JP2004200335A - Semiconductor device including insulated gate field-effect transistor and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor device including insulated gate field-effect transistor and its manufacturing method Download PDF

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Katsura Miyashita
桂 宮下
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device including a MISFET having higher current driving capability in a device structure using an Si<SB>1-x</SB>Ge<SB>x</SB>layer on a silicon substrate, and further provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: The Si<SB>1-x</SB>Ge<SB>x</SB>layer 103 is formed on the silicon substrate 101, and the MISFET is formed on the Si<SB>1-x</SB>Ge<SB>x</SB>layer 103. The junction depth between a source layer and drain regions 106, 107 is set not to exceed the face where the Si<SB>1-x</SB>Ge<SB>x</SB>layer 103 and a silicon layer are brought into contact with each other. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコン基板を用いた集積回路の高性能化の要求に対し、その回路を構成する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(以下、MISFETと称する)の高速化が求められている。これまで、微細化技術によってMISFETのチャネル長を短くする方法が用いられてきた。更に、近年では、チャネル領域の電気伝導度を上げるため、シリコンとゲルマニウムからなる混晶半導体(以下、Si1−xGeと称す)をシリコン基板に形成し、そのSi1−xGe層にMISFETを形成したものが知られている。
【0003】
例えば、特許文献1には、シリコン基板上に選択エピタキシー法でSi1−xGe層とシリコン層を積層化し、その積層領域をMISFETとして用いる半導体装置とその製造方法が開示されている。Si1−xGe層とシリコン層を積層すると、▲1▼歪効果によるキャリア移動度の増大、▲2▼バンド構造の違いとバンド間の干渉に起因する量子井戸効果によるキャリア濃度の増大等が起るため、チャネル領域の電気伝導度をシリコン基板上に作成されたMISFETよりも大きくすることが可能になる。即ち、シリコン層を電気伝導に用いるMISFETにおいても、Si1−xGe層を電気伝導に用いるMISFETにおいても、上記の効果が得られる。また、特許文献2にはSi1−xGe層だけを用い、MISFETチャネル領域の電気伝導度を大きくした半導体装置が示されている。
【0004】
上述した特許文献1及び2に示されるMISFETのチャネル領域は、エピタキシー法で形成されたSi1−xGe層、若しくは、更にその上に形成されたシリコン層内に形成され、一方、ドレイン領域はSi1−xGe層、若しくは、更にその上に形成されたシリコン層のみならず、その下に存在するシリコン領域内にも形成されている。従って、MISFETとしてチャネル領域を構成するSi1−xGe層から、ドレイン領域を構成するシリコン層へ通じる電流経路が存在する。
【0005】
【特許文献1】
特開平10−321733号公報(第1頁、図1)
【0006】
【特許文献2】
特開2001−119026号公報(第1頁、図1)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
MISFETの性能はチャネル領域の電気特性だけではなく、チャネルからドレイン側へ電流が流れる際のバリヤハイトの存在、ドレイン側電極における抵抗成分等の電気的特性にも大きく依存する。
【0008】
上述した従来の半導体装置では、Si1−xGe層とシリコン層又はSi1−xGe層を用いることにより、MISFETチャネル領域の電気伝導度を大きくすることが可能になっている。しかし、Si1−xGe層のチャネル領域から、ドレイン領域を構成するシリコン領域に至る電流経路をエネルギーバンド構造の視点からみると、図7(a)のエネルギーバンド構造の模式図に示すようになる。
【0009】
即ち、チャネル領域の伝導帯はドレイン領域の伝導帯よりも低く、電子に対してポテンシャルバリヤになり、また、チャネル領域の価電子帯はドレイン領域の価電子帯よりも高く、正孔に対してポテンシャルバリヤになる。このため、MISFETとしての電流駆動能力は阻害される。従って、チャネル領域の構造から、Si1−xGe層を用いてチャネルの電気伝導度を大きくできるが、MISFET全体としての性能を十分に上げることができない。
【0010】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、Si1−xGe層を用いた電流駆動能力の高いMISFETを含む半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第1の発明は、シリコンからなる表面領域を有する半導体基体と、前記半導体基体上に形成されたシリコンとゲルマニウムからなる混晶半導体層と、前記混晶半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート絶縁膜下の混晶半導体層を挟むと共に、その接合深さが前記混晶半導体層を越えないように前記混晶半導体層に形成されたソース及びドレイン領域とを有することを特徴とする。
【0012】
また、本発明の第2の発明は、シリコンからなる表面領域を有する半導体基体に素子分離領域を形成し、この素子分離領域に囲まれる素子領域を形成する工程と、前記素子領域上にシリコンとゲルマニウムからなる混晶半導体層を形成する工程と、前記混晶半導体層上にゲート絶縁膜及びゲート電極を積層する工程と、前記混晶半導体層において、前記ゲート絶縁膜下の混晶半導体領域を挟み、その接合深さが前記混晶半導体層を越えないように前記混晶半導体層にソース及びドレイン領域を形成する工程とを有することを特徴とする。
【0013】
本発明によれば、ソース及びドレイン領域の接合深さは、シリコンとゲルマニウムから成る混晶半導体層を越えない。従って、チャネル領域とドレイン領域との間のエネルギーバンド構造において、チャネル領域とドレイン領域とのポテンシャルバリヤがなく、これにより、チャネル領域からドレイン領域へ電荷が流れる際の電気抵抗を有効に抑えることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0015】
(第1の実施の形態)
図1は本発明による半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を工程順に示す断面図である。また、図1(c)は本発明による半導体装置の第1の実施の形態を示している。
【0016】
先ず、図1(a)に示すように、半導体基体としてP型のシリコン基板101を用意し、その表面領域に選択酸化法あるいは浅いトレンチ素子分離法により酸化膜を選択的に埋め込み、素子分離領域102を形成する。続いて、必要であれば、素子分離領域102に囲まれた表面領域に、N型の場合はAs、P、sb等を、P型の場合はB、Ga、In等を、不純物として拡散し、ウェル領域を形成しても良い。
【0017】
次に、シリコン基板101のシリコンからなる表面領域を選択的にエッチングし、更に、図1(b)に示すように、素子分離領域102以外のシリコン基板101の上に選択エピタキシー法によりSi1−xGe層103を形成する。具体的には、先ず、シリコン基板101の表面清浄化並びに素子分離領域102との段差の平坦化の観点から、シリコン基板101を900〜1,150℃に加熱し、HClを含むガスで表面に露出したシリコンをエッチングする。続いて、シリコン基板101を550〜750℃にし、SiHあるいはSiHClとGeHを含むガス中においてSi1−xGe層103を100〜200nm、シリコン基板101上に、選択的にエピタキシャル成長させる。Si1−xGe層103の組成比xは0.10〜0.50程度であり、所望の電気特性を考慮して決められる。
【0018】
次に、チャネル制御のためイオン注入法により、不純物をシリコン基板101にドーピングする。例えば、NチャネルMISFETの場合はB、Ga、In等のP型不純物を用い、PチャネルMISFETの場合はAs、P、sb等のN型不純物を用い、ドーズ量として1E12cm−2〜5E13cm−2程度注入する。続いて、ゲート絶縁膜としてCVD法によりハフニウム酸化膜をシリコン基板101の全面に、例えば20nm程度の膜厚で形成する。更に、上記ハフニウム酸化膜上に多結晶シリコン膜を例えば100nm程度積層する。
【0019】
次に、図1(c)に示すように、リソグラフィ法、ドライエッチング法等を用い、上記の多結晶シリコン膜、及びハフニウム酸化膜を選択的にパターニングし、多結晶シリコン膜からなるゲート電極105、及びハフニウム酸化膜からなるゲート絶縁膜104を積層するように形成する。続いて、ゲート電極105、及びゲート絶縁膜104をマスクにして、イオン注入法を用いてシリコン基板101に自己整合的に不純物をドーピングし、ソース及びドレイン領域106、107を形成する。例えば、NチャネルMISFETの場合はAs、P、In等のN型不純物を、PチャネルMISFETの場合はB、Ga、sb等のP型不純物を用い、ドーズ量として1E14cm−2〜1E16cm−2程度注入する。
【0020】
更に、例えば、RTAやスパイクアニール法等を用い、数秒程度の急速加熱を施し、ドーピングした不純物を活性化する。その後の工程における熱処理も含めて、ソース及びドレイン領域106、107の接合深さがSi1−xGe層103と下地のシリコンとが接する面を越えないようにする。
【0021】
次に、図示しないSiO2等の層間絶縁膜をシリコン基板101全面に堆積する。この層間絶縁膜にコンタクト孔を開口し、ゲート電極105や、ソース及びドレイン領域106、107上にWコンタクト、Al、Cu等の金属配線を形成する。さらに、必要に応じて層間絶縁膜の堆積と、金属配線の形成を繰り返して多層配線構造を形成したうえで、シリコン基板101全面を図示しない表面保護膜で覆い、パッド部を開口してMISFETを含む半導体装置を完成させる。
【0022】
本実施の形態で述べた半導体装置においては、シリコンと比較し、電気伝導度の高いSi1−xGe層103がチャネル領域になるだけでなく、ソース及びドレイン領域106、107もSi1−xGe層103内に形成される。このため、チャネルとドレインのエネルギーバンド構造は図7(a)に示した従来例とは異なり、図7(b)のようにポテンシャルバリヤがなくなる。即ち,チャネルからドレインへ電荷が流れる際の抵抗を抑え、MISFETの動作を高速化できる。
【0023】
(第2の実施の形態)
図2は本発明による半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を工程順に示す断面図である。又、図2(c)は本発明による半導体装置の第2の実施の形態を示している。本実施の形態は、Si1−xGe層上に、更にシリコン層を形成したMISFETの例を示す。
【0024】
