JP2010157588A - Semiconductor device and method of manufacturing same - Google Patents

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健 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem wherein, in a conventional MIS transistor having an air gap and a method of manufacturing the same, the air gap is formed around a gate electrode, and thereby a stress insulation film can not be formed adjacently to the gate electrode. <P>SOLUTION: This semiconductor device includes: a gate insulation film 13, a gate electrode 14, a source-drain region 19, a contact plug 22, and a stress insulation film 23. A cavity 24 is formed only in a region located between the gate electrode 14 and the contact plug 22 within the side of the gate electrode 14, and the stress insulation layer 23 is formed on a semiconductor substrate 10 to cover the gate electrode 14, and generates stress to a channel region located immediately below the gate electrode 14 in the semiconductor substrate 10. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に寄生容量の低減を図ると共に駆動能力の向上が図れるMIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタを備えた半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device including a MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistor capable of reducing parasitic capacitance and improving driving capability and a manufacturing method thereof.

半導体集積回路の動作速度を向上させるには、トランジスタ及び配線に存在する寄生抵抗や寄生容量を減少させる必要がある。特に、複雑な論理演算を行う回路では、NANDやNORなどの一つの論理ゲートから出力される信号を他の複数の論理ゲートの入力として用いる場合が多数ある。   In order to improve the operation speed of the semiconductor integrated circuit, it is necessary to reduce parasitic resistance and parasitic capacitance existing in the transistor and the wiring. In particular, in a circuit that performs a complex logic operation, a signal output from one logic gate such as NAND or NOR is often used as an input to a plurality of other logic gates.

一つの論理ゲートの出力側に接続されている次段の論理ゲートの入力端子数をファンアウト(F/O:fan-out)というが、F/Oすなわち論理ゲートの入力数増加分だけ、論理ゲートの出力側の負荷は増加し、論理ゲートの出力電圧の変化速度は遅くなる。
論理ゲートの出力電圧の変化速度の劣化は、論理回路の動作速度が遅くなることを意味しており、高速で複雑な演算を行うには、F/Oが大きくなったときに論理ゲートの動作速度の劣化を起こさないようにする必要がある。
The number of input terminals of the next stage logic gate connected to the output side of one logic gate is called fan-out (F / O: fan-out). The load on the output side of the gate increases, and the change rate of the output voltage of the logic gate becomes slower.
The deterioration of the change speed of the output voltage of the logic gate means that the operation speed of the logic circuit becomes slow. To perform a high-speed and complicated operation, the operation of the logic gate when the F / O becomes large It is necessary not to cause speed degradation.

F/Oの増加に伴う負荷増加の大部分は、MISトランジスタのゲート電極に関する寄生容量であり、ゲート電極に関する寄生容量は、ゲート電極−基板間の寄生容量とゲート電極−拡散領域(ソースドレイン領域)間の寄生容量とに分けられる。   Most of the load increase due to the increase in F / O is a parasitic capacitance related to the gate electrode of the MIS transistor. The parasitic capacitance related to the gate electrode is the parasitic capacitance between the gate electrode and the substrate and the gate electrode-diffusion region (source / drain region). ) Between the parasitic capacitances.

しかし、ゲート電極−基板間の寄生容量は、MISトランジスタのゲート絶縁膜容量そのものであり、この寄生容量を減らすことは、トランジスタの出力電流の減少を生じさせるため、ゲート電極−基板間の寄生容量を減少させることはできない。   However, the parasitic capacitance between the gate electrode and the substrate is the gate insulating film capacitance itself of the MIS transistor, and reducing this parasitic capacitance causes a reduction in the output current of the transistor. Can not be reduced.

このため、F/Oが大きくなっても、回路の動作速度の劣化を起こさないようにするには、ゲート電極−拡散領域間の寄生容量を減少させる必要がある。   For this reason, it is necessary to reduce the parasitic capacitance between the gate electrode and the diffusion region so that the operation speed of the circuit does not deteriorate even when F / O increases.

しかしながら、ゲート電極−拡散領域間の寄生容量は、微細化に伴い、MISトランジスタのソースドレイン領域に接続されたコンタクトプラグとゲート電極との間隔が縮小されることにより、ますます増加する傾向にある。この課題を解決するために、ゲート電極側面に最も誘電率の小さいエアーギャップを設けることにより、ゲート電極−拡散領域(コンタクトプラグ)間の容量を低減させ、F/O特性の向上、すなわち動作速度の速い半導体装置及びその製造方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   However, the parasitic capacitance between the gate electrode and the diffusion region tends to increase as the distance between the contact plug connected to the source / drain region of the MIS transistor and the gate electrode is reduced with miniaturization. . In order to solve this problem, by providing an air gap with the smallest dielectric constant on the side surface of the gate electrode, the capacitance between the gate electrode and the diffusion region (contact plug) is reduced, and the F / O characteristics are improved, that is, the operation speed is increased. Have been proposed (see, for example, Patent Document 1).

以下に、ゲート電極と拡散領域(コンタクトプラグ)間の寄生容量の低減に着目した従来の半導体装置について、図7を参照しながら説明する。図7は、従来の半導体装置の構造を示す要部断面図である。   Hereinafter, a conventional semiconductor device focused on reducing parasitic capacitance between a gate electrode and a diffusion region (contact plug) will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of a principal part showing the structure of a conventional semiconductor device.

図7に示すように、半導体基板110における素子分離領域111に囲まれた活性領域110Aと、半導体基板110に形成されたp型ウェル領域112と、活性領域110A上に形成されたゲート絶縁膜113と、ゲート絶縁膜113上に形成されたゲート電極114と、活性領域110Aにおけるゲート電極114の側方下の領域に形成されたn型エクステンション領域115と、活性領域110Aにおけるn型エクステンション領域115の外側領域に形成されたn型ソースドレイン領域116と、ゲート電極114の側面から離間したn型ソースドレイン領域116上に形成された第1層間絶縁膜117と、ゲート電極114及び第1層間絶縁膜117上に形成された第2層間絶縁膜118とを備えている。そして、ゲート電極114の側方には、第1層間絶縁膜117との間にエアーギャップ119が形成されている。
特開2000−124454号公報
As shown in FIG. 7, an active region 110A surrounded by an element isolation region 111 in a semiconductor substrate 110, a p-type well region 112 formed in the semiconductor substrate 110, and a gate insulating film 113 formed on the active region 110A. A gate electrode 114 formed on the gate insulating film 113, an n-type extension region 115 formed in a region below the gate electrode 114 in the active region 110A, and an n-type extension region 115 in the active region 110A. An n-type source / drain region 116 formed in the outer region, a first interlayer insulating film 117 formed on the n-type source / drain region 116 separated from the side surface of the gate electrode 114, and the gate electrode 114 and the first interlayer insulating film And a second interlayer insulating film 118 formed on 117. An air gap 119 is formed between the gate electrode 114 and the first interlayer insulating film 117.
JP 2000-124454 A

しかしながら、前記従来のエアーギャップを有するMISトランジスタ及びその製造方法では、ゲート電極の周囲全体を取り囲むようにエアーギャップが形成される。この構成では、キャリア移動度を向上するために、半導体基板上に応力を有する応力絶縁膜を形成してチャネル領域に応力を印加する、いわゆる歪み技術を適用することは技術的に困難である。なぜならば、応力絶縁膜からの応力をチャネル領域に効果的に印加するためには、ゲート電極の近傍に応力絶縁膜を形成する必要があるが、従来の構成(特許文献1に記載の構成)では、ゲート電極の周囲にエアーギャップを設けるため、ゲート電極に近接して応力絶縁膜を形成することができないという課題がある。   However, in the conventional MIS transistor having an air gap and the manufacturing method thereof, the air gap is formed so as to surround the entire periphery of the gate electrode. In this configuration, in order to improve carrier mobility, it is technically difficult to apply a so-called strain technique in which a stress insulating film having stress is formed on a semiconductor substrate and stress is applied to the channel region. This is because, in order to effectively apply the stress from the stress insulating film to the channel region, it is necessary to form the stress insulating film in the vicinity of the gate electrode, but the conventional configuration (configuration described in Patent Document 1). Then, since an air gap is provided around the gate electrode, there is a problem that a stress insulating film cannot be formed in the vicinity of the gate electrode.

