JP2006269975A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 フィンFETにおけるフィン部分の寄生抵抗を低減するとともに、フィンFETのソース・チャネル間及びドレイン・チャネル間の抵抗のばらつきを低減することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】 シリコン基板101の埋め込み絶縁膜102上に並置された複数のフィン103と、フィン103の中央部の両側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極104と、このゲート電極104の両側に位置するフィン103部分の上面及び側面に結晶成長され、且つ隣接するフィン103部分間を相互接続する半導体層106を備える。そして、このゲート電極104の両側のフィン103部分及び半導体層106は、不純物が導入され、ソース/ドレイン層107を形成する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。
近年、半導体装置、例えば、論理回路、記憶装置においては、回路機能を構成する機能素子の微細化による高性能化が著しい。これは、機能素子として用いられる電界効果型トランジスタ(MISFET:Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)において、いわゆるスケーリング則に基づいて、ゲート長が縮小化され、ゲート絶縁膜が薄膜化されることによって達成されてなる。
ゲート長が例えば30nm以下の短チャネルのMISFETでは、短チャネル効果を解決することが重要な課題である。その解決方法の1つとして、シリコン基板を短冊状に細く加工して突起した領域(以下、フィンと呼ぶ)を形成して、3次元構造のMISFETを形成したフィンFETがある。この例は、1枚のフィンに逆U字型のゲート電極を形成した、ダブルゲート型フィンFETと呼ばれるものである。ダブルゲート型フィンFETは、フィンの両側に形成したゲート電極に等しい電位を与えて、フィンの両側から空乏化されたチャネル領域をフィンの側面に形成する。
しかし、1枚のフィンの両側面に2つのゲート電極を形成した、いわゆるシングルフィン構造では、フィンの高さでチャネル幅が決まってしまうためにフィンの高さが低いと実効的なチャネル幅が狭く、すなわち、大きな電流を駆動する半導体装置には適さないという問題がある。その一方でフィンの高さを大きくするのは加工技術の観点から上限が存在する。
そこで、実効的なチャネル幅を大きくするために、複数のフィンを有するダブルゲート型マルチフィンFETが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。このダブルゲート型マルチフィンFETは、複数のフィンを近接して平行に配置し、その複数のフィンをそれぞれソース/ドレイン拡散層領域に接続し、そして、ソース/ドレイン拡散層間のフィン部に対して垂直方向に細長い電気的に互いに接続されたゲート電極を形成し、所定の電位を与えるようにしている。
その一方で、このマルチフィンFET構造では、極めて狭く近接したフィンにソース/ドレイン拡散層領域及びチャネル領域を形成するために、如何に寄生抵抗及び寄生容量を小さくして電流駆動力を大きくして特性を改善するかが重要な課題となっている。そこで、寄生抵抗を小さくするために、各フィンに独立的にゲルマニウム層を選択成長させる方法が示されている。しかし、この方法でもまだ十分に寄生抵抗を低減できない。
また、従来、フィンFETの形成工程は、まず、リソグラフィ技術を用いてフィン部とソース/ドレイン拡散層領域の形成を行い、その後に、リソグラフィ技術を用いてフィン部上にゲート電極の形成を行っている。そのため、ソース/ドレイン拡散層間のフィン部上にゲート電極を形成するときに、ゲート電極を形成する位置に合わせずれが生じることがある。従って、フィン部上のゲート電極の位置は、ソース・ドレイン間の中央部からずれてばらついてしまうために、ソース・チャネル間やドレイン・チャネル間の抵抗が各フィンFETで大きく変動してしまう。これは、特に、ソース・チャネル間での抵抗ばらつきがデバイス特性ばらつきに強い影響を与えていて、LSIの動作特性を劣化させる原因となってしまう。
Yang-Kyu Choi, Nich Lindert, Peiqi Xuan, Stephen Tang, Daewon Ha, Erick Anderson, Tsu-Jae King, Jeffrey Bokor, and Chenming Hu: "Sub-20nm CMOS FinFET Technologies", IEDM Tech. Dig., pp. 421-424, 2001
