JP4626500B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、バックゲート電極が設けられたSOI(Silicon On Insulator)トランジスタに適用して好適なものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, and is particularly suitable for application to an SOI (Silicon On Insulator) transistor provided with a back gate electrode.
SOI(Silicon On Insulator)基板上に形成された電界効果型トランジスタは、素子分離の容易性、ラッチアップフリー、ソース/ドレイン接合容量が小さいなどの点から、その有用性が注目されている。
また、例えば、特許文献1には、大面積の絶縁膜上に結晶性および均一性の良いシリコン薄膜を形成するために、絶縁膜上に成膜された非晶質もしくは多結晶シリコン層に紫外線ビームをパルス状に照射することにより、正方形に近い単結晶粒が碁盤の目状に配列された多結晶シリコン膜を絶縁膜上に形成し、この多結晶シリコン膜の表面をCMP(化学的機械的研磨)にて平坦化する方法が開示されている。
Further, for example, in
しかしながら、絶縁膜上に形成されたシリコン薄膜には、グレインバウンダリ、マイクロツイン、その他様々の微小欠陥が存在する。このため、このようなシリコン薄膜に形成された電界効果型トランジスタは、完全単結晶シリコンに形成された電界効果型トランジスタに比べて、トランジスタ特性が劣るという問題があった。
また、シリコン薄膜に形成された電界効果型トランジスタを積層する場合、電界効果型トランジスタが下層に存在する。このため、上層のシリコン薄膜が形成される下地絶縁膜の平坦性が劣化するとともに、上層のシリコン薄膜を形成する際の熱処理条件などに制約がかかり、上層のシリコン薄膜の結晶性は下層のシリコン薄膜の結晶性に比べて劣るという問題があった。
However, the silicon thin film formed on the insulating film has grain boundaries, micro twins, and various other minute defects. For this reason, the field effect transistor formed on such a silicon thin film has a problem that the transistor characteristics are inferior to that of a field effect transistor formed on completely single crystal silicon.
When a field effect transistor formed on a silicon thin film is stacked, the field effect transistor is present in the lower layer. As a result, the flatness of the underlying insulating film on which the upper silicon thin film is formed deteriorates, and heat treatment conditions for forming the upper silicon thin film are limited, and the crystallinity of the upper silicon thin film is lower than that of the lower silicon thin film. There was a problem of being inferior to the crystallinity of the thin film.
さらに、従来の半導体集積回路では、トランジスタの微細化に伴ってチャネル長が短くなると、サブスレショルド領域のドレイン電流の立ち上がり特性が劣化する。このため、トランジスタの低電圧動作の妨げになるとともに、オフ時のリーク電流が増加し、動作時や待機時の消費電力が増大するだけでなく、トランジスタの破壊要因にもなるという問題があった。 Further, in the conventional semiconductor integrated circuit, when the channel length is shortened as the transistor is miniaturized, the rising characteristic of the drain current in the subthreshold region is deteriorated. This hinders the low-voltage operation of the transistor and increases the leakage current at the time of off, which increases the power consumption during operation and standby, and also causes a transistor breakdown factor. .
そこで、本発明の目的は、電界効果型トランジスタが形成される半導体層の結晶性の劣化を抑制しつつ、バックゲート電極によるしきい値制御性を向上させることが可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a semiconductor device capable of improving threshold controllability by a back gate electrode while suppressing deterioration in crystallinity of a semiconductor layer in which a field effect transistor is formed. It is to provide a manufacturing method.
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、第1絶縁層上に形成された第1半導体層からなるバックゲート電極と、前記第1半導体層上に形成された第2絶縁層と、前記第2絶縁層上に形成された第2半導体層と、前記第2半導体層上に形成されたゲート電極と、前記第2半導体層に形成され、前記ゲート電極の一方の側に配置されたソース層と、前記第2半導体層に形成され、前記ゲート電極の他方の側に配置されたドレイン層とを備え、前記ソース層および前記ドレイン層下の第1半導体層の不純物濃度が、前記ゲート電極下のバックゲート電極の不純物濃度よりも低いことを特徴とする
更に、SOI−MOSFETのチャネル領域下には、自己整合的にバックゲート電極が配置され、該MOSFETのソース・ドレイン領域下には、絶縁層に囲まれたイントリンジックあるいは低濃度不純物を有する半導体層が配置ている。このため、SOIトランジスタのアクティブ領域の電位をバックゲート電極にて制御することが可能となり、サブスレショルド領域のドレイン電流の立ち上がり特性を向上させることが可能となるとともに、ドレイン側のチャネル端の電界を緩和することができる。従って、トランジスタの低電圧動作を可能としつつ、オフ時のリーク電流を減少させることができ、動作時や待機時の消費電力を低減させることが可能となるとともに、SOIトランジスタの耐圧を向上させることができる。
In order to solve the above-described problem, according to a semiconductor device of one embodiment of the present invention, a back gate electrode formed of a first semiconductor layer formed over a first insulating layer and formed over the first semiconductor layer. A second insulating layer formed thereon, a second semiconductor layer formed on the second insulating layer, a gate electrode formed on the second semiconductor layer, and formed on the second semiconductor layer, the gate electrode A source layer disposed on one side of the gate electrode and a drain layer formed on the second semiconductor layer and disposed on the other side of the gate electrode, the first semiconductor under the source layer and the drain layer The impurity concentration of the layer is lower than the impurity concentration of the back gate electrode under the gate electrode
Further, a back gate electrode is arranged in a self-aligned manner under the channel region of the SOI-MOSFET, and a semiconductor having an intrinsic or low concentration impurity surrounded by an insulating layer under the source / drain region of the MOSFET. Layers are arranged. As a result, the potential of the active region of the SOI transistor can be controlled by the back gate electrode, the rise characteristic of the drain current of the subthreshold region can be improved, and the electric field at the channel end on the drain side can be improved. Can be relaxed. Accordingly, the transistor can be operated at a low voltage, the leakage current at the time of off can be reduced, the power consumption during operation and standby can be reduced, and the breakdown voltage of the SOI transistor can be improved. Can do.
