JP4950599B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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本発明は、半導体装置の製造方法、特にMISトランジスタのチャネル領域等にSiGe等を用いた半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device using SiGe or the like for a channel region or the like of a MIS transistor.

MISトランジスタを用いた半導体集積回路では、基板材料にSi(シリコン)を用いたものが現在広く利用されているが、情報・通信機器等の高性能化等の観点から、素子の動作速度のより一層の高速化が要望されている。このような要請に対して、半導体材料にSiよりも移動度の高いSiGe(シリコンゲルマニウム)を用いるという提案がなされている。   In semiconductor integrated circuits using MIS transistors, those using Si (silicon) as a substrate material are widely used at present. However, from the viewpoint of improving the performance of information / communication equipment, the operating speed of the element is higher. There is a demand for higher speed. In response to such demands, proposals have been made to use SiGe (silicon germanium) having higher mobility than Si as a semiconductor material.

しかしながら、MISトランジスタのチャネル領域等にSiGeを用いた場合には、Geが高温処理に対して不安定であるため、高温処理によってGeが拡散しやすいという問題がある。したがって、例えばソース・ドレインの活性化処理等の高温熱処理を行うことにより、Geがゲート絶縁膜中に取り込まれてゲート絶縁膜の特性が劣化したり、ゲート絶縁膜の界面準位が増加して素子特性を悪化させるといった問題が生じる。そのため、ゲート絶縁膜とSiGe層との間にSi層を介在させるといった対策を施さざるを得ず、チャネル領域の半導体材料に移動度の高いSiGeを用いるという利点を十分に発揮させることが困難であった。   However, when SiGe is used for the channel region or the like of the MIS transistor, there is a problem that Ge is easily diffused by high temperature processing because Ge is unstable with respect to high temperature processing. Therefore, for example, by performing high-temperature heat treatment such as source / drain activation treatment, Ge is taken into the gate insulating film and the characteristics of the gate insulating film deteriorate or the interface state of the gate insulating film increases. The problem of deteriorating device characteristics arises. For this reason, measures such as interposing a Si layer between the gate insulating film and the SiGe layer must be taken, and it is difficult to sufficiently exhibit the advantage of using SiGe having high mobility as the semiconductor material of the channel region. there were.

本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、チャネル等を構成する半導体材料に高温処理に対して不安定な元素を含むもの用いた場合にも、該元素の不安定さに基づく問題を回避することができ、特性や信頼性に優れた半導体装置を作製することが可能な製造方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made with respect to the above-described conventional problems, and even when a semiconductor material constituting a channel or the like containing an element unstable to high-temperature processing is used, it is based on the instability of the element. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method capable of avoiding problems and manufacturing a semiconductor device having excellent characteristics and reliability.

本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1の半導体材料からなる半導体基板上のゲート形成予定領域にダミーゲートを形成する工程と、このダミーゲートの両側に対応する領域の半導体基板内に不純物を導入し熱処理によってこの不純物を活性化することによりソース・ドレイン領域を形成する工程と、前記ダミーゲートの側壁を取り囲む絶縁膜を形成する工程と、前記ダミーゲートを除去して開口部を形成する工程と、この開口部が形成された領域又はその下部領域に第2の半導体材料からなる半導体層を形成する工程と、前記開口部に露出している前記半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする。   The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a dummy gate in a gate formation scheduled region on a semiconductor substrate made of a first semiconductor material, and impurities in the semiconductor substrate in regions corresponding to both sides of the dummy gate. Forming a source / drain region by activating this impurity by heat treatment, forming an insulating film surrounding the side wall of the dummy gate, and removing the dummy gate to form an opening. A step of forming a semiconductor layer made of a second semiconductor material in a region where the opening is formed or a lower region thereof, and a gate insulating film on the semiconductor layer exposed in the opening And a step of forming a gate electrode.

なお、前記ダミーゲートの側壁を取り囲む絶縁膜としては、ダミーゲートの側壁に形成される側壁絶縁膜や層間絶縁膜等が含まれるが、一般的にはダミーゲートが除去された後の開口部を画定するための絶縁膜としてとらえることできるものである。   The insulating film surrounding the side wall of the dummy gate includes a side wall insulating film and an interlayer insulating film formed on the side wall of the dummy gate. Generally, the opening after the dummy gate is removed is formed. It can be regarded as an insulating film for defining.

本発明によれば、ソース・ドレイン領域を形成する際の高温活性化処理を行った後にゲート絶縁膜及びゲート電極が形成される。したがって、第2の半導体材料として例えばSiGeといった高温処理に対して不安定な元素(ここではGe)を含むもの用いたとしても、高温処理によって、該元素がゲート絶縁膜中に取り込まれてゲート絶縁膜の特性を劣化させたり、ゲート絶縁膜の界面準位を増加させて素子特性を悪化させるといった問題が生じることを回避することができる。また、高温熱処理を行った後にゲート絶縁膜及びゲート電極が形成されることから、ゲート絶縁膜やゲート電極に高温熱処理に対して弱い材料を用いることができる。   According to the present invention, the gate insulating film and the gate electrode are formed after performing the high temperature activation process when forming the source / drain regions. Therefore, even if an element that is unstable with respect to high-temperature processing such as SiGe (here, Ge) is used as the second semiconductor material, the element is taken into the gate insulating film by high-temperature processing and gate insulation is performed. It can be avoided that problems such as deterioration of film characteristics and deterioration of element characteristics due to an increase in the interface state of the gate insulating film can be avoided. In addition, since the gate insulating film and the gate electrode are formed after the high temperature heat treatment, a material weak to the high temperature heat treatment can be used for the gate insulating film and the gate electrode.

また、本発明では、ダミーゲートを除去した領域に対応して第2の半導体材料(SiGe等)からなる半導体層が形成される。すなわち、チャネル領域に対応して選択的に第2の半導体材料からなる半導体層が形成され、ソース・ドレイン領域は第1の半導体材料(Si等)によって形成されることになる。SiGeはSiよりも移動度は高いがバンドギャップが狭く、ソース・ドレイン領域もSiGeである場合にはpn接合特性が劣化(リーク電流が増大)するという問題がある。本発明では、チャネル領域に対応して選択的に第2の半導体材料からなる半導体層が形成されるので、チャネル領域には(第1の半導体材料よりも)移動度の高い第2半導体材料を用い、ソース・ドレイン領域には(第2の半導体材料よりもバンドギャップが広く)pn接合特性の劣化が少ない第1の半導体材料を用いることができ、素子特性の向上をはかることが可能となる。   In the present invention, a semiconductor layer made of the second semiconductor material (SiGe or the like) is formed corresponding to the region from which the dummy gate is removed. That is, a semiconductor layer made of the second semiconductor material is selectively formed corresponding to the channel region, and the source / drain regions are formed of the first semiconductor material (Si or the like). SiGe has a higher mobility than Si but has a narrow band gap, and when the source / drain regions are also SiGe, there is a problem that the pn junction characteristics are deteriorated (leakage current is increased). In the present invention, since the semiconductor layer made of the second semiconductor material is selectively formed corresponding to the channel region, the second semiconductor material having a higher mobility (than the first semiconductor material) is formed in the channel region. In the source / drain region, the first semiconductor material (having a wider band gap than that of the second semiconductor material) with little deterioration of the pn junction characteristics can be used, and the device characteristics can be improved. .

