チャネル等を構成する半導体材料に高温処
理に対して不安定な元素を含むもの用いた場合にも、該
元素の不安定さに基づく問題を回避することができ、特
性や信頼性に優れた半導体装置を作製することが可能な
製造方法を提供することを目的としている。
The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems. Even when a semiconductor material forming a channel or the like contains an element which is unstable with respect to high-temperature processing, the semiconductor material is unstable. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method capable of avoiding a problem based on the above and manufacturing a semiconductor device having excellent characteristics and reliability.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
の製造方法は、第1の半導体材料からなる半導体基板上
のゲート形成予定領域にダミーゲートを形成する工程
と、このダミーゲートの両側に対応する領域の半導体基
板内に不純物を導入し熱処理によってこの不純物を活性
化することによりソース・ドレイン領域を形成する工程
と、前記ダミーゲートの側壁を取り囲む絶縁膜を形成す
る工程と、前記ダミーゲートを除去して開口部を形成す
る工程と、この開口部が形成された領域又はその下部領
域に第2の半導体材料からなる半導体層を形成する工程
と、前記開口部に露出している前記半導体層上にゲート
絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程とを有するこ
とを特徴とする。
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises the steps of forming a dummy gate in a region where a gate is to be formed on a semiconductor substrate made of a first semiconductor material; Forming a source / drain region by introducing an impurity into the semiconductor substrate in a corresponding region and activating the impurity by heat treatment; forming an insulating film surrounding a sidewall of the dummy gate; Removing an opening to form an opening, forming a semiconductor layer made of a second semiconductor material in a region where the opening is formed or in a region under the opening, and exposing the semiconductor exposed to the opening. Forming a gate electrode on the layer with a gate insulating film interposed therebetween.

【0006】なお、前記ダミーゲートの側壁を取り囲む
絶縁膜としては、ダミーゲートの側壁に形成される側壁
絶縁膜や層間絶縁膜等が含まれるが、一般的にはダミー
ゲートが除去された後の開口部を画定するための絶縁膜
としてとらえることできるものである。
Incidentally, the insulating film surrounding the side wall of the dummy gate includes a side wall insulating film and an interlayer insulating film formed on the side wall of the dummy gate. Generally, the insulating film after the dummy gate is removed is included. It can be regarded as an insulating film for defining the opening.

【0007】本発明によれば、ソース・ドレイン領域を
形成する際の高温活性化処理を行った後にゲート絶縁膜
及びゲート電極が形成される。したがって、第2の半導
体材料として例えばSiGeといった高温処理に対して
不安定な元素(ここではGe)を含むもの用いたとして
も、高温処理によって、該元素がゲート絶縁膜中に取り
込まれてゲート絶縁膜の特性を劣化させたり、ゲート絶
縁膜の界面準位を増加させて素子特性を悪化させるとい
った問題が生じることを回避することができる。また、
高温熱処理を行った後にゲート絶縁膜及びゲート電極が
形成されることから、ゲート絶縁膜やゲート電極に高温
熱処理に対して弱い材料を用いることができる。
According to the present invention, a gate insulating film and a gate electrode are formed after performing a high-temperature activation process when forming source / drain regions. Therefore, even if the second semiconductor material contains an element (here, Ge) which is unstable to high-temperature processing such as SiGe, the element is taken into the gate insulating film by the high-temperature processing and the gate insulating film is formed. It is possible to avoid such a problem that the characteristics of the film are degraded or the interface state of the gate insulating film is increased to deteriorate the device characteristics. Also,
Since the gate insulating film and the gate electrode are formed after the high-temperature heat treatment, a material which is weak to the high-temperature heat treatment can be used for the gate insulating film and the gate electrode.

【0008】また、本発明では、ダミーゲートを除去し
た領域に対応して第2の半導体材料(SiGe等)から
なる半導体層が形成される。すなわち、チャネル領域に
対応して選択的に第2の半導体材料からなる半導体層が
形成され、ソース・ドレイン領域は第1の半導体材料
(Si等)によって形成されることになる。SiGeは
Siよりも移動度は高いがバンドギャップが狭く、ソー
ス・ドレイン領域もSiGeである場合にはpn接合特
性が劣化(リーク電流が増大)するという問題がある。
本発明では、チャネル領域に対応して選択的に第2の半
導体材料からなる半導体層が形成されるので、チャネル
領域には(第1の半導体材料よりも)移動度の高い第2
半導体材料を用い、ソース・ドレイン領域には(第2の
半導体材料よりもバンドギャップが広く)pn接合特性
の劣化が少ない第1の半導体材料を用いることができ、
素子特性の向上をはかることが可能となる。
In the present invention, a semiconductor layer made of a second semiconductor material (eg, SiGe) is formed corresponding to the region from which the dummy gate has been removed. That is, a semiconductor layer made of the second semiconductor material is selectively formed corresponding to the channel region, and the source / drain regions are formed of the first semiconductor material (Si or the like). SiGe has a higher mobility than Si, but has a narrow band gap. If the source / drain regions are also made of SiGe, there is a problem that pn junction characteristics are deteriorated (leakage current is increased).
In the present invention, since the semiconductor layer made of the second semiconductor material is selectively formed corresponding to the channel region, the second region having a higher mobility (than the first semiconductor material) is formed in the channel region.
A semiconductor material is used, and a first semiconductor material which has less deterioration in pn junction characteristics (has a wider band gap than the second semiconductor material) can be used for a source / drain region,
Element characteristics can be improved.

【0009】前記開口部が形成された領域又はその下部
領域に第2の半導体材料からなる半導体層を形成する工
程は、通常これらの領域にイオン注入法やエピタキシャ
ル成長法等によって半導体層を形成することによって行
われる。この場合、半導体層の上面が半導体基板の上面
と同じ高さかそれ以上の高さになるようにしてもよい
が、半導体層の上面が半導体基板の上面よりも下方にな
るようにしてもよい。後者はゲート電極の一部が半導体
領域内に埋め込まれた構造のいわゆるコンケーブ型のM
ISトランジスタに対応するものであるが、このような
コンケーブ型の構造を採用することにより、オン電流の
増大といった素子特性の向上をはかることができる。
In the step of forming a semiconductor layer made of a second semiconductor material in the region where the opening is formed or in a region below the opening, the semiconductor layer is usually formed in these regions by ion implantation, epitaxial growth, or the like. Done by In this case, the upper surface of the semiconductor layer may be at the same height as or higher than the upper surface of the semiconductor substrate, but the upper surface of the semiconductor layer may be lower than the upper surface of the semiconductor substrate. The latter is a so-called concave type M having a structure in which a part of a gate electrode is embedded in a semiconductor region.
Although it corresponds to an IS transistor, by adopting such a concave structure, it is possible to improve element characteristics such as an increase in on-current.

