JP2004103637A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Mio Fujioka
藤岡 美緒
Shiro Kanbara
蒲原 史朗
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain or prevent carriers from being reduced in mobility when the gate insulating film of a field-effect transistor is made of a high-k material higher in permittivity than silicon oxide. <P>SOLUTION: In NMISQN and PMISQP each equipped with the gate insulating film 7 made of high-k material, channels are made at a position deeper than a contacting interface between the gate insulating film 7 and a p-type semiconductor layer 2a or an n-type semiconductor layer 2b. In NMISQN, an n-type semiconductor layer 5 is formed on the surface layer of the p-type semiconductor layer 2a under a gate electrode 8B, and in PMISQP, a p-type semiconductor layer 6 is formed on the n-type semiconductor layer 2b under a gate electrode 8C to form a buried channel. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、酸化シリコンより高い誘電率の材料をゲート絶縁膜に使用した半導体装置およびその製造技術に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば特開2000−150668号公報に記載されているように、微細なゲート電極の低抵抗化とゲート空乏化率の改善を主な目的として、ゲート電極に不純物を導入したポリシリコンではなく、金属を用いた例がある。そして、ゲート電極に金属を用いた場合における閾値電圧の上昇を防止するため、埋め込みチャネル構造を形成して低い閾値電圧を実現している。
【0003】
また、現在の半導体装置の製造技術においては、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型素子のゲート絶縁膜として酸化シリコン膜(SiO)が使用される。近年、半導体装置の高集積化を図るために、MOS型素子の微細化が進められているが、MOS型素子の微細化が進むにつれて、ゲート絶縁膜を薄くする必要がある。
【0004】
しかし、ゲート絶縁膜である酸化シリコン膜を薄くするとトンネル効果により、ゲート電極とチャネル形成領域との間にトンネル電流が発生し、リーク電流が増加する。リーク電流が増加すると、消費電力が増加するという問題点がある。
【0005】
このため、酸化膜より高誘電率を有する材料(以下、high−k材料という)を使用することで、同一キャパシタンスを維持しながら、ゲート絶縁膜を厚くしている。ゲート絶縁膜を厚くすると、ゲート電極とチャネル形成領域との間にトンネル電流が発生しなくなり、上記した問題点を解決することができる。
【0006】
なお、high−k材料をゲート絶縁膜に使用したMOS型素子の例としては、例えばL.Kang et al., IEDM Tech.  Dig., 35(2000)に記載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したhigh−k材料をゲート絶縁膜に使用した場合、ゲート絶縁膜直下に形成されるチャネル形成領域を流れる電子の移動度が劣化するという問題点がある。すなわち、high−k材料をゲート絶縁膜に使用した場合、ゲート絶縁膜の表面の平坦性が大きく低下し、ゲート絶縁膜に隣接するチャネル形成領域を流れる電子が散乱を起す。このため、電子の移動度が低下し、チャネル形成領域を流れる電流が減少するという問題点がある。
【0008】
本発明の目的は、ゲート絶縁膜にhigh−k材料を使用した場合であっても、チャネル形成領域を流れる電子の移動度の低下を抑制または防止することができる技術を提供することにある。
【0009】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【0011】
本発明は、high−k材料を含むゲート絶縁膜を有する電界効果トランジスタにおいて、その動作時にゲート絶縁膜と半導体との界面よりも深い位置にチャネルが形成されるようにするものである。
【0012】
また、本発明は、(a)第1導電型の不純物を導入した第1半導体層と、(b)前記第1半導体層上に形成され、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜と、(c)前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、(d)前記ゲート電極直下の前記第1半導体層内にあるチャネル形成領域に形成された層であって、第1導電型とは異なる導電型の不純物を導入した第2半導体層とを備えるものである。
【0013】
また、本発明は、(a)第1導電型の不純物を導入した第1半導体層を形成する工程と、(b)前記第1半導体層のチャネル形成領域に第1導電型と異なる導電型の不純物を導入することにより第2半導体層を形成する工程と、(c)前記第2半導体層上に酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜を形成する工程と、(d)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とを備えるものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。また、実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、本実施の形態においては、電界効果トランジスタを代表するMIS・FET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)をMISと略し、Pチャネル型のMIS・FETをPMISと略し、Nチャネル型のMIS・FETをNMISと略す。
【0015】
(実施の形態1)
本実施の形態1における半導体装置を、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施の形態1における半導体装置の構成を示した要部断面図である。図1において、本実施の形態1における半導体装置の素子部は、N型のチャネルが形成されるNMISQNとP型のチャネルが形成されるPMISQPを有している。
【0016】
半導体基板1Aは、例えば単結晶シリコン(Si)からなり、この半導体基板1A上に絶縁層1が形成されている。絶縁層1は、例えば酸化シリコンからなり、この絶縁層1上には、NMISQNの構成要素であるP型半導体層2aおよびPMISQPの構成要素であるN型半導体層2bを含む半導体層(第1半導体層の一例)2が形成されている。半導体層2の厚さは、例えば100nmまたはそれ以上である。P型半導体層2aには、例えばボロン(B)等のP型不純物が導入されている。N型半導体層2bには、例えばリンまたはヒ素(As)等のようなN型不純物が導入されている。このP型半導体層2aおよびN型半導体層2bの主面には、それぞれNMISQNおよびPMISQPが形成されている。このNMISQNと上記PMISQPとは、素子分離層4によって、互いに分離されている。素子分離層4は、半導体層2に掘られた溝内に、例えば酸化シリコン等からなる絶縁膜が埋め込まれることで形成されている(溝型アイソレーション構造)。この素子分離層4の下部は上記絶縁層1に達するように形成されており、NMISQNとPMISQPとは完全に分離された構造とされている。このようなSOI(Silicon On Insulator)構造をとることにより素子間の完全な絶縁分離を図ることができるので、素子の集積密度の向上を図ることができる。また、素子間の完全な絶縁分離を図ることができるため、半導体基板1Aを介したクロストークやラッチアップ現象などによる誤動作の防止が可能となる。また、接合容量が低減されるため、高速動作、低消費電力の素子を形成することが可能となる。
【0017】
次に、NMISQNの構造例を説明すると次の通りである。NMISQNは、P型半導体層2a、N型半導体層5(第2半導体層の一例)、ゲート絶縁膜7、ゲート電極8B、低濃度N型不純物拡散層(第2の領域)9、10、高濃度N型不純物拡散層(第2の領域)13、14、サイドウォール17を有している。このNMISQNは、絶縁層1上に形成されており、SOI(Silicon On Insulator)構造をしている。なお、半導体層2においてソースおよびドレイン用の低濃度N型不純物拡散層(第2の領域)9、10の間のゲート電極8Bの直下のP型半導体層2aにおいて、その表面から絶縁層1に達する領域が第1の領域であり、その一部にNMISQNのチャネルが形成される。
【0018】
NMISQNのゲート電極8Bは、例えばN型のポリシリコンからなり、その両側面にはサイドウォール17が形成されている。半導体層2(P型半導体層2a)において、ゲート電極8Bの両側に当たる位置には、NMISQNのソースおよびドレイン用の半導体領域を構成する低濃度N型不純物拡散層9,10および高濃度N型不純物拡散層13,14が形成されている。すなわち、低濃度N型不純物拡散層9および高濃度N型不純物拡散層13を含むソース領域と、低濃度N型不純物拡散層10および高濃度N型不純物拡散層14を含むドレイン領域とが形成されている。低濃度N型不純物拡散層9,10および高濃度N型不純物拡散層13,14には、例えばリン(P)または砒素(As)等のようなN型不純物が導入されているが、NMISQNのチャネル形成領域(ゲート電極8Bの直下のP型半導体層2aの動作領域)に近い低濃度N型不純物拡散層9,10は、高濃度N型不純物拡散層13,14よりも不純物濃度が低く設定されており、電界集中の緩和によるホットキャリアの発生を低減する機能を有している。
【0019】
また、P型半導体層2aにおいて、ゲート電極8Bの直下のチャネル形成領域には、上記N型半導体層5が上記低濃度N型不純物拡散層9,10に挟まれるように形成されている。N型半導体層5には、例えばリン(P)や砒素(As)等のようなN型不純物が導入されている。NMISQNの非動作時(ゲート電極8Bに動作電圧を印加していない時)には、ゲート電極8B直下のP型半導体層2aに空乏層が形成されるようになっている。ただし、この空乏層は絶縁層1に達するものではなく、空乏層と絶縁層1との間にはキャリアの多い中性領域(P型半導体層2a)が存在する構成となっている(部分空乏型)。このような部分空乏型のSOIでは、基板としてバルクを用いた場合に比べて、例えば以下の効果が得られる。第1に接合容量を低減できる。このため、負荷容量を低減できるので、高速動作、低消費電力のデバイスを開発できる。また、高周波動作時における信号伝達損失を低減できる。第2に、基板バイアス効果を向上させることができる。第3に、しきい値の設定やソースおよびドレインでのシリサイド層の形成でもバルクと同じプロセスを適用できる。一方、NMISQNの動作時(ゲート電極8Bに所定の動作電圧を印加した時)には、N型半導体層5とP型半導体層2aとの境界付近にチャネルが形成される。すなわち、本実施の形態では、N型半導体層5を設けることにより、電子の通り道であるチャネルを、ゲート絶縁膜7と半導体層2との接触界面ではなく、その接触界面よりも深い位置に形成することができる(埋込チャネル)。これによる効果は後述する。
【0020】
ゲート電極8Bと半導体層2(P型半導体層2aのN型半導体層5)との間には、ゲート絶縁膜7が形成されている。ゲート絶縁膜7は、例えば酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ハフニウム(HfO)、酸化チタン(TiO)、窒化シリコン(Si)または酸化タンタル(Ta)などのようなhigh−k材料より形成されている。このようにゲート絶縁膜7をhigh−k材料より形成することにより、ゲート絶縁膜7を薄くしなくてもMISの特性を上げるのに必要な容量を稼ぐことができる。したがって、ゲート絶縁膜7の厚さをある程度確保できるので、ゲート電極8Bとチャネルとの間に生ずるリーク電流を減少させることができる。しかし、ゲート絶縁膜7の材料としてhigh−k材料を使用すると、ゲート絶縁膜7の材料として酸化シリコンを使用した場合に比べて、ゲート絶縁膜7が接する半導体層2の表面の平坦性が低下する。このため、NMISQNのチャネルがゲート絶縁膜7と半導体層2との界面に形成されるような、いわゆる表面チャネルが形成されるような構成とすると、チャネルを流れる電子は、ゲート絶縁膜7と半導体層2との界面の凹凸によって散乱してしまう結果、電子の移動度が低下し、NMISQNの駆動電流量が低下してしまう。これに対して、本実施の形態においては、P型半導体層2aのチャネル形成領域にN型半導体層5を設け、NMISQNのチャネルがゲート絶縁膜7と半導体層2との界面ではなく、その界面よりも深い位置に形成されるようにしたことにより、キャリアである電子は、ゲート絶縁膜7と半導体層2との界面の凹凸に邪魔されることなく、散乱してしまうこともなく、埋込チャネルを移動できる。すなわち、NMISQNのチャネルを流れる電子の散乱を抑制または防止できるので、その電子の移動度の低下を抑制または防止することができる。
【0021】
図2は、ゲート絶縁膜7をhigh−k材料で形成した表面チャネル型のNMISにおいて、表面チャネルに電子が流れる様子を模式的に示している。high−k材料を使用したゲート絶縁膜7と半導体層2との接触界面は、平坦性が低くなっており、凹凸が形成されている。このNMISにおいては、P型半導体層2aの表面にチャネルが形成されるため、電子がチャネルを移動する際、電子はゲート絶縁膜7とP型半導体層2aの表面に存在する凹凸によって散乱される。したがって、電子の移動度が低下し、電流が減少する問題が発生する。
【0022】
これに対して図3は、本実施の形態1におけるNMISQNにおいて、埋込チャネルに電子が流れる様子を模式的に示している。本実施の形態1におけるNMISQNにおいては、ゲート絶縁膜7直下のチャネル形成領域にN型半導体層5を設けることにより、ゲート電極8Bに電圧を印加したときに、N型半導体層5とP型半導体層2aとの境界付近(界面領域)に埋込チャネルが形成される。すなわち、図2に示したように電子がゲート絶縁膜7直下を移動するのではなく、図3に示すように、ゲート絶縁膜7直下よりも深い領域に電子が流れる。すなわち、電子は、ゲート絶縁膜7と接しないところを流れるため、ゲート絶縁膜7の表面に存在する凹凸に散乱されることなく、チャネルを流れることができる。このため、本実施の形態1におけるNMISQNによれば、電子の移動度の低下を抑制または防止することができる。
【0023】
図4は、本実施の形態1におけるNMISQNの要部拡大断面図を示したものであり、図5は、図4中のシリコン表面Aから深さ方向に進んだ所定位置における不純物濃度のプロファイルを示したものである。すなわち、図5は、埋込チャネルを形成するN型半導体層5の不純物濃度分布を示したものである。図5を見て分かるように、表面から0.2μm付近まで、最大で、1.0×1018(1/cm)の不純物濃度を有する砒素(As)が導入されているとともに、表面から0.5μm付近まで、最大で1.0×1017(1/cm)の不純物濃度を有するボロン(B)が導入されていることが分かる。このように不純物を導入することにより、N型半導体層5を形成することができる。
【0024】
次に、上記PMISQPの構成について説明する。図1に示すPMISQPは、N型半導体層2b、P型半導体層6(第2半導体層の一例)、ゲート絶縁膜7、ゲート電極8C、低濃度P型不純物拡散層(第2の領域)11、12、高濃度P型不純物拡散層(第2の領域)15、16、サイドウォール18を有している。なお、半導体層2においてソースおよびドレイン用の低濃度P型不純物拡散層(第2の領域)11、12の間のゲート電極8Cの直下のN型半導体層2bにおいて、その表面から絶縁層1に達する領域が第1の領域であり、その一部にPMISQPのチャネルが形成される。
【0025】
PMISQPのゲート電極8Cは、例えばP型のポリシリコンからなり、その両側面にはサイドウォール18が形成されている。半導体層2(N型半導体層2b)において、ゲート電極8Cの両側に当たる位置には、PMISQPのソースおよびドレイン用の半導体領域を構成する低濃度P型不純物拡散層11,12および高濃度P型不純物拡散層15,16が形成されている。すなわち、低濃度P型不純物拡散層11および高濃度P型不純物拡散層15を含むソース領域と、低濃度P型不純物拡散層12および高濃度P型不純物拡散層16を含むドレイン領域とが形成されている。低濃度P型不純物拡散層11,12および高濃度P型不純物拡散層15,16には、例えばホウ素(B)等のようなP型不純物が導入されているが、PMISQPのチャネル形成領域(ゲート電極8Cの直下のN型半導体層2bの動作領域)に近い低濃度P型不純物拡散層11,12は、高濃度P型不純物拡散層15,16よりも不純物濃度が低く設定されており、電界集中の緩和によるホットキャリアの発生を低減する機能を有している。
【0026】
また、N型半導体層2bにおいて、ゲート電極8Bの直下のチャネル形成領域には、上記P型半導体層6が上記低濃度P型不純物拡散層11,12に挟まれるように形成されている。P型半導体層6には、例えばホウ素(B)等のようなP型不純物が導入されている。PMISQPの非動作時(ゲート電極8Cに動作電圧が印加されていない時)には、ゲート電極8C直下のチャネル形成領域(N型半導体層2b)に空乏層が形成されるようになっている。ただし、この空乏層は絶縁層1に達するものではなく、空乏層と絶縁層1との間にはキャリアの多い中性領域(N型半導体層2b)が存在する構成となっている(部分空乏型)。このような部分空乏型のSOIでは、基板としてバルクを用いた場合に比べて、上記した効果が得られる。一方、PMISQPの動作時(ゲート電極8Cに所定の動作電圧が印加された時)には、P型半導体層6とN型半導体層2bとの境界付近にチャネルが形成される。すなわち、本実施の形態では、P型半導体層6を設けることにより、電子の通り道であるチャネルを、ゲート絶縁膜7と半導体層2との接触界面ではなく、その接触界面よりも深い位置に形成することができる(埋込チャネル)。したがって、PMISQPでも、NMISQNと同様に、ゲート絶縁膜7と半導体層2との接触界面における凹凸に起因するキャリアの散乱を抑制または防止できるので、キャリアの移動度の低下を抑制または防止できる。
【0027】
ゲート電極8Cと半導体層2(N型半導体層2bのP型半導体層6)との間には、ゲート絶縁膜7が形成されている。ゲート絶縁膜7の材料は、上記したhigh−k材料と同じであり、その効果はNMISQNで説明したのと同じなので説明を省略する。また、本実施の形態においては、N型半導体層2bのチャネル形成領域にP型半導体層6を設け、PMISQPの動作時におけるチャネルがゲート絶縁膜7と半導体層2との界面ではなく、その界面よりも深い位置に形成されるようにしたことにより、キャリアである正孔は、ゲート絶縁膜7と半導体層2との界面の凹凸に邪魔されることなく、散乱してしまうこともなく、埋込チャネルを移動できる。すなわち、PMISQPのチャネルを流れる正孔の散乱を抑制または防止できるので、その正孔の移動度の低下を抑制または防止することができる。
【0028】
次に、本実施の形態1における半導体装置の配線部について説明する。なお、配線部の説明は、第1配線層までを示し、それ以上の層の説明は省略する。
【0029】
