JP2006060039A - 電界効果型トランジスタ、相補型電界効果型トランジスタ、および電界効果型トランジスタの製造方法 - Google Patents

電界効果型トランジスタ、相補型電界効果型トランジスタ、および電界効果型トランジスタの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 電界効果型トランジスタのオン電流を向上させる。
【解決手段】 {100}面を主面とする単結晶シリコン基板101上に、単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または<010>結晶軸方向と等価な軸方向に実質的に延在するゲート電極107と、ゲート電極107の両脇において単結晶シリコン基板101の表面に設けられたソース・ドレイン領域129とを設ける。ゲート電極107の直下の領域におけ単結晶シリコン基板101の表面に、主面と、ゲート電極107の延在方向に沿って主面に対して傾斜した傾斜面133と、を設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電界効果型トランジスタ、相補型電界効果型トランジスタ、および電界効果型トランジスタの製造方法に関する。
(100)結晶面を主面とする単結晶シリコン基板上に形成されるトランジスタの動作速度を向上させる従来の技術として、特許文献1に記載のものがある。特許文献1によれば、電界効果型トランジスタのチャネル方向をシリコンの<100>軸方向に設定することにより、従来の<110>軸方向の場合に比べて高速での動作が可能とされている。また、電界効果型トランジスタ上に応力制御膜を形成することによりドレイン電流特性が向上するとされている。
ところで、電界効果型トランジスタにおいて、素子の微細化の要求に伴い、ゲートに要求される最小加工寸法にも微細化が求められている。また、そうした中で、トランジスタのオン電流の向上が求められている。ここで、特許文献1に記載の構成の半導体装置は、オン電流の向上の点で、依然改善の余地があった。
特開2004−87640号公報
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電界効果型トランジスタのオン電流を向上させる技術を提供する。
本発明者は、上記特許文献1に記載の構成について検討を行った。そして、特許文献1に記載の構成の場合、チャネル領域の上面がシリコン基板の主面に平行な面となっていることに着目した。この構成では、単位チャネル幅あたりのオン電流は一定で変化しないため、チャネル幅の微細化に伴いオン電流の向上が困難であると考えた。本発明者は、さらに、電界効果型トランジスタのオン電流を変化させる要因として、新たに、チャネル幅の長さと、チャネル幅の単位長さあたりのチャネルの移動度と、に着目して鋭意検討を行い、本発明に至った。
なお、本明細書において、ソース・ドレイン領域を結ぶ方向におけるチャネル領域の長さをチャネル長と呼ぶ。また、ソース・ドレイン領域を結ぶ方向に垂直方向すなわちゲート電極の延在方向におけるチャネル領域の長さをチャネル幅と呼ぶ。また、チャネル領域は、基板上に設けられたソース・ドレイン領域を離隔するゲート電極の直下の領域である。
本発明によれば、{100}面を主面とする単結晶シリコンからなる基板と、前記基板上に設けられ、前記単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に実質的に延在するゲート電極と、前記ゲート電極の両脇において、前記基板の表面に設けられたソース・ドレイン領域と、を含み、前記ゲート電極の直下の領域における前記基板の表面は、前記主面と、前記ゲート電極の延在方向に沿って前記主面に対して傾斜した傾斜面と、を有することを特徴とする電界効果型トランジスタが提供される。
また、本発明によれば、{100}面を主面とする単結晶シリコンからなる基板と、前記基板上に設けられた素子分離領域と、前記基板上に設けられ、周囲を前記素子分離領域によって画定された素子領域と、前記基板上に、前記素子領域を分断するように前記素子領域から前記素子分離領域にわたって設けられ、前記単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に実質的に延在するゲート電極と、前記ゲート電極によって分断された両脇において、前記基板の表面に設けられたソース・ドレイン領域と、を含み、前記ゲート電極の直下の領域における前記基板の表面は、前記主面と、前記ゲート電極の延在方向に沿って前記主面に対して傾斜した傾斜面と、を有することを特徴とする電界効果型トランジスタが提供される。
本発明においては、{100}面を主面とする単結晶シリコンからなる基板のゲート電極が<010>結晶軸方向または前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に実質的に延在する構成となっているともに、基板のゲート電極の直下の領域に、ゲート電極の延在方向に沿って主面に対して傾斜した傾斜面が設けられた構成となっている。こうすることにより、チャネル移動度の高い単結晶シリコンの結晶面にチャネル領域を設けることができる。また、傾斜面を形成することにより、ゲート電極の直下の領域における基板の表面が実質的に主面からなる場合に比べてチャネル幅を増加させることができる。このため、本発明によれば、電界効果型トランジスタのオン電流を増加させることができる。
なお、本明細書において、{100}面を主面とする単結晶シリコンには、{100}面から所定のオフセット角を有する場合も含む。また、本明細書において、所定の結晶軸方向に実質的に延在するとは、当該結晶軸方向に対して±5度の程度のずれは許容されることを指す。また、本明細書において、実質的に所定の面方位を有するとは、当該面方位に対して±5度の程度のずれは許容されることを指す。
本発明の電界効果型トランジスタにおいて、前記傾斜面が前記素子分離領域の近傍に設けられていてもよい。こうすることにより、電界効果型トランジスタのオン電流を確実に増加させることができる。
本発明の電界効果型トランジスタにおいて、前記傾斜面が単一の前記単結晶シリコンの結晶面により構成されてもよい。こうすることにより、チャネル移動度の高い結晶面を選択的に傾斜面とすることができる。このため、あらかじめ設計されたオン電流を有する構成を再現性よく得ることが可能な構成とすることができる。