また、ソース層およびドレイン層下のバックゲート電極の不純物濃度を、ゲート電極下のバックゲート電極の不純物濃度よりも低く、あるいは、イントリンジック化することにより、SOIトランジスタのアクティブ領域の電位をバックゲート電極にて効率よく制御することを可能としつつ、ソース層およびドレイン層下のバックゲート電極に形成される空乏層を広げることが可能となり、ソース層およびドレイン層の寄生容量を減らすことができる。このため、サブスレショルド領域のドレイン電流の立ち上がり特性を向上させることが可能となるとともに、ソース層およびドレイン層下にバックゲート電極を有する半導体層が配置された場合においても、ソース層およびドレイン層の寄生容量の充放電にかかる時間を削減することができ、動作時や待機時の消費電力を低減させることを可能としつつ、SOIトランジスタの高速化を達成することができる。 In addition, the impurity concentration of the back gate electrode under the source layer and the drain layer is lower than the impurity concentration of the back gate electrode under the gate electrode or is made intrinsic, so that the potential of the active region of the SOI transistor is backed up. While enabling efficient control with the gate electrode, it is possible to widen the depletion layer formed in the back gate electrode under the source layer and the drain layer, and to reduce the parasitic capacitance of the source layer and the drain layer. . For this reason, it is possible to improve the rising characteristics of the drain current in the subthreshold region, and even when a semiconductor layer having a back gate electrode is disposed under the source layer and the drain layer, the source layer and the drain layer The time required for charging and discharging the parasitic capacitance can be reduced, and the power consumption during operation and standby can be reduced, and the speed of the SOI transistor can be increased.
また、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、前記ゲート電極下のバックゲート電極は、前記第1半導体層において、前記ゲート電極に自己整合的に導入された不純物導入層をさらに備えることを特徴とする。
これにより、高濃度不純物を有するバックゲート電極は、前記ゲート電極と共に、自己整合的にSOI層チャネル領域を挟んで、表裏に形成できる。
According to the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the back gate electrode under the gate electrode further includes an impurity introduction layer introduced in a self-aligned manner into the gate electrode in the first semiconductor layer. It is characterized by.
As a result, the back gate electrode having a high concentration impurity can be formed on the front and back sides of the SOI layer channel region in a self-aligned manner together with the gate electrode.
また、ソース層およびドレイン層下のバックゲート半導体層の不純物濃度が高くなることを防止しつつ、ゲート電極下のバックゲート電極の不純物濃度を高くすることが可能となり、ソース層およびドレイン層下にバックゲート半導体層が配置された場合においても、ソース層およびドレイン層の寄生容量を削減することができる。
また、高濃度不純物を有する、低抵抗バックゲート電極を、自己整合的にSOI層チャネル下に配置できることから、バックゲート電極のSOIトランジスタ制御能力が向上する。バックゲート電極と前記ゲート電極を独立して制御する場合には、低電圧のバックゲート印加で該SOIトランジスタの閾値をダイナミックに制御できる。
In addition, it is possible to increase the impurity concentration of the back gate electrode under the gate electrode while preventing the impurity concentration of the back gate semiconductor layer under the source layer and the drain layer from increasing. Even when the back gate semiconductor layer is disposed, the parasitic capacitance of the source layer and the drain layer can be reduced.
Further, since the low-resistance back gate electrode having a high concentration impurity can be disposed under the SOI layer channel in a self-aligned manner, the SOI transistor control capability of the back gate electrode is improved. When the back gate electrode and the gate electrode are controlled independently, the threshold value of the SOI transistor can be dynamically controlled by applying a low voltage back gate.
また、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、前記バックゲート電極と前記ゲート電極とを電気的に接続する配線層をさらに備えることを特徴とする。
これにより、バックゲート電極とゲート電極とが同電位となるように制御することができ、チャネル領域の深い部分のポテンシャルの支配力を向上させ、サブスレッショルド領域ドレイン電流の立ち上がりを急峻にすることができる。このため、チップサイズの増大を抑制しつつ、オフ時のリーク電流を減少させることができ、動作時や待機時の消費電力を低減させることが可能となるとともに、電界効果型トランジスタの高耐圧化を図ることができる。
The semiconductor device according to one embodiment of the present invention further includes a wiring layer that electrically connects the back gate electrode and the gate electrode.