前記に鑑み、本発明の目的は、ゲート電極と拡散領域間の寄生容量の低減を図るとともに、応力絶縁膜を用いてキャリア移動度の向上が図れるMISトランジスタを備えて半導体装置及びその製造方法を提供することである。   In view of the above, an object of the present invention is to provide a semiconductor device including a MIS transistor capable of reducing the parasitic capacitance between the gate electrode and the diffusion region and improving the carrier mobility using a stress insulating film, and a method for manufacturing the semiconductor device. Is to provide.

本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、半導体基板におけるゲート電極の側方下に形成されたソースドレイン領域と、ソースドレイン領域の一部分の上に、ゲート電極の一部分に対向するように形成されたコンタクトプラグと、半導体基板上にゲート電極を覆うように形成された応力絶縁膜とを備えている。この半導体装置では、ゲート電極の側方のうち、ゲート電極とコンタクトプラグとの間に位置する領域のみに空洞が設けられており、応力絶縁膜は、半導体基板におけるゲート電極の直下に位置するチャネル領域に対して応力を生じる。   A semiconductor device of the present invention includes a gate insulating film formed on a semiconductor substrate, a gate electrode formed on the gate insulating film, a source / drain region formed on the side of the gate electrode in the semiconductor substrate, and a source A contact plug is formed on a part of the drain region so as to face a part of the gate electrode, and a stress insulating film is formed on the semiconductor substrate so as to cover the gate electrode. In this semiconductor device, a cavity is provided only in a region located between the gate electrode and the contact plug on the side of the gate electrode, and the stress insulating film is a channel located immediately below the gate electrode in the semiconductor substrate. Stress is applied to the area.

このような半導体装置では、ゲート電極の側方のうちゲート電極とコンタクトプラグとの間に空洞が設けられているので、ゲート電極とコンタクトプラグとの間における寄生容量の低減を図ることができる。   In such a semiconductor device, since a cavity is provided between the gate electrode and the contact plug on the side of the gate electrode, the parasitic capacitance between the gate electrode and the contact plug can be reduced.

また、空洞は、ゲート電極の側方のうち、ゲート電極とコンタクトプラグとの間に位置する領域のみに設けられている。よって、ゲート電極の側方のうち、空洞が形成されている領域以外の領域には、空洞を介さずに応力絶縁膜を設けることができるので、キャリア移動度の向上を図ることができる。   The cavity is provided only in a region located between the gate electrode and the contact plug on the side of the gate electrode. Accordingly, a stress insulating film can be provided in a region other than the region where the cavity is formed on the side of the gate electrode, so that carrier mobility can be improved.

本発明の半導体装置では、ソースドレイン領域上に形成された金属シリサイド層を備えていても良く、コンタクトプラグは、金属シリサイド層に接続されていても良い。   The semiconductor device of the present invention may include a metal silicide layer formed on the source / drain region, and the contact plug may be connected to the metal silicide layer.

本発明の半導体装置では、コンタクトプラグは、応力絶縁膜を貫通して設けられていることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, the contact plug is preferably provided so as to penetrate the stress insulating film.

後述の好ましい実施形態では、半導体装置は、ゲート電極の側面上に形成された断面形状がL字状のサイドウォールと、半導体基板上にゲート電極を覆うように、サイドウォールに接して形成された下地絶縁膜とを備えている。そして、応力絶縁膜は、下地絶縁膜上に接して形成されており、空洞は、ゲート電極の側面上にサイドウォールを介して形成された下地絶縁膜とコンタクトプラグとの間に形成されている。この場合、空洞は、応力絶縁膜によって周囲を囲まれており、また、空洞のゲート幅方向の寸法は、コンタクトプラグのゲート幅方向の寸法と同じ、又はそれよりも小さい。   In a preferred embodiment described later, the semiconductor device is formed in contact with the sidewall so as to cover the gate electrode on the semiconductor substrate and the sidewall having an L-shaped cross section formed on the side surface of the gate electrode. And a base insulating film. The stress insulating film is formed in contact with the base insulating film, and the cavity is formed between the base insulating film formed on the side surface of the gate electrode via the sidewall and the contact plug. . In this case, the cavity is surrounded by the stress insulating film, and the dimension of the cavity in the gate width direction is the same as or smaller than the dimension of the contact plug in the gate width direction.

後述の好ましい別の実施形態では、半導体装置は、ゲート電極の側面上に形成された断面形状がL字状のサイドウォールとを備えている。そして、応力絶縁膜は、空洞が形成されている領域以外はサイドウォールに接して形成されており、空洞は、ゲート電極の側面上に形成されたサイドウォールと応力絶縁膜との間に形成されている。   In another preferred embodiment described later, the semiconductor device includes a sidewall having an L-shaped cross section formed on the side surface of the gate electrode. The stress insulating film is formed in contact with the sidewall except for the region where the cavity is formed, and the cavity is formed between the sidewall formed on the side surface of the gate electrode and the stress insulating film. ing.

本発明の半導体装置では、ソースドレイン領域は、n型拡散領域からなり、応力絶縁膜は、チャネル領域におけるチャネル長方向に対して引っ張り応力を生じさせることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, the source / drain region is preferably an n-type diffusion region, and the stress insulating film preferably generates a tensile stress in the channel length direction in the channel region.

本発明の第1の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程(a)と、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程(b)と、半導体基板におけるゲート電極の側方下にソースドレイン領域を形成する工程(c)と、ソースドレイン領域の一部分の上に、ゲート電極の一部分に対向するようにコンタクトプラグを形成する工程(d)と、工程(d)の後に、半導体基板上に応力絶縁膜を形成する工程(e)とを備えている。工程(e)は、応力絶縁膜を形成するともに、ゲート電極の側方のうち、ゲート電極とコンタクトプラグとの間に位置する領域のみに空洞を設ける工程を含んでいる。応力絶縁膜は、半導体基板におけるゲート電極の直下に位置するチャネル領域に対して応力を生じる。   The first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step (a) of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step (b) of forming a gate electrode on the gate insulating film, and a gate electrode in the semiconductor substrate. A step (c) of forming a source / drain region under the side of the gate electrode, a step (d) of forming a contact plug on a part of the source / drain region so as to face a part of the gate electrode, and a step (d) And (e) forming a stress insulating film on the semiconductor substrate. Step (e) includes a step of forming a stress insulating film and providing a cavity only in a region located between the gate electrode and the contact plug on the side of the gate electrode. The stress insulating film generates stress on a channel region located immediately below the gate electrode in the semiconductor substrate.

このような製造方法では、工程(e)において、半導体基板上に応力絶縁膜を設けている。よって、キャリア移動度の向上を図ることができる。   In such a manufacturing method, the stress insulating film is provided on the semiconductor substrate in the step (e). Therefore, carrier mobility can be improved.

また、工程(f)において、ゲート電極とコンタクトプラグとの間に空洞を設けるので、ゲート電極とコンタクトプラグとの間における寄生容量の低減を図ることができる。   In the step (f), since a cavity is provided between the gate electrode and the contact plug, it is possible to reduce the parasitic capacitance between the gate electrode and the contact plug.

さらに、ゲート電極の側方のうちゲート電極とコンタクトプラグとの間のみに空洞を設けるので、応力絶縁膜によるチャネル領域への引っ張り応力の印加に対してほとんど影響を与えることなくゲート電極とコンタクトプラグとの間における寄生容量の低減を図ることができる。   Further, since the cavity is provided only between the gate electrode and the contact plug on the side of the gate electrode, the gate electrode and the contact plug are hardly affected by the tensile stress applied to the channel region by the stress insulating film. The parasitic capacitance between the two can be reduced.

本発明の第1の半導体装置の製造方法では、工程(d)は、半導体基板上に保護膜を形成する工程(d1)と、ソースドレイン領域上の保護膜を貫通して設けられたコンタクトホール内にコンタクトプラグを形成する工程(d2)と、工程(d2)の後に保護膜を除去する工程(d3)とを備えていることが好ましい。   In the first method for fabricating a semiconductor device of the present invention, the step (d) includes a step (d1) of forming a protective film on the semiconductor substrate and a contact hole provided through the protective film on the source / drain region. It is preferable to include a step (d2) of forming a contact plug therein and a step (d3) of removing the protective film after the step (d2).

