JP4880150B2 - MIS field effect transistor and manufacturing method thereof - Google Patents

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【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はSOI構造の半導体集積回路に係り、特に半導体基板(バルクウエハー)に、容易な製造プロセスにより、低コストな疑似SOI基板を形成し、この疑似SOI基板に、高速、低電力、高信頼且つ高集積なショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体装置を形成することに関する。
従来、SOI構造の半導体装置に関しては、均一な単結晶を持つ半導体基板を酸化膜を介して別の半導体基板に貼り合わせる、いわゆる貼り合わせSOIウエハーを使用した半導体集積回路が実用化されつつあるが、2枚の半導体基板を使用すること及び完全空乏化するために極めて薄いSOI基板を形成しなければならないこと等から歩留りが悪く、市販されている貼り合わせSOIウエハーは極めてコスト高であるという欠点がある。
また通常の半導体基板(バルクウエハー)に酸素イオンを注入して高温の熱処理によりバルクウエハー内部に酸化膜を形成する、いわゆるSIMOX法によるSOI基板の形成においては、高価な高ドーズイオン注入マシンの購入、長時間の製造工程によるコスト高及び大口径ウエハーの使用における特性の不安定性の問題等の欠点があった。
現状では、コスト高の問題を無視して、極めて高速化及び低電力化を要する携帯機器やアナログ/デジタル混載のシステムLSI用に限り実用化しており、いずれもSOIウエハーを使用して慣例的なサイドウオールを利用したLDD構造のショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを周囲を絶縁膜で分離されたSOI基板に形成したもので、接合容量、空乏層容量、閾値電圧等を低減することにより高速化及び低電力化を計ったものであるが、一方薄膜のSOI基板に形成するためソースドレイン領域のコンタクト抵抗が増大すること及び各要素の抵抗の低減がなされていないこと等から微細化を計っている割には高速化が達成されていないという欠点があった。また、SOI基板下の導電体(半導体基板又は下層配線)にゲート電極に印加される電圧と異なる電圧が印加された場合、SOI基板底部に生ずる微小なバックチャネルリークを防止できなかったことによる高信頼性が達成されていないという欠点もあった。
そこで、高速大容量通信用あるいは携帯情報端末用の半導体集積回路の製造を可能とする、低コストで、しかも容易なプロセスによりSOI構造が形成でき、さらなる高集積、高速、低電力及び高性能が達成できるショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成できる手段が要望されている。
【0002】
【従来の技術】
図22は従来の半導体装置の模式側断面図で、貼り合わせSOIウエハーを使用して形成したSOI構造のNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、51はp型のシリコン基板、52は貼り合わせ用酸化膜、53はp型のSOI基板、54は素子分離領域形成用トレンチ及び埋め込み酸化膜、55はn型ソースドレイン領域、56はn+ 型ソースドレイン領域、57はゲート酸化膜(SiO2)、58はゲート電極(WSi/PolySi)、59は下地酸化膜、60はサイドウオール(SiO2)、61は不純物ブロック用酸化膜、62はBPSG膜、63はバリアメタル(Ti/TiN )、64はプラグ(W)、65はバリアメタル(Ti/TiN )、66はAlCu配線、67はバリアメタル(Ti/TiN )を示している。
同図においては、p型のシリコン基板51上に酸化膜52を介して貼り合わせられ、素子分離領域形成用トレンチ及び埋め込み酸化膜54により島状に絶縁分離された薄膜のp型のSOI基板53が形成され、このp型のSOI基板53にはNチャネルのLDD構造のMIS電界効果トランジスタが形成されている。
したがって、周囲を絶縁膜で囲まれたソースドレイン領域を形成できることによる接合容量の低減、SOI基板を完全空乏化できることによる空乏層容量の低減及びサブスレッショルド特性を改善できることによる閾値電圧の低減、SOI基板へのコンタクト領域の除去等により通常のバルクウエハーに形成するMIS電界効果トランジスタからなる半導体集積回路に比較し、高速化、低電力化及び高集積化が可能となる。
しかし薄膜のSOI基板に形成するため、ソースドレイン領域のコンタクト抵抗が増大すること及び各要素の抵抗の低減がなされていないこと等から微細化を計っている割りには高速化が達成されていないという欠点があった。
また、SOI基板下の導電体(半導体基板又は下層配線)にゲート電極に印加される電圧と異なる電圧が印加された場合、SOI基板底部に生ずる微小なバックチャネルリークを防止できなかったことによる高信頼性が達成されていないという欠点もあった。
さらに、このようなSOI構造をつくるために、市販されている貼り合わせSOIウエハーを購入しなければならず、ウエハーメーカーの低コスト化技術に頼ったとしても、量産段階においてバルクウエハーの3倍〜5倍程度と極めてコスト高であるという欠点があった。
またSOI構造をつくる別の手段として、バルクウエハーを利用し、酸素イオンを注入して高温の熱処理によりバルクウエハー内部に酸化膜を形成する、いわゆるSIMOX法によるSOI基板の形成を使用しても、極めて高価な高ドーズのイオン注入マシンを購入しなければならないこと及び高ドーズ量の酸素をイオン注入するために長時間の製造工程を要することによるコスト高の問題、あるいは10インチ〜12インチの大口径ウエハーの使用における酸素イオン注入による結晶欠陥の修復による特性の不安定性等の欠点があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、従来例に示されるように、高速性を改善したMIS電界効果トランジスタを得るためには完全空乏化させた薄膜のSOI基板が必要とされ、この薄膜化されたSOI基板にソースドレイン領域を形成するため、導電プラグ形成用の層間絶縁膜のエッチングの際、ソースドレイン領域を形成しているSOI基板がオーバーエッチングされることは避けられず、導電プラグとのコンタクトは取れるもののソースドレイン領域のコンタクト抵抗が増大してしまうこと、また容量の低減はできるものの薄層のソースドレイン領域の抵抗及びゲート電極の抵抗が低減できないこと等により微細化している割には高速化が達成できなかったこと、CーMOSを形成する場合またはSOI基板下にゲート電極に印加される電圧と異なる電圧が印加される下層配線が存在する場合、バックチャネルリークを防止できないことによる高信頼性が得られなかったこと、SOI構造を形成するために、貼り合わせSOIウエハーを使用しても、あるいはSIMOX法によりSOI基板を形成しても、現状の技術においてはかなりのコスト高になるため、付加価値の高い特殊用途の製品にしか使用できず、廉価な汎用品に適用できる技術に乏しかったことである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、半導体基板と、前記半導体基板上に選択的に積層された半導体層と、前記半導体層の対向する2側面の一部にそれぞれ接して設けられた対向する一対の導電膜(ソースドレイン領域の一部)と、前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)との接触部の前記半導体層にそれぞれ設けられた不純物ソースドレイン領域と、少なくとも前記半導体層の残りの1側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記半導体層、前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)及び前記ゲート電極の残りの側面及び底面に周設された絶縁膜とを備え、前記半導体層と前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)とが接触する側面と、前記半導体層と前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)の直下部に設けられた前記絶縁膜とが接触する側面が、垂直方向に一致し、且つ前記半導体層、前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)、前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)の側面に設けられた前記絶縁膜及び前記ゲート電極の上面が同じ高さを有している本発明のMIS電界効果トランジスタによって解決される。
【0005】
【作 用】
即ち、本発明の主要なMIS電界効果トランジスタにおいては、半導体基板上に積層された絶縁膜に選択的に設けられた半導体基板の露出部にエピタキシャル半導体層が設けられ、このエピタキシャル半導体層の対向する2側面の一部に接し、絶縁膜の一部に設けられた一対の第1の開孔部を埋め込んだ、バリアメタルを有する導電膜(メタルソースドレイン領域)が設けられ、バリアメタルを有する導電膜とエピタキシャル半導体層の接触部に高濃度及び低濃度のソースドレイン領域が設けられ、エピタキシャル半導体層の残りの1側面の一部に接し、エピタキシャル半導体層よりやや幅広に且つ第1の開孔部より深く、絶縁膜の一部に設けられた第2の開孔部の側面及び底面にゲート絶縁膜が設けられ、このゲート絶縁膜を介してバリアメタルを有するゲート電極が第2の開孔部に平坦に埋め込まれており、エピタキシャル半導体層の残りの側面、バリアメタルを有する導電膜の底面及び残りの側面且つゲート絶縁膜を介してバリアメタルを有するゲート電極の底面及び残りの側面に絶縁膜が周設されているラテラル疑似SOI構造(慣例的な垂直方向に絶縁膜で島状に分離されたSOI構造ではなく、一部が基板に直結した、横方向に絶縁分離された疑似SOI構造で、素子特性はほとんどかわらない)の側面メタルゲート型のMIS電界効果トランジスタが形成されている。
したがって、高価なSOIウエハーあるいはSIMOXによるSOI構造を形成せずに、半導体基板上に平易なプロセスにより、1側面にゲート酸化膜を介しゲート電極を有し、対向する側面に絶縁膜を有する微小な部分エピタキシャル半導体層を疑似SOI基板とする横型側面動作のMIS電界効果トランジスタを形成することができる。また成長する部分エピタキシャル半導体層の表面占有面積を極めて微小に形成できるため、完全空乏型の疑似SOI基板及びショートチャネル化が容易に形成できる。また成長する部分エピタキシャルシリコン層の積層厚さにより十分なチャネル幅を高集積に確保することが可能である。またエピタキシャル半導体層にはチャネル領域、極めて微小な高濃度及び低濃度のソースドレイン領域のみを形成し、大部分のソースドレイン領域を不純物領域ではなく、残りの側面及び底面を絶縁膜で周設された低抵抗の導電膜(メタルソースドレイン領域)で形成できるため、ソースドレイン領域の接合容量及び抵抗の低減が可能である。また高誘電率を有するTa2O5 をゲート酸化膜として使用できるため、ゲート酸化膜の厚膜化が可能で、ゲート電極とエピタキシャル半導体層間の微少な電流リークの改善及びゲート容量の低減も可能である。また不純物領域の活性化に高温の熱処理が必要なソースドレイン領域をゲート電極の形成前に形成できることにより、半導体層である多結晶シリコン膜を使用せずに、低抵抗な低融点金属からなるゲート電極を形成できるため、ゲート電極配線の低抵抗化が可能である。また薄膜の疑似SOI基板にゲート構造を形成しているので、SOI基板を完全に空乏化できるため、反転層と基板との間の空乏層容量を無くすことが可能であり、また金属からなるゲート電極使用により、ゲート電極での空乏層容量も除去できるので、ゲート電極に加えた電圧がゲート電極と反転層の間だけに印加できることになり、サブスレッショルド特性を改善できるので閾値電圧を低減でき、低電力化を可能にすることもできる。また素子分離領域の絶縁膜、エピタキシャル半導体層、メタルソースドレイン領域及びゲート電極部の上面を段差がない連続した平坦面に形成できることにより、極めて信頼性の高い層間絶縁膜及び配線体を形成することも可能となる。またメタルソースドレイン領域及びゲート電極への配線体との接続を微細な面積で表面から容易に形成することも可能である。
即ち、高速、低電力、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つ半導体集積回路の形成を可能とする部分エピタキシャル半導体層によるラテラル疑似SOI構造の側面メタルゲート型のMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
【0006】
【実施例】
以下本発明を、図示実施例により具体的に説明する。
