JP4888118B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、格子定数の異なる2種類の半導体層が積層してなるヘテロ接合構造の一方の半導体層に歪みが印加されるCMOS型電界効果トランジスタである半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
従来、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型電界効果トランジスタは、構造の微細化を進めることにより性能の向上が図られてきた。ところが、近年、情報処理やデータ通信の高速化、低消費電力化のために、低リーク電流で高速動作のできる、より性能の向上したCMOS型電界効果トランジスタが求められるようになってきた。これに対し、従来からのスケーリング則に従ったCMOS型電界効果トランジスタの微細化は、限界に近づきつつあった。
そこで、高速化の方法の一つとして、歪みをチャネルに導入することで、チャネル材料の物性を変えて移動度を向上させる方法が知られている。
例えば、特許文献1、2では、緩和シリコンゲウマニウム(SiGe)層上にシリコン(Si)を積層し、大きな歪みを加えることで、電子移動度を大きく向上させnMOS型電界効果トランジスタの特性を大きく向上させている。
また、特許文献3では、ゲート電極に応力を発生させシリコン基板のチャネル領域にその応力を加えることで、歪みシリコン基板を使用せずにMOS型電界効果トランジスタの
チャネルの性能を向上させている。
しかしながら、従来のいずれの方法でも、製造コストと、高速化及び低消費電力化という特性向上との両立が困難であるという問題点がある。
特開平9−321307号公報 特開2001−332745号公報 特開2002−93921号公報
上記問題点に鑑み、本発明は、格子定数の大きいSiGeをチャネル直下に埋め込んだ構造を用いて、効率的にチャネルSi層に歪みを導入することで、電子または正孔の移動度を大幅に向上させることができ、高速化及び低消費電力化を実現するCMOS型電界効果トランジスタである半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
また、この半導体装置の製造方法により、プロセス工程を大幅に変更することなく、既存プロセスとの整合性が高く、コスト的に優位性があるCMOS型電界効果トランジスタである半導体装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下のことを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法では、シリコン基板上に形成された絶縁膜で分離された活性領域内の一部に、シリコンとは異なる格子定数を有する化合物からなるストレッサを形成し、このストレッサの上部に、シリコンからなるシリコンチャネル層を形成することを特徴とする。
また、本発明の半導体装置では、シリコン基板上に形成された絶縁膜で分離された活性領域内の一部に、シリコンとは異なる格子定数を有する化合物からなるストレッサを有し、このストレッサの上部に、シリコンからなるシリコンチャネル層を有することを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法により、格子定数の大きいSiGeをチャネル直下に埋め込んだ構造を用いて、効率的にチャネルSi層に歪みを導入することで、電子または正孔の移動度を大幅に向上させることができ、高速化及び低消費電力化を実現するCMOS型電界効果トランジスタである半導体装置の製造方法を提供することができる。
また、この半導体装置の製造方法を用いることにより、プロセス工程を大幅に変更することなく、既存プロセスとの整合性が高く、コスト的に優位性があるCMOS型電界効果トランジスタである半導体装置を提供することができる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明はこの発明の最良の形態の例であって、いわゆる当業者は特許請求の範囲内で、変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、以下の説明が特許請求の範囲を限定するものではない。
本発明の実施形態に係るCMOS型電界効果トランジスタの原理を図1から図5を用いて説明する。
図1は、Si基板上にSiGeをチャネル直下に埋め込んだ構造を示す図である。
