JP2008004910A - Manufacturing method of strain multi-gate transistor and device obtained therefrom - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the mobility in a multi-gate device by introducing strain to the multi-gate device, thereby controlling and alleviating this strain for NMOS or PMOS. <P>SOLUTION: There is provided a method of alleviating strain in a multi-gate device, including the steps of: providing a substrate including a strain material; patterning a plurality of fins in the strain material; defining a first area including at least one fin; defining a second area including at least one fin; forming a diffusion barrier layer on a first area; and performing hydrogen annealing so as to alleviate the strain material of at least one fin of the second area. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、一般には、マルチゲートデバイスのような半導体装置の性能改良に関する。   The present invention generally relates to improving the performance of semiconductor devices such as multi-gate devices.

特に、本発明は、それらのマルチゲートデバイス中で、移動度を向上させる方法に関する。   In particular, the present invention relates to a method for improving mobility in these multi-gate devices.

シリコンMOS半導体デバイスの小型化は、半導体産業における主たる挑戦である。初期においては、デバイスの幾何学的な縮小は、集積回路(IC)の製造の多くの改良を与えたのに対し、今日の新技術、方法、及び材料は90nm技術ノードを超えて導入される必要がある。   Miniaturization of silicon MOS semiconductor devices is a major challenge in the semiconductor industry. In the early days, device geometric reductions have provided many improvements in integrated circuit (IC) manufacturing, while today's new technologies, methods, and materials are introduced beyond the 90 nm technology node. There is a need.

従来のプレーナ型デバイスを小型化する際の1つの大きな問題は、デバイス性能を支配し始める短チャネル効果である。この問題の解決は、マルチゲート電界効果型トランジスタ(MUGFET)によりもたらされる。薄いシリコンフィンの周囲で覆われたゲートを有する、その3次元構造により、チャネルを超える改良されたゲート制御(およびこれによる少ない短チャネル効果)が、マルチゲートの使用により達成できた。   One major problem in miniaturizing conventional planar devices is the short channel effect that begins to dominate device performance. The solution to this problem comes from multi-gate field effect transistors (MUGFETs). Due to its three-dimensional structure with the gate covered around thin silicon fins, improved gate control over the channel (and thus less short channel effect) could be achieved by using multi-gates.

しかしながら、この新しいデバイス構造の導入により新しい問題が発生した。この問題の1つは、デバイス中でのキャリアの移動度である。フィンの上面と側面の異なった結晶方位により、電子とホールに対する移動度の違いが見られる。<110>ノッチを有する標準(100)ウエハ表面を用いる場合、nMOSのMUGFET中の電子の移動度は、好ましくない側壁表面の結晶方位により、十分に障害を生じる。最大の貢献は、(100)/<110>のオリエンテーション/方位を有するそれらの側壁表面から生じるが、これは電子の移動度にとっては最悪である。nMOSのMUGFETの上面における(100)/<110>のオリエンテーション/方位は、しかしながら、電子の移動度に対して非常に有用である。しかしながら、pMOSのMUGFETに対しては、反対の現象が起きる。側壁における(100)/<110>のオリエンテーション/方位が、ホールの移動度に対して非常に有用な場合、上面における(100)/<110>のオリエンテーション/方位は、好ましくない。   However, the introduction of this new device structure has created new problems. One problem is carrier mobility in the device. Due to the different crystal orientations on the top and side surfaces of the fin, there is a difference in mobility for electrons and holes. When using a standard (100) wafer surface with <110> notches, the mobility of electrons in the nMOS MUGFET is sufficiently disturbed by the undesirable sidewall surface crystallographic orientation. The greatest contribution comes from those sidewall surfaces that have an orientation / orientation of (100) / <110>, which is the worst for electron mobility. The orientation / azimuth of (100) / <110> on the top surface of an nMOS MUGFET, however, is very useful for electron mobility. However, the opposite phenomenon occurs for pMOS MUGFETs. If the (100) / <110> orientation / azimuth on the sidewall is very useful for hole mobility, the (100) / <110> orientation / azimuth on the top surface is not preferred.

異なった可能性が、同じ原理に従って、nMOSとpMOS双方のMUGFETで移動度を向上させるために提案されてきた。即ち、電子とホール双方の移動度を向上させるために、歪を導入することである。それらの解決のために、フィンの半導体材料が、応力に対する電荷の移動度の、結晶オリエンテーション依存感度を有することを心にとめておく必要がある。標準の(100)/<110>基板上の、nMOSデバイスについては、チャネルに沿った平行方向の引っ張り応力と、ウエハ表面に対して垂直方向の圧縮応力が有用である。pMOSデバイスに対しては反対で、チャネルに沿った平行方向の圧縮応力と、ウエハ表面に対して垂直方向の引っ張り応力が有用である。   Different possibilities have been proposed to improve mobility in both nMOS and pMOS MUGFETs, following the same principle. That is, in order to improve the mobility of both electrons and holes, strain is introduced. In order to solve these problems, it is necessary to bear in mind that the semiconductor material of the fin has a crystal orientation-dependent sensitivity of charge mobility to stress. For nMOS devices on a standard (100) / <110> substrate, parallel tensile stress along the channel and compressive stress perpendicular to the wafer surface are useful. Contrary to pMOS devices, parallel compressive stress along the channel and tensile stress perpendicular to the wafer surface are useful.

歪は、チャネルに対して2つの方法で導入できる。2軸全体歪(biaxial global strain)又は1軸局所歪(uniaxial local strain)である。   Distortion can be introduced into the channel in two ways. Biaxial global strain or uniaxial local strain.

前者は、基板誘起歪とも呼ばれるJ. Wesler らの論文、"NMOS and PMOS Transistors Fabricated in Strained Silicon/Relaxed Silicon-Germanium Structures", Electron Devices Meeting, 1992 Technical Digest (1992年12月13日)の、31.7.1頁から31.7.3頁に説明されているように、従来知られている2軸全体歪は、歪シリコン(Si)表面層を有する傾斜シリコンゲルマニウム(SiGe)基板の導入である。緩和Siに比較して緩和SiGeの格子定数は高いため、Si格子はSiGe格子に揃うようになり、結果として、Si表面層に2軸引っ張り歪がかかり、これは、この歪んだSi層に形成されたチャネル領域にもかかる。2軸歪により、この技術はpMOSとnMOSの双方のデバイスにおいて有用である。しかしながら、不利な点は、より短いゲート長による性能の低下である。   The former is 31.7 of J. Wesler et al., “NMOS and PMOS Transistors Fabricated in Strained Silicon / Relaxed Silicon-Germanium Structures”, Electron Devices Meeting, 1992 Technical Digest (December 13, 1992), also called substrate-induced strain. As explained on pages .1 to 31.7.3, the conventionally known biaxial total strain is the introduction of a tilted silicon germanium (SiGe) substrate having a strained silicon (Si) surface layer. Since the lattice constant of relaxed SiGe is higher than that of relaxed Si, the Si lattice becomes aligned with the SiGe lattice, and as a result, a biaxial tensile strain is applied to the Si surface layer, which is formed in this strained Si layer. This also applies to the channel region. Due to biaxial strain, this technology is useful in both pMOS and nMOS devices. However, the disadvantage is the performance degradation due to the shorter gate length.

2軸全体歪の他の可能性は、絶縁基板上の歪シリコン(SSOI)の使用である。これは、E. Augendreらの "On the scalability of source/drain current enhancement in thin film sSOI", Proceedings of 35th European Solid-State Device Research Conference 2005 (ESSDERC 2005, 2005年9月12-16日), 301頁から304頁に示されている。歪シリコン・オン・インシュレータ(SSOI)基板を使用することにより、SOI基板を使用する利点(改良された絶縁性、寄生容量の低減)と、歪シリコンを使用する利点(移動度の増大)が、結合される。しかしながら、この場合、nMOSデバイスのみがよりよい性能を示す。   Another possibility for biaxial overall strain is the use of strained silicon (SSOI) on an insulating substrate. This is the result of E. Augendre et al. "On the scalability of source / drain current enhancement in thin film sSOI", Proceedings of 35th European Solid-State Device Research Conference 2005 (ESSDERC 2005, September 12-16, 2005), 301. From page to page 304. By using a strained silicon-on-insulator (SSOI) substrate, the advantages of using an SOI substrate (improved insulation, reduced parasitic capacitance) and the advantages of using strained silicon (increased mobility) Combined. However, in this case, only the nMOS device shows better performance.

他の可能性としては、絶縁基板上のシリコンゲルマニウム(SGOI)の使用がある。これは、T. Irisawaらの "High current drive uniaxially-strained SGOI for pMOSFETs fabricated by lateral strain relaxation technique", Symposium of VLSI Technology Digest of Technical Papers 2005 (2006年6月14-16日), 178頁から179頁に示されている。SGOI基板は、SOI基板を使用する利点(改良された絶縁性、寄生容量の低減)と、SiGe技術を使用する利点(移動度の増大)とを併せ持つ。しかしながら、この場合は、pMOSデバイスのみがよりよい性能を示す。   Another possibility is the use of silicon germanium (SGOI) on an insulating substrate. This is because T. Irisawa et al., “High current drive uniaxially-strained SGOI for pMOSFETs fabricated by lateral strain relaxation technique”, Symposium of VLSI Technology Digest of Technical Papers 2005 (June 14-16, 2006), 178-179. It is shown on the page. SGOI substrates combine the advantages of using SOI substrates (improved insulation, reduced parasitic capacitance) and the advantages of using SiGe technology (increased mobility). However, in this case, only the pMOS device shows better performance.

