JP6125802B2 - Semiconductor device - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Description

本発明はSOI(本発明においては、広義の Semiconductor On Insulator を意味し、狭義の Silicon On Insulator を意味しない)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型の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 having a structure of SOI (in the present invention, it means a semiconductor on insulator in a broad sense and does not mean a silicon on insulator in a narrow sense). The present invention relates to forming a CMOS type semiconductor integrated circuit composed of N-channel and P-channel MIS field effect transistors with increased mobility of electrons and holes.

図49はCMOSのNOT回路(インバータ)、図50はCMOSの2入力NAND回路、図51はCMOSの2入力NOR回路を示している。図52は従来の半導体装置の模式側断面図で、前記の代表的なロジック回路を形成するために、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(ただし2入力NAND回路及び2入力NOR回路を構成するためには、もう1組必要)、61はp型のSi基板、62はp型のSiGe層、63はn型のSiGe層、64は埋め込みシリコン酸化膜(SiO)、65は素子分離領域(SiO)、66はp型の歪みSi層、67はn型の歪みSi層、68はn型ソース領域、69はn型ソース領域、70はn型ドレイン領域、71はn型ドレイン領域、72はp型ドレイン領域、73はp型ソース領域、74はゲート酸化膜、75はゲート電極、76はサイドウォール、77はPSG膜、78は絶縁膜、79はバリアメタル、80は導電プラグ、81は層間絶縁膜、82はバリアメタル、83はCu配線、84はバリア絶縁膜を示している。
同図においては、p型のシリコン基板61上に積層されたp型のSiGe層62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64(SIMOX法)を介して、素子分離領域(SiO)65により島状に絶縁分離されたp型のSiGe層62上のp型の歪みSi層66からなるp型の歪みSOI基板及びn型化されたSiGe層63上のn型の歪みSi層67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75にセルフアライン形成されたn型ソースドレイン領域(69、70)、サイドウォール76にセルフアライン形成されたn型ソースドレイン領域(68、71)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75にセルフアライン形成されたサイドウォール76にセルフアライン形成されたp型ソースドレイン領域(72、73)からなるPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。さらにn型ソースドレイン領域(68、71)及びp型ソースドレイン領域(72、73)には、それぞれバリアメタル79及び導電ブラグ80を介して、バリアメタル82を有するCu配線83が接続され、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、格子定数を広げられるため、移動度を増すことができ、高速化が可能となる。
しかし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4倍程度の差があるため、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及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタとも歪みSi層を形成しているが、PチャネルのMIS電界効果トランジスタの正孔の移動度を増すSi層の面方位ではNチャネルのMIS電界効果トランジスタの電子の移動度が低下してしまうという欠点もあった。
また特にオン/オフ状態が反対である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共存させるCMOSの場合は、半導体基板を接地電圧にしてもあるいは電源電圧にしても、一方のチャネルのMIS電界効果トランジスタのバックチャネルは常にオフとなるが、他方のチャネルのNIS電界効果トランジスタのバックチャネルは常にオンとなり、余分な電流が流れるばかりでなく、誤動作を引き起こす原因となるため、この点がネックになり、低電力を目標とするSOI構造のCMOS型半導体集積回路を製造することが難しかった。
またCMOS回路の場合は、一対のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタのゲート電極を接続し、同電圧を印加して使用するのが一般的であり、隣接して形成されたそれぞれのゲート電極にゲート電極接続配線を別々に形成し、それらを結線するため、配線の微細化が難しく、高集積化に難があった。
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関す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。
49 shows a CMOS NOT circuit (inverter), FIG. 50 shows a CMOS 2-input NAND circuit, and FIG. 51 shows a CMOS 2-input NOR circuit. FIG. 52 is a schematic side cross-sectional view of a conventional semiconductor device. In order to form the representative logic circuit, an N channel and a P channel having a strained SOI structure formed by using a SIMOX (Separation by Implanted Oxygen) method. A part of a CMOS type semiconductor integrated circuit made up of MIS field effect transistors is shown (however, another pair is required to construct a two-input NAND circuit and a two-input NOR circuit), 61 is a p-type Si substrate , 62 is a p-type SiGe layer, 63 is an n-type SiGe layer, 64 is a buried silicon oxide film (SiO 2 ), 65 is an element isolation region (SiO 2 ), 66 is a p-type strained Si layer, and 67 is n Type strained Si layer, 68 is an n + type source region, 69 is an n type source region, 70 is an n type drain region, 71 is an n + type drain region, 72 is a p + type drain region, 73 is a p + type source region, 74 is a gate oxide film, 75 is a gate electrode, 76 is a side wall, 77 is a PSG film, 78 is an insulating film, 79 is a barrier metal, and 80 is conductive. The plug, 81 is an interlayer insulating film, 82 is a barrier metal, 83 is a Cu wiring, and 84 is a barrier insulating film.
