JP2006024718A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

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晴之 空田
Takeshi Takagi
剛 高木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device provided with STI that is structured not to cause transistor characteristics to deteriorate, and to provide a manufacturing method therefor. <P>SOLUTION: The semiconductor device comprises an Si substrate 1 having a trench isolation structure which is formed on an isolation region where a main surface is divided into a plurality of element regions A1 to A3, wherein an epitaxial layer is selectively grown on the element regions A2, A3. The semiconductor device comprises a first n-type MOS transistor having a channel region formed on the element region A1; and a second n channel MOS transistor, and a p channel MOS transistor having a channel region formed on the epitaxial layer. The channel length direction size of the epitaxial layer, where the channel region of the second n channel type MOS transistor is formed, is smaller than the channel lengthwise direction size of the element region A1, where the first n channel MOS transistor channel region is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、素子分離構造を有する半導体装置およびその製造方法に関している。   The present invention relates to a semiconductor device having an element isolation structure and a method for manufacturing the same.

従来の半導体集積回路装置では、トランジスタ素子を相互に電気的に分離するため、基板表面にLOCOS(Local Oxidation of Silicon)構造が形成されていた。しかし、設計ルールが0.25〜0.18μmとなる世代のLSIからは、より高い集積度を実現するため、基板表面に0.3μm程度の浅い溝を形成し、その溝の内部を絶縁物で埋めるトレンチ分離(STI:Shallow Trench Isolation)技術が使用されるようになってきた。   In a conventional semiconductor integrated circuit device, a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) structure is formed on the substrate surface in order to electrically isolate transistor elements from each other. However, from the generation of LSI with a design rule of 0.25 to 0.18 μm, in order to achieve a higher degree of integration, a shallow groove of about 0.3 μm is formed on the substrate surface, and the inside of the groove is an insulator. Trench isolation (STI) technology has been used.

特許文献1は、STIによって素子分離が行なわれている半導体装置を開示している。非特許文献1は、STIによって分離された素子領域にチャネル領域を有するMOSトランジスタの電気特性を報告している。
特開2000−82808号公報 European Solid-State Device Research, 2003. ESSDERC '03. 33rd Conference on ,16-18 Sept. 2003, Pages:359−362
Patent Document 1 discloses a semiconductor device in which element isolation is performed by STI. Non-Patent Document 1 reports the electrical characteristics of a MOS transistor having a channel region in an element region separated by STI.
JP 2000-82808 A European Solid-State Device Research, 2003.ESSDERC '03 .33rd Conference on, 16-18 Sept. 2003, Pages: 359-362

半導体装置におけるトランジスタの集積度が向上し、個々の素子領域のサイズが縮小するに従い、STIに起因するストレス(圧縮応力)が問題になってきている。   As the degree of integration of transistors in a semiconductor device is improved and the size of each element region is reduced, stress (compressive stress) due to STI has become a problem.

図8は、STI102が形成されたSi基板100の素子領域に生じるストレスを模式的に示している。このようなストレスが発生する理由は、Si基板100の表面に形成されたトレンチの内部がSiO2などの絶縁物で埋め込まれており、この絶縁物とSiとの間に熱膨張率の差が存在しているためである。 FIG. 8 schematically shows stress generated in the element region of the Si substrate 100 on which the STI 102 is formed. The reason why such stress occurs is that the inside of the trench formed on the surface of the Si substrate 100 is buried with an insulator such as SiO 2 , and there is a difference in thermal expansion coefficient between this insulator and Si. This is because it exists.

非特許文献1は、STIによるストレスがMOSトランジスタの特性に与える影響を記載している。図9は、非特許文献1に開示されているグラフであり、素子領域のチャネル長方向を規定するパラメータaに依存してドレイン電流Idがどのように変化するかを示している。ここで、グラフの横軸に示す「パラメータa」は、図10に示すサイズであり、単位は[μm(マイクロメータ:ミクロン)]である。図9のグラフの縦軸は、図10に示すパラメータaが10μmのときのドレイン電流Id(a=10μm)に対するドレイン電流Idの比率を示している。なお、本明細書における「チャネル長方向」とは、図10に示すように、ソース領域Sとドレイン領域Dとの間の距離を規定する方向を意味し、「チャネル長方向サイズ」とは、その方向におけるサイズを意味するものとする。図10に示す素子領域のチャネル長方向サイズは、「チャネル長+2・a」に等しい。なお、「チャネル長」は、ゲートGのチャネル長方向サイズ(ケート長)に等しい。   Non-Patent Document 1 describes the influence of stress due to STI on the characteristics of MOS transistors. FIG. 9 is a graph disclosed in Non-Patent Document 1, and shows how the drain current Id changes depending on the parameter a that defines the channel length direction of the element region. Here, the “parameter a” shown on the horizontal axis of the graph is the size shown in FIG. 10, and the unit is [μm (micrometer: micron)]. 9 indicates the ratio of the drain current Id to the drain current Id (a = 10 μm) when the parameter a shown in FIG. 10 is 10 μm. Note that the “channel length direction” in this specification means a direction that defines the distance between the source region S and the drain region D, as shown in FIG. It shall mean the size in that direction. The size of the element region shown in FIG. 10 in the channel length direction is equal to “channel length + 2 · a”. The “channel length” is equal to the size (gate length) of the gate G in the channel length direction.

図9から明らかなように、パラメータaの大きさが5μm以下の領域では、パラメータaが小さくなるに従ってNチャネル型MOSトランジスタ(nMOS)の特性が大きく劣化している。これは、STIによるストレス(圧縮応力)に起因して電子の電界効果移動度が低下するためであると考えられる。   As is clear from FIG. 9, in the region where the size of the parameter a is 5 μm or less, the characteristics of the N-channel MOS transistor (nMOS) are greatly deteriorated as the parameter a is reduced. This is presumably because the field effect mobility of electrons decreases due to stress (compressive stress) caused by STI.

このように素子分離にSTI構造を用いる従来の半導体装置の場合は、MOSトランジスタ素子の集積度が更に向上して素子領域のサイズが縮小するに伴い、特にNチャネル型MOSトランジスタの特性が大きく劣化することが問題になっている。   As described above, in the case of the conventional semiconductor device using the STI structure for element isolation, the characteristics of the N-channel type MOS transistor are greatly deteriorated as the integration degree of the MOS transistor element is further improved and the size of the element region is reduced. It has become a problem to do.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、素子分離にSTI技術を用いる場合においても、トランジスタ特性の劣化を招かない構成を有する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a structure that does not cause deterioration of transistor characteristics even when the STI technique is used for element isolation, and a method for manufacturing the same. There is to do.