1軸局所歪を導入した場合、異なったアプローチが探求される。   Different approaches are explored when uniaxial local strain is introduced.

1つのアプローチは、MUGFETの上に応力ライナを導入することである。これは、Collaertらの論文 "Performance improvement of tall triple gate devices with strained SiN layers", Electron Devices Letters IEEE (2005年11月), Volume 26, Issue 11, 820頁から82頁に説明されている。   One approach is to introduce a stress liner on top of the MUGFET. This is described in Collaert et al., "Performance improvement of tall triple gate devices with strained SiN layers", Electron Devices Letters IEEE (November 2005), Volume 26, Issue 11, pages 820-82.

トランジスタの上にコンタクト・エッチ・ストップ窒化シリコン層(CESL)を形成することにより、チャネル領域に歪を導入することができる。pMOSの場合、引っ張り層と圧縮層が、改良されたデバイス特性を示す。一方、nMOSの場合、引っ張り層のみが、高い性能を与える。デュアルCESLアプローチでは、双方のタイプの応力がCMOSデバイス中に導入される。この技術の主な不利益は、圧縮および引っ張りCESLの双方を堆積するのに必要な追加のプロセス工程にある。   By forming a contact etch stop silicon nitride layer (CESL) over the transistor, strain can be introduced into the channel region. In the case of pMOS, the tension layer and the compression layer exhibit improved device characteristics. On the other hand, in the case of nMOS, only the tensile layer provides high performance. In the dual CESL approach, both types of stress are introduced into the CMOS device. The main disadvantage of this technique lies in the additional process steps required to deposit both compressive and tensile CESL.

第2のアプローチは、MUGFETデバイスのソースおよびドレイン領域に、リセスの歪んだSiGeを導入することである。これは、P. Verheyenらの "25% drive current improvement for p-type multiple gate FET (MuGFET) devices by the introduction of recessed Si0.8Ge0.2 in the source and drain regions", Symposium of VLSI Technology Digest of Technical Papers 2005 (2006年6月14-16日), 194頁から195頁に示されている。シリコン基板をエッチングすることにより、リセスが形成され、そのリセスの中に選択成長SiGeが形成される。Siに比較してSiGeのより大きな格子定数により、ソース/ドレイン領域の間のチャネル領域が、1軸圧縮応力の下におかれ、これはpMOSデバイスに対してのみ有用である。 The second approach is to introduce recessed strained SiGe into the source and drain regions of the MUGFET device. This is the result of P. Verheyen et al. "25% drive current improvement for p-type multiple gate FET (MuGFET) devices by the introduction of recessed Si 0.8 Ge 0.2 in the source and drain regions", Symposium of VLSI Technology Digest of Technical Papers. 2005 (June 14-16, 2006), pages 194-195. A recess is formed by etching the silicon substrate, and selectively grown SiGe is formed in the recess. The larger lattice constant of SiGe compared to Si places the channel region between the source / drain regions under uniaxial compressive stress, which is only useful for pMOS devices.

従来技術で見出された、全ての提案した方法の主な欠点は、多くの場合、多数キャリア(例えば、応力源がSSOIの場合の、n型MUGFETトランジスタにおける電子)の移動度のみが高くなり、一方で、他の少数キャリア(例えば、応力源がSSOIの場合の、n型MUGFETトランジスタにおけるホール)の移動度は、等しいままか低くなることである。それゆえに、NMOSおよびPMOSの双方に対して、同時に移動度を高くすることができる方法が、いまだ必要とされる。   The main drawback of all the proposed methods found in the prior art is that in many cases only the mobility of majority carriers (eg electrons in n-type MUGFET transistors when the stress source is SSOI) is high. On the other hand, the mobility of other minority carriers (eg, holes in an n-type MUGFET transistor when the stress source is SSOI) remains equal or lower. Therefore, there is still a need for a method that can simultaneously increase the mobility for both NMOS and PMOS.

従来技術で見出された、全ての提案した方法の第2の欠点は、応力源の手段により歪(更なる歪)を導入することにより、NMOS中またはPMOS中の歪を増大するための解決策が求められることである。このため、制御された方法で、歪んだ材料中の歪を選択的に減少させる方法が必要となる。
J. Wesler et al. "NMOS and PMOS Transistors Fabricated in Strained Silicon/Relaxed Silicon-Germanium Structures", Electron Devices Meeting, 1992 Technical Digest (Dec. 13, 1992) pp. 31.7.1-31.7.3
A second drawback of all proposed methods found in the prior art is a solution to increase the strain in NMOS or PMOS by introducing strain (further strain) by means of a stress source A measure is required. For this reason, there is a need for a method that selectively reduces strain in a distorted material in a controlled manner.
J. Wesler et al. "NMOS and PMOS Transistors Fabricated in Strained Silicon / Relaxed Silicon-Germanium Structures", Electron Devices Meeting, 1992 Technical Digest (Dec. 13, 1992) pp. 31.7.1-31.7.3

本発明の形態の1の目的は、マルチゲートデバイスに歪を導入することにより、そしてNMOSまたはPMOSに対してこの歪を制御しながら緩和することにより、マルチゲートデバイス中の移動度を増大させる方法を導入することである。   One object of embodiments of the present invention is a method of increasing mobility in a multi-gate device by introducing strain into the multi-gate device and mitigating this strain in a controlled manner for NMOS or PMOS. Is to introduce.

1の形態では、マルチゲートデバイス中の歪を緩和する方法が記載されている。かかる方法は、歪材料を有する基板を提供する工程と、歪材料中に複数のフィンをパターニングする工程と、少なくとも1つのフィンを含む第1領域を規定する工程と、少なくとも1つのフィンを含む第2領域を規定する工程と、第1領域上に、拡散バリア層を形成する工程と、第2領域の少なくとも1つのフィンの歪材料が緩和されるように、水素アニールを行う工程とを含む。   In one form, a method for mitigating strain in a multi-gate device is described. Such a method includes providing a substrate having a strained material, patterning a plurality of fins in the strained material, defining a first region including at least one fin, and a first including at least one fin. A step of defining two regions, a step of forming a diffusion barrier layer on the first region, and a step of performing hydrogen annealing so that the strain material of at least one fin in the second region is relaxed.

本発明の拡散バリア層は、窒化物を含んでも良い。代わりに、拡散バリア層は、コンタクト・エッチ・ストップ層(CESL)であっても良い。このコンタクト・エッチ・ストップ層は、引っ張り歪または圧縮歪であっても良い。   The diffusion barrier layer of the present invention may contain a nitride. Alternatively, the diffusion barrier layer may be a contact etch stop layer (CESL). This contact etch stop layer may be tensile strain or compressive strain.

拡散バリア層の厚みは、一般には、水素アニールのアニールパラメータに依存する。水素アニールのアニールパラメータは、例えば、温度、圧力、濃度、時間から選択されるのが好ましい。拡散バリア層の厚みは、5nmから50nmの範囲であることが好ましい。   The thickness of the diffusion barrier layer generally depends on the annealing parameters of hydrogen annealing. The annealing parameters for hydrogen annealing are preferably selected from, for example, temperature, pressure, concentration, and time. The thickness of the diffusion barrier layer is preferably in the range of 5 nm to 50 nm.

具体例では、拡散バリア層の厚みは、水素が拡散バリア層を通り抜けないように選択される。歪材料は、水素アニールによって影響されない。第1領域の少なくとも1つのフィンの歪材料は、水素アニール工程の後においても変わらないで残る。   In a specific example, the thickness of the diffusion barrier layer is selected so that hydrogen does not pass through the diffusion barrier layer. The strained material is not affected by hydrogen annealing. The strain material of the at least one fin in the first region remains unchanged after the hydrogen annealing step.

他の具体例では、拡散バリア層の厚みは、水素アニールによって歪材料が部分的に緩和されるように選択される。水素アニール工程の後に、第1領域の少なくとも1つのフィン中の歪材料が、部分的に緩和される。   In other embodiments, the thickness of the diffusion barrier layer is selected so that the strained material is partially relaxed by hydrogen annealing. After the hydrogen annealing step, the strained material in the at least one fin of the first region is partially relaxed.

マルチゲートデバイス中の歪を緩和する方法は、水素アニール工程を基礎とする。水素アニール工程は、900℃またはそれ以下で行われるのが好ましい。1の具体例では、水素アニールのために最も好ましい温度は、更に、拡散バリア層の厚みにも依存する。   A method for relieving strain in a multi-gate device is based on a hydrogen annealing process. The hydrogen annealing step is preferably performed at 900 ° C. or lower. In one embodiment, the most preferred temperature for hydrogen annealing also depends on the thickness of the diffusion barrier layer.

