JP2013201387A - Three-dimensional transistor and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional transistor that allows reducing the influence of lateral-direction growth due to facet formation and film thickness variation of an epitaxial layer at a pattern edge associated with selective epitaxial silicon growth.SOLUTION: A three-dimensional transistor includes: a semiconductor substrate having a top surface in which a crystal plane direction is (100); an element isolation region formed in the semiconductor substrate and partitioning an element region on the top surface; a gate electrode formed on the element region of the semiconductor substrate via a gate insulating film and in which gate insulating side walls are provided on side surfaces; a source/drain region formed in the element region of the semiconductor substrate in a self-alignment manner with respect to the gate electrode; and a selective epitaxial silicon layer formed on the source/drain region by epitaxial growth. A first side surface portion of the selective epitaxial silicon layer on the element isolation region side has a curved surface shape.

Description

本発明の実施形態は、3次元トランジスタトランジスタおよびその製造方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a three-dimensional transistor and a manufacturing method thereof.

近年、ロジック回路やメモリといった半導体集積回路に対する微細化の要求から、スイッチング素子やドライバとして用いられるMIS(Metal Insulator Transistor)型電界効果トランジスタへの微細化の実現に向けて様々な技術開発が続けられている。   In recent years, due to the demand for miniaturization of semiconductor integrated circuits such as logic circuits and memories, various technological developments have been continued toward the realization of miniaturization to MIS (Metal Insulator Transistor) type field effect transistors used as switching elements and drivers. ing.

特に、ゲート長の微細化に伴い、短チャネル効果を抑制しつつ高い電流駆動能力を実現するために様々な工夫がなされている。ハーフピッチ40nmや50nm世代のDRAM(Dynamic Random Access Memory)においては、選択セルトランジスタとしてRCAT(Recess Channel Array Transistor)または選択エピ成長(SEG)技術を組み合わせたプレーナトランジスタ(以下、SEG型プレーナトランジスタ)を用いるのが主流となっている。   In particular, with the miniaturization of the gate length, various ideas have been made to realize a high current driving capability while suppressing the short channel effect. In DRAMs (Dynamic Random Access Memory) with half-pitch 40nm or 50nm generation, planar transistors (hereinafter referred to as SEG type planar transistors) that combine RCAT (Recess Channel Array Transistor) or selective epi growth (SEG) technology as selected cell transistors. It is mainly used.

現在、電流書き込み型の不揮発型RAMには、ユニバーサルメモリ実現を目指して開発が進められているMRAM(Magnetic Random Access Memory)やRRAM(Resistance Random Access Memory)などがある。この電流書き込み型の不揮発型RAMにおいては、DRAM同様、高密度なセルアレイを実現できると同時に、電流書き込みに対応した高駆動力のセル選択トランジスタが必要である。   Currently, current write type nonvolatile RAMs include MRAM (Magnetic Random Access Memory) and RRAM (Resistance Random Access Memory), which are being developed to realize universal memory. In this current writing type non-volatile RAM, a high-density cell array transistor can be realized at the same time as a DRAM, as well as a DRAM.

上述のRCATの場合、シリコン基板を掘り込んで実効的なゲート長を増大できるためにオフ電流を抑制するのには効果的である。しかし、RCATは、電流駆動能力を飛躍的に高めるのが難しいという問題を抱えている。この問題が、ユニバーサルメモリに適用する上での障害の一つとなっている。   In the case of the RCAT described above, an effective gate length can be increased by digging a silicon substrate, which is effective in suppressing off current. However, RCAT has a problem that it is difficult to dramatically increase the current drive capability. This problem is one of the obstacles in applying to the universal memory.

一方、SEG(Selective Epitaxial Growth)型プレーナトランジスタは、ソース・ドレイン領域を選択エピタキシャル成長で持ち上げたシリコン結晶層状に形成する。このため、SEG型プレーナトランジスタは、微細ゲート長であっても短チャネル効果を抑制しつつ高い電流駆動能力を実現できる可能性がある。   On the other hand, a SEG (Selective Epitaxic Growth) type planar transistor is formed in a silicon crystal layer shape in which a source / drain region is lifted by selective epitaxial growth. For this reason, the SEG type planar transistor may be able to realize a high current driving capability while suppressing the short channel effect even with a fine gate length.

したがって、SEG型プレーナトランジスタは、ユニバーサルメモリにおけるセル選択トランジスタの一つの選択肢となっている。   Therefore, the SEG type planar transistor is one option for the cell selection transistor in the universal memory.

J.Y.Kim,“The Breakthrough in data retention time of DRAM using Recess-Channel-Array Transistor(RCAT) for 88nm feature size and beyond”, 2003 Symposium on VLSl Technology Digest at Technical Papers, P.11−12.J.Y.Kim, “The Breakthrough in data retention time of DRAM using Recess-Channel-Array Transistor (RCAT) for 88nm feature size and beyond”, 2003 Symposium on VLSl Technology Digest at Technical Papers, P.11-12. Y.K. Park, “Fully Integrated 56 nm DRAM Technology for 1Gb DRAM”、2007 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers、P.190−191.Y.K. Park, “Fully Integrated 56 nm DRAM Technology for 1Gb DRAM”, 2007 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, P.190-191.

選択エピタキシャルシリコン成長に伴うファセット形成による横方向成長およびパタンエッジでのエピタキシャル層の膜厚変動の影響を低減することが可能な3次元トランジスタおよびその製造方法を提供する。   Provided are a three-dimensional transistor capable of reducing the influence of lateral growth by facet formation accompanying selective epitaxial silicon growth and film thickness fluctuation of an epitaxial layer at a pattern edge, and a method for manufacturing the same.

実施例に従った3次元トランジスタは、結晶面方位が(100)である上面を有する半導体基板を備える。3次元トランジスタは、前記半導体基板に形成され、前記上面において素子領域を区画する素子分離領域を備える。3次元トランジスタは、前記半導体基板の前記素子領域上にゲート絶縁膜を介して形成され、側面にゲート絶縁側壁が設けられたゲート電極を備える。3次元トランジスタは、前記ゲート電極に対して自己整合的に前記半導体基板の前記素子領域に形成されたソース・ドレイン領域を備える。3次元トランジスタは、前記ソース・ドレイン領域上にエピタキシャル成長により形成された選択エピタキシャルシリコン層を備える。前記選択エピタキシャルシリコン層の前記素子分離領域側の第1の側面部は、曲面形状を有する。   The three-dimensional transistor according to the embodiment includes a semiconductor substrate having an upper surface whose crystal plane orientation is (100). The three-dimensional transistor includes an element isolation region formed on the semiconductor substrate and defining an element region on the upper surface. The three-dimensional transistor includes a gate electrode formed on the element region of the semiconductor substrate via a gate insulating film and having a gate insulating side wall provided on a side surface. The three-dimensional transistor includes a source / drain region formed in the element region of the semiconductor substrate in a self-aligned manner with respect to the gate electrode. The three-dimensional transistor includes a selective epitaxial silicon layer formed by epitaxial growth on the source / drain regions. The first side surface portion on the element isolation region side of the selective epitaxial silicon layer has a curved surface shape.

図1は、実施例1に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the first embodiment. 図2は、図1に続く、実施例1に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。2 is a cross-sectional view illustrating an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the first embodiment, which is subsequent to FIG. 図3は、図2に続く、実施例1に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the first embodiment, which is subsequent to FIG. 図4は、実施例2に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the second embodiment. 図5は、実施例3に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the third embodiment. 図6は、図5に続く、実施例3に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the third embodiment, which is subsequent to FIG. 図7は、素子領域の主面の結晶面方位が(110)である場合における、実施例4に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to Example 4 when the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (110). 図8は、図7に続く、素子領域の主面の結晶面方位が(110)である場合における、実施例4に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the fourth embodiment when the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (110) following FIG. 図9は、素子領域の主面の結晶面方位が(100)である場合における、実施例4に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to Example 4 when the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (100). 図10は、図9に続く、素子領域の主面の結晶面方位が(100)である場合における、実施例4に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the fourth embodiment when the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (100) following FIG. 9. 図11は、素子領域の主面の結晶面方位が(110)である場合における、実施例5に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to Example 5 when the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (110). 図12は、図11に続く、素子領域の主面の結晶面方位が(110)である場合における、実施例5に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the fifth embodiment when the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (110) following FIG. 図13は、素子領域の主面の結晶面方位が(100)である場合における、実施例5に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to Example 5 when the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (100). 図14は、図13に続く、素子領域の主面の結晶面方位が(100)である場合における、実施例5に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。14 is a cross-sectional view illustrating an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to Example 5 in the case where the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (100), following FIG. 13.