前記開口部が形成された領域又はその下部領域に第2の半導体材料からなる半導体層を形成する工程は、通常これらの領域にイオン注入法やエピタキシャル成長法等によって半導体層を形成することによって行われる。この場合、半導体層の上面が半導体基板の上面と同じ高さかそれ以上の高さになるようにしてもよいが、半導体層の上面が半導体基板の上面よりも下方になるようにしてもよい。後者はゲート電極の一部が半導体領域内に埋め込まれた構造のいわゆるコンケーブ型のMISトランジスタに対応するものであるが、このようなコンケーブ型の構造を採用することにより、オン電流の増大といった素子特性の向上をはかることができる。   The step of forming the semiconductor layer made of the second semiconductor material in the region where the opening is formed or in the lower region is usually performed by forming a semiconductor layer in these regions by ion implantation or epitaxial growth. . In this case, the upper surface of the semiconductor layer may be equal to or higher than the upper surface of the semiconductor substrate, but the upper surface of the semiconductor layer may be lower than the upper surface of the semiconductor substrate. The latter corresponds to a so-called concave-type MIS transistor having a structure in which a part of the gate electrode is embedded in a semiconductor region. By adopting such a concave-type structure, an element such as an increase in on-current is obtained. The characteristics can be improved.

本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1の半導体材料からなる半導体基板の素子形成領域に対応して第2の半導体材料からなる半導体層を形成する工程と、この半導体層上のゲート形成予定領域にダミーゲートを形成する工程と、このダミーゲートの両側に対応する領域の半導体層に不純物を導入し熱処理によってこの不純物を活性化することによりソース・ドレイン領域を形成する工程と、前記ダミーゲートの側壁を取り囲む絶縁膜を形成する工程と、前記ダミーゲートを除去して開口部を形成する工程と、この開口部に露出している前記半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする。   A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a semiconductor layer made of a second semiconductor material corresponding to an element formation region of a semiconductor substrate made of a first semiconductor material, and forming a gate on the semiconductor layer. A step of forming a dummy gate in a predetermined region; a step of forming a source / drain region by introducing an impurity into a semiconductor layer in a region corresponding to both sides of the dummy gate and activating the impurity by heat treatment; and Forming an insulating film surrounding the sidewall of the gate; removing the dummy gate to form an opening; and forming a gate electrode on the semiconductor layer exposed in the opening via the gate insulating film. And a step of forming.

本発明でも上述したのと同様、ソース・ドレイン領域を形成する際の高温熱処理を行った後にゲート絶縁膜及びゲート電極が形成される。したがって、上述したのと同様、該元素がゲート絶縁膜中に取り込まれてゲート絶縁膜の特性を劣化させたり、ゲート絶縁膜の界面準位を増加させて素子特性を悪化させるといった問題を回避できるといった効果や、ゲート絶縁膜やゲート電極に高温熱処理に弱い材料を用いることができるといった効果を奏することができる。   In the present invention, as described above, the gate insulating film and the gate electrode are formed after the high-temperature heat treatment for forming the source / drain regions. Therefore, as described above, it is possible to avoid the problem that the element is taken into the gate insulating film to deteriorate the characteristics of the gate insulating film, or the interface state of the gate insulating film is increased to deteriorate the element characteristics. In addition, the gate insulating film and the gate electrode can be made of a material that is weak against high-temperature heat treatment.

前記第1及び第2の半導体材料の代表例としては、先に示したように、それぞれシリコン(Si)及びシリコンゲルマニウム(SiGe)をあげることができるが、第2の半導体材料としてはゲルマニウム(Ge)も代表例としてあげることができる。   As shown above, silicon (Si) and silicon germanium (SiGe) can be cited as typical examples of the first and second semiconductor materials, respectively. As the second semiconductor material, germanium (Ge) ) Can also be given as a representative example.

また、前記ゲート電極の少なくとも一部には、金属窒化物、金属炭化物、金属硼化物、金属シリコン窒化物、金属シリコン炭化物又は金属炭素窒化物を用いることが好ましい。   Further, it is preferable to use metal nitride, metal carbide, metal boride, metal silicon nitride, metal silicon carbide or metal carbon nitride for at least a part of the gate electrode.

ゲート電極(ゲート電極が積層構造の場合には最下層の部分)に用いる導電材料は、その仕事関数が「第2の半導体材料の電子親和力+第2の半導体材料のバンドギャップの1/2」に近いものであることが好ましい。後述するようにGeの濃度が50〜60%程度のSiGeでは、バンドギャップが0.8eV程度、電子親和力は4.0eV程度である。したがって、前記の条件を満たすためには、前記導電材料には仕事関数が4.4eV近傍のものを用いることが好ましい。この観点から、前記した導電材料を前記ゲート電極の導電材料に用いることが好ましい。   The work material of the conductive material used for the gate electrode (the lowermost layer when the gate electrode has a stacked structure) has a work function of “electron affinity of the second semiconductor material + ½ of the band gap of the second semiconductor material”. It is preferable that it is close to. As will be described later, SiGe having a Ge concentration of about 50 to 60% has a band gap of about 0.8 eV and an electron affinity of about 4.0 eV. Therefore, in order to satisfy the above condition, it is preferable to use a conductive material having a work function in the vicinity of 4.4 eV. From this viewpoint, it is preferable to use the conductive material described above as the conductive material of the gate electrode.

本発明によれば、ソース・ドレイン領域を形成する際の高温熱処理を行った後にゲート絶縁膜及びゲート電極が形成される。したがって、半導体材料に高温処理に対して不安定な元素を含むものを用いたとしても、高温処理によって、該元素がゲート絶縁膜中に取り込まれてゲート絶縁膜の特性を劣化させたり、ゲート絶縁膜の界面準位を増加させて素子特性を悪化させるといった問題を回避することができ、特性や信頼性に優れた半導体装置を作製することが可能となる。   According to the present invention, the gate insulating film and the gate electrode are formed after the high temperature heat treatment for forming the source / drain regions. Therefore, even if a semiconductor material containing an element unstable to high-temperature processing is used, the high-temperature processing causes the element to be taken into the gate insulating film and deteriorate the characteristics of the gate insulating film, or It is possible to avoid the problem of deteriorating element characteristics by increasing the interface state of the film, and a semiconductor device having excellent characteristics and reliability can be manufactured.

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施形態1)
図1(a)〜図3(g)は、第1の実施形態に係るMISトランジスタの製造工程を示した図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1A to FIG. 3G are views showing manufacturing steps of the MIS transistor according to the first embodiment.

まず、図1(a)に示すように、Si基板11にドライエッチングで溝を形成した後、Si酸化膜又はSiの熱膨張係数(約3ppm/K)に近い熱膨張係数を有するSiNO膜などを堆積法又は塗布法により形成する。さらに、化学機械研磨法(CMP)又は機械研磨法(MP)によって素子分離領域12を形成する。   First, as shown in FIG. 1A, after a groove is formed in the Si substrate 11 by dry etching, a Si oxide film or a SiNO film having a thermal expansion coefficient close to that of Si (about 3 ppm / K), etc. Are formed by a deposition method or a coating method. Further, the element isolation region 12 is formed by chemical mechanical polishing (CMP) or mechanical polishing (MP).