本発明の第1の半導体装置の製造方法では、工程(b)の後で、工程(d)の前に、ゲート電極の側面上に断面形状がL字状のサイドウォールを形成する工程(f)と、工程(f)の後に、半導体基板上にゲート電極を覆い、且つ、サイドウォールに接するように下地絶縁膜を形成する工程(g)とを備えていることが好ましく、工程(e)では、下地絶縁膜上に接して応力絶縁膜を形成することが好ましい。   In the first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, after the step (b), before the step (d), a step of forming a sidewall having an L-shaped cross section on the side surface of the gate electrode (f And a step (g) of forming a base insulating film so as to cover the gate electrode on the semiconductor substrate and to be in contact with the sidewall after the step (f). Then, it is preferable to form a stress insulating film in contact with the base insulating film.

本発明の第2の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程(a)と、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程(b)と、半導体基板におけるゲート電極の側方下にソースドレイン領域を形成する工程(c)と、工程(c)の後に、ゲート電極の側面上に熱分解特性を有する保護サイドウォールを形成する工程(d)と、工程(d)の後に、半導体基板上に応力絶縁膜を形成する工程(e)と、工程(e)の後に、ソースドレイン領域の一部分上の応力絶縁膜を貫通してゲート電極の一部分に対向するコンタクトプラグを形成する工程(f)と、工程(f)の後に、熱処理により保護サイドウォールを熱分解させて空洞を形成する工程(g)とを備えている。工程(d)は、ゲート電極とコンタクトプラグとの間に位置する領域のみに保護サイドウォールを形成する工程を含んでいる。工程(g)では、ゲート電極の側方のうち、ゲート電極とコンタクトプラグとの間に位置する領域のみに空洞が設けられ、応力絶縁膜は、半導体基板におけるゲート電極の直下に位置するチャネル領域に対して応力を生じる。   The second method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step (a) of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step (b) of forming a gate electrode on the gate insulating film, and a gate electrode in the semiconductor substrate. A step (c) of forming a source / drain region under the side of the step, a step (d) of forming a protective sidewall having thermal decomposition characteristics on the side surface of the gate electrode after the step (c), and a step (d) ) After the step (e) of forming a stress insulating film on the semiconductor substrate, and after the step (e), the contact plug that penetrates the stress insulating film on a part of the source / drain region and faces a part of the gate electrode The step (f) of forming a cavity and the step (g) of forming a cavity by thermally decomposing the protective sidewall by heat treatment after the step (f) are provided. Step (d) includes a step of forming a protective sidewall only in a region located between the gate electrode and the contact plug. In the step (g), a cavity is provided only in a region located between the gate electrode and the contact plug on the side of the gate electrode, and the stress insulating film is a channel region located immediately below the gate electrode in the semiconductor substrate. Produces stress.

このような製造方法では、上記本発明の第1の半導体装置の製造方法で得られる効果と同一の効果を得ることができる。   In such a manufacturing method, the same effect as that obtained by the first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention can be obtained.

本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極の側方のうち、ゲート電極とソースドレイン領域に接続されたコンタクトプラグ間に位置する領域のみに空洞を設け、その他の領域は空洞を介さずに応力絶縁膜が形成されている。この構成によれば、空洞によってゲート電極とソースドレイン領域に接続されたコンタクトプラグ間の寄生容量の低減が図れるとともに、応力絶縁膜によってキャリア移動度の向上を図ることができる。   According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, a cavity is provided only in a region located between the contact plugs connected to the gate electrode and the source / drain region on the side of the gate electrode, and the cavity is formed in the other region. A stress insulating film is formed without intervention. According to this configuration, the parasitic capacitance between the contact plugs connected to the gate electrode and the source / drain region by the cavity can be reduced, and the carrier mobility can be improved by the stress insulating film.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。図1(a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示した図であり、(a)は平面図、(b)は(a)におけるIB−IB'線における断面図、(c)は(a)におけるIC−IC'線における断面図である。
(First embodiment)
A semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A to 1C are diagrams showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, where FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a line IB-IB ′ in FIG. (C) is sectional drawing in the IC-IC 'line | wire in (a).

本実施形態に係る半導体装置は、図1(b)及び(c)に示すように、半導体基板10における素子分離領域11に囲まれた活性領域10Aと、活性領域10Aを含む半導体基板10に素子分離領域11よりも深い位置まで形成されたp型ウェル領域12と、活性領域10A上に形成されたゲート絶縁膜13と、ゲート絶縁膜13上に形成されたポリシリコン膜からなるゲート電極14と、ゲート電極14の側面上に形成された断面形状がI字状のオフセットスペーサ15と、活性領域10Aにおけるゲート電極14の側方下の領域に形成されたn型エクステンション領域16と、ゲート電極14の側面上にオフセットスペーサ15を介して形成された断面形状がL字状の内側サイドウォール17aと、活性領域10Aにおける内側サイドウォール17aの外側方下の領域に形成されたn型ソースドレイン領域19と、ゲート電極14を覆い、且つ、内側サイドウォール17aに接するように半導体基板10上に形成された下地絶縁膜20と、活性領域10Aを覆うように下地絶縁膜20上に形成された応力絶縁膜23と、応力絶縁膜23上に形成された層間絶縁膜25とが形成されている。そして、図1(a)及び(b)に示すように、n型ソースドレイン領域19上に応力絶縁膜23及び下地絶縁膜20を貫通して設けられたコンタクトホール18と、コンタクトホール18内に埋め込まれ、n型ソースドレイン領域19に電気的に接続された導電材料からなるコンタクトプラグ22とを備えている。そして、ゲート電極14の側方のうち、ゲート電極14とコンタクトプラグ22とが対向している領域、すなわちゲート電極14の側面上に形成された下地絶縁膜20とコンタクトプラグ22との間に位置する領域には、図1(a)及び(b)に示すように、応力絶縁膜23が完全に充填されずに形成され、周囲を応力絶縁膜23に囲まれた空洞24が形成されている。一方、ゲート電極14の側方のうち、ゲート電極14とコンタクトプラグ22とが対向していない領域、すなわちゲート電極14の側方にコンタクトプラグ22が形成されていない領域には、図1(c)に示すように、空洞24は形成されておらず、ゲート電極14の側面上に内側サイドウォール17aを介して形成された下地絶縁膜20に接して応力絶縁膜23が形成されている。この応力絶縁膜23は、チャネル領域におけるゲート長方向(チャネル長方向)に対して引っ張り応力を生じさせる。なお、空洞24のゲート幅方向の寸法は、コンタクトプラグ22のゲート幅方向の寸法と同じ、又はそれよりも小さい。   As shown in FIGS. 1B and 1C, the semiconductor device according to the present embodiment includes an active region 10A surrounded by an element isolation region 11 in the semiconductor substrate 10 and a semiconductor substrate 10 including the active region 10A. A p-type well region 12 formed to a position deeper than the isolation region 11, a gate insulating film 13 formed on the active region 10A, and a gate electrode 14 made of a polysilicon film formed on the gate insulating film 13; An offset spacer 15 having an I-shaped cross section formed on the side surface of the gate electrode 14, an n-type extension region 16 formed in a region below the side of the gate electrode 14 in the active region 10A, and the gate electrode 14 The inner side wall 17a having an L-shaped cross section formed on the side surface of the active region 10A via the offset spacer 15 and the inner side wall in the active region 10A. An n-type source / drain region 19 formed in a region on the outer lower side of the ruler 17a, and a base insulating film 20 formed on the semiconductor substrate 10 so as to cover the gate electrode 14 and to be in contact with the inner sidewall 17a A stress insulating film 23 formed on the base insulating film 20 and an interlayer insulating film 25 formed on the stress insulating film 23 are formed so as to cover the active region 10A. Then, as shown in FIGS. 1A and 1B, a contact hole 18 provided on the n-type source / drain region 19 through the stress insulating film 23 and the base insulating film 20, and in the contact hole 18 And a contact plug 22 made of a conductive material that is buried and electrically connected to the n-type source / drain region 19. Then, in the side of the gate electrode 14, the region where the gate electrode 14 and the contact plug 22 face each other, that is, between the base insulating film 20 formed on the side surface of the gate electrode 14 and the contact plug 22. As shown in FIGS. 1A and 1B, the stress insulating film 23 is not completely filled in the region to be formed, and a cavity 24 surrounded by the stress insulating film 23 is formed. . On the other hand, in the region of the side of the gate electrode 14 where the gate electrode 14 and the contact plug 22 do not face each other, that is, in the region where the contact plug 22 is not formed on the side of the gate electrode 14, FIG. ), The cavity 24 is not formed, and the stress insulating film 23 is formed on the side surface of the gate electrode 14 in contact with the base insulating film 20 formed via the inner side wall 17a. The stress insulating film 23 generates a tensile stress in the gate length direction (channel length direction) in the channel region. The dimension of the cavity 24 in the gate width direction is the same as or smaller than the dimension of the contact plug 22 in the gate width direction.