例えば、ユニバーサルメモリにおけるセル選択トランジスタとしてSEG型プレーナトランジスタを用いる。この場合、周辺回路に用いられる周辺トランジスタにも選択エピタキシャル成長(SEG)層が同時に形成される。このため、このSEG層に対応したデバイス設計を行う必要があり、その場合に幾つかの問題点が発生する。   For example, an SEG type planar transistor is used as a cell selection transistor in the universal memory. In this case, a selective epitaxial growth (SEG) layer is simultaneously formed in peripheral transistors used in the peripheral circuit. For this reason, it is necessary to design a device corresponding to this SEG layer, and in that case, several problems occur.

まず、選択エピ成長時にエピタキシャルシリコン層表面にファセットが形成され、縦と同時に横方向にもSEG層が形成され、周辺トランジスタ間を分離する素子分離酸化膜上にも延びてしまう。   First, facets are formed on the surface of the epitaxial silicon layer during selective epi growth, SEG layers are formed in the vertical and horizontal directions, and extend on the element isolation oxide film that separates the peripheral transistors.

SEG層は、ショートチャネル効果抑制の観点およびSEG層上にコンタクト層を形成した際の基盤への接合リークの影響を抑制する観点から、最低限必要な膜厚がある。SEG層は、その膜厚分だけ横方向にも延びてしまう。この延びた部分が、素子分離領域幅抑制においての障害となってしまう。   The SEG layer has a minimum required film thickness from the viewpoint of suppressing the short channel effect and suppressing the influence of junction leakage to the substrate when the contact layer is formed on the SEG layer. The SEG layer extends in the lateral direction by the thickness. This extended portion becomes an obstacle in suppressing the element isolation region width.

また、同じくファセットの影響で、ゲート電極端部のSEG層の膜厚が他の領域よりも薄くなる傾向がある。したがって、SEG層越しに深いインプラを行う場合に、一番短チャネル効果抑制に影響が大きいゲート電極のエッジで深いインプラがより深く打ち込まれてしまう。これは、デバイス設計上の問題になる。   Similarly, the film thickness of the SEG layer at the end of the gate electrode tends to be thinner than other regions due to the influence of facets. Therefore, when deep implantation is performed over the SEG layer, deep implantation is deeper at the edge of the gate electrode that has the greatest influence on suppression of the shortest channel effect. This becomes a problem in device design.

そこで、以下の実施例では、選択エピタキシャルシリコン成長に伴うファセット形成による横方向成長およびパタンエッジでのエピタキシャル層の膜厚変動の影響を低減することが可能な3次元トランジスタおよびその製造方法を提案する。   Therefore, in the following embodiments, a three-dimensional transistor capable of reducing the influence of lateral growth due to facet formation accompanying selective epitaxial silicon growth and fluctuations in the thickness of the epitaxial layer at the pattern edge and a manufacturing method thereof are proposed.

以下、各実施例について、図面に基づいて説明する。   Hereinafter, each embodiment will be described with reference to the drawings.

先ず、実施例1に係る3次元トランジスタの製造方法の一例について説明する。   First, an example of a method for manufacturing a three-dimensional transistor according to Example 1 will be described.

図1ないし図3は、実施例1に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。   1 to 3 are cross-sectional views illustrating an example of each step of the method of manufacturing the three-dimensional transistor according to the first embodiment.

先ず、図1(A)に示すように、結晶面方位が(100)である上面1aを有する半導体基板(シリコン基板、例えば、シリコンウェハ)上に素子領域を区画する素子分離領域2を形成する。そして、ウェルおよびチャネル(図示せず)のためのイオン注入を実施し、アニールによりウェルを活性化する。   First, as shown in FIG. 1A, an element isolation region 2 for partitioning an element region is formed on a semiconductor substrate (silicon substrate, eg, silicon wafer) having an upper surface 1a having a crystal plane orientation of (100). . Then, ion implantation for wells and channels (not shown) is performed, and the wells are activated by annealing.

次に、図1(B)に示すように、半導体基板1上全面にゲート絶縁膜10、ゲート電極材料(ポリシリコン3a、タングステン3b)、キャップ絶縁膜(SiN)12を順次形成し、通常のリソグラフィーおよびRIE手法を用いてゲート電極3を形成する。すなわち、半導体基板1の素子領域上にゲート絶縁膜10を介してゲート電極3を形成する。   Next, as shown in FIG. 1B, a gate insulating film 10, a gate electrode material (polysilicon 3a, tungsten 3b), and a cap insulating film (SiN) 12 are sequentially formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1, The gate electrode 3 is formed using lithography and RIE techniques. That is, the gate electrode 3 is formed on the element region of the semiconductor substrate 1 via the gate insulating film 10.

その後、CVD法およびRIE法により、例えば、5nm程度のゲート絶縁側壁(SiNスペーサ)11をゲート電極3の側面に形成する。   Thereafter, a gate insulating side wall (SiN spacer) 11 having a thickness of, for example, about 5 nm is formed on the side surface of the gate electrode 3 by CVD and RIE.

次に、ゲート絶縁側壁11越しに、短チャネル効果抑制を目的として、例えば、30度程度の角度でイオン注入し、拡散層を形成する。その後、ゲート電極3と拡散層とがオーバラップした部分の抵抗低減を目的として、イオン注入する。   Next, for the purpose of suppressing the short channel effect, for example, ions are implanted through the gate insulating side wall 11 at an angle of about 30 degrees to form a diffusion layer. Thereafter, ion implantation is performed for the purpose of reducing the resistance of the portion where the gate electrode 3 and the diffusion layer overlap.

すなわち、図2に示すように、ゲート電極3に対して自己整合的に素子領域上にソース・ドレイン領域(低濃度の拡散層)4を形成する。   That is, as shown in FIG. 2, source / drain regions (low-concentration diffusion layers) 4 are formed on the element region in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 3.

次に、半導体基板1の表面処理を実施した後、エピタキシャル成長を実施し、例えば、50nm程度の選択エピタキシャルシリコン層6を形成する。   Next, after the surface treatment of the semiconductor substrate 1 is performed, epitaxial growth is performed to form a selective epitaxial silicon layer 6 of about 50 nm, for example.

すなわち、図3(A)に示すように、エピタキシャル成長により、ソース・ドレイン領域4上に選択エピタキシャルシリコン層6を形成する。   That is, as shown in FIG. 3A, the selective epitaxial silicon layer 6 is formed on the source / drain regions 4 by epitaxial growth.

次に、例えば、ガス雰囲気中(水素雰囲気中)で、900度、2分のアニールを実施する。これにより、SEG層全体にシリコン原子のマイグレーションを発生させることで、選択エピタキシャルシリコン層6表面に現れているファセット部(第1の側面部6a)を平滑化する。   Next, for example, annealing is performed at 900 degrees for 2 minutes in a gas atmosphere (in a hydrogen atmosphere). As a result, migration of silicon atoms occurs in the entire SEG layer, thereby smoothing the facet portion (first side surface portion 6a) appearing on the surface of the selective epitaxial silicon layer 6.

すなわち、図3(B)に示すように、ガス雰囲気中のアニールにより、選択エピタキシャルシリコン層6の素子領域側のファセットを有する第1の側面部6aを曲面形状の第1の側面部6bにする。   That is, as shown in FIG. 3B, the first side surface portion 6a having the facet on the element region side of the selective epitaxial silicon layer 6 is changed to a curved first side surface portion 6b by annealing in a gas atmosphere. .

その後、必要に応じて、追加のエピタキシャル成長を実施し、選択エピタキシャルシリコン層6の追加部13を形成する(図3(B))。これにより、選択エピタキシャルシリコン層6の膜厚を厚く(調整)することができる。   Thereafter, if necessary, additional epitaxial growth is performed to form the additional portion 13 of the selective epitaxial silicon layer 6 (FIG. 3B). Thereby, the film thickness of the selective epitaxial silicon layer 6 can be increased (adjusted).

その後、半導体基板1に対して、選択エピタキシャルシリコン層6を介して、イオン注入し、ソース・ドレイン領域を構成する不純濃度が高く深い拡散層5を形成する(図3(B))。   Thereafter, ions are implanted into the semiconductor substrate 1 through the selective epitaxial silicon layer 6 to form a deep diffusion layer 5 having a high impurity concentration and constituting a source / drain region (FIG. 3B).