先ず、図2(a)に示すように、半導体基体としてP型のシリコン基板201を用意し、その表面領域に選択酸化法あるいは浅いトレンチ素子分離法により酸化膜を選択的に埋め込み、素子分離領域202を形成する。続いて、必要であれば、素子分離領域202に囲まれた表面領域に、N型の場合はAs、P、sb等を、P型の場合はB、Ga、In等を、不純物として拡散し、ウェル領域を形成しても良い。
【0025】
次に、シリコン基板201のシリコンからなる表面領域を選択的にエッチングし、更に、図2(b)に示すように、素子分離領域202以外のシリコン基板201上に選択エピタキシャル成長法によりSi1−xGe層203及びシリコン層204を形成する。具体的には、先ず、シリコン基板201の表面清浄化並びに素子分離領域202との段差の平坦化の観点から、シリコン基板201を900〜1,150℃に加熱し、HClを含むガスで表面に露出したシリコンをエッチングする。続いて、シリコン基板201を550〜750℃にし、SiHあるいはSiHClとGeHとを含むガスを中においてSi1−xGe層203を100〜200nm、シリコン基板201上に選択エピタキシャル成長させる。Si1−xGe層203の組成比xは0.10〜0.50程度であり、所望の電気特性を考慮して決められる。更に、シリコン基板201を700〜850℃に加熱し、SiHあるいはSiHClを含むガス中において、シリコン層204を20〜40nm、Si1−xGe層203上に選択エピタキシャル成長させる。
【0026】
次に、熱酸化法によりシリコン層204の上にSiO2膜を、例えば10nm程度の膜厚で形成する。続いて、イオン注入法によりチャネル制御のための不純物をシリコン基板201にドーピングする。例えば、NチャネルMISFETの場合はB、Ga、In等のP型不純物を用い、PチャネルMISFETの場合はAs、P、sb等のN型不純物を用い、ドーズ量として1E12cm−2〜5E13cm−2程度注入する。更に、SiO2膜上に多結晶シリコン膜を例えば100nm程度積層する。
【0027】
次に、図2(c)に示すように、リソグラフィ法、ドライエッチング法等を用いて上記の多結晶シリコン膜、及びSiO2膜を選択的にパターニングし、多結晶シリコン膜からなるゲート電極206、及びSiO2膜からなるゲート絶縁膜205を積層するように形成する。続いて、ゲート電極206、及びゲート絶縁膜205をマスクにして、イオン注入法を用いてシリコン基板101に自己整合的に不純物をドーピングし、ソース及びドレイン領域207、208を形成する。例えば、NチャネルMISFETの場合はAs,P、sb等のN型不純物を、PチャネルMISFETの場合はB,Ga、In等のP型不純物を用い、ドーズ量として1E14cm−2〜1E16cm−2程度注入する。
【0028】
更に、例えば、RTA、スパイクアニール法等を用い、数秒程度の急速加熱を施し、ドーピングした不純物を活性化する。その後の工程における熱処理も含めて、ソース及びドレイン領域207、208の接合深さがSi1−xGe層203と下地のシリコンとが接する面を越えないようにする。
【0029】
その後、図示しないSiO2等の層間絶縁膜をシリコン基板201全面に堆積する。この層間絶縁膜にコンタクト孔を開口し、ゲート電極206や、ソース及びドレイン領域207、208上にWコンタクト、Al、Cu等の金属配線を形成する。更に、必要に応じて層間絶縁膜の堆積と、金属配線の形成を繰り返して多層配線構造を形成したうえで、シリコン基板201全面を図示しない表面保護膜で覆い、パッド部を開口してMISFETを含む半導体装置を完成させる。
【0030】
本実施の形態で述べた半導体装置においては、シリコン基板201の表面領域に形成したシリコン層204は歪効果、量子井戸効果等により電気伝導度が高くなり、Si1−xGe層203と共にチャネル領域として活用することができる。また、ソース及びドレイン領域207、208はSi1−xGe層203内に形成され、チャネルからドレインへ電荷が流れる際の抵抗を抑え、MISFETの動作を高速化できる。
【0031】
(第3の実施の形態)
図3は本発明による半導体製造装置の製造方法の第3の実施の形態を工程順に示す断面図である。又、図3(c)は本発明による半導体装置の第3の実施の形態を示している。この第3の実施の形態は、ソース及びドレイン領域に隣接してエクステンション領域を設けると共に、ソース及びドレイン領域並びにゲート電極に金属シリサイドを張り付ける構造を採用し、微細化に適したMISFETに適用した例を示す。
【0032】
先ず、図3(a)に示すように、半導体基体としてP型のシリコン基板301を用意し、その表面領域に選択酸化法あるいは浅いトレンチ素子分離法により酸化膜を選択的に埋め込み、素子分離領域302を形成する。続いて、必要であれば、素子分離領域302に囲まれた表面領域に、N型の場合はAs、P、sb等を、P型の場合はB、Ga、In等を、不純物として拡散し、ウェル領域を形成しても良い。
【0033】
次に、シリコン基板301の表面清浄化並びに素子分離領域302との段差平坦化の観点から、シリコン基板301を900〜1,150℃に加熱し、HClを含むガスで表面に露出したシリコンをエッチングする。続いて、シリコン基板301を700〜850℃に加熱しSiHあるいはSiHClを含むガス中において、シリコンバッファー層303を100〜200nm、シリコン基板301上に選択エピタキシャル成長させる。シリコンバッファー層303を介在させることにより、シリコン基板301の表面付近に格子欠陥等が形成されている場合、これを取り除き、高品質のシリコンに変換出来る。
【0034】
次に、シリコン基板301を550〜750℃にし、SiHあるいはSiHClとGeHとを含むガスを中においてSi1−xGe層304を100〜200nm、シリコンバッファー層303上に選択エピタキシャル成長させる。Si1−xGe層の組成比xは0.10〜0.50程度であり、所望の電気特性を考慮して決められる。さらに、シリコン基板301を700〜850℃に加熱し、SiHあるいはSiHClを含むガス中において、シリコン層305を20〜40nm、Si1−xGe層304上に選択エピタキシャル成長させる。
【0035】
次に、熱酸化法によりシリコン層305の上にSiO2膜を、例えば10nm程度の膜厚で形成する。続いて、イオン注入法によりチャネル制御のための不純物をシリコン基板301にドーピングする。例えば、NチャネルMISFETの場合はB、Ga、In等のP型不純物を用い、PチャネルMISFETの場合はAs、P、sb等のN型不純物を用い、ドーズ量として1E12cm−2〜5E13cm−2程度注入する。更に、SiO2膜上に多結晶シリコン膜を例えば100nm程度積層する。
【0036】
次に、図3(b)に示すように、リソグラフィ法、ドライエッチング法等を用いて上記の多結晶シリコン膜、及びSiO2膜を選択的にパターニングし、多結晶シリコン膜からなるゲート電極307、及びSiO2膜からなるゲート絶縁膜306を積層するように形成する。続いて、ゲート電極307、及びゲート絶縁膜306をマスクにして、イオン注入法を用いてシリコン基板301に自己整合的に不純物をドーピングし、エクステンション領域308、309を形成する。例えば、NチャネルMISFETの場合はAs,P、sb等のN型不純物を、PチャネルMISFETの場合はB,Ga、In等のP型不純物を用い、ドーズ量として1E14cm−2〜3E15cm−2程度注入する。
【0037】
その後、例えば、RTA、スパイクアニール法等で数秒程度の急速加熱を施し、ドーピングした不純物を活性化する。その後の工程における熱処理も含めて、エクステンション領域308、309の接合深さがSi1−xGe層304とシリコンバッファー層303が接する面を越えないようにする。
【0038】
次に、シリコン基板301の全面にシリコン窒化膜等の絶縁膜をCVD法で堆積し、続いて、ドライエッチング法を用いて、エッチバックすることによりゲート電極307及びゲート絶縁膜306の側面に選択的に残存させ、側壁絶縁膜310を形成する。再度、イオン注入法により、例えば、NチャネルMISFETの場合はAs,P、sb等のN型不純物を、PチャネルMISFETの場合はB,Ga、In等のP型不純物を用い、ドーズ量として1E14cm−2〜3E15cm−2程度注入する。その後、例えば、RTA、スパイクアニール法等で数秒程度の急速加熱を施し、ドーピングした不純物を活性化し、ソース及びドレイン領域311、312を形成する。
【0039】
次に、スパッタ法でニッケルを例えば10nm堆積し、その後、500℃、30秒の急速加熱を行う。ソース及びドレイン領域311、312並びにゲート電極307の上に形成されたニッケルはシリコンと反応し、ニッケルシリサイドを形成する。その後、絶縁膜上のニッケルも含めて、残存するニッケルを選択ウェットエッチングにより除去し、ソース及びドレイン領域311、312並びにゲート電極307の上にのみニッケルシリサイド層313、314、315を形成する。なお、この時、熱処理条件等によっては、ニッケルシリサイド層313、314、315の一部にゲルマニウムも含む場合もある。
【0040】
ニッケルシリサイドとSi1−xGeの接触抵抗は非常に低く、また、ニッケルシリサイドの抵抗も多結晶シリコンと比較して低い。従って、ニッケルシリサイドを電極として利用することにより、MISFETの動作速度は向上する。なお、金属シリサイドとしては、はニッケルシリサイドにおいて顕著な効果が示されるが、これに限らず、MISFET全体のプロセス、所望の特性を考慮して、W、Co、Ti、Ta、Pt、Pd等の金属並びにそのシリサイドから選択しても良い。
【0041】
その後、図示しないSiO2等の層間絶縁膜をシリコン基板301全面に堆積する。この層間絶縁膜にコンタクト孔を開口し、ニッケルシリサイド層313、314、315上にWコンタクト、Al、Cu等の金属配線を形成する。さらに、必要に応じて層間絶縁膜の堆積と、金属配線の形成を繰り返して多層配線構造を形成したうえで、シリコン基板301全面を図示しない表面保護膜で覆い、パッド部を開口してMISFETを含む半導体装置を完成させる。
【0042】
本実施の形態で述べた半導体装置においては、シリコン基板301の表面領域に形成したシリコン層305は歪効果、量子井戸効果等により電気伝導度が高くなり、Si1−xGe層304と共にチャネル領域として活用することができる。また、エクステンション領域308、309はSi1−xGe層304内に形成され、チャネルからドレインへ電荷が流れる際の抵抗を抑え、MISFETの動作を高速化できる。
【0043】
また、エクステンション領域により、ドレイン耐圧が向上し、MISFETの微細化により適した構造になる。更に、金属シリサイドを電極として用いるため、電極の低抵抗化並びにSi1−xGe層との接触抵抗の低抵抗化が図れ、MISFETの動作を高速化できる。
【0044】
(第4の実施の形態)
図4は本発明による半導体製造装置の製造方法の第4の実施の形態を工程順に示す断面図である。又、図4(c)は本発明による半導体装置の第4の実施の形態を示している。この第4の実施の形態は、Si1−xGe層とシリコン層を多層にすることにより、量子井戸効果等をより顕著にMISFET特性向上に結びつける素子構造の例を示す。
【0045】
先ず、図4(a)に示すように、半導体基体としてP型のシリコン基板401を用意し、その表面領域に選択酸化法あるいは浅いトレンチ素子分離法により酸化膜を選択的に埋め込み、素子分離領域402を形成する。続いて、必要であれば、素子分離領域402に囲まれた表面領域に、N型の場合はAs、P、sb等を、P型の場合はB、Ga、In等を、不純物として拡散し、ウェル領域を形成しても良い。
【0046】
次に、シリコン基板401の表面清浄化並びに素子分離領域402との段差の平坦化の観点から、シリコン基板401を900〜1,150℃に加熱し、HClを含むガスで表面に露出したシリコンをエッチングする。続いて、シリコン基板401を700〜850℃に加熱しSiHあるいはSiHClを含むガス中において、シリコンバッファー層403を100〜200nm、シリコン基板401上に選択エピタキシャル成長させる。
【0047】