本発明の半導体装置は、主面を有する半導体層を備え、前記主面を複数の素子領域に区分する分離領域に形成されたトレンチ分離構造を有する基板と、前記半導体層の主面における前記複数の素子領域の少なくとも1つの素子領域上に選択的に成長したエピタキシャル層とを備えた半導体装置であって、前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のいずれかに形成されたチャネル領域を有する第1のNチャネル型MOSトランジスタと、前記エピタキシャル層に形成されたチャネル領域を有する第2のNチャネル型MOSトランジスタと、前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のいずれか、または前記エピタキシャル層に形成されたチャネル領域を有するPチャネル型MOSトランジスタとを備え、前記第2のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されているエピタキシャル層のチャネル長方向サイズは、前記第1のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されている素子領域のチャネル長方向サイズよりも小さい。   The semiconductor device of the present invention includes a substrate having a semiconductor layer having a main surface, and having a trench isolation structure formed in an isolation region that divides the main surface into a plurality of element regions, and the plurality of the main surfaces of the semiconductor layer. And an epitaxial layer selectively grown on at least one of the element regions, wherein a channel region formed in any of the plurality of element regions on the main surface of the semiconductor layer is provided. A first N-channel MOS transistor having a second N-channel MOS transistor having a channel region formed in the epitaxial layer, one of the plurality of element regions in a main surface of the semiconductor layer, or the A P-channel MOS transistor having a channel region formed in the epitaxial layer, and the second N-channel type Channel length direction size of the epitaxial layer in which a channel region of the OS transistor is formed is smaller than the channel length direction size of the first N-channel device region where a channel region is formed of MOS transistors.

好ましい実施形態において、前記第2のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されているエピタキシャル層のチャネル長方向サイズは10μm以下である。   In a preferred embodiment, the channel length direction size of the epitaxial layer in which the channel region of the second N-channel MOS transistor is formed is 10 μm or less.

好ましい実施形態において、前記第1のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されている素子領域のチャネル長方向サイズは10μmを超えている。   In a preferred embodiment, a channel length direction size of an element region in which a channel region of the first N-channel MOS transistor is formed exceeds 10 μm.

好ましい実施形態において、前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のうち、チャネル長方向サイズが10μm以下の素子領域にチャネル領域を有するPチャネル型MOSトランジスタを備えている。   In a preferred embodiment, a P-channel MOS transistor having a channel region in an element region having a size in the channel length direction of 10 μm or less among the plurality of element regions in the main surface of the semiconductor layer is provided.

好ましい実施形態において、前記トレンチ分離構造は、前記半導体層における前記素子領域に対して横方向に圧縮応力を印加している。   In a preferred embodiment, the trench isolation structure applies a compressive stress in a lateral direction to the element region in the semiconductor layer.

好ましい実施形態において、前記半導体層は単結晶シリコンから形成されている。   In a preferred embodiment, the semiconductor layer is made of single crystal silicon.

好ましい実施形態において、前記エピタキシャル層は、シリコンおよびゲルマニウムを含有している層を含んでいる。   In a preferred embodiment, the epitaxial layer includes a layer containing silicon and germanium.

好ましい実施形態において、前記エピタキシャル層の厚さは、1nm以上100nm以下である。   In a preferred embodiment, the epitaxial layer has a thickness of 1 nm to 100 nm.

本発明による半導体装置の製造方法は、主面を有する半導体層を備えた基板を用意する工程(A)と、前記半導体層の主面を複数の素子領域に区分する分離溝を前記半導体層の主面に形成する工程(B)と、前記半導体層の分離溝を絶縁物で埋めることにより、STIを形成する工程(C)と、前記半導体層の複数の素子領域に含まれる一部の素子領域上にエピタキシャル層を成長させる工程(D)と、前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のいずれか、または前記エピタキシャル層にチャネル領域を有するMOSトランジスタを形成する工程(E)とを含み、前記工程(E)は、前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のいずれかにチャネル領域を有する第1のNチャネル型MOSトランジスタを形成する工程(e1)と、前記エピタキシャル層にチャネル領域を有する第2のNチャネル型MOSトランジスタを形成する工程(e2)と、前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のいずれか、または前記エピタキシャル層にチャネル領域を有するPチャネル型MOSトランジスタを形成する工程(e3)とを含み、前記第2のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されているエピタキシャル層のチャネル長方向サイズは、前記第1のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されている素子領域のチャネル長方向サイズよりも小さい。   The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (A) of preparing a substrate having a semiconductor layer having a main surface, and a separation groove for dividing the main surface of the semiconductor layer into a plurality of element regions. A step (B) of forming on the main surface, a step (C) of forming an STI by filling the isolation groove of the semiconductor layer with an insulator, and some elements included in a plurality of element regions of the semiconductor layer A step (D) of growing an epitaxial layer on the region, and a step (E) of forming a MOS transistor having a channel region in one of the plurality of element regions on the main surface of the semiconductor layer or the epitaxial layer. The step (E) includes a step (e1) of forming a first N-channel MOS transistor having a channel region in any of the plurality of element regions in the main surface of the semiconductor layer. A step (e2) of forming a second N-channel MOS transistor having a channel region in the epitaxial layer, and a channel region in any one of the plurality of element regions in the main surface of the semiconductor layer, or in the epitaxial layer A step (e3) of forming a P-channel MOS transistor having a channel length direction size of an epitaxial layer in which a channel region of the second N-channel MOS transistor is formed is the first N-channel type It is smaller than the channel length direction size of the element region in which the channel region of the MOS transistor is formed.

本発明では、集積度の向上に適した素子分離技術であるが、ストレスを発生するSTIを採用しながら、そのストレスを緩和する技術を用いることにより、Nチャネル型MOSトランジスタの特性劣化を効果的に回避する半導体装置が提供される。   Although the present invention is an element isolation technique suitable for improving the degree of integration, it is possible to effectively reduce the characteristics of an N-channel MOS transistor by using a technique that relieves stress while employing STI that generates stress. A semiconductor device that avoids the problem is provided.

本発明者らは、Si基板の特定領域にSiGe層を含む半導体層を選択的にエピタキシャル成長させることにより、1つのSi基板上に通常のSiのMOSトランジスタ(Si素子)とSiGeのMOSトランジスタ(SiGe素子)とを混載させた半導体装置の開発を検討してきた。そして、SiGe層を含むエピタキシャル層をSi基板の素子領域上に選択的に成長させた場合、エピタキシャル層のチャネル長方向サイズが小さくなっても、エピタキシャル層にチャネル領域を形成したMOSトランジスタの特性が劣化しにくいことを見出し、本発明を想到するにいたった。これは、STIによるストレスがSi基板の素子領域に印加されていても、その上に成長させたエピタキシャル層ではストレスが開放されるためであると考えられる。   The inventors of the present invention selectively epitaxially grow a semiconductor layer including a SiGe layer in a specific region of a Si substrate, thereby performing a normal Si MOS transistor (Si element) and a SiGe MOS transistor (SiGe) on one Si substrate. The development of a semiconductor device in which an element is mixedly mounted has been studied. When the epitaxial layer including the SiGe layer is selectively grown on the element region of the Si substrate, the characteristics of the MOS transistor in which the channel region is formed in the epitaxial layer are reduced even if the epitaxial layer has a smaller channel length direction size. The inventors have found that it is difficult to deteriorate and have come up with the present invention. This is considered to be because even when stress due to STI is applied to the element region of the Si substrate, the stress is released in the epitaxial layer grown thereon.

