JP2014063929A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ソース/ドレイン領域への半導体層のエピタキシャル成長前に行う、側壁絶縁膜の除去を容易にしながら、チャネル移動度の向上が可能な、FinFETを提供する。
【解決手段】シリコン基板上にエピタキシャル成長を用いてSiGe層を形成する。この際、シリコン基板から遠ざかるにつれてSiGe層中のGe濃度が高くなるように調整する。そしてSiGe層を垂直形状に加工してフィンチャネルを形成する。ゲート加工後にソース/ドレイン領域のフィンが露出した状態でSiGeがSiに対し選択的にエッチングされる条件でRIEを行うことで、ソース/ドレイン領域のフィンをテーパー断面形状にすることができ、ソース/ドレイン領域のフィン側面の側壁絶縁膜の除去が容易になる。一方、チャネル領域のフィンは垂直形状のため短チャネル効果に強い。また、チャネルがSiGe層から構成されているため、SiチャネルのFinFETと比べて、電子移動度およびホール移動度が高い。
【選択図】図7−3
【解決手段】シリコン基板上にエピタキシャル成長を用いてSiGe層を形成する。この際、シリコン基板から遠ざかるにつれてSiGe層中のGe濃度が高くなるように調整する。そしてSiGe層を垂直形状に加工してフィンチャネルを形成する。ゲート加工後にソース/ドレイン領域のフィンが露出した状態でSiGeがSiに対し選択的にエッチングされる条件でRIEを行うことで、ソース/ドレイン領域のフィンをテーパー断面形状にすることができ、ソース/ドレイン領域のフィン側面の側壁絶縁膜の除去が容易になる。一方、チャネル領域のフィンは垂直形状のため短チャネル効果に強い。また、チャネルがSiGe層から構成されているため、SiチャネルのFinFETと比べて、電子移動度およびホール移動度が高い。
【選択図】図7−3
Description
本発明の実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。
FinFET(Fin Field Effect Transistor)は微細幅の凸状半導体層(フィン)をチャネルに用い、そのチャネルを複数のゲートで覆う構造とすることで、チャネル不純物濃度を高くすることなく短チャネル効果を抑制できるトランジスタであり、1)移動度、2)接合リーク・接合容量、3)チャネル不純物揺らぎによるVtばらつき、4)フィン高さを高くすることで占有面積を増やすことなくチャネル幅を増大できる、等の点で従来の単一ゲートを有するPlanar型MOSFETに対して優位性を持つデバイスである。
このデバイスでは、短チャネル効果抑制のためフィン幅をゲート長と同等以下にする必要があるが、フィン幅の微細化により、側面フィンチャネルのチャネル移動度の低下、ソース/ドレイン領域の寄生抵抗の増加などの問題が生じることが知られている。
ソース/ドレイン領域の寄生抵抗を低減する方法としては、ソース/ドレイン領域のフィン表面にシリコン(Si)などの半導体層をエピタキシャル成長して、フィン幅を増大させる技術が一般的に用いられている。
ソース/ドレイン領域への半導体層のエピタキシャル成長は、ゲート電極を形成してから、ゲート電極の側面に側壁絶縁膜を形成した状態で行う。これによってエピタキシャル成長層とゲート電極を絶縁することができるが、ゲート側面に側壁絶縁膜を形成する際にはソース/ドレイン領域のフィン側面にも側壁絶縁膜が形成されるため、フィン側面の側壁絶縁膜を完全に除去してからエピタキシャル成長を行う必要がある。
ソース/ドレイン領域のフィン側面の側壁絶縁膜を除去する場合、フィン高さを低くしたり、フィンをテーパー形状に加工することで側壁絶縁膜の除去を容易に行うことができる。しかし、フィン高さを低くすることは占有面積を増やさずチャネル幅を増大できるFinFETの利点を損なう。一方、フィンをテーパー形状にする場合、フィン幅の太い部分でFinFETの短チャネル効果が増大したり、フィン表面の表面ラフネス(Ra)増大でゲート絶縁膜の信頼性が劣化することが知られている。
したがって、チャネル領域のフィンについて、必要な高さを確保しつつ、短チャネル効果抑制のため微細幅かつ垂直形状に加工した場合でも、側面フィンチャネルの移動度劣化を抑制しながら、ソース/ドレイン領域のフィン側面の側壁絶縁膜の除去を容易に行うことができる技術が求められている。
本発明の一つの実施形態は、チャネルとなるフィンの高さを必要なだけ確保しつつ、ソース/ドレイン領域への半導体層のエピタキシャル成長前に行う、ソース/ドレイン領域のフィン側面の側壁絶縁膜の除去を容易に行い、かつ側面フィンチャネルの移動度向上が可能なFinFETおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一つの実施形態によれば、FinFETにおいて半導体基板上に設けられたフィン(凸状半導体層)の側面の前記半導体基板表面に垂直な面に対する傾斜角について、チャネル領域のフィンの傾斜角がソース/ドレイン領域の内部領域(半導体層をエピタキシャル成長で形成する前のソース/ドレイン領域のフィンに相当)のフィンの傾斜角よりも小さくなるように調整されている。