次に、シリコン基板401を550〜750℃にし、SiH4あるいはSiHClとGeHとを含むガス中において第1のSi1−xGe層404を30〜50nm、シリコンバッファー層403上に選択エピタキシャル成長させる。Si1−xGe層の組成比xは0.25〜0.75程度であり、所望の電気特性を考慮して決められる。さらに、シリコン基板401を700〜850℃に加熱しSiHあるいはSiHClを含むガス中において、第1のシリコン層405を30〜50nm、第1のSi1−xGe層404上に選択エピタキシャル成長させる。
【0048】
次に、前記第1のSi1−xGe層の形成条件と同様にして第2のSi1− Ge層406を30〜50nm、第1のシリコン層405上に選択エピタキシャル成長させる。更に、前記第1のシリコン層の形成条件と同様にして第2のシリコン層407を10〜20nm、第2のSi1−xGe層406上に選択エピタキシャル成長させる。この時、所望の電気特性が得られるように、適宜、成長時に不純物ドーピングを施しても良い。
【0049】
次に、熱酸化法により第2のシリコン層407の上にSiO2膜を、例えば10nm程度の膜厚で形成する。続いて、イオン注入法によりチャネル制御のための不純物をシリコン基板401にドーピングする。例えば、NチャネルMISFETの場合はB、Ga、In等のP型不純物を用い、PチャネルMISFETの場合はAs、P、sb等のN型不純物を用い、ドーズ量として1E12cm−2〜5E13cm−2程度注入する。更に、SiO2膜上に多結晶シリコン膜を例えば100nm程度積層する。
【0050】
次に、図4(b)に示すように、リソグラフィ法、ドライエッチング法等を用いて上記の多結晶シリコン膜、及びSiO2膜を選択的にパターニングし、多結晶シリコン膜からなるゲート電極409、及びSiO2膜からなるゲート絶縁膜408を積層するように形成する。続いて、ゲート電極409、及びゲート絶縁膜408をマスクにして、イオン注入法を用いてシリコン基板401に自己整合的に不純物をドーピングし、エクステンション領域410、411を形成する。例えば、NチャネルMISFETの場合はAs,P等のN型不純物を、PチャネルMISFETの場合はB等のP型不純物を用い、ドーズ量として1E14cm−2〜3E15cm−2程度注入する。その後、例えば、RTA、スパイクアニール法等で数秒程度の急速加熱を施し、ドーピングした不純物を活性化する。その後の工程における熱処理も含めて、エクステンション領域410、411の接合深さが第1のSi1−xGe層404とシリコンバッファー層403が接する面を越えないようにする。
【0051】
次に、シリコン基板401の全面にシリコン窒化膜等の絶縁膜をCVD法で堆積し、続いて、ドライエッチング法を用いて、エッチバックすることによりゲート電極409及びゲート絶縁膜408の側面に選択的に残存させ、側壁絶縁膜412を形成する。再度、イオン注入法により、例えば、NチャネルMISFETの場合はAs,P等のN型不純物を、PチャネルMISFETの場合はB等のP型不純物を用い、ドーズ量として1E15cm−2〜1E16cm−2程度注入する。その後、例えば、RTA、スパイクアニール法等で数秒程度の急速加熱を施し、ドーピングした不純物を活性化し、ソース及びドレイン領域413、414を形成する。
【0052】
次に、スパッタ法でニッケル膜を例えば10nm堆積し、その後、500℃、30秒の急速加熱を行う。ソース及びドレイン領域413、414並びにゲート電極409の上に形成されたニッケルはシリコンと反応し、ニッケルシリサイドを形成する。その後、絶縁膜上のニッケルも含めて、残存するニッケルを選択ウェットエッチングにより除去し、ソース及びドレイン領域413、414並びにゲート電極409の上にのみニッケルシリサイド層415、416、417を形成する。なお、この時、熱処理条件等によっては、ニッケルシリサイド層415、416、417の一部にゲルマニウムも含む場合もある。
【0053】
その後、図示してないSiO2等の層間絶縁膜をシリコン基板401全面に堆積する。この層間絶縁膜にコンタクト孔を開口し、ニッケルシリサイド層415、416、417にWコンタクト、Al、Cu等の金属配線を形成する。さらに、必要に応じて層間絶縁膜の堆積と、金属配線の形成を繰り返して多層配線構造を形成したうえで、シリコン基板401全面を表面保護膜で覆い、パッド部を開口してMISFETを含む半導体装置を完成させる。
【0054】
本実施の形態で述べた半導体装置においては、チャネルとドレインとのポテンシャルバリヤがなくなり、チャネルからドレインへ電荷が流れる際の抵抗を抑え、MISFETの動作を高速化できるだけでなく、第1のシリコン層405に誘起されたキャリアを第2のSi1−xGe層406に閉じ込めて電気伝導に寄与させる等が可能になり、MISFETのより一層の高速化が可能になる。
【0055】
(第5の実施の形態)
図5は本発明による半導体製造装置の製造方法の第5の実施の形態を工程順に示す断面図である。又、図5(c)は本発明による半導体装置の第5の実施の形態を示している。この第5の実施の形態は、ソース及びドレイン領域すべてをSi1−xGe層にすることにより、更に、ドレイン領域の低抵抗化を図ったMISFETの例を示す。
【0056】
先ず、図5(a)に示すように、半導体基体としてP型のシリコン基板401を用意し、その表面領域に選択酸化法あるいは浅いトレンチ素子分離法により酸化膜を選択的に埋め込み、素子分離領域402を形成する。続いて、必要であれば、素子分離領域402に囲まれた表面領域に、N型の場合はAs、P、sb等を、P型の場合はB、Ga、In等を、不純物として拡散し、ウェル領域を形成しても良い。
【0057】
次に、シリコン基板501の表面清浄化並びに素子分離領域502との段差の平坦化の観点から、シリコン基板501を900〜1,150℃に加熱し、HClを含むガスで表面に露出したシリコンをエッチングする。続いて、シリコン基板501を700〜850℃に加熱しSiHあるいはSiHClを含むガス中において、シリコンバッファー層503を100〜200nm、シリコン基板501上に、選択エピタキシャル成長させる。
【0058】
次に、シリコン基板501を550〜750℃にし、SiHあるいはSiHClとGeHとを含むガスを中においてSi1−xGe層504を100〜200nm、シリコンバッファー層503上に選択エピタキシャル成長させる。Si1−xGe層の組成比xは0.25〜0.75程度であり、所望の電気特性を考慮して決められる。さらに、シリコン基板501を700〜850℃に加熱し、SiHあるいはSiHClを含むガス中において、シリコン層505を20〜40nm、Si1−xGe層504上に選択エピタキシャル成長させる。
【0059】
次に、熱酸化法によりシリコン層505の上にSiO2膜を、例えば15nm程度の膜厚で形成する。続いて、イオン注入法によりチャネル制御のための不純物をシリコン基板501にドーピングする。例えば、NチャネルMISFETの場合はB、Ga、In等のP型不純物を用い、PチャネルMISFETの場合はAs、P、sb等のN型不純物を用い、ドーズ量として1E12cm−2〜5E13cm−2程度注入する。更に、SiO2膜上に多結晶シリコン膜を例えば200nm程度積層する。続いて、シリコン窒化膜を例えば100nm程度積層する。
【0060】
次に、リソグラフィ法、ドライエッチング法等を用いて上記のシリコン窒化膜、多結晶シリコン膜、及びSiO2膜を選択的にパターニングし、エッチング用マスクのシリコン窒化膜508、多結晶シリコン膜からなるゲート電極507、及びSiO2膜からなるゲート絶縁膜506を積層するように形成する。続いて、シリコン窒化膜508、多結晶シリコン膜507、及びSiO2膜506をマスクにして、イオン注入法を用いてシリコン基板501に自己整合的に不純物をドーピングし、エクステンション領域509、510を形成する。例えば、NチャネルMISFETの場合はAs,P等のN型不純物を、PチャネルMISFETの場合はB等のP型不純物を用い、ドーズ量として1E14cm−2〜3E15cm−2程度注入する。その後、例えば、RTA、スパイクアニール法で数秒程度の急速加熱を施し、ドーピングした不純物を活性化する。その後の工程における熱処理も含めて、エクステンション領域509、510の接合深さがSi1−xGe層504とシリコンバッファー層503が接する面を越えないようにする。
【0061】
次に、シリコン基板501の全面にシリコン窒化膜等の絶縁膜をCVD法で堆積し、続いて、ドライエッチング法を用いて、エッチバックすることによりゲート電極507及びゲート絶縁膜506の側面に選択的に残存させ、側壁絶縁膜511を形成する。次に図5(b)のように、シリコン窒化膜508をマスクとして、HClを含むガス雰囲気中でシリコン基板501を700〜850℃に加熱し、シリコン基板501の上に露出したシリコン層505、Si1−xGe層504、及びシリコンバッファー層503の一部を除去する。
【0062】
更に、図5(c)のように、シリコン基板501を550〜750℃にし、SiH4あるいはSiHClとGeHとを含むガスを中においてSi1−xGe層512、513をエッチングされた領域に選択的に埋め込む。Si1−xGe層の組成比はチャネル領域となるSi1−xGe層の組成と同様にする。次に、マスクとして使用した窒化膜を選択的に除去し、再度、イオン注入法により、例えば、NチャネルMISFETの場合はAs,P等のN型不純物を、PチャネルMISFETの場合はB等のP型不純物を用い、ドーズ量として1E15cm−2〜1E16cm−2程度注入する。その後、例えば、RTA,スパイクアニール法等で数秒間の急速加熱を施し、ドーピングした不純物を活性化し、ソース及びドレイン領域514、515を形成する。
【0063】
その後、図示してないSiO2等の層間絶縁膜をシリコン基板501全面に堆積する。この層間絶縁膜にコンタクト孔を開口し、ゲート電極507や、ソース及びドレイン領域514、515上にWコンタクト、Al、Cu等の金属配線を形成する。さらに、必要に応じて層間絶縁膜の堆積と、金属配線の形成を繰り返して多層配線構造を形成したうえで、シリコン基板501全面を図示しない表面保護膜で覆い、パッド部を開口してMISFETを含む半導体装置を完成させる。
【0064】
本実施の形態で述べた半導体装置においては、チャネルとドレインとのポテンシャルバリヤがなくなり、チャネルからドレインへ電荷が流れる際の抵抗を抑え、MISFETの動作を高速化できる。また、ドレイン側のSi1−xGe層をチャネルのSi1−xGe層よりも厚く形成でき、ドレイン層の接合深さの制御が容易になる。また、ドレインにおける金属あるいは金属シリサイドとのコンタクト抵抗も低く抑えることができる。
【0065】
(第6の実施の形態)
図6は本発明による半導体製造装置の製造方法の第6の実施の形態を工程順に示す断面図である。又、図6(c)は本発明による半導体装置の第6の実施の形態を示している。この第6の実施の形態は、SOI構造基板上のMISFETの例を示す。
【0066】
先ず、図6(a)に示すように、SiMOX法(酸素イオン注入法)によって形成されたSOI基板601を用意する。SOI基板601は、シリコン基板内部に酸素イオン注入した後、熱処理によって埋め込み酸化層を形成し、絶縁分離層602としたものである。絶縁分離層602に対してSOI基板601の酸素イオン注入を施した主面側が活性シリコン層603である。SOI形成方法は上述のSiMOX法以外にも、張り合わせ法、ビームアニール法等を用いても良い。
【0067】
次に、図6(b)に示すように、SOI基板601の活性シリコン層603の表面領域に選択酸化法あるいは浅いトレンチ素子分離法により酸化膜を選択的に形成し、素子分離領域604とする。続いて、必要であれば、素子分離領域402に囲まれた表面領域に、N型の場合はAs、P、sb等を、P型の場合はB、Ga、In等を、不純物として拡散し、ウェル領域を形成しても良い。
【0068】
次に、シリコン活性層603の表面清浄化並びに素子分離領域604との段差ノ平坦化の観点から、SOI基板601を900〜1,150℃に加熱し、HClを含むガスで表面に露出したシリコンをエッチングする。次に、SOI基板601を700〜850℃に加熱しSiHあるいはSiHClを含むガス中において、シリコンバッファー層605を30〜70nm、活性シリコン層603上に選択エピタキシャル成長させる。
【0069】