【0010】本発明に係る半導体装置の製造方法は、第
1の半導体材料からなる半導体基板の素子形成領域に対
応して第2の半導体材料からなる半導体層を形成する工
程と、この半導体層上のゲート形成予定領域にダミーゲ
ートを形成する工程と、このダミーゲートの両側に対応
する領域の半導体層に不純物を導入し熱処理によってこ
の不純物を活性化することによりソース・ドレイン領域
を形成する工程と、前記ダミーゲートの側壁を取り囲む
絶縁膜を形成する工程と、前記ダミーゲートを除去して
開口部を形成する工程と、この開口部に露出している前
記半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成
する工程とを有することを特徴とする。
According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a semiconductor layer made of a second semiconductor material corresponding to an element formation region of a semiconductor substrate made of a first semiconductor material; Forming a dummy gate in a region where a gate is to be formed, and introducing a dopant into a semiconductor layer in a region corresponding to both sides of the dummy gate and activating the dopant by heat treatment to form a source / drain region. Forming an insulating film surrounding the side wall of the dummy gate; removing the dummy gate to form an opening; and interposing a gate insulating film on the semiconductor layer exposed in the opening. Forming a gate electrode.

【0011】本発明でも上述したのと同様、ソース・ド
レイン領域を形成する際の高温熱処理を行った後にゲー
ト絶縁膜及びゲート電極が形成される。したがって、上
述したのと同様、該元素がゲート絶縁膜中に取り込まれ
てゲート絶縁膜の特性を劣化させたり、ゲート絶縁膜の
界面準位を増加させて素子特性を悪化させるといった問
題を回避できるといった効果や、ゲート絶縁膜やゲート
電極に高温熱処理に弱い材料を用いることができるとい
った効果を奏することができる。
In the present invention, as described above, a gate insulating film and a gate electrode are formed after a high-temperature heat treatment for forming source / drain regions is performed. Therefore, as described above, it is possible to avoid the problem that the element is taken into the gate insulating film and deteriorates the characteristics of the gate insulating film, or the device state is deteriorated by increasing the interface state of the gate insulating film. And an effect that a material weak to high-temperature heat treatment can be used for the gate insulating film and the gate electrode.

【0012】前記第1及び第2の半導体材料の代表例と
しては、先に示したように、それぞれシリコン(Si)
及びシリコンゲルマニウム(SiGe)をあげることが
できるが、第2の半導体材料としてはゲルマニウム(G
e)も代表例としてあげることができる。
As a representative example of the first and second semiconductor materials, silicon (Si) is used as described above.
And silicon germanium (SiGe). Germanium (G) can be used as the second semiconductor material.
e) can also be mentioned as a representative example.

【0013】また、前記ゲート電極の少なくとも一部に
は、金属窒化物、金属炭化物、金属硼化物、金属シリコ
ン窒化物、金属シリコン炭化物又は金属炭素窒化物を用
いることが好ましい。
It is preferable that a metal nitride, a metal carbide, a metal boride, a metal silicon nitride, a metal silicon carbide, or a metal carbon nitride is used for at least a part of the gate electrode.

【0014】ゲート電極(ゲート電極が積層構造の場合
には最下層の部分)に用いる導電材料は、その仕事関数
が「第2の半導体材料の電子親和力+第2の半導体材料
のバンドギャップの1/2」に近いものであることが好
ましい。後述するようにGeの濃度が50〜60%程度
のSiGeでは、バンドギャップが0.8eV程度、電
子親和力は4.0eV程度である。したがって、前記の
条件を満たすためには、前記導電材料には仕事関数が
4.4eV近傍のものを用いることが好ましい。この観
点から、前記した導電材料を前記ゲート電極の導電材料
に用いることが好ましい。
The work function of the conductive material used for the gate electrode (the lowermost layer portion when the gate electrode has a stacked structure) is “electron affinity of the second semiconductor material + one band gap of the second semiconductor material”. / 2 "is preferable. As described below, in the case of SiGe having a Ge concentration of about 50 to 60%, the band gap is about 0.8 eV, and the electron affinity is about 4.0 eV. Therefore, in order to satisfy the above conditions, it is preferable to use a conductive material having a work function of about 4.4 eV. From this viewpoint, it is preferable to use the above-described conductive material as the conductive material of the gate electrode.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。 (実施形態1)図1(a)〜図3(g)は、第1の実施
形態に係るMISトランジスタの製造工程を示した図で
ある。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (Embodiment 1) FIGS. 1A to 3G are views showing a manufacturing process of a MIS transistor according to a first embodiment.

【0016】まず、図1(a)に示すように、Si基板
11にドライエッチングで溝を形成した後、Si酸化膜
又はSiの熱膨張係数(約3ppm/K)に近い熱膨張
係数を有するSiNO膜などを堆積法又は塗布法により
形成する。さらに、化学機械研磨法(CMP)又は機械
研磨法(MP)によって素子分離領域12を形成する。
First, as shown in FIG. 1A, after a groove is formed in a Si substrate 11 by dry etching, the Si substrate 11 has a coefficient of thermal expansion close to that of Si oxide film or Si (about 3 ppm / K). An SiNO film or the like is formed by a deposition method or a coating method. Further, the element isolation region 12 is formed by a chemical mechanical polishing method (CMP) or a mechanical polishing method (MP).

【0017】次に、素子分離領域12で囲まれた素子領
域上にダミーゲート用の3〜10nm程度のSi酸化膜
21を熱酸化法により形成する。続いて、Si酸化膜2
1上にダミーゲート22用の膜を堆積する。このダミー
ゲート22用の膜としては、例えばSi窒化膜(後で形
成される側壁絶縁膜よりもリン酸に対するエッチング速
度が大きい組成の膜を用いる。Si34 よりもSiの
組成比が大きいものや、Si34 にHやClを1%以
上含む膜が望ましい。)及びその下にアモルファスSi
又はポリSiを形成した積層膜を用いる。すなわち、後
で形成される層間絶縁膜の平坦化研磨プロセスにおいて
層間絶縁膜より研磨速度が遅い膜を上層に形成し、下層
には薄い絶縁膜21に対してエッチングの選択比が大き
いSi系の膜を用いている。続いて、この積層膜を異方
性エッチングして、ダミーゲート22をパターン形成す
る。
Next, on the element region surrounded by the element isolation region 12, a Si oxide film 21 for dummy gates of about 3 to 10 nm is formed by a thermal oxidation method. Subsequently, the Si oxide film 2
A film for the dummy gate 22 is deposited on 1. As the film for the dummy gate 22, for example, a Si nitride film (a film having a composition with a higher etching rate for phosphoric acid than a sidewall insulating film to be formed later. The composition ratio of Si is larger than that of Si 3 N 4). And a film containing 1% or more of H or Cl in Si 3 N 4. )
Alternatively, a laminated film formed of poly-Si is used. That is, a film having a lower polishing rate than the interlayer insulating film is formed in the upper layer in the flattening polishing process of the interlayer insulating film to be formed later, and the Si-based film having a large etching selectivity with respect to the thin insulating film 21 in the lower layer. A membrane is used. Subsequently, the dummy gate 22 is patterned by anisotropically etching the laminated film.

【0018】次に、ダミーゲート22をマスクにしてイ
オン注入法、プラズマドーピング法又は気相拡散法を用
いてシリコン基板に所定の不純物を導入し、ソース・ド
レインのエクステンション(extension:延
長)領域23を形成する。活性化のための熱処理は、1
00℃/sec以上の昇温速度で昇温可能なRTA(R
apid Thermal Annealing)を用
いて、800〜900℃で30秒以下の時間行なう。
Next, using the dummy gate 22 as a mask, a predetermined impurity is introduced into the silicon substrate by ion implantation, plasma doping, or vapor phase diffusion to form a source / drain extension region 23. To form The heat treatment for activation is 1
RTA (R
The process is performed at 800 to 900 ° C. for 30 seconds or less using rapid thermal annealing (apid Thermal Annealing).