In the figure, an element is introduced through a buried oxide film 64 (SIMOX method) formed by high-temperature heat treatment by implanting oxygen ions into a p-type SiGe layer 62 laminated on a p-type silicon substrate 61. A p-type strained SOI substrate composed of a p-type strained Si layer 66 on a p-type SiGe layer 62 isolated in an island shape by an isolation region (SiO 2 ) 65 and n on the n-type SiGe layer 63. An n-type strained SOI substrate composed of a strain-type strained Si layer 67 is formed. In the p-type strained SOI substrate, n-type source / drain regions (69, 70) self-aligned with the gate electrode 75 are formed on the sidewalls 76. N channel LDD (Lightly Doped Drain) composed of self-aligned n + type source / drain regions (68, 71)
A MIS field effect transistor having a structure is formed, and a P + type source / drain region (72, 73) self-aligned on a sidewall 76 self-aligned on a gate electrode 75 is formed on an n-type strained SOI substrate. A channel MIS field effect transistor is formed. Further, a Cu wiring 83 having a barrier metal 82 is connected to the n + type source / drain region (68, 71) and the p + type source / drain region (72, 73) through a barrier metal 79 and a conductive brag 80, respectively. A desired voltage is applied.
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 the tensile stress caused by the SiGe layer having a large lattice constant, and the lattice constant can be expanded. The speed can be increased and the speed can be increased.
However, since both the N-channel MIS field-effect transistor and the P-channel MIS field-effect transistor are formed on the strained SOI substrate in which the strained Si layer is laminated on the SiGe layer, the mobility of electrons and holes can be improved. Although there is a difference of about 4 times in the mobility of electrons and holes from the beginning, although there is a high speed, there is a disadvantage that the on / off special balance of switching speed is bad. The channel width of the MIS field effect transistor has to be widened, making it difficult to achieve high integration.
Both the N channel MIS field effect transistor and the P channel MIS field effect transistor form a strained Si layer. However, in the plane orientation of the Si layer that increases the mobility of holes in the P channel MIS field effect transistor, the N channel The MIS field effect transistor has a drawback that the electron mobility is lowered.
In particular, in the case of a CMOS in which N-channel and P-channel MIS field effect transistors having opposite on / off states coexist, the MIS field effect of one channel is set regardless of whether the semiconductor substrate is set to the ground voltage or the power supply voltage. The back channel of the transistor is always off, but the back channel of the NIS field-effect transistor of the other channel is always on, causing not only excess current to flow, but also causing malfunctions. Therefore, it has been difficult to manufacture an SOI structure CMOS type semiconductor integrated circuit aiming at low power.
In the case of a CMOS circuit, the gate electrodes of a pair of N-channel and P-channel MIS field effect transistors are generally connected and applied with the same voltage. Since the gate electrode connection wirings are separately formed on the electrodes and connected to each other, it is difficult to miniaturize the wiring and to achieve high integration.
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 related to the repair of crystal defects by oxygen ion implantation in the use of large-diameter wafers of 10 inches to 12 inches, and 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.

特開2012−142492JP2012-142492

本発明が解決しょうとする課題は、従来例に示されるように、
(1)SIMOX法によりSOI構造を形成するため、かなりのコスト高になり、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。
(2)大口径ウエハーにおけるSOI基板の薄膜化の制御性が難しいため、完全空乏化させたSOI基板の形成が難しく、内蔵する多数のMIS電界効果トランジスタの特性の安定性が得られにくかったこと。
(3)SOI構造に形成したMIS電界効果トランジスタのSOI基板下に導電体(半導体基板又は下層配線)が存在した場合、ゲート電極に印加される電圧と異なる電圧が印加された場合(特にオン電圧が印加された場合)、SOI基板底部に生ずる微小なバックチャネルリークを防止できなかったこと。
(4)オン/オフ状態が反対である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共存させるCMOSにおいては、半導体基板を接地電圧にしてもあるいは電源電圧にしても、一方のチャネルのMIS電界効果トランジスタのバックチャネルは常にオフとなるが、他方のチャネルのNIS電界効果トランジスタのバックチャネルは常にオンとなり、余分な電流が流れるばかりでなく、誤動作を引き起こす原因となるため、高信頼なCMOS型半導体集積回路を製造することが難しかったこと。
(5)歪みSi層においては電子と正孔の移動度を増す面方位が異なり、PチャネルのMIS電界効果トランジスタの正孔の移動度を増す面方位ではNチャネルのMIS電界効果トランジスタの電子の移動度が低下してしまい、高速なスイッチング特性を有する高集積なCMOS型半導体集積回路を製造することが難しかったこと。
(6)1対のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタの個々のゲート電極にそれぞれゲート電極接続配線を形成し、それらを結線するため、素子の微細化はできても、配線の微細化が難しく、高集積化に難があったこと。
等の問題が顕著になりつつあり、現状技術により微細な歪みSOI構造のMIS電界効果トランジスタを形成しているだけでは、さらなる高速化、高性能化及び高信頼性が困難になってきたことである。
The problem to be solved by the present invention, as shown in the conventional example,
(1) Since the SOI structure is formed by the SIMOX method, the cost is considerably high, and it can be used only for special purpose products with high added value, and the technology applicable to inexpensive general-purpose products is scarce.
(2) Since it is difficult to control the thinning of the SOI substrate in a large-diameter wafer, it is difficult to form a fully depleted SOI substrate, and it is difficult to obtain stability of characteristics of a large number of built-in MIS field effect transistors. .