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体装置およびその製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態にかかる半導体装置であるFinFETの概略構成を示す斜視図、図2−1は同FinFETを模式的に示す平面図である。図2−2は、同FinFETを模式的に示す断面図であり、図2−1のX−X断面図である。図2−3は、同FinFETを模式的に示す断面図であり、図2−1のY−Y断面図である。図3は、第1の実施形態に係る半導体装置であるFinFETの概要を説明するためのチャネル断面と、ソース/ドレイン断面を模式的に示す図である。図4−1〜4−4は、第1の実施形態に係る半導体装置であるFinFETの製造工程の概要を説明するためのチャネル断面と、ソース/ドレイン断面を模式的に示す工程断面図である。図5−1〜5−20は、第1の実施形態の半導体装置の製造工程を示し、図6は、従来例の半導体装置を示す説明図である。
図1は、第1の実施形態にかかる半導体装置であるFinFETの概略構成を示す斜視図、図2−1は同FinFETを模式的に示す平面図である。図2−2は、同FinFETを模式的に示す断面図であり、図2−1のX−X断面図である。図2−3は、同FinFETを模式的に示す断面図であり、図2−1のY−Y断面図である。図3は、第1の実施形態に係る半導体装置であるFinFETの概要を説明するためのチャネル断面と、ソース/ドレイン断面を模式的に示す図である。図4−1〜4−4は、第1の実施形態に係る半導体装置であるFinFETの製造工程の概要を説明するためのチャネル断面と、ソース/ドレイン断面を模式的に示す工程断面図である。図5−1〜5−20は、第1の実施形態の半導体装置の製造工程を示し、図6は、従来例の半導体装置を示す説明図である。
本実施形態の半導体装置100は、図1および図2−1〜図2−3に示すように、NチャネルFETを構成する第1のFinFET10nと、PチャネルFETを構成する第2のFinFET10pとが同一基板上に形成されたCMOSFETである。これら第1および第2のFinFET10n、10pは、いずれもバルクのP型シリコン基板1上に形成されたFinFET(Bulk FinFET)である。フィンFのフィン幅方向の断面は、図2−3に示すように、チャネル領域3cでは垂直形状、ソース/ドレイン領域3s,3dではテーパー形状となっており、フィンFの側面の面方位はフィンFの断面が垂直形状の場合(100)面となっている。つまり、P型シリコン基板1上に設けられたフィン(凸状半導体層)Fの側面のP型シリコン基板1表面に垂直な面に対する傾斜角について、チャネル領域3cのフィンの傾斜角がソース/ドレイン領域の内部領域(半導体層をエピタキシャル成長で形成する前のソース/ドレイン領域のフィンに相当)のフィンの傾斜角よりも小さくなるように調整されている。
図2−1〜図2−3に示すように、チャネル領域3cは、フィンがテーパー形状に加工されたSi層からなる内部領域3iと、その外側にSiGe層をエピタキシャル成長して形成した付加層3sgとの積層構造となっており、チャネル領域3c全体としてフィン幅方向の断面が垂直形状となっている。内部領域3iはテーパー形状であるためフィン側面の面方位は(100)面からずれているが、その表面にSiGe層をエピタキシャル成長させると成長速度の遅い(100)面が現れ、付加層3sgがテーパー形状のSi層の表面を平坦化し、チャネル領域3cの断面は垂直形状になる。チャネル領域の内部領域3iはソース/ドレイン内部領域3s,3dの内部領域3iと同一加工で形成されるため同一符号を付す。
一方、ソース/ドレイン領域のフィンはチャネルの内部領域3iと同一加工で形成されたテーパー形状をしたSi層を有するが、チャネル領域でSi層表面に形成されたSiGe層からなる付加層3sgは有していない。
本実施形態の半導体装置100は、チャネル領域3cがテーパー形状をしたSi層からなる内部領域と、その表面にSiGe層からなる付加層3sgが形成された積層構造のフィンFを有し、ソース/ドレイン領域のフィンFはテーパー形状をしたSi層のみを有する点が通常のFinFETとは異なる。この半導体装置100は半導体基板であるP型シリコン基板1表面にPウェル2pとNウェル2nを形成し、これらPウェル2pとNウェル2n内に形成された、NチャネルFETを構成する第1のFinFET10nと、PチャネルFETを構成する第2のFinFET10pとを具備している。
そして、本実施形態では、第1および第2のFinFET10n、10pのフィンチャネルのボトム領域にシリコンよりもバンドギャップの大きい材料であるシリコンカーバイド(SiC)層が形成されている。このSiC層はBulk FinFETの課題であるフィンチャネルのボトムを流れるソース/ドレインリーク電流を抑制するとともに、ソース領域3sおよびドレイン領域3dから、多数キャリアが基板(ここではPウェル2p、Nウェル2n)内に拡散するのを防止する。以後、上記のような機能を持ったこのSiC層を拡散ブロック層と呼び、第1および第2のFinFET10n、10pに形成された拡散ブロック層を4p、4nとする。
第1のFinFET10nは、フィンF内のP型シリコン層からなるソース領域3sおよびドレイン領域3dと、ソース領域3sとドレイン領域3dとの間に形成されるチャネル領域3cに相当するフィンFの側面に、ゲート絶縁膜5を介して電界効果を与えるゲート電極6とを具備している。