図1において、NMISQNおよびPMISQP上には、例えば酸化シリコンよりなる層間絶縁層30が形成されている。この層間絶縁層30には、NMISQNの高濃度N型不純物拡散層13、14、PMISQPの高濃度P型不純物拡散層15、16に達する孔が形成されている。NMISQNのソース層に達する孔には、窒化チタン膜31a、タングステン膜31bが埋め込まれてプラグ31が形成されており、NMISQNのドレイン層に達する孔には、窒化チタン膜32a、タングステン膜32bが埋め込まれてプラグ32が形成されている。また、PMISQPのソース層に達する孔には、窒化チタン膜33a、タングステン膜33bが埋め込まれてプラグ33が形成されており、PMISQPのドレイン層に達する孔には、窒化チタン膜34a、タングステン膜34bが埋め込まれてプラグ34が形成されている。プラグ31は、窒化チタン膜35a、タングステン膜35b、窒化チタン膜35cよりなる第1層配線35に接続されている。また、プラグ32およびプラグ33は、窒化チタン膜36a、タングステン膜36b、窒化チタン膜36cよりなる第1層配線36に接続されている。したがって、NMISQNのドレイン層とPMISQPのソース層が第1層配線36によって接続されておりCMIS(Complementary MIS)型素子が形成されている。また、プラグ34は、窒化チタン膜37a、タングステン膜37b、窒化チタン膜37cよりなる第1層配線37に接続されている。第1層配線35、第1層配線36、第1層配線37上には、例えば酸化シリコンよりなる層間絶縁層38が形成されている。
【0030】
次に、本実施の形態1の半導体装置の製造方法について図6〜図12を参照しながら説明する。図6〜図12は、本実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【0031】
まず、図6に示すように、シリコンよりなる半導体基板1A上に、熱酸化法を使用して酸化シリコンよりなる絶縁層1を形成する。次に、例えばP型不純物であるボロン(B)を含有する半導体基板を、半導体基板1Aの絶縁層1を形成した面に貼り合わせて熱処理をした後、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)技術により所定の厚さ(例えば100nmまたはそれ以上の厚さ)になるまで研磨することにより、半導体層2(第1半導体層の一例)を形成する。
【0032】
続いて、半導体層2上にCVD法を使用して窒化シリコン膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、窒化シリコン膜をパターニングする。その後、パターニングした窒化シリコン膜をマスクとして半導体層2のエッチングを行い、素子分離溝を形成する。そして、素子分離溝を形成した半導体層2上に、CVD法を使用して酸化シリコン膜を堆積する。
【0033】
次に、CMP技術を使用して素子分離溝以外に堆積した酸化シリコン膜を除去し、半導体層2の領域を分離する素子分離層4を形成する。続いて、半導体層2および素子分離層4上にレジスト膜を塗布し、露光、現像することによりパターニングする。このパターニングでは、PMIS形成領域が露出され、それ以外の領域が覆われるようなレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンから露出した領域にイオン注入法を使用して、例えばN型不純物であるリン(P)や砒素(As)を半導体層2に注入することにより、N型半導体層2b(第1半導体層の一例)を形成する。このようにして、いわゆるSOI(Silicon On Insulator)構造を形成することができる。
【0034】
次に、図7に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用してP型半導体層2aにN型不純物である砒素を注入した後、熱処理を施すことによりN型半導体層5(第2半導体層の一例)を形成する。同様に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用してN型半導体層2bにP型不純物であるボロンを注入した後、熱処理を施すことによりP型半導体層6(第2半導体層の一例)を形成する。
【0035】
続いて、図8に示すように、CVD法を使用して酸化シリコンより誘電率が高いhigh−k材料からなるゲート絶縁膜7をCVD法等により形成した後、CVD法を使用して、ポリシリコン膜8Aを堆積する。酸化シリコンより誘電率が高いhigh−k材料としては、例えばAl、ZrO、HfO、TiO、SiまたはTaなどが挙げられる。なお、ゲート絶縁膜7としてhigh−k材料を使用する例を示したが、ゲート絶縁膜7は、high−k膜と酸化シリコン膜の積層膜であってもよい。その後、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用して、NMISQN形成領域のポリシリコン膜8AにN型不純物であるリンや砒素などを注入する。同様に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用してPMISQP形成領域のポリシリコン膜8AにP型不純物であるボロンを注入する。ポリシリコン膜8Aの不純物は、それを堆積するときに導入しても良い。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用してポリシリコン膜8Aをパターニングし、図9に示すように、N型不純物を含むゲート電極8B、P型不純物を含むゲート電極8Cを形成する。
【0036】
次に、図10に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、N型不純物を注入して低濃度N型不純物拡散層9、10を形成した後、同様にフォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用して、P型不純物を注入した低濃度P型不純物拡散層11、12を形成する。
【0037】
続いて、CVD法を使用してゲート絶縁膜7およびゲート電極8B、8C上に窒化シリコン膜または酸化シリコン膜を堆積した後、異方性エッチングによりエッチバックをすることにより、図11に示すサイドウォール17、18を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、N型不純物を注入し高濃度N型不純物拡散層13、14を形成する。同様に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することによりP型不純物を注入し高濃度P型不純物拡散層15、16を形成する。
【0038】
次に、図12に示すように、ゲート絶縁膜7およびゲート電極8B、8C上に、CVD法を使用して酸化シリコンよりなる層間絶縁層30を形成後、NMISQNのソース層およびドレイン層に達する貫通孔を形成するとともにPMISQPのソース層およびドレイン層に達する貫通孔を形成する。
【0039】
続いて、形成した貫通孔にスパッタリング法を使用して窒化チタン膜31a、32a、33a、34aを形成した後、CVD法を使用してタングステン膜31b、32b、33b、34bを形成する。その後、CMP研磨を施すことにより、プラグ31、32、33、34を形成する。
【0040】
次に、図1に示すように、層間絶縁層30およびプラグ31、32、33、34上にスパッタリング法を使用して窒化チタン膜を形成後、CVD法を使用してタングステン膜を形成し、その後再びスパッタリング法を使用して窒化チタン膜を形成する。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、窒化チタン膜35a、タングステン膜35b、窒化チタン膜35cよりなる第1層配線35、窒化チタン膜36a、タングステン膜36b、窒化チタン膜36cよりなる第1層配線36、窒化チタン膜37a、タングステン膜37b、窒化チタン膜37cよりなる第1層配線37を形成する。その後、第1層配線35、第1層配線36、第1層配線37上に、CVD法を使用して酸化シリコンよりなる層間絶縁層38を形成する。このようにして、本実施の形態1における半導体装置を製造することができる。
【0041】
(実施の形態2)
本実施の形態2では、前記実施の形態1における半導体装置を前記実施の形態1で述べた製造方法と異なる方法で製造する場合について説明する。図13〜図24は本実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【0042】
まず、前記実施の形態1で述べた方法と同様にして、図13に示すように半導体基板1A上に絶縁層1を形成し、この絶縁層1上に素子分離層4で分離されたP型半導体層2aおよびN型半導体層2bを形成する。
【0043】
次に、図14に示すようにP型半導体層2a、N型半導体層2bおよび素子分離層4上に熱酸化法を使用して酸化シリコン膜よりなるダミーゲート絶縁膜21を形成する。そして、ダミーゲート絶縁膜21上にCVD法を使用してポリシリコン膜22Aを堆積する。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、ポリシリコン膜22Aをパターニングすることにより、図15に示すようにダミーゲート電極22を形成する。ここで、ポリシリコン膜22Aの代わりに窒化シリコン膜を堆積させてもよい。
【0044】
続いて、図16に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用して例えばN型不純物であるリンや砒素をP型半導体層2aに注入した後、熱処理を施すことにより低濃度N型不純物拡散層9、10を形成する。同様に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用してP型不純物であるボロンをN型半導体層2bに注入した後、熱処理を施すことにより低濃度P型不純物拡散層11、12を形成する。
【0045】
その後、ダミーゲート絶縁膜21およびダミーゲート電極22上にCVD法を使用して窒化シリコン膜を形成し、異方性エッチングを行うことにより図17に示すサイドウォール17、18を形成する。
【0046】
次に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、N型不純物であるリンや砒素を注入した後に熱処理を施すことにより高濃度N型不純物拡散層13、14を形成する。同様にフォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、P型不純物であるボロンを注入した後に熱処理を施すことにより高濃度P型不純物拡散層15、16を形成する。
【0047】
続いて、図18に示すように、半導体層2の素子形成面上にCVD法を使用して酸化シリコン膜23を堆積した後、CMP技術を使用して、ダミーゲート電極22の表面が露出される程度まで酸化シリコン膜23を研磨する。そして、図19に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、ダミーゲート電極22を除去する。その後、図20に示すように、ダミーゲート絶縁膜21および酸化シリコン膜23上にレジスト膜を塗布した後、露光、現像することによりレジスト膜のパターニングを行う。このパターニングでは、NMISQN形成領域にレジスト膜が残らないようにする。次に、イオン注入法を使用して、NMISQN形成領域にN型不純物であるリンや砒素を打ち込む。打ち込まれたリンや砒素は、P型半導体層2aのチャネル形成領域に注入され、その後の熱処理によって埋込チャネルを形成するためのN型半導体層5が形成される。
【0048】
次に、パターニングされたレジスト膜を除去した後、ダミーゲート絶縁膜21および酸化シリコン膜23上にレジスト膜を塗布した後、露光、現像することによりレジスト膜のパターニングを行う。このパターニングは、PMISQP形成領域にレジスト膜が残らないようにする。次に、イオン注入法を使用して、PMISQP形成領域にP型不純物であるボロンを打ち込む。打ち込まれたボロンは、N型半導体層2bのチャネル形成領域に注入され、その後の熱処理によって埋込チャネルを形成するためのP型半導体層6が形成される。
【0049】
続いて、レジスト膜を除去した後、図21に示すように、露出しているダミーゲート絶縁膜21をエッチングにより除去する。そして、図22に示すように、CVD法を使用して酸化シリコンより高い誘電率を有するhigh−k材料からなるhigh−k膜7AをCVD法等によって堆積する。酸化シリコンより高い誘電率を有するhigh−k材料としては、例えばAl、ZrO、HfO、TiO、SiまたはTaなどが挙げられる。
【0050】
次に、図23に示すように、CVD法を使用してhigh−k膜7A上にポリシリコン膜8Aを堆積した後、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用して、NMISQN形成領域のポリシリコン膜8AにN型不純物であるリンや砒素などを注入する。同様に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用してPMISQP形成領域のポリシリコン膜8AにP型不純物であるボロンを注入する。
【0051】
続いて、図24に示すように、CMP技術を使用してhigh−k膜7Aおよびポリシリコン膜8Aを研磨することにより、ゲート絶縁膜7、N型不純物が注入されたゲート電極8B、P型不純物が注入されたゲート電極8Cを形成する。ゲート電極8B,8Cとして、ポリシリコンを使用する例を示したが、高い熱処理を伴う拡散層形成後にゲート電極を形成するため、例えばタングステン(W)、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)などの金属を使用してもよい。この時、高温の熱処理を必要とする拡散層の形成が終わっているため、ゲート電極8Cに比較的融点の低い金属膜を用いたとしても、金属が融解する等の不良が発生することなく形成することができる。
【0052】
この後の工程は、実施の形態1で説明した内容と同じため省略する。このように本実施の形態2における半導体装置の製造方法によっても、前記実施の形態1における半導体装置を製造することができる。
【0053】
(実施の形態3)
図25は、本実施の形態3における半導体装置の要部断面図である。
【0054】
本実施の形態3では、NMISQNおよびPMISQPの非動作時に、ゲート電極8B,8C直下の半導体層2(N型半導体層5およびP型半導体層6)が完全に空乏化されるようになっている。すなわち、ゲート電極8B,8C直下の半導体層2では、半導体層2の主面から絶縁層1に到るまで完全に空乏化されるようになっている(完全空乏型)。このため、半導体層2は前記実施の形態1よりも薄く形成されており、その厚さは、例えば50nmまたはそれよりも薄く形成されている。このような完全空乏型のSOIでは、基板としてバルクを用いた場合または部分空乏型のSOIに比べて、例えば以下の効果が得られる。第1にバルクを使用した場合に比べて接合容量を低減できる。このため、負荷容量を低減できるので、高速動作、低消費電力のデバイスを開発でき、また、高周波動作時における信号伝達損失を低減できる。第2に、バルクを使用した場合に比べて基板バイアス効果を向上させることができる。第3に、部分空乏型に比べてサブスレッショルド係数を小さくすることができる。このため、同一のオフ電流を想定した場合、完全空乏型では、部分空乏型やバルクに比べて、しきい値電圧を0.1V程度小さくすることができ、低電圧動作の半導体装置における速度性能の向上を図ることができる。第4に、部分空乏型に比べて基板浮遊効果を小さくすることができる。このため、MISの動作安定性を向上させることができるので、回路およびレイアウトの設計を容易にすることができる。
【0055】
また、NMISQNのソースおよびドレイン用の低濃度N型不純物拡散層9、10および高濃度N型不純物拡散層(第2の領域)13、14と、PMISQPのソースおよびドレイン用の低濃度P型不純物拡散層11、12および高濃度P型不純物拡散層(第2の領域)15、16が半導体層2の表面から絶縁層1に達するまでに広がって形成されている。
【0056】
これ以外の構成は、前記実施の形態1,2と同様である。例えば本実施の形態3でも、ゲート絶縁膜7は、前記実施の形態1,2と同様にhigh−k材料を含む構成とされている。また、本実施の形態3においても、NMISQNおよびPMISQPの動作時には、キャリア(電子または正孔)の通り道であるチャネルが、ゲート絶縁膜7と半導体層2との接触界面ではなく、その接触界面よりも深い位置、ここでは絶縁層1と半導体層2との界面近傍に形成されるようになっている(埋込チャネル)。したがって、本実施の形態3のような完全空乏型のSOI構造を有する半導体装置でも、NMISQNおよびPMISQPのキャリア(電子または正孔)は、ゲート絶縁膜7と半導体層2との界面の凹凸に邪魔されることなく、また散乱してしまうこともなく、埋込チャネルを移動できる。すなわち、NMISQNおよびPMISQPのチャネルを流れるキャリアの散乱を抑制または防止できるので、そのキャリアの移動度の低下を抑制または防止することができる。
【0057】
次に、本実施の形態3における半導体装置の製造方法を説明する。
【0058】
まず、前記実施の形態1で述べた方法と同様にして、図26に示すように半導体基板1A上に絶縁層1を形成し、この絶縁層1上に素子分離層4で分離された厚さが約50nmまたはそれより薄い半導体層2を形成する。このようにして、いわゆるSOI構造を形成することができる。
【0059】
次に、図27に示すように、PMIS形成領域をレジスト膜24で覆った後、イオン注入法を使用してP型半導体層2にN型不純物であるリンまたは砒素を注入する。そして、熱処理を施すことにより埋込チャネルが形成されるN型半導体層5を形成する。本実施の形態においてN型半導体層5は、半導体層2の主面から絶縁層1に達するまでに及んで形成されている。ここで、イオン注入法では、深さ方向の厚さに応じて横方向の長さが制御される。すなわち、イオンを注入する深さ方向の厚さが薄ければ、それに応じてイオンが注入される横方向の長さも小さくすることができる。したがって、本実施の形態では、N型半導体層5の厚さが、例えば50nm以下というように薄く形成されているので、イオン注入法によって形成されるN型半導体層5の横方向の長さも短くすることができる。このため、NMISの微細化が可能となる。
【0060】
続いて、レジスト膜24を除去した後、図28に示すように、NMIS形成領域をレジスト膜25で覆った後、イオン注入法を使用して半導体層2にP型不純物であるボロンを注入する。そして、熱処理を施すことにより埋込チャネルが形成されるP型半導体層6を形成する。本実施の形態においてP型半導体層6は、半導体層2の主面から絶縁層1に達するまでに及んで形成されている。上記NMISと同様PMIS側でも微細化が可能である。
【0061】
次に、レジスト膜25を除去した後、図29に示すように、N型半導体層5およびP型半導体層6を含む半導体層2および素子分離層4上にCVD法を使用して、酸化シリコンより高い誘電率を有するhigh−k材料からなるゲート絶縁膜7を堆積する。そして、このゲート絶縁膜7上にCVD法を使用して、ポリシリコン膜8Aを形成した後、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用してNMISQN形成領域上に形成されたポリシリコン膜8AにN型不純物であるリンや砒素を注入する。同様に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用してPMISQP形成領域上に形成されたポリシリコン膜8AにP型不純物であるボロンを注入する。
【0062】
その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用してポリシリコン膜8Aをパターニングして、図30に示すゲート電極8B、8Cを形成する。続いて、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用して、低濃度N型不純物拡散層9、10および低濃度P型不純物拡散層11、12を形成する。
【0063】
次に、ゲート絶縁膜7上およびゲート電極8B、8C上にCVD法を使用して窒化シリコン膜を形成した後、異方性エッチングをすることにより、図25に示したサイドウォール17、18を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、N型不純物を注入し高濃度N型不純物拡散層13、14を形成する。同様に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することによりP型不純物を注入し高濃度P型不純物拡散層15、16を形成する。図31に、上記工程を経た本実施の形態3における半導体装置を上部から眺めた要部平面図を示す。図31において、NMISQNは、高濃度N型不純物拡散層13、14の間に、サイドウォール17が付いたゲート電極8Bがあり、PMISQPは、高濃度P型不純物拡散層15、16の間にサイドウォール18が付いたゲート電極8Cがあることが分かる。そして、NMISQNとPMISQPは、その周囲全体が素子分離層4によって、分離されていることが分かる。この後の工程は、前記実施の形態1と同じなので省略する。このようにして本実施の形態3における半導体装置を形成することができる。