(3) When a conductor (semiconductor substrate or lower layer wiring) is present under the SOI substrate of the MIS field effect transistor formed in the SOI structure, when a voltage different from the voltage applied to the gate electrode is applied (particularly the on-voltage) In other words, a minute back channel leak generated at the bottom of the SOI substrate could not be prevented.
(4) In a CMOS in which N-channel and P-channel MIS field effect transistors having opposite on / off states coexist, the MIS field effect of one channel regardless of whether the semiconductor substrate is set to the ground voltage or the power supply voltage. The back channel of the transistor is always off, but the back channel of the NIS field effect transistor of the other channel is always on, causing not only an excessive current to flow but also causing a malfunction. It was difficult to manufacture integrated circuits.
(5) In the strained Si layer, the plane orientation that increases the mobility of electrons and holes is different, and in the plane orientation that increases the mobility of holes in the P-channel MIS field effect transistor, the electron orientation of the N-channel MIS field effect transistor The mobility decreased, and it was difficult to manufacture a highly integrated CMOS semiconductor integrated circuit having high-speed switching characteristics.
(6) Gate electrode connection wirings are formed on the individual gate electrodes of a pair of N-channel and P-channel MIS field effect transistors and connected to each other. It was difficult to achieve high integration.
Such problems are becoming more prominent, and it is difficult to achieve higher speed, higher performance, and higher reliability simply by forming a MIS field effect transistor having a fine strained SOI structure with the current technology. is there.

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、前記絶縁膜上に選択的に設けられた、第1の半導体層を左右から挟んだ第2の半導体層からなる平板構造の下層半導体層と、前記下層半導体層上に設けられた層間絶縁膜及び空孔と、前記層間絶縁膜及び前記空孔上に設けられた、第3の半導体層を左右から挟んだ第4の半導体層からなる平板構造の上層半導体層と、前記第1の半導体層及び前記第3の半導体層の全周囲に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して、前記第1の半導体層及び前記第3の半導体層を包囲する構造に設けられた全周囲等しいゲート長を有する一体化包囲型ゲート電極と、前記一体化包囲型ゲート電極に自己整合して前記第2の半導体層に設けられた一導電型ソースドレイン領域と、前記第1の半導体層に設けられたチャネル領域と、前記一体化包囲型ゲート電極に自己整合して前記第4の半導体層に設けられた反対導電型ソースドレイン領域と、前記第3の半導体層に設けられたチャネル領域と、を備え、少なくとも前記第1の半導体層及び前記第3の半導体層が異なる単体元素半導体からなる本発明の半導体装置によって解決される。
ここで一体化包囲型ゲート電極とは、上下に積層したNチャネルMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極とPチャネルMIS電界効果トランジスタの包囲型ゲート電極が単一の包囲型ゲート電極として、一体化したものである。
The object is to provide a flat plate comprising a semiconductor substrate, an insulating film provided on the semiconductor substrate, and a second semiconductor layer selectively provided on the insulating film and sandwiching the first semiconductor layer from the left and right. a lower semiconductor layer of the structure, the and the lower semiconductor layer interlayer insulating film and the holes provided on, provided on the interlayer insulating film and the pores on the fourth sandwiched from the left and right of the third semiconductor layer An upper semiconductor layer of a flat plate structure composed of the semiconductor layer, a gate insulating film provided all around the first semiconductor layer and the third semiconductor layer, and the first insulating layer through the gate insulating film. An integrated surrounding gate electrode having a gate length all around the same provided in a structure surrounding the semiconductor layer and the third semiconductor layer, and the second semiconductor layer self-aligned with the integrated surrounding gate electrode One conductivity type source / drain region provided in , Said first channel region provided in the semiconductor layer, and opposite conductivity type source drain regions self aligned provided on the fourth semiconductor layer to said integrated encircling gate electrode, said third semiconductor And a channel region provided in the layer, and at least the first semiconductor layer and the third semiconductor layer are solved by the semiconductor device of the present invention made of different single element semiconductors.
Here, the integrated surrounding gate electrode means that the surrounding gate electrode of the N-channel MIS field effect transistor and the surrounding gate electrode of the P-channel MIS field effect transistor which are stacked one above the other are integrated as a single surrounding gate electrode. It is a thing.