本発明は、フィンFETにおけるフィン部分の寄生抵抗を低減するとともに、フィンFETのソース・チャネル間及びドレイン・チャネル間の抵抗のばらつきを低減することができる半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様の半導体装置は、半導体基板上に並置された複数のフィンと、前記フィンと直交して前記フィンの中央部の両側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記ゲート電極の両側に位置する前記フィン部分の上面及び側面に結晶成長され、且つ前記隣接するフィン部分間を相互接続する半導体層と、を備え、前記ゲート電極の両側に位置する前記フィン部分と前記半導体層によってソース/ドレイン層を形成していることを特徴としている。
また、本発明の別の態様の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を堆積させる工程と、前記絶縁膜をマスク材にして複数のフィンを形成する工程と、前記フィンと直交して前記フィンの中央部の両側面にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の両側の前記隣接するフィン部分を相互接続するように前記フィン部分間およびフィン部分上に半導体層を結晶成長させる工程と、前記ゲート電極の両側の前記フィン部分及び前記半導体層に導電型不純物を導入し、ソース/ドレイン層を形成する工程とを備えることを特徴としている。
本発明によれば、フィンFETにおけるフィン部分の寄生抵抗を低減することができるとともに、フィンFETのソース・チャネル間やドレイン・チャネル間の抵抗のばらつきを低減することができる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施例1に係る半導体装置のダブルゲート型マルチフィンFETの構造を示す平面図であり、図2(a)は、図1のA−A’線に沿った断面図であり、図2(b)は、図1のB−B’線に沿った断面図であり、図2(c)は、図1のC−C’線に沿ったフィン上の断面図であり、図2(d)は、図1のD−D’線に沿った断面図である。
本実施例のダブルゲート型マルチフィンFETは、SOI(Silicon On Insulator)基板100を用いて構成されている。SOI基板は、シリコン基板101上に形成された埋め込み絶縁膜102を介して単結晶SOI層103′を形成した半導体基板である。
図1及び図2に示すように、シリコン基板101の埋め込み絶縁層102上の単結晶SOI層に複数のフィン103′が形成され、複数のフィン103の中央部の上面及び側面にゲート絶縁膜(図示せず)を介してゲート電極104が形成されている。また、ゲート電極104が形成されている中央部を除いたフィン103部分の上面及び側面には、結晶成長された半導体層として、例えば単結晶シリコン層106が形成され、このフィン103部分と単結晶シリコン層106でソース/ドレイン拡散層107を形成している。
複数のフィン103は、図1の点線と図2(a)に示すように、平面ロ字型の短冊状構造に形成されて埋め込み絶縁膜層102上に等間隔に並置され、フィン103の下部側面には絶縁膜からなる側壁105が形成されている。また、フィン103の上面及び側面には、例えば単結晶シリコン層106が放物線状に結晶成長され、フィン103と単結晶シリコン層106は不純物イオンが注入されてソース/ドレイン拡散層107を形成している。この複数のフィン103は、単結晶シリコン106の結晶成長によって、相互に接続されている。単結晶シリコン層106は、フィン103の上部側面に形成され、図2(a)に示すように、フィン103の下部側面には形成されず、フィン103間の下部は中空となっている。
ここで、フィン103は、例えば、幅10〜15nm、間隔50〜55nmに形成される。また、フィン103の上面及び側面に結晶成長させた単結晶シリコン層106の膜厚は、フィン103同士を相互に接続するのに必要な膜厚、30〜35nm以上に形成される。また、本実施例では、フィン103は、平面ロ字型の短冊状構造に形成されているが、ロ字型構造に限定されず、平面矩形型の短冊状構造のフィンを等間隔に配列してもかまわない。また、フィン103間の下部は、必ずしも中空になっている必要はなく、単結晶シリコン106により埋められても構わない。
ゲート電極104は、図1に示すように、複数のフィン103に直交するように形成され、図2(b)に示すように、フィン103の上面及び側面を覆うように形成され、ゲート電極104によって挟まれたフィン103部分がチャネル領域を形成する。また、フィン103上及びフィン103間のゲート電極104の側面には、図2(c)及び図2(d)に示すように、絶縁膜からなる側壁105が形成されている。これにより、ゲート電極104は、直接、単結晶シリコン層106と接続しておらず、ソース/ドレイン拡散層107間はフィン103のみで電気的に接続している。
以上より構成されるダブルゲート型マルチフィンFETは、ゲート電極104に電圧を印加することにより、フィン103のゲート電極104に挟まれた領域の両側面にチャネルが形成され、ゲート電極104の電圧を制御することにより、ソース/ドレイン拡散層107間の電流を制御することができる。
