JP4862253B2 - Semiconductor substrate manufacturing method and semiconductor device manufacturing method - Google Patents

Semiconductor substrate manufacturing method and semiconductor device manufacturing method Download PDF

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Description

本発明は半導体基板、半導体装置、半導体基板の製造方法および半導体装置の製造方法に関し、特に、SOI(Silicon On Insulator)基板上に形成された電界効果型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 substrate, a semiconductor device, a method for manufacturing a semiconductor substrate, and a method for manufacturing a semiconductor device, and is particularly suitable for application to a field effect transistor formed on an SOI (Silicon On Insulator) substrate.

SOI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。特に、完全空乏型SOIトランジスタは、低消費電力かつ高速動作が可能で、低電圧駆動が容易なため、SOIトランジスタを完全空乏モードで動作させるための研究が盛んに行われている。ここで、SOI基板としては、例えば、SIMOX(Separation by Implanted Oxgen)基板や貼り合わせ基板などが用いられている。   Field effect transistors formed on an SOI substrate are attracting attention because of their ease of element isolation, latch-up freeness, and low source / drain junction capacitance. In particular, since a fully depleted SOI transistor can operate at low power consumption and at high speed and can be easily driven at a low voltage, research for operating the SOI transistor in a fully depleted mode has been actively conducted. Here, as the SOI substrate, for example, a SIMOX (Separation by Implanted Oxgen) substrate or a bonded substrate is used.

また、例えば、非特許文献1には、SON(Silicon On Nothing)基板上にゲート電極を形成する方法が開示されている。すなわち、この方法では、Si/SiGe/Siの積層構造を有する半導体基板上にゲート電極を形成する。そして、ゲート電極の両側のSi/SiGe/Si層のエッチングを行うことにより、ゲート電極の両側のSiGe層を露出させる。そして、ウェットエッチングにてSiGe層を選択的に除去することにより、ゲート電極が配置されたSi層の下に空洞を形成する。そして、ゲート電極の両側にエピタキシャル成長を選択的に行った後、イオン注入を行うことにより、ゲート電極の両側にソース/ドレイン層を形成する。
M.Jurczak,T.Skotnicki,M.Paoli,B.Tormen,J−L.Regolini,C.Morin,A.Schittz,J.Martins,R.Pantel,J.Galvier.“SON(Silicon On Nothing)−A NEW DEVICE ARCHITECTUR FOR THER ULSI ERA.” 1999 Symposium on VLSI Technotogy Digest of Technical Papers pp.29−30
Further, for example, Non-Patent Document 1 discloses a method of forming a gate electrode on a SON (Silicon On Noting) substrate. That is, in this method, a gate electrode is formed on a semiconductor substrate having a stacked structure of Si / SiGe / Si. Then, the SiGe layers on both sides of the gate electrode are exposed by etching the Si / SiGe / Si layers on both sides of the gate electrode. Then, the cavity is formed under the Si layer where the gate electrode is disposed by selectively removing the SiGe layer by wet etching. Then, after epitaxial growth is selectively performed on both sides of the gate electrode, ion implantation is performed to form source / drain layers on both sides of the gate electrode.
M.M. Jurczak, T .; Scotnicki, M .; Paoli, B.M. Tormen, J-L. Regolini, C.I. Morin, A.M. Schitzz, J. et al. Martins, R.A. Pantel, J. et al. Galvier. “SON (Silicon On Nothing) -A NEW DEVICE ARCHITECTUR FOR THE ULSI ERA.” 1999 Symposium on VLSI Technology of Papers. 29-30

しかしながら、SIMOX基板を製造するには、シリコンウェハに高濃度の酸素のイオン注入が必要となる。また、貼り合わせ基板を製造するには、2枚のシリコンウェハを貼り合わせた後、シリコンウェハの表面を研磨する必要がある。このため、SOIトランジスタでは、バルク半導体に形成された電界効果型トランジスタに比べてコストアップを招くという問題があった。   However, in order to manufacture a SIMOX substrate, high-concentration oxygen ions must be implanted into a silicon wafer. In order to manufacture a bonded substrate, it is necessary to polish the surface of the silicon wafer after bonding two silicon wafers. For this reason, the SOI transistor has a problem that the cost is increased as compared with a field effect transistor formed in a bulk semiconductor.

また、イオン注入や研磨では、SOI層の膜厚のばらつきが大きく、完全空乏型SOIトランジスタを作製するためにSOI層を薄膜化すると、電界効果型トランジスタの特性を安定化させることが困難であるという問題があった。
また、非特許文献1に開示された方法では、SON構造がゲート電極下にのみ形成され、ソース/ドレイン領域にはSON構造を形成することができないため、ソース/ドレイン領域の寄生容量を減らすことができないという問題があった。また、ゲート電極が配置されたSi層の下の空洞は空気層となっているため、機械的強度や熱伝導率などがバルク半導体に比べて劣り、信頼性に欠けるという問題があった。
Also, in ion implantation and polishing, the variation in the thickness of the SOI layer is large, and it is difficult to stabilize the characteristics of the field effect transistor when the SOI layer is thinned in order to produce a fully depleted SOI transistor. There was a problem.
In the method disclosed in Non-Patent Document 1, since the SON structure is formed only under the gate electrode and the SON structure cannot be formed in the source / drain region, the parasitic capacitance of the source / drain region is reduced. There was a problem that could not. Further, since the cavity under the Si layer in which the gate electrode is disposed is an air layer, there is a problem that mechanical strength, thermal conductivity, and the like are inferior to that of a bulk semiconductor and lack reliability.