第2のFinFET10pは、フィンF内のN型シリコン層からなるソース領域3sおよびドレイン領域3dと、ソース領域3sとドレイン領域3dとの間に形成されるチャネル領域3cに相当するフィンFの側面に、ゲート絶縁膜5を介して電界効果を与えるゲート電極6とを具備している。
フィンFはP型シリコン基板1上に形成されたPウェル2pおよびNウェル2n上に形成され、長手方向(図1のD1方向)と短手方向(図1のD2方向)を有する半導体層である。
ゲート電極6は、チタンナイトライド(TiN)層で構成され、ハフニウムシリコンオキシナイトライド(HfSiON)層からなるゲート絶縁膜5を介して、フィンFの短手方向側面および上面に形成される。そしてゲート電極6は、第1および第2のFinFET10n、10pで共通となっている。
フィンF内において、ゲート絶縁膜5を介してゲート電極6と重なった部分はチャネル領域3cであり、その両外側の部分はソース領域3sおよびドレイン領域3dとなる。チャネル領域3cは前述したように、テーパー形状の内部領域3iとその外側にSiGeをエピタキシャル成長させた付加層3sgを具備している(図3(a))。ソース領域3sとドレイン領域3dは、チャネル領域3cと同一加工で形成されたテーパー形状をもつフィンFである内部領域3iと、その外側に寄生抵抗低減のため選択的エピタキシャル成長で形成したエピタキシャル成長層3eが形成された積層構造になっている(図3(b))。また基板コンタクトのために設けた両側の2つのフィンFもソース領域3sとドレイン領域3dと同様、テーパー形状を持つ内部領域3iとエピタキシャル成長層3eの積層構造となっている。
上記構成によれば、チャネル領域3cの表面がSiGe層からなる付加層3sgで構成されており、チャネルを構成する主たる領域がSiGe層となるため、チャネルにSi層を用いた場合と比べ電子移動度やホール移動度が向上し、デバイスを高性能化させることができる。
また、従来のFinFETではフィンの加工にRIE(反応性イオンエッチング)を用いており、RIEで加工した側面フィンチャネルの移動度劣化が課題であったが、本実施形態では側面フィンチャネルにエピタキシャル成長で形成したSiGe層を用いるため、表面ラフネスが小さく、ラフネス散乱による移動度劣化が小さい。また、SiGeはSiと比べて電子移動度やホール移動度が高いため、移動度向上によるデバイスの高性能化が可能となる。
一方、従来のFinFETでは、フィンをテーパー形状に加工すると、フィン側面の表面形状が面方位に依存して変ることが知られている。図6(a)および(b)はフィン側面が(100)面の場合、フィンがテーパー形状に加工されると表面のSi原子層にステップが現れる様子を模式的に示したものである。このようにSi表面にステップが現れ表面ラフネスが大きい状態で熱酸化を行うと、酸化膜の膜厚が不均一となり、ゲート絶縁膜の信頼性が劣化することが知られている。これに対し、本実施形態では、チャネル領域3cを垂直形状にすることで、フィン側面の表面ラフネスを低減し、ゲート絶縁膜の信頼性劣化を抑制することができる。
また、フィンチャネルのボトムに形成されたSiC層は、フィンチャネルのボトムを流れるソース/ドレインリーク電流を抑制すると同時に、熱伝導率が高いために、SOIFinFETやBulk FinFETでもフィン幅の微細化で問題となるセルフヒーティングの影響を低減することができる。
次に本実施形態の半導体装置の製造工程について説明する。説明に先立ち、図4−1〜図4−4を用いて、本実施形態の半導体装置の製造工程の概略を説明する。図4−1〜図4−4において、(a)はチャネル断面、(b)はソース/ドレイン断面を模式的に示す。また、図4−1〜図4−4では、Pウェル2p側に形成するNチャネルFETのみを図示しており、Nウェル2n側に形成するPチャネルFETについては図示を省略している。また、拡散ブロック層4p、4nについて図示を省略した。
まずSiからなる半導体基板(P型シリコン基板1)上にSiC、Siを順にエピタキシャル成長させてSi/SiC/Siの積層構造体を形成した後、イオン注入を用いてPウェル2p、Nウェル2nを形成する。次にCVD法を用いてシリコンナイトライド層をSi/SiC/Si積層構造体の全面に成膜した後、シリコンナイトライド層をパターニングしてハードマスクHRを形成する。
続いてこのハードマスクHRをマスクとして、Si/SiC/Siの積層構造体をエッチングしてフィンFを形成するが、この際フィンFをテーパー形状に加工する。この後、フィンF形成のエッチングで形成されたフィンF側部の溝に素子分離絶縁膜7を埋め込み、素子分離絶縁層(STI)を形成する(図4−1)。
次にフィン表面にSiGe層からなる付加層3sgをエピタキシャル成長させる。フィン加工後はフィンのテーパー形状により、フィン側面の面方位が(100)面からずれているが、エピタキシャル成長では(100)面方位の結晶成長が遅いため、付加層3sgをエピタキシャル成長させたあとのフィン側面は(100)となり、テーパー形状だったフィン側面が平坦化される(図4−2)。
続いてゲート絶縁膜5およびゲート電極6の材料の成膜を行ったのち、ハードマスクHR2を形成し、これをマスクとしてRIEを用いてゲート加工を行いゲート電極6を形成する(図4−3)。