【0064】
次に、本実施の形態3における半導体装置の変形例について説明する。図32は、変形例における半導体装置の構成を示した要部斜視図である。また、図33は図32のY1−Y1線の断面図を示し、図34は図32のX1−X1線の断面図を示している。半導体基板1A上には、絶縁層1が形成されており、この絶縁層1上には、半導体層2が島状に設けられている。この半導体層2には、NMISQNとPMISQPとが隣接されて形成されている。このNMISQNとPMISQPとの間には、素子分離層4が形成されている。素子分離層4は、半導体層2の主面から絶縁層1に達するように形成されている。このため、NMISQNとPMISQPとは、絶縁層1と素子分離層4とによって完全に分離されている。
【0065】
半導体層2の厚さdは、上記と同様に、例えば50nmまたはそれよりも薄く形成されており、完全空乏型のSOI構造とされている。もちろん前記実施の形態1と同様に部分空乏型のSOI構造としても良い。ここで、上記と特に異なっているのは、NMISQNおよびPMISQPのゲート絶縁膜7およびゲート電極8B,8Cは、半導体層2の上面と側面を覆うように形成されていることである。このため、NMISQNとPMISQPの各々の実効的なゲート幅(ゲート電極8B,8Cの長手方向の長さ)を、幅Wと厚さd×2との和(=W+2d)で表すことができる。すなわち、図25で示した構造のNMISQNおよびPMISQPのゲート幅よりも厚さd×2だけ長くすることができる。したがって、NMISQNおよびPMISQPの動作時に流れる電流を図25に示した構造のNMISQNおよびPMISQPよりも増大させることができる。したがって、NMISQNおよびPMISQPの動作速度の向上を図ることができる。ここでは、幅W>厚さdとした場合を例示したが、幅W<厚さdまたは幅W=厚さdとして図32のNMISQNおよびPMISQpと同じ実効的なゲート幅(W+2d)を得るようにしても良い。すなわち、MISの実効的なゲート幅は同じであるが、そのゲート幅を、平面的な幅Wで稼いでも良いし、半導体層2の厚さで稼いでも良し、幅Wと厚さdとを等しくして得ても良い。
【0066】
このような構造でもNMISQNおよびPMISQPのチャネルは、前記実施の形態1,2および図25で説明した例と同様に、ゲート絶縁膜7と半導体層2との界面よりも深い位置、半導体層2の側面ではゲート絶縁膜7と半導体層2の界面から離れた位置に形成される。したがって、この場合もNMISQNおよびPMISQPのキャリアの散乱を抑制または防止でき、キャリアの移動度の低下を抑制または防止できる。なお、ゲート電極8B,8C側面のサイドウォールの図示は省略する。
【0067】
(実施の形態4)
図35は本実施の形態4における半導体装置の要部斜視図、図36は図35のZ1−Z1線の断面図、図37は図35のZ2−Z2線の断面図、図38は図35のZ3−Z3線の断面図、図39は図35のY2−Y2線の断面図を示している。
【0068】
本実施の形態4では、絶縁層1上に半導体層2(N型半導体層2b)を介して円柱状の半導体層27が設けられており、その円柱状の半導体層27に、例えば縦型のNMISQNのチャネルが形成される構成を含む半導体装置の一例について説明する。ここではNMISを例示するが、PMISを形成しても良い。また、半導体層27は、円柱状に限定されるものではなく立方体状でも良い。
【0069】
半導体層27は、例えばシリコンからなり、N型半導体層(第2の領域)27a、N型半導体層(第2半導体層、第1の領域)5およびN型半導体層(第2の領域)27bが下層から順に重なるように形成されている。半導体層27a,27bは、MISのソースおよびドレイン用の半導体領域を形成する領域である。半導体層27a,27bには、例えばリンまたは砒素等のようなN型不純物が導入されている。このうち、最下層のN型半導体層27aは、半導体層2と電気的に接続されている。半導体層2は配線を通じて端子T1と電気的に接続されている。一方、最上層のN型半導体層27bは配線を通じて端子T2と電気的に接続されている。
【0070】
半導体層27の基部(半導体層27の底部からN半導体層27aの途中の高さ位置までの部分)には、その外周を覆うように絶縁層26が円筒状に形成されている。絶縁層26は、例えば酸化シリコンからなり、ゲート電極8Dと半導体層2とを離間させる機能を有している。また、半導体層27の基部よりも上方の部分には、その外周(特にN型半導体層5の外周)を覆うようにゲート絶縁膜7が円筒形状に形成されている。ゲート絶縁膜7は、前記実施の形態1〜3と同様のhigh−k材料で形成されている。さらに、半導体層27の外周には、その外周(特にN型半導体層5の外周)を覆うように上記ゲート絶縁膜7を介してゲート電極8Dが円筒形状に形成されている。ゲート電極8Dは、例えばN型ポリシリコンからなる。ゲート電極8Dは配線を通じて端子T3と電気的に接続されている。
【0071】
本実施の形態4においても、NMISQNの非動作時は、半導体層27の中間のN型半導体層5の全体は空乏化されている(完全空乏型)。一方、NMISの動作時(ゲート電極8Dに所定の動作電圧を印加した時)には、NMISQNのチャネルがゲート絶縁膜7と半導体層27との界面ではなく、その界面よりも深い位置、すなわち円柱状の半導体層27の中心軸からその外周に向かって形成されるような状態になる(埋込チャネル)。この場合、NMISQNのキャリアである電子は、円柱状の半導体層27の中心軸に沿うように(図29の上下方向に沿って)流れる。このため、キャリアである電子は、ゲート絶縁膜7と半導体層27との界面の凹凸に邪魔されることなく、また散乱してしまうこともなく、埋込チャネルを移動できる。すなわち、NMISQNのチャネルを流れる電子の散乱を抑制または防止できるので、その電子の移動度の低下を抑制または防止することができる。
【0072】
次に、本実施の形態4の半導体装置の製造方法を図40〜図43により説明する。なお、図40〜図43は、半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【0073】
まず、図40に示すように、シリコンよりなる半導体基板1A上に、熱酸化法を使用して酸化シリコンよりなる絶縁層1を形成する。次に、例えばN型不純物であるリンや砒素を導入した半導体基板を、半導体基板1Aの絶縁層1を形成した面に貼り合わせて熱処理をした後、CMP技術により所定の厚さになるまで研磨し半導体層2(N型半導体層2b)を形成する。
【0074】
続いて、図41に示すように、N型半導体層2b上に、リンまたは砒素などのN型不純物をドープした第1のアモルファスシリコン膜、相対的に不純物濃度が低くなるようにリンまたは砒素などのN型不純物をドープした第2のアモルファスシリコン膜および第1のアモルファスシリコンと同程度のリンまたは砒素などのN型不純物をドープした第3のアモルファスシリコン膜をCVD法等によって下方から順に堆積し、熱処理を行って、これらのアモルファスシリコン膜を結晶化する。アモルファスシリコン膜の結晶化は、後述するゲート絶縁膜の形成工程での熱処理などを利用しても良い。また、第1のアモルファスシリコン膜は、CVD法によって堆積させた後にN型不純物をイオン打ち込み法等によってドープし、その後に熱処理を加えることで形成してもよい。第2、第3のアモルファスシリコン膜についても同様である。
【0075】
続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチングすることにより半導体層27を円柱状にパターニングする。これにより、N型半導体層27a、N型半導体層5およびN型半導体層27bを有する円柱状の半導体層27を形成する。
【0076】
次に、SOI基板上に酸化シリコンよりなる絶縁層26をCVD法によって堆積した後、これをエッチバックすることにより、図42に示すように、半導体層27の基部に絶縁層26を形成する。その後、酸化シリコンより誘電率の高いhigh−k材料からなるゲート絶縁膜7をCVD法等により形成する。続いて、図43に示すようにゲート絶縁膜7を覆うように、N型ポリシリコン膜28をCVD法等により堆積した後、これをフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用してパターニングすることにより、図39等に示したようにゲート電極8Dを形成する。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して絶縁層26、N型半導体層2bを図39に示した形状にする。このようにして、本実施の形態4における半導体装置を形成することができる。
【0077】
本実施の形態4の変形例として半導体基板1Aの主面に他の素子(例えばMIS)を形成しても良い。例えばSRAMのメモリセルのドライバMISを半導体基板1の主面に形成する。SRAMのメモリセルの負荷MISまたは転送用MISを上記縦型のNMISQNで形成する。このドライバMISのソースまたはドレインは、配線を通じて縦型のNMISQNのソースまたはドレインの一方(すなわち、端子T1)と電気的に接続される。縦型のMISQNが転送用MISであれば、そのソースまたはドレインの他方(すなわち、端子T2)はデータ線と電気的に接続される。また、縦型のNMISQNのゲート電極8D(すなわち、端子T3)はワード線に電気的に接続される。また、この場合、絶縁層1は、配線層間の層間絶縁膜に相当する。
【0078】
以上、本発明者によってなされた発明を前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0079】
以上、本願によって開示される実施の形態のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【0080】
SOI構造をとることにより素子間の完全な絶縁分離を図ることができるので、素子の集積密度の向上を図ることができる。また、素子間の完全な絶縁分離を図ることができるため、半導体基板を介したクロストークやラッチアップ現象などによる誤動作の防止が可能となる。また、接合容量が低減されるため、高速動作、低消費電力の素子を形成することが可能となる。
【0081】
また、ゲート絶縁膜を酸化シリコン膜よりも誘電率の高いhigh−k材料により形成することにより、ゲート絶縁膜を薄くしなくてもMISの特性を上げるのに必要な容量を稼ぐことができる。したがって、ゲート絶縁膜の厚さをある程度確保できるので、ゲート電極とチャネルとの間に生ずるリーク電流を減少させることができる。
【0082】
また、high−k材料を含むゲート絶縁膜を有する電界効果トランジスタにおいて、本実施の形態のNMISQnによれば、N型半導体層5を形成することで、その動作時にゲート絶縁膜と半導体との界面よりも深い位置にチャネルが形成されるようにすることにより、電界効果トランジスタのチャネルを流れる電子の散乱を防止できる。
【0083】
また、SOI構造でゲート下の半導体層を完全空乏とすることで、基板としてバルクを用いた場合または部分空乏型のSOIに比べて、接合容量を低減できる。また、高周波動作時における信号伝達損失を低減できる。また、バルクを使用した場合に比べて基板バイアス効果を向上させることができる。また、部分空乏型に比べてサブスレッショルド係数を小さくすることができる。
【0084】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【0085】
チャネル形成領域を流れる電子の移動度の低下を抑制または防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における半導体装置の構成を示した要部断面図である。
【図2】ゲート絶縁膜直下に形成されたチャネルに電子が流れて散乱される様子を模式的に示した要部断面図である。
【図3】本発明の実施の形態1において、埋込チャネルに電子が流れる様子を模式的に示した要部断面図である。
【図4】本発明の実施の形態1における半導体装置の一部を示した要部断面図である。
【図5】シリコン表面から深さ方向に進んだ所定位置における不純物濃度のプロファイルを示したグラフ図である。
【図6】本発明の実施の形態1における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図7】本発明の実施の形態1における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図8】本発明の実施の形態1における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図9】本発明の実施の形態1における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図10】本発明の実施の形態1における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図11】本発明の実施の形態1における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図12】本発明の実施の形態1における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図13】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図14】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図15】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図16】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図17】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図18】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図19】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図20】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図21】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図22】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図23】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図24】本発明の実施の形態2における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図25】本発明の実施の形態3における半導体装置の構成を示した要部断面図である。
【図26】本発明の実施の形態3における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図27】本発明の実施の形態3における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図28】本発明の実施の形態3における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図29】本発明の実施の形態3における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図30】本発明の実施の形態3における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図31】本発明の実施の形態3における半導体装置を上部から眺めた要部平面図である。
【図32】本発明の実施の形態3の変形例における半導体装置の構成を示した要部斜視図である。
【図33】図32のY1−Y1線の断面図である。
【図34】図32のX1−X1線の断面図である。
【図35】本発明の実施の形態4における半導体装置の構成を示した斜視図である。
【図36】図35のZ1−Z1線の断面図である。
【図37】図35のZ2−Z2線の断面図である。
【図38】図35のZ3−Z3線の断面図である。
【図39】図35のY2−Y2線の断面図である。
【図40】本発明の実施の形態4における半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図41】図40に続く半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。
【図42】図41に続く半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。
【図43】図42に続く半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。
【符号の説明】
1A 半導体基板
1 絶縁層
2 半導体層(第1半導体層)
2a P型半導体層(第1半導体層)
2b N型半導体層(第1半導体層)
4 素子分離層
5 N型半導体層(第2半導体層、第1の領域)
6 P型半導体層(第2半導体層、第1の領域)
7 ゲート絶縁膜
7A high−k膜
8 ゲート電極
8A ポリシリコン膜
8B ゲート電極
8C ゲート電極
8D ゲート電極
9 低濃度N型不純物拡散層(第2の領域)
10 低濃度N型不純物拡散層(第2の領域)
11 低濃度P型不純物拡散層(第2の領域)
12 低濃度P型不純物拡散層(第2の領域)
13 高濃度N型不純物拡散層(第2の領域)
14 高濃度N型不純物拡散層(第2の領域)
15 高濃度P型不純物拡散層(第2の領域)
16 高濃度P型不純物拡散層(第2の領域)
17 サイドウォール
18 サイドウォール
21 ダミーゲート絶縁膜
22 ダミーゲート電極
22A ポリシリコン膜
23 酸化シリコン膜
24 レジスト膜
25 レジスト膜
26 絶縁層
27 半導体層
28 N型ポリシリコン膜
30 層間絶縁層
31 プラグ
31a 窒化チタン膜
31b タングステン膜
32 プラグ
32a 窒化チタン膜
32b タングステン膜
33 プラグ
33a 窒化チタン膜
33b タングステン膜
34 プラグ
34a 窒化チタン膜
34b タングステン膜
35 第1層配線
35a 窒化チタン膜
35b タングステン膜
35c 窒化チタン膜
36 第1層配線
36a 窒化チタン膜
36b タングステン膜
36c 窒化チタン膜
37 第1層配線
37a 窒化チタン膜
37b タングステン膜
37c 窒化チタン膜
38 層間絶縁膜
QN Nチャネル型のMIS・FET
QP Pチャネル型のMIS・FET
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a technology for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor device using a material having a higher dielectric constant than silicon oxide for a gate insulating film and a technology effective when applied to a technology for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
For example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-150668, for the purpose of mainly reducing the resistance of a fine gate electrode and improving the gate depletion rate, metal is used instead of polysilicon in which an impurity is introduced into the gate electrode. There is an example using. In order to prevent a rise in threshold voltage when a metal is used for the gate electrode, a buried channel structure is formed to realize a low threshold voltage.