水素アニール工程は、1分から5分の範囲内の時間で行われるのが好ましい。1の具体例では、水素アニールに最も好ましい時間は、更に、拡散バリア層の厚みにも依存する。   The hydrogen annealing step is preferably performed in a time within a range of 1 minute to 5 minutes. In one embodiment, the most preferred time for hydrogen annealing also depends on the thickness of the diffusion barrier layer.

他の具体例では、本発明の基板は歪材料を含み、この歪材料は歪シリコンを含む。歪材料はまたSiGeであっても良い。   In other embodiments, the substrate of the present invention includes a strained material, which includes strained silicon. The strained material may also be SiGe.

1の具体例では、基板はSSOI基板である。他の具体例では、基板はSGOI基板である。   In one specific example, the substrate is an SSOI substrate. In other embodiments, the substrate is an SGOI substrate.

1の具体例では、第1領域がNMOS領域であり、第2領域がPMOS領域である。この具体例では、PMOS領域の歪は、水素アニール工程により緩和される。   In one specific example, the first region is an NMOS region and the second region is a PMOS region. In this specific example, the strain in the PMOS region is relaxed by the hydrogen annealing process.

他の具体例では、第1領域がPMOS領域であり、第2領域がNMOS領域である。この具体例では、水素アニール工程により、NMOS領域の歪が緩和される。   In another specific example, the first region is a PMOS region and the second region is an NMOS region. In this specific example, the distortion of the NMOS region is alleviated by the hydrogen annealing step.

本発明の1またはそれ以上の具体例は、添付された図面を参照しながら詳細に説明されるが、本発明はこれに限定されるものではない。記載された図面は単なる模式図であり、限定するものではない。図面において、要素のいくつかの大きさは、図示するために拡張され、実際の大きさには記載されていない。当業者は、本発明の範囲により含まれた本発明の多くの変形や修正に気づくであろう。このように、ある発明的な具体例の以下の記載は、本発明の範囲を限定するものと思ってはいけない。   One or more embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited thereto. The drawings described are only schematic and are non-limiting. In the drawings, the size of some of the elements are expanded for illustrative purposes and are not described in actual sizes. Those skilled in the art will be aware of many variations and modifications of this invention that are encompassed by its scope. Thus, the following description of certain inventive embodiments should not be considered as limiting the scope of the invention.

更に、明細書や請求の範囲中の、第1、第2等の用語は、類似した要素の間の区別のために使用され、連続したまたは時間の順を表す必要は無い。この用語は、適当な状況下で置換可能なように使用されること、ここに記載された本発明の具体例はここに記載され、表されたのとは異なった順に使用可能であることを理解すべきである。   Furthermore, the terms first, second, etc. in the specification and claims are used to distinguish between similar elements and need not represent a continuous or time sequence. This term is used interchangeably under appropriate circumstances, and the embodiments of the invention described herein can be used in an order different from that described and represented herein. Should be understood.

請求の範囲で使用される「含む(comprising)」の用語は、それ以降に挙げられた手段に限定することを意味するものと解釈すべきでなく、他の要素や工程を排除するものではない。このように、「A手段とB手段とを含むデバイス」の表現の範囲は、A成分とB成分のみからなるデバイスに限定されるべきではない。本発明に関しては、デバイスの意味のある成分は、AとBであることを意味する。   The term “comprising”, used in the claims, should not be interpreted as being restricted to the means listed thereafter; it does not exclude other elements or steps. . Thus, the range of the expression “a device including the A means and the B means” should not be limited to a device including only the A component and the B component. In the context of the present invention, the meaningful components of the device mean A and B.

この出願で言及される「拡散バリア層」の用語は、水素アニール工程中に、水素を完全にまたは部分的に遮る層を定義するために使用される。もし、拡散バリア層が完全に水素を遮断した場合、水素はこの拡散バリア層を通って拡散できない。これは、(拡散バリア層の下に配置され、拡散バリア層により水素環境から分離された)下層の材料が、水素によって影響されないことを意味する。もし、拡散バリア層が部分的に水素を遮断した場合、水素は、この拡散バリア層を通って部分的に拡散することができる。これは、(拡散バリア層の下に配置され、拡散バリア層により水素環境から分離された)下層の材料が、水素により影響されることを意味する。   The term “diffusion barrier layer” referred to in this application is used to define a layer that completely or partially blocks hydrogen during the hydrogen annealing step. If the diffusion barrier layer completely blocks hydrogen, hydrogen cannot diffuse through this diffusion barrier layer. This means that the underlying material (disposed below the diffusion barrier layer and separated from the hydrogen environment by the diffusion barrier layer) is not affected by hydrogen. If the diffusion barrier layer partially blocks hydrogen, the hydrogen can partially diffuse through the diffusion barrier layer. This means that the underlying material (disposed below the diffusion barrier layer and separated from the hydrogen environment by the diffusion barrier layer) is affected by hydrogen.

プレーナ型の電解効果トランジスタは、ウエハ表面の平面にあるチャネルと、チャネルと同じ平面にあるこのウエハ表面の上に配置されたゲートとからなる。本発明は、マルチゲート電界効果トランジスタ(MUGFET)に関する。マルチゲート電界効果トランジスタを作製するために、半導体材料(例えば、Si、SiGe)がパターニングされて、フィン形状のボディが形成される。このフィン形状のボディのために、マルチゲートデバイスは、しばしば、フィンFET(finfet)デバイスと呼ばれる。フィンは、ウエハ/基板表面の上に立てられる。フィンは、その幅(W)、高さ(H)、および長さ(L)により定義され、上面、底面、および2つの側壁面を含む。ゲート電極は、フィンのチャネル領域の周囲に巻かれる。ゲート電極の形状によって、マルチゲート電界効果トランジスタを定義することができる。ダブルゲートフィンFETは、ゲートが、フィンの2つの側壁面の導電性のみを制御する、マルチゲートデバイスである。このようなデバイスは、またダブルゲートデバイスと呼ばれる。オメガゲートフィンFET(ΩゲートフィンFET)は、ゲートが、2つの側壁面とフィンの上面の導電性を制御するマルチゲートデバイスである。UゲートフィンFETは、ゲートが、2つの側壁面とフィンの底面の導電性を制御するマルチゲートデバイスである。円形ゲートフィンFETは、ゲートが、フィンの2つの側壁面、フォンの上面、およびフィンの底面の導電性を制御するマルチゲートデバイスである。   A planar field effect transistor comprises a channel in the plane of the wafer surface and a gate disposed on the wafer surface in the same plane as the channel. The present invention relates to multi-gate field effect transistors (MUGFETs). In order to produce a multi-gate field effect transistor, a semiconductor material (eg, Si, SiGe) is patterned to form a fin-shaped body. Because of this fin-shaped body, multi-gate devices are often referred to as finfet devices. The fins are raised on the wafer / substrate surface. A fin is defined by its width (W), height (H), and length (L) and includes a top surface, a bottom surface, and two sidewall surfaces. The gate electrode is wrapped around the fin channel region. A multi-gate field effect transistor can be defined depending on the shape of the gate electrode. A double-gate fin FET is a multi-gate device where the gate controls only the conductivity of the two sidewall surfaces of the fin. Such a device is also called a double gate device. An omega gate fin FET (Ω gate fin FET) is a multi-gate device where the gate controls the conductivity of the two sidewall surfaces and the top surface of the fin. A U-gate fin FET is a multi-gate device where the gate controls the conductivity of the two sidewall surfaces and the bottom surface of the fin. A circular gate fin FET is a multi-gate device where the gate controls the conductivity of the two sidewall surfaces of the fin, the top surface of the phone, and the bottom surface of the fin.

MUGFETは、シリコン・オン・インシュレータ基板(SOI)上に作製できる。SOI基板は、注入酸素による分離(IMOX)やウエハの貼り合わせのような、異なった方法でも作製できる。基板に歪を導入するために、歪シリコン・オン・インシュレータ基板(SSOI)や緩和Si1−XGa・オン・インシュレータ(SGOI)を用いても良い。 A MUGFET can be fabricated on a silicon-on-insulator substrate (SOI). The SOI substrate can be manufactured by different methods such as separation by implanted oxygen (IMOX) and wafer bonding. To introduce distortion to the substrate, it may be used strained silicon-on-insulator substrate (SSOI) or relaxed Si 1-X Ga X · on-insulator (SGOI).

歪シリコン・オン・インシュレータ基板(SSOI)は、シリコン・オン・インシュレータ基板(SOI)を使用した場合の長所(改良された絶縁性、寄生容量の低減)と、歪基板を使用した場合の長所(移動度の増大)とを併せ持つ。絶縁層は、歪シリコン層とバルク基板との間に形成される。基板は、例えば、シリコンから形成されても良い。歪シリコン層は、例えば10nmから50nmの範囲内の厚みを有する。絶縁層は、一般には、膜厚が例えば130nmのSiOである。 The strained silicon-on-insulator substrate (SSOI) has the advantages of using a silicon-on-insulator substrate (SOI) (improved insulation and reduced parasitic capacitance) and the advantages of using a strained substrate (SOI) ( (Increased mobility). The insulating layer is formed between the strained silicon layer and the bulk substrate. The substrate may be made of silicon, for example. The strained silicon layer has a thickness in the range of 10 nm to 50 nm, for example. The insulating layer is generally SiO 2 having a thickness of, for example, 130 nm.