本発明の電界効果型トランジスタにおいて、前記傾斜面が複数の前記単結晶シリコンの結晶面により構成されていてもよい。こうすることにより、基板表面の所定の領域への電界集中を抑制することができるとともに、チャネル移動度の高い面を傾斜面とすることができる。
本発明の電界効果型トランジスタにおいて、前記傾斜面が前記単結晶シリコンの(301)面、前記(301)面に等価な面、または前記(301)面もしくは(301)面に等価な前記面に対して5度以内の角度の差を有する面を含んでもよい。こうすることにより、チャネル移動度を確実に増加させることができる。また、チャネル幅を充分に大きくすることができる。よって、オン電流をさらに確実に増加させることができる。
本発明の電界効果型トランジスタにおいて、前記傾斜面が曲面であり、前記単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に沿って、前記傾斜面の面方位が、前記単結晶シリコンの<100>結晶軸方向から<ab0>結晶軸方向(aおよびbは互いに独立の整数)または前記<ab0>結晶軸方向と等価な方向に向かって連続的に変化する構成とすることができる。こうすることにより、基板表面への電界集中をさらに抑制することができる。
本発明の電界効果型トランジスタにおいて、前記傾斜面の面積は、前記主面の法線方向から見た前記基板の前記ソース・ドレイン領域を離隔する領域の面積の10%以上である構成とすることができる。こうすることにより、主面に対してチャネル移動度の高い傾斜面を充分に確保することができる。このため、オン電流をさらに増加させることができる。
本発明によれば、Nチャネル電界効果型トランジスタと、Pチャネル電界効果型トランジスタと、を含む相補型電界効果型トランジスタであって、前記Nチャネル電界効果型トランジスタおよび前記Pチャネル電界効果型トランジスタが前記いずれかに記載の電界効果型トランジスタであることを特徴とする相補型電界効果型トランジスタが提供される。
本発明においては、Pチャネル型電界効果型トランジスタが傾斜面を有する構成であるため、Pチャネル型電界効果型トランジスタチャネル移動度を充分に増加させることができる。また、Nチャネル電界効果型トランジスタとPチャネル電界効果型トランジスタとがともに傾斜面を有するため、製造プロセスを簡素化しつつ、オン電流特性を向上可能な構成となっている。
本発明の相補型電界効果型トランジスタにおいて、前記Pチャネル電界効果型トランジスタにおいては、前記傾斜面の面積は、前記主面の法線方向から見た前記基板の前記ソース・ドレイン領域を離隔する領域の面積の10%以上であるとともに、前記Nチャネル電界効果型トランジスタにおいては、前記傾斜面の面積は、前記主面の法線方向から見た前記基板の前記ソース・ドレイン領域を離隔する領域の面積の10%未満である構成とすることができる。こうすることにより、Pチャネル型電界効果型トランジスタのオン電流増加させつつ、Nチャネル型電界効果型トランジスタのオン電流の低下を抑制することが可能な構成とすることができる。
本発明の相補型電界効果型トランジスタにおいて、素子分離領域により分割された複数の前記Pチャネル電界効果型トランジスタと、一つの前記Nチャネル電界効果型トランジスタと、を有する構成とすることができる。こうすることにより、Pチャネル型電界効果型トランジスタのオン電流増加させつつ、Nチャネル型電界効果型トランジスタのオン電流の低下を抑制することができる。
本発明によれば、{100}面を主面とする単結晶シリコンからなる基板の前記主面の上部にマスクを成膜する工程と、前記マスクおよび前記基板をこの順に選択的に除去して凹部を設けるとともに、前記凹部の脇に素子形成領域を設ける工程と、マスクを成膜する前記工程で成膜されたマスクの側壁を、前記凹部から前記素子形成領域に向かって後退させて、前記主面の一部を前記マスクから露出させる工程と、主面の一部をマスクから露出させる前記工程の後、前記基板の表面全面を酸化し、前記マスクから露出した前記基板に、前記主面に対し<010>結晶軸方向または実質的に前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に沿って傾斜する傾斜面を設ける工程と、前記凹部に絶縁膜を埋設し、素子分離領域を形成する工程と、前記マスクを除去し、前記傾斜面を含む前記素子形成領域における前記基板の上部に、実質的に前記単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または実質的に前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に延在するゲート電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法が提供される。
本発明の製造方法においては、マスクを凹部から素子形成領域に向かって後退させて主面の一部をマスクから露出させた後、露出した主面を酸化して基板に<010>結晶軸方向または実質的に<010>結晶軸方向と等価な軸方向に沿って傾斜する傾斜面を設けることができる。このため、チャネル移動度が高く、チャネル幅の長いトランジスタを安定的に製造することができる。
なお、これらの各構成の任意の組み合わせや、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた本発明の態様として有効である。
たとえば、本発明において、当該電界効果型トランジスタをPチャネル型電界効果型トランジスタとすることができる。こうすることにより、オン電流をより一層確実に増加させることができる。
また、本発明において、前記傾斜面の法線は、前記単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に実質的に垂直である構成とすることができる。こうすれば、チャネル幅を増加させるとともに、チャネルの移動度を確実に増加させることができる。