ゲート加工でソース/ドレイン領域3s,3dのゲート電極材料を完全に除去した後、ゲート絶縁膜5の除去を行う。この後、Siに対してSiGeを選択的にエッチングできるエッチング条件を用いてRIEを行い、SiGeを選択除去してソース/ドレイン領域3s,3dのフィンをテーパー形状にする(図4−4)。そして絶縁膜を形成し、マスクレスのRIEにより、ゲート電極6の側面にのみ絶縁膜を残留せしめ、側壁絶縁膜9を形成する。これによってエピタキシャル成長層とゲート電極を絶縁することができる。しかしながらこのとき、ゲート電極6の側面に側壁絶縁膜9を形成する際にはソース/ドレイン領域3s,3dのフィン側面にも側壁絶縁膜9が形成されるため、ソース/ドレイン領域3s,3dのフィン側面の側壁絶縁膜9を完全に除去してからエピタキシャル成長を行う必要がある。本実施形態によれば、このとき、SiGeの選択除去によりソース/ドレイン領域3s,3dのフィンがテーパー形状になっているため、ソース/ドレイン領域3s,3dの側壁絶縁膜9はRIEにより容易に除去することができる。
この結果、チャネル領域3cのフィンF側面を垂直形状に保ちつつ、ソース/ドレイン領域3s,3dのフィンFをテーパー形状にすることができ、従来技術の問題点を解決することができる。また、本実施形態の方法ではチャネル領域3c表面の付加層3sgにSiGeを用いているため、チャネルにSiを用いた場合と比べて、電子移動度やホール移動度が向上し、デバイスを高性能化させることができる。
以下、本実施形態の半導体装置の製造工程について説明する。図5−1〜図5−20は本実施形態の半導体装置の製造工程を示す図である。図5−1〜図5−20において、(c)は、平面図であり、(a)は、(c)のA−A断面図、(b)は、(c)のB−B断面図に相当するものとする。また表示位置の理解を容易にするために(c)は、全図において完成状態を示すものとする。なお、工程図ではフィンを2本に省略して示した。
この方法では、半導体基板を構成するP型シリコン基板1上に、拡散ブロック層4p、4nを形成するためのシリコンカーバイド層をエピタキシャル成長させる。次に、シリコンカーバイド層上にノンドープシリコンエピタキシャル成長層3を形成し、Si/SiC/Siの積層構造体を得る。そしてこの積層構造体に各導電型のウェルを形成した後、Si/SiC/Siの積層構造体をフィン状に加工し、素子分離絶縁膜7を用いた素子分離絶縁層形成、ゲート絶縁膜5形成、ゲート電極6形成という通常のFinFET形成プロセスに従ってFinFETが形成される。
まず、CVD法を用いて、拡散ブロック層4p、4nを形成するためのシリコンカーバイド層4を、半導体基板を構成するP型シリコン基板1上にエピタキシャル成長させる。なお、シリコンカーバイド層4として具体的には3C−SiC(β−SiC)を用いることができる。シリコンカーバイド層4中へのドーピングはシリコンカーバイドエピタキシャル成長時にドーピングガスを添加するか、成長後にイオン注入で行うことができる。次に、シリコンカーバイド層4上にCVD法を用いてノンドープシリコンエピタキシャル成長層3を形成することでSi/SiC/Siの積層構造が形成される(図5−1)。この積層面は(010)面であり、この積層面に垂直な面が(100)面となるように構成される。
次に、図5−2に示すように、ノンドープシリコンエピタキシャル成長層3上に第1のレジストR1からなるマスクパターンを形成する。そして、このマスクパターン越しにボロンBのイオン注入を行ない、Pウェル2pを形成する。このときノンドープシリコンエピタキシャル成長層3およびシリコンカーバイド層4についてもPウェルと同様にP型不純物が導入される。
そして図5−3に示すように、第2のレジストR2からなるマスクパターンを形成する。そして、このマスクパターン越しにリンPのイオン注入を行ないNウェル2nを形成する。このときノンドープシリコンエピタキシャル成長層3およびシリコンカーバイド層4についてもNウェルと同様にN型不純物が導入される。
この後、図5−4に示すように、CVD法を用いて成膜したシリコンナイトライド層をフォトリソグラフィおよびRIEを用いてパターニングしてハードマスクHRを形成する。
そして、図5−5に示すように、ハードマスクHRをマスクとして、ノンドープシリコンエピタキシャル成長層、シリコンカーバイド層からなる拡散ブロック層4p、4nおよびPウェル2p、Nウェル2nを所定の高さまでエッチングしてフィンFを形成する。この際、エッチング条件を調整することでフィンFがテーパー形状となるようにフィンFを加工する。
この後、図5−6に示すように、フィンF形成のためのエッチングで形成された、フィンF側部の溝を埋め込むように、プラズマCVD法によりTEOS膜からなる素子分離絶縁膜7を堆積した後、シリコンナイトライド層からなるハードマスクHRをストッパとしてCMP(化学的機械研磨)法により平坦化する。
次に、図5−7に示すように、TEOS膜の上面位置がシリコンカーバイド層からなる拡散ブロック層4p、4nの上面位置と同程度となるようにRIEまたはウェットエッチングを用いてリセスを行い、素子分離絶縁層(STI)を形成する。
この後、図5−8に示すように、テーパー形状をしたフィンFの内部領域に相当する領域(以後、内部領域3iと記す)側面に、SiGeエピタキシャル成長層からなる付加層3sgを形成する。フィン加工後はフィンのテーパー形状により、フィン側面の面方位が(100)面からずれているが、エピタキシャル成長では(100)面方位の結晶成長が遅いため、SiGe層をエピタキシャル成長した後のフィン側面は(100)面となり、フィン側面が平坦化される。