次に、素子分離領域12で囲まれた素子領域上にダミーゲート用の3〜10nm程度のSi酸化膜21を熱酸化法により形成する。続いて、Si酸化膜21上にダミーゲート22用の膜を堆積する。このダミーゲート22用の膜としては、例えばSi窒化膜(後で形成される側壁絶縁膜よりもリン酸に対するエッチング速度が大きい組成の膜を用いる。Si3 4 よりもSiの組成比が大きいものや、Si3 4 にHやClを1%以上含む膜が望ましい。)及びその下にアモルファスSi又はポリSiを形成した積層膜を用いる。すなわち、後で形成される層間絶縁膜の平坦化研磨プロセスにおいて層間絶縁膜より研磨速度が遅い膜を上層に形成し、下層には薄い絶縁膜21に対してエッチングの選択比が大きいSi系の膜を用いている。続いて、この積層膜を異方性エッチングして、ダミーゲート22をパターン形成する。 Next, a Si oxide film 21 of about 3 to 10 nm for dummy gate is formed on the element region surrounded by the element isolation region 12 by a thermal oxidation method. Subsequently, a film for the dummy gate 22 is deposited on the Si oxide film 21. As the film for the dummy gate 22, for example, a Si nitride film (a film having a composition with a higher etching rate with respect to phosphoric acid than a side wall insulating film to be formed later is used. The composition ratio of Si is larger than that of Si 3 N 4 is used. Or a film containing 1% or more of H or Cl in Si 3 N 4 ) and a laminated film in which amorphous Si or poly-Si is formed thereunder are used. That is, in the planarization polishing process of the interlayer insulating film to be formed later, a film having a polishing rate slower than that of the interlayer insulating film is formed in the upper layer, and the Si-based film having a large etching selectivity with respect to the thin insulating film 21 is formed in the lower layer. A membrane is used. Subsequently, the laminated film is anisotropically etched to pattern the dummy gate 22.

次に、ダミーゲート22をマスクにしてイオン注入法、プラズマドーピング法又は気相拡散法を用いてシリコン基板に所定の不純物を導入し、ソース・ドレインのエクステンション(extension:延長)領域23を形成する。活性化のための熱処理は、100℃/sec以上の昇温速度で昇温可能なRTA(Rapid Thermal Annealing)を用いて、800〜900℃で30秒以下の時間行なう。   Next, by using the dummy gate 22 as a mask, a predetermined impurity is introduced into the silicon substrate using an ion implantation method, a plasma doping method, or a vapor phase diffusion method, thereby forming a source / drain extension region 23. . The heat treatment for activation is performed at 800 to 900 ° C. for 30 seconds or less using RTA (Rapid Thermal Annealing) capable of increasing the temperature at a temperature increase rate of 100 ° C./sec or more.

次に、図1(b)に示すように、5〜30nmの膜厚のSi窒化膜又はSi窒化酸化膜からなる側壁絶縁膜24を形成する。この側壁絶縁膜24とダミーゲート22との間には、ダミーゲート除去時に側壁絶縁膜が横方向に後退しないように、10nm以下の酸化膜を介在させるようにしてもよい。その後、ダミーゲート22及び側壁絶縁膜24をマスクにして、イオン注入法、プラズマドーピング法又は気相拡散法を用いて、ソース・ドレインの深い領域25を形成する。活性化のための熱処理は、前述と同様のRTAを用いて、800〜900℃で30秒以下の時間行なう。活性化される不純物濃度を高めるために、電子ビーム或いは紫外領域の波長を有するレーザー、水銀ランプ又はキセノンランプを用いて、1000℃以上で1秒以下の熱処理を行なってもよい。その後、層間絶縁膜26をCVD法により堆積する。   Next, as shown in FIG. 1B, a sidewall insulating film 24 made of a Si nitride film or Si nitride oxide film having a thickness of 5 to 30 nm is formed. An oxide film of 10 nm or less may be interposed between the sidewall insulating film 24 and the dummy gate 22 so that the sidewall insulating film does not recede in the lateral direction when the dummy gate is removed. Thereafter, using the dummy gate 22 and the sidewall insulating film 24 as a mask, a deep source / drain region 25 is formed by ion implantation, plasma doping, or vapor phase diffusion. The heat treatment for activation is performed at 800 to 900 ° C. for 30 seconds or less using the same RTA as described above. In order to increase the concentration of impurities to be activated, heat treatment may be performed at 1000 ° C. or more and 1 second or less using an electron beam or a laser having a wavelength in the ultraviolet region, a mercury lamp, or a xenon lamp. Thereafter, an interlayer insulating film 26 is deposited by a CVD method.

次に、図1(c)に示すように、CMP法により平坦化を行い、ダミーゲート22の表面を露出させる。   Next, as shown in FIG. 1C, planarization is performed by CMP to expose the surface of the dummy gate 22.

次に、図2(d)に示すように、等方性エッチングと異方性エッチングを組み合わせてダミーゲート22を除去する。続いて、薄い酸化膜21を下地のSi基板に結晶欠陥が発生しないようにエッチング除去する。このようにして、開口部22aが形成される。   Next, as shown in FIG. 2D, the dummy gate 22 is removed by combining isotropic etching and anisotropic etching. Subsequently, the thin oxide film 21 is removed by etching so that crystal defects do not occur in the underlying Si substrate. In this way, the opening 22a is formed.

次に、図2(e)に示すように、開口部22aにGeをイオン注入(イオン注入されるGeを番号27で示した)して、Siに対してGeが20〜90%の濃度範囲でドーピングされたSiGe層28を形成する。イオン注入条件は、例えば、5〜50keV、1×1015cm-2〜1×1017cm-2とする。このとき、基板温度が−60℃以下、望ましくは−100℃以下になるようにシリコン基板を冷却しながらイオン注入を行なうと、原子空孔の集合化が抑制され、熱処理により完全に結晶欠陥を回復することができるため、低温でイオン注入することが望ましい。イオン注入の注入角度は基板に対して垂直又は垂直方向から5度以内とする。 Next, as shown in FIG. 2 (e), Ge is ion-implanted into the opening 22a (Ge to be ion-implanted is indicated by numeral 27), and the concentration range of Ge is 20 to 90% with respect to Si. A SiGe layer 28 doped with is formed. The ion implantation conditions are, for example, 5 to 50 keV, 1 × 10 15 cm −2 to 1 × 10 17 cm −2 . At this time, if ion implantation is performed while cooling the silicon substrate so that the substrate temperature is −60 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower, the aggregation of atomic vacancies is suppressed, and crystal defects are completely removed by heat treatment. It is desirable to perform ion implantation at a low temperature because it can be recovered. The ion implantation angle is set to be perpendicular to the substrate or within 5 degrees from the vertical direction.