ストレッサとして格子定数の大きいSiGeをゲート電極の範囲内でチャネル直下に埋め込むことにより、SiGeは水平方向、垂直方向ともに周辺のSiに格子整合する。このときのSiGeストレッサ2の膜厚は商用CVD装置を用いて成長可能な数nm程度とする。このため、SiGeストレッサ上2のSiチャネル層1に、効率的に垂直方向の圧縮歪み、水平方向の引っ張り歪みを与えることができる。特に、nMOSの電子移動度を向上させることに寄与する。図2は、図1の構成にサイドウォール及び寄生抵抗領域を設けた構造を示す図である。ゲート電極にサイドウォール16を形成し、サイドウォール16の範囲内にストレッサであるSiGe2を形成する。また、サイドウォール16下に寄生抵抗領域4を設けることで、寄生抵抗領域4まで歪みが印加され、寄生抵抗4が低減される。
図3は、図1、2の構造に、コンタクトエッチングストップ膜を組み合わせた構造を示す図である。コンタクトエッチングストップ膜10には、例えば、応力を持つSiN膜(「tensile SiN」又は「テンサイル ストレス膜」とも記す)があり、これを組み合わせた構造である。このコンタクトエッチングストップ膜10より内側にSiGeストレッサ2を設けることにより、SiGeストレッサとtensile SiN10とにより相補的にチャネルSi層に垂直方向に圧縮応力を印加し、水平方向に引っ張り歪みを生じさせ、nMOS型の電子の移動度を容易に向上させている。また、このコンタクトエッチングストップ膜10より内側にSiGeストレッサ2を設けることにより、既存の製造プロセス工程を大幅に変更することなく、電子の移動度を大きく向上することができ、低コストで大きな歪みをチャネルに導入することができる。
図4は、本発明に係るCMOS型電界効果トランジスタの構造を示す図である。図1から図3まで示した構造を有するpMOS型電界効果トランジスタでは、SiGeストレッサ2上の歪みSi層1の厚さを、Si/SiGeのバンドが不連続であることから、ゲートに負のバイアスを印加した際に、歪みSi層よりSiGeストレッサ2の方に多くの正孔が存在し、SiGe層2にチャネルが形成される程度の厚さにする。例えば、歪みSi層1が4nm、SiGeストレッサ2が4nm程度に設計する。図4に示すCMOS型電界効果トランジスタは、上記pMOS型電界効果トランジスタと、歪みSi層1に電子が存在する上記nMOS型電界効果トランジスタとを集積化することにより作製される。
図5は、本発明に係るCMOS型電界効果トランジスタの構造を示す図である。図1から図3まで示した構造を有するpMOS型電界効果トランジスタは、SiGeストレッサ2がエッチングにより除去されており、横方向の引っ張り歪みが緩和され、正孔移動度の劣化が抑制されている。図5に示すCMOS型電界効果トランジスタは、上記pMOS型電界効果トランジスタと、歪みSi層に電子が存在する上記nMOS型電界効果トランジスタとを集積化することにより作製される。
以下実施例により本発明を更に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
(実施例1)
図6、図7は、本実施例に係るnMOS型電界効果トランジスタの製造プロセスを示す図である。図6(a)は、Si/SiGe積層構造にゲート絶縁膜、ゲート電極を形成した状態を示す図である。図6(b)は、ソース/ドレイン領域にエッチングを施した状態を示す図である。図6(c)は、CVDにてSiを埋め戻した状態を示す図である。図7(d)は、エクステンション注入を行った後、サイドウォールを形成した状態を示す図である。図7(e)は、コンタクトエッチングストップ膜を形成した状態を示す図である。図7(f)は、層間絶縁膜を形成し、コンタクトホールをあけ、電極を形成した状態を示す図である。
半導体装置の製造プロセスにおける素子分離工程終了後、図6に示すように、Si/SiGe積層構造を活性領域に選択的に形成し、ゲート絶縁膜(SiON)7、ポリシリコンゲート電極3を形成する。次に、ゲート電極3をマスクしてソース/ドレイン領域をエッチングし、その後、CVDでSiを埋め戻す。以上により、Si基板上の、ゲート電極3下のみにSiGe層2をもつ構造を形成できる。次に、図7に示すように、一度サイドウォール16を除去し、パンチスルーストップ、エクステンション注入を行った後、サイドウォール16を形成し、ソース/ドレイン領域に注入を行う。活性化アニールにより注入イオンを活性化した後、シリサイド11として、例えばNiSiを形成する。さらに、その上にコンタクトエッチングストップ膜10として、例えば引っ張り応力を持つSiN膜を形成し、次に、層間絶縁膜12を形成し、コンタクトホールをあけ、電極を形成する。
以上により埋め込みSiGeストレッサ2と、コンタクトエッチングストップ膜10により、相乗的にSiチャネル1に面内引っ張り応力を印加することができ、高移動度のnMOS型電界効果トランジスタを作製することができる。