図1は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式平面図、図2は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式側断面図(p−p矢視断面図)、図3は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式側断面図(q−q矢視断面図)、図4は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式側断面図(r−r矢視断面図)、図5は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例の模式平面図、図6は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例の模式側断面図(q−q矢視断面図)、図7は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例の模式平面図、図8は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例の模式側断面図(q−q矢視断面図)、図9は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例の模式平面図、図10は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例の模式側断面図(p−p矢視断面図)、図11は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第5の実施例の模式側断面図、図12は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第6の実施例の模式側断面図、図13は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模式平面図、図14は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模式側断面図(p−p矢視断面図)、図15は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模式側断面図(q−q矢視断面図)、図16〜図21は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図である。
全図を通じ同一対象物は同一符号で示す。ただし、側断面図における斜線は主要な絶縁膜のみに記載し、破線は図面をわかりやすくするために加えたもので、紙面に垂直方向の若干手前あるいは奥にある物を表している。また発明の要部を示すため、水平方向及び垂直方向のサイズは正確な寸法を示していない。
図1〜図4は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例(図1は模式平面図、図2はp−p矢視断面図、図3はq−q矢視断面図、図4はr−r矢視断面図)で、p型のシリコン基板上に成長した部分エピタキシャルシリコン層を疑似SOI基板として形成したショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1は1015cm-3程度のp型のシリコン基板、2は素子分離領域の絶縁膜兼メタルソースドレイン領域及びゲート電極下の絶縁膜(SiO2)、3は表面が縦100nm 横120nm 程度の矩形状のp型のエピタキシャルシリコン層、4は1017cm-3程度のn型ソースドレイン領域、5は1020cm-3程度のn+ 型ソースドレイン領域、6は20nm程度のバリアメタル(TiN )、7は深さ5μm程度の導電膜(メタルソースドレイン領域、W)、8は12nm程度のゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5 )、9は20nm程度のバリアメタル(TiN )、10はゲート長120 nm程度のゲート電極(Al)、11は600 nm程度の燐珪酸ガラス(PSG )膜、12は20nm程度のバリアメタル(TiN )、13は導電プラグ(W)、14は50nm程度のバリアメタル(TiN )、15は500 nm程度のAlCu配線、16は50nm程度のバリアメタル(TiN )を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1上に積層された酸化膜2に選択的に設けられたp型のシリコン基板1の露出部にp型のエピタキシャルシリコン層3が設けられ、このエピタキシャルシリコン層3の対向する2側面の一部に接し、絶縁膜2の一部に設けられた一対の第1の開孔部を埋め込んだ、バリアメタル(TiN )6を有する導電膜(メタルソースドレイン領域、W)7が設けられ、バリアメタル6を有する導電膜7とエピタキシャルシリコン層3の接触部にn+ 型及びn型のソースドレイン領域(4、5)が設けられ、エピタキシャルシリコン層3の残りの1側面の一部に接し、エピタキシャルシリコン層3よりやや幅広く且つ第1の開孔部より深く、絶縁膜2の一部に設けられた第2の開孔部の側面及び底面にゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5 )8が設けられ、このゲート酸化膜8を介してバリアメタル(TiN )9を有するゲート電極(Al)10が第2の開孔部に平坦に埋め込まれており、エピタキシャルシリコン層3の残りの側面、バリアメタル6を有する導電膜7の底面及び残りの側面且つゲート酸化膜8を介してバリアメタル9を有するゲート電極10の底面及び残りの側面に酸化膜2が周設されているラテラル疑似SOI構造の側面メタルゲート型のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。またメタルソースドレイン領域及びゲート電極における配線体との電極コンタクト部は共にエピタキシャルシリコン層の幅より広く形成されている。(本願発明におけるメタルソースドレイン領域とは、シリコン半導体基板に形成した不純物領域と金属膜との化合物[サリサイド]からなる慣例的なメタルソースドレイン領域とは異なり不純物領域を含まない金属膜又は合金膜のみの領域である。)
したがって、高価なSOIウエハーあるいはSIMOXによるSOI構造を形成せずに、半導体基板上に平易なプロセスにより、1側面にゲート酸化膜を介しゲート電極を有し、対向する側面に絶縁膜を有する微小な部分エピタキシャルシリコン層を疑似SOI基板とする横型側面動作のMIS電界効果トランジスタを形成することができる。また成長する部分エピタキシャルシリコン層の表面占有面積を極めて微小に形成できるため、完全空乏型の疑似SOI基板及びショートチャネル化が容易に形成できる。(表面の1方向がチャネル長を規定[厳密には不純物ソースドレイン領域の間隔により画定]し、垂直方向が完全空乏型が可能なSOI基板厚を規定する。)また成長する部分エピタキシャルシリコン層の積層厚さにより十分なチャネル幅を高集積に確保することが可能である。(メタルソースドレイン領域の深さにより、チャネル幅を規定し、厳密には不純物ソースドレイン領域の深さにより画定する。)またエピタキシャルシリコン層にはチャネル領域、極めて微小な高濃度及び低濃度のソースドレイン領域のみを形成し、大部分のソースドレイン領域を不純物領域ではなく、残りの側面及び底面を絶縁膜で周設された低抵抗の導電膜(メタルソースドレイン領域)で形成できるため、ソースドレイン領域の接合容量及び抵抗の低減が可能である。また高誘電率を有するTa2O5 をゲート酸化膜として使用できるため、ゲート酸化膜の厚膜化が可能で、ゲート電極とエピタキシャルシリコン層間の微少な電流リークの改善及びゲート容量の低減も可能である。また不純物領域の活性化に高温の熱処理が必要なソースドレイン領域をゲート電極の形成前に形成できることにより、半導体層である多結晶シリコン膜を使用せずに、低抵抗な低融点金属(Al)からなるゲート電極を形成できるため、ゲート電極配線の低抵抗化が可能である。また薄膜の疑似SOI基板にゲート構造を形成しているので、SOI基板を完全に空乏化できるため、反転層と基板との間の空乏層容量を無くすことが可能であり、また金属からなるゲート電極使用により、ゲート電極での空乏層容量も除去できるので、ゲート電極に加えた電圧がゲート電極と反転層の間だけに印加できることになり、サブスレッショルド特性を改善できるので閾値電圧を低減でき、低電力化を可能にすることもできる。また素子分離領域の絶縁膜、エピタキシャルシリコン層、メタルソースドレイン領域及びゲート電極部の上面を段差がない連続した平坦面に形成できることにより、極めて信頼性の高い層間絶縁膜及び配線体を形成することも可能となる。またメタルソースドレイン領域及びゲート電極への配線体との接続を微細な面積で表面から容易に形成することも可能である。
この結果、高価なSOI構造を有する半導体基板を使用することなく、半導体基板に形成した部分エピタキシャル半導体層を疑似SOI基板として使用することにより、高速、低電力、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つ部分エピタキシャル半導体層によるラテラル疑似SOI構造の側面メタルゲート型のMIS電界効果トランジスタを形成することができる。
【0007】
図5及び図6は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例(図5は模式平面図、図6はq−q矢視断面図)で、p型のシリコン基板上に成長した部分エピタキシャルシリコン層を疑似SOI基板として形成したショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜16は第1の実施例と同じ物を示している。
同図においては、エピタキシャルシリコン層3の両側面にゲート酸化膜8を介してバリアメタル(TiN )9を有するゲート電極(Al)10が設けられている以外は第1の実施例と同じ構造のショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においては、第1の実施例と同じ効果を得ることができる以外に、反対側面におけるサイドチャネルの発生による微少な電流リーク(通常のSOI構造のMIS電界効果トランジスタにおいては構造上制御が難しい、バックチャネルの発生による微少な電流リークに相当)を容易に防止できるばかりでなく、ゲート電極で制御されたチャネルを両側面に形成できるために、より多くの電流を流すことができ、より高速化が可能となる。
【0008】
図7及び図8は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例(図7は模式平面図、図8はq−q矢視断面図)で、p型のシリコン基板上に成長した部分エピタキシャルシリコン層を疑似SOI基板として形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むC−MOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜16は第1の実施例と同じ物を、17はn型のエピタキシャルシリコン層、18はp+ 型ソースドレイン領域を示している。
同図においては、バリアメタル9を有する共通のゲート電極10を設け、第1の実施例と全く同一構造のNチャネルのMIS電界効果トランジスタがp型のシリコン基板1に部分的に形成されたp型のエピタキシャルシリコン層3に形成され、ホットキャリア効果が生じないため、低濃度ソースドレイン領域を除去した以外は同じ構造のPチャネルのMIS電界効果トランジスタがp型のシリコン基板1に部分的に形成されたn型のエピタキシャルシリコン層17に形成されている。図示されてはいないが、ゲート電極がp型のエピタキシャルシリコン層3及びn型のエピタキシャルシリコン層17の両側面に存在してもよい。
本実施例においては、C−MOS型半導体集積回路に関しても、第1の実施例と同じ効果を得ることができ、また半導体基板に形成する慣例的なツインタブによるC−MOS型半導体集積回路に比較し、より高集積に形成できる。
【0009】
図9及び図10は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例(図9は模式平面図、図10はp−p矢視断面図)で、p型のシリコン基板上に成長した部分エピタキシャルシリコン層を疑似SOI基板として形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むC−MOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜18は第1及び第3の実施例と同じ物を、7aはメタルドレイン領域、7bはメタルソース領域を示している。
同図においては、レイアウトは異なるが、第3の実施例と同じ構造のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されているのみならず、NチャネルのMIS電界効果トランジスタとPチャネルのMIS電界効果トランジスタとを分離する絶縁膜による素子分離領域を形成せずに異チャネル間に共通のメタルドレイン領域7a を形成した極めて高集積なC−MOSの基本回路(C−MOSのインバータ等に有効)が形成されている。図示されてはいないが、ゲート電極がp型のエピタキシャルシリコン層3及びn型のエピタキシャルシリコン層17の両側面に存在してもよい。
本実施例においては、C−MOS型半導体集積回路に関しても、第1の実施例と同じ効果を得ることができるばかりでなく、極めて高集積なC−MOS型半導体集積回路を得ることが可能となる。
【0010】