[0003]
Further, in a current semiconductor device manufacturing technique, a silicon oxide film (SiO 2) is used as a gate insulating film of a metal oxide semiconductor (MOS) element. 2 ) Is used. In recent years, miniaturization of MOS devices has been promoted in order to achieve high integration of semiconductor devices. However, as the miniaturization of MOS devices progresses, it is necessary to make the gate insulating film thinner.
[0004]
However, when the silicon oxide film as the gate insulating film is thinned, a tunnel current is generated between the gate electrode and the channel formation region due to a tunnel effect, and a leak current is increased. When the leakage current increases, there is a problem that power consumption increases.
[0005]
Therefore, by using a material having a higher dielectric constant than the oxide film (hereinafter, referred to as a high-k material), the thickness of the gate insulating film is increased while maintaining the same capacitance. When the thickness of the gate insulating film is increased, no tunnel current is generated between the gate electrode and the channel formation region, and the above problem can be solved.
[0006]
As an example of a MOS type device using a high-k material for a gate insulating film, for example, L.K. Kang et al. , IEDM Tech. Dig. , 35 (2000).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the above-described high-k material is used for the gate insulating film, there is a problem that the mobility of electrons flowing in a channel formation region formed immediately below the gate insulating film is deteriorated. That is, when a high-k material is used for the gate insulating film, the flatness of the surface of the gate insulating film is significantly reduced, and electrons flowing in a channel formation region adjacent to the gate insulating film are scattered. For this reason, there is a problem that the mobility of electrons decreases and the current flowing through the channel formation region decreases.
[0008]
An object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing or preventing a decrease in the mobility of electrons flowing in a channel formation region even when a high-k material is used for a gate insulating film.
[0009]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0011]
According to the present invention, in a field effect transistor having a gate insulating film containing a high-k material, a channel is formed at a position deeper than an interface between the gate insulating film and a semiconductor during operation.
[0012]
Further, the present invention provides (a) a first semiconductor layer into which impurities of a first conductivity type are introduced, and (b) a gate insulating film formed on the first semiconductor layer and containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide. (C) a gate electrode formed on the gate insulating film, and (d) a layer formed in a channel formation region in the first semiconductor layer immediately below the gate electrode, the first conductivity type being included. And a second semiconductor layer into which impurities of a different conductivity type are introduced.
[0013]
Further, the present invention provides (a) a step of forming a first semiconductor layer into which an impurity of a first conductivity type is introduced, and (b) a step of forming a channel formation region of the first semiconductor layer having a conductivity type different from the first conductivity type. Forming a second semiconductor layer by introducing impurities, (c) forming a gate insulating film containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide on the second semiconductor layer, and (d) forming the gate. Forming a gate electrode on the insulating film.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for describing the embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and the repeated description thereof will be omitted. In the present embodiment, a MIS • FET (Metal Insulator Field Effect Transistor) representing a field effect transistor is abbreviated as MIS, a P-channel MIS • FET is abbreviated as PMIS, and an N-channel MIS • FET is represented as PMIS. Is abbreviated as NMIS.
[0015]
(Embodiment 1)
The semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a main part sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. In FIG. 1, the element portion of the semiconductor device according to the first embodiment has NMISQN in which an N-type channel is formed and PMISQP in which a P-type channel is formed.
[0016]
The semiconductor substrate 1A is made of, for example, single crystal silicon (Si), and the insulating layer 1 is formed on the semiconductor substrate 1A. The insulating layer 1 is made of, for example, silicon oxide. On the insulating layer 1, a semiconductor layer (first semiconductor) including a P-type semiconductor layer 2a as a component of NMISQN and an N-type semiconductor layer 2b as a component of PMISQP is provided. One example of a layer) 2 is formed. The thickness of the semiconductor layer 2 is, for example, 100 nm or more. A P-type impurity such as boron (B) is introduced into the P-type semiconductor layer 2a. An N-type impurity such as phosphorus or arsenic (As) is introduced into the N-type semiconductor layer 2b. NMISQN and PMISQP are formed on the main surfaces of the P-type semiconductor layer 2a and the N-type semiconductor layer 2b, respectively. The NMISQN and the PMISQP are separated from each other by the element isolation layer 4. The element isolation layer 4 is formed by embedding an insulating film made of, for example, silicon oxide or the like in a trench dug in the semiconductor layer 2 (a trench isolation structure). The lower portion of the element isolation layer 4 is formed so as to reach the insulating layer 1, and has a structure in which NMISQN and PMISQP are completely separated. With such an SOI (Silicon On Insulator) structure, complete isolation between elements can be achieved, so that the integration density of elements can be improved. In addition, since complete isolation between elements can be achieved, malfunction due to crosstalk, latch-up phenomenon, and the like via the semiconductor substrate 1A can be prevented. Further, since the junction capacitance is reduced, it is possible to form an element with high speed operation and low power consumption.
[0017]
Next, a structural example of the NMISQN will be described as follows. The NMISQN includes a P-type semiconductor layer 2a, an N-type semiconductor layer 5 (an example of a second semiconductor layer), a gate insulating film 7, a gate electrode 8B, a low-concentration N-type impurity diffusion layer (second region) 9, 10, It has concentration N-type impurity diffusion layers (second regions) 13 and 14 and sidewalls 17. This NMISQN is formed on the insulating layer 1 and has an SOI (Silicon On Insulator) structure. In the P-type semiconductor layer 2a immediately below the gate electrode 8B between the low-concentration N-type impurity diffusion layers (second regions) 9 and 10 for source and drain in the semiconductor layer 2, the surface thereof is transferred to the insulating layer 1. The reaching region is the first region, and an NMISQN channel is formed in a part of the first region.
[0018]
The gate electrode 8B of the NMISQN is made of, for example, N-type polysilicon, and sidewalls 17 are formed on both side surfaces thereof. In the semiconductor layer 2 (P-type semiconductor layer 2a), low-concentration N-type impurity diffusion layers 9 and 10 and high-concentration N-type impurities forming source and drain semiconductor regions of NMISQN are located at positions corresponding to both sides of the gate electrode 8B. Diffusion layers 13 and 14 are formed. That is, a source region including the low concentration N-type impurity diffusion layer 9 and the high concentration N-type impurity diffusion layer 13 and a drain region including the low concentration N-type impurity diffusion layer 10 and the high concentration N-type impurity diffusion layer 14 are formed. ing. N-type impurities such as phosphorus (P) or arsenic (As) are introduced into the low-concentration N-type impurity diffusion layers 9 and 10 and the high-concentration N-type impurity diffusion layers 13 and 14. The low-concentration N-type impurity diffusion layers 9 and 10 near the channel formation region (the operation region of the P-type semiconductor layer 2a immediately below the gate electrode 8B) have a lower impurity concentration than the high-concentration N-type impurity diffusion layers 13 and 14. It has a function of reducing generation of hot carriers due to relaxation of electric field concentration.
[0019]
In the P-type semiconductor layer 2a, in the channel formation region immediately below the gate electrode 8B, the N-type semiconductor layer 5 is formed so as to be sandwiched between the low-concentration N-type impurity diffusion layers 9 and 10. An N-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) is introduced into the N-type semiconductor layer 5, for example. When the NMIS QN is not operating (when no operating voltage is applied to the gate electrode 8B), a depletion layer is formed in the P-type semiconductor layer 2a immediately below the gate electrode 8B. However, the depletion layer does not reach the insulating layer 1, and has a configuration in which a neutral region (P-type semiconductor layer 2a) with many carriers exists between the depletion layer and the insulating layer 1 (partial depletion). Type). In such a partially depleted SOI, for example, the following effects can be obtained as compared with a case where a bulk is used as a substrate. First, the junction capacitance can be reduced. For this reason, since the load capacity can be reduced, a device that operates at high speed and consumes low power can be developed. Further, signal transmission loss during high frequency operation can be reduced. Second, the substrate bias effect can be improved. Third, the same process as that for the bulk can be applied to setting of the threshold value and formation of the silicide layer at the source and drain. On the other hand, when the NMISQN operates (when a predetermined operation voltage is applied to the gate electrode 8B), a channel is formed near the boundary between the N-type semiconductor layer 5 and the P-type semiconductor layer 2a. That is, in the present embodiment, by providing the N-type semiconductor layer 5, the channel through which electrons pass is formed not at the contact interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 2, but at a position deeper than the contact interface. (Embedded channel). The effect of this will be described later.
[0020]
A gate insulating film 7 is formed between the gate electrode 8B and the semiconductor layer 2 (the N-type semiconductor layer 5 of the P-type semiconductor layer 2a). The gate insulating film 7 is made of, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), Zirconium oxide (ZrO) 2 ), Hafnium oxide (HfO 2 ), Titanium oxide (TiO) 2 ), Silicon nitride (Si 3 N 4 ) Or tantalum oxide (Ta) 2 O 5 ), Etc. are formed from a high-k material. By forming the gate insulating film 7 from a high-k material in this manner, it is possible to increase the capacity required for improving the characteristics of the MIS without making the gate insulating film 7 thin. Therefore, since the thickness of the gate insulating film 7 can be secured to some extent, a leak current generated between the gate electrode 8B and the channel can be reduced. However, when a high-k material is used as the material of the gate insulating film 7, the flatness of the surface of the semiconductor layer 2 in contact with the gate insulating film 7 is reduced as compared with the case where silicon oxide is used as the material of the gate insulating film 7. I do. Therefore, if the channel of the NMISQN is formed at the interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 2, that is, a so-called surface channel is formed, electrons flowing through the channel will not pass through the gate insulating film 7 and the semiconductor. As a result of scattering due to unevenness at the interface with the layer 2, the mobility of electrons decreases, and the driving current amount of the NMISQN decreases. On the other hand, in the present embodiment, the N-type semiconductor layer 5 is provided in the channel formation region of the P-type semiconductor layer 2a, and the channel of the NMISQN is not at the interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 2, but at the interface thereof. By being formed at a deeper position, the electrons serving as carriers can be buried without being disturbed by the unevenness of the interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 2 and without being scattered. Can move channels. That is, since scattering of electrons flowing through the channel of the NMISQN can be suppressed or prevented, a decrease in the mobility of the electrons can be suppressed or prevented.
[0021]
FIG. 2 schematically illustrates a state in which electrons flow through the surface channel in a surface channel type NMIS in which the gate insulating film 7 is formed of a high-k material. The contact interface between the gate insulating film 7 using a high-k material and the semiconductor layer 2 has low flatness and unevenness. In this NMIS, since a channel is formed on the surface of the P-type semiconductor layer 2a, when electrons move through the channel, the electrons are scattered by the unevenness existing on the gate insulating film 7 and the surface of the P-type semiconductor layer 2a. . Therefore, the mobility of electrons is reduced and the current is reduced.
[0022]
On the other hand, FIG. 3 schematically shows how electrons flow through the buried channel in the NMISQN according to the first embodiment. In the NMISQN according to the first embodiment, the N-type semiconductor layer 5 is provided in the channel formation region immediately below the gate insulating film 7, so that when a voltage is applied to the gate electrode 8B, the N-type semiconductor layer 5 and the P-type semiconductor A buried channel is formed near the boundary with the layer 2a (interface region). That is, the electrons do not move directly below the gate insulating film 7 as shown in FIG. 2, but flow into a region deeper than immediately below the gate insulating film 7 as shown in FIG. That is, since the electrons flow in a place not in contact with the gate insulating film 7, the electrons can flow in the channel without being scattered by the unevenness existing on the surface of the gate insulating film 7. For this reason, according to NMISQN in the first embodiment, it is possible to suppress or prevent a decrease in electron mobility.
[0023]
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the NMISQN according to the first embodiment. FIG. 5 is a graph showing an impurity concentration profile at a predetermined position in the depth direction from the silicon surface A in FIG. It is shown. That is, FIG. 5 shows the impurity concentration distribution of the N-type semiconductor layer 5 forming the buried channel. As can be seen from FIG. 5, a maximum of 1.0 × 10 18 (1 / cm 3 ) With an impurity concentration of 1.0) and a maximum of 1.0 × 10 17 (1 / cm 3 It can be seen that boron (B) having an impurity concentration of (a) is introduced. By introducing impurities as described above, the N-type semiconductor layer 5 can be formed.
[0024]
Next, the configuration of the PMISQP will be described. The PMISQP shown in FIG. 1 includes an N-type semiconductor layer 2b, a P-type semiconductor layer 6 (an example of a second semiconductor layer), a gate insulating film 7, a gate electrode 8C, a low-concentration P-type impurity diffusion layer (second region) 11 , 12, high-concentration P-type impurity diffusion layers (second regions) 15, 16, and sidewalls 18. In the N-type semiconductor layer 2b immediately below the gate electrode 8C between the low-concentration P-type impurity diffusion layers (second regions) 11 and 12 for source and drain in the semiconductor layer 2, the surface thereof is transferred to the insulating layer 1. The reaching region is the first region, and a PMISQP channel is formed in a part of the first region.