そこで、本発明の目的は、絶縁体上に形成される半導体層の配置位置に制約を伴うことなく、信頼性の高い半導体層を絶縁体上に安価に形成することが可能な半導体基板、半導体装置、半導体基板の製造方法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 substrate and a semiconductor capable of forming a highly reliable semiconductor layer on an insulator at low cost without any restriction on the position of the semiconductor layer formed on the insulator. An apparatus, a method for manufacturing a semiconductor substrate, and a method for manufacturing a semiconductor device are provided.

発明の一態様に係る半導体基板の製造方法によれば、単結晶Siからなる基材の上に単結晶SiGe層を形成する工程と、前記単結晶SiGe層の上に単結晶Si層を形成する工程と、前記単結晶Si層を形成した後に、前記単結晶SiGe層の第1の領域にGeのイオン注入を行う工程と、前記イオン注入を行った後に、前記単結晶SiGe層の前記第1の領域の一部分を露出させる開口部を形成する工程と、前記開口部を介して、前記単結晶SiGe層をフッ硝酸処理することにより、前記単結晶SiGe層の前記第1の領域を選択的にエッチングして前記単結晶Si層の下に空洞を形成する工程と、前記空洞の内部を熱酸化膜で埋め込む工程と、を含み、前記開口部は素子分離領域に配置されることを特徴とする。
According to the method for manufacturing a semiconductor substrate according to one embodiment of the present invention, a step of forming a single crystal SiGe layer on a base material made of single crystal Si, and forming a single crystal Si layer on the single crystal SiGe layer A step of performing ion implantation of Ge into the first region of the single crystal SiGe layer after forming the single crystal Si layer, and a step of performing ion implantation of the single crystal SiGe layer after performing the ion implantation. Forming an opening exposing a portion of one region, and selectively processing the first region of the single crystal SiGe layer by treating the single crystal SiGe layer with hydrofluoric acid through the opening. Etching to form a cavity under the single crystal Si layer and filling the cavity with a thermal oxide film, wherein the opening is disposed in the element isolation region, To do.

これにより、単結晶Si層の下に空洞部を形成した場合においても、単結晶SiGe層にて単結晶Si層を支持することが可能となるとともに、開口部を介して、単結晶Si層下の単結晶SiGe層にフッ硝酸を接触させることで単結晶Si層下に空洞部を形成することが可能となる。この結果、単結晶Si層の品質を損なうことなく、単結晶Si層と単結晶Siからなる基材との間の絶縁を図ることが可能となるとともに、単結晶Si層の熱酸化により、単結晶Si層の裏面側に熱酸化膜を形成することが可能となり、信頼性の高い単結晶Si層を絶縁体上に安価で形成することが可能となる。また、単結晶Si層下の単結晶SiGe層を除去するための開口部を素子形成領域に設ける必要がなくなり、チップサイズの増大を抑制しつつ、SOIトランジスタのコストダウンを図ることが可能となる。
Thus, even in the case of forming a cavity below the single-crystal Si layer, it becomes possible to support the single-crystal Si layer by a single-crystal SiGe layer, through the opening, the single-crystal Si layer under By bringing hydrofluoric acid into contact with the single crystal SiGe layer, a cavity can be formed under the single crystal Si layer. As a result, without impairing the quality of the single-crystal Si layer, along with it it becomes possible to achieve insulation between the substrate made of single-crystal Si layer and the single crystal Si, by thermal oxidation of the single crystal Si layer, a single A thermal oxide film can be formed on the back side of the crystalline Si layer, and a highly reliable single crystal Si layer can be formed on the insulator at low cost. In addition, it is not necessary to provide an opening for removing the single crystal SiGe layer under the single crystal Si layer in the element formation region, and it is possible to reduce the cost of the SOI transistor while suppressing an increase in chip size. .

また、これにより、単結晶Siからなる基材単結晶Si層および単結晶SiGe層間の格子整合をとることを可能としつつ、単結晶Siからなる基材および単結晶Si層よりも単結晶SiGe層のエッチング時の選択比を大きくすることが可能となる。このため、結晶品質の良い単結晶Si層を単結晶SiGe層上に安定して形成することが可能となり、単結晶Si層の品質を損なうことなく、単結晶Si層と半導体基板との間の絶縁を図ることが可能となる。
This also allows lattice matching between the single crystal Si substrate , the single crystal Si layer and the single crystal SiGe layer, while making the single crystal SiGe more monocrystalline SiGe than the single crystal Si substrate and single crystal Si layer. It is possible to increase the selectivity during etching of the layer. Therefore, it is possible to stably form a good crystal quality single-crystal Si layer on a monocrystalline SiGe layer, without impairing the quality of the single-crystal Si layer, between the monocrystalline Si layer and the semiconductor substrate Insulation can be achieved.

本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、前記の半導体基板の製造方法を含み、前記
単結晶Si層の上にゲート電極を形成する工程と、ソース及びドレインを前記単結晶Si層に形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする
A method for manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention includes the method for manufacturing a semiconductor substrate described above,
The method further includes a step of forming a gate electrode on the single crystal Si layer and a step of forming a source and a drain on the single crystal Si layer .

これにより、工程数の増大を抑制しつつ、単結晶Si層を絶縁膜上に配置することが可
能となるとともに、単結晶Si層の欠陥の増大を抑制することが可能となる。このため、
単結晶Si層の品質を損なうことなく、単結晶Si層と単結晶Siからなる基材との間の絶縁を図ることが可能となり、コスト増を抑制しつつ、SOIトランジスタの品質を向上させることが可能となる。
This makes it possible to dispose the single crystal Si layer on the insulating film while suppressing an increase in the number of steps, and to suppress an increase in defects in the single crystal Si layer. For this reason,
Without compromising the quality of the single-crystal Si layer, it is possible to achieve insulation between the substrate made of single-crystal Si layer and the single crystal Si, while suppressing the increase in cost, to improve the quality of the SOI transistor Is possible.