図11は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第5の実施例の模式側断面図で、p型のシリコン基板上に成長した部分エピタキシャルシリコン層を疑似SOI基板として形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むC−MOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜18は第1及び第3の実施例と同じ物を、19はp型不純物領域、20はn型不純物領域を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1に選択的に設けられたp型不純物領域上に形成されたp型のエピタキシャルシリコン層3に第1の実施例と全く同一構造のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成され、p型のシリコン基板1に選択的に設けられたn型不純物領域上に形成されたn型のエピタキシャルシリコン層17にホットキャリア効果が生じないため、低濃度ソースドレイン領域を除去した以外は同じ構造のPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されており、エピタキシャルシリコン層を成長する際の不純物のはい上がった領域(19、20)をそれぞれのチャネルストッパーとして微少な電流リークを防止したものである。 本実施例においては、C−MOS型半導体集積回路に関しても、第1の実施例と同じ効果を得ることができ、また微少な電流リークを防止でき、さらなる高信頼性を可能にすることができる。
【0011】
図12は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第6の実施例の模式側断面図で、p型のシリコン基板上に成長した部分エピタキシャルシリコン層を疑似SOI基板として形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むC−MOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜18は第1及び第3の実施例と同じ物を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1上に形成されたp型のエピタキシャルシリコン層3に第1の実施例と全く同一構造のNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成され、p型のシリコン基板1上に形成されたn型のエピタキシャルシリコン層17にホットキャリア効果が生じないため、低濃度ソースドレイン領域を除去した以外は同じ構造で、バリアメタル6を有するメタルソースドレイン領域7及びp+ ソースドレイン領域18を深く形成しているPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においては、C−MOS型半導体集積回路に関しても、第1の実施例と同じ効果を得ることができ、またキャリアの移動度が小さいPチャネルのMIS電界効果トランジスタにおいて、集積度を低下させずに、チャネル幅を稼ぐことができ、さらなる高速化を可能にすることができる。
【0012】
図13〜図15は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例(図13は模式平面図、図14はp−p矢視断面図、図15はq−q矢視断面図)で、p型のシリコン基板上に成長した部分エピタキシャルシリコン層を疑似SOI基板として形成したショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜16は第1の実施例と同じ物を示している。
同図においては、ゲート電極幅がバリアメタル6を有する一対のメタルソースドレイン領域7により、p型のエピタキシャルシリコン層に自己整合して形成されている以外は第2の実施例と同じ構造のショートチャネルのNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においては、第1及び第2の実施例と同じ効果を得ることができる以外に、ゲート電極とメタルソースドレイン領域間の容量はやや増加するが、ゲート電極幅及びメタルソースドレイン領域幅の微細化が可能で、より高集積化が可能となる。
【0013】
次いで本発明に係るMIS電界効果トランジスタの製造方法の一実施例について図16〜図21及び図2を参照して説明する。ただし、ここでは本発明のMIS電界効果トランジスタの形成に関する製造方法のみを記述し、一般の半導体集積回路に搭載される各種の素子(他のトランジスタ、抵抗、容量等)の形成に関する製造方法の記述は省略する。
図16
p型のシリコン基板1に化学気相成長により、6 μm 程度の酸化膜(SiO2)2を成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、第1のレジスト(図示せず)をマスク層として、酸化膜(SiO2)2を選択的に5μm程度異方性ドライエッチングする。次いで第1のレジスト(図示せず)はそのままで、選択的に開孔した第2のレジスト(図示せず)を形成し、第1及び第2のレジスト(図示せず)をマスク層として、残された酸化膜(SiO2)2を選択的に1μm程度異方性ドライエッチングし、p型のシリコン基板1の一部を露出する。次いで第1及び第2のレジスト(図示せず)を除去する。こうして2段構造を持つ酸化膜(SiO2)2を形成する。
図17
次いで露出したp型のシリコン基板1上にp型のエピタキシャルシリコン層3を酸化膜(SiO2)2の上段の上面より高くなるように成長する。次いで燐を斜めイオン注入する。連続して砒素を斜めイオン注入する。(この際、閾値電圧を制御するための硼素のイオン注入をおこなってもよい。)
図18
次いで酸化膜(SiO2)2の上段の上面がやや削れるくらいまでp型のエピタキシャルシリコン層3を化学的機械研磨(hemical echanic−al olishing 以後CMPと略称する)する。(酸化膜2の上段の上面より突出した部分のエピタキシャルシリコン層3には全側面及び上面に不純物が導入されてしまうので、対向する2側面以外の不純物導入領域を除去できる程度にエピタキシャルシリコン層3を化学的機械研磨する。)次いで800 ℃程度でN2アニールを加えることにより、拡散係数の差を利用して若干横方向に拡散させ、n型ソースドレイン領域4及びn+ 型ソースドレイン領域5を形成する。
図19
次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN 6を20nm程度成長する。次いで化学気相成長により、タングステン膜(W)7を開孔部に十分埋め込める程度成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、W及びTiN を開孔部に埋め込み、n型ソースドレイン領域4及びn+ 型ソースドレイン領域5が形成されたp型のエピタキシャルシリコン層3の両側にバリアメタル6を有するメタルソースドレイン領域(W)7を形成する。
図20
次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)、バリアメタル6を有するメタルソースドレイン領域(W)7及びp型のエピタキシャルシリコン層3をマスク層として、選択的に酸化膜(SiO2)2を5.5μm 程度異方性ドライエッチングする。(少なくともメタルソースドレイン領域に接して形成されたn+ 型ソースドレイン領域5及びn型ソースドレイン領域4より深くなるようにゲート電極形成用の開孔部を形成する。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで12nm程度のゲート酸化膜8(SiO2/Ta2O5 )を成長する。次いで20nm程度のバリアメタル(TiN )9及びゲート電極となるAl10を連続スパッタにより成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ゲート電極用の開孔部に平坦に埋め込み、ゲート酸化膜8(SiO2/Ta2O5 )、バリアメタル(TiN )9及びゲート電極(Al)10からなる埋め込み側面ゲート電極構造を形成する。 図21
次いで化学気相成長により、500 nm程度の燐珪酸ガラス(PSG )膜11を成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、選択的にPSG膜11を異方性ドライエッチングしてビアを開孔する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN 12を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン膜13を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ビアに埋め込み、導電プラグ(W)13を形成する。
図2
次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN 14を50nm程度成長する。次いでスパッタにより、配線となるAl(数%のCuを含む)15を500 nm程度成長する。次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN 16を50nm程度成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層として、バリアメタル(TiN )、Al(数%のCuを含む)及びバリアメタル(TiN )を異方性ドライエッチングしてAlCu配線15を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去し、本願発明の部分エピタキシャルシリコン層を有するラテラル疑似SOI構造の側面メタルゲート型のMIS電界効果トランジスタを完成する。
なお上記説明においては、p型シリコン基板にp型のエピタキシャルシリコン層を形成する場合を説明しているが、n型シリコン基板にn型のエピタキシャルシリコン層を形成してもよいし、シリコン基板に限らず、化合物半導体基板を使用してもよい。またメタルソースドレイン領域、ゲート電極、バリアメタル、導電プラグ、配線等は上記実施例に限定されず、同様の特性を有する材料であればどのような材料を使用しても差し支えない。
【0014】
【発明の効果】
以上説明のように本発明によれば、半導体基板上に積層された絶縁膜に選択的に開孔された半導体基板の露出部上に積層された微細なエピタキシャル半導体層を、慣例的な垂直方向のSOI基板ではなく、横方向(ラテラル)の完全空乏型の疑似SOI基板とし、この疑似SOI基板に微小な低濃度及び高濃度の不純物ソースドレイン領域が形成され、大部分のソースドレイン領域が高濃度のソースドレイン領域に接する一対の金属層(メタルソースドレイン領域)で形成され、疑似SOI基板の1側面にゲート絶縁膜を介して金属層からなるゲート電極が形成され、疑似SOI基板の反対側面に絶縁膜が形成(あるいは対向する両側面ともゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成)され、メタルソースドレイン領域及びゲート電極の残りの側面及び底面に絶縁膜が周設されているラテラル疑似SOI構造のメタルゲート型のMIS電界効果トランジスタが形成されている。
したがって、高価なSOIウエハーあるいはSIMOXによるSOI構造を形成せずに、半導体基板上に平易なプロセスにより、1側面にゲート酸化膜を介しゲート電極を有し、対向する側面に絶縁膜を有する微小な部分エピタキシャル半導体層を疑似SOI基板とする横型側面動作のMIS電界効果トランジスタを形成することができる。また成長する部分エピタキシャル半導体層の厚さにより十分なチャネル幅を高集積に確保することが可能である。また絶縁膜が周設された導電膜及び微小な不純物領域によりソースドレイン領域を形成できるため、ソースドレイン領域の接合容量及び抵抗の低減が可能である。また厚膜の高誘電率を有するTa2O5 をゲート酸化膜として使用できるため、ゲート電極とエピタキシャル半導体層間の微少な電流リークの改善及びゲート容量の低減も可能である。また低抵抗な低融点金属からなるゲート電極を形成できるため、ゲート電極配線の低抵抗化も可能である。また薄膜の疑似SOI基板にゲート構造を形成しているので、疑似SOI基板を完全に空乏化できること及び金属からなるゲート電極を使用できること等より疑似SOI基板及びゲート電極の空乏層容量を除去できるので、ゲート電極に加えた電圧がゲート電極と反転層の間だけに印加できることになり、サブスレッショルド特性を改善できるので閾値電圧を低減でき、低電力化を可能にすることもできる。また素子分離領域の絶縁膜、エピタキシャル半導体層、メタルソースドレイン領域及びゲート電極部の上面を段差がない連続した平坦面に形成できることにより、極めて信頼性の高い層間絶縁膜及び配線体を形成することも可能となる。またメタルソースドレイン領域及びゲート電極への配線体との接続を微細な面積で表面から容易に形成することも可能である。またエピタキシャル半導体層の両側面にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成すれば、ゲート電極で完全に制御されたチャネルを両側面に形成できるために、より多くの電流を流すことができ、より高速化が可能となる。
即ち、高速、低電力、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つ半導体集積回路の形成を可能とする部分エピタキシャル半導体層によるラテラル疑似SOI構造の側面メタルゲート型のMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式平面図