図1は、選択成長によって形成したエピタキシャル層103でストレスが解放されている様子を模式的に示す断面図である。Si基板100の表面に形成されたトレンチの内部にはSiO2などからなる絶縁物が埋め込まれたSTI102が形成されているため、Si基板100の素子領域には圧縮応力が生じているが、Si基板100の素子領域上に選択的に成長したエピタキシャル層103のストレスは緩和されている。このようなストレスの緩和は、エピタキシャル層103を構成する半導体の種類や組成によらず発生する。ストレスの緩和程度は、成長させるエピタキシャル層103の構成(組成や厚さ)によって変化すると考えられる。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a state in which stress is released in an epitaxial layer 103 formed by selective growth. Since the STI 102 in which an insulator made of SiO 2 or the like is embedded is formed inside the trench formed on the surface of the Si substrate 100, compressive stress is generated in the element region of the Si substrate 100. The stress of the epitaxial layer 103 selectively grown on the element region of the substrate 100 is relaxed. Such stress relaxation occurs regardless of the type and composition of the semiconductor constituting the epitaxial layer 103. The degree of stress relaxation is considered to vary depending on the structure (composition and thickness) of the epitaxial layer 103 to be grown.

本発明では、ストレスの影響で特性の劣化しやすいNチャネル型MOSトランジスタの全てをエピタキシャル層103に形成するのではなく、Si基板100における素子領域とエピタキシャル層103とに適切に振り分けて形成している。比較的サイズの大きな素子領域では、ストレスがあってもNチャネル型MOSトランジスタの特性は劣化しにくいことに着目したためである。   In the present invention, not all of the N-channel MOS transistors whose characteristics are likely to deteriorate due to the stress are formed in the epitaxial layer 103, but are formed by appropriately distributing the element region and the epitaxial layer 103 in the Si substrate 100. Yes. This is because in the element region having a relatively large size, attention has been paid to the fact that the characteristics of the N-channel MOS transistor are hardly deteriorated even when there is stress.

なお、エピタキシャル層103ではなく、Si基板100の表面にNチャネル型MOSトランジスタを形成することにより、エピタキシャル層103の厚さのバラツキに起因する素子特性のバラツキが生じにくくなる。STI102によるストレスの影響がエピタキシャル層103の厚さのバラツキに起因する影響よりも大きくなる場合は、Nチャネル型MOSトランジスタをSi基板100の表面に形成するよりも、エピタキシャル層103に形成する方が好ましい。本発明は、STI102によるストレスの影響を考慮して、Nチャネル型MOSトランジスタの形成領域を最適化することができる。   Note that by forming an N-channel MOS transistor on the surface of the Si substrate 100 instead of the epitaxial layer 103, variations in element characteristics due to variations in the thickness of the epitaxial layer 103 are less likely to occur. When the influence of the stress due to the STI 102 becomes larger than the influence due to the variation in the thickness of the epitaxial layer 103, it is more preferable to form the N-channel MOS transistor on the epitaxial layer 103 than on the surface of the Si substrate 100. preferable. The present invention can optimize the formation region of the N-channel MOS transistor in consideration of the influence of stress due to the STI 102.

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

[実施形態1]
図面を参照しながら、本発明の第1の実施形態を説明する。
[Embodiment 1]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、図2(a)および(b)を参照する。図2(a)は、本実施形態における半導体装置の一部断面を示しており、(b)は、その上面を示している。   First, refer to FIGS. 2 (a) and 2 (b). FIG. 2A shows a partial cross section of the semiconductor device according to this embodiment, and FIG. 2B shows the top surface thereof.

本実施形態の半導体装置は、複数の素子領域が主面に形成されたSi基板200を備え、そのSi基板200の一部にはエピタキシャル層203が形成されている。図2(a)に示す例では、エピタキシャル203は3層構造を有している。Si基板200には、素子領域以外の領域(分離領域)にSTI202が形成されている。   The semiconductor device of this embodiment includes a Si substrate 200 having a plurality of element regions formed on the main surface, and an epitaxial layer 203 is formed on a part of the Si substrate 200. In the example shown in FIG. 2A, the epitaxial 203 has a three-layer structure. In the Si substrate 200, STI 202 is formed in a region (isolation region) other than the element region.

図2には、3つの素子領域A1〜A3が示されており、素子領域A1にはSi基板200の素子領域にチャネル領域を有するNチャネル型MOSトランジスタ(第1のNチャネル型MOSトランジスタ)206が形成されている。   FIG. 2 shows three element regions A1 to A3. The element region A1 includes an N-channel MOS transistor (first N-channel MOS transistor) 206 having a channel region in the element region of the Si substrate 200. Is formed.

これに対し、素子領域A2、A3の上には、それぞれ、厚さが例えば1nm以上100nm以下のエピタキシャル層203が選択的に成長している。素子領域A2上に成長したエピタキシャル層203にはPチャネル型MOSトランジスタ208が形成され、素子領域A3上に成長したエピタキシャル層203にはNチャネル型MOSトランジスタ(第2のNチャネル型MOSトランジスタ)210が形成されている。   On the other hand, an epitaxial layer 203 having a thickness of, for example, 1 nm to 100 nm is selectively grown on the element regions A2 and A3. A P-channel MOS transistor 208 is formed in the epitaxial layer 203 grown on the element region A2, and an N-channel MOS transistor (second N-channel MOS transistor) 210 is formed in the epitaxial layer 203 grown on the element region A3. Is formed.

第2のNチャネル型MOSトランジスタ210のチャネル領域が形成されているエピタキシャル層203のチャネル長方向サイズは、第1のNチャネル型MOSトランジスタ206のチャネル領域が形成されている素子領域A1のチャネル長方向サイズよりも小さい。具体的には、素子領域A1のチャネル長方向サイズは10μmを超えているが、第2のNチャネル型MOSトランジスタ210のチャネル領域が形成されているエピタキシャル層のチャネル長方向サイズは10μm以下(例えば1.5μm)である。   The size in the channel length direction of the epitaxial layer 203 in which the channel region of the second N-channel MOS transistor 210 is formed is the channel length of the element region A1 in which the channel region of the first N-channel MOS transistor 206 is formed. Smaller than the direction size. Specifically, the channel length direction size of the element region A1 exceeds 10 μm, but the channel length direction size of the epitaxial layer in which the channel region of the second N-channel MOS transistor 210 is formed is 10 μm or less (for example, 1.5 μm).

このように、本実施形態では、複数のNチャネル型MOSトランジスタ206、210をサイズに応じてSi基板200の素子領域A1およびエピタキシャル層203に振り分けて成形している。   As described above, in this embodiment, the plurality of N-channel MOS transistors 206 and 210 are distributed and formed into the element region A1 and the epitaxial layer 203 of the Si substrate 200 according to the size.

なお、素子領域のチャネル長方向サイズが2μm以上になると、STI202によるストレスが幾分は低下するため、Si基板200の素子領域にNチャネル型MOSトランジスタを形成してもよい場合がある。しかし、Si基板200の素子領域にNチャネル型MOSトランジスタを形成することが好ましいのは、素子領域のチャネル長方向サイズが10μm以上になるときである。   Note that if the size of the element region in the channel length direction is 2 μm or more, the stress due to the STI 202 is somewhat reduced, so an N-channel MOS transistor may be formed in the element region of the Si substrate 200 in some cases. However, it is preferable to form the N-channel MOS transistor in the element region of the Si substrate 200 when the size of the element region in the channel length direction is 10 μm or more.

一方、素子領域のチャネル長方向サイズが10μmを下回る場合は、エピタキシャル層203にNチャネル型MOSトランジスタを形成することが好ましい。特に素子領域のチャネル長方向サイズが2μmを下回る場合、エピタキシャル層203にNチャネル型MOSトランジスタを形成することにより得られる効果が顕著になる。   On the other hand, when the size of the element region in the channel length direction is less than 10 μm, it is preferable to form an N-channel MOS transistor in the epitaxial layer 203. In particular, when the size of the element region in the channel length direction is less than 2 μm, the effect obtained by forming the N-channel MOS transistor in the epitaxial layer 203 becomes remarkable.