緩和Si1−XGa・オン・インシュレータ(SGOI)基板は、シリコン・オン・インシュレータ基板(SOI)を使用した場合の長所(改良された絶縁性、寄生容量の低減)と、SiGe技術を用いた場合の長所(移動度の増大)とを併せ持つ。絶縁層は、Si1−XGa層とバルクシリコン基板との間に形成される。緩和Si1−XGa層は、例えば10nmから50nmの範囲内の厚みを有する。絶縁層は、一般には、膜厚が例えば130nmのSiOである。更に、シリコン層を、SGOI基板の上に結晶成長しても良い。SiとSiGeとの間の格子常数の不整合により、シリコン層は引っ張り歪の下にある。また、歪SiGe層を、SGOI基板の上に結晶成長しても良い。 Use relaxed Si 1-X Ga X · on-insulator (SGOI) substrate, the advantages of using a silicon-on-insulator substrate (SOI) and (improved insulation, reduction in parasitic capacitance), the SiGe technology Together with the advantages (increased mobility). The insulating layer is formed between the Si 1-X Ga X layer and the bulk silicon substrate. The relaxed Si 1-X Ga X layer has a thickness in the range of, for example, 10 nm to 50 nm. The insulating layer is generally SiO 2 having a thickness of, for example, 130 nm. Furthermore, a silicon layer may be crystal-grown on the SGOI substrate. Due to the lattice constant mismatch between Si and SiGe, the silicon layer is under tensile strain. Further, the strained SiGe layer may be crystal-grown on the SGOI substrate.

本発明は、マルチゲートデバイス中で歪を制御して緩和する方法を提供する。基板の歪材料中でフィンをパターニングした後、第1領域および第2領域が定義され、それぞれが少なくとも1つのフィンを含む。次の工程では、拡散バリア層が、第1領域上に堆積され、水素アニールが行われ、拡散バリア層で覆われていない第2領域の歪材料中の歪が緩和される。   The present invention provides a method for controlling and mitigating strain in a multi-gate device. After patterning the fins in the strained material of the substrate, a first region and a second region are defined, each including at least one fin. In the next step, a diffusion barrier layer is deposited on the first region and a hydrogen anneal is performed to relieve strain in the strained material in the second region that is not covered by the diffusion barrier layer.

本発明の各工程は、図1を参照しながら、より詳細に述べられる。   Each step of the present invention is described in more detail with reference to FIG.

出発材料は、バルク層101、絶縁層102、および歪材料103を含む基板100である(図1a)。歪材料は、好ましくは、歪Siまたは歪SiGeから選ばれる。基板は、例えば、SSOI基板、歪Si表面層を有するSGOI基板、歪Si表面層を有する傾斜SiGe基板でも良い。代わりに、回転したノッチを有する基板が、デバイス中の移動度を更に大きくするために使用されても良い。   The starting material is a substrate 100 comprising a bulk layer 101, an insulating layer 102, and a strained material 103 (FIG. 1a). The strained material is preferably selected from strained Si or strained SiGe. The substrate may be, for example, an SSOI substrate, an SGOI substrate having a strained Si surface layer, or a tilted SiGe substrate having a strained Si surface layer. Alternatively, a substrate with a rotated notch may be used to further increase mobility in the device.

フォトリソグラフィ工程や、規定されたフィンのスペーサをパターニングするためのスペーサ技術を用いて、歪基板中に、複数のフィン103がパターニングされる(図1b)。少なくとも2つのフィンが、パターニングされる必要がある。この点で、全てのフィンは歪材料103を含む。フィンの幅と高さは、技術ノードに依存する。フィンの幅は、例えば、10nmから50nmの範囲内であっても良い。フィンの高さは、例えば、10nmから60nmの範囲内であっても良い。例えば、32nmの技術ノードでは、フィン幅は10nmから20nmであり、フィン高さは約60nmである。   A plurality of fins 103 are patterned in the strained substrate using a photolithography process or a spacer technique for patterning defined fin spacers (FIG. 1b). At least two fins need to be patterned. In this regard, all fins include strained material 103. The width and height of the fin depends on the technology node. The width of the fin may be within a range of 10 nm to 50 nm, for example. The height of the fin may be in the range of 10 nm to 60 nm, for example. For example, for a 32 nm technology node, the fin width is 10 nm to 20 nm and the fin height is about 60 nm.

次の工程(図1c)では、第1領域103aが少なくとも1つのフィンを含むように規定され、第2領域103bが少なくとも他のフィンを含むように規定される。第1領域103aと第2領域103bを規定するこの工程の後において、第1領域および第2領域の全てのフィンは、歪材料を含む。   In the next step (FIG. 1c), the first region 103a is defined to include at least one fin, and the second region 103b is defined to include at least another fin. After this step of defining the first region 103a and the second region 103b, all the fins in the first region and the second region contain strained material.

次の工程では、拡散バリア層104が、少なくとも、第1領域103a上のパターニングされたフィンの上に提供される(図1c)。拡散バリア層は、窒化物を含んでも構わない。堆積は、例えばLP−CVD、プラズマ強化CVD、又は他の公知の堆積技術のような、CVDにより行われる。拡散バリア層の膜厚は、水素アニールパラメータに依存する。   In the next step, a diffusion barrier layer 104 is provided at least over the patterned fins on the first region 103a (FIG. 1c). The diffusion barrier layer may contain nitride. Deposition is performed by CVD, such as LP-CVD, plasma enhanced CVD, or other known deposition techniques. The thickness of the diffusion barrier layer depends on the hydrogen annealing parameters.

次の工程では、水素(H)アニールが行われる(図1d)。このHアニール中に、拡散バリア層104で覆われていない、第2領域103bの少なくとも1つのフィン中の歪材料が、リフローされて歪が緩和される。水素アニール(図1f)の後、第1領域103中の歪材料は歪んだままであり、一方、第2領域105の歪材料中の歪は緩和される。拡散バリア層104の厚みは、例えば温度、時間、濃度、圧力のような、水素アニール工程のパラメータに依存する。好適には、拡散バリア層104で覆われた、第1領域103a中の少なくとも1つのフィン中の歪材料の歪に水素が影響しないように、水素アニールの温度と時間が選択される。これは、拡散バリア領域104が、完全に水素を遮断することを意味する。フィンの幅に応じて、水素アニールのパラメータは、歪材料のリフローを確実にするために、適用されなければならない。より小さなフィン幅では、歪材料を緩和するために、水素アニールからより小さな熱量を必要とする。好適には、水素アニールは、900℃またはそれ以下であり、1分から5分の範囲の時間で行われる。より好適には、フィンの幅は10nmと50nmとの間であり、水素アニールは900℃で2分間行われる。しかしながら、また、拡散バリア層の厚みを調整することにより、大体の水素がこの拡散バリア層で遮断され、この結果、拡散バリア層により覆われた歪材料中の大体の歪が緩和される。このように、拡散バリア層は、拡散バリア層の下の歪材料に水素が流れるのを完全にまたは部分的に遮断するために使用され、これにより、歪み材料中の歪を緩和する。歪緩和の量は、水素アニールパラメータ、例えば、圧力、温度、濃度、時間に依存する。 In the next step, hydrogen (H 2 ) annealing is performed (FIG. 1d). During this H 2 annealing, the strained material in the at least one fin of the second region 103b that is not covered by the diffusion barrier layer 104 is reflowed to relieve the strain. After hydrogen annealing (FIG. 1f), the strained material in the first region 103 remains distorted, while the strain in the strained material in the second region 105 is relaxed. The thickness of the diffusion barrier layer 104 depends on parameters of the hydrogen annealing process, such as temperature, time, concentration, and pressure. Preferably, the temperature and time of hydrogen annealing are selected so that hydrogen does not affect the strain of the strained material in the at least one fin in the first region 103a covered with the diffusion barrier layer 104. This means that the diffusion barrier region 104 completely blocks hydrogen. Depending on the fin width, hydrogen annealing parameters must be applied to ensure reflow of the strained material. Smaller fin widths require a smaller amount of heat from hydrogen annealing to relax the strained material. Preferably, the hydrogen anneal is 900 ° C. or lower and is performed for a time in the range of 1 to 5 minutes. More preferably, the fin width is between 10 nm and 50 nm and the hydrogen anneal is performed at 900 ° C. for 2 minutes. However, by adjusting the thickness of the diffusion barrier layer, almost hydrogen is blocked by the diffusion barrier layer, and as a result, the general strain in the strained material covered by the diffusion barrier layer is alleviated. Thus, the diffusion barrier layer is used to completely or partially block hydrogen from flowing into the strained material under the diffusion barrier layer, thereby mitigating strain in the strained material. The amount of strain relaxation depends on the hydrogen annealing parameters such as pressure, temperature, concentration, and time.

好ましい具体例では、拡散バリア層104は、例えばSiNやSiONのような窒化物を含む。   In a preferred embodiment, the diffusion barrier layer 104 includes a nitride such as SiN or SiON.