【図2】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式側断面図(p−p矢視断面図)
【図3】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式側断面図(q−q矢視断面図)
【図4】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式側断面図(r−r矢視断面図)
【図5】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例の模式平面図
【図6】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例の模式側断面図(q−q矢視断面図)
【図7】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例の模式平面図
【図8】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例の模式側断面図(q−q矢視断面図)
【図9】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例の模式平面図
【図10】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例の模式側断面図(p−p矢視断面図)
【図11】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第5の実施例の模式側断面図
【図12】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第6の実施例の模式側断面図
【図13】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模式平面図
【図14】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模式側断面図(p−p矢視断面図)
【図15】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模式側断面図(q−q矢視断面図)
【図16】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図17】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図18】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図19】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図20】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図21】 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける製造方法の一実施例の工程断面図
【図22】 従来のMIS電界効果トランジスタの模式側断面図
【符号の説明】
1 p型のシリコン(Si)基板
2 素子分離領域の絶縁膜兼メタルソースドレイン領域及びゲート電極下の絶縁膜(SiO2
3 p型エピタキシャルシリコン層
4 n型ソースドレイン領域
5 n+ 型ソースドレイン領域
6 バリアメタル(TiN )
7 メタルソースドレイン領域(W)
7a メタルドレイン領域(W)
7b メタルソース領域(W)
8 ゲート酸化膜(SiO2/Ta2O5
9 バリアメタル(TiN )
10 ゲート電極(Al)
11 燐珪酸ガラス(PSG )膜
12 バリアメタル(TiN )
13 導電プラグ(W)
14 バリアメタル(TiN )
15 AlCu配線
16 バリアメタル(TiN )
17 n型エピタキシャルシリコン層
18 p+ 型ソースドレイン領域
19 p型不純物領域
20 n型不純物領域
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit having an SOI structure. In particular, a low-cost pseudo SOI substrate is formed on a semiconductor substrate (bulk wafer) by an easy manufacturing process, and high speed, low power, high reliability is formed on the pseudo SOI substrate. In addition, the present invention relates to forming a semiconductor device including a highly integrated short channel MIS field effect transistor.
Conventionally, as for a semiconductor device having an SOI structure, a semiconductor integrated circuit using a so-called bonded SOI wafer in which a semiconductor substrate having a uniform single crystal is bonded to another semiconductor substrate through an oxide film is being put into practical use. The disadvantage is that the yield is poor due to the use of two semiconductor substrates and the need to form an extremely thin SOI substrate in order to completely deplete, and the commercially available bonded SOI wafer is extremely expensive. There is.
In addition, in the formation of an SOI substrate by the so-called SIMOX method in which oxygen ions are implanted into a normal semiconductor substrate (bulk wafer) and an oxide film is formed inside the bulk wafer by high-temperature heat treatment, an expensive high-dose ion implantation machine is purchased. However, there are disadvantages such as high costs due to a long manufacturing process and instability of characteristics in the use of a large-diameter wafer.
At present, ignoring the problem of high cost, it has been put into practical use only for portable devices and analog / digital mixed system LSIs that require extremely high speed and low power consumption, both of which are conventional using SOI wafers. An LDD-structured short channel MIS field-effect transistor using a sidewall is formed on an SOI substrate separated by an insulating film. The speed is increased by reducing junction capacitance, depletion layer capacitance, threshold voltage, etc. It is designed to reduce power consumption, but on the other hand, since it is formed on a thin-film SOI substrate, the contact resistance of the source / drain region is increased and the resistance of each element is not reduced. However, there was a drawback that speeding up was not achieved. Further, when a voltage different from the voltage applied to the gate electrode is applied to the conductor (semiconductor substrate or lower layer wiring) under the SOI substrate, a minute back channel leak generated at the bottom of the SOI substrate cannot be prevented. There was also a drawback that reliability was not achieved.
Therefore, an SOI structure can be formed by a low-cost and easy process that enables the manufacture of a semiconductor integrated circuit for high-speed and large-capacity communication or a portable information terminal, and further high integration, high speed, low power, and high performance are achieved. There is a need for means capable of forming short channel MIS field effect transistors that can be achieved.
[0002]
[Prior art]
FIG. 22 is a schematic cross-sectional side view of a conventional semiconductor device, showing a part of a semiconductor integrated circuit including an N-channel MIS field effect transistor having an SOI structure formed by using a bonded SOI wafer. Type silicon substrate, 52 a bonding oxide film, 53 a p-type SOI substrate, 54 an element isolation region forming trench and a buried oxide film, 55 an n-type source / drain region, and 56 an n-type + Type source / drain region 57 is a gate oxide film (SiO 2 ), 58 is a gate electrode (WSi / PolySi), 59 is a base oxide film, and 60 is a side wall (SiO 2). 2 ), 61 is an oxide film for impurity blocking, 62 is a BPSG film, 63 is a barrier metal (Ti / TiN), 64 is a plug (W), 65 is a barrier metal (Ti / TiN), 66 is an AlCu wiring, and 67 is a barrier Metal (Ti / TiN) is shown.
In the figure, a thin film p-type SOI substrate 53 bonded to a p-type silicon substrate 51 via an oxide film 52 and insulated and isolated in an island shape by a trench for forming an element isolation region and a buried oxide film 54. In this p-type SOI substrate 53, an N-channel LDD MIS field effect transistor is formed.