以上説明のように本発明によれば、コスト高になるSIMOX法によりSOI基板を形成することなく、通常の安価な半導体基板を使用して、エピタキシャル成長技術を利用して、それぞれ絶縁膜上に積層した単結晶半導体層の下層半導体層(歪みGe層を左右から挟んだ2層構造の歪みGe層/SiGe層)及び上層半導体層(歪みSi層を左右から挟んだSiGe層)からなるSOI基板を設け、それぞれのSOI基板において、SOI基板の一部(歪みGe層あるいは歪みSi層からなるチャネル領域)の周囲にゲート酸化膜を介して一体化(共通化)した包囲型ゲート電極を設け、チャネル領域を形成し、概略残りのSOI基板(2層構造の歪みGe層/SiGe層あるいはSiGe層)にソースドレイン領域を設けた積層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を形成できるため、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、低電力化等が可能である。
またエピタキシャル成長による半導体層の成長時において、エピタキシャル成長半導体層と下地絶縁膜が接触しないように、下地絶縁膜の上面に下地絶縁膜バリア層を設けて、エピタキシャル成長半導体層を形成することにより、下地絶縁膜の影響による部分非晶質化を防止した完全空乏型の単結晶半導体層からなるSOI基板を形成することが可能である。
また下地絶縁膜バリア層上に成長するシリコン窒化膜(Si)の膜厚により、半導体層の膜厚(歪みSi層、歪みGe層及びSiGe層等)を決定できるため、大口径ウエハーによる製造にも対応できる、薄膜の完全空乏型の単結晶半導体層からなるSOI基板を容易に形成することが可能である。
またゲート酸化膜(HfO)を介して設けられたゲート電極(WSi)により半導体層(歪みSi層あるいは歪みGe層からなるチャネル領域)を包囲して形成できるため、SOI構造に特有なバックチャネル効果を改善でき、チャネル以外の電流経路をも遮断でき、ゲート電極(WSi)による完全なチャネル制御が可能であるばかりでなく、4面(上下面及びチャネル幅方向の2側面)にチャネルを形成できるため、表面(上面)の占有面積を増やすことなくチャネル幅を増加できるため、駆動電流を増加させることが可能である。
また容易な製造プロセスにより、それぞれ絶縁膜を介して積層した下層及び上層単結晶半導体層を形成でき、下層半導体層に形成したPチャネルMIS電界効果トランジスタの直上に、上層半導体層に形成したNチャネルMIS電界効果トランジスタを積層して形成できることにより、個々のMIS電界効果トランジスタの表面(上面)の占有面積を要しない微細な表面(上面)の占有面積を持つCMOS回路(インバータ)を形成できることによる微細化を、PチャネルMIS電界効果トランジスタのゲート電極とNチャネルMIS電界効果トランジスタのゲート電極を自己整合して一体化(共通化)した包囲型ゲート電極として形成できることにより、ゲート電極配線の高集積化による微細化を、ほぼ直上に積層したPチャネルMIS電界効果トランジスタ及びNチャネルMIS電界効果トランジスタのドレイン領域を垂直方向に側面接続できることにより配線を高集積化できることによる微細化を達成することが可能である。
また正孔の移動度を大幅に向上できる歪みGe層(正孔の移動度はGe層の場合、Si層の5倍程度、ただしSiGe層の圧縮応力により、正常なGe層よりは若干格子定数が狭められ、移動度も若干低下する)にPチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成でき、電子の移動度を高められる歪みSi層を挟んだSiGe層(SiGe層の引っ張り応力により、格子定数が広げられ、移動度も向上する)にNチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成できるため、他方のMIS電界効果トランジスタの特性に影響されない、極めてバランスの良い高速なCMOSを得ることが可能である。
また完全なSOI構造のCMOS回路(インバータ)を形成できるため、静電気等により半導体基板に発生する高電圧ノイズによる誤作動あるいはCMOS特有のラッチアップ特性を完全に防止することも可能である。
またそれぞれの半導体層(SOI基板)を形成するために必要な、縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層を自己整合して素子分離領域の一部を形成する埋め込み絶縁膜に変換できることによる高信頼性及び高集積化を可能にすることができる。
また微細な、結晶性が極めて良好な半導体層の一部(歪みSi層あるいは歪みGe層からなるチャネル領域)に自己整合して、MIS電界効果トランジスタの構成要素(低濃度及び高濃度のソースドレイン領域、ゲート酸化膜及び一体化包囲型ゲート電極)を微細に形成することも可能である。
また上層及び下層半導体層間に空孔を設けることにより、p型ソース領域(電源線に接続)とn型ソース領域(接地線に接続)間の容量を低減できる(一般に、空気とシリコン酸化膜(SiO)との誘電率の相違で約1/4になる)ことによる高速化を実現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のソースドレイン領域下に直接空孔が存在しないように、空孔を包囲する薄膜のシリコン酸化膜(SiO)を簡単に形成することもでき、電流リーク耐性をより強化することも可能である。
また下層半導体層を歪みのないGe層のみで形成することも可能で、正孔の移動度をさらに増加できるため、PチャネルのMIS電界効果トランジスタのさらなる高速化が実現できる。
また上層半導体層に形成するNチャネルのMIS電界効果トランジスタをメタルソースドレイン領域に形成することも可能で、NチャネルのMIS電界効果トランジスタのソースドレイン領域の抵抗が低減できるため、より高速化が実現できる。
またNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタのドレイン領域をそれぞれ独立して配線層に接続することも可能で、微細なNOT回路(インバータ)以外に2入力NAND回路あるいは2入力NOR回路にも適用できる構成を取れるため、これらを使い分けることにより、極めて高集積なCMOS型半導体集積回路を形成することも可能である。
即ち、高速大容量通信装置、携帯情報端末、車載用機器、各種電子機械機器、宇宙関連機器等に対応可能な大規模半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つ極めて低電力なSOI構造のCMOS型半導体装置を得ることができる。
本発明者は当該技術を絶縁膜上の異種半導体層及び一体化包囲型ゲート電極を持つCMOS(CMOS with Different emiconductor Layer and implified Surrounding ate on Insulator)と命名し、以後この技術をDISSSUG(ディスサッグ)と略称する。
As described above, according to the present invention, an SOI substrate is not formed by the SIMOX method, which increases the cost, and a normal inexpensive semiconductor substrate is used, and each layer is laminated on an insulating film using an epitaxial growth technique. An SOI substrate composed of a lower semiconductor layer (strained Ge layer / SiGe layer having a strained Ge layer sandwiched from the left and right) and an upper semiconductor layer (SiGe layer sandwiching a strained Si layer from the left and right) of the single crystal semiconductor layer Each of the SOI substrates is provided with a surrounding gate electrode integrated (commonized) via a gate oxide film around a part of the SOI substrate (a channel region made of a strained Ge layer or a strained Si layer). A stacked SOI structure in which a source / drain region is provided on a remaining SOI substrate (a strained Ge layer / SiGe layer or SiGe layer having a two-layer structure). N-channel and P-channel MIS field effect transistors can be formed, so that the threshold voltage is reduced by reducing the junction capacitance of the source / drain region (substantially zero), reducing the depletion layer capacitance, improving the breakdown voltage of the source / drain region, and improving the subthreshold characteristics. Reduction, lower power consumption, and the like.
