JP5551350B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明はSOI(Silicon On Insulator)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、電子及び正孔の移動度を増加させた低コストの歪みSOI基板を形成し、この歪みSOI基板に、単一のMIS電界効果トランジスタ(MISFET)からなる半導体集積回路ばかりでなく、Nチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタからなるCMOS(相補型MOS)型の半導体集積回路にも完全に対応しうる、高速、低電力、高性能、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集積回路を形成することに関する。 The present invention relates to a semiconductor integrated circuit of SOI (S ilicon O n I nsulator ) structure, particularly in the semiconductor substrate (bulk wafer), the ease of manufacturing process, low cost distortion of increased electron and hole mobility An SOI substrate is formed, and on this strained SOI substrate, not only a semiconductor integrated circuit consisting of a single MIS field effect transistor (MISFET) but also a CMOS (complementary MOS) type consisting of N channel and P channel MIS field effect transistors. The present invention relates to the formation of a semiconductor integrated circuit including a high-speed, low-power, high-performance, high-reliability, and highly-integrated short channel MIS field effect transistor that can be completely compatible with the above-described semiconductor integrated circuit.

図38は従来の半導体装置の模式側断面図で、SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)法を使用して形成した歪みSOI構造のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、51はp型のSi基板、52はp型のSiGe層、53はn型のSiGe層、54は埋め込み酸化膜(SiO2)、55は素子分離領域(SiO2)、56はp型の歪みSi層、57はn型の歪みSi層、58はn+型ソースドレイン領域、59はn型ソースドレイン領域、60はp+型ソースドレイン領域、61はゲート酸化膜(SiO2)、62はゲート電極(WSi/polySi)、63はサイドウォール(SiO2)、64はPSG膜、65はバリアメタル(Ti/TiN)、66は導電プラグ(W)、67はバリアメタル(Ti/TiN)、68はAl配線、69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上に積層されたp型のSiGe層52中に酸素イオンを注入して高温の熱処理により形成された埋め込み酸化膜54(SIMOX法)を介して、素子分離領域(SiO2)55により島状に絶縁分離されたp型のSiGe層52上のp型の歪みSi層56からなるp型の歪みSOI基板及びn型化されたSiGe層53上のn型の歪みSi層57からなるn型の歪みSOI基板が形成され、p型の歪みSOI基板にはゲート電極62にセルフアライン形成されたn型ソースドレイン領域59、サイドウォール63にセルフアライン形成されたn+型ソースドレイン領域 58からなるNチャネルのLDD(Lightly Doped Drain)構造のMIS電界効果トランジスタが形成され、n型の歪みSOI基板にはゲート電極62にセルフアライン形成されたサイドウォール63にセルフアライン形成されたp+型ソースドレイン領域60からなるP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。さらにn+型ソースドレイン領域58及びp+型ソースドレイン領域60は、それぞれバリアメタル(Ti/TiN)65及び導電ブラグ(W)66を介して、上下にバリアメタル(Ti/TiN)(67、69)を有するAl配線68に接続され、所望の電圧が印加されている。
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、薄膜の歪み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、ソースドレイン領域の耐圧改善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、歪み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CMOSに比較し、高速化、低電力化及び高集積化が可能となる。
またSiGe層上に歪みSi層を積層した歪みSOI基板にMIS電界効果トランジスタを形成できるため、格子定数の大きなSiGe層による引っ張り応力によりSi層に歪みを形成できるため、移動度を増すことができるので、高速化が可能となる。
しかしSOI基板下の導電体(p型のシリコン基板)に接地電圧を印加するため、p型のSOI基板に形成するNチャネルのMIS電界効果トランジスタのバックチャネルはオフ状態が保たれるが、n型のSOI基板に形成するPチャネルのMIS電界効果トランジスタのバックチャネルは常にオン状態となってしまうため、NチャネルのMIS電界効果トランジスタにおいては、ゲート電極に印加される電圧が接地電圧でも電源電圧でも正常に動作するが、PチャネルのMIS電界効果トランジスタにおいては、接地電圧ではフロントチャネルにもバックチャネルにも電流が流れ、電源電圧ではフロントチャネルはオフ(電流が流れない)であるが、バックチャネルには微小な電流リークがあり、誤作動することが避けられないという欠点があった。
またNチャネルのMIS電界効果トランジスタ及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタともSiGe層上に歪みSi層を積層した歪みSOI基板に形成しているため、電子及び正孔の移動度の向上が達成でき、高速にはなるが、元来、電子及び正孔の移動度には2倍以上の差があるため、スイッチングスピードのオン/オフ特注のバランスが悪いという欠点があり、改善策として、PチャネルのMIS電界効果トランジスタのチャネル幅を広げなければならず高集積化に難があった。
またNチャネルのMIS電界効果トランジスタに特有であるドレイン近傍の強電界のために生じるホットキャリア効果による寿命上の伝達コンダクタシスの劣化を改善する手段として、従来技術のLDD構造を形成することにより、ショートチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成しているために、不必要なソース領域にも低濃度領域が形成されてしまい、ソース領域の抵抗の低減ができないこと、ゲート電極にセルフアラインにソースドレイン領域を形成するため、ソースドレイン領域の活性化に高温の熱処理を必要とするので、低抵抗である低融点金属ゲート電極を構成できないこと等により、さらなる高速化及び高集積化が達成できないという欠点もあった。
またMIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存しているため、大口径ウエハーにおいては製造バラツキの制御が極めて難しく、MIS電界効果トランジスタの特性を許容範囲に制御することが難しいため、高速化及び高性能化を達成することが難しいという欠点もあった。
またSOI構造をつくる手段として、SIMOX法を使用しているため、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、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の問題、高ドーズ量の酸素をイオン注入しても厚い埋め込み酸化膜が得られず下層領域との容量の低減が難しいという問題等の欠点もあった。
Figure 38 is a schematic side sectional view of a conventional semiconductor device, SIMOX (S eparation by Im planted Ox ygen) Method semiconductor CMOS type consisting of N-channel and P-channel MIS field effect transistor of the strained SOI structure formed using 1 shows a part of an integrated circuit, 51 is a p-type Si substrate, 52 is a p-type SiGe layer, 53 is an n-type SiGe layer, 54 is a buried oxide film (SiO 2 ), and 55 is an element isolation region ( SiO 2 ), 56 is a p-type strained Si layer, 57 is an n-type strained Si layer, 58 is an n + type source / drain region, 59 is an n type source / drain region, 60 is a p + type source / drain region, 61 is Gate oxide film (SiO 2 ), 62 is a gate electrode (WSi / polySi), 63 is a sidewall (SiO 2 ), 64 is a PSG film, 65 is a barrier metal (Ti / TiN), 66 is a conductive plug (W), 67 represents a barrier metal (Ti / TiN), 68 represents an Al wiring, and 69 represents a barrier metal (Ti / TiN).
In the figure, an element is inserted through a buried oxide film 54 (SIMOX method) formed by high-temperature heat treatment by implanting oxygen ions into a p-type SiGe layer 52 laminated on a p-type silicon substrate 51. A p-type strained SOI substrate composed of a p-type strained Si layer 56 on a p-type SiGe layer 52 isolated in an island shape by an isolation region (SiO 2 ) 55 and an n-type on an n-type SiGe layer 53 An n-type strained SOI substrate composed of a strained Si layer 57 is formed, and an n-type source / drain region 59 self-aligned on the gate electrode 62 and self-aligned on the sidewall 63 are formed on the p-type strained SOI substrate. n + -type source drain region consisting of 58 n-channel LDD (L ightly D oped D rain ) MIS field effect transistor structure is formed, the n-type strained SOI substrate of the self-aligned formed in the gate electrode 62 side was Self-aligned to wall 63 MIS field effect transistor of the formed p + -type source and drain regions consisting of 60 P-channel LDD structure are formed. Further, the n + -type source / drain region 58 and the p + -type source / drain region 60 are respectively provided with a barrier metal (Ti / TiN) (67, 67) up and down via a barrier metal (Ti / TiN) 65 and a conductive Bragg (W) 66, respectively. 69) and is connected to an Al wiring 68 having a desired voltage.
Therefore, 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 a thin-film strained SOI substrate, the breakdown voltage of the source / drain region can be improved, and the subthreshold characteristics can be achieved. Compared to CMOS consisting of MIS field-effect transistors formed on a normal bulk wafer by reducing threshold voltage due to improvement, removal of contact region to strained SOI substrate, etc., higher speed, lower power and higher integration are possible Become.
In addition, since a MIS field-effect transistor can be formed on a strained SOI substrate in which a strained Si layer is stacked on a SiGe layer, strain can be formed in the Si layer due to tensile stress caused by the SiGe layer having a large lattice constant, thereby increasing mobility. Therefore, the speed can be increased.
However, since the ground voltage is applied to the conductor (p-type silicon substrate) under the SOI substrate, the back channel of the N-channel MIS field effect transistor formed on the p-type SOI substrate is maintained in the off state. Since the back channel of the P-channel MIS field effect transistor formed on the type SOI substrate is always turned on, in the N-channel MIS field effect transistor, even if the voltage applied to the gate electrode is the ground voltage, the power supply voltage However, although the P-channel MIS field effect transistor operates normally, current flows through the front channel and the back channel at the ground voltage, and the front channel is off (no current flows) at the power supply voltage. There is a drawback that the channel has a minute current leak and it is inevitable that it malfunctions. It was.
In addition, since both the N-channel MIS field-effect transistor and the P-channel MIS field-effect transistor are formed on a strained SOI substrate in which a strained Si layer is stacked on a SiGe layer, improvement in electron and hole mobility can be achieved. Although the speed is high, the mobility of electrons and holes is inherently more than doubled, so there is a disadvantage that the switching speed on / off is not well balanced. The channel width of the MIS field effect transistor has to be widened, making it difficult to achieve high integration.
Also, by forming a conventional LDD structure as a means of improving the deterioration of transfer conductor cis over the lifetime due to the hot carrier effect caused by the strong electric field near the drain, which is peculiar to the N channel MIS field effect transistor, Since the short channel MIS field effect transistor is formed, a low concentration region is formed also in an unnecessary source region, and the resistance of the source region cannot be reduced, and the source / drain region is self-aligned with the gate electrode. Therefore, a high-temperature heat treatment is required for activating the source / drain region, so that a low-melting point metal gate electrode having a low resistance cannot be formed. there were.
In addition, since the channel length that determines various characteristics of the MIS field effect transistor depends on the control of the gate length by photolithography technology, it is very difficult to control the manufacturing variation in a large-diameter wafer, and the characteristics of the MIS field effect transistor are Since it is difficult to control within an allowable range, there is a drawback that it is difficult to achieve high speed and high performance.
In addition, since the SIMOX method is used as a means for creating an SOI structure, it is necessary to purchase an extremely expensive high-dose ion implantation machine, and a long-time manufacturing process for implanting high-dose oxygen ions. The problem of high cost due to the need for high-density wafers, the problem of instability of characteristics due to the repair of crystal defects by oxygen ion implantation in the use of large-diameter wafers of 10 to 12 inches, and the thick embedding even when ion implantation of high dose oxygen There are also disadvantages such as the problem that it is difficult to reduce the capacitance with the lower layer region because an oxide film cannot be obtained.

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、完全空乏化させた薄膜の歪みSOI基板にMIS電界効果トランジスタを形成するため、接合容量の低減はできるものの、ソース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、CMOSを形成する場合あるいは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導電体(従来例ではシリコン基板)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、CMOSを形成する場合、SiGe層上に歪みSi層を積層した歪みSOI基板にほぼ同じ構造のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成しているため、電子及び正孔の移動度の向上が達成でき、高速にはなるが、スイッチングスピードのオン/オフ特性のアンバランスの改善ができなかったこと、MIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存しているため、大口径ウエハーにおける製造バラツキの制御性が悪いことにより、安定した特性を有するMIS電界効果トランジスタを得ることが難しいことによる高速化及び高性能化が難しかったこと、SOI構造を形成するために、SIMOX法によりSOI基板を形成しているため、かなりのコスト高になるので、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。 The problem to be solved by the present invention is to form a MIS field effect transistor on a fully-depleted thin film strained SOI substrate as shown in the prior art, so that the junction capacitance can be reduced, but the resistance of the source region In addition, the high speed could not be achieved despite the fact that the resistance of the gate electrode could not be reduced, and a voltage different from the voltage applied to the gate electrode was applied when forming the CMOS or under the SOI substrate. High reliability due to the inability to prevent back channel leakage when a conductive material (a silicon substrate in the conventional example) is present, and when a CMOS is formed, a strain in which a strained Si layer is stacked on a SiGe layer Since N-channel and P-channel MIS field-effect transistors having almost the same structure are formed on the SOI substrate, the mobility of electrons and holes can be reduced. Although the above can be achieved and the speed is increased, the on-off characteristics of the switching speed cannot be improved, and the channel length that determines various characteristics of the MIS field effect transistor is set to the gate length by photolithography technology. Because it depends on the control, the controllability of the manufacturing variation in the large-diameter wafer is poor, and it is difficult to achieve high speed and high performance due to the difficulty in obtaining the MIS field effect transistor having stable characteristics. Since the SOI substrate is formed by the SIMOX method in order to form the structure, the cost is considerably high. Therefore, it can be used only for products with high added value and can be applied to inexpensive general-purpose products. That was scarce.

上記課題は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に、前記半導体基板の主面に平行方向に、選択的に設けられた第1の横方向のエピタキシャル半導体層と、前記第1の横方向のエピタキシャル半導体層上に、前記半導体基板の主面に垂直方向に、選択的に設けられた縦方向のエピタキシャル半導体層と、前記縦方向のエピタキシャル半導体層の側面の周囲に設けられた格子定数の異なる第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層と、前記縦方向のエピタキシャル半導体層及び第2の横方向の歪みエピタキジャル半導体層の上部に設けられたドレイン領域(あるいはソース領域)と、前記ドレイン領域(あるいはソース領域)と離間して前記ドレイン領域(あるいはソース領域)に相対して前記縦方向のエピタキシャル半導体層及び前記第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層の下部に設けられたソース領域(あるいはドレイン領域)と、前記縦方向のエピタキシャル半導体層及び前記第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層の下部に設けられたソース領域(あるいはドレイン領域)に接して前記第1の横方向のエピタキシャル半導体層に設けられたソース領域(あるいはドレイン領域)と、前記第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層の側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを具備してなる歪みSOI構造の縦型(垂直方向動作)のMIS電界効果トランジスタからなる本発明の半導体装置によって解決される。 The object is to provide a semiconductor substrate, an insulating film provided on the semiconductor substrate, and a first lateral epitaxial film selectively provided on the insulating film in a direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate. A semiconductor layer, a longitudinal epitaxial semiconductor layer selectively provided on the first lateral epitaxial semiconductor layer in a direction perpendicular to a main surface of the semiconductor substrate, and an epitaxial semiconductor layer in the longitudinal direction. Second lateral strained epitaxial semiconductor layers having different lattice constants provided around the side surfaces, and drain regions provided above the longitudinal epitaxial semiconductor layers and the second lateral strained epitaxial semiconductor layers (Or source region) and the vertical epitaxy relative to the drain region (or source region) spaced from the drain region (or source region). A source region (or drain region) provided under the first semiconductor layer and the second lateral strained epitaxial semiconductor layer, and the longitudinal epitaxial semiconductor layer and the second lateral strained epitaxial semiconductor layer. A source region (or drain region) provided in the first lateral epitaxial semiconductor layer in contact with a source region (or drain region) provided in a lower portion; and a second lateral strained epitaxial semiconductor layer. This is solved by the semiconductor device of the present invention comprising a vertical (vertical operation) MIS field-effect transistor having a strained SOI structure comprising a gate electrode provided on a side surface through a gate insulating film.