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5(a)は、本発明の第1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5(b)は、図1(a)〜図5(a)のA1−A1´〜A5−A5´線でそれぞれ切断した断面図、図1(c)〜図5(c)は、図1(a)〜図5(a)のB1−B1´〜B5−B5´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.
FIGS. 1A to 5A are plan views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 1B to 5B are FIGS. Sectional views cut along lines A1-A1 ′ to A5-A5 ′ in FIG. 5A, FIGS. 1C to 5C are B1 in FIGS. 1A to 5A, respectively. It is sectional drawing cut | disconnected by the -B1'-B5-B5 'line | wire, respectively.

図1において、半導体基板1上にはエピタキシャル成長法により第1半導体層2が形成され、第1半導体層2上にはエピタキシャル成長法により第2半導体層3が形成されている。なお、第1半導体層2は、半導体基板1および第2半導体層3よりもエッチング時の選択比が大きな材質を用いることができ、半導体基板1、第1半導体層2および第2半導体層3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1がSiの場合、第1半導体層2としてSiGe、第2半導体層3としてSiを用いることが好ましい。これにより、第1半導体層2と第2半導体層3との間の格子整合をとることを可能としつつ、第1半導体層2と第2半導体層3との間の選択比を確保することができる。また、第1半導体層2としてSiGe、第2半導体層3としてSiを用いた場合、第1半導体層2中のGe濃度分布は、半導体基板1と第1半導体層2との界面及び第1半導体層2と第2半導体層3との界面に発生する積層欠陥を極力排除するために、第1半導体層2の最下面及び最上面のGe濃度を20%以下と設定する一方で、第1半導体層2の中間層のGe濃度は後々の選択エッチングに於ける選択性を高めるために20%以上と設定することが好ましい。なお、第1半導体層2および第2半導体層3は単結晶半導体であることが好ましい。なお、第1半導体層2および第2半導体層3は単結晶半導体であることが好ましい。また、第1半導体層2および第2半導体層3はアモルファス半導体または多結晶半導体または多孔質半導体でもよい。また、例えば、第1半導体層2の膜厚は2000Å程度、第2半導体層3の膜厚は1000Å程度とすることができる。そして、第2半導体層3の熱酸化により第2半導体層3の表面に酸化膜4を形成する。なお、例えば、酸化膜4の膜厚は250Å程度とすることができる。ここで、第2半導体層3上に酸化膜4を形成することにより、第2半導体層3を薄膜化することが可能となるとともに、第2半導体層3下に空洞部9が形成された時に第2半導体層3を補強することができる。   In FIG. 1, a first semiconductor layer 2 is formed on a semiconductor substrate 1 by an epitaxial growth method, and a second semiconductor layer 3 is formed on the first semiconductor layer 2 by an epitaxial growth method. The first semiconductor layer 2 can be made of a material having a higher selection ratio during etching than the semiconductor substrate 1 and the second semiconductor layer 3, and the semiconductor substrate 1, the first semiconductor layer 2, and the second semiconductor layer 3 can be used. As the material, for example, a combination selected from Si, Ge, SiGe, SiC, SiSn, PbS, GaAs, InP, GaP, GaN, ZnSe, and the like can be used. In particular, when the semiconductor substrate 1 is Si, it is preferable to use SiGe as the first semiconductor layer 2 and Si as the second semiconductor layer 3. Accordingly, it is possible to secure a selection ratio between the first semiconductor layer 2 and the second semiconductor layer 3 while enabling lattice matching between the first semiconductor layer 2 and the second semiconductor layer 3. it can. Further, when SiGe is used as the first semiconductor layer 2 and Si is used as the second semiconductor layer 3, the Ge concentration distribution in the first semiconductor layer 2 is the interface between the semiconductor substrate 1 and the first semiconductor layer 2 and the first semiconductor. In order to eliminate stacking faults generated at the interface between the layer 2 and the second semiconductor layer 3 as much as possible, the Ge concentration of the lowermost surface and the uppermost surface of the first semiconductor layer 2 is set to 20% or less, while the first semiconductor The Ge concentration of the intermediate layer of the layer 2 is preferably set to 20% or more in order to enhance the selectivity in the subsequent selective etching. The first semiconductor layer 2 and the second semiconductor layer 3 are preferably single crystal semiconductors. The first semiconductor layer 2 and the second semiconductor layer 3 are preferably single crystal semiconductors. The first semiconductor layer 2 and the second semiconductor layer 3 may be an amorphous semiconductor, a polycrystalline semiconductor, or a porous semiconductor. For example, the film thickness of the first semiconductor layer 2 can be about 2000 mm, and the film thickness of the second semiconductor layer 3 can be about 1000 mm. Then, an oxide film 4 is formed on the surface of the second semiconductor layer 3 by thermal oxidation of the second semiconductor layer 3. For example, the thickness of the oxide film 4 can be about 250 mm. Here, by forming the oxide film 4 on the second semiconductor layer 3, it is possible to reduce the thickness of the second semiconductor layer 3, and when the cavity 9 is formed below the second semiconductor layer 3. The second semiconductor layer 3 can be reinforced.

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膜4、第2半導体層3および第1半導体層2をパターニングすることにより、第1半導体層2の一部を露出させる開口部8を形成する。ここで、開口部8は、第2半導体層3の素子分離領域に配置することが好ましい。これにより、第2半導体層3下の第1半導体層2を除去するための開口部8を素子形成領域に設ける必要がなくなり、チップサイズの増大を抑制しつつ、SOIトランジスタのコストダウンを図ることが可能となる。   Next, as shown in FIG. 2, the oxide film 4, the second semiconductor layer 3, and the first semiconductor layer 2 are patterned by using a photolithography technique and an etching technique, thereby exposing a part of the first semiconductor layer 2. The opening 8 to be formed is formed. Here, the opening 8 is preferably disposed in the element isolation region of the second semiconductor layer 3. This eliminates the need to provide an opening 8 for removing the first semiconductor layer 2 under the second semiconductor layer 3 in the element formation region, and reduces the cost of the SOI transistor while suppressing an increase in chip size. Is possible.

