JP4568041B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、チャネル領域に引張り歪みを有する、新たなMOSトランジスタとその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a new MOS transistor having a tensile strain in a channel region and a manufacturing method thereof.
近年、ポストスケーリング技術として、歪み技術が注目されている。この技術は、MOSトランジスタにおけるチャネル部分のSiに引張り歪みを加え、バンド構造を変化させることにより、キャリアの有効質量やバンド間散乱が減少してキャリアの移動度が増加するという効果を利用するものである。 In recent years, a distortion technique has attracted attention as a post-scaling technique. This technology utilizes the effect of increasing carrier mobility by reducing the effective mass of carriers and inter-band scattering by applying tensile strain to the Si in the channel part of MOS transistors and changing the band structure. It is.
現在、最も研究が進んでいる歪みSiトランジスタは、バルクのSi基板上に歪み緩和SiGe層を形成し、その上に歪みSi層を形成するという構造をとっている。[例えば、非特許文献1]
上述の構造ではSiGe層を形成する必要があるが、その事によって生じるいくつかの問題点がある。まず、SiGe層中では転位などの欠陥が発生しやすく、これらの欠陥は表面の歪みSi層にも影響を与え、チャネル部分における欠陥準位や表面ラフネスの発生の原因となり、その結果、キャリア移動度の低下をもたらす。通常、SiGe層はバルクSi基板上にエピタキシャル成長して形成するが、SiとGeの格子定数の違い(4%程度)に起因する転位などの欠陥発生を防ぐために、まずGeの濃度勾配をつけた層(緩衝層)を形成し、その上に歪み緩和SiGe層を形成するということを行っている。このような構造にすることにより欠陥は低減されるが、完全に欠陥を除去できるわけでは無く、CMP(Chemical Mechanical Polish)技術を用いるなどして、さらに欠陥を減らす技術の開発が進められている状況にある。
Currently, the strained Si transistor that is most studied has a structure in which a strain relaxation SiGe layer is formed on a bulk Si substrate and a strained Si layer is formed thereon. [For example, Non-Patent Document 1]
In the above structure, it is necessary to form a SiGe layer, but there are some problems caused by this. First, defects such as dislocations are likely to occur in the SiGe layer, and these defects also affect the strained Si layer on the surface, leading to the generation of defect levels and surface roughness in the channel portion, resulting in carrier movement. Bring about a decrease in the degree. Usually, the SiGe layer is formed by epitaxial growth on a bulk Si substrate. In order to prevent defects such as dislocation caused by the difference in lattice constant between Si and Ge (about 4%), a Ge concentration gradient is first applied. A layer (buffer layer) is formed, and a strain relaxation SiGe layer is formed thereon. Defects can be reduced by adopting such a structure, but the defects cannot be completely removed, and development of a technique for further reducing defects by using CMP (Chemical Mechanical Polish) technology or the like is underway. Is in the situation.
また、SiGe層を形成する際に、SiGe層中のGe濃度を高くすることが困難であるという問題がある。SiGe層中のGe濃度を高くできれば、その上に形成される歪みSiにより大きな応力を加えることが可能となり、キャリア移動度の向上が期待できる。しかしながら、Ge濃度が高くなると、表面モホロジの良い膜をエピタキシャル成長することが難しくなり、結局、期待通りのキャリア移動度をもつものが得られなくなる。 In addition, when forming the SiGe layer, there is a problem that it is difficult to increase the Ge concentration in the SiGe layer. If the Ge concentration in the SiGe layer can be increased, a large stress can be applied to the strained Si formed thereon, and an improvement in carrier mobility can be expected. However, when the Ge concentration increases, it becomes difficult to epitaxially grow a film having a good surface morphology, and eventually, a film having the expected carrier mobility cannot be obtained.
さらに、デバイス作成における熱処理工程において、SiGe層中のGeが歪みSi層に拡散してしまうという問題がある。イニシャル酸化やゲート酸化といった熱処理工程でGeがチャネルとゲート絶縁膜界面に達すると、欠陥準位として作用し、移動度低下の原因となってしまう。 Furthermore, there is a problem that Ge in the SiGe layer diffuses into the strained Si layer in the heat treatment step in device fabrication. When Ge reaches the interface between the channel and the gate insulating film in a heat treatment process such as initial oxidation or gate oxidation, it acts as a defect level and causes a decrease in mobility.
近年、微細MOSトランジスタでは、チャネル層の下部に絶縁層を設けた構造(SOI構造)をとることにより、寄生容量の低減や短チャネル効果の抑制を図ることが試みられている。しかし、これまで述べてきた歪みSi構造をSOI基板にて形成しても、SiGe層が厚すぎる(例えば、>1μm)ため、SOI構造の有利性を生かすことができない、といった問題点があった。 In recent years, in a fine MOS transistor, attempts have been made to reduce parasitic capacitance and suppress a short channel effect by adopting a structure (SOI structure) in which an insulating layer is provided below a channel layer. However, even if the strained Si structure described so far is formed on an SOI substrate, the SiGe layer is too thick (for example,> 1 μm), so that the advantage of the SOI structure cannot be utilized. .
