JP2004214457A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関し、特に相補の電界効果トランジスタからなる半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
高度情報化に伴い、大容量かつ高速データ通信を可能とするため、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor)の高速化が必要とされている。
【0003】
MOSFETにおいて、チャネルとなる半導体層に圧縮、あるいは引っ張り歪みを加えることにより、正孔あるいは電子の移動度が向上する。これまで(001)面を主表面としたシリコン(以下Siと記す)基板上にシリコンゲルマニウム(以下SiGeと記す)層を積層することで、格子定数の差異から面内圧縮歪みをうけたSiGe層中では、正孔の有効質量が軽くなり正孔移動度が向上することが報告されている。一方、面内圧縮歪みを受けたSiGe層の電子は膜面に水平の電子移動度が、Si中での値よりも小さくなる。したがって、Si(001)基板上に形成した歪みSiGeにおいて、正孔及び電子の移動度をともに向上させることは困難とされてきた。
【0004】
この問題を解決するために、pチャネルのMOSFET(以下PMOSFETと記す)は正孔の移動度向上に効果がある歪みSiGeチャネルを、nチャネルのMOSFET(以下NMOSFETと記す)は電子の移動度向上に効果がある歪みSiチャネルを適用したトランジスタにより相補型電界効果型トランジスタが提案されている。
【0005】
一方、歪みSiGeあるいは歪みGeの積層面に対して垂直な方向(引っ張り歪みの方向)にキャリアを移動させる縦型のMOSFETを用いた相補型電界効果トランジスタが提案されている(例えば特許文献1)。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−203971号公報(第7図)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の歪みSiをSi基板上に形成するためには、厚さ数μm程度の格子緩和したSiGe層を形成しなくてはならず、歪みSiGe層は厚さ数十nm程度の格子緩和が起こらない臨界膜厚以下でなくてはならず、両者を共存させることは、プロセス上困難であるという問題があった。
【0008】
また、上述のように、歪みSiGeあるいは歪みGeの積層面に対して垂直な方向にキャリアを移動させる縦型のMOSFETの場合、引っ張り歪みの方向に電子を移動させることで電子の移動度の向上は可能である。しかし前述のように正孔は面内圧縮歪みの方向で移動度が向上することを考慮していない。
【0009】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、正孔と電子の両方のキャリアの移動度を向上させた相補の電界効果トランジスタからなる半導体装置を提供することを目的とする。
【0010】
また、本発明の他の目的は簡単なプロセスで正孔と電子の両方のキャリアの移動度を向上させた相補の電界効果トランジスタからなる半導体装置を製造する半導体装置の製造方法を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、相補の電界効果トランジスタからなる半導体装置において、図1に示すように、Si基板1上に形成したSiと格子定数の異なるゲルマニウム(Ge)を含むSiGe層2の圧縮応力の方向に正孔が移動するpチャネルを形成するPMOSFET10aと、SiGe層2の引っ張り応力の方向に電子が移動するnチャネルを形成するNMOSFET10bとを有することを特徴とする半導体装置10が提供される。
【0012】
上記の構成によれば、圧縮応力の方向にpチャネルを、引っ張り応力の方向にnチャネルを形成するので、正孔及び電子の移動度が両方とも向上する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態の半導体装置の構成を示す断面図である。
【0014】
本発明の第1の実施の形態の半導体装置10は、(001)面を主表面としたp型のSi基板1上に、Siと格子定数の異なるGeを含んだSiGeを用いて形成された横型のPMOSFET10aと、縦型のNMOSFET10bとから構成される。
【0015】
PMOSFET10aは、Si基板1上に形成される(001)面を主表面としたn型のSiGe層2と、p型の不純物濃度の高いドレインまたはソース領域5a、5bと、ゲート酸化膜3a上に形成されるゲート電極4aと、から構成される。
【0016】
一方、NMOSFET10bは、SiGe層2に後述するような方法でイオン注入を行うことで形成したn型のドレインまたはソース領域2a、2b及びp型のチャネル領域2cと、側壁部SWに形成されたゲート酸化膜3bを介して配置されたゲート電極4bから構成される。
【0017】
なお、側壁部SWは、基板面(001)に対して垂直な(100)面あるいは(110)面または、それと等価な、(−100)面、(010)面、(0−10)面、(−110)面、(1−10)面、(−1−10)面となっている。
【0018】
また、半導体装置10にはトレンチtr1、tr2が形成され酸化膜3が埋め込まれており、素子間分離を行っている。また、PMOSFET10aにおいては配線7a、7cはドレインまたはソース領域5a、5bと接続されており、配線7bはゲート電極4aと接続される。一方、NMOSFET10bにおいては配線7d、7fがドレインまたはソース領域2b、2aと接続されており、配線7eはゲート電極4bと接続されている。各配線間は、短絡を防止するための絶縁膜6が形成されている。
【0019】
