JP2005086024A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 FinFETの主要部が形成される半導体層、即ち、フィンは、x方向に長く、y方向に短い形状を有する。フィンのy方向の幅は、3段階に変化している。まず、ゲート長Lgのゲート電極6間のチャネル領域では、フィンのy方向の幅は、Wchである。また、チャネル領域に対して、x方向に隣接するソース/ドレインエクステンション領域におけるフィンのy方向の幅は、Wext(>Wch)である。さらに、ソース/ドレインエクステンション領域に対して、x方向に隣接するソース/ドレイン領域におけるフィンのy方向の幅は、Wsd(>Wext)である。
【選択図】 図1
Description
近年、半導体集積回路の低消費電力化や、動作速度の高速化などの要求が厳しくなるに伴い、低電源電圧化及び素子の微細化が求められている。このようなことから、トランジスタ素子に関しても、従来のプレーナ型に代わり、3次元素子が注目されている。
シリコン基板1上には、絶縁層2が形成され、絶縁層2上には、フィン状のシリコン層3が形成される。シリコン基板1、絶縁層2及びシリコン層3により、いわゆるSOI基板が構成される。
プレーナ(平面)型トランジスタの場合、図75に示すように、シリサイドコンタクト部分11に起因した寄生抵抗には、シリサイド界面抵抗Rc、シリサイドシート抵抗Rs、シリサイド直下の拡散層シート抵抗Rdなどがあり、高速動作などを実現するためには、これらの抵抗成分を小さくする必要がある。
シリコン基板1上には、絶縁層2が形成され、絶縁層2上には、フィン状のシリコン層3が形成される。シリコン基板1、絶縁層2及びシリコン層3により、いわゆるSOI基板が構成される。
[2] 実効チャネル幅を、フィンの高さではなく、並列接続されるフィンの数により制御するFinFETなどの3次元素子の構造及び製造方法を提案すると共に、このような構造を採用した場合であっても、ソース/ドレイン領域内に、部分的に、ソース/ドレイン領域の導電型とは異なる導電型の領域が残らないような構造及び製造方法を提案すること、 及び
[3] フィン内のソース/ドレイン領域上に設けるシリサイド層に関して、ソース/ドレイン領域の大部分がシリサイド化されないようにし、シリサイド直下の拡散層シート抵抗を小さくして、寄生抵抗の上昇を抑えることにある。
本発明の例は、大きく分けると、以下の3つから構成される。
第1実施例は、短チャネル効果の抑制、寄生抵抗の低下による駆動電流の増大などを実現するFinFETの構造及び製造方法に関する。
図8及び図9は、本発明の第1実施例に関わるFinFETの構造を示している。図9は、図8のIX−IX線に沿う断面図である。
次に、図8及び図9の構造を実現するための製造方法の例について説明する。
まず、図10及び図11に示すように、例えば、シリコン基板1を用意し、このシリコン基板1内に埋め込み絶縁層(例えば、酸化シリコン)2を形成する。同図では、埋め込み絶縁層2上に、シリコン層(フィン)3が形成された状態となっているが、このシリコン層3は、元々、シリコン基板1の一部であったものである。
まず、図24及び図25に示すように、例えば、シリコン基板1を用意し、このシリコン基板1内に埋め込み絶縁層(例えば、酸化シリコン)2を形成する。ここで、埋め込み絶縁層2上のシリコン層(フィン)3については、例1と同じことが言える。即ち、同図では、埋め込み絶縁層2上に、シリコン層3が形成されているが、このシリコン層3は、元々、シリコン基板1の一部であったものである。
第2実施例は、第一に、FinFETの実効チャネル幅を、フィンの高さではなく、並列接続されるフィンの数により制御することで、フィンの形成を容易にし、かつ、その後のフォトリソグラフィなどを用いた部材の加工なども容易にする構造及び製造方法に関する。
図36及び図37は、本発明の第2実施例に関わるFinFETの構造を示している。図37は、図36のXXXVII−XXXVII線に沿う断面図である。
次に、図36及び図37の構造を実現するための製造方法の例について説明する。
第3実施例は、ソース/ドレイン領域上にシリサイド層を持つFinFETにおいて、ソース/ドレイン領域の大部分又は全てがシリサイド化されないような構造及び製造方法に関する。
以下、3つの例について順次説明する。
図43及び図44は、本発明の第3実施例に関わるFinFETの構造例1を示している。なお、図44は、図43のXLIV−XLIV線に沿う断面図である。
図45及び図46は、本発明の第3実施例に関わるFinFETの構造例2を示している。なお、図46は、図45のXLVI−XLVI線に沿う断面図である。
図47及び図48は、本発明の第3実施例に関わるFinFETの構造例3を示している。なお、図48は、図47のXLVIII−XLVIII線に沿う断面図である。
例1乃至例3では、1つのFinFETは、1つのフィンを有する形となっているが、例えば、1つのFinFETは、並列接続された複数のフィンから構成されていてもよい。
次に、図43及び図48の3つの構造を実現するための製造方法の例について説明する。
本例は、図43及び図44の構造を実現するための製造方法に関する。
本例は、図45及び図46の構造を実現するための製造方法に関する。