In addition, by forming an epitaxially grown semiconductor layer by providing a base insulating film barrier layer on the upper surface of the base insulating film so that the epitaxially grown semiconductor layer and the base insulating film do not come into contact with each other during the growth of the semiconductor layer by epitaxial growth, the base insulating film is formed. It is possible to form an SOI substrate made of a fully depleted single crystal semiconductor layer in which partial amorphization due to the influence of the above is prevented.
Further, since the thickness of the semiconductor layer (strained Si layer, strained Ge layer, SiGe layer, etc.) can be determined by the thickness of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) grown on the base insulating film barrier layer, a large-diameter wafer It is possible to easily form an SOI substrate made of a thin film fully depleted single crystal semiconductor layer that can be manufactured by the above-described manufacturing method.
In addition, since the gate electrode (WSi) provided through the gate oxide film (HfO 2 ) can be formed so as to surround the semiconductor layer (a channel region made of a strained Si layer or a strained Ge layer), a back channel unique to the SOI structure can be formed. The effect can be improved, current paths other than the channel can be cut off, and the channel can be formed on four sides (upper and lower sides and two sides in the channel width direction) as well as complete channel control by the gate electrode (WSi). Therefore, the channel width can be increased without increasing the area occupied by the surface (upper surface), so that the drive current can be increased.
In addition, the lower and upper single crystal semiconductor layers can be formed through an insulating film by an easy manufacturing process, and the N channel formed in the upper semiconductor layer is directly above the P channel MIS field effect transistor formed in the lower semiconductor layer. Since the MIS field effect transistors can be formed by being stacked, a CMOS circuit (inverter) having a fine surface (upper surface) occupied area that does not require an occupied area of the surface (upper surface) of each MIS field effect transistor can be formed. Can be formed as an enclosed gate electrode in which the gate electrode of the P-channel MIS field effect transistor and the gate electrode of the N-channel MIS field effect transistor are integrated (shared) by self-alignment. P-channel MIS field effect stacked almost directly above Since the drain regions of the transistor and the N-channel MIS field effect transistor can be side-connected in the vertical direction, it is possible to achieve miniaturization because the wiring can be highly integrated.
Strained Ge layer that can greatly improve hole mobility (hole mobility is about 5 times that of Si layer in the case of Ge layer, but the lattice constant is slightly higher than that of normal Ge layer due to compressive stress of SiGe layer) P-channel MIS field-effect transistor can be formed with a slightly reduced mobility, and a SiGe layer sandwiching a strained Si layer that can increase the mobility of electrons (the lattice constant is increased by the tensile stress of the SiGe layer). The N-channel MIS field effect transistor can be formed in such a manner that the mobility is improved), and therefore, it is possible to obtain an extremely well-balanced high-speed CMOS that is not affected by the characteristics of the other MIS field effect transistor.
In addition, since a complete SOI structure CMOS circuit (inverter) can be formed, it is possible to completely prevent malfunction due to high voltage noise generated in a semiconductor substrate due to static electricity or the like or latch-up characteristics peculiar to CMOS.
Further, high reliability by being able to convert the vertical (vertical) direction epitaxial semiconductor layer necessary for forming each semiconductor layer (SOI substrate) into a buried insulating film that forms a part of the element isolation region by self-alignment, and High integration can be achieved.
In addition, it is self-aligned with a part of a fine semiconductor layer having excellent crystallinity (a channel region made of a strained Si layer or a strained Ge layer), and constitutes a component of a MIS field effect transistor (low and high concentration source / drain). It is also possible to finely form the region, the gate oxide film, and the integrated surrounding gate electrode.
In addition, by providing holes between the upper and lower semiconductor layers, the capacitance between the p + type source region (connected to the power supply line) and the n + type source region (connected to the ground line) can be reduced (generally, air and silicon oxide) It is possible to realize a high speed due to the difference in dielectric constant from the film (SiO 2 ).