ここで、PMOSFET10aと、NMOSFET10bのゲート電極4a、4bを配線7b、7eで接続し、PMOSFET10aのドレインまたはソース領域5a、5bのいずれかと、NMOSFET10bのドレインまたはソース領域2a、2bのいずれかを、配線7a、7c、7d、7fで接続することで、CMOS(Complementary MOS)が構成される。
【0020】
SiGe層2の膜厚は、格子緩和が起こらない臨界膜厚以下とすることが必要であり、例えば、Ge比率0.2で約20nm程度以下にすることが望ましい。酸化膜3、ゲート酸化膜3a、3b及び絶縁膜6は、例えば酸化シリコン(SiO2)である。また、ゲート酸化膜3a、3bにおいては、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、ジルコン(ZrO2)などの高誘電率薄膜を堆積したものを用いてもよい。また、絶縁膜6は、低誘電率体を用いてもよい。ゲート電極4a、4bは、ポリSiのほかに、SiGe、SiGeC(Cは炭素)、アルミニウム(Al)などの金属を用いてもよい。配線7a、7b、7c、7d、7e、7fは、例えば、アルミニウム(Al)や銅(Cu)である。
【0021】
PMOSFET10aにおいて、配線7bでゲート電極4aにゲート電圧を印加すると、ゲート電極4aの下部のn型のSiGe層2の表面がp型に反転し、面内方向である<100>方向または<110>方向にpチャネルが形成される。このとき、配線7a、7cにより、ドレインまたはソース領域5a、5bに電圧を印加することで、pチャネルに正孔電流が流れる。
【0022】
一方、NMOSFET10bにおいて、配線7eでゲート電極4bにゲート電圧を印加すると、側壁部SWのチャネル領域2cのゲート電極4b側の表面がn型に反転する。このとき、配線7d、7fにより、ドレインまたはソース領域2a、2cに電圧を印加することで、<001>方向のnチャネルに電子電流が流れる。
【0023】
(001)面を主表面としたSi基板1上に形成したSiGe層2は、(001)面を主表面とし、SiとGeの格子定数の差異から歪みが生じ、面内方向である<100>、<110>方向には圧縮応力が生じ、膜厚方向である<001>方向には引っ張り応力が生じている。本発明の第1の実施の形態の半導体装置10においては、PMOSFET10aは面内方向にpチャネル、NMOSFET10bは膜厚方向にnチャネルが形成されている。すなわち、半導体装置10において、圧縮応力の方向にpチャネル、引っ張り応力の方向にnチャネルが形成されている。これにより、正孔及び電子の移動度が上がり、電流駆動能力を向上することができる。その理由を以下で詳細に説明する。
【0024】
図2は、MOSFETの波数空間(K空間)における伝導帯下端(バレー)の等エネルギー面を示した図であり、(A)が立体図、(B)が<001>方向投影図で、(C)が<100>方向投影図である。
【0025】
また、図3は、チャネル電子の2次元量子化によって生じるSi及び歪みSiGeのバレーの準位差を示す図であり、(A)は<001>方向に2次元量子化した場合、(B)は<100>方向に2次元量子化した場合のバレーの準位差を示す図である。
【0026】
図2(A)のように、kx方向、ky方向及びkz方向に2つずつ、実線で示す通常のSiのバレー100a、101a、102aと、点線で示す歪みSiGeのバレー100b、101b、102bが、回転楕円体の形状でK空間上に配置されている。
【0027】
歪みによる準位差はGe比率0.2でバレー100bのほうが、バレー101b、102bよりも約0.12eV程度高くなることが報告されている。
NMOSのチャネル反転層の電子を2次元状態として考えると、平面型MOSFETでは、図2(B)に示すようにバレーは<001>方向への投影図で表される。このとき、<001>方向への量子化によりバレー100a、101a、102aへ縮退が解ける。ゲート直下の電界強度を1MV/cmとしたとき、その差はバレー101a、102aのほうがバレー100aよりも約0.12eV程度高い(図3(A))。チャネル電子の量子準位差は、歪みによって生じる準位差と2次元量子化によって生じる準位差の和で表されるので(J.Welser et al,IEDM94 p.373−p.376)、平面型歪みSiGeチャネルの場合、チャネル反転層のチャネル電子の量子準位差はほとんど0に等しくなる(図3(A))。電子は低いエネルギー準位を優先的に占有していくので、歪みSiGeMOSFETの場合、バレー101b、102bでの電子の存在確率が、SiMOSFETのバレー101a、102aよりも増大する。伝導電子の有効質量は、バレーの中心からの半径の電流方向と重なる成分の平方根に比例し、バレー101b、102bの電子のほうがバレー100bの電子よりも大きいため、歪みSiGeでは、伝導電子の平均的な有効質量が増大する。これにより、移動度の向上が困難となる。
【0028】
一方、縦型MOSFETの場合、チャネルを(100)面に形成する場合、バレーは図2(C)に示されるように<100>方向への投影図で表される。チャネル電子は2次元量子化により、図3(B)のSiMOSFETに示すように、バレー100a、101a、102bに縮退が解け、その準位差は0.12eVとなる。一方、歪みSiGeのチャネル電子の場合、歪みによる準位差と2次元量子化を考慮することにより、図3(B)に示すようにバレー100b、101b、102bの3つに縮退が解け、最も低いバレー101bに対して0.12eV高い準位にバレー102b、さらに0.12eV高い準位にバレー100bが位置する。チャネルを<001>方向にとった場合、伝導電子の有効質量はバレー101b、102bにある電子がバレー100bにある電子よりも軽いため、平均的な伝導電子の有効質量は平面型MOSFETに比べて軽くなり、電子移動度が向上する。
【0029】