Pチャネル型MOSトランジスタについては、素子領域のチャネル長方向サイズによらず、Si基板200の素子領域、あるいはエピタキシャル層203の任意の一方に形成することができる。図2には示されていないが、Si基板200の素子領域にPチャネル型MOSトランジスタが形成されていてもよい。Pチャネル型MOSトランジスタの特性は、ストレスの印加によって向上する場合があるので、チャネル長方向サイズが10μmを下回る素子領域には、エピタキシャル層203を成長させることなく、直接、素子領域にPチャネル型MOSトランジスタを形成してもよい。Pチャネル型MOSトランジスタを形成する場合、素子領域のチャネル長方向サイズは小さいほど好ましく、例えば2μmを下回ることが好ましい。   The P-channel MOS transistor can be formed in any one of the element region of the Si substrate 200 or the epitaxial layer 203 regardless of the size of the element region in the channel length direction. Although not shown in FIG. 2, a P-channel MOS transistor may be formed in the element region of the Si substrate 200. Since the characteristics of the P-channel MOS transistor may be improved by applying stress, the P-channel type transistor is directly formed in the element region without growing the epitaxial layer 203 in the element region whose size in the channel length direction is less than 10 μm. A MOS transistor may be formed. In the case of forming a P-channel MOS transistor, the size of the element region in the channel length direction is preferably as small as possible, for example, less than 2 μm.

なお、チャネル長方向サイズの10μm以上の比較的大きな素子領域上にエピタキシャル層を成長させてもよい。   An epitaxial layer may be grown on a relatively large element region having a channel length direction size of 10 μm or more.

以下、図3から図6を参照して、本実施形態の半導体装置を製造する方法の好ましい実施形態を説明する。   Hereinafter, with reference to FIGS. 3 to 6, a preferred embodiment of the method of manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.

まず、図3(a)に示すように、Si基板1の表面を1000〜1100℃程度で熱酸化し、厚さ20〜30nm程度の保護酸化層(SiO2層)2を形成する。Si基板1は、典型的には、単結晶のSiウェハであるが、SOI基板であってもよい。次に、CVD法により、厚さ50nm程度のポリシリコン層3を保護酸化層2上に堆積した後、CVD法により、厚さ150nm程度のSiN層4をポリシリコン層3上に堆積する。SiN層4の堆積温度は700〜800℃程度である。この後、リソグラフィ技術により、素子領域A1、A2、A3のパターンを規定するレジストマスクをSiN層4の上に形成する。 First, as shown in FIG. 3A, the surface of the Si substrate 1 is thermally oxidized at about 1000 to 1100 ° C. to form a protective oxide layer (SiO 2 layer) 2 having a thickness of about 20 to 30 nm. The Si substrate 1 is typically a single crystal Si wafer, but may be an SOI substrate. Next, a polysilicon layer 3 having a thickness of about 50 nm is deposited on the protective oxide layer 2 by the CVD method, and then a SiN layer 4 having a thickness of about 150 nm is deposited on the polysilicon layer 3 by the CVD method. The deposition temperature of the SiN layer 4 is about 700 to 800 ° C. Thereafter, a resist mask that defines the pattern of the element regions A1, A2, and A3 is formed on the SiN layer 4 by lithography.

上記積層構造のうち、レジストマスクによって覆われていない部分をエッチングすることにより、SiN層4、ポリシリコン層3、保護酸化層2をパターニングする。このエッチングは、異方性の高いドライエッチング法によって行なうことが好ましい。ドライエッチング用のガスとして、SiN層4や保護酸化層2のエッチングでは、CF4およびCHF3を用いることができる。また、ポリシリコン層3のエッチングではCl2やHBrなどガスを用いることができる。このドライエッチングにより、Si基板1の主面が部分的に露出する。その後、Si基板1の露出部分をエッチングすることにより、図3(b)に示す素子分離溝(トレンチ)5をSi基板1の表面に形成する。Siのエッチングは、Cl2やHBrなどガスを用いたドライエッチングによって行なうことができる。素子分離溝5の深さは、例えば250〜350nmの範囲内に設定される。 The SiN layer 4, the polysilicon layer 3, and the protective oxide layer 2 are patterned by etching a portion of the laminated structure that is not covered with the resist mask. This etching is preferably performed by a highly anisotropic dry etching method. As a dry etching gas, CF 4 and CHF 3 can be used for etching the SiN layer 4 and the protective oxide layer 2. Further, a gas such as Cl 2 or HBr can be used for etching the polysilicon layer 3. By this dry etching, the main surface of the Si substrate 1 is partially exposed. Thereafter, the exposed portion of the Si substrate 1 is etched to form element isolation grooves (trench) 5 shown in FIG. 3B on the surface of the Si substrate 1. Etching of Si can be performed by dry etching using a gas such as Cl 2 or HBr. The depth of the element isolation trench 5 is set within a range of 250 to 350 nm, for example.

図4(a)は、この段階におけるSi基板1の上面を示す図面である。図4(b)は、そのB−B’線断面図であり、図3(b)に相当する。   FIG. 4A is a drawing showing the upper surface of the Si substrate 1 at this stage. FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′, and corresponds to FIG.

次に、素子分離溝5の内部で露出しているSi表面を1000〜1100℃程度で熱酸化し、図3(c)に示す厚さ20〜30nm程度の保護酸化層6を形成する。この後、HDP(high density plasma)法により、図3(d)に示すように素子分離溝5の内部をSi酸化膜7で埋め込む。堆積するSi酸化膜7の厚さは、素子分離溝5の深さよりも充分に大きな値、例えば500〜800nmの範囲内の値に設定される。   Next, the Si surface exposed inside the element isolation trench 5 is thermally oxidized at about 1000 to 1100 ° C. to form a protective oxide layer 6 having a thickness of about 20 to 30 nm as shown in FIG. Thereafter, the inside of the element isolation trench 5 is filled with the Si oxide film 7 as shown in FIG. 3D by a high density plasma (HDP) method. The thickness of the deposited Si oxide film 7 is set to a value sufficiently larger than the depth of the element isolation trench 5, for example, a value in the range of 500 to 800 nm.

次に、CMP法による表面研磨を行う。この研磨は、図3(e)に示すようにSiN層4が露出するまで行なう。この研磨が終了した段階では、Si基板1上に形成された絶縁物の上面は平坦化されており、その平坦な上面はSi酸化膜7の研磨面から形成されている領域と、SiN層4から形成されている領域とに区分されている。Si酸化膜7の研磨面から形成されている領域は素子分離溝5上に位置し、SiN層4から形成されている領域は素子領域A1、A2、A3上に位置している。   Next, surface polishing by CMP is performed. This polishing is performed until the SiN layer 4 is exposed as shown in FIG. At the stage where this polishing is completed, the upper surface of the insulator formed on the Si substrate 1 is flattened, and the flat upper surface is formed from the polished surface of the Si oxide film 7 and the SiN layer 4. It is divided into areas formed from A region formed from the polished surface of the Si oxide film 7 is located on the element isolation trench 5, and a region formed from the SiN layer 4 is located on the element regions A1, A2, and A3.