As a result, the back gate electrode and the gate electrode can be controlled to be at the same potential, the control of the potential in the deep part of the channel region can be improved, and the rise of the subthreshold region drain current can be made steep. it can. For this reason, it is possible to reduce the off-state leakage current while suppressing the increase in chip size, to reduce the power consumption during operation and standby, and to increase the breakdown voltage of the field-effect transistor Can be achieved.
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1半導体層を成膜する工程と、前記第1半導体層よりもエッチングレートが小さな第2半導体層を前記第1半導体層上に成膜する工程と、前記第1半導体層と同等のエッチングレートを持つ第3半導体層を前記第2半導体層上に成膜する工程と、前記第2半導体層と同等のエッチングレートを持つ第4半導体層を前記第3半導体層上に成膜する工程と、前記第1半導体層から前記第4半導体層を貫通して前記半導体基板を露出させる第1溝を形成する工程と、前記半導体基板上で前記第2半導体層および前記第4半導体層を支持する支持体を前記第1溝内に形成する工程と、前記支持体が形成された前記第1半導体層および前記第3半導体層の少なくとも一部を露出させる第2溝を形成する工程と、前記第2溝から前記第1半導体層および前記第3半導体層を選択的にエッチングすることにより、前記第1半導体層および前記第3半導体層がそれぞれ除去された第1空洞部および第2空洞部を形成する工程と、前記第1空洞部および前記第2空洞部にそれぞれ埋め込まれた第1埋め込み絶縁層および第2埋め込み絶縁層を形成する工程と、前記第4半導体層上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を通して前記第2半導体層にイオン注入を行うことにより、前記ゲート電極下の前記第2半導体層に自己整合的に配置された不純物導入層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上に第1半導体層を成膜する工程と、前記第1半導体層よりもエッチングレートが小さな第2半導体層を前記第1半導体層上に成膜する工程と、前記第1半導体層と同等のエッチングレートを持つ第3半導体層を前記第2半導体層上に成膜する工程と、前記第2半導体層と同等のエッチングレートを持つ第4半導体層を前記第3半導体層上に成膜する工程と、前記第1から第4半導体層を貫通して前記半導体基板を露出させる第1溝を形成する工程と、前記半導体基板上で前記第2および第4半導体層を支持する支持体を前記第1溝内に形成する工程と、前記支持体が形成された前記第1および第3半導体層の少なくとも一部を前記第2および第4半導体層から露出させる第2溝を形成する工程と、前記第2溝を介して第1および第3半導体層を選択的にエッチングすることにより、前記第1および第3半導体層がそれぞれ除去された第1および第2空洞部を形成する工程と、前記第1および第2空洞部にそれぞれ埋め込まれた埋め込み絶縁層を形成する工程と、前記第4半導体層上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を通して前記第2半導体層にイオン注入を行うことにより、前記ゲート電極下の第2半導体層に自己整合的に配置された不純物導入層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
According to one embodiment of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a first semiconductor layer over a semiconductor substrate; and providing a second semiconductor layer having a lower etching rate than the first semiconductor layer on the first semiconductor layer. Forming a film on the second semiconductor layer, and forming a third semiconductor layer having an etching rate equivalent to that of the first semiconductor layer on the second semiconductor layer. Forming a fourth semiconductor layer on the third semiconductor layer, forming a first groove from the first semiconductor layer through the fourth semiconductor layer to expose the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate Forming a support in the first groove to support the second semiconductor layer and the fourth semiconductor layer, and at least one of the first semiconductor layer and the third semiconductor layer in which the support is formed. Second groove exposing part And a first cavity portion in which the first semiconductor layer and the third semiconductor layer are removed by selectively etching the first semiconductor layer and the third semiconductor layer from the second groove. Forming a second cavity, and forming a first buried insulating layer and a second buried insulating layer embedded in the first cavity and the second cavity, respectively, and on the fourth semiconductor layer And forming an impurity introduction layer arranged in a self-aligned manner in the second semiconductor layer under the gate electrode by performing ion implantation into the second semiconductor layer through the gate electrode. A method of manufacturing a semiconductor device.
In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention, the step of forming the first semiconductor layer over the semiconductor substrate and the second semiconductor layer having an etching rate smaller than that of the first semiconductor layer are provided. A step of forming a film on the first semiconductor layer, a step of forming a third semiconductor layer having an etching rate equivalent to that of the first semiconductor layer on the second semiconductor layer, and a step equivalent to that of the second semiconductor layer. Forming a fourth semiconductor layer having an etching rate on the third semiconductor layer; forming a first groove through the first to fourth semiconductor layers to expose the semiconductor substrate; Forming a support for supporting the second and fourth semiconductor layers on the semiconductor substrate in the first groove; and at least part of the first and third semiconductor layers on which the support is formed Exposed from second and fourth semiconductor layers Forming the second groove, and selectively etching the first and third semiconductor layers through the second groove to remove the first and third semiconductor layers, respectively. A step of forming two cavities, a step of forming a buried insulating layer embedded in each of the first and second cavities, a step of forming a gate electrode on the fourth semiconductor layer, and through the gate electrode Forming an impurity introduction layer disposed in a self-aligned manner in the second semiconductor layer under the gate electrode by performing ion implantation on the second semiconductor layer.