これらのことから本発明の第1の実施の形態の半導体装置10のように、(001)面を主表面としたSi基板1上に、縦型のNMOSFET10bを形成し、歪みSiGeのチャネル領域3bの垂直引っ張り方向に、電子を移動させるチャネルを形成するようにした場合、電子の移動度を上げることができる。また、Si基板1上に、横型のPMOSFET10aを形成し、n型の歪みSiGe層2の圧縮方向に正孔を移動させるチャネルを形成するようしたことで、正孔の移動度を上げることができる。これにより、PMOSFET10a、NMOSFET10bともに電流駆動能力が向上したCMOSの形成が可能である。
【0030】
次に本発明の第1の実施の形態の半導体装置の製造方法を説明する。
図4〜12は、本発明の第1の実施の形態の半導体装置を製造方法の各工程における半導体装置の断面図である。
【0031】
まず、図4のように、(001)面を主表面としたp型のSi基板1上に、エピタキシャル成長によりn型のSiGe層2を成長させる。この際SiGe層2の膜厚を、格子緩和が起こらない臨界膜厚以下とすることが必要である。例えばGe比率0.2で約20nm程度以下である。その後、図5のようにトレンチtr1、tr2を形成し、酸化膜3を埋め込むことで素子間分離を行う。ここで、酸化膜3は例えばSiO2である。
【0032】
次に、図6のように縦型のNMOSFET10bを形成するために、n、p、n型となるようにSiGe層2に不純物をイオン注入により導入する。これにより、n型のドレインまたはソース領域2a、2bとチャネル領域2cを形成する。この際、注入イオンのエネルギーによりソース・ゲート・ドレインの分布幅を制御する。例えば、チャネル領域2cのp型部分の領域幅が10nm程度になるようにする。
【0033】
なお、不純物はSiGe層2の成膜と同時に混入してもよい。その際、PMOSFET10aを形成する領域にはSiGeが成長しないようSiO2でカバーしておく必要がある。NMOSFET10b領域の成長後、NMOSFET10bをSiO2でカバーし、PMOSFET10a領域へSiGe成長と不純物のドーピングを行う。
【0034】
次に、図7のように、NMOSFET10bを形成するSiGeの側壁部SWを露出するため異方性エッチングを行う。この際、側壁部SWがSi基板1の主表面(001)に対して垂直な(100)面あるいは(110)面または、それと等価な面となるようにエッチングすることが必要である。
【0035】
エッチング後、Si層を化学気相成長法により堆積し、引き続き熱酸化することでp型及びn型のMOSFET10a、10bのゲート酸化膜3a、3bを同時に形成する。なお、ゲート酸化膜3a、3bは、酸化膜3と特に区別して図示しておらず、チャネル領域の酸化膜をゲート酸化膜3a、3bとして説明する。また、Si層の代わりに酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、ジルコン(ZrO2)などの高誘電率薄膜を堆積したものを用いてもよい。その後、図8のように、ゲートとなるポリシリコン層4を堆積する。
【0036】
なお、ポリシリコンの代わりにSiGeやSiGeC(シリコンとゲルマニウムとカーボンの混晶)、Alなどの金属を用いてもよい。
図9はゲートを形成する工程を示しており、フォトリソグラフィと異方性エッチングによりPMOSFET10a及びNMOSFET10bのゲート電極4a、4bを形成する。その際、PMOSFET10aのチャネル方向は、<100>あるいは<110>方向とする。なお、NMOSFET10bは側壁部SWに自己整合的に形成されるサイドウォールをゲートとしてもよい。
【0037】
次に、従来と同様の製造方法を用いてPMOSFET部分を形成する。
図10のように、PMOSFET領域のみにp型のドーパントを注入し、ドレイン/ソース領域5a、5bを形成する。この際、化学気相成長法によりSiO2膜を形成後、全面の異方性エッチングにより、PMOSFETのゲート電極4aの側壁に自己整合的にサイドウォールを形成し、p型のドーパントを注入するようにしてもよい。
【0038】
次に、図11のように、化学気相成長法により絶縁膜6を堆積後、図12のようにPMOSFET10a及びNMOSFET10bのソース・ドレイン・ゲートとのコンタクトホールを形成する。なお絶縁膜6は、例えばSiO2であり、低誘電率体であってもよい。また、コンタクトホール形成の際、絶縁膜6をあらかじめCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理により平坦化しておいてもよい。また、コンタクトホール形成時、CMOSを構成するために、1つのコンタクトホールにPMOSFET10a及びNMOSFET10bのソースまたはドレインが2つ含まれるようにして、PMOSFET10aとNMOSFET10bのソースまたはドレインが共有されるように形成してもよい。
【0039】
最後に、配線となる金属をスパッタし、リソグラフィとエッチングによりp型及びn型のゲート及びソース、ドレイン部がそれぞれ接続されるように配線パターン7a、7b、7c、7d、7e、7fを加工することで、図1に示したようなPMOSFET10aと、NMOSFET10bの相補のMOSFETを有した半導体装置10を製造することができる。
【0040】
このような方法により、PMOSFET10a及びNMOSFET10bを共通のSiGe薄膜に形成することにより、正孔及び電子の移動度が向上し、従来提案されている方法よりも容易なプロセスによりCMOSの電流駆動能力を向上することが可能である。また、NMOSFET10bを縦方向に形成することで、ゲート長を既存のリソグラフィ技術に依存することなく膜厚制御により数nm程度で形成することが可能となり、さらに集積度を向上することができる。
【0041】
次に本発明の第2の実施の形態の半導体装置を説明する。
図13は、本発明の第2の実施の形態の半導体装置の構成を示す断面図である。
【0042】