以上説明のように本発明によれば、SIMOX法により形成した歪みSOI基板を使用することなく、通常の半導体基板を使用して、容易な技術により、絶縁膜上に選択的に形成した横方向及び縦方向エピタキシャル半導体層により歪みSOI基板を形成し、この歪みSOI基板にドレイン領域、チャネル領域、ソース領域を形成できるため、完全空乏化した歪みSOI構造を容易に形成することが可能で、ソースドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善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が可能である。
また容易な技術により、併設構造あるいは積層構造を有してSiGe層に接触したSi層を形成できるため、格子定数の大きなSiGe層による引っ張り応力により歪みSi層を形成できるので、移動度を増すことができ、高速化が可能である。
またMIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存せずに、制御性の良いエピタキシャル半導体層の成長膜厚及び熱処理による不純物の拡散により決定できるため、大口径ウエハーにおいても特性の安定したMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
またチャネル領域をゲート電極で完全に包囲できるので、SOI構造のCMOSに特有である、NチャネルMIS電界効果トランジスタあるいはPチャネルMIS電界効果トランジスタのいずれか一方には必ず生じてしまうバックチャネル効果を完全に改善することが可能で、極めてリーク特性に優れた高性能及び高信頼性を有し、且つ周囲をすべてチャネル領域にできるため、チャネル幅を増加させた高集積なMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
またCMOSを形成する場合、正孔の移動度をより向上させ、電子の移動度に近づけるように、PチャネルのMIS電界効果トランジスタとNチャネルのMIS電界効果トランジスタの高集積化を維持したまま異なる構造に形成できるため、オン/オフ特性の良好な、高速なスイッチングスピードを得ることができる。
またNチャネルMIS電界効果トランジスタに特有なドレイン領域近傍の強電界のために生じるホットキャリア効果による寿命上の伝達コンダクタンスの劣化を改善する手段として形成する低濃度領域をドレイン領域のみに形成し、ソース領域には設けずに形成できるため、ソース領域の抵抗の低減が可能であり、耐圧を劣化させずによりチャネル長を微細にすることもできる。
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、ゲート電極と歪みSi層間の微小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自己整合して形成できることにより、多結晶シリコン(半導体層)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及びゲート電極での空乏層容量を除去できることにより、閾値電圧の低減化による低電力化を可能にすることもできる。
また縦方向エピタキシャル半導体層に自己整合して、各要素(低濃度及び高濃度のドレイン領域、高濃度のソース領域、ゲート酸化膜及びゲート電極)を微細に形成することもできる。
また歪みSOI基板を形成する前に、下層配線を形成できるので、配線の自由度が増すことにより、さらなる高集積化を可能にすることができる,
即ち、高価な歪みSOI構造を有する半導体基板(2枚の半導体基板の貼り合わせによる半導体基板あるいはSIMOX法により形成した半導体基板)を使用することなく、半導体基板に容易なプロセス(詳細は製造方法に記載)で形成した横方向及び縦方向エピタキシャル半導体層により形成した歪みSOI基板を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チャネル包囲型低抵抗メタルゲート電極を有する歪みSOI構造の縦型(垂直方向動作)のMIS電界効果トランジスタあるいは低抵抗メタルゲート電極を有する歪みSOI構造の構型(水平方向動作)のMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
本願発明者は当該技術を選択的複合エピタキシャル成長法(Selective Complex Epitaxy)と命名し、以後SCEと略称する。
As described above, according to the present invention, a lateral direction selectively formed on an insulating film by an easy technique using a normal semiconductor substrate without using a strained SOI substrate formed by the SIMOX method. In addition, a strained SOI substrate can be formed by using a vertical epitaxial semiconductor layer, and a drain region, a channel region, and a source region can be formed on the strained SOI substrate, so that a fully depleted strained SOI structure can be easily formed. The threshold voltage can be reduced by reducing the junction capacitance of the drain region (substantially zero), reducing the depletion layer capacitance, improving the breakdown voltage of the source / drain region, and improving the subthreshold characteristics.
In addition, since a Si layer that has a side-by-side structure or a stacked structure can be formed by simple technology and is in contact with the SiGe layer, a strained Si layer can be formed by the tensile stress caused by the SiGe layer having a large lattice constant, thereby increasing mobility. Can be speeded up.
Further, the channel length for determining various characteristics of the MIS field effect transistor can be determined by the growth thickness of the epitaxial semiconductor layer having good controllability and the diffusion of impurities by heat treatment without depending on the control of the gate length by the photolithography technique. In addition, a MIS field effect transistor having stable characteristics can be obtained even in a large-diameter wafer.
Further, since the channel region can be completely surrounded by the gate electrode, the back channel effect that is inevitably generated in either the N-channel MIS field-effect transistor or the P-channel MIS field-effect transistor, which is peculiar to the SOI structure CMOS, is completely achieved. It is possible to obtain a highly integrated MIS field effect transistor with an increased channel width because it has a high performance and high reliability with extremely excellent leakage characteristics, and the entire periphery can be made into a channel region. Can do.
Also, when forming a CMOS, the P-channel MIS field-effect transistor and the N-channel MIS field-effect transistor are different from each other while maintaining high integration so as to further improve the hole mobility and approach the electron mobility. Since the structure can be formed, a high switching speed with good on / off characteristics can be obtained.
Further, a low concentration region formed as a means for improving the deterioration of transfer conductance over the lifetime due to the hot carrier effect generated due to the strong electric field in the vicinity of the drain region peculiar to the N channel MIS field effect transistor is formed only in the drain region. Since it can be formed without being provided in the region, the resistance of the source region can be reduced, and the channel length can be made fine without degrading the breakdown voltage.
In addition, Ta 2 O 5 with a high dielectric constant can be used as the gate oxide film, so the gate oxide film can be made thicker, minimizing current leakage between the gate electrode and the strained Si layer, and reducing the gate capacitance. It is.
In addition, the source / drain regions that require high-temperature heat treatment to activate the impurity regions can be formed in a self-aligned manner before forming the gate electrode, so that low resistance, low melting point metal can be used without using polycrystalline silicon (semiconductor layer). Since the gate electrode made of (Al) can be formed, the resistance of the gate electrode wiring can be reduced and the depletion layer capacitance at the gate electrode can be removed, so that the power can be reduced by reducing the threshold voltage.
Further, each element (low concentration and high concentration drain region, high concentration source region, gate oxide film and gate electrode) can be finely formed in a self-aligned manner with the vertical epitaxial semiconductor layer.
Further, since the lower layer wiring can be formed before the strained SOI substrate is formed, the degree of freedom of the wiring can be increased, thereby enabling further higher integration.
That is, without using an expensive semiconductor substrate having a strained SOI structure (a semiconductor substrate formed by bonding two semiconductor substrates or a semiconductor substrate formed by the SIMOX method), an easy process (details are given in the manufacturing method). By using the strained SOI substrate formed by the lateral and vertical epitaxial semiconductor layers formed in the description), it has a channel surrounding type low resistance metal gate electrode having high speed, low power, high reliability, high performance and high integration. A vertical (vertical operation) MIS field effect transistor having a strained SOI structure or a strained SOI structure (horizontal operation) MIS field effect transistor having a low-resistance metal gate electrode can be obtained.
The present inventors named the art selective composite epitaxial growth method and (S elective C omplex E pitaxy) , abbreviated as hereinafter SCE.

本願発明の半導体装置は下記に示す形態に形成したものである。
半導体基板上に設けられた絶縁膜に選択的に開孔部が設けられ、この開孔部に側面の一部を露出した第1の縦方向のエピタキシャル半導体層が設けられ、この第1の縦方向のエピタキシャル半導体層の側面の露出部に第1の横方向のエピタキシャル半導体層が設けられ、第1の縦方向のエピタキシャル半導体層は除去され、絶縁膜が埋め込まれて素子分離領域に変換される。この第1の横方向のエピタキシャル半導体層に選択的に第2の縦方向のエピタキシャル半導体層が設けられ、この第2の縦方向のエピタキシャル半導体層の側面に格子定数の異なる第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層が設けられ、第1の横方向のエピタキシャル半導体層、第2の縦方向のエピタキシャル半導体層及び第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層からなる歪みSOI基板が形成される。第2の縦方向のエピタキシャル半導体層及び第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層の上部には高濃度及び低濃度のドレイン領域が設けられ、第1の横方向のエピタキシャル半導体層全体、第2の縦方向のエピタキシャル半導体層及び第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層の下部にはドレイン領域と離間して高濃度のソース領域が設けられ、第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層の側面にはゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、ドレイン領域、ソース領域及びゲート電極には、それぞれバリアメタルを有する導電プラグを介して、バリアメタルを有する配線体が接続されている歪みSOI構造の縦型(垂直方向動作)のMIS電界効果トランジスタからなる半導体集積回路を形成したものである。
The semiconductor device of the present invention is formed in the following form.
An opening is selectively provided in the insulating film provided on the semiconductor substrate, and a first vertical epitaxial semiconductor layer with a part of the side surface exposed is provided in the opening, and the first vertical semiconductor layer is provided. A first lateral epitaxial semiconductor layer is provided on the exposed portion of the side surface of the epitaxial semiconductor layer in the direction, the first vertical epitaxial semiconductor layer is removed, and an insulating film is embedded to be converted into an element isolation region . A second longitudinal epitaxial semiconductor layer is selectively provided on the first lateral epitaxial semiconductor layer, and a second lateral direction having a different lattice constant is formed on a side surface of the second longitudinal epitaxial semiconductor layer. A strained epitaxial semiconductor layer is provided, and a strained SOI substrate composed of a first lateral epitaxial semiconductor layer, a second longitudinal epitaxial semiconductor layer, and a second lateral strained epitaxial semiconductor layer is formed. High-concentration and low-concentration drain regions are provided above the second longitudinal epitaxial semiconductor layer and the second lateral strained epitaxial semiconductor layer, and the entire first lateral epitaxial semiconductor layer, A high-concentration source region is provided below the vertical epitaxial semiconductor layer and the second lateral strained epitaxial semiconductor layer, spaced from the drain region, and on the side surface of the second lateral strained epitaxial semiconductor layer. A vertical gate of a strained SOI structure in which a gate electrode is provided through a gate insulating film, and a wiring body having a barrier metal is connected to the drain region, the source region, and the gate electrode through a conductive plug having a barrier metal. A semiconductor integrated circuit composed of a type (vertical operation) MIS field effect transistor is formed.