その後、層間絶縁膜をTEOSなどの材料で形成した後、コンタクトホールをリソグラフィーおよびRIE法で開口し、TiCVDでSiとTiのシリサイド層を穴の底部に形成した後に、全体をTiN/Wで埋めてコンタクトを完成させる。これにより、選択エピタキシャルシリコン層6に接続されるコンタクト(図示せず)が形成される。以降、多層配線の形成とビアの形成を経てLSI構造が完成する(図示せず)。   After that, an interlayer insulating film is formed of a material such as TEOS, contact holes are opened by lithography and RIE, Si and Ti silicide layers are formed at the bottom of the holes by TiCVD, and the whole is filled with TiN / W. To complete the contact. Thereby, a contact (not shown) connected to the selective epitaxial silicon layer 6 is formed. Thereafter, the LSI structure is completed through the formation of multilayer wiring and vias (not shown).

以上の工程により、実施例1に係る3次元トランジスタの製造工程が完了する。   Through the above steps, the manufacturing process of the three-dimensional transistor according to the first embodiment is completed.

すなわち、実施例1に係る3次元トランジスタは、結晶面方位が(100)である上面1aを有する半導体基板1と、半導体基板1に形成され、上面1aにおいて素子領域を区画する素子分離領域2と、半導体基板1の素子領域上にゲート絶縁膜10を介して形成され、側面にゲート絶縁側壁11が設けられたゲート電極3と、ゲート電極3に対して自己整合的に半導体基板1の素子領域に形成されたソース・ドレイン領域4と、ソース・ドレイン領域4上にエピタキシャル成長により形成された選択エピタキシャルシリコン層6と、を備える(図3(B))。   That is, the three-dimensional transistor according to Example 1 includes a semiconductor substrate 1 having an upper surface 1a having a crystal plane orientation of (100), and an element isolation region 2 formed on the semiconductor substrate 1 and partitioning an element region on the upper surface 1a. The gate electrode 3 formed on the element region of the semiconductor substrate 1 via the gate insulating film 10 and provided with the gate insulating sidewall 11 on the side surface, and the element region of the semiconductor substrate 1 in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 3 And a selective epitaxial silicon layer 6 formed by epitaxial growth on the source / drain region 4 (FIG. 3B).

そして、選択エピタキシャルシリコン層6の素子分離領域2側の第1の側面部6bは、曲面形状を有する。この第1の側面部6bは、ファセットを有さない。   The first side surface portion 6b on the element isolation region 2 side of the selective epitaxial silicon layer 6 has a curved surface shape. The first side surface portion 6b does not have a facet.

さらに、選択エピタキシャルシリコン層6のゲート電極側の第2の側面部6cは、ゲート電極3にゲート絶縁側壁11を介して接している。   Further, the second side surface portion 6 c on the gate electrode side of the selective epitaxial silicon layer 6 is in contact with the gate electrode 3 through the gate insulating side wall 11.

また、2つ隣接する3次元トランジスタの選択エピタキシャルシリコン層6の第1の側面部6bは、素子分離領域2上で離間して対向している。   Further, the first side surface portions 6b of the selective epitaxial silicon layers 6 of two adjacent three-dimensional transistors are spaced apart from each other on the element isolation region 2.

以上の実施例1に係る3次元トランジスタの製造方法は、一度SEG層表面に現れたファセット部をアニールで平滑化することで、側面方向へのSEG成長を抑制することができる。   The manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the first embodiment described above can suppress the SEG growth in the side surface direction by smoothing the facet portion that once appeared on the surface of the SEG layer by annealing.

これにより、デバイス間に必要な素子分離幅を小さくすることができ、チップ面積の縮小、コストダウンが可能となる。   Thereby, the element isolation width required between devices can be reduced, and the chip area can be reduced and the cost can be reduced.

また、横方向へのSEG成長を抑制できる。これにより、更に必要な選択エピタキシャルシリコン層を積み増すことも可能となる。   In addition, lateral SEG growth can be suppressed. As a result, it is possible to accumulate additional selective epitaxial silicon layers.

したがって、その後のイオン注入やコンタクト形成におけるプロセスウインドウが広がり、デバイスの設計が容易になる。   Therefore, the process window in subsequent ion implantation and contact formation is widened, and device design is facilitated.

以上のように、本実施例1に係る3次元トランジスタおよびその製造方法によれば、選択エピタキシャルシリコン成長に伴うファセット形成による横方向成長およびパタンエッジでのエピタキシャル層の膜厚変動の影響を低減することができる。   As described above, according to the three-dimensional transistor and the manufacturing method thereof according to the first embodiment, it is possible to reduce the influence of the lateral growth due to the facet formation accompanying the selective epitaxial silicon growth and the film thickness variation of the epitaxial layer at the pattern edge. Can do.

次に、実施例2に係る3次元トランジスタの製造方法の一例について説明する。   Next, an example of a method for manufacturing a three-dimensional transistor according to Example 2 will be described.

図4は、実施例2に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。なお、図4において、図1ないし図3の符号と同じ符号は、実施例1と同様の構成を示す。   FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the second embodiment. 4, the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3 indicate the same configurations as those in the first embodiment.

先ず、既述の実施例1で説明した図1から図2までの工程と同様にして、結晶面方位が(100)である上面1aを有する半導体基板1上に素子領域を区画する素子分離領域2を形成し、素子領域上にゲート絶縁膜10を介してゲート電極3を形成し、ゲート電極3の側面にゲート絶縁側壁11を形成し、ソース・ドレイン領域4を形成する。   First, in the same manner as the steps from FIGS. 1 to 2 described in the first embodiment, an element isolation region that partitions an element region on a semiconductor substrate 1 having an upper surface 1a having a crystal plane orientation of (100). 2 is formed, the gate electrode 3 is formed on the element region via the gate insulating film 10, the gate insulating side wall 11 is formed on the side surface of the gate electrode 3, and the source / drain region 4 is formed.

次に、図4(A)に示すように、半導体基板1の表面処理を施した後、エピタキシャル成長を実施し、選択エピタキシャルシリコン層6を形成する。ここでは、選択エピタキシャルシリコン層6を、素子分離領域2を超えて対抗するデバイスにおいて、成長した選択エピタキシャルシリコン層6と接触するまで成長させる。   Next, as shown in FIG. 4A, after the surface treatment of the semiconductor substrate 1 is performed, epitaxial growth is performed to form a selective epitaxial silicon layer 6. Here, the selective epitaxial silicon layer 6 is grown until it contacts the grown selective epitaxial silicon layer 6 in a device that goes beyond the element isolation region 2.

その後、素子分離に用いたフォトマスクおよびフォトリソグラフィー技術、ハードマスク転写を用いたRIE技術などを用いて、素子分離領域2上に形成された選択エピタキシャルシリコン層6の第1の側面部6aを選択的に除去する。   Thereafter, the first side surface portion 6a of the selective epitaxial silicon layer 6 formed on the element isolation region 2 is selected by using a photomask and photolithography technique used for element isolation, an RIE technique using hard mask transfer, or the like. To remove.

以降は、実施例1と同様の工程が実行され、実施例2に係る3次元トランジスタの製造工程が完了する。   Thereafter, the same process as in the first embodiment is performed, and the manufacturing process of the three-dimensional transistor according to the second embodiment is completed.

また、ハードマスク転写に用いるマスク剤として、SiN膜、アモルファスシリコン膜、TEOS膜、有機絶縁膜およびこれらの積層膜が用いられる。   Further, as a mask agent used for hard mask transfer, a SiN film, an amorphous silicon film, a TEOS film, an organic insulating film, and a laminated film thereof are used.

すなわち、実施例2に係る3次元トランジスタは、結晶面方位が(100)である上面1aを有する半導体基板1と、半導体基板1に形成され、上面1aにおいて素子領域を区画する素子分離領域2と、半導体基板1の素子領域上にゲート絶縁膜10を介して形成され、側面にゲート絶縁側壁11が設けられたゲート電極3と、ゲート電極3に対して自己整合的に半導体基板1の素子領域に形成されたソース・ドレイン領域4と、ソース・ドレイン領域4上にエピタキシャル成長により形成された選択エピタキシャルシリコン層6と、を備える(図3(B))。   That is, the three-dimensional transistor according to Example 2 includes a semiconductor substrate 1 having an upper surface 1a having a crystal plane orientation of (100), and an element isolation region 2 that is formed on the semiconductor substrate 1 and partitions an element region on the upper surface 1a. The gate electrode 3 formed on the element region of the semiconductor substrate 1 via the gate insulating film 10 and provided with the gate insulating sidewall 11 on the side surface, and the element region of the semiconductor substrate 1 in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 3 And a selective epitaxial silicon layer 6 formed by epitaxial growth on the source / drain region 4 (FIG. 3B).

そして、2つ隣接する3次元トランジスタの選択エピタキシャルシリコン層6の第1の側面部6dは、素子分離領域2上で離間して対向する。   Then, the first side surface portions 6d of the selective epitaxial silicon layers 6 of two adjacent three-dimensional transistors are spaced apart from each other on the element isolation region 2.