また、本発明において、前記傾斜面の法線の方向が前記単結晶シリコンの<ab0>軸方向または前記<ab0>結晶軸方向と等価な軸方向であってもよい。ここで、aおよびbは整数である。aとbとが等しくても異なっていてもよい。こうすれば、チャネルの移動度をさらに確実に増加させることができる。たとえば、基板の主面が単結晶シリコンの(100)面である場合、傾斜面の法線の方向が単結晶シリコンの<ab0>結晶軸方向である構成とすることができる。
また、本発明において、前記ゲート電極は、前記主面の方向に突出した形状とすることができる。こうすれば、ゲート電極の延在方向における両端部近傍の直下の領域にそれぞれ傾斜面を設けることができる。このため、チャネル移動度を確実に増加させることができる。
また、たとえば、本発明の半導体装置の製造方法において、前記マスクがSiN膜であってもよい。こうすれば、素子形成領域に傾斜面を確実に設けることができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法において、素子形成領域の平面視における形状が、実質的にシリコンの<010>結晶軸方向に延在する辺を有する矩形であってもよい。
また、本発明の半導体装置の製造方法において、前記マスクの前記側壁を、前記単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に沿って後退させる構成とすることができる。こうすることにより、チャネル移動度の高い傾斜面を確実に形成することができる。
本発明によれば、単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または<010>結晶軸方向と等価な軸方向に実質的に延在するゲート電極のゲート電極の直下の領域における基板の表面が、主面と、ゲート電極の延在方向に沿って主面に対して傾斜した傾斜面と、を有する構成とすることにより、電界効果型トランジスタのオン電流を向上させる技術が実現される。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。
(第一の実施形態)
本実施形態は、Pチャネル型MOSFETに関する。図1は、本実施形態に係るMOS型トランジスタ(Pチャネル型MOSFET)の構成を示す平面図である。また、図2は、図1のA−A’断面図である。また、図3は、MOS型トランジスタ100のゲート電極107の近傍の構成を模式的に示す斜視図である。
図1および図2に示したMOS型トランジスタ100は、{100}面を主面とする単結晶シリコン基板101上に設けられている。以下、単結晶シリコン基板101の主面が(100)面である場合を例に説明する。
MOS型トランジスタ100の側面外周に素子分離領域103が設けられている。素子分離領域103は、単結晶シリコン基板101中に埋設されている。素子分離領域103に囲まれた素子形成領域は、平面視において矩形である。矩形の隣接する二辺の延在方向は、それぞれ<010>軸方向および<001>軸方向である。
また、MOS型トランジスタ100は、単結晶シリコン基板101と、単結晶シリコン基板101上に設けられ、単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または<010>結晶軸方向と等価な軸方向に実質的に延在するゲート電極107、およびゲート電極107の両脇において単結晶シリコン基板101の表面に設けられたソース・ドレイン領域129を備える。
また、MOS型トランジスタ100は、ゲート電極107と単結晶シリコン基板101との間に設けられたゲート絶縁膜105を備える。ゲート絶縁膜105の膜厚は略一定であり、意図的に膜厚を異ならせた領域を有しない。なお、図1および図3においては、単結晶シリコン基板101とゲート電極107との間に設けられているゲート絶縁膜105を省略している。
ゲート電極107は、シリコンの<010>軸方向に延在している。ゲート電極107の形状は、平面視において矩形であり、その長辺が<010>軸方向に延在している。そして、ゲート電極107直下の単結晶シリコン基板101中に、チャネル領域108が形成されている。本実施形態では、チャネル領域108の導電型がN型である。また、ゲート電極107の両脇において、単結晶シリコン基板101の表面近傍に、導電型がP型のソース・ドレイン領域129が設けられている。
なお、図1において、チャネル領域幅は、チャネル領域108のA−A’方向の長さである。また、チャネル長は、チャネル領域108のA−A’に垂直な方向の長さである。
図1〜図3に示したように、チャネル領域108の形状は平面視において矩形であり、矩形において隣接する二辺の延在方向はそれぞれシリコンの<010>軸方向および<001>軸方向である。また、図2に示したように、チャネル領域108において、単結晶シリコン基板101の中央が素子分離領域103の端部から単結晶シリコン基板101の主面に垂直な方向に単結晶シリコン基板101の外側(図2における上側)に張り出した構成を有する。そして、チャネル領域108は、上面131および傾斜面133を有する。傾斜面133は、ゲート電極107の両端部の近傍に設けられている。
上面131は平面視においてチャネル領域108の中央領域に位置し、単結晶シリコン基板101の主面に平行であり、面指数が実質的に(100)となっている。なお、本実施形態および他の実施形態において、面指数が実質的に(100)であるとは、単結晶シリコンの(100)面からオフセット角を有する面も含むことを指す。
また、傾斜面133は、素子分離領域103の端部から単結晶シリコン基板101の外周縁に形成されている。傾斜面133は、チャネル幅方向に沿って上面131を介して対向している傾斜面133aおよび傾斜面133cを有する。なお、単結晶シリコン基板101は、ソース・ドレイン領域129に、チャネル長方向に沿って上面131を介して対向している傾斜面133bおよび傾斜面133dを有する。傾斜面133a〜傾斜面133dは、それぞれ単一の平面からなり、いずれも(100)面に対して等しい傾斜角θを有する。
ここで、単結晶シリコン基板101の主面に対する傾斜角θはたとえば10度以上とする。また、図4は、傾斜角θと傾斜面133の典型的な面指数との関係を示す図である。図4においては、上面131を介して対向する傾斜面133aおよび傾斜面133cの面指数が例示されている。単結晶シリコン基板101の主面に対する傾斜角θは、好ましくは20度以上とする。こうすることにより、チャネル領域108中の傾斜面133の面積を、主面の法線方向から見た単結晶シリコン基板101のソース・ドレイン領域129を離隔する領域の面積に対して充分に増加させるとともに、傾斜面133をシリコン単結晶の結晶面のうちチャネル移動度の高い面とすることができる。