以下本発明を図示実施例により具体的に説明する。
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、配線は若千の前後のずれを含んで描かれており、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は本発明の半導体装置における第1の実施例の模式側断面図、図2〜図13は本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図である。
図1はシリコン基板を使用し、選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)により形成した横(水平)方向エピタキシャルSiGe層、縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層及び横方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に形成したショートチャネルのNチャネル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Si基板、2は400nm程度のSOI用兼素子分離領域の酸化膜(SiO2)、3は厚さ80nm程度、濃度1016cm−3程度のp型の横方向エピタキシャルSiGe層、4は素子分離領域形成用の埋め込み絶縁膜(SiO2)、5は30nm程度の窒化膜(Si3N4)、6は10nm程度の酸化膜(SiO2)、7は高さ250nm程度、幅30nm程度、濃度1016cm−3程度のp型の縦方向エピタキシャルSiGe層、8は幅25nm程度、濃度1016cm−3程度のp型の横方向エピタキシャル歪みSi層、9は1020cm−3程度のn+型ソース領域、10は1017cm−3 程度のn型ドレイン領域、11は1020cm−3程度のn+型ドレイン領域、12は10nm程度のゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)、13は膜厚80nm程度のゲート電極(Al)、14はゲート電極配線形成用のマスク層(SiO2)、15は200nm程度の燐珪酸ガラス(PSG)膜、16は20nm程度の窒化膜(Si3N4)、 17は400nm程度の酸化膜(SiO2)、18は20nm程度のエッチングストッパー膜(Si3N4)、19は10nm程度のバリアメタル(TiN)、20は導電プラグ(W)、2lは500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)、22は10nm程度のバリアメタル(TaN)、23は500nm程度のCu配線(Cuシード層含む)、24は20nm程度のバリア絶縁膜(Si3N4)を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1上に酸化膜(SiO2)2を介して、p型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層3(製造方法は後で詳述)が設けられ、このSiGe層3は素子分離領域形成用の埋め込み絶縁膜(SiO2)4及び酸化膜(SiO2)2により島状に絶縁分離されている。この絶縁分離されたSiGe層3上には選択的にp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層7が設けられ、このSiGe層7の側面には格子定数がやや小さいp型の横方向エピタキシャル歪みSi層8が周設され、歪みSOI基板を形成している。SiGe層7及び歪みSi層8の上部にはn+型ドレイン領域11及びn型ドレイン領域10が設けられ、SiGe層3全体、SiGe層7及び歪みSi層8の下部にはn+型ソース領域9が設けられ、歪みSi層8の側面にはゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)12を介してゲート電極(Al)13が周設され、n+型ドレイン領域11、n+型ソース領域9及びゲート電極13には、それぞれバリアメタル(TiN)19を有する導電プラグ(W)20を介してバリアメタル(TaN)22を有するCu配線23が接続されている歪みSOI構造の縦型(垂直方向動作)のNチャネルMIS電界効果トランジスタが形成されている。(ここでは半導体基板としてp型のシリコン基板を使用しているが、シリコン基板には直接MIS電界効果トランジスタを形成していないので、p型であっても、n型であっても差し支えない。)
したがって、SIMOX法により形成した歪みSOI構造の半導体基板を使用することなく、通常の半導体基板を使用して、絶縁膜上に選択的に形成した横方向及び縦方向エピタキシャル半導体層を歪みSOI基板とし、この歪みSOI基板にドレイン領域、チャネル領域、ソース領域を形成できるため、完全空乏化した歪みSOI構造を容易に形成することが可能で、ソースドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善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が可能である。
また容易な技術により、併設構造を有してSiGe層に接触したSi層を形成できるため、格子定数の大きなSiGe層による引っ張り応力により歪みSi層を形成できるので、移動度を増すことができ、高速化が可能である。
またMIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存せずに、制御性の良いエピタキシャル半導体層の成長膜厚及び熱処理による不純物の拡散により決定できるため、大口径ウエハーにおいても特性の安定したMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
またチャネル領域をゲート電極で完全に包囲できるので、SOI構造のMIS電界効果トランジスタには必ず生じてしまうバックチャネル効果を改善することが可能で、極めてリーク特性に優れた高性能及び高信頼性を有し、且つ周囲をすべてチャネル領域にできるため、チャネル幅を増加させた高集積なMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
またNチャネルMIS電界効果トランジスタに特有なドレイン領域近傍の強電界のために生じるホットキャリア効果による寿命上の伝達コンダクタンスの劣化を改善する手段として形成する低濃度領域をドレイン領域のみに形成し、ソース領域には設けずに形成できるため、ソース領域の抵抗の低減が可能であり、耐圧を劣化させずによりチャネル長を微細にすることもできる。
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、ゲート電極と歪みSi層間の微小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自己整合して形成できることにより、多結晶シリコン(半導体層)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及びゲート電極での空乏層容量を除去できることにより、閾値電圧の低減化による低電力化を可能にすることもできる。
また歪みSi層に自己整合して、各要素(低濃度及び高濃度のドレイン領域、高濃度のソース領域、ゲート酸化膜及びゲート電極)を微細に形成することもできる。
即ち、高価な歪みSOI構造を有する半導体基板(2枚の半導体基板の貼り合わせによる半導体基板あるいはSIMOX法により形成した半導体基板)を使用することなく、半導体基板に容易なプロセス(詳細は製造方法に記載)で形成した横方向及び縦方向エピタキシャル半導体層により形成した歪みSOI基板を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チャネル包囲型低抵抗メタルゲート電極を有する歪みSOI構造の縦型(垂直方向動作)のMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the illustrated embodiments.
Throughout the drawings, the same object is denoted by the same reference numeral. However, the diagonal lines in the side cross-sectional view are shown only on the main insulating film, the wiring is drawn including a misalignment of the front and rear, and the size in the horizontal and vertical directions is shown to show the main part of the invention. The exact dimensions are not shown.
FIG. 1 is a schematic sectional side view of a first embodiment of the semiconductor device of the present invention, and FIGS. 2 to 13 are process sectional views of the manufacturing method of the first embodiment of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 1 shows a strained SOI substrate comprising a lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer, a longitudinal (vertical) epitaxial SiGe layer, and a laterally epitaxial strained Si layer formed by selective compound epitaxial growth (SCE) using a silicon substrate. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field effect transistor formed, 1 is a p-type Si substrate of about 10 15 cm −3 , and 2 is a SOI / element isolation region of about 400 nm. Oxide film (SiO 2 ), 3 is a p-type lateral epitaxial SiGe layer having a thickness of about 80 nm and a concentration of about 10 16 cm −3 , 4 is a buried insulating film (SiO 2 ) for forming an element isolation region, and 5 is Nitride film (Si 3 N 4 ) of about 30 nm, 6 is an oxide film (SiO 2 ) of about 10 nm, 7 is about 250 nm in height, about 30 nm in width, and p-type longitudinal epitaxial SiGe with a concentration of about 10 16 cm −3 Layer 8, 8 is about 25nm wide, p-type lateral epi of concentration about 10 16 cm -3 Taxially strained Si layer, 9 is an n + type source region of about 10 20 cm −3 , 10 is an n type drain region of about 10 17 cm −3 , 11 is an n + type drain region of about 10 20 cm −3 , 12 Is a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) of about 10 nm, 13 is a gate electrode (Al) of about 80 nm thickness, 14 is a mask layer (SiO 2 ) for forming a gate electrode wiring, and 15 is about 200 nm Phosphorsilicate glass (PSG) film, 16 is about 20 nm nitride film (Si 3 N 4 ), 17 is about 400 nm oxide film (SiO 2 ), 18 is about 20 nm etching stopper film (Si 3 N 4 ), 19 Is about 10 nm barrier metal (TiN), 20 is a conductive plug (W), 2l is about 500 nm interlayer insulating film (SiOC), 22 is about 10 nm barrier metal (TaN), and 23 is about 500 nm Cu wiring (Cu 24 includes a barrier insulating film (Si 3 N 4 ) of about 20 nm.
In this figure, a p-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer 3 (the manufacturing method will be described in detail later) is provided on a p-type silicon substrate 1 via an oxide film (SiO 2 ) 2. The SiGe layer 3 is insulated and isolated in an island shape by a buried insulating film (SiO 2 ) 4 and an oxide film (SiO 2 ) 2 for forming an element isolation region. A p-type longitudinal (vertical) epitaxial SiGe layer 7 is selectively provided on the insulated SiGe layer 3, and a p-type lateral epitaxial strain having a slightly small lattice constant is formed on the side surface of the SiGe layer 7. A Si layer 8 is provided around to form a strained SOI substrate. An n + -type drain region 11 and an n-type drain region 10 are provided above the SiGe layer 7 and the strained Si layer 8, and an n + -type source region is formed below the entire SiGe layer 3 and the SiGe layer 7 and the strained Si layer 8. 9 is provided, and a gate electrode (Al) 13 is provided around the side surface of the strained Si layer 8 via a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 12 to form an n + type drain region 11 and an n + type A vertical type of strained SOI structure in which a Cu wiring 23 having a barrier metal (TaN) 22 is connected to the source region 9 and the gate electrode 13 through a conductive plug (W) 20 having a barrier metal (TiN) 19 respectively. An (channel operation) N-channel MIS field effect transistor is formed. (Here, a p-type silicon substrate is used as the semiconductor substrate. However, since the MIS field-effect transistor is not directly formed on the silicon substrate, it may be p-type or n-type. )
Therefore, without using a strained SOI structure semiconductor substrate formed by the SIMOX method, a normal semiconductor substrate is used, and the lateral and vertical epitaxial semiconductor layers selectively formed on the insulating film are used as strained SOI substrates. Since a drain region, a channel region, and a source region can be formed on this strained SOI substrate, it is possible to easily form a fully depleted strained SOI structure, reducing the junction capacitance of the source / drain region (substantially zero), and depletion The threshold voltage can be reduced by reducing the layer capacitance, improving the breakdown voltage of the source / drain region, and improving the subthreshold characteristics.
In addition, since the Si layer can be formed by an easy technology and in contact with the SiGe layer, the strained Si layer can be formed by the tensile stress caused by the SiGe layer having a large lattice constant, so the mobility can be increased. Speeding up is possible.
Further, the channel length for determining various characteristics of the MIS field effect transistor can be determined by the growth thickness of the epitaxial semiconductor layer having good controllability and the diffusion of impurities by heat treatment without depending on the control of the gate length by the photolithography technique. In addition, a MIS field effect transistor having stable characteristics can be obtained even in a large-diameter wafer.
In addition, since the channel region can be completely surrounded by the gate electrode, it is possible to improve the back channel effect that is inevitably generated in the SOI-structure MIS field-effect transistor, and to achieve high performance and high reliability with extremely excellent leakage characteristics. In addition, since the entire periphery can be a channel region, a highly integrated MIS field effect transistor with an increased channel width can be obtained.
Further, a low concentration region formed as a means for improving the deterioration of transfer conductance over the lifetime due to the hot carrier effect generated due to the strong electric field in the vicinity of the drain region peculiar to the N channel MIS field effect transistor is formed only in the drain region. Since it can be formed without being provided in the region, the resistance of the source region can be reduced, and the channel length can be made fine without degrading the breakdown voltage.
In addition, Ta 2 O 5 with a high dielectric constant can be used as the gate oxide film, so the gate oxide film can be made thicker, minimizing current leakage between the gate electrode and the strained Si layer, and reducing the gate capacitance. It is.
In addition, the source / drain regions that require high-temperature heat treatment to activate the impurity regions can be formed in a self-aligned manner before forming the gate electrode, so that low resistance, low melting point metal can be used without using polycrystalline silicon (semiconductor layer). Since the gate electrode made of (Al) can be formed, the resistance of the gate electrode wiring can be reduced and the depletion layer capacitance at the gate electrode can be removed, so that the power can be reduced by reducing the threshold voltage.
Each element (low concentration and high concentration drain region, high concentration source region, gate oxide film and gate electrode) can also be finely formed in self-alignment with the strained Si layer.
That is, without using an expensive semiconductor substrate having a strained SOI structure (a semiconductor substrate formed by bonding two semiconductor substrates or a semiconductor substrate formed by a SIMOX method), an easy process (details are given in the manufacturing method). By using the strained SOI substrate formed by the lateral and vertical epitaxial semiconductor layers formed in the description), it has a channel surrounding type low resistance metal gate electrode having high speed, low power, high reliability, high performance and high integration. A vertical (vertical operation) MIS field effect transistor having a strained SOI structure can be obtained.

次いで本発明に係る半導体装置における第1の実施例の製造方法について図2〜図13及び図1を参照して説明する。ただし、ここでは本発明の半導体装置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2
p型のシリコン基板1を1000℃程度で酸化し、500nm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、レジスト(図示せず)をマスク層として、酸化膜(SiO2)2を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、露出したp型のシリコン基板1上にp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層(10%程度のGeを含む)25を成長する。次いで平坦面より突出したSiGe層25を化学的機械研磨(Chemical MechanicalPolishing 以後CMPと略称)し、平坦化する。次いで1300℃程度、N2雰囲気中でアニールし、SiGe層25を緩和する。
図3
次いでSiGe層25を20nm程度異方性ドライエッチングし、段差部を形成する。次いで化学気相成長により、20nm程度の窒化膜(Si3N4)26を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、段差部に窒化膜(Si3N4)26を平坦に埋め込む。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、酸化膜(SiO2)2を選択的に150nm程度異方性ドライエッチングする。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで露出した縦方向エピタキシャルSiGe層25の側面にp型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層(10%程度のGeを含む)3を成長する。
図4
次いでp型の横方向エピタキシャルSiGe層3の上面を900℃程度で酸化し、10nm程度の酸化膜(SiO2)27を成長する。次いで酸化膜(SiO2)2及び酸化膜(SiO2)27をマスク層として、窒化膜(Si3N4)26及び縦方向エピタキシャルSiGe層25を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、p型のシリコン基板1が多少エッチングされてしまうが、問題はない。)
図5
次いで化学気相成長により、500nm程度の酸化膜(SiO2)4を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、開孔部にのみ酸化膜(SiO2)4を平坦に埋め込む。こうして初期に形成された縦方向エピタキシャルSiGe層25はエッチング除去され、素子分離領域埋め込み酸化膜(SiO2)4に自己整合的に置き換えられる。また横方向エピタキシャルSiGe層3及び酸化膜(SiO2)2の上面に成長した酸化膜(SiO2)4も除去される。)次いで1100℃程度で酸化し、SiGe層3の薄膜化及びGe濃度の高濃度化(30%程度)をおこなう。(Geは酸化膜中に拡散しにくいのでSiGe層中のGe濃度が増加する。)次いで化学的機械研磨(CMP)し、SiGe層3上の酸化膜を除去し、平坦化する。
図6
次いで化学気相成長により、30nm程度の窒化膜(Si3N4)5を成長する。次いで化学気相成長により、10nm程度の酸化膜(SiO2)6を成長する。次いで化学気相成長により、220nm程度の窒化膜(Si3N4)28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、窒化膜(Si3N4)28、酸化膜(SiO2)6及び窒化膜(Si3N4)5を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、露出したp型の横方向エピタキシャルSiGe層3上に幅30nm程度のp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層(Ge濃度30%程度)7を260nm程度成長する。次いで露出したSiGe層7の表面を酸化し、酸化膜(SiO2)29を成長する。
図7
次いで窒化膜(Si3N4)28を全面異方性ドライエッチングする。次いで化学気相成長により、露出した縦方向エピタキシャルSiGe層7の側面に幅25nm程度のp型の横方向エピタキシャルSi層8を成長する。
図8
次いで酸化膜(SiO2)29を異方性ドライエッチングする。(この際、酸化膜(SiO2)6もエッチング除去される。)次いで化学気相成長により、10nm程度のイオン注入用の酸化膜(図示せず)を成長する。次いで閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。次いで1000℃程度で熱処理し、歪みSi層8及びSiGe層7の濃度を制御する、次いでn型ドレイン領域10形成用の燐のイオン注入をおこなう。(この際、歪みSi層8及びSiGe層7の上面のみに燐がイオン注入されるように、25kev程度の低い加速エネルギーでイオン注入をおこなう。)次いでn+型ソースドレイン領域(9、11)形成用の砒素のイオン注入をおこなう。(こうしてマスク層なしで、歪みSi層8及びSiGe層7且つSiGe層3上面にn+型ソースドレイン領域(9、11)形成用の砒素が自己整合してイオン注入される。)次いでRTP法(Rapid Thermal Processing)によりアニールをおこなうことにより、歪みSi層8及びSiGe層7の上部には垂直方向に拡散してn+型ドレイン領域11及びn型ドレイン領域10が、SiGe層3には垂直方向及び横方向に拡散してSiGe層3全体、SiGe層7及び歪みSi層8の下部を充満したn+型ソース領域9が形成される,次いでイオン注入用の酸化膜(図示せず)を等方性ドライエッチングする。
図9
次いで10nm程度のゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)12を成長する、次いでスパッタにより、80nm程度のゲート電極となるAl13を成長する。(Alゲート電極下にバリアメタル(TiN)を設けてもよい。)次いで化学気相成長により、130nm程度の酸化膜(SiO2)14を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、歪みSi層8及びSiGe層7上の酸化膜(SiO2)14、Al13及びゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)12を除去し、平坦化する。
図10
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、酸化膜(SiO2)14を異方性ドライエッチングする。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで残された酸化膜(SiO2)14をマスク層として、Al13及びゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)12を順次異方性ドライエッチングする。(ここで酸化膜(SiO2)14をマスク層としてエッチングをおこなうのは、歪みSi層8の側面以外にゲート電極配線部を形成するためである。)
図11
次いで化学気相成長により、200nm程度のPSG15を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、歪みSi層8及びSiGe層7上のPSG15を除去し、平坦化する。次いでPSG15を20nm程度異方性ドライエッチングし、段差部を形成する。次いで化学気相成長により、20nm程度の窒化膜(Si3N4)16を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、段差部に窒化膜(Si3N4)16を平坦に埋め込む。
図12
次いで化学気相成長により、400nm程度の酸化膜(SiO2)17を成長する。次いで化学気相成長により、20nm程度の窒化膜(Si3N4)18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、窒化膜(Si3N4)18及び酸化膜(SiO2)17を順次異方性ドライエッチングする。(この段階でn+型ドレイン領域11の一部にビアが開孔される。)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)のマスク層はそのままで、n+型ドレイン領域11のビア部のみを覆う第2のレジストマスク層(図示せず)を形成する。次いで第1及び第2のレジスト(図示せず)をマスク層として、窒化膜(Si3N4)16、PSG15、酸化膜(SiO2)14及び窒化膜(Si3N4)5を順次異方性ドライエッチングする。(こうしてn+型ソース領域9及びゲート電極配線13の一部にもビアが開孔される。)次いですべてのレジスト(図示せず)を除去する。
図13
次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN19を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン(W)20を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ビアに平坦に埋め込み、バリアメタル(TiN)19を有する導電プラグ(W)20を形成する。
図1
次いで化学気相成長により、500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)21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、層間絶縁膜(SiOC)21を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、窒化膜(Si3N4)18がエッチングストッパー膜となる。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、10nm程度のバリアメタル(TaN)22を成長する。次いでスパッタにより、Cuシード層を成長する。次いで電解メッキ法により500nm程度のCuを成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、開孔部にCuを平坦に埋め込み、バリアメタル(TaN)22を有するCu配線23を形成する。次いで化学気相成長により、Cuのバリア絶縁膜となる窒化膜(Si3N4)24を成長し、本願発明の選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)による歪みSOI構造のチャネル包囲型低抵抗メタルゲート電極を有する縦型(垂直方向動作)のNチャネルのMIS電界効果トランジスタを完成する。
Next, a manufacturing method of the first embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. However, here, only the manufacturing method related to the formation of the semiconductor device of the present invention is described, and the description of the manufacturing method related to the formation of various elements (other transistors, resistors, capacitors, etc.) mounted on a general semiconductor integrated circuit is omitted. To do.
FIG.
The p-type silicon substrate 1 is oxidized at about 1000 ° C. to grow an oxide film (SiO 2 ) 2 of about 500 nm. Next, using an ordinary photolithography technique, the oxide film (SiO 2 ) 2 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. Next, the resist (not shown) is removed. Next, a p-type longitudinal (vertical) epitaxial SiGe layer (containing about 10% Ge) 25 is grown on the exposed p-type silicon substrate 1 by chemical vapor deposition. Then SiGe layer 25 that protrudes from the flat surface to chemical mechanical polishing (abbreviated as C hemical M echanical P olishing after CMP), to flatten. Next, annealing is performed in a N 2 atmosphere at about 1300 ° C., and the SiGe layer 25 is relaxed.
FIG.
Next, the SiGe layer 25 is anisotropic dry etched by about 20 nm to form a stepped portion. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 26 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, and a nitride film (Si 3 N 4 ) 26 is flatly embedded in the stepped portion. Next, using an ordinary photolithography technique, the oxide film (SiO 2 ) 2 is selectively dry etched by about 150 nm using a resist (not shown) as a mask layer. Next, the resist (not shown) is removed. Next, a p-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer (containing about 10% Ge) 3 is grown on the side surface of the exposed longitudinal epitaxial SiGe layer 25.
FIG.
Next, the upper surface of the p-type lateral epitaxial SiGe layer 3 is oxidized at about 900 ° C. to grow an oxide film (SiO 2 ) 27 of about 10 nm. Next, using the oxide film (SiO 2 ) 2 and the oxide film (SiO 2 ) 27 as a mask layer, the nitride film (Si 3 N 4 ) 26 and the longitudinal epitaxial SiGe layer 25 are sequentially subjected to anisotropic dry etching, and the opening portion is formed. Form. (At this time, the p-type silicon substrate 1 is slightly etched, but there is no problem.)
FIG.
Next, an oxide film (SiO 2 ) 4 of about 500 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, and an oxide film (SiO 2 ) 4 is flatly embedded only in the opening portion. Thus, the initially formed vertical epitaxial SiGe layer 25 is removed by etching and replaced with the element isolation region buried oxide film (SiO 2 ) 4 in a self-aligning manner. The lateral epitaxial SiGe layer 3 and the oxide film oxide film grown on the top surface of the (SiO 2) 2 (SiO 2 ) 4 is also removed. Then, oxidation is performed at about 1100 ° C. to reduce the thickness of the SiGe layer 3 and increase the Ge concentration (about 30%). (Because Ge does not easily diffuse into the oxide film, the Ge concentration in the SiGe layer increases.) Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove the oxide film on the SiGe layer 3 and planarize.
FIG.
Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 5 of about 30 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, an oxide film (SiO 2 ) 6 of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 28 of about 220 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using ordinary photolithography technology, using a resist (not shown) as a mask layer, a nitride film (Si 3 N 4 ) 28, an oxide film (SiO 2 ) 6 and a nitride film (Si 3 N 4 ) 5 are sequentially formed. Anisotropic dry etching is performed to form an opening. Next, the resist (not shown) is removed. Next, by chemical vapor deposition, a p-type vertical (vertical) epitaxial SiGe layer (Ge concentration of about 30%) 7 having a width of about 30 nm is grown on the exposed p-type lateral epitaxial SiGe layer 3 by about 260 nm. Next, the exposed surface of the SiGe layer 7 is oxidized to grow an oxide film (SiO 2 ) 29.
FIG.
Next, the entire surface of the nitride film (Si 3 N 4 ) 28 is anisotropically dry etched. Next, a p-type lateral epitaxial Si layer 8 having a width of about 25 nm is grown on the exposed side surface of the longitudinal epitaxial SiGe layer 7 by chemical vapor deposition.
FIG.
Next, the oxide film (SiO 2 ) 29 is subjected to anisotropic dry etching. (At this time, the oxide film (SiO 2 ) 6 is also etched away.) Next, an oxide film (not shown) for ion implantation of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, boron ion implantation for controlling the threshold voltage is performed. Next, heat treatment is performed at about 1000 ° C., the concentration of the strained Si layer 8 and the SiGe layer 7 is controlled, and then phosphorus ion implantation for forming the n-type drain region 10 is performed. (At this time, ion implantation is performed with an acceleration energy as low as about 25 kev so that phosphorus is ion-implanted only into the upper surfaces of the strained Si layer 8 and the SiGe layer 7.) Next, n + -type source / drain regions (9, 11) Arsenic ions are implanted for formation. (Thus, the arsenic for forming the n + -type source / drain regions (9, 11) is ion-implanted in a self-aligned manner on the upper surfaces of the strained Si layer 8, the SiGe layer 7, and the SiGe layer 3 without a mask layer.) by annealing by (R apid T hermal P rocessing) , strained Si layer 8 and the upper part is diffused in the vertical direction n + -type drain region 11 and the n-type drain region 10 of the SiGe layer 7, SiGe layer 3 Then, an n + type source region 9 is formed which diffuses in the vertical and lateral directions and fills the entire SiGe layer 3, the SiGe layer 7 and the lower part of the strained Si layer 8, and then an oxide film for ion implantation (not shown). ) Isotropic dry etching.
FIG.
Next, a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 12 of about 10 nm is grown, and then Al 13 to be a gate electrode of about 80 nm is grown by sputtering. (A barrier metal (TiN) may be provided under the Al gate electrode.) Next, an oxide film (SiO 2 ) 14 of about 130 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove the oxide film (SiO 2 ) 14, Al 13 and the gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 12 on the strained Si layer 8 and the SiGe layer 7 and planarize them. .
FIG.
Next, using an ordinary photolithography technique, the oxide film (SiO 2 ) 14 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer. Next, the resist (not shown) is removed. Next, using the remaining oxide film (SiO 2 ) 14 as a mask layer, Al 13 and the gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 12 are sequentially subjected to anisotropic dry etching. (The reason why the etching is performed using the oxide film (SiO 2 ) 14 as a mask layer is to form the gate electrode wiring portion other than the side surface of the strained Si layer 8.)
FIG.
Next, PSG15 of about 200 nm is grown by chemical vapor deposition. Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove the PSG 15 on the strained Si layer 8 and the SiGe layer 7 and planarize. Next, PSG15 is anisotropically etched by about 20 nm to form a stepped portion. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 16 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, and a nitride film (Si 3 N 4 ) 16 is flatly embedded in the stepped portion.
FIG.
Next, an oxide film (SiO 2 ) 17 of about 400 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 18 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal photolithography technique, the nitride film (Si 3 N 4 ) 18 and the oxide film (SiO 2 ) 17 are sequentially subjected to anisotropic dry etching using the first resist (not shown) as a mask layer. (At this stage, a via is opened in a part of the n + -type drain region 11.) Then, using a normal photolithography technique, the mask layer of the first resist (not shown) is left as it is, and n + A second resist mask layer (not shown) that covers only the via portion of the mold drain region 11 is formed. Next, using the first and second resists (not shown) as mask layers, the nitride film (Si 3 N 4 ) 16, PSG 15, oxide film (SiO 2 ) 14 and nitride film (Si 3 N 4 ) 5 are sequentially different. Isotropic dry etching. (Thus, vias are also opened in a part of the n + -type source region 9 and the gate electrode wiring 13.) Next, all resist (not shown) is removed.
FIG.
Next, TiN19 to be a barrier metal is grown by sputtering. Next, tungsten (W) 20 is grown by chemical vapor deposition. Next, a conductive plug (W) 20 having a barrier metal (TiN) 19 is formed by chemical mechanical polishing (CMP).
FIG.
Next, an interlayer insulating film (SiOC) 21 of about 500 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary photolithography technique, the interlayer insulating film (SiOC) 21 is anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. (At this time, the nitride film (Si 3 N 4 ) 18 becomes an etching stopper film.) Next, the resist (not shown) is removed. Next, a barrier metal (TaN) 22 of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a Cu seed layer is grown by sputtering. Next, Cu of about 500 nm is grown by electrolytic plating. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, Cu is flatly embedded in the opening, and a Cu wiring 23 having a barrier metal (TaN) 22 is formed. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 24 serving as a Cu barrier insulating film is grown by chemical vapor deposition, and a channel-enclosed low-resistance metal gate having a strained SOI structure by the selective composite epitaxial growth method (SCE) of the present invention. A vertical (vertical operation) N-channel MIS field effect transistor having electrodes is completed.