したがって、異なるデバイス間の選択エピタキシャルシリコン層6における電気的ショート状態を解消させることができる。   Therefore, the electrical short state in the selective epitaxial silicon layer 6 between different devices can be eliminated.

なお、選択エピタキシャルシリコン層6の素子分離領域2側の第1の側面部6dは、半導体基板1の上面に対して、略垂直の平面である。例えば、第1の側面部6dは、半導体基板1の上面に対して、70度〜90度で交わる平面である。   The first side surface portion 6 d of the selective epitaxial silicon layer 6 on the element isolation region 2 side is a plane that is substantially perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate 1. For example, the first side surface portion 6 d is a plane that intersects with the upper surface of the semiconductor substrate 1 at 70 degrees to 90 degrees.

なお、3次元トランジスタのその他の構成は、実施例1と同様である。   Other configurations of the three-dimensional transistor are the same as those in the first embodiment.

以上のように、本実施例2に係る3次元トランジスタによれば、選択エピタキシャルシリコン成長に伴うファセット形成による横方向成長およびパタンエッジでのエピタキシャル層の膜厚変動の影響を低減することができる。   As described above, according to the three-dimensional transistor according to the second embodiment, it is possible to reduce the influence of the lateral growth due to facet formation accompanying the selective epitaxial silicon growth and the film thickness variation of the epitaxial layer at the pattern edge.

特に、本実施例2に係る3次元トランジスタによれば、選択エピタキシャルシリコン層の膜厚を、素子分離領域幅に関係なく設定できる。   In particular, according to the three-dimensional transistor according to the second embodiment, the film thickness of the selective epitaxial silicon layer can be set regardless of the element isolation region width.

次に、実施例3に係る3次元トランジスタの製造方法の一例について説明する。   Next, an example of a method for manufacturing a three-dimensional transistor according to Example 3 will be described.

図5ないし図6は、実施例3に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。なお、図5ないし図6において、図1ないし図3の符号と同じ符号は、実施例1と同様の構成を示す。   FIG. 5 to FIG. 6 are cross-sectional views showing an example of each process of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to the third embodiment. 5 to 6, the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3 indicate the same configurations as those in the first embodiment.

先ず、既述の実施例1で説明した図1から図2までの工程と同様にして、結晶面方位が(100)である上面1aを有する半導体基板1上に素子領域を区画する素子分離領域2を形成し、素子領域上にゲート絶縁膜10を介してゲート電極3を形成し、ゲート電極3の側面にゲート絶縁側壁11を形成し、ソース・ドレイン領域4を形成する。   First, in the same manner as the steps from FIGS. 1 to 2 described in the first embodiment, an element isolation region that partitions an element region on a semiconductor substrate 1 having an upper surface 1a having a crystal plane orientation of (100). 2 is formed, the gate electrode 3 is formed on the element region via the gate insulating film 10, the gate insulating side wall 11 is formed on the side surface of the gate electrode 3, and the source / drain region 4 is formed.

次に、図5(A)に示すように、ゲート絶縁側壁(TEOS側壁)13を形成し、半導体基板1上全面をゲート絶縁側壁になるSiNストッパー膜14a、14b、14cで覆う。   Next, as shown in FIG. 5A, a gate insulating side wall (TEOS side wall) 13 is formed, and the entire surface of the semiconductor substrate 1 is covered with SiN stopper films 14a, 14b, and 14c serving as gate insulating side walls.

すなわち、ゲート絶縁側壁11の外側に、ゲート絶縁側壁13、ゲート絶縁側壁14cを順次形成する。   That is, the gate insulating side wall 13 and the gate insulating side wall 14c are sequentially formed outside the gate insulating side wall 11.

その後、半導体基板1を上面1aに垂直な軸を中心に回転させながら、例えば45度の入射角でRIE(所謂、斜め入射型ドライエッチング)を実施する。これにより、半導体基板1上のSiNストッパー膜14aおよびゲート絶縁側壁(SiNストッパー膜)14cの底部を除去する。   Thereafter, RIE (so-called oblique incidence type dry etching) is performed at an incident angle of, for example, 45 degrees while rotating the semiconductor substrate 1 about an axis perpendicular to the upper surface 1a. Thereby, the bottoms of the SiN stopper film 14a and the gate insulating sidewall (SiN stopper film) 14c on the semiconductor substrate 1 are removed.

その後、ウェットエッチングにより、ゲート絶縁側壁(TEOS膜)13のうち、ゲート絶縁側壁14の底部の除去により露出した部分を、選択的に除去する(図5(B))。   Thereafter, by wet etching, a portion of the gate insulating sidewall (TEOS film) 13 exposed by removing the bottom of the gate insulating sidewall 14 is selectively removed (FIG. 5B).

次に、半導体基板1の表面処理を実施した後、エピタキシャル成長を実施し、例えば、50nm程度の選択エピタキシャルシリコン層6を形成する。   Next, after the surface treatment of the semiconductor substrate 1 is performed, epitaxial growth is performed to form a selective epitaxial silicon layer 6 of about 50 nm, for example.

すなわち、図6(A)に示すように、エピタキシャル成長により、ソース・ドレイン領域4上に選択エピタキシャルシリコン層6を形成する。   That is, as shown in FIG. 6A, the selective epitaxial silicon layer 6 is formed on the source / drain regions 4 by epitaxial growth.

その後、半導体基板1に対して、選択エピタキシャルシリコン層6を介して、イオン注入し、ソース・ドレイン領域を構成する不純濃度が高く深い拡散層5を形成する(図6(B))。   Thereafter, ions are implanted into the semiconductor substrate 1 through the selective epitaxial silicon layer 6 to form a deep diffusion layer 5 having a high impurity concentration and constituting a source / drain region (FIG. 6B).

なお、選択エピタキシャルシリコン層6の側面部6aの膜厚が小さいので、側面部6aの下方の拡散層5の一部5aがより深くなる。   Since the thickness of the side surface portion 6a of the selective epitaxial silicon layer 6 is small, a part 5a of the diffusion layer 5 below the side surface portion 6a becomes deeper.

以降は、実施例1と同様の工程が実行され、実施例3に係る3次元トランジスタの製造工程が完了する。   Thereafter, the same process as in the first embodiment is performed, and the manufacturing process of the three-dimensional transistor according to the third embodiment is completed.

すなわち、実施例3に係る3次元トランジスタは、結晶面方位が(100)である上面1aを有する半導体基板1と、半導体基板1に形成され、上面1aにおいて素子領域を区画する素子分離領域2と、半導体基板1の素子領域上にゲート絶縁膜10を介して形成され、側面にゲート絶縁側壁11が設けられたゲート電極3と、ゲート電極3に対して自己整合的に半導体基板1の素子領域に形成されたソース・ドレイン領域4と、ソース・ドレイン領域4上にエピタキシャル成長により形成された選択エピタキシャルシリコン層6と、ゲート電極3の上部を覆うように設けられ、ゲート絶縁側壁11から素子分離領域2側に延在したキャップ絶縁層(SiNストッパー膜14b、ゲート絶縁側壁13、ゲート絶縁側壁(SiNストッパー膜)14c)と、を備える(図6(B))。   That is, the three-dimensional transistor according to Example 3 includes a semiconductor substrate 1 having an upper surface 1a having a crystal plane orientation of (100), and an element isolation region 2 formed on the semiconductor substrate 1 and partitioning an element region on the upper surface 1a. The gate electrode 3 formed on the element region of the semiconductor substrate 1 via the gate insulating film 10 and provided with the gate insulating sidewall 11 on the side surface, and the element region of the semiconductor substrate 1 in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 3 The source / drain regions 4 formed on the source / drain regions 4, the selective epitaxial silicon layer 6 formed by epitaxial growth on the source / drain regions 4, and the upper part of the gate electrode 3 are provided so as to cover the isolation region from the gate insulating sidewall 11. Cap insulating layer (SiN stopper film 14b, gate insulating side wall 13, gate insulating side wall (SiN stopper film) extending to 2 side And 4c), provided with a (FIG. 6 (B)).

そして、キャップ絶縁層(SiNストッパー膜14b、ゲート絶縁側壁13、ゲート絶縁側壁(SiNストッパー膜)14c)の前記素子分離領域2側に延在した部分の下に、選択エピタキシャルシリコン層6のゲート電極側の第2の側面部6cが位置する(図6(B))。なお、この第2の側面部6cとゲート絶縁側壁11の底部11aとが接している。   Then, the gate electrode of the selective epitaxial silicon layer 6 is formed under the portion of the cap insulating layer (SiN stopper film 14b, gate insulating side wall 13, gate insulating side wall (SiN stopper film) 14c) extending to the element isolation region 2 side. The second side surface portion 6c on the side is located (FIG. 6B). The second side surface portion 6c and the bottom portion 11a of the gate insulating side wall 11 are in contact with each other.

