JP2006114523A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】サファイア基板に単結晶シリコン層を積層したSOS基板の単結晶シリコン層に形成したnMOS素子のチャンネル領域とサファイア基板との間に絶縁膜層を形成し、絶縁膜層上の単結晶シリコン層の応力状態を引張応力状態にする。
【選択図】 図1
Description
図1において、1は半導体装置に形成されたMOSFET(MOS Field Effect Transistor)の一種であるnMOS素子である。
本実施例のnMOS素子1は、SOS基板のサファイア基板2に素子間を絶縁分離するために形成されたシリコン酸化膜(SiO2)等からなるフィールド酸化膜3に囲まれた領域に形成され、nMOS素子1のチャンネルが形成される領域であるチャンネル領域4に選択的に形成したシリコン酸化膜からなる絶縁膜層5上の後述するシリコン結晶層25にP型拡散層として形成されたチャンネル領域4と、シリコン酸化膜等からなるゲート酸化膜6を介してチャンネル領域4に対向するゲート電極7、ゲート電極7の側面に形成されたシリコン酸化膜等からなるサイドウォール8、およびチャンネル領域4に隣接する単結晶シリコン層である後述するエピタキシャル層20にN型拡散層として形成されたソース領域9とドレイン領域10、シリコン酸化膜等からなる中間絶縁層11に埋設されてソース領域9とドレイン領域10とをそれぞれ配線12とを接続するコンタクト13により構成されており、配線12を介して他の素子または端子等と電気的に接続してゲート電極7に加えられた電位によりソース領域9とドレイン領域10の間のチャンネル領域4に形成されるチャンネルを流れる電流を制御する。
以下に、図2を用い、Pで示す工程に従って本実施例の半導体装置のチャンネル領域を形成するシリコン結晶層の製造方法について説明する。
P1、サファイア基板2上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法により薄い膜厚(例えば2〜100nm)のシリコン酸化膜を形成し、形成したシリコン酸化膜をフォトリソグラフィによりパターニングしてnMOS素子1のチャンネル領域4を形成する領域をマスキングし、エッチングによりシリコン酸化膜を除去してシリコン酸化膜からなる絶縁膜層5を選択的に形成する。
この場合に、サファイア基板2の絶縁膜層5が形成されている領域以外の領域は、通常と同様にシリコンのエピタキシャル成長により単結晶シリコン層が形成されるが、絶縁膜層5上ではエピタキシャル成長が絶縁膜層5に妨げられてポリシリコンからなるポリシリコン層21が形成される。
このとき、非晶質領域23に隣接する単結晶シリコン層であるエピタキシャル層20の隣接部から横方向の固相エピタキシャル成長により非晶質領域23が単結晶化し、単結晶シリコンからなるシリコン結晶層25が形成される。
すなわち、上記P2の工程のエピタキシャル層20の形成におけるシリコンのエピタキシャル成長は、単結晶サファイアであるサファイア基板2のエピタキシャル層20と隣接する部位の結晶格子に存在するアルミニウム原子が起点となって進行するので、単結晶シリコンと単結晶サファイアの結晶構造の格子定数の差、つまりサファイアの格子定数が小さいことによりエピタキシャル成長した薄いシリコン層であるエピタキシャル層20に圧縮応力が生じ、これに隣接するシリコン結晶層25が引っ張られて引張応力状態となる。
以上説明したように、本実施例では、nMOS素子のチャンネル領域の直下のサファイア基板との間に絶縁膜層を形成したことによって、チャンネルが形成される領域の圧縮応力状態を解消して、チャンネルを引張応力状態にあるシリコン結晶層に形成することができ、SOS基板に形成するnMOS素子のチャンネル内を移動する電子の移動度を高くすることができ、オン電流を増大させてトランジスタ特性を向上させることができる。
なお、上記実施例1と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例のnMOS素子1は、上記実施例1と同様にSOS基板のサファイア基板2に形成されたフィールド酸化膜3に囲まれた領域に形成され、絶縁膜層5はnMOS素子1のチャンネル領域4からソース領域9が形成される領域に拡張されて選択的に形成され、絶縁膜層5上のシリコン結晶層25にはP型拡散層として形成されたチャンネル領域4と、N型拡散層として形成されたソース領域9が形成されている。その他の構成は上記実施例1と同様である。
以下に、図4を用い、PAで示す工程に従って本実施例の半導体装置のチャンネル領域とソース領域を形成するシリコン結晶層の製造方法について説明する。
PA1、サファイア基板2上に上記実施例1のP1の工程と同様にしてシリコン酸化膜を形成し、形成したシリコン酸化膜をフォトリソグラフィによりパターニングしてnMOS素子1のチャンネル領域4とソース領域9とを形成する領域をマスキングし、エッチングによりシリコン酸化膜を除去してシリコン酸化膜からなる絶縁膜層5を選択的に形成する。