【0019】次に、図1(b)に示すように、5〜30
nmの膜厚のSi窒化膜又はSi窒化酸化膜からなる側
壁絶縁膜24を形成する。この側壁絶縁膜24とダミー
ゲート22との間には、ダミーゲート除去時に側壁絶縁
膜が横方向に後退しないように、10nm以下の酸化膜
を介在させるようにしてもよい。その後、ダミーゲート
22及び側壁絶縁膜24をマスクにして、イオン注入
法、プラズマドーピング法又は気相拡散法を用いて、ソ
ース・ドレインの深い領域25を形成する。活性化のた
めの熱処理は、前述と同様のRTAを用いて、800〜
900℃で30秒以下の時間行なう。活性化される不純
物濃度を高めるために、電子ビーム或いは紫外領域の波
長を有するレーザー、水銀ランプ又はキセノンランプを
用いて、1000℃以上で1秒以下の熱処理を行なって
もよい。その後、層間絶縁膜26をCVD法により堆積
する。
Next, as shown in FIG.
A sidewall insulating film 24 made of a Si nitride film or a Si nitride oxide film having a thickness of nm is formed. An oxide film of 10 nm or less may be interposed between the side wall insulating film 24 and the dummy gate 22 so that the side wall insulating film does not recede in the horizontal direction when the dummy gate is removed. Thereafter, using the dummy gate 22 and the side wall insulating film 24 as a mask, a deep source / drain region 25 is formed by ion implantation, plasma doping, or vapor phase diffusion. The heat treatment for activation is performed using the same RTA as described above, and is performed at 800 to
Perform at 900 ° C. for a time of 30 seconds or less. In order to increase the concentration of activated impurities, heat treatment may be performed at 1000 ° C. or higher for 1 second or less using an electron beam or a laser having a wavelength in the ultraviolet region, a mercury lamp, or a xenon lamp. Thereafter, an interlayer insulating film 26 is deposited by a CVD method.

【0020】次に、図1(c)に示すように、CMP法
により平坦化を行い、ダミーゲート22の表面を露出さ
せる。次に、図2(d)に示すように、等方性エッチン
グと異方性エッチングを組み合わせてダミーゲート22
を除去する。続いて、薄い酸化膜21を下地のSi基板
に結晶欠陥が発生しないようにエッチング除去する。こ
のようにして、開口部22aが形成される。
Next, as shown in FIG. 1C, the surface of the dummy gate 22 is exposed by planarization by the CMP method. Next, as shown in FIG. 2D, the dummy gate 22 is formed by combining isotropic etching and anisotropic etching.
Is removed. Subsequently, the thin oxide film 21 is removed by etching so that crystal defects do not occur in the underlying Si substrate. Thus, the opening 22a is formed.

【0021】次に、図2(e)に示すように、開口部2
2aにGeをイオン注入(イオン注入されるGeを番号
27で示した)して、Siに対してGeが20〜90%
の濃度範囲でドーピングされたSiGe層28を形成す
る。イオン注入条件は、例えば、5〜50keV、1×
1015cm-2〜1×1017cm-2とする。このとき、基
板温度が−60℃以下、望ましくは−100℃以下にな
るようにシリコン基板を冷却しながらイオン注入を行な
うと、原子空孔の集合化が抑制され、熱処理により完全
に結晶欠陥を回復することができるため、低温でイオン
注入することが望ましい。イオン注入の注入角度は基板
に対して垂直又は垂直方向から5度以内とする。
Next, as shown in FIG.
Ge is ion-implanted into 2a (Ge to be ion-implanted is indicated by No. 27), and Ge is 20 to 90%
To form a SiGe layer 28 doped with a concentration range of The ion implantation conditions are, for example, 5 to 50 keV, 1 ×
It is set to 10 15 cm -2 to 1 × 10 17 cm -2 . At this time, if ion implantation is performed while cooling the silicon substrate so that the substrate temperature is -60 ° C or lower, preferably -100 ° C or lower, aggregation of atomic vacancies is suppressed, and crystal defects are completely eliminated by heat treatment. It is desirable to perform ion implantation at a low temperature because it can recover. The ion implantation angle is perpendicular to the substrate or within 5 degrees from the perpendicular direction.

【0022】また、Geをイオン注入する際に水素の混
入を抑制するために、Geには質量数73以外のものを
用いることが望ましい。図11は、各々の質量数のGe
を5×1015cm-2イオン注入した場合に、Si基板中
にどれだけ水素原子が導入されるかを分析した結果であ
る。73Geは、72Geに水素が結合したものと同一
の質量になるために、水素導入量が特に多い。70G
e、72Ge、74Ge、76Geの内、天然存在比が
最も多い76Geはビーム電流が最も大きくとれるため
最も注入効率が良い。
It is desirable to use Ge having a mass number other than 73 in order to suppress the incorporation of hydrogen during Ge ion implantation. FIG. 11 shows the Ge of each mass number.
Is a result of analyzing how much hydrogen atoms are introduced into a Si substrate when 5 × 10 15 cm −2 ions are implanted. Since 73Ge has the same mass as that in which 72Ge has hydrogen bonded thereto, the amount of introduced hydrogen is particularly large. 70G
Of e, 72Ge, 74Ge, and 76Ge, 76Ge having the highest natural abundance ratio has the highest injection efficiency because the beam current can be maximized.

【0023】イオン注入後の熱処理に際しては、熱処理
室を真空に引くか或いは窒素又はArなどのガスを十分
に流して、酸素、水蒸気、二酸化炭素などの酸化剤が処
理室内に混入しないような状態で加熱を開始するように
する。熱処理条件は、例えば600℃〜800℃で30
秒以上行なう。また、非熱平衡状態(準安定状態)で結
晶を回復させ、例えば結晶格子が4〜6%拡がり歪みを
有するような状態にすることにより、通常のバルクのキ
ャリア移動度よりも高い移動度を得ることが可能であ
る。
In the heat treatment after the ion implantation, the heat treatment chamber is evacuated or a gas such as nitrogen or Ar is sufficiently supplied so that an oxidizing agent such as oxygen, water vapor or carbon dioxide does not enter the treatment chamber. To start heating. The heat treatment conditions are, for example,
Perform for at least seconds. In addition, by recovering the crystal in a non-thermal equilibrium state (metastable state), for example, by setting the crystal lattice to a state in which the crystal lattice expands by 4 to 6% and has a strain, a higher mobility than ordinary bulk carrier mobility is obtained. It is possible.

【0024】なお、このようにして得られたSiGe層
28の領域の外周エッジは、側壁絶縁膜24の外側(開
口部側)エッジと一致している必要はなく、設計の範囲
内で外周エッジの位置を決めることができる。
Note that the outer peripheral edge of the region of the SiGe layer 28 obtained in this manner does not need to coincide with the outer (opening side) edge of the sidewall insulating film 24, and the outer peripheral edge is within the design range. Position can be determined.