In addition, a thin silicon oxide film (SiO 2 ) surrounding the vacancies can be easily formed so that the vacancies do not exist directly under the source / drain regions of the N-channel MIS field effect transistor, and the current leakage resistance is further improved. It can also be strengthened.
Further, it is possible to form the lower semiconductor layer only with an unstrained Ge layer, and the hole mobility can be further increased, so that the speed of the P-channel MIS field effect transistor can be further increased.
In addition, an N-channel MIS field effect transistor formed in the upper semiconductor layer can be formed in the metal source / drain region, and the resistance of the source / drain region of the N-channel MIS field effect transistor can be reduced, resulting in higher speed. it can.
In addition, the drain regions of the N-channel and P-channel MIS field effect transistors can be independently connected to the wiring layer, and can be applied to a 2-input NAND circuit or a 2-input NOR circuit in addition to a fine NOT circuit (inverter). Since a possible configuration can be obtained, it is possible to form an extremely highly integrated CMOS type semiconductor integrated circuit by properly using them.
In other words, high-speed, high-reliability, high-performance, and high-speed, capable of manufacturing large-scale semiconductor integrated circuits that can be used for high-speed, large-capacity communication devices, portable information terminals, in-vehicle devices, various electronic mechanical devices, space-related devices, etc. A CMOS semiconductor device having an extremely low power SOI structure having integration can be obtained.
The present inventors named CMOS (CMOS with Di fferent S emiconductor Layer and S implified Su rrounding G ate on Insulator) with a heterologous semiconductor layer and integrally surrounding gate electrode on the art insulating film, hereinafter the technology It is abbreviated as DISSSUG.

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(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the first embodiment of the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 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(チャネル幅方向、チャネル部)Schematic side sectional view of the first embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel width direction, channel portion) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル幅方向、チャネル領域部)Process sectional drawing (channel width direction, channel area | region part) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル幅方向、チャネル領域部)Process sectional drawing (channel width direction, channel area | region part) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル幅方向、チャネル領域部)Process sectional drawing (channel width direction, channel area | region part) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル幅方向、ソース領域部)Process sectional drawing (channel width direction, source region part) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル幅方向、ソース領域部)Process sectional drawing (channel width direction, source region part) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル幅方向、ソース領域部)Process sectional drawing (channel width direction, source region part) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 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(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the third embodiment of the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル幅方向、ソース領域部)Process sectional drawing (channel width direction, source region part) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this invention 本発明の半導体装置における第3の実施例の製造方法の工程断面図(チャネル幅方向、ソース領域部)Process sectional drawing (channel width direction, source region part) of the manufacturing method of the 3rd Example in the semiconductor device of this 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(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the fourth embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 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(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the fifth embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Process sectional drawing (channel length direction) 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(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the sixth embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) 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(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the seventh embodiment in the semiconductor device of the present invention (channel length direction) CMOSのNOT回路(インバータ)CMOS NOT circuit (inverter) CMOSの2入力NAND回路CMOS 2-input NAND circuit CMOSの2入力NOR回路CMOS 2-input NOR circuit 従来の半導体装置の模式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of a conventional semiconductor device (channel length direction)

