JP2018107231A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laminated CMOS having the same channel length around an entire circumference and an integrated surrounding gate electrode.SOLUTION: A CMOS comprises: lower semiconductor layers (11, 12) provided on a semiconductor substrate 1 via interlayer insulation films (2-4); upper semiconductor layers (15-17) provided via laminated interlayer insulation films 6; and an integrated surrounding gate electrode 23 provided around an entire circumference of part (12, 17) of the lower and upper semiconductor layers with a structure to surround the entire circumference via a gate insulation film 22, in which P channel and N channel MIS field effect transistors has a laminated structure composed of one conductivity type source/drain regions (13, 14) with one end being opposite to the part 11 of the lower semiconductor layers and forming a plane perpendicular to a principal surface of the semiconductor substrate in a self-aligned manner with the integrated surrounding gate electrode 23, and opposite conductivity type source/drain regions (18-21) with an end being opposite to the part (15, 16) of the upper semiconductor layers and forming a plane perpendicular to the principal surface of the semiconductor substrate in a self-aligned manner with the integrated surrounding gate electrode 23.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明はSOI(Silicon On Insulator)構造の半導体集積回路に係り、特に半導体基板(バルクウエハー)に容易な製造プロセスにより、単結晶シリコンからなる低コストの多層のSOI基板を形成し、これらのSOI基板に、高集積、高速、低電力、高性能且つ高信頼なショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型半導体集積回路を形成することに関する。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit having an SOI (Silicon On Insulator) structure. In particular, a low-cost multilayer SOI substrate made of single crystal silicon is formed on a semiconductor substrate (bulk wafer) by an easy manufacturing process. The present invention relates to forming a CMOS type semiconductor integrated circuit including short-channel N-channel and P-channel MIS field effect transistors on a substrate with high integration, high speed, low power, high performance, and high reliability.

図52は従来の半導体装置の模式側断面図で、半導体層の選択エピタキシャル成長法を利用して形成したSOI構造のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、61はp型のシリコン基板、62はシリコン窒化膜、63はシリコン酸化膜、64は素子分離領域のシリコン窒化膜、65はn型のSi層(下層半導体層の一部)、66はn型のSi層(下層半導体層の一部)、67は導電膜(ソースドレイン領域の一部)、68は埋め込み絶縁膜、69はp型ソース領域、70はp型ドレイン領域、71はシリコン酸化膜、72は素子分離領域のシリコン窒化膜、73はp型のSi層(上層半導体層の一部)、74はp型のSi層(上層半導体層の一部)、75は埋め込み絶縁膜、76は下層半導体層のゲート酸化膜、77は上層半導体層のゲート酸化膜、78は一体化包囲型ゲート電極、79はシリコン酸化膜、80は空孔、81はn型ソース領域、82はn型ソース領域、83はn型ドレイン領域、84はn型ドレイン領域、85はサイドウォール、86は燐珪酸ガラス(PSG)膜、87はシリコン窒化膜、88はバリアメタル、89は導電プラグ、90は層間絶縁膜、91はバリアメタル、92はCu配線、93はバリア絶縁膜を示している。
同図においては、p型のシリコン基板61上にシリコン窒化膜62が設けられ、シリコン窒化膜62上には、選択的にシリコン酸化膜63が設けられ、シリコン酸化膜63上にn型の一対のSi層65が設けられ、一対のSi層65の対向する側面間にn型のSi層66が挟まれて設けられ、一対のSi層65の反対側の側面にはそれぞれ導電膜67が設けられている構造からなる下層半導体層(65、66)が設けられ、導電膜67を有する下層半導体層(65、66)上にシリコン酸化膜71及びシリコン酸化膜79が選択的に設けられ、シリコン酸化膜79上には、微細な空孔80を介してp型の一対のSi層73が設けられ、一対のSi層73の対向する側面間にp型のSi層74が挟まれている構造からなる上層半導体層(73、74)が設けられ、導電膜67を有する下層半導体層(65、66)及び上層半導体層(73、74)は素子分離領域のシリコン窒化膜(64、72)及び埋め込み絶縁膜(68、75)によりそれぞれ島状に絶縁分離されている。また垂直方向に一致するSi層66及びSi層74の周囲には、それぞれ下層ゲート酸化膜76あるいは上層ゲート酸化膜77を介して一体化(共通化)した包囲型ゲート電極78がシリコン窒化膜62上に設けられ、一体化包囲型ゲート電極78の上面部の側壁にはサイドウォール85が設けられ、Si層65には、概略p型ソースドレイン領域(69、70)が設けられ、Si層66には、概略チャネル領域が設けられている(実際にはp型ソースドレイン領域(69、70)が若干横方向拡散され、上部はチャネル長が短く、下部にいくほどチャネル長が長い構造のチャネル領域を形成している)PチャネルのMIS電界効果トランジスタが下層半導体層(65、66)に形成されており、一方Si層73には、概略n型ソースドレイン領域(82、83)及びn型ソースドレイン領域(81、84)が設けられ、Si層74には、概略チャネル領域が設けられている(実際にはn型ソースドレイン領域(82、83)が若干横方向拡散され、上部はチャネル長が短く、下部にいくほどチャネル長が長い構造のチャネル領域を形成している)LDD構造からなるNチャネルのMIS電界効果トランジスタが上層半導体層(73、74)に形成されている。またp型ソースドレイン領域(69、70)に側面接続されている導電膜67、n型ソースドレイン領域(81、84)及び一体化包囲型ゲート電極78には、それぞれバリアメタル88を有する導電プラグ89を介してバリアメタル91を有するCu配線92が接続されている。
したがって、通常の安価な半導体基板を使用して、エピタキシャル成長技術を利用して、それぞれ絶縁膜上に積層した単結晶シリコンからなる下層半導体層及び上層半導体層(SOI基板)を設け、それぞれのSOI基板において、SOI基板の一部の周囲にゲート酸化膜を介して一体化(共通化)した包囲型ゲート電極を設け、チャネル領域を形成し、概略残りのSOI基板にソースドレイン領域を設けたSOI構造のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを形成できるため、ソースドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減、低電力化等が可能である。
またゲート酸化膜を介して設けられた一体化包囲型ゲート電極によりチャネル領域を完全に包囲して形成できるため、チャネル以外の電流経路を遮断でき、完全なチャネル制御が可能であり、バックチャネルリークを改善するばかりでなく、4面(上下面及びチャネル幅方向の2側面)にチャネルを形成できるため、表面(上面)の占有面積を増やすことなくチャネル幅を増加できるため、駆動電流を増加させることも可能である。
また積層した上下層の単結晶半導体層を形成でき、下層半導体層に形成したPチャネルMIS電界効果トランジスタの直上の上層半導体層にNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成できることによる表面(上面)の占有面積の微細化を、PチャネルMIS電界効果トランジスタのゲート電極とNチャネルMIS電界効果トランジスタのゲート電極を自己整合して一体化した包囲型ゲート電極として形成できることによるゲート電極配線の高集積化を達成することが可能である。
しかし下層半導体層に形成したPチャネルMIS電界効果トランジスタのソースドレイン領域への接続を上層の配線から形成するため、上層半導体層より長い下層半導体層を設けなければならなかったので(実際には上層半導体層と同程度の下層半導体層の両端に一対の導電膜を設けて配線の接続箇所を確保している)、高集積化が難しかった。
また一体化包囲型ゲート電極に自己整合して下層半導体層にp型ソースドレイン領域を形成するため、チャネル領域相当箇所以外の上層半導体層の一部及び直下の層間絶縁膜を一旦除去しなければならなかったので、製造プロセスが複雑化すること及び除去した上層半導体層の一部及び層間絶縁膜を復元する際、微細な空孔が存在し、上層半導体層に形成するn型及びn型ソースドレイン領域と一体化包囲型ゲート電極間のリーク特性が劣化すること等の問題があった。
また上層及び下層の半導体層の全周囲にチャネル領域を形成しているが、上部に比べ下部にいくほどチャネル長が長くなり(曲率を有するソースドレイン領域を形成し、下部にいくほど不純物の横方向への拡散距離が短くなるため)、ショートチャネルになるほど、MIS電界効果トランジスタの駆動電流値が安定しなかったこと及びソースドレイン領域間の耐圧が劣化すること等の問題があった。
FIG. 52 is a schematic cross-sectional side view of a conventional semiconductor device, and shows a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit composed of N-channel and P-channel MIS field effect transistors formed by utilizing a selective epitaxial growth method of a semiconductor layer. In the figure, 61 is a p-type silicon substrate, 62 is a silicon nitride film, 63 is a silicon oxide film, 64 is a silicon nitride film in an element isolation region, 65 is an n-type Si layer (a part of the lower semiconductor layer), 66 is an n-type Si layer (a part of the lower semiconductor layer), 67 is a conductive film (a part of the source / drain region), 68 is a buried insulating film, 69 is a p + type source region, and 70 is a p + type drain region. , 71 is a silicon oxide film, 72 is a silicon nitride film in the element isolation region, 73 is a p-type Si layer (a part of the upper semiconductor layer), 74 is a p-type Si layer (a part of the upper semiconductor layer), 75 Is buried Inclusive insulating film, the lower semiconductor layer a gate oxide film 76, the upper semiconductor layer a gate oxide film 77, the integrated surround gate electrode 78, 79 is a silicon oxide film, 80 holes, the n + -type source 81 Region, 82 is an n-type source region, 83 is an n-type drain region, 84 is an n + -type drain region, 85 is a sidewall, 86 is a phosphosilicate glass (PSG) film, 87 is a silicon nitride film, 88 is a barrier metal, Reference numeral 89 denotes a conductive plug, 90 denotes an interlayer insulating film, 91 denotes a barrier metal, 92 denotes a Cu wiring, and 93 denotes a barrier insulating film.
In the figure, a silicon nitride film 62 is provided on a p-type silicon substrate 61, a silicon oxide film 63 is selectively provided on the silicon nitride film 62, and a pair of n-type is provided on the silicon oxide film 63. The Si layer 65 is provided, the n-type Si layer 66 is sandwiched between the opposing side surfaces of the pair of Si layers 65, and the conductive film 67 is provided on the opposite side surface of the pair of Si layers 65, respectively. The lower semiconductor layer (65, 66) having the above structure is provided, and the silicon oxide film 71 and the silicon oxide film 79 are selectively provided on the lower semiconductor layer (65, 66) having the conductive film 67, and silicon A structure in which a pair of p-type Si layers 73 are provided on the oxide film 79 through fine holes 80, and the p-type Si layer 74 is sandwiched between opposing side surfaces of the pair of Si layers 73. An upper semiconductor layer (73, 4), the lower semiconductor layer (65, 66) and the upper semiconductor layer (73, 74) having the conductive film 67 are the silicon nitride film (64, 72) and the buried insulating film (68, 75) in the element isolation region. Insulated and separated by islands. Surrounding the Si layer 66 and the Si layer 74 that coincide with each other in the vertical direction, a surrounding gate electrode 78 that is integrated (commonized) via a lower gate oxide film 76 or an upper gate oxide film 77 is provided. provided in the upper, the side wall of the upper surface portion of the integrated encircling the gate electrode 78 side wall 85 is provided, the Si layer 65, schematically p + -type source and drain regions (69, 70) is provided, the Si layer 66 is provided with a rough channel region (actually, the p + -type source / drain regions (69, 70) are slightly diffused in the lateral direction, the channel length is shorter at the top, and the channel length is longer toward the bottom. P-channel MIS field effect transistors (which form the channel region) are formed in the lower semiconductor layers (65, 66), while the Si layer 73 has a substantially n-type source. Provided a rain region (82, 83) and n + -type source and drain regions (81, 84), the Si layer 74, schematically channel region is provided (in fact the n-type source drain region (82, 83 ) Is slightly laterally diffused, and a channel region having a structure in which the channel length is shorter at the upper part and the channel length is longer at the lower part is formed.) An N-channel MIS field effect transistor having an LDD structure is formed in the upper semiconductor layer (73). 74). In addition, the conductive film 67, the n + -type source / drain regions (81, 84), and the integrated surrounding gate electrode 78 that are side-connected to the p + -type source / drain regions (69, 70) have barrier metals 88, respectively. A Cu wiring 92 having a barrier metal 91 is connected via a conductive plug 89.
Therefore, using a normal inexpensive semiconductor substrate, a lower semiconductor layer and an upper semiconductor layer (SOI substrate) made of single crystal silicon each laminated on an insulating film are provided using an epitaxial growth technique, and each SOI substrate is provided. In the SOI structure, a surrounding gate electrode integrated (commonized) through a gate oxide film is provided around a part of the SOI substrate, a channel region is formed, and a source / drain region is provided on the remaining SOI substrate. N-channel and P-channel MIS field-effect transistors can be formed, so that the junction capacitance of the source / drain region is reduced (substantially zero), the depletion layer capacitance is reduced, and the subthreshold characteristics can be improved. Is possible.
In addition, since the channel region can be completely surrounded by the integrated surrounding gate electrode provided through the gate oxide film, the current path other than the channel can be cut off, complete channel control is possible, and back channel leakage Since the channel can be formed on four surfaces (upper and lower surfaces and two side surfaces in the channel width direction), the channel width can be increased without increasing the occupied area of the surface (upper surface), and the drive current is increased. It is also possible.
The upper and lower single crystal semiconductor layers can be formed, and the surface (upper surface) occupied area can be formed by forming the N-channel MIS field-effect transistor in the upper-layer semiconductor layer immediately above the P-channel MIS field-effect transistor formed in the lower-layer semiconductor layer. Can be formed as an enclosed gate electrode in which the gate electrode of the P-channel MIS field effect transistor and the gate electrode of the N-channel MIS field effect transistor are integrated in a self-aligned manner, thereby achieving high integration of the gate electrode wiring. It is possible.
However, since the connection to the source / drain region of the P-channel MIS field-effect transistor formed in the lower semiconductor layer is formed from the upper wiring, it is necessary to provide a lower semiconductor layer longer than the upper semiconductor layer (actually the upper layer) A pair of conductive films are provided at both ends of a lower semiconductor layer that is almost the same as the semiconductor layer to secure wiring connection points), and high integration is difficult.
In addition, in order to form a p + -type source / drain region in the lower semiconductor layer in a self-aligned manner with the integrated surrounding gate electrode, a part of the upper semiconductor layer other than the portion corresponding to the channel region and the interlayer insulating film immediately below must be temporarily removed. Therefore, when the manufacturing process becomes complicated and a part of the removed upper semiconductor layer and the interlayer insulating film are restored, fine vacancies exist, and n + type and n formed in the upper semiconductor layer There has been a problem that the leakage characteristics between the type source / drain region and the integrated surrounding type gate electrode deteriorate.
In addition, the channel region is formed all around the upper and lower semiconductor layers, but the channel length becomes longer as it goes to the lower part than the upper part (a source / drain region having a curvature is formed, and the lower the semiconductor layer, Since the diffusion distance in the direction is shortened), there are problems such that the shorter the channel is, the more unstable the driving current value of the MIS field effect transistor and the breakdown voltage between the source and drain regions deteriorate.