また、Geをイオン注入する際に水素の混入を抑制するために、Geには質量数73以外のものを用いることが望ましい。図11は、各々の質量数のGeを5×1015cm-2イオン注入した場合に、Si基板中にどれだけ水素原子が導入されるかを分析した結果である。73Geは、72Geに水素が結合したものと同一の質量になるために、水素導入量が特に多い。70Ge、72Ge、74Ge、76Geの内、天然存在比が最も多い76Geはビーム電流が最も大きくとれるため最も注入効率が良い。 Further, in order to suppress the mixing of hydrogen when Ge is ion-implanted, it is desirable to use a Ge other than mass number 73. FIG. 11 shows the result of analysis of how many hydrogen atoms are introduced into the Si substrate when 5 × 10 15 cm −2 ions of each mass number of Ge are implanted. Since 73Ge has the same mass as that obtained by bonding hydrogen to 72Ge, the amount of hydrogen introduced is particularly large. Among the 70Ge, 72Ge, 74Ge, and 76Ge, 76Ge having the highest natural abundance ratio has the highest injection efficiency because the beam current can be maximized.

イオン注入後の熱処理に際しては、熱処理室を真空に引くか或いは窒素又はArなどのガスを十分に流して、酸素、水蒸気、二酸化炭素などの酸化剤が処理室内に混入しないような状態で加熱を開始するようにする。熱処理条件は、例えば600℃〜800℃で30秒以上行なう。また、非熱平衡状態(準安定状態)で結晶を回復させ、例えば結晶格子が4〜6%拡がり歪みを有するような状態にすることにより、通常のバルクのキャリア移動度よりも高い移動度を得ることが可能である。   When performing heat treatment after ion implantation, the heat treatment chamber is evacuated or a gas such as nitrogen or Ar is sufficiently flowed so that an oxidizing agent such as oxygen, water vapor or carbon dioxide is not mixed in the treatment chamber. Let it start. For example, the heat treatment is performed at 600 ° C. to 800 ° C. for 30 seconds or longer. Further, by recovering the crystal in a non-thermal equilibrium state (metastable state), for example, by bringing the crystal lattice into a state in which the crystal lattice has a strain of 4 to 6%, a mobility higher than that of a normal bulk carrier is obtained. It is possible.

なお、このようにして得られたSiGe層28の領域の外周エッジは、側壁絶縁膜24の外側(開口部側)エッジと一致している必要はなく、設計の範囲内で外周エッジの位置を決めることができる。   Note that the outer peripheral edge of the region of the SiGe layer 28 thus obtained does not need to coincide with the outer (opening side) edge of the side wall insulating film 24, and the position of the outer peripheral edge is within the design range. I can decide.

次に、図2(f)に示すように、酸素ラジカル又はオゾンを用いて開口部のシリコン基板表面に厚さ1nm以下の酸化膜を形成し(図示せず)、次いでゲート絶縁膜29としてTa2 5 、TiO2 、BSTO、CeO2 など、Si酸化膜よりも比誘電率が大きい絶縁膜を形成する。2〜3nmのSiOx y 膜を堆積したり、Si酸化膜の表面を500℃以下の温度で窒素ラジカルなどを用いて窒化することにより、ゲート絶縁膜29を形成しても良い。 Next, as shown in FIG. 2F, an oxide film having a thickness of 1 nm or less is formed on the surface of the silicon substrate in the opening using oxygen radicals or ozone (not shown), and then Ta as the gate insulating film 29 is formed. An insulating film having a relative dielectric constant larger than that of the Si oxide film, such as 2 O 5 , TiO 2 , BSTO, or CeO 2 , is formed. The gate insulating film 29 may be formed by depositing a 2 to 3 nm SiO x N y film or nitriding the surface of the Si oxide film using a nitrogen radical or the like at a temperature of 500 ° C. or lower.

次に、ゲートの仕事関数を決定する金属導電性の膜30を10nm以下の膜厚で堆積する。この金属導電性の膜30としては、図10に示すように、チャネル領域に用いるSiGeのバンドギャップの中央付近に仕事関数が位置するような材料を選択することが好ましい。   Next, a metal conductive film 30 for determining the work function of the gate is deposited with a film thickness of 10 nm or less. As the metal conductive film 30, as shown in FIG. 10, it is preferable to select a material whose work function is located near the center of the band gap of SiGe used for the channel region.

例えば、Geの濃度が50〜60%のSiGe層を用いる場合には、バンドギャップが0.8eV程度となり、電極として用いる材料の仕事関数は4.4eV程度ということになる。なお、この仕事関数にはある程度の許容範囲を持たせてもよく、バンドギャップが0.8eV程度の場合、チャネル内の不純物濃度を現実的な制御範囲内で変化させてVth制御を可能とするためには、仕事関数の値が4.0〜4.5eV程度の範囲にある電極材料を選ぶことが望ましい。また、多結晶金属材料は結晶面によって仕事関数が変化するため、30nm以下の微小な結晶粒の多結晶金属を用いるか、或いはアモルファスの導電性材料を用いることが好ましい。   For example, when a SiGe layer having a Ge concentration of 50 to 60% is used, the band gap is about 0.8 eV, and the work function of the material used as the electrode is about 4.4 eV. The work function may have a certain allowable range. When the band gap is about 0.8 eV, the impurity concentration in the channel is changed within a realistic control range to enable Vth control. Therefore, it is desirable to select an electrode material having a work function value in the range of about 4.0 to 4.5 eV. In addition, since the work function of the polycrystalline metal material varies depending on the crystal plane, it is preferable to use a polycrystalline metal with a minute crystal grain of 30 nm or less, or an amorphous conductive material.

仕事関数が上述の4.0〜4.5eVの範囲にある材料としては、例えば、Ta窒化物、Nb窒化物、Zr窒化物、Hf窒化物などの金属窒化物、或いは金属炭化物、金属硼化物、金属シリコン窒化物、金属シリコン炭化物、金属炭素窒化物などがあげられる。なお、Ti窒化物は、Tiと窒素の組成が1:1の場合には仕事関数が4.6eV程度であるが、結晶面方位を制御して仕事関数の低い面方位になるようにする、或いはTiNにCを添加してアモルファスにしその組成を制御することにより、仕事関数を4.5eV以下に設定することも可能である。また、上述した材料とゲート絶縁膜との間の熱的安定性のために、導電率を50%以上低下させない範囲内で酸素を添加することが有効である。また、上述した材料は、ゲート絶縁膜となるTa酸化物、Ti酸化物、Zr酸化物、Hf酸化物、Ce酸化物との界面の熱的安定性も優れている。   Examples of the material having a work function in the range of 4.0 to 4.5 eV are metal nitrides such as Ta nitride, Nb nitride, Zr nitride, and Hf nitride, metal carbide, and metal boride. Metal silicon nitride, metal silicon carbide, metal carbon nitride and the like. The Ti nitride has a work function of about 4.6 eV when the composition of Ti and nitrogen is 1: 1. However, the crystal plane orientation is controlled so that the work function has a low orientation. Alternatively, the work function can be set to 4.5 eV or less by adding C to TiN to make it amorphous to control its composition. In addition, for thermal stability between the above-described material and the gate insulating film, it is effective to add oxygen within a range that does not lower the conductivity by 50% or more. In addition, the above-described materials are also excellent in thermal stability at the interface with Ta oxide, Ti oxide, Zr oxide, Hf oxide, and Ce oxide to be a gate insulating film.