第1の実施形態の半導体装置によれば、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間に空洞24が形成されているため、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間における寄生容量の低減を図ることができる。さらに、半導体基板10上には、ゲート電極14を覆うように活性領域10A上に応力絶縁膜23が形成されているため、活性領域10Aにおけるゲート電極14の直下に位置するチャネル領域のゲート長方向に対して引っ張り応力が印加されるので、電子の移動度が向上しn型MISトランジスタの駆動力を高めることができる。このとき、空洞24は、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間にしか形成されていないので、応力絶縁膜23によるチャネル領域への引っ張り応力の印加に対してほとんど影響を与えない。   According to the semiconductor device of the first embodiment, since the cavity 24 is formed between the gate electrode 14 and the contact plug 22, the parasitic capacitance between the gate electrode 14 and the contact plug 22 can be reduced. Can do. Further, since the stress insulating film 23 is formed on the active region 10A so as to cover the gate electrode 14 on the semiconductor substrate 10, the gate length direction of the channel region located immediately below the gate electrode 14 in the active region 10A Since a tensile stress is applied to the electron mobility, the electron mobility can be improved and the driving force of the n-type MIS transistor can be increased. At this time, since the cavity 24 is formed only between the gate electrode 14 and the contact plug 22, it hardly affects the application of tensile stress to the channel region by the stress insulating film 23.

図2(a)〜(c)、図3(a)〜(c)及び図4(a1)〜(c1)、(a2)〜(c2)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図2(a)〜(c)、図3(a)〜(c)及び図4(a1)〜(c1)は、図1(a)におけるIB−IB'線における断面図であり、図4(a2)〜(c2)は、図1(a)におけるIC−IC'線における断面図である。   2 (a) to (c), FIGS. 3 (a) to (c) and FIGS. 4 (a1) to (c1) and (a2) to (c2) are semiconductors according to the first embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the manufacturing method of an apparatus. 2 (a) to (c), FIGS. 3 (a) to (c) and FIGS. 4 (a1) to (c1) are cross-sectional views taken along line IB-IB ′ in FIG. 1 (a). (A2)-(c2) is sectional drawing in IC-IC 'line in Fig.1 (a).

まず、図2(a)に示すように、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法により、例えば面方位が(100)面の主面を持つシリコン(Si)からなる半導体基板10の上部に、トレンチ内に絶縁膜が埋め込まれた素子分離領域11を選択的に形成する。その後、リソグラフィ法及びイオン注入法により、半導体基板10に、例えばB(ボロン)等のp型不純物を注入して、p型ウェル領域12を形成する。その後、半導体基板10上の全面に、例えば膜厚が2nmのシリコン酸窒化膜、膜厚が100nmのポリシリコン膜を成膜する。その後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により、ポリシリコン膜及びシリコン酸窒化膜を順次パターニングして、素子分離領域11によって囲まれた半導体基板10からなる活性領域10A上に、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜13及びポリシリコン膜からなるゲート電極14を形成する(工程(a)及び工程(b))。   First, as shown in FIG. 2A, in the trench, for example, by STI (Shallow Trench Isolation) method, an upper portion of a semiconductor substrate 10 made of silicon (Si) having a main surface with a (100) plane orientation is formed in the trench. An element isolation region 11 in which an insulating film is buried is selectively formed. Thereafter, a p-type well region 12 is formed by injecting a p-type impurity such as B (boron) into the semiconductor substrate 10 by lithography and ion implantation. Thereafter, for example, a silicon oxynitride film having a thickness of 2 nm and a polysilicon film having a thickness of 100 nm are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10. Thereafter, the polysilicon film and the silicon oxynitride film are sequentially patterned by photolithography and dry etching, and the silicon oxynitride film is formed on the active region 10A formed of the semiconductor substrate 10 surrounded by the element isolation region 11. A gate electrode 14 made of a gate insulating film 13 and a polysilicon film is formed (step (a) and step (b)).

次に、半導体基板10上の全面に、膜厚が5nmのシリコン酸化膜を形成した後、シリコン酸化膜をエッチバックすることにより、ゲート電極14の側面上に断面形状がI字状のオフセットスペーサ15を形成する。その後、活性領域10Aに、ゲート電極14及びオフセットスペーサ15をマスクにして、n型不純物であるリンをドーズ量4×1014ions/cm2で注入してn型エクステンション領域16を形成する。 Next, after a silicon oxide film having a thickness of 5 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10, the silicon oxide film is etched back to thereby form an offset spacer having an I-shaped cross section on the side surface of the gate electrode 14. 15 is formed. Thereafter, phosphorus, which is an n-type impurity, is implanted into the active region 10A with a dose of 4 × 10 14 ions / cm 2 using the gate electrode 14 and the offset spacer 15 as a mask to form the n-type extension region 16.

次に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、半導体基板10上の全面に、例えば膜厚が5nmのシリコン酸化膜と膜厚30nmのシリコン窒化膜とを順次堆積した後、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜からなる積層膜をエッチバックすることにより、ゲート電極14の側面上にオフセットスペーサ15を介してサイドウォール17を形成する。サイドウォール17は、シリコン酸化膜からなる断面形状がL字状の内側サイドウォール17aと、内側サイドウォール17a上に形成されたシリコン窒化膜からなる外側サイドウォール17bとで構成されている(工程(f))。   Next, for example, a silicon oxide film having a thickness of 5 nm and a silicon nitride film having a thickness of 30 nm are sequentially deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 10 by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. By etching back the laminated film made of the nitride film, the sidewall 17 is formed on the side surface of the gate electrode 14 via the offset spacer 15. The sidewall 17 includes an inner sidewall 17a having an L-shaped cross section made of a silicon oxide film, and an outer sidewall 17b made of a silicon nitride film formed on the inner sidewall 17a (step ( f)).

その後、ゲート電極14、オフセットスペーサ15及びサイドウォール17をマスクにして、活性領域10Aにn型不純物であるリンをドーズ量4×1015ions/cm2でイオン注入した後、熱処理を行ってn型ソースドレイン領域19を形成する(工程(c))。 Thereafter, using the gate electrode 14, the offset spacer 15 and the sidewall 17 as a mask, phosphorus, which is an n-type impurity, is ion-implanted into the active region 10A at a dose amount of 4 × 10 15 ions / cm 2 , and then heat treatment is performed. A type source / drain region 19 is formed (step (c)).

次に、図2(b)に示すように、サイドウォール17のうち外側サイドウォール17bを選択的に除去して、内側サイドウォール17aのみを残存させる。   Next, as shown in FIG. 2 (b), the outer side wall 17b of the side walls 17 is selectively removed, leaving only the inner side wall 17a.

次に、図2(c)に示すように、半導体基板10上の全面に、シリコン窒化膜からなる厚さ2nm〜5nmの下地絶縁膜20を形成した後(工程(g))、下地絶縁膜20上にシリコン酸化膜からなる保護膜21を形成する(工程(d1))。その後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)によって保護膜21の上面の平坦化を行なう。   Next, as shown in FIG. 2C, a base insulating film 20 made of a silicon nitride film having a thickness of 2 nm to 5 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10 (step (g)), and then the base insulating film A protective film 21 made of a silicon oxide film is formed on 20 (step (d1)). Thereafter, the upper surface of the protective film 21 is planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing).

次に、図3(a)に示すように、下地絶縁膜20及び保護膜21に、下地絶縁膜20及び保護膜21を貫通しn型ソースドレイン領域19に到達するコンタクトホール18を形成する。   Next, as shown in FIG. 3A, a contact hole 18 that penetrates the base insulating film 20 and the protective film 21 and reaches the n-type source / drain region 19 is formed in the base insulating film 20 and the protective film 21.