なお、3次元トランジスタのその他の構成は、実施例1と同様である。   Other configurations of the three-dimensional transistor are the same as those in the first embodiment.

以上のように、本実施例3に係る3次元トランジスタによれば、選択エピタキシャルシリコン成長に伴うファセット形成による横方向成長およびパタンエッジでのエピタキシャル層の膜厚変動の影響を低減することができる。   As described above, according to the three-dimensional transistor according to the third embodiment, it is possible to reduce the influence of the lateral growth due to facet formation accompanying the selective epitaxial silicon growth and the film thickness variation of the epitaxial layer at the pattern edge.

特に、本実施例3に係る3次元トランジスタによれば、キャップ絶縁層がゲート電極およびゲート絶縁側壁11と較べて太く形成されている。   In particular, in the three-dimensional transistor according to the third embodiment, the cap insulating layer is formed thicker than the gate electrode and the gate insulating sidewall 11.

これにより、キャップ絶縁層が半導体基板に対するイオン注入を遮蔽するので、キャップ絶縁層の下部では、深いインプラが導入されにくくなる。   Thereby, since the cap insulating layer shields ion implantation to the semiconductor substrate, it is difficult to introduce deep implants below the cap insulating layer.

その結果、選択エピタキシャルシリコン層が他の領域より薄く形成されているゲート電極周辺における深いインプラが抑制される。これにより、デバイスの短チャネル効果を効率よく抑制することが可能となる。   As a result, deep implantation around the gate electrode in which the selective epitaxial silicon layer is formed thinner than other regions is suppressed. This makes it possible to efficiently suppress the short channel effect of the device.

本実施例4では、3次元トランジスタとしてFIN型トランジスタを選択した場合の一例について説明する。   In the fourth embodiment, an example in which a FIN type transistor is selected as a three-dimensional transistor will be described.

図7ないし図8は、素子領域の主面の結晶面方位が(110)である場合における、実施例4に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。また、図9ないし図10は、素子領域の主面の結晶面方位が(100)である場合における、実施例4に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。   7 to 8 are cross-sectional views showing an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to Example 4 when the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (110). 9 to 10 are cross-sectional views showing an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to Example 4 when the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (100).

先ず、リソグラフィー技術により、半導体基板1上であって素子領域となる領域上に選択的にハードマスク層21を形成する(図7(A)、図9(A))。   First, a hard mask layer 21 is selectively formed on a region to be an element region on the semiconductor substrate 1 by lithography (FIGS. 7A and 9A).

そして、図7(A)、図9(A)に示すように、異方性エッチングにより、ハードマスク層21をマスクとして半導体基板1を垂直にエッチングすることにより、半導体基板1の上面に対して垂直な板状であり且つ半導体基板1の上面に対して垂直な主面20aの結晶面方位が(100)または(110)である素子領域20を形成する。   Then, as shown in FIGS. 7A and 9A, by anisotropic etching, the semiconductor substrate 1 is vertically etched using the hard mask layer 21 as a mask, so that the upper surface of the semiconductor substrate 1 is etched. An element region 20 having a vertical plate shape and a crystal plane orientation of (100) or (110) of the principal surface 20a perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate 1 is formed.

そして、図7(A)、図9(A)に示すように、半導体基板1上の素子領域20が存在しない領域上に、素子領域20の少なくとも上部20bが露出するように素子分離絶縁膜22を形成する。   Then, as shown in FIGS. 7A and 9A, the element isolation insulating film 22 is exposed so that at least the upper part 20b of the element region 20 is exposed on a region where the element region 20 does not exist on the semiconductor substrate 1. Form.

そして、図7(A)、図9(A)に示すように、半導体基板1の上面1aに対して垂直な板状であり、素子領域20と直交し且つ素子領域20にゲート絶縁膜30を介して接するゲート電極23を、素子分離絶縁膜22上に形成する。   As shown in FIGS. 7A and 9A, the gate insulating film 30 is formed in a plate shape perpendicular to the upper surface 1a of the semiconductor substrate 1, perpendicular to the element region 20 and in the element region 20. A gate electrode 23 in contact therewith is formed on the element isolation insulating film 22.

次に、図7(B)、図9(B)に示すように、素子領域20の上面を覆うハードマスク層21をマスクとして、エピタキシャル成長により、ハードマスク層21で覆われていない素子領域20の主面20aに選択エピタキシャルシリコン層26を選択的に形成する。   Next, as shown in FIGS. 7B and 9B, the hard mask layer 21 covering the upper surface of the device region 20 is used as a mask, and the device region 20 that is not covered with the hard mask layer 21 is formed by epitaxial growth. A selective epitaxial silicon layer 26 is selectively formed on the main surface 20a.

この時点で、選択エピタキシャルシリコン層26は十分厚く、隣接する3次元トランジスタの選択エピタキシャルシリコン層26同士は接触している。また、この選択エピタキシャルシリコン層26の形状は、主面20aの結晶面方位と3次元トランジスタの向きによって形状が異なる。   At this point, the selective epitaxial silicon layer 26 is sufficiently thick and the selective epitaxial silicon layers 26 of adjacent three-dimensional transistors are in contact with each other. The shape of the selective epitaxial silicon layer 26 differs depending on the crystal plane orientation of the main surface 20a and the direction of the three-dimensional transistor.

そして、図8(A)、図10(A)に示すように、ハードマスク層21を覆うマスク層27を形成する。そして、異方性エッチング(例えば、RIE)により、マスク層27をマスクとして、選択エピタキシャルシリコン層26の一部を略垂直に選択的にエッチングする。   Then, as shown in FIGS. 8A and 10A, a mask layer 27 covering the hard mask layer 21 is formed. Then, a part of the selective epitaxial silicon layer 26 is selectively etched substantially vertically by anisotropic etching (for example, RIE) using the mask layer 27 as a mask.

その後、図8(B)、図10(B)に示すように、マスク層27を除去した後、インプラ工程、層間膜形成工程、コンタクト形成工程、多層配線工程を経て、FIN型トランジスタである実施例4に係る3次元トランジスタの製造工程が完了する。   Thereafter, as shown in FIGS. 8B and 10B, the mask layer 27 is removed, and then an implantation process, an interlayer film formation process, a contact formation process, and a multilayer wiring process are performed, and the implementation is a FIN transistor. The manufacturing process of the three-dimensional transistor according to Example 4 is completed.

すなわち、実施例4に係る3次元トランジスタは、半導体基板1と、半導体基板1の上面1aに対して垂直な板状に半導体基板1上に形成され、半導体基板1の上面に対して垂直な主面20aの結晶面方位が(110)または(110)である素子領域20と、素子領域20の上面を覆うハードマスク層21と、半導体基板1上の素子領域20が存在しない領域上に、素子領域20の少なくとも上部20bが露出するように形成された素子分離絶縁膜22と、半導体基板1の上面1aに対して垂直な板状に素子分離絶縁膜22上に形成され、半導体基板1上で素子領域20と直交し、素子領域20にゲート絶縁膜30およびハードマスク層21を介して接するゲート電極23と、素子領域20のハードマスク層21で覆われていない(さらに、ゲート絶縁膜30が形成されていない、すなわち、ゲート電極23とゲート絶縁膜30を介して接していない)主面20aにエピタキシャル成長により形成された選択エピタキシャルシリコン層26と、を備える(図8(B)、図10(B))。   That is, the three-dimensional transistor according to the fourth embodiment is formed on the semiconductor substrate 1 in a plate shape perpendicular to the semiconductor substrate 1 and the upper surface 1 a of the semiconductor substrate 1, and the main transistor is perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate 1. An element region 20 whose crystal plane orientation of the surface 20a is (110) or (110), a hard mask layer 21 covering the upper surface of the element region 20, and a region where the element region 20 on the semiconductor substrate 1 does not exist An element isolation insulating film 22 formed so as to expose at least the upper portion 20b of the region 20 and a plate shape perpendicular to the upper surface 1a of the semiconductor substrate 1 are formed on the element isolation insulating film 22 and The gate electrode 23 that is orthogonal to the element region 20 and is in contact with the element region 20 via the gate insulating film 30 and the hard mask layer 21 is not covered with the hard mask layer 21 in the element region 20 (further, And a selective epitaxial silicon layer 26 formed by epitaxial growth on the main surface 20a in which the gate insulating film 30 is not formed, that is, not in contact with the gate electrode 23 via the gate insulating film 30 (FIG. 8B). ), FIG. 10 (B)).