以上に説明のダブルゲート型マルチフィンFETでは、ゲート電極104の両側に位置する複数のフィン103部分の上面及び側面に単結晶シリコン層106が結晶成長され、複数のフィン103部分が相互に接続されてフィン103部分の断面積が大幅に増加されている。従って、フィン103部分の寄生抵抗を低減することができ、電流駆動力を大きくすることができる。また、フィン103部分同士が単結晶シリコン層106により接続されていることにより、ゲート電極104の直近にソース/ドレイン拡散層107が形成され、ソース・ドレイン間方向のフィンの長さを短くすることができるので、さらに寄生抵抗を低減することができ、ソース・チャネル間やドレイン・チャネル間の抵抗のばらつきを低減することができる。
次に、上記構造のダブルゲート型マルチフィンFETの製造方法を図3乃至図12を参照して説明する。
まず、図3及び図4に示すように、フィン103を形成するためのダミーパターンとなるアモルファスシリコン領域108を形成する。図3は、そのダミーパターンの形成工程を示す平面図である。図4(a)は、図3のA−A’線に沿った断面図であり、図4(b)は、図3のB−B’線に沿った断面図であり、図4(c)は、図3のC−C’線に沿った断面図であり、図4(d)は、図3のD−D’線に沿った断面図である。
まず、SOI基板の単結晶SOI層103′上に、犠牲酸化膜を形成した後(図示せず)、例えば、周知のCVD(Chemical Vapor Deposition)技術を用いて、アモルファスシリコン膜108を堆積させる。もちろんドーピングしていないので電気抵抗は高く、実効的に絶縁膜と見なせる。他の絶縁膜、例えばシリコン酸化膜などを堆積しても良い。
次に、アモルファスシリコン膜108上に複数のダミーパターン形成のためにレジストを堆積させ、周知のリソグラフィ技術ならびに異方性エッチング技術を用いて、細長い平面矩形状のダミーパターンとなるアモルファスシリコン領域108を形成する。
次に、図5及び図6に示すように、フィン103を形成するためのマスクとなるシリコン窒化膜109を堆積する。図5は、そのシリコン窒化膜の形成工程を示す平面図であり、図6(a)は、図5のA−A’線に沿った断面図であり、図6(b)は、図5のB−B’線に沿った断面図であり、図6(c)は、図5のC−C’線に沿った断面図であり、図6(d)は、図5のD−D’線に沿った断面図である。
まず、単結晶SOI層103’上に、フィンの幅に応じた膜厚、例えば、本実施例では、フィンの幅が、10〜15nmであるので、フィンを形成するためのマスク材となるシリコン窒化膜109を膜厚10〜15nm堆積させる。このとき、単結晶SOI層103’上のアモルファスシリコン領域108の側面にもシリコン窒化膜109が堆積される。ここで、アモルファスシリコン領域108は細長い平面矩形状をしているため、アモルファスシリコン領域108の側面に堆積されるシリコン窒化膜109は、そのアモルファスシリコン領域108をすべて覆うように堆積される。その後、アモルファスシリコン領域108の側面にシリコン窒化膜109を残し、アモルファスシリコン領域108の側面以外のシリコン窒化膜109を周知のCMP(Chemical Mechanical Polishing)技術や異方性エッチング技術などを用いて除去する。
次に、図7及び図8に示すように、複数のフィン103を形成する。図7は、そのフィンの形成工程を示す平面図であり、図8(a)は、図7のA−A’線に沿った断面図であり、図8(b)は、図7のB−B’線に沿った断面図であり、また、図8(c)は、図7のC−C’線に沿った断面図であり、図8(d)は、図7のD−D’線に沿った断面図である。
まず、図5及び図6で形成し、ダミーパターンとなっていたアモルファスシリコン領域108の剥離を行い、フィン103を形成するためのマスク材となる平面ロ字型のシリコン窒化膜109のみを単結晶SOI層103’上に残す。次に、シリコン窒化膜109をマスクとして、異方性エッチングを行い、単結晶SOI層103’のエッチングを行う。その後、エッチングされた単結晶SOI層103’上のシリコン窒化膜109を、例えば熱燐酸を用いてエッチング除去する。以上により、埋め込み絶縁膜層102上に等間隔に並置された複数の平面ロ字型の短冊状構造のフィン103を形成することができる。
ここで、フィン103の形成において、アモルファスシリコン領域108の側面にシリコン窒化膜109を堆積させ、このシリコン窒化膜109をマスクとして、単結晶SOI層103’のエッチングを行い、フィン103の形成を行っていたが、従来のリソグラフィやエッチングにより加工して、シリコン窒化膜109でフィン103形成用のマスク領域を形成し、そのマスク材を用いて単結晶SOI層103’を異方性エッチングすることにより、複数のフィン103を形成してもかまわない。またマスク材のシリコン窒化膜109は後でソース・ドレインに繋がる領域上の部分を剥離すればフィン上に残しておいても構わない。