Accordingly, the junction capacitance can be reduced by forming a source / drain region surrounded by an insulating film, the depletion layer capacitance can be reduced by completely depleting the SOI substrate, and the threshold voltage can be reduced by improving the subthreshold characteristics. Compared with a semiconductor integrated circuit formed of a MIS field effect transistor formed on a normal bulk wafer by removing the contact region to the semiconductor substrate, it is possible to increase the speed, reduce the power, and increase the integration.
However, since it is formed on a thin SOI substrate, the contact resistance in the source / drain region increases and the resistance of each element has not been reduced. There was a drawback.
Further, when a voltage different from the voltage applied to the gate electrode is applied to the conductor (semiconductor substrate or lower layer wiring) under the SOI substrate, a minute back channel leak generated at the bottom of the SOI substrate cannot be prevented. There was also a drawback that reliability was not achieved.
Furthermore, in order to create such an SOI structure, it is necessary to purchase a bonded SOI wafer that is commercially available, and even if it depends on the cost reduction technology of the wafer manufacturer, it is three times higher than the bulk wafer in the mass production stage. There was a drawback that the cost was extremely high, about 5 times.
Further, as another means for creating an SOI structure, even if a bulk wafer is used, an oxide film is formed inside the bulk wafer by injecting oxygen ions and performing high-temperature heat treatment, so-called SIMOX method of forming an SOI substrate, High cost due to having to purchase a very expensive high dose ion implantation machine and requiring a long manufacturing process to implant high doses of oxygen, or as large as 10 to 12 inches There are drawbacks such as instability of characteristics due to repair of crystal defects by oxygen ion implantation in the use of a diameter wafer.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved by the present invention is that, as shown in the prior art, in order to obtain a MIS field effect transistor with improved high speed, a fully depleted thin film SOI substrate is required. Since the source / drain region is formed in the SOI substrate, it is inevitable that the SOI substrate forming the source / drain region is over-etched when the interlayer insulating film for forming the conductive plug is etched. Although contact can be made, the contact resistance of the source / drain region increases, and although the capacitance can be reduced, the resistance of the thin source / drain region and the resistance of the gate electrode cannot be reduced, etc. High speed could not be achieved, when forming C-MOS or applied to gate electrode under SOI substrate When there is a lower layer wiring to which a voltage different from the voltage is applied, high reliability due to the inability to prevent back channel leakage was not obtained, and even when a bonded SOI wafer was used to form an SOI structure Alternatively, even if an SOI substrate is formed by the SIMOX method, the current technology increases the cost considerably, so it can be used only for high value-added special-purpose products, and the technology applicable to inexpensive general-purpose products is scarce. That is.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The above problem is that a semiconductor substrate, a semiconductor layer selectively stacked on the semiconductor substrate, and a pair of opposing conductive films provided in contact with part of two opposing side surfaces of the semiconductor layer ( Part of source / drain region) And the conductive film ( Part of source / drain region) Impurities provided in the semiconductor layer in contact with each other Source drain A region, a gate electrode provided on at least one remaining side surface of the semiconductor layer via a gate insulating film, the semiconductor layer, the conductive film ( Part of source / drain region) And an insulating film provided around the remaining side surface and bottom surface of the gate electrode. A side surface where the semiconductor layer and the conductive film (a part of the source / drain region) are in contact with each other, and the insulating layer provided immediately below the semiconductor layer and the conductive film (a part of the source / drain region). The insulating film provided on the side surface of the semiconductor layer, the conductive film (a part of the source / drain region), the side surface of the conductive film (a part of the source / drain region), The top surface of the gate electrode has the same height This is solved by the MIS field effect transistor of the present invention.
[0005]
[Operation]
That is, in the main MIS field effect transistor of the present invention, an epitaxial semiconductor layer is provided on the exposed portion of the semiconductor substrate selectively provided on the insulating film laminated on the semiconductor substrate, and the epitaxial semiconductor layer is opposed to the epitaxial semiconductor layer. A conductive film having a barrier metal (metal source / drain region), which is in contact with a part of the two side surfaces and embeds a pair of first openings provided in a part of the insulating film, is provided. High-concentration and low-concentration source / drain regions are provided in contact portions between the film and the epitaxial semiconductor layer, are in contact with a part of the remaining one side surface of the epitaxial semiconductor layer, are slightly wider than the epitaxial semiconductor layer, and the first opening portion Deeper, a gate insulating film is provided on the side surface and bottom surface of the second opening provided in a part of the insulating film, and the barrier is interposed through the gate insulating film. A gate electrode having a tar is embedded in the second opening portion flatly, and the barrier metal is formed through the remaining side surface of the epitaxial semiconductor layer, the bottom surface and the remaining side surface of the conductive film having the barrier metal, and the gate insulating film. Lateral pseudo SOI structure in which an insulating film is provided on the bottom surface and the remaining side surface of the gate electrode (which is not a conventional SOI structure in which islands are separated by an insulating film in the vertical direction, but a part thereof is directly connected to the substrate. A side-gate metal gate type MIS field effect transistor having a pseudo SOI structure that is insulated and isolated in the lateral direction and having almost no element characteristics) is formed.
Therefore, without forming an expensive SOI wafer or an SOI structure by SIMOX, a gate electrode is formed on one side with a gate oxide film and an insulating film is formed on the opposite side by a simple process on a semiconductor substrate. It is possible to form a lateral side operation MIS field effect transistor using a partially epitaxial semiconductor layer as a pseudo SOI substrate. Further, since the surface occupation area of the growing partial epitaxial semiconductor layer can be formed very minutely, a fully depleted pseudo SOI substrate and a short channel can be easily formed. Further, a sufficient channel width can be ensured with high integration by the thickness of the grown partial epitaxial silicon layer. In the epitaxial semiconductor layer, only the channel region, very minute high-concentration and low-concentration source / drain regions are formed, and most of the source / drain regions are not impurity regions, and the remaining side surfaces and bottom surfaces are surrounded by insulating films. In addition, since it can be formed of a low resistance conductive film (metal source / drain region), the junction capacitance and resistance of the source / drain region can be reduced. Ta with high dielectric constant 2 O Five Can be used as the gate oxide film, so that the gate oxide film can be thickened, and a slight current leakage between the gate electrode and the epitaxial semiconductor layer can be improved and the gate capacity can be reduced. In addition, since a source / drain region that requires high-temperature heat treatment to activate the impurity region can be formed before forming the gate electrode, a gate made of a low-resistance, low-melting-point metal can be used without using a polycrystalline silicon film as a semiconductor layer. Since the electrode can be formed, the resistance of the gate electrode wiring can be reduced. Further, since the gate structure is formed on the thin pseudo-SOI substrate, the SOI substrate can be completely depleted, so that the depletion layer capacitance between the inversion layer and the substrate can be eliminated, and the gate made of metal. By using the electrode, the depletion layer capacitance at the gate electrode can also be removed, so that the voltage applied to the gate electrode can be applied only between the gate electrode and the inversion layer, and the subthreshold characteristic can be improved, so that the threshold voltage can be reduced, It is also possible to reduce power consumption. In addition, the insulating film in the element isolation region, the epitaxial semiconductor layer, the metal source / drain region, and the upper surface of the gate electrode portion can be formed on a continuous flat surface having no step, thereby forming an extremely reliable interlayer insulating film and wiring body. Is also possible. It is also possible to easily form a metal source / drain region and a connection to the gate electrode from the surface with a fine area.
That is, a lateral metal gate type MIS field effect transistor having a lateral pseudo-SOI structure using a partial epitaxial semiconductor layer that can form a semiconductor integrated circuit having high speed, low power, high reliability, high performance, and high integration can be obtained. .
[0006]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
FIG. 1 is a schematic plan view of a first embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and FIG. 2 is a schematic side sectional view of the first embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention (cross-sectional view taken along the line pp). 3 is a schematic side sectional view of the first embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention (qq arrow sectional view), and FIG. 4 is a diagram of the first embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention. FIG. 5 is a schematic plan view of a second embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and FIG. 6 is a second embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention. FIG. 7 is a schematic plan view of a third embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and FIG. 8 is a third plan view of the MIS field effect transistor of the present invention. Examples of FIG. 9 is a schematic plan view of a fourth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and FIG. 10 is a fourth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention. FIG. 11 is a schematic side sectional view of a fifth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and FIG. 12 is a schematic side sectional view of the MIS field effect transistor of the present invention. FIG. 13 is a schematic plan view of a seventh embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and FIG. 14 is a schematic side view of the seventh embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention. FIG. 15 is a schematic side sectional view (qq arrow sectional view) of the seventh embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and FIGS. MIS of the invention It is a process cross-sectional view of one embodiment of a manufacturing method in the field effect transistor.
Throughout the drawings, the same object is denoted by the same reference numeral. However, the oblique lines in the side sectional view are shown only on the main insulating film, and the broken lines are added for easy understanding of the drawings, and represent objects slightly in front of or behind the paper in the direction perpendicular to the paper surface. Moreover, in order to show the principal part of invention, the size of the horizontal direction and the vertical direction does not show the exact dimension.