図14は本発明の半導体装置における第2の実施例で、シリコン基板を使用し、選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)により形成した横(水平)方向エピタキシャルSiGe層、縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層及び横方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に形成したショートチャネルのNチャネル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、1〜24は図1と同じ物を、30は下層配線(WSi)、31は絶縁膜(SiO2)を示している。
同図においては、n+型ソース領域9が形成されているp型の横方向エピタキシャルSiGe層3下に下層配線(WSi)30が設けられ、別の個所でバリアメタル(TiN)19を有する導電プラグ(W)20を介してバリアメタル(TaN)22を有するCu配線23に接続されている以外は図1とほぼ同じ歪みSOI構造の縦型(垂直方向動作)のNチャネルMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においても第1の実施例と同じ効果を得ることができ、また下層配線を使用できるため、配線の自由度が増すことにより、さらなる高集積化を可能にすることができる。
FIG. 14 shows a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention. A lateral (horizontal) direction epitaxial SiGe layer and a longitudinal (vertical) direction epitaxial SiGe layer formed by selective composite epitaxial growth (SCE) using a silicon substrate. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field effect transistor formed on a strained SOI substrate composed of a laterally epitaxial strained Si layer, wherein 1 to 24 are the same as those in FIG. The lower layer wiring (WSi) 31 indicates an insulating film (SiO 2 ).
In the figure, a lower layer wiring (WSi) 30 is provided under a p-type lateral epitaxial SiGe layer 3 in which an n + type source region 9 is formed, and a conductive material having a barrier metal (TiN) 19 at another location. A vertical (vertical operation) N-channel MIS field effect transistor having the same strained SOI structure as in FIG. 1 except that it is connected to a Cu wiring 23 having a barrier metal (TaN) 22 via a plug (W) 20. Is formed.
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the lower layer wiring can be used. Therefore, the degree of freedom of the wiring can be increased, thereby enabling further higher integration.

図15は本発明の半導体装置における第3の実施例で、シリコン基板を使用し、選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)により形成した横方向エピタキシャルSi層、横方向エピタキシャルSiGe層及び縦方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に形成したショートチャネルのNチャネル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、2、4〜6、9〜24は図1と同じ物を、32はp型の横方向エピタキシャルSi層、33はp型の縦方向エピタキシャル歪みSi層、34はp型の横方向エピタキシャルSiGe層を示している。
同図においては、p型の横方向エピタキシャルSi層32が設けられ、このp型の横方向エピタキシャルSi層32上にp型の縦方向エピタキシャル歪みSi層33が筒状構造に設けられており、この筒状構造のp型のエピタキシャル歪みSi層33の内側面に接してp型の横方向エピタキシャルSiGe層34が設けられている以外は図1とほぼ同じ歪みSOI構造の縦型(垂直方向動作)のNチャネル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製造方法が若干異なるだけで、第1の実施例と同じ効果を得ることができる。
FIG. 15 shows a third embodiment of the semiconductor device of the present invention, which is a lateral epitaxial Si layer, a lateral epitaxial SiGe layer, and a longitudinal epitaxial strained Si formed by selective composite epitaxial growth (SCE) using a silicon substrate. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field effect transistor formed on a strained SOI substrate composed of layers, wherein 1, 2, 4 to 6, and 9 to 24 are the same as those in FIG. 32 denotes a p-type lateral epitaxial Si layer, 33 denotes a p-type longitudinal epitaxial Si layer, and 34 denotes a p-type lateral epitaxial SiGe layer.
In the figure, a p-type lateral epitaxial Si layer 32 is provided, and a p-type longitudinal epitaxial strained Si layer 33 is provided on the p-type lateral epitaxial Si layer 32 in a cylindrical structure. The vertical type (vertical operation in the vertical direction) of FIG. 1 except that a p-type lateral epitaxial SiGe layer 34 is provided in contact with the inner surface of the cylindrical p-type epitaxial strained Si layer 33. ) N-channel MIS field effect transistor.
In the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained only with a slightly different manufacturing method.

図16は本発明の半導体装置における第4の実施例で、シリコン基板を使用し、選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)により形成した横方向エピタキシャルSiGe層、縦方向エピタキシャルSiGe層及び横方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に形成したショートチャネルのNチャネル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、1〜12、14〜24は図1と同じ物を、13aは外側面ゲート電極、13bは内側面ゲート電極を示している。
同図においては、p型の縦方向エピタキシャルSiGe層7が筒状構造に設けられており、この筒状構造のSiGe層7の内外側面に接してそれぞれp型の横方向エピタキシャル歪みSi層8が設けられ、この歪みSi層8の内外側面にゲート酸化膜12を介して外側面ゲート電極 13a及び内側面ゲート電極13bが設けられ、内側面ゲート電極にもバリアメタル(TiN)19を有する導電プラグ(W)20を介してバリアメタル(TaN)22を有するCu配線23が接続されている以外は図1とほぼ同じ歪みSOI構造の縦型(垂直方向動作)のNチャネル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に加え、歪みSi層8の内外側面にチャネルを形成することができるため、集積度はやや落ちるが、より高速化が期待できる。
FIG. 16 shows a fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention. A lateral epitaxial SiGe layer, a longitudinal epitaxial SiGe layer, and a lateral epitaxial strained Si formed by a selective compound epitaxial growth method (SCE) using a silicon substrate. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field effect transistor formed on a strained SOI substrate composed of layers, wherein 1 to 12 and 14 to 24 are the same as in FIG. 1, and 13a is an outer surface. A gate electrode 13b indicates an inner side gate electrode.
In the figure, a p-type longitudinal epitaxial SiGe layer 7 is provided in a cylindrical structure, and a p-type lateral epitaxial strained Si layer 8 is in contact with the inner and outer surfaces of the cylindrical SiGe layer 7 respectively. A conductive plug having an outer surface gate electrode 13a and an inner surface gate electrode 13b provided on the inner and outer surfaces of the strained Si layer 8 via a gate oxide film 12 and also having a barrier metal (TiN) 19 on the inner surface gate electrode. A vertical (vertical operation) N-channel MIS field effect transistor is formed having the same strained SOI structure as in FIG. 1 except that a Cu wiring 23 having a barrier metal (TaN) 22 is connected via (W) 20. Has been.
In this embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, since channels can be formed on the inner and outer surfaces of the strained Si layer 8, the degree of integration is slightly reduced, but higher speed can be expected.

図17は本発明の半導体装置における第5の実施例の模式側断面図、図18〜図23は本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図である,
図17は本発明の半導体装置における第5の実施例で、シリコン基板を使用し、選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)により形成した横方向エピタキシャルSiGe層及び縦方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に形成したショートチャネルのNチャネル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、1〜5、9〜13、15、17〜24は図1と同じ物を、35はp型の縦方向エピタキシャル歪みSi層、37はサイドウォール(SiO2)、38はn型ソース領域を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1上に酸化膜(SiO2)2を介して、p型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層3が設けられ、このSiGe層3は素子分離領域形成用の埋め込み絶縁膜(SiO2)4及び酸化膜(SiO2)2により島状に絶縁分離されている。この絶縁分離されたSiGe層3上には自己整合してp型の縦(垂直)方向エピタキシャル歪みSi層35が設けられ、歪みSOI基板を形成している。歪みSi層35上にはゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)12を介して、側壁にサイドウォール(SiO2)37を有するゲート電極(A1)13が設けられている。このゲート電極13に自己整合してn型ソースドレイン領域(10、38)が設けられ、サイドウォール37に自己整合してn+型ソースドレイン領域(9、11)が設けられており、n+型ソースドレイン領域(9、11)及びゲート電極(Al)13(図示せず)には、それぞれバリアメタル(TiN)l9を有する導電プラグ(W)20を介してバリアメタル(TaN)22を有するCu配線23が接続されている歪みSOI構造の横型(水平方向動作)のNチャネルMIS電界効果トランジスタが形成されている。(ここでは半導体基板としてp型のシリコン基板を使用しているが、シリコン基板には直接MIS電界効果トランジスタを形成していないので、p型であっても、n型であっても差し支えない。)
本実施例においては、SIMOX法により形成した歪みSOI基板を使用することなく、通常の半導体基板を使用して、容易な技術により、絶縁膜上に選択的に形成した横方向及び縦方向エピタキシャル半導体層により歪みSOI基板を形成し、この歪みSOI基板にドレイン領域、チャネル領域、ソース領域を形成できるため、完全空乏化した歪みSOI構造を容易に形成することが可能で、ソースドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善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が可能である。
また容易な技術により、積層構造を有してSiGe層に接触したSi層を形成できるため、格子定数の大きなSiGe層による引っ張り応力により歪みSi層を形成できるので、移動度を増すことができ、高速化が可能である。
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、ゲート電極と歪みSi層間の微小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自己整合して形成できることにより、多結晶シリコン(半導体層)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及びゲート電極での空乏層容量を除去できることにより、閾値電圧の低減化による低電力化を可能にすることもできる。
17 is a schematic sectional side view of a fifth embodiment of the semiconductor device of the present invention, and FIGS. 18 to 23 are process sectional views of the manufacturing method of the fifth embodiment of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 17 shows a fifth embodiment of the semiconductor device of the present invention. A strained SOI substrate comprising a lateral epitaxial SiGe layer and a longitudinal epitaxial strained Si layer formed by selective compound epitaxial growth (SCE) using a silicon substrate. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field effect transistor formed in 1-5, 9-13, 15, 17-24 are the same as FIG. 1, and 35 is a p-type. , A vertical epitaxial strained Si layer, 37 is a sidewall (SiO 2 ), and 38 is an n-type source region.
In the figure, a p-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer 3 is provided on a p-type silicon substrate 1 via an oxide film (SiO 2 ) 2, and this SiGe layer 3 is used for forming an element isolation region. Insulated and isolated in an island shape by the buried insulating film (SiO 2 ) 4 and the oxide film (SiO 2 ) 2. A p-type longitudinal (vertical) direction epitaxial strained Si layer 35 is provided on the insulated SiGe layer 3 in a self-aligned manner to form a strained SOI substrate. On the strained Si layer 35, a gate electrode (A1) 13 having sidewalls (SiO 2 ) 37 on the side walls is provided via a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 12. The n-type source drain regions self-aligned (10,38) is provided on the gate electrode 13, self-aligned n + -type source and drain regions (9, 11) is provided on the side wall 37, n + Each of the source / drain regions (9, 11) and the gate electrode (Al) 13 (not shown) has a barrier metal (TaN) 22 via a conductive plug (W) 20 having a barrier metal (TiN) l9. A lateral type (horizontal operation) N-channel MIS field effect transistor having a strained SOI structure to which a Cu wiring 23 is connected is formed. (Here, a p-type silicon substrate is used as the semiconductor substrate. However, since the MIS field-effect transistor is not directly formed on the silicon substrate, it may be p-type or n-type. )
In this embodiment, a lateral and longitudinal epitaxial semiconductor selectively formed on an insulating film by an easy technique using a normal semiconductor substrate without using a strained SOI substrate formed by the SIMOX method. Since a strained SOI substrate is formed by the layers, and a drain region, a channel region, and a source region can be formed on the strained SOI substrate, a fully depleted strained SOI structure can be easily formed, and the junction capacitance of the source / drain region can be easily formed. Can be reduced (substantially zero), the depletion layer capacitance can be reduced, the breakdown voltage of the source / drain region can be improved, and the threshold voltage can be reduced by improving the subthreshold characteristics.
In addition, since a Si layer that has a laminated structure and is in contact with the SiGe layer can be formed by an easy technique, a strained Si layer can be formed by a tensile stress caused by a SiGe layer having a large lattice constant, so that mobility can be increased. Speeding up is possible.
In addition, Ta 2 O 5 with a high dielectric constant can be used as the gate oxide film, so the gate oxide film can be made thicker, minimizing current leakage between the gate electrode and the strained Si layer, and reducing the gate capacitance. It is.
In addition, the source / drain regions that require high-temperature heat treatment to activate the impurity regions can be formed in a self-aligned manner before forming the gate electrode, so that low resistance, low melting point metal can be used without using polycrystalline silicon (semiconductor layer). Since the gate electrode made of (Al) can be formed, the resistance of the gate electrode wiring can be reduced and the depletion layer capacitance at the gate electrode can be removed, so that the power can be reduced by reducing the threshold voltage.