さらには、上記の問題点を克服するため、SiGe層の形成と貼り合わせ技術を用いてSOI(Silicon On Insulator)基板上にに歪みSi層を形成することにより、高性能化を図るという報告がある。[例えば、非特許文献2]
この場合、面内均一性が良くないことや高価であることなど、課題が多い。
In this case, there are many problems such as poor in-plane uniformity and high cost.
本発明の課題は、SiGe層を用いた従来技術による歪みSiトランジスタの形成における上述の各種問題点を解決し、新たな構造を有する歪みSiトランジスタを提案することである。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned various problems in the formation of a strained Si transistor according to the prior art using a SiGe layer, and to propose a strained Si transistor having a new structure.
本発明の半導体装置は、支持基板、前記支持基板上に形成された絶縁層、及び前記絶縁層上に形成された半導体層を含むSOI基板と、前記SOI基板の前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を有する。また、前記半導体層は、前記ゲート電極の下方に、前記ゲート電極のゲート長方向及びゲート幅方向のいずれにおいても前記支持基板から離間する方向に凸となる歪曲形状領域を有する。 A semiconductor device of the present invention is formed on a support substrate, an insulating layer formed on the support substrate, an SOI substrate including a semiconductor layer formed on the insulating layer, and the semiconductor layer of the SOI substrate. A gate insulating film; and a gate electrode formed on the gate insulating film. In addition, the semiconductor layer has a distorted region that protrudes in a direction away from the support substrate in both the gate length direction and the gate width direction of the gate electrode below the gate electrode.
このような構成により、必要に応じての空洞の形成に伴って引張り応力が加わって凸となっている歪曲形状領域の半導体層の上に、ゲートを設けてMOSトランジスタを作成することにより、この半導体層、即ち歪みSiである半導体層にチャネルが形成されることとなり、キャリア移動度の高いトランジスタを得ることができる。 With such a configuration, by forming a MOS transistor by providing a gate on a semiconductor layer in a distorted shape region that is convex due to tensile stress applied with the formation of a cavity as necessary, this is achieved. A channel is formed in the semiconductor layer, that is, a semiconductor layer having strained Si, so that a transistor with high carrier mobility can be obtained.
また、本発明の半導体装置は、前記歪曲形状領域を適正な方法で絶縁層によって囲まれている。この構成により、本発明の半導体装置を高集積に形成することが可能となる。 In the semiconductor device of the present invention, the distorted region is surrounded by an insulating layer by an appropriate method. With this configuration, the semiconductor device of the present invention can be formed with high integration.
本発明の半導体装置は、SiGe層を用いない新たな構造を用いることにより、ゲルマニウムを用いた弊害の影響を受けることなく、チャネル部分に引張り応力が加わり、キャリアの移動度が高くなった、微細MOSトランジスタを形成することが可能となる。 The semiconductor device of the present invention uses a new structure that does not use a SiGe layer, so that tensile stress is applied to the channel portion and the carrier mobility is increased without being affected by the adverse effects of using germanium. A MOS transistor can be formed.
従来技術とは異なる新たな構造を導入することによって歪みSiトランジスタを実現可能とした。以下に本発明に係る半導体装置の製造方法の具体例を、図面を参照しながら説明する。
[第1の実施例]
図1〜図5は、第1の実施例の製造工程の説明図である。これらにおいては、(a)〜(o)及び(c−2)、(d−2)は各工程の断面図であり、(c−TOP)、(e−TOP)、(h−TOP)、(j−TOP)、(l−TOP)、(n−TOP)、(o−TOP)は、各相当する断面図の工程段階における真上から見た平面図である。図中のA−A’は各断面図の断面位置を示す。
By introducing a new structure different from the prior art, a strained Si transistor can be realized. Specific examples of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First embodiment]
1-5 is explanatory drawing of the manufacturing process of a 1st Example. In these, (a) to (o) and (c-2), (d-2) are cross-sectional views of each step, and (c-TOP), (e-TOP), (h-TOP), (J-TOP), (l-TOP), (n-TOP), and (o-TOP) are plan views viewed from directly above in the process steps of the corresponding cross-sectional views. AA ′ in the figure indicates the cross-sectional position of each cross-sectional view.
