JP2007287728A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】各々に最適な結晶面をチャネルとするNMOSとPMOSを備え、性能向上を図る半導体装置の提供。
【解決手段】表面の結晶面が(110)面であるシリコン単結晶基板を備え、(110)基板表面上、<110>軸に垂直なFinを形成し、その壁面である(110)面にPMOSFETを形成し、<001>軸に垂直なFinを形成し、その壁面である(001)面にNMOSFETを形成する。
【選択図】図1
【解決手段】表面の結晶面が(110)面であるシリコン単結晶基板を備え、(110)基板表面上、<110>軸に垂直なFinを形成し、その壁面である(110)面にPMOSFETを形成し、<001>軸に垂直なFinを形成し、その壁面である(001)面にNMOSFETを形成する。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、FinFET等に適用して好適な半導体装置に関する。
MOSLSI技術の発展に伴い、それを構成する基本要素であるMOSトランジスタは、微細化による性能向上を上回る性能を求められている。例えば、シリコン結晶に歪を導入してキャリア移動度を高める等の努力が傾注されている。
現在、MOSLSIの主流を成すCMOS技術において、その構成要素であるNMOS、PMOSは、同一基板上でともに(100)結晶面上に形成するのが一般的である。この(100)面は、NMOSのキャリアである電子にとっては、最大の移動度を示す結晶面であるが、PMOSのキャリアである正孔の場合、(110)面でその移動度が最大になり、(100)面は最適な結晶面ではない。
一方、微細化に関して、従来のプレーナ型と呼ばれるMOSトランジスタは、短チャネル効果の抑制が困難なため、ゲート長が40nm以下の微細トランジスタの実現が難しいと言われている。これに対し、FinFETは、短チャネル効果に対する抵抗力を有し、微細トランジスタの実現が容易であるため、40nm以下の微細領域で期待されている。
なお、特許文献1(特開昭63−80562号公報)には、nチャネルFETには、(100)面、pチャネルFETには、(110)面を用いる半導体装置が記載されている。すなわち、シリコン基板に溝側面の結晶面が(100)となるように掘られた溝の溝側面に形成された縦型のnチャネルFETと、シリコン基板に溝側面の結晶面が(110)となるように掘られた溝の溝側面に形成された縦型のpチャネルFETとを有する相補型半導体装置が開示されている。かかる構成は、壁面を導電チャネルとするという意味では、FinFETと類似しているが、トランジスタの基本構造がプレーナ型であり、これを縦に配置したものである。したがって、電流は、縦方向に流れ、上下にソース・ドレインが配置されている。
上記の如く、NMOSの導電キャリアである電子、およびPMOSの導電キャリアである正孔には、それぞれ最も高い移動度を示す結晶面が存在しているため、より高い電流駆動能力を有するトランジスタを得るには、NMOS、PMOSの各々に対して最大の移動度を示す互いに異なる結晶面を用いることが出来ればよい。このように、各々最適な結晶面をチャネルとするNMOSとPMOSの組み合わせを同一基板上に作成することができれば、より高性能のCMOS回路を実現することができる。しかしながら、一般的に、CMOSを構成するNMOS、PMOSはともに同一結晶面上に作成される。一方、従来のプレーナ型MOSトランジスタでは短チャネル効果の抑制が困難であり、ゲート長が40nm以下の微細なトランジスタを得ることは出来ないとされている。
これに代わり、短チャネル効果の極めて少ないFinFETが期待されている。
なお、nチャネルFinFETおよびpチャネルFinFETを備える集積半導体回路として、特許文献2には、pFinFET構造が(110)の表面オリエンテーションを有し、nFinFETが(100)の表面オリエンテーションを有する集積半導体回路が開示されている。
本発明の目的は、各々に最適な結晶面をチャネルとするNMOSとPMOSを備え、性能向上を図る半導体装置を提供することにある。
本願で開示される発明は、前記課題を解決するため、概略以下の構成とされる。
本発明に係る半導体装置は、(110)面上、<110>軸に垂直な(110)面にpチャネルFinFETを備え、<001>軸に垂直な(001)面に、nチャネルFinFETを備えている。
本発明において、pチャネルFinFET、nチャネルFinFETがそれぞれ形成される壁面に対して<110>軸、<001>軸方向に沿って、ゲート酸化膜を介してゲート電極がそれぞれ延在され、壁面の両側にチャネルが形成される。