他の好ましい具体例では、拡散バリア層104は、コンタクト・エッチ・ストッパ層(CESL)である。CESL層は、圧縮され、または引っ張られている。CESL層は水素アニール工程中に水素を遮断する。加えて、CESL層は、また、下層の材料により多くの歪を導入する。nMOSのMUGFET中の移動度を増大させるために、CESL層は引っ張り歪であることが好ましく、一方、pMOSのMUGFET中の移動度を増大させるために、CESL層は圧縮歪であることが好ましい。   In another preferred embodiment, the diffusion barrier layer 104 is a contact etch stopper layer (CESL). The CESL layer is compressed or pulled. The CESL layer blocks hydrogen during the hydrogen annealing process. In addition, the CESL layer also introduces more strain into the underlying material. In order to increase the mobility in the nMOS MUGFET, the CESL layer is preferably tensile strain, while in order to increase the mobility in the pMOS MUGFET, the CESL layer is preferably compressive strain.

好ましい具体例では、基板は歪シリコンを含む。基板は、例えばSSOI基板、歪Si表面層を有するSGOI基板、歪Si表面層を有する傾斜SiGe基板であることが好ましい。   In a preferred embodiment, the substrate comprises strained silicon. The substrate is preferably, for example, an SSOI substrate, an SGOI substrate having a strained Si surface layer, or a tilted SiGe substrate having a strained Si surface layer.

他の好ましい具体例では、基板は、シリコンゲルマニウムを含む。基板は、例えば、SGOI基板であることが好ましい。   In another preferred embodiment, the substrate comprises silicon germanium. The substrate is preferably an SGOI substrate, for example.

図2は、マルチゲートデバイス中の歪を緩和する方法の好ましい具体例を示すフローダイアグラムである。出発材料として、SSOI基板が使用される。この具体例は、この分野の当業者よって、歪シリコンを含むいかなる基板にも簡単に適用できるであろう。フォトリソグラフィ工程や、フィンを規定するスペーサをパターニングするスペーサ技術を使用することにより、複数のフィンが、歪シリコン層にパターニングされる201。少なくとも2つのフィンが、パターニングされる必要がある。次の工程で、少なくとも1つのフィンを含むようにnMOS領域が規定され、少なくとも1つのフィンを含むようにpMOS領域が規定される202。nMOS領域およびpMOS領域を規定するこの工程の後に、pMOS領域およびnMOS領域の双方が、歪シリコンを含む。歪シリコンは、nMOS領域の少なくとも1つのフィン中の電子の移動度に有益であるが、pMOS領域の少なくとも1つのフィン中のホールの移動度には有益ではない。pMOS領域の少なくとも1つのフィン中のホールの移動度を増大させるために、pMOS領域中の歪シリコン中の歪を緩和することが、本発明の目的である。次の工程では、SiN層が、パターニングされたフィンの上に堆積される203。これは、CVDにより行われてもよい。SiN層の厚みは、温度、時間、圧力、濃度のような、水素アニール工程のパラメータに依存する。SiN層の代わりに、コンタクト・エッチ・ストップ層を使用してもかまわない。圧縮された歪コンタクト・エッチ・ストップ層を使用することにより、より多くの歪が、nMOS領域の少なくとも1つのフィンの下に導入される。続いて、酸化層がSiN層の上に堆積される204。酸化物の堆積は、CVDにより行っても良い。酸化層の厚みは、好ましくは2nmから20nmの間の範囲である。続いて、フォトレジストエッチマスクを用いて酸化層が部分的にエッチングされ、pMOS領域のために下層のSiN層が露出され、一方、nMOS領域では酸化層とSiN層が残る205。エッチング工程は、例えば5%バッファHF中で行われるような、ウエット化学エッチングにより行われるのが好ましい。この工程の後に、フォトレジストが剥がされ、pMOS領域上のSiN層が選択的にエッチングされる206。nMOS領域上の酸化層は、SiN層のエッチング用のハードマスクとして働く。このエッチングは、例えば、150℃のリン酸(HPO)中で行われるエッチングのような、ウエット化学エッチングで行われるのが好ましい。この工程の後、nMOS領域上の残った酸化層が除去される207。酸化膜を除去するこの工程は、好ましくはウエット化学エッチング工程により行われる。次の工程では、nMOS領域中の歪シリコンの少なくとも1つのフィンはいまだSiN層に覆われており、一方pMOS領域中の歪シリコンの少なくとも1つのフィンは、露出している。nMOR領域中の歪シリコンの少なくとも1つのフィンの上のSiN層は、拡散バリア層である。次の工程で、水素(H)アニールが行われる208。このHアニール中に、SiN層で覆われていない、pMOS領域中の少なくとも1つのフィン中のシリコンが、リフローされて歪が緩和される。一方、nMOS領域中の少なくとも1つのフィンでは、少なくとも1つのフィンを覆うSiN層により、歪シリコンがいまだ歪を有している。水素を完全に遮断するSiN層により覆われたシリコンの歪みには、水素は影響を与えない。次の工程では、SSOI基板の絶縁層に向かって、SiN層がエッチング除去される209。本発明で述べた方法を用いることにより、nMOS領域中の少なくとも1つのフィンが、出発材料である歪シリコンから形成され、一方、pMOS領域中の少なくとも1つのフィンが、低歪(緩和)シリコンから形成される。 FIG. 2 is a flow diagram illustrating a preferred embodiment of a method for mitigating distortion in a multi-gate device. An SSOI substrate is used as a starting material. This embodiment would be readily applicable to any substrate containing strained silicon by those skilled in the art. A plurality of fins are patterned 201 into a strained silicon layer by using a photolithography process or a spacer technique for patterning spacers that define the fins 201. At least two fins need to be patterned. In the next step, an nMOS region is defined to include at least one fin and a pMOS region is defined 202 to include at least one fin. After this step of defining the nMOS and pMOS regions, both the pMOS and nMOS regions contain strained silicon. Strained silicon is beneficial for the mobility of electrons in at least one fin of the nMOS region, but not for the mobility of holes in the at least one fin of the pMOS region. It is an object of the present invention to mitigate strain in strained silicon in the pMOS region in order to increase the mobility of holes in at least one fin in the pMOS region. In the next step, a SiN layer is deposited 203 on the patterned fins. This may be done by CVD. The thickness of the SiN layer depends on the parameters of the hydrogen annealing process, such as temperature, time, pressure and concentration. A contact etch stop layer may be used instead of the SiN layer. By using a compressed strained contact etch stop layer, more strain is introduced under the at least one fin in the nMOS region. Subsequently, an oxide layer is deposited 204 on the SiN layer. The oxide may be deposited by CVD. The thickness of the oxide layer is preferably in the range between 2 nm and 20 nm. Subsequently, the oxide layer is partially etched using a photoresist etch mask to expose the underlying SiN layer for the pMOS region, while the oxide and SiN layers remain 205 in the nMOS region. The etching step is preferably performed by wet chemical etching, such as is performed in 5% buffer HF. After this step, the photoresist is stripped and the SiN layer on the pMOS region is selectively etched 206. The oxide layer on the nMOS region serves as a hard mask for etching the SiN layer. This etching is preferably performed by wet chemical etching, for example, etching performed in phosphoric acid (H 3 PO 4 ) at 150 ° C. After this step, the remaining oxide layer on the nMOS region is removed 207. This step of removing the oxide film is preferably performed by a wet chemical etching step. In the next step, at least one fin of strained silicon in the nMOS region is still covered by the SiN layer, while at least one fin of strained silicon in the pMOS region is exposed. The SiN layer over the at least one fin of strained silicon in the nMOR region is a diffusion barrier layer. In the next step, hydrogen (H 2 ) annealing is performed 208. During this H 2 anneal, the silicon in at least one fin in the pMOS region that is not covered by the SiN layer is reflowed to relieve strain. On the other hand, in at least one fin in the nMOS region, the strained silicon still has strain due to the SiN layer covering the at least one fin. Hydrogen does not affect the strain of the silicon covered by the SiN layer that completely blocks hydrogen. In the next step, the SiN layer is etched away 209 toward the insulating layer of the SSOI substrate. By using the method described in the present invention, at least one fin in the nMOS region is formed from the starting strained silicon, while at least one fin in the pMOS region is formed from low strain (relaxed) silicon. It is formed.