なお、第1半導体層2の一部を露出させる場合、第1半導体層2の表面でエッチングを止めるようにしてもよいし、第1半導体層2をオーバーエッチングして第1半導体層に凹部を形成するようにしてもよい。あるいは、開口部8内の第1半導体層2を貫通させて半導体基板1の表面を露出させるようにしてもよい。ここで、第1半導体層2のエッチングを途中で止めることにより、開口部8内の半導体基板1の表面が露出されることを防止することができる。このため、第1半導体層2をエッチング除去する際に、開口部8内の半導体基板1がエッチング液またはエッチングガスに晒される時間を減らすことが可能となり、開口部8内の半導体基板1のオーバーエッチングを抑制することができる。   When a part of the first semiconductor layer 2 is exposed, the etching may be stopped on the surface of the first semiconductor layer 2, or the first semiconductor layer 2 is over-etched to form a recess in the first semiconductor layer. You may make it form. Alternatively, the surface of the semiconductor substrate 1 may be exposed through the first semiconductor layer 2 in the opening 8. Here, by stopping the etching of the first semiconductor layer 2 in the middle, it is possible to prevent the surface of the semiconductor substrate 1 in the opening 8 from being exposed. For this reason, when the first semiconductor layer 2 is removed by etching, the time during which the semiconductor substrate 1 in the opening 8 is exposed to the etching solution or the etching gas can be reduced, and the semiconductor substrate 1 in the opening 8 can be overloaded. Etching can be suppressed.

次に、図3に示すように、開口部8を介してエッチングガスまたはエッチング液を第1半導体層2に接触させることにより、第1半導体層2の一部をエッチング除去し、半導体基板1と第2半導体層3との間に空洞部9を形成する。この時、半導体基板1に電界を掛けて第1半導体層2の選択エッチングを促進させても良い。
なお、第1半導体層2の一部をエッチング除去する場合、第1半導体層2が素子分離領域に残るとともに、トランジスタのチャネル領域およびソース/ドレイン領域下の第1半導体層2が除去されるようにすることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 3, an etching gas or an etchant is brought into contact with the first semiconductor layer 2 through the opening 8, thereby removing a part of the first semiconductor layer 2 by etching. A cavity 9 is formed between the second semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 3. At this time, an electric field may be applied to the semiconductor substrate 1 to promote selective etching of the first semiconductor layer 2.
When part of the first semiconductor layer 2 is removed by etching, the first semiconductor layer 2 remains in the element isolation region, and the first semiconductor layer 2 under the channel region and the source / drain region of the transistor is removed. It is preferable to make it.

ここで、第1半導体層2の一部をエッチング除去することにより、第2半導体層3を半導体基板1上で支持することを可能としつつ、第2半導体層3下に空洞部9を形成することが可能となる。このため、第2半導体層3の品質を損なうことなく、第2半導体層3を絶縁体上に配置することが可能となり、信頼性の高い第2半導体層3を絶縁体上に安価で形成することが可能となる。   Here, by removing a part of the first semiconductor layer 2 by etching, the second semiconductor layer 3 can be supported on the semiconductor substrate 1 and the cavity 9 is formed under the second semiconductor layer 3. It becomes possible. For this reason, it becomes possible to arrange | position the 2nd semiconductor layer 3 on an insulator, without impairing the quality of the 2nd semiconductor layer 3, and the 2nd semiconductor layer 3 with high reliability is formed on an insulator cheaply. It becomes possible.

また、第1半導体層2が素子分離領域に残るようにすることにより、トランジスタのチャネル領域およびソース/ドレイン領域が形成される第2半導体層3を絶縁体上に配置することが可能となる。このため、製造工程の煩雑化を抑制しつつ、ソース/ドレイン領域の寄生容量を減らすことが可能となり、コスト増を抑制しつつ、SOIトランジスタの品質および特性を向上させることが可能となる。   Further, by leaving the first semiconductor layer 2 in the element isolation region, the second semiconductor layer 3 in which the channel region and the source / drain region of the transistor are formed can be disposed on the insulator. For this reason, it is possible to reduce the parasitic capacitance of the source / drain regions while suppressing the complexity of the manufacturing process, and it is possible to improve the quality and characteristics of the SOI transistor while suppressing an increase in cost.

また、半導体基板1および第2半導体層3がSi、第1半導体層2がSiGeの場合、第1半導体層2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1:10〜1000程度を得ることができ、半導体基板1および第2半導体層3のオーバーエッチングを抑制しつつ、第1半導体層2を除去することが可能となる。   Further, when the semiconductor substrate 1 and the second semiconductor layer 3 are Si and the first semiconductor layer 2 is SiGe, it is preferable to use hydrofluoric acid as an etchant for the first semiconductor layer 2. As a result, a Si / SiGe selection ratio of about 1:10 to 1000 can be obtained, and the first semiconductor layer 2 can be removed while suppressing overetching of the semiconductor substrate 1 and the second semiconductor layer 3. It becomes.