本発明において、壁状のシリコン単結晶層の平面形状が、pチャネルFinFET、nチャネルFinFETのドレイン同士が接続された当接点を折曲点として、pチャネルFinFET、nチャネルFinFETが2方にそれぞれ延在されて、それぞれ対応する電源に接続され、前記ゲート電極が、2方に延在されたpチャネルFinFET、nチャネルFinFETのそれぞれのチャネル領域で交差する形状とされ、CMOS回路を構成している。
本発明において、(100)面上、<110>軸に垂直の壁面である(110)面にpチャネルFinFETを備え、<100>軸に垂直な壁面である(100)面にnチャネルFinFETを備えている。
本発明によれば、各々に最適な結晶面をチャネルとするNMOSとPMOSを同一基板上に備えることで、CMOSの性能向上を図ることができる。
上記した本発明についてさらに詳細に説述すべく添付図面を参照して説明する。本発明に係るFinFETは、MOS型半導体装置の一種であり、幅の薄い壁(Fin)状のシリコン単結晶をゲート絶縁膜で覆ってゲート電極(41)を形成し、シリコン壁面をチャネルとして利用するトランジスタである。FinFETでCMOSを構成するにあたり、トランジスタの導電チャネルが、NMOSでは、(100) Si結晶面、PMOSでは(110) Si結晶面になるように、同一基板上に形成する、ことを特徴とする。
電子の移動度が最大になる結晶面は、(100)面であり、正孔の移動度が最大になる結晶面は、(110)面である。
FinFETを形成する場合、シリコン・バルクウェハ又はSOIウェハにおいて、その壁状Si(Fin)の方位を適切に選択することにより、異なる結晶面を有する壁面を得ることができる。そこで、本発明では、NMOSには(100)面、PMOSには(110)面が壁面となるような、FinFETにてCMOSを構成すればよい。
本発明では、上記特許文献1と相違して、薄い壁状のシリコンの両面を導電チャネルとして用い、ゲートを挟んで、壁状シリコンの両側にソース・ドレインが配置され、横方向に電流が流れる。以下実施例に即して説明する。
図1は、表面の結晶面が(110)面であるシリコン薄膜(シリコン単結晶層)からなるSOI(Silicon On Insulator)ウェハに対して本発明を実施した、Fin型CMOSFET装置の斜視図である。図1に示したSOI構造において、シリコン支持基板(シリコン半導体層)10上の埋込酸化膜11表面に、シリコン単結晶層(「SOI層」ともいう)12を備えている。幅の薄い壁状のシリコン単結晶層12は、<001>軸に垂直な壁面に設けられたN型FinFFT20と、<110>軸に垂直な壁面に設けられたP型FinFFT30を備えている。ゲート電極41は、SOI層の、壁の表の壁面に、埋込酸化膜11の高さから垂直方向に延在され、その頭頂部に至って横断し裏面に沿って垂直に配設され埋込酸化膜11表面に至り、N型FinFFT20は、ゲート電極41を間に挟んで両側に、n+ソース拡散層21、n+ドレイン拡散層22を備え、P型FinFFT30は、ゲート電極41を間に挟んでその両側に、p+ソース拡散層32、p+ドレイン拡散層31を備えている。ゲート電極41と直下のシリコンチャネルの間には、不図示のゲート絶縁膜が形成されている。N型FinFFT20のn+ドレイン拡散層22とP型FinFFT30のp+ドレイン拡散層31とは、90度の角度をもって、当接している。
図2は、図1の平面構成を説明するための図である。図2において、面方位は、各直線を通り、ウェハ面(紙面)に垂直な面の方位を示す。図2に示すように、(110)面の表面上には、<110>結晶軸と<001>結晶軸が互いに90度の角度をなして存在する。<110>結晶軸に垂直なFinを形成すると、その壁面は(110)面になり、ここにPMOSFETを形成する。同様に、<001>軸に垂直なFinを形成すると、その壁面は(001)面((100)面と等価)となり、ここにNMOSFETを形成し、CMOSインバータ回路を作成したものである。
図3は、図1のFin型CMOSFETの平面図である。図1では、nチャネル(n型)FinFET20、pチャネル(p型)FinFET30のそれぞれの壁面が(100)面、(110)面になっている。図3において、12は、シリコン単結晶層を表し、41はゲート電極層を表す。20がnチャネルFinFET、30がpチャネルFinFETである。
pチャネルFinFETのソース拡散層32を電源電圧に、nチャネルFinFETのソース拡散層21を接地電位に、n+ドレイン拡散層22とp+ドレイン拡散層31を電気的に接続し出力電極に、ゲート電極41を入力電極とするとインバータ回路ができる。
上記実施例において、nチャネルFinFETのチャネルは(100)結晶面に、pチャネルFinFETのチャネルは(110)結晶面になり、それぞれ最大のキャリア移動度を有するトランジスタになる。従って、従来以上に、高性能のCMOS回路を実現できる。
次に、図4乃至図6を参照して、本実施例の製造方法を説明する。