本発明の第2の実施の形態の半導体装置20は、(001)面を主表面としたn型のゲルマニウム(Ge)基板21上にSiGeを用いて形成された横型のNMOSFET20aと、縦型のPMOSFET20bとから構成される。
【0043】
NMOSFET20aは、Ge基板21上に形成される(001)面を主表面としたp型のSiGe層22と、n型の不純物濃度の高いドレインまたはソース領域25a、25bと、ゲート酸化膜23a上に形成されるゲート電極24aとから構成される。
【0044】
一方、PMOSFET20bは、SiGe層22にイオン注入を行うことで形成したp型の不純物濃度の高いドレインまたはソース領域22a、22b及びn型のチャネル領域22cと、側壁部SWに形成されるゲート酸化膜23bを介して配置されたゲート24bから構成される。
【0045】
なお、側壁部SWは、基板面(001)に対して垂直な(100)面あるいは(110)面またはそれと等価な面となっている。
また、半導体装置20にはトレンチtr21、tr22が形成されて酸化膜23が埋め込まれており、素子間分離を行っている。また、NMOSFET20aにおいて配線27a、27cはドレインまたはソース領域25a、25bと接続されており、配線27bはゲート24aと接続される。一方、PMOSFET20bにおいて、配線27d、27fはドレインまたはソース領域22a、22bと接続されており、配線27eはゲート24bと接続されている。各配線間は、短絡を防止するための絶縁膜26が形成されている。
【0046】
ここで、NMOSFET20aと、PMOSFET20bのゲート24a、24bを配線27b、27eで接続し、NMOSFET20aのドレインまたはソース領域25a、25bのいずれかと、PMOSFET20bのドレインまたはソース領域22a、22bのいずれかを、配線27a、27c、27d、27fで接続することでCMOSが構成される。
【0047】
本発明の第2の実施の形態の半導体装置20は、前述した第1の実施の形態の半導体装置10と異なり、Si基板1の代わりにGe基板21を用いている。(001)面を主表面とした、Ge基板21上にSiGe層22を形成した場合、Siの格子定数が基板のGeの格子定数より4%程度小さいため、第1の実施の形態の半導体装置10と逆に、SiGe層22の面内に引っ張り歪みが、膜厚方向に圧縮歪みが生じる。本発明の第2の実施の形態の半導体装置20においては、横型のNMOSFET20aと、縦型のPMOSFET20bを設け、<100>方向または<110>方向にnチャネルを、(100)面または(110)面の側壁部SWに<001>方向のpチャネルが形成される。すなわちGe基板21を用いた第2の実施の形態の半導体装置20においても、圧縮応力の方向にpチャネル、引っ張り応力の方向にnチャネルが形成されている。これにより、正孔及び電子の移動度が上がり、電流駆動能力を向上することができる。
【0048】
本発明の第2の実施の形態の半導体装置20は、SiGe層22面内の<100>方向または<110>方向にnチャネルを、(100)面または(110)面となる側壁部SWに<001>方向のpチャネルを形成するように不純物ドーピング及び加工して製造するほかは、前述した第1の実施の形態の半導体装置10の製造方法とほぼ同じプロセスで製造することができるので詳細な説明は省略する。
【0049】
なお、上記では基板または基板材料と格子定数の異なる膜として、SiGeを用いた場合について説明したが、これに限定されず、SiGeCなどを膜として用いてもよい。
【0050】
(付記1) 相補の電界効果トランジスタからなる半導体装置において、
基板または基板材料とは格子定数の異なる材料から構成された膜の圧縮応力の方向に正孔が移動する第1のチャネルを形成するp型の電界効果トランジスタと、
前記膜の引っ張り応力の方向に電子が移動する第2のチャネルを形成するn型の電界効果トランジスタと、
を有することを特徴とする半導体装置。
【0051】
(付記2) 前記第1のチャネル及び第2のチャネルは、一方が前記膜の面内方向に形成される場合、他方は前記膜の面に垂直方向に形成されることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
【0052】
(付記3) 前記p型の電界効果トランジスタは、前記基板である(001)面を主表面としたシリコン基板上に積層した、前記膜である(001)面を主表面としたシリコンゲルマニウム層に、前記第1のチャネルを<100>方向あるいは<010>方向のいずれかに形成し、
前記n型の電界効果トランジスタは、前記シリコンゲルマニウム層の(100)面またはそれと等価な面となる側壁面の面上に、前記第2のチャネルを<001>方向に形成し、
前記p型の電界効果トランジスタと前記n型の電界効果トランジスタとは、それぞれのソースまたはドレインにより接続され、ゲートを共通とした、
ことを特徴とする付記1記載の半導体装置。
【0053】
(付記4) 前記p型の電界効果トランジスタは、前記基板である(001)面を主表面としたシリコン基板上に積層した、前記膜である(001)面を主表面としたシリコンゲルマニウム層に、前記第1のチャネルを<110>方向あるいは<−110>方向のいずれかに形成し、
前記n型の電界効果トランジスタは、前記シリコンゲルマニウム層の(110)面あるいは(−110)面となる側壁面の面上に、前記第2のチャネルを<001>方向に形成し、
前記p型の電界効果トランジスタと前記n型の電界効果トランジスタとは、それぞれのソースまたはドレインにより接続され、ゲートを共通とした、
ことを特徴とする付記1記載の半導体装置。
【0054】
(付記5) 前記p型の電界効果トランジスタは、前記基板である(001)面を主表面としたゲルマニウム基板上に積層した、前記膜である(001)面を主表面としたシリコンゲルマニウム層の、(100)面またはそれと等価な面となる側壁面の面上に、前記第1のチャネルを<001>方向に形成し、