続いて、SOI基板601を550〜750℃にし、SiHあるいはSiHClとGeHを含むガス中においてSi1−xGe層606を100〜200nm、シリコンバッファー層605上に選択エピタキシャル成長させる。Si1−xGe層ノ組成比xは0.25〜0.75程度であり、所望の電気特性を考慮して決められる。
【0070】
次に、イオン注入法によりチャネル制御のための不純物をSOI基板601にドーピングする。例えば、NチャネルMISFETの場合はB等のP型不純物を用い、PチャネルMISFETの場合はAs、P等のN型不純物を用い、ドーズ量として1E12cm−2〜5E13cm−2程度注入する。続いて、CVD法により、ハフニウム酸化膜をSOI基板601の全面に、20nm程度の膜厚で形成する。更に、ハフニウム酸化膜上に多結晶シリコン膜を例えば100nm程度積層する。
【0071】
次に、図6(c)に示すように、リソグラフィ法、ドライエッチング法等を用い、上記の多結晶シリコン膜、及びハフニウム酸化膜を選択的にパターニングし、多結晶シリコン膜からなるゲート電極608、及びハフニウム酸化膜からなるゲート絶縁膜607を積層するように形成する。続いて、ゲート電極608、及びゲート絶縁膜607をマスクにし、イオン注入法を用いてSOI基板601に自己整合的に不純物をドーピングし、ソース及びドレイン領域609、610を形成する。例えば、NチャネルMISFETの場合はAs,P等のN型不純物を、PチャネルMISFETの場合はB等のP型不純物を用い、ドーズ量として1E15cm−2〜3E15cm−2程度注入する。
【0072】
更に、例えば、ランプ加熱法等を用い、数秒程度の急速加熱を施し、ドーピングした不純物を活性化する。その後の工程における熱処理も含めて、ソース及びドレイン領域690、610の接合深さがSi1−xGe層と下地のシリコンとが接する面を越えないようにする。
【0073】
その後、図示しないSiO2等の層間絶縁膜をSOI基板601全面に堆積する。この層間絶縁膜にコンタクト孔を開口し、ゲート電極608や、ソース及びドレイン領域609、610上にWコンタクト、Al、Cu等の金属配線を形成する。さらに、必要に応じて層間絶縁膜の堆積と、金属配線の形成を繰り返して多層配線構造を形成したうえで、SOI基板601全面を図示しない表面保護膜で覆い、パッド部を開口してMISFETを含む半導体装置を完成させる。
【0074】
本実施の形態で述べた半導体装置においては、チャネルとドレインとのポテンシャルバリヤがなくなり、チャネルからドレインへ電荷が流れる際の抵抗を抑え、MISFETの動作を高速化できる。また、SOI構造ではドレイン領域の寄生容量がシリコン基板と比べ小さくなるため、MISFETの一層の高速化が得られる。
【0075】
更に本発明は上述したような実施の形態に何ら限定されるものではなく、例えばゲート絶縁膜としてはハフニウム酸化膜、SiO2以外にもSiOxNy、SiNx、HfOxNy、AlOx、ZrOx、ZrOxNy等であっての良い。又、ゲート電極としては多結晶シリコン以外に多結晶シリコンと多結晶ゲルマニウムとの混晶、金属、金属シリサイド、であってもよい。また、ソース及びドレイン領域におけるゲート側壁、エクステンション領域、サリサイド等は必要に応じて選択すれば良く、その時、使用される材料、元素も実施の形態に限定されるものではない。その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
【0076】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置及びその製造方法によれば、Si1−xGe層を用いたMISFETにおいて、ソース及びドレイン領域をSi1−xGe層内に形成することによって、チャネルとドレインとの間のポテンシャルバリヤをなくし、チャネルとドレイン間の抵抗を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図2】本発明による半導体装置の製造方法の第2の実施の形態の工程順に示す断面図。
【図3】本発明による半導体装置の製造方法の第3の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図4】本発明による半導体装置の製造方法の第4の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図5】本発明による半導体装置の製造方法の第5の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図6】本発明による半導体装置の製造方法の第6の実施の形態を工程順に示す断面図。
【図7】従来及び本発明におけるSi1−xGe層を用いた半導体装置のチャネルとドレインとの接合部分のエネルギーバンド構造の模式図。
【符号の説明】
101、201、301、401、501 シリコン基板
102、202、302、402、502、604 素子分離領域
103、203、304、504、606 Si1−xGe
104、205、306、408、506、607 ゲート絶縁膜
105、206、307、409、507、608 ゲート電極
106、107、207、208、311、312 ソース及びドレイン領域
413、414、514、515、609、610 ソース及びドレイン領域
204、305、505 シリコン層
303、303、403、503、605 シリコンバッファー層
308、309、410、411、509,510 エクステンション領域
310、412、511 側壁絶縁膜
313、314、315、415,416,417 ニッケルシリサイド層
404 第1のSi1−xGe
405 第1のシリコン層
406 第2のSi1−xGe
407 第2のシリコン層
508 シリコン窒化膜
512、513 ソース及びドレイン領域のSi1−xGe
601 SOI基板
602 絶縁分離層
603 シリコン活性層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including an insulated gate field effect transistor and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In response to a demand for higher performance of an integrated circuit using a silicon substrate, a higher speed of an insulated gate field effect transistor (hereinafter, referred to as a MISFET) constituting the circuit is required. Heretofore, a method of shortening the channel length of a MISFET by a miniaturization technique has been used. Further, in recent years, in order to increase the electric conductivity of the channel region, a mixed crystal semiconductor (hereinafter, Si) made of silicon and germanium has been used.1-xGexIs formed on a silicon substrate, and the Si1-xGexA device in which a MISFET is formed in a layer is known.
[0003]
For example, Patent Document 1 discloses that Si is formed on a silicon substrate by selective epitaxy.1-xGexDiscloses a semiconductor device in which a layer and a silicon layer are stacked and the stacked region is used as a MISFET, and a method of manufacturing the same. Si1-xGexWhen the layer and the silicon layer are stacked, (1) an increase in carrier mobility due to a strain effect, and (2) an increase in a carrier concentration due to a quantum well effect caused by a difference in band structure and interference between bands occur. It becomes possible to make the electric conductivity of the region larger than that of the MISFET formed on the silicon substrate. That is, even in a MISFET using a silicon layer for electric conduction, Si1-xGexThe above effect can be obtained also in the MISFET using the layer for electric conduction. Patent Document 2 discloses that Si1-xGexA semiconductor device using only layers and increasing the electrical conductivity of the MISFET channel region is shown.
[0004]
The channel regions of the MISFETs disclosed in Patent Documents 1 and 2 described above are made of Si formed by an epitaxy method.1-xGexLayer, or in a silicon layer formed thereon, while the drain region is1-xGexThe layer is formed not only in the layer or the silicon layer formed thereon, but also in the silicon region existing thereunder. Therefore, the Si constituting the channel region as the MISFET1-xGexThere is a current path from the layer to the silicon layer that constitutes the drain region.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-10-321733 (page 1, FIG. 1)
[0006]
[Patent Document 2]
JP 2001-119026 A (Page 1, FIG. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The performance of the MISFET largely depends not only on the electrical characteristics of the channel region but also on the existence of barrier height when current flows from the channel to the drain side, and electrical characteristics such as a resistance component at the drain side electrode.