図3は、マルチゲートデバイス中の歪を緩和する方法の他の好適な具体例を示すフローダイアグラムである。出発材料としてSGOI基板が使用される。この具体例は、歪SiGeを含むいずれの基板に対しても、この技術分野の当業者は容易に適用できるであろう。フォトリソグラフィ工程や、フィンを規定するスペーサをパターニングするスペーサ技術を使用することにより、複数のフィンが、歪SiGeにパターニングされる301。少なくとも2つのフィンが、パターニングされる必要がある。次の工程で、少なくとも1つのフィンを含むようにnMOS領域が規定され、少なくとも1つのフィンを含むようにpMOS領域が規定される302。nMOS領域およびpMOS領域を規定するこの工程の後に、pMOS領域およびnMOS領域の双方が、歪SiGeを含む。歪SiGeは、pMOS領域の少なくとも1つのフィン中のホールの移動度に有益であるが、nMOS領域の少なくとも1つのフィン中の電子の移動度には有益ではない。nMOS領域の少なくとも1つのフィン中の電子の移動度を増大させるために、nMOS領域中の歪SiGe中の歪を緩和することが、本発明の目的である。次の工程では、SiN層が、パターニングされたフィンの上に堆積される303。これは、CVDにより行われてもよい。SiN層の厚みは、温度、時間、濃度、圧力のような、水素アニール工程のパラメータに依存する。SiN層の代わりに、コンタクト・エッチ・ストップ層を使用してもかまわない。引っ張られた歪コンタクト・エッチ・ストップ層を使用することにより、より多くの歪が、pMOS領域の少なくとも1つのフィンの下に導入される。続いて、酸化層がSiN層の上に堆積される304。酸化物の堆積は、CVDにより行っても良い。酸化層の厚みは、好ましくは2nmから20nmの間の範囲である。続いて、フォトレジストエッチマスクを用いて酸化層が部分的にエッチングされ、nMOS領域のために下層のSiN層が露出され、一方、pMOS領域では酸化層とSiN層が残る305。エッチング工程は、例えば5%バッファHF中で行われるような、ウエット化学エッチングにより行われるのが好ましい。この工程の後に、フォトレジストが剥がされ、pMOS領域上のSiN層が選択的にエッチングされる306。pMOS領域上の酸化層は、SiN層のエッチング用のハードマスクとして働く。このエッチングは、例えば、150℃のリン酸(HPO)中で行われるような、ウエット化学エッチングで行われるのが好ましい。この工程の後、pMOS領域上の残った酸化層が除去される307。酸化膜を除去するこの工程は、好ましくはウエット化学エッチング工程により行われる。次の工程では、pMOS領域中の歪SiGeの少なくとも1つのフィンはいまだSiN層に覆われており、一方nMOS領域中の歪SiGeの少なくとも1つのフィンは、露出している。次の工程で、水素(H)アニールが行われる308。このHアニール中に、SiN層で覆われていない、nMOS領域中の少なくとも1つのフィン中のSiGeが、リフローされて歪が緩和される。一方、pMOS領域中の少なくとも1つのフィンでは、少なくとも1つのフィンを覆うSiN層により、歪SiGeがいまだ歪を有している。水素を完全に遮断するSiN層により覆われたSiGeの歪には、Hは影響を与えない。次の工程では、SGOI基板の絶縁層に向かって、SiN層がエッチング除去される309。本発明で述べた方法を用いることにより、pMOS領域中の少なくとも1つのフィンが、出発材料である歪SiGeから形成され、一方、nMOS領域中の少なくとも1つのフィンが、低歪(緩和)SiGeから形成される。 FIG. 3 is a flow diagram illustrating another preferred embodiment of a method for mitigating distortion in a multi-gate device. An SGOI substrate is used as a starting material. This embodiment will be readily applicable to those skilled in the art for any substrate comprising strained SiGe. A plurality of fins are patterned 301 into strained SiGe by using a photolithographic process or spacer technology that patterns the spacers that define the fins. At least two fins need to be patterned. In the next step, an nMOS region is defined to include at least one fin, and a pMOS region is defined 302 to include at least one fin. After this step of defining the nMOS and pMOS regions, both the pMOS and nMOS regions contain strained SiGe. Strained SiGe is beneficial for the mobility of holes in at least one fin in the pMOS region, but not for the mobility of electrons in at least one fin in the nMOS region. It is an object of the present invention to mitigate strain in strained SiGe in the nMOS region in order to increase the mobility of electrons in at least one fin in the nMOS region. In the next step, a SiN layer is deposited 303 over the patterned fins. This may be done by CVD. The thickness of the SiN layer depends on parameters of the hydrogen annealing process, such as temperature, time, concentration, and pressure. A contact etch stop layer may be used instead of the SiN layer. By using a strained strain contact etch stop layer, more strain is introduced below the at least one fin in the pMOS region. Subsequently, an oxide layer is deposited 304 over the SiN layer. The oxide may be deposited by CVD. The thickness of the oxide layer is preferably in the range between 2 nm and 20 nm. Subsequently, the oxide layer is partially etched using a photoresist etch mask to expose the underlying SiN layer for the nMOS region while the oxide and SiN layers remain 305 in the pMOS region. The etching step is preferably performed by wet chemical etching, such as is performed in 5% buffer HF. After this step, the photoresist is stripped and the SiN layer on the pMOS region is selectively etched 306. The oxide layer on the pMOS region serves as a hard mask for etching the SiN layer. This etching is preferably performed by wet chemical etching, such as performed in phosphoric acid (H 3 PO 4 ) at 150 ° C., for example. After this step, the remaining oxide layer on the pMOS region is removed 307. This step of removing the oxide film is preferably performed by a wet chemical etching step. In the next step, at least one fin of strained SiGe in the pMOS region is still covered by the SiN layer, while at least one fin of strained SiGe in the nMOS region is exposed. In the next step, hydrogen (H 2 ) annealing is performed 308. During this H 2 annealing, the SiGe in the at least one fin in the nMOS region that is not covered with the SiN layer is reflowed to relax the strain. On the other hand, in the at least one fin in the pMOS region, the strained SiGe is still strained by the SiN layer covering the at least one fin. H 2 does not affect the strain of SiGe covered by a SiN layer that completely blocks hydrogen. In the next step, the SiN layer is etched away 309 toward the insulating layer of the SGOI substrate. By using the method described in the present invention, at least one fin in the pMOS region is formed from the starting strained SiGe, while at least one fin in the nMOS region is made from low strained (relaxed) SiGe. It is formed.

本発明の方法を使用した後に、nMOS領域の少なくとも1つのフィンと、pMOS領域の少なくとも1つのフィンとを含むマルチゲートデバイスは、当業者に知られた、例えば、ゲート酸化膜の堆積、ゲートパターニング、ソース/ドレイン・エクステンション注入のような異なった製造工程が行われる。更に、マルチゲートデバイスの移動度を増大させるために、例えば、SiGeソース/ドレイン領域、追加のCESL層のように、この分野の当業者は、このような続く工程において、他のストレス因子をマルチゲートデバイスに加えることができる。これらのストレス因子は、nMOS領域またはpMOS領域に加えることができる。   After using the method of the present invention, multi-gate devices comprising at least one fin in the nMOS region and at least one fin in the pMOS region are known to those skilled in the art, for example, gate oxide deposition, gate patterning Different manufacturing processes such as source / drain extension implantation are performed. Furthermore, in order to increase the mobility of the multi-gate device, those skilled in the art, for example, SiGe source / drain regions, additional CESL layers, can add other stress factors in such subsequent steps. Can be added to the gate device. These stress factors can be applied to the nMOS region or the pMOS region.

本発明の方法は、アナログI/Oへの応用や、静電放電(ESD)トランジスタに適用することができる。静電放電またはESDと呼ばれる問題は、IC製造において大きな関心事である。直接接触や静電場により、有限の帯電が静電ポテンシャルの異なる2つの物体の間を移動する際に、ESDが発生する。このような電荷の移動により、大きな電流が非常に短時間にチップを通って流れ、この結果、回路の損傷を引き起こす。異なった抵抗を有する異なったトランジスタを使用することにより、電気放電からの妨害に対する抵抗となる回路を形成できる。高い、低い抵抗特性を有するトランジスタを得るために、それらのトランジスタ中の移動度が調整される。この移動度の調整は、本発明を適応することにより行われる。異なった水素アニールパラメータを適用することにより、または、それぞれのトランジスタに対して異なった厚みのバリア拡散層を使用することにより、トランジスタ中の歪が調子できる。   The method of the present invention can be applied to analog I / O and electrostatic discharge (ESD) transistors. A problem called electrostatic discharge or ESD is a major concern in IC manufacturing. ESD occurs when a finite charge moves between two objects with different electrostatic potentials due to direct contact or an electrostatic field. This charge transfer causes a large current to flow through the chip in a very short time, resulting in circuit damage. By using different transistors with different resistances, a circuit can be formed that provides resistance to disturbance from electrical discharge. In order to obtain transistors with high and low resistance characteristics, the mobility in those transistors is adjusted. This mobility adjustment is performed by applying the present invention. By applying different hydrogen annealing parameters, or by using different thickness barrier diffusion layers for each transistor, the strain in the transistor can be tuned.

本発明の具体例では、同じ材料の積み重ねから、例えば、高移動度nMOSトランジスタと低移動度nMOSトランジスタとを、作製することができる。   In a specific example of the present invention, for example, a high mobility nMOS transistor and a low mobility nMOS transistor can be fabricated from the same material stack.

フォトリソグラフィック工程や、規定されたフィンのスペーサをパターニングするためのスペーサ技術を用いて、歪基板中に、複数のフィンがパターニングされる。少なくとも2つのフィンが、パターニングされる必要がある。この時点において、全てのフィンは歪材料を含む。フィンの幅は、10nmから50nmの範囲から選択されるのが好ましい。フィンの高さは、10nmから60nmの範囲から選択されるのが好ましい。   A plurality of fins are patterned in the strained substrate using a photolithographic process or a spacer technique for patterning defined fin spacers. At least two fins need to be patterned. At this point, all fins contain strained material. The width of the fin is preferably selected from the range of 10 nm to 50 nm. The height of the fin is preferably selected from the range of 10 nm to 60 nm.