次いで本発明に係る半導体装置における第5の実施例の製造方法について図18〜図23及び図17を参照して説明する。ただし図18の前に先に記載した図2〜図5の工程をおこなう。
図18
次いで化学気相成長により、p型の構方向エピタキシャルSiGe層3上に25nm程度のp型の縦方向エピタキシャル歪みSi層35を成長する。次いで化学気相成長により、25nm程度の窒化膜(Si3N4)5を成長する。次いで歪みSi層35上の窒化膜(Si3N4)5を化学的機械研磨(CMP)し、平坦化する。
図19
次いで化学気相成長により、10nm程度のダミーゲート酸化膜(SiO2)36を成長する。次いで閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。次いで化学気相成長により、200nm程度の窒化膜(Si3N4)39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、窒化膜(Si3N4)39を異方性ドライエッチングし、ダミーゲート電極(Si3N4)39を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでダミーゲート電極(Si3N4)39をマスク層として、n型ソースドレイン領域(10、38)形成用の燐のイオン注入をおこなう、次いでダミーゲート電極(Si3N4)39をマスク層として、ダミーゲート酸化膜(SiO2)36をエッチング除去する。次いで化学気相成長により、20nm程度の酸化膜(SiO2)37を成長する。次いで異方性ドライエッチングし、ダミーゲート電極(Si3N4)39の側壁にサイドウォール(SiO2)37を形成する。次いで熱酸化し、10nm程度のイオン注入用の酸化膜(図示せず)を成長する。次いでダミーゲート電極(Si3N4)39及びサイドウォール(SiO2)37をマスク層として、n+型ソースドレイン領域(9、11)形成用の砒素のイオン注入をおこなう。次いでRTP法により、アニールをおこなうことにより、n+型ソース領域9、n型ソース領域38、n+型ドレイン領域11及びn型ドレイン領域10を形成する。次いでイオン注入用の酸化膜(図示せず)をエッチング除去する。
図20
次いで化学気相成長により、200nm程度のPSGl5を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、平坦化する。次いでダミーゲート電極(Si3N4)39及びダミーゲート酸化膜(SiO2)36を順次エッチング除去し、開孔部を形成する。
図21
次いで10nm程度のゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)12を成長する。次いでスパッタにより、200nm程度のゲート電極となるAl13を成長する。(Alゲート電極下にバリアメタル(TiN)を設けてもよい。)次いで化学的機械研磨(CMP)し、開孔部に平坦に埋め込む。
図22
次いで化学気相成長により、400nm程度の酸化膜(SiO2)17を成長する。次いで化学気相成長により、20nm程度の窒化膜(Si3N4)18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、窒化膜(Si3N4)18、酸化膜(SiO2)17及びPSGl5を順次異方性ドライエッチングし、ビアを開孔する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
図23
次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN19を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン(W)20を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ビアに平坦に埋め込み、バリアメタル(TiN)l9を有する導電プラグ(W)20を形成する。
図17
次いで化学気相成長により、500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)21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、層間絶縁膜(SiOC)21を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、窒化膜(Si3N4)18がエッチングストッパー膜となる。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、10nm程度のバリアメタル(TaN)22を成長する。次いでスパッタにより、Cuシード層を成長する。次いで電解メッキ法により500nm程度のCuを成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、開孔部にCuを平坦に埋め込み、バリアメタル(TaN)22を有するCu配線23を形成する。次いで化学気相成長により、Cuのバリア絶縁膜となる窒化膜(Si3N4)24を成長し、本願発明の選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)による歪みSOI構造の低抵抗メタルゲート電極を有する横型(水平方向動作)のNチャネルのMIS電界効果トランジスタを完成する。
Next, a manufacturing method of the fifth embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. However, the steps shown in FIGS. 2 to 5 described before FIG. 18 are performed.
FIG.
Next, a p-type longitudinal epitaxial strained Si layer 35 of about 25 nm is grown on the p-type compositional epitaxial SiGe layer 3 by chemical vapor deposition. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 5 of about 25 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the nitride film (Si 3 N 4 ) 5 on the strained Si layer 35 is subjected to chemical mechanical polishing (CMP) and planarized.
FIG.
Next, a dummy gate oxide film (SiO 2 ) 36 of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, boron ion implantation for controlling the threshold voltage is performed. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 39 of about 200 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal photolithography technique, a nitride (Si 3 N 4 ) 39 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer to form a dummy gate electrode (Si 3 N 4 ) 39 To do. Next, the resist (not shown) is removed. Next, using the dummy gate electrode (Si 3 N 4 ) 39 as a mask layer, phosphorus ions are implanted for forming the n-type source / drain region (10, 38), and then the dummy gate electrode (Si 3 N 4 ) 39 is used as the mask layer. Then, the dummy gate oxide film (SiO 2 ) 36 is removed by etching. Next, an oxide film (SiO 2 ) 37 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, anisotropic dry etching is performed to form side walls (SiO 2 ) 37 on the side walls of the dummy gate electrode (Si 3 N 4 ) 39. Next, thermal oxidation is performed to grow an oxide film (not shown) for ion implantation of about 10 nm. Next, arsenic ions are implanted for forming the n + -type source / drain regions (9, 11) using the dummy gate electrode (Si 3 N 4 ) 39 and the sidewalls (SiO 2 ) 37 as mask layers. Subsequently, n + type source region 9, n type source region 38, n + type drain region 11 and n type drain region 10 are formed by annealing by RTP method. Next, the oxide film for ion implantation (not shown) is removed by etching.
FIG.
Next, PSGl5 of about 200 nm is grown by chemical vapor deposition. Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed and planarization is performed. Next, the dummy gate electrode (Si 3 N 4 ) 39 and the dummy gate oxide film (SiO 2 ) 36 are sequentially removed by etching to form an opening.
FIG.
Next, a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 12 of about 10 nm is grown. Next, Al13 to be a gate electrode of about 200 nm is grown by sputtering. (Barrier metal (TiN) may be provided under the Al gate electrode.) Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to fill the opening portion flatly.
FIG.
Next, an oxide film (SiO 2 ) 17 of about 400 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 18 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using normal photolithography technology, using a resist (not shown) as a mask layer, the nitride film (Si 3 N 4 ) 18, the oxide film (SiO 2 ) 17 and PSGl5 are sequentially anisotropically dry etched to form vias Open the hole. Next, the resist (not shown) is removed.
FIG.
Next, TiN19 to be a barrier metal is grown by sputtering. Next, tungsten (W) 20 is grown by chemical vapor deposition. Next, a conductive plug (W) 20 having a barrier metal (TiN) l9 is formed by chemical mechanical polishing (CMP), which is flatly embedded in the via.
FIG.
Next, an interlayer insulating film (SiOC) 21 of about 500 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary photolithography technique, the interlayer insulating film (SiOC) 21 is anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. (At this time, the nitride film (Si 3 N 4 ) 18 becomes an etching stopper film.) Next, the resist (not shown) is removed. Next, a barrier metal (TaN) 22 of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a Cu seed layer is grown by sputtering. Next, Cu of about 500 nm is grown by electrolytic plating. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, Cu is flatly embedded in the opening, and a Cu wiring 23 having a barrier metal (TaN) 22 is formed. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 24 serving as a Cu barrier insulating film is grown by chemical vapor deposition, and has a low-resistance metal gate electrode having a strained SOI structure by the selective complex epitaxial growth method (SCE) of the present invention. A horizontal (horizontal operation) N-channel MIS field effect transistor is completed.

図24は本発明の半導体装置における第6の実施例で、シリコン基板を使用し、選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)により形成した横方向エピタキシャルSiGe層、縦方向エピタキシャルSiGe層及び横方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に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MIS電界効果トランジスタからなるCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜24は図1と同じ物を、40はn型の縦方向エピタキシャルSiGe層、41はn型の横方向エピタキシャル歪みSi層、42はp+型ソース領域、43はp+型ドレイン領域を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1上に酸化膜(SiO2)2を介して、p型の横方向エピタキシャルSiGe層3が設けられ、このSiGe層3は素子分離領域形成用の埋め込み絶縁膜(SiO2)4及び酸化膜(SiO2)2により島状に絶縁分離されている。絶縁分離された右側のSiGe層3上には選択的にp型の縦方向エピタキシャルSiGe層7が設けられ、このSiGe層7の側面には格子定数がやや小さいp型の横方向エピタキシャル歪みSi層8が周設され、歪みSOI基板を形成している。SiGe層7及び歪みSi層8の上部にはn+型ドレイン領域11及びn型ドレイン領域10が設けられ、SiGe層3全体、SiGe層7及び歪みSi層8の下部にはn+型ソース領域9が設けられ、歪みSi層8の側面にはゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)12を介してゲート電極(Al)13が周設され、n+型ドレイン領域11、n+型ソース領域9及びゲート電極13には、それぞれバリアメタル(TiN)19を有する導電ブラグ(W)20を介してバリアメタル(TaN)22を有するCu配線23が接続されている歪みSOI構造の縦型(垂直方向動作)のNチャネルMIS電界効果トランジスタが形成されている。また、絶縁分離された左側のSiGe層3上には選択的にn型の縦方向エピタキシャルSiGe層40が設けられ、このSiGe層40の側面には格子定数がやや小さいn型の横方向エピタキシャル歪みSi層41が周設され、歪みSOI基板を形成している。SiGe層40及び歪みSi層41の上部にはp+型ドレイン領域43が設けられ、SiGe層3全体、SiGe層40及び歪みSi層41の下部にはp+型ソース領域42が設けられ、歪みSi層41の側面にはゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)12を介してゲート電極(Al)13が周設され、p+型ドレイン領域43、p+型ソース領域42及びゲート電極13には、それぞれバリアメタル(TiN)19を有する導電プラグ(W)20を介してバリアメタル(TaN)22を有するCu配線23が接続されている歪みSOI構造の縦型(垂直方向動作)のPチャネル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、SIMOX法により形成した歪みSOI基板を使用することなく、通常の半導体基板を使用して、容易な技術により、絶縁膜上に選択的に形成した横方向及び縦方向エピタキシャル半導体層により歪みSOI基板を形成し、この歪みSOI基板にドレイン領域、チャネル領域、ソース領域を形成できるため、完全空乏化した歪みSOI構造を容易に形成することが可能で、ソースドレイン領域の接合容量の低減(実質ゼロ)、空乏層容量の低減、ソースドレイン領域の耐圧改善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が可能である。
また容易な技術により、併設構造を有してSiGe層に接触したSi層を形成できるため、格子定数の大きなSiGe層による引っ張り応力により歪みSi層を形成できるので、移動度を増すことができ、高速化が可能である。
またMIS電界効果トランジスタの各種の特性を決定するチャネル長をフォトリソグラフィー技術によるゲート長の制御に依存せずに、制御性の良いエピタキシャル半導体層の成長膜厚及び熱処理による不純物の拡散により決定できるため、大口径ウエハーにおいても特性の安定したMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
またチャネル領域をゲート電極で完全に包囲できるので、SOI構造のCMOSに特有である、NチャネルMIS電界効果トランジスタあるいはPチャネルMIS電界効果トランジスタのいずれか一方には必ず生じてしまうバックチャネル効果を完全に改善することが可能で、極めてリーク特性に優れた高性能及び高信頼性を有し、且つ周囲をすべてチャネル領域にできるため、チャネル幅を増加させた高集積なMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
また正孔及び電子の移動度ともに増加させることが可能で、高速なスイッチングスピードを持つCMOSを形成することが可能である。
またNチャネルMIS電界効果トランジスタに特有なドレイン領域近傍の強電界のために生じるホットキャリア効果による寿命上の伝達コンダクタンスの劣化を改善する手段として形成する低濃度領域をドレイン領域のみに形成し、ソース領域には設けずに形成できるため、ソース領域の抵抗の低減が可能であり、耐圧を劣化させずによりチャネル長を微細にすることもできる。
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、ゲート電極と歪みSi層間の微小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自己整合して形成できることにより、多結晶シリコン(半導体層)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及びゲート電極での空乏層容量を除去できることにより、閾値電圧の低減化による低電力化を可能にすることもできる。
また縦方向エピタキシャル歪みSi層に自己整合して、各要素(低濃度及び高濃度のドレイン領域、高濃度のソース領域、ゲート酸化膜及びゲート電極)を微細に形成することもできる。
即ち、高価な歪みSOI構造を有する半導体基板(2枚の半導体基板の貼り合わせによる半導体基板あるいはSIMOX法により形成した半導体基板)を使用することなく、半導体基板に容易なプロセスで形成した横方向及び縦方向エピタキシャル半導体層により形成した歪みSOI基板を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チャネル包囲型低抵抗メタルゲート電極を有する歪みSOI構造の縦型(垂直方向動作)のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型半導体集積回路を得ることができる。
FIG. 24 shows a sixth embodiment of the semiconductor device of the present invention. A lateral epitaxial SiGe layer, a longitudinal epitaxial SiGe layer and a lateral epitaxial strained Si formed by a selective compound epitaxial growth method (SCE) using a silicon substrate. 1 shows a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit composed of a short-channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor formed on a strained SOI substrate composed of layers, wherein 1 to 24 are the same as in FIG. 1, and 40 is n A vertical epitaxial SiGe layer of the type, 41 is an n-type lateral epitaxial strained Si layer, 42 is a p + type source region, and 43 is a p + type drain region.
In the figure, a p-type lateral epitaxial SiGe layer 3 is provided on a p-type silicon substrate 1 via an oxide film (SiO 2 ) 2, and this SiGe layer 3 is buried insulating for forming an element isolation region. It is insulated and isolated in an island shape by the film (SiO 2 ) 4 and the oxide film (SiO 2 ) 2. A p-type longitudinal epitaxial SiGe layer 7 is selectively provided on the right-side SiGe layer 3 that is insulated and isolated, and a p-type lateral epitaxial strained Si layer having a slightly small lattice constant is provided on the side surface of the SiGe layer 7. 8 is provided around to form a strained SOI substrate. An n + -type drain region 11 and an n-type drain region 10 are provided above the SiGe layer 7 and the strained Si layer 8, and an n + -type source region is formed below the entire SiGe layer 3 and the SiGe layer 7 and the strained Si layer 8. 9 is provided, and a gate electrode (Al) 13 is provided around the side surface of the strained Si layer 8 via a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 12 to form an n + type drain region 11 and an n + type A vertical type of strained SOI structure in which a Cu wiring 23 having a barrier metal (TaN) 22 is connected to the source region 9 and the gate electrode 13 via a conductive brag (W) 20 having a barrier metal (TiN) 19 respectively. An (channel operation) N-channel MIS field effect transistor is formed. Further, an n-type longitudinal epitaxial SiGe layer 40 is selectively provided on the left SiGe layer 3 which is isolated from the insulation, and an n-type lateral epitaxial strain having a slightly small lattice constant is formed on the side surface of the SiGe layer 40. A Si layer 41 is provided around to form a strained SOI substrate. A p + -type drain region 43 is provided above the SiGe layer 40 and the strained Si layer 41, and a p + -type source region 42 is provided below the entire SiGe layer 3 and the SiGe layer 40 and the strained Si layer 41. A gate electrode (Al) 13 is provided around the side surface of the Si layer 41 via a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 12, and includes a p + -type drain region 43, a p + -type source region 42, and a gate electrode. 13 is a vertical type (vertical operation) of a strained SOI structure in which a Cu wiring 23 having a barrier metal (TaN) 22 is connected via a conductive plug (W) 20 having a barrier metal (TiN) 19 respectively. A P-channel MIS field effect transistor is formed.
In this embodiment, a lateral and longitudinal epitaxial semiconductor selectively formed on an insulating film by an easy technique using a normal semiconductor substrate without using a strained SOI substrate formed by the SIMOX method. Since a strained SOI substrate is formed by the layers, and a drain region, a channel region, and a source region can be formed on the strained SOI substrate, a fully depleted strained SOI structure can be easily formed, and the junction capacitance of the source / drain region can be easily formed. Can be reduced (substantially zero), the depletion layer capacitance can be reduced, the breakdown voltage of the source / drain region can be improved, and the threshold voltage can be reduced by improving the subthreshold characteristics.
In addition, since the Si layer can be formed by an easy technology and in contact with the SiGe layer, the strained Si layer can be formed by the tensile stress caused by the SiGe layer having a large lattice constant, so the mobility can be increased. Speeding up is possible.
Further, the channel length for determining various characteristics of the MIS field effect transistor can be determined by the growth thickness of the epitaxial semiconductor layer having good controllability and the diffusion of impurities by heat treatment without depending on the control of the gate length by the photolithography technique. In addition, a MIS field effect transistor having stable characteristics can be obtained even in a large-diameter wafer.
Further, since the channel region can be completely surrounded by the gate electrode, the back channel effect that is inevitably generated in either the N-channel MIS field-effect transistor or the P-channel MIS field-effect transistor, which is peculiar to the SOI structure CMOS, is completely achieved. It is possible to obtain a highly integrated MIS field effect transistor with an increased channel width because it has a high performance and high reliability with extremely excellent leakage characteristics, and the entire periphery can be made into a channel region. Can do.
Further, both the mobility of holes and electrons can be increased, and a CMOS having a high switching speed can be formed.
Further, a low concentration region formed as a means for improving the deterioration of transfer conductance over the lifetime due to the hot carrier effect generated due to the strong electric field in the vicinity of the drain region peculiar to the N channel MIS field effect transistor is formed only in the drain region. Since it can be formed without being provided in the region, the resistance of the source region can be reduced, and the channel length can be made fine without degrading the breakdown voltage.
In addition, Ta 2 O 5 with a high dielectric constant can be used as the gate oxide film, so the gate oxide film can be made thicker, minimizing current leakage between the gate electrode and the strained Si layer, and reducing the gate capacitance. It is.
In addition, the source / drain regions that require high-temperature heat treatment to activate the impurity regions can be formed in a self-aligned manner before forming the gate electrode, so that low resistance, low melting point metal can be used without using polycrystalline silicon (semiconductor layer). Since the gate electrode made of (Al) can be formed, the resistance of the gate electrode wiring can be reduced and the depletion layer capacitance at the gate electrode can be removed, so that the power can be reduced by reducing the threshold voltage.
Each element (low concentration and high concentration drain region, high concentration source region, gate oxide film and gate electrode) can also be finely formed in self-alignment with the longitudinal epitaxial strained Si layer.
That is, without using a semiconductor substrate having an expensive strained SOI structure (a semiconductor substrate formed by bonding two semiconductor substrates or a semiconductor substrate formed by the SIMOX method), the lateral direction formed on the semiconductor substrate by an easy process and By using a strained SOI substrate formed of a longitudinal epitaxial semiconductor layer, a vertical (vertical) strained SOI structure with a channel-enclosed low-resistance metal gate electrode that combines high speed, low power, high reliability, high performance, and high integration. A CMOS type semiconductor integrated circuit composed of N-channel and P-channel MIS field effect transistors in the direction operation) can be obtained.