次に、図3(b)に示すように、コンタクトホール18を含む保護膜21上に導電材料を形成した後、CMP法により保護膜21上の不要な導電材料を除去することにより、コンタクトホール18内にコンタクトプラグ22を形成する(工程(d2))。コンタクトプラグ22は、例えばTiNからなるバリア膜上にタングステンからなる導電膜が形成された構成を有している。   Next, as shown in FIG. 3B, a conductive material is formed on the protective film 21 including the contact hole 18, and then unnecessary conductive material on the protective film 21 is removed by CMP to thereby remove the contact hole. A contact plug 22 is formed in 18 (step (d2)). The contact plug 22 has a configuration in which a conductive film made of tungsten is formed on a barrier film made of TiN, for example.

次に、図3(c)に示すように、下地絶縁膜20をエッチングストッパーとして保護膜21を選択的に除去する(工程(d3))。これにより、n型ソースドレイン領域19上にコンタクトプラグ22が突出した構造で残存する。ここで、保護膜21として例えばPSG(phosphorus Doped Silicon Glass)膜を用いれば、希フッ酸溶液によるウェットエッチングにより下地絶縁膜20及びコンタクトプラグ22に対して選択的に除去することができる。このとき、素子分離領域11は、下地絶縁膜20によって覆われているためエッチングされることない。   Next, as shown in FIG. 3C, the protective film 21 is selectively removed using the base insulating film 20 as an etching stopper (step (d3)). As a result, the contact plug 22 remains on the n-type source / drain region 19 in a protruding structure. Here, if a PSG (phosphorus doped silicon glass) film, for example, is used as the protective film 21, it can be selectively removed from the base insulating film 20 and the contact plug 22 by wet etching with a diluted hydrofluoric acid solution. At this time, the element isolation region 11 is not etched because it is covered with the base insulating film 20.

次に、図4(a1)及び(a2)に示すように、半導体基板10上の全面にシリコン窒化膜からなる厚さ50nm程度の応力絶縁膜23を形成する(工程(e))。このとき、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間隔が狭いため、応力絶縁膜23によってゲート電極14とコンタクトプラグ22との間の領域が完全に埋まらず空洞24が形成される。なお、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間隔は、空洞24を形成するために50nm以下であることが望ましい。また、応力絶縁膜23は、例えば水素を含むシリコン窒化膜を形成した後、UVキュア処理を行うことによって形成することができ、シリコン窒化膜中の水素を放出させてシリコン窒化膜自体を収縮させることによって、チャネル領域におけるゲート長方向に対して引っ張り応力を生じさせる。ここで、応力絶縁膜23は、例えば厚さ5nmのシリコン窒化膜で形成する工程とUVキュアする工程を繰り返して、厚さ50nm程度にしても良い。   Next, as shown in FIGS. 4A1 and 4A2, a stress insulating film 23 made of a silicon nitride film and having a thickness of about 50 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10 (step (e)). At this time, since the gap between the gate electrode 14 and the contact plug 22 is narrow, the region between the gate electrode 14 and the contact plug 22 is not completely filled with the stress insulating film 23, and a cavity 24 is formed. The distance between the gate electrode 14 and the contact plug 22 is preferably 50 nm or less in order to form the cavity 24. Further, the stress insulating film 23 can be formed, for example, by forming a silicon nitride film containing hydrogen and then performing a UV curing process, and releases the hydrogen in the silicon nitride film to contract the silicon nitride film itself. As a result, a tensile stress is generated in the channel region in the gate length direction. Here, the stress insulating film 23 may have a thickness of about 50 nm by repeating a process of forming a silicon nitride film having a thickness of 5 nm and a UV curing process, for example.

次に、図4(b1)及び(b2)に示すように、応力絶縁膜23が形成された半導体基板10上の全面に、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜25を形成する。その後、CMP法によって層間絶縁膜25の上面の平坦化を行なう。   Next, as shown in FIGS. 4B1 and 4B2, an interlayer insulating film 25 made of a silicon oxide film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10 on which the stress insulating film 23 is formed. Thereafter, the upper surface of the interlayer insulating film 25 is planarized by CMP.

次に、図4(c1)及び(c2)に示すように、CMP法によって、コンタクトプラグ22上に形成されている層間絶縁膜25及び応力絶縁膜23を研磨除去して、コンタクトプラグ22の上面を露出させる。このとき、CMP法による研磨除去は、層間絶縁膜25の研磨レートと応力絶縁膜23の研磨レートが同じ程度の条件で行うことが望ましい。   Next, as shown in FIGS. 4C1 and 4C2, the interlayer insulating film 25 and the stress insulating film 23 formed on the contact plug 22 are polished and removed by CMP to remove the upper surface of the contact plug 22. To expose. At this time, the polishing removal by the CMP method is preferably performed under the condition that the polishing rate of the interlayer insulating film 25 and the polishing rate of the stress insulating film 23 are approximately the same.

以上の工程を以って本実施形態に係るN型MISトランジスタを有する半導体装置を製造することができる。   The semiconductor device having the N-type MIS transistor according to this embodiment can be manufactured through the above steps.

なお、本実施形態では、金属シリサイド膜を形成していないが、必要に応じてゲート電極14及びn型ソースドレイン領域19の上に金属シリサイド膜を形成しても良い。例えば、図2(a)において、n型ソースドレイン領域19を形成した後、半導体基板10の上に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)又は白金(Pt)等からなる金属膜を堆積し、堆積した金属膜をアニールすることにより、ゲート電極14及び、n型ソースドレイン領域19の各上部に金属シリサイド層を形成しても良い。この場合、n型ソースドレイン領域19とコンタクトプラグ22とは金属シリサイド層を介して接続される。   In this embodiment, the metal silicide film is not formed, but a metal silicide film may be formed on the gate electrode 14 and the n-type source / drain region 19 as necessary. For example, in FIG. 2A, after forming the n-type source / drain region 19, a metal film made of nickel (Ni), cobalt (Co), platinum (Pt) or the like is deposited on the semiconductor substrate 10, A metal silicide layer may be formed on each of the gate electrode 14 and the n-type source / drain region 19 by annealing the deposited metal film. In this case, the n-type source / drain region 19 and the contact plug 22 are connected via a metal silicide layer.

第1の実施形態の半導体装置の製造方法によれば、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間のみに空洞24を自己整合的に形成するとともに、ゲート電極14を覆うように活性領域10A上に応力絶縁膜23が形成することができる。これにより、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間における寄生容量の低減を図ることができるとともに、活性領域10Aにおけるゲート電極14の直下に位置するチャネル領域のゲート長方向に対して引っ張り応力を印加することができる応力絶縁膜23を形成することができる。   According to the manufacturing method of the semiconductor device of the first embodiment, the cavity 24 is formed in a self-aligned manner only between the gate electrode 14 and the contact plug 22, and on the active region 10 </ b> A so as to cover the gate electrode 14. A stress insulating film 23 can be formed. Thereby, the parasitic capacitance between the gate electrode 14 and the contact plug 22 can be reduced, and a tensile stress is applied to the channel length direction of the channel region located immediately below the gate electrode 14 in the active region 10A. A stress insulating film 23 that can be formed can be formed.

また、第1の実施形態の半導体装置の製造方法によれば、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間隔が狭いため、具体的には、その間隔が50nm以下であるため、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間に自己整合的に空洞24を形成することができる。よって、比較的簡便な方法により、応力絶縁膜によるチャネル領域への引っ張り応力の印加に対してほとんど影響を与えることなくゲート電極とコンタクトプラグとの間における寄生容量の低減を図ることができる。さらに、半導体装置の小型化に貢献することもできる。   Further, according to the manufacturing method of the semiconductor device of the first embodiment, since the distance between the gate electrode 14 and the contact plug 22 is narrow, specifically, the distance is 50 nm or less, so that the gate electrode 14 and the contact are contacted. A cavity 24 can be formed in a self-aligning manner with the plug 22. Therefore, the parasitic capacitance between the gate electrode and the contact plug can be reduced by a relatively simple method with almost no influence on the application of tensile stress to the channel region by the stress insulating film. Furthermore, it can contribute to miniaturization of the semiconductor device.

(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。図5(a)〜(c)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置を示した図であり、(a)は平面図、(b)は(a)におけるVB−VB'線における断面図、(c)は(a)におけるVC−VC'線における断面図である。
(Second Embodiment)
A semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 5A to 5C are views showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, where FIG. 5A is a plan view and FIG. 5B is a VB-VB ′ line in FIG. (C) is sectional drawing in the VC-VC 'line in (a).