特開2014−96441JP2014-96441

本発明が解決しょうとする課題は、従来例に示されるように、一体化包囲型ゲート電極を有する高集積なSOI構造の積層型CMOSを形成する場合、
(1)上層の配線から接続を形成するため、上層半導体層より下層半導体層を長く形成しなければならなかったため、高集積化が難しかったこと。
(2)一体化包囲型ゲート電極に自己整合して下層半導体層にソースドレイン領域を形成することが難しく、製造プロセスの複雑化及びリーク特性の劣化を改善できなかったこと。
(3)半導体層の全周囲に等しいチャネル長をもつ一体化包囲型ゲート電極型のMIS電界効果トランジスタを形成できなかったため、安定した諸特性(駆動電流値及びソースドレイン領域間の耐圧等)を有するMIS電界効果トランジスタが得られにくかったこと。
等の問題が顕著になりつつあり、現状技術により微細なSOI構造のMIS電界効果トランジスタを形成しているだけでは、さらなる高速化及び高集積化を達成する3次元CMOSの実現が難しくなってきたことである。
The problem to be solved by the present invention is, as shown in the prior art, in the case of forming a stacked CMOS with a highly integrated SOI structure having an integrated surrounding gate electrode,
(1) Since the lower semiconductor layer had to be formed longer than the upper semiconductor layer in order to form the connection from the upper wiring, high integration was difficult.
(2) It is difficult to form a source / drain region in the lower semiconductor layer by self-alignment with the integrated surrounding gate electrode, and it has not been possible to improve the complexity of the manufacturing process and the deterioration of leakage characteristics.
(3) Since an integrally enclosed gate electrode type MIS field effect transistor having an equal channel length around the entire circumference of the semiconductor layer could not be formed, stable characteristics (driving current value and breakdown voltage between source / drain regions, etc.) It was difficult to obtain a MIS field effect transistor.
Such problems are becoming more prominent, and it is difficult to realize a three-dimensional CMOS that achieves higher speed and higher integration only by forming a MIS field effect transistor having a fine SOI structure with the current technology. That is.

上記課題は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第1の層間絶縁膜と、前記第1の層間絶縁膜上に選択的に設けられた下層半導体層と、前記下層半導体層上に設けられた第2の層間絶縁膜と、前記第2の層間絶縁膜上に選択的に設けられた上層半導体層と、前記下層及び上層半導体層の一部の全周囲に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して、前記下層及び上層半導体層の一部を包囲する構造に設けられた、全周囲等しいゲート長を有する一体化包囲型ゲート電極と、前記一体化包囲型ゲート電極に自己整合して前記下層半導体層の残りの部分を充満し、端部が前記半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有し、対向して設けられた一導電型ソース領域及び一導電型ドレイン領域と、前記下層半導体層の一部に設けられたチャネル領域と、前記一体化包囲型ゲート電極に自己整合して前記上層半導体層の残りの部分を充満し、端部が前記半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有し、対向して設けられた反対導電型ソース領域及び反対導電型ドレイン領域と、前記上層半導体層の一部に設けられたチャネル領域と、前記一体化包囲型ゲート電極、前記一導電型ソース領域、前記一導電型ドレイン領域、前記反対導電型ソース領域及び前記反対導電型ドレイン領域にそれぞれ設けられた配線と、を備えてなる本発明の半導体装置によって解決される。
ここで一体化包囲型ゲート電極とは、上下に積層したNチャネルMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極とPチャネルMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極が単一の包囲型ゲート電極として、一体化したものである。
The above-described problems include a semiconductor substrate, a first interlayer insulating film provided on the semiconductor substrate, a lower semiconductor layer selectively provided on the first interlayer insulating film, and the lower semiconductor layer. A second interlayer insulating film provided; an upper semiconductor layer selectively provided on the second interlayer insulating film; and a gate insulating film provided on the entire periphery of part of the lower and upper semiconductor layers. And an integrated surrounding gate electrode having a gate length all around which is provided in a structure surrounding a part of the lower and upper semiconductor layers via the gate insulating film, and the integrated surrounding gate electrode The one-conductivity type source region and the one-conductivity are provided so as to fill the remaining portion of the lower semiconductor layer in a self-aligned manner, and have an end portion having a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. Type drain region and part of the lower semiconductor layer The channel region and the integrated surrounding gate electrode are self-aligned to fill the remaining portion of the upper semiconductor layer, and the end portion has a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate and is opposed to An opposite conductivity type source region and an opposite conductivity type drain region, a channel region provided in a part of the upper semiconductor layer, the integrated surrounding gate electrode, the one conductivity type source region, the one The semiconductor device according to the present invention includes a conductive drain region, a wiring provided in each of the opposite conductivity type source region and the opposite conductivity type drain region.
Here, the integrated surrounding gate electrode means that the surrounding gate electrode of the N-channel MIS field effect transistor and the surrounding gate electrode of the P-channel MIS field effect transistor which are stacked one above the other are integrated as a single surrounding gate electrode. It is a thing.

以上説明のように本発明によれば、通常の安価な半導体基板を使用し、半導体層の選択エピタキシャル成長法を利用して、半導体基板上に複数の絶縁膜を介して、第2の半導体層を左右から挟んだ一対の第1の半導体層からなる下層半導体層を設け、下層半導体層の直上に絶縁膜を介して、第3の半導体層を左右から挟んだ一対の第2の半導体層、さらに一対の第2の半導体層をそれぞれ外側から挟んだ一対の第1の半導体層、からなる上層半導体層を設け、下層の第2の半導体層及び上層の第3の半導体層の周囲にゲート酸化膜を介して一体化(共通化)した包囲型ゲート電極(一体化包囲型ゲート電極)を設け、それぞれチャネル領域を形成し、下層の第1の半導体層にp型ソースドレイン領域を、上層の第1の半導体層にn型ソースドレイン領域及び上層の第2の半導体層にn型ソースドレイン領域を、それぞれ形成したSOI構造のPチャネル及びNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成できるため、ソースドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減、低電力化等が可能である。
またPチャネル及びNチャネルMIS電界効果トランジスタ共、ソースドレイン領域(p型ソースドレイン領域あるいはn型及びn型ソースドレイン領域)の端部をそれぞれ半導体基板の主面に対し垂直平面をなして形成できる(直方体構造のソース領域と直方体構造のドレイン領域が等距離はなれて対向している構造)ため、電界集中を防ぐことができることによるソースドレイン領域間の耐圧の向上及び全周囲、等しいチャネル長を得ることができることにより、閾値電圧の高制御による駆動電流値の安定性等が可能である。
また横方向の不純物拡散を抑えたソースドレイン領域(p型ソースドレイン領域あるいはn型及びn型ソースドレイン領域)を形成できるため、一体化包囲型ゲート電極とソースドレイン領域(p型ソースドレイン領域あるいはn型ソースドレイン領域)との重なりを抑えて(ほぼゼロ)形成できることにより、浮遊容量の低減化による高速化及びチャネル長を減縮できることによる微細化等が可能である。
また下層半導体層に形成するp型ソースドレイン領域への接続を、p型ソースドレイン領域の下面において、バリアメタル(TiN)を有する導電プラグを介して下層配線(WSi)から形成し、上層半導体層に形成するn型ソースドレイン領域への接続を、n型ソースドレイン領域の上面において、バリアメタル(TiN)を有する導電プラグを介して上層配線(Cu)から形成できるため、極めて高集積な積層CMOSを得ることが可能である。
また一体化包囲型ゲート電極にサイドウォールを形成せずに、一体化包囲型ゲート電極に自己整合したソースドレイン領域(p型ソースドレイン領域あるいはn型及びn型ソースドレイン領域)を形成できることによる製造プロセスの簡略化が可能である。
またゲート酸化膜を介して設けられた一体化包囲型ゲート電極により、下層の第2の半導体層(PチャネルMIS電界効果トランジスタのチャネル領域)及び上層の第3の半導体層(NチャネルMIS電界効果トランジスタのチャネル領域)を包囲して形成できるため、チャネル以外の電流経路を遮断でき、バックチャネルリークを防止(CMOSのSOI化を実現するために絶対に克服しなくてはならない課題)でき、完全なチャネル制御が可能であるばかりでなく、4面(上下面及びチャネル幅方向の2側面)にチャネルを形成できるため、表面(上面)の占有面積を増やすことなくチャネル幅を増加できるので、駆動電流を増加させることが可能で、より高速化が可能である。
また微細な下層の第2の半導体層及び上層の第3の半導体層に自己整合して、MIS電界効果トランジスタの構成要素(低濃度及び高濃度のソースドレイン領域、ゲート酸化膜、一体化包囲型ゲート電極)を微細に形成することも可能である。
また下地の絶縁膜の影響のない結晶性が良好な下層の第2の半導体層及び上層の第3の半導体層にのみチャネル領域を形成できるため、安定した特性を持つMIS電界効果トランジスタを形成することが可能である。
また格子定数の小さなSi層(下層の第2の半導体層あるいは上層の第3の半導体層)を、左右から格子定数の大きなSiGe層(下層の第1の半導体層あるいは上層の第1及び第2の半導体層)により挟んだ構造の単結晶半導体層を形成することも可能で、左右のSiGe層(下層の第1の半導体層あるいは上層の第1及び第2の半導体層)から歪みSi層(下層の第2の半導体層あるいは上層の第3の半導体層)の格子定数を広げることができるので、キャリアの移動度を増加させることができることにより、さらなる高速化が可能である。
またインバータ回路等に必要なNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタのドレイン領域を同電圧に接続する配線を、下層半導体層に形成するp型ドレイン領域と上層半導体層に形成するn型ドレイン領域間にバリアメタルで包囲された導電プラグを設けることにより、微細に形成することも可能である。
また高濃度の砒素の替りに高濃度の燐によりソースドレイン領域を形成し、若干チャネル長は短くなりがちであるが、第2の半導体層及び低濃度のソースドレイン領域を設けずにホットエレクトロン効果を改善したショートチャネルのNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成することも可能である。
またドレイン領域はホットエレクトロン効果を改善したLDD構造に形成でき、ソース領域は不必要な低濃度領域が存在しない、高濃度ソース領域構造に自己整合して形成することも可能で、ソース領域の抵抗を低減でき、さらなる高速なNチャネルの非対称MIS電界効果トランジスタを形成することも可能である。
即ち、高速大容量通信装置、携帯情報端末、各種電子機械機器、車載用機器、宇宙関連機器等に対応可能な大規模半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つ極めて低電力なCMOS型半導体装置を得ることができる。
本発明者は当該技術を、絶縁膜上の等しいチャネル長及び一体化包囲型ゲート電極を有する積層CMOS(Accumulated CMOS with ame hannel ength and implified urrounding ate on insulator)と命名し、本構造をSCLSSG(エスシーエルエスエスジー)と略称する。
As described above, according to the present invention, an ordinary inexpensive semiconductor substrate is used, and the second semiconductor layer is formed on the semiconductor substrate via a plurality of insulating films using the selective epitaxial growth method of the semiconductor layer. A lower semiconductor layer composed of a pair of first semiconductor layers sandwiched from the left and right, a pair of second semiconductor layers sandwiched from the left and right via an insulating film directly above the lower semiconductor layer, and An upper semiconductor layer comprising a pair of first semiconductor layers sandwiching a pair of second semiconductor layers from the outside is provided, and a gate oxide film is formed around the lower second semiconductor layer and the upper third semiconductor layer An integrated (commonized) surrounding gate electrode (integrated surrounding gate electrode) is formed through each of which a channel region is formed, a p + type source / drain region is formed in the lower first semiconductor layer, and an upper layer is formed. n + -type source to the first semiconductor layer Since the p-channel and n-channel MIS field effect transistors having SOI structures in which the n-type source / drain regions are formed in the drain / drain region and the upper second semiconductor layer can be formed, the junction capacitance of the source / drain region is reduced (substantially zero). In addition, the threshold voltage can be reduced and the power can be reduced by reducing the depletion layer capacitance, improving the breakdown voltage of the source / drain region, and improving the subthreshold characteristics.
In both the P-channel and N-channel MIS field effect transistors, the end portions of the source / drain regions (p + -type source / drain regions or n-type and n + -type source / drain regions) are respectively perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. Can be formed (a structure in which the source region of the rectangular parallelepiped structure and the drain region of the rectangular parallelepiped structure are opposed to each other with an equal distance). As a result, it is possible to achieve stability of the drive current value by high control of the threshold voltage.
Further, since a source / drain region (p + -type source / drain region or n-type and n + -type source / drain region) in which lateral impurity diffusion is suppressed can be formed, an integrated surrounding gate electrode and a source / drain region (p + -type source / drain region) Since the overlap with the drain region or the n-type source / drain region can be suppressed (substantially zero), it is possible to increase the speed by reducing the stray capacitance and to reduce the channel length, thereby reducing the size.
Also a connection to the p + -type source and drain regions formed in the lower semiconductor layer, the lower surface of the p + -type source and drain regions, formed from a lower layer wiring (WSi) via a conductive plug having a barrier metal (TiN), the upper layer the connection to the n + -type source and drain regions formed in the semiconductor layer, the upper surface of the n + -type source and drain regions, it is possible to form the upper wiring (Cu) through a conductive plug having a barrier metal (TiN), very high An integrated stacked CMOS can be obtained.
In addition, a source / drain region (p + -type source / drain region or n + and n + -type source / drain region) self-aligned with the integrated surrounding gate electrode can be formed without forming a sidewall on the integrated surrounding gate electrode. It is possible to simplify the manufacturing process.
Further, an integrated surrounding gate electrode provided via a gate oxide film allows a lower second semiconductor layer (channel region of a P-channel MIS field effect transistor) and an upper third semiconductor layer (N-channel MIS field effect). Transistor channel region) can be formed so that current paths other than the channel can be cut off, and back channel leakage can be prevented (a problem that must be overcome in order to achieve CMOS SOI). As well as being able to control the channel, the channel can be formed on four surfaces (upper and lower surfaces and two side surfaces in the channel width direction), so the channel width can be increased without increasing the surface (upper surface) occupying area. The current can be increased, and the speed can be further increased.
In addition, the MIS field-effect transistor components (low and high concentration source / drain regions, gate oxide films, integrated enclosure type) are self-aligned with the second lower semiconductor layer and the third upper semiconductor layer. It is also possible to form a fine gate electrode.
In addition, since the channel region can be formed only in the lower second semiconductor layer and the upper third semiconductor layer with good crystallinity without the influence of the underlying insulating film, a MIS field effect transistor having stable characteristics is formed. It is possible.
Also, a Si layer (lower second semiconductor layer or upper third semiconductor layer) having a small lattice constant is applied to a SiGe layer (lower first semiconductor layer or upper first and second layers) having a large lattice constant from the left and right. It is also possible to form a single crystal semiconductor layer having a structure sandwiched between semiconductor layers), and from left and right SiGe layers (lower first semiconductor layer or upper first and second semiconductor layers) to strained Si layers ( Since the lattice constant of the lower second semiconductor layer or the upper third semiconductor layer) can be increased, the carrier mobility can be increased, thereby further increasing the speed.
Also, wirings for connecting the drain regions of the N-channel and P-channel MIS field effect transistors necessary for the inverter circuit or the like to the same voltage are p + -type drain regions formed in the lower semiconductor layer and n + -type drains formed in the upper semiconductor layer. By providing a conductive plug surrounded by a barrier metal between regions, it is possible to form finely.
The source / drain region is formed with high concentration phosphorus instead of high concentration arsenic, and the channel length tends to be slightly shortened. However, the hot electron effect can be achieved without providing the second semiconductor layer and the low concentration source / drain region. It is also possible to form a short-channel N-channel MIS field effect transistor with improved characteristics.
In addition, the drain region can be formed in an LDD structure with improved hot electron effect, and the source region can be formed in a self-alignment with a high concentration source region structure in which there is no unnecessary low concentration region. It is also possible to form a higher-speed N-channel asymmetric MIS field effect transistor.
In other words, high-speed, high-reliability, high-performance, and high-speed, capable of manufacturing large-scale semiconductor integrated circuits that can handle high-speed and large-capacity communication devices, portable information terminals, various electronic mechanical devices, in-vehicle devices, space-related devices An extremely low power CMOS type semiconductor device having integration can be obtained.
The present inventor has the art, and named stacked CMOS having equal channel length and integral encircling the gate electrode on the insulating film (Accumulated CMOS with S ame C hannel L ength and S implified S urrounding G ate on insulator), This structure is abbreviated as SCLSSG.