次に、図9及び図10に示すように、ゲート電極104を形成するとともに、ゲート電極側面及び各フィン103下部側面に側壁105を形成する。図9は、そのゲート電極及び側壁の形成工程を示す平面図である。図10(a)は、図9のA−A’線に沿った断面図であり、図10(b)は、図9のB−B’線に沿った断面図であり、また、図10(c)は、図9のC−C’線に沿った断面図であり、図10(d)は、図9のD−D’線に沿った断面図である。
まず、埋め込み絶縁膜102上及びフィン103上にゲート絶縁膜(図示せず)となるシリコン酸化膜を形成する。ここで、ゲート絶縁膜として、シリコン酸化膜以外にもシリコン酸窒化膜(SiON)や、ハフニウムシリコンオキシナイトライド(HfSiON)などの高誘電率絶縁膜を堆積させて用いてもよい。次に、シリコン酸化膜上にゲート電極となる多結晶シリコンを堆積させる。その後、リソグラフィ及びエッチングにより多結晶シリコン、シリコン酸化膜を加工して、フィン103の中央部にフィン103の長手方向と直交するようにゲート電極104を形成する。このとき、ゲート絶縁膜及びゲート電極104は、フィン103の中央部の上面及び両側面を覆うように形成されている。
ここでゲート電極材料は多結晶シリコンに限定されるものではなく、単体金属、金属化合物やシリサイドを材料とするもの、もしくはこれらと多結晶シリコンとの組み合わせによるものでも構わない。
次に、ゲート電極104の両側面及びソース/ドレイン拡散層107となるフィン103部分の側面部に、絶縁膜からなる側壁105の形成を行う。この側壁105の形成は、埋め込み絶縁膜層102上及びフィン103部分上に絶縁膜105の堆積を行い、異方性エッチングによって、ゲート電極104の両側面及びフィン103部分の両側面下部に絶縁膜105が残るようにエッチングを行い、側壁105を形成する。
次に、図11及び図12に示すように、各フィン103に多結晶シリコン層106を結晶成長させ、ソース/ドレイン拡散層107の形成を行う。図11は、そのソース/ドレイン拡散層の形成工程を示す平面図である。図12(a)は、図11のA−A’線に沿った断面図であり、図12(b)は、図11のB−B’線に沿った断面図であり、また、図12(c)は、図11のC−C’線に沿った断面図であり、図12(d)は、図11のD−D’線に沿った断面図である。
まず、ゲート電極104の両側に位置するフィン103部分の上面及び側面に周知の選択エピタキシャル成長技術を用いて、単結晶シリコン層106の結晶成長を行う。このとき、単結晶シリコン層106の結晶成長は、隣接するフィン103部分同士がこの単結晶シリコン層106によって互い接続するまで行う。つまり、本実施例では、フィン103間の間隔を50〜55nmにしているので、フィン103部分同士を接続するには、30nm以上結晶成長させる必要がある。また、選択エピタキシャル成長技術により、単結晶シリコン層106はフィン103部分の上面及び側面を放物線状に結晶成長するので、図中に示すように、フィン103部分間の下部にスペースができる。
ここで、フィン上面及び側面を結晶成長させる半導体層として、単結晶シリコンを用いていたが、単結晶ゲルマニウム、単結晶シリコンゲルマニウムなどを用いてもかまわない。また、成膜条件によって、多結晶シリコン、多結晶ゲルマニウム、多結晶シリコンゲルマニウムなどが堆積されることもある。
次に、ゲート電極104の両側のフィン103部分及び単結晶シリコン層106に周知のイオン注入技術により不純物イオンの注入を行い、フィン103部分及び単結晶シリコン層106からなるソース/ドレイン拡散層107の形成を行う。ここで、フィン103部分間の下部に中空を形成しているが、必ずしも中空は必要ではなく、そのフィン103部分間の下部は単結晶シリコンで埋まっていても良い。
その後、ゲート電極104やソース/ドレイン拡散層107にコンタクトホールや電極を形成、接続することにより上記構造のダブルゲート型マルチフィンFETを形成することができる。
以上に説明したダブルゲート型マルチフィンFETの製造方法によれば、ゲート電極104の両側の各フィン103部分の上面及び側面に選択エピタキシャル成長技術を用いて単結晶シリコン層106を結晶成長させることにより、隣接するフィン103部分間を相互接続している。従って、フィン103部分の配線断面積が増加して、ソース・ドレイン間の寄生抵抗を低減することができ、ソース・ドレイン間の電流駆動力を上げることができるダブルゲート型マルチフィンFETを製造することができる。
また、ゲート電極104の両側のフィン103部分の上面及び側面に単結晶シリコン層106を結晶成長させて、隣接するフィン103部分間を相互接続した後に、イオン注入技術により不純物イオンをフィン103及び単結晶シリコン層106に注入し、ソース/ドレイン拡散層107を形成する。この方法によって、ソース/ドレイン拡散層107の形成を自己整合的に形成することができる。従って、ゲート電極104の直近までソース/ドレイン拡散層107を形成できるので、フィン上のゲートとコンタクト領域間の距離を実効的に短くすることができ、寄生抵抗を低減することができる。また、ゲート電極のミスアラインメントによるフィンFETのソース・チャネル間及びドレイン・チャネル間の位置のばらつきがあったとしても、この構造を取ることでそれぞれの抵抗の変動を低減することができる。