[0025]
The gate electrode 8C of the PMISQP is made of, for example, P-type polysilicon, and sidewalls 18 are formed on both side surfaces thereof. In the semiconductor layer 2 (N-type semiconductor layer 2b), the low-concentration P-type impurity diffusion layers 11 and 12 and the high-concentration P-type impurity which constitute the source and drain semiconductor regions of the PMISQP are located at positions corresponding to both sides of the gate electrode 8C. Diffusion layers 15 and 16 are formed. That is, a source region including the low-concentration P-type impurity diffusion layer 11 and the high-concentration P-type impurity diffusion layer 15 and a drain region including the low-concentration P-type impurity diffusion layer 12 and the high-concentration P-type impurity diffusion layer 16 are formed. ing. P-type impurities such as boron (B) are introduced into the low-concentration P-type impurity diffusion layers 11 and 12 and the high-concentration P-type impurity diffusion layers 15 and 16. The low-concentration P-type impurity diffusion layers 11 and 12 (close to the operating region of the N-type semiconductor layer 2b immediately below the electrode 8C) have a lower impurity concentration than the high-concentration P-type impurity diffusion layers 15 and 16; It has a function of reducing generation of hot carriers due to relaxation of concentration.
[0026]
In the N-type semiconductor layer 2b, the P-type semiconductor layer 6 is formed in the channel formation region immediately below the gate electrode 8B so as to be sandwiched between the low-concentration P-type impurity diffusion layers 11 and 12. A P-type impurity such as boron (B) is introduced into the P-type semiconductor layer 6. When the PMISQP is not operating (when the operating voltage is not applied to the gate electrode 8C), a depletion layer is formed in the channel formation region (N-type semiconductor layer 2b) immediately below the gate electrode 8C. However, the depletion layer does not reach the insulating layer 1 and has a configuration in which a neutral region (N-type semiconductor layer 2b) with many carriers exists between the depletion layer and the insulating layer 1 (partial depletion). Type). In such a partially depleted SOI, the above-described effects can be obtained as compared with a case where a bulk is used as a substrate. On the other hand, when the PMISQP operates (when a predetermined operation voltage is applied to the gate electrode 8C), a channel is formed near the boundary between the P-type semiconductor layer 6 and the N-type semiconductor layer 2b. That is, in the present embodiment, by providing the P-type semiconductor layer 6, the channel, which is a path for electrons, is formed not at the contact interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 2 but at a position deeper than the contact interface. (Embedded channel). Therefore, in the case of PMISQP as well, like NMISQN, scattering of carriers due to unevenness at the contact interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 2 can be suppressed or prevented, and a decrease in carrier mobility can be suppressed or prevented.
[0027]
A gate insulating film 7 is formed between the gate electrode 8C and the semiconductor layer 2 (P-type semiconductor layer 6 of N-type semiconductor layer 2b). The material of the gate insulating film 7 is the same as the above-described high-k material, and its effect is the same as that described for NMISQN, and thus the description is omitted. Further, in the present embodiment, the P-type semiconductor layer 6 is provided in the channel formation region of the N-type semiconductor layer 2b, and the channel during the operation of the PMISQP is not at the interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 2, but at the interface thereof. By forming the holes at a deeper position, the holes serving as carriers are buried without being disturbed by the unevenness of the interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 2 and without being scattered. You can move the inbound channel. That is, since scattering of holes flowing through the PMISQP channel can be suppressed or prevented, a decrease in the mobility of the holes can be suppressed or prevented.
[0028]
Next, a wiring portion of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. Note that the description of the wiring section shows up to the first wiring layer, and the description of the further layers is omitted.
[0029]
In FIG. 1, an interlayer insulating layer 30 made of, for example, silicon oxide is formed on NMISQN and PMISQP. In this interlayer insulating layer 30, holes reaching the high concentration N-type impurity diffusion layers 13 and 14 of NMISQN and the high concentration P-type impurity diffusion layers 15 and 16 of PMISQP are formed. In the hole reaching the source layer of NMISQN, a titanium nitride film 31a and a tungsten film 31b are buried to form a plug 31, and in the hole reaching the drain layer of NMISQN, a titanium nitride film 32a and a tungsten film 32b are buried. Thus, a plug 32 is formed. In a hole reaching the source layer of the PMISQP, a titanium nitride film 33a and a tungsten film 33b are embedded to form a plug 33. In a hole reaching the drain layer of the PMISQP, a titanium nitride film 34a and a tungsten film 34b are formed. Is embedded to form a plug 34. The plug 31 is connected to a first layer wiring 35 composed of a titanium nitride film 35a, a tungsten film 35b, and a titanium nitride film 35c. Further, the plug 32 and the plug 33 are connected to a first layer wiring 36 composed of a titanium nitride film 36a, a tungsten film 36b, and a titanium nitride film 36c. Therefore, the drain layer of NMISQN and the source layer of PMISQP are connected by the first layer wiring 36, and a CMIS (Complementary MIS) type element is formed. The plug 34 is connected to a first layer wiring 37 made of a titanium nitride film 37a, a tungsten film 37b, and a titanium nitride film 37c. On the first layer wiring 35, the first layer wiring 36, and the first layer wiring 37, an interlayer insulating layer 38 made of, for example, silicon oxide is formed.
[0030]
Next, a method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 6 to 12 are fragmentary cross-sectional views of the semiconductor device of First Embodiment during manufacturing steps.
[0031]
First, as shown in FIG. 6, an insulating layer 1 made of silicon oxide is formed on a semiconductor substrate 1A made of silicon by using a thermal oxidation method. Next, a semiconductor substrate containing, for example, boron (B), which is a P-type impurity, is bonded to the surface of the semiconductor substrate 1A on which the insulating layer 1 is formed and subjected to heat treatment, and then, for example, is subjected to a predetermined method by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) technique. (For example, 100 nm or more) to form the semiconductor layer 2 (an example of a first semiconductor layer).
[0032]
Subsequently, after a silicon nitride film is formed on the semiconductor layer 2 using a CVD method, the silicon nitride film is patterned using a photolithography technique and an etching technique. Thereafter, the semiconductor layer 2 is etched using the patterned silicon nitride film as a mask to form element isolation trenches. Then, a silicon oxide film is deposited on the semiconductor layer 2 in which the element isolation trench is formed by using the CVD method.
[0033]
Next, the silicon oxide film deposited on portions other than the isolation trenches is removed by using the CMP technique, and an isolation layer 4 for isolating the region of the semiconductor layer 2 is formed. Subsequently, a resist film is applied on the semiconductor layer 2 and the element isolation layer 4, and is patterned by exposing and developing. In this patterning, a resist pattern is formed so that the PMIS formation region is exposed and other regions are covered. Then, for example, phosphorus (P) or arsenic (As), which is an N-type impurity, is implanted into the semiconductor layer 2 by using an ion implantation method in a region exposed from the resist pattern, so that the N-type semiconductor layer 2b (first An example of a semiconductor layer) is formed. Thus, a so-called SOI (Silicon On Insulator) structure can be formed.
[0034]
Next, as shown in FIG. 7, arsenic, which is an N-type impurity, is implanted into the P-type semiconductor layer 2a using a photolithography technique and an ion implantation method, and then heat treatment is applied to the N-type semiconductor layer 5 (the 2 example). Similarly, after boron, which is a P-type impurity, is implanted into the N-type semiconductor layer 2b using a photolithography technique and an ion implantation method, the P-type semiconductor layer 6 (an example of the second semiconductor layer) is subjected to heat treatment. Form.
[0035]
Subsequently, as shown in FIG. 8, a gate insulating film 7 made of a high-k material having a dielectric constant higher than that of silicon oxide is formed by a CVD method by a CVD method or the like. A silicon film 8A is deposited. As a high-k material having a higher dielectric constant than silicon oxide, for example, Al 2 O 3 , ZrO 2 , HfO 2 , TiO 2 , Si 3 N 4 Or Ta 2 O 5 And the like. Although an example in which a high-k material is used as the gate insulating film 7 is described, the gate insulating film 7 may be a stacked film of a high-k film and a silicon oxide film. Thereafter, phosphorus or arsenic, which is an N-type impurity, is implanted into the polysilicon film 8A in the NMISQN formation region using a photolithography technique and an ion implantation method. Similarly, boron, which is a P-type impurity, is implanted into the polysilicon film 8A in the PMIS QP formation region using a photolithography technique and an ion implantation method. The impurity of the polysilicon film 8A may be introduced when depositing it. Subsequently, the polysilicon film 8A is patterned by using a photolithography technique and an etching technique to form a gate electrode 8B containing an N-type impurity and a gate electrode 8C containing a P-type impurity as shown in FIG.
[0036]
Next, as shown in FIG. 10, by using a photolithography technique and an ion implantation method, an N-type impurity is implanted to form low-concentration N-type impurity diffusion layers 9 and 10. Then, low-concentration P-type impurity diffusion layers 11 and 12 in which P-type impurities are implanted are formed by using an ion implantation method.
[0037]
Subsequently, after depositing a silicon nitride film or a silicon oxide film on the gate insulating film 7 and the gate electrodes 8B and 8C using the CVD method, the silicon nitride film or the silicon oxide film is etched back by anisotropic etching. The walls 17 and 18 are formed. Then, by using a photolithography technique and an ion implantation method, N-type impurities are implanted to form high-concentration N-type impurity diffusion layers 13 and 14. Similarly, P-type impurities are implanted by using a photolithography technique and an ion implantation method to form high-concentration P-type impurity diffusion layers 15 and 16.
[0038]
Next, as shown in FIG. 12, an interlayer insulating layer 30 made of silicon oxide is formed on the gate insulating film 7 and the gate electrodes 8B and 8C by using the CVD method, and reaches the source layer and the drain layer of NMISQN. A through hole is formed and a through hole reaching the source and drain layers of the PMISQP is formed.
[0039]
Subsequently, after forming the titanium nitride films 31a, 32a, 33a, and 34a in the formed through holes by using the sputtering method, the tungsten films 31b, 32b, 33b, and 34b are formed by using the CVD method. Thereafter, the plugs 31, 32, 33, and 34 are formed by performing CMP polishing.
[0040]
Next, as shown in FIG. 1, a titanium nitride film is formed on the interlayer insulating layer 30 and the plugs 31, 32, 33, and 34 using a sputtering method, and then a tungsten film is formed using a CVD method. Thereafter, a titanium nitride film is formed again by using the sputtering method. Subsequently, using a photolithography technique and an etching technique, a first layer wiring 35 composed of a titanium nitride film 35a, a tungsten film 35b, and a titanium nitride film 35c, a titanium nitride film 36a, a tungsten film 36b, and a titanium nitride film 36c are formed. A first layer wiring 37 including a first layer wiring 36, a titanium nitride film 37a, a tungsten film 37b, and a titanium nitride film 37c is formed. Thereafter, an interlayer insulating layer 38 made of silicon oxide is formed on the first layer wiring 35, the first layer wiring 36, and the first layer wiring 37 by using the CVD method. Thus, the semiconductor device according to the first embodiment can be manufactured.
[0041]
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a case where the semiconductor device in the first embodiment is manufactured by a method different from the manufacturing method described in the first embodiment will be described. 13 to 24 are fragmentary cross-sectional views of the semiconductor device of Second Embodiment during manufacturing steps.
[0042]
First, in the same manner as described in the first embodiment, an insulating layer 1 is formed on a semiconductor substrate 1A as shown in FIG. The semiconductor layer 2a and the N-type semiconductor layer 2b are formed.
[0043]
Next, as shown in FIG. 14, a dummy gate insulating film 21 made of a silicon oxide film is formed on the P-type semiconductor layer 2a, the N-type semiconductor layer 2b and the element isolation layer 4 by using a thermal oxidation method. Then, a polysilicon film 22A is deposited on the dummy gate insulating film 21 by using the CVD method. Thereafter, the dummy gate electrode 22 is formed by patterning the polysilicon film 22A using a photolithography technique and an etching technique, as shown in FIG. Here, a silicon nitride film may be deposited instead of the polysilicon film 22A.
[0044]
Subsequently, as shown in FIG. 16, for example, phosphorus or arsenic, which is an N-type impurity, is implanted into the P-type semiconductor layer 2 a using a photolithography technique and an ion implantation method, and then heat treatment is performed so that the low-concentration N-type The impurity diffusion layers 9 and 10 are formed. Similarly, after boron, which is a P-type impurity, is implanted into the N-type semiconductor layer 2b using a photolithography technique and an ion implantation method, heat treatment is performed to form the low-concentration P-type impurity diffusion layers 11, 12.
[0045]
Thereafter, a silicon nitride film is formed on the dummy gate insulating film 21 and the dummy gate electrode 22 by using the CVD method, and anisotropic etching is performed to form sidewalls 17 and 18 shown in FIG.
[0046]
Next, high-concentration N-type impurity diffusion layers 13 and 14 are formed by using a photolithography technique and an ion implantation method, and then performing heat treatment after implanting phosphorus or arsenic, which are N-type impurities. Similarly, by using a photolithography technique and an ion implantation method, high-concentration P-type impurity diffusion layers 15 and 16 are formed by performing heat treatment after implanting boron as a P-type impurity.
[0047]
Subsequently, as shown in FIG. 18, after a silicon oxide film 23 is deposited on the element formation surface of the semiconductor layer 2 by using the CVD method, the surface of the dummy gate electrode 22 is exposed by using the CMP technique. Polish the silicon oxide film 23 to a certain extent. Then, as shown in FIG. 19, the dummy gate electrode 22 is removed using a photolithography technique and an etching technique. Thereafter, as shown in FIG. 20, after a resist film is applied on the dummy gate insulating film 21 and the silicon oxide film 23, the resist film is patterned by exposing and developing. In this patterning, no resist film is left in the NMISQN formation region. Next, phosphorus or arsenic, which is an N-type impurity, is implanted into the NMISQN formation region by using an ion implantation method. The implanted phosphorus or arsenic is injected into the channel formation region of the P-type semiconductor layer 2a, and the N-type semiconductor layer 5 for forming the buried channel is formed by the subsequent heat treatment.
[0048]
Next, after removing the patterned resist film, a resist film is applied on the dummy gate insulating film 21 and the silicon oxide film 23, and the resist film is patterned by exposing and developing. This patterning prevents the resist film from remaining in the PMISQP formation region. Next, boron, which is a P-type impurity, is implanted into the PMISQP formation region by using an ion implantation method. The implanted boron is injected into a channel formation region of the N-type semiconductor layer 2b, and a heat treatment thereafter forms a P-type semiconductor layer 6 for forming a buried channel.
[0049]
Then, after removing the resist film, as shown in FIG. 21, the exposed dummy gate insulating film 21 is removed by etching. Then, as shown in FIG. 22, a high-k film 7A made of a high-k material having a higher dielectric constant than silicon oxide is deposited by a CVD method or the like using a CVD method. As a high-k material having a higher dielectric constant than silicon oxide, for example, Al 2 O 3 , ZrO 2 , HfO 2 , TiO 2 , Si 3 N 4 Or Ta 2 O 5 And the like.
[0050]
Next, as shown in FIG. 23, a polysilicon film 8A is deposited on the high-k film 7A using the CVD method, and then the polysilicon in the NMISQN formation region is formed using the photolithography technique and the ion implantation method. An N-type impurity such as phosphorus or arsenic is implanted into the film 8A. Similarly, boron, which is a P-type impurity, is implanted into the polysilicon film 8A in the PMIS QP formation region using a photolithography technique and an ion implantation method.
[0051]
Subsequently, as shown in FIG. 24, the high-k film 7A and the polysilicon film 8A are polished by using the CMP technique, so that the gate insulating film 7, the gate electrode 8B in which the N-type impurity is implanted, and the P-type A gate electrode 8C into which impurities are implanted is formed. Although an example in which polysilicon is used as the gate electrodes 8B and 8C has been described, since a gate electrode is formed after forming a diffusion layer accompanied by high heat treatment, for example, tungsten (W), molybdenum (Mo), cobalt (Co), or the like is used. Metals may be used. At this time, since the formation of the diffusion layer requiring high-temperature heat treatment has been completed, even if a metal film having a relatively low melting point is used for the gate electrode 8C, it is formed without causing defects such as melting of the metal. can do.