PA3、実施例1のP3の工程と同様にしてポリシリコン層21およびこれに隣接するエピタキシャル層20の一部を残してフォトリソグラフィによりマスク22を形成し、イオン注入により非晶質領域23を形成する。
このようにして形成されたシリコン結晶層25は、隣接するエピタキシャル層20からの横方向のシリコンのエピタキシャル成長が進行するので成長する結晶の先端がシリコン結晶層25の略中央部、つまり絶縁膜層5に略中央部で突合わされ、そこに突合部26が形成される。この突合部26には欠陥が残存する。
その後は、通常のnMOS素子の製造工程と同様に、素子間の絶縁分離のためのフィールド酸化膜3、シリコン結晶層25のチャンネル、ゲート酸化膜6、ゲート電極7およびシリコン結晶層25のソース領域9とエピタキシャル層20のドレイン領域10、これらと配線12を接続するコンタクト13を形成して図3に示す本実施例の半導体装置のnMOS素子1が形成される。
以上説明したように、本実施例では、上記実施例1と同様の効果に加えて、絶縁膜層をnMOS素子のチャネル領域からソース領域が形成される領域に拡張して形成したことによって、シリコン結晶層に形成される突合部をチャンネル領域がらずらすことができ、実施例1に較べて更にシリコン結晶層のチャンネル領域の欠陥が少なくなってチャンネルを移動する電子の移動度を更に高くすることができる。
上記各実施例においては、絶縁膜層はシリコン酸化膜で形成するとして説明したが、絶縁膜層はシリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜であってもよい。このようにすればシリコン窒化膜が隣接する部材に引張応力を与える性質を有しているので、絶縁膜層上のシリコン結晶層にその引張応力が付加されて更に強い引張応力状態が生じ、チャンネルを移動する電子の移動度をより高くすることができる。
この場合にはpMOS素子のチャンネルが形成されるチャンネル領域が引張応力状態となるので正孔の移動度の上昇は妨げられるが、サファイア基板からのアルミニウム拡散を絶縁膜層で完全に抑制することができ、アルミニウムの拡散によるオフリーク電流の発生が防止されpMOS素子のトランジスタ特性の安定化を図ることができる。
2 サファイア基板
3 フィールド酸化膜
4 チャンネル領域
5 絶縁膜層
6 ゲート酸化膜
7 ゲート電極
8 サイドウォール
9 ソース領域
10 ドレイン領域
11 中間絶縁層
12 配線
13 コンタクト
20 エピタキシャル層
21 ポリシリコン層
22 マスク
23 非晶質領域
25 シリコン結晶層
26 突合部
Claims (7)
- サファイア基板に単結晶シリコン層を積層したSOS(Silicon On Sapphire)基板の単結晶シリコン層に、MOSFET(MOS(Metal Oxide Semiconductor) Field Effect Transistor)を形成した半導体装置において、
前記MOSFETのチャンネル領域と、前記サファイア基板との間に絶縁膜層を形成したことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1において、
前記MOSFETのソース領域とドレイン領域のどちらか一方に、前記絶縁膜層を拡張したことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記MOSFETが、NチャンネルMOS素子であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記MOSFETが、PチャンネルMOS素子であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記MOSFETを、NチャンネルMOS素子とPチャンネルMOS素子とし、該NチャンネルMOS素子とPチャンネルMOS素子とを組合せてCMOS(Complementary MOS)構造を形成したことを特徴とする半導体装置。 - サファイア基板に単結晶シリコン層を積層したSOS基板の単結晶シリコン層に、MOSFETを形成する半導体装置の製造方法において、
前記サファイア基板上の前記MOSFETのチャンネルを形成する領域に選択的に絶縁膜層を形成する工程と、
前記サファイア基板上の前記絶縁膜層以外の領域にエピタキシャル層を形成し、前記絶縁膜層上にシリコン層を形成する工程と、
前記シリコン層と、該シリコン層に隣接するエピタキシャル層の一部をイオン注入により非晶質化させて非晶質領域を形成する工程と、
該非晶質領域を、該非晶質領域に隣接する前記エピタキシャル層からの固相エピタキシャル成長により単結晶化してシリコン結晶層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項6において、
前記サファイア基板上に絶縁膜層を形成する工程で、前記絶縁膜層を、前記MOSFETのチャンネルを形成する領域からソース領域とドレイン領域のどちらか一方に拡張させて形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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