次に、図4に示すように、開口部8を介して空洞部9内に化学気層成長法により酸化膜を堆積することにより、空洞部9内に酸化膜10を形成する。
これにより、第2半導体層3の結晶品質を維持しつつ、第2半導体層3を半導体基板1から絶縁することが可能となる。このため、工程増を抑止しつつ、品質の良いSOI基板を安定して作製することが可能となり、コストアップを抑制しつつ、SOIトランジスタを安定して作製することが可能となる。また、半導体基板1および第2半導体層3の化学気層成長法にて空洞部9内に酸化膜10を埋め込むことにより、空洞部9が配置された第2半導体層3の機械的強度を向上させることが可能となり、第2半導体層3に形成されるトランジスタの信頼性を高めることが可能となる。
Next, as shown in FIG. 4, an oxide film 10 is formed in the cavity 9 by depositing an oxide film in the cavity 9 through the opening 8 by the chemical vapor deposition method.
As a result, the second semiconductor layer 3 can be insulated from the semiconductor substrate 1 while maintaining the crystal quality of the second semiconductor layer 3. Therefore, it is possible to stably manufacture a high-quality SOI substrate while suppressing an increase in processes, and it is possible to stably manufacture an SOI transistor while suppressing an increase in cost. Further, by embedding the oxide film 10 in the cavity 9 by the chemical vapor deposition method of the semiconductor substrate 1 and the second semiconductor layer 3, the mechanical strength of the second semiconductor layer 3 in which the cavity 9 is disposed is improved. Therefore, the reliability of the transistor formed in the second semiconductor layer 3 can be improved.

また、エピタキシャル成長時の第2半導体層3の膜厚により、第2半導体層3下に酸化膜10が形成された後の第2半導体層3の膜厚を規定することができる。このため、第2半導体層3の膜厚を精度よく制御することを可能としつつ、第2半導体層3下に酸化膜10を形成することができ、第2半導体層3の膜厚のバラツキを低減させることが可能となる。また、空洞部9内に酸化膜10を形成する工程において、酸化膜10は、酸化性ガスを浸入させながら、空洞部9内の半導体基板1および第2半導体層3を熱酸化することによって形成されても良い。   In addition, the film thickness of the second semiconductor layer 3 after the oxide film 10 is formed under the second semiconductor layer 3 can be defined by the film thickness of the second semiconductor layer 3 during epitaxial growth. Therefore, the oxide film 10 can be formed under the second semiconductor layer 3 while enabling the thickness of the second semiconductor layer 3 to be accurately controlled, and the variation in the thickness of the second semiconductor layer 3 can be reduced. It can be reduced. In the step of forming the oxide film 10 in the cavity 9, the oxide film 10 is formed by thermally oxidizing the semiconductor substrate 1 and the second semiconductor layer 3 in the cavity 9 while allowing an oxidizing gas to enter. May be.

次に、図5に示すように、第2半導体層3上の酸化膜4を除去し、第2半導体層3の表面を露出させる。そして、素子分離絶縁膜12を形成した後、第2半導体層3の表面の熱酸化を行うことにより、第2半導体層3の表面にゲート絶縁膜21を形成する。そして、CVDなどの方法により、ゲート絶縁膜21が形成された第2半導体層3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およびエッチング技術を用いて多結晶シリコン層をパターニングすることにより、第2半導体層3上にゲート電極22を形成する。   Next, as shown in FIG. 5, the oxide film 4 on the second semiconductor layer 3 is removed to expose the surface of the second semiconductor layer 3. Then, after forming the element isolation insulating film 12, the surface of the second semiconductor layer 3 is thermally oxidized to form the gate insulating film 21 on the surface of the second semiconductor layer 3. Then, a polycrystalline silicon layer is formed on the second semiconductor layer 3 on which the gate insulating film 21 is formed by a method such as CVD. Then, the gate electrode 22 is formed on the second semiconductor layer 3 by patterning the polycrystalline silicon layer using a photolithography technique and an etching technique.

次に、ゲート電極22をマスクとして、As、P、Bなどの不純物を第2半導体層3内にイオン注入することにより、ゲート電極22の両側にそれぞれ配置された低濃度不純物導入層からなるLDD層23a、23bを第2半導体層3に形成する。そして、CVDなどの方法により、LDD層23a、23bが形成された第2半導体層3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22の側壁にサイドウォール24を形成する。そして、ゲート電極22およびサイドウォール24をマスクとして、As、P、Bなどの不純物を第2半導体層3内にイオン注入することにより、サイドウォール24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/ドレイン層25a、25bを第2半導体層3に形成する。   Next, by using the gate electrode 22 as a mask, impurities such as As, P, and B are ion-implanted into the second semiconductor layer 3, thereby forming LDDs composed of low-concentration impurity introduction layers respectively disposed on both sides of the gate electrode 22. Layers 23 a and 23 b are formed on the second semiconductor layer 3. Then, an insulating layer is formed on the second semiconductor layer 3 on which the LDD layers 23a and 23b are formed by a method such as CVD, and the insulating layer is etched back using anisotropic etching such as RIE. Sidewalls 24 are formed on the side walls of the electrodes 22. Then, impurities such as As, P, and B are ion-implanted into the second semiconductor layer 3 using the gate electrode 22 and the sidewall 24 as a mask, thereby introducing high-concentration impurities respectively arranged on the side of the sidewall 24. Source / drain layers 25 a and 25 b made of layers are formed on the second semiconductor layer 3.

これにより、工程数の増大を抑制しつつ、第2半導体層3を酸化膜10上に配置することが可能となるとともに、第2半導体層3の欠陥の増大を抑制することが可能となる。このため、第2半導体層3の品質を損なうことなく、第2半導体層3と半導体基板1との間の絶縁を図ることが可能となり、コスト増を抑制しつつ、SOIトランジスタの品質を向上させることが可能となる。   This makes it possible to dispose the second semiconductor layer 3 on the oxide film 10 while suppressing an increase in the number of processes, and to suppress an increase in defects in the second semiconductor layer 3. For this reason, it is possible to achieve insulation between the second semiconductor layer 3 and the semiconductor substrate 1 without impairing the quality of the second semiconductor layer 3, and to improve the quality of the SOI transistor while suppressing an increase in cost. It becomes possible.