そして、選択エピタキシャルシリコン層26の側面部26dは、半導体基板1の上面に対して、略垂直の平面である。例えば、側面部26dは、半導体基板1の上面に対して、70度〜90度傾いた平面である。   The side surface portion 26 d of the selective epitaxial silicon layer 26 is a plane that is substantially perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate 1. For example, the side surface portion 26 d is a flat surface that is inclined by 70 to 90 degrees with respect to the upper surface of the semiconductor substrate 1.

以上のように、本実施例4に係る3次元トランジスタによれば、選択エピタキシャルシリコン成長に伴うファセット形成による横方向成長およびパタンエッジでのエピタキシャル層の膜厚変動の影響を低減することができる。   As described above, according to the three-dimensional transistor according to the fourth embodiment, it is possible to reduce the influence of the lateral growth due to facet formation accompanying the selective epitaxial silicon growth and the film thickness variation of the epitaxial layer at the pattern edge.

特に、本実施例4に係る3次元トランジスタによれば、選択エピタキシャルシリコン層の膜厚を、素子分離領域幅に関係なく設定できる。これにより、FIN型トランジスタのソース・ドレイン領域の抵抗を所望の値まで下げることが可能となる。   In particular, according to the three-dimensional transistor according to the fourth embodiment, the film thickness of the selective epitaxial silicon layer can be set regardless of the element isolation region width. As a result, the resistance of the source / drain region of the FIN transistor can be lowered to a desired value.

本実施例5では、3次元トランジスタとしてFIN型トランジスタを選択した場合の他の例について説明する。   In the fifth embodiment, another example in which a FIN type transistor is selected as a three-dimensional transistor will be described.

図11ないし図12は、素子領域の主面の結晶面方位が(110)である場合における、実施例5に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。また、図13ないし図14は、素子領域の主面の結晶面方位が(100)である場合における、実施例5に係る3次元トランジスタの製造方法の各工程の一例を示す断面図である。   FIG. 11 to FIG. 12 are cross-sectional views showing an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to Example 5 when the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (110). FIGS. 13 to 14 are cross-sectional views showing an example of each step of the manufacturing method of the three-dimensional transistor according to Example 5 when the crystal plane orientation of the main surface of the element region is (100).

先ず、リソグラフィー技術により、半導体基板1上であって素子領域となる領域上に選択的にハードマスク層21を形成する(図11(A)、図13(A))。   First, the hard mask layer 21 is selectively formed on the semiconductor substrate 1 and the region to be an element region by lithography (FIGS. 11A and 13A).

そして、図11(A)、図13(A)に示すように、異方性エッチングにより、ハードマスク層21をマスクとして半導体基板1を垂直にエッチングすることにより、半導体基板1の上面に対して垂直な板状であり且つ半導体基板1の上面に対して垂直な主面20aの結晶面方位が(100)または(110)である素子領域20を形成する。   Then, as shown in FIGS. 11A and 13A, by anisotropic etching, the semiconductor substrate 1 is etched perpendicularly using the hard mask layer 21 as a mask, so that the upper surface of the semiconductor substrate 1 is etched. An element region 20 having a vertical plate shape and a crystal plane orientation of (100) or (110) of the principal surface 20a perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate 1 is formed.

そして、図11(A)、図13(A)に示すように、半導体基板1上の素子領域20が存在しない領域上に、素子領域20の少なくとも上部20bが露出するように素子分離絶縁膜22を形成する。   Then, as shown in FIGS. 11A and 13A, the element isolation insulating film 22 is exposed so that at least the upper part 20b of the element region 20 is exposed on a region where the element region 20 does not exist on the semiconductor substrate 1. Form.

そして、図11(A)、図13(A)に示すように、半導体基板1の上面1aに対して垂直な板状であり、素子領域20と直交し且つ素子領域20にゲート絶縁膜30を介して接するゲート電極23を、素子分離絶縁膜22上に形成する。   11A and 13A, the gate insulating film 30 has a plate shape perpendicular to the upper surface 1a of the semiconductor substrate 1, is orthogonal to the element region 20, and is formed in the element region 20. A gate electrode 23 in contact therewith is formed on the element isolation insulating film 22.

次に、図11(B)、図13(B)に示すように、素子領域20の上面を覆うハードマスク層21をマスクとして、エピタキシャル成長により、ハードマスク層21で覆われていない素子領域20の主面20aに選択エピタキシャルシリコン層26を選択的に形成する。   Next, as shown in FIG. 11B and FIG. 13B, the hard mask layer 21 covering the upper surface of the device region 20 is used as a mask, and the device region 20 not covered with the hard mask layer 21 is formed by epitaxial growth. A selective epitaxial silicon layer 26 is selectively formed on the main surface 20a.

この時点で、選択エピタキシャルシリコン層26は十分厚く、隣接する3次元トランジスタの選択エピタキシャルシリコン層26同士は接触している。また、この選択エピタキシャルシリコン層26の形状は、主面20aの結晶面方位と3次元トランジスタの向きによって形状が異なる。   At this point, the selective epitaxial silicon layer 26 is sufficiently thick and the selective epitaxial silicon layers 26 of adjacent three-dimensional transistors are in contact with each other. The shape of the selective epitaxial silicon layer 26 differs depending on the crystal plane orientation of the main surface 20a and the direction of the three-dimensional transistor.

そして、図12(A)、図14(A)に示すように、ハードマスク層21の側面に絶縁側壁(SiNサイドウォール層)28を形成する。   Then, as shown in FIGS. 12A and 14A, an insulating sidewall (SiN sidewall layer) 28 is formed on the side surface of the hard mask layer 21.

そして、図12(B)、図14(B)に示すように、異方性エッチング(例えば、RIE)により、ハードマスク層21および絶縁側壁28をマスクとして、選択エピタキシャルシリコン層26の一部を略垂直に選択的にエッチングする。   Then, as shown in FIGS. 12B and 14B, a part of the selective epitaxial silicon layer 26 is formed by anisotropic etching (for example, RIE) using the hard mask layer 21 and the insulating sidewall 28 as a mask. The etching is selectively performed substantially vertically.

なお、絶縁側壁28はTEOSなどのSiO2系の材料やアルミナなどの金属酸化物系の絶縁膜でもよい。   The insulating sidewall 28 may be a SiO2 material such as TEOS or a metal oxide insulating film such as alumina.

その後、インプラ工程、層間膜形成工程、コンタクト形成工程、多層配線工程を経て、FIN型トランジスタである実施例5に係る3次元トランジスタの製造工程が完了する。   Thereafter, through the implantation process, the interlayer film forming process, the contact forming process, and the multilayer wiring process, the manufacturing process of the three-dimensional transistor according to the fifth embodiment which is a FIN type transistor is completed.

すなわち、実施例5に係る3次元トランジスタは、半導体基板1と、半導体基板1の上面1aに対して垂直な板状に半導体基板1上に形成され、半導体基板1の上面に対して垂直な主面20aの結晶面方位が(110)または(110)である素子領域20と、素子領域20の上面を覆うハードマスク層21と、半導体基板1上の素子領域20が存在しない領域上に、素子領域20の少なくとも上部20bが露出するように形成された素子分離絶縁膜22と、半導体基板1の上面1aに対して垂直な板状に素子分離絶縁膜22上に形成され、半導体基板1上で素子領域20と直交し、素子領域20にゲート絶縁膜30およびハードマスク層21を介して接するゲート電極23と、ハードマスク層21の側面に形成された絶縁側壁28と、素子領域20のハードマスク層21で覆われていない(さらに、ゲート絶縁膜30が形成されていない、すなわち、ゲート電極23とゲート絶縁膜30を介して接していない)主面20aにエピタキシャル成長により形成され、絶縁側壁28の幅と略同一の幅の選択エピタキシャルシリコン層26と、を備える(図12(B)、図14(B))。   That is, the three-dimensional transistor according to the fifth embodiment is formed on the semiconductor substrate 1 in a plate shape perpendicular to the semiconductor substrate 1 and the upper surface 1 a of the semiconductor substrate 1, and the main transistor is perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate 1. An element region 20 whose crystal plane orientation of the surface 20a is (110) or (110), a hard mask layer 21 covering the upper surface of the element region 20, and a region where the element region 20 on the semiconductor substrate 1 does not exist An element isolation insulating film 22 formed so as to expose at least the upper portion 20b of the region 20 and a plate shape perpendicular to the upper surface 1a of the semiconductor substrate 1 are formed on the element isolation insulating film 22 and A gate electrode 23 orthogonal to the element region 20 and in contact with the element region 20 via a gate insulating film 30 and a hard mask layer 21; an insulating sidewall 28 formed on a side surface of the hard mask layer 21; It is formed by epitaxial growth on the main surface 20a not covered with the hard mask layer 21 in the region 20 (further, the gate insulating film 30 is not formed, that is, not in contact with the gate electrode 23 via the gate insulating film 30). And a selective epitaxial silicon layer 26 having substantially the same width as that of the insulating sidewall 28 (FIGS. 12B and 14B).