図3においては、傾斜面133の面指数がいずれも{301}面であり、単結晶シリコンの(301)面または(301)面に等価な面となっている。このとき、傾斜面133a〜傾斜面133dと単結晶シリコン基板101の主面および上面131とのなす角はいずれも等しく20度程度、さらに具体的には18.4度となっている。これにより、単結晶シリコンの(301)面または(301)面に等価な面とすることにより、チャネル移動度を確実に増加させるとともに、製造安定性を向上させることができる。
具体的には、傾斜面133aは、シリコンの<010>軸方向に沿って、(100)面から(10−1)面に向かって傾斜した平面であり、ここでは(30−1)面である。傾斜面133bは、シリコンの<010>軸方向に沿って、(100)面から(110)面に向かって傾斜した面であり、ここでは(310)面である。傾斜面133cは、シリコンの<010>軸方向に沿って、(100)面から(101)面に向かってに傾斜した面であり、ここでは(301)面である。また、傾斜面133dは、シリコンの<010>軸方向に沿って、(100)面から(1−10)面に向かって傾斜した面であり、ここでは(3−10)面である。
また、MOS型トランジスタ100において、傾斜面133の面積は、主面の法線方向から見た単結晶シリコン基板101のソース・ドレイン領域129を離隔するチャネル領域108の面積を10%以上、好ましくは20%以上とすることができる。こうすることにより、チャネル領域108の形成領域の幅に対するチャネル領域108の長さを確実に増加させることができる。このため、素子が小型化した際にもチャネル幅を充分に確保するとともに、チャネル移動度を向上させることができる。
次に、図1〜図3に示したMOS型トランジスタ100の製造方法を説明する。図5(a)〜図5(d)および図6(a)〜図6(c)は、図1〜図3に示したMOS型トランジスタ100の製造工程を模式的に示す断面図である。
まず、単結晶シリコン基板101の主面である(100)面にSiO2膜109およびSiN膜111をこの順に積層する。SiO2膜109の膜厚は、たとえば10nm程度とし、SiN膜111の膜厚はたとえば100nm程度とする。SiN膜111は、チャネル領域108形成の際に上面131となる領域を確保しつつ、傾斜面133を形成するマスクである。つづいて、SiN膜111およびトレンチ113をこの順にエッチング除去して溝状の凹部としてトレンチ113を設けるとともに、凹部の脇に素子形成領域を設ける(図5(a))。
次に、トレンチ113の形成された単結晶シリコン基板101の表面全面を酸化し、トレンチ113の内面を含む単結晶シリコン基板101の表面にSiO2膜115をたとえば2nm成膜する(図5(b))。
そして、ウエットエッチングによりSiN膜111をたとえば85nm程度に薄化するとともに、SiN膜111の側壁をトレンチ113から素子形成領域に向かって後退させて、主面の一部をSiN膜111から露出させる(図5(c))。このとき、SiN膜111の側壁を、単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に実質的に沿って後退させる。SiN膜111の側壁がエッチングされるため、SiN膜111の端部がSiO2膜109の端部よりも単結晶シリコン基板101側に後退し、後退部117が形成される。なお、SiN膜111の薄化後の膜厚は、図6(a)を参照して後述するCMPの工程において保護膜となる程度の大きさとする。
次いで、後退部117が形成され、単結晶シリコン基板101をSiN膜111から露出させた単結晶シリコン基板101の表面全面を酸化し、単結晶シリコン基板101の表面にたとえば20nmのSiO2膜119を形成する(図6(d))。このとき、SiO2膜109およびSiO2膜115は、SiO2膜119と一体の膜となる。また、後退部117の形成によりSiO2膜109が露出していた領域に斜面121が形成される。この工程で、単結晶シリコン基板101に、主面に対し<010>結晶軸方向または実質的に<010>結晶軸方向と等価な軸方向に沿って傾斜する傾斜面133を設けることができる。
ここで、図5(d)に示した工程における酸化において、通常の条件では、所定の面方位を有する結晶面を選択的に生じさせることが困難である。そこで、シリコンの所定の面方位を有する結晶面を選択的に生じさせる酸化条件が選択される。具体的には、結晶面依存性の選択制の高い酸化方法として、O2の他にH2またはH2Oの存在下で酸化を行う。さらに具体的には、ISSG(in situ steam generation)等のスチーム酸化が用いられ、その条件をたとえば1100℃とする。これにより、所定の面方位を有する傾斜面133が単結晶シリコン基板101表面に意図的に設けられたMOS型トランジスタ100の製造がはじめて可能となる。
そして、単結晶シリコン基板101の表面全面に、高密度プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により素子分離領域103となるSiO2膜123を成膜し、トレンチ113にSiO2膜123で埋設する。その後、SiO2膜123を安定な膜質とするために、800℃程度の熱処理を行うと、SiO2膜123は、SiO2膜109、SiO2膜115およびSiO2膜119と一体となる。そして、CMP法によりSiN膜111の上部に形成されたSiO2膜123を研磨除去する(図6(a))。
つづいて、SiO2膜123の一部、SiN膜111、およびSiO2膜109の露出部を順次ウエットエッチングにより除去する(図6(b))。これにより、単結晶シリコン基板101中に素子分離領域103が形成される。また、上面131と傾斜面133とを有するチャネル領域108が形成される。
なお、図6(b)では、素子分離領域103の端部を傾斜させている。図2および後述する図7、図8においても、素子分離領域103の断面形状を図6(b)に示した構成とすることができる。これにより、急峻な段差が形成されないため、ゲート電極107をエッチングする際のオーバーエッチング量を低減することができる。