[0052]
Subsequent steps are the same as those described in the first embodiment, and a description thereof will be omitted. Thus, the semiconductor device according to the first embodiment can also be manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment.
[0053]
(Embodiment 3)
FIG. 25 is a cross-sectional view of a main part of the semiconductor device according to the third embodiment.
[0054]
In the third embodiment, when NMISQN and PMISQP are not operating, the semiconductor layer 2 (N-type semiconductor layer 5 and P-type semiconductor layer 6) immediately below the gate electrodes 8B and 8C is completely depleted. . That is, the semiconductor layer 2 immediately below the gate electrodes 8B and 8C is completely depleted from the main surface of the semiconductor layer 2 to the insulating layer 1 (fully depleted type). For this reason, the semiconductor layer 2 is formed thinner than in the first embodiment, and has a thickness of, for example, 50 nm or thinner. In such a fully depleted SOI, for example, the following effects can be obtained as compared with a case where a bulk is used as a substrate or a partially depleted SOI. First, the junction capacitance can be reduced as compared with the case where a bulk is used. For this reason, since the load capacity can be reduced, a device with high speed operation and low power consumption can be developed, and signal transmission loss during high frequency operation can be reduced. Second, the substrate bias effect can be improved as compared with the case where a bulk is used. Third, the subthreshold coefficient can be reduced as compared with the partially depleted type. Therefore, assuming the same off-state current, the threshold voltage of the fully depleted type can be reduced by about 0.1 V as compared with the partially depleted type or the bulk, and the speed performance of a semiconductor device operating at a low voltage can be reduced. Can be improved. Fourth, the floating effect of the substrate can be reduced as compared with the partially depleted type. For this reason, the operation stability of the MIS can be improved, so that the circuit and layout design can be facilitated.
[0055]
Also, low-concentration N-type impurity diffusion layers 9 and 10 and high-concentration N-type impurity diffusion layers (second regions) 13 and 14 for source and drain of NMISQN, and low-concentration P-type impurity for source and drain of PMISQP The diffusion layers 11 and 12 and the high-concentration P-type impurity diffusion layers (second regions) 15 and 16 are formed to extend from the surface of the semiconductor layer 2 to the insulating layer 1.
[0056]
Other configurations are the same as those of the first and second embodiments. For example, also in the third embodiment, the gate insulating film 7 is configured to include a high-k material as in the first and second embodiments. Also in the third embodiment, during the operation of the NMISQN and the PMISQP, the channel through which carriers (electrons or holes) pass is not at the contact interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 2 but at the contact interface. Deeper, here near the interface between the insulating layer 1 and the semiconductor layer 2 (buried channel). Therefore, even in a semiconductor device having a fully depleted SOI structure as in the third embodiment, carriers (electrons or holes) of NMISQN and PMISQP interfere with unevenness at the interface between gate insulating film 7 and semiconductor layer 2. The buried channel can be moved without being scattered and scattered. That is, scattering of carriers flowing through the NMISQN and PMISQP channels can be suppressed or prevented, so that a decrease in the mobility of the carriers can be suppressed or prevented.
[0057]
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment will be described.
[0058]
First, an insulating layer 1 is formed on a semiconductor substrate 1A as shown in FIG. 26 in the same manner as in the method described in the first embodiment. Forms a semiconductor layer 2 of about 50 nm or thinner. Thus, a so-called SOI structure can be formed.
[0059]
Next, as shown in FIG. 27, after covering the PMIS formation region with a resist film 24, phosphorus or arsenic, which is an N-type impurity, is implanted into the P-type semiconductor layer 2 using an ion implantation method. Then, an N-type semiconductor layer 5 in which a buried channel is formed by heat treatment is formed. In the present embodiment, N-type semiconductor layer 5 is formed from the main surface of semiconductor layer 2 to insulating layer 1. Here, in the ion implantation method, the length in the lateral direction is controlled according to the thickness in the depth direction. That is, if the thickness in the depth direction for implanting ions is small, the length in the horizontal direction for implanting ions can be correspondingly reduced. Therefore, in the present embodiment, since the thickness of the N-type semiconductor layer 5 is formed as thin as, for example, 50 nm or less, the lateral length of the N-type semiconductor layer 5 formed by the ion implantation method is also reduced. can do. For this reason, miniaturization of the NMIS becomes possible.
[0060]
Subsequently, after removing the resist film 24, as shown in FIG. 28, the NMIS formation region is covered with a resist film 25, and then boron as a P-type impurity is implanted into the semiconductor layer 2 by using an ion implantation method. . Then, a P-type semiconductor layer 6 in which a buried channel is formed by heat treatment is formed. In the present embodiment, P-type semiconductor layer 6 is formed from the main surface of semiconductor layer 2 to insulation layer 1. Like the above NMIS, miniaturization is possible on the PMIS side.
[0061]
Next, after removing the resist film 25, as shown in FIG. 29, the silicon oxide is formed on the semiconductor layer 2 including the N-type semiconductor layer 5 and the P-type semiconductor layer 6 and the element isolation layer 4 by using the CVD method. A gate insulating film 7 made of a high-k material having a higher dielectric constant is deposited. Then, a polysilicon film 8A is formed on the gate insulating film 7 by using the CVD method, and then the polysilicon film 8A formed on the NMISQN formation region is formed by using the photolithography technique and the ion implantation method. Phosphorus and arsenic, which are mold impurities, are implanted. Similarly, using a photolithography technique and an ion implantation method, boron, which is a P-type impurity, is implanted into the polysilicon film 8A formed on the PMISQP formation region.
[0062]
Thereafter, the polysilicon film 8A is patterned by using a photolithography technique and an etching technique to form gate electrodes 8B and 8C shown in FIG. Subsequently, low-concentration N-type impurity diffusion layers 9 and 10 and low-concentration P-type impurity diffusion layers 11 and 12 are formed using a photolithography technique and an ion implantation method.
[0063]
Next, after a silicon nitride film is formed on the gate insulating film 7 and the gate electrodes 8B and 8C by using the CVD method, the sidewalls 17 and 18 shown in FIG. Form. Then, by using a photolithography technique and an ion implantation method, N-type impurities are implanted to form high-concentration N-type impurity diffusion layers 13 and 14. Similarly, P-type impurities are implanted by using a photolithography technique and an ion implantation method to form high-concentration P-type impurity diffusion layers 15 and 16. FIG. 31 is a plan view of a main part of the semiconductor device according to the third embodiment having undergone the above steps, as viewed from above. In FIG. 31, NMISQN has a gate electrode 8B with a sidewall 17 between the high-concentration N-type impurity diffusion layers 13 and 14, and PMISQP has a side electrode between the high-concentration P-type impurity diffusion layers 15 and 16. It can be seen that there is a gate electrode 8C with a wall 18. Further, it can be seen that the entire periphery of NMISQN and PMISQP is separated by the element separation layer 4. Subsequent steps are the same as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted. Thus, the semiconductor device according to the third embodiment can be formed.
[0064]
Next, a modified example of the semiconductor device according to the third embodiment will be described. FIG. 32 is a main part perspective view showing the configuration of a semiconductor device according to a modification. FIG. 33 is a sectional view taken along line Y1-Y1 in FIG. 32, and FIG. 34 is a sectional view taken along line X1-X1 in FIG. An insulating layer 1 is formed on a semiconductor substrate 1A, and a semiconductor layer 2 is provided on the insulating layer 1 in an island shape. In this semiconductor layer 2, NMISQN and PMISQP are formed adjacent to each other. An element isolation layer 4 is formed between the NMIS QN and the PMIS QP. The element isolation layer 4 is formed so as to reach the insulating layer 1 from the main surface of the semiconductor layer 2. Therefore, NMISQN and PMISQP are completely separated by the insulating layer 1 and the element isolation layer 4.
[0065]
The thickness d of the semiconductor layer 2 is formed, for example, to be 50 nm or thinner as described above, and has a fully depleted SOI structure. Of course, similarly to the first embodiment, a partially depleted SOI structure may be used. Here, the difference from the above is that the gate insulating film 7 and the gate electrodes 8B and 8C of NMISQN and PMISQP are formed so as to cover the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 2. Therefore, the effective gate width of each of NMISQN and PMISQP (the length in the longitudinal direction of gate electrodes 8B and 8C) can be represented by the sum of width W and thickness d × 2 (= W + 2d). That is, it can be made longer by the thickness d × 2 than the gate width of NMISQN and PMISQP having the structure shown in FIG. Therefore, the current flowing during the operation of NMISQN and PMISQP can be made larger than that of NMISQN and PMISQP having the structure shown in FIG. Therefore, the operation speed of NMISQN and PMISQP can be improved. Here, the case where width W> thickness d is illustrated, but assuming that width W <thickness d or width W = thickness d, the same effective gate width (W + 2d) as NMISQN and PMISQp in FIG. 32 is obtained. You may do it. That is, although the effective gate width of the MIS is the same, the gate width may be obtained by the planar width W, or may be obtained by the thickness of the semiconductor layer 2. You may get it equally.
[0066]
Even in such a structure, the channels of the NMISQN and the PMISQP are located deeper than the interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 2 and the semiconductor layer 2 in the same manner as in the first and second embodiments and the example described with reference to FIG. On the side surface, it is formed at a position away from the interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 2. Therefore, also in this case, scattering of carriers of NMISQN and PMISQP can be suppressed or prevented, and a decrease in carrier mobility can be suppressed or prevented. The illustration of the side walls on the side surfaces of the gate electrodes 8B and 8C is omitted.
[0067]
(Embodiment 4)
35 is a perspective view of a main part of the semiconductor device according to the fourth embodiment, FIG. 36 is a sectional view taken along line Z1-Z1 in FIG. 35, FIG. 37 is a sectional view taken along line Z2-Z2 in FIG. 35, and FIG. 35 is a sectional view taken along line Z3-Z3, and FIG. 39 is a sectional view taken along line Y2-Y2 in FIG.
[0068]
In the fourth embodiment, a columnar semiconductor layer 27 is provided on the insulating layer 1 via the semiconductor layer 2 (N-type semiconductor layer 2b). An example of a semiconductor device including a structure in which an NMISQN channel is formed is described. Here, NMIS is exemplified, but PMIS may be formed. Further, the semiconductor layer 27 is not limited to a columnar shape, but may be a cubic shape.
[0069]
The semiconductor layer 27 is made of, for example, silicon + Semiconductor layer (second region) 27a, N-type semiconductor layer (second semiconductor layer, first region) 5 and N + The type semiconductor layer (second region) 27b is formed so as to sequentially overlap from the lower layer. The semiconductor layers 27a and 27b are regions where semiconductor regions for the source and drain of the MIS are formed. An N-type impurity such as, for example, phosphorus or arsenic is introduced into the semiconductor layers 27a and 27b. Of these, the lowest N + The type semiconductor layer 27a is electrically connected to the semiconductor layer 2. The semiconductor layer 2 is electrically connected to the terminal T1 through a wiring. On the other hand, the uppermost N + The type semiconductor layer 27b is electrically connected to the terminal T2 through a wiring.
[0070]
The base of the semiconductor layer 27 (N from the bottom of the semiconductor layer 27) + An insulating layer 26 is formed in a cylindrical shape so as to cover the outer periphery of the semiconductor layer 27a (the portion up to the height position in the middle of the semiconductor layer 27a). The insulating layer 26 is made of, for example, silicon oxide and has a function of separating the gate electrode 8D from the semiconductor layer 2. A gate insulating film 7 is formed in a cylindrical shape above the base of the semiconductor layer 27 so as to cover the outer periphery thereof (particularly, the outer periphery of the N-type semiconductor layer 5). The gate insulating film 7 is formed of the same high-k material as in the first to third embodiments. Further, on the outer periphery of the semiconductor layer 27, a gate electrode 8D is formed in a cylindrical shape via the gate insulating film 7 so as to cover the outer periphery (in particular, the outer periphery of the N-type semiconductor layer 5). The gate electrode 8D is made of, for example, N-type polysilicon. The gate electrode 8D is electrically connected to the terminal T3 through a wiring.
[0071]
Also in the fourth embodiment, when NMISQN is not operating, the entire N-type semiconductor layer 5 in the middle of the semiconductor layer 27 is depleted (fully depleted type). On the other hand, during the operation of the NMIS (when a predetermined operating voltage is applied to the gate electrode 8D), the channel of the NMISQN is not at the interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 27, but at a position deeper than the interface, that is, the circle. The columnar semiconductor layer 27 is formed such that it is formed from the central axis toward the outer periphery thereof (buried channel). In this case, electrons that are carriers of NMISQN flow along the central axis of the columnar semiconductor layer 27 (along the vertical direction in FIG. 29). Therefore, electrons as carriers can move through the buried channel without being disturbed by the unevenness of the interface between the gate insulating film 7 and the semiconductor layer 27 and without being scattered. That is, since scattering of electrons flowing through the channel of the NMISQN can be suppressed or prevented, a decrease in the mobility of the electrons can be suppressed or prevented.
[0072]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 40 to 43 are main-portion cross-sectional views of the semiconductor device during the manufacturing process thereof.
[0073]
First, as shown in FIG. 40, an insulating layer 1 made of silicon oxide is formed on a semiconductor substrate 1A made of silicon by using a thermal oxidation method. Next, a semiconductor substrate into which, for example, phosphorus or arsenic, which is an N-type impurity, has been introduced, is bonded to the surface of the semiconductor substrate 1A on which the insulating layer 1 is formed, and heat-treated, and then polished to a predetermined thickness by a CMP technique. Then, a semiconductor layer 2 (N-type semiconductor layer 2b) is formed.
[0074]
Subsequently, as shown in FIG. 41, a first amorphous silicon film doped with an N-type impurity such as phosphorus or arsenic is formed on the N-type semiconductor layer 2b. A second amorphous silicon film doped with an N-type impurity and a third amorphous silicon film doped with an N-type impurity such as phosphorus or arsenic, which are substantially the same as the first amorphous silicon, are sequentially deposited from below by a CVD method or the like. Then, heat treatment is performed to crystallize these amorphous silicon films. The crystallization of the amorphous silicon film may be performed by a heat treatment in a step of forming a gate insulating film described later. Alternatively, the first amorphous silicon film may be formed by doping an N-type impurity by an ion implantation method or the like after depositing by a CVD method, and then applying a heat treatment. The same applies to the second and third amorphous silicon films.
[0075]
Subsequently, the semiconductor layer 27 is patterned into a column by photolithography and etching. This gives N + Semiconductor layer 27a, N-type semiconductor layer 5 and N + A columnar semiconductor layer 27 having a type semiconductor layer 27b is formed.
[0076]
Next, an insulating layer 26 made of silicon oxide is deposited on the SOI substrate by the CVD method, and is etched back to form the insulating layer 26 on the base of the semiconductor layer 27 as shown in FIG. Thereafter, a gate insulating film 7 made of a high-k material having a higher dielectric constant than silicon oxide is formed by a CVD method or the like. Subsequently, as shown in FIG. 43, an N-type polysilicon film 28 is deposited by a CVD method or the like so as to cover the gate insulating film 7, and is patterned by using a photolithography technique and an etching technique. The gate electrode 8D is formed as shown in FIG. Subsequently, the insulating layer 26 and the N-type semiconductor layer 2b are formed into a shape shown in FIG. 39 by using a photolithography technique and an etching technique. Thus, the semiconductor device according to the fourth embodiment can be formed.