図1(a)において、単結晶シリコンの支持基板10の上に埋め込みSiO2 層(BOX層、Buried Oxide層)11及び単結晶シリコン層(SOI層、Silicon On Insulator層)12が形成されているSOI基板を示す。SOI層12の厚さは、熱酸化とフッ酸溶液を用いた熱酸化膜除去処理により調整することができる。ここでは、例えば、BOX層11を200nm、SOI層12を60nmとする。なお、ここでは、nチャネルトランジスタの製造方法を例に説明するため、SOI層12はp型単結晶シリコンとする。pチャネルトランジスタの場合は、SOI層12はn型単結晶シリコンとする。
In FIG. 1A, a buried SiO 2 layer (BOX layer, Buried Oxide layer) 11 and a single crystal silicon layer (SOI layer, Silicon On Insulator layer) 12 are formed on a single crystal
図1(b)に示すように、素子領域と重ならない(少なくとも素子領域とそれに最も近接する部位との距離が露光位置合わせ精度の限界を超えない程度の)位置にレジストプロセスを用いて、RIE(Reactive Ion Etching)などの工程によりSOI層12をエッチングし、深さがBOX層11の表面まで達する穴20を形成する。ここでは、穴20の開口径を、例えば一辺が500nmの正方形とする。
As shown in FIG. 1B, a resist process is used at a position that does not overlap with the element region (at least the distance between the element region and the portion closest to the element region does not exceed the limit of exposure alignment accuracy). The
次に、図1(c)に示すように、穴20から、例えば5%のフッ酸溶液中で30分間のエッチングにより、BOX層11を等方選択エッチングして、空洞30を形成する。この時の真上から見たときの図を、図1(c−TOP)に示す。同図に示すように、穴20は素子領域と重ならない位置の4箇所からなり、破線で示された範囲内に空洞30が形成される。また上方から見た穴20の内部には、単結晶シリコンの支持基板10が観察されることを示す。
Next, as shown in FIG. 1C, the
なお、SOI層12が比較的薄い(例えば、20nm以下)場合、図1(c−2)に示すように、空洞30直上のSOI層12が少し上に凸に反る場合がある。この場合、SOI層12に引張り応力が加わることになり、その応力(歪み)が所望の大きさとなっていれば、このあとは、図2(h)以降の工程を行う。例えば、SOI層12の厚さが15nmの場合、ラマン散乱測定の結果により、SOI層12には1GPa以上の引張り応力(歪み率0.8%以上)が加わる。
When the
ここで、SOI層12が上に凸に反る原因に関しては定かにはなっていない。可能性としては、ここに用いたSOI基板12とBOX層11の界面にできた応力(SOI層12中に圧縮応力)が、BOX層11のエッチングにより開放されたためにSOI層12が変形した(上に凸に反った)ということなどが考えられる。
Here, the cause of the
さて、図1(c)に引き続き、図1(d)に示すように熱酸化により熱酸化SiO2 膜40を形成する。ここでは、例えば800℃でドライ酸化することにより、熱酸化SiO2 膜40の厚さを、5nmとする。 Subsequently to FIG. 1C, a thermally oxidized SiO 2 film 40 is formed by thermal oxidation as shown in FIG. Here, the thickness of the thermally oxidized SiO 2 film 40 is set to 5 nm by dry oxidation at 800 ° C., for example.
なお、このとき、図1(d−2)に示すように、空洞30直上のSOI層12が少し上に凸に反る場合がある。この場合、SOI層12に引張り応力が加わることになり、その応力(歪み)が所望の大きさとなっていれば、このあとは、図2(h)以降の工程を行う。また、ここでドライ酸化の代わりに、N2 やArといった不活性ガス中で800℃以上の熱処理をすることによっても、空洞30直上のSOI層12を上に凸に変形させ、引張り応力を加えられる場合がある。その処理を用いる場合も、このあとは、図2(h)以降の工程を行う。
At this time, as shown in FIG. 1D-2, the
ここで、このように熱処理をしたときに、空洞30直上のSOI層12が少し上に凸に反る原因に関しては定かにはなっていない。可能性としては、SiとSiO2 の熱膨張率の違い(Siの膨張率がSiO2 のそれより大)に起因するSOI層12の変形や、加熱中のSOI層12におけるSi原子の再配列による変形などが考えられる。
Here, when the heat treatment is performed in this way, it is unclear as to why the
さて、図1(d)に引き続き、図2(e)および図2(e−TOP)に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition )により、空洞30内が完全に埋まらない程度に(即ち、図中にある隙間51ができるように)ポリシリコン膜50を堆積する。図2(e)は、平面図の図2(e−TOP)における、A−A’を切断した時の断面図である。ここでは、例えば、膜厚90〜120nm堆積する。堆積膜厚に幅があるのは、上述のように空洞30の直上のSOI層12が少し上に凸に反っているケースがあるためである。なお、ここで埋め込む材料はポリシリコンに限られるものでは無く、他にGeなどの酸化可能な半導体やTiなどの酸化可能な金属を用いても良い。
Now, as shown in FIG. 2 (e) and FIG. 2 (e-TOP) following FIG. 1 (d), the
次に、図2(f)に示すように、熱酸化により熱酸化SiO2 膜60を形成する。このとき、ポリシリコン膜50が埋め込まれた部分の体積が膨張することになり、本図に示すような形状に変形し、空洞61ができる。この場合、変形されたSOI層12には引張り応力が加わることになる。ここで、例えば1000℃でドライ酸化することにより、熱酸化SiO2 膜60の厚さを100nmとする。この場合、ラマン散乱測定の結果より、SOI層12には、750MPa以上の引張り応力(歪み率0.6%以上)が加わる。なお、この図以降、断面図における穴20部分の図示は省略する。また、図2(e)でポリシリコン膜50の代わりに酸化可能な半導体や酸化可能な金属を用いた場合も、同様な結果が得られる。
Next, as shown in FIG. 2F, a thermally oxidized SiO 2 film 60 is formed by thermal oxidation. At this time, the volume of the portion in which the