次の工程では、少なくとも1つのフィンを含むように第1領域が規定され、また、少なくとも1つの他のフィンを含むように第2領域が規定される。第1領域および第2領域を規定した後、第1領域および第2領域のフィンの全てが、歪材料を含む。この例では、第1領域および第2領域のフィンが同じ導電性、即ち、nMOSトランジスタである。   In the next step, the first region is defined to include at least one fin, and the second region is defined to include at least one other fin. After defining the first region and the second region, all of the fins of the first region and the second region include strained material. In this example, the fins of the first region and the second region are the same conductivity, that is, an nMOS transistor.

次の工程では、拡散バリア層が、少なくとも、第1領域のパターニングされたフィンの上に提供される。拡散バリア層は、窒化物を含んでも良い。堆積は、例えばLP−CVD、プラズマ強化CVD、又は他の公知の堆積技術のような、CVDにより行われる。拡散バリア層の膜厚は、水素アニールパラメータに依存する。   In the next step, a diffusion barrier layer is provided at least over the patterned fins in the first region. The diffusion barrier layer may include nitride. Deposition is performed by CVD, such as LP-CVD, plasma enhanced CVD, or other known deposition techniques. The thickness of the diffusion barrier layer depends on the hydrogen annealing parameters.

次の工程では、水素(H)アニールが行われる。このHアニール中に、拡散バリア層で覆われていない、第2領域の少なくとも1つのフィン中の歪材料がリフローされて、歪が緩和される。拡散バリア層の厚みは、水素アニール工程の温度や時間に依存する。好適には、拡散バリア層で覆われた、第1領域中の少なくとも1つのフィン中の歪材料の歪に水素が影響しないように、水素アニールの温度と時間が選択される。これは、拡散バリア領域が、完全に水素を遮断することを意味する。フィンの幅に応じて、水素アニールのパラメータは、歪材料のリフローを確実にするために、適用されなければならない。 In the next step, hydrogen (H 2 ) annealing is performed. During this H 2 anneal, the strained material in the at least one fin of the second region that is not covered by the diffusion barrier layer is reflowed to relieve the strain. The thickness of the diffusion barrier layer depends on the temperature and time of the hydrogen annealing process. Preferably, the temperature and time of the hydrogen anneal is selected so that hydrogen does not affect the strain of the strained material in the at least one fin in the first region covered with the diffusion barrier layer. This means that the diffusion barrier region completely blocks hydrogen. Depending on the fin width, hydrogen annealing parameters must be applied to ensure reflow of the strained material.

本発明の方法は、また、プレーナデバイスに対しても適用可能である。プレーナデバイスでは、チャネル領域の移動度を増大させるために、異なったストレス因子を導入してもかまわない。本発明の方法を使用することにより、チャネル領域の歪が、制御された方法で緩和される。   The method of the present invention is also applicable to planar devices. In planar devices, different stress factors may be introduced to increase the mobility of the channel region. By using the method of the present invention, channel region distortion is mitigated in a controlled manner.

本発明の具体例は、このように、例えば、歪シリコンからなるチャネル領域を有する高移動度nMOSトランジスタと、高移動度pMOSトランジスタとを、同じ材料の積み重ねから作製することができる。   In the specific example of the present invention, for example, a high mobility nMOS transistor having a channel region made of strained silicon and a high mobility pMOS transistor can be manufactured from the same material stack.

nMOSトランジスタとpMOSトランジスタは、歪材料を含む基板中に規定される。nMOSトランジスタとpMOSトランジスタのチャネル領域は、双方とも、歪材料を含む。歪シリコンは、nMOSトランジスタ中の電子の移動度のためには有用であるが、pMOSトランジスタ中のホール移動度に対しては有用でない。pMOSトランジスタ中のホールの移動度を増大させるために、pMOS領域の歪シリコン中の歪を緩和することが、本発明の目的である。   The nMOS transistor and the pMOS transistor are defined in a substrate containing a strained material. The channel regions of the nMOS transistor and the pMOS transistor both contain strained material. Strained silicon is useful for electron mobility in nMOS transistors, but not for hole mobility in pMOS transistors. It is an object of the present invention to alleviate strain in strained silicon in the pMOS region in order to increase the mobility of holes in the pMOS transistor.

次の工程で、拡散バリア領域が、少なくともnMOSトランジスタのチャネル領域に提供される。拡散バリア層は、窒化物を含んでもかまわない。堆積は、例えばLP−CVD、プラズマ強化CVD、又は他の公知の堆積技術のような、CVDにより行われる。拡散バリア層の膜厚は、例えば、温度、時間、圧力、濃度のような水素アニールパラメータに依存する。   In the next step, a diffusion barrier region is provided at least in the channel region of the nMOS transistor. The diffusion barrier layer may include nitride. Deposition is performed by CVD, such as LP-CVD, plasma enhanced CVD, or other known deposition techniques. The thickness of the diffusion barrier layer depends on hydrogen annealing parameters such as temperature, time, pressure, and concentration.

次の工程では、水素(H)アニールが行われる。このHアニール中に、拡散バリア層で覆われていない、pMOSトランジスタのチャネル中の歪材料が、リフローされて歪が緩和される。好適には、拡散バリア層で覆われた、nMOSトランジスタのチャネル中の歪材料の歪に水素が影響しないように、水素アニールの温度と時間が選択される。 In the next step, hydrogen (H 2 ) annealing is performed. During this H 2 annealing, the strained material in the channel of the pMOS transistor that is not covered by the diffusion barrier layer is reflowed to relieve the strain. Preferably, the temperature and time of hydrogen annealing is selected so that hydrogen does not affect the strain of the strained material in the channel of the nMOS transistor covered with the diffusion barrier layer.

本発明の方法を使用した後に、少なくとも1つのnMOS領域と、少なくとも1つのpMOS領域とを含むプレーナCMOSデバイスは、当業者に知られた、例えば、ゲート酸化膜の堆積、ゲートパターニング、ソース/ドレイン注入のような異なった製造工程が行われる。更に、プレーナCMOSデバイスの移動度を増大させるために、例えば、SiGeソース/ドレイン領域、追加のCESL層のようなこの分野の当業者に知られた異なった製造工程を行っても良い。このような続く工程において、例えば、SiGeソース/ドレイン領域、追加のCESL層のような、プレーナCMOSデバイスの移動度を更に増大させるために、他のストレス因子をマルチゲートデバイスに加えることができる。これらのストレス因子は、nMOS領域またはpMOS領域に加えることができる。   After using the method of the present invention, a planar CMOS device comprising at least one nMOS region and at least one pMOS region is known to those skilled in the art, for example, gate oxide deposition, gate patterning, source / drain. Different manufacturing processes such as injection are performed. In addition, different manufacturing processes known to those skilled in the art, such as SiGe source / drain regions, additional CESL layers, may be performed to increase the mobility of planar CMOS devices. In such subsequent steps, other stress factors can be added to the multi-gate device to further increase the mobility of the planar CMOS device, such as, for example, SiGe source / drain regions, additional CESL layers. These stress factors can be applied to the nMOS region or the pMOS region.

図4は、SSOI基板上に形成されたnMOSMUGFET中の歪に対する、Hアニールの影響を示すものである。マイクロラマン(μ−ラマン)分光分析測定による実験結果を示す。円は、フィンのパターニング後の、フィン幅の関数としての歪量を示す。三角は、ハードマスクを用いたHアニール後の、フィン幅の関数としての歪量を示す。ハードマスクは、拡散バリア層として機能する。ハードマスクは、窒化物/酸化物マスクである。四角は、例えばハードマスクのような、拡散バリア層を用いないHアニール後の、フィン幅の関数としての歪量を示す。 FIG. 4 shows the effect of H 2 annealing on the strain in the nMOSMUGFET formed on the SSOI substrate. The experimental result by micro-Raman (micro-Raman) spectroscopic measurement is shown. The circle indicates the amount of strain as a function of fin width after fin patterning. The triangles show the strain as a function of fin width after H 2 annealing using a hard mask. The hard mask functions as a diffusion barrier layer. The hard mask is a nitride / oxide mask. The squares indicate the amount of strain as a function of fin width after H 2 annealing without a diffusion barrier layer, such as a hard mask.