前記n型の電界効果トランジスタは、前記シリコンゲルマニウム層に前記第2のチャネルを<100>方向あるいは<010>方向のいずれかに形成し、
前記p型の電界効果トランジスタと前記n型の電界効果トランジスタとは、それぞれのソースまたはドレインにより接続され、ゲートを共通とした、
ことを特徴とする付記1記載の半導体装置。
【0055】
(付記6) 前記p型の電界効果トランジスタは、前記基板である(001)面を主表面としたゲルマニウム基板上に積層した、前記膜である(001)面を主表面としたシリコンゲルマニウム層の、(110)面あるいは(−110)面となる側壁面の面上に、前記第1のチャネルを<001>方向に形成し、
前記n型の電界効果トランジスタは、前記シリコンゲルマニウム層に前記第2のチャネルを<110>方向あるいは<−110>方向のいずれかに形成し、
前記p型の電界効果トランジスタと前記n型の電界効果トランジスタとは、それぞれのソースまたはドレインにより接続され、ゲートを共通とした、
ことを特徴とする付記1記載の半導体装置。
【0056】
(付記7) 前記p型の電界効果トランジスタと、前記n型の電界効果トランジスタのソースまたはドレインが、1つのコンタクトホールで共通化されていることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
【0057】
(付記8) 相補の電界効果トランジスタからなる半導体装置の製造方法において、
基板または基板材料上に、前記基板または前記基板材料と格子定数の異なる材料から構成された膜を形成し、
前記格子定数の差異から生じる歪みのうち、前記膜の圧縮応力の方向に正孔が移動する第1のチャネルを形成するp型の電界効果トランジスタを作成し、
前記膜の引っ張り応力の方向に電子が移動する第2のチャネルを形成するn型の電界効果トランジスタを作成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0058】
(付記9) 前記第1のチャネル及び第2のチャネルは、一方が前記膜の面内方向に形成される場合、他方は前記膜の面に垂直方向に形成されることを特徴とする付記8記載の半導体装置の製造方法。
【0059】
(付記10) 前記p型の電界効果トランジスタと前記n型の電界効果トランジスタのゲート電極をシリコンの堆積と、熱酸化あるいは絶縁物の化学気相成長方により同時に形成することを特徴とする付記8記載の半導体装置の製造方法。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、基板または基板材料とは格子定数の異なる材料から構成された膜の圧縮応力の方向にpチャネルを形成するp型の電界効果トランジスタと、膜の引っ張り応力の方向に電子が移動する第2のチャネルを形成するn型の電界効果トランジスタを形成したため、正孔及び電子の移動度が向上し相補型の電界効果トランジスタの電流駆動能力を向上することができる。さらに、n型とp型の電界効果トランジスタを共通の膜を用いて作成することから、容易なプロセスにより、製造することができる。
【0061】
また、一方の電界効果トランジスタを縦方向に形成することで、ゲート長を既存のリソグラフィ技術に依存することなく膜厚制御により数nm程度で形成することが可能となり、集積度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図2】MOSFETの波数空間(K空間)における伝導帯下端(バレー)の等エネルギー面を示した図であり、(A)が立体図、(B)が<001>方向投影図で、(C)が<100>方向投影図である。
【図3】チャネル電子の2次元量子化によって生じるSi及び歪みSiGeのバレーの準位差を示す図であり、(A)は<001>方向に2次元量子化した場合、(B)は<100>方向に2次元量子化した場合のバレーの準位差を示す図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態の半導体装置を製造方法の各工程における半導体装置の断面図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態の半導体装置を製造方法の各工程における半導体装置の断面図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態の半導体装置を製造方法の各工程における半導体装置の断面図である。
【図7】本発明の第1の実施の形態の半導体装置を製造方法の各工程における半導体装置の断面図である。
【図8】本発明の第1の実施の形態の半導体装置を製造方法の各工程における半導体装置の断面図である。
【図9】本発明の第1の実施の形態の半導体装置を製造方法の各工程における半導体装置の断面図である。
【図10】本発明の第1の実施の形態の半導体装置を製造方法の各工程における半導体装置の断面図である。
【図11】本発明の第1の実施の形態の半導体装置を製造方法の各工程における半導体装置の断面図である。
【図12】本発明の第1の実施の形態の半導体装置を製造方法の各工程における半導体装置の断面図である。
【図13】本発明の第2の実施の形態の半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1 Si基板
2 SiGe層
2a、2b、5a、5b ドレインまたはソース領域
2c チャネル領域
3 酸化膜
3a、3b ゲート酸化膜
4a、4b ゲート電極
6 絶縁膜
7a、7b、7c、7d、7e、7f 配線
10 半導体装置
10a PMOSFET
10b NMOSFET
tr1、tr2 トレンチ
SW 側壁部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device including complementary field-effect transistors.