1 to 4 show a first embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention (FIG. 1 is a schematic plan view, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a line pp, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along a line q-q, 4 is a cross-sectional view taken along the line r-r), and is a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field effect transistor in which a partial epitaxial silicon layer grown on a p-type silicon substrate is formed as a pseudo SOI substrate. 1 is 10 15 cm -3 P-type silicon substrate, 2 is an insulating film serving as an element isolation region, a metal source / drain region, and an insulating film (SiO 2 below the gate electrode) 2 ) 3 is a rectangular p-type epitaxial silicon layer having a surface of about 100 nm in length and 120 nm in width, 4 is 10 17 cm -3 N-type source / drain region, 5 is 10 20 cm -3 Degree n + Type source / drain region 6 is a barrier metal (TiN) of about 20 nm, 7 is a conductive film (metal source / drain region, W) having a depth of about 5 μm, and 8 is a gate oxide film (SiO 2) of about 12 nm. 2 / Ta 2 O Five ), 9 is a barrier metal (TiN) of about 20 nm, 10 is a gate electrode (Al) having a gate length of about 120 nm, 11 is a phosphosilicate glass (PSG) film of about 600 nm, and 12 is a barrier metal (TiN) of about 20 nm. ), 13 is a conductive plug (W), 14 is a barrier metal (TiN) of about 50 nm, 15 is an AlCu wiring of about 500 nm, and 16 is a barrier metal (TiN) of about 50 nm.
In the figure, a p-type epitaxial silicon layer 3 is provided on an exposed portion of a p-type silicon substrate 1 selectively provided on an oxide film 2 stacked on a p-type silicon substrate 1. A conductive film (metal source / drain region) having a barrier metal (TiN) 6 embedded in a pair of first opening portions provided in a part of the insulating film 2 in contact with a part of two opposite side surfaces of the layer 3 , W) 7 is provided, and the contact portion between the conductive film 7 having the barrier metal 6 and the epitaxial silicon layer 3 is n + Type and n type source / drain regions (4, 5) are provided, in contact with a part of the remaining one side surface of the epitaxial silicon layer 3, slightly wider than the epitaxial silicon layer 3 and deeper than the first opening, A gate oxide film (SiO 2 / Ta 2 O Five ) 8 is provided, and the gate electrode (Al) 10 having the barrier metal (TiN) 9 is flatly embedded in the second opening portion through the gate oxide film 8, and the remaining portion of the epitaxial silicon layer 3 is Lateral pseudo in which the oxide film 2 is provided around the side surface, the bottom surface of the conductive film 7 having the barrier metal 6 and the remaining side surface, and the bottom surface and the remaining side surface of the gate electrode 10 having the barrier metal 9 through the gate oxide film 8. An SOI-structure side metal gate type N-channel MIS field effect transistor is formed. Further, both the metal source / drain region and the electrode contact portion with the wiring body in the gate electrode are formed wider than the width of the epitaxial silicon layer. (The metal source / drain region in the present invention is a metal film or alloy film that does not include an impurity region unlike a conventional metal source / drain region made of a compound [salicide] of an impurity region and a metal film formed on a silicon semiconductor substrate. Only area.)
Therefore, without forming an expensive SOI wafer or an SOI structure by SIMOX, a gate electrode is formed on one side with a gate oxide film and an insulating film is formed on the opposite side by a simple process on a semiconductor substrate. A lateral side operation MIS field effect transistor using a partially epitaxial silicon layer as a pseudo SOI substrate can be formed. Further, since the surface occupation area of the growing partial epitaxial silicon layer can be formed very minutely, a fully depleted pseudo SOI substrate and a short channel can be easily formed. (One direction of the surface defines the channel length [strictly defined by the distance between the impurity source and drain regions], and the vertical direction defines the thickness of the SOI substrate that can be completely depleted.) It is possible to ensure a sufficient channel width with high integration by the stacking thickness. (The channel width is defined by the depth of the metal source / drain region, and is strictly defined by the depth of the impurity source / drain region.) The epitaxial silicon layer has a channel region, a very small high-concentration and low-concentration source. Since only the drain region is formed, most of the source / drain region can be formed not by the impurity region but by the low resistance conductive film (metal source / drain region) in which the remaining side and bottom surfaces are surrounded by an insulating film. The junction capacitance and resistance of the region can be reduced. Ta with high dielectric constant 2 O Five Can be used as the gate oxide film, so that the gate oxide film can be thickened, and a slight current leakage between the gate electrode and the epitaxial silicon layer can be improved and the gate capacity can be reduced. In addition, a source / drain region that requires high-temperature heat treatment to activate the impurity region can be formed before forming the gate electrode, so that a low-resistance low-melting-point metal (Al) can be used without using a polycrystalline silicon film as a semiconductor layer. Therefore, the resistance of the gate electrode wiring can be reduced. Further, since the gate structure is formed on the thin pseudo-SOI substrate, the SOI substrate can be completely depleted, so that the depletion layer capacitance between the inversion layer and the substrate can be eliminated, and the gate made of metal. By using the electrode, the depletion layer capacitance at the gate electrode can also be removed, so that the voltage applied to the gate electrode can be applied only between the gate electrode and the inversion layer, and the subthreshold characteristic can be improved, so that the threshold voltage can be reduced, It is also possible to reduce power consumption. In addition, the insulating film in the element isolation region, the epitaxial silicon layer, the metal source / drain region, and the upper surface of the gate electrode portion can be formed on a continuous flat surface having no step, thereby forming an extremely reliable interlayer insulating film and wiring body. Is also possible. It is also possible to easily form a metal source / drain region and a connection to the gate electrode from the surface with a fine area.
As a result, high-speed, low-power, high-reliability, high-performance and high-integration can be achieved by using the partial epitaxial semiconductor layer formed on the semiconductor substrate as a pseudo SOI substrate without using an expensive SOI-structured semiconductor substrate. A lateral metal gate type MIS field effect transistor having a lateral pseudo SOI structure can be formed using a partially epitaxial semiconductor layer.
[0007]
5 and 6 show a second embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention (FIG. 5 is a schematic plan view, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line qq), and a portion grown on a p-type silicon substrate. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field effect transistor in which an epitaxial silicon layer is formed as a pseudo SOI substrate, and reference numerals 1 to 16 denote the same components as those in the first embodiment.
In the figure, the structure is the same as that of the first embodiment except that the gate electrode (Al) 10 having the barrier metal (TiN) 9 is provided on both sides of the epitaxial silicon layer 3 via the gate oxide film 8. A short-channel N-channel MIS field effect transistor is formed.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. In addition, a minute current leak due to the generation of a side channel on the opposite side surface (in the case of a MIS field effect transistor having a normal SOI structure, structural control is possible). Difficult, corresponding to a minute current leak due to the occurrence of a back channel) can be easily prevented, and a channel controlled by the gate electrode can be formed on both sides, so that more current can flow. High speed is possible.
[0008]
7 and 8 show a third embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention (FIG. 7 is a schematic plan view and FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line qq), and a portion grown on a p-type silicon substrate. 1 shows a part of a C-MOS type semiconductor integrated circuit including short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistors formed by using an epitaxial silicon layer as a pseudo SOI substrate. The same thing, 17 is an n-type epitaxial silicon layer, 18 is p + A type source / drain region is shown.
In this figure, a common gate electrode 10 having a barrier metal 9 is provided, and an N-channel MIS field effect transistor having the same structure as that of the first embodiment is partially formed on a p-type silicon substrate 1. A p-channel MIS field effect transistor having the same structure is partially formed on the p-type silicon substrate 1 except that the low-concentration source / drain region is removed. The n-type epitaxial silicon layer 17 is formed. Although not shown, gate electrodes may exist on both side surfaces of the p-type epitaxial silicon layer 3 and the n-type epitaxial silicon layer 17.
In the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained with respect to the C-MOS type semiconductor integrated circuit, and also compared with the conventional twin tab C-MOS type semiconductor integrated circuit formed on the semiconductor substrate. In addition, it can be formed with higher integration.
[0009]
9 and 10 show a fourth embodiment (FIG. 9 is a schematic plan view, FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line pp) of the MIS field-effect transistor of the present invention, and a portion grown on a p-type silicon substrate. 1 shows a part of a C-MOS type semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor in which an epitaxial silicon layer is formed as a pseudo SOI substrate. 7a indicates a metal drain region, and 7b indicates a metal source region.
In this figure, although the layout is different, not only N-channel and P-channel MIS field effect transistors having the same structure as the third embodiment are formed, but also an N-channel MIS field effect transistor and a P-channel MIS. An extremely highly integrated C-MOS basic circuit in which a common metal drain region 7a is formed between different channels without forming an element isolation region by an insulating film that separates a field effect transistor (effective for an inverter of a C-MOS, etc.) ) Is formed. Although not shown, gate electrodes may exist on both side surfaces of the p-type epitaxial silicon layer 3 and the n-type epitaxial silicon layer 17.
In the present embodiment, not only can the same effect as the first embodiment be obtained with respect to the C-MOS type semiconductor integrated circuit, but also an extremely highly integrated C-MOS type semiconductor integrated circuit can be obtained. Become.
[0010]
FIG. 11 is a schematic sectional side view of the fifth embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention. The short channel N channel and P are formed by forming a partial epitaxial silicon layer grown on a p-type silicon substrate as a pseudo SOI substrate. 1 shows a part of a C-MOS type semiconductor integrated circuit including a channel MIS field effect transistor, wherein 1 to 18 are the same as those of the first and third embodiments, 19 is a p-type impurity region, and 20 is an n-type A type impurity region is shown.