[0008]
In the above-described conventional semiconductor device, Si1-xGexLayer and silicon layer or Si1-xGexThe use of the layer makes it possible to increase the electrical conductivity of the MISFET channel region. However, Si1-xGexThe current path from the channel region of the layer to the silicon region constituting the drain region is viewed from the viewpoint of the energy band structure, as shown in the schematic diagram of the energy band structure in FIG.
[0009]
In other words, the conduction band of the channel region is lower than the conduction band of the drain region, and serves as a potential barrier for electrons. Also, the valence band of the channel region is higher than the valence band of the drain region, and Becomes a potential barrier. Therefore, the current driving capability of the MISFET is hindered. Therefore, from the structure of the channel region, Si1-xGexAlthough the electrical conductivity of the channel can be increased by using the layer, the performance of the MISFET as a whole cannot be sufficiently improved.
[0010]
The present invention has been made in view of such circumstances, and its object is to provide a Si1-xGexIt is an object of the present invention to provide a semiconductor device including a MISFET having a high current driving capability using a layer and a method of manufacturing the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a semiconductor substrate having a surface region made of silicon, a mixed crystal semiconductor layer formed of silicon and germanium formed on the semiconductor substrate, A gate insulating film formed on the semiconductor layer, a gate electrode formed on the gate insulating film, and a mixed crystal semiconductor layer under the gate insulating film interposed therebetween; And a source and drain region formed in the mixed crystal semiconductor layer so as not to exceed.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, a step of forming an element isolation region in a semiconductor substrate having a surface region made of silicon and forming an element region surrounded by the element isolation region includes: A step of forming a mixed crystal semiconductor layer made of germanium, a step of stacking a gate insulating film and a gate electrode on the mixed crystal semiconductor layer, and, in the mixed crystal semiconductor layer, a mixed crystal semiconductor region below the gate insulating film. And forming source and drain regions in the mixed crystal semiconductor layer such that the junction depth does not exceed the mixed crystal semiconductor layer.
[0013]
According to the present invention, the junction depth of the source and drain regions does not exceed the mixed crystal semiconductor layer made of silicon and germanium. Therefore, in the energy band structure between the channel region and the drain region, there is no potential barrier between the channel region and the drain region, thereby effectively suppressing the electric resistance when electric charge flows from the channel region to the drain region. it can.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
(First Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps. FIG. 1C shows a first embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
[0016]
First, as shown in FIG. 1A, a P-type silicon substrate 101 is prepared as a semiconductor substrate, and an oxide film is selectively buried in a surface region thereof by a selective oxidation method or a shallow trench isolation method. Form 102. Subsequently, if necessary, As, P, sb or the like in the case of the N-type and B, Ga, In or the like in the case of the P-type are diffused into the surface region surrounded by the element isolation region 102 as impurities. Alternatively, a well region may be formed.
[0017]
Next, the surface region made of silicon of the silicon substrate 101 is selectively etched, and further, as shown in FIG. 1B, Si is formed on the silicon substrate 101 other than the element isolation region 102 by the selective epitaxy method.1-xGexThe layer 103 is formed. Specifically, first, from the viewpoint of cleaning the surface of the silicon substrate 101 and flattening the step with the element isolation region 102, the silicon substrate 101 is heated to 900 to 1,150 ° C. Etch the exposed silicon. Subsequently, the silicon substrate 101 is heated to 550 to 750 ° C.4Or SiH2Cl2And GeH4Si in a gas containing1-xGexA layer 103 having a thickness of 100 to 200 nm is selectively epitaxially grown on the silicon substrate 101. Si1-xGexThe composition ratio x of the layer 103 is about 0.10 to 0.50, and is determined in consideration of desired electric characteristics.
[0018]
Next, an impurity is doped into the silicon substrate 101 by ion implantation for channel control. For example, in the case of an N-channel MISFET, a P-type impurity such as B, Ga, or In is used, and in the case of a P-channel MISFET, an N-type impurity such as As, P, or sb is used.-2~ 5E13cm-2About to inject. Subsequently, a hafnium oxide film is formed as a gate insulating film on the entire surface of the silicon substrate 101 with a thickness of, for example, about 20 nm by a CVD method. Further, a polycrystalline silicon film having a thickness of, for example, about 100 nm is formed on the hafnium oxide film.
[0019]
Next, as shown in FIG. 1C, the polycrystalline silicon film and the hafnium oxide film are selectively patterned by using a lithography method, a dry etching method, or the like to form a gate electrode 105 made of a polycrystalline silicon film. , And a gate insulating film 104 made of a hafnium oxide film. Subsequently, using the gate electrode 105 and the gate insulating film 104 as a mask, the silicon substrate 101 is doped with an impurity in a self-aligning manner by ion implantation to form source and drain regions 106 and 107. For example, in the case of an N-channel MISFET, an N-type impurity such as As, P, and In is used. In the case of a P-channel MISFET, a P-type impurity such as B, Ga, and sb is used.-2~ 1E16cm-2About to inject.
[0020]
Further, for example, RTA, spike annealing, or the like is used to perform rapid heating for about several seconds to activate the doped impurities. Including the heat treatment in the subsequent steps, the junction depth of the source and drain regions 106 and 107 is1-xGexIt does not exceed the surface where the layer 103 and the underlying silicon are in contact.
[0021]
Next, an unillustrated SiOTwoIs deposited on the entire surface of the silicon substrate 101. A contact hole is opened in this interlayer insulating film, and a W contact and a metal wiring such as Al and Cu are formed on the gate electrode 105 and the source and drain regions 106 and 107. Further, if necessary, deposition of an interlayer insulating film and formation of metal wiring are repeated to form a multilayer wiring structure. After that, the entire surface of the silicon substrate 101 is covered with a surface protection film (not shown), and a pad portion is opened to form a MISFET. Complete the semiconductor device including.
[0022]
In the semiconductor device described in this embodiment, Si has higher electrical conductivity than silicon.1-xGexNot only does layer 103 become a channel region, but source and drain regions 106 and 107 also1-xGexFormed in layer 103. For this reason, the energy band structure of the channel and the drain is different from the conventional example shown in FIG. 7A, and there is no potential barrier as shown in FIG. 7B. That is, the resistance when the charge flows from the channel to the drain can be suppressed, and the operation of the MISFET can be sped up.
[0023]
(Second embodiment)
FIG. 2 is a sectional view showing a second embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps. FIG. 2C shows a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention. In the present embodiment, Si1-xGexAn example of a MISFET in which a silicon layer is further formed on a layer is shown.
[0024]
First, as shown in FIG. 2A, a P-type silicon substrate 201 is prepared as a semiconductor substrate, and an oxide film is selectively buried in a surface region thereof by a selective oxidation method or a shallow trench isolation method. 202 is formed. Subsequently, if necessary, As, P, sb or the like in the case of the N-type and B, Ga, In or the like in the case of the P-type are diffused as impurities in the surface region surrounded by the element isolation region 202. Alternatively, a well region may be formed.
[0025]
Next, the surface region made of silicon of the silicon substrate 201 is selectively etched, and then, as shown in FIG. 2B, Si is formed on the silicon substrate 201 other than the element isolation region 202 by the selective epitaxial growth method.1-xGexA layer 203 and a silicon layer 204 are formed. Specifically, first, from the viewpoint of cleaning the surface of the silicon substrate 201 and flattening the step with the element isolation region 202, the silicon substrate 201 is heated to 900 to 1,150 ° C., and the surface is coated with a gas containing HCl. Etch the exposed silicon. Subsequently, the silicon substrate 201 is heated to 550 to 750 ° C.4Or SiH2Cl2And GeH4In a gas containing1-xGexA layer 203 is selectively epitaxially grown on the silicon substrate 201 to a thickness of 100 to 200 nm. Si1-xGexThe composition ratio x of the layer 203 is about 0.10 to 0.50, and is determined in consideration of desired electric characteristics. Further, the silicon substrate 201 is heated to 700 to 850 ° C.4Or SiH2Cl2In a gas containing 20 to 40 nm of silicon layer 204,1-xGexSelective epitaxial growth is performed on the layer 203.
[0026]
Next, SiO 2 is formed on the silicon layer 204 by a thermal oxidation method.TwoThe film is formed with a thickness of, for example, about 10 nm. Subsequently, an impurity for channel control is doped into the silicon substrate 201 by an ion implantation method. For example, in the case of an N-channel MISFET, a P-type impurity such as B, Ga, or In is used, and in the case of a P-channel MISFET, an N-type impurity such as As, P, or sb is used.-2~ 5E13cm-2About to inject. Furthermore, SiOTwoA polycrystalline silicon film is laminated on the film, for example, to about 100 nm.
[0027]
Next, as shown in FIG. 2C, the above-described polycrystalline silicon film and SiO 2 are formed by using a lithography method, a dry etching method, or the like.TwoThe film is selectively patterned to form a gate electrode 206 made of a polycrystalline silicon film, and SiO 2TwoA gate insulating film 205 made of a film is formed so as to be stacked. Subsequently, using the gate electrode 206 and the gate insulating film 205 as a mask, the silicon substrate 101 is doped with impurities by ion implantation in a self-aligned manner to form source and drain regions 207 and 208. For example, in the case of an N-channel MISFET, an N-type impurity such as As, P, and sb is used, and in the case of a P-channel MISFET, a P-type impurity such as B, Ga, and In is used.-2~ 1E16cm-2About to inject.
[0028]
Further, for example, RTA, spike annealing, or the like is used to perform rapid heating for about several seconds to activate the doped impurities. Including the heat treatment in the subsequent steps, the junction depth of the source and drain regions 207 and 208 is1-xGexIt does not exceed the surface where the layer 203 and the underlying silicon are in contact.
[0029]
After that, an unillustrated SiOTwoIs deposited on the entire surface of the silicon substrate 201. A contact hole is opened in this interlayer insulating film, and a W contact and a metal wiring such as Al and Cu are formed on the gate electrode 206 and the source and drain regions 207 and 208. Further, if necessary, a multilayer wiring structure is formed by repeating the deposition of an interlayer insulating film and the formation of metal wiring, and then the entire surface of the silicon substrate 201 is covered with a surface protection film (not shown), and the pad portion is opened to form the MISFET. Complete the semiconductor device including.