そして、図2(g)に示すように、RIEなどにより、表面部の熱酸化SiO2 膜60、ポリシリコン膜50をドライエッチング除去する。その後、フッ酸溶液を用いて上部の熱酸化SiO2 膜40をウエットエッチングする。
Then, as shown in FIG. 2G, the thermally oxidized SiO 2 film 60 and the
次に、図2(h)および図2(h−TOP)に示すように、熱酸化(イニシャル酸化)により熱酸化SiO2 膜70(ここでは、例えば800℃のドライ酸化により、厚さ7nm)をSOI層12上に形成した後、SOI層12上および空洞61内部を含めCVDにより全面にSi3 N4 膜71(例えば、厚さ120nm)を堆積する。次に、図2(h−TOP)に示されているように、素子分離形状にレジストをパターニングして、これをマスクに、Si3 N4 膜71、熱酸化SiO2 膜70をRIE加工し、その後、レジストを除去する。ここで形成されている空洞72は破線で示されている内側の領域であり、また穴20からはポリシリコン膜50と単結晶シリコンの支持基板10が観察される。
Next, as shown in FIG. 2 (h) and FIG. 2 (h-TOP), a thermally oxidized SiO 2 film 70 by thermal oxidation (initial oxidation) (here, 7 nm in thickness by dry oxidation at 800 ° C., for example) Is formed on the
次に、図3(i)に示すように、熱酸化(フィールド酸化)により、素子分離SiO2 (LOCOS/ LOCal Oxidation Of Silicon)膜80を形成する。ここでは、例えば、1000℃でウエット酸化することにより、厚さ120nmの素子分離SiO2 膜80とする。
Next, as shown in FIG. 3I, an element isolation SiO 2 (LOCOS / LOCal Oxidation Of Silicon)
次に、図3(j)および図3(j−TOP)に示すように、燐酸溶液を用いて、Si3 N4 膜71をウエットエッチする。このとき、再び空洞90が現れる。続いて、フッ酸溶液を用いて、熱酸化SiO2 膜70をウエットエッチする。
Next, as shown in FIGS. 3J and 3J-TOP, the Si 3 N 4 film 71 is wet-etched using a phosphoric acid solution. At this time, the
そして、図3(k)に示すように、熱酸化(ゲート酸化)によりゲート酸化SiO2 膜100を形成する。ここでは、例えば800℃でドライ酸化することにより、ゲート酸化SiO2 膜100の厚さを3nmとする。なお、このゲート絶縁膜としては、酸化SiO2 膜の代わりに、HfO2 などの、High−k膜などを用いてもよい。 Then, as shown in FIG. 3K, a gate oxide SiO 2 film 100 is formed by thermal oxidation (gate oxidation). Here, for example, by dry oxidation at 800 ° C., the thickness of the gate oxide SiO 2 film 100 is set to 3 nm. As the gate insulating film, a high-k film such as HfO 2 may be used instead of the oxide SiO 2 film.
次に、図4(l)および図4(l−TOP)に示すように、CVDによりポリシリコン膜110を全面に堆積した後、ゲート電極形状にレジストをパターニングし、これをマスクにポリシリコン膜111をRIE加工し、ゲート電極110を形成して、その後、レジストを除去する。ここでは、例えば、ポリシリコン膜111の膜厚を100nmとし、ゲート長を50nmとする。ゲート電極にはポリシリコンの代わりに。ポリシリコン・ゲルマニウムなどを用いても良い。
Next, as shown in FIGS. 4 (l) and 4 (l-TOP), after depositing a
次に、図4(m)に示すように、イオン注入を行い、エクステンション注入層120を形成する。ここでは、例えば、注入イオンをAs+ とする。pチャネルトランジスタの場合は、注入イオンをB+ とする。
Next, as shown in FIG. 4M, ion implantation is performed to form the
次に、図4(n)および図4(n−TOP)に示すように、CVDによりSiO2 膜130を全面に堆積した後、RIEなどによりゲート電極110の側壁にSiO2 サイドウォール130を形成する。ここでは、例えば、SiO2 膜130の膜厚を130nmとする。
Next, as shown in FIG. 4 (n) and FIG. 4 (n-TOP), after depositing the SiO 2 film 130 on the entire surface by CVD, the SiO 2 sidewall 130 is formed on the sidewall of the
そして、図5(o)および図5(o−TOP)に示すように、イオン注入を行い、ソース・ドレイン注入層140を形成する。ここでは、例えば、注入イオンをAs+ とする。pチャネルトランジスタの場合は、注入イオンをB+ とする。
Then, as shown in FIG. 5 (o) and FIG. 5 (o-TOP), ion implantation is performed to form a source / drain implanted
なお、ソース・ドレイン電極を金属シリサイド化したり、エレベーテッド構造にしても良い。また、ゲート電極をシリサイド化しても良い。 The source / drain electrodes may be metal silicided or have an elevated structure. Further, the gate electrode may be silicided.
図6に、上記の、第1の実施例により形成されたトランジスタの、俯瞰模式図を示す。図7に示す従来型と比べると、チャネル部分が上に凸になるように変形し、チャネル部分に引張り歪みが加わっていることがわかる。本実施例では、従来型に比べてキャリア移動度が1.6倍以上高くなる。 FIG. 6 shows a schematic bird's-eye view of the transistor formed according to the first embodiment. Compared with the conventional type shown in FIG. 7, it can be seen that the channel portion is deformed so as to protrude upward, and tensile strain is applied to the channel portion. In this embodiment, the carrier mobility is 1.6 times higher than that of the conventional type.