In the figure, an N-channel MIS electric field having the same structure as that of the first embodiment is formed on a p-type epitaxial silicon layer 3 formed on a p-type impurity region selectively provided on a p-type silicon substrate 1. Since the effect transistor is formed and the hot carrier effect does not occur in the n-type epitaxial silicon layer 17 formed on the n-type impurity region selectively provided on the p-type silicon substrate 1, the low concentration source / drain region is formed. A P-channel MIS field-effect transistor with the same structure is formed except for the removal, and a small amount of current leakage is caused by using the raised regions (19, 20) of the impurities when growing the epitaxial silicon layer as channel stoppers. It has been prevented. In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained with respect to the C-MOS type semiconductor integrated circuit, and a minute current leakage can be prevented, thereby enabling further high reliability. .
[0011]
FIG. 12 is a schematic sectional side view of a sixth embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention. A short channel N channel and a P channel formed by forming a partial epitaxial silicon layer grown on a p-type silicon substrate as a pseudo SOI substrate. A part of a C-MOS type semiconductor integrated circuit including a channel MIS field effect transistor is shown, and reference numerals 1 to 18 denote the same parts as in the first and third embodiments.
In the figure, an N-channel MIS field effect transistor having the same structure as that of the first embodiment is formed on a p-type epitaxial silicon layer 3 formed on a p-type silicon substrate 1, and a p-type silicon substrate is formed. Since no hot carrier effect occurs in the n-type epitaxial silicon layer 17 formed on 1, the metal source / drain region 7 and the p having the barrier metal 6 have the same structure except that the low-concentration source / drain region is removed. + A P-channel MIS field effect transistor in which the source / drain region 18 is formed deeply is formed.
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained with respect to the C-MOS type semiconductor integrated circuit, and the integration degree is lowered in the P-channel MIS field effect transistor having a low carrier mobility. Without increasing the channel width, it is possible to further increase the speed.
[0012]
13 to 15 show a seventh embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention (FIG. 13 Is a schematic plan view, figure 14 Is a cross-sectional view of the pp arrow, figure 15 Is a cross-sectional view taken along the arrow q-q), and shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field effect transistor in which a partial epitaxial silicon layer grown on a p-type silicon substrate is formed as a pseudo SOI substrate. 1 to 16 are the same as those in the first embodiment.
In the figure, a short circuit having the same structure as that of the second embodiment except that a gate electrode width is formed in a self-alignment with a p-type epitaxial silicon layer by a pair of metal source / drain regions 7 having a barrier metal 6. A channel N-channel MIS field effect transistor is formed.
In this embodiment, the same effect as in the first and second embodiments can be obtained, but the capacitance between the gate electrode and the metal source / drain region is slightly increased, but the gate electrode width and the metal source / drain region width are increased. Therefore, higher integration can be achieved.
[0013]
Next, an embodiment of a method for manufacturing a MIS field effect transistor according to the present invention will be described with reference to FIGS. However, here, only the manufacturing method relating to the formation of the MIS field effect transistor of the present invention is described, and the description of the manufacturing method relating to the formation of various elements (other transistors, resistors, capacitors, etc.) mounted on a general semiconductor integrated circuit. Is omitted.
FIG.
An oxide film (SiO 2) of about 6 μm is formed on the p-type silicon substrate 1 by chemical vapor deposition. 2 ) Grow 2. Next, using an ordinary photolithography technique, an oxide film (SiO 2) is formed using the first resist (not shown) as a mask layer. 2 2) Selectively dry anisotropically about 5 μm. Next, the first resist (not shown) is left as it is to form a selectively opened second resist (not shown), and the first and second resists (not shown) are used as mask layers. The remaining oxide film (SiO 2 ) 2 is selectively anisotropically etched by about 1 μm to expose a part of the p-type silicon substrate 1. Next, the first and second resists (not shown) are removed. Thus, an oxide film (SiO 2 having a two-stage structure) 2 ) 2 is formed.
FIG.
Next, a p-type epitaxial silicon layer 3 is formed on the exposed p-type silicon substrate 1 with an oxide film (SiO 2). 2 ) Grows so as to be higher than the upper surface of the upper stage of 2. Next, phosphorus is obliquely ion-implanted. Continuous oblique ion implantation of arsenic is performed. (At this time, boron ion implantation for controlling the threshold voltage may be performed.)
FIG.
Then oxide film (SiO 2 ) Chemical mechanical polishing of the p-type epitaxial silicon layer 3 until the upper surface of 2 is slightly scraped ( C chemical M economic-al P (hereinafter abbreviated as CMP). (As impurities are introduced into the entire side surface and upper surface of the portion of the epitaxial silicon layer 3 protruding from the upper surface of the upper stage of the oxide film 2, the epitaxial silicon layer 3 is removed to such an extent that the impurity introduction region other than the two opposing side surfaces can be removed. Then, N at 800 ° C 2 By applying annealing, the n-type source / drain regions 4 and n are diffused slightly in the lateral direction using the difference in diffusion coefficient. + A type source / drain region 5 is formed.
FIG.
Next, TiN 6 serving as a barrier metal is grown by sputtering to about 20 nm. Next, the tungsten film (W) 7 is grown by chemical vapor deposition to such an extent that the tungsten film (W) 7 can be sufficiently embedded in the opening. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, W and TiN are embedded in the openings, and the n-type source / drain regions 4 and n + Metal source / drain regions (W) 7 having barrier metals 6 are formed on both sides of the p-type epitaxial silicon layer 3 in which the type source / drain regions 5 are formed.
FIG.
Next, using an ordinary photolithography technique, a resist (not shown), a metal source / drain region (W) 7 having a barrier metal 6 and a p-type epitaxial silicon layer 3 are selectively used as mask layers to form an oxide film (SiO 2). 2 2) Perform anisotropic dry etching of 2 to about 5.5μm. (N formed in contact with at least the metal source / drain region + An opening for forming a gate electrode is formed so as to be deeper than the source / drain region 5 and the source / drain region 4. Then, the resist (not shown) is removed. Next, a gate oxide film 8 of about 12 nm (SiO 2 / Ta 2 O Five ) Grow. Next, a barrier metal (TiN) 9 of about 20 nm and Al10 to be a gate electrode are grown by continuous sputtering. Next, by chemical mechanical polishing (CMP), the gate electrode film 8 (SiO 2 / Ta 2 O Five ), A buried side surface gate electrode structure including a barrier metal (TiN) 9 and a gate electrode (Al) 10 is formed. FIG.
Next, a phosphosilicate glass (PSG) film 11 of about 500 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary photolithography technique, the PSG film 11 is selectively anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer to open a via. Next, the resist (not shown) is removed. Next, TiN 12 serving as a barrier metal is grown by sputtering. Next, a tungsten film 13 is grown by chemical vapor deposition. Then, the conductive plug (W) 13 is formed by embedding in the via by chemical mechanical polishing (CMP).
FIG.
Next, TiN 14 as a barrier metal is grown to about 50 nm by sputtering. Next, Al (containing several percent of Cu) 15 to be a wiring is grown to about 500 nm by sputtering. Next, TiN 16 serving as a barrier metal is grown to about 50 nm by sputtering. Next, using normal photolithography technology, anisotropic dry etching of barrier metal (TiN), Al (including several percent of Cu) and barrier metal (TiN) is performed using a resist (not shown) as a mask layer. An AlCu wiring 15 is formed. Next, the resist (not shown) is removed, and a lateral metal gate type MIS field effect transistor having a lateral pseudo SOI structure having a partial epitaxial silicon layer of the present invention is completed.
In the above description, the case where the p-type epitaxial silicon layer is formed on the p-type silicon substrate is described. However, the n-type epitaxial silicon layer may be formed on the n-type silicon substrate, or the silicon substrate may be formed. Without limitation, a compound semiconductor substrate may be used. Further, the metal source / drain region, the gate electrode, the barrier metal, the conductive plug, the wiring, and the like are not limited to the above embodiment, and any material may be used as long as it has the same characteristics.
[0014]
【Effect of the invention】
As described above, according to the present invention, the fine epitaxial semiconductor layer stacked on the exposed portion of the semiconductor substrate selectively opened in the insulating film stacked on the semiconductor substrate is formed in a conventional vertical direction. Instead of the SOI substrate, a lateral (lateral) fully depleted pseudo SOI substrate is formed, and minute low-concentration and high-concentration impurity source / drain regions are formed on the pseudo-SOI substrate, and most of the source / drain regions are made high. A gate electrode made of a metal layer is formed on one side surface of the pseudo SOI substrate with a gate insulating film interposed between the pair of metal layers (metal source drain region) in contact with the concentration source / drain region, and the opposite side surface of the pseudo SOI substrate. An insulating film is formed (or a gate electrode is formed on both opposing side surfaces through the gate insulating film), and the remaining metal source / drain regions and the remaining gate electrode are formed. MIS field effect transistor of the metal gate type lateral pseudo SOI structure insulating film is circumferentially provided on the surface and the bottom surface is formed.