そして、単結晶シリコン基板101の上面全面を酸化し、ゲート絶縁膜105をたとえば1.5nm成膜する。そして、チャネル領域108の上部を横切るゲート電極107として、ポリシリコンゲート電極膜を120nm成膜する。そして、ポリシリコンゲート電極膜をゲート電極107の形状に加工する。ゲート電極107は、傾斜面133を含む素子形成領域における単結晶シリコン基板101の上部にもうけられ、実質的に単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または実質的に<010>結晶軸方向と等価な軸方向に延在する(図6(c))。以上の工程により、図1〜図3に示したMOS型トランジスタ100が得られる。
次に、図1〜図3に示したMOS型トランジスタ100の効果を説明する。
図1〜図3に示したMOS型トランジスタ100は、単結晶シリコン基板101の主面において、素子分離領域103の矩形形成パターンすなわちチャネル領域108の隣接する二辺が<010>軸方向および<001>軸方向に延在している。そして、ゲート電極107の延在方向が<010>軸方向となっている。このため、ソース・ドレイン領域129を結ぶチャネル長方向が<001>軸方向となっている。そして、チャネル領域108は上面131および傾斜面133を有する構成となっている。
このような構成であるため、MOS型トランジスタ100は、MOS型トランジスタ100の傾斜面133の面方位を、単結晶シリコンの<ab0>軸方向または<ab0>結晶軸方向と等価な軸方向とすることができる。なお、aおよびbは互いに独立の整数である。aとbとが等しくても異なっていてもよい。また、傾斜面133は、{100}面から{101}面に向かって傾斜する面とすることができる。このため、チャネル移動度の高い面を選択的に傾斜面133に設けることができる。よって、ゲート電極直下の単結晶シリコン基板の上面が実質的に当該基板の主面に平行な面からなる従来の構成に比べてチャネル移動度を増加させることができる。特に、本実施形態においては、MOS型トランジスタ100がPチャネル型であるため、Nチャネル型である場合に比べてオン電流特性を顕著に向上させることができる。
なお、ゲート電極の延在方向が<011>軸方向である従来の半導体装置のチャネル領域に本実施形態のように側面を設けた場合、側面が{100}面から{111}面に向かって傾斜する面となる。この傾斜方向では、チャネル移動度の増加が{100}面から{101}面に向かって傾斜する場合のように顕著ではないため、チャネル幅が小さいトランジスタにおいてチャネル移動度の増加によるオン電流の増加の効果を発揮させることは困難である。
また、図1〜図3に記載のMOS型トランジスタ100においては、チャネル領域108の素子分離領域103端部の側に傾斜面133が設けられている。このため、傾斜面133を有しない構成に比べて、チャネル幅を1/cosθ倍に大きくすることができる。この効果は、傾斜面133の面積が主面の法線方向から見た単結晶シリコン基板101のソース・ドレイン領域129を離隔する領域の面積の10%以上である場合に顕著に発揮される。
ここで、電界効果型トランジスタのオン電流は、前述したように、チャネル領域108の幅および移動度に依存する。本実施形態においては、チャネル領域108領域の長さを増加させるとともに、チャネル領域108が所定の傾斜角θを有する傾斜面133を有する構成とすることにより、チャネルの移動度を従来の構成に対して顕著に増加させることができる。このため、MOS型トランジスタ100のオン電流を確実に向上させることができる。また、Pチャネル型のMOS型トランジスタ100においては、チャネル領域108の形成領域の幅が小さくなるにつれて、単位チャネル幅あたりのオン電流が増加する。このため、ゲート加工寸法の微細化の要請に対応しつつ、MOS型トランジスタ100のオン電流を向上させることができる。
また、MOS型トランジスタ100においては、傾斜面133a〜傾斜面133dがいずれも単一の平面により構成されている。このため、MOS型トランジスタ100の設計に応じて移動度の高い特定の面を確実に形成することができる。このため、MOS型トランジスタ100は所望のオン電流を有する設計通りの構成が得られやすい構成となっている。また、逆に、MOS型トランジスタ100においては、傾斜面133の面指数の設計に応じて、オン電流を確実に予測することができる。よって、所定の設計のMOS型トランジスタ100を高い再現性で安定的に製造することができる。なお、この効果は、傾斜面133が、単結晶シリコンの(301)面、(301)面に等価な面、または(301)面もしくは(301)面に等価な面に対して5度以内の角度の差を有する面を含むときに顕著に発揮される。
なお、図1〜図3に示したMOS型トランジスタ100においては、ゲート電極107が<010>方向に延在する構成を例示したが、ゲート電極107の延在方向は、実質的に<010>軸方向に等価な軸方向であればよい。実質的に<010>軸方向に等価な軸として、たとえば、<001>軸、<100>軸、<0−10軸>、<00−1>軸、および<−100>軸等が挙げられる。
(第二の実施形態)
本実施形態は、第一の実施形態に記載のMOS型トランジスタ100において、傾斜面133が曲面である構成に関する。
図7は、本実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。図7は、図2と同じ方向から見た図である。図7では、傾斜面133aおよび傾斜面133cが、いずれも曲面となっている。
この構成においても、第一の実施形態の場合と同様に、チャネル領域108が傾斜面133を有する構成となっているため、傾斜面133の面積の割合を、主面の法線方向から見た単結晶シリコン基板101のソース・ドレイン領域129を離隔する領域の面積に対して増加させることができる。また、傾斜面133a〜傾斜面133dが、単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または<010>結晶軸方向と等価な軸方向に沿って、傾斜面133の面方位が、単結晶シリコンの<100>結晶軸方向から<ab0>結晶軸方向(aおよびbは互いに独立の整数)または<ab0>結晶軸方向と等価な方向に向かって連続的に変化する構成となっている。このため、チャネルの移動度を増加させることができる。よって、図7に示した半導体装置においても、MOS型トランジスタ100のオン電流を増加させることができる。