この後、図5−9に示すように、CVD法により内部領域3i表面にハフニウムシリコンオキシナイトライド(HfSiON)層からなるゲート絶縁膜5を形成する。
次に、図5−10に示すように、チタンナイトライド(TiN)層からなるゲート電極6をスパッタリングにより形成する。この後、シリコンナイトライド層を形成し、フォトリソグラフィとRIEを用いてパターニングしてハードマスクHR2を形成する。
この後、図5−11に示すように、シリコンナイトライド層からなるハードマスクHR2をマスクとしてゲート電極6をRIEで加工する。ゲート加工ではゲート絶縁膜5をエッチングストッパとして、ソース/ドレイン領域のゲート電極材料が完全に除去される。
この後、図5−12に示すように、ソース/ドレイン領域のゲート絶縁膜5をウェットエッチングにより選択的に除去する。次にSiに対してSiGeを選択的にエッチングできる条件でRIEを行い、SiGeを選択除去してソース/ドレイン領域のフィンをテーパー形状にする。
続いて、図5−13に示すように、全面にCVD法により側壁絶縁膜9となるシリコンナイトライド層を成膜する。
そして、図5−14に示すように、RIEを行いソース/ドレイン領域のフィンの内部領域3i側面の側壁絶縁膜9は完全に除去しつつ、ゲート電極6の側面にシリコンナイトライド層からなる側壁絶縁膜9を形成する。
この後、図5−15に示すように、第2のレジストR2でPチャネルFET側を被覆し、斜めイオン注入により、NチャネルFinFETのソース/ドレイン エクステンション領域を形成する。続いて、NチャネルFET側を被覆し、斜めイオン注入によりPチャネルFinFETのソース/ドレイン エクステンション領域(この断面では見えないため、図示せず)を形成する。
そしてソース/ドレイン領域のフィン(内部領域3i)上のハードマスクHRをエッチング除去してフィンFを露呈せしめる。この後、図5−16に示すように、選択的エピタキシャル成長法により、ソース/ドレイン領域のフィン(内部領域3i)の表面にエピタキシャル成長層3eを形成する。
次に、図5−17に示すように、PチャネルFET側のソース/ドレイン領域を第3のレジストR3で被覆し、NチャネルFET側のソース/ドレイン領域にリンまたは砒素などのN型不純物をイオン注入する。
次に、図5−18に示すように、NチャネルFET側のソース/ドレイン領域を第4のレジストR4で被覆し、PチャネルFET側のソース/ドレイン領域にボロンなどのP型不純物をイオン注入する。
この後、図5−19に示すように、不活性ガス雰囲気中でアニールを行ない、注入された不純物の活性化を行い、ソース/ドレイン領域3s,3d(この断面ではソース領域3しかみえていないためドレイン領域3dは図示せず)およびソース/ドレイン エクステンション領域を形成する。
この後、図5−20に示すように、ソース/ドレイン領域3s,3dに、ニッケルをスパッタで成膜してから、熱処理によりシリサイド3Mを形成する。このシリサイド化の際にソース/ドレイン領域3s,3dが完全にシリサイドになってしまわないようにすることが必要である。これは完全にシリサイド化されるとソース/ドレイン拡散層とシリサイドの接触面積が減少し、ソース/ドレイン寄生抵抗の主要因である界面抵抗が増大するためである。またシリサイド材料としてはニッケルシリサイドに限定されることなく、コバルトシリサイド、チタンシリサイドなどの材料でもよい。
このようにして、図1に示した構成の半導体装置(FinFET)が完成する。ここでチャネル領域のフィン(内部領域3i)上のハードマスクHRはそのまま残し上部絶縁膜8とする。
本実施形態の半導体装置の製造方法を用いることで、チャネル領域のフィン側面を垂直形状にしつつ、ソース/ドレイン領域のフィン側面をテーパー形状にすることができる。チャネル領域のフィン側面を垂直で平滑な面とすることで、短チャネル効果の増大を防止しつつ、フィン側面の表面ラフネスを低減することでゲート絶縁膜の信頼性劣化を抑制することができる。一方、ソース/ドレイン領域のフィン側面をテーパー形状にすることができるため、ソース/ドレイン領域へのエピタキシャル成長前に行うフィン側面の側壁絶縁膜のエッチングが容易となる。また、本実施形態ではフィン側面チャネルの表面がSiGe層になっているため、チャネルをSiとした場合に比べて電子移動度やホール移動度が高く、デバイスを高性能化させることができる。
ソース/ドレイン領域のフィン側面が垂直である場合、フィン側面の側壁絶縁膜を完全に除去するためには、側壁除去RIEにおけるオーバーエッチング量を増やせばよいが、ゲート上のHMもエッチングされて薄くなる。側面が垂直形状で、かつ高さの高いフィンの場合ではソース/ドレイン領域のフィン側面の側壁絶縁膜除去がより困難であり、側壁除去RIEで必要なオーバーエッチング量がさらに増加し、ゲート上のHMもさらにエッチングされる。このためゲート上のHM膜厚を維持しながら、フィン側面の側壁絶縁膜を完全に除去することは極めて難しい。一方、コンタクトにSAC(Self Align Contact)を用いる場合、コンタクトホール加工でゲート上のHMがエッチングされ、ゲート電極とSACがショートしやすくなる。そのため、FinFETでコンタクトにSACを用いる場合、側壁除去RIEのオーバーエッチング量の増加で、ゲート電極とSACのショートがさらに起こりやすくなる。