次に、熱濃リン酸を用いてSiN層4の除去を行った後、フッ硝酸を用いてポリシリコン層3の除去を行う。この後、フッ酸を用いて保護酸化層2の除去を行う。このエッチングにより、素子領域A1、A2、A3上の保護酸化層2がエッチングされるとともに、素子分離溝5を埋めるSi酸化膜7の上部も部分的にエッチングされる。このエッチングにより、図3(f)に示すように、Si基板1の主面における素子領域A1、A2、A3の上面(Si面)が露出する。   Next, after removing the SiN layer 4 using hot concentrated phosphoric acid, the polysilicon layer 3 is removed using hydrofluoric acid. Thereafter, the protective oxide layer 2 is removed using hydrofluoric acid. By this etching, the protective oxide layer 2 on the element regions A1, A2, and A3 is etched, and the upper portion of the Si oxide film 7 filling the element isolation trench 5 is also partially etched. By this etching, as shown in FIG. 3F, the upper surfaces (Si surfaces) of the element regions A1, A2, and A3 on the main surface of the Si substrate 1 are exposed.

次に、イオン注入により、素子領域にウェル8を形成する。ウェル8のうち、n型ウェルにはAs(砒素)およびP(燐)のイオンが注入され、p型ウェルにはB(ホウ素)のイオンが注入される。   Next, the well 8 is formed in the element region by ion implantation. Of the well 8, ions of As (arsenic) and P (phosphorus) are implanted into the n-type well, and ions of B (boron) are implanted into the p-type well.

このあと、図5(a)に示すように、厚さ10〜30nm程度の選択成長用マスク材料層9を堆積する。選択成長マスク材料層9は、例えばSiNもしくはSiO2膜、またはこれらの積層膜から形成される。次に、図5(b)に示すように、この選択成長用マスク材料層9をパターニングすることにより、選択成長用マスク10を作製する。このパターニングは、リソグラフィおよびエッチング技術により実行されるが、エッチングは薬液を用いたウェットエッチングによって行なうことが好ましい。薬液としては、選択成長用マスク材料層9がSiNから形成される場合、熱濃リン酸を用いることができ、選択成長用マスク材料層9がSiO2から形成される場合はフッ酸を用いることができる。なお、選択成長用マスク材料層9を形成する前の段階において、露出しているSi表面に厚さ5nm程度の熱酸化膜を形成しておいてもよい。 Thereafter, as shown in FIG. 5A, a selective growth mask material layer 9 having a thickness of about 10 to 30 nm is deposited. The selective growth mask material layer 9 is formed of, for example, a SiN or SiO 2 film or a laminated film thereof. Next, as shown in FIG. 5B, the selective growth mask 10 is fabricated by patterning the selective growth mask material layer 9. This patterning is performed by lithography and etching techniques, but the etching is preferably performed by wet etching using a chemical solution. As the chemical solution, hot concentrated phosphoric acid can be used when the selective growth mask material layer 9 is made of SiN, and hydrofluoric acid is used when the selective growth mask material layer 9 is made of SiO 2. Can do. Note that a thermal oxide film having a thickness of about 5 nm may be formed on the exposed Si surface before the selective growth mask material layer 9 is formed.

選択成長用マスク10の開口部は、図5(b)に示すように、SiGeを含む層をエピタキシャル成長させるべき領域を規定する。すなわち、選択成長用マスク10の開口部は、素子領域A2、A3を含むように形成され、Si素子を形成する素子領域A1は選択成長用マスク10で覆われる。SiGeを含む層のエピタキシャル成長は、選択成長用マスク10の上には生じず、選択成長用マスク10の開口部内に位置する素子領域A2、A3の表面で選択的に生じることになる。   As shown in FIG. 5B, the opening of the selective growth mask 10 defines a region where a layer containing SiGe should be epitaxially grown. That is, the opening of the selective growth mask 10 is formed so as to include the element regions A2 and A3, and the element region A1 in which the Si element is formed is covered with the selective growth mask 10. The epitaxial growth of the layer containing SiGe does not occur on the selective growth mask 10 but occurs selectively on the surface of the element regions A2 and A3 located in the opening of the selective growth mask 10.

次に、図5(c)に示すように、UHV−VCD法を用いて、選択成長用マスク10の開口部内のみに、厚さ2〜5nm程度のSiバッファ層11、厚さ5〜15nm程度のSiGeチャネル層12、厚さ2〜5nm程度のSiキャップ層13を順次成長させる。成長温度は500〜600℃程度に設定し、原料ガスにはGeH4、Si26を用いる。結晶成長中の選択性を高めるために、HClガスを添加しても良い。このように、本実施形態では、SiGeを含む層として、Si層およびSiGe層からなる積層構造を形成する。SiGe層中のGeの組成比率を調節することにより、所望の歪を形成することができる。なお、SiGe層には炭素を添加してもよい。 Next, as shown in FIG. 5C, the Si buffer layer 11 having a thickness of about 2 to 5 nm and a thickness of about 5 to 15 nm are formed only in the opening of the selective growth mask 10 by using the UHV-VCD method. The SiGe channel layer 12 and the Si cap layer 13 having a thickness of about 2 to 5 nm are sequentially grown. The growth temperature is set to about 500 to 600 ° C., and GeH 4 and Si 2 H 6 are used as source gases. HCl gas may be added to increase the selectivity during crystal growth. As described above, in the present embodiment, a stacked structure including the Si layer and the SiGe layer is formed as the layer containing SiGe. A desired strain can be formed by adjusting the composition ratio of Ge in the SiGe layer. Carbon may be added to the SiGe layer.

SiGe層にMOSトランジスタのチャネル領域を形成すれば、従来のシリコン層にチャネル領域を形成した場合に比べ、正孔移動度を約2倍に向上できる。また、歪みSi層にチャネル領域を形成した場合は、従来のシリコン層にチャネル領域を形成した場合に比べて電子移動度で約2.2倍、正孔移動度で約1.4倍の向上が実現可能となる。このような歪みSi層は、格子緩和したSiGe層の上にSi層を成長させることによって得られる。Siに対してSiGeは結晶の格子間隔が若干大きいため(Ge組成30%のSiGe層の格子定数はシリコン層の格子定数に対して1%程度大きい。)、SiGe上に成長したSiには引っ張り歪みが生じることになる。   If the channel region of the MOS transistor is formed in the SiGe layer, the hole mobility can be improved about twice as compared with the case where the channel region is formed in the conventional silicon layer. In addition, when the channel region is formed in the strained Si layer, the electron mobility is improved by about 2.2 times and the hole mobility is improved by about 1.4 times compared with the case where the channel region is formed in the conventional silicon layer. Is feasible. Such a strained Si layer is obtained by growing a Si layer on a lattice-relaxed SiGe layer. Since SiGe has a slightly larger lattice spacing than Si (the lattice constant of the SiGe layer having a Ge composition of 30% is about 1% larger than the lattice constant of the silicon layer), it is pulled by the Si grown on SiGe. Distortion will occur.