【0025】次に、図2(f)に示すように、酸素ラジ
カル又はオゾンを用いて開口部のシリコン基板表面に厚
さ1nm以下の酸化膜を形成し(図示せず)、次いでゲ
ート絶縁膜29としてTa25 、TiO2 、BST
O、CeO2 など、Si酸化膜よりも比誘電率が大きい
絶縁膜を形成する。2〜3nmのSiOxy 膜を堆積
したり、Si酸化膜の表面を500℃以下の温度で窒素
ラジカルなどを用いて窒化することにより、ゲート絶縁
膜29を形成しても良い。
Next, as shown in FIG. 2F, an oxide film having a thickness of 1 nm or less is formed on the surface of the silicon substrate in the opening using oxygen radicals or ozone (not shown). 29 as Ta 2 O 5 , TiO 2 , BST
An insulating film such as O or CeO 2 having a higher relative dielectric constant than the Si oxide film is formed. The gate insulating film 29 may be formed by depositing a 2-3 nm SiO x N y film or nitriding the surface of the Si oxide film at a temperature of 500 ° C. or less using nitrogen radicals or the like.

【0026】次に、ゲートの仕事関数を決定する金属導
電性の膜30を10nm以下の膜厚で堆積する。この金
属導電性の膜30としては、図10に示すように、チャ
ネル領域に用いるSiGeのバンドギャップの中央付近
に仕事関数が位置するような材料を選択することが好ま
しい。
Next, a metal conductive film 30 for determining the work function of the gate is deposited to a thickness of 10 nm or less. As the metal conductive film 30, as shown in FIG. 10, it is preferable to select a material whose work function is located near the center of the band gap of SiGe used for the channel region.

【0027】例えば、Geの濃度が50〜60%のSi
Ge層を用いる場合には、バンドギャップが0.8eV
程度となり、電極として用いる材料の仕事関数は4.4
eV程度ということになる。なお、この仕事関数にはあ
る程度の許容範囲を持たせてもよく、バンドギャップが
0.8eV程度の場合、チャネル内の不純物濃度を現実
的な制御範囲内で変化させてVth制御を可能とするた
めには、仕事関数の値が4.0〜4.5eV程度の範囲
にある電極材料を選ぶことが望ましい。また、多結晶金
属材料は結晶面によって仕事関数が変化するため、30
nm以下の微小な結晶粒の多結晶金属を用いるか、或い
はアモルファスの導電性材料を用いることが好ましい。
For example, when the concentration of Ge is 50-60%,
When a Ge layer is used, the band gap is 0.8 eV
And the work function of the material used as the electrode is 4.4.
It is about eV. The work function may have a certain allowable range. When the band gap is about 0.8 eV, Vth control can be performed by changing the impurity concentration in the channel within a practical control range. Therefore, it is desirable to select an electrode material having a work function value in a range of about 4.0 to 4.5 eV. In addition, since the work function of a polycrystalline metal material changes depending on the crystal plane, a 30
It is preferable to use a polycrystalline metal having fine crystal grains of nm or less, or to use an amorphous conductive material.

【0028】仕事関数が上述の4.0〜4.5eVの範
囲にある材料としては、例えば、Ta窒化物、Nb窒化
物、Zr窒化物、Hf窒化物などの金属窒化物、或いは
金属炭化物、金属硼化物、金属シリコン窒化物、金属シ
リコン炭化物、金属炭素窒化物などがあげられる。な
お、Ti窒化物は、Tiと窒素の組成が1:1の場合に
は仕事関数が4.6eV程度であるが、結晶面方位を制
御して仕事関数の低い面方位になるようにする、或いは
TiNにCを添加してアモルファスにしその組成を制御
することにより、仕事関数を4.5eV以下に設定する
ことも可能である。また、上述した材料とゲート絶縁膜
との間の熱的安定性のために、導電率を50%以上低下
させない範囲内で酸素を添加することが有効である。ま
た、上述した材料は、ゲート絶縁膜となるTa酸化物、
Ti酸化物、Zr酸化物、Hf酸化物、Ce酸化物との
界面の熱的安定性も優れている。
Examples of the material having a work function in the range of 4.0 to 4.5 eV include metal nitrides such as Ta nitride, Nb nitride, Zr nitride, and Hf nitride; Metal boride, metal silicon nitride, metal silicon carbide, metal carbon nitride and the like can be mentioned. The work function of Ti nitride is about 4.6 eV when the composition of Ti and nitrogen is 1: 1. However, the crystal plane direction is controlled so that the work function has a low work function. Alternatively, the work function can be set to 4.5 eV or less by adding C to TiN to make it amorphous and control its composition. For thermal stability between the above-described material and the gate insulating film, it is effective to add oxygen within a range that does not lower the conductivity by 50% or more. In addition, the above-described materials include a Ta oxide serving as a gate insulating film,
The thermal stability at the interface with Ti oxide, Zr oxide, Hf oxide and Ce oxide is also excellent.

【0029】金属導電性の膜30を堆積した後、Alや
Wなど比抵抗の小さい金属膜31を堆積する。次に、図
3(g)に示すように、金属導電性の膜30及び金属膜
31をCMP法又はMP法を用いて平坦化することによ
りゲート電極を形成し、MISトランジスタが完成す
る。
After depositing the metal conductive film 30, a metal film 31 having a small specific resistance such as Al or W is deposited. Next, as shown in FIG. 3 (g), the gate electrode is formed by flattening the metal conductive film 30 and the metal film 31 by using the CMP method or the MP method, and the MIS transistor is completed.

【0030】なお、上述の工程において、ソース・ドレ
イン領域を低抵抗化する必要がある場合には、ソース・
ドレイン領域にCoSi2 、TiSi2 などの金属シリ
サイドをさらに形成してもよい。その際に、拡散層25
の深さが100nm以下の場合には、拡散層25上にS
i層、SiGe層或いはSiGeC層をエピタキシャル
成長させ、シリサイドで侵食される領域をpn接合から
5nm以上遠ざけることが好ましい。また、ゲート電極
材料には、上述した材料以外に、Ru、RuO2 、A
l、Ag、Cu、Auなどを用いるようにしてもよい。
In the above steps, if it is necessary to lower the resistance of the source / drain region,
A metal silicide such as CoSi 2 or TiSi 2 may be further formed in the drain region. At this time, the diffusion layer 25
Is less than 100 nm, the diffusion layer 25
It is preferable that an i-layer, a SiGe layer or a SiGeC layer is epitaxially grown, and a region eroded by silicide is kept at least 5 nm from the pn junction. Further, in addition to the above-mentioned materials, Ru, RuO 2 , A
l, Ag, Cu, Au or the like may be used.

【0031】このように、本実施形態によれば、ソース
・ドレイン領域23及び25を形成する際の高温活性化
処理を行った後に、ゲート絶縁膜29及びゲート電極3
0及び31が形成される。したがって、高温処理によっ
て、SiGe層28中のGeがゲート絶縁膜中に取り込
まれたり、ゲート絶縁膜の界面準位が増加するといった
問題を防止することができる。また、ゲート絶縁膜に高
誘電体膜を用いることができるなど、ゲート絶縁膜やゲ
ート電極に高温熱処理に対して弱い材料を用いることも
可能である。
As described above, according to the present embodiment, after performing the high-temperature activation process for forming the source / drain regions 23 and 25, the gate insulating film 29 and the gate electrode 3 are formed.
0 and 31 are formed. Therefore, it is possible to prevent a problem that Ge in the SiGe layer 28 is taken into the gate insulating film and an interface state of the gate insulating film increases due to the high-temperature treatment. Further, a material which is weak against high-temperature heat treatment can be used for the gate insulating film and the gate electrode, for example, a high dielectric film can be used for the gate insulating film.