金属導電性の膜30を堆積した後、AlやWなど比抵抗の小さい金属膜31を堆積する。   After the metal conductive film 30 is deposited, a metal film 31 having a small specific resistance such as Al or W is deposited.

次に、図3(g)に示すように、金属導電性の膜30及び金属膜31をCMP法又はMP法を用いて平坦化することによりゲート電極を形成し、MISトランジスタが完成する。   Next, as shown in FIG. 3G, the metal conductive film 30 and the metal film 31 are planarized using the CMP method or the MP method to form a gate electrode, thereby completing the MIS transistor.

なお、上述の工程において、ソース・ドレイン領域を低抵抗化する必要がある場合には、ソース・ドレイン領域にCoSi2 、TiSi2 などの金属シリサイドをさらに形成してもよい。その際に、拡散層25の深さが100nm以下の場合には、拡散層25上にSi層、SiGe層或いはSiGeC層をエピタキシャル成長させ、シリサイドで侵食される領域をpn接合から5nm以上遠ざけることが好ましい。また、ゲート電極材料には、上述した材料以外に、Ru、RuO2 、Al、Ag、Cu、Auなどを用いるようにしてもよい。 In the above-described process, when it is necessary to reduce the resistance of the source / drain region, a metal silicide such as CoSi 2 or TiSi 2 may be further formed in the source / drain region. At this time, when the depth of the diffusion layer 25 is 100 nm or less, the Si layer, the SiGe layer, or the SiGeC layer is epitaxially grown on the diffusion layer 25, and the region eroded by the silicide can be separated from the pn junction by 5 nm or more. preferable. In addition to the materials described above, Ru, RuO 2 , Al, Ag, Cu, Au, or the like may be used as the gate electrode material.

このように、本実施形態によれば、ソース・ドレイン領域23及び25を形成する際の高温活性化処理を行った後に、ゲート絶縁膜29及びゲート電極30及び31が形成される。したがって、高温処理によって、SiGe層28中のGeがゲート絶縁膜中に取り込まれたり、ゲート絶縁膜の界面準位が増加するといった問題を防止することができる。また、ゲート絶縁膜に高誘電体膜を用いることができるなど、ゲート絶縁膜やゲート電極に高温熱処理に対して弱い材料を用いることも可能である。   As described above, according to the present embodiment, the gate insulating film 29 and the gate electrodes 30 and 31 are formed after performing the high temperature activation process when forming the source / drain regions 23 and 25. Therefore, the problem that Ge in the SiGe layer 28 is taken into the gate insulating film or the interface state of the gate insulating film increases due to the high temperature treatment can be prevented. In addition, a high dielectric film can be used for the gate insulating film, and a material weak to high-temperature heat treatment can be used for the gate insulating film and the gate electrode.

また、本実施形態では、チャネル領域に選択的にSiGe層が形成され、ソース・ドレイン領域はSiによって形成されることになる。したがって、チャネル領域の移動度を増加させることができるとともに、ソース・ドレイン領域もSiGeで形成される場合に比べてpn接合におけるリーク電流を低減させることができる。   In this embodiment, a SiGe layer is selectively formed in the channel region, and the source / drain regions are formed of Si. Therefore, the mobility of the channel region can be increased, and the leakage current at the pn junction can be reduced as compared with the case where the source / drain regions are also formed of SiGe.

(実施形態2)
図4は、第2の実施形態に係るMISトランジスタの構造を示したものであり、ゲート電極下のSiGe層をエピタキシャル成長法により形成した場合の断面図を示したものである。基本的な構成及び製造工程については、第1の実施形態と同様であり、対応する構成要素には同一番号を付している。
(Embodiment 2)
FIG. 4 shows the structure of the MIS transistor according to the second embodiment, and shows a cross-sectional view when the SiGe layer under the gate electrode is formed by the epitaxial growth method. About a basic structure and a manufacturing process, it is the same as that of 1st Embodiment, and the same number is attached | subjected to the corresponding component.

本例では、第1の実施形態で示した図2(d)工程の後、開口部22aにCVD法でSiGe膜28を選択的にエピタキシャル成長させている。CVD法でSiGe膜のエピタキシャル成長を行なう際には、開口部22aに露出したSi基板11表面に存在する自然酸化膜や汚染物質を化学洗浄及び水素熱処理等により除去して、清浄な表面を形成することが重要である。例えば、Si基板表面の自然酸化膜を除去する際には、水素中にて800℃〜900℃で熱処理を行なうようにする。   In this example, after the step of FIG. 2D shown in the first embodiment, the SiGe film 28 is selectively epitaxially grown in the opening 22a by the CVD method. When the SiGe film is epitaxially grown by the CVD method, a natural oxide film and contaminants present on the surface of the Si substrate 11 exposed in the opening 22a are removed by chemical cleaning, hydrogen heat treatment, etc., thereby forming a clean surface. This is very important. For example, when removing the natural oxide film on the Si substrate surface, heat treatment is performed at 800 ° C. to 900 ° C. in hydrogen.

また、自然酸化膜を除去した後に再度自然酸化膜が形成されないようにするため、自然酸化膜を除去するクリーニングチャンバーとSiGe膜を堆積する堆積チャンバーとは、同一メインフレーム内の別チャンバーであることが望ましい。また、同一チャンバー内でクリーニングとSiGe膜の堆積を行なうようにしてもよく、この場合には、800℃〜850℃で5分以内のクリーニング処理を行った後、500℃〜600℃まで温度を下げてSiGe膜の堆積を行なうようにする。   In order to prevent the natural oxide film from being formed again after the natural oxide film is removed, the cleaning chamber for removing the natural oxide film and the deposition chamber for depositing the SiGe film are separate chambers in the same main frame. Is desirable. In addition, cleaning and SiGe film deposition may be performed in the same chamber. In this case, the cleaning process is performed at 800 ° C. to 850 ° C. within 5 minutes, and then the temperature is increased from 500 ° C. to 600 ° C. Then, the SiGe film is deposited.

なお、SiGe膜の代わりにGe膜をエピタキシャル成長させる場合には、Ge膜の下層にSiGe層を設けることが好ましく、これにより結晶歪みを低減することができる。望ましくは、Geの濃度がSi基板表面からGe膜に向かって徐々に高濃度になるように濃度勾配をつけるようにする。   In the case of epitaxially growing a Ge film instead of the SiGe film, it is preferable to provide a SiGe layer under the Ge film, thereby reducing crystal distortion. Desirably, a concentration gradient is provided so that the Ge concentration gradually increases from the Si substrate surface toward the Ge film.