(実施例2)
図8、図9は、本実施例に係るnMOS型電界効果トランジスタの製造プロセスを示す図である。図8(a)は、Si/SiGe積層構造にゲート絶縁膜、ゲート電極を形成した状態を示す図である。図8(b)は、ゲート、サイドウォールをマスクにソース/ドレイン領域にエッチングを施した状態を示す図である。図8(c)は、CVDにてSiを埋め戻した状態を示す図である。図9(d)は、エクステンション注入を行った後、サイドウォールを形成した状態を示す図である。図9(e)は、シリサイドの上にコンタクトエッチングストップ膜を形成した状態を示す図である。図9(f)は、層間絶縁膜を形成し、コンタクトホールをあけ、電極を形成した状態を示す図である。
半導体装置の製造プロセスにおける素子分離工程終了後、図8に示すように、Si/SiGe積層構造を活性領域に選択的に形成し、ゲート絶縁膜(SiON)7、ポリシリコンゲート電極1及びサイドウォール16を形成する。次に、ゲート電極1、サイドウォール16をマスクにソース/ドレイン領域にエッチングを施し、その後、CVDを用いてSiで埋め戻す。
以上により、ゲート電極下及びサイドウォール下のシリコン層中にSiGeストレッサ2をもつ構造を形成できる。また、実施例1で作成したnMOS型電界効果トランジスタでは、ゲート絶縁膜1が薄い場合には、ゲート電極1とソース/ドレイン部のCVDで埋め戻されたシリコン層とが接触し、歩留まりが低下する問題があるが、本実施例のように、この間にサイドウォール16を挿入することにより、歩留まりを大幅に向上できるという利点がある。
次に、図9に示すように、一度サイドウォール16を除去し、パンチスルーストップ、エクステンション注入を行った後、サイドウォール16を形成し、ソース/ドレイン領域に注入を行う。活性化アニールにより注入イオンを活性化した後、シリサイド11として、例えばNiSiを形成する。その上にコンタクトエッチングストップ膜10として、例えば引っ張り応力をもつSiN膜を形成し、さらに、層間絶縁膜12を形成してコンタクトホールをあけ、電極13を形成する。
以上により、埋め込みSiGeストレッサ2と、コンタクトエッチングストップ膜10とにより、相乗的にSiチャネル1に面内引っ張り応力を印加することができ、高移動度のnMOS型電界効果トランジスタを作製することができる。
(実施例3)
本実施例では、実施例1、2において作製したnMOS及びpMOSの特性のバランスをとるために、SiGe層のアスペクトレシオを調整する方法を提供する。
図10は、SiGeストレッサのアスペクトレシオの調整方法を示す図である。図10(a)は、ゲート、サイドウォールをマスクにソース/ドレイン領域にエッチングを施した状態を示す図である。図10(b)は、SiGe層の一部を選択的にエッチングした状態を示す図である。図10(c)は、エッチングした部分をSiで埋め戻した状態を示す図である。
ゲート、サイドウォールをマスクにソース/ドレイン領域にエッチングを施し、シリコン中のSiGeストレッサ2のアスペクトレシオを調整する方法として、図10に示すように、サイドウォール16をマスクにソース/ドレイン領域をエッチングした後、例えば、塩素系ガスでSiGeストレッサ2の一部を選択的にエッチングし、その後、CVDを用いてSiで埋め戻す。以上により、容易にSiGeストレッサ2のアスペクトレシオを調整することが可能である。
(実施例4)
本実施例では、図4に示す構造を有するCMOS型電界効果トランジスタを作製する。半導体装置の製造プロセスにおける素子分離工程終了後、Si/SiGe積層構造を活性領域に選択的に形成する。その際、ゲート電極に負の電圧を印加した状態でSiGeストレッサ2がp型のチャネルに、ゲート電極に正の電圧を印加した状態で、Si層1がチャネルになるようにする。このときに、Si層1、SiGe層2の厚さが、例えば、それぞれ4nm程度になるように積層する。Si/SiGe層のヘテロ接合でエネルギーギャップが伝導帯で小さく、価電子帯で大きいことにより可能となる。次に、図8に示すように、ゲート絶縁膜(SiON)7、ポリシリコンゲート電極3、サイドウォール16を形成する。次に、ポリシリコンゲート電極3、サイドウォール16をマスクにソース/ドレイン領域をエッチングし、その後、CVDを用いてSiで埋め戻す。以上により、ゲート電極3下及びサイドウォール16下のシリコン層中にSiGe層2をもつ構造を形成できる。ここで、一度サイドウォール16を除去し、nMOS、pMOS形成領域それぞれにパンチスルーストップ、エクステンション注入を行った後、図9に示すように、再びサイドウォール16を形成し、それぞれのソース/ドレイン領域に注入を行う。活性化アニールにより注入イオンを活性化した後、シリサイド11として、例えばNiSiを形成する。その上にコンタクトエッチングストップ膜10として、例えば、引っ張り応力をもつSiN膜を形成する。次に、層間絶縁膜12を形成し、コンタクトホールをあけ、電極13を形成する。