[0030]
In the semiconductor device described in this embodiment, the silicon layer 204 formed in the surface region of the silicon substrate 201 has high electric conductivity due to a strain effect, a quantum well effect, and the like,1-xGexIt can be used as a channel region together with the layer 203. Further, the source and drain regions 207 and 208 are made of Si.1-xGexFormed in the layer 203, resistance when electric charge flows from the channel to the drain can be suppressed, and the operation of the MISFET can be sped up.
[0031]
(Third embodiment)
FIG. 3 is a sectional view showing a third embodiment of the method of manufacturing a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention in the order of steps. FIG. 3C shows a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. The third embodiment employs a structure in which an extension region is provided adjacent to a source and drain region and a metal silicide is attached to the source and drain regions and a gate electrode, and is applied to a MISFET suitable for miniaturization. Here is an example.
[0032]
First, as shown in FIG. 3A, a P-type silicon substrate 301 is prepared as a semiconductor substrate, and an oxide film is selectively buried in a surface region thereof by a selective oxidation method or a shallow trench isolation method. Form 302. Subsequently, if necessary, As, P, sb or the like in the case of the N-type and B, Ga, In or the like in the case of the P-type are diffused into the surface region surrounded by the element isolation region 302 as impurities. Alternatively, a well region may be formed.
[0033]
Next, from the viewpoint of cleaning the surface of the silicon substrate 301 and flattening the step with the element isolation region 302, the silicon substrate 301 is heated to 900 to 1,150 ° C., and the silicon exposed on the surface is etched with a gas containing HCl. I do. Subsequently, the silicon substrate 301 is heated to 700 to 850 ° C.4Or SiH2Cl2Is selectively epitaxially grown on the silicon substrate 301 to a thickness of 100 to 200 nm in a gas containing. When a lattice defect or the like is formed near the surface of the silicon substrate 301 by interposing the silicon buffer layer 303, the lattice defect can be removed and converted to high-quality silicon.
[0034]
Next, the silicon substrate 301 is heated to 550 to 750 ° C.4Or SiH2Cl2And GeH4In a gas containing1-xGexA layer 304 is selectively epitaxially grown to a thickness of 100 to 200 nm on the silicon buffer layer 303. Si1-xGexThe composition ratio x of the layer is about 0.10 to 0.50, and is determined in consideration of desired electric characteristics. Further, the silicon substrate 301 is heated to 700 to 850 ° C.4Or SiH2Cl2In a gas containing 20 to 40 nm of silicon1-xGexSelective epitaxial growth on layer 304.
[0035]
Next, SiO 2 is formed on the silicon layer 305 by a thermal oxidation method.TwoThe film is formed with a thickness of, for example, about 10 nm. Subsequently, an impurity for channel control is doped into the silicon substrate 301 by an ion implantation method. For example, in the case of an N-channel MISFET, a P-type impurity such as B, Ga, or In is used, and in the case of a P-channel MISFET, an N-type impurity such as As, P, or sb is used.-2~ 5E13cm-2About to inject. Furthermore, SiOTwoA polycrystalline silicon film is laminated on the film, for example, to about 100 nm.
[0036]
Next, as shown in FIG. 3B, the polycrystalline silicon film and the SiOTwoThe film is selectively patterned, and a gate electrode 307 made of a polycrystalline silicon film and SiOTwoA gate insulating film 306 made of a film is formed so as to be stacked. Subsequently, using the gate electrode 307 and the gate insulating film 306 as masks, the silicon substrate 301 is doped with impurities in a self-aligning manner by ion implantation to form extension regions 308 and 309. For example, in the case of an N-channel MISFET, an N-type impurity such as As, P, and sb is used, and in the case of a P-channel MISFET, a P-type impurity such as B, Ga, and In is used.-2~ 3E15cm-2About to inject.
[0037]
Then, for example, rapid heating is performed for several seconds by RTA, spike annealing, or the like, to activate the doped impurities. Including the heat treatment in the subsequent steps, the junction depth of the extension regions 308 and 309 is1-xGexIt does not exceed the surface where the layer 304 and the silicon buffer layer 303 are in contact.
[0038]
Next, an insulating film such as a silicon nitride film is deposited on the entire surface of the silicon substrate 301 by a CVD method, and subsequently, is etched back using a dry etching method to select the side surfaces of the gate electrode 307 and the gate insulating film 306. And a sidewall insulating film 310 is formed. Again, by ion implantation, for example, in the case of an N-channel MISFET, N-type impurities such as As, P, and sb are used, and in the case of a P-channel MISFET, P-type impurities such as B, Ga, and In are used.-2~ 3E15cm-2About to inject. Thereafter, for example, rapid heating is performed for several seconds by RTA, spike annealing, or the like to activate the doped impurities, thereby forming source and drain regions 311 and 312.
[0039]
Next, for example, nickel is deposited to a thickness of 10 nm by a sputtering method, and thereafter, rapid heating is performed at 500 ° C. for 30 seconds. Nickel formed on the source and drain regions 311, 312 and the gate electrode 307 reacts with silicon to form nickel silicide. Thereafter, the remaining nickel including nickel on the insulating film is removed by selective wet etching, and nickel silicide layers 313, 314, and 315 are formed only on the source and drain regions 311, 312 and the gate electrode 307. At this time, germanium may be included in part of the nickel silicide layers 313, 314, 315 depending on the heat treatment conditions and the like.
[0040]
Nickel silicide and Si1-xGexIs very low, and the resistance of nickel silicide is also lower than that of polycrystalline silicon. Therefore, the operation speed of the MISFET is improved by using nickel silicide as an electrode. Note that, as the metal silicide, a remarkable effect is shown in nickel silicide. However, the metal silicide is not limited to this, and in consideration of the entire process of the MISFET and desired characteristics, W, Co, Ti, Ta, Pt, Pd, etc. It may be selected from metals and silicides thereof.
[0041]
After that, an unillustrated SiOTwoIs deposited on the entire surface of the silicon substrate 301. A contact hole is opened in this interlayer insulating film, and a W contact and a metal wiring such as Al and Cu are formed on the nickel silicide layers 313, 314 and 315. Further, if necessary, a multi-layer wiring structure is formed by repeating the deposition of an interlayer insulating film and the formation of a metal wiring, and then the entire surface of the silicon substrate 301 is covered with a surface protection film (not shown). Complete the semiconductor device including.
[0042]
In the semiconductor device described in this embodiment, the silicon layer 305 formed in the surface region of the silicon substrate 301 has high electrical conductivity due to a strain effect, a quantum well effect, and the like,1-xGexIt can be used as a channel region together with the layer 304. Further, the extension regions 308 and 309 are Si1-xGexFormed in the layer 304, resistance when electric charge flows from the channel to the drain can be suppressed, and the operation of the MISFET can be sped up.
[0043]
In addition, the extension region improves the drain withstand voltage and provides a structure more suitable for miniaturization of the MISFET. Furthermore, since metal silicide is used as an electrode, the resistance of the electrode is reduced and Si1-xGexThe contact resistance with the layer can be reduced, and the operation of the MISFET can be sped up.
[0044]
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a sectional view showing a fourth embodiment of the method of manufacturing a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention in the order of steps. FIG. 4C shows a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention. This fourth embodiment is based on Si1-xGexAn example of an element structure in which the quantum well effect and the like are more remarkably linked to MISFET characteristics improvement by forming a multilayer of a silicon layer and a silicon layer will be described.
[0045]
First, as shown in FIG. 4A, a P-type silicon substrate 401 is prepared as a semiconductor substrate, and an oxide film is selectively buried in a surface region thereof by a selective oxidation method or a shallow trench element isolation method. Form 402. Subsequently, if necessary, As, P, sb, etc. for N-type and B, Ga, In, etc. for P-type are diffused into the surface region surrounded by the element isolation region 402 as impurities. Alternatively, a well region may be formed.
[0046]
Next, from the viewpoint of cleaning the surface of the silicon substrate 401 and flattening the step with the element isolation region 402, the silicon substrate 401 is heated to 900 to 1,150 ° C., and silicon exposed on the surface with a gas containing HCl is removed. Etch. Subsequently, the silicon substrate 401 is heated to 700 to 850 ° C.4Or SiH2Cl2Is selectively epitaxially grown on the silicon substrate 401 to a thickness of 100 to 200 nm in a gas containing
[0047]
Next, the temperature of the silicon substrate 401 is set to 550 to 750 ° C., and SiH 4 or SiH2Cl2And GeH4First Si in a gas containing1-xGexThe layer 404 is selectively epitaxially grown on the silicon buffer layer 403 by 30 to 50 nm. Si1-xGexThe composition ratio x of the layer is about 0.25 to 0.75, and is determined in consideration of desired electric characteristics. Further, the silicon substrate 401 is heated to 700 to 850 ° C.4Or SiH2Cl2In a gas containing Si, the first silicon layer 405 is formed to a thickness of 30 to 50 nm,1-xGexSelective epitaxial growth on layer 404.
[0048]
Next, the first Si1-xGexThe second Si layer is formed in the same manner as the layer forming conditions.1- xGexA layer 406 is selectively epitaxially grown to a thickness of 30 to 50 nm on the first silicon layer 405. Further, the second silicon layer 407 is formed to a thickness of 10 to 20 nm in the same manner as the conditions for forming the first silicon layer.1-xGexSelective epitaxial growth on layer 406. At this time, impurity doping may be appropriately performed during growth so that desired electric characteristics can be obtained.
[0049]
Next, SiO 2 is formed on the second silicon layer 407 by a thermal oxidation method.TwoThe film is formed with a thickness of, for example, about 10 nm. Subsequently, an impurity for channel control is doped into the silicon substrate 401 by an ion implantation method. For example, in the case of an N-channel MISFET, a P-type impurity such as B, Ga, or In is used, and in the case of a P-channel MISFET, an N-type impurity such as As, P, or sb is used.-2~ 5E13cm-2About to inject. Furthermore, SiOTwoA polycrystalline silicon film is laminated on the film, for example, to about 100 nm.