本願発明は、
(1)Si基板上に複数層からなる絶縁膜及び下地絶縁膜バリア層(TiN)を形成し、選択的に開孔し、Si基板表面から第1の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層を成長させる。
(2)第1の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層の側面の一部から下地絶縁膜バリア層(TiN)上に横(水平)方向エピタキシャルSiGe層(Ge濃度20%程度)を成長させる。
(3)SiGe層を熱酸化させGe濃度を増加(Siを酸化させ、シリコン酸化膜を形成させることによりSi濃度を低下)させたSiGe層(Ge濃度80%程度)とする。
(4)SiGe層(Ge濃度80%程度)上に縦(垂直)方向エピタキシャルGe層(歪みGe層となる)を成長させる。(下層半導体層の形成)
(5)下層半導体層(2層構造の歪みGe層/SiGe層)上を含む全面に複数層からなる層間絶縁膜及び下地絶縁膜バリア層(TiN)を形成し、選択的に開孔し、第1の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層の表面を露出させる。
(6)第1の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層上に第2の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層を成長させる。
(7)第2の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層の側面の一部から下地絶縁膜バリア層(TiN)上に横(水平)方向エピタキシャルSi層を成長させる。(上層半導体層の形成)
(8)上層半導体層(Si層)の一部、層間絶縁膜の一部及び第2及び第1の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層を除去し、開孔部を形成する。
(9)開孔部下の下層半導体層(2層構造の歪みGe層/SiGe層)の一部にp型ソースドレイン領域を形成する。
(10)開孔部に絶縁膜を平坦に埋め込み素子分離領域を形成する。
(11)選択的に素子分離領域の一部を開孔し、上層半導体層(Si層)及び下層半導体層(2層構造の歪みGe層/SiGe層)の側面の一部を露出し、形成された開孔部に導電膜を平坦に埋め込み、側面接続する。
(12)上層半導体層(Si層)上を含む全面に絶縁膜を形成後、上層半導体層(Si層)及び下層半導体層(2層構造の歪みGe層/SiGe層)の一部(チャネル領域に相当する箇所)、直下の各下地絶縁膜バリア層(TiN)及びその周囲の絶縁膜を除去する開孔部を形成する。
(13)露出した下層半導体層(2層構造の歪みGe層/SiGe層)の側面間に横(水平)方向エピタキシャルGe層(歪みGe層)を、上層半導体層の側面間に横(水平)方向エピタキシャルSi層(最終的に歪みSi層となる)を、順次成長する。
(14)チャネル領域形成用の歪みGe層及び歪みSi層の周囲にゲート絶縁膜を介して一体化包囲型ゲート電極を平坦に埋め込む。
(15)一体化包囲型ゲート電極に自己整合して、上層半導体層(Si層)の一部(ソースドレイン領域形成箇所)、直下の下地絶縁膜バリア層(TiN)及び直下の層間絶縁膜の一部を除去する開孔部を形成し、開孔部下の下層半導体層(2層構造の歪みGe層/SiGe層)にp型ソースドレイン領域を形成する。
(16)露出している上層半導体層(Si層)の側面に横(水平)方向エピタキシャルSiGe層(上層半導体層のソースドレイン領域形成箇所、Ge濃度20%程度)を成長させる。
(17)一体化包囲型ゲート電極に自己整合して上層半導体層(SiGe層)にn型ソースドレイン領域を形成する。
(18)一体化包囲型ゲート電極の側壁にサイドウォールを形成後、サイドウォールに自己整合して上層半導体層(SiGe層)にn型ソースドレイン領域を形成する。
(19)配線を形成し、下層半導体層及び上層半導体層にそれぞれ形成したPチャネル及びNチャネルMIS電界効果トランジスタを適宜接続する。
等の技術を使用し、
1)下地絶縁膜バリア層(TiN)を設けたエピタキシャル成長による単結晶半導体層の形成。
2)ソースドレイン領域形成用の不純物のイオン注入後のエピタキシャル成長半導体層の低温化。
3)歪みGe層及び歪みSi層を形成するためのSiGe層中のGe濃度の適正化。
等を考慮して、
Si基板上にシリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を介して、歪みGe層を左右から挟んだ2層構造の歪みGe層/SiGe層(Ge濃度80%程度)からなる下層半導体層が設けられ、さらに直上に薄い絶縁膜及び空孔を介して、歪みSi層を左右から挟んだSiGe層(Ge濃度20%程度)からなる上層半導体層が設けられ、歪みGe層及び歪みSi層の周囲にゲート絶縁膜を介して、包囲する構造に一体化包囲型ゲート電極が設けられ、一体化包囲型ゲート電極に自己整合して、2層構造の歪みGe層/SiGe層(Ge濃度80%程度)には、概略p型ソースドレイン領域)が、SiGe層(Ge濃度20%程度)には、概略n型及びn型ソースドレイン領域が、それぞれ設けられ、歪みGe層及び歪みSi層には、概略チャネル領域が設けられた、積層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高集積なCMOSを構成したものである。
The present invention is
(1) An insulating film consisting of a plurality of layers and a base insulating film barrier layer (TiN) are formed on a Si substrate, selectively opened, and a first vertical (vertical) epitaxial Si layer is grown from the surface of the Si substrate. Let
(2) A lateral (horizontal) direction epitaxial SiGe layer (Ge concentration of about 20%) is grown on a base insulating film barrier layer (TiN) from a part of the side surface of the first longitudinal (vertical) direction epitaxial Si layer.
(3) The SiGe layer is thermally oxidized to increase the Ge concentration (the Si concentration is lowered by oxidizing Si and forming a silicon oxide film) (Ge concentration is about 80%).
(4) A longitudinal (vertical) direction epitaxial Ge layer (which becomes a strained Ge layer) is grown on the SiGe layer (Ge concentration of about 80%). (Formation of lower semiconductor layer)
(5) An interlayer insulating film composed of a plurality of layers and a base insulating film barrier layer (TiN) are formed on the entire surface including the lower semiconductor layer (a strained Ge layer / SiGe layer having a two-layer structure), and selectively opened. The surface of the first longitudinal (vertical) epitaxial Si layer is exposed.
(6) A second longitudinal (vertical) epitaxial Si layer is grown on the first longitudinal (vertical) epitaxial Si layer.
(7) A lateral (horizontal) direction epitaxial Si layer is grown on a part of the side surface of the second longitudinal (vertical) direction epitaxial Si layer on the base insulating film barrier layer (TiN). (Formation of upper semiconductor layer)
(8) A part of the upper semiconductor layer (Si layer), a part of the interlayer insulating film, and the second and first longitudinal (vertical) epitaxial Si layers are removed to form an opening.
(9) A p + -type source / drain region is formed in a part of the lower semiconductor layer (a strained Ge layer / SiGe layer having a two-layer structure) under the opening.
(10) An element isolation region is formed by filling the opening with a flat insulating film.
(11) A part of the element isolation region is selectively opened, and part of the side surfaces of the upper semiconductor layer (Si layer) and the lower semiconductor layer (two-layer strained Ge layer / SiGe layer) are exposed and formed. The conductive film is flatly embedded in the opened hole, and side connection is performed.