図6(a)〜図9(a)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図6(b)〜図9(b)は、図6(a)〜図9(a)のA11−A11´〜A14−A14´線でそれぞれ切断した断面図、図6(c)〜図9(c)は、図6(a)〜図9(a)のB11−B11´〜B14−B14´線でそれぞれ切断した断面図である。
図6において、半導体基板31上には第1半導体層32aが形成され、第1半導体層32a上には第2半導体層33が形成されている。なお、第1半導体層32aは、半導体基板31および第2半導体層33よりもエッチング時の選択比が大きな材質を用いることができ、特に、半導体基板31がSiの場合、第1半導体層32aとしてSiGe、第2半導体層33としてSiを用いることが好ましい。そして、第2半導体層33の熱酸化により第2半導体層33の表面に酸化膜34を形成する。
FIGS. 6A to 9A are plan views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, and FIGS. 6B to 9B are FIGS. FIGS. 6A to 9C are cross-sectional views taken along lines A11-A11 ′ to A14-A14 ′ of FIG. 9A, respectively, and FIGS. 6C to 9C are B11 of FIGS. 6A to 9A. It is sectional drawing cut | disconnected by the -B11'-B14-B14 'line | wire, respectively.
In FIG. 6, a first semiconductor layer 32a is formed on a semiconductor substrate 31, and a second semiconductor layer 33 is formed on the first semiconductor layer 32a. The first semiconductor layer 32a can be made of a material having a higher selectivity during etching than the semiconductor substrate 31 and the second semiconductor layer 33. In particular, when the semiconductor substrate 31 is Si, the first semiconductor layer 32a SiGe is preferably used as the second semiconductor layer 33. Then, an oxide film 34 is formed on the surface of the second semiconductor layer 33 by thermal oxidation of the second semiconductor layer 33.

次に、図7に示すように、第1半導体層32aとしてSiGe、第2半導体層33としてSiが用いられている場合、第1半導体層32aの一部の領域にGeのイオン注入を選択的に行うことにより、第1半導体層32aよりもGeの濃度が高い第3半導体層32bを形成する。なお、第3半導体層32bは、トランジスタのチャネル領域およびソース/ドレイン領域が形成される第2半導体層33下に配置することが好ましい。また、素子分離領域には、Geのイオン注入を行わないようにして、第1半導体層32aをそのまま残しておくことが好ましい。   Next, as shown in FIG. 7, when SiGe is used as the first semiconductor layer 32a and Si is used as the second semiconductor layer 33, Ge ion implantation is selectively performed in a partial region of the first semiconductor layer 32a. In this way, the third semiconductor layer 32b having a higher Ge concentration than the first semiconductor layer 32a is formed. The third semiconductor layer 32b is preferably disposed under the second semiconductor layer 33 where the channel region and source / drain regions of the transistor are formed. Further, it is preferable that the first semiconductor layer 32a is left in the element isolation region without performing Ge ion implantation.

次に、図8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膜34、第2半導体層33および第3半導体層32bをパターニングすることにより、第3半導体層32bの一部を露出させる開口部38を形成する。
次に、図9に示すように、開口部38を介してエッチングガスまたはエッチング液を第3半導体層32bに接触させることにより、第3半導体層32bをエッチング除去し、半導体基板31と第2半導体層33との間に空洞部39を形成する。
Next, as shown in FIG. 8, a part of the third semiconductor layer 32b is exposed by patterning the oxide film 34, the second semiconductor layer 33, and the third semiconductor layer 32b using a photolithography technique and an etching technique. The opening 38 to be formed is formed.
Next, as shown in FIG. 9, the third semiconductor layer 32b is removed by etching by bringing an etching gas or an etchant into contact with the third semiconductor layer 32b through the opening 38, and the semiconductor substrate 31 and the second semiconductor are removed. A cavity 39 is formed between the layer 33.

ここで、第3半導体層32bのGeの濃度を第1半導体層32aよりも高くすることにより、第3半導体層32bのエッチング時の選択比を大きくすることが可能となる。このため、第1半導体層32aおよび第2半導体層33のエッチング量を抑制しつつ、第3半導体層32bをより広範囲に除去することが可能となる。
また、第1半導体層32aの一部の領域にGeのイオン注入を選択的に行うことにより、Geのイオン注入された第3半導体層32bを除去することを可能としつつ、Geのイオン注入されていない第1半導体層32aの一部を残すことが可能となる。このため、第3半導体層32bをエッチング除去した場合においても、第2半導体層33を第1半導体層32aにて半導体基板31上に支持することが可能となり、第2半導体層33下に空洞部39を形成することが可能となる。このため、第2半導体層33の品質を損なうことなく、第2半導体層33を絶縁体上に配置することが可能となり、信頼性の高い第2半導体層33を絶縁体上に安価で形成することが可能となる。
Here, by making the Ge concentration of the third semiconductor layer 32b higher than that of the first semiconductor layer 32a, it is possible to increase the selectivity during the etching of the third semiconductor layer 32b. For this reason, it is possible to remove the third semiconductor layer 32b in a wider range while suppressing the etching amount of the first semiconductor layer 32a and the second semiconductor layer 33.
Further, Ge ion implantation is performed while selectively removing Ge ion implantation into a partial region of the first semiconductor layer 32a, thereby enabling the removal of the Ge semiconductor-implanted third semiconductor layer 32b. It is possible to leave a part of the first semiconductor layer 32a not left. For this reason, even when the third semiconductor layer 32 b is removed by etching, the second semiconductor layer 33 can be supported on the semiconductor substrate 31 by the first semiconductor layer 32 a, and a cavity is formed under the second semiconductor layer 33. 39 can be formed. Therefore, the second semiconductor layer 33 can be disposed on the insulator without deteriorating the quality of the second semiconductor layer 33, and the highly reliable second semiconductor layer 33 is formed on the insulator at low cost. It becomes possible.