CVD法でSiGe膜をエピタキシャル成長させる際のソースガスとしては、次のようなガスを用いることが好ましい。Siのソースガスとしては、モノシラン(SiH4 )、ジシラン(Si2 6 )、トリシラン(Si3 8 )、四弗化シラン(SiF4 )などを用いることが好ましい。Geのソースガスとしては、ゲルマン(GeH4 )や四弗化ゲルマン(GeF4 )などを用いることが好ましい。特に、膜中の水素の濃度を低くすることが必要な場合には、SiとGeの原料ガス間で次のような組み合わせを用いるが望ましい。 As a source gas for epitaxial growth of the SiGe film by the CVD method, the following gas is preferably used. As the Si source gas, monosilane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), trisilane (Si 3 H 8 ), tetrafluorosilane (SiF 4 ), or the like is preferably used. As the Ge source gas, it is preferable to use germane (GeH 4 ), tetrafluoride germane (GeF 4 ), or the like. In particular, when it is necessary to reduce the concentration of hydrogen in the film, it is desirable to use the following combinations between Si and Ge source gases.

組み合わせ1
SiH4 、Si2 6 又はSi3 8とGeF4 の組み合わせ
組み合わせ2
SiF4 とGeH4 の組み合わせ
組み合わせ3
SiH4 、Si2 6 又はSi3 8とGeH4 の組み合わせ
特に、組成制御や膜の均一性が要求される場合には、組み合わせ1を用いることが望ましい。
Combination 1
Combination 2 of SiH 4 , Si 2 H 6 or Si 3 H 8 and GeF 4
Combination of SiF 4 and GeH 4 Combination 3
Combination of SiH 4 , Si 2 H 6 or Si 3 H 8 and GeH 4 Especially when composition control and film uniformity are required, it is desirable to use combination 1.

以上のようにしてSiGe膜のエピタキシャル成長を行なった後は、第1の実施形態で示した図2(f)〜図3(g)の工程と同様の工程を用いて、ゲート絶縁膜やゲート電極を形成すればよい。   After the epitaxial growth of the SiGe film as described above, the gate insulating film and the gate electrode are formed by using the same process as the process of FIGS. 2F to 3G shown in the first embodiment. May be formed.

なお、図4に示した構造の場合には、寄生抵抗を低減するために、ソース・ドレインのエクステンション領域23のゲート側のエッヂが、図に示すようにSiGe膜28の一部に延長していることが望ましい。   In the case of the structure shown in FIG. 4, the gate-side edge of the source / drain extension region 23 extends to a part of the SiGe film 28 as shown in FIG. It is desirable.

図5は、本実施形態の他の例を示したものであり、図4に示した例と同様に、ゲート電極下のSiGe膜をエピタキシャル成長法により形成したものである。基本的な構成及び製造工程については図4に示した例と同様であり、対応する構成要素には同一番号を付している。   FIG. 5 shows another example of the present embodiment. As in the example shown in FIG. 4, an SiGe film under the gate electrode is formed by an epitaxial growth method. The basic configuration and the manufacturing process are the same as in the example shown in FIG. 4, and the corresponding components are denoted by the same reference numerals.

本例では、第1の実施形態で示した図2(d)工程の後、図5(a)に示すように、開口部22aに露出したSi基板11の表面領域を10〜30nm程度エッチングして、表面位置を基板側に後退させる。その後、図5(b)に示すように、開口部22aに露出したSi基板上に、図4に示した例と同様にして、SiGe膜28をエピタキシャル成長させる。   In this example, after the step of FIG. 2D shown in the first embodiment, as shown in FIG. 5A, the surface region of the Si substrate 11 exposed in the opening 22a is etched by about 10 to 30 nm. Then, the surface position is retracted to the substrate side. Thereafter, as shown in FIG. 5B, the SiGe film 28 is epitaxially grown on the Si substrate exposed in the opening 22a in the same manner as in the example shown in FIG.

本例では、SiGe膜28とソース・ドレインのエクステンション領域23とが接しているため、図4に示したような領域をエクステンション領域23に設ける必要がなくなる。   In this example, since the SiGe film 28 and the source / drain extension regions 23 are in contact with each other, it is not necessary to provide a region as shown in FIG.

(実施形態3)
次に、図6及び図7に示した第3の実施形態について説明する。本実施形態は、SiGe層が素子領域全体にわたって形成されているものである。
(Embodiment 3)
Next, the third embodiment shown in FIGS. 6 and 7 will be described. In the present embodiment, the SiGe layer is formed over the entire element region.

図6に示した例では、SiGe層28が素子領域表面全体にわたって50nm以下の非常に薄い領域に形成されている。このような構造を作製するための製造工程について以下簡単に説明する。   In the example shown in FIG. 6, the SiGe layer 28 is formed in a very thin region of 50 nm or less over the entire surface of the device region. A manufacturing process for manufacturing such a structure will be briefly described below.

まず、シリコン基板11に素子分離領域12を形成した後、素子領域全体にSiGe層28を形成する。このSiGe層の形成方法は、イオン注入法でもエピタキシャル成長法でもよい。その後のダミーゲートの形成からダミーゲートを除去するまでの工程は、第1の実施形態で示した図1(a)〜図2(d)の工程と基本的に対応している。図2(d)の工程の後、第1の実施形態では図2(e)に示したようにSiGe層を形成しているが、本例ではすでにSiGe層は形成されている。したがって、本例ではSiGe層をあらためて形成することはせず、図2(d)の工程の後は、図2(f)及び図3(g)の工程を順に行う。これにより、図6に示したような構造を得ることができる。   First, after forming the element isolation region 12 on the silicon substrate 11, the SiGe layer 28 is formed over the entire element region. The SiGe layer can be formed by either ion implantation or epitaxial growth. The subsequent steps from the formation of the dummy gate to the removal of the dummy gate basically correspond to the steps of FIGS. 1A to 2D shown in the first embodiment. After the step of FIG. 2D, the SiGe layer is formed as shown in FIG. 2E in the first embodiment, but the SiGe layer is already formed in this example. Therefore, in this example, the SiGe layer is not formed again, and after the step of FIG. 2D, the steps of FIG. 2F and FIG. 3G are sequentially performed. Thereby, the structure as shown in FIG. 6 can be obtained.

図7に示した例は、SiGe層28が素子領域全体にわたって素子分離領域の膜厚とほぼ同等な膜厚で形成されている。   In the example shown in FIG. 7, the SiGe layer 28 is formed with a film thickness almost equal to the film thickness of the element isolation region over the entire element region.

基本的な工程は前述した図6で示した工程と同様であるが、本例では、Si基板表面に素子分離用の絶縁膜を熱酸化で形成した後、この素子分離用絶縁膜をドライエッチング等によってパターン加工することにより素子形成領域に開口部を形成し、この開口部にSiGe層をエピタキシャル成長させる。素子分離用絶縁膜上にも非選択的にSiGe層が形成された場合には、CMP法やMP法などにより絶縁膜上のSiGe膜を除去すればよい。   Although the basic process is the same as the process shown in FIG. 6 described above, in this example, after an insulating film for element isolation is formed on the surface of the Si substrate by thermal oxidation, this insulating film for element isolation is dry-etched. An opening is formed in the element formation region by patterning using a method or the like, and a SiGe layer is epitaxially grown in the opening. When the SiGe layer is formed non-selectively also on the element isolation insulating film, the SiGe film on the insulating film may be removed by CMP or MP.