SSOI基板のフィンパターニングの後に、フィン幅の減少に伴って、全歪量が減少する。これは、広いフィンに対しては2軸応力の変化に起因し、狭いフィンに対しては1軸の長手方向の引っ張り応力に起因する。50nmと2μmとの間にフィン幅を有するフィンに対しては、歪レベルの増加は、(ハードマスクを用いずに)Hアニールを行ったデバイスで明らかである。これは、広いフィン表面リフローにより導入される余分の歪に起因する。しかしながら、フィン幅が50nmより小さいフィンでは、Siリフローがフィン全体に影響して歪の緩和を行う。一方、フィンのパターニング後の歪が1000MPあの場合、Hアニール(ハードマスクなし)後の歪は、500MPまで減少する。フィン幅が35nmのフィンを、Hアニール中に窒化物/酸化物ハードマスクで覆うことにより、歪は再度2.5倍に、特に、500MPaから1400MPaに増大する。フィン幅が35nmのフィンを、Hアニール中にハードマスクで覆うことにより、フィンパターニングの後より歪が大きくなることも観察できる。これは、Hアニール中にハードマスクにより誘起された歪に起因するものである。 After fin patterning of the SSOI substrate, the total amount of distortion decreases as the fin width decreases. This is due to biaxial stress changes for wide fins and uniaxial longitudinal tensile stress for narrow fins. For fins with fin widths between 50 nm and 2 μm, an increase in strain level is evident in devices that have undergone H 2 annealing (without using a hard mask). This is due to the extra strain introduced by the wide fin surface reflow. However, in the fin having a fin width of less than 50 nm, Si reflow affects the entire fin and relaxes the strain. On the other hand, when the strain after fin patterning is 1000 MP, the strain after H 2 annealing (without hard mask) is reduced to 500 MP. By covering a fin with a fin width of 35 nm with a nitride / oxide hard mask during H 2 annealing, the strain is again increased by a factor of 2.5, in particular from 500 MPa to 1400 MPa. It can also be observed that by covering a fin having a fin width of 35 nm with a hard mask during H 2 annealing, the strain becomes larger than after fin patterning. This is due to strain induced by the hard mask during H 2 annealing.

全ての図面は、本発明のいくつかの形態や具体例を示すことを意図する。図面は、単に模式的に示されたもので、限定的なものではない。図面において、要素のいくつかの大きさは、図示目的のために、誇張されて原寸通りではない。   All drawings are intended to illustrate some aspects and embodiments of the present invention. The drawings are only schematic and are non-limiting. In the drawings, the size of some of the elements are exaggerated and not drawn to scale for illustrative purposes.

本発明の具体例にかかる第2領域の歪を緩和するためのプロセスフローの模式図である。It is a schematic diagram of the process flow for relieving distortion of the 2nd field concerning the example of the present invention. 本発明の具体例にかかるSSOI基板上のMUGFET中のpMOS領域の歪を緩和するためのフローダイアグラムである。It is a flow diagram for relieving the distortion of the pMOS region in the MUGFET on the SSOI substrate according to a specific example of the present invention. 本発明の具体例にかかるSGOI基板上のMUGFET中のnMOS領域の歪を緩和するためのフローダイアグラムである。It is a flow diagram for relieving the distortion | strain of the nMOS area | region in MUGFET on the SGOI board | substrate concerning the example of this invention. 本発明の具体例にかかるSSOI基板上に形成されたnMOSのMUGFET中の歪に対する水素(H)アニールの効果を表す。実験結果は、マイクロラマン測定による。円は、フィンのパターニング後における、フィン幅の関数としての歪を示す。四角は、拡散バリア層を使用しない(ハードマスク無し)Hアニール後における、フィン幅の関数としての歪を示す。三角は、拡散バリア層を使用した(ハードマスク有り)Hアニール後における、フィン幅の関数としての歪を示す。3 shows the effect of hydrogen (H 2 ) annealing on strain in an nMOS MUGFET formed on an SSOI substrate according to an embodiment of the present invention. Experimental results are based on micro-Raman measurements. The circles show strain as a function of fin width after fin patterning. The squares show the strain as a function of fin width after H 2 annealing without using a diffusion barrier layer (no hard mask). The triangles show strain as a function of fin width after H 2 annealing using a diffusion barrier layer (with a hard mask).

符号の説明Explanation of symbols

100 基板、101 バルク層、103 歪材料、103a 第1領域、103b 第2領域、104 拡散バリア層。   100 substrate, 101 bulk layer, 103 strained material, 103a first region, 103b second region, 104 diffusion barrier layer.

Claims (21)

マルチゲートデバイス中の歪を緩和する方法であって、
歪材料を含む基板を提供する工程と、
該歪材料中に、複数のフィンをパターニングする工程と、
少なくとも1つのフィンを含む第1領域を規定する工程と、
少なくとも1つのフィンを含む第2領域を規定する工程と、
該第1領域上に、拡散バリア層を形成する工程と、
該第2領域の該少なくとも1つのフィンの該歪材料が緩和されるように、水素アニールを行う工程と、を含む方法。
A method of reducing distortion in a multi-gate device,
Providing a substrate comprising a strained material;
Patterning a plurality of fins in the strained material;
Defining a first region including at least one fin;
Defining a second region including at least one fin;
Forming a diffusion barrier layer on the first region;
Performing hydrogen annealing so that the strained material of the at least one fin in the second region is relaxed.
上記第1領域の少なくとも1つのフィンの歪材料が、上記水素アニール工程後に、部分的に緩和される請求項1にかかる方法。   The method according to claim 1, wherein the strain material of at least one fin in the first region is partially relaxed after the hydrogen annealing step. 上記第1領域の少なくとも1つのフィンの歪材料が、上記水素アニール工程後に、変化しないで残る請求項1にかかる方法。   The method according to claim 1, wherein the strained material of at least one fin in the first region remains unchanged after the hydrogen annealing step. 上記拡散バリア層が所定の厚みを有し、該厚みが上記水素アニールのアニールパラメータに依存する請求項1〜3のいずれかにかかる方法。   The method according to claim 1, wherein the diffusion barrier layer has a predetermined thickness, and the thickness depends on an annealing parameter of the hydrogen annealing. 上記アニールパラメータが、温度、圧力、濃度、または時間を含む請求項4にかかる方法。   The method according to claim 4, wherein the annealing parameters include temperature, pressure, concentration, or time. 上記水素アニールの温度が、900℃またはそれ以下である請求項5にかかる方法。   The method according to claim 5, wherein the temperature of the hydrogen annealing is 900 ° C. or lower. 上記水素アニールの時間が、1分から5分の範囲内である請求項5〜6のいずれかにかかる方法。   The method according to claim 5, wherein the hydrogen annealing time is in the range of 1 to 5 minutes. 上記拡散バリア層が、5nmから50nmの範囲内の厚みである請求項1〜7のいずれかにかかる方法。   The method according to claim 1, wherein the diffusion barrier layer has a thickness in the range of 5 nm to 50 nm. 上記拡散バリア層が、窒化物を含む請求項1〜8のいずれかにかかる方法。   The method according to claim 1, wherein the diffusion barrier layer contains nitride. 上記拡散バリア層が、コンタクト・エッチ・ストップ層を含む請求項1〜9のいずれかにかかる方法。   The method according to claim 1, wherein the diffusion barrier layer comprises a contact etch stop layer. 上記コンタクト・エッチ・ストップ層が、圧縮歪または引っ張り歪を有する請求項1〜10のいずれかにかかる方法。   The method according to claim 1, wherein the contact etch stop layer has a compressive strain or a tensile strain. 上記歪材料が、歪シリコンを含む請求項1〜11のいずれかにかかる方法。   The method according to claim 1, wherein the strained material comprises strained silicon. 上記基板が、歪シリコン・オン・インシュレータ基板である請求項12にかかる方法。   The method according to claim 12, wherein the substrate is a strained silicon-on-insulator substrate. 上記第1領域がNMOS領域であり、上記第2領域がPMOS領域である請求項12または13にかかる方法。   14. A method according to claim 12 or 13, wherein the first region is an NMOS region and the second region is a PMOS region. 上記歪材料が、ゲルマニウムを含む請求項1〜11のいずれかにかかる方法。   The method according to claim 1, wherein the strained material comprises germanium. 上記基板が、シリコン・ゲルマニウム・オン・インシュレータ基板である請求項15にかかる方法。   The method according to claim 15, wherein the substrate is a silicon-germanium-on-insulator substrate. 上記第1領域がPMOS領域であり、上記第2領域がNMOS領域である請求項15または16にかかる方法。   The method according to claim 15 or 16, wherein the first region is a PMOS region and the second region is an NMOS region. 半導体デバイス中の歪を緩和する方法であって、
歪材料を含む基板を提供する工程と、
第1領域を規定する工程と、
第2領域を規定する工程と、
該第1領域上に、拡散バリア層を形成する工程と、
該第2領域中の該歪材料が緩和されるように、水素アニールを行う工程と、を含む方法。
A method for alleviating strain in a semiconductor device,
Providing a substrate comprising a strained material;
Defining a first region;
Defining a second region;
Forming a diffusion barrier layer on the first region;
And hydrogen annealing so that the strained material in the second region is relaxed.
上記第1領域の上記歪材料が、上記水素アニール工程後に、部分的に緩和される請求項18にかかる方法。   The method according to claim 18, wherein the strained material in the first region is partially relaxed after the hydrogen annealing step. 上記拡散バリア層が所定の厚みを有し、該厚みが上記水素アニールのアニールパラメータに依存する請求項18〜19のいずれかにかかる方法。   The method according to any one of claims 18 to 19, wherein the diffusion barrier layer has a predetermined thickness, and the thickness depends on an annealing parameter of the hydrogen annealing. 上記アニールパラメータが、温度、圧力、濃度、または時間を含む請求項20にかかる方法。   21. The method according to claim 20, wherein the annealing parameters include temperature, pressure, concentration, or time.
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