本実施形態に係る半導体装置は、図5(b)及び(c)に示すように、半導体基板10における素子分離領域11に囲まれた活性領域10Aと、活性領域10Aを含む半導体基板10に素子分離領域11よりも深い位置まで形成されたp型ウェル領域12と、活性領域10A上に形成されたゲート絶縁膜13と、ゲート絶縁膜13上に形成されたポリシリコン膜からなるゲート電極14と、ゲート電極14の側面上に形成された断面形状がI字状のオフセットスペーサ15と、活性領域10Aにおけるゲート電極14の側方下の領域に形成されたn型エクステンション領域16と、ゲート電極14の側面上にオフセットスペーサ15を介して形成された断面形状がL字状の内側サイドウォール17aと、活性領域10Aにおける内側サイドウォール17aの外側方下の領域に形成されたn型ソースドレイン領域19と、ゲート電極14を覆うように活性領域10A上に形成された応力絶縁膜23と、応力絶縁膜23上に形成された層間絶縁膜25とが形成されている。そして、図5(a)及び(b)に示すように、n型ソースドレイン領域19上に応力絶縁膜23及び層間絶縁膜25を貫通して設けられたコンタクトホール18と、コンタクトホール18内に埋め込まれ、n型ソースドレイン領域19に電気的に接続された導電材料からなるコンタクトプラグ22とを備えている。そして、ゲート電極14の側方のうち、ゲート電極14とコンタクトプラグ22とが対向している領域、すなわちゲート電極14とコンタクトプラグ22との間に位置する領域には、内側サイドウォール17aと応力絶縁膜23とに挟まれた空洞31が形成されている。一方、ゲート電極14の側方のうち、ゲート電極14とコンタクトプラグ22とが対向していない領域、すなわちゲート電極14の側方にコンタクトプラグ22が形成されていない領域には、空洞31が形成されておらず、内側サイドウォール17aに接して応力絶縁膜23が形成されている。この応力絶縁膜23は、チャネル領域におけるゲート長方向に対して引っ張り応力を生じさせる。なお、空洞31は、熱分解特性を有するポリマーが熱分解されて形成された空洞である。   As shown in FIGS. 5B and 5C, the semiconductor device according to the present embodiment includes an active region 10 </ b> A surrounded by the element isolation region 11 in the semiconductor substrate 10, and an element on the semiconductor substrate 10 including the active region 10 </ b> A. A p-type well region 12 formed to a position deeper than the isolation region 11, a gate insulating film 13 formed on the active region 10A, and a gate electrode 14 made of a polysilicon film formed on the gate insulating film 13; An offset spacer 15 having an I-shaped cross section formed on the side surface of the gate electrode 14, an n-type extension region 16 formed in a region below the side of the gate electrode 14 in the active region 10A, and the gate electrode 14 The inner side wall 17a having an L-shaped cross section formed on the side surface of the active region 10A via the offset spacer 15 and the inner side wall in the active region 10A. An n-type source / drain region 19 formed in a region on the outer lower side of the tool 17a, a stress insulating film 23 formed on the active region 10A so as to cover the gate electrode 14, and a stress insulating film 23. An interlayer insulating film 25 is formed. 5A and 5B, a contact hole 18 provided on the n-type source / drain region 19 through the stress insulating film 23 and the interlayer insulating film 25, and in the contact hole 18 And a contact plug 22 made of a conductive material that is buried and electrically connected to the n-type source / drain region 19. In the side of the gate electrode 14, the region where the gate electrode 14 and the contact plug 22 face each other, that is, the region located between the gate electrode 14 and the contact plug 22, has an inner sidewall 17 a and stress. A cavity 31 sandwiched between the insulating films 23 is formed. On the other hand, a cavity 31 is formed in a region of the side of the gate electrode 14 where the gate electrode 14 and the contact plug 22 do not face each other, that is, in a region where the contact plug 22 is not formed on the side of the gate electrode 14. The stress insulating film 23 is formed in contact with the inner side wall 17a. The stress insulating film 23 generates a tensile stress in the gate length direction in the channel region. The cavity 31 is a cavity formed by thermally decomposing a polymer having thermal decomposition characteristics.

第2の実施形態の半導体装置によれば、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間に空洞31が形成されているため、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間における寄生容量の低減を図ることができる。さらに、半導体基板10上には、ゲート電極14を覆うように活性領域10A上に応力絶縁膜23が形成されているため、活性領域10Aにおけるゲート電極14の直下に位置するチャネル領域のゲート長方向に対して引っ張り応力が印加されるので、電子の移動度が向上しn型MISトランジスタの駆動力を高めることができる。このとき、空洞31は、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間にしか形成されていないので、応力絶縁膜23によるチャネル領域への引っ張り応力の印加に対してほとんど影響を与えない。   According to the semiconductor device of the second embodiment, since the cavity 31 is formed between the gate electrode 14 and the contact plug 22, the parasitic capacitance between the gate electrode 14 and the contact plug 22 can be reduced. Can do. Further, since the stress insulating film 23 is formed on the active region 10A so as to cover the gate electrode 14 on the semiconductor substrate 10, the gate length direction of the channel region located immediately below the gate electrode 14 in the active region 10A Since a tensile stress is applied to the electron mobility, the electron mobility can be improved and the driving force of the n-type MIS transistor can be increased. At this time, since the cavity 31 is formed only between the gate electrode 14 and the contact plug 22, it hardly affects the application of tensile stress to the channel region by the stress insulating film 23.

図6(a1)〜(d1)及び(a2)〜(d2)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図6(a1)〜(d1)は、図5(a)におけるVB−VB'線における断面図であり、図6(a2)〜(d2)は、図5(a)におけるVC−VC'線における断面図である。   6A1 to 6D1 and 6A2 to 6D2 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 6A1 to 6D1 are cross-sectional views taken along the line VB-VB 'in FIG. 5A, and FIGS. 6A2 to 6D2 are VC-VC' lines in FIG. 5A. FIG.

まず、図2(a)及び(b)と同様な工程によって、図2(b)に示すような構成を形成する。   First, the structure as shown in FIG. 2B is formed by the same steps as those in FIGS. 2A and 2B.

次に、図6(a1)及び(a2)に示すように、半導体基板10上の全面に、熱分解特性を有する保護材料、例えば400℃程度の熱処理で熱分解するポリマー膜を形成する。その後、ポリマー膜の異方性エッチングを行って、ゲート電極14の側面上に内側サイドウォール17aを介してポリマー膜からなる保護サイドウォール30を形成する(工程(d))。   Next, as shown in FIGS. 6A1 and 6A2, a protective material having thermal decomposition characteristics, for example, a polymer film that is thermally decomposed by heat treatment at about 400 ° C. is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10. Thereafter, anisotropic etching of the polymer film is performed to form a protective sidewall 30 made of the polymer film on the side surface of the gate electrode 14 via the inner sidewall 17a (step (d)).

次に、図6(b1)及び(b2)に示すように、後工程で形成されるコンタクトプラグ22とゲート電極14との間に位置する部分、すなわち、図5(a)に示すように後工程で空洞31を形成する部分に保護サイドウォール30を残存させ、その他の部分の保護サイドウォール30を除去する。例えば、保護サイドウォール30を残存させる部分上をレジストで覆って不要な保護サイドウォールを除去する。その後、半導体基板10上の全面にシリコン窒化膜からなる厚さ50nm程度の応力絶縁膜23を形成する(工程(e))。このとき、応力絶縁膜23は、例えば水素を含むシリコン窒化膜を形成した後、UVキュア処理を行うことによって形成することができ、シリコン窒化膜中の水素を放出させてシリコン窒化膜自体を収縮させることによって、チャネル領域におけるゲート長方向に対して引っ張り応力を生じさせる。その後、応力絶縁膜23が形成された半導体基板10上の全面に、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜25を形成した後、CMP法によって層間絶縁膜25の上面の平坦化を行なう。これにより、保護サイドウォール30が形成されている部分は、図6(b1)に示すようにゲート電極14の側面上に保護サイドウォール30を介して応力絶縁膜23が形成される一方、保護サイドウォール30が形成されていない部分は、図6(b2)に示すようにゲート電極14の側面上に形成された内側サイドウォール17aに接して応力絶縁膜23が形成される。   Next, as shown in FIGS. 6B1 and 6B2, the portion located between the contact plug 22 and the gate electrode 14 formed in a later step, that is, as shown in FIG. 5A. The protective sidewall 30 is left in the part where the cavity 31 is formed in the process, and the protective sidewall 30 in the other part is removed. For example, an unnecessary protective sidewall is removed by covering the portion where the protective sidewall 30 remains with a resist. Thereafter, a stress insulating film 23 made of a silicon nitride film and having a thickness of about 50 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10 (step (e)). At this time, the stress insulating film 23 can be formed by, for example, forming a silicon nitride film containing hydrogen and then performing a UV curing process, and the silicon nitride film itself is contracted by releasing hydrogen in the silicon nitride film. As a result, a tensile stress is generated in the channel length direction in the channel region. Thereafter, an interlayer insulating film 25 made of a silicon oxide film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10 on which the stress insulating film 23 is formed, and then the upper surface of the interlayer insulating film 25 is planarized by CMP. As a result, the stress insulating film 23 is formed on the side surface of the gate electrode 14 via the protective sidewall 30 as shown in FIG. A portion where the wall 30 is not formed is in contact with the inner side wall 17a formed on the side surface of the gate electrode 14 as shown in FIG.