本発明の半導体装置における第1の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the first embodiment of the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第1の実施例の模式側断面図(チャネル幅方向、チャネル領域部)Schematic side sectional view of the first embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel width direction, channel region portion) 本発明の半導体装置における第1の実施例の模式側断面図(チャネル幅方向、ドレイン領域部)Schematic side sectional view of the first embodiment of the semiconductor device of the present invention (channel width direction, drain region portion) 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第3の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the third embodiment of the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第4の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the fourth embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第5の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the fifth embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 5th Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 5th Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 5th Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 5th Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 5th Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第6の実施例の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the sixth embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 従来の半導体装置の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of a conventional semiconductor device (channel length direction)

本願発明は、特に、
(1)完全単結晶からなる半導体基板を核にした縦(垂直)方向あるいは横(水平)方向エピタキシャル半導体層の選択成長により、第1の層間絶縁膜上への下層半導体層の第1の半導体層(SOI基板の一部)の形成。
(2)下層の第1の半導体層を充満する活性化した一導電型高濃度不純物領域の形成。
(3)下層の第1の半導体層上に第2の層間絶縁膜の形成。
(4)残された縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層を核にした縦(垂直)方向あるいは横(水平)方向エピタキシャル半導体層の選択成長により、第2の層間絶縁膜上への上層半導体層の第1の半導体層(SOI基板の一部)の形成。
(5)縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層を除去し、絶縁膜を埋め込むことにより絶縁領域に変換。
(6)上層の第1の半導体層を充満する活性化した反対導電型高濃度不純物領域の形成。
(7)上層の第1の半導体層上にマスク材となる絶縁膜の形成。
(8)マスク材となる絶縁膜及び反対導電型高濃度不純物領域が形成された上層の第1の半導体層を包囲型ゲート電極形成用の開孔(異方性エッチング)により分離することによる反対導電型の高濃度ソース領域及び高濃度ドレイン領域の形成。
(9)開孔部を介した、上層の第1の半導体層の側面極小等方性エッチングによる一対の間隙部の形成。
(10)残された上層の第1の半導体層間の横方向エピタキシャル成長による反対導電型の低濃度不純物領域で充満された上層の第2の半導体層の形成。
(11)開孔部に露出した上層の第2の半導体層、上層の第2の半導体層周囲の絶縁膜、下層の第1の半導体層及び下層の第1の半導体層の周囲の絶縁膜の異方性エッチングによる間隙部に埋め込まれた上層の第2の半導体層を充満した反対導電型の低濃度ソース領域及び低濃度ドレイン領域あるいは下層の第1の半導体層を充満した一導電型の高濃度ソース領域及び高濃度ドレイン領域の形成。
(12)残された上層の第2の半導体層あるいは下層の第1の半導体層間の横方向エピタキシャル成長による上層の第3の半導体層あるいは下層の第2の半導体層の形成。(除去部の半導体層の復元)
(13)上層の第3の半導体層及び下層の第2の半導体層へのゲート絶縁膜の成長。
(14)上層の第3の半導体層あるいは下層の第2の半導体層の閾値電圧の制御。
(15)開孔部の平坦埋め込みによる上層の第3の半導体層及び下層の第2の半導体層にゲート絶縁膜を介した一体化包囲型ゲート電極の形成。
等の技術を使用し、
半導体基板上に複数層からなる第1の層間絶縁膜を介して第1及び第2の半導体層からなる下層半導体層が設けられ、下層半導体層上に第2の層間絶縁膜を介して第1、第2及び第3の半導体層からなる上層半導体層が設けられ、自己整合して、下層の第2の半導体層及び上層の第3の半導体層の周囲にゲート絶縁膜を介して包囲する構造に一体化包囲型ゲート電極が設けられ、一体化包囲型ゲート電極に自己整合して、下層の第1の半導体層に、対向する端部が半導体基板の主面に対し垂直平面をなす構造の一導電型ソースドレイン領域が設けられ、上層の第1及び第2の半導体層に対向する端部が半導体基板の主面に対し垂直平面をなす構造の反対導電型ソースドレイン領域が設けられた積層構造のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOSを形成したものである。
In particular, the present invention
(1) A first semiconductor of a lower semiconductor layer on a first interlayer insulating film by selective growth of an epitaxial semiconductor layer in a vertical (vertical) direction or a horizontal (horizontal) direction with a semiconductor substrate made of a complete single crystal as a nucleus. Formation of layer (part of SOI substrate).
(2) Formation of an activated one-conductivity type high-concentration impurity region that fills the lower first semiconductor layer.
(3) Formation of a second interlayer insulating film on the lower first semiconductor layer.
(4) By selectively growing a vertical (vertical) direction or a horizontal (horizontal) direction epitaxial semiconductor layer with the remaining vertical (vertical) direction epitaxial semiconductor layer as a nucleus, the upper semiconductor layer on the second interlayer insulating film is formed. Formation of a first semiconductor layer (a part of an SOI substrate).
(5) The vertical (vertical) direction epitaxial semiconductor layer is removed, and an insulating film is embedded to convert to an insulating region.
(6) Formation of an activated opposite conductivity type high concentration impurity region that fills the upper first semiconductor layer.
(7) Formation of an insulating film serving as a mask material on the upper first semiconductor layer.
(8) Opposition by separating the upper first semiconductor layer on which the insulating film serving as a mask material and the opposite-conductivity type high-concentration impurity region are formed by opening (anisotropic etching) for forming the surrounding gate electrode Formation of high concentration source region and high concentration drain region of conductivity type.
(9) Formation of a pair of gaps by side-surface minimal isotropic etching of the upper first semiconductor layer through the apertures.
(10) Formation of an upper second semiconductor layer filled with a low concentration impurity region of opposite conductivity type by lateral epitaxial growth between the remaining upper first semiconductor layers.
(11) The upper second semiconductor layer exposed in the opening portion, the insulating film around the upper second semiconductor layer, the lower first semiconductor layer, and the insulating film around the lower first semiconductor layer High conductivity of one conductivity type filled with a low concentration source region and a low concentration drain region of opposite conductivity type filled with an upper second semiconductor layer buried in a gap portion by anisotropic etching or a lower first semiconductor layer Formation of a concentration source region and a high concentration drain region.
(12) Formation of the upper third semiconductor layer or the lower second semiconductor layer by lateral epitaxial growth between the remaining upper second semiconductor layer or the lower first semiconductor layer. (Restoration of the removal layer semiconductor layer)
(13) Growth of a gate insulating film on the upper third semiconductor layer and the lower second semiconductor layer.
(14) Control of the threshold voltage of the upper third semiconductor layer or the lower second semiconductor layer.
(15) Formation of an integral surrounding gate electrode through a gate insulating film in the upper third semiconductor layer and the lower second semiconductor layer by flat filling of the opening.
Using technology such as
A lower semiconductor layer composed of first and second semiconductor layers is provided on a semiconductor substrate via a first interlayer insulating film composed of a plurality of layers, and the first semiconductor layer is disposed on the lower semiconductor layer via a second interlayer insulating film. A structure in which an upper semiconductor layer composed of the second and third semiconductor layers is provided and is self-aligned and is surrounded by a gate insulating film around the lower second semiconductor layer and the upper third semiconductor layer Is provided with an integrated surrounding gate electrode, self-aligned with the integrated surrounding gate electrode, and having a structure in which the opposite end portion forms a vertical plane with respect to the main surface of the semiconductor substrate. Lamination having one conductivity type source / drain region and an opposite conductivity type source / drain region having a structure in which an end facing the first and second semiconductor layers of the upper layer is perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate N-channel and P-channel MIS electric field of structure It is obtained by forming a CMOS made of fruits transistor.

以下本発明を図示実施例により具体的に説明する。
全図を通じ同一対象物は同一符号で示す。ただし、側断面図における斜線は主要な絶縁膜のみに記載し、配線は若干の前後のずれを含んで描かれており、また発明の要部を示すため、水平方向及び垂直方向のサイズは正確な寸法を示していない。
図1〜図36は本発明の半導体装置における第1の実施例で、図1はチャネル長方向の模式側断面図、図2はチャネル幅方向で、チャネル領域部の模式側断面図、図3はチャネル幅方向で、ドレイン領域部の模式側断面図、図4〜図36は製造方法の工程断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
Throughout the drawings, the same object is denoted by the same reference numeral. However, the diagonal lines in the side sectional view are shown only on the main insulating film, and the wiring is drawn with a slight back-and-forth displacement, and the horizontal and vertical sizes are accurate to show the main part of the invention. The dimensions are not shown.
1 to 36 show a first embodiment of the semiconductor device of the present invention. FIG. 1 is a schematic side sectional view in the channel length direction, FIG. 2 is a schematic side sectional view in the channel width direction, and FIG. Is a schematic side cross-sectional view of the drain region in the channel width direction, and FIGS. 4 to 36 are process cross-sectional views of the manufacturing method.

図1〜図3はシリコン(Si)基板を使用し、SCLSSG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1は1015cm−3程度のp型のシリコン(Si)基板、2は100nm程度のシリコン酸化膜(SiO)、3は100nm程度のシリコン窒化膜(Si)、4は100nm程度のシリコン酸化膜(SiO)、5は50nm程度の素子分離領域のシリコン酸化膜(SiO)、6は100nm程度のシリコン酸化膜(SiO)、7は50nm程度の素子分離領域のシリコン酸化膜(SiO)、8は下層配線(WSi)、9は導電プラグ(W)、10は10nm程度のバリアメタル(TiN)、11は1017cm−3程度のn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層(下層の第1の半導体層、ソースドレイン領域形成部)、12は1017cm−3程度のn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層(下層の第2の半導体層、チャネル領域形成部)、13は1020cm−3程度のp型ドレイン領域、14は1020cm−3程度のp型ソース領域、15は1017cm−3程度のp型の横(水平)方向エピタキシャルSi層(上層の第1の半導体層、高濃度ソースドレイン領域形成部)、16は5×1017cm−3程度のn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層(上層の第2の半導体層、低濃度ソースドレイン領域形成部)、17は1017cm−3程度のp型の横(水平)方向エピタキシャルSi層(上層の第3の半導体層、、チャネル領域形成部)、18は1020cm−3程度のn型ドレイン領域、19は5×1017cm−3程度のn型ドレイン領域、20は5×1017cm−3程度のn型ソース領域、21は1020cm−3程度のn型ソース領域、22は5nm程度のゲート酸化膜(SiO)、23は長さ20nm程度、厚さ100nm程度の一体化包囲型ゲート電極(WSi)、24は400nm程度の燐珪酸ガラス(PSG)膜、25は20nm程度のシリコン窒化膜(Si)、26は10nm程度のバリアメタル(TiN)、27は導電プラグ(W)、28は500nm程度の絶縁膜(SiOC)、29は10nm程度のバリアメタル(TaN)、30は500nm程度のCu配線(Cuシード層含む)、31は20nm程度のバリア絶縁膜(Si)を示している。 1 to 3 show a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit comprising a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor using a silicon (Si) substrate and having a SCLSSG structure. A p-type silicon (Si) substrate of about 15 cm −3 , 2 is a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 100 nm, 3 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 100 nm, and 4 is a silicon oxide of about 100 nm Films (SiO 2 ), 5 is a silicon oxide film (SiO 2 ) of an element isolation region of about 50 nm, 6 is a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 100 nm, and 7 is a silicon oxide film (SiO 2 ) of an element isolation region of about 50 nm. 2), 8 lower wiring (WSi), the conductive plug 9 (W), 10 is 10nm approximately barrier metal (TiN), 11 1 17 cm -3 of about n-type lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer (first semiconductor layer of the lower layer, source and drain region formation portion) 12 of the n-type of about 10 17 cm -3 lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer (second semiconductor layer of the lower layer, the channel region forming portion), 10 20 cm -3 of about p + -type drain region 13, 14 10 20 cm -3 of about p + -type source region, 15 10 17 cm -3 of about p-type lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer (first semiconductor layer of the upper layer, the high-concentration source drain regions forming section), 16 about 5 × 10 17 cm -3 of n-type lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer (second semiconductor layer of the upper layer, lightly doped source drain region formation portion) 17 of p-type of about 10 17 cm -3 lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer (upper layer of Semiconductor layer ,, a channel region formed of 3), 18 10 20 cm -3 of about n + -type drain region 19 is about 5 × 10 17 cm -3 of n-type drain region 20 is 5 × 10 17 cm N − type source region of about −3 , 21 is an n + type source region of about 10 20 cm −3 , 22 is a gate oxide film (SiO 2 ) of about 5 nm, 23 is an integrated unit of about 20 nm in length and about 100 nm in thickness. Surrounding gate electrode (WSi), 24 is a phosphosilicate glass (PSG) film of about 400 nm, 25 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 20 nm, 26 is a barrier metal (TiN) of about 10 nm, 27 is Conductive plug (W), 28 is about 500 nm insulating film (SiOC), 29 is about 10 nm barrier metal (TaN), 30 is about 500 nm Cu wiring (including Cu seed layer) , 31 indicates a barrier insulating film (Si 3 N 4 ) of about 20 nm.