このようなゲート電極とSACのショートを防止するためにはゲート電極上のハードマスクHMの膜厚を厚くすることが有効であるが、ハードマスクHMを厚膜化した場合にはハードマスクHMの加工難易度が増加する問題がある。
本実施形態の場合は、ソース/ドレイン領域のフィンの側面をテーパー形状にすることで、フィンの高さが高い場合でも側壁絶縁膜の除去が容易となり、上記の問題を回避することができる。
また、前記第1の実施形態のFinFETでは、ソース/ドレイン領域の内部領域3iの外周に形成されるエピタキシャル成長層3eはシリコンで構成した。この場合、内部領域3iとエピタキシャル成長層3eとで格子定数の差がないため、チャネル領域へのストレス印加がなく、NチャネルFinFET,PチャネルFinFETのいずれかにおける移動度劣化を抑制することができる。
また、前記第1の実施形態のFinFETにおいて、ソース/ドレイン領域の内部領域3iの外周に形成されるエピタキシャル成長層3eはシリコンに代えてSiC層で構成してもよい。この場合、SiCがSiに比べて格子定数が小さいためチャネル領域に引張応力を印加することになり、NチャネルFinFETの電子移動度を向上できる。
また、前記第1の実施形態のFinFETにおいて、ソース/ドレイン領域の内部領域3iの外周に形成されるエピタキシャル成長層3eはシリコンに代えてSiGe層で構成してもよい。この場合、SiGeがSiに比べて格子定数が大きいためチャネル領域に圧縮応力を印加することになり、PチャネルFinFETのホール移動度を向上できる。
さらにまた、製造工程は複雑となるが、NチャネルFinFET側のソース/ドレイン領域の内部領域3iの外周に形成されるエピタキシャル成長層3eはSiCで構成し、PチャネルFinFET側はSiGeで構成することで、両方のFinFETの性能向上をはかることも可能である。
また、フィンチャネルボトムにバンドギャップの大きいシリコンカーバイド層からなる拡散ブロック層4p、4nが形成され、フィンチャネル下のソース/ドレインリークに起因するオフリーク電流を抑制することができる。さらに、この拡散ブロック層によってソース/ドレイン領域の拡散層中の多数キャリアが基板に拡散するのを防ぐことで、ウェル耐圧の低下を抑制することができる。加えて、シリコンカーバイドの熱伝導率が高いためセルフヒーティング効果を抑制することができる。
また、本実施形態においては、拡散ブロック層の少なくとも一部が素子分離絶縁膜7で被覆されており素子分離絶縁膜7は拡散ブロック層4p、4nと接した位置を上面として、P型シリコン基板1上のPウェル2pおよびNウェル2nまで形成されている。このため、FinFETのチャネル幅は実質的に拡散ブロック層4p、4nの上面の高さで決定されることになる。したがって拡散ブロック層4p、4nの膜厚を素子分離絶縁膜7の上面の高さばらつきより大きくしておくことで、素子分離絶縁膜7の上面の高さがばらついてもFinFETのチャネル幅を一定に保つことができる。
また、本実施形態の半導体装置は、PチャネルFinFETとNチャネルFinFETとが同一のシリコン基板上に形成されたCMOSFETについて説明したが、異なる導電型のチャネルを有する3個以上の複数の凸状半導体層がFinFETを構成する場合にも有効であることはいうまでもない。また多数キャリアが電子である場合でもホールである場合でもワイドバンドギャップ層により、ソース/ドレイン領域の拡散層中の多数キャリアが基板に拡散するのが抑制され、PチャネルFinFET、NチャネルFinFETのいずれの場合にもウェル耐圧の向上に有効である。特に、この拡散ブロック層はNチャネルFinFETとPチャネルFinFETのいずれに対しても有効であるため、例えばSi/SiC/Siなど同一の積層構造で形成することができ、製造工程の簡略化をはかることができる。
なお、拡散ブロック層を構成するワイドバンドギャップ材料としては、シリコンカーバイドSiCの他、ガリウムリンGaP、ガリウムナイトライドGaNなど他の材料を用いることも可能である。このように、フィンをシリコンで構成した場合、GaPは格子整合性の観点からは、拡散ブロック層として極めて有効である。これは、GaPの格子定数は5.45Åでシリコンの5.43Åにきわめて近く、Siとの格子ミスマッチが小さくヘテロ接合での結晶欠陥が発生しにくいためである。
しかしながら、特に、拡散ブロック層4p、4nによる効果を特に必要としない場合は、拡散ブロック層4p、4nはなくてもよい。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図7−1〜図7−3は、第2の実施形態に係る半導体装置であるFinFETを模式的に示す図であり、図7−1は平面図、図7−2は、図7−1のX−X断面図、図7−3は、図7−1のY−Y断面図である。図8は、第2の実施形態に係る半導体装置であるFinFETの概要を説明するためのチャネル断面と、ソース/ドレイン断面を模式的に示す図である。図9−1〜図9−5は、第2の実施形態に係る半導体装置であるFinFETの製造工程の概要を説明するためのチャネル断面と、ソース/ドレイン断面を模式的に示す図である。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図7−1〜図7−3は、第2の実施形態に係る半導体装置であるFinFETを模式的に示す図であり、図7−1は平面図、図7−2は、図7−1のX−X断面図、図7−3は、図7−1のY−Y断面図である。図8は、第2の実施形態に係る半導体装置であるFinFETの概要を説明するためのチャネル断面と、ソース/ドレイン断面を模式的に示す図である。図9−1〜図9−5は、第2の実施形態に係る半導体装置であるFinFETの製造工程の概要を説明するためのチャネル断面と、ソース/ドレイン断面を模式的に示す図である。