そして、選択エピタキシャルシリコン層26の側面部26dは、半導体基板1の上面に対して、略垂直の平面である。例えば、側面部26dは、半導体基板1の上面に対して、70度〜90度傾いた平面である。   The side surface portion 26 d of the selective epitaxial silicon layer 26 is a plane that is substantially perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate 1. For example, the side surface portion 26 d is a flat surface that is inclined by 70 to 90 degrees with respect to the upper surface of the semiconductor substrate 1.

以上のように、本実施例5に係る3次元トランジスタによれば、選択エピタキシャルシリコン成長に伴うファセット形成による横方向成長およびパタンエッジでのエピタキシャル層の膜厚変動の影響を低減することができる。   As described above, according to the three-dimensional transistor of the fifth embodiment, it is possible to reduce the influence of the lateral growth due to facet formation accompanying the selective epitaxial silicon growth and the film thickness variation of the epitaxial layer at the pattern edge.

特に、本実施例5に係る3次元トランジスタによれば、選択エピタキシャルシリコン層の膜厚を、素子分離領域幅に関係なく設定できる。これにより、FIN型トランジスタのソース・ドレイン領域の抵抗を所望の値まで下げることが可能となる。   In particular, according to the three-dimensional transistor of Example 5, the thickness of the selective epitaxial silicon layer can be set regardless of the element isolation region width. As a result, the resistance of the source / drain region of the FIN transistor can be lowered to a desired value.

さらに、側壁残し技術で形成されたサイドウォールを用いて選択エピタキシャルシリコン層を加工できる。   Furthermore, the selective epitaxial silicon layer can be processed using the sidewall formed by the sidewall leaving technique.

このため、選択エピタキシャルシリコン層の厚さを均一にでき、また、通常のリソグラフィー技術の合わせ余裕の限界を超えたFIN-FIN間距離となる世代でも適用可能であり、超微細型FINトランジスタにSEGを適用した技術となる。   For this reason, the thickness of the selective epitaxial silicon layer can be made uniform, and it can also be applied to generations that have a FIN-FIN distance exceeding the limit of the alignment margin of ordinary lithography technology. It becomes the technology which applied.

なお、実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。   In addition, embodiment is an illustration and the range of invention is not limited to them.

1 半導体基板
2 素子分離領域
3 ゲート電極
4 ソース・ドレイン領域
5 拡散層
6 選択エピタキシャルシリコン層
10 ゲート絶縁膜
12 キャップ絶縁膜
11 ゲート絶縁側壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Element isolation region 3 Gate electrode 4 Source / drain region 5 Diffusion layer 6 Selective epitaxial silicon layer 10 Gate insulating film 12 Cap insulating film 11 Gate insulating side wall

Claims (14)