図1(チャネル長方向)においては、p型のシリコン基板1上にシリコン酸化膜(SiO)2が設けられ、シリコン酸化膜(SiO)2上には、選択的にシリコン窒化膜(Si)3が設けられ、シリコン窒化膜(Si)3上には、選択的にシリコン酸化膜(SiO)4が設けられ、シリコン酸化膜(SiO)4上には、n型の一対のSi層11が設けられ、一対のSi層11の対向する側面間にn型のSi層12が挟まれて設けられている構造からなる下層半導体層(11、12)が、素子分離領域のシリコン酸化膜(SiO)5及び埋め込みシリコン酸化膜(SiO)7により島状に分離されて設けられている。下層半導体層(11、12)上には、シリコン酸化膜(SiO)6が設けられ、シリコン酸化膜(SiO)6上には、p型の一対のSi層15が設けられ、一対のSi層15の対向する側面間に1側面をそれぞれ接してn型の一対のSi層16が設けられ、一対のSi層16の対向する側面間にp型のSi層17が挟まれて設けられている構造からなる上層半導体層(15、16、17)が、素子分離領域兼埋め込みシリコン酸化膜(SiO)7により島状に分離されて設けられている。垂直方向に端部が一致するSi層12及びSi層17の周囲には、それぞれゲート酸化膜(SiO)22を介して一体化(共通化)した包囲型ゲート電極(WSi)23がシリコン窒化膜(Si)3上に設けられ、一対のSi層11には、Si層11を充満し、側面が完全に対向しているp型ドレイン領域13あるいはp型ソース領域14が設けられ、Si層12には全周囲等しいチャネル長を有するチャネル領域が設けられ、p型ドレイン領域13及びp型ソース領域14の下面には、それぞれバリアメタル(TiN)10を有する導電プラグ(W)9を介して下層配線(WSi)8が接続されている(バリアメタル(TiN)10は導電プラグ(W)9の上面のみに存在している特殊な構造)PチャネルのMIS電界効果トランジスタが下層半導体層(11、12)に形成されている。一方一対のSi層15には、Si層15を充満し、側面が完全に対向しているn型ドレイン領域18あるいはn型ソース領域21が設けられ、一対のSi層16には、Si層16を充満し、側面が完全に対向しているn型ドレイン領域19あるいはn型ソース領域20が設けられ、Si層17には全周囲等しいチャネル長を有するチャネル領域が設けられ、n型ドレイン領域18及びn型ソース領域21の上面には、それぞれバリアメタル(TiN)26を有する導電プラグ(W)27を介してバリアメタル(TaN)29を有する上層配線(Cu)30が接続されている(バリアメタル(TiN)26は導電プラグ(W)27の側面及び下面に存在している慣例的な構造)LDD構造からなるNチャネルのMIS電界効果トランジスタが上層半導体層(15、16、17)に形成されている。(製造方法については後述するが、本発明においては、LDD構造からなるNチャネルのMIS電界効果トランジスタは一体化包囲型ゲート電極の側壁には慣例的なサイドウォール(SiO)が存在していない特殊な構造となっている。)Pチャネル及びNチャネルのMIS電界効果トランジスタからなる積層CMOSで、チャネル長方向の側断面図が示されている。 In FIG. 1 (channel length direction), a silicon oxide film (SiO 2 ) 2 is provided on a p-type silicon substrate 1, and a silicon nitride film (Si 2 ) is selectively formed on the silicon oxide film (SiO 2 ) 2. 3 N 4 ) 3 is provided, a silicon oxide film (SiO 2 ) 4 is selectively provided on the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 3, and a silicon oxide film (SiO 2 ) 4 is provided on the silicon oxide film (SiO 2 ) 4. A lower semiconductor layer (11, 12) having a structure in which a pair of n-type Si layers 11 is provided and an n-type Si layer 12 is sandwiched between the opposing side surfaces of the pair of Si layers 11, The device isolation region is provided in an island shape by a silicon oxide film (SiO 2 ) 5 and a buried silicon oxide film (SiO 2 ) 7. A silicon oxide film (SiO 2 ) 6 is provided on the lower semiconductor layers (11, 12), and a pair of p-type Si layers 15 are provided on the silicon oxide film (SiO 2 ) 6. A pair of n-type Si layers 16 are provided so that one side surface is in contact between the opposing side surfaces of the Si layer 15, and a p-type Si layer 17 is provided between the opposing side surfaces of the pair of Si layers 16. The upper semiconductor layers (15, 16, 17) having the structure described above are provided so as to be separated into island shapes by an element isolation region / buried silicon oxide film (SiO 2 ) 7. Surrounding each of the Si layer 12 and the Si layer 17 whose ends coincide with each other in the vertical direction, a surrounding gate electrode (WSi) 23 integrated (shared) via a gate oxide film (SiO 2 ) 22 is silicon nitride. A p + -type drain region 13 or a p + -type source region 14 provided on the film (Si 3 N 4 ) 3 is filled with the Si layer 11 and the side surfaces are completely opposed to each other. The Si layer 12 is provided with a channel region having the same channel length on the entire periphery, and conductive plugs having a barrier metal (TiN) 10 on the lower surfaces of the p + type drain region 13 and the p + type source region 14, respectively. Lower layer wiring (WSi) 8 is connected through (W) 9 (barrier metal (TiN) 10 is a special structure existing only on the upper surface of conductive plug (W) 9). Field effect transistors are formed in the lower semiconductor layers (11, 12). On the other hand, the pair of Si layers 15 is provided with an n + -type drain region 18 or an n + -type source region 21 that is filled with the Si layer 15 and whose side surfaces are completely opposed to each other. filled layer 16, the side surface is completely opposite to that n-type drain region 19 or n-type source region 20 is provided, the Si layer 17 a channel region is provided with a total circumference equal channel length, n + -type An upper wiring (Cu) 30 having a barrier metal (TaN) 29 is connected to the upper surfaces of the drain region 18 and the n + -type source region 21 via a conductive plug (W) 27 having a barrier metal (TiN) 26. (The barrier metal (TiN) 26 is a conventional structure existing on the side surface and the lower surface of the conductive plug (W) 27) An N-channel MIS field effect transistor having an LDD structure. A jitter is formed in the upper semiconductor layer (15, 16, 17). (The manufacturing method will be described later, but in the present invention, an N-channel MIS field effect transistor having an LDD structure does not have a conventional sidewall (SiO 2 ) on the side wall of the integral surrounding gate electrode. It has a special structure.) A cross-sectional side view in the channel length direction is shown in a stacked CMOS composed of P-channel and N-channel MIS field effect transistors.

図2(チャネル幅方向、チャネル領域部)においては、p型のシリコン基板1上にシリコン酸化膜(SiO)2が設けられ、シリコン酸化膜(SiO)2上には、シリコン窒化膜(Si)3が設けられ、シリコン窒化膜(Si)3上には、それぞれゲート酸化膜(SiO)22を介して一体化包囲型ゲート電極(WSi)23により周囲を包囲されているSi層12(下層半導体層の一部)及びSi層17(上層半導体層の一部)が設けられており、一体化包囲型ゲート電極(WSi)23には、バリアメタル(TiN)26を有する導電プラグ(W)27を介してバリアメタル(TaN)29を有する上層配線(Cu)30が接続されているPチャネル及びNチャネルのMIS電界効果トランジスタからなる積層CMOSの一部で、チャネル領域部のチャネル幅方向の側断面図が示されている。 In FIG. 2 (channel width direction, channel region portion), a silicon oxide film (SiO 2 ) 2 is provided on a p-type silicon substrate 1, and a silicon nitride film (SiO 2 ) 2 is formed on the silicon oxide film (SiO 2 ) 2. Si 3 N 4 ) 3 is provided, and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 3 is surrounded by an integrated surrounding gate electrode (WSi) 23 via a gate oxide film (SiO 2 ) 22. The Si layer 12 (a part of the lower semiconductor layer) and the Si layer 17 (a part of the upper semiconductor layer) are provided, and the integrated surrounding gate electrode (WSi) 23 has a barrier metal (TiN). And a P-channel and N-channel MIS field effect transistor to which an upper layer wiring (Cu) 30 having a barrier metal (TaN) 29 is connected via a conductive plug (W) 27 having 26. In some layers CMOS, side cross-sectional view in the channel width direction of the channel region portion is shown.

図3(チャネル幅方向、ドレイン領域部)においては、p型のシリコン基板1上にシリコン酸化膜(SiO)2が設けられ、シリコン酸化膜(SiO)2上には、選択的にシリコン窒化膜(Si)3が設けられ、シリコン窒化膜(Si)3上には、選択的にシリコン酸化膜(SiO)4が設けられ、シリコン酸化膜(SiO)4上には、下層半導体層(11、12)の一部をなすn型のSi層11が選択的に設けられ、素子分離領域のシリコン酸化膜(SiO)5により島状に分離されている。Si層11上には、シリコン酸化膜(SiO)6が設けられ、シリコン酸化膜(SiO)6上には、上層半導体層(15、16、17)の一部をなすp型のSi層15が選択的に設けられ、素子分離領域のシリコン酸化膜(SiO)7により島状に分離されている。Si層11には、Si層11を充満しているp型ドレイン領域13が設けられ、p型ドレイン領域13の下面には、バリアメタル(TiN)10を有する導電プラグ(W)9を介して下層配線(WSi)8が接続され、さらに下層配線(WSi)8には、バリアメタル(TiN)26を有する導電プラグ(W)27を介してバリアメタル(TaN)29を有する上層配線(Cu)30が接続されている。一方Si層15には、Si層15を充満しているn型ドレイン領域18が設けられ、n型ドレイン領域18の上面には、バリアメタル(TiN)26を有する導電プラグ(W)27を介してバリアメタル(TaN)29を有する上層配線(Cu)30が接続されている。Pチャネル及びNチャネルのMIS電界効果トランジスタからなる積層CMOSの一部で、ドレイン領域部のチャネル幅方向の側断面図が示されている。 In FIG. 3 (channel width direction, drain region portion), a silicon oxide film (SiO 2 ) 2 is provided on a p-type silicon substrate 1, and silicon is selectively formed on the silicon oxide film (SiO 2 ) 2. A nitride film (Si 3 N 4 ) 3 is provided, a silicon oxide film (SiO 2 ) 4 is selectively provided on the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 3, and a silicon oxide film (SiO 2 ) 4 On top of this, an n-type Si layer 11 forming a part of the lower semiconductor layer (11, 12) is selectively provided, and is isolated in an island shape by a silicon oxide film (SiO 2 ) 5 in the element isolation region. . A silicon oxide film (SiO 2 ) 6 is provided on the Si layer 11, and p-type Si forming a part of the upper semiconductor layer (15, 16, 17) on the silicon oxide film (SiO 2 ) 6. The layer 15 is selectively provided, and is isolated in an island shape by a silicon oxide film (SiO 2 ) 7 in the element isolation region. The Si layer 11, p + -type drain region 13 is provided which fills the Si layer 11 on the lower surface of the p + -type drain region 13, a conductive plug (W) 9 having a barrier metal (TiN) 10 The lower layer wiring (WSi) 8 is connected to the lower layer wiring (WSi) 8 via the conductive plug (W) 27 having the barrier metal (TiN) 26 and the upper layer wiring (TaN) 29 having the barrier metal (TaN) 29 ( Cu) 30 is connected. On the other hand, the Si layer 15, n + -type drain region 18 is provided which fills the Si layer 15 on the upper surface of the n + -type drain region 18, conductive plugs (W) 27 with a barrier metal (TiN) 26 An upper layer wiring (Cu) 30 having a barrier metal (TaN) 29 is connected through the via. A side sectional view in the channel width direction of the drain region is shown in a part of a stacked CMOS composed of P-channel and N-channel MIS field effect transistors.