また、第1半導体層32aが素子分離領域に残るようにすることにより、トランジスタのチャネル領域およびソース/ドレイン領域が形成される第2半導体層33を絶縁体上に配置することが可能となる。このため、製造工程の煩雑化を抑制しつつ、ソース/ドレイン領域の寄生容量を減らすことが可能となり、コスト増を抑制しつつ、SOIトランジスタの品質および特性を向上させることが可能となる。   Further, by allowing the first semiconductor layer 32a to remain in the element isolation region, the second semiconductor layer 33 in which the channel region and the source / drain region of the transistor are formed can be disposed on the insulator. For this reason, it is possible to reduce the parasitic capacitance of the source / drain regions while suppressing the complexity of the manufacturing process, and it is possible to improve the quality and characteristics of the SOI transistor while suppressing an increase in cost.

次に、図4、図5と同様の工程を経ることにより、第2半導体層33にSOIトランジスタを形成することができる。
図10(a)〜図13(a)は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図10(b)〜図13(b)は、図10(a)〜図13(a)のA21−A21´〜A24−A24´線でそれぞれ切断した断面図、図10(c)〜図13(c)は、図10(a)〜図13(a)のB21−B21´〜B24−B24´線でそれぞれ切断した断面図である。
Next, an SOI transistor can be formed in the second semiconductor layer 33 through steps similar to those in FIGS.
FIGS. 10A to 13A are plan views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, and FIGS. 10B to 13B are FIGS. Sectional views cut along lines A21-A21 ′ to A24-A24 ′ in FIG. 13 (a), and FIGS. 10 (c) to 13 (c) are B21 in FIGS. 10 (a) to 13 (a). It is sectional drawing cut | disconnected by the -B21'-B24-B24 'line | wire, respectively.

図10において、半導体基板51上には第1半導体層52aが形成されている。なお、第1半導体層52aは、半導体基板51よりもエッチング時の選択比が大きな材質を用いることができ、特に、半導体基板51がSiの場合、第1半導体層52aとしてSiGeを用いることが好ましい。そして、第1半導体層52aの熱酸化により第1半導体層52aの表面に酸化膜54aを形成する。   In FIG. 10, a first semiconductor layer 52 a is formed on the semiconductor substrate 51. The first semiconductor layer 52a can be made of a material having a higher selectivity during etching than the semiconductor substrate 51. In particular, when the semiconductor substrate 51 is Si, SiGe is preferably used as the first semiconductor layer 52a. . Then, an oxide film 54a is formed on the surface of the first semiconductor layer 52a by thermal oxidation of the first semiconductor layer 52a.

次に、図11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膜54aおよび第1半導体層52aの一部を除去することにより、半導体基板51の表面の一部を露出させる。なお、酸化膜54aおよび第1半導体層52aの一部を除去する領域は、素子分離領域に対応させることが好ましい。
次に、図12に示すように、酸化膜54aをマスクとしてエピタキシャル成長を行うことにより、第2半導体層52bを半導体基板51上に形成する。ここで、第2半導体層52bは、第1半導体層52aよりもエッチング時の選択比が小さな材質を用いることができ、特に、半導体基板51がSiの場合、第2半導体層52bとしてSiGeを用いることが好ましい。また、第1半導体層52aよりも第2半導体層52bのエッチング時の選択比を小さくする場合、例えば、第1半導体層52aのGe濃度を50%程度、第2半導体層52bのGe濃度を5%程度とすることができる。
Next, as shown in FIG. 11, a part of the surface of the semiconductor substrate 51 is exposed by removing a part of the oxide film 54a and the first semiconductor layer 52a using a photolithography technique and an etching technique. Note that the region from which part of the oxide film 54a and the first semiconductor layer 52a is removed preferably corresponds to the element isolation region.
Next, as shown in FIG. 12, the second semiconductor layer 52b is formed on the semiconductor substrate 51 by performing epitaxial growth using the oxide film 54a as a mask. Here, the second semiconductor layer 52b can be made of a material having a smaller selectivity at the time of etching than the first semiconductor layer 52a. In particular, when the semiconductor substrate 51 is Si, SiGe is used as the second semiconductor layer 52b. It is preferable. Further, when the selection ratio at the time of etching the second semiconductor layer 52b is smaller than that of the first semiconductor layer 52a, for example, the Ge concentration of the first semiconductor layer 52a is about 50% and the Ge concentration of the second semiconductor layer 52b is 5%. %.

次に、図13に示すように、酸化膜54aを除去した後、エピタキシャル成長により、第1半導体層52aおよび第2半導体層52b上に第3半導体層53を形成する。なお、なお、第3半導体層53は、第2半導体層52aよりもエッチング時の選択比が小さな材質を用いることができ、特に、第2半導体層52aがSiGeの場合、第3半導体層53としてSiを用いることが好ましい。   Next, as shown in FIG. 13, after removing the oxide film 54a, a third semiconductor layer 53 is formed on the first semiconductor layer 52a and the second semiconductor layer 52b by epitaxial growth. It should be noted that the third semiconductor layer 53 can be made of a material having a smaller selection ratio at the time of etching than the second semiconductor layer 52a. In particular, when the second semiconductor layer 52a is SiGe, the third semiconductor layer 53 It is preferable to use Si.