結晶面方位が(100)である上面を有する半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、前記上面において素子領域を区画する素子分離領域と、
前記半導体基板の前記素子領域上にゲート絶縁膜を介して形成され、側面にゲート絶縁側壁が設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極に対して自己整合的に前記半導体基板の前記素子領域に形成されたソース・ドレイン領域と、
前記ソース・ドレイン領域上にエピタキシャル成長により形成された選択エピタキシャルシリコン層と、を備え、
前記選択エピタキシャルシリコン層の前記素子分離領域側の第1の側面部は、曲面形状を有することを特徴とする3次元トランジスタ。
A semiconductor substrate having an upper surface with a crystal plane orientation of (100);
An element isolation region formed on the semiconductor substrate and defining an element region on the upper surface;
A gate electrode formed on the element region of the semiconductor substrate via a gate insulating film, and provided with a gate insulating sidewall on a side surface;
Source / drain regions formed in the element region of the semiconductor substrate in a self-aligned manner with respect to the gate electrode;
A selective epitaxial silicon layer formed by epitaxial growth on the source / drain region, and
The three-dimensional transistor according to claim 1, wherein the first side surface portion of the selective epitaxial silicon layer on the element isolation region side has a curved surface shape.
前記第1の側面部は、ファセットを有さないことを特徴とする請求項1に記載の3次元トランジスタ。   The three-dimensional transistor according to claim 1, wherein the first side surface portion has no facet. 結晶面方位が(100)である上面を有する半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、前記上面において素子領域を区画する素子分離領域と、
前記半導体基板の前記素子領域上にゲート絶縁膜を介して形成され、側面にゲート絶縁側壁が設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極に対して自己整合的に前記半導体基板の前記素子領域に形成されたソース・ドレイン領域と、
前記ソース・ドレイン領域上にエピタキシャル成長により形成された選択エピタキシャルシリコン層と、を備え、
前記選択エピタキシャルシリコン層の前記素子分離領域側の第1の側面部は、前記半導体基板の上面に対して、略垂直の平面である
ことを特徴とする3次元トランジスタ。
A semiconductor substrate having an upper surface with a crystal plane orientation of (100);
An element isolation region formed on the semiconductor substrate and defining an element region on the upper surface;
A gate electrode formed on the element region of the semiconductor substrate via a gate insulating film, and provided with a gate insulating sidewall on a side surface;
Source / drain regions formed in the element region of the semiconductor substrate in a self-aligned manner with respect to the gate electrode;
A selective epitaxial silicon layer formed by epitaxial growth on the source / drain region, and
The three-dimensional transistor, wherein the first side surface portion on the element isolation region side of the selective epitaxial silicon layer is a plane substantially perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate.
前記第1の側面部は、前記半導体基板の上面に対して、70度〜90度で交わる平面である
ことを特徴とする請求項3に記載の3次元トランジスタ。
4. The three-dimensional transistor according to claim 3, wherein the first side surface portion is a plane that intersects at 70 degrees to 90 degrees with respect to the upper surface of the semiconductor substrate.
結晶面方位が(100)である上面を有する半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、前記上面において素子領域を区画する素子分離領域と、
前記半導体基板の前記素子領域上にゲート絶縁膜を介して形成され、側面にゲート絶縁側壁が設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極に対して自己整合的に前記半導体基板の前記素子領域に形成されたソース・ドレイン領域と、
前記ソース・ドレイン領域上にエピタキシャル成長により形成された選択エピタキシャルシリコン層と、
前記ゲート電極の上部を覆うように設けられ、前記ゲート絶縁側壁から前記素子分離領域側に延在したキャップ絶縁層と、を備え、
前記キャップ絶縁層の前記素子分離領域側に延在した部分の下に、前記選択エピタキシャルシリコン層の前記ゲート電極側の第2の側面部が位置する
ことを特徴とする3次元トランジスタ。
A semiconductor substrate having an upper surface with a crystal plane orientation of (100);
An element isolation region formed on the semiconductor substrate and defining an element region on the upper surface;
A gate electrode formed on the element region of the semiconductor substrate via a gate insulating film, and provided with a gate insulating sidewall on a side surface;
Source / drain regions formed in the element region of the semiconductor substrate in a self-aligned manner with respect to the gate electrode;
A selective epitaxial silicon layer formed by epitaxial growth on the source / drain regions;
A cap insulating layer provided so as to cover an upper portion of the gate electrode and extending from the gate insulating side wall to the element isolation region side,
The three-dimensional transistor characterized in that a second side surface portion on the gate electrode side of the selective epitaxial silicon layer is located under a portion extending to the element isolation region side of the cap insulating layer.
前記選択エピタキシャルシリコン層の前記ゲート電極側の第2の側面部は、前記ゲート電極にゲート側壁を介して接している
ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の3次元トランジスタ。
The second side surface portion on the gate electrode side of the selective epitaxial silicon layer is in contact with the gate electrode through a gate side wall.
The three-dimensional transistor according to any one of claims 1 to 5, wherein
2つ隣接する前記3次元トランジスタの前記選択エピタキシャルシリコン層の前記第1の側面部は、前記素子分離領域上で離間して対向している
ことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載の3次元トランジスタ。
The first side surface portion of the selective epitaxial silicon layer of two adjacent three-dimensional transistors is spaced apart and opposed on the element isolation region. The three-dimensional transistor according to item.
半導体基板と、
前記半導体基板の上面に対して垂直な板状に前記半導体基板上に形成され、前記半導体基板の前記上面に対して垂直な主面の結晶面方位が(100)または(110)である素子領域と、
前記素子領域の上面を覆うハードマスク層と、
前記半導体基板上の前記素子領域が存在しない領域上に、前記素子領域の少なくとも上部が露出するように形成された素子分離絶縁膜と、
前記半導体基板の前記上面に対して垂直な板状に前記素子分離絶縁膜上に形成され、前記半導体基板上で前記素子領域と直交し、前記素子領域にゲート絶縁膜を介して接するゲート電極と、
前記素子領域の前記ハードマスク層で覆われていない前記主面にエピタキシャル成長により形成された選択エピタキシャルシリコン層と、を備え、
前記選択エピタキシャルシリコン層の側面部は、前記半導体基板の上面に対して、略垂直の平面であることを特徴とする3次元トランジスタ。
A semiconductor substrate;
An element region which is formed on the semiconductor substrate in a plate shape perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate, and a crystal plane orientation of a main surface perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate is (100) or (110) When,
A hard mask layer covering the upper surface of the element region;
An element isolation insulating film formed on a region where the element region does not exist on the semiconductor substrate so that at least an upper portion of the element region is exposed;
A gate electrode formed on the element isolation insulating film in a plate shape perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate, orthogonal to the element region on the semiconductor substrate, and in contact with the element region via a gate insulating film; ,
A selective epitaxial silicon layer formed by epitaxial growth on the main surface not covered with the hard mask layer in the element region,
3. The three-dimensional transistor according to claim 1, wherein the side surface portion of the selective epitaxial silicon layer is a plane substantially perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate.
半導体基板と、
前記半導体基板の上面に対して垂直な板状に前記半導体基板上に形成され、前記半導体基板の前記上面に対して垂直な主面の結晶面方位が(100)または(110)である素子領域と、
前記素子領域の上面を覆うハードマスク層と、
前記半導体基板上の前記素子領域が存在しない領域上に、前記素子領域の少なくとも上部が露出するように形成された素子分離絶縁膜と、
前記半導体基板の前記上面に対して垂直な板状に前記素子分離絶縁膜上に形成され、前記半導体基板上で前記素子領域と直交し、前記素子領域にゲート絶縁膜を介して接するゲート電極と、
前記ハードマスク層の側面に形成された絶縁側壁と、
前記素子領域の前記ハードマスク層で覆われていない前記主面に、エピタキシャル成長により形成され、前記絶縁側壁の幅と略同一の幅の選択エピタキシャルシリコン層と、を備え、
前記選択エピタキシャルシリコン層の側面部は、前記半導体基板の上面に対して、略垂直の平面であることを特徴とする3次元トランジスタ。
A semiconductor substrate;
An element region which is formed on the semiconductor substrate in a plate shape perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate, and a crystal plane orientation of a main surface perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate is (100) or (110) When,
A hard mask layer covering the upper surface of the element region;
An element isolation insulating film formed on a region where the element region does not exist on the semiconductor substrate so that at least an upper portion of the element region is exposed;
A gate electrode formed on the element isolation insulating film in a plate shape perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate, orthogonal to the element region on the semiconductor substrate, and in contact with the element region via a gate insulating film; ,
An insulating sidewall formed on a side surface of the hard mask layer;
A selective epitaxial silicon layer formed by epitaxial growth on the main surface of the element region that is not covered with the hard mask layer and having a width substantially the same as the width of the insulating sidewall;
3. The three-dimensional transistor according to claim 1, wherein the side surface portion of the selective epitaxial silicon layer is a plane substantially perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate.
前記側面部は、前記半導体基板の上面に対して、70度〜90度傾いた平面である
ことを特徴とする請求項8または9に記載の3次元トランジスタ。
The three-dimensional transistor according to claim 8 or 9, wherein the side surface portion is a plane inclined by 70 to 90 degrees with respect to the upper surface of the semiconductor substrate.
前記半導体基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項1ないし10に記載の3次元トランジスタ。   The three-dimensional transistor according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate. 結晶面方位が(100)である上面を有する半導体基板上に素子領域を区画する素子分離領域を形成し、
前記素子領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、
前記ゲート電極の側面にゲート絶縁側壁を形成し、
前記ゲート電極に対して自己整合的に前記素子領域上にソース・ドレイン領域を形成し、
エピタキシャル成長により、前記ソース・ドレイン領域上に選択エピタキシャルシリコン層を形成し、
ガス雰囲気中のアニールにより、前記選択エピタキシャルシリコン層の前記素子領域側の第1の側面部を曲面形状にする
ことを特徴とする3次元トランジスタの製造方法。
Forming an element isolation region for partitioning an element region on a semiconductor substrate having an upper surface with a crystal plane orientation of (100);
Forming a gate electrode on the element region via a gate insulating film;
Forming a gate insulating sidewall on a side surface of the gate electrode;
Forming source / drain regions on the element region in a self-aligned manner with respect to the gate electrode;
A selective epitaxial silicon layer is formed on the source / drain regions by epitaxial growth,
The method for manufacturing a three-dimensional transistor, wherein the first side surface portion on the element region side of the selective epitaxial silicon layer is formed into a curved shape by annealing in a gas atmosphere.
結晶面方位が(100)である上面を有する半導体基板上に素子領域を区画する素子分離領域を形成し、
前記素子領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、
前記ゲート電極の側面に第1のゲート絶縁側壁を形成し、
イオン注入により、ソース・ドレイン領域を形成し、
前記第1のゲート絶縁側壁の外側に、第2のゲート絶縁側壁、第3のゲート絶縁側壁を順次形成し、
斜め入射型ドライエッチングにより、前記第3のゲート絶縁側壁の底部を除去し、
ウェットエッチングにより、前記第2のゲート絶縁側壁のうち、前記第3のゲート絶縁側壁の底部の除去により露出した部分を除去し、
エピタキシャル成長により、前記ソース・ドレイン領域上に選択エピタキシャルシリコン層を形成する
ことを特徴とする3次元トランジスタの製造方法。
Forming an element isolation region for partitioning an element region on a semiconductor substrate having an upper surface with a crystal plane orientation of (100);
Forming a gate electrode on the element region via a gate insulating film;
Forming a first gate insulating sidewall on a side surface of the gate electrode;
Source / drain regions are formed by ion implantation,
Forming a second gate insulating sidewall and a third gate insulating sidewall sequentially on the outside of the first gate insulating sidewall;
The bottom of the third gate insulating sidewall is removed by oblique incidence type dry etching,
By wet etching, the exposed portion of the second gate insulating sidewall is removed by removing the bottom of the third gate insulating sidewall;
A method of manufacturing a three-dimensional transistor, comprising forming a selective epitaxial silicon layer on the source / drain regions by epitaxial growth.
リソグラフィー技術により、半導体基板上であって素子領域となる領域上に選択的にハードマスク層を形成し、
異方性エッチングにより、前記ハードマスク層をマスクとして半導体基板を垂直にエッチングすることにより、前記半導体基板の上面に対して垂直な板状であり且つ前記半導体基板の前記上面に対して垂直な主面の結晶面方位が(100)または(110)である素子領域を形成し、
前記半導体基板上の前記素子領域が存在しない領域上に、前記素子領域の少なくとも上部が露出するように素子分離絶縁膜を形成し、
前記半導体基板の前記上面に対して垂直な板状であり、前記素子領域と直交し且つ前記素子領域にゲート絶縁膜を介して接するゲート電極を、前記素子分離絶縁膜上に形成し、
前記素子領域の上面を覆う前記ハードマスク層をマスクとして、エピタキシャル成長により、前記ハードマスク層で覆われていない前記素子領域の前記主面に選択エピタキシャルシリコン層を選択的に形成し、
前記ハードマスク層の側面に絶縁側壁を形成し、
異方性エッチングにより、前記ハードマスク層と前記絶縁側壁をマスクとして、前記選択エピタキシャルシリコン層の一部を略垂直に選択的にエッチングする
ことを特徴とする3次元トランジスタの製造方法。
A hard mask layer is selectively formed on a region to be an element region on a semiconductor substrate by lithography technology,
By etching the semiconductor substrate perpendicularly using the hard mask layer as a mask by anisotropic etching, a main body perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate and perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate is obtained. Forming an element region whose crystal plane orientation is (100) or (110),
Forming an element isolation insulating film on a region of the semiconductor substrate where the element region does not exist so that at least an upper portion of the element region is exposed;
A gate electrode perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate and perpendicular to the element region and in contact with the element region via a gate insulating film is formed on the element isolation insulating film;
A selective epitaxial silicon layer is selectively formed on the main surface of the element region not covered with the hard mask layer by epitaxial growth using the hard mask layer covering the upper surface of the element region as a mask,
Forming an insulating sidewall on a side surface of the hard mask layer;
A method for manufacturing a three-dimensional transistor, characterized in that a part of the selective epitaxial silicon layer is selectively etched substantially perpendicularly by anisotropic etching using the hard mask layer and the insulating sidewall as a mask.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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