これにより、第1および第3半導体層上に第2および第4半導体層がそれぞれ積層された場合においても、第2溝を介してエッチング液またはエッチングガスを第1および第3半導体層に接触させることが可能となり、第2および第4半導体層を残したまま、第1および第3半導体層を除去することが可能となるとともに、第2および第4半導体層下の第1および第2空洞部内にそれぞれ埋め込まれた埋め込み絶縁層を形成することができる。また、第1溝に埋め込まれた支持体を形成することにより、第2および第4半導体層下に第1および第2空洞部がそれぞれ形成された場合においても、第2および第4半導体層を半導体基板上に支持することが可能となる。 Thereby, even when the second and fourth semiconductor layers are respectively stacked on the first and third semiconductor layers, the etching solution or the etching gas is brought into contact with the first and third semiconductor layers through the second groove. The first and third semiconductor layers can be removed while leaving the second and fourth semiconductor layers, and the first and second cavities below the second and fourth semiconductor layers can be removed. A buried insulating layer embedded in each can be formed. Also, by forming the support embedded in the first groove, the second and fourth semiconductor layers can be formed even when the first and second cavities are formed below the second and fourth semiconductor layers, respectively. It can be supported on a semiconductor substrate.
このため、第2および第4半導体層の欠陥の発生を低減させつつ、第2および第4半導体層を埋め込み絶縁層上に配置することが可能となり、SOI基板を用いることなく、SOIトランジスタを第4半導体層に形成することが可能となるとともに、SOIトランジスタ下にバックゲート電極を配置することが可能となる。
また、ゲート電極を通して第2半導体層にイオン注入を行うことにより、ゲート電極下の第2半導体層に自己整合的に配置された不純物導入層を形成することができ、ソース層およびドレイン層下のバックゲート電極の不純物濃度をゲート電極下のバックゲート電極の不純物濃度よりも低くすることができる。この結果、バックゲート電極によるしきい値制御性を向上させることを可能としつつ、ソース層およびドレイン層の寄生容量を減らすことができ、コストアップを抑制しつつ、動作時や待機時の消費電力を低減させることが可能となるとともに、SOIトランジスタの高速化を実現することができる。
Therefore, it is possible to dispose the second and fourth semiconductor layers on the buried insulating layer while reducing the occurrence of defects in the second and fourth semiconductor layers, and the SOI transistor can be formed without using the SOI substrate. It is possible to form four semiconductor layers, and it is possible to dispose a back gate electrode under the SOI transistor.
In addition, by performing ion implantation into the second semiconductor layer through the gate electrode, an impurity introduction layer arranged in a self-aligned manner in the second semiconductor layer under the gate electrode can be formed, and under the source layer and the drain layer. The impurity concentration of the back gate electrode can be made lower than the impurity concentration of the back gate electrode under the gate electrode. As a result, it is possible to improve the threshold controllability by the back gate electrode, reduce the parasitic capacitance of the source layer and the drain layer, suppress the increase in cost, and reduce the power consumption during operation and standby. Can be reduced, and the speed of the SOI transistor can be increased.
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、前記半導体基板および前記第2および第4半導体層は単結晶Si、前記第1および第3半導体層は単結晶SiGeであることを特徴とする。
これにより、半導体基板、第1から第4半導体層間の格子整合をとることを可能としつつ、半導体基板、第2および第4半導体層よりも第1および第3半導体層のエッチングレートを大きくすることが可能となる。このため、結晶品質の良い第2および第4半導体層を第1および第3半導体層上に形それぞれ形成することが可能となり、第2および第4半導体層の品質を損なうことなく、第2および第4半導体層と半導体基板との間の絶縁を図ることが可能となる。
According to the method for manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention, the semiconductor substrate and the second and fourth semiconductor layers are single crystal Si, and the first and third semiconductor layers are single crystal SiGe. It is characterized by.
Thereby, the etching rate of the first and third semiconductor layers can be made larger than that of the semiconductor substrate and the second and fourth semiconductor layers while enabling lattice matching between the semiconductor substrate and the first to fourth semiconductor layers. Is possible. Therefore, the second and fourth semiconductor layers having good crystal quality can be formed on the first and third semiconductor layers, respectively, and the second and fourth semiconductor layers can be formed without deteriorating the quality of the second and fourth semiconductor layers. It is possible to achieve insulation between the fourth semiconductor layer and the semiconductor substrate.