また、図7に示した半導体装置においては、傾斜面133a〜傾斜面133dが曲面により構成されている。このため、上面131と傾斜面133との接点や、素子分離領域103の端部に電界が集中することを確実に抑制することができる。よって、MOS型トランジスタ100の信頼性を向上させることができる。
なお、本実施形態において、傾斜面133a〜傾斜面133dが連続した面となっていてもよい。こうすれば、チャネル領域における電界集中点をなくすことができるため、より一層確実に素子分離領域103の端部における応力集中を緩和することが可能となる。
(第三の実施形態)
本実施形態は、第一の実施形態に記載のMOS型トランジスタ100において、傾斜面133a〜傾斜面133dがいずれも複数の平面からなる構成に関する。
図8は、本実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。図8は、図2と同じ方向から見た図である。図8では、傾斜面133aおよび傾斜面133cが、いずれも異なる面方位を有する三つの平面により構成されている構成となっている。
この構成によれば、第一の実施形態の場合と同様に、所定の傾斜角θを有する面を傾斜面133中に設けることができるため、チャネル領域108形成領域の幅に対する傾斜面133形成領域の割合とチャネル移動度とを向上させることが可能である。また、傾斜面133a〜傾斜面133dをいずれも複数の面により構成しているため、素子分離領域103の端部における電界集中の緩和が可能となる。よって、高いオン電流を有するMOS型トランジスタ100を高い再現性で製造可能な構成とするとともに、トランジスタとしての信頼性の向上が可能となる。
(第四の実施形態)
以上の実施形態においては、MOS型トランジスタ100をPチャネル型のMOS型トランジスタとする場合を例に説明したが、MOS型トランジスタ100をNチャネル型のMOS型トランジスタとしてもよい。
MOS型トランジスタ100をNチャネル型とする場合においては、傾斜面133を設けることにより、実効的なチャネル幅を増加させることが可能となるため、オン電流の低下を抑制することができる。このため、たとえば後述するCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)デバイス全体のオン電流特性を向上させることができる。
なお、本実施形態のように、MOS型トランジスタ100をNチャネル型とする場合には、傾斜面133の面積の割合を、主面の法線方向から見た単結晶シリコン基板101のソース・ドレイン領域129を離隔する領域の面積に対して20%以下、好ましくは10%以下とすることができる。こうすることにより、オン電流の低下を抑制することができる。
(第五の実施形態)
以上の実施形態に記載の半導体装置は、CMOSデバイスに適用することもできる。図9(a)〜図9(c)および図10(a)〜図10(b)は、本実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示す平面図である。
図9(a)は、Nチャネル型MOSFET106およびPチャネル型MOSFET104を有するトランジスタの構成を示す図である。図9(a)および本実施形態に係る他の図において、Nチャネル型MOSFET106およびPチャネル型MOSFET104は、以上の実施形態に記載のMOS型トランジスタ100である。また、図9(a)および本実施形態に係る他の図において、Wはゲート電極107の形成領域の幅である。
図9(a)に示した半導体装置では、Nチャネル型MOSFET106からPチャネル型MOSFET104にわたって一つのゲート電極107が形成されている。ゲート電極107は、ゲート接続プラグ127を介して配線135に接続している。また、Nチャネル型MOSFET106およびPチャネル型MOSFET104において、ソース電極(不図示)は、ソース接続プラグ125に接続している。また、また、Nチャネル型MOSFET106およびPチャネル型MOSFET104において、ドレイン電極(不図示)は、ドレイン接続プラグ137に接続している。
図9(a)に示した半導体装置は、Pチャネル型MOSFET104およびNチャネル型MOSFET106として、以上の実施形態に記載のMOS型トランジスタ100を有する。このため、Pチャネル型MOSFET104のオン電流を向上させることができる。
また、図9(b)および図9(c)は、図9(a)に記載の半導体装置において、ゲート電極107が二分された二つのPチャネル型MOSFET104を有する構成となっている。
図9(b)は、一つのPチャネル型MOSFET104のゲート電極107の幅をNチャネル型MOSFET106の0.5倍とした構成であり、このときオン電流を10%増加させることができる。
また、図9(c)は、一つのPチャネル型MOSFET104のゲート電極107の幅をNチャネル型MOSFET106の0.45倍とした構成であり、このとき、図9(a)の構成とオン電流は等しいが、図9(a)に示した構成に比べて省面積化が可能である。
図9(b)および図9(c)に示した半導体装置は、Pチャネル型MOSFET104におけるゲート電極107の幅の合計がPチャネル型MOSFET104のゲート電極107の幅と同程度となるようにPチャネル型MOSFET104を複数設けた構成となっている。このため、Pチャネル型MOSFET104におけるチャネル領域108形成領域の幅に対する傾斜面133形成領域の割合を選択的に増加させることができる。このため、Pチャネル型MOSFET104におけるオン電流を増加させつつ、Nチャネル型MOSFET106におけるオン電流の低下を抑制することができる。このため、CMOSデバイスにおけるPチャネル型MOSFET104およびNチャネル型MOSFET106の特性をいずれも向上させることが可能である。
また、図10(a)および図10(b)は、図9(a)に記載の半導体装置において、ゲート電極107が二分された二つのPチャネル型MOSFET104を有するとともに、二つのPチャネル型MOSFET104がソース接続プラグ125を共有する構成となっている。