[0002]
[Prior art]
With the advancement of advanced information, high-speed MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) are required in order to enable large-capacity and high-speed data communication.
[0003]
In a MOSFET, the mobility of holes or electrons is improved by applying compression or tensile strain to a semiconductor layer serving as a channel. Until now, by stacking a silicon germanium (hereinafter, referred to as SiGe) layer on a silicon (hereinafter, referred to as Si) substrate having a (001) plane as a main surface, a SiGe layer subjected to in-plane compressive strain due to a difference in lattice constant. Among them, it has been reported that the effective mass of holes is reduced and the hole mobility is improved. On the other hand, the electrons of the SiGe layer subjected to the in-plane compressive strain have electron mobility lower than the value in Si in the horizontal direction to the film surface. Therefore, it has been difficult to improve both the mobility of holes and electrons in strained SiGe formed on a Si (001) substrate.
[0004]
In order to solve this problem, a p-channel MOSFET (hereinafter referred to as a PMOSFET) is a strained SiGe channel which is effective in improving the mobility of holes, and an n-channel MOSFET (hereinafter referred to as an NMOSFET) is a device which improves the mobility of electrons. There has been proposed a complementary field effect transistor using a transistor to which a strained Si channel is applied, which is effective for the above.
[0005]
On the other hand, a complementary field-effect transistor using a vertical MOSFET that moves carriers in a direction perpendicular to the stacked surface of strained SiGe or strained Ge (direction of tensile strain) has been proposed (for example, Patent Document 1). .
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-203971 (FIG. 7)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to form the strained Si on the Si substrate, a lattice-relaxed SiGe layer having a thickness of about several μm must be formed, and the strained SiGe layer has a lattice relaxation of about several tens nm. Therefore, there is a problem that it is difficult to coexist both of them in terms of process.
[0008]
Also, as described above, in the case of a vertical MOSFET in which carriers move in a direction perpendicular to the stacked surface of strained SiGe or strained Ge, the mobility of electrons is improved by moving electrons in the direction of tensile strain. Is possible. However, as described above, the hole does not consider that the mobility is improved in the direction of the in-plane compressive strain.
[0009]
The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device including complementary field-effect transistors in which the mobility of both holes and electrons is improved.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method for manufacturing a semiconductor device including complementary field-effect transistors in which the mobility of both holes and electrons is improved by a simple process. is there.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, in order to solve the above problems, in a semiconductor device including complementary field-effect transistors, as shown in FIG. 1, a SiGe layer containing germanium (Ge) having a different lattice constant from Si formed on a
[0012]
According to the above configuration, since the p-channel is formed in the direction of the compressive stress and the n-channel is formed in the direction of the tensile stress, both the mobilities of holes and electrons are improved.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
[0014]
The
[0015]
The PMOSFET 10a has an n-
[0016]
On the other hand, the NMOSFET 10b includes an n-type drain or
[0017]
Note that the side wall portion SW has a (100) plane or a (110) plane perpendicular to the substrate plane (001), or a (-100) plane, a (010) plane, a (0-10) plane, or an equivalent plane. (-110) plane, (1-10) plane, and (-1-10) plane.
[0018]
Further, trenches tr1 and tr2 are formed in the
[0019]
Here, the PMOSFET 10a and the
[0020]
It is necessary that the thickness of the
[0021]
In the
[0022]
On the other hand, in the
[0023]
The
[0024]
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing an equal energy surface of a conduction band lower end (valley) in a wavenumber space (K space) of a MOSFET, wherein FIG. 2A is a three-dimensional diagram, FIG. C) is a projection view in the <100> direction.
[0025]
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing a valley level difference between Si and strained SiGe caused by two-dimensional quantization of channel electrons. FIG. 3A shows a case where two-dimensional quantization is performed in the <001> direction, and FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating a valley level difference when two-dimensional quantization is performed in the <100> direction.
[0026]
As shown in FIG. x Direction, k y Direction and k z In each of the two directions,
[0027]
It is reported that the level difference due to the distortion is about 0.12 eV higher in the
When the electrons in the channel inversion layer of the NMOS are considered as a two-dimensional state, in the planar MOSFET, the valley is represented by a projection in the <001> direction as shown in FIG. At this time, the degeneration into the
[0028]
On the other hand, in the case of a vertical MOSFET, when the channel is formed on the (100) plane, the valley is represented by a projection in the <100> direction as shown in FIG. 2C. The channel electrons are degenerated into
[0029]
From these facts, as in the
[0030]
Next, a method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described.