図25は本発明の半導体装置における第7の実施例で、シリコン基板を使用し、選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)により形成した横方向エピタキシャルSiGe層、縦方向エピタキシャルSiGe層及び横方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に形成したショートチャネルのPチャネルMIS電界効果トランジスタと、横方向エピタキシャルSi層及び縦方向エピタキシャルSi層からなるSOI基板に形成したショートチャネルのNチャネルMIS電界効果トランジスタとを含むCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜6、9〜24は図1と同じ物を、32は図15と同じ物を、40〜43は図24と同じ物を、44はp型の縦方向エピタキシャルSi層を示している。
同図においては、横方向エピタキシャルSi層32及び縦方向エピタキシャルSi層44をp型のSOI基板として縦型(垂直方向動作)のNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成している以外は図24とほぼ同じ構造のCMOSが形成されている。
本実施例においては、第6の実施例とほぼ同じ効果を得ることができ、さらに正孔の移動度をより向上させ、電子の移動度に近づけるように、PチャネルのMIS電界効果トランジスタとNチャネルのMIS電界効果トランジスタの高集積化を維持したまま異なる構造に形成できるため、オン/オフ特性の良好な、高速なスイッチングスピードを得ることができる。
FIG. 25 shows a seventh embodiment of the semiconductor device of the present invention. In the semiconductor device of the present invention, a lateral epitaxial SiGe layer, a longitudinal epitaxial SiGe layer and a lateral epitaxial strained Si formed by a selective compound epitaxial growth method (SCE) using a silicon substrate. A short channel P-channel MIS field effect transistor formed on a strained SOI substrate composed of layers, and a short channel N channel MIS field effect transistor formed on an SOI substrate composed of a lateral epitaxial Si layer and a longitudinal epitaxial Si layer. A part of a CMOS type semiconductor integrated circuit is shown, wherein 1 to 6 and 9 to 24 are the same as FIG. 1, 32 is the same as FIG. 15, 40 to 43 are the same as FIG. A p-type longitudinal epitaxial Si layer is shown.
In FIG. 24, except that a vertical (vertical operation) N-channel MIS field effect transistor is formed using a lateral epitaxial Si layer 32 and a vertical epitaxial Si layer 44 as a p-type SOI substrate. A CMOS having the same structure is formed.
In the present embodiment, substantially the same effect as in the sixth embodiment can be obtained, and further, the mobility of holes is further improved and the mobility of electrons is brought closer to that of the P-channel MIS field effect transistor. Since the channel MIS field-effect transistors can be formed in different structures while maintaining high integration, a high switching speed with good on / off characteristics can be obtained.

図26は本発明の半導体装置における第8の実施例で、シリコン基板を使用し、選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)により形成した横方向エピタキシャルSi層、縦方向エピタキシャルSiGe層及び横方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に形成したショートチャネルのPチャネルMIS電界効果トランジスタと、横方向エピタキシャルSi層のSOI基板に形成したショートチャネルのNチャネルMIS電界効果トランジスタとを含むCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1、2、4、9〜13、15〜24は図1と同じ物を、32は図15と同じ物を、36は図19と同じ物を、37は図17と同じ物を、40〜43は図24と同じ物を示している。
同図においては、横方向エピタキシャルSi層32をSOI基板として横型(水平方向動作)のNチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成し、横方向エピタキシャルSi層32上に形成した縦方向エピタキシャルSiGe層及び横方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に縦型(垂直方向動作)のPチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成している以外は図24とほぼ同じ構造のCMOSが形成されている。
本実施例においては、製造方法はやや複雑になるが、第6の実施例とほぼ同じ効果を得ることができ、さらに正孔の移動度をより向上させ、電子の移動度に近づけるように、PチャネルのMIS電界効果トランジスタとNチャネルのMIS電界効果トランジスタの高集積化を維持したまま異なる構造に形成できるため、オン/オフ特性の良好な、高速なスイッチングスピードを得ることができる。
FIG. 26 shows an eighth embodiment of the semiconductor device according to the present invention. This is a lateral epitaxial Si layer, a longitudinal epitaxial SiGe layer and a lateral epitaxial strained Si formed by selective composite epitaxial growth (SCE) using a silicon substrate. A CMOS type semiconductor integrated circuit including a short channel P-channel MIS field effect transistor formed on a strained SOI substrate composed of layers and a short channel N channel MIS field effect transistor formed on a lateral epitaxial Si layer SOI substrate. 1, 2, 4, 9-13, 15-24 are the same as in FIG. 1, 32 is the same as in FIG. 15, 36 is the same as in FIG. 19, and 37 is in FIG. The same thing, 40-43 has shown the same thing as FIG.
In the figure, a lateral (horizontal operation) N-channel MIS field effect transistor is formed using a lateral epitaxial Si layer 32 as an SOI substrate, and a longitudinal epitaxial SiGe layer and a lateral epitaxial layer formed on the lateral epitaxial Si layer 32 are formed. A CMOS having substantially the same structure as that of FIG. 24 is formed except that a vertical (vertical operation) P-channel MIS field effect transistor is formed on a strained SOI substrate formed of a directional epitaxial strained Si layer.
In this embodiment, although the manufacturing method is somewhat complicated, it is possible to obtain substantially the same effect as in the sixth embodiment, and further improve the mobility of holes and approach the mobility of electrons. Since the P-channel MIS field effect transistor and the N-channel MIS field effect transistor can be formed in different structures while maintaining high integration, a high switching speed with good on / off characteristics can be obtained.

図27は本発明の半導体装置における第9の実施例で、シリコン基板を使用し、選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)により形成した横方向エピタキシャルSiGe層及び縦方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に形成したショートチャネルのPチャネルMIS電界効果トランジスタと、横方向エピタキシャルSi層のSOI基板に形成したショートチャネルのNチャネルMIS電界効果トランジスタとを含むCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1、2、4、9〜13、15、17〜24は図1と同じ物を、32は図15と同じ物を、37は図17と同じ物を、42、43は図24と同じ物を、45はn型の横方向エピタキシャルSiGe層、46はn型の縦方向エピタキシャル歪みSi層、47はバックゲート電極(WSi)を示している。
同図においては、横方向エピタキシャルSi層32をSOI基板として、横型(水平方向動作)のNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成し、横方向エピタキシャルSiGe層45及び縦方向エピタキシャル歪みSi層46からなる歪みSOI基板にバックゲート電極47を有する横型(水平方向動作)のPチャネルMIS電界効果トランジスタを形成している以外は図24とほぼ同様構造のCMOSが形成されている。
本実施例においては、横型(水平方向動作)のNチャネル及びPチャネルMIS電界効果トランジスタを形成しているため、バックチャネルリークを防止するためにPチャネルMIS電界効果トランジスタにバックゲート電極(WSi)を設けることが必要で(NチャネルMIS電界効果トランジスタに対してはp型のSi基板をバックゲート電極として使用)、包囲型ゲート電極を有する縦型(垂直方向動作)のMIS電界効果トランジスタに比較し、リーク特性に劣ること、チャネル幅を増大できないこと及びチャネル長の決定をフォトリソグラフィー技術に依存しなければならないこと等の短所はあるが、それ以外は第6の実施例とほぼ同じ効果を得ることができ、製造方法は比較的簡単で、さらに正孔の移動度をより向上させ、電子の移動度に近づけるように、PチャネルのMIS電界効果トランジスタとNチャネルのMIS電界効果トランジスタの高集積化を維持したまま異なる構造に形成できるため、オン/オフ特性の良好な、高速なスイッチングスピードを得ることができる。
FIG. 27 shows a ninth embodiment of the semiconductor device of the present invention, which is a strained SOI substrate comprising a lateral epitaxial SiGe layer and a longitudinal epitaxial strained Si layer formed by selective compound epitaxial growth (SCE) using a silicon substrate. 2 shows a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit including a short channel P-channel MIS field effect transistor formed on the semiconductor substrate and a short channel N channel MIS field effect transistor formed on a lateral epitaxial Si layer SOI substrate. 1, 2, 4, 9 to 13, 15, 17 to 24 are the same as in FIG. 1, 32 is the same as in FIG. 15, 37 is the same as in FIG. 17, and 42 and 43 are the same as in FIG. 45 denotes an n-type lateral epitaxial SiGe layer, 46 denotes an n-type longitudinal epitaxial strained Si layer, and 47 denotes a back gate electrode (WSi).
In the figure, a lateral (horizontal operation) N-channel MIS field effect transistor is formed using a lateral epitaxial Si layer 32 as an SOI substrate, and a strain comprising a lateral epitaxial SiGe layer 45 and a longitudinal epitaxial strained Si layer 46 is formed. A CMOS having substantially the same structure as that of FIG. 24 is formed except that a lateral (horizontal operation) P-channel MIS field effect transistor having a back gate electrode 47 is formed on an SOI substrate.
In this embodiment, since lateral (horizontal operation) N-channel and P-channel MIS field effect transistors are formed, a back gate electrode (WSi) is formed on the P-channel MIS field effect transistor in order to prevent back channel leakage. (P-type Si substrate is used as the back gate electrode for the N-channel MIS field effect transistor), compared with a vertical (vertical operation) MIS field effect transistor having an enclosed gate electrode. However, there are disadvantages such as inferior leakage characteristics, inability to increase the channel width, and determination of the channel length depending on the photolithography technique, but the other effects are almost the same as in the sixth embodiment. Can be obtained, the manufacturing method is relatively simple, further improve the mobility of holes and approach the mobility of electrons As described above, the P-channel MIS field-effect transistor and the N-channel MIS field-effect transistor can be formed in different structures while maintaining high integration, so that a high switching speed with good on / off characteristics can be obtained. .