[0050]
Next, as shown in FIG. 4B, the above-mentioned polycrystalline silicon film and SiOTwoThe film is selectively patterned, and a gate electrode 409 made of a polycrystalline silicon film and SiOTwoA gate insulating film 408 made of a film is formed so as to be stacked. Subsequently, using the gate electrode 409 and the gate insulating film 408 as a mask, the silicon substrate 401 is doped with impurities in a self-aligning manner by ion implantation to form extension regions 410 and 411. For example, in the case of an N-channel MISFET, an N-type impurity such as As or P is used, and in the case of a P-channel MISFET, a P-type impurity such as B is used.-2~ 3E15cm-2About to inject. Then, for example, rapid heating is performed for several seconds by RTA, spike annealing, or the like, to activate the doped impurities. The junction depth of the extension regions 410 and 411 including the first Si1-xGexIt does not exceed the surface where the layer 404 and the silicon buffer layer 403 are in contact with each other.
[0051]
Next, an insulating film such as a silicon nitride film is deposited on the entire surface of the silicon substrate 401 by a CVD method, and subsequently, is etched back using a dry etching method to select the side surfaces of the gate electrode 409 and the gate insulating film 408. And a sidewall insulating film 412 is formed. Again, by ion implantation, for example, an N-channel MISFET uses an N-type impurity such as As or P, and a P-channel MISFET uses a P-type impurity such as B, and has a dose of 1E15 cm.-2~ 1E16cm-2About to inject. After that, for example, rapid heating is performed for several seconds by RTA, spike annealing, or the like to activate the doped impurities to form source and drain regions 413 and 414.
[0052]
Next, a nickel film is deposited to a thickness of, for example, 10 nm by a sputtering method, and thereafter, rapid heating is performed at 500 ° C. for 30 seconds. Nickel formed on the source and drain regions 413 and 414 and the gate electrode 409 reacts with silicon to form nickel silicide. After that, the remaining nickel including nickel on the insulating film is removed by selective wet etching, and nickel silicide layers 415, 416, and 417 are formed only on the source and drain regions 413 and 414 and the gate electrode 409. At this time, germanium may be included in part of the nickel silicide layers 415, 416, and 417 depending on the heat treatment conditions and the like.
[0053]
Thereafter, a SiO 2 not shownTwoIs deposited on the entire surface of the silicon substrate 401. A contact hole is opened in this interlayer insulating film, and a W contact and a metal wiring such as Al and Cu are formed in the nickel silicide layers 415, 416, and 417. Further, if necessary, a multilayer wiring structure is formed by repeating the deposition of an interlayer insulating film and the formation of a metal wiring, and then the entire surface of the silicon substrate 401 is covered with a surface protective film, the pad portion is opened, and a semiconductor including a MISFET is formed. Complete the device.
[0054]
In the semiconductor device described in this embodiment, the potential barrier between the channel and the drain is eliminated, the resistance when electric charge flows from the channel to the drain is suppressed, and the operation of the MISFET can be performed at high speed. The carrier induced at 405 is transferred to the second Si1-xGexFor example, the MISFET can be confined in the layer 406 to contribute to electric conduction, and the MISFET can be further speeded up.
[0055]
(Fifth embodiment)
FIG. 5 is a sectional view showing a fifth embodiment of the method of manufacturing a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention in the order of steps. FIG. 5C shows a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment, all the source and drain regions are made of Si.1-xGexAn example of a MISFET in which the resistance of the drain region is further reduced by forming a layer will be described.
[0056]
First, as shown in FIG. 5A, a P-type silicon substrate 401 is prepared as a semiconductor substrate, and an oxide film is selectively buried in a surface region thereof by a selective oxidation method or a shallow trench isolation method. Form 402. Subsequently, if necessary, As, P, sb, etc. for N-type and B, Ga, In, etc. for P-type are diffused into the surface region surrounded by the element isolation region 402 as impurities. Alternatively, a well region may be formed.
[0057]
Next, from the viewpoint of cleaning the surface of the silicon substrate 501 and flattening a step with the element isolation region 502, the silicon substrate 501 is heated to 900 to 1,150 ° C., and silicon exposed on the surface with a gas containing HCl is removed. Etch. Subsequently, the silicon substrate 501 is heated to 700 to 850 ° C.4Or SiH2Cl2Is selectively epitaxially grown on the silicon substrate 501 to a thickness of 100 to 200 nm in a gas containing.
[0058]
Next, the silicon substrate 501 is heated to 550 to 750 ° C.4Or SiH2Cl2And GeH4In a gas containing1-xGexA layer 504 is selectively epitaxially grown on the silicon buffer layer 503 to a thickness of 100 to 200 nm. Si1-xGexThe composition ratio x of the layer is about 0.25 to 0.75, and is determined in consideration of desired electric characteristics. Further, the silicon substrate 501 is heated to 700 to 850 ° C.4Or SiH2Cl2In a gas containing 20 to 40 nm of silicon layer 505,1-xGexSelective epitaxial growth on layer 504.
[0059]
Next, SiO 2 is formed on the silicon layer 505 by a thermal oxidation method.TwoThe film is formed with a thickness of, for example, about 15 nm. Subsequently, an impurity for channel control is doped into the silicon substrate 501 by an ion implantation method. For example, in the case of an N-channel MISFET, a P-type impurity such as B, Ga, or In is used, and in the case of a P-channel MISFET, an N-type impurity such as As, P, or sb is used.-2~ 5E13cm-2About to inject. Furthermore, SiOTwoA polycrystalline silicon film is laminated on the film, for example, to a thickness of about 200 nm. Subsequently, a silicon nitride film is stacked, for example, to about 100 nm.
[0060]
Next, the silicon nitride film, the polycrystalline silicon film, and the SiOTwoThe film is selectively patterned, and a silicon nitride film 508 as an etching mask, a gate electrode 507 made of a polycrystalline silicon film, and SiO 2TwoA gate insulating film 506 made of a film is formed so as to be stacked. Subsequently, a silicon nitride film 508, a polycrystalline silicon film 507, and SiO 2TwoUsing the film 506 as a mask, the silicon substrate 501 is doped with impurities in a self-aligning manner by ion implantation to form extension regions 509 and 510. For example, in the case of an N-channel MISFET, an N-type impurity such as As or P is used, and in the case of a P-channel MISFET, a P-type impurity such as B is used.-2~ 3E15cm-2About to inject. Thereafter, for example, rapid heating of about several seconds is performed by RTA or spike annealing to activate the doped impurities. Including the heat treatment in the subsequent steps, the junction depth of the extension regions 509 and 510 is1-xGexIt does not exceed the surface where the layer 504 and the silicon buffer layer 503 are in contact with each other.
[0061]
Next, an insulating film such as a silicon nitride film is deposited on the entire surface of the silicon substrate 501 by a CVD method, and then etched back using a dry etching method to select the gate electrode 507 and the side surfaces of the gate insulating film 506. The sidewall insulating film 511 is formed. Next, as shown in FIG. 5B, using the silicon nitride film 508 as a mask, the silicon substrate 501 is heated to 700 to 850 ° C. in a gas atmosphere containing HCl, and the silicon layer 505 exposed on the silicon substrate 501 is removed. Si1-xGexThe layer 504 and part of the silicon buffer layer 503 are removed.
[0062]
Further, as shown in FIG. 5C, the temperature of the silicon substrate 501 is set to 550 to 750 ° C., and SiH 4 or SiH2Cl2And GeH4In a gas containing1-xGexThe layers 512, 513 are selectively embedded in the etched areas. Si1-xGexThe composition ratio of the layer is Si1-xGexThe composition is the same as that of the layer. Next, the nitride film used as a mask is selectively removed, and again, for example, N-type impurities such as As and P for an N-channel MISFET and B and the like for a P-channel MISFET by ion implantation. Using a P-type impurity, a dose amount of 1E15 cm-2~ 1E16cm-2About to inject. Thereafter, for example, rapid heating for several seconds is performed by RTA, spike annealing, or the like to activate the doped impurities, thereby forming source and drain regions 514 and 515.
[0063]
Thereafter, a SiO 2 not shownTwoIs deposited on the entire surface of the silicon substrate 501. A contact hole is opened in the interlayer insulating film, and a W contact and a metal wiring such as Al and Cu are formed on the gate electrode 507 and the source and drain regions 514 and 515. Further, if necessary, a multilayer wiring structure is formed by repeating the deposition of an interlayer insulating film and the formation of a metal wiring, and then the entire surface of the silicon substrate 501 is covered with a surface protection film (not shown). Complete the semiconductor device including.
[0064]
In the semiconductor device described in this embodiment, the potential barrier between the channel and the drain is eliminated, the resistance when electric charge flows from the channel to the drain is suppressed, and the operation of the MISFET can be sped up. Also, the drain side Si1-xGexLayer the channel Si1-xGexIt can be formed thicker than the layer, and the control of the junction depth of the drain layer becomes easy. Further, the contact resistance between the drain and the metal or the metal silicide can be reduced.
[0065]
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is a sectional view showing a sixth embodiment of the method of manufacturing a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention in the order of steps. FIG. 6C shows a sixth embodiment of the semiconductor device according to the present invention. The sixth embodiment shows an example of a MISFET on an SOI structure substrate.
[0066]
First, as shown in FIG. 6A, an SOI substrate 601 formed by a SiMOX method (oxygen ion implantation method) is prepared. The SOI substrate 601 is obtained by implanting oxygen ions into a silicon substrate and then forming a buried oxide layer by heat treatment to form an insulating separation layer 602. The active silicon layer 603 is on the main surface side of the insulating isolation layer 602 where oxygen ions are implanted in the SOI substrate 601. As the SOI forming method, a bonding method, a beam annealing method, or the like may be used in addition to the above-described SiMOX method.
[0067]
Next, as shown in FIG. 6B, an oxide film is selectively formed on the surface region of the active silicon layer 603 of the SOI substrate 601 by a selective oxidation method or a shallow trench element isolation method to form an element isolation region 604. . Subsequently, if necessary, As, P, sb, etc. for N-type and B, Ga, In, etc. for P-type are diffused into the surface region surrounded by the element isolation region 402 as impurities. Alternatively, a well region may be formed.
[0068]
Next, from the viewpoint of cleaning the surface of the silicon active layer 603 and flattening the step with the element isolation region 604, the SOI substrate 601 is heated to 900 to 1,150 ° C., and silicon exposed on the surface with a gas containing HCl. Is etched. Next, the SOI substrate 601 is heated to 700 to 850 ° C.4Or SiH2Cl2Is selectively grown epitaxially on the active silicon layer 603 with a thickness of 30 to 70 nm in a gas containing.