以上により、nMOSでは、埋め込みSiGe層2と、コンタクトエッチングストップ膜10により、相乗的にSiチャネルに面内引っ張り応力を印加することができ、また、pMOSでは、高正孔移動度のSiGe層2をチャネルとすることができ、高速なCMOS型電界効果トランジスタを作製できる。
(実施例5)
本実施例では、図5に示す構造を有するCMOS型電界効果トランジスタを作製する。
図11は、pMOS型電界効果トランジスタの製造プロセスを示す図である。図11(b)は、ソース/ドレイン領域をエッチングした状態を示す図である。図11(b’)は、SiGe層を選択エッチングで除去した状態を示す図である。図11(c)は、Siで埋め戻した状態を示す図である。
半導体装置の製造プロセスにおける素子分離工程終了後、図8(a)、に示すように、Si/SiGe積層構造を活性領域に選択的に形成し、ゲート絶縁膜(SiON)7、ポリシリコンゲート電極3、サイドウォール16を形成する。次に、図11(b)に示すように、ゲート電極3及びサイドウォール16をマスクにソース/ドレイン領域をエッチングする。その後、nMOS領域をレジストで覆い、図11(b’)に示すように、pMOS領域のSiGe層2を選択エッチングで除去した後、レジストを除去し、図11(c)に示すように、nMOS、pMOS領域をCVDを用いてSiで埋め戻す。以上により、nMOS領域の、ゲート電極3下及びサイドウォール16下にSiGe層2をもつ構造を形成できる。ここで、一度サイドウォール16を除去し、nMOS、pMOS形成領域それぞれにパンチスルーストップ、エクステンション注入を行った後、図9(d)に示すように、再びサイドウォール16を形成し、それぞれのソース/ドレイン領域に注入を行う。活性化アニールにより注入イオンを活性化した後、シリサイド11として例えばNiSiを形成する。その上にコンタクトエッチングストップ膜10として、図9(e)に示すように、例えば、引っ張り応力をもつSiN膜10を形成する。次に、図9(f)に示すように、層間絶縁膜12を形成し、コンタクトホールをあけ、電極13を形成する。
以上により、図5に示すように、nMOSのみに、埋め込みSiGe層2と、コンタクトエッチングストップ膜10により、相乗的にSiチャネルに面内引っ張り応力を印加することができ、pMOSでは、SiGe層2を除去することで、SiGe層2とコンタクトエッチングストップ膜10とによる歪みを緩和することができ、正孔の移動度を向上させる高速なCMOS型電界効果トランジスタを作製できる。
Si基板上にSiGeをチャネル直下に埋め込んだ構造を示す図である。 図1の構成にサイドウォール及び寄生抵抗領域を設けた構造を示す図である。 図1、2の構造に、コンタクトエッチングストップ膜を組み合わせた構造を示す図である。 本発明に係るCMOS型電界効果トランジスタの構造を示す図である。 本発明に係るCMOS型電界効果トランジスタの構造を示す図である。 本実施例に係るnMOS型電界効果トランジスタの製造プロセスを示す図である。(a)は、Si/SiGe積層構造にゲート絶縁膜、ゲート電極を形成した状態を示す図である。(b)は、ソース/ドレイン領域にエッチングを施した状態を示す図である。(c)は、CVDでSiを埋め戻した状態を示す図である。 本実施例に係るnMOS型電界効果トランジスタの製造プロセスを示す図である。(d)は、エクステンション注入を行った後、サイドウォールを形成した状態を示す図である。(e)は、コンタクトエッチングストップ膜を形成した状態を示す図である。(f)は、層間絶縁膜を形成し、コンタクトホールをあけ、電極を形成した状態を示す図である。 本実施例に係るnMOS型電界効果トランジスタの製造プロセスを示す図である。(a)は、Si/SiGe積層構造にゲート絶縁膜、ゲート電極を形成した状態を示す図である。(b)は、ゲート、サイドウォールをマスクにソース/ドレイン領域にエッチングを施した状態を示す図である。(c)は、CVDにてSiを埋め戻した状態を示す図である。 本実施例に係るnMOS型電界効果トランジスタの製造プロセスを示す図である。(d)は、エクステンション注入を行った後、サイドウォールを形成した状態を示す図である。(e)は、シリサイドの上にコンタクトエッチングストップ膜を形成した状態を示す図である。(f)は、層間絶縁膜を形成し、コンタクトホールをあけ、電極を形成した状態を示す図である。 SiGe層のアスペクトレシオの調整方法を示す図である。(a)は、ゲート、サイドウォールをマスクにソース/ドレイン領域にエッチングを施した状態を示す図である。(b)は、SiGe層の一部を選択的にエッチングした状態を示す図である。(c)は、エッチングした部分をSiで埋め戻した状態を示す図である。 pMOS型電界効果トランジスタの製造プロセスを示す図である。(b)は、ソース/ドレイン領域をエッチングした状態を示す図である。(b’)は、SiGe層を選択エッチングで除去した状態を示す図である。(c)は、Siで埋め戻した状態を示す図である。