本実施形態では、P型シリコン基板上1にSiGe層13をエピタキシャル成長させた基板を用いる。ここでSiGe層中のGe濃度はP型シリコン基板1から遠ざかるにつれて濃度が高くなるように調整する。そして、ゲート加工後にソース/ドレイン領域のフィンが露出した状態でエッチングを行う。このとき、Siに対してSiGeが選択的にエッチングされるエッチング条件を用いることで、第1の実施形態と同様、ソース/ドレイン領域のフィンをテーパー形状にすることができる。これにより従来技術の問題点を解決することが可能となる。また、本実施形態ではチャネル領域のフィンがSiGe層から構成されているため、チャネルをSiとした場合と比べ電子移動度やホール移動度が高く、デバイスを高性能化させることができる。
本実施形態の半導体装置200は、前記第1の実施形態の半導体装置100とほぼ同様であるが、チャネル領域およびソース/ドレイン領域のフィンの少なくとも一部がSiGeで構成され、SiGe中のGe濃度はフィンのトップに近づくほど高くなっている。このような組成傾斜を持ったSiGe層は、P型シリコン基板1上にエピタキシャル成長を用いてSiGeを成膜する際に、Ge濃度を調整することで得ることができる。他は前記第1の実施形態のCMOSFinFETのNチャネルFinFET10n、PチャネルFinFET10pと同様であるためここでは説明を省略する。
次に本実施形態の半導体装置の製造工程について説明する。図9−1〜図9−5を用いて、本実施形態の半導体装置の製造工程の概略を説明する。図9−1〜図9−5において、(a)はチャネル断面、(b)はソース/ドレイン断面を模式的に示す。ここでは拡散ブロック層4p、4nは図示を省略する。また拡散ブロック層4p、4nは形成しなくてもよい。
P型シリコン基板1上に、Ge濃度がP型シリコン基板1から遠ざかるにつれて濃度が高くなるように調整されたSiGe層13をエピタキシャル成長で形成する。続いて前記第1の実施形態と同様、イオン注入を用いてPウェル2p、Nウェル2nを形成した後、CVD法を用いて成膜したシリコンナイトライド層をフォトリソグラフィおよびRIEを用いてパターニングしてハードマスクHRを形成する。
そして、図9−1に示すように、このハードマスクHRをマスクとして、SiGe層、およびPウェル2p、Nウェル2nを所定の高さまでエッチング除去し、フィンFを加工する。この際、エッチング条件を調整することでフィンFが垂直形状となるようにフィンFを加工する。
この後、フィンF形成のためのエッチングで形成された、フィンF側部の溝を埋め込むように、プラズマCVD法によりTEOS膜からなる素子分離絶縁膜7を堆積した後、シリコンナイトライド層からなるハードマスクHRをストッパとしてCMP法により平坦化する。続いて素子分離絶縁膜7をRIEまたはウェットエッチングを用いてリセスして素子分離絶縁層(STI)を形成する。
次にゲート絶縁膜5およびゲート電極6の材料の成膜(図9−2)した後、RIEを用いてゲート加工を行なう(図9−3)。ゲート加工ではゲート絶縁膜5をエッチングストッパとして、ソース/ドレイン領域のゲート電極材料が完全に除去される。続いてソース/ドレイン領域のゲート絶縁膜5をウェットエッチングにより選択的に除去する(図9−4)。
次にSiに対してSiGeを選択的にエッチングできる条件でRIEを行い、SiGeを選択除去してソース/ドレイン領域のフィンをテーパー形状にする(図9−5)。
このようにして、チャネル領域3cのフィンは垂直形状としつつ、ソース/ドレイン領域3s,3dのフィンをテーパー形状にすることができる。これにより従来技術の問題点を解決することが可能となる。
本実施形態では、チャネル領域のフィンがSiGe層で構成されているため、チャネルをSiで形成した場合と比べて、電子移動度やホール移動度が高く、デバイスを高性能化させることができる。
なお、本実施形態では、フィンの側面の面方位がいずれの場合においてもチャネル領域のフィンを垂直形状にしつつ、ソース/ドレイン領域のフィンをテーパー形状にすることが可能となる。また、Ge濃度を調整することで、ソース/ドレイン領域のフィンのテーパー形状を調整することができる。一方、第1の実施形態では、例えばフィン側面の面方位が(110)の場合、テーパー形状のSi表面にSiGe付加層を形成すると、(111)面からなるファセット形状となり、チャネルを垂直形状にすることが困難である。したがって、フィン側面の面方位によらずにチャネル領域のフィンを垂直形状にしつつ、ソース/ドレイン領域のフィンをテーパー形状にできる点では本実施形態の方が有利である。