なお、図6及び図7に示した例では、チャネル領域だけではなくソース・ドレイン領域にもSiGe層が形成されるため、pn接合リーク電流に対するスペックが厳しいトランジスタでは、ソース・ドレイン領域のバンドギャップをチャネル領域よりも広くする必要がある。バンドギャップを広げるためには、炭素をソース・ドレイン領域に1021cm-3程度以上の濃度になるようにドーピングして、SiGeC構造にする方法が有効である。(1〜2)×1022cm-3程度ドーピングすることにより、ソース・ドレイン領域のバンドギャップを0.2〜0.4eV程度広げることができる。 In the example shown in FIG. 6 and FIG. 7, since the SiGe layer is formed not only in the channel region but also in the source / drain region, the band gap of the source / drain region is used in a transistor with strict specifications against the pn junction leakage current. Needs to be wider than the channel region. In order to widen the band gap, a method of doping the carbon in the source / drain region so as to have a concentration of about 10 21 cm −3 or more to form a SiGeC structure is effective. By doping about (1-2) × 10 22 cm −3 , the band gap of the source / drain regions can be expanded by about 0.2-0.4 eV.

(実施形態4)
次に、図8及び図9に示した第4の実施形態について説明する。本実施形態は、本発明をコンケーブ型のMISトランジスタに適用した場合である。すなわち、ゲート電極がSi基板側に食い込んだ形状になっており、その下にゲート絶縁膜及びSiGe層が形成されている。
(Embodiment 4)
Next, the fourth embodiment shown in FIGS. 8 and 9 will be described. In this embodiment, the present invention is applied to a concave MIS transistor. That is, the gate electrode has a shape that bites into the Si substrate side, and the gate insulating film and the SiGe layer are formed thereunder.

図8に示した例では、ゲート電極がSi基板側に食い込んでいる領域の深さが、ソース・ドレイン拡散層の深さとほぼ同等になっている。以下、このような構造の作成方法を説明する。   In the example shown in FIG. 8, the depth of the region in which the gate electrode bites into the Si substrate side is substantially equal to the depth of the source / drain diffusion layer. Hereinafter, a method for creating such a structure will be described.

本例では、第1の実施形態で示した図2(d)工程の後、図8(a)に示すように、開口部22aに露出したSi基板の表面領域を10〜30nm程度エッチングして、表面位置を基板側に後退させる。   In this example, after the step of FIG. 2D shown in the first embodiment, as shown in FIG. 8A, the surface region of the Si substrate exposed to the opening 22a is etched by about 10 to 30 nm. Then, the surface position is retracted to the substrate side.

以後の工程は基本的に第1の実施形態で示した工程と同様である。すなわち、開口部22aにGeをイオン注入して、Siに対してGeが20〜90%の濃度範囲でドーピングされたSiGe層28を形成する。イオン注入条件は、例えば、5〜50keV、1×1015cm-2〜1×1017cm-2とする。このとき、基板を冷却しながらイオン注入したり、イオン注入の注入角度を基板に対して垂直或いは垂直に近い角度にすることが望ましいことは、第1の実施形態で述べたのと同様である。 Subsequent steps are basically the same as those shown in the first embodiment. That is, Ge is ion-implanted into the opening 22a to form a SiGe layer 28 in which Ge is doped in a concentration range of 20 to 90% with respect to Si. The ion implantation conditions are, for example, 5 to 50 keV, 1 × 10 15 cm −2 to 1 × 10 17 cm −2 . At this time, it is desirable to perform ion implantation while cooling the substrate, or to make the implantation angle of the ion implantation perpendicular or close to perpendicular to the substrate, as described in the first embodiment. .

次に、図8(b)に示すように、Si−O結合層を1〜2原子層形成(図示せず)した後に、Si酸化膜よりも比誘電率が大きい絶縁膜をゲート絶縁膜29として形成する。さらに、仕事関数を決める金属導電性の膜30及び低抵抗の金属膜31を堆積し、第1の実施形態と同様にCMP又はMPでゲート電極を加工してトランジスタ構造を完成させる。   Next, as shown in FIG. 8B, after forming an Si—O bonding layer by 1 to 2 atomic layers (not shown), an insulating film having a relative dielectric constant larger than that of the Si oxide film is formed as a gate insulating film 29. Form as. Further, a metal conductive film 30 and a low resistance metal film 31 for determining a work function are deposited, and a gate electrode is processed by CMP or MP as in the first embodiment to complete a transistor structure.

なお、SiGe層をGeのイオン注入ではなく、エピタキシャル成長法で形成する場合には、Si基板の彫り込みの深さを10〜130nm程度に深くしてSiGe層をエピタキシャル成長させるようにしてもよい。また、ソース・ドレイン領域に予めSi層SiGe層或いはSiGeC層をエピタキシャル成長法により形成しておき、ゲート電極底部の高さが相対的に低くなるようにしておいても良い。   In the case where the SiGe layer is formed not by Ge ion implantation but by an epitaxial growth method, the SiGe layer may be epitaxially grown by increasing the depth of engraving of the Si substrate to about 10 to 130 nm. Alternatively, a Si layer SiGe layer or SiGeC layer may be formed in advance in the source / drain region by an epitaxial growth method so that the height of the bottom of the gate electrode is relatively low.

図9に示した例では、ゲート電極のSi基板側に食い込んでいる領域の深さがソース・ドレイン拡散層25の深さよりも深くなっている。また、ソース・ドレイン領域に予めSi層やSiGe層をエピタキシャル法により形成しておくことにより、ゲート電極底部の高さを相対的に低くしている。このようにゲート電極底部の高さを相対的に低くしておくことにより、素子特性の安定性を増すことが可能となる。   In the example shown in FIG. 9, the depth of the region that penetrates into the Si substrate side of the gate electrode is deeper than the depth of the source / drain diffusion layer 25. Further, by forming an Si layer or SiGe layer in the source / drain region in advance by an epitaxial method, the height of the bottom of the gate electrode is relatively lowered. As described above, the stability of the element characteristics can be increased by keeping the height of the bottom of the gate electrode relatively low.

なお、図9に示した例では、Si基板の彫り込み深さが50nm以上におよび、素子分離絶縁膜端にSiの尖った形状が形成されるため、これを丸めるための熱処理又は化学反応を用いた処理を行うことが好ましい。また、本例では、チャネル領域だけではなくソース・ドレイン領域にもSiGe層が形成されるため、第2の実施形態で述べたのと同様、pn接合リーク電流スペックの厳しいトランジスタでは、ソース・ドレイン領域のバンドギャップをSiGeのバンドギャップよりも広げることが好ましい。また、ゲート耐圧の劣化や電流駆動力の低下を防止するために、ゲート電極底部のコーナー部分を曲面状になるように丸めることが好ましい。   In the example shown in FIG. 9, since the Si substrate engraving depth is 50 nm or more and a pointed Si shape is formed at the edge of the element isolation insulating film, a heat treatment or a chemical reaction is used to round it. It is preferable to carry out the processing. In this example, since the SiGe layer is formed not only in the channel region but also in the source / drain region, as described in the second embodiment, in a transistor with strict pn junction leakage current specifications, Preferably, the band gap of the region is wider than that of SiGe. In order to prevent the deterioration of the gate breakdown voltage and the decrease in the current driving force, it is preferable to round the corner portion at the bottom of the gate electrode so as to have a curved surface.