まず、シリコン層(フィン)3、ゲート絶縁層5及びゲート電極6を、上述の例1と同様の方法により形成する。ゲート電極6に関しては、例1と同様に、ポリシリコンから構成されていても、又は、金属から構成されていても、どちらでもよい(図49乃至51を参照)。
本例は、図47及び図48の構造を実現するための製造方法に関する。
本発明の例に関わるFinFETは、チャネル領域の幅がゲート長よりも狭いので、短チャネル効果の抑制に優れている。また、ソース/ドレインエクステンション領域の幅及びソース/ドレイン領域の幅を大きくすることで、寄生抵抗が低減する。ソース/ドレインエクステンション領域の幅は、ゲート長と同じか、又は、それよりも大きいため、フォトリソグラフィ及びRIEによるフィンの加工が可能になる。
Claims (54)
- 半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、第1方向に長く、前記第1方向に交差する第2方向に短いフィン状の半導体層と、前記半導体層の前記第2方向の側面に形成されるゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層に隣接して配置されるゲート電極と、前記半導体層内の前記ゲート絶縁層に隣接する位置に形成されるチャネル領域と、前記半導体層内において前記チャネル領域に対し前記第1方向に隣接する位置に形成されるソース/ドレインエクステンション領域と、前記半導体層内において前記ソース/ドレインエクステンション領域に対し前記第1方向に隣接する位置に形成されるソース/ドレイン領域とを具備し、前記チャネル領域における前記半導体層の前記第2方向の幅は、前記ソース/ドレイン領域における前記半導体層の前記第2方向の幅よりも狭いことを特徴とする半導体装置。
- 前記チャネル領域における前記半導体層の前記第2方向の幅は、前記ソース/ドレインエクステンション領域における前記半導体層の前記第2方向の幅よりも狭いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ソース/ドレインエクステンション領域における前記半導体層の前記第2方向の幅は、前記ソース/ドレイン領域における前記半導体層の前記第2方向の幅よりも狭いことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記ソース/ドレインエクステンション領域における前記半導体層の前記第2方向の幅は、前記ソース/ドレイン領域における前記半導体層の前記第2方向の幅に等しいことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記チャネル領域を流れる電流の向きは、前記第1方向であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記チャネル領域における前記半導体層の前記第2方向の幅は、前記ゲート電極のゲート長よりも短いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ソース/ドレインエクステンション領域における前記半導体層の前記第2方向の幅は、前記ゲート電極のゲート長に等しいか又はそれよりも長いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極は、前記半導体層の前記第2方向の一方側に形成される第1部分と、前記半導体層の前記第2方向の他方側に形成される第2部分とから構成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1部分と前記第2部分は、電気的に分離され、異なる信号が与えられることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
- 前記第1部分と前記第2部分は、電気的に結合され、同一の信号が与えられることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
- 前記半導体基板は、SOI基板であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記チャネル領域における前記半導体層の前記第2方向の幅は、前記ゲート電極、前記ソース/ドレインエクステンション領域及び前記ソース/ドレイン領域からなるトランジスタを、完全空乏型素子として動作させるために必要な幅となっていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ソース/ドレイン領域における前記半導体層の表面上には、シリサイド層が形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、第1方向に長く、前記第1方向に交差する第2方向に短く、前記第2方向に並んで配置されるフィン状の複数の第1半導体層と、前記複数の第1半導体層の前記第1方向の端部で前記複数の第1半導体層を結合する第2半導体層と、前記複数の第1半導体層の前記第2方向の側面に形成されるゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層に隣接して配置されるゲート電極と、前記複数の第1半導体層内の前記ゲート絶縁層に隣接する位置に形成されるチャネル領域と、前記複数の第1半導体層内において前記チャネル領域に対し前記第1方向に隣接する位置に形成されるソース/ドレインエクステンション領域と、前記第2半導体層内において前記ソース/ドレインエクステンション領域に対し前記第1方向に隣接する位置に形成されるソース/ドレイン領域とを具備することを特徴とする半導体装置。