したがって、通常の安価な半導体基板を使用し、半導体層の選択エピタキシャル成長法を利用して、半導体基板上に複数の絶縁膜を介して、第2の半導体層を左右から挟んだ一対の第1の半導体層からなる下層半導体層を設け、下層半導体層の直上に絶縁膜を介して、第3の半導体層を左右から挟んだ一対の第2の半導体層、さらに一対の第2の半導体層をそれぞれ外側から挟んだ一対の第1の半導体層、からなる上層半導体層を設け、下層の第2の半導体層及び上層の第3の半導体層の周囲にゲート酸化膜を介して一体化(共通化)した包囲型ゲート電極(一体化包囲型ゲート電極)を設け、それぞれチャネル領域を形成し、下層の第1の半導体層にp型ソースドレイン領域を、上層の第1の半導体層にn型ソースドレイン領域及び上層の第2の半導体層にn型ソースドレイン領域を、それぞれ形成したSOI構造のPチャネル及びNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成できるため、ソースドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減、低電力化等が可能である。
またPチャネル及びNチャネルMIS電界効果トランジスタ共、ソースドレイン領域(p型ソースドレイン領域あるいはn型及びn型ソースドレイン領域)の端部をそれぞれ半導体基板の主面に対し垂直平面をなして形成できる(直方体構造のソース領域と直方体構造のドレイン領域が等距離はなれて対向している構造)ため、電界集中を防ぐことができることによるソースドレイン領域間の耐圧の向上及び全周囲、等しいチャネル長を得ることができることにより、閾値電圧の高制御による駆動電流値の安定性等が可能である。
また横方向の不純物拡散を抑えたソースドレイン領域(p型ソースドレイン領域あるいはn型及びn型ソースドレイン領域)を形成できるため、一体化包囲型ゲート電極とソースドレイン領域(p型ソースドレイン領域あるいはn型ソースドレイン領域)との重なりを抑えて(ほぼゼロ)形成できることにより、浮遊容量の低減化による高速化及びチャネル長を減縮できることによる微細化等が可能である。
また下層半導体層に形成するp型ソースドレイン領域への接続を、p型ソースドレイン領域の下面において、バリアメタル(TiN)を有する導電プラグを介して下層配線(WSi)から形成し、上層半導体層に形成するn型ソースドレイン領域への接続を、n型ソースドレイン領域の上面において、バリアメタル(TiN)を有する導電プラグを介して上層配線(Cu)から形成できるため、極めて高集積な積層CMOSを得ることが可能である。
また一体化包囲型ゲート電極にサイドウォールを形成せずに、一体化包囲型ゲート電極に自己整合したソースドレイン領域(p型ソースドレイン領域あるいはn型及びn型ソースドレイン領域)を形成できることによる製造プロセスの簡略化が可能である。
またゲート酸化膜を介して設けられた一体化包囲型ゲート電極により、下層の第2の半導体層(PチャネルMIS電界効果トランジスタのチャネル領域)及び上層の第3の半導体層(NチャネルMIS電界効果トランジスタのチャネル領域)を包囲して形成できるため、チャネル以外の電流経路を遮断でき、バックチャネルリークを防止(CMOSのSOI化を実現するために絶対に克服しなくてはならない課題)でき、完全なチャネル制御が可能であるばかりでなく、4面(上下面及びチャネル幅方向の2側面)にチャネルを形成できるため、表面(上面)の占有面積を増やすことなくチャネル幅を増加できるので、駆動電流を増加させることが可能で、より高速化が可能である。
また微細な下層の第2の半導体層及び上層の第3の半導体層に自己整合して、MIS電界効果トランジスタの構成要素(低濃度及び高濃度のソースドレイン領域、ゲート酸化膜、一体化包囲型ゲート電極)を微細に形成することも可能である。
また下地の絶縁膜の影響のない結晶性が良好な下層の第2の半導体層及び上層の第3の半導体層にのみチャネル領域を形成できるため、安定した特性を持つMIS電界効果トランジスタを形成することが可能である。
即ち、高速大容量通信装置、携帯情報端末、各種電子機械機器、車載用機器、宇宙関連機器等に対応可能な大規模半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つ極めて低電力なCMOS型半導体装置を得ることができる。
Therefore, using a normal inexpensive semiconductor substrate and utilizing the selective epitaxial growth method of the semiconductor layer, a pair of first semiconductor layers sandwiching the second semiconductor layer from the left and right via a plurality of insulating films on the semiconductor substrate. A lower semiconductor layer made of a semiconductor layer is provided, and a pair of second semiconductor layers sandwiching the third semiconductor layer from the left and right via an insulating film directly above the lower semiconductor layer, and a pair of second semiconductor layers, respectively An upper semiconductor layer composed of a pair of first semiconductor layers sandwiched from the outside is provided, and is integrated (shared) around the lower second semiconductor layer and the upper third semiconductor layer via a gate oxide film The surrounding gate electrode (integrated surrounding gate electrode) is provided, each channel region is formed, ap + type source / drain region is formed in the lower first semiconductor layer, and n + type is formed in the upper first semiconductor layer. Source drain region and Since p-channel and n-channel MIS field effect transistors having SOI structures, each of which has an n-type source / drain region formed in the second semiconductor layer of the layer, a junction capacitance of the source / drain region can be reduced (substantially zero), a depletion layer It is possible to reduce the threshold voltage, lower power, etc. by reducing the capacitance, improving the breakdown voltage of the source / drain region, and improving the subthreshold characteristics.
In both the P-channel and N-channel MIS field effect transistors, the end portions of the source / drain regions (p + -type source / drain regions or n-type and n + -type source / drain regions) are respectively perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. Can be formed (a structure in which the source region of the rectangular parallelepiped structure and the drain region of the rectangular parallelepiped structure are opposed to each other with an equal distance), so that the electric field concentration can be prevented and the breakdown voltage between the source and drain regions can be improved and the entire channel has the same channel length. As a result, it is possible to achieve stability of the drive current value by high control of the threshold voltage.
Further, since a source / drain region (p + -type source / drain region or n-type and n + -type source / drain region) in which lateral impurity diffusion is suppressed can be formed, an integrated surrounding gate electrode and a source / drain region (p + -type source / drain region) Since the overlap with the drain region or the n-type source / drain region can be suppressed (substantially zero), it is possible to increase the speed by reducing the stray capacitance and to reduce the channel length, thereby reducing the size.
Also a connection to the p + -type source and drain regions formed in the lower semiconductor layer, the lower surface of the p + -type source and drain regions, formed from a lower layer wiring (WSi) via a conductive plug having a barrier metal (TiN), the upper layer the connection to the n + -type source and drain regions formed in the semiconductor layer, the upper surface of the n + -type source and drain regions, it is possible to form the upper wiring (Cu) through a conductive plug having a barrier metal (TiN), very high An integrated stacked CMOS can be obtained.
In addition, a source / drain region (p + -type source / drain region or n + and n + -type source / drain region) self-aligned with the integrated surrounding gate electrode can be formed without forming a sidewall on the integrated surrounding gate electrode. It is possible to simplify the manufacturing process.
Further, an integrated surrounding gate electrode provided via a gate oxide film allows a lower second semiconductor layer (channel region of a P-channel MIS field effect transistor) and an upper third semiconductor layer (N-channel MIS field effect). Transistor channel region) can be formed so that current paths other than the channel can be cut off, and back channel leakage can be prevented (a problem that must be overcome in order to achieve CMOS SOI). As well as being able to control the channel, the channel can be formed on four surfaces (upper and lower surfaces and two side surfaces in the channel width direction), so the channel width can be increased without increasing the surface (upper surface) occupying area. The current can be increased, and the speed can be further increased.
In addition, the MIS field-effect transistor components (low and high concentration source / drain regions, gate oxide films, integrated enclosure type) are self-aligned with the second lower semiconductor layer and the third upper semiconductor layer. It is also possible to form a fine gate electrode.
In addition, since the channel region can be formed only in the lower second semiconductor layer and the upper third semiconductor layer with good crystallinity without the influence of the underlying insulating film, a MIS field effect transistor having stable characteristics is formed. It is possible.
In other words, high-speed, high-reliability, high-performance, and high-speed, capable of manufacturing large-scale semiconductor integrated circuits that can handle high-speed and large-capacity communication devices, portable information terminals, various electronic mechanical devices, in-vehicle devices, space-related devices An extremely low power CMOS type semiconductor device having integration can be obtained.

次いで本発明に係る半導体装置における第1の実施例の製造方法について図4〜図36及び図1〜図3を参照し、主にチャネル長方向を示す模式側断面図を用いて説明する。ただし、ここでは本発明の半導体装置の形成に関する製造方法のみを記述し、一般の半導体集積回路に搭載される各種の素子(他のトランジスタ、抵抗、容量等)の形成に関する製造方法の記述は省略する。   Next, the manufacturing method of the first embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 36 and FIGS. 1 to 3 mainly using the schematic side sectional view showing the channel length direction. However, here, only the manufacturing method relating to the formation of the semiconductor device of the present invention is described, and the description of the manufacturing method relating to the formation of various elements (other transistors, resistors, capacitors, etc.) mounted on a general semiconductor integrated circuit is omitted. To do.

図4(チャネル長方向)
化学気相成長により、p型のシリコン基板1上に100nm程度のシリコン酸化膜(SiO)2を成長する。次いで化学気相成長により、シリコン窒化膜(Si)3を100nm程度成長する。
Fig. 4 (channel length direction)
A silicon oxide film (SiO 2 ) 2 of about 100 nm is grown on the p-type silicon substrate 1 by chemical vapor deposition. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 3 is grown to about 100 nm by chemical vapor deposition.

図5(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)3を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
Figure 5 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 3 is anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. Next, the resist (not shown) is removed.

図6(チャネル長方向)
次いでスパッタにより、100nm程度のタングステンシリサイド膜(WSi)8を成長する。次いで化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing 以後CMPと略称)し、シリコン窒化膜(Si)3上に成長したタングステンシリサイド膜(WSi)8を除去し、下層配線(WSi)となるタングステンシリサイド膜(WSi)8を開孔部に平坦に埋め込む。
Fig. 6 (channel length direction)
Next, a tungsten silicide film (WSi) 8 of about 100 nm is grown by sputtering. Next, chemical mechanical polishing (hereinafter abbreviated as CMP) is performed, and the tungsten silicide film (WSi) 8 grown on the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 3 is removed to form a tungsten silicide serving as a lower layer wiring (WSi). A film (WSi) 8 is buried flat in the opening.

図7(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、100nm程度のシリコン酸化膜(SiO)4を成長する。
Fig. 7 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 4 of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition.

図8(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン酸化膜(SiO)4を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、100nm程度のタングステン膜(W)9を成長する。次いでシリコン酸化膜(SiO)4上に成長したタングステン膜(W)9を化学的機械研磨(CMP)し、タングステン膜(W)9を開孔部に平坦に埋め込む。
Fig. 8 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon oxide film (SiO 2 ) 4 is anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. Next, the resist (not shown) is removed. Next, a tungsten film (W) 9 of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the tungsten film (W) 9 grown on the silicon oxide film (SiO 2 ) 4 is subjected to chemical mechanical polishing (CMP) to bury the tungsten film (W) 9 flatly in the opening.

図9(チャネル長方向)
次いでタングステン膜(W)9を10nm程度異方性ドライエッチングし、微小な開孔部を形成する。次いで化学気相成長により、10nm程度のバリアメタルとなる窒化チタン膜(TiN)10を成長する。次いでシリコン酸化膜(SiO)4上に成長した窒化チタン膜(TiN)10を化学的機械研磨(CMP)し、窒化チタン膜(TiN)10を開孔部に平坦に埋め込む。こうして下層配線(WSi)8上にバリアメタル(TiN)10を上部に有する導電プラグ(W)9を形成する。
Figure 9 (channel length direction)
Next, the tungsten film (W) 9 is subjected to anisotropic dry etching by about 10 nm to form a minute opening. Next, a titanium nitride film (TiN) 10 serving as a barrier metal of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the titanium nitride film (TiN) 10 grown on the silicon oxide film (SiO 2 ) 4 is subjected to chemical mechanical polishing (CMP), and the titanium nitride film (TiN) 10 is embedded in the opening portion flatly. In this way, a conductive plug (W) 9 having a barrier metal (TiN) 10 on top is formed on the lower layer wiring (WSi) 8.

図10(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、シリコン窒化膜(Si)32を50nm程度成長する。
Figure 10 (channel length direction)
Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 32 is grown to about 50 nm by chemical vapor deposition.

図11(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)32、シリコン酸化膜(SiO)4、シリコン窒化膜(Si)3及びシリコン酸化膜(SiO)2を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(開孔部幅は100nm程度)次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 11 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, using a resist (not shown) as a mask layer, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 32, a silicon oxide film (SiO 2 ) 4, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 3 and silicon oxide film (SiO 2 ) 2 are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form an opening. (The opening width is about 100 nm) Next, the resist (not shown) is removed.

図12(チャネル長方向)
次いで露出したp型のシリコン基板1上にn型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層33を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)32の平坦面より突出した縦(垂直)方向エピタキシャルSi層33を平坦化する。次いで選択化学気相成長法により50nm程度のタングステン膜(W)34を成長する。
Figure 12 (channel length direction)
Next, an n-type longitudinal (vertical) epitaxial Si layer 33 is grown on the exposed p-type silicon substrate 1. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to planarize the vertical (vertical) epitaxial Si layer 33 protruding from the flat surface of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 32. Next, a tungsten film (W) 34 of about 50 nm is grown by selective chemical vapor deposition.

図13(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)及びタングステン膜(W)34をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)32を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 13 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 32 is anisotropically dry etched using the resist (not shown) and the tungsten film (W) 34 as a mask layer, and opened. A hole is formed. Next, the resist (not shown) is removed.

図14(チャネル長方向)
次いで露出した縦(垂直)方向エピタキシャルSi層33の側面にn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層11を成長し、シリコン窒化膜(Si)32の開孔部を埋め込む。
Fig. 14 (channel length direction)
Next, an n-type lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer 11 is grown on the exposed side surface of the longitudinal (vertical) direction epitaxial Si layer 33 and a hole portion of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 32 is buried.

図15(チャネル長方向)
次いで露出しているタングステン膜(W)34及びシリコン窒化膜(Si)32を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。
FIG. 15 (channel length direction)
Next, the exposed tungsten film (W) 34 and silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 32 are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form an opening.

図16(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、50nm程度のシリコン酸化膜(SiO)5を成長する。次いでSi層11及びSi層33上に成長したシリコン酸化膜(SiO)5を化学的機械研磨(CMP)し、シリコン酸化膜(SiO)5を開孔部に平坦に埋め込み、素子分離領域を形成する。
FIG. 16 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 5 of about 50 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the silicon oxide film (SiO 2 ) 5 grown on the Si layer 11 and the Si layer 33 is subjected to chemical mechanical polishing (CMP), and the silicon oxide film (SiO 2 ) 5 is flatly embedded in the opening portion to obtain an element isolation region. Form.

図17(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、5nm程度のイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)を成長する。次いでSi層11に硼素のイオン注入をおこなう。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)をエッチング除去する。(ここではイオン注入した硼素の活性化及び深さ制御用の熱処理工程は行わないが、p型不純物領域35は図示しておく。)
FIG. 17 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, boron ions are implanted into the Si layer 11. Next, the silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation is removed by etching. (Here, a heat treatment step for activation and depth control of ion-implanted boron is not performed, but the p + -type impurity region 35 is illustrated.)

図18(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、100nm程度のシリコン酸化膜(SiO)6を成長する。次いで化学気相成長により、50nm程度のシリコン窒化膜(Si)36を成長する。
FIG. 18 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 6 of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 36 of about 50 nm is grown by chemical vapor deposition.

図19(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)36及びシリコン酸化膜(SiO)6を順次異方性ドライエッチングし、Si層33の上面を露出する開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 19 (channel length direction)
Next, using an ordinary lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 36 and the silicon oxide film (SiO 2 ) 6 are sequentially anisotropic dry etched using a resist (not shown) as a mask layer. Then, an opening that exposes the upper surface of the Si layer 33 is formed. Next, the resist (not shown) is removed.

図20(チャネル長方向)
次いで露出したSi層33の上にp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層37を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)36の平坦面より突出した縦(垂直)方向エピタキシャルSi層37を平坦化する。次いで選択化学気相成長法により50nm程度のタングステン膜(W)38を成長する。
FIG. 20 (channel length direction)
Next, a p-type longitudinal (vertical) epitaxial Si layer 37 is grown on the exposed Si layer 33. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to planarize the vertical (vertical) epitaxial Si layer 37 protruding from the flat surface of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 36. Next, a tungsten film (W) 38 of about 50 nm is grown by selective chemical vapor deposition.

図21(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)及びタングステン膜(W)38をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)36を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 21 (channel length direction)
Next, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 36 is anisotropically dry-etched and opened using a resist (not shown) and the tungsten film (W) 38 as a mask layer using a normal lithography technique using an exposure drawing apparatus. A hole is formed. Next, the resist (not shown) is removed.

図22(チャネル長方向)
次いで露出した縦(垂直)方向エピタキシャルSi層37の側面にp型の横(水平)方向エピタキシャルSi層15を成長し、シリコン窒化膜(Si)36の開孔部を埋め込む。
FIG. 22 (channel length direction)
Next, a p-type lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer 15 is grown on the exposed side surface of the longitudinal (vertical) direction epitaxial Si layer 37 to fill the opening of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 36.