図28は本発明の半導体装置における第10の実施例の模式側断面図、図29は本発明の半導体装置における第10の実施例のゲート電極配線接続部の模式側断面図、図30〜図37は本発明の半導体装置における第10の実施例の製造方法の工程断面図である。
図28は本発明の半導体装置における第10の実施例で、シリコン基板を使用し、選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)により形成した、横方向エピタキシャルSiGe層、縦方向エピタキシャルSiGe層及び横方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に形成したショートチャネルのPチャネルのMIS電界効果トランジスタと、横方向エピタキシャルSiGe層及び縦方向エピタキシャル歪みSi層からなる歪みSOI基板に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とを含むCMOS型半導体集積回路の一部を示しており、1〜5、9〜13、15〜24は図1と同じ物を、35、38は図17及び図19と同じ物を、40〜43は図24と同じ物を示している。
同図においては、横方向エピタキシャルSiGe層3及び縦方向エピタキシャル歪みSi層35からなる歪みSOI基板に横型(水平方向動作)のNチャネルMIS電界効果トランジスタを形成している以外は図24とほぼ同様構造のCMOSが形成されている。
本実施例においては、やや製造方法は複雑になるが、第6の実施例とほぼ同じ効果を得ることができ、さらに正孔の移動度をより向上させ、電子の移動度に近づけるように、PチャネルのMIS電界効果トランジスタとNチャネルのMIS電界効果トランジスタの高集積化を維持したまま異なる構造に形成できるため、オン/オフ特性の良好な、高速なスイッチングスピードを得ることができる。
FIG. 28 is a schematic side sectional view of the tenth embodiment of the semiconductor device of the present invention, FIG. 29 is a schematic side sectional view of the gate electrode wiring connection portion of the tenth embodiment of the semiconductor device of the present invention, and FIGS. 37 is a process sectional view of the manufacturing method according to the tenth embodiment of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 28 shows a tenth embodiment of the semiconductor device of the present invention. A lateral epitaxial SiGe layer, a longitudinal epitaxial SiGe layer, and a lateral epitaxial strain formed by a selective complex epitaxial growth method (SCE) using a silicon substrate. A short-channel P-channel MIS field effect transistor formed on a strained SOI substrate made of a Si layer, and a short-channel N-channel MIS field formed on a strained SOI substrate made of a lateral epitaxial SiGe layer and a longitudinal epitaxial strained Si layer. 1 shows a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit including an effect transistor, wherein 1 to 5, 9 to 13 and 15 to 24 are the same as those in FIG. 1, and 35 and 38 are the same as those in FIGS. , 40 to 43 are the same as in FIG.
24 is substantially the same as FIG. 24 except that a lateral (horizontal operation) N-channel MIS field effect transistor is formed on a strained SOI substrate composed of a lateral epitaxial SiGe layer 3 and a longitudinal epitaxial strained Si layer 35. A CMOS structure is formed.
In this example, the manufacturing method is somewhat complicated, but almost the same effect as in the sixth example can be obtained, and further, the mobility of holes is further improved, and the mobility of electrons is approached. Since the P-channel MIS field effect transistor and the N-channel MIS field effect transistor can be formed in different structures while maintaining high integration, a high switching speed with good on / off characteristics can be obtained.

次いで本発明に係る半導体装置における第10の実施例の製造方法について図30〜図37及び図28を参照して説明する。ただし図30の前に先に記載した図2〜図5の工程をおこなう。
図30
次いでp型の横方向エピタキシャルSiGe層3の表面を熱酸化し、10nm程度の酸化膜(SiO2)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、右側のSiGe層3上の酸化膜(SiO2)をエッチング除去する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、露出した右側のSiGe層3上に25nm程度のp型の縦方向エピタキシャル歪みSi層35を成長する。次いで左側のSiGe層3上の酸化膜(SiO2)をエッチング除去する。次いで化学気相成長により、25nm程度の窒化膜(Si3N4)5を成長する。次いで歪みSi層35上の窒化膜(Si3N4)5を化学的機械研磨(CMP)し、平坦化する。
図31
次いで化学気相成長により、10nm程度のダミーゲート酸化膜(SiO2)36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、NチャネルMIS電界効果トランジスタの閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、200nm程度の窒化膜(Si3N4)39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、窒化膜(Si3N4)39、ダミーゲート酸化膜(SiO2)36及び窒化膜(Si3N4)5を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、露出したp型の横方向エピタキシャルSiGe層3上に幅30nm程度のn型の縦方向エピタキシャルSiGe層(Ge濃度30%程度)40を250nm程度成長する。次いで露出したSiGe層7の表面を酸化し、酸化膜(SiO2)29を成長する。
図32
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、窒化膜(Si3N4)39を異方性ドライエッチングし、ダミーゲート電極(Si3N4)39を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで露出した縦方向エピタキシャルSiGe層40の側面に幅25nm程度のn型の横方向エピタキシャル歪みSi層41を成長する。
図33
次いで酸化膜(SiO2)29を異方性ドライエッチングする。(この際、露出する酸化膜(SiO2)36もエッチング除去される。)次いで熱酸化し、10nm程度のイオン注入用の酸化膜(図示せず)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、PチャネルMIS電界効果トランジスタの閾値電圧制御用の燐のイオン注入をおこなう。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで1000℃程度で熱処理し、NチャネルMIS電界効果トランジスタの半導体基板となる歪みSi層35及びSiGe層3、PチャネルMIS電界効果トランジスタの半導体基板となる歪みSi層41、SiGe層40及びSiGe層3の濃度を制御する。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)及びダミーゲート電極(Si3N4)39をマスク層として、n型ソースドレイン領域(10、38)形成用の燐のイオン注入をおこなう。次いでレジスト(図示せず)を除去する。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、p+型ソースドレイン領域(42、43)形成用の硼素のイオン注入をおこなう。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでイオン注入用の酸化膜(図示せず)をエッチング除去する。次いで化学気相成長により、20nm程度の酸化膜(SiO2)37を成長する。次いで異方性ドライエッチングし、ダミーゲート電極(Si3N4)39の側壁にサイドウォール(SiO2)37を形成する。(この際、歪みSi層41の側壁にも不必要のサイドウォール(SiO2)37が形成されてしまうが問題ない。)次いで熱酸化し、10nm程度のイオン注入用の酸化膜(図示せず)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)、ダミーゲート電極(Si3N4)39及びサイドウォール(SiO2)37をマスク層として、n+型ソースドレイン領域(9、11)形成用の砒素のイオン注入をおこなう。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでRTP法によりアニールをおこなうことにより、n+型ソース領域9、n型ソース領域38、n+型ドレイン領域11、n型ドレイン領域10、p+型ソース領域42及びp+型ドレイン領域43を形成する。次いでイオン注入用の酸化膜(図示せず)をエッチング除去する。
図34
次いで化学気相成長により、200nm程度のPSG15を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、歪みSi層41及びSiGe層40上のPSG15を除去し、平坦化する。次いでダミーゲート電極(Si3N4)39及びダミーゲート酸化膜(SiO2)36を順次エッチング除去し、開孔部を形成する。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、歪みSi層41近傍(側面ゲート電極形成部)のPSG15を異方性ドライエッチングする。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
図35
次いで10nm程度のゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)12を成長する。次いでスパッタにより、120nm程度のゲート電極となるAl13を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、歪みSi層41及びSiGe層40上のAl13及びゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)12を除去し、平坦化する。次いで50nm程度Al13及びゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)12を順次オーバーエッチングし、段差部を形成する。(この際、PSG15も50nm程度エッチングされる。)次いで化学気相成長により、50nm程度の窒化膜(Si3N4)16を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、段差部に窒化膜(Si3N4)16を平坦に埋め込む。
図36
次いで化学気相成長により、400nm程度の酸化膜(SiO2)17を成長する。次いで化学気相成長により、20nm程度の窒化膜(Si3N4)18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、窒化膜(Si3N4)18及び酸化膜(SiO2)17を順次異方性ドライエッチングする。(この段階でp+型ドレイン領域43の一部にビアが開孔される。)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)のマスク層はそのままで、p+型ドレイン領域11のビア部のみを覆う第2のレジストマスク層(図示せず)を形成する。次いで第1及び第2のレジスト(図示せず)をマスク層として、窒化膜(Si3N4) 16、PSG15、及び窒化膜(Si3N4)5を順次異方性ドライエッチングする。(こうしてp+型ソース領域42、n+型ソース領域9、n+型ドレイン領域11及びゲート電極配線13の一部にもビアが開孔される。)次いですべてのレジスト(図示せず)を除去する。
図37
次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN19を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン(W)20を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ビアに平坦に埋め込み、バリアメタル(TiN)19を有する導電プラグ(W)20を形成する。
図28
次いで化学気相成長により、500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)21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、層間絶縁膜(SiOC)21を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、窒化膜(Si3N4)18がエッチングストッパー膜となる。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで化学気相成長により、10nm程度のバリアメタル(TaN)22を成長する。次いでスパッタにより、Cuシード層を成長する。次いで電解メッキ法により500nm程度のCuを成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、開孔部にCuを平坦に埋め込み、バリアメタル(TaN)22を有するCu配線23を形成する。次いで化学気相成長により、Cuのバリア絶縁膜となる窒化膜(Si3N4)24を成長し、本願発明の選択的複合エピタキシャル成長法(SCE)による、歪みSOI構造のチャネル包囲型低抵抗メタルゲート電極を有する縦型(垂直方向動作)のPチャネルのMIS電界効果トランジスタ及び歪みSOI構造の低抵抗メタルゲート電極を有する横型(水平方向動作)のNチャネルのMIS電界効果トランジスタからなるCMOS型半導体装置を完成する。
Next, a manufacturing method of a tenth embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 30 to 37 and FIG. However, the steps shown in FIGS. 2 to 5 described before FIG. 30 are performed.
FIG.
Next, the surface of the p-type lateral epitaxial SiGe layer 3 is thermally oxidized to grow an oxide film (SiO 2 ) of about 10 nm. Next, using an ordinary photolithography technique, the oxide film (SiO 2 ) on the SiGe layer 3 on the right side is removed by etching using a resist (not shown) as a mask layer. Next, the resist (not shown) is removed. Next, a p-type longitudinal epitaxial strained Si layer 35 of about 25 nm is grown on the exposed right SiGe layer 3 by chemical vapor deposition. Next, the oxide film (SiO 2 ) on the left SiGe layer 3 is removed by etching. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 5 of about 25 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the nitride film (Si 3 N 4 ) 5 on the strained Si layer 35 is subjected to chemical mechanical polishing (CMP) and planarized.
FIG.
Next, a dummy gate oxide film (SiO 2 ) 36 of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, boron is used for threshold voltage control of an N-channel MIS field effect transistor using a normal photolithography technique using a resist (not shown) as a mask layer. Next, the resist (not shown) is removed. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 39 of about 200 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal photolithography technique, using a resist (not shown) as a mask layer, a nitride film (Si 3 N 4 ) 39, a dummy gate oxide film (SiO 2 ) 36 and a nitride film (Si 3 N 4 ) 5 Are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form an opening. Next, the resist (not shown) is removed. Next, by chemical vapor deposition, an n-type vertical epitaxial SiGe layer (Ge concentration of about 30%) 40 having a width of about 30 nm is grown on the exposed p-type lateral epitaxial SiGe layer 3 by about 250 nm. Next, the exposed surface of the SiGe layer 7 is oxidized to grow an oxide film (SiO 2 ) 29.
FIG.
Next, using a normal photolithography technique, a nitride (Si 3 N 4 ) 39 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer to form a dummy gate electrode (Si 3 N 4 ) 39 To do. Next, the resist (not shown) is removed. Next, an n-type lateral epitaxial strained Si layer 41 having a width of about 25 nm is grown on the exposed side surface of the longitudinal epitaxial SiGe layer 40.
FIG.
Next, the oxide film (SiO 2 ) 29 is subjected to anisotropic dry etching. (At this time, the exposed oxide film (SiO 2 ) 36 is also removed by etching.) Next, thermal oxidation is performed to grow an oxide film (not shown) for ion implantation of about 10 nm. Next, using normal photolithography technology, phosphorus ions are implanted to control the threshold voltage of the P-channel MIS field effect transistor using a resist (not shown) as a mask layer. Next, the resist (not shown) is removed. Next, heat treatment is performed at about 1000 ° C., and the strained Si layer 35 and SiGe layer 3 that become the semiconductor substrate of the N-channel MIS field effect transistor, and the strained Si layer 41, SiGe layer 40, and SiGe layer that become the semiconductor substrate of the P-channel MIS field effect transistor Control the concentration of 3. Next, using normal photolithography technology, phosphorus ion implantation for forming the n-type source / drain regions (10, 38) is performed using a resist (not shown) and a dummy gate electrode (Si 3 N 4 ) 39 as a mask layer. Do it. Next, the resist (not shown) is removed. Next, boron is ion-implanted for forming the p + -type source / drain regions (42, 43) using a normal photolithography technique using a resist (not shown) as a mask layer. Next, the resist (not shown) is removed. Next, the oxide film for ion implantation (not shown) is removed by etching. Next, an oxide film (SiO 2 ) 37 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, anisotropic dry etching is performed to form side walls (SiO 2 ) 37 on the side walls of the dummy gate electrode (Si 3 N 4 ) 39. (At this time, unnecessary sidewalls (SiO 2 ) 37 are also formed on the sidewalls of the strained Si layer 41, but there is no problem.) Next, thermal oxidation is performed, and an oxide film for ion implantation of about 10 nm (not shown). ) Grow up. Next, using normal photolithography technology, n + type source / drain regions (9, 11) using a resist (not shown), dummy gate electrode (Si 3 N 4 ) 39 and sidewall (SiO 2 ) 37 as mask layers. ) Arsenic ion implantation for forming. Next, the resist (not shown) is removed. Next, annealing is performed by the RTP method, so that the n + type source region 9, the n type source region 38, the n + type drain region 11, the n type drain region 10, the p + type source region 42 and the p + type drain region 43 are formed. Form. Next, the oxide film for ion implantation (not shown) is removed by etching.
FIG.
Next, PSG15 of about 200 nm is grown by chemical vapor deposition. Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove the PSG 15 on the strained Si layer 41 and the SiGe layer 40 and planarize. Next, the dummy gate electrode (Si 3 N 4 ) 39 and the dummy gate oxide film (SiO 2 ) 36 are sequentially removed by etching to form an opening. Next, by using a normal photolithography technique, PSG 15 in the vicinity of the strained Si layer 41 (side gate electrode forming portion) is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer. Next, the resist (not shown) is removed.
FIG.
Next, a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 12 of about 10 nm is grown. Next, Al13 to be a gate electrode of about 120 nm is grown by sputtering. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove Al 13 and the gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 12 on the strained Si layer 41 and the SiGe layer 40 and planarize them. Next, Al13 and the gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 12 are sequentially over-etched by about 50 nm to form a stepped portion. (At this time, PSG 15 is also etched by about 50 nm.) Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 16 of about 50 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, and a nitride film (Si 3 N 4 ) 16 is flatly embedded in the stepped portion.
FIG.
Next, an oxide film (SiO 2 ) 17 of about 400 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 18 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal photolithography technique, the nitride film (Si 3 N 4 ) 18 and the oxide film (SiO 2 ) 17 are sequentially subjected to anisotropic dry etching using the first resist (not shown) as a mask layer. (At this stage, a via is opened in a part of the p + -type drain region 43.) Then, using a normal photolithography technique, the mask layer of the first resist (not shown) is left as it is, and the p + A second resist mask layer (not shown) that covers only the via portion of the mold drain region 11 is formed. Next, using the first and second resists (not shown) as a mask layer, the nitride film (Si 3 N 4 ) 16, PSG 15, and nitride film (Si 3 N 4 ) 5 are sequentially subjected to anisotropic dry etching. (Thus, vias are also opened in a part of the p + type source region 42, the n + type source region 9, the n + type drain region 11 and the gate electrode wiring 13.) Next, all resists (not shown) are formed. Remove.
FIG.
Next, TiN19 to be a barrier metal is grown by sputtering. Next, tungsten (W) 20 is grown by chemical vapor deposition. Next, a conductive plug (W) 20 having a barrier metal (TiN) 19 is formed by chemical mechanical polishing (CMP).
FIG.
Next, an interlayer insulating film (SiOC) 21 of about 500 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary photolithography technique, the interlayer insulating film (SiOC) 21 is anisotropically dry-etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. (At this time, the nitride film (Si 3 N 4 ) 18 becomes an etching stopper film.) Next, the resist (not shown) is removed. Next, a barrier metal (TaN) 22 of about 10 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a Cu seed layer is grown by sputtering. Next, Cu of about 500 nm is grown by electrolytic plating. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, Cu is flatly embedded in the opening, and a Cu wiring 23 having a barrier metal (TaN) 22 is formed. Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 24 serving as a Cu barrier insulating film is grown by chemical vapor deposition, and a channel-enclosed low resistance metal having a strained SOI structure is formed by the selective composite epitaxial growth method (SCE) of the present invention. A CMOS type semiconductor comprising a vertical (vertical operation) P-channel MIS field effect transistor having a gate electrode and a lateral (horizontal operation) N-channel MIS field effect transistor having a low-resistance metal gate electrode having a strained SOI structure. Complete the device.