なお、本実施例では、チャネル層(SOI層12)の下部には薄くSiO2 層(熱酸化SiO2 膜40)があるが、その下にはポリシリコン膜50が残っており、完全なSOI構造とは言いがたい。SOI構造を実現したい場合には、図2(f)の熱酸化工程で、ポリシリコンを熱酸化SiO2 膜40に至るまで熱酸化するといった方法や、図2(e)でのCVDによりSiO2 膜を埋め込んだ後にポリシリコンを埋め込み、その後ポリシリコンをCVD−SiO2 膜に至るまで熱酸化するといった方法などを行えばよい。
[第2の実施例]
第1の実施例の場合、図7の従来型に比べて占有面積が多少大きくなるため、高い集積度が求められる箇所には適用し難い。そこで、従来の集積度を保ちつつ、チャネル部に物理的歪曲による歪みを加えるという方法を適用したものが、第2の実施例である。
In this embodiment, there is a thin SiO 2 layer (thermally oxidized SiO 2 film 40) below the channel layer (SOI layer 12), but a
[Second Embodiment]
In the case of the first embodiment, since the occupied area is somewhat larger than that of the conventional type of FIG. 7, it is difficult to apply to a place where a high degree of integration is required. Therefore, the second embodiment applies a method of applying distortion due to physical distortion to the channel portion while maintaining the conventional degree of integration.
図8〜図12は、第1の実施例の製造工程の説明図である。これらにおいては、(a)〜(o)は各工程の断面図であり、(c−TOP)、(d−TOP)、(e−TOP)、(h−TOP)、(i−TOP)、(j−TOP)、(l−TOP)、(n−TOP)、(o−TOP)は、各相当する断面図の工程段階における真上から見た平面図である。図中のA−A’は各断面図の断面位置を示す。 8-12 is explanatory drawing of the manufacturing process of a 1st Example. In these, (a) to (o) are cross-sectional views of each step, and (c-TOP), (d-TOP), (e-TOP), (h-TOP), (i-TOP), (J-TOP), (l-TOP), (n-TOP), and (o-TOP) are plan views viewed from directly above in the process steps of the corresponding cross-sectional views. A-A 'in the drawing indicates the cross-sectional position of each cross-sectional view.
第2の実施例においても、用いる基板は第1の実施例のものと同じとする。図8(a)において、単結晶シリコンの支持基板10の上に埋め込みSiO2 層(BOX層、Buried Oxide層)11及び単結晶シリコン層(SOI層、Silicon On Insulator層)12が形成されているSOI基板を示す。ここでは、例えば、BOX層11を200nm、SOI層12を60nmとする。なお、ここでも、nチャネルトランジスタの製造方法を例に説明するため、SOI層12はp型単結晶シリコンとする。pチャネルトランジスタの場合は、SOI層12はn型単結晶シリコンとする。
Also in the second embodiment, the substrate used is the same as that of the first embodiment. In FIG. 8A, a buried SiO 2 layer (BOX layer, Buried Oxide layer) 11 and a single crystal silicon layer (SOI layer, Silicon On Insulator layer) 12 are formed on a
次に、図8(b)に示すように、熱処理により、熱酸化SiO2 膜200を形成する。ここでは、例えば、800℃でドライ酸化することにより、熱酸化SiO2 膜200の厚さを5nmとする。 Next, as shown in FIG. 8B, a thermally oxidized SiO 2 film 200 is formed by heat treatment. Here, for example, by dry oxidation at 800 ° C., the thickness of the thermally oxidized SiO 2 film 200 is set to 5 nm.
次に、図8(c)および図8(c−TOP)に示すように、素子分離形状にレジストをパターニングして、それをマスクに熱酸化SiO2 膜200、SOI層12、BOX層11をRIE加工し、溝210(逆に言うと、素子分離形状のメサ積層構造)を形成する。その後レジストを除去する。
Next, as shown in FIG. 8C and FIG. 8C-TOP, a resist is patterned into an element isolation shape, and a thermal oxide SiO 2 film 200, an
次に、図8(d)および図8(d−TOP)に示すように、CVDによりSi3 N4 膜220を溝210の深さよりも厚い膜厚で全面に堆積した後、CMPによりSi3 N4 膜220を研磨する。このとき、メサ積層構造の最上面にある熱酸化SiO2 膜200をエッチングストッパとすることにより、溝210にSi3 N4 膜220を埋め込むという形状のSTI構造(Shallow Trench Isolation構造)が得られる。ここでは、例えば、CVD時のSi3 N4 膜220の厚さを300nmとする。なおSTI構造の材料は、Si3 N4 に限られるものではなく、SiO2 をウエットエッチする際に溶解しない他の材料を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 8 (d) and FIG. 8 (d-TOP), it was deposited on the entire surface of the Si 3 N 4 film 220 with thickness larger than the depth of the
次に、図9(e)および図9(e−TOP)に示すように、フッ酸溶液を用いて熱酸化SiO2 膜200をウエットエッチする。その後、素子分離加工されたSOI層12の内部に、少なくとも素子分離パターンのエッジとそれに最も近接する部位との距離が露光の位置合わせ精度の限界を超えない程度の位置にレジストをパターニングして穴を開け、それをマスクとしてRIEなどの工程によりSOI層12をエッチングし、深さがBOX層11の表面まで達する穴230を形成する。その後、レジストを除去する。ここでは、例えば、穴230の開口部の一辺が500nmの正方形とする。
Next, as shown in FIGS. 9E and 9E-TOP, the thermally oxidized SiO 2 film 200 is wet-etched using a hydrofluoric acid solution. Thereafter, a resist is patterned in the
そして、図9(f)に示すように、穴230からフッ酸溶液を用いてBOX層11を等方選択ウエットエッチして、空洞240を形成する。ここでは、例えば、5%のフッ酸溶液中で30分間エッチングする。
Then, as shown in FIG. 9F, the
次に、図9(g)に示すように、熱酸化により熱酸化SiO2 膜250を形成する。ここでは、例えば、800℃でドライ酸化することにより、熱酸化SiO2 膜250の厚さを5nmとする。 Next, as shown in FIG. 9G, a thermally oxidized SiO 2 film 250 is formed by thermal oxidation. Here, for example, by dry oxidation at 800 ° C., the thickness of the thermally oxidized SiO 2 film 250 is set to 5 nm.