【0032】また、本実施形態では、チャネル領域に選
択的にSiGe層が形成され、ソース・ドレイン領域は
Siによって形成されることになる。したがって、チャ
ネル領域の移動度を増加させることができるとともに、
ソース・ドレイン領域もSiGeで形成される場合に比
べてpn接合におけるリーク電流を低減させることがで
きる。
In this embodiment, the SiGe layer is selectively formed in the channel region, and the source / drain regions are formed of Si. Therefore, the mobility of the channel region can be increased,
The source / drain regions can also reduce the leakage current at the pn junction as compared with the case where they are formed of SiGe.

【0033】(実施形態2)図4は、第2の実施形態に
係るMISトランジスタの構造を示したものであり、ゲ
ート電極下のSiGe層をエピタキシャル成長法により
形成した場合の断面図を示したものである。基本的な構
成及び製造工程については、第1の実施形態と同様であ
り、対応する構成要素には同一番号を付している。
(Embodiment 2) FIG. 4 shows a structure of a MIS transistor according to a second embodiment, and shows a cross-sectional view when an SiGe layer under a gate electrode is formed by an epitaxial growth method. It is. The basic configuration and manufacturing steps are the same as in the first embodiment, and corresponding components are denoted by the same reference numerals.

【0034】本例では、第1の実施形態で示した図2
(d)工程の後、開口部22aにCVD法でSiGe膜
28を選択的にエピタキシャル成長させている。CVD
法でSiGe膜のエピタキシャル成長を行なう際には、
開口部22aに露出したSi基板11表面に存在する自
然酸化膜や汚染物質を化学洗浄及び水素熱処理等により
除去して、清浄な表面を形成することが重要である。例
えば、Si基板表面の自然酸化膜を除去する際には、水
素中にて800℃〜900℃で熱処理を行なうようにす
る。
In this example, FIG. 2 shown in the first embodiment
After the step (d), the SiGe film 28 is selectively epitaxially grown in the opening 22a by the CVD method. CVD
When performing the epitaxial growth of the SiGe film by the method,
It is important to form a clean surface by removing a natural oxide film and contaminants present on the surface of the Si substrate 11 exposed in the opening 22a by chemical cleaning and hydrogen heat treatment. For example, when removing the natural oxide film on the surface of the Si substrate, a heat treatment is performed at 800 ° C. to 900 ° C. in hydrogen.

【0035】また、自然酸化膜を除去した後に再度自然
酸化膜が形成されないようにするため、自然酸化膜を除
去するクリーニングチャンバーとSiGe膜を堆積する
堆積チャンバーとは、同一メインフレーム内の別チャン
バーであることが望ましい。また、同一チャンバー内で
クリーニングとSiGe膜の堆積を行なうようにしても
よく、この場合には、800℃〜850℃で5分以内の
クリーニング処理を行った後、500℃〜600℃まで
温度を下げてSiGe膜の堆積を行なうようにする。
In order to prevent the natural oxide film from being formed again after the natural oxide film is removed, the cleaning chamber for removing the natural oxide film and the deposition chamber for depositing the SiGe film are separate chambers in the same main frame. It is desirable that Further, the cleaning and the deposition of the SiGe film may be performed in the same chamber. In this case, after performing the cleaning process at 800 ° C. to 850 ° C. within 5 minutes, the temperature is reduced to 500 ° C. to 600 ° C. The lowering is performed to deposit the SiGe film.

【0036】なお、SiGe膜の代わりにGe膜をエピ
タキシャル成長させる場合には、Ge膜の下層にSiG
e層を設けることが好ましく、これにより結晶歪みを低
減することができる。望ましくは、Geの濃度がSi基
板表面からGe膜に向かって徐々に高濃度になるように
濃度勾配をつけるようにする。
When a Ge film is epitaxially grown instead of a SiGe film, a SiG film is formed under the Ge film.
It is preferable to provide an e layer, so that crystal distortion can be reduced. Preferably, a concentration gradient is provided so that the concentration of Ge gradually increases from the surface of the Si substrate toward the Ge film.

【0037】CVD法でSiGe膜をエピタキシャル成
長させる際のソースガスとしては、次のようなガスを用
いることが好ましい。Siのソースガスとしては、モノ
シラン(SiH4 )、ジシラン(Si26 )、トリシ
ラン(Si38 )、四弗化シラン(SiF4 )などを
用いることが好ましい。Geのソースガスとしては、ゲ
ルマン(GeH4 )や四弗化ゲルマン(GeF4 )など
を用いることが好ましい。特に、膜中の水素の濃度を低
くすることが必要な場合には、SiとGeの原料ガス間
で次のような組み合わせを用いるが望ましい。
The following gases are preferably used as a source gas when the SiGe film is epitaxially grown by the CVD method. As a source gas of Si, it is preferable to use monosilane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), trisilane (Si 3 H 8 ), silane tetrafluoride (SiF 4 ), or the like. It is preferable to use germane (GeH 4 ), germane tetrafluoride (GeF 4 ), or the like as a source gas of Ge. In particular, when it is necessary to lower the concentration of hydrogen in the film, it is desirable to use the following combination between Si and Ge source gases.

【0038】組み合わせ1 SiH4 、Si26 又はSi38 とGeF4 の組み
合わせ 組み合わせ2 SiF4 とGeH4 の組み合わせ 組み合わせ3 SiH4 、Si26 又はSi38 とGeH4 の組み
合わせ 特に、組成制御や膜の均一性が要求される場合には、組
み合わせ1を用いることが望ましい。
Combination 1 Combination of SiH 4 , Si 2 H 6 or Si 3 H 8 and GeF 4 Combination 2 Combination of SiF 4 and GeH 4 Combination 3 Combination of SiH 4 , Si 2 H 6 or Si 3 H 8 and GeH 4 In particular, when composition control and film uniformity are required, it is desirable to use combination 1.

【0039】以上のようにしてSiGe膜のエピタキシ
ャル成長を行なった後は、第1の実施形態で示した図2
(f)〜図3(g)の工程と同様の工程を用いて、ゲー
ト絶縁膜やゲート電極を形成すればよい。
After the epitaxial growth of the SiGe film as described above, the structure shown in FIG.
The gate insulating film and the gate electrode may be formed by using the same steps as those shown in FIGS.

【0040】なお、図4に示した構造の場合には、寄生
抵抗を低減するために、ソース・ドレインのエクステン
ション領域23のゲート側のエッヂが、図に示すように
SiGe膜28の一部に延長していることが望ましい。
In the case of the structure shown in FIG. 4, the edge of the source / drain extension region 23 on the gate side is partially formed on the SiGe film 28 as shown in FIG. It is desirable to be extended.

【0041】図5は、本実施形態の他の例を示したもの
であり、図4に示した例と同様に、ゲート電極下のSi
Ge膜をエピタキシャル成長法により形成したものであ
る。基本的な構成及び製造工程については図4に示した
例と同様であり、対応する構成要素には同一番号を付し
ている。
FIG. 5 shows another example of the present embodiment. As in the example shown in FIG.
The Ge film is formed by an epitaxial growth method. The basic configuration and manufacturing steps are the same as those in the example shown in FIG. 4, and corresponding components are denoted by the same reference numerals.