ここで、第1半導体層52aのGeの濃度を第2半導体層52bよりも高くすることにより、第1半導体層52aのエッチング時の選択比を大きくすることが可能となる。このため、第2導体層52bおよび第3半導体層53のエッチング量を抑制しつつ、第1半導体層52aをより広範囲に除去することが可能となる。
また、半導体基板51上の一部の領域に第1半導体層52aを選択的に形成することにより、第1半導体層52aを除去することを可能としつつ、第2半導体層52bを残すことが可能となる。このため、第1半導体層52aをエッチング除去した場合においても、第3半導体層53を第2半導体層52bにて半導体基板51上に支持することを可能となり、第3半導体層53下に空洞部を形成することが可能となる。このため、第3半導体層53の品質を損なうことなく、第3半導体層53を絶縁体上に配置することが可能となり、信頼性の高い第3半導体層53を絶縁体上に安価で形成することが可能となる。
Here, by making the Ge concentration of the first semiconductor layer 52a higher than that of the second semiconductor layer 52b, it is possible to increase the selectivity during the etching of the first semiconductor layer 52a. For this reason, it is possible to remove the first semiconductor layer 52a in a wider range while suppressing the etching amount of the second conductor layer 52b and the third semiconductor layer 53.
In addition, by selectively forming the first semiconductor layer 52a in a partial region on the semiconductor substrate 51, the first semiconductor layer 52a can be removed while the second semiconductor layer 52b can be left. It becomes. For this reason, even when the first semiconductor layer 52 a is removed by etching, the third semiconductor layer 53 can be supported on the semiconductor substrate 51 by the second semiconductor layer 52 b, and a cavity is formed below the third semiconductor layer 53. Can be formed. Therefore, the third semiconductor layer 53 can be disposed on the insulator without impairing the quality of the third semiconductor layer 53, and the highly reliable third semiconductor layer 53 is formed on the insulator at low cost. It becomes possible.

また、第2半導体層52bを素子分離領域に配置することにすることにより、トランジスタのチャネル領域およびソース/ドレイン領域が形成される第3半導体層53を絶縁体上に配置することが可能となる。このため、製造工程の煩雑化を抑制しつつ、ソース/ドレイン領域の寄生容量を減らすことが可能となり、コスト増を抑制しつつ、SOIトランジスタの品質および特性を向上させることが可能となる。   In addition, by arranging the second semiconductor layer 52b in the element isolation region, the third semiconductor layer 53 in which the channel region and the source / drain region of the transistor are formed can be disposed on the insulator. . For this reason, it is possible to reduce the parasitic capacitance of the source / drain regions while suppressing the complexity of the manufacturing process, and it is possible to improve the quality and characteristics of the SOI transistor while suppressing an increase in cost.

次に、図8、図9、図4、図5と同様の工程を経ることにより、第2半導体層53にSOIトランジスタを形成することができる。   Next, an SOI transistor can be formed in the second semiconductor layer 53 through steps similar to those in FIGS. 8, 9, 4, and 5.

本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、31、51 半導体基板、2、32a、52a 第1半導体層、3、52b 第2半導体層、32b、53 第3半導体層、4、34、54a、54b 酸化膜、8、38 開口部、9、39空洞部、10 酸化膜、12 素子分離絶縁膜、21 ゲート絶縁膜、22 ゲート電極、23a、23b LDD層、24 サイドウォールスペーサ、25a、25b ソース/ドレイン層   1, 31, 51 Semiconductor substrate, 2, 32a, 52a First semiconductor layer, 3, 52b Second semiconductor layer, 32b, 53 Third semiconductor layer, 4, 34, 54a, 54b Oxide film, 8, 38 opening, 9, 39 cavity portion, 10 oxide film, 12 element isolation insulating film, 21 gate insulating film, 22 gate electrode, 23a, 23b LDD layer, 24 sidewall spacer, 25a, 25b source / drain layer

Claims (2)

単結晶Siからなる基材の上に単結晶SiGe層を形成する工程と、
前記単結晶SiGe層の上に単結晶Si層を形成する工程と、
前記単結晶Si層を形成した後に、前記単結晶SiGe層の第1の領域にGeのイオン注入を行う工程と、
前記イオン注入を行った後に、前記単結晶SiGe層の前記第1の領域の一部分を露出させる開口部を形成する工程と、
前記開口部を介して、前記単結晶SiGe層をフッ硝酸処理することにより、前記単結晶SiGe層の前記第1の領域を選択的にエッチングして前記単結晶Si層の下に空洞を形成する工程と、
前記空洞の内部を熱酸化膜で埋め込む工程と、を含み、
前記開口部は素子分離領域に配置されることを特徴とする半導体基板の製造方法。
Forming a single crystal SiGe layer on a substrate made of single crystal Si ;
Forming a single crystal Si layer on the single crystal SiGe layer ;
Performing ion implantation of Ge into the first region of the single crystal SiGe layer after forming the single crystal Si layer;
Forming an opening exposing a portion of the first region of the single-crystal SiGe layer after performing the ion implantation;
The single crystal SiGe layer is hydrofluoric acid-treated through the opening, thereby selectively etching the first region of the single crystal SiGe layer to form a cavity under the single crystal Si layer. Process,
Filling the inside of the cavity with a thermal oxide film ,
The method of manufacturing a semiconductor substrate, wherein the opening is disposed in an element isolation region .
請求項1に記載の半導体基板の製造方法を含み、
前記単結晶Si層の上にゲート電極を形成する工程と、
ソース及びドレインを前記単結晶Si層に形成する工程と、
をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1,
Forming a gate electrode on the single crystal Si layer ;
Forming a source and a drain in the single crystal Si layer ;
A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising:
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