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置およびその製造方法について図面を参照しながら説明する。
図1(a)〜図11(a)は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図1(b)〜図11(b)は、図1(a)〜図11(a)のA1−A1´〜A11−A11´線でそれぞれ切断した断面図、図1(c)〜図11(c)は、図1(a)〜図11(a)のB1−B1´〜B11−B11´線でそれぞれ切断した断面図である。
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A to 11A are plan views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 1B to 11B are FIGS. Sectional views cut along lines A1-A1 ′ to A11-A11 ′ in FIG. 11A, and FIGS. 1C to 11C show B1- in FIG. 1A to FIG. It is sectional drawing cut | disconnected by the B1'-B11-B11 'line | wire, respectively.
図1において、半導体基板31上には、半導体層51、33、52、35がエピタキシャル成長にて順次積層されている。ここで、半導体層51の膜厚は半導体層52の膜厚よりも厚くすることができる。また、半導体層51、52は、半導体基板31および半導体層33、35よりもエッチングレートが大きな材質を用いることができ、半導体基板31、半導体層51、33、52、35の材質としては、例えば、Si、Ge、SiGe、SiC、SiSn、PbS、GaAs、InP、GaP、GaNまたはZnSeなどの中から選択された組み合わせを用いることができる。特に、半導体基板31がSiの場合、半導体層51、52としてSiGe、半導体層33、35としてSiを用いることが好ましい。これにより、半導体層51、52と半導体層33、35との間の格子整合をとることを可能としつつ、半導体層51、52と半導体層33、35との間の選択比を確保することができる。また、半導体層51、33、52、35しては、単結晶半導体層の他、多結晶半導体層、アモルファス半導体層または多孔質半導体層を用いるようにしてもよい。また、半導体層51、52の代わり、単結晶半導体層をエピタキシャル成長にて成膜可能なγ−酸化アルミニウムなどの金属酸化膜を用いるようにしてもよい。また、半導体層51、33、52、35の膜厚は、例えば、1〜100nm程度とすることができる。また、半導体層33,35は不純物がドーピングされていないイントリンジック半導体を用いることが好ましい。
In FIG. 1, semiconductor layers 51, 33, 52, and 35 are sequentially stacked on a
そして、半導体層35の熱酸化やCVD法により半導体層35の表面を保護する下地酸化膜53を形成する。そして、CVDなどの方法により、下地酸化膜53上の全面に酸化防止膜54を形成する。なお、酸化防止膜54としては、例えば、シリコン窒化膜を用いることができる。
次に、図2に示すように、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、酸化防止膜54、下地酸化膜53、半導体層35、52、33、51をパターニングすることにより、半導体基板31の一部を露出させる溝36を所定の方向に沿って形成する。なお、溝36の配置位置は、半導体層33の素子分離領域の一部に対応させることができる。また、半導体基板31の一部を露出させる場合、半導体基板31の表面でエッチングを止めるようにしてもよいし、半導体基板31をオーバーエッチングして半導体基板31に凹部を形成するようにしてもよい。
Then, a
Next, as shown in FIG. 2, the
さらに、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、酸化防止膜54、下地酸化膜53、半導体層35、52をパターニングすることにより、溝36と重なるように配置された溝36よりも幅の広い溝37を形成する。ここで、溝37の配置位置は、半導体層35の素子分離領域に対応させることができる。
次に、図3に示すように、CVDなどの方法により、溝36、37内に埋め込まれ、半導体層33、35を半導体基板31上で支持する支持体56を半導体基板31上の全面に形成する。なお、支持体56の材質としてはシリコン酸化膜、シリコン窒化膜あるいはシリコン酸窒化膜などの絶縁体を用いることができる。あるいは、支持体56の材質として、結晶半導体層の他、多結晶半導体層、アモルファス半導体層などを用いるようにしてもよい。ここで、半導体基板31上の全面を覆うように形成された支持体56は、半導体層33、35の撓み等を抑制して、平坦性を保ったまま半導体層33、35を支持する必要がある。そのため、その機械的な強度を確保する意味で、最小素子分離幅より厚い膜厚にすることが好ましい。
Further, by patterning the
Next, as shown in FIG. 3, a
次に、図4に示すように、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて酸化防止膜54、下地酸化膜53、半導体層35、52、33、51をパターニングすることにより、半導体層51の一部を露出させる溝38を溝36と直交する方向に沿って形成する。なお、溝38の配置位置は、半導体層33、35の素子分離領域に対応させることができる。また、半導体層51の一部を露出させる場合、半導体層51の表面でエッチングを止めるようにしてもよいし、半導体層51をオーバーエッチングして半導体層51に凹部を形成するようにしてもよい。あるいは、溝38内の半導体層51を貫通させて半導体基板31の表面を露出させるようにしてもよい。
Next, as shown in FIG. 4, a part of the
次に、図5に示すように、溝38を介してエッチングガスまたはエッチング液を半導体層51、52に接触させることにより、半導体層51、52をエッチング除去し、半導体基板31と半導体層33との間に空洞部57aを形成するとともに、半導体層33、35間に空洞部57bを形成する。
ここで、溝36、37内に支持体56を設けることにより、半導体層51、52が除去された場合においても、半導体層33、35を半導体基板31上で支持することが可能となるとともに、溝36、37とは別に溝38を設けることにより、半導体層33、35下にそれぞれ配置された半導体層51、52にエッチングガスまたはエッチング液を接触させることが可能となる。このため、半導体層33、35の結晶品質を損なうことなく、半導体層33、35と半導体基板31との間の絶縁を図ることが可能となる。