Claims (7)

  1. シリコン基板上にnMOS型電界効果トランジスタとpMOS型電界効果トランジスタとを形成する半導体装置の製造方法において、
    前記シリコン基板上にSiGe層、Si層を形成し、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
    前記ゲート電極をマスクにしてソース/ドレイン領域をエッチングする工程と、
    前記pMOS型電界効果トランジスタで、前記ゲート電極下のSiGe層を除去する工程と、
    前記nMOS型電界効果トランジスタとpMOS型電界効果トランジスタにおける前記エッチングされたソース/ドレイン領域をSiで埋め、pMOS型電界効果トランジスタの前記Si層下を空洞化する工程と、を有し、
    前記nMOS型電界効果トランジスタにおける前記ゲート電極下のSiGe層が水平方向、垂直方向ともに、前記シリコン基板、前記Si層、前記埋め込まれたSiに格子整合することにより、前記Si層が歪みSi層となっており、
    前記pMOS型電界効果トランジスタは、前記SiGe層が除去されて形成された空洞により、前記Si層に印加される歪みが緩和されている
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記ゲート電極を形成した後に、前記ゲート電極の側壁にサイドウォールを形成し、
    前記ソース/ドレイン領域をエッチングする工程で、前記ゲート電極及び前記サイドウォールをマスクにしてエッチングを行う
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記ソース/ドレイン領域をエッチングした後、前記SiGe層の一部を選択的にエッチングする工程をさらに含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記SiGe層の層厚は、前記シリコン基板に格子整合する膜厚の範囲内であり、かつ、前記SiGe層は、貫通転位を含んでいない
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  5. シリコン基板上にnMOS型電界効果トランジスタとpMOS型電界効果トランジスタとを有する半導体装置において、
    前記nMOS型電界効果トランジスタのゲート電極直下で、ゲート絶縁膜下のSi層を介して、前記Si層にストレスを印加するSiGe層を有し、
    前記pMOS型電界効果トランジスタのゲート電極直下で、ゲート絶縁膜下のSi層を介して、前記Si層の下のSiGe層を除去することにより形成された空洞を有しており、
    前記nMOS型電界効果トランジスタとpMOS型電界効果トランジスタとにおけるソース/ドレイン領域は、ソース/ドレイン領域をエッチングし、前記エッチングされたソース/ドレイン領域をSiで埋め込むことにより形成されており、
    前記nMOS型電界効果トランジスタにおける前記ゲート電極下のSiGe層が水平方向、垂直方向ともに、前記シリコン基板、前記Si層、前記埋め込まれたSiに格子整合することにより、前記Si層が歪みSi層となっており、
    前記pMOS型電界効果トランジスタは、前記空洞により前記Si層に印加される歪みが緩和されている
    ことを特徴とする半導体装置。
  6. 前記ゲート電極の側壁に形成されたサイドウォールを更に有し、
    前記nMOS型電界効果トランジスタのゲート電極直下における前記SiGe層は、前記サイドウォールより内側に設けられている
    ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記SiGe層の層厚は、シリコン基板に格子整合する膜厚の範囲内であり、かつ、前記SiGe層は、貫通転位を含んでいない
    ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
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