エピタキシャル層に移動度の高いMOSトランスジスタを作製する場合、SiGeのGe組成は15〜50%程度に設定することが好ましい。Ge組成がこの範囲よりも低いと、正孔移動度の向上効果が小さく、この範囲よりも大きいと、格子緩和が生じやすくなるため、好ましくないからである。 次に、図5(d)に示すように、ウェットエッチングにより選択成長用マスク10を剥離する。ウェットエッチングの薬液としては、選択成長用マスク10のパターニングに用いた薬液と同じ種類の薬液を用いることができる。表面洗浄の後、図5(e)に示すように、ゲート絶縁膜14の形成を行う。ゲート絶縁膜14は、750〜1050℃の温度範囲で素子領域A1およびエピタキシャル層の表面を熱酸化したり、他の方法で絶縁膜を堆積することにより形成され得る。このとき、比較的低い温度でゲート絶縁膜14の形成を行うと、Si−SiGe間の格子不整合に起因した格子緩和の発生を抑制することができるので好ましい。従って、750〜900℃の範囲でゲート絶縁膜14を形成することが好ましい。ゲート絶縁膜14には、SiO2膜、SiON膜、もしくはこれらの積層構造を用いる。高誘電体材料であるZrO2、HfO2などを用いても良い。 When producing a MOS transistor having high mobility in the epitaxial layer, the Ge composition of SiGe is preferably set to about 15 to 50%. This is because if the Ge composition is lower than this range, the effect of improving the hole mobility is small, and if it is higher than this range, lattice relaxation tends to occur, which is not preferable. Next, as shown in FIG. 5D, the selective growth mask 10 is removed by wet etching. As the chemical solution for the wet etching, the same type of chemical solution as that used for patterning the selective growth mask 10 can be used. After the surface cleaning, the gate insulating film 14 is formed as shown in FIG. The gate insulating film 14 can be formed by thermally oxidizing the surface of the element region A1 and the epitaxial layer in a temperature range of 750 to 1050 ° C., or depositing an insulating film by another method. At this time, it is preferable to form the gate insulating film 14 at a relatively low temperature because generation of lattice relaxation due to lattice mismatch between Si and SiGe can be suppressed. Therefore, it is preferable to form the gate insulating film 14 in the range of 750 to 900 ° C. As the gate insulating film 14, a SiO 2 film, a SiON film, or a laminated structure thereof is used. A high dielectric material such as ZrO 2 or HfO 2 may be used.

次に、CVD法を用いてポリシリコン層を150〜250nm程度堆積した後、リソグラフィおよびドライエッチングにより、図6(a)に示すように、ゲート電極15を形成する。ポリシリコンのパターニングは、塩素、臭化水素などエッチングガスを用いるドライエッチングによって行なうことができる。   Next, after a polysilicon layer is deposited to a thickness of about 150 to 250 nm using the CVD method, a gate electrode 15 is formed by lithography and dry etching, as shown in FIG. The patterning of the polysilicon can be performed by dry etching using an etching gas such as chlorine or hydrogen bromide.

次に、ゲート電極15を注入マスクとする比較的ドーズの低い不純物イオン注入を行い、図6(b)に示すLDD(Lightly doped drain)16を形成する。次に、図6(c)に示すように、ゲート電極15の側壁にサイドウォール17を形成した後、素子領域A1の半導体中、および素子領域A3上に成長したエピタキシャル層中にn型のソース・ドレイン18を形成する。このとき、素子領域A2上に成長したエピタキシャル層をレジストマスクなどよって覆っておくことにより、n型不純物の注入を阻止する。この後、素子領域A2上に成長したエピタキシャル層中にp型のソース・ドレイン18を形成する。   Next, a relatively low dose of impurity ion implantation is performed using the gate electrode 15 as an implantation mask, thereby forming an LDD (Lightly Doped Drain) 16 shown in FIG. 6B. Next, as shown in FIG. 6C, after the sidewall 17 is formed on the side wall of the gate electrode 15, an n-type source is formed in the semiconductor in the element region A1 and in the epitaxial layer grown on the element region A3. -Drain 18 is formed. At this time, the epitaxial layer grown on the element region A2 is covered with a resist mask or the like to prevent n-type impurity implantation. Thereafter, the p-type source / drain 18 is formed in the epitaxial layer grown on the element region A2.

サイドウォール17は、SiO2膜もしくはSiN層、または、これらの積層膜を堆積した後、異方性の高いドライエッチングにより、全面をエッチングすることによって作製される。 The sidewall 17 is produced by depositing a SiO 2 film, a SiN layer, or a laminated film thereof, and then etching the entire surface by dry etching with high anisotropy.

次に、ポリシリコンからなるゲート電極15やソース・ドレイン18の抵抗を下げるため、ゲート電極15の表面およびソース・ドレイン18の表面をシリサイド化し、図6(d)に示すようにシリサイド層19を形成する。シリサイド層19は、好ましくは、Coシリサイド、Tiシリサイド、Niシリサイドなどである。   Next, in order to lower the resistance of the gate electrode 15 and the source / drain 18 made of polysilicon, the surface of the gate electrode 15 and the surface of the source / drain 18 are silicided, and a silicide layer 19 is formed as shown in FIG. Form. The silicide layer 19 is preferably Co silicide, Ti silicide, Ni silicide, or the like.

この後、図6(e)に示すように、CVD法により、層間絶縁膜20を堆積する。層間絶縁膜20の材料にはSiO2を用いることができる。層間絶縁膜20の誘電率を下げるため、SiO2中にフッ素を添加してもよい。この後、ドライエッチングを用いて層間絶縁膜20にコンタクトホールを形成し、形成したコンタクトホールを金属で埋め込みプラグ21を形成する。プラグ21の材料としてW(タングステン)を用いる場合は、CVD法によってコンタクトホール内を埋め込むことが容易である。更に、スパッタ法を用いて厚さ500〜700nm程度のアルミニウム層を層間絶縁膜20上に堆積した後、このアルミニウム層パターニングすることによりアルミニウムからなる配線22を形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 6E, an interlayer insulating film 20 is deposited by a CVD method. SiO 2 can be used as the material of the interlayer insulating film 20. In order to lower the dielectric constant of the interlayer insulating film 20, fluorine may be added to SiO 2 . Thereafter, contact holes are formed in the interlayer insulating film 20 using dry etching, and the formed contact holes are filled with metal to form plugs 21. When W (tungsten) is used as the material of the plug 21, it is easy to fill the contact hole by the CVD method. Further, after depositing an aluminum layer having a thickness of about 500 to 700 nm on the interlayer insulating film 20 by sputtering, the aluminum layer is patterned to form the wiring 22 made of aluminum.

以上の方法により、同一基板上にSi素子とSiGe素子とが混載した半導体装置を作製することができる。特に本実施形態では、SiGe素子として、素子領域A2上のエピタキシャル層にはPチャネル型MOSトランジスタを形成し、素子領域A3上のエピタキシャル層にはNチャネル型MOSトランジスタを形成している。また、図に示している比較的大きな素子領域A1には、Nチャネル型MOSトランジスタを形成している。   By the above method, a semiconductor device in which a Si element and a SiGe element are mixedly mounted on the same substrate can be manufactured. In particular, in this embodiment, as the SiGe element, a P-channel MOS transistor is formed in the epitaxial layer on the element region A2, and an N-channel MOS transistor is formed in the epitaxial layer on the element region A3. Further, an N-channel MOS transistor is formed in the relatively large element region A1 shown in the drawing.