Next, as shown in FIG. 5, an etching gas or an etchant is brought into contact with the semiconductor layers 51 and 52 through the
Here, by providing the
なお、半導体基板31、半導体層33、35がSi、半導体層51、52がSiGeの場合、半導体層51、52のエッチング液としてフッ硝酸を用いることが好ましい。これにより、SiとSiGeの選択比として1:100〜1000程度を得ることができ、半導体基板31および半導体層33、35のオーバーエッチングを抑制しつつ、半導体層51、52を除去することが可能となる。また、半導体層51、52のエッチング液としてフッ硝酸過水、アンモニア過水、あるいはフッ酢酸過水などを用いても良い。
Note that when the
また、半導体層51、52をエッチング除去する前に、陽極酸化などの方法により半導体層51、52を多孔質化するようにしてもよいし、半導体層51、52にイオン注入を行うことにより、半導体層51、52をアモルファス化するようにしてもよいし、半導体基板51としてP型半導体基板を用いるようにしてもよい。これにより、半導体層51、52のエッチングレートを増大させることが可能となり、半導体層51、52のエッチング面積を拡大することができる。
Further, before the semiconductor layers 51 and 52 are removed by etching, the semiconductor layers 51 and 52 may be made porous by a method such as anodic oxidation, or by ion implantation into the semiconductor layers 51 and 52, The semiconductor layers 51 and 52 may be made amorphous, or a P-type semiconductor substrate may be used as the
次に、図6に示すように、半導体基板31および半導体層33、35の熱酸化を行うことにより、半導体基板31と半導体層33との間の空洞部57aに埋め込み絶縁層32を形成するとともに、半導体層33、35間の空洞部57bに埋め込み絶縁層34を形成する。なお、半導体基板31および半導体層33、35の熱酸化にて埋め込み絶縁層32、34を形成する場合、埋め込み性を向上させるために、反応律速となる低温のウェット酸化を用いることが好ましい。ここで、半導体基板31および半導体層33、35の熱酸化にて埋め込み絶縁層32、34を形成する場合、溝38内の半導体基板31および半導体層33、35が酸化され、溝38内の側壁に酸化膜39が形成される。
Next, as shown in FIG. 6, by performing thermal oxidation of the
これにより、エピタキシャル成長時の半導体層33、35の膜厚および半導体層33、35の熱酸化時に形成された埋め込み絶縁層32、34の膜厚により、素子分離後の半導体層33、35の膜厚をそれぞれ規定することができる。このため、半導体層33、35の膜厚を精度よく制御することができ、半導体層33、35の膜厚のバラツキを低減させることを可能としつつ、半導体層33、35を薄膜化することができる。また、半導体層35上に酸化防止膜54を設けることで、半導体層35の表面が熱酸化されることを防止しつつ、半導体層35の裏面側に埋め込み絶縁層34を形成することが可能となる。
Thereby, the film thickness of the semiconductor layers 33 and 35 after element isolation is determined by the film thickness of the semiconductor layers 33 and 35 during epitaxial growth and the film thickness of the buried insulating
なお、空洞部57a、57bに埋め込み絶縁層32、34をそれぞれ形成した後、1100℃以上の高温アニールを行うようにしてもよい。これにより、埋め込み絶縁層32、34をリフローさせることが可能となり、埋め込み絶縁層32、34のストレスを緩和させることが可能となるとともに、第2半導体層4との境界における界面準位を減らすことができる。また、埋め込み絶縁層32、34は空洞部57a、57bを全て埋めるように形成しても良いし、空洞部57a、57bが一部残るように形成しても良い。
Note that high-temperature annealing at 1100 ° C. or higher may be performed after the buried insulating
また、図6の方法では、半導体基板31および半導体層33、35の熱酸化を行うことにより、半導体基板31と半導体層33との間の空洞部57aに埋め込み絶縁層32を形成するとともに、半導体層33、35間の空洞部57bに埋め込み絶縁層34を形成する方法について説明したが、CVD法にて半導体基板31と半導体層33、35との間の空洞部57a、57bに絶縁膜を成膜させることにより、半導体基板31と半導体層33、35との間の空洞部57a、57b全体を埋め込み絶縁層で埋め込むようにしてもよい。
6, the
これにより、半導体層33、35の膜減りを防止しつつ、半導体基板31と半導体層33、35との間の空洞部57a、57bを酸化膜以外の材料で埋め込むことが可能となる。このため、半導体層33、35の裏面側にそれぞれ配置される埋め込み絶縁層32、34の厚膜化を図ることが可能となるとともに、半導体層33、35の裏面側の寄生容量を低減させることができる。
This makes it possible to fill the
なお、空洞部57a、57bに埋め込まれる埋め込み絶縁層の材質としては、例えば、シリコン酸化膜の他、FSG(フッ化シリケードグラス)膜やシリコン窒化膜など、High−K膜やLow−K膜などを用いるようにしてもよい。
次に、図7に示すように、CVDなどの方法により、溝38内が埋め込まれるようにして、支持体56上に埋め込み絶縁体45を堆積する。なお、埋め込み絶縁体45の材質としてはシリコン酸化膜、シリコン窒化膜あるいはシリコン酸窒化膜などの絶縁体を用いることができる。
The material of the buried insulating layer buried in the
Next, as shown in FIG. 7, a buried
次に、図8に示すように、CMP(化学的機械的研磨)などの方法を用いて埋め込み絶縁体45および支持体56を薄膜化するとともに、酸化防止膜54および下地酸化膜53を除去することにより、半導体層35の表面を露出させる。なお、酸化防止膜54は、CMPなどの方法にて埋め込み絶縁体45および支持体56を薄膜化する時のストッパー層として用いることができる。