【0042】本例では、第1の実施形態で示した図2
(d)工程の後、図5(a)に示すように、開口部22
aに露出したSi基板11の表面領域を10〜30nm
程度エッチングして、表面位置を基板側に後退させる。
その後、図5(b)に示すように、開口部22aに露出
したSi基板上に、図4に示した例と同様にして、Si
Ge膜28をエピタキシャル成長させる。
In this example, FIG. 2 shown in the first embodiment
After the step (d), as shown in FIG.
a surface area of the Si substrate 11 exposed to
Etching is performed to the extent that the surface position is retracted to the substrate side.
Thereafter, as shown in FIG. 5B, a Si substrate is exposed on the Si substrate exposed at the opening 22a in the same manner as in the example shown in FIG.
A Ge film 28 is epitaxially grown.

【0043】本例では、SiGe膜28とソース・ドレ
インのエクステンション領域23とが接しているため、
図4に示したような領域をエクステンション領域23に
設ける必要がなくなる。
In this embodiment, since the SiGe film 28 is in contact with the source / drain extension region 23,
There is no need to provide an area as shown in FIG.

【0044】(実施形態3)次に、図6及び図7に示し
た第3の実施形態について説明する。本実施形態は、S
iGe層が素子領域全体にわたって形成されているもの
である。
(Embodiment 3) Next, a third embodiment shown in FIGS. 6 and 7 will be described. In the present embodiment, S
The iGe layer is formed over the entire element region.

【0045】図6に示した例では、SiGe層28が素
子領域表面全体にわたって50nm以下の非常に薄い領
域に形成されている。このような構造を作製するための
製造工程について以下簡単に説明する。
In the example shown in FIG. 6, the SiGe layer 28 is formed in a very thin region of 50 nm or less over the entire surface of the element region. The manufacturing process for manufacturing such a structure will be briefly described below.

【0046】まず、シリコン基板11に素子分離領域1
2を形成した後、素子領域全体にSiGe層28を形成
する。このSiGe層の形成方法は、イオン注入法でも
エピタキシャル成長法でもよい。その後のダミーゲート
の形成からダミーゲートを除去するまでの工程は、第1
の実施形態で示した図1(a)〜図2(d)の工程と基
本的に対応している。図2(d)の工程の後、第1の実
施形態では図2(e)に示したようにSiGe層を形成
しているが、本例ではすでにSiGe層は形成されてい
る。したがって、本例ではSiGe層をあらためて形成
することはせず、図2(d)の工程の後は、図2(f)
及び図3(g)の工程を順に行う。これにより、図6に
示したような構造を得ることができる。
First, the element isolation region 1 is formed on the silicon substrate 11.
After forming 2, the SiGe layer 28 is formed on the entire element region. The method for forming the SiGe layer may be an ion implantation method or an epitaxial growth method. The subsequent steps from the formation of the dummy gate to the removal of the dummy gate are the first steps.
1A to 2D shown in the first embodiment. After the step of FIG. 2D, the SiGe layer is formed as shown in FIG. 2E in the first embodiment, but in this example, the SiGe layer is already formed. Therefore, in this example, the SiGe layer is not formed again, and after the step of FIG.
And the step of FIG. Thereby, the structure as shown in FIG. 6 can be obtained.

【0047】図7に示した例は、SiGe層28が素子
領域全体にわたって素子分離領域の膜厚とほぼ同等な膜
厚で形成されている。基本的な工程は前述した図6で示
した工程と同様であるが、本例では、Si基板表面に素
子分離用の絶縁膜を熱酸化で形成した後、この素子分離
用絶縁膜をドライエッチング等によってパターン加工す
ることにより素子形成領域に開口部を形成し、この開口
部にSiGe層をエピタキシャル成長させる。素子分離
用絶縁膜上にも非選択的にSiGe層が形成された場合
には、CMP法やMP法などにより絶縁膜上のSiGe
膜を除去すればよい。
In the example shown in FIG. 7, the SiGe layer 28 is formed over the entire element region with a thickness substantially equal to the film thickness of the element isolation region. The basic steps are the same as the steps shown in FIG. 6 described above, but in this example, an insulating film for element isolation is formed on the surface of the Si substrate by thermal oxidation, and then the insulating film for element isolation is dry-etched. An opening is formed in the element formation region by performing pattern processing using the method described above, and a SiGe layer is epitaxially grown in the opening. If a SiGe layer is also formed non-selectively on the element isolation insulating film, the SiGe layer on the insulating film is formed by a CMP method or an MP method.
What is necessary is just to remove a film.

【0048】なお、図6及び図7に示した例では、チャ
ネル領域だけではなくソース・ドレイン領域にもSiG
e層が形成されるため、pn接合リーク電流に対するス
ペックが厳しいトランジスタでは、ソース・ドレイン領
域のバンドギャップをチャネル領域よりも広くする必要
がある。バンドギャップを広げるためには、炭素をソー
ス・ドレイン領域に1021cm-3程度以上の濃度になる
ようにドーピングして、SiGeC構造にする方法が有
効である。(1〜2)×1022cm-3程度ドーピングす
ることにより、ソース・ドレイン領域のバンドギャップ
を0.2〜0.4eV程度広げることができる。
In the examples shown in FIGS. 6 and 7, not only the channel region but also the source / drain regions
Since the e-layer is formed, the band gap of the source / drain region needs to be wider than that of the channel region in a transistor having strict specifications for the pn junction leakage current. In order to widen the band gap, it is effective to dope carbon into the source / drain region so as to have a concentration of about 10 21 cm −3 or more to form a SiGeC structure. By doping about (1-2) × 10 22 cm −3 , the band gap of the source / drain region can be widened by about 0.2 to 0.4 eV.

【0049】(実施形態4)次に、図8及び図9に示し
た第4の実施形態について説明する。本実施形態は、本
発明をコンケーブ型のMISトランジスタに適用した場
合である。すなわち、ゲート電極がSi基板側に食い込
んだ形状になっており、その下にゲート絶縁膜及びSi
Ge層が形成されている。
(Embodiment 4) Next, a fourth embodiment shown in FIGS. 8 and 9 will be described. This embodiment is a case where the present invention is applied to a concave MIS transistor. That is, the gate electrode has a shape that cuts into the Si substrate side, and the gate insulating film and the Si
A Ge layer is formed.

【0050】図8に示した例では、ゲート電極がSi基
板側に食い込んでいる領域の深さが、ソース・ドレイン
拡散層の深さとほぼ同等になっている。以下、このよう
な構造の作成方法を説明する。
In the example shown in FIG. 8, the depth of the region where the gate electrode bites into the Si substrate side is almost equal to the depth of the source / drain diffusion layer. Hereinafter, a method for creating such a structure will be described.

【0051】本例では、第1の実施形態で示した図2
(d)工程の後、図8(a)に示すように、開口部22
aに露出したSi基板の表面領域を10〜30nm程度
エッチングして、表面位置を基板側に後退させる。
In the present embodiment, FIG. 2 shown in the first embodiment
After the step (d), as shown in FIG.
The surface region of the Si substrate exposed to a is etched by about 10 to 30 nm, and the surface position is receded to the substrate side.