次に、図9(h)および図9(h−TOP)に示すように、CVDにより空洞240が完全に埋まらない(隙間261ができる)程度にポリシリコン膜260を堆積する。ここでは、例えば、ポリシリコン膜260の膜厚を90nmとする。なお、ここで埋め込む材料はポリシリコンに限るものでは無く、他にGeなどの酸化可能な半導体やTiなどの酸化可能な金属を用いてもよい。
Next, as shown in FIGS. 9H and 9H-TOP, a
次に、図10(i)および図10(i−TOP)に示すように、熱酸化により熱酸化SiO2 膜270を形成する。このとき、ポリシリコン膜260が埋め込まれた部分の体積が膨張することになり、断面図に示すような形状に変形し、空洞271ができる。この場合、変形されたSOI層12には引張り応力が加わることになる。ここでは、例えば、1000℃でドライ酸化することにより、熱酸化SiO2 膜270の厚さを100nmとする。なお、この図以降、断面図における穴230部分の図示は省略する。また図9(h)および図9(h−TOP)でポリシリコン膜260の代わりに酸化可能な半導体や金属を用いた場合でも同様な結果が得られる。
Next, as shown in FIGS. 10I and 10I-TOP, a thermally oxidized SiO 2 film 270 is formed by thermal oxidation. At this time, the volume of the portion where the
次に、図10(j)および図10(j−TOP)に示すように、RIEなどにより、表面部の熱酸化SiO2 膜270、ポリシリコン膜260をエッチング除去する。その後、フッ酸溶液を用いて上部の熱酸化SiO2 膜250をウエットエッチングする。
Next, as shown in FIG. 10J and FIG. 10J-TOP, the thermally oxidized SiO 2 film 270 and the
そして、図10(k)に示すように、ゲート酸化SiO2 膜280を形成する。ここでは、例えば、800℃でドライ酸化することにより、ゲート酸化SiO2 膜280の厚さを3nmとする。なお、ゲート絶縁膜には酸化SiO2 膜の代わりに、HfO2 などの、High−k膜などを用いてもよい。 Then, a gate oxide SiO 2 film 280 is formed as shown in FIG. Here, for example, by dry oxidation at 800 ° C., the thickness of the gate oxide SiO 2 film 280 is set to 3 nm. As the gate insulating film, a high-k film such as HfO 2 may be used instead of the oxide SiO 2 film.
次に、図11(l)および図11(l−TOP)に示すように、CVDによりポリシリコン膜290を全面に堆積した後、ゲート電極形状にレジストをパターニングし、それをマスクにしてポリシリコン膜290をRIE加工し、ゲート電極290を形成する。ここでは、例えば、ポリシリコン膜290の膜厚を100nmとし、ゲート長を50nmとする。なお、ゲート電極にはポリシリコンの代わりに、ポリシリコン・ゲルマニウムなどを用いてもよい。
Next, as shown in FIGS. 11 (l) and 11 (l-TOP), a
次に、図11(m)に示すように、イオン注入を行い、エクステンション注入層300を形成する。ここでは、例えば、注入するイオンをAs+ とする。pチャネルトランジスタの場合は、注入イオンをB+ とする。
Next, as shown in FIG. 11M, ion implantation is performed to form the
次に、図11(n)および図11(n−TOP)に示すように、CVDによりSiO2 膜310を全面に堆積した後、RIEなどによりゲート電極290の側壁にSiO2 サイドウォール310を形成する。ここでは、例えば、SiO2 膜310の厚さを130nmとする。
Next, as shown in FIG. 11 (n) and FIG. 11 (n-TOP), after depositing the SiO 2 film 310 on the entire surface by CVD, the SiO 2 sidewall 310 is formed on the side wall of the
そして、図12(o)および図12(o−TOP)に示すように、イオン注入を行い、ソース・ドレイン注入層320を形成する。ここでは、例えば、注入するイオンをAs+ とする。pチャネルトランジスタの場合は、注入イオンをB+ とする。なお、ソース・ドレイン電極を金属シリサイド化したり、エレベーテッド構造にしてもよい。またゲート電極を金属シリサイド化してもよい。
Then, as shown in FIG. 12 (o) and FIG. 12 (o-TOP), ion implantation is performed to form the source /
なお、図9(f)、図9(g)の工程では、第1の実施例と同様に、SOI層12が少し上に凸に反る場合もあり得る。その際は、第1の実施例と同様なプロセス変更を行う。
In the steps of FIGS. 9F and 9G, the
図13に、上記第2の実施例により形成されたトランジスタの俯瞰模式図を示す。図14に示す従来型と比べると、チャネル部分が上に凸になるように変形され、チャネル部分に引張り歪みが加わっていることがわかる。さらにこの構造の場合、図14の従来型と占有面積が同じであるため、集積度を犠牲にすることなく、チャネル部に物理的歪曲による歪みを加えることが可能である。 FIG. 13 shows a schematic bird's-eye view of the transistor formed according to the second embodiment. Compared with the conventional type shown in FIG. 14, it can be seen that the channel portion is deformed so as to protrude upward, and tensile strain is applied to the channel portion. Further, in the case of this structure, since the occupation area is the same as that of the conventional type in FIG. 14, distortion due to physical distortion can be applied to the channel portion without sacrificing the degree of integration.