Next, as shown in FIG. 8, the buried
次に、図9に示すように、半導体層35の表面の熱酸化を行うことにより、半導体層35の表面にゲート絶縁膜41を形成する。そして、CVDなどの方法により、ゲート絶縁膜41が形成された半導体層35上に多結晶シリコン層を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術を用いてレジストパターンRを多結晶シリコン層上に形成し、レジストパターンRをマスクとして多結晶シリコン層をエッチングすることにより、半導体層35上にゲート電極42を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 9, the
そして、レジストパターンRおよびゲート電極42を通してAs、P、B、BF2などの不純物のイオン注入IPを半導体層33に行うことにより、ゲート電極42下の半導体層33に自己整合的に配置された不純物導入層50(バックゲート電極)を形成する。ここで、レジストパターンRの膜厚およびイオン注入IP時のエネルギーは、ゲート電極42下では、不純物濃度のピークRP1が半導体層33の深さ方向の中央付近あるいは下方に来るとともに、図11のソース層43aおよびドレイン層43b下では、不純物濃度のピークRP2が半導体基板31内に来るように設定することが好ましい。
Then, ion implantation IP of impurities such as As, P, B, and BF 2 is performed on the
これにより、ゲート電極42下の半導体層33に自己整合的に配置された不純物導入層50(バックゲート電極)を形成することができ、ソース層43aおよびドレイン層43b下の半導体層33の不純物濃度をゲート電極42下のバックゲート電極領域の半導体層33の不純物濃度よりも低くすることができる。
次に、図10に示すように、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてゲート電極42をパターニングすることにより、半導体層33の段差にかかっている部分のゲート電極42を除去する。
Thereby, the impurity introduction layer 50 (back gate electrode) arranged in a self-aligned manner on the
Next, as shown in FIG. 10, the
次に、図11に示すように、ゲート電極42をマスクとして、As、P、B、BF2などの不純物を半導体層35内にイオン注入することにより、ゲート電極42の側方に配置された低濃度不純物導入層からなるLDD層を半導体層35に形成する。そして、CVDなどの方法により、LDD層が形成された半導体層35上に絶縁層を形成し、RIEなどの異方性エッチングを用いて絶縁層をエッチバックすることにより、ゲート電極42の側壁にサイドウォール44を形成する。そして、ゲート電極42およびサイドウォール44をマスクとして、As、P、B、BF2などの不純物を半導体層35内にイオン注入することにより、サイドウォール44の側方にそれぞれ配置された高濃度不純物導入層からなるソース層43aおよびドレイン層43bを半導体層35に形成する。
Next, as shown in FIG. 11, impurities such as As, P, B, and BF 2 are ion-implanted into the
そして、CVDなどの方法により、ゲート電極42上に層間絶縁層46を堆積する。そして、層間絶縁層46および支持体56に埋め込まれ、半導体層33に接続されたバックゲートコンタクト電極C4を層間絶縁層46上に形成するとともに、層間絶縁層46に埋め込まれ、ゲート電極42、ソース層43aおよびドレイン層43bにそれぞれ接続されたゲートコンタクト電極C1、ソースコンタクト電極C2およびドレインコンタクト電極C3を層間絶縁層46上に形成する。
Then, an
これにより、半導体層33、35の欠陥の発生を低減させつつ、半導体層33、35を埋め込み絶縁層32、34上にそれぞれ配置することが可能となり、SOI基板を用いることなく、SOIトランジスタを半導体層35に形成することが可能となるとともに、SOIトランジスタ下にバックゲート電極を配置することが可能となる。また、ゲート電極42を通して半導体層33にイオン注入を行うことにより、ゲート電極42下の半導体層33に自己整合的に配置された不純物導入層50を形成することができ、ソース層43aおよびドレイン層43b下の半導体層33の不純物濃度をゲート電極42下のバックゲート電極50の不純物濃度よりも低くすることができる。このため、SOIトランジスタのアクティブ領域の電位をバックゲート電極50にて効率よく制御することを可能としつつ、ソース層43aおよびドレイン層43b下の半導体層33に形成される空乏層を広げることが可能となり、ソース層43aおよびドレイン層43bの寄生容量を減らすことができる。このため、低電圧でのバックゲート電極50による閾値制御能力を向上させることが可能となるとともに、ソース層43aおよびドレイン層43b下にバックゲート電極が形成された半導体層が配置された場合においても、ソース層43aおよびドレイン層43bの寄生容量の充放電にかかる時間を削減することができ、動作時や待機時の消費電力を低減させることを可能としつつ、SOIトランジスタの高速化を達成することができる。
As a result, it is possible to dispose the semiconductor layers 33 and 35 on the buried insulating
なお、バックゲートコンタクト電極C4を介してゲート電極42と半導体層35とを電気的に接続するようにしてもよい。これにより、バックゲート電極とゲート電極42とが同電位となるように制御することができ、チャネル領域のポテンシャルの支配力を向上させ、サブスレショルド領域のドレイン電流立ち上がりを急峻にすることができる。このため、チップサイズの増大を抑制しつつ、オフ時のリーク電流を減少させることができ、動作時や待機時の消費電力を低減させることが可能となるとともに、電界効果型トランジスタの高耐圧化を図ることができる。
Note that the