- 前記複数の第1半導体層の高さは、全て、等しいことを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
- 前記第2半導体層の内部は、全て、前記ソース/ドレイン領域になっていることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
- 前記チャネル領域における前記複数の第1半導体層の前記第2方向の幅は、前記ソース/ドレインエクステンション領域における前記複数の第1半導体層の前記第2方向の幅よりも狭いことを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
- 前記ソース/ドレインエクステンション領域における前記第1半導体層の前記第2方向の幅は、前記ソース/ドレイン領域における前記第2半導体層の前記第2方向の幅よりも狭いことを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。
- 前記チャネル領域を流れる電流の向きは、前記第1方向であることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
- 前記チャネル領域における前記第1半導体層の前記第2方向の幅は、前記ゲート電極のゲート長よりも短いことを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
- 半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、第1方向に長く、前記第1方向に交差する第2方向に短いフィン状の半導体層と、前記半導体層の前記第2方向の側面に形成されるゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層に隣接して配置されるゲート電極と、前記半導体層内の前記ゲート絶縁層に隣接する位置に形成されるチャネル領域と、前記半導体層内において前記チャネル領域に対し前記第1方向に隣接する位置に形成されるソース/ドレインエクステンション領域と、前記半導体層内において前記ソース/ドレインエクステンション領域に対し前記第1方向に隣接する位置に形成されるソース/ドレイン領域と、前記ソース/ドレイン領域における前記半導体層の表面部に形成され、その内部の全体に形成されないシリサイド層とを具備することを特徴とする半導体装置。
- 前記シリサイド層は、前記半導体層の上部及び前記第2方向の表面部に形成されることを特徴とする請求項21に記載の半導体装置。
- 前記半導体層の上部における前記シリサイド層と前記半導体層との間には、シリサイデーション時のストッパとして機能する絶縁層が形成されることを特徴とする請求項22に記載の半導体装置。
- 前記半導体層の前記第2方向の幅は、前記半導体層の前記第2方向の表面部に形成される前記シリサイド層の前記第2方向の幅の2倍よりも広いことを特徴とする請求項21に記載の半導体装置。
- 前記ソース/ドレイン領域における前記半導体層の前記第2方向の幅は、前記ソース/ドレインエクステンション領域又は前記チャネル領域における前記半導体層の前記第2方向の幅よりも広いことを特徴とする請求項21に記載の半導体装置。
- 前記ソース/ドレイン領域における前記半導体層は、エピタキシャル層とその元になる半導体層とから構成されることを特徴とする請求項25に記載の半導体装置。
- 前記元になる半導体層は、シリコン層であり、前記エピタキシャル層は、シリコン層又はシリコンゲルマニウム層であることを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。
- 前記ソース/ドレイン領域における前記半導体層の高さは、前記ソース/ドレインエクステンション領域又は前記チャネル領域における前記半導体層の高さよりも高いことを特徴とする請求項21に記載の半導体装置。
- 前記半導体基板は、SOI基板であることを特徴とする請求項21に記載の半導体装置。
- 前記チャネル領域における前記半導体層の前記第2方向の幅は、前記ゲート電極、前記ソース/ドレインエクステンション領域及び前記ソース/ドレイン領域からなるトランジスタを、完全空乏型素子として動作させるために必要な幅となっていることを特徴とする請求項21に記載の半導体装置。
- 半導体基板上に、第1方向に長く、前記第1方向に交差する第2方向に短いフィン状の半導体層を形成する工程と、前記半導体層の前記第2方向の側面にダミーゲート絶縁層を形成する工程と、前記ダミーゲート絶縁層に隣接するダミーゲート電極を形成する工程と、前記半導体層内にソース/ドレインエクステンション領域及びソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記半導体層を覆う絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層を研磨又はエッチングし、前記ダミーゲート絶縁層及び前記ダミーゲート電極の表面を露出させる工程と、前記ダミーゲート絶縁層及び前記ダミーゲート電極を除去する工程と、前記ダミーゲート絶縁層が存在していた部分の前記半導体層を酸化し、そこに酸化層を形成する工程と、前記酸化層を除去する工程と、前記ダミーゲート絶縁層が存在していた部分にゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層に隣接するゲート電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記ソース/ドレインエクステンション領域は、傾斜イオン注入により形成されることを特徴とする請求項31に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ソース/ドレイン領域は、傾斜イオン注入と垂直イオン注入の組み合わせ、又は、垂直イオン注入により形成されることを特徴とする請求項31に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ソース/ドレインエクステンション領域を形成した後、前記ソース/ドレイン領域を形成する前に、前記ゲート電極の側壁に側壁絶縁層が形成されることを特徴とする請求項31に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁層の研磨又はエッチングは、前記半導体層上に形成されるキャップ絶縁層をストッパにして実行されることを特徴とする請求項31に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁層の研磨又はエッチングは、前記ダミーゲート電極をストッパにして実行されることを特徴とする請求項31に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体層の酸化は、熱酸化により実行されることを特徴とする請求項31に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート電極は、ポリシリコン又は金属からなることを特徴とする請求項31に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート電極上及び前記ソース/ドレイン領域の表面上にシリサイド層を形成する工程をさらに具備することを特徴とする請求項31に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記酸化層の厚さにより、前記ゲート絶縁層に隣接するチャネル領域における前記半導体層の前記第2方向の幅が制御されることを特徴とする請求項31に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体基板上に、第1方向に長く、前記第1方向に交差する第2方向に短いフィン状の複数の第1半導体層と、前記複数の第1半導体層の前記第1方向の端部を結合する第2半導体層とを形成する工程と、前記複数の第1半導体層の前記第2方向の側面にダミーゲート絶縁層を形成する工程と、前記ダミーゲート絶縁層に隣接するダミーゲート電極を形成する工程と、前記複数の第1半導体層内にソース/ドレインエクステンション領域を形成する工程と、前記第2半導体層内にソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記第1及び第2半導体層を覆う絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層を研磨又はエッチングし、前記ダミーゲート絶縁層及び前記ダミーゲート電極の表面を露出させる工程と、前記ダミーゲート絶縁層及び前記ダミーゲート電極を除去する工程と、前記ダミーゲート絶縁層が存在していた部分の前記第1半導体層を酸化し、そこに酸化層を形成する工程と、前記酸化層を除去する工程と、前記ダミーゲート絶縁層が存在していた部分にゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層に隣接するゲート電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記ソース/ドレインエクステンション領域は、傾斜イオン注入により形成されることを特徴とする請求項41に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ソース/ドレイン領域は、傾斜イオン注入と垂直イオン注入の組み合わせ、又は、垂直イオン注入により形成されることを特徴とする請求項41に記載の半導体装置の製造方法。
- 第1絶縁層上の半導体層上にキャップ絶縁層を形成する工程と、前記キャップ絶縁層をマスクにして、前記半導体層をエッチングし、前記半導体層の形状を、第1方向に長く、前記第1方向に交差する第2方向に短いフィン状とする工程と、前記半導体層を覆う第2絶縁層を形成する工程と、前記第2絶縁層を研磨又はエッチングし、前記キャップ絶縁層の表面を露出させる工程と、等方性エッチングにより前記キャップ絶縁層をエッチングし、前記キャップ絶縁層のサイズを小さくする工程と、前記半導体層上に、前記半導体層の前記第1方向の幅よりも狭い幅のスリットを持つ第1レジストを形成する工程と、前記キャップ絶縁層及び前記第1レジストをマスクにして、前記半導体層をエッチングし、前記半導体層の中央部における前記第2方向の幅を、前記半導体層の前記第1方向の端部における前記第2方向の幅よりも狭くする工程と、前記半導体層の中央部にソース/ドレインエクステンション領域を形成する工程と、前記半導体層の前記第1方向の端部にソース/ドレイン領域を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記キャップ絶縁層及び前記レジストをマスクにした前記半導体層のエッチングの後、前記ソースドレインエクステンション領域を形成する前に、再び、前記等方性エッチングにより前記キャップ絶縁層をエッチングし、前記キャップ絶縁層のサイズをさらに小さくする工程と、前記半導体層上に、前記第1レジストのスリットの前記第1方向の幅よりも狭い幅のスリットを持つ第2レジストを形成する工程と、前記キャップ絶縁層及び前記第2レジストをマスクにして、前記半導体層をエッチングし、前記半導体層の中心部における前記第2方向の幅を、前記半導体層の中央部における前記第2方向の幅よりも狭くする工程とを具備することを特徴とする請求項44に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体層の中心部は、チャネル領域になることを特徴とする請求項45に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体基板上に、第1方向に長く、前記第1方向に交差する第2方向に短いフィン状の半導体層を形成する工程と、前記半導体層の前記第2方向の側面にゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層に隣接するゲート電極を形成する工程と、傾斜イオン注入により、前記半導体層内にソース/ドレインエクステンション領域を形成する工程と、前記ゲート電極の側壁に側壁絶縁層を形成する工程と、傾斜イオン注入と垂直イオン注入の組み合わせ、又は、垂直イオン注入により、ソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記ゲート電極上及び前記ソース/ドレイン領域の表面上にシリサイド層を形成する工程とを具備し、前記ソース/ドレイン領域における前記半導体層の内部の全体に前記シリサイド層が形成されないように、シリサイデーションの条件が設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記側壁絶縁層を形成した後、前記ソース/ドレイン領域を形成する前に、選択成長により、前記半導体層の表面上にエピタキシャル層を成長させる工程をさらに具備することを特徴とする請求項47に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記エピタキシャル層は、前記ソース/ドレイン領域の一部となると共に、前記シリサイデーション時に消費される半導体となることを特徴とする請求項47に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記エピタキシャル層は、前記半導体層の上面上及び側面上に形成されることを特徴とする請求項47に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体基板上に、第1方向に長く、前記第1方向に交差する第2方向に短いフィン状の第1半導体層、前記第1半導体層上のシリサイデーションストッパ及び前記シリサイデーションストッパ上の第2半導体層を形成する工程と、前記第1半導体層の前記第2方向の側面にゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層に隣接するゲート電極を形成する工程と、前記第1半導体層内にソース/ドレインエクステンション領域を形成する工程と、前記ゲート電極の側壁に側壁絶縁層を形成する工程と、選択成長により、前記第1及び第2半導体層の表面上にエピタキシャル層を成長させ、前記第1半導体層からの前記エピタキシャル層と前記第2半導体層からの前記エピタキシャル層とを結合させる工程と、前記第1半導体層内にソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記ゲート電極上、前記第2半導体層上及び前記エピタキシャル層上にシリサイド層を形成する工程とを具備し、前記シリサイデーションストッパは、シリサイデーション時に、前記第1半導体層の上部からシリサイド化が進行しないように、シリサイデーション時のストッパとして機能することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記シリサイデーションストッパは、酸化シリコン又は窒化シリコンから構成されることを特徴とする請求項51に記載の半導体装置の製造方法。
- 請求項14に記載の半導体装置において、前記複数の第1半導体層を前記第1及び第2半導体層の境界部まで覆う側壁絶縁層と、前記第2半導体層をシリサイド化することにより形成されるシリサイド層とをさらに具備し、
前記第2半導体層は、方形を有し、前記複数の第1半導体層のうち最も端に位置するものの角部から前記第2半導体層の角部までの幅は、前記シリサイド層の厚さよりも大きくなるように設定されることを特徴とする半導体装置。 - 前記シリサイド層は、前記複数の第1半導体層のうち最も端に位置するものに達することがないことを特徴とする請求項53に記載の半導体装置。
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