図23(チャネル長方向)
次いで横(水平)方向エピタキシャルSi層15の表面を900℃程度で熱酸化し、10nm程度のシリコン酸化膜(SiO)39を成長する。
FIG. 23 (channel length direction)
Next, the surface of the lateral (horizontal) epitaxial Si layer 15 is thermally oxidized at about 900 ° C. to grow a silicon oxide film (SiO 2 ) 39 of about 10 nm.

図24(チャネル長方向)
次いで熱酸化したシリコン酸化膜(SiO)39をマスク層として、タングステン膜(W)38、縦(垂直)方向エピタキシャルSi層37、縦(垂直)方向エピタキシャルSi層33及びシリコン窒化膜(Si)36を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。
FIG. 24 (channel length direction)
Next, using the thermally oxidized silicon oxide film (SiO 2 ) 39 as a mask layer, the tungsten film (W) 38, the longitudinal (vertical) direction epitaxial Si layer 37, the longitudinal (vertical) direction epitaxial Si layer 33, and the silicon nitride film (Si 3) N 4 ) 36 is sequentially subjected to anisotropic dry etching to form an opening.

図25(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、60nm程度のシリコン酸化膜(SiO)7を成長する。次いで横(水平)方向エピタキシャルSi層15の平坦面より上のシリコン酸化膜(SiO)7及びシリコン酸化膜(SiO)39を化学的機械研磨(CMP)し、シリコン酸化膜(SiO)7を開孔部に平坦に埋め込み、素子分離領域を形成する。
FIG. 25 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 7 of about 60 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the silicon oxide film (SiO 2 ) 7 and the silicon oxide film (SiO 2 ) 39 above the flat surface of the lateral (horizontal) epitaxial Si layer 15 are chemically mechanically polished (CMP) to obtain a silicon oxide film (SiO 2 ). 7 is embedded in the opening portion flatly to form an element isolation region.

図26(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、5nm程度のイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)を成長する。次いでSi層15に砒素のイオン注入をおこなう。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)をエッチング除去する。次いで900℃程度でアニールをおこない、Si層11を充満するp型不純物領域35及びSi層15を充満するn型不純物領域40を形成する。
FIG. 26 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, arsenic ions are implanted into the Si layer 15. Next, the silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation is removed by etching. Next, annealing is performed at about 900 ° C. to form a p + -type impurity region 35 filling the Si layer 11 and an n + -type impurity region 40 filling the Si layer 15.

図27(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、100nm程度のシリコン窒化膜(Si)41を成長する。
FIG. 27 (channel length direction)
Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 41 of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition.

図28(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)41及びSi層15を順次異方性ドライエッチングする。連続してSi層15を横(水平)方向に15nm程度等方性ドライエッチングする。この際n型不純物領域40は分割されて、n型ドレイン領域18及びn型ソース領域21となる。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 28 (channel length direction)
Next, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 41 and the Si layer 15 are sequentially anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer by using a normal lithography technique using an exposure drawing apparatus. Subsequently, the Si layer 15 is isotropically dry-etched by about 15 nm in the lateral (horizontal) direction. At this time, the n + -type impurity region 40 is divided into an n + -type drain region 18 and an n + -type source region 21. Next, the resist (not shown) is removed.

図29(チャネル長方向)
次いで露出した横(水平)方向エピタキシャルSi層15の側面間に5×1017cm−3程度の燐が充満されたn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層16を成長する。
FIG. 29 (channel length direction)
Next, an n-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer 16 in which phosphorus of about 5 × 10 17 cm −3 is filled between the side surfaces of the exposed lateral (horizontal) epitaxial Si layer 15 is grown.

図30(チャネル長方向)
次いでシリコン窒化膜(Si)41をマスク層として、Si層16、シリコン酸化膜(SiO)7(Si層16の両側面に存在)、シリコン酸化膜(SiO)6、Si層11、シリコン酸化膜(SiO)5(Si層11の両側面に存在)及びシリコン酸化膜(SiO)4を選択的に順次異方性ドライエッチングし、シリコン窒化膜(Si)3の一部を露出する開孔部を形成する。この際p型不純物領域35は分割されて、p型ドレイン領域13及びp型ソース領域14となり、5×1017cm−3程度の燐が充満されたn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層16は分割されて、n型ドレイン領域19及びn型ソース領域20となる。
FIG. 30 (channel length direction)
Next, using the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 41 as a mask layer, the Si layer 16, the silicon oxide film (SiO 2 ) 7 (existing on both sides of the Si layer 16), the silicon oxide film (SiO 2 ) 6, and the Si layer 11, silicon oxide film (SiO 2 ) 5 (existing on both sides of Si layer 11) and silicon oxide film (SiO 2 ) 4 are selectively and sequentially subjected to anisotropic dry etching to form silicon nitride film (Si 3 N 4 ) An opening is formed to expose a part of 3. At this time, the p + -type impurity region 35 is divided into a p + -type drain region 13 and a p + -type source region 14, and an n-type lateral (horizontal) direction filled with phosphorus of about 5 × 10 17 cm −3. The epitaxial Si layer 16 is divided into an n-type drain region 19 and an n-type source region 20.

図31(チャネル長方向)
次いで露出したSi層11あるいはSi層16の側面間にそれぞれn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層12あるいはn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層17を同時成長し、一部の下部に空孔を有する下層半導体層(11、12)及び上層半導体層(15、16、17)を形成する。(この際、空孔直上は下地の影響が全くない単結晶シリコン層となる。)
Figure 31 (channel length direction)
Next, an n-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer 12 or an n-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer 17 is simultaneously grown between the exposed side surfaces of the Si layer 11 or the Si layer 16, respectively, and is partially formed below. A lower semiconductor layer (11, 12) and an upper semiconductor layer (15, 16, 17) having holes are formed. (At this time, a single crystal silicon layer having no influence of the base is formed immediately above the holes.)

図32(チャネル長方向)
次いで露出しているSi層12及びSi層17の全周囲を酸化し、5nm程度のゲート酸化膜(SiO)22を成長する。次いでSi層17を貫通する、25kev程度の加速電圧でSi層12に閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。(n型Si層12の濃度を下げる。)次いで10kev程度の加速電圧でSi層17に閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。(n型Si層17をp型に反転させる。)次いで化学気相成長により、それぞれのゲート酸化膜(SiO)22の全周囲を含む全面に残された開孔部を完全に埋め込むように100nm程度のタングステンシリサイド膜(WSi)を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)41上に成長したタングステンシリサイド膜(WSi)を除去し、平坦化する。こうして開孔部に平坦に埋め込まれた一体化(共通化)した包囲型ゲート電極(WSi)23が形成される。次いで800℃程度でアニールし、チャネル領域を活性化する。
Figure 32 (channel length direction)
Next, the entire periphery of the exposed Si layer 12 and Si layer 17 is oxidized to grow a gate oxide film (SiO 2 ) 22 of about 5 nm. Next, boron ions for controlling the threshold voltage are implanted into the Si layer 12 at an acceleration voltage of about 25 kev that penetrates the Si layer 17. (The concentration of the n-type Si layer 12 is lowered.) Next, boron ions for threshold voltage control are implanted into the Si layer 17 at an acceleration voltage of about 10 kev. (The n-type Si layer 17 is inverted to the p-type.) Next, by chemical vapor deposition, the open portions left over the entire surface including the entire periphery of each gate oxide film (SiO 2 ) 22 are completely embedded. A tungsten silicide film (WSi) of about 100 nm is grown. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, and the tungsten silicide film (WSi) grown on the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 41 is removed and planarized. In this way, an integrated (commonized) surrounding gate electrode (WSi) 23 embedded flatly in the opening is formed. Next, annealing is performed at about 800 ° C. to activate the channel region.

図33(チャネル長方向)
次いでシリコン窒化膜(Si)41をエッチング除去する。
FIG. 33 (channel length direction)
Next, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 41 is removed by etching.

図34(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、400nm程度のPSG膜24を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、平坦化する。次いで化学気相成長により、20nm程度のシリコン窒化膜(Si)25を成長する。
FIG. 34 (channel length direction)
Next, a PSG film 24 of about 400 nm is grown by chemical vapor deposition. Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed and planarization is performed. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 25 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition.

図35(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)25、PSG膜24及びシリコン酸化膜(SiO)(4〜7、下層配線8に接続する箇所)を順次異方性ドライエッチングし、ビアを形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 35 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, using a resist (not shown) as a mask layer, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 25, a PSG film 24 and a silicon oxide film (SiO 2 ) (4-7) Then, the portions connected to the lower layer wiring 8) are sequentially anisotropic dry etched to form vias. Next, the resist (not shown) is removed.

図36(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、10nm程度のバリアメタルとなるTiN膜26を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン膜(W)27を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ビアに平坦に埋め込み、バリアメタル(TiN)26を有する導電プラグ(W)27を形成する。
FIG. 36 (channel length direction)
Next, a TiN film 26 which becomes a barrier metal of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a tungsten film (W) 27 is grown by chemical vapor deposition. Next, a conductive plug (W) 27 having a barrier metal (TiN) 26 buried in the via is formed by chemical mechanical polishing (CMP).

図1(チャネル長方向)図2(チャネル幅方向、チャネル領域部)及び図3(チャネル幅方向、ドレイン領域部)
次いで化学気相成長により、500nm程度の絶縁膜(SiOC)28を成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、SiOC膜28を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、シリコン窒化膜(Si)25がエッチングストッパー膜となる。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、10nm程度のバリアメタル(TaN)29を成長する。次いでスパッタにより、Cuシード層を成長する。次いで電解メッキ法により500nm程度のCuを成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、開孔部にCuを平坦に埋め込み、バリアメタル(TaN)29を有するCu配線30を形成する。次いで化学気相成長により、Cuのバリア絶縁膜となるシリコン窒化膜(Si)31を成長し、本願発明のSCLSSG構造の半導体装置を完成する。
FIG. 1 (channel length direction) FIG. 2 (channel width direction, channel region portion) and FIG. 3 (channel width direction, drain region portion)
Next, an insulating film (SiOC) 28 of about 500 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary lithography technique by an exposure drawing apparatus, the SiOC film 28 is anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. (At this time, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 25 becomes an etching stopper film.) Next, the resist (not shown) is removed. Next, a barrier metal (TaN) 29 of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a Cu seed layer is grown by sputtering. Next, Cu of about 500 nm is grown by electrolytic plating. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, Cu is embedded in the opening portion flatly, and a Cu wiring 30 having a barrier metal (TaN) 29 is formed. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 31 serving as a Cu barrier insulating film is grown by chemical vapor deposition to complete the SCLSSG structure semiconductor device of the present invention.

図37(チャネル長方向)は本発明の半導体装置における第2の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、SCLSSG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜10、13、14、18〜31は図1と同じ物を、42はn型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層(下層の第1の半導体層、ソースドレイン領域形成部)、43はn型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層(下層の第2の半導体層、チャネル領域形成部)、44はp型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層(上層の第1の半導体層、高濃度ソースドレイン領域形成部)、45はn型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層(上層の第2の半導体層、低濃度ソースドレイン領域形成部)、46はp型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層(上層の第3の半導体層、チャネル領域形成部)を示している。
同図においては、下層半導体層は一対のn型のSiGe層間にn型の歪みSi層が挟まれた構造からなり、上層半導体層は、一対のn型のSiGe層間にp型の歪みSi層が挟まれ、さらに両端に一対のp型のSiGe層が設けられている構造からなっていること以外は図1とほぼ同じ構造の半導体装置が形成されている。
本実施例においても第1の実施例と同様の効果を得ることができ、製造方法はやや複雑になるが、格子定数の小さなSi層を、左右から格子定数の大きなSiGe層により挟んだ構造の単結晶半導体層を形成できるため、左右のSiGe層から歪みSi層の格子定数を広げることが可能で、キャリアの移動度を増加させることができることにより、さらなる高速化が可能である。
FIG. 37 (channel length direction) is a schematic cross-sectional side view of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention. The short channel N-channel and P-channel MIS electric fields formed in the SCLSSG structure using a silicon (Si) substrate. 1 shows a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit including an effect transistor, wherein 1 to 10, 13, 14, and 18 to 31 are the same as those in FIG. 1, and 42 is an n-type lateral (horizontal) direction epitaxial SiGe layer ( Lower first semiconductor layer, source / drain region forming portion) 43 is an n-type lateral (horizontal) epitaxial strained Si layer (lower second semiconductor layer, channel region forming portion), 44 is a p-type lateral. (Horizontal) direction epitaxial SiGe layer (upper first semiconductor layer, high-concentration source / drain region forming portion), 45 is an n-type lateral (horizontal) direction epitaxial SiGe layer (upper layer) The second semiconductor layer, lightly doped source drain region formation portion) of, 46 denotes a p-type lateral (horizontal) direction epitaxial strained Si layer (third semiconductor layer of the upper layer, the channel region forming unit).
In the figure, the lower semiconductor layer has a structure in which an n-type strained Si layer is sandwiched between a pair of n-type SiGe layers, and the upper semiconductor layer is a p-type strained Si layer between a pair of n-type SiGe layers. Is formed, and a semiconductor device having substantially the same structure as that of FIG. 1 is formed except that a pair of p-type SiGe layers are provided at both ends.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the manufacturing method is somewhat complicated. However, a Si layer having a small lattice constant is sandwiched between SiGe layers having a large lattice constant from the left and right. Since a single crystal semiconductor layer can be formed, the lattice constant of the strained Si layer can be increased from the left and right SiGe layers, and the carrier mobility can be increased, thereby further increasing the speed.

図38(チャネル長方向)は本発明の半導体装置における第3の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、SCLSSG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜31は図1と同じ物を、47はバリアメタル(TiN)、48は導電プラグ(W)、49はバリアメタル(TiN)を示している。
同図においては、p型ドレイン領域13への接続が下層配線(WSi)8から形成されておらず、p型ドレイン領域13の上面とn型ドレイン領域18の下面を直接接続するバリアメタル(TiN)(47、49)に包囲された導電プラグ(W)により共通ドレイン領域として形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造の半導体装置が形成されている。
本実施例においても第1の実施例と同様の効果を得ることができ、製造方法はやや複雑になるが、配線の自由度を高められ、インバータ回路等において、より高集積化が可能である。
FIG. 38 (channel length direction) is a schematic cross-sectional side view of the third embodiment of the semiconductor device of the present invention. The short channel N-channel and P-channel MIS electric fields formed in the SCLSSG structure using a silicon (Si) substrate. 1 shows a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit including an effect transistor, wherein 1-31 are the same as those in FIG. 1, 47 is a barrier metal (TiN), 48 is a conductive plug (W), and 49 is a barrier metal (TiN). ).
In the figure, the connection to the p + type drain region 13 is not formed from the lower layer wiring (WSi) 8, and a barrier that directly connects the upper surface of the p + type drain region 13 and the lower surface of the n + type drain region 18. A semiconductor device having substantially the same structure as that of FIG. 1 is formed except that the conductive plug (W) surrounded by the metal (TiN) (47, 49) is formed as a common drain region.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the manufacturing method becomes somewhat complicated, but the degree of freedom of wiring can be increased, and higher integration can be achieved in an inverter circuit or the like. .