[0077]
As a modification of the fourth embodiment, another element (for example, MIS) may be formed on the main surface of the semiconductor substrate 1A. For example, a driver MIS of an SRAM memory cell is formed on the main surface of the semiconductor substrate 1. The load MIS or the transfer MIS of the memory cell of the SRAM is formed by the vertical NMISQN. The source or drain of the driver MIS is electrically connected to one of the source and drain (that is, the terminal T1) of the vertical NMIS QN through a wiring. If the vertical MISQN is a transfer MIS, the other of the source and the drain (that is, the terminal T2) is electrically connected to the data line. The gate electrode 8D of the vertical NMISQN (that is, the terminal T3) is electrically connected to a word line. In this case, the insulating layer 1 corresponds to an interlayer insulating film between wiring layers.
[0078]
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and can be variously modified without departing from the gist thereof. Needless to say.
[0079]
The effects obtained by the typical embodiments of the embodiments disclosed in the present application will be briefly described below.
[0080]
With the SOI structure, complete isolation between elements can be achieved, so that the integration density of elements can be improved. Further, since complete isolation between elements can be achieved, malfunction due to crosstalk, latch-up phenomenon, and the like via the semiconductor substrate can be prevented. Further, since the junction capacitance is reduced, it is possible to form an element with high speed operation and low power consumption.
[0081]
In addition, by forming the gate insulating film from a high-k material having a higher dielectric constant than the silicon oxide film, a capacity required for improving the characteristics of the MIS can be obtained without reducing the thickness of the gate insulating film. Therefore, since the thickness of the gate insulating film can be secured to some extent, a leak current generated between the gate electrode and the channel can be reduced.
[0082]
In the field effect transistor having a gate insulating film containing a high-k material, according to the NMISQn of the present embodiment, the N-type semiconductor layer 5 is formed so that the interface between the gate insulating film and the semiconductor can be formed during the operation. By forming a channel at a deeper position, scattering of electrons flowing through the channel of the field-effect transistor can be prevented.
[0083]
Further, by completely depleting the semiconductor layer below the gate in the SOI structure, the junction capacitance can be reduced as compared with a case where a bulk is used as a substrate or a partially depleted SOI. Further, signal transmission loss during high frequency operation can be reduced. Further, the substrate bias effect can be improved as compared with the case where a bulk is used. Further, the subthreshold coefficient can be reduced as compared with the partially depleted type.
[0084]
【The invention's effect】
The effects obtained by typical aspects of the invention disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0085]
A decrease in mobility of electrons flowing through the channel formation region can be suppressed or prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a fragmentary cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part schematically showing a state where electrons flow and are scattered in a channel formed immediately below a gate insulating film.
FIG. 3 is a fragmentary cross-sectional view schematically showing how electrons flow in a buried channel in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an essential part cross sectional view showing a part of the semiconductor device in the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a graph showing a profile of an impurity concentration at a predetermined position proceeding in a depth direction from a silicon surface.
FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 7 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of First Embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 8 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of First Embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 9 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 10 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of First Embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 11 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 12 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of First Embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 13 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 14 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 15 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 16 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 17 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 18 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 19 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 20 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 21 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 22 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 23 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 24 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 25 is an essential part cross sectional view showing the configuration of a semiconductor device in Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 26 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof;
FIG. 27 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof;
FIG. 28 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment of the present invention during a manufacturing step;
FIG. 29 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof;
FIG. 30 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof;
FIG. 31 is a main part plan view of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, as viewed from above;
FIG. 32 is an essential part perspective view showing the configuration of a semiconductor device in a modification of Embodiment 3 of the present invention;
FIG. 33 is a sectional view taken along line Y1-Y1 of FIG. 32;
FIG. 34 is a sectional view taken along line X1-X1 of FIG. 32;
FIG. 35 is a perspective view showing a configuration of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
36 is a sectional view taken along line Z1-Z1 in FIG.
FIG. 37 is a sectional view taken along line Z2-Z2 in FIG.
38 is a sectional view taken along line Z3-Z3 in FIG.
39 is a sectional view taken along line Y2-Y2 of FIG.
FIG. 40 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device of Fourth Embodiment during a manufacturing step thereof;
FIG. 41 is an essential part cross sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 40;
FIG. 42 is an essential part cross sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 41;
FIG. 43 is an essential part cross sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 42;
[Explanation of symbols]
1A Semiconductor substrate
1 insulating layer
2 Semiconductor layer (first semiconductor layer)
2a P-type semiconductor layer (first semiconductor layer)
2b N-type semiconductor layer (first semiconductor layer)
4 Device isolation layer
5 N-type semiconductor layer (second semiconductor layer, first region)
6 P-type semiconductor layer (second semiconductor layer, first region)
7 Gate insulating film
7A high-k membrane
8 Gate electrode
8A polysilicon film
8B Gate electrode
8C gate electrode
8D gate electrode
9 Low concentration N-type impurity diffusion layer (second region)
10 Low concentration N-type impurity diffusion layer (second region)
11 Low concentration P-type impurity diffusion layer (second region)
12 Low-concentration P-type impurity diffusion layer (second region)
13 High-concentration N-type impurity diffusion layer (second region)
14 High-concentration N-type impurity diffusion layer (second region)
15 High-concentration P-type impurity diffusion layer (second region)
16 High-concentration P-type impurity diffusion layer (second region)
17 Sidewall
18 Sidewall
21 Dummy gate insulating film
22 Dummy gate electrode
22A polysilicon film
23 Silicon oxide film
24 Resist film
25 Resist film
26 Insulation layer
27 Semiconductor layer
28 N-type polysilicon film
30 interlayer insulation layer
31 plug
31a Titanium nitride film
31b Tungsten film
32 plug
32a Titanium nitride film
32b tungsten film
33 plug
33a Titanium nitride film
33b Tungsten film
34 plug
34a Titanium nitride film
34b tungsten film
35 First layer wiring
35a Titanium nitride film
35b Tungsten film
35c titanium nitride film
36 First layer wiring
36a Titanium nitride film
36b Tungsten film
36c titanium nitride film
37 First layer wiring
37a Titanium nitride film
37b Tungsten film
37c titanium nitride film
38 Interlayer insulation film
QNN N-channel type MIS • FET
QP P-channel type MIS • FET

Claims (27)

(a)第1導電型の第1半導体層と、
(b)前記第1半導体層上に形成され、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜と、
(c)前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
(d)前記ゲート電極直下の前記第1半導体層内に形成され、前記第1導電型とは異なる第2導電型にされた第2半導体層とを備えることを特徴とする半導体装置。
(A) a first semiconductor layer of a first conductivity type;
(B) a gate insulating film formed on the first semiconductor layer and containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(C) a gate electrode formed on the gate insulating film;
(D) a second semiconductor layer formed in the first semiconductor layer immediately below the gate electrode and having a second conductivity type different from the first conductivity type.
(a)絶縁層と、
(b)前記絶縁層上に形成された第1導電型の第1半導体層と、
(c)前記第1半導体層上に形成され、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜と、
(d)前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
(e)前記ゲート電極直下の前記第1半導体層内に形成され、前記第1導電型とは異なる第2導電型にされた第2半導体層とを備えることを特徴とする半導体装置。
(A) an insulating layer;
(B) a first semiconductor layer of a first conductivity type formed on the insulating layer;
(C) a gate insulating film formed on the first semiconductor layer and containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(D) a gate electrode formed on the gate insulating film;
(E) a second semiconductor layer formed in the first semiconductor layer immediately below the gate electrode and having a second conductivity type different from the first conductivity type.
(a)絶縁層と、
(b)前記絶縁層上に形成された第1導電型の第1半導体層と、
(c)前記第1半導体層上に形成され、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜と、
(d)前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
(e)前記第1半導体層の前記ゲート電極の直下に形成された第1の領域と、
(f)前記第1半導体層の前記第1の領域の両側に形成された第2の領域とを有する電界効果トランジスタを備え、
前記電界効果トランジスタのチャネルが、前記第1の領域において、前記ゲート絶縁膜と前記第1半導体層との界面から離れた位置に形成されるようにしたことを特徴とする半導体装置。
(A) an insulating layer;
(B) a first semiconductor layer of a first conductivity type formed on the insulating layer;
(C) a gate insulating film formed on the first semiconductor layer and containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(D) a gate electrode formed on the gate insulating film;
(E) a first region formed immediately below the gate electrode in the first semiconductor layer;
(F) a field effect transistor having a second region formed on both sides of the first region of the first semiconductor layer;
A semiconductor device, wherein a channel of the field effect transistor is formed in the first region at a position apart from an interface between the gate insulating film and the first semiconductor layer.
(a)絶縁層と、
(b)前記絶縁層上に形成された第1導電型の第1半導体層と、
(c)前記第1半導体層上に形成され、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜と、
(d)前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
(e)前記第1半導体層の前記ゲート電極の直下に形成された第1の領域と、
(f)前記第1半導体層の前記第1の領域の両側に形成されたソースおよびドレイン用の第2の領域とを有する電界効果トランジスタを備え、
前記電界効果トランジスタの動作時に前記第1の領域に埋込チャネルが形成されるようにしたことを特徴とする半導体装置。
(A) an insulating layer;
(B) a first semiconductor layer of a first conductivity type formed on the insulating layer;
(C) a gate insulating film formed on the first semiconductor layer and containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(D) a gate electrode formed on the gate insulating film;
(E) a first region formed immediately below the gate electrode in the first semiconductor layer;
(F) a field effect transistor having source and drain second regions formed on both sides of the first region of the first semiconductor layer,
A semiconductor device, wherein a buried channel is formed in the first region when the field effect transistor operates.
(a)絶縁層と、
(b)前記絶縁層上に形成された第1導電型の第1半導体層と、
(c)前記第1半導体層上に形成され、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜と、
(d)前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
(e)前記第1半導体層の前記ゲート電極の直下に形成された第1の領域と、
(f)前記第1半導体層の前記第1の領域の両側に形成された第2の領域とを有する電界効果トランジスタを備え、
前記第1の領域の一部が、前記電界効果トランジスタの非動作時に空乏化していることを特徴とする半導体装置。
(A) an insulating layer;
(B) a first semiconductor layer of a first conductivity type formed on the insulating layer;
(C) a gate insulating film formed on the first semiconductor layer and containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(D) a gate electrode formed on the gate insulating film;
(E) a first region formed immediately below the gate electrode in the first semiconductor layer;
(F) a field effect transistor having a second region formed on both sides of the first region of the first semiconductor layer;
A semiconductor device, wherein a part of the first region is depleted when the field effect transistor is not operating.
(a)絶縁層と、
(b)前記絶縁層上に形成された第1導電型の第1半導体層と、
(c)前記第1半導体層上に形成され、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜と、
(d)前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
(e)前記第1半導体層の前記ゲート電極の直下に形成された第1の領域と、
(f)前記第1半導体層の前記第1の領域の両側に形成された第2の領域とを有する電界効果トランジスタを備え、
前記第1の領域の全部が、前記電界効果トランジスタの非動作時に空乏化していることを特徴とする半導体装置。
(A) an insulating layer;
(B) a first semiconductor layer of a first conductivity type formed on the insulating layer;
(C) a gate insulating film formed on the first semiconductor layer and containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(D) a gate electrode formed on the gate insulating film;
(E) a first region formed immediately below the gate electrode in the first semiconductor layer;
(F) a field effect transistor having a second region formed on both sides of the first region of the first semiconductor layer;
A semiconductor device, wherein the entire first region is depleted when the field effect transistor is not operating.
(a)柱状の半導体層と、
(b)前記柱状の半導体層に形成された第1の領域と、
(c)前記柱状の半導体層の前記第1の領域の両側に形成された第2の領域と、
(d)前記柱状の半導体層の外周を覆うように形成された絶縁膜であって、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜と、
(e)前記柱状の半導体層の前記第1の領域の外周の少なくとも一部を前記ゲート絶縁膜を介して覆うように形成されたゲート電極とを有する電界効果トランジスタを備え、
前記電界効果トランジスタのチャネルが、前記第1の領域において、前記ゲート絶縁膜と前記柱状の半導体層との界面から離れた位置に形成されるようにしたことを特徴とする半導体装置。
(A) a columnar semiconductor layer;
(B) a first region formed in the columnar semiconductor layer;
(C) second regions formed on both sides of the first region of the columnar semiconductor layer;
(D) an insulating film formed so as to cover the outer periphery of the columnar semiconductor layer, wherein the gate insulating film includes a material having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(E) a field effect transistor having a gate electrode formed so as to cover at least a part of the outer periphery of the first region of the columnar semiconductor layer via the gate insulating film;
A semiconductor device, wherein a channel of the field effect transistor is formed in the first region at a position away from an interface between the gate insulating film and the columnar semiconductor layer.
(a)柱状の半導体層と、
(b)前記柱状の半導体層に形成された第1の領域と、
(c)前記柱状の半導体層の前記第1の領域の両側に形成されたソースおよびドレイン用の第2の領域と、
(d)前記柱状の半導体層の外周を覆うように形成された絶縁膜であって、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜と、
(e)前記柱状の半導体層の前記第1の領域の外周の少なくとも一部を前記ゲート絶縁膜を介して覆うように形成されたゲート電極とを有する電界効果トランジスタを備え、
前記電界効果トランジスタのチャネルが、前記柱状の半導体層の中心軸側に形成されるようにしたことを特徴とする半導体装置。
(A) a columnar semiconductor layer;
(B) a first region formed in the columnar semiconductor layer;
(C) second regions for source and drain formed on both sides of the first region of the columnar semiconductor layer;
(D) an insulating film formed so as to cover the outer periphery of the columnar semiconductor layer, wherein the gate insulating film includes a material having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(E) a field effect transistor having a gate electrode formed so as to cover at least a part of the outer periphery of the first region of the columnar semiconductor layer via the gate insulating film;
A semiconductor device, wherein a channel of the field effect transistor is formed on a center axis side of the columnar semiconductor layer.
請求項7または8に記載された半導体装置において、
前記第1の領域の全部が、前記電界効果トランジスタの非動作時に空乏化していることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 7, wherein
A semiconductor device, wherein the entire first region is depleted when the field effect transistor is not operating.
請求項1〜9のいずれか一項に記載された半導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、窒化シリコンまたは酸化タンタルのいずれかを含むことを特徴とする半導体装置。10. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film contains any one of aluminum oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, titanium oxide, silicon nitride, and tantalum oxide. 11. Semiconductor device. 請求項1〜10のいずれか一項に記載された半導体装置において、前記ゲート電極は、N型ポリシリコン、P型ポリシリコンまたは金属のいずれかを含むことを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode includes one of N-type polysilicon, P-type polysilicon, and a metal. (a)第1導電型の第1半導体層を形成する工程と、
(b)前記第1半導体層の第1の領域に第1導電型とは異なる第2導電型の第2半導体層を形成する工程と、
(c)前記第2半導体層上に酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記ゲート絶縁膜上に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) forming a first semiconductor layer of a first conductivity type;
(B) forming a second semiconductor layer of a second conductivity type different from the first conductivity type in a first region of the first semiconductor layer;
(C) forming a gate insulating film including a material having a higher dielectric constant than silicon oxide on the second semiconductor layer;
(D) forming a gate electrode on the gate insulating film.
(a)絶縁層上に第1導電型の第1半導体層を形成した基板を用意する工程と、
(b)前記第1半導体層の第1の領域に前記第1導電型と異なる第2導電型の第2半導体層を形成する工程と、
(c)前記第2半導体層上に、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記ゲート絶縁膜上に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) preparing a substrate having a first conductive type first semiconductor layer formed on an insulating layer;
(B) forming a second semiconductor layer of a second conductivity type different from the first conductivity type in a first region of the first semiconductor layer;
(C) forming a gate insulating film including a material having a higher dielectric constant than silicon oxide on the second semiconductor layer;
(D) forming a gate electrode on the gate insulating film.