前述したように、本実施形態における素子領域A1のチャネル長方向サイズは、素子領域A2、A3のチャネル長方向サイズよりも大きく、10μm以上である。本実施形態における素子領域A2、A3上に成長したエピタキシャル層のチャネル長方向サイズは、0.5〜2μmの範囲内にある。このように、チャネル長方向サイズが2μm以下の小さな素子領域A3では、Nチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域をSi基板1の表面に形成せず、素子領域A3上のエピタキシャル層に形成している。一方、チャネル長方向サイズが10μm以上の比較的大きな素子領域A1では、Nチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域をSi基板1の表面に形成している。   As described above, the channel length direction size of the element region A1 in this embodiment is larger than the channel length direction sizes of the element regions A2 and A3, and is 10 μm or more. The size in the channel length direction of the epitaxial layer grown on the element regions A2 and A3 in the present embodiment is in the range of 0.5 to 2 μm. Thus, in the small element region A3 having a channel length direction size of 2 μm or less, the channel region of the N-channel MOS transistor is not formed on the surface of the Si substrate 1, but is formed in the epitaxial layer on the element region A3. On the other hand, the channel region of the N-channel MOS transistor is formed on the surface of the Si substrate 1 in the relatively large element region A1 whose channel length direction size is 10 μm or more.

このようにNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域をSi基板1に形成するか、その上に成長させたエピタキシャル層に形成するかは、素子領域の大きさ(チャネル長方向サイズ)に応じて決定される。   Whether the channel region of the N-channel MOS transistor is formed on the Si substrate 1 or the epitaxial layer grown thereon is determined according to the size of the element region (channel length direction size). The

Nチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域がSTIで囲まれた素子領域に形成されている場合、その素子領域のチャネル長方向サイズが10μm以下になると、そのサイズの縮小に従ってNチャネル型MOSトランジスタの特性が劣化し始め、2μm以下になると急激に劣化する。一方、小さな素子領域上に成長させたエピタキシャル層にチャネル領域を形成する場合は、そのエピタキシャル層のチャネル長方向サイズか2μm以下であっても、Nチャネル型MOSトランジスタの特性劣化はほとんど生じない。   When the channel region of the N-channel MOS transistor is formed in an element region surrounded by STI, when the size of the element region in the channel length direction becomes 10 μm or less, the characteristics of the N-channel MOS transistor are reduced as the size is reduced. It starts to deteriorate and deteriorates rapidly when it becomes 2 μm or less. On the other hand, when a channel region is formed in an epitaxial layer grown on a small element region, even if the size of the epitaxial layer in the channel length direction is 2 μm or less, the characteristics of the N-channel MOS transistor hardly deteriorate.

一方、Pチャネル型MOSトランジスタがSTIで囲まれた素子領域に形成されている場合は、その素子領域のチャネル長方向サイズが10μm以下になっても、Pチャネル型MOSトランジスタの特性は劣化することなく、むしろ良くなる。このため、Pチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域は、素子領域の大小にかかわらず、Si基板1に形成しても良いし、その上に成長させたエピタキシャル層に形成してもよい。また、サイズの小さなPチャネル型MOSトランジスタの場合は、チャネル長方向サイズの小さなエピタキシャル層にチャネル領域を形成するよりも、直接、Si基板1の素子領域にチャネル領域を形成することが好ましい。   On the other hand, when a P-channel MOS transistor is formed in an element region surrounded by STI, the characteristics of the P-channel MOS transistor deteriorate even when the size of the element region in the channel length direction is 10 μm or less. Rather, it gets better. For this reason, the channel region of the P-channel MOS transistor may be formed in the Si substrate 1 regardless of the size of the element region, or may be formed in an epitaxial layer grown thereon. In the case of a small-sized P-channel MOS transistor, it is preferable to form the channel region directly in the element region of the Si substrate 1 rather than forming the channel region in the epitaxial layer having a small size in the channel length direction.

[他の実施形態]
次に、図7(a)および(b)を参照しながら、本発明による半導体装置の他の実施形態を説明する。図7(a)および(b)は、それぞれ、エピタキシャル層の構成が異なる点を除けば、実施形態1における半導体装置の構成と同一の構成を有している。
[Other Embodiments]
Next, another embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 7 (a) and 7 (b). FIGS. 7A and 7B have the same configuration as that of the semiconductor device in the first embodiment, except that the configuration of the epitaxial layer is different.

まず、図7(a)を参照する。この図に示されている例では、Nチャネル型MOSトランジスタ708が形成されるエピタキシャル層703はSiの単層構造を有しているが、Pチャネル型MOSトランジスタ711が形成されるエピタキシャル層705は、Si層、SiGe層、およびSi層から構成される3層構造を有している。なお、Nチャネル型MOSトランジスタ700がSi基板1の素子領域上に形成されている。一方、図7(b)に示されている半導体装置では、いずれのエピタキシャル層703、705もSi層からなる単層構造を有している。なお、図7(b)に示すようなSiのエピタキシャル層703、705を形成する代わりに、キャリア移動度が高いSiGeの単層エピタキシャル層を形成してもよい。キャリア移動度の高いSiGe層にチャネル領域を形成することにより、Si層やSi基板にチャネル領域を形成する場合よりも、トランジスタ性能を向上させることができる。   First, refer to FIG. In the example shown in this figure, the epitaxial layer 703 in which the N-channel MOS transistor 708 is formed has a single-layer structure of Si, but the epitaxial layer 705 in which the P-channel MOS transistor 711 is formed is , Si layer, SiGe layer, and Si layer. An N-channel MOS transistor 700 is formed on the element region of the Si substrate 1. On the other hand, in the semiconductor device shown in FIG. 7B, each of the epitaxial layers 703 and 705 has a single layer structure made of a Si layer. Instead of forming the Si epitaxial layers 703 and 705 as shown in FIG. 7B, a SiGe single layer epitaxial layer having a high carrier mobility may be formed. By forming the channel region in the SiGe layer having high carrier mobility, the transistor performance can be improved as compared with the case where the channel region is formed in the Si layer or the Si substrate.

このように、本発明による半導体装置では、選択成長によって形成するエピタキシャル層の構成は任意である。   Thus, in the semiconductor device according to the present invention, the configuration of the epitaxial layer formed by selective growth is arbitrary.

本発明によれば、STIを有する半導体装置で問題となるストレスに起因する特性劣化が抑制された半導体装置が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device by which the characteristic degradation resulting from the stress which becomes a problem with the semiconductor device which has STI was suppressed is provided.

本発明の半導体装置におけるストレス開放を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the stress relief | release in the semiconductor device of this invention. (a)は、本発明の第1の実施形態における半導体装置の一部断面図であり、(b)は、その上面を示す図である。(A) is a partial cross section figure of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention, (b) is a figure which shows the upper surface. (a)から(f)は、本発明による半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。(A) to (f) are process cross-sectional views illustrating an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention. (a)は、素子領域A1、A2、A3の配置例を示す平面図であり、(b)は、そのB−B’線断面図である。(A) is a top view which shows the example of arrangement | positioning of element area | region A1, A2, A3, (b) is the B-B 'sectional view taken on the line. (a)から(e)は、本発明による半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。(A) to (e) are process cross-sectional views illustrating an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention. (a)から(e)は、本発明による半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。(A) to (e) are process cross-sectional views illustrating an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention. (a)は、本発明による半導体装置の他の実施形態を示す断面図であり、(b)は、更に他の実施形態を示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows other embodiment of the semiconductor device by this invention, (b) is sectional drawing which shows other embodiment. 従来の半導体装置におけるストレスを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the stress in the conventional semiconductor device. STIで囲まれた素子領域のチャネル長方向サイズを規定するパラメータaとドレイン電流との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the parameter a which prescribes | regulates the channel length direction size of the element area | region enclosed by STI, and drain current. 素子領域のチャネル長方向サイズを規定するパラメータaが示されているMOSトランジスタの平面レイアウト図である。FIG. 5 is a plan layout diagram of a MOS transistor in which a parameter a that defines the channel length direction size of an element region is shown.