なお、本実施例では、チャネル層(SOI層12)の下部には薄くSiO2 層(熱酸化SiO2 膜250)があるが、その下にはポリシリコン膜50が残っており、完全なSOI構造とは言いがたい。SOI構造を実現したい場合には、図10(i)の熱酸化工程で、ポリシリコンを熱酸化SiO2 膜250に至るまで熱酸化するといった方法や、図9(h)でのCVDによりSiO2 膜を埋め込んだ後にポリシリコンを埋め込み、その後ポリシリコンをCVD−SiO2 膜に至るまで熱酸化するといった方法などを行えばよい。
In this embodiment, there is a thin SiO 2 layer (thermally oxidized SiO 2 film 250) below the channel layer (SOI layer 12), but a
以上の第1および第2の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)半導体基板とその上に形成された絶縁層とさらにその上に形成された半導体層とを少なくとも有し、前記半導体層は前記絶縁層側とは逆の方向に凸となる歪曲形状領域を有し、前記歪曲形状領域においてチャネルが形成されていることを特徴とする半導体装置。(請求項1)
(付記2)前記半導体基板はシリコン基板で構成され、前記絶縁層は酸化シリコン層で構成され、前記半導体層はシリコン層で構成された付記1記載の半導体装置。(請求項2)(付記3)前記半導体基板はシリコン基板で構成され、前記絶縁層は窒化シリコン層で構成され、前記半導体層はシリコン層で構成された付記1記載の半導体装置。
(付記4)前記歪曲形状領域と前記半導体基板との間に、少なくとも、空洞が形成されていることを特徴とする付記1または2記載の半導体装置。(請求項3) (付記5)前記歪曲形状領域が領域画定用絶縁層で囲まれて形成されていることを特徴とする付記1ないし3のいずれかに記載の半導体装置。(請求項4)
(付記6)前記領域画定用絶縁層は、LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)構造の熱酸化膜であることを特徴とする付記5記載の半導体装置。
(付記7)前記領域画定用絶縁層は、STI(Shallow Trench Isolation)構造の絶縁層であることを特徴とする付記5記載の半導体装置。
(付記8)半導体基板上に第1の層と更にその上に半導体層からなる第2の層を有する積層基板において、前記第2の層の一部に前記第1の層に達する開口部を形成する第1の工程と、前記開口部を通して前期第1の層の一部に前記開口部より大きな空洞部を形成する第2の工程と、前記第2の工程に、さらに酸素もしくは不活性ガス中で熱処理を行って絶縁膜を形成する第3の工程と、前記第2の工程、または前記第3の工程により形成された前記第2の層上に、チャネルを形成する工程とを有すことを特徴とする半導体装置の製造方法。(請求項5)
(付記9)前記第3の工程に、さらに前記空洞部を半導体もしくは導電体で埋めた後に熱酸化処理を行う第4の工程により形成された前記第2の層上に、チャネルを形成する工程とを有すことを特徴とする付記8記載の半導体装置の製造方法。
(付記10)前記第4の工程において、前記空洞部を半導体もしくは導電体で隙間ができる程度に埋めた後に熱処理を行う工程とすることを特徴とする付記9記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)前記第1の層は絶縁層であり、前記積層基板はSOI(Silicon On Insulator)基板であることを特徴とする付記8ないし10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
The following additional notes are further disclosed with respect to the embodiments including the first and second examples.
(Appendix 1) A distorted shape having at least a semiconductor substrate, an insulating layer formed thereon, and a semiconductor layer formed thereon, the semiconductor layer projecting in a direction opposite to the insulating layer side A semiconductor device having a region, wherein a channel is formed in the distorted region. (Claim 1)
(Supplementary note 2) The semiconductor device according to
(Appendix 4) The semiconductor device according to
(Supplementary note 6) The semiconductor device according to supplementary note 5, wherein the region defining insulating layer is a thermal oxide film having a LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) structure.
(Supplementary note 7) The semiconductor device according to supplementary note 5, wherein the region defining insulating layer is an insulating layer having an STI (Shallow Trench Isolation) structure.