図10(a)は、図9(a)に示した構成において、Pチャネル型MOSFET104のゲート電極107の幅をNチャネル型MOSFET106の0.5倍とした構成であり、このときオン電流を10%増加させることができる。
また、図10(b)は、図9(a)に示した構成において、Pチャネル型MOSFET104のゲート電極107の幅をNチャネル型MOSFET106の0.45倍とした構成であり、このとき、図10(a)の構成に比べて省面積化が可能である。
また、図10(a)〜図10(b)に示した半導体装置では、ソース接続プラグ125の本数を減らすことができるため、配線の設計の自由度を向上させることができる。
なお、図10(a)〜図10(b)においては、二つのPチャネル型MOSFET104がソース接続プラグ125を共有する構成を例示したが、これらがドレイン接続プラグ137を共有する構成とすることもできる。
なお、この効果は、Pチャネル型MOSFET104におけるチャネル領域108形成領域の幅に対する傾斜面133形成領域の割合を10%以上とするとともに、Nチャネル型MOSFET106におけるチャネル領域108形成領域の幅に対する傾斜面133形成領域の割合を10%未満とした際に顕著に発揮される。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、以上の実施形態において、MOS型トランジスタ100の傾斜面133が、曲面と平面との組み合わせにより構成されていてもよい。
(実施例)
本実施例では、第一の実施形態に記載のMOS型トランジスタ100(図1)に関する。MOS型トランジスタ100がPチャネル型MOSFETおよびNチャネル型MOSFETである場合のそれぞれについて、傾斜角θを10度、20度、および30度とした。それぞれの傾斜角の場合について、ゲート幅WGすなわち主面の法線方向から見たチャネル領域108の形成領域の幅と、傾斜面133形成領域bの比とオン電流Ionとの関係を計算により得た。
図11は、本実施例におけるMOS型トランジスタ100の構成を示す断面図である。本実施例では、主面の法線方向から見た傾斜面133形成領域の幅をa、上面131形成領域の幅をb、ゲート電極の幅をWG、上面131と傾斜面133とのなす角すなわち傾斜角をθとした。なお、図11において、
WG=2a+b
である。また、
チャネル幅=b+2a/cosθ
である。
図12〜図14は、傾斜角θを10度、20度、および30度とした場合のWGとIonとの関係を示す図である。図12(a)、図13(a)、および図14(a)は、MOS型トランジスタ100がPチャネル型MOSFETである場合を示す。また、図12(b)、図13(b)、および図14(b)は、MOS型トランジスタ100がNチャネル型MOSFETである場合を示す。また、図中の<110>および<100>は、ゲート電極107の延在方向を示す。ゲート電極107が<100>方向に延在するとき、以上の実施形態に記載のMOS型トランジスタ100の構成に対応する。また、ゲート電極107が<110>方向に延在するとき、従来のトランジスタの構成に対応する。
図12(a)、図13(a)、および図14(a)より、ゲート電極107の形成方向を<100>軸方向とすることにより、<110>軸方向の場合に比べてPチャネル型MOSFETのIonを増加させることが可能であった。また、図12(b)、図13(b)、および図14(b)より、ゲート電極107の形成方向を<100>軸方向とした場合にも、<110>軸方向とした場合と同等レベルにNチャネル型MOSFETのIonの低下を抑えることが可能であった。
また、第一の実施形態に記載のMOS型トランジスタ100(図1)を実際に作製して同様の評価を行ったところ、図15(a)および図15(b)に示す結果が得られた。図15(a)および図15(b)は、傾斜面133が(30−1)面および(301)面である場合のWGとオン電流との関係を示す図である。図15(a)および図15(b)より、Pチャネル型MOSFET104(図15(a))のオン電流を向上させつつ、Nチャネル型MOSFET(図15(b))のIonの低下を抑制することが可能であった。
実施の形態に係るMOS型トランジスタの構成を模式的に示す平面図である。 図1のA−A’断面図である。 実施の形態に係るMOS型トランジスタの構成を模式的に示す斜視図である。 実施の形態に係るMOS型トランジスタの傾斜角θと側面の面方位との関係を示す図である。 実施の形態に係るMOS型トランジスタの製造工程を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係るMOS型トランジスタの製造工程を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係るMOS型トランジスタの構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係るMOS型トランジスタの構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係るCMOSデバイスの構成を模式的に示す平面図である。 実施の形態に係るCMOSデバイスの構成を模式的に示す平面図である。 実施例に係るMOS型トランジスタの構成を模式的に示す断面図である。 実施例に係るMOS型トランジスタのWGとIonとの関係を示す図である。 実施例に係るMOS型トランジスタのWGとIonとの関係を示す図である。 実施例に係るMOS型トランジスタのWGとIonとの関係を示す図である。 実施例に係るMOS型トランジスタのWGとIonとの関係を示す図である。
符号の説明
100 MOS型トランジスタ
101 単結晶シリコン基板
103 素子分離領域
104 Pチャネル型MOSFET
105 ゲート絶縁膜
106 Nチャネル型MOSFET
107 ゲート電極
108 チャネル領域
109 SiO2
111 SiN膜
113 トレンチ
115 SiO2
117 後退部
119 SiO2
121 斜面
123 SiO2
125 ソース接続プラグ
127 ゲート接続プラグ
129 ソース・ドレイン領域
131 上面