上記実施例の説明においては、シリコン基板にSiGe層による歪みSi層を形成する場合を説明しているが、シリコン基板に格子定数が近い歪み化合物半導体層を形成してもよく、またシリコン基板に限らず、化合物半導体基板に格子定数が近い歪み化合物半導体層を形成してもよい。
また半導体層をエピタキシャル成長させる場合は、化学気相成長によるばかりでなく、分子線成長法(MBE)によっても、有機金属気相成長法(MOCVD)によっても、原子層結晶成長法(ALE)によっても、また他のいかなる結晶成長法を利用してもよい。
また半導体基板に直接形成する縦方向のエピタキシャル半導体層(最終的には素子分離領域の埋め込み絶縁膜となる領域)は、半導体基板にトレンチを設けることにより形成した半導体基板の凸状構造部であってもよい。
またエピタキシャル半導体層の平面形状は直線であっても、曲線であっても、円であっても、矩形であっても、その他の幾何学上の形であっても、また2重であっても3重であってもよいし、一部が分断された形状(例コの字型)でも本願発明は成立する。
またゲート電極、ゲート酸化膜、バリアメタル、導電プラグ、配線、絶縁膜、導電膜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よい。
またゲート電極はAlの一層構造からなっているが、Alの下にバリアメタル(TiN等)を設けた二層構造としてもよい。
また上記実施例の縦型のMIS電界効果トランジスタは歪みSOI基板の上部にドレイン領域を形成し、下部にソース領域を形成しているが、これらを反対にして形成してもよい。
また上記実施例のすべてはエンハンスメント型のMIS電界効果トランジスタを形成する場合について記載しているが、デプリーション型のMIS電界効果トランジスタを形成してもよい。この場合は導電型が反対のエピタキシャル半導体層を成長するか、あるいはエピタキシャル半導体層を成長して後に反対導電型の不純物をイオン注入して導電型を変換したエピタキシャル半導体層を使用して同様構造のMIS電界効果トランジスタを形成すればよい。
In the description of the above embodiment, the case where the strained Si layer is formed by the SiGe layer on the silicon substrate is described. However, a strained compound semiconductor layer having a lattice constant close to that of the silicon substrate may be formed. However, a strained compound semiconductor layer having a lattice constant close to that of the compound semiconductor substrate may be formed.
When epitaxially growing a semiconductor layer, not only by chemical vapor deposition but also by molecular beam growth (MBE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), or atomic layer crystal growth (ALE). Any other crystal growth method may be used.
In addition, the vertical epitaxial semiconductor layer formed directly on the semiconductor substrate (the region that eventually becomes the buried insulating film in the element isolation region) is a convex structure portion of the semiconductor substrate formed by providing a trench in the semiconductor substrate. May be.
The planar shape of the epitaxial semiconductor layer is a straight line, a curved line, a circle, a rectangle, other geometric shapes, or a double shape. The invention of the present application can be established even in a triple shape (eg, a U-shape).
The gate electrode, the gate oxide film, the barrier metal, the conductive plug, the wiring, the insulating film, the conductive film, and the like are not limited to the above embodiments, and any material may be used as long as it has similar characteristics. .
The gate electrode has a single layer structure of Al, but may have a double layer structure in which a barrier metal (TiN or the like) is provided under the Al.
In the vertical MIS field effect transistor of the above embodiment, the drain region is formed in the upper portion of the strained SOI substrate and the source region is formed in the lower portion, but these may be formed in the opposite manner.
In addition, although all of the above embodiments describe the case where an enhancement type MIS field effect transistor is formed, a depletion type MIS field effect transistor may be formed. In this case, an epitaxial semiconductor layer having the opposite conductivity type is grown, or an epitaxial semiconductor layer having a similar structure is formed by growing an epitaxial semiconductor layer and then ion-implanting an impurity of the opposite conductivity type to convert the conductivity type. A MIS field effect transistor may be formed.

本願発明は、特に極めて高速で、高集積なMIS電界効果トランジスタを目指したものではあるが、高速に限らず、MIS電界効果トランジスタを搭載するすべての半導体集積回路に利用することは可能である。
また半導体集積回路ばかりでなく、単体の個別半導体素子としての利用も可能である。
またMIS電界効果トランジスタばかりでなく、他の電界効果トランジスタ、電流駆動素子、光電変換素子等に利用できる可能性がある。
The present invention is particularly aimed at a very high speed and highly integrated MIS field effect transistor, but is not limited to a high speed and can be used for all semiconductor integrated circuits equipped with a MIS field effect transistor.
Moreover, it can be used not only as a semiconductor integrated circuit but also as a single individual semiconductor element.
In addition to the MIS field effect transistor, it may be used for other field effect transistors, current driving elements, photoelectric conversion elements, and the like.

本発明の半導体装置における第1の実施例の模式側断面図Schematic side sectional view of the first embodiment of the semiconductor device of the present invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第1の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of 1st Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第2の実施例の模式側断面図Schematic side sectional view of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の模式側断面図Schematic side sectional view of the third embodiment of the semiconductor device of the present invention 本発明の半導体装置における第4の実施例の模式側断面図Schematic side sectional view of the fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention 本発明の半導体装置における第5の実施例の模式側断面図Schematic side sectional view of the fifth embodiment of the semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 5th Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 5th Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 5th Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 5th Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 5th Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第5の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 5th Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第6の実施例の模式側断面図Schematic side sectional view of the sixth embodiment of the semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置における第7の実施例の模式側断面図Schematic side sectional view of the seventh embodiment of the semiconductor device of the present invention 本発明の半導体装置における第8の実施例の模式側断面図Schematic side sectional view of the eighth embodiment of the semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置における第9の実施例の模式側断面図Schematic side sectional view of the ninth embodiment of the semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置における第10の実施例の模式側断面図Schematic side sectional view of the tenth embodiment of the semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置における第10の実施例のゲート電極配線部の模式側断面図Schematic side sectional view of the gate electrode wiring portion of the tenth embodiment in the semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置における第10の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 10th Example in the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置における第10の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 10th Example in the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置における第10の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 10th Example in the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置における第10の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 10th Example in the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置における第10の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 10th Example in the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置における第10の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 10th Example in the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置における第10の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 10th Example in the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置における第10の実施例の製造方法の工程断面図Process sectional drawing of the manufacturing method of the 10th Example in the semiconductor device of this invention. 従来の半導体装置の模式側断面図Schematic side sectional view of a conventional semiconductor device

符号の説明Explanation of symbols

1 p型のシリコン(Si)基板
2 SOI用兼素子分離領域の酸化膜(SiO2)
3 p型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層
4 素子分離領域用の埋め込み絶縁膜(SiO2)
5 窒化膜(Si3N4)
6 酸化膜(SiO2)
7 p型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層
8 p型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層
9 n+型ソース領域
10 n型ドレイン領域
11 n+型ドレイン領域
12 ゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)
13 ゲート電極(Al)
13a 外側面ゲート電極(Al)
13b 内側面ゲート電極(Al)
14 ゲート電極配線形成用のマスク層(SiO2)
15 燐珪酸ガラス(PSG)膜
16 窒化膜(Si3N4)
17 酸化膜(SiO2)
18 エッチングストッパー膜(Si3N4)
19 バリアメタル(TiN)
20 導電プラグ(W)
21 層間絶縁膜(SiOC)
22 バリアメタル(TaN)
23 Cu配線(Cuシード層含む)
24 バリア絶縁膜(Si3N4)
25 p型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層
26 窒化膜(Si3N4)
27 酸化膜(SiO2)
28 窒化膜(Si3N4)
29 酸化膜(SiO2)
30 下層配線(WSi)
31 絶縁膜(SiO2)
32 p型の横(水平)方向エピタキシャルSi層
33 p型の縦(垂直)方向エピタキシャル歪みSi層
34 p型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層
35 p型の縦(垂直)方向エピタキシャル歪みSi層
36 ダミーゲート酸化膜(SiO2)
37 サイドウォール(SiO2)
38 n型ソース領域
39 ダミーゲート電極(Si3N4)
40 n型の縦(垂直)方向エピタキシャルSiGe層
41 n型の横(水平)方向エピタキシャル歪みSi層
42 p+型ソース領域
43 p+型ドレイン領域
44 p型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層
45 n型の横(水平)方向エピタキジャルSiGe層
46 n型の縦(垂直)方向エピタキシャル歪みSi層
47 バックゲート電極(WSi)
1 p-type silicon (Si) substrate
2 Oxide film for SOI / element isolation region (SiO 2 )
3 p-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer
4 Embedded insulating film (SiO 2 ) for element isolation region
5 Nitride film (Si 3 N 4 )
6 Oxide film (SiO 2 )
7 p-type longitudinal (vertical) epitaxial SiGe layer
8 p-type lateral (horizontal) epitaxial strained Si layer
9 n + type source region
10 n-type drain region
11 n + type drain region
12 Gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 )
13 Gate electrode (Al)
13a External gate electrode (Al)
13b Inner side gate electrode (Al)
14 Mask layer (SiO 2 ) for gate electrode wiring formation
15 Phosphorsilicate glass (PSG) film
16 Nitride film (Si 3 N 4 )
17 Oxide film (SiO 2 )
18 Etching stopper film (Si 3 N 4 )
19 Barrier metal (TiN)
20 Conductive plug (W)
21 Interlayer insulation film (SiOC)
22 Barrier metal (TaN)
23 Cu wiring (including Cu seed layer)
24 Barrier insulation film (Si 3 N 4 )
25 p-type longitudinal (vertical) epitaxial SiGe layer
26 Nitride film (Si 3 N 4 )
27 Oxide film (SiO 2 )
28 Nitride film (Si 3 N 4 )
29 Oxide film (SiO 2 )
30 Lower layer wiring (WSi)
31 Insulating film (SiO 2 )
32 p-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer
33 p-type longitudinal (vertical) epitaxial strained Si layer
34 p-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer
35 p-type longitudinal (vertical) epitaxial strained Si layer
36 Dummy gate oxide film (SiO 2 )
37 Side wall (SiO 2 )
38 n-type source region
39 Dummy gate electrode (Si 3 N 4 )
40 n-type longitudinal (vertical) epitaxial SiGe layer
41 n-type lateral (horizontal) epitaxial strained Si layer
42 p + type source region
43 p + type drain region
44 p-type longitudinal (vertical) epitaxial Si layer
45 n-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer
46 n-type vertical (vertical) epitaxial strained Si layer
47 Back gate electrode (WSi)

Claims (3)

半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に、前記半導体基板の主面に平行方向に、選択的に設けられた第1の横方向のエピタキシャル半導体層と、前記第1の横方向のエピタキシャル半導体層上に、前記半導体基板の主面に垂直方向に、選択的に設けられた縦方向のエピタキシャル半導体層と、前記縦方向のエピタキシャル半導体層の側面の周囲に設けられた、少なくとも前記縦方向のエピタキシャル半導体層と格子定数の異なる第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層と、前記縦方向のエピタキシャル半導体層及び第2の横方向の歪みエピタキジャル半導体層の上部に設けられたドレイン領域(あるいはソース領域)と、前記ドレイン領域(あるいはソース領域)と離間して前記ドレイン領域(あるいはソース領域)に相対して前記縦方向のエピタキシャル半導体層及び前記第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層の下部に設けられたソース領域(あるいはドレイン領域)と、前記縦方向のエピタキシャル半導体層及び前記第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層の下部に設けられたソース領域(あるいはドレイン領域)に接して前記第1の横方向のエピタキシャル半導体層に設けられたソース領域(あるいはドレイン領域)と、前記第2の横方向の歪みエピタキシャル半導体層の側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有してなる縦型(垂直方向動作)のMIS電界効果トランジスタを備えていることを特徴とする半導体装置。A semiconductor substrate, an insulating film provided on the semiconductor substrate, and a first lateral epitaxial semiconductor layer selectively provided on the insulating film in a direction parallel to a main surface of the semiconductor substrate; A vertical epitaxial semiconductor layer selectively provided on the first lateral epitaxial semiconductor layer in a direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate, and around a side surface of the vertical epitaxial semiconductor layer. A second lateral strained epitaxial semiconductor layer having a lattice constant different from that of at least the longitudinal epitaxial semiconductor layer; and an upper portion of the longitudinal epitaxial semiconductor layer and the second lateral strained epitaxial semiconductor layer. The drain region (or source region) provided in the source region and the drain region (or source region) spaced apart from the drain region (or source region) Source region (or drain region) provided below the vertical epitaxial semiconductor layer and the second lateral strained epitaxial semiconductor layer, the vertical epitaxial semiconductor layer, and the second epitaxial semiconductor layer. A source region (or drain region) provided in the first lateral epitaxial semiconductor layer in contact with a source region (or drain region) provided under the two lateral strained epitaxial semiconductor layers; And a vertical (operation in the vertical direction) MIS field effect transistor having a gate electrode provided on a side surface of the laterally strained epitaxial semiconductor layer of 2 via a gate insulating film. Semiconductor device. 前記第1の横方向のエピタキシャル半導体層下面に配線体が設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a wiring body is provided on a lower surface of the first lateral epitaxial semiconductor layer. 半導体基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜に選択的に第1の開孔部を形成し前記半導体基板の上面の一部を露出する工程と、前記第1の開孔部に第1の縦方向エピタキシャル半導体層を形成する工程と、前記第1の縦方向エピタキシャル半導体層の上面に第1のマスク層を形成する工程と、前記第1の絶縁膜の一部を選択的に除去し前記第1の縦方向エピタキシャル半導体層の側面の一部を露出する工程と、露出した前記第1の縦方向エピタキシャル半導体層の側面に第1の横方向エピタキシャル半導体層を形成する工程と、前記第1の横方向エピタキシャル半導体層の上面に第2のマスク層を形成する工程と、前記第1の絶縁膜及び前記第2のマスク層をエッチングマスクとして第1のマスク層及び前記第1の縦方向エピタキシャル半導体層を除去し第2の開孔部を形成する工程と、前記第2の開孔部に第2の絶縁膜を埋め込み且つ第2のマスク層を除去し平坦化する工程と、複数層からなる第3の絶縁膜を形成する工程と、前記第3の絶縁膜に選択的に第3の開孔部を形成し前記第1の横方向エピタキシャル半導体層の上面の一部を露出する工程と、前記第3の開孔部に第2の縦方向エピタキシャル半導体層を形成する工程と、前記第2の縦方向エピタキシャル半導体層の上面に第3のマスク層を形成する工程と、前記第3の絶縁膜の一部を除去し前記第2の縦方向エピタキシャル半導体層の側面の一部を露出する工程と、露出した前記第2の縦方向エピタキシャル半導体層の側面の一部に格子定数が異なる第2の横方向エピタキシャル半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。



Forming a first insulating film on the semiconductor substrate; selectively forming a first opening in the first insulating film to expose a part of the upper surface of the semiconductor substrate; Forming a first vertical epitaxial semiconductor layer in one opening, forming a first mask layer on an upper surface of the first vertical epitaxial semiconductor layer, and forming a first insulating film on the first insulating film; A step of selectively removing a portion to expose a part of the side surface of the first vertical epitaxial semiconductor layer; and a first lateral epitaxial semiconductor layer on the exposed side surface of the first vertical epitaxial semiconductor layer. Forming a second mask layer on the upper surface of the first lateral epitaxial semiconductor layer, and a first mask using the first insulating film and the second mask layer as an etching mask Layer and said first longitudinal Forming a second opening to remove the epitaxial semiconductor layer, a step of the second insulating film is buried and removing the second mask layer planarizing the second opening, a plurality of layers third forming an insulating film, a step of exposing a part of an upper surface of the third insulating film is selectively formed a third opening in the first lateral epitaxial semiconductor layer made of A step of forming a second vertical epitaxial semiconductor layer in the third opening, a step of forming a third mask layer on the top surface of the second vertical epitaxial semiconductor layer, and the third a step of exposing a part of the side surface of the longitudinal epitaxial semiconductor layer, the exposed part to the lattice constant of the side surface of the second longitudinal epitaxial semiconductor layer is different from the part removed of the second insulating film Form a second lateral epitaxial semiconductor layer The method of manufacturing a semiconductor device which comprises a that step.



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