(Supplementary Note 8) In a laminated substrate having a first layer on a semiconductor substrate and a second layer made of a semiconductor layer thereon, an opening reaching the first layer is formed in a part of the second layer. In the first step of forming, a second step of forming a cavity larger than the opening in a part of the first layer through the opening, and in the second step, oxygen or an inert gas is further added. A third step of forming an insulating film by performing a heat treatment therein, and a step of forming a channel on the second layer formed on the second step or the third step. A method for manufacturing a semiconductor device. (Claim 5)
(Supplementary Note 9) In the third step, a step of forming a channel on the second layer formed by the fourth step of performing thermal oxidation after filling the cavity with a semiconductor or a conductor. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 8, wherein:
(Supplementary note 10) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 9, wherein in the fourth step, the cavity is filled with a semiconductor or a conductor so that a gap is formed.
(Supplementary note 11) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of supplementary notes 8 to 10, wherein the first layer is an insulating layer, and the laminated substrate is an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
10 支持基板(単結晶シリコン) 11 BOX層(SiO2 )
12 SOI層(単結晶シリコン)
20、230 穴
30,61、72、90、112、132、240、271 空洞
40、60、70、131、200、250、270 熱酸化SiO2
50,111,260 ポリシリコン
51,261 隙間
71 Si3 N4
80 LOCOS(SiO2 )
100,280 ゲート酸化膜(熱酸化SiO2 )
110,290 ゲート電極(ポリシリコン)
120、300 エクステンション注入領域(As+ )
130,310 サイドウォール(SiO2 )
140,320 ソース・ドレイン注入領域(As+ )
210 溝
220 STI(Si3 N4 )
10 Support substrate (single crystal silicon) 11 BOX layer (SiO 2 )
12 SOI layer (single crystal silicon)
20, 230
50, 111, 260
80 LOCOS (SiO 2 )
100,280 Gate oxide film (thermally oxidized SiO 2 )
110,290 Gate electrode (polysilicon)
120, 300 Extension injection region (As + )
130, 310 Side wall (SiO 2 )
140, 320 Source / drain implantation region (As + )
210
Claims (5)
前記SOI基板の前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、A gate insulating film formed on the semiconductor layer of the SOI substrate;
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、A gate electrode formed on the gate insulating film;
を有し、Have
前記半導体層は、前記ゲート電極の下方に、前記ゲート電極のゲート長方向及びゲート幅方向のいずれにおいても前記支持基板から離間する方向に凸となる歪曲形状領域を有することを特徴とする半導体装置。The semiconductor device, wherein the semiconductor layer has a distortion-shaped region that protrudes in a direction away from the support substrate in any of a gate length direction and a gate width direction of the gate electrode below the gate electrode. .
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、Forming a gate electrode on the gate insulating film;
を有し、Have
前記ゲート絶縁膜を形成する工程の前に、前記絶縁層の前記ゲート電極を形成する予定の領域の下方に空洞を形成し、前記半導体層の前記ゲート電極を形成する予定の領域の下方に、前記ゲート電極のゲート長方向及びゲート幅方向のいずれにおいても前記支持基板から離間する方向に凸となる歪曲形状領域を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。Before the step of forming the gate insulating film, a cavity is formed below the region of the insulating layer where the gate electrode is to be formed, and below the region of the semiconductor layer where the gate electrode is to be formed, A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a distorted region that protrudes in a direction away from the support substrate in both the gate length direction and the gate width direction of the gate electrode.
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、Forming a gate electrode on the gate insulating film;
を有し、Have
前記ゲート絶縁膜を形成する工程の前に、Before the step of forming the gate insulating film,
前記絶縁層の前記ゲート電極を形成する予定の領域の下方に空洞を形成する工程と、Forming a cavity below a region of the insulating layer where the gate electrode is to be formed;
熱処理を行い、前記半導体層の前記ゲート電極を形成する予定の領域の下方に、前記ゲート電極のゲート長方向及びゲート幅方向のいずれにおいても前記支持基板から離間する方向に凸となる歪曲形状領域を形成する工程と、A distortion-shaped region that protrudes in a direction away from the support substrate in both the gate length direction and the gate width direction of the gate electrode below the region of the semiconductor layer where the gate electrode is to be formed by performing a heat treatment Forming a step;
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、Forming a gate electrode on the gate insulating film;
を有し、Have
前記ゲート絶縁膜を形成する工程の前に、Before the step of forming the gate insulating film,
前記絶縁層の前記ゲート電極を形成する予定の領域の下方に空洞を形成する工程と、Forming a cavity below a region of the insulating layer where the gate electrode is to be formed;
前記空洞内に、隙間を有し、酸化可能な膜を形成する工程と、Forming a oxidizable film having a gap in the cavity;
前記酸化可能な膜の熱酸化により前記膜を膨張させ、前記半導体層の前記ゲート電極を形成する予定の領域の下方に、前記ゲート電極のゲート長方向及びゲート幅方向のいずれにおいても前記支持基板から離間する方向に凸となる歪曲形状領域を形成する工程と、The support substrate is expanded in both the gate length direction and the gate width direction of the gate electrode below the region of the semiconductor layer where the gate electrode is to be formed by expanding the film by thermal oxidation of the oxidizable film. Forming a distortion-shaped region that is convex in a direction away from
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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