31 半導体基板、 33、35 第2半導体層、51、52 第1半導体層、41 ゲート絶縁膜、42 ゲート電極、43a ソース層、43b ドレイン層、36、37、38 溝、46 層間絶縁層、32、34 埋め込み絶縁層、39 酸化膜、45 埋め込み絶縁体、50 不純物導入層、53 下地酸化膜、54 酸化防止膜、56 支持体、57a、57b 空洞部、44 サイドウォール、R レジストパターン、C1 ゲートコンタクト電極、C2 ソースコンタクト電極、C3 ドレインコンタクト電極、C4 バックゲートコンタクト電極 31 Semiconductor substrate, 33, 35 Second semiconductor layer, 51, 52 First semiconductor layer, 41 Gate insulating film, 42 Gate electrode, 43a Source layer, 43b Drain layer, 36, 37, 38 Groove, 46 Interlayer insulating layer, 32 , 34 buried insulating layer, 39 oxide film, 45 buried insulator, 50 impurity introduction layer, 53 base oxide film, 54 antioxidant film, 56 support, 57a, 57b cavity, 44 sidewall, R resist pattern, C1 gate Contact electrode, C2 source contact electrode, C3 drain contact electrode, C4 back gate contact electrode
Claims (3)
第2半導体層を前記第1半導体層上に成膜する工程と、
第3半導体層を前記第2半導体層上に成膜する工程と、
第4半導体層を前記第3半導体層上に成膜する工程と、
前記第1半導体層から前記第4半導体層を貫通して前記半導体基板を露出させる第1溝を形成する工程と、
前記半導体基板上で前記第2半導体層および前記第4半導体層を支持する支持体を前記第1溝内に形成する工程と、
前記支持体が形成された前記第1半導体層および前記第3半導体層の少なくとも一部を露出させる第2溝を形成する工程と、
前記第2溝から前記第1半導体層および前記第3半導体層を選択的にエッチングすることにより、前記第1半導体層および前記第3半導体層がそれぞれ除去された第1空洞部および第2空洞部を形成する工程と、
前記第1空洞部および前記第2空洞部にそれぞれ埋め込まれた第1埋め込み絶縁層および第2埋め込み絶縁層を形成する工程と、
前記第4半導体層上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を通して前記第2半導体層にイオン注入を行うことにより、前記ゲート電極下の前記第2半導体層に自己整合的に配置された不純物導入層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first semiconductor layer on a semiconductor substrate;
A step of forming a second semiconductor layer on the first semiconductor layer,
A step of forming a third semiconductor layer on the second semiconductor layer,
A step of forming a fourth semiconductor layer on said third semiconductor layer,
Forming a first groove that exposes the semiconductor substrate through the fourth semiconductor layer from said first semiconductor layer,
Forming a support for supporting the second semiconductor layer and the fourth semiconductor layer on said semiconductor substrate in said first groove,
Forming a second groove for out dew at least a portion of said support the formed first semiconductor layer and said third semiconductor layer,
By selectively etching the first semiconductor layer and the third semiconductor layer from said second groove, the first cavity and the second cavity of the first semiconductor layer and said third semiconductor layer has been removed, respectively Forming a step;
Forming a first buried insulating layer and the second buried insulating layer embedded respectively in said first cavity and the second cavity,
Forming a gate electrode on the fourth semiconductor layer;
By ion implantation into the second semiconductor layer through the gate electrode, characterized in that it comprises a step of forming an impurity introduced layer, which is self-aligned manner disposed on the second semiconductor layer under said gate electrode A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第2半導体層は前記第1半導体層よりエッチングレートが小さく、 The second semiconductor layer has a lower etching rate than the first semiconductor layer,
前記第3半導体層は前記第1半導体層と同等のエッチングレートであり、 The third semiconductor layer has an etching rate equivalent to that of the first semiconductor layer;
前記第4半導体層は前記第2半導体層と同等のエッチングレートであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the fourth semiconductor layer has an etching rate equivalent to that of the second semiconductor layer.
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