また、本実施形態では、P型シリコン基板1上に形成したSiGe層のGe濃度を調整するだけでエッチング選択性により、チャネル領域のフィン側面は垂直形状、ソース/ドレイン領域のフィン側面はテーパー形状にすることができ、製造が極めて容易である。一方、第1の実施形態の場合、チャネル領域のフィン表面にエピタキシャル成長層を用いることができるため、第2の実施形態のようにRIEで加工した面よりもラフネスが低減でき、ラフネス散乱による移動度の劣化を抑制することが可能となる。
さらにまた、本実施形態では、シリコン基板上にシリコン基板から遠ざかるにつれGe濃度が高くなるように形成されたSiGe組成傾斜層を用いたが、必ずしも組成傾斜層に限定されるものではない。例えば半導体層の表面の一部がSiGe層で構成され、SiGe中のGe濃度が半導体層のトップで、より高くなるように構成されていてもよい。この場合も、エッチングにより、表面側で細くなるようなフィン形状を得ることが可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、上記第1の実施形態から第2の実施形態またはそれぞれに示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。更に、上記第1の実施形態から第2の実施形態にわたる構成要件を適宜組み合わせてもよい。
1 シリコン基板、2p Pウェル、2n Nウェル、3c,13c チャネル領域、3i,13i チャネル(およびソース/ドレイン)内部領域、3sg 付加層、3e,13e エピタキシャル成長層、3s ソース領域、3d ドレイン領域、3M シリサイド、4p,4n 拡散ブロック層、5 ゲート絶縁膜、6 ゲート電極、7 素子分離絶縁膜、8 上部絶縁膜、9 側壁絶縁膜、10n,20n 第1のFinFET(NチャネルFinFET)、10p,20p 第2のFinFET(PチャネルFinFET)、F フィン(凸状半導体層)、HR,HR2 ハードマスク、100,200 半導体装置
Claims (7)
- 半導体基板上に設けられた複数の凸状半導体層と、
前記凸状半導体層内に設けられた、チャネル領域と、ソース領域およびドレイン領域と、
前記チャネル領域に相当する前記凸状半導体層の側面に、ゲート絶縁膜を介して設けられ、前記チャネル領域に電界効果を与えるゲート電極とを具備し、
前記ソース領域およびドレイン領域では、前記チャネル領域と同一工程で形成された内部領域と、前記内部領域の外周を覆うようにエピタキシャル成長によって形成されたエピタキシャル成長部とを具備し、
前記チャネル領域は、
前記ソース領域およびドレイン領域の前記内部領域と同一工程で形成され、トップに近づくにつれて幅狭となるテーパー状断面を有する内部領域と、
Si層からなる前記内部領域の外周面にエピタキシャル成長されたSiGe層からなる付加層とで構成され、
前記チャネル領域の前記凸状半導体層の側面の前記半導体基板表面に垂直な面に対する傾斜角が、前記ソース領域およびドレイン領域の前記内部領域の傾斜角よりも小さい半導体装置。 - 半導体基板上に設けられた複数の凸状半導体層と、
前記凸状半導体層内に設けられた、チャネル領域と、ソース領域およびドレイン領域と、
前記チャネル領域に相当する前記凸状半導体層の側面に、ゲート絶縁膜を介して設けられ、前記チャネル領域に電界効果を与えるゲート電極とを具備し、
前記ソース領域およびドレイン領域では、前記チャネル領域と同一工程で形成された内部領域と、前記内部領域の外周を覆うようにエピタキシャル成長によって形成されたエピタキシャル成長部とを具備し、
前記チャネル領域の前記凸状半導体層の側面の前記半導体基板表面に垂直な面に対する傾斜角が、前記ソース領域およびドレイン領域の前記内部領域の傾斜角よりも小さい半導体装置。 - 前記チャネル領域は、
前記ソース領域およびドレイン領域の前記内部領域と同一工程で形成され、トップに近づくにつれて幅狭となるテーパー状断面を有する内部領域と、
前記内部領域の外周面にエピタキシャル成長された付加層とで構成された、請求項2に記載の半導体装置。 - 前記付加層はSiGe層である、請求項3に記載の半導体装置。
- 前記内部領域はSi層である、請求項3または4に記載の半導体装置。
- 前記凸状半導体層の表面の一部が少なくとも上部で、SiGe層で構成され、
前記SiGe層は、前記凸状半導体層のトップに近づくにつれて、SiGe中のGe濃度が次第に高くなるように構成された組成傾斜層である、請求項2に記載の半導体装置。 - 半導体基板上に設けられた複数の凸状半導体層と、
前記凸状半導体層内に設けられた、チャネル領域と、ソース領域およびドレイン領域と、
前記チャネル領域に相当する前記凸状半導体層の側面に、ゲート絶縁膜を介して設けられ、前記チャネル領域に電界効果を与えるゲート電極とを具備し、
前記ソース領域およびドレイン領域では、前記チャネル領域と同一工程で形成された内部領域と、前記内部領域の外周を覆うようにエピタキシャル成長によって形成されたエピタキシャル成長部とを具備した半導体装置を製造する方法であって、
前記エピタキシャル成長部を形成する工程に先立ち、
前記ソース領域およびドレイン領域の前記内部領域の傾斜角が、前記チャネル領域の傾斜角よりも大きくなるように、前記チャネル領域および前記ソース/ドレイン領域を形成する工程を含む半導体装置の製造方法。
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