符号の説明Explanation of symbols

A1 素子領域
A2 素子領域
A3 素子領域
1 Si基板
2 保護酸化層(SiO2層)
3 ポリシリコン層3
4 SiN層
5 素子分離溝(トレンチ)
6 保護酸化層
7 Si酸化膜
9 選択成長用マスク材料層
10 選択成長用マスク
11 Siバッファ層
12 SiGeチャネル層
13 Siキャップ層
14 ゲート絶縁膜
15 ゲート電極
16 LDD
17 サイドウォール
18 ソース・ドレイン
19 シリサイド層
20 層間絶縁膜
21 プラグ
22 配線

A1 Element region A2 Element region A3 Element region 1 Si substrate 2 Protective oxide layer (SiO 2 layer)
3 Polysilicon layer 3
4 SiN layer 5 Element isolation trench (trench)
6 Protective oxide layer 7 Si oxide film 9 Mask material layer for selective growth 10 Mask for selective growth 11 Si buffer layer 12 SiGe channel layer 13 Si cap layer 14 Gate insulating film 15 Gate electrode 16 LDD
17 Side wall 18 Source / drain 19 Silicide layer 20 Interlayer insulating film 21 Plug 22 Wiring

Claims (9)

主面を有する半導体層を備え、前記主面を複数の素子領域に区分する分離領域に形成されたトレンチ分離構造を有する基板と、
前記半導体層の主面における前記複数の素子領域の少なくとも1つの素子領域上に選択的に成長したエピタキシャル層と、
を備えた半導体装置であって、
前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のいずれかに形成されたチャネル領域を有する第1のNチャネル型MOSトランジスタと、
前記エピタキシャル層に形成されたチャネル領域を有する第2のNチャネル型MOSトランジスタと、
前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のいずれか、または前記エピタキシャル層に形成されたチャネル領域を有するPチャネル型MOSトランジスタと、
を備え、
前記第2のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されているエピタキシャル層のチャネル長方向サイズは、前記第1のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されている素子領域のチャネル長方向サイズよりも小さい、半導体装置。
A substrate having a semiconductor layer having a main surface, and having a trench isolation structure formed in an isolation region that divides the main surface into a plurality of element regions;
An epitaxial layer selectively grown on at least one element region of the plurality of element regions in the main surface of the semiconductor layer;
A semiconductor device comprising:
A first N-channel MOS transistor having a channel region formed in any of the plurality of element regions in the main surface of the semiconductor layer;
A second N-channel MOS transistor having a channel region formed in the epitaxial layer;
A P-channel MOS transistor having a channel region formed in any one of the plurality of element regions in the main surface of the semiconductor layer or in the epitaxial layer;
With
The channel length direction size of the epitaxial layer in which the channel region of the second N-channel MOS transistor is formed is the channel length direction size of the element region in which the channel region of the first N-channel MOS transistor is formed. Smaller than a semiconductor device.
前記第2のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されているエピタキシャル層のチャネル長方向サイズは、10μm以下である請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a channel length direction size of an epitaxial layer in which a channel region of the second N-channel MOS transistor is formed is 10 μm or less. 前記第1のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されている素子領域のチャネル長方向サイズは、10μmを超えている請求項1または2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a size in a channel length direction of an element region in which a channel region of the first N-channel MOS transistor is formed exceeds 10 μm. 前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のうち、チャネル長方向サイズは、10μm以下の素子領域にチャネル領域を有するPチャネル型MOSトランジスタを備えている、請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。   4. The device according to claim 1, comprising a P-channel MOS transistor having a channel region in an element region having a channel length direction size of 10 μm or less among the plurality of element regions in the main surface of the semiconductor layer. The semiconductor device described. 前記トレンチ分離構造は、前記半導体層における前記素子領域に対して横方向に圧縮応力を印加している請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the trench isolation structure applies a compressive stress in a lateral direction to the element region in the semiconductor layer. 前記半導体層は単結晶シリコンから形成されている請求項1から5のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is made of single crystal silicon. 前記エピタキシャル層は、シリコンおよびゲルマニウムを含有している層を含んでいる請求項1から6のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the epitaxial layer includes a layer containing silicon and germanium. 前記エピタキシャル層の厚さは、1nm以上100nm以下である請求項1から7のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the epitaxial layer is not less than 1 nm and not more than 100 nm. 主面を有する半導体層を備えた基板を用意する工程(A)と、
前記半導体層の主面を複数の素子領域に区分する分離溝を前記半導体層の主面に形成する工程(B)と、
前記半導体層の分離溝を絶縁物で埋めることにより、STIを形成する工程(C)と、
前記半導体層の複数の素子領域に含まれる一部の素子領域上にエピタキシャル層を成長させる工程(D)と、
前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のいずれか、または前記エピタキシャル層にチャネル領域を有するMOSトランジスタを形成する工程(E)と
を含み、
前記工程(E)は、
前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のいずれかにチャネル領域を有する第1のNチャネル型MOSトランジスタを形成する工程(e1)と、
前記エピタキシャル層にチャネル領域を有する第2のNチャネル型MOSトランジスタを形成する工程(e2)と、
前記半導体層の主面における前記複数の素子領域のいずれか、または前記エピタキシャル層にチャネル領域を有するPチャネル型MOSトランジスタを形成する工程(e3)と
を含み、
前記第2のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されているエピタキシャル層のチャネル長方向サイズは、前記第1のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル領域が形成されている素子領域のチャネル長方向サイズよりも小さい、半導体装置の製造方法。
Preparing a substrate including a semiconductor layer having a main surface (A);
Forming a separation groove in the main surface of the semiconductor layer for dividing the main surface of the semiconductor layer into a plurality of element regions;
A step (C) of forming an STI by filling the isolation groove of the semiconductor layer with an insulator;
A step (D) of growing an epitaxial layer on a part of element regions included in a plurality of element regions of the semiconductor layer;
Forming a MOS transistor having a channel region in any one of the plurality of element regions on the main surface of the semiconductor layer or in the epitaxial layer, and (E),
The step (E)
Forming a first N-channel MOS transistor having a channel region in any of the plurality of element regions in the main surface of the semiconductor layer;
Forming a second N-channel MOS transistor having a channel region in the epitaxial layer (e2);
Forming a P-channel MOS transistor having a channel region in any one of the plurality of element regions on the main surface of the semiconductor layer or in the epitaxial layer (e3),
The channel length direction size of the epitaxial layer in which the channel region of the second N-channel MOS transistor is formed is the channel length direction size of the element region in which the channel region of the first N-channel MOS transistor is formed. A manufacturing method of a semiconductor device smaller than the above.
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