【0052】以後の工程は基本的に第1の実施形態で示
した工程と同様である。すなわち、開口部22aにGe
をイオン注入して、Siに対してGeが20〜90%の
濃度範囲でドーピングされたSiGe層28を形成す
る。イオン注入条件は、例えば、5〜50keV、1×
1015cm-2〜1×1017cm-2とする。このとき、基
板を冷却しながらイオン注入したり、イオン注入の注入
角度を基板に対して垂直或いは垂直に近い角度にするこ
とが望ましいことは、第1の実施形態で述べたのと同様
である。
The subsequent steps are basically the same as the steps shown in the first embodiment. That is, Ge is formed in the opening 22a.
To form an SiGe layer 28 doped with Ge in a concentration range of 20 to 90% with respect to Si. The ion implantation conditions are, for example, 5 to 50 keV, 1 ×
It is set to 10 15 cm -2 to 1 × 10 17 cm -2 . At this time, it is preferable that the ion implantation be performed while the substrate is cooled, or that the implantation angle of the ion implantation be perpendicular or nearly perpendicular to the substrate, as described in the first embodiment. .

【0053】次に、図8(b)に示すように、Si−O
結合層を1〜2原子層形成(図示せず)した後に、Si
酸化膜よりも比誘電率が大きい絶縁膜をゲート絶縁膜2
9として形成する。さらに、仕事関数を決める金属導電
性の膜30及び低抵抗の金属膜31を堆積し、第1の実
施形態と同様にCMP又はMPでゲート電極を加工して
トランジスタ構造を完成させる。
Next, as shown in FIG.
After forming a bonding layer of 1 to 2 atomic layers (not shown),
An insulating film having a relative dielectric constant larger than that of the oxide film
9 is formed. Further, a metal conductive film 30 and a low-resistance metal film 31 that determine the work function are deposited, and the gate electrode is processed by CMP or MP as in the first embodiment, thereby completing the transistor structure.

【0054】なお、SiGe層をGeのイオン注入では
なく、エピタキシャル成長法で形成する場合には、Si
基板の彫り込みの深さを10〜130nm程度に深くし
てSiGe層をエピタキシャル成長させるようにしても
よい。また、ソース・ドレイン領域に予めSi層SiG
e層或いはSiGeC層をエピタキシャル成長法により
形成しておき、ゲート電極底部の高さが相対的に低くな
るようにしておいても良い。
In the case where the SiGe layer is formed not by Ge ion implantation but by epitaxial growth, Si
The engraving depth of the substrate may be increased to about 10 to 130 nm to epitaxially grow the SiGe layer. In addition, a Si layer SiG is previously formed in the source / drain region.
The e layer or the SiGeC layer may be formed by an epitaxial growth method, and the height of the gate electrode bottom may be relatively low.

【0055】図9に示した例では、ゲート電極のSi基
板側に食い込んでいる領域の深さがソース・ドレイン拡
散層25の深さよりも深くなっている。また、ソース・
ドレイン領域に予めSi層やSiGe層をエピタキシャ
ル法により形成しておくことにより、ゲート電極底部の
高さを相対的に低くしている。このようにゲート電極底
部の高さを相対的に低くしておくことにより、素子特性
の安定性を増すことが可能となる。
In the example shown in FIG. 9, the depth of the region where the gate electrode bites into the Si substrate side is deeper than the depth of the source / drain diffusion layer 25. In addition, source
By forming a Si layer or a SiGe layer in the drain region in advance by an epitaxial method, the height of the bottom of the gate electrode is relatively reduced. By thus keeping the height of the gate electrode bottom relatively low, the stability of the device characteristics can be increased.

【0056】なお、図9に示した例では、Si基板の彫
り込み深さが50nm以上におよび、素子分離絶縁膜端
にSiの尖った形状が形成されるため、これを丸めるた
めの熱処理又は化学反応を用いた処理を行うことが好ま
しい。また、本例では、チャネル領域だけではなくソー
ス・ドレイン領域にもSiGe層が形成されるため、第
2の実施形態で述べたのと同様、pn接合リーク電流ス
ペックの厳しいトランジスタでは、ソース・ドレイン領
域のバンドギャップをSiGeのバンドギャップよりも
広げることが好ましい。また、ゲート耐圧の劣化や電流
駆動力の低下を防止するために、ゲート電極底部のコー
ナー部分を曲面状になるように丸めることが好ましい。
In the example shown in FIG. 9, since the engraved depth of the Si substrate is 50 nm or more and a sharp shape of Si is formed at the end of the element isolation insulating film, heat treatment or chemical treatment for rounding this is performed. It is preferable to perform a treatment using a reaction. Further, in this example, since the SiGe layer is formed not only in the channel region but also in the source / drain region, as in the case of the second embodiment, the source / drain It is preferable that the band gap of the region is wider than the band gap of SiGe. Further, in order to prevent the gate breakdown voltage from deteriorating and the current driving force from lowering, it is preferable to round the corner of the bottom of the gate electrode so as to be curved.

【0057】図12は、本発明によって作製されたMO
Sトランジスタのホールの移動度をボロン濃度に対して
プロットしたものである。本実施形態によって作製され
たMOSトランジスタ(Geを1×1016cm-2注入し
たSiGeによってチャネル領域を形成したpチャネル
MOSFET)では、従来のpチャネルMOSトランジ
スタと比べて移動度が2〜3倍程度に増加している。こ
れにより、同一ドレイン電圧に対してドレイン電流が2
0%以上増加した。また、ソース・ドレイン領域に金属
シリサイドやメタルを貼り付けたり、ソース・ドレイン
拡散層の活性化不純物濃度を増加させることにより、寄
生抵抗が減少するため、さらにドレイン電流を増加させ
ることができ、最大で2〜3倍程度にドレイン電流を増
加させることができる。また、nチャネルMOSFET
に関しても、増加の割合は多少小さくなる(ドレイン電
流が最大で1.5倍〜2倍程度)が、同様の効果を得る
ことができた。
FIG. 12 shows an MO fabricated according to the present invention.
9 is a diagram in which the hole mobility of the S transistor is plotted against the boron concentration. In the MOS transistor manufactured according to the present embodiment (p-channel MOSFET in which a channel region is formed by SiGe into which Ge is implanted at 1 × 10 16 cm −2 ), the mobility is two to three times that of the conventional p-channel MOS transistor. It has increased to the extent. As a result, the drain current becomes 2 for the same drain voltage.
It increased by more than 0%. Also, by attaching metal silicide or metal to the source / drain regions or increasing the activation impurity concentration of the source / drain diffusion layers, the parasitic resistance is reduced, so that the drain current can be further increased. Thus, the drain current can be increased about two to three times. Also, n-channel MOSFET
As for (2), the rate of increase is somewhat smaller (the drain current is about 1.5 to 2 times at the maximum), but the same effect can be obtained.