[0069]
Subsequently, the SOI substrate 601 is heated to 550 to 750 ° C.4Or SiH2Cl2And GeH4Si in a gas containing1-xGexA layer 606 is selectively epitaxially grown on the silicon buffer layer 605 to a thickness of 100 to 200 nm. Si1-xGexThe layer composition ratio x is about 0.25 to 0.75, and is determined in consideration of desired electric characteristics.
[0070]
Next, an impurity for channel control is doped into the SOI substrate 601 by an ion implantation method. For example, in the case of an N-channel MISFET, a P-type impurity such as B is used, and in the case of a P-channel MISFET, an N-type impurity such as As or P is used.-2~ 5E13cm-2About to inject. Subsequently, a hafnium oxide film is formed with a thickness of about 20 nm on the entire surface of the SOI substrate 601 by a CVD method. Further, a polycrystalline silicon film is stacked on the hafnium oxide film, for example, in a thickness of about 100 nm.
[0071]
Next, as shown in FIG. 6C, the polycrystalline silicon film and the hafnium oxide film are selectively patterned by using a lithography method, a dry etching method or the like to form a gate electrode 608 made of a polycrystalline silicon film. And a gate insulating film 607 made of a hafnium oxide film. Subsequently, using the gate electrode 608 and the gate insulating film 607 as a mask, the SOI substrate 601 is doped with an impurity in a self-aligning manner by ion implantation to form source and drain regions 609 and 610. For example, in the case of an N-channel MISFET, an N-type impurity such as As or P is used, and in the case of a P-channel MISFET, a P-type impurity such as B is used.-2~ 3E15cm-2About to inject.
[0072]
Further, for example, rapid heating of about several seconds is performed by using a lamp heating method or the like to activate the doped impurities. Including the heat treatment in the subsequent steps, the junction depth of the source and drain regions 690 and 610 is1-xGexDo not exceed the surface where the layer and the underlying silicon contact.
[0073]
After that, an unillustrated SiOTwoIs deposited on the entire surface of the SOI substrate 601. A contact hole is opened in the interlayer insulating film, and a W contact and a metal wiring such as Al and Cu are formed on the gate electrode 608 and the source and drain regions 609 and 610. Further, if necessary, deposition of an interlayer insulating film and formation of a metal wiring are repeated to form a multilayer wiring structure. Then, the entire surface of the SOI substrate 601 is covered with a surface protection film (not shown), and a pad portion is opened to form a MISFET. Complete the semiconductor device including.
[0074]
In the semiconductor device described in this embodiment, the potential barrier between the channel and the drain is eliminated, the resistance when electric charge flows from the channel to the drain is suppressed, and the operation of the MISFET can be sped up. In the SOI structure, the parasitic capacitance of the drain region is smaller than that of the silicon substrate, so that the speed of the MISFET can be further increased.
[0075]
Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment at all. For example, as a gate insulating film, a hafnium oxide film, SiO 2TwoBesides, it may be SiOxNy, SiNx, HfOxNy, AlOx, ZrOx, ZrOxNy, or the like. The gate electrode may be a mixed crystal of polycrystalline silicon and polycrystalline germanium, a metal, or a metal silicide other than polycrystalline silicon. Further, the gate side wall, extension region, salicide, and the like in the source and drain regions may be selected as needed, and the materials and elements used at that time are not limited to the embodiment. In addition, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
[0076]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the semiconductor device including the insulated gate field effect transistor of the present invention and the method of manufacturing the same,1-xGexIn a MISFET using a layer, the source and drain regions are1-xGexBy forming in the layer, a potential barrier between the channel and the drain can be eliminated, and the resistance between the channel and the drain can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the order of steps of a second embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a third embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a fourth embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 5 is a sectional view showing a fifth embodiment of the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 6 is a sectional view showing a sixth embodiment of the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIG. 7 shows a conventional and present invention.1-xGexFIG. 4 is a schematic view of an energy band structure of a junction between a channel and a drain of a semiconductor device using a layer.
[Explanation of symbols]
101, 201, 301, 401, 501 Silicon substrate
102, 202, 302, 402, 502, 604 Element isolation region
103, 203, 304, 504, 606 Si1-xGexlayer
104, 205, 306, 408, 506, 607 Gate insulating film
105, 206, 307, 409, 507, 608 Gate electrode
106, 107, 207, 208, 311, 312 Source and drain regions
413, 414, 514, 515, 609, 610 Source and drain regions
204, 305, 505 Silicon layer
303, 303, 403, 503, 605 Silicon buffer layer
308, 309, 410, 411, 509, 510 Extension area
310, 412, 511 sidewall insulating film
313, 314, 315, 415, 416, 417 Nickel silicide layer
404 First Si1-xGexlayer
405 first silicon layer
406 Second Si1-xGexlayer
407 Second silicon layer
508 Silicon nitride film
512, 513 Si of source and drain regions1-xGexlayer
601 SOI substrate
602 insulation separation layer
603 silicon active layer

Claims (11)

シリコンからなる表面領域を有する半導体基体と、
前記半導体基体上に形成されたシリコンとゲルマニウムからなる混晶半導体層と、
前記混晶半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜下の混晶半導体層を挟むと共に、その接合深さが前記混晶半導体層を越えないように前記混晶半導体層に形成されたソース及びドレイン領域とを
有することを特徴とする絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置。
A semiconductor substrate having a surface region made of silicon;
A mixed crystal semiconductor layer made of silicon and germanium formed on the semiconductor substrate,
A gate insulating film formed on the mixed crystal semiconductor layer,
A gate electrode formed on the gate insulating film;
It has a source and drain region formed in the mixed crystal semiconductor layer so that the junction depth does not exceed the mixed crystal semiconductor layer while sandwiching the mixed crystal semiconductor layer below the gate insulating film. A semiconductor device including an insulated gate field effect transistor.
前記ソース及びドレイン領域より接合深さが浅く前記混晶半導体層に形成されたエクステンション領域を有することを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising an extension region having a junction depth smaller than that of the source and drain regions and formed in the mixed crystal semiconductor layer. 3. 前記混晶半導体層上にシリコン層が形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置。3. The semiconductor device including the insulated gate field effect transistor according to claim 1, wherein a silicon layer is formed on the mixed crystal semiconductor layer. 前記混晶半導体層と、その上に形成された前記シリコン層の上に、更に、混晶半導体層とシリコン層が交互に積層化されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the mixed crystal semiconductor layer and the silicon layer are alternately stacked on the mixed crystal semiconductor layer and the silicon layer formed thereon. 5. 12. A semiconductor device comprising the insulated gate field effect transistor according to claim 1. 前記半導体基体と前記混晶半導体層の間に、シリコンからなるバッファー層を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置。5. The semiconductor device including the insulated gate field effect transistor according to claim 1, further comprising a buffer layer made of silicon between the semiconductor substrate and the mixed crystal semiconductor layer. シリコンからなる表面領域を有する半導体基体に素子分離領域を形成し、この素子分離領域に囲まれる素子領域を形成する工程と、
前記素子領域上にシリコンとゲルマニウムからなる混晶半導体層を形成する工程と、
前記混晶半導体層上にゲート絶縁膜及びゲート電極を積層する工程と、
前記混晶半導体層において、前記ゲート絶縁膜下の混晶半導体領域を挟み、その接合深さが前記混晶半導体層を越えないように前記混晶半導体層にソース及びドレイン領域を形成する工程とを
有することを特徴とする絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置の製造方法。
Forming an element isolation region on a semiconductor substrate having a surface region made of silicon, and forming an element region surrounded by the element isolation region;
Forming a mixed crystal semiconductor layer made of silicon and germanium on the element region,
Laminating a gate insulating film and a gate electrode on the mixed crystal semiconductor layer,
Forming a source and a drain region in the mixed crystal semiconductor layer so that the mixed crystal semiconductor layer sandwiches the mixed crystal semiconductor region under the gate insulating film and the junction depth does not exceed the mixed crystal semiconductor layer; A method for manufacturing a semiconductor device including an insulated gate field effect transistor, comprising:
前記ゲート絶縁膜上に前記ゲート電極を形成する工程と前記ソース及びドレイン領域を形成する工程の間に、前記混晶半導体層に前記ソース及びドレイン領域より接合深さが浅いエクステンション領域を形成する工程とを有することを特徴とする請求項6に記載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置の製造方法。Forming an extension region having a junction depth smaller than that of the source and drain regions in the mixed crystal semiconductor layer between the step of forming the gate electrode on the gate insulating film and the step of forming the source and drain regions; 7. A method for manufacturing a semiconductor device including an insulated gate field effect transistor according to claim 6, comprising: 前記混晶半導体層を形成する工程に続いて、前記混晶半導体層上にシリコン層を形成する工程を有することを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置の製造方法。8. The insulated gate field effect transistor according to claim 6, further comprising a step of forming a silicon layer on the mixed crystal semiconductor layer following the step of forming the mixed crystal semiconductor layer. And a method for manufacturing a semiconductor device. 前記混晶半導体層上に前記シリコン層を形成する工程に続いて、前記シリコン層上に、混晶半導体層と、シリコン層を、更に、交互に積層化する工程を有することを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置の製造方法。The method according to claim 1, further comprising, after the step of forming the silicon layer on the mixed crystal semiconductor layer, a step of alternately stacking a mixed crystal semiconductor layer and a silicon layer on the silicon layer. A method for manufacturing a semiconductor device including the insulated gate field effect transistor according to claim 6. 前記素子分離領域を形成する工程と前記混晶半導体層を形成する工程の間に、シリコンからなるバッファー層を形成する工程を有することを特徴とする請求項6乃至9のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置の製造方法。The method according to any one of claims 6 to 9, further comprising a step of forming a buffer layer made of silicon between the step of forming the element isolation region and the step of forming the mixed crystal semiconductor layer. A method of manufacturing a semiconductor device including an insulated gate field effect transistor. 前記エクステンション領域を形成する工程と、前記ソース及びドレイン領域を形成する工程との間に、
ソース及びドレイン領域を選択的に除去する工程と、
前記除去された領域に選択的に混晶半導体層を形成する工程とを
有することを特徴とする請求項6乃至10のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含む半導体装置の製造方法。
Between the step of forming the extension region and the step of forming the source and drain regions,
Selectively removing the source and drain regions;
Forming a mixed crystal semiconductor layer selectively in the removed region. 11. The method of manufacturing a semiconductor device including an insulated gate field effect transistor according to claim 6, further comprising the step of: Method.
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