始めに、表面が(110)結晶面の薄膜シリコン層(シリコン単結晶層12)を有するSOI基板(図4参照)に対し、公知のリソグラフィー、エッチング技術を用いて、図5に示すような、シリコン単結晶12を形成する。
次に、酸化もしくはCVD(化学気相成長)等の公知の技術により、ゲート絶縁膜(不図示)を形成したのち、ゲート電極材料を堆積し、リソグラフィー、エッチング技術を用いゲート電極を所望の形状に加工する(図6参照)。
次に、フォトリソグラフィー、イオン注入、アニール等の工程を経て、各トランジスタの拡散層を形成し、図1のような構造を得る。
最後に、層間絶縁膜の堆積、接続孔、金属配線等(いずれも不図示)を、必要に応じて形成し、半導体装置を得る。
nチャネルFinFETのチャネルは(001)結晶面に、pチャネルFinFETのチャネルは(110)結晶面になり、それぞれ最大のキャリア移動度を有するトランジスタになる。このため、高性能なCMOS回路を実現できる。
図7は、本発明の第2の実施例の構成を示す図である。図7において、図中の面方位は、各直線を通りウェハ面(紙面)に垂直な面の方位を示す。表面の結晶面が(100)面であるシリコン単結晶薄膜を有するSOI基板を用いている。
(100)面上には、<100>結晶軸と<110>結晶軸とが45度ないし135度の角度をなして存在する。
<100>軸に垂直なFinを形成すると、その壁面は(100)面であり、ここにnチャネルFinFETを形成する。
<110>軸に垂直なFinを形成すると、その壁面は(110)面であり、ここにpチャネルFinFETを形成する。かかる構成の本実施例は、前記第1の実施例と同様に高性能のCMOSを得ることが出来る。
上記実施例では、SOIウェハを例に説明したが、バルクシリコンウェハを用いても同様の効果が得られることは勿論である。高性能のCMOSを実現する本発明は、高性能MPU等に用いるCMOS半導体装置に用いて好適とされる。
以上、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
10 シリコン支持基板
11 埋込酸化膜
12 シリコン単結晶層
20 N型FinFET
21 n+ソース拡散層
22 n+ドレイン拡散層
30 P型FinFET
31 p+ドレイン拡散層
32 p+ソース拡散層
41 ゲート電極
11 埋込酸化膜
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20 N型FinFET
21 n+ソース拡散層
22 n+ドレイン拡散層
30 P型FinFET
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32 p+ソース拡散層
41 ゲート電極
Claims (6)
- (110)面上、<110>軸に垂直な壁面である(110)面にpチャネルFinFETを備え、<001>軸に垂直な壁面である(001)面に、nチャネルFinFETを備えている、ことを特徴とする半導体装置。
- 基板表面の結晶面が(110)面である、壁状のシリコン単結晶層を備え、
(110)基板面上、<110>軸に垂直な壁面である(110)面にpチャネルFinFETを備え、<001>軸に垂直な壁面である(001)面に、nチャネルFinFETを備えている、ことを特徴とする半導体装置。 - <001>軸に垂直な壁面である(001)面に、nチャネルFinFETを備え、ゲート電極が、pチャネルFinFET、nチャネルFinFETが形成される壁面を<110>軸、<001>軸方向に、ゲート酸化膜を介して、それぞれ延在され、壁面の両側にチャネルが形成される、ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- 壁状のシリコン単結晶層の平面形状が、pチャネルFinFET、nチャネルFinFETのドレイン同士が接続された当接点を折曲点として、pチャネルFinFET、nチャネルFinFETが2方にそれぞれ延在されて、それぞれ対応する電源に接続され、前記ゲート電極が、2方に延在されたpチャネルFinFET、nチャネルFinFETのそれぞれのチャネル領域で交差する形状とされ、CMOS回路を構成してなる、ことを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
- (100)面上、<110>軸に垂直の壁面である(110)面にpチャネルFinFETを備え、<100>軸に垂直な壁面である(100)面にnチャネルFinFETを備えている、ことを特徴とする半導体装置。
- 前記FinFETは、SOI(シリコンオンインシュレータ)のシリコン単結晶層又はバルクシリコンウェハに形成される、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一に記載の半導体装置。
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