133 傾斜面
133a 傾斜面
133b 傾斜面
133c 傾斜面
133d 傾斜面
135 配線
137 ドレイン接続プラグ

Claims (12)

  1. {100}面を主面とする単結晶シリコンからなる基板と、
    前記基板上に設けられ、前記単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に実質的に延在するゲート電極と、
    前記ゲート電極の両脇において、前記基板の表面に設けられたソース・ドレイン領域と、
    を含み、
    前記ゲート電極の直下の領域における前記基板の表面は、
    前記主面と、
    前記ゲート電極の延在方向に沿って前記主面に対して傾斜した傾斜面と、
    を有することを特徴とする電界効果型トランジスタ。
  2. {100}面を主面とする単結晶シリコンからなる基板と、
    前記基板上に設けられた素子分離領域と、
    前記基板上に設けられ、周囲を前記素子分離領域によって画定された素子領域と、
    前記基板上に、前記素子領域を分断するように前記素子領域から前記素子分離領域にわたって設けられ、前記単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に実質的に延在するゲート電極と、
    前記ゲート電極によって分断された両脇において、前記基板の表面に設けられたソース・ドレイン領域と、
    を含み、
    前記ゲート電極の直下の領域における前記基板の表面は、
    前記主面と、
    前記ゲート電極の延在方向に沿って前記主面に対して傾斜した傾斜面と、
    を有することを特徴とする電界効果型トランジスタ。
  3. 請求項2に記載の電界効果型トランジスタにおいて、前記傾斜面が前記素子分離領域の近傍に設けられていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
  4. 請求項1乃至3いずれかに記載の電界効果型トランジスタにおいて、前記傾斜面が単一の前記単結晶シリコンの結晶面により構成されていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
  5. 請求項1乃至3いずれかに記載の電界効果型トランジスタにおいて、前記傾斜面が複数の前記単結晶シリコンの結晶面により構成されていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
  6. 請求項1乃至5いずれかに記載の電界効果型トランジスタにおいて、前記傾斜面が前記単結晶シリコンの(301)面、前記(301)面に等価な面、または前記(301)面もしくは(301)面に等価な前記面に対して5度以内の角度の差を有する面を含むことを特徴とする電界効果型トランジスタ。
  7. 請求項1乃至3いずれかに記載の電界効果型トランジスタにおいて、前記傾斜面が曲面であり、前記単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に沿って、前記傾斜面の面方位が、前記単結晶シリコンの<100>結晶軸方向から<ab0>結晶軸方向(aおよびbは互いに独立の整数)または前記<ab0>結晶軸方向と等価な方向に向かって連続的に変化することを特徴とする電界効果型トランジスタ。
  8. 請求項1乃至7いずれかに記載の電界効果型トランジスタにおいて、
    前記傾斜面の面積は、前記主面の法線方向から見た前記基板の前記ソース・ドレイン領域を離隔する領域の面積の10%以上であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
  9. Nチャネル電界効果型トランジスタと、Pチャネル電界効果型トランジスタと、を含む相補型電界効果型トランジスタであって、
    前記Nチャネル電界効果型トランジスタおよび前記Pチャネル電界効果型トランジスタが請求項1乃至8いずれかに記載の電界効果型トランジスタであることを特徴とする相補型電界効果型トランジスタ。
  10. 請求項9に記載の相補型電界効果型トランジスタにおいて、
    前記Pチャネル電界効果型トランジスタにおいては、前記傾斜面の面積は、前記主面の法線方向から見た前記基板の前記ソース・ドレイン領域を離隔する領域の面積の10%以上であるとともに、
    前記Nチャネル電界効果型トランジスタにおいては、前記傾斜面の面積は、前記主面の法線方向から見た前記基板の前記ソース・ドレイン領域を離隔する領域の面積の10%未満であることを特徴とする相補型電界効果型トランジスタ。
  11. 請求項9または10に記載の相補型電界効果型トランジスタにおいて、
    素子分離領域により分割された複数の前記Pチャネル電界効果型トランジスタと、
    一つの前記Nチャネル電界効果型トランジスタと、
    を有することを特徴とする相補型電界効果型トランジスタ。
  12. {100}面を主面とする単結晶シリコンからなる基板の前記主面の上部にマスクを成膜する工程と、
    前記マスクおよび前記基板をこの順に選択的に除去して凹部を設けるとともに、前記凹部の脇に素子形成領域を設ける工程と、
    マスクを成膜する前記工程で成膜されたマスクの側壁を、前記凹部から前記素子形成領域に向かって後退させて、前記主面の一部を前記マスクから露出させる工程と、
    主面の一部をマスクから露出させる前記工程の後、前記基板の表面全面を酸化し、前記マスクから露出した前記基板に、前記主面に対し<010>結晶軸方向または実質的に前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に沿って傾斜する傾斜面を設ける工程と、
    前記凹部に絶縁膜を埋設し、素子分離領域を形成する工程と、
    前記マスクを除去し、前記傾斜面を含む前記素子形成領域における前記基板の上部に、実質的に前記単結晶シリコンの<010>結晶軸方向または実質的に前記<010>結晶軸方向と等価な軸方向に延在するゲート電極を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。
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