Therefore, without forming an expensive SOI wafer or an SOI structure by SIMOX, a gate electrode is formed on one side with a gate oxide film and an insulating film is formed on the opposite side by a simple process on a semiconductor substrate. It is possible to form a lateral side operation MIS field effect transistor using a partially epitaxial semiconductor layer as a pseudo SOI substrate. In addition, a sufficient channel width can be secured with high integration by the thickness of the growing partial epitaxial semiconductor layer. In addition, since the source / drain region can be formed using the conductive film in which the insulating film is provided and the minute impurity region, the junction capacitance and resistance of the source / drain region can be reduced. Also, a thick film with a high dielectric constant Ta 2 O Five Can be used as a gate oxide film, so that a slight current leakage between the gate electrode and the epitaxial semiconductor layer can be improved and the gate capacitance can be reduced. In addition, since the gate electrode made of a low-melting-point low melting point metal can be formed, the resistance of the gate electrode wiring can be reduced. Further, since the gate structure is formed on the thin-film pseudo SOI substrate, the pseudo SOI substrate and the gate electrode can be used, and the depletion layer capacitance of the pseudo SOI substrate and the gate electrode can be removed. Since the voltage applied to the gate electrode can be applied only between the gate electrode and the inversion layer, the subthreshold characteristic can be improved, the threshold voltage can be reduced, and the power can be reduced. In addition, the insulating film in the element isolation region, the epitaxial semiconductor layer, the metal source / drain region, and the upper surface of the gate electrode portion can be formed on a continuous flat surface having no step, thereby forming an extremely reliable interlayer insulating film and wiring body. Is also possible. It is also possible to easily form a metal source / drain region and a connection to the gate electrode from the surface with a fine area. In addition, if a gate electrode is formed on both sides of the epitaxial semiconductor layer via a gate insulating film, a channel that is completely controlled by the gate electrode can be formed on both sides, so that more current can flow. High speed is possible.
That is, a lateral metal gate type MIS field effect transistor having a lateral pseudo-SOI structure using a partial epitaxial semiconductor layer that can form a semiconductor integrated circuit having high speed, low power, high reliability, high performance, and high integration can be obtained. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of a first embodiment of a MIS field effect transistor according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic side sectional view of a first embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention (cross-sectional view taken along the line pp).
FIG. 3 is a schematic side sectional view of the first embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention (cross-sectional view taken along the line q-q).
FIG. 4 is a schematic side sectional view of the first embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention (cross-sectional view taken along line r-r).
FIG. 5 is a schematic plan view of a second embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention.
FIG. 6 is a schematic side sectional view (qq arrow sectional view) of a second embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention.
FIG. 7 is a schematic plan view of a third embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention.
FIG. 8 is a schematic side sectional view (qq arrow sectional view) of a third embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 9 is a schematic plan view of a fourth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention.
FIG. 10 is a schematic side sectional view of a fourth embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention (cross-sectional view taken along the line pp).
FIG. 11 is a schematic side sectional view of a fifth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 12 is a schematic side sectional view of a sixth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention.
FIG. 13 is a schematic plan view of a seventh embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention.
FIG. 14 is a schematic side sectional view of a seventh embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention (cross-sectional view taken along the line pp).
FIG. 15 is a schematic side sectional view (qq arrow sectional view) of a seventh embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention;
FIG. 16 is a process cross-sectional view of an embodiment of a manufacturing method of a MIS field effect transistor according to the present invention.
FIG. 17 is a process cross-sectional view of an embodiment of a manufacturing method of a MIS field effect transistor according to the present invention.
FIG. 18 is a process cross-sectional view of one embodiment of a manufacturing method for a MIS field effect transistor of the present invention.
FIG. 19 is a process cross-sectional view of an embodiment of a manufacturing method of a MIS field effect transistor according to the present invention.
FIG. 20 is a process cross-sectional view of an embodiment of a manufacturing method of a MIS field effect transistor according to the present invention.
FIG. 21 is a process cross-sectional view of one embodiment of a manufacturing method for a MIS field effect transistor of the present invention.
FIG. 22 is a schematic side sectional view of a conventional MIS field effect transistor.
[Explanation of symbols]
1 p-type silicon (Si) substrate
2 Insulating film / metal source / drain region in element isolation region and insulating film under gate electrode (SiO 2 )
3 p-type epitaxial silicon layer
4 n-type source / drain region
5 n + Type source / drain region
6 Barrier metal (TiN)
7 Metal source drain region (W)
7a Metal drain region (W)
7b Metal source region (W)
8 Gate oxide film (SiO 2 / Ta 2 O Five )
9 Barrier metal (TiN)
10 Gate electrode (Al)
11 Phosphorsilicate glass (PSG) film
12 Barrier metal (TiN)
13 Conductive plug (W)
14 Barrier metal (TiN)
15 AlCu wiring
16 Barrier metal (TiN)
17 n-type epitaxial silicon layer
18p + Type source / drain region
19 p-type impurity region
20 n-type impurity region

Claims (4)

半導体基板と、前記半導体基板上に選択的に積層された半導体層と、前記半導体層の対向する2側面の一部にそれぞれ接して設けられた対向する一対の導電膜(ソースドレイン領域の一部)と、前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)との接触部の前記半導体層にそれぞれ設けられた不純物ソースドレイン領域と、少なくとも前記半導体層の残りの1側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記半導体層、前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)及び前記ゲート電極の残りの側面及び底面に周設された絶縁膜とを備え、前記半導体層と前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)とが接触する側面と、前記半導体層と前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)の直下部に設けられた前記絶縁膜とが接触する側面が、垂直方向に一致し、且つ前記半導体層、前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)、前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)の側面に設けられた前記絶縁膜及び前記ゲート電極の上面が同じ高さを有していることを特徴とするMIS電界効果トランジスタ。A semiconductor substrate, a semiconductor layer selectively stacked on the semiconductor substrate, and a pair of opposing conductive films ( part of a source / drain region) provided in contact with part of two opposing side surfaces of the semiconductor layer, respectively ) And the conductive film ( a part of the source / drain region) , an impurity source / drain region provided in the semiconductor layer, and at least one remaining side surface of the semiconductor layer with a gate insulating film interposed therebetween. A gate electrode, the semiconductor layer, the conductive film ( a part of the source / drain region), and an insulating film provided around the remaining side and bottom surfaces of the gate electrode, and the semiconductor layer and the conductive film ( A side surface in contact with a part of the source / drain region and a side surface in contact with the insulating layer provided immediately below the semiconductor layer and the conductive film (a part of the source / drain region) are perpendicular to each other. And the top surface of the insulating layer and the gate electrode provided on the side surfaces of the semiconductor layer, the conductive film (a part of the source / drain region), the conductive film (a part of the source / drain region) are the same height MIS field effect transistor characterized by having . 前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)及び前記ゲート電極がバリアメタル層を有していることを特徴とする特許請求の範囲請求項1記載のMIS電界効果トランジスタ。2. The MIS field effect transistor according to claim 1, wherein the conductive film ( a part of the source / drain region) and the gate electrode have a barrier metal layer. 前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)間の前記半導体層の幅がチャネル長を規定し、前記導電膜(ソースドレイン領域の一部)の深さがチャネル幅を規定していることを特徴とする特許請求の範囲請求項1及び請求項2記載のMIS電界効果トランジスタ。The width of the semiconductor layer between the conductive films (a part of the source / drain region) defines a channel length, and the depth of the conductive film (a part of the source / drain region) defines the channel width. 3. The MIS field effect transistor according to claim 1 and claim 2. 半導体基板上に絶縁膜を積層させる工程と、前記絶縁膜を選択的に途中まで除去する工程と、途中まで除去された前記絶縁膜の中央部をさらに除去し、前記半導体基板の表面を露出する工程と、積層させた前記絶縁膜の高さより高く、露出した前記半導体基板上にエピタキシャル半導体層を形成する工程と、前記エピタキシャル半導体層の露出部に不純物を注入する工程と、積層させた前記絶縁膜と同一の高さに、前記エピタキシャル半導体層を平坦化する工程と、前記エピタキシャル半導体層の両側の途中まで除去された前記絶縁膜上に導電膜を平坦に埋め込む工程と、少なくとも前記エピタキシャル半導体層の残りの1側面の前記絶縁膜に選択的に前記エピタキシャル半導体層の一部の側面を露出する開孔を形成する工程と、前記開孔の底面及び側面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記開孔に金属膜を平坦に埋め込む工程とを含むことを特徴とするMIS電界効果トランジスタの製造方法。  A step of laminating an insulating film on the semiconductor substrate; a step of selectively removing the insulating film halfway; and further removing a central portion of the insulating film removed halfway to expose a surface of the semiconductor substrate. A step of forming an epitaxial semiconductor layer on the exposed semiconductor substrate that is higher than a height of the laminated insulating film, a step of implanting impurities into the exposed portion of the epitaxial semiconductor layer, and the laminated insulating layer Flattening the epitaxial semiconductor layer to the same height as the film, embedding a conductive film flatly on the insulating film removed halfway on both sides of the epitaxial semiconductor layer, and at least the epitaxial semiconductor layer Forming an opening selectively exposing a part of the side surface of the epitaxial semiconductor layer in the insulating film on the other side surface of the opening; and a bottom of the opening A method of manufacturing a MIS field effect transistor, comprising: forming a gate insulating film on a surface and a side surface; and embedding a metal film in the opening.
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