4 to 12 are cross-sectional views of the semiconductor device in respective steps of the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
[0031]
First, as shown in FIG. 4, an n-
[0032]
Next, in order to form a
[0033]
The impurity may be mixed at the same time as the formation of the
[0034]
Next, as shown in FIG. 7, anisotropic etching is performed to expose the side wall SW of SiGe forming the
[0035]
After the etching, a Si layer is deposited by a chemical vapor deposition method, and subsequently thermally oxidized, thereby simultaneously forming the
[0036]
Note that a metal such as SiGe, SiGeC (a mixed crystal of silicon, germanium, and carbon), and Al may be used instead of polysilicon.
FIG. 9 shows a step of forming a gate. The
[0037]
Next, a PMOSFET portion is formed using the same manufacturing method as that of the related art.
As shown in FIG. 10, a p-type dopant is implanted only into the PMOSFET region to form drain /
[0038]
Next, as shown in FIG. 11, after depositing the insulating
[0039]
Finally, the wiring metal is sputtered, and the
[0040]
By forming the
[0041]
Next, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 13 is a sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
[0042]
The
[0043]
The
[0044]
On the other hand, the
[0045]
The side wall SW is a (100) plane or a (110) plane perpendicular to the substrate plane (001), or a plane equivalent thereto.
Further, trenches tr21 and tr22 are formed in the
[0046]
Here, the
[0047]
The
[0048]
In the
[0049]
In the above description, the case where SiGe is used as the substrate or a film having a different lattice constant from the substrate material has been described. However, the present invention is not limited to this, and SiGeC or the like may be used as the film.
[0050]
(Supplementary Note 1) In a semiconductor device including complementary field-effect transistors,
A p-type field effect transistor forming a first channel in which holes move in the direction of compressive stress of a film made of a material having a different lattice constant from the substrate or the substrate material;
An n-type field effect transistor forming a second channel through which electrons move in the direction of the tensile stress of the film;
A semiconductor device comprising:
[0051]
(Supplementary Note 2) The first channel and the second channel, wherein one is formed in an in-plane direction of the film, and the other is formed in a direction perpendicular to the surface of the film. 13. The semiconductor device according to
[0052]
(Supplementary Note 3) The p-type field-effect transistor includes a silicon germanium layer having the (001) plane as a main surface laminated on a silicon substrate having the (001) plane as a main surface as the substrate. Forming the first channel in either the <100> direction or the <010> direction,
The n-type field effect transistor forms the second channel in a <001> direction on a (100) plane of the silicon germanium layer or a side wall surface equivalent to the (100) plane;
The p-type field effect transistor and the n-type field effect transistor are connected by respective sources or drains, and have a common gate.
2. The semiconductor device according to
[0053]
(Supplementary Note 4) In the p-type field-effect transistor, a silicon germanium layer having the (001) plane as a main surface laminated on a silicon substrate having the (001) plane as a main surface as the substrate is provided. Forming the first channel in either the <110> direction or the <−110>direction;
In the n-type field effect transistor, the second channel is formed in a <001> direction on a surface of a side wall surface serving as a (110) plane or a (-110) plane of the silicon germanium layer,
The p-type field effect transistor and the n-type field effect transistor are connected by respective sources or drains, and have a common gate.
2. The semiconductor device according to
[0054]
(Supplementary Note 5) The p-type field-effect transistor is a silicon germanium layer having a (001) plane as a main surface laminated on a germanium substrate having a (001) plane as a main surface as the substrate. Forming the first channel in the <001> direction on a side wall surface which is a (100) plane or a plane equivalent thereto,
The n-type field effect transistor forms the second channel in the silicon germanium layer in either a <100> direction or a <010> direction,
The p-type field effect transistor and the n-type field effect transistor are connected by respective sources or drains, and have a common gate.
2. The semiconductor device according to
[0055]
(Supplementary Note 6) The p-type field-effect transistor is formed by stacking a silicon germanium layer having the (001) plane as a main surface laminated on a germanium substrate having the (001) plane as a main surface as the substrate. Forming the first channel in the <001> direction on a side wall surface to be a (110) plane or a (−110) plane;
The n-type field-effect transistor forms the second channel in the silicon germanium layer in either a <110> direction or a <-110> direction,
The p-type field effect transistor and the n-type field effect transistor are connected by respective sources or drains, and have a common gate.
2. The semiconductor device according to
[0056]
(Supplementary Note 7) The semiconductor device according to
[0057]
(Supplementary Note 8) In a method of manufacturing a semiconductor device including complementary field-effect transistors,
Forming a film made of a material having a different lattice constant from the substrate or the substrate material on a substrate or a substrate material,
Forming a p-type field-effect transistor that forms a first channel in which holes move in the direction of compressive stress of the film among strains caused by the difference in lattice constant;
Creating an n-type field effect transistor forming a second channel in which electrons move in the direction of the tensile stress of the film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0058]
(Supplementary Note 9) The one of the first channel and the second channel is formed in the in-plane direction of the film, and the other is formed in the direction perpendicular to the surface of the film. The manufacturing method of the semiconductor device described in the above.