また、自己整合的にソース/ドレイン拡散層107を形成できることから、ソース/ドレイン拡散層107を形成するためのリソグラフィ工程やエッチング工程が不要となり、製造プロセスも簡略することも可能である。
また上記の製造方法はSOI基板を用いた例であるが、通常のバルク基板を用いたフィンFETに関しても同様な選択エピタキシャル技術をソース・ドレイン領域上に適用することが可能であることは言うまでもない。
なお、本発明は、上述したような実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
本発明の実施例に係る半導体装置のダブルゲート型マルチフィンFETの構造を示す平面図。 図1のダブルゲート型マルチフィンFETのA−A’線、B−B’線、C−C’線及びD−D’線に沿った断面図。 本発明の実施例に係る半導体装置のダブルゲート型マルチフィンFETの製造方法におけるダミーゲートのレジストパターン形成工程を示す平面図。 図3のA−A’線、B−B’線、C−C’線及びD−D’線に沿った断面図。 本発明の実施例に係るダブルゲート型マルチフィンFETの製造方法におけるフィン形成用マスクとしてのシリコン窒素化膜の形成工程を示す平面図。 図5のA−A’線、B−B’線、C−C’線及びD−D’線に沿った断面図。 本発明の実施例に係るダブルゲート型マルチフィンFETの製造方法におけるフィン形成工程を示す平面図。 図7のA−A’線、B−B’線、C−C’線及びD−D’線に沿った断面図。 本発明の実施例に係るダブルゲート型マルチフィンFETの製造方法におけるゲート電極及び側壁の形成工程を示す平面図。 図9のA−A’線、B−B’線、C−C’線及びD−D’線に沿った断面図。 本発明の実施例に係るダブルゲート型マルチフィンFETの製造方法における多結晶シリコンの結晶成長及びソース/ドレイン拡散層の形成工程を示す平面図。 図11のA−A’線、B−B’線、C−C’線及びD−D’線に沿った断面図。
符号の説明
101 シリコン基板
102 埋め込み絶縁膜層
103 フィン
103’ 単結晶SOI層
104 ゲート電極
105 側壁(絶縁膜)
106 単結晶シリコン層(半導体層)
107 ソース/ドレイン拡散層領域
108 アモルファスシリコン領域(ダミーパターン)
109 シリコン窒化膜

Claims (6)

  1. 半導体基板上に並置された複数のフィンと、
    前記フィンと直交して前記フィンの中央部の両側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
    前記ゲート電極の両側に前記フィン部分の上面及び側面を結晶成長させ、前記隣接するフィン部分間を相互接続したソース/ドレイン層と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ソース/ドレイン層は、前記ゲート電極の側面直近に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ソース/ドレイン層のフィン間は中空であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記フィン部分の上面及び側面には、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、単結晶シリコンゲルマニウム、多結晶シリコン、多結晶ゲルマニウム又は多結晶シリコンゲルマニウムが結晶成長されることを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載の半導体装置。
  5. 半導体基板上に絶縁層を堆積させる工程と、
    前記絶縁層をマスク材にして複数のフィンを形成する工程と、
    前記フィンと直交して前記フィンの中央部の両側面にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
    前記ゲート電極の両側の前記隣接するフィン部分を相互接続するように前記フィン部分間およびフィン部分上に半導体層を結晶成長させる工程と、
    前記ゲート電極の両側の前記フィン部分及び前記半導体層に導電型不純物を導入し、ソース/ドレイン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。
  6. 前記半導体層は、選択エピタキシャル成長によって形成されてなることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
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