次に、図6(c1)及び(c2)に示すように、応力絶縁膜23及び層間絶縁膜25に、応力絶縁膜23及び層間絶縁膜25を貫通しn型ソースドレイン領域19に到達するコンタクトホール18を形成する。その後、コンタクトホール18を含む層間絶縁膜25上に導電材料を形成した後、CMP法により層間絶縁膜25上の不要な導電材料を除去することにより、コンタクトホール18内にコンタクトプラグ22を形成する(工程(f))。コンタクトプラグ22は、例えばTiNからなるバリア膜上にタングステンからなる導電膜が形成された構成を有している。   Next, as shown in FIGS. 6C1 and 6C2, the contact reaching the n-type source / drain region 19 through the stress insulating film 23 and the interlayer insulating film 25 through the stress insulating film 23 and the interlayer insulating film 25. Hole 18 is formed. Thereafter, a conductive material is formed on the interlayer insulating film 25 including the contact hole 18, and then an unnecessary conductive material on the interlayer insulating film 25 is removed by CMP to form a contact plug 22 in the contact hole 18. (Step (f)). The contact plug 22 has a configuration in which a conductive film made of tungsten is formed on a barrier film made of TiN, for example.

次に、図6(d1)及び(d2)に示すように、半導体基板10に対して450℃程度の熱処理を施すことにより(工程(g))、熱分解特性を有する保護サイドウォール30が熱分解されて空洞31が形成される。   Next, as shown in FIGS. 6 (d1) and (d2), the semiconductor substrate 10 is heat-treated at about 450 ° C. (step (g)), so that the protective sidewall 30 having thermal decomposition characteristics is heated. The cavity 31 is formed by being decomposed.

以上の工程を以って本実施形態に係るN型MISトランジスタを有する半導体装置を製造することができる。   The semiconductor device having the N-type MIS transistor according to this embodiment can be manufactured through the above steps.

なお、本実施形態では、金属シリサイド膜を形成していないが、第1の実施形態と同様に、必要に応じてゲート電極14及びn型ソースドレイン領域19の上に金属シリサイド膜を形成しても良い。   In this embodiment, no metal silicide film is formed. However, as in the first embodiment, a metal silicide film is formed on the gate electrode 14 and the n-type source / drain region 19 as necessary. Also good.

第2の実施形態の半導体装置の製造方法によれば、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間のみに熱分解特性を有する保護サイドウォール30を形成した後、ゲート電極14を覆うように活性領域10A上に応力絶縁膜23が形成し、その後に保護サイドウォール30を熱分解して空洞31を形成することができる。これにより、ゲート電極14とコンタクトプラグ22との間における寄生容量の低減を図ることができるとともに、活性領域10Aにおけるゲート電極14の直下に位置するチャネル領域のゲート長方向に対して引っ張り応力を印加することができる応力絶縁膜23を形成することができる。   According to the method of manufacturing the semiconductor device of the second embodiment, after forming the protective sidewall 30 having thermal decomposition characteristics only between the gate electrode 14 and the contact plug 22, the active region is covered so as to cover the gate electrode 14. The stress insulating film 23 is formed on 10A, and then the protective sidewall 30 can be pyrolyzed to form the cavity 31. Thereby, the parasitic capacitance between the gate electrode 14 and the contact plug 22 can be reduced, and a tensile stress is applied to the channel length direction of the channel region located immediately below the gate electrode 14 in the active region 10A. A stress insulating film 23 that can be formed can be formed.

なお、第1、第2の実施形態では、n型MISトランジスタを用いて説明したが、p型MISトランジスタであっても応力絶縁膜として圧縮応力を有する膜を用いることで、同様の効果を得ることができえる。   In the first and second embodiments, the description has been given using the n-type MIS transistor. However, even if the p-type MIS transistor is used, the same effect can be obtained by using a film having compressive stress as the stress insulating film. I can do it.

本発明は、寄生容量の低減及び駆動能力の向上が必要なMISトランジスタを備えた半導体装置及びその製造に有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for a semiconductor device including a MIS transistor that requires reduction of parasitic capacitance and improvement of driving capability, and its manufacture.

(a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示し、(a)は平面図、(b)は(a)におけるIB−IB'線における断面図、(c)は(a)におけるIC−IC'線における断面図である。(A)-(c) shows the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention, (a) is a top view, (b) is sectional drawing in the IB-IB 'line in (a), (c) ) Is a cross-sectional view taken along line IC-IC ′ in FIG. (a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention in process order. (a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention in process order. (a1)〜(c1)及び(a2)〜(c2)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図であり、(a1)〜(c1)は図1(a)におけるIB−IB'線における断面図であり、(a2)〜(c2)は図1(a)におけるIC−IC'線における断面図である。(A1)-(c1) and (a2)-(c2) are sectional drawings which show the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention in order of a process, (a1)-(c1) is FIG. It is sectional drawing in the IB-IB 'line in (a), (a2)-(c2) is sectional drawing in the IC-IC' line in Fig.1 (a). (a)〜(c)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置を示し、(a)は平面図、(b)は(a)におけるVB−VB'線における断面図、(c)は(a)におけるVC−VC'線における断面図である。(A)-(c) shows the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, (a) is a top view, (b) is sectional drawing in the VB-VB 'line | wire in (a), (c) ) Is a cross-sectional view taken along the line VC-VC ′ in FIG. (a1)〜(d1)及び(a2)〜(d2)は本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図であり、(a1)〜(d1)は図5(a)におけるVB−VB'線における断面図であり、(a2)〜(d2)は図5(a)におけるVC−VC'線における断面図である。(A1) to (d1) and (a2) to (d2) are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention in the order of steps, and (a1) to (d1) are FIGS. It is sectional drawing in the VB-VB 'line in (a), (a2)-(d2) is sectional drawing in the VC-VC' line in Fig.5 (a). 従来における半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the conventional semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

10 半導体基板
10A 活性領域
11 素子分離領域
12 p型ウェル領域
13 ゲート絶縁膜
14 ゲート電極
15 オフセットスペーサ
16 n型エクステンション領域
17 サイドウォール
17a 内側サイドウォール
17b 外側サイドウォール
18 コンタクトホール
19 n型ソースドレイン領域
20 下地絶縁膜
21 保護膜
22 コンタクトプラグ
23 応力絶縁膜
24 空洞
25 層間絶縁膜
30 保護サイドウォール
31 空洞
10 Semiconductor substrate
10A active region
11 Device isolation region
12 p-type well region
13 Gate insulation film
14 Gate electrode
15 Offset spacer
16 n-type extension region
17 sidewall
17a Inside sidewall
17b Outer side wall
18 Contact hole
19 n-type source / drain region
20 Underlying insulating film
21 Protective film
22 Contact plug
23 Stress insulation film
24 cavity
25 Interlayer insulation film
30 Protective sidewall
31 cavity

Claims (12)