次いで本発明に係る半導体装置における第3の実施例の製造方法について図39〜図43及び図38を参照して説明する。ただし、ここでは本発明の半導体装置の形成に関する製造方法のみを記述し、一般の半導体集積回路に搭載される各種の素子(他のトランジスタ、抵抗、容量等)の形成に関する製造方法の記述は省略する。   Next, a manufacturing method of the third embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 39 to 43 and FIG. However, here, only the manufacturing method relating to the formation of the semiconductor device of the present invention is described, and the description of the manufacturing method relating to the formation of various elements (other transistors, resistors, capacitors, etc.) mounted on a general semiconductor integrated circuit is omitted. To do.

第1の実施例に示される図4〜図17の工程をおこなった後、図39〜図43の工程をおこなう。   After the steps of FIGS. 4 to 17 shown in the first embodiment are performed, the steps of FIGS. 39 to 43 are performed.

図39(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、100nm程度のシリコン酸化膜(SiO)6を成長する。
FIG. 39 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 6 of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition.

図40(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン酸化膜(SiO)6を異方性ドライエッチングして開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 40 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon oxide film (SiO 2 ) 6 is anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. Next, the resist (not shown) is removed.

図41(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、10nm程度のバリアメタルとなる窒化チタン膜(TiN)47を成長する。次いで化学気相成長により、90nm程度のタングステン膜(W)48を成長する。次いでシリコン酸化膜(SiO)6上に成長した窒化チタン膜(TiN)47及びタングステン膜(W)48を化学的機械研磨(CMP)し、窒化チタン膜(TiN)47及びタングステン膜(W)48を開孔部に平坦に埋め込む。
FIG. 41 (channel length direction)
Next, a titanium nitride film (TiN) 47 serving as a barrier metal of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a tungsten film (W) 48 of about 90 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the titanium nitride film (TiN) 47 and the tungsten film (W) 48 grown on the silicon oxide film (SiO 2 ) 6 are subjected to chemical mechanical polishing (CMP) to obtain the titanium nitride film (TiN) 47 and the tungsten film (W). 48 is embedded flat in the opening.

図42(チャネル長方向)
次いでタングステン膜(W)48を10nm程度異方性ドライエッチングし、微小な開孔部を形成する。次いで化学気相成長により、10nm程度のバリアメタルとなる窒化チタン膜(TiN)49を成長する。次いでシリコン酸化膜(SiO)6上に成長した窒化チタン膜(TiN)49を化学的機械研磨(CMP)し、窒化チタン膜(TiN)49を開孔部に平坦に埋め込み、窒化チタン膜(TiN)(47、49)で包囲された導電プラグ(W)48を形成する。
Fig. 42 (channel length direction)
Next, the tungsten film (W) 48 is subjected to anisotropic dry etching by about 10 nm to form a minute opening. Next, a titanium nitride film (TiN) 49 serving as a barrier metal of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the titanium nitride film (TiN) 49 grown on the silicon oxide film (SiO 2 ) 6 is subjected to chemical mechanical polishing (CMP), and the titanium nitride film (TiN) 49 is embedded in the opening portion flatly to form a titanium nitride film ( A conductive plug (W) 48 surrounded by (TiN) (47, 49) is formed.

図43(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、50nm程度のシリコン窒化膜(Si)36を成長する。
Fig. 43 (channel length direction)
Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 36 of about 50 nm is grown by chemical vapor deposition.

以後第1の実施例に示される図19〜図36及び図1の工程をおこない、本願発明のSCLSSG構造の半導体装置を完成する。(完成図、図38(チャネル長方向))   Thereafter, the steps of FIGS. 19 to 36 and FIG. 1 shown in the first embodiment are performed to complete the SCLSSG structure semiconductor device of the present invention. (Completed drawing, Fig. 38 (channel length direction))

図44(チャネル長方向)は本発明の半導体装置における第4の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、SCLSSG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜15、17、18、21〜31は図1と同じ物を示している。
同図においては、上層の第2の半導体層16が設けられていないこと、n型ドレイン領域18及びn型ソース領域21が高濃度の燐(不純物分布がゆるやかに変化する傾斜接合が可能)により形成されていること及びn型ドレイン領域19とn型ソース領域20が設けられていないこと以外は図1とほぼ同じ構造の半導体装置が形成されている。
本実施例においてもほぼ第1の実施例と同様の効果を得ることができ、若干チャネル長は短くなりがちであるが、低濃度のソースドレイン領域を設けずにホットエレクトロン効果を改善したショートチャネルのNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成できるため、微細化及び製造プロセスの簡略化が可能である。
FIG. 44 (channel length direction) is a schematic sectional side view of the fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention. The short channel N-channel and P-channel MIS electric fields formed in the SCLSSG structure using a silicon (Si) substrate. A part of a CMOS type semiconductor integrated circuit including an effect transistor is shown, and 1 to 15, 17, 18, 21 to 31 are the same as those in FIG.
In the figure, the upper second semiconductor layer 16 is not provided, and the n + -type drain region 18 and the n + -type source region 21 can be high-concentration phosphorus (gradient junction in which the impurity distribution changes gradually). 1 and the semiconductor device having substantially the same structure as that of FIG. 1 is formed except that the n-type drain region 19 and the n-type source region 20 are not provided.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and although the channel length tends to be slightly short, a short channel in which the hot electron effect is improved without providing a low concentration source / drain region. Since the N-channel MIS field-effect transistor can be formed, the miniaturization and the manufacturing process can be simplified.

図45(チャネル長方向)は本発明の半導体装置における第5の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、SCLSSG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜19、21〜31は図1と同じ物を示している。
同図においては、上層の第2の半導体層16がソース領域側に設けられていないこと及びn型ソース領域20が設けられていないこと以外は図1とほぼ同じ構造の半導体装置が形成されている。(Nチャネル側が非対称MIS電界効果トランジスタに形成されている。)
本実施例においても第1の実施例と同様の効果を得ることができ、さらにドレイン領域はホットエレクトロン効果を改善したLDD構造に形成でき、ソース領域は不必要な低濃度領域が存在しない、高濃度ソース領域構造に自己整合して形成できるため、ソース領域の抵抗を低減できることによる高速化が可能である。
FIG. 45 (channel length direction) is a schematic cross-sectional side view of the fifth embodiment of the semiconductor device of the present invention. The short channel N-channel and P-channel MIS electric fields formed in the SCLSSG structure using a silicon (Si) substrate. 1 shows a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit including an effect transistor, and reference numerals 1 to 19 and 21 to 31 denote the same components as those in FIG.
In the figure, a semiconductor device having substantially the same structure as that of FIG. 1 is formed except that the upper second semiconductor layer 16 is not provided on the source region side and the n-type source region 20 is not provided. Yes. (The N channel side is formed in an asymmetric MIS field effect transistor.)
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, the drain region can be formed in an LDD structure with improved hot electron effect, and the source region has no unnecessary low concentration region. Since it can be formed in a self-aligned manner with the concentration source region structure, it is possible to increase the speed by reducing the resistance of the source region.

次いで本発明に係る半導体装置における第5の実施例の製造方法について図46〜図50及び図45を参照して説明する。
第1の実施例に示される図4〜図27の工程をおこなった後、図46の工程をおこなう。
Next, a manufacturing method of the fifth embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 46 to 50 and FIG.
After the steps of FIGS. 4 to 27 shown in the first embodiment are performed, the step of FIG. 46 is performed.

図46(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)41及びSi層15を順次異方性ドライエッチングする。この際n型不純物領域40は分割されて、n型ドレイン領域18及びn型ソース領域21となる。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 46 (channel length direction)
Next, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 41 and the Si layer 15 are sequentially anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer by using a normal lithography technique using an exposure drawing apparatus. At this time, the n + -type impurity region 40 is divided into an n + -type drain region 18 and an n + -type source region 21. Next, the resist (not shown) is removed.

図47(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、開孔部に側面が露出したドレイン領域部のSi層15を15nm程度等方性ドライエッチングし、横(水平)方向に微小な開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 47 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the resist layer (not shown) is used as a mask layer, and the Si layer 15 in the drain region where the side surface is exposed in the opening is subjected to isotropic dry etching by about 15 nm. A minute aperture is formed in the (horizontal) direction. Next, the resist (not shown) is removed.

図48(チャネル長方向)
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置により、露出したSi層15の側面間にn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層16を成長する。(燐濃度5×1017cm−3程度のn型不純物領域29が充満されている。)
FIG. 48 (channel length direction)
Next, an n-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer 16 is grown between the exposed side surfaces of the Si layer 15 by an ECR plasma CVD apparatus capable of low-temperature growth (500 ° C. or less). (The n-type impurity region 29 having a phosphorus concentration of about 5 × 10 17 cm −3 is filled.)

図49(チャネル長方向)
次いでシリコン窒化膜(Si)41をマスク層として、Si層16、シリコン酸化膜(SiO)7(Si層16の両側面に存在)、シリコン酸化膜(SiO)6、Si層11、シリコン酸化膜(SiO)5(Si層11の両側面に存在)及びシリコン酸化膜(SiO)4を選択的に順次異方性ドライエッチングし、シリコン窒化膜(Si)3の一部を露出する開孔部を形成する。この際p型不純物領域35は分割されて、p型ドレイン領域13及びp型ソース領域14となり、5×1017cm−3程度の燐が充満されたn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層16にはn型ドレイン領域19のみが形成される。
FIG. 49 (channel length direction)
Next, using the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 41 as a mask layer, the Si layer 16, the silicon oxide film (SiO 2 ) 7 (existing on both sides of the Si layer 16), the silicon oxide film (SiO 2 ) 6, and the Si layer 11, silicon oxide film (SiO 2 ) 5 (existing on both sides of Si layer 11) and silicon oxide film (SiO 2 ) 4 are selectively and sequentially subjected to anisotropic dry etching to form silicon nitride film (Si 3 N 4 ) An opening is formed to expose a part of 3. At this time, the p + -type impurity region 35 is divided into a p + -type drain region 13 and a p + -type source region 14, and an n-type lateral (horizontal) direction filled with phosphorus of about 5 × 10 17 cm −3. Only the n-type drain region 19 is formed in the epitaxial Si layer 16.

図50(チャネル長方向)
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置により、露出したSi層11の側面間あるいはSi層16とSi層15の側面間にそれぞれn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層12あるいはn型の横(水平)方向エピタキシャルSi層17を同時成長し、一部の下部に空孔を有する下層半導体層(11、12)及び上層半導体層(15、16、17)を形成する。(この際、空孔直上は下地の影響が全くない単結晶シリコン層となる。)
Figure 50 (channel length direction)
Next, an n-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer 12 is formed between the exposed side surfaces of the Si layer 11 or between the side surfaces of the Si layer 16 and the Si layer 15 by an ECR plasma CVD apparatus capable of low temperature growth (500 ° C. or less). Alternatively, an n-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer 17 is grown at the same time to form a lower semiconductor layer (11, 12) and an upper semiconductor layer (15, 16, 17) having vacancies in a part of the lower part. (At this time, a single crystal silicon layer having no influence of the base is formed immediately above the holes.)

次いで第1の実施例に示される図32〜図36及び図1の工程をおこない、本願発明のSCLSSG構造の半導体装置を完成する。(Nチャネル側は非対称MIS電界効果トランジスタが形成される。)(完成図、図45(チャネル長方向))   Next, the steps of FIGS. 32 to 36 and FIG. 1 shown in the first embodiment are performed to complete the SCLSSG structure semiconductor device of the present invention. (An asymmetric MIS field effect transistor is formed on the N channel side.) (Completed drawing, FIG. 45 (channel length direction))

図51(チャネル幅方向)は本発明の半導体装置における第6の実施例の模式側断面図で、シリコン(Si)基板を使用し、SCLSSG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1、3〜7、11〜31は図1と同じ物を示している。
同図においては、シリコン酸化膜(SiO)2、下層配線(WSi)8及び下層のバリアメタル(TiN)10を有する導電プラグ(W)9が形成されておらず、p型ドレイン領域13及びp型ソース領域14の上面でバリアメタル(TiN)26を有する導電プラグ(W)27を介してバリアメタル(TaN)29を有する上層配線(Cu)に接続されている以外は図1とほぼ同じ構造の半導体装置が形成されている。
本実施例においては第1の実施例と同様の効果を得ることができ、高集積化にはやや難があるが製造工程を簡略化することが可能である。
FIG. 51 (channel width direction) is a schematic sectional side view of the sixth embodiment of the semiconductor device of the present invention. The short channel N channel and P channel MIS electric fields formed in the SCLSSG structure using a silicon (Si) substrate. A part of a CMOS type semiconductor integrated circuit including an effect transistor is shown, and 1, 3 to 7, 11 to 31 are the same as those in FIG.
In the drawing, the conductive plug (W) 9 having the silicon oxide film (SiO 2 ) 2, the lower layer wiring (WSi) 8 and the lower layer barrier metal (TiN) 10 is not formed, and the p + type drain region 13 is not formed. 1 except that it is connected to the upper layer wiring (Cu) having the barrier metal (TaN) 29 via the conductive plug (W) 27 having the barrier metal (TiN) 26 on the upper surface of the p + type source region 14. A semiconductor device having almost the same structure is formed.
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and although there is some difficulty in high integration, the manufacturing process can be simplified.