(a)絶縁層上に第1導電型の第1半導体層を形成した基板を用意する工程と、
(b)前記第1半導体層に電界効果トランジスタを形成する工程とを有し、
前記電界効果トランジスタの形成工程は、
(b1)前記第1半導体層上に、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b2)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
(b3)前記第1半導体層の前記ゲート電極の直下の第1の領域の両側に所定の不純物を導入することにより、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2の領域を形成する工程と、
(b4)前記電界効果トランジスタのチャネルが、前記第1の領域において、前記ゲート絶縁膜と前記第1半導体層との界面から離れた位置に形成されるように前記第1の領域に不純物を導入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) preparing a substrate having a first conductive type first semiconductor layer formed on an insulating layer;
(B) forming a field-effect transistor in the first semiconductor layer;
The step of forming the field-effect transistor,
(B1) forming a gate insulating film containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide on the first semiconductor layer;
(B2) forming a gate electrode on the gate insulating film;
(B3) forming a second region of a second conductivity type different from the first conductivity type by introducing predetermined impurities into both sides of the first region of the first semiconductor layer directly below the gate electrode; The process of
(B4) Injecting impurities into the first region so that a channel of the field effect transistor is formed in the first region at a position away from an interface between the gate insulating film and the first semiconductor layer. And a method of manufacturing a semiconductor device.
(a)絶縁層上に第1導電型の第1半導体層を形成した基板を用意する工程と、
(b)前記第1半導体層に電界効果トランジスタを形成する工程とを有し、
前記電界効果トランジスタの形成工程は、
(b1)前記第1半導体層上に、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b2)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
(b3)前記第1半導体層の前記ゲート電極の直下の第1の領域の両側に所定の不純物を導入することにより、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2の領域を形成する工程と、
(b4)前記電界効果トランジスタのチャネルが、前記第1の領域において、前記ゲート絶縁膜と前記第1半導体層との界面から離れた位置に形成されるように前記第1の領域に不純物を導入する工程とを有し、
前記第1半導体層は、前記電界効果トランジスタの非動作時に前記第1の領域の一部が空乏化されるような厚さに形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(A) preparing a substrate having a first conductive type first semiconductor layer formed on an insulating layer;
(B) forming a field-effect transistor in the first semiconductor layer;
The step of forming the field-effect transistor,
(B1) forming a gate insulating film containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide on the first semiconductor layer;
(B2) forming a gate electrode on the gate insulating film;
(B3) forming a second region of a second conductivity type different from the first conductivity type by introducing predetermined impurities into both sides of the first region of the first semiconductor layer directly below the gate electrode; The process of
(B4) Impurities are introduced into the first region so that a channel of the field effect transistor is formed in the first region at a position away from an interface between the gate insulating film and the first semiconductor layer. And a step of
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer is formed to have a thickness such that a part of the first region is depleted when the field effect transistor is not operating.
(a)絶縁層上に第1導電型の第1半導体層を形成した基板を用意する工程と、
(b)前記第1半導体層に電界効果トランジスタを形成する工程とを有し、
前記電界効果トランジスタの形成工程は、
(b1)前記第1半導体層上に、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b2)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
(b3)前記第1半導体層の前記ゲート電極の直下の第1の領域の両側に所定の不純物を導入することにより、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2の領域を形成する工程と、
(b4)前記電界効果トランジスタのチャネルが、前記第1の領域において、前記ゲート絶縁膜と前記第1半導体層との界面から離れた位置に形成されるように前記第1の領域に不純物を導入する工程とを有し、
前記第1半導体層は、前記電界効果トランジスタの非動作時に前記第1の領域の全部が空乏化されるような厚さに形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(A) preparing a substrate having a first conductive type first semiconductor layer formed on an insulating layer;
(B) forming a field-effect transistor in the first semiconductor layer;
The step of forming the field-effect transistor,
(B1) forming a gate insulating film containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide on the first semiconductor layer;
(B2) forming a gate electrode on the gate insulating film;
(B3) forming a second region of a second conductivity type different from the first conductivity type by introducing predetermined impurities into both sides of the first region of the first semiconductor layer directly below the gate electrode; The process of
(B4) Impurities are introduced into the first region so that a channel of the field effect transistor is formed in the first region at a position away from an interface between the gate insulating film and the first semiconductor layer. And a step of
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer is formed so as to completely deplete the first region when the field effect transistor is not operating.
絶縁層上に形成された柱状の半導体層に電界効果トランジスタを形成する工程を有し、
前記電界効果トランジスタの形成工程は、
(a)第1の領域の両側に第2の領域を有する前記柱状の半導体層を形成する工程と、
(b)前記柱状の半導体層の表面に、酸化シリコンより高い誘電率の材料を含むゲート絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記第1の領域の外周の少なくとも一部を覆うように前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
(d)前記電界効果トランジスタのチャネルが、前記第1の領域において、前記ゲート絶縁膜と前記半導体層との界面から離れた位置に形成されるように前記第1の領域に不純物を導入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。
Forming a field-effect transistor in a columnar semiconductor layer formed on the insulating layer,
The step of forming the field-effect transistor,
(A) forming the columnar semiconductor layer having a second region on both sides of a first region;
(B) forming a gate insulating film containing a material having a higher dielectric constant than silicon oxide on the surface of the columnar semiconductor layer;
(C) forming a gate electrode via the gate insulating film so as to cover at least a part of the outer periphery of the first region;
(D) introducing an impurity into the first region such that a channel of the field-effect transistor is formed in the first region at a position away from an interface between the gate insulating film and the semiconductor layer. And a method for manufacturing a semiconductor device.
(a)第1導電型の第1半導体層に形成され、第1導電体型とは異なる第2導電型にされたソース領域およびドレイン領域と、
(b)前記第1半導体層に形成され、前記ソース領域と前記ドレイン領域とに挟まれ、且つ、前記第2導電型にされた第2半導体層と、
(c)前記第1半導体層上に形成され、酸化シリコンより高い誘電率を有するゲート絶縁膜と、
(d)前記第2半導体層上に、前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極への電圧印加時に、前記第1半導体層と前記ゲート絶縁膜との界面領域よりも先に前記第1半導体層と前記第2半導体層の界面領域に、前記ソース領域と前記ドレイン領域とを導通させるチャネルが形成されることを特徴とする半導体装置。
(A) a source region and a drain region formed in a first semiconductor layer of a first conductivity type and having a second conductivity type different from the first conductor type;
(B) a second semiconductor layer formed in the first semiconductor layer, sandwiched between the source region and the drain region, and having the second conductivity type;
(C) a gate insulating film formed on the first semiconductor layer and having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(D) a gate electrode formed on the second semiconductor layer via the gate insulating film;
When a voltage is applied to the gate electrode, the source region and the drain region are provided at an interface region between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer before an interface region between the first semiconductor layer and the gate insulating film. A semiconductor device, wherein a channel that conducts between the semiconductor device and the semiconductor device is formed.
(a)絶縁層と、
(b)前記絶縁層上に形成された第1半導体層と、
(c)前記第1半導体層に形成されたMISFETと、
を有し、
前記MISFETは、
(c1)前記第1半導体層に、前記第1半導体層の表面から前記絶縁層にかけて形成されたソース領域およびドレイン領域と、
(c2)前記半導体層の前記ソース領域およびドレイン領域の間に、前記ソース領域およびドレイン領域よりも低い濃度で、かつ、前記ソース領域およびドレイン領域と同じ導電型にされた半導体層であって、前記第1半導体層の表面から前記絶縁層にかけて形成された第2半導体層と、
(c3)前記第1半導体層上に形成され、酸化シリコンより高い誘電率を有するゲート絶縁膜と、
(c4)前記第2半導体層上に、前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極への電圧印加時に、前記第2半導体層と前記ゲート絶縁膜との界面領域よりも先に前記第2半導体層と前記絶縁層の界面領域に、前記ソース領域と前記ドレイン領域とを導通させるチャネルが形成されることを特徴とした半導体装置。
(A) an insulating layer;
(B) a first semiconductor layer formed on the insulating layer;
(C) a MISFET formed in the first semiconductor layer;
Has,
The MISFET includes:
(C1) a source region and a drain region formed in the first semiconductor layer from the surface of the first semiconductor layer to the insulating layer;
(C2) a semiconductor layer between the source region and the drain region of the semiconductor layer, which has a lower concentration than the source region and the drain region and has the same conductivity type as the source region and the drain region; A second semiconductor layer formed from the surface of the first semiconductor layer to the insulating layer;
(C3) a gate insulating film formed on the first semiconductor layer and having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(C4) a gate electrode formed on the second semiconductor layer via the gate insulating film;
At the time of applying a voltage to the gate electrode, the source region and the drain region are formed at an interface region between the second semiconductor layer and the insulating layer before an interface region between the second semiconductor layer and the gate insulating film. A semiconductor device, wherein a channel for conduction is formed.
請求項19に記載された半導体装置において、
前記第1半導体層の厚さは、50nmよりも薄く形成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 19,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the first semiconductor layer is smaller than 50 nm.
円柱状に形成された、少なくとも3つの半導体層を有するMISFETであって、
前記MISFETは、
(a)前記半導体層の1層であり、前記半導体層の底面を含むソース領域と、
(b)前記半導体層の他の1層であり、前記半導体層の他方の底面を含み、且つ、前記ソース領域と同一導電型のドレイン領域と、
(c)前記半導体層の他の1層であり、前記ソース領域と前記ドレイン領域に挟まれ、前記ソース領域および前記ドレイン領域よりも低い濃度にされ、かつ、前記ソース領域およびドレイン領域と同一導電型の第2半導体層と、
(d)前記半導体層側面に、前記第2半導体層を囲んで形成され、且つ、酸化シリコンより高い誘電率を有するゲート絶縁膜と、
(e)前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを有し、
前記ゲート電極への電圧印加時に、前記第2半導体層と前記ゲート絶縁膜との界面領域よりも先に前記第2半導体層の中心に、前記ソース領域と前記ドレイン領域とを導通させるチャネルが形成されることを特徴とした半導体装置。
A MISFET having at least three semiconductor layers formed in a columnar shape,
The MISFET includes:
(A) a source region which is one of the semiconductor layers and includes a bottom surface of the semiconductor layer;
(B) another one layer of the semiconductor layer, including the other bottom surface of the semiconductor layer, and a drain region having the same conductivity type as the source region;
(C) another layer of the semiconductor layer, which is sandwiched between the source region and the drain region, has a lower concentration than the source region and the drain region, and has the same conductivity as the source region and the drain region. A second semiconductor layer of the type;
(D) a gate insulating film formed on the side surface of the semiconductor layer so as to surround the second semiconductor layer and having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(E) a gate electrode formed via the gate insulating film;
At the time of applying a voltage to the gate electrode, a channel is formed at the center of the second semiconductor layer prior to the interface region between the second semiconductor layer and the gate insulating film, for conducting the source region and the drain region. A semiconductor device characterized by being performed.
請求項19,20または21に記載された半導体装置であって、
前記MISFETがOFF状態において、前記第1半導体層は完全空乏化されていることを特徴とする半導体装置。
22. The semiconductor device according to claim 19, 20, or 21,
The semiconductor device, wherein the first semiconductor layer is completely depleted when the MISFET is in an OFF state.
請求項18〜22のいずれか一項に記載された半導体装置において、
前記ソース領域および前記ドレイン領域は、それぞれ、低濃度不純物領域と高濃度不純物領域を有し、
前記低濃度不純物領域は、前記高濃度不純物領域よりも前記ゲート電極に近い位置に形成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 18 to 22,
The source region and the drain region have a low concentration impurity region and a high concentration impurity region, respectively.
The semiconductor device, wherein the low-concentration impurity region is formed at a position closer to the gate electrode than the high-concentration impurity region.
請求項18〜23のいずれか一項に記載された半導体装置において、前記ゲート電極は、N型ポリシリコンまたはP型ポリシリコンで形成されていることを特徴とする半導体装置。24. The semiconductor device according to claim 18, wherein said gate electrode is formed of N-type polysilicon or P-type polysilicon. 請求項18〜23のいずれか一項に記載された半導体装置において、
前記ゲート電極は、モリブデン、タングステンまたはコバルトのいずれかを含む膜で形成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 18 to 23,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is formed of a film containing any of molybdenum, tungsten, and cobalt.
請求項1〜9のいずれか一項に記載された半導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、窒化シリコンまたは酸化タンタルのいずれかを含むことを特徴とする半導体装置。10. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film contains any one of aluminum oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, titanium oxide, silicon nitride, and tantalum oxide. 11. Semiconductor device. (a)絶縁層と、
(b)前記絶縁層上に形成された半導体層と、
(c)前記半導体層を、第1導電型の第1半導体層とこれとは反対の導電型の第2導電型の第3半導体層とに分離する素子分離領域と、
(d)前記第1半導体層に形成された第1MISFETと、
(e)前記第3半導体層に形成された第2MISFETと、
を有し、
前記第1MISFETは、
(d1)前記第1半導体層に形成された前記第2導電型の第1ソース領域および第1ドレイン領域と、
(d2)前記第1半導体層において、前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域に挟まれ、且つ、前記第2導電型の第4半導体層と、
(d3)前記第1半導体層上に形成され、酸化シリコンより高い誘電率を有するゲート絶縁膜と、
(d4)前記第4半導体層上に、前記ゲート絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極とを備え、
前記第2MISFETは、
(e1)前記第3半導体層に形成された前記第1導電型の第2ソース領域および第2ドレイン領域と、
(e2)前記第2半導体層において、前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域に挟まれ、且つ、前記第1導電型の第5半導体層と、
(e3)前記第3半導体層上に形成された前記ゲート絶縁膜と、
(e4)前記第5半導体層上に、前記ゲート絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極とを備え、
前記第1ゲート電極への電圧印加時に、前記第4半導体層と前記ゲート絶縁膜との界面領域よりも先に前記第4半導体層と前記第1半導体層の界面領域に、前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域とを導通させる第1チャネルが形成され、
前記第2ゲート電極への電圧印加時に、前記第5半導体層と前記ゲート絶縁膜との界面領域よりも先に前記第5半導体層と前記第3半導体層の界面領域に、前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域とを導通させる第2チャネルが形成されることを特徴とした半導体装置。
(A) an insulating layer;
(B) a semiconductor layer formed on the insulating layer;
(C) an element isolation region separating the semiconductor layer into a first semiconductor layer of a first conductivity type and a third semiconductor layer of a second conductivity type of the opposite conductivity type;
(D) a first MISFET formed in the first semiconductor layer;
(E) a second MISFET formed in the third semiconductor layer;
Has,
The first MISFET includes:
(D1) a first source region and a first drain region of the second conductivity type formed in the first semiconductor layer;
(D2) a fourth semiconductor layer of the second conductivity type sandwiched between the first source region and the first drain region in the first semiconductor layer;
(D3) a gate insulating film formed on the first semiconductor layer and having a higher dielectric constant than silicon oxide;
(D4) a first gate electrode formed on the fourth semiconductor layer via the gate insulating film;
The second MISFET includes:
(E1) a second source region and a second drain region of the first conductivity type formed in the third semiconductor layer;
(E2) in the second semiconductor layer, a fifth semiconductor layer of the first conductivity type, which is sandwiched between the second source region and the second drain region;
(E3) the gate insulating film formed on the third semiconductor layer;
(E4) a second gate electrode formed on the fifth semiconductor layer via the gate insulating film;
When a voltage is applied to the first gate electrode, the first source region is provided at an interface region between the fourth semiconductor layer and the first semiconductor layer before an interface region between the fourth semiconductor layer and the gate insulating film. A first channel for conducting between the first drain region and the first drain region;
When a voltage is applied to the second gate electrode, the second source region is provided at an interface region between the fifth semiconductor layer and the third semiconductor layer before an interface region between the fifth semiconductor layer and the gate insulating film. A second channel for conducting between the second drain region and the second drain region.
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