半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記半導体基板における前記ゲート電極の側方下に形成されたソースドレイン領域と、
前記ソースドレイン領域の一部分の上に、前記ゲート電極の一部分に対向するように形成されたコンタクトプラグと、
前記半導体基板上に前記ゲート電極を覆うように形成された応力絶縁膜とを備え、
前記ゲート電極の側方のうち、前記ゲート電極と前記コンタクトプラグとの間に位置する領域のみに空洞が設けられており、
前記応力絶縁膜は、前記半導体基板における前記ゲート電極の直下に位置するチャネル領域に対して応力を生じる、半導体装置。
A gate insulating film formed on a semiconductor substrate;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A source / drain region formed under the side of the gate electrode in the semiconductor substrate;
A contact plug formed on a portion of the source / drain region so as to face a portion of the gate electrode;
A stress insulating film formed on the semiconductor substrate so as to cover the gate electrode;
Of the sides of the gate electrode, a cavity is provided only in a region located between the gate electrode and the contact plug,
The stress insulating film is a semiconductor device in which stress is generated in a channel region located immediately below the gate electrode in the semiconductor substrate.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記ソースドレイン領域上に形成された金属シリサイド層を備え、
前記コンタクトプラグは、前記金属シリサイド層に接続されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A metal silicide layer formed on the source / drain region;
The semiconductor device, wherein the contact plug is connected to the metal silicide layer.
請求項1又は2に記載の半導体装置において、
前記コンタクトプラグは、前記応力絶縁膜を貫通して設けられている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The semiconductor device, wherein the contact plug is provided through the stress insulating film.
請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記ゲート電極の側面上に形成された断面形状がL字状のサイドウォールと、
前記半導体基板上に前記ゲート電極を覆うように、前記サイドウォールに接して形成された下地絶縁膜とを備え、
前記応力絶縁膜は、前記下地絶縁膜上に接して形成されており、
前記空洞は、前記ゲート電極の側面上に前記サイドウォールを介して形成された前記下地絶縁膜と前記コンタクトプラグとの間に形成されている、半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
A sidewall having an L-shaped cross-section formed on the side surface of the gate electrode;
A base insulating film formed on and in contact with the sidewall so as to cover the gate electrode on the semiconductor substrate;
The stress insulating film is formed in contact with the base insulating film,
The semiconductor device, wherein the cavity is formed between the base insulating film formed on the side surface of the gate electrode via the sidewall and the contact plug.
請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記空洞は、前記応力絶縁膜によって周囲を囲まれている、半導体装置。
The semiconductor device of any one of Claims 1-4 WHEREIN:
The semiconductor device, wherein the cavity is surrounded by the stress insulating film.
請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記空洞のゲート幅方向の寸法は、前記コンタクトプラグのゲート幅方向の寸法と同じ、又はそれよりも小さい、半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The dimension of the cavity in the gate width direction is the same as or smaller than the dimension of the contact plug in the gate width direction.
請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記ゲート電極の側面上に形成された断面形状がL字状のサイドウォールとを備え、
前記応力絶縁膜は、前記空洞が形成されている領域以外は前記サイドウォールに接して形成されており、
前記空洞は、前記ゲート電極の側面上に形成された前記サイドウォールと前記応力絶縁膜との間に形成されている、半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
A cross-sectional shape formed on a side surface of the gate electrode and an L-shaped side wall;
The stress insulating film is formed in contact with the sidewall except the region where the cavity is formed,
The cavity is a semiconductor device formed between the sidewall formed on a side surface of the gate electrode and the stress insulating film.
請求項1〜7のうちいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記ソースドレイン領域は、n型拡散領域からなり、
前記応力絶縁膜は、前記チャネル領域におけるチャネル長方向に対して引っ張り応力を生じる、半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
The source / drain region comprises an n-type diffusion region,
The stress insulating film generates a tensile stress in the channel length direction in the channel region.
半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程(a)と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程(b)と、
前記半導体基板における前記ゲート電極の側方下にソースドレイン領域を形成する工程(c)と、
前記ソースドレイン領域の一部分の上に、前記ゲート電極の一部分に対向するようにコンタクトプラグを形成する工程(d)と、
前記工程(d)の後に、前記半導体基板上に応力絶縁膜を形成する工程(e)とを備え、
前記工程(e)は、前記応力絶縁膜を形成するともに、前記ゲート電極の側方のうち、前記ゲート電極と前記コンタクトプラグとの間に位置する領域のみに空洞を設ける工程を含み、
前記応力絶縁膜は、前記半導体基板における前記ゲート電極の直下に位置するチャネル領域に対して応力を生じる、半導体装置の製造方法。
A step (a) of forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a gate electrode on the gate insulating film (b);
Forming a source / drain region under the side of the gate electrode in the semiconductor substrate (c);
Forming a contact plug on a portion of the source / drain region so as to face a portion of the gate electrode;
A step (e) of forming a stress insulating film on the semiconductor substrate after the step (d);
The step (e) includes a step of forming the stress insulating film and providing a cavity only in a region located between the gate electrode and the contact plug on the side of the gate electrode,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the stress insulating film generates stress on a channel region located immediately below the gate electrode in the semiconductor substrate.
請求項9に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(d)は、前記半導体基板上に保護膜を形成する工程(d1)と、前記ソースドレイン領域上の前記保護膜を貫通して設けられたコンタクトホール内に前記コンタクトプラグを形成する工程(d2)と、前記工程(d2)の後に前記保護膜を除去する工程(d3)とを備えている、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 9,
The step (d) includes a step (d1) of forming a protective film on the semiconductor substrate, and a step of forming the contact plug in a contact hole provided through the protective film on the source / drain region. (D2) The manufacturing method of a semiconductor device provided with the process (d3) which removes the said protective film after the said process (d2).
請求項9又は10に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(b)の後で、前記工程(d)の前に、前記ゲート電極の側面上に断面形状がL字状のサイドウォールを形成する工程(f)と、前記工程(f)の後に、前記半導体基板上に前記ゲート電極を覆い、且つ、前記サイドウォールに接するように下地絶縁膜を形成する工程(g)とを備え、
前記工程(e)では、前記下地絶縁膜上に接して前記応力絶縁膜を形成する、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 9 or 10,
After the step (b), before the step (d), a step (f) of forming a sidewall having an L-shaped cross section on the side surface of the gate electrode, and after the step (f) And (g) forming a base insulating film on the semiconductor substrate so as to cover the gate electrode and to be in contact with the sidewall,
In the step (e), the stress insulating film is formed on and in contact with the base insulating film.
半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程(a)と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程(b)と、
前記半導体基板における前記ゲート電極の側方下にソースドレイン領域を形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後に、前記ゲート電極の側面上に熱分解特性を有する保護サイドウォールを形成する工程(d)と、
前記工程(d)の後に、前記半導体基板上に応力絶縁膜を形成する工程(e)と、
前記工程(e)の後に、前記ソースドレイン領域の一部分上の前記応力絶縁膜を貫通して前記ゲート電極の一部分に対向するコンタクトプラグを形成する工程(f)と、
前記工程(f)の後に、熱処理により前記保護サイドウォールを熱分解させて空洞を形成する工程(g)とを備え、
前記工程(d)は、前記ゲート電極と前記コンタクトプラグとの間に位置する領域のみに前記保護サイドウォールを形成する工程を含み、
前記工程(g)では、前記ゲート電極の側方のうち、前記ゲート電極と前記コンタクトプラグとの間に位置する領域のみに空洞が設けられ、
前記応力絶縁膜は、前記半導体基板における前記ゲート電極の直下に位置するチャネル領域に対して応力を生じる、半導体装置の製造方法。
A step (a) of forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a gate electrode on the gate insulating film (b);
Forming a source / drain region under the side of the gate electrode in the semiconductor substrate (c);
After the step (c), a step (d) of forming a protective sidewall having thermal decomposition characteristics on the side surface of the gate electrode;
A step (e) of forming a stress insulating film on the semiconductor substrate after the step (d);
After the step (e), forming a contact plug that penetrates the stress insulating film on a part of the source / drain region and faces a part of the gate electrode;
After the step (f), a step (g) of forming a cavity by thermally decomposing the protective sidewall by heat treatment,
The step (d) includes a step of forming the protective sidewall only in a region located between the gate electrode and the contact plug,
In the step (g), a cavity is provided only in a region located between the gate electrode and the contact plug on the side of the gate electrode,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the stress insulating film generates stress on a channel region located immediately below the gate electrode in the semiconductor substrate.
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