図12は、本発明によって作製されたMOSトランジスタのホールの移動度をボロン濃度に対してプロットしたものである。本実施形態によって作製されたMOSトランジスタ(Geを1×1016cm-2注入したSiGeによってチャネル領域を形成したpチャネルMOSFET)では、従来のpチャネルMOSトランジスタと比べて移動度が2〜3倍程度に増加している。これにより、同一ドレイン電圧に対してドレイン電流が20%以上増加した。また、ソース・ドレイン領域に金属シリサイドやメタルを貼り付けたり、ソース・ドレイン拡散層の活性化不純物濃度を増加させることにより、寄生抵抗が減少するため、さらにドレイン電流を増加させることができ、最大で2〜3倍程度にドレイン電流を増加させることができる。また、nチャネルMOSFETに関しても、増加の割合は多少小さくなる(ドレイン電流が最大で1.5倍〜2倍程度)が、同様の効果を得ることができた。 FIG. 12 is a plot of hole mobility versus boron concentration for a MOS transistor fabricated according to the present invention. In the MOS transistor (p-channel MOSFET in which the channel region is formed of SiGe into which Ge is implanted at 1 × 10 16 cm −2) manufactured according to the present embodiment, the mobility is 2 to 3 times that of the conventional p-channel MOS transistor. Has increased to a degree. As a result, the drain current increased by 20% or more for the same drain voltage. In addition, by attaching metal silicide or metal to the source / drain region or increasing the activation impurity concentration of the source / drain diffusion layer, the parasitic resistance is reduced, so that the drain current can be further increased. The drain current can be increased by about 2 to 3 times. In addition, with respect to the n-channel MOSFET, although the rate of increase is somewhat small (the drain current is about 1.5 to 2 times at the maximum), the same effect can be obtained.

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の第1の実施形態に係るトランジスタの製造工程の一部を示した工程断面図。FIG. 6 is a process cross-sectional view illustrating a part of the manufacturing process of the transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係るトランジスタの製造工程の一部を示した工程断面図。FIG. 6 is a process cross-sectional view illustrating a part of the manufacturing process of the transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係るトランジスタの製造工程の一部を示した工程断面図。FIG. 6 is a process cross-sectional view illustrating a part of the manufacturing process of the transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係るトランジスタの一例についてその構成例を示した断面図。Sectional drawing which showed the structural example about an example of the transistor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るトランジスタの他の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the other example of the transistor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係るトランジスタの一例についてその構成例を示した断面図。Sectional drawing which showed the structural example about an example of the transistor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係るトランジスタの他の例についてその構成例を示した断面図。Sectional drawing which showed the example of a structure about the other example of the transistor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るトランジスタの一例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about an example of the transistor which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るトランジスタの他の例についてその構成例を示した断面図。Sectional drawing which showed the structural example about the other example of the transistor which concerns on the 4th Embodiment of this invention. ゲート電極の仕事関数と半導体のバンド構造について、本発明と従来技術とを対比して示した図。The figure which contrasted this invention and the prior art about the work function of a gate electrode, and the band structure of a semiconductor. イオン注入の際にシリコン基板に導入される水素濃度のGe質量数依存性について示した図。The figure shown about Ge mass number dependence of the hydrogen concentration introduce | transduced into a silicon substrate in the case of ion implantation. トランジスタのホール移動度のボロン濃度依存性について、本発明と従来技術とを対比して示した図。The figure which contrasted this invention and the prior art about the boron density | concentration dependence of the hole mobility of a transistor.

符号の説明Explanation of symbols

11…シリコン基板
12…素子分離領域
21…シリコン酸化膜
22…ダミーゲート
22a…開口部
23、25…ソース・ドレイン領域
24…側壁絶縁膜
26…層間絶縁膜
27…イオン注入されるGe
28…SiGe層
29…ゲート絶縁膜
30、31…ゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Silicon substrate 12 ... Element isolation region 21 ... Silicon oxide film 22 ... Dummy gate 22a ... Opening part 23, 25 ... Source-drain region 24 ... Side wall insulating film 26 ... Interlayer insulating film 27 ... Ion-implanted Ge
28 ... SiGe layer 29 ... Gate insulating film 30, 31 ... Gate electrode

Claims (5)

第1の半導体材料からなる半導体基板上のゲート形成予定領域にダミーゲートを形成する工程と、このダミーゲートをマスクとしてダミーゲートの両側に対応する領域の半導体基板内に不純物を導入し熱処理によってこの不純物を活性化することによりソース・ドレイン領域を形成する工程と、前記ダミーゲートの側壁を取り囲む絶縁膜を形成する工程と、前記ダミーゲートを除去して前記半導体基板の表面を露出させ、露出した半導体基板の表面をエッチングすることで表面位置を後退させて開口部を形成する工程と、前記開口部に露出した前記半導体基板の表面に存在する自然酸化膜を除去する工程と、前記開口部が形成された領域に第2の半導体材料からなりチャネル領域となる半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程と、前記開口部に露出している前記半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程とを有し、前記第1の半導体材料はシリコン(Si)であり、前記第2の半導体材料はゲルマニウム(Ge)又はシリコンゲルマニウム(SiGe)であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step of forming a dummy gate in a gate formation scheduled region on the semiconductor substrate made of the first semiconductor material, and introducing this impurity into the semiconductor substrate in the region corresponding to both sides of the dummy gate using this dummy gate as a mask A step of forming a source / drain region by activating impurities, a step of forming an insulating film surrounding a side wall of the dummy gate, and removing the dummy gate to expose the surface of the semiconductor substrate. Etching the surface of the semiconductor substrate to retreat the surface position to form an opening; removing the natural oxide film present on the surface of the semiconductor substrate exposed to the opening; and Forming a semiconductor layer made of a second semiconductor material and serving as a channel region in the formed region by epitaxial growth; Forming a gate electrode on the semiconductor layer exposed in the opening via a gate insulating film, wherein the first semiconductor material is silicon (Si), and the second semiconductor material Is a germanium (Ge) or silicon germanium (SiGe) method. 前記自然酸化膜の除去は、水素中での熱処理によって行われる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。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the natural oxide film is removed by a heat treatment in hydrogen. 前記自然酸化膜を除去する工程と、前記半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程とは、同一チャンバー内で行われる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。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of removing the natural oxide film and the step of forming the semiconductor layer by epitaxial growth are performed in the same chamber. 前記第2の半導体材料からなる半導体層は、SiのソースガスとしてSiH4 、Si2 6 又はSi3 8 を用い、GeのソースガスとしてGeF4 を用いてエピタキシャル成長したシリコンゲルマニウム(SiGe)である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。 The semiconductor layer made of the second semiconductor material is silicon germanium (SiGe) epitaxially grown using SiH 4 , Si 2 H 6 or Si 3 H 8 as a Si source gas and using GeF 4 as a Ge source gas. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein: 前記第2の半導体材料からなる半導体層を形成する工程は、前記半導体層の上面が前記半導体基板の上面よりも下方になるように形成するものである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。   2. The step of forming a semiconductor layer made of the second semiconductor material is formed so that the upper surface of the semiconductor layer is lower than the upper surface of the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device.
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