[0059]
(Supplementary Note 10) The gate electrode of the p-type field-effect transistor and the gate electrode of the n-type field-effect transistor are formed simultaneously by deposition of silicon and thermal oxidation or chemical vapor deposition of an insulator. The manufacturing method of the semiconductor device described in the above.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, a p-type field effect transistor that forms a p-channel in the direction of compressive stress of a substrate or a film made of a material having a different lattice constant from the substrate material, and the direction of tensile stress of the film Since the n-type field effect transistor that forms the second channel through which electrons move is formed, the mobility of holes and electrons is improved, and the current driving capability of the complementary field effect transistor can be improved. Further, since the n-type and p-type field effect transistors are formed using a common film, they can be manufactured by an easy process.
[0061]
In addition, by forming one field-effect transistor in the vertical direction, the gate length can be formed to be about several nm by controlling the film thickness without depending on the existing lithography technology, and the degree of integration is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing an equal energy surface of a conduction band lower end (valley) in a wavenumber space (K space) of a MOSFET, where FIG. 2A is a three-dimensional view, FIG. 2B is a <001> direction projection view, and FIG. C) is a projection view in the <100> direction.
3A and 3B are diagrams illustrating a level difference between valleys of Si and strained SiGe caused by two-dimensional quantization of channel electrons. FIG. 3A illustrates two-dimensional quantization in the <001> direction, and FIG. It is a figure which shows the valley level difference at the time of performing two-dimensional quantization in 100> direction.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the semiconductor device in each step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor device in each step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of the semiconductor device in each step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view of the semiconductor device in each step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of the semiconductor device in each step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the semiconductor device in each step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of the semiconductor device in each step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of the semiconductor device in each step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view of the semiconductor device in each step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Si substrate
2 SiGe layer
2a, 2b, 5a, 5b Drain or source region
2c channel area
3 Oxide film
3a, 3b Gate oxide film
4a, 4b Gate electrode
6 Insulating film
7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f Wiring
10 Semiconductor device
10a PMOSFET
10b NMOSFET
tr1, tr2 trench
SW side wall
Claims (5)
基板とは格子定数の異なる材料から構成された膜の圧縮応力の方向に正孔が移動する第1のチャネルを形成するp型の電界効果トランジスタと、
前記膜の引っ張り応力の方向に電子が移動する第2のチャネルを形成するn型の電界効果トランジスタと
を有することを特徴とする半導体装置。In a semiconductor device including complementary field-effect transistors,
A p-type field effect transistor forming a first channel in which holes move in the direction of compressive stress of a film made of a material having a different lattice constant from a substrate;
A semiconductor device comprising: an n-type field effect transistor forming a second channel through which electrons move in a direction of tensile stress of the film.
前記n型の電界効果トランジスタは、前記シリコンゲルマニウム層の(100)面またはそれと等価な面となる側壁面の面上に、前記第2のチャネルを<001>方向に形成し、
前記p型の電界効果トランジスタと前記n型の電界効果トランジスタとは、それぞれのソースまたはドレインにより接続され、ゲートを共通とした
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。The p-type field-effect transistor is formed by stacking a silicon germanium layer having the (001) plane as a main surface laminated on a silicon substrate having the (001) plane as a main surface as the first substrate. Channel is formed in either the <100> direction or the <110> direction,
The n-type field effect transistor forms the second channel in a <001> direction on a (100) plane of the silicon germanium layer or a side wall surface equivalent to the (100) plane;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the p-type field effect transistor and the n-type field effect transistor are connected by respective sources or drains, and have a common gate.
前記n型の電界効果トランジスタは、前記シリコンゲルマニウム層に前記第2のチャネルを<100>方向あるいは<110>方向のいずれかに形成し、
前記p型の電界効果トランジスタと前記n型の電界効果トランジスタとは、それぞれのソースまたはドレインにより接続され、ゲートを共通とした
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。(100) The p-type field effect transistor is a (100) silicon germanium layer having the (001) plane as a main surface laminated on a germanium substrate having the (001) plane as a main surface as the substrate. Forming the first channel in the <001> direction on a surface or a side wall surface which is an equivalent surface thereof;
The n-type field-effect transistor forms the second channel in the silicon germanium layer in either a <100> direction or a <110>direction;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the p-type field effect transistor and the n-type field effect transistor are connected by respective sources or drains, and have a common gate.
基板上に、前記基板と格子定数の異なる材料から構成された膜を形成し、
前記格子定数の差異から生じる歪みのうち、前記膜の圧縮応力の方向に正孔が移動する第1のチャネルを形成するp型の電界効果トランジスタを作成し、
前記膜の引っ張り応力の方向に電子が移動する第2のチャネルを形成するn型の電界効果トランジスタを作成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。In a method of manufacturing a semiconductor device including complementary field-effect transistors,
Forming a film made of a material having a different lattice constant from the substrate on the substrate,
Forming a p-type field-effect transistor that forms a first channel in which holes move in the direction of compressive stress of the film among strains caused by the difference in lattice constant;
Creating an n-type field effect transistor forming a second channel in which electrons move in the direction of the tensile stress of the film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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