【0058】以上本発明の実施形態について説明した
が、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではな
く、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して
実施することが可能である。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

【0059】[0059]

【発明の効果】本発明によれば、ソース・ドレイン領域
を形成する際の高温熱処理を行った後にゲート絶縁膜及
びゲート電極が形成される。したがって、半導体材料に
高温処理に対して不安定な元素を含むものを用いたとし
ても、高温処理によって、該元素がゲート絶縁膜中に取
り込まれてゲート絶縁膜の特性を劣化させたり、ゲート
絶縁膜の界面準位を増加させて素子特性を悪化させると
いった問題を回避することができ、特性や信頼性に優れ
た半導体装置を作製することが可能となる。
According to the present invention, a gate insulating film and a gate electrode are formed after a high-temperature heat treatment for forming source / drain regions. Therefore, even if a semiconductor material containing an element that is unstable to high-temperature processing is used, the high-temperature processing causes the element to be taken into the gate insulating film and deteriorate the characteristics of the gate insulating film, It is possible to avoid a problem that the device characteristics are deteriorated by increasing the interface state of the film, and a semiconductor device having excellent characteristics and reliability can be manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態に係るトランジスタの
製造工程の一部を示した工程断面図。
FIG. 1 is a process cross-sectional view showing a part of a process for manufacturing a transistor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施形態に係るトランジスタの
製造工程の一部を示した工程断面図。
FIG. 2 is a process cross-sectional view showing a part of the process of manufacturing the transistor according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施形態に係るトランジスタの
製造工程の一部を示した工程断面図。
FIG. 3 is a process cross-sectional view showing a part of the process of manufacturing the transistor according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2の実施形態に係るトランジスタの
一例についてその構成例を示した断面図。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of an example of a transistor according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2の実施形態に係るトランジスタの
他の例についてその製造工程の一部を示した工程断面
図。
FIG. 5 is a process cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of another example of the transistor according to the second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第3の実施形態に係るトランジスタの
一例についてその構成例を示した断面図。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of an example of a transistor according to a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第3の実施形態に係るトランジスタの
他の例についてその構成例を示した断面図。
FIG. 7 is a sectional view showing a configuration example of another example of the transistor according to the third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第4の実施形態に係るトランジスタの
一例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。
FIG. 8 is a process cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of an example of the transistor according to the fourth embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第4の実施形態に係るトランジスタの
他の例についてその構成例を示した断面図。
FIG. 9 is a sectional view showing a configuration example of another example of the transistor according to the fourth embodiment of the present invention.

【図10】ゲート電極の仕事関数と半導体のバンド構造
について、本発明と従来技術とを対比して示した図。
FIG. 10 is a diagram showing the work function of a gate electrode and the band structure of a semiconductor in comparison with the present invention and a conventional technique.

【図11】イオン注入の際にシリコン基板に導入される
水素濃度のGe質量数依存性について示した図。
FIG. 11 is a diagram showing the Ge mass number dependence of the concentration of hydrogen introduced into a silicon substrate during ion implantation.

【図12】トランジスタのホール移動度のボロン濃度依
存性について、本発明と従来技術とを対比して示した
図。
FIG. 12 is a diagram showing the dependence of the hole mobility of a transistor on the boron concentration in comparison between the present invention and the conventional technology.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…シリコン基板 12…素子分離領域 21…シリコン酸化膜 22…ダミーゲート 22a…開口部 23、25…ソース・ドレイン領域 24…側壁絶縁膜 26…層間絶縁膜 27…イオン注入されるGe 28…SiGe層 29…ゲート絶縁膜 30、31…ゲート電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Silicon substrate 12 ... Element isolation region 21 ... Silicon oxide film 22 ... Dummy gate 22a ... Opening 23, 25 ... Source / drain region 24 ... Side wall insulating film 26 ... Interlayer insulating film 27 ... Ge 28 ion-implanted SiGe Layer 29: Gate insulating film 30, 31: Gate electrode

フロントページの続き (72)発明者 綱島 祥隆 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Fターム(参考) 5F040 DA00 DC01 EC01 EC04 EC10 EC12 EC20 ED03 EE02 EE04 EF01 EF02 EF11 EJ09 EK05 FA01 FB02 FB05 FC00 FC05 FC10 FC15 FC28 Continuation of the front page (72) Inventor Yoshitaka Tsunashima 8 Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture F-term (reference) 5F040 DA00 DC01 EC01 EC04 EC10 EC12 EC20 ED03 EE02 EE04 EF01 EF02 EF11 EJ09 EK05 FA01 FB02 FB05 FC00 FC05 FC10 FC15 FC28

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1の半導体材料からなる半導体基板上の
ゲート形成予定領域にダミーゲートを形成する工程と、
このダミーゲートの両側に対応する領域の半導体基板内
に不純物を導入し熱処理によってこの不純物を活性化す
ることによりソース・ドレイン領域を形成する工程と、
前記ダミーゲートの側壁を取り囲む絶縁膜を形成する工
程と、前記ダミーゲートを除去して開口部を形成する工
程と、この開口部が形成された領域又はその下部領域に
第2の半導体材料からなる半導体層を形成する工程と、
前記開口部に露出している前記半導体層上にゲート絶縁
膜を介してゲート電極を形成する工程とを有することを
特徴とする半導体装置の製造方法。
A step of forming a dummy gate in a region where a gate is to be formed on a semiconductor substrate made of a first semiconductor material;
Forming a source / drain region by introducing an impurity into the semiconductor substrate in a region corresponding to both sides of the dummy gate and activating the impurity by heat treatment;
Forming an insulating film surrounding the side wall of the dummy gate; removing the dummy gate to form an opening; and forming a second semiconductor material in a region where the opening is formed or a lower region thereof. Forming a semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the semiconductor layer exposed in the opening with a gate insulating film interposed therebetween.
【請求項2】前記第2の半導体材料からなる半導体層を
形成する工程は、前記半導体層の上面が前記半導体基板
の上面よりも下方になるように形成するものであること
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the step of forming the semiconductor layer made of the second semiconductor material is performed such that an upper surface of the semiconductor layer is lower than an upper surface of the semiconductor substrate. Item 2. A method for manufacturing a semiconductor device according to item 1.
【請求項3】第1の半導体材料からなる半導体基板の素
子形成領域に対応して第2の半導体材料からなる半導体
層を形成する工程と、この半導体層上のゲート形成予定
領域にダミーゲートを形成する工程と、このダミーゲー
トの両側に対応する領域の半導体層に不純物を導入し熱
処理によってこの不純物を活性化することによりソース
・ドレイン領域を形成する工程と、前記ダミーゲートの
側壁を取り囲む絶縁膜を形成する工程と、前記ダミーゲ
ートを除去して開口部を形成する工程と、この開口部に
露出している前記半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲ
ート電極を形成する工程とを有することを特徴とする半
導体装置の製造方法。
3. A step of forming a semiconductor layer made of a second semiconductor material corresponding to an element formation area of a semiconductor substrate made of a first semiconductor material, and forming a dummy gate in a gate formation scheduled area on the semiconductor layer. Forming a source / drain region by introducing an impurity into a semiconductor layer in a region corresponding to both sides of the dummy gate and activating the impurity by heat treatment; and forming an insulating layer surrounding a side wall of the dummy gate. Forming a film, removing the dummy gate to form an opening, and forming a gate electrode on the semiconductor layer exposed through the opening via a gate insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項4】前記第1の半導体材料はシリコン(Si)
であり、前記第2の半導体材料はゲルマニウム(Ge)
又はシリコンゲルマニウム(SiGe)であることを特
徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置
の製造方法。
4. The first semiconductor material is silicon (Si).
Wherein the second semiconductor material is germanium (Ge)
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is silicon germanium (SiGe).
【請求項5】前記ゲート電極の少なくとも一部に、金属
窒化物、金属炭化物、金属硼化物、金属シリコン窒化
物、金属シリコン炭化物又は金属炭素窒化物を用いるこ
とを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導
体装置の製造方法。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least a part of said gate electrode is made of metal nitride, metal carbide, metal boride, metal silicon nitride, metal silicon carbide or metal carbon nitride. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.
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