上記実施例においては、半導体層を成長させる場合に化学気相成長を使用しているが、これに限定されず、分子線成長法(MBE)によっても、有機金属気相成長法(MOCVD)によっても、原子層結晶成長法(ALE)によっても、また他のいかなる結晶成長法を利用してもよい。
また実施例4においては、下層半導体層にPチャネルMIS電界効果トランジスタを形成し、上層半導体層にNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成したCMOS型半導体集積回路を形成しているが、これを逆にして形成してもよい。
またゲート電極、ゲート酸化膜、バリアメタル、導電プラグ、配線、絶縁膜等は上記実施例に限定されず、同様の特性を有する材料であればどのような材料を使用してもよい。
また上記実施例のすべてはエンハンスメント型のMIS電界効果トランジスタを形成する場合について記載しているが、デブリーション型のMIS電界効果トランジスタを形成してもよい。この場合は導電型が反対のエピタキシャル半導体層を成長するか、あるいはエピタキシャル半導体層を成長して後に反対導電型の不純物をイオン注入して導電型を変換したエピタキシャル半導体層を使用して同様構造のMIS電界効果トランジスタを形成すればよい。
また上記実施例においては、2層のSOI基板を形成する場合を説明しているが、4層以上のSOI基板を形成する場合にも本願発明を利用すれば製造は容易である。
また上記実施例においては、異なる導電型のMIS電界効果トランジスタを上下2つの半導体層にそれぞれ形成したCMOS型半導体集積回路を形成しているが、同じ導電型のMIS電界効果トランジスタを形成する場合に利用することも可能である。
In the above embodiment, chemical vapor deposition is used when growing the semiconductor layer. However, the present invention is not limited to this, and molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is also used. Alternatively, atomic layer crystal growth (ALE) or any other crystal growth method may be used.
In the fourth embodiment, a CMOS type semiconductor integrated circuit is formed in which a P-channel MIS field effect transistor is formed in the lower semiconductor layer and an N-channel MIS field effect transistor is formed in the upper semiconductor layer. May be formed.
The gate electrode, the gate oxide film, the barrier metal, the conductive plug, the wiring, the insulating film, and the like are not limited to the above embodiments, and any material may be used as long as it has the same characteristics.
In addition, although all of the above embodiments describe the case where an enhancement type MIS field effect transistor is formed, a depletion type MIS field effect transistor may be formed. In this case, an epitaxial semiconductor layer having the opposite conductivity type is grown, or an epitaxial semiconductor layer having a similar structure is formed by growing an epitaxial semiconductor layer and then ion-implanting an impurity of the opposite conductivity type to convert the conductivity type. A MIS field effect transistor may be formed.
In the above-described embodiment, the case where a two-layer SOI substrate is formed is described. However, even when a four-layer or more SOI substrate is formed, if the present invention is used, manufacturing is easy.
In the above embodiment, the CMOS type semiconductor integrated circuit is formed in which the MIS field effect transistors of different conductivity types are formed in the upper and lower semiconductor layers, respectively. However, when the MIS field effect transistors of the same conductivity type are formed. It can also be used.

本願発明は、特に極めて高集積、高速且つ高信頼な半導体装置を目指したものではあるが、高速に限らず、すべてのCMOS型半導体集積回路に利用することは可能である。
またMIS電界効果トランジスタばかりでなく、他の電界効果トランジスタからなる半導体集積回路に利用できる可能性がある。
The present invention is particularly aimed at a semiconductor device with extremely high integration, high speed, and high reliability. However, the present invention is not limited to high speed and can be used for all CMOS type semiconductor integrated circuits.
In addition to the MIS field effect transistor, there is a possibility that it can be used for a semiconductor integrated circuit composed of other field effect transistors.

1 p型のシリコン(Si)基板
2 シリコン酸化膜(SiO
3 シリコン窒化膜(Si
4 シリコン酸化膜(SiO
5 素子分離領域のシリコン酸化膜(SiO
6 シリコン酸化膜(SiO
7 素子分離領域のシリコン酸化膜(SiO
8 下層配線(WSi)
9 導電プラグ(W)
10 バリアメタル(TiN)
11 n型の横(水平)方向エピタキシャルSi層(下層の第1の半導体層、ソースドレイン領域形成部)
12 n型の横(水平)方向エピタキシャルSi層(下層の第2の半導体層、チャネル領域形成部)
13 p型ドレイン領域
14 p型ソース領域
15 p型の横(水平)方向エピタキシャルSi層(上層の第1の半導体層、高濃度ソースドレイン領域形成部)
16 n型の横(水平)方向エピタキシャルSi層(上層の第2の半導体層、低濃度ソースドレイン領域形成部)
17 p型の横(水平)方向エピタキシャルSi層(上層の第3の半導体層、チャネル領域形成部)
18 n型ドレイン領域
19 n型ドレイン領域
20 n型ソース領域
21 n型ソース領域
22 ゲート酸化膜(SiO
23 一体化包囲型ゲート電極(WSi)
24 燐珪酸ガラス(PSG)膜
25 シリコン窒化膜(Si
26 バリアメタル(TiN)
27 導電プラグ(W)
28 SiOC膜
29 バリアメタル(TaN)
30 Cu配線(Cuシード層含む)
31 バリア絶縁膜(Si
32 シリコン窒化膜(Si
33 n型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層
34 選択化学気相成長導電膜(W)
35 p型不純物領域
36 シリコン窒化膜(Si
37 p型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層
38 選択化学気相成長導電膜(W)
39 シリコン酸化膜(SiO
40 n型不純物領域
41 シリコン窒化膜(Si
42 n型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層(下層の第1の半導体層、ソースドレイン領域形成部)
43 n型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層(下層の第2の半導体層、チャネル領域形成部)
44 p型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層(上層の第1の半導体層、高濃度ソースドレイン領域形成部)
45 n型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層(上層の第2の半導体層、低濃度ソースドレイン領域形成部)
46 p型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層(上層の第3の半導体層、チャネル領域形成部)
47 バリアメタル(TiN)
48 導電プラグ(W)
49 バリアメタル(TiN)
1 p-type silicon (Si) substrate 2 silicon oxide film (SiO 2 )
3 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
4 Silicon oxide film (SiO 2 )
5 Silicon oxide film (SiO 2 ) in element isolation region
6 Silicon oxide film (SiO 2 )
7 Silicon oxide film (SiO 2 ) in element isolation region
8 Lower layer wiring (WSi)
9 Conductive plug (W)
10 Barrier metal (TiN)
11 n-type lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer (lower first semiconductor layer, source / drain region forming portion)
12 n-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer (lower second semiconductor layer, channel region forming portion)
13 p + type drain region 14 p + type source region 15 p type lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer (upper first semiconductor layer, high concentration source / drain region forming part)
16 n-type lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer (upper second semiconductor layer, low concentration source / drain region forming portion)
17 p-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer (upper third semiconductor layer, channel region forming portion)
18 n + type drain region 19 n type drain region 20 n type source region 21 n + type source region 22 Gate oxide film (SiO 2 )
23 Integrated Surround Gate Electrode (WSi)
24 Phosphorsilicate glass (PSG) film 25 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
26 Barrier metal (TiN)
27 Conductive plug (W)
28 SiOC film 29 Barrier metal (TaN)
30 Cu wiring (including Cu seed layer)
31 Barrier insulating film (Si 3 N 4 )
32 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
33 n-type vertical (vertical) epitaxial Si layer 34 selective chemical vapor deposition conductive film (W)
35 p + type impurity region 36 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
37 p-type vertical (vertical) epitaxial Si layer 38 selective chemical vapor deposition conductive film (W)
39 Silicon oxide film (SiO 2 )
40 n + type impurity region 41 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
42 n-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer (lower first semiconductor layer, source / drain region forming portion)
43 n-type lateral (horizontal) direction epitaxial strained Si layer (lower second semiconductor layer, channel region forming portion)
44 p-type lateral (horizontal) direction epitaxial SiGe layer (upper first semiconductor layer, high concentration source / drain region forming portion)
45 n-type lateral (horizontal) direction epitaxial SiGe layer (upper second semiconductor layer, low concentration source / drain region forming portion)
46 p-type lateral (horizontal) epitaxial strained Si layer (upper third semiconductor layer, channel region forming portion)
47 Barrier metal (TiN)
48 Conductive plug (W)
49 Barrier metal (TiN)

Claims (5)

半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第1の層間絶縁膜と、前記第1の層間絶縁膜上に選択的に設けられた下層半導体層と、前記下層半導体層上に設けられた第2の層間絶縁膜と、前記第2の層間絶縁膜上に選択的に設けられた上層半導体層と、前記下層及び上層半導体層の一部の全周囲に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して、前記下層及び上層半導体層の一部を包囲する構造に設けられた、全周囲等しいゲート長を有する一体化包囲型ゲート電極と、前記一体化包囲型ゲート電極に自己整合して前記下層半導体層の残りの部分を充満し、端部が前記半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有し、対向して設けられた一導電型ソース領域及び一導電型ドレイン領域と、前記下層半導体層の一部に設けられたチャネル領域と、前記一体化包囲型ゲート電極に自己整合して前記上層半導体層の残りの部分を充満し、端部が前記半導体基板の主面に対し、垂直な平面を有し、対向して設けられた反対導電型ソース領域及び反対導電型ドレイン領域と、前記上層半導体層の一部に設けられたチャネル領域と、前記一体化包囲型ゲート電極、前記一導電型ソース領域、前記一導電型ドレイン領域、前記反対導電型ソース領域及び前記反対導電型ドレイン領域にそれぞれ設けられた配線と、を備えてなることを特徴とする半導体装置。   A semiconductor substrate; a first interlayer insulating film provided on the semiconductor substrate; a lower semiconductor layer selectively provided on the first interlayer insulating film; and a first semiconductor layer provided on the lower semiconductor layer Two interlayer insulating films, an upper semiconductor layer selectively provided on the second interlayer insulating film, a gate insulating film provided all around the lower layer and the upper semiconductor layer, and the gate An integrated surrounding gate electrode having an equal gate length around the entire periphery, provided in a structure surrounding a part of the lower and upper semiconductor layers via an insulating film, and self-aligning with the integrated surrounding gate electrode And filling the remaining portion of the lower semiconductor layer, the end portion having a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate, and the one conductivity type source region and the one conductivity type drain region provided opposite to each other, A channel provided in a part of the lower semiconductor layer. A region and the integrated surrounding gate electrode are self-aligned to fill the remaining portion of the upper semiconductor layer, and the end portion has a plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate, and is provided opposite to it. The opposite conductivity type source region and the opposite conductivity type drain region, the channel region provided in a part of the upper semiconductor layer, the integrated surrounding gate electrode, the one conductivity type source region, and the one conductivity type drain And a wiring provided in each of the regions, the opposite conductivity type source region, and the opposite conductivity type drain region. 前記下層半導体層は、前記一導電型ソース領域及び前記一導電型ドレイン領域が設けられた第1の半導体層と、前記チャネル領域が設けられた第2の半導体層と、の2つの半導体層からなり、前記上層半導体層は、反対導電型高濃度ソース領域及び反対導電型高濃度ドレイン領域が設けられた第1の半導体層と、反対導電型低濃度ソース領域及び反対導電型低濃度ドレイン領域が設けられた第2の半導体層と、前記チャネル領域が設けられた第3の半導体層と、の3つの半導体層からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The lower semiconductor layer includes two semiconductor layers: a first semiconductor layer provided with the one-conductivity type source region and the one-conductivity type drain region, and a second semiconductor layer provided with the channel region. The upper semiconductor layer includes a first semiconductor layer provided with an opposite conductivity type high concentration source region and an opposite conductivity type high concentration drain region, and an opposite conductivity type low concentration source region and an opposite conductivity type low concentration drain region. 2. The semiconductor device according to claim 1, comprising three semiconductor layers, a second semiconductor layer provided and a third semiconductor layer provided with the channel region. 前記下層半導体層に設けられた前記一導電型ソース領域及び前記一導電型ドレイン領域の下面には、バリアメタルを有する導電プラグを介して下層配線が接続され、前記上層半導体層に設けられた前記一導電型ソース領域及び前記一導電型ドレイン領域の上面には、バリアメタルを有する導電プラグを介して上層配線が接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   A lower layer wiring is connected to the lower surface of the one-conductivity type source region and the one-conductivity type drain region provided in the lower semiconductor layer through a conductive plug having a barrier metal, and the lower semiconductor layer is provided in the upper semiconductor layer. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein an upper layer wiring is connected to upper surfaces of the one-conduction type source region and the one-conduction type drain region through a conductive plug having a barrier metal. 前記下層半導体層の第1の半導体層の格子定数が、前記下層半導体層の第2の半導体層の格子定数より大きく、前記上層半導体層の第1及び第2の半導体層の格子定数が、前記上層半導体層の第3の半導体層の格子定数より大きい、ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   The lattice constant of the first semiconductor layer of the lower semiconductor layer is larger than the lattice constant of the second semiconductor layer of the lower semiconductor layer, and the lattice constants of the first and second semiconductor layers of the upper semiconductor layer are The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device is larger than a lattice constant of the third semiconductor layer of the upper semiconductor layer. 半導体基板上に絶縁膜を介して一導電型不純物領域が充満された下層半導体層が選択的に設けられ、前記下層半導体層上に絶縁膜を介して反対導電型不純物領域が充満された上層半導体層が選択的に設けられ、前記上層半導体層上にマスク材となる膜が設けられた半導体装置において、前記マスク材膜、前記上層半導体層の一部、前記上層半導体層の一部の周囲の絶縁膜、前記下層半導体層の一部及び前記下層半導体層の一部の周囲の絶縁膜を選択的に順次異方性エッチングし、開孔部を形成することにより、左右に分離された上層半導体層には、端部が半導体基板の主面に対し垂直平面をなし、対向した反対導電型ソース領域あるいは反対導電型ドレイン領域を形成し、左右に分離された下層半導体層には、端部が半導体基板の主面に対し垂直平面をなし、対向した一導電型ソース領域あるいは一導電型ドレイン領域を形成して後、露出した前記上層半導体層間及び下層半導体層間に、それぞれ横(水平)方向エピタキシャル半導体層を成長することにより、前記下層半導体層及び前記上層半導体層をそれぞれ復元し、前記下層半導体層及び前記上層半導体層の復元部にゲート絶縁膜を成長して後、前記開孔部に一体化包囲型電極を平坦に埋め込むことにより、前記一体化包囲型電極と、前記反対導電型ソース領域、前記反対導電型ドレイン領域、前記一導電型ソース領域及び前記一導電型ドレイン領域とを、自己整合して形成したことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   A lower semiconductor layer that is selectively provided on a semiconductor substrate via an insulating film and is filled with one conductivity type impurity region, and an upper semiconductor layer that is filled with an opposite conductivity type impurity region via the insulating film on the lower semiconductor layer In the semiconductor device in which a layer is selectively provided and a film serving as a mask material is provided on the upper semiconductor layer, the mask material film, a part of the upper semiconductor layer, and a part of the upper semiconductor layer An upper semiconductor separated into left and right by selectively anisotropically etching an insulating film, a part of the lower semiconductor layer, and an insulating film around a part of the lower semiconductor layer in order to form an opening. In the layer, the end portion forms a vertical plane with respect to the main surface of the semiconductor substrate, and the opposite opposite conductivity type source region or opposite conductivity type drain region is formed. For the main surface of the semiconductor substrate By forming a one-conductivity type source region or a one-conductivity type drain region facing each other and forming a perpendicular plane, lateral (horizontal) direction epitaxial semiconductor layers are grown between the exposed upper and lower semiconductor layers, respectively. The lower semiconductor layer and the upper semiconductor layer are restored, and a gate insulating film is grown on the restored portion of the lower semiconductor layer and the upper semiconductor layer, and then the integrated surrounding electrode is flattened in the opening portion. By embedding, the integrated surrounding electrode, the opposite conductivity type source region, the opposite conductivity type drain region, the one conductivity type source region, and the one conductivity type drain region are formed in a self-aligned manner. 2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein:
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