(12) After forming an insulating film on the entire surface including the upper semiconductor layer (Si layer), a part of the upper semiconductor layer (Si layer) and the lower semiconductor layer (two-layer strained Ge layer / SiGe layer) (channel region) And a hole portion for removing each underlying insulating film barrier layer (TiN) and its surrounding insulating film immediately below.
(13) A lateral (horizontal) direction epitaxial Ge layer (strained Ge layer) is disposed between the side surfaces of the exposed lower semiconductor layer (strained Ge layer / SiGe layer having a two-layer structure), and a lateral (horizontal) region is disposed between the side surfaces of the upper semiconductor layer. Directional epitaxial Si layers (which eventually become strained Si layers) are grown sequentially.
(14) A monolithic surrounding gate electrode is embedded flatly around the strained Ge layer and strained Si layer for forming the channel region via a gate insulating film.
(15) A part of the upper semiconductor layer (Si layer) (source / drain region forming portion), a base insulating film barrier layer (TiN) directly below, and an interlayer insulating film directly below the self-aligned gate electrode An opening part for removing a part is formed, and a p + type source / drain region is formed in a lower semiconductor layer (a strained Ge layer / SiGe layer having a two-layer structure) below the opening part.
(16) A lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer (a source / drain region forming portion of the upper semiconductor layer, Ge concentration of about 20%) is grown on the side surface of the exposed upper semiconductor layer (Si layer).
(17) An n-type source / drain region is formed in the upper semiconductor layer (SiGe layer) in a self-aligned manner with the integrated surrounding gate electrode.
(18) After forming a sidewall on the side wall of the integral surrounding gate electrode, an n + type source / drain region is formed in the upper semiconductor layer (SiGe layer) in a self-aligned manner with the sidewall.
(19) A wiring is formed, and P-channel and N-channel MIS field effect transistors formed in the lower semiconductor layer and the upper semiconductor layer, respectively, are appropriately connected.
Using technology such as
1) Formation of a single crystal semiconductor layer by epitaxial growth provided with a base insulating film barrier layer (TiN).
2) Lowering the temperature of the epitaxially grown semiconductor layer after ion implantation of impurities for forming the source / drain region.
3) Optimization of the Ge concentration in the SiGe layer for forming the strained Ge layer and the strained Si layer.
Etc.
A lower semiconductor layer composed of a strained Ge layer / SiGe layer (Ge concentration of about 80%) having a two-layer structure in which a strained Ge layer is sandwiched from the left and right is provided on a Si substrate via a silicon nitride film and a silicon oxide film. An upper semiconductor layer composed of a SiGe layer (Ge concentration of about 20%) sandwiching the strained Si layer from the left and right is provided via a thin insulating film and a hole directly above, and gate insulation is provided around the strained Ge layer and the strained Si layer. Through the film, an integrated surrounding gate electrode is provided in the surrounding structure, and is self-aligned with the integrated surrounding gate electrode to form a strained Ge layer / SiGe layer (Ge concentration of about 80%) in a two-layer structure. , Approximately p + -type source / drain regions) are provided in the SiGe layer (Ge concentration of about 20%), respectively, and approximately n-type and n + -type source / drain regions are provided, respectively. Cha Le region is provided, which is constituted of the highly integrated CMOS consisting of N-channel and P-channel MIS field effect transistor of the stacked SOI structure.

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、配線は若干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〜図32は本発明の半導体装置における第1の実施例で、図1は模式側断面図(チャネル長方向)、図2は模式側断面図(チャネル幅方向、チャネル領域部)、図3〜図32は製造方法の工程断面図である。
図1及び図2はシリコン(Si)基板を使用し、DISSSUG構造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を含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1は1015cm−3程度のp型のシリコン(Si)基板、2は100nm程度のシリコン窒化膜(Si)、3は80nm程度のシリコン酸化膜(SiO)、4は20nm程度の下地絶縁膜バリア層(TiN)、5は80nm程度の素子分離領域のシリコン窒化膜(Si)、6は膜厚15nm程度、濃度1017cm−3程度のn型のエピタキシャルSiGe層(Ge濃度80%程度、ソースドレイン領域形成部)、7は膜厚45nm程度、濃度1017cm−3程度のn型のエピタキシャル歪みGe層(ソースドレイン領域形成部)、8は膜厚60nm程度、濃度1017cm−3程度のn型のエピタキシャル歪みGe層(チャネル領域形成部)、9は10nm程度のシリコン窒化膜(Si)、10は5nm程度のゲート酸化膜(HfO)、11はゲート長30nm程度、膜厚100nm程度の一体化包囲型ゲート電極(WSi)、12は1020cm−3程度のp型ソース領域、13は1020cm−3程度のp型ドレイン領域、14は70nm程度のシリコン酸化膜(SiO)、15は80nm程度(一部厚膜部含む)の素子分離領域のシリコン窒化膜(Si)、16は埋め込み導電膜(WSi、側面接続用)、17は空孔、18は膜厚60nm程度、濃度1017cm−3程度のp型のエピタキシャルSiGe層(Ge濃度20%程度、ソースドレイン領域形成部)、19は膜厚60nm程度、濃度1017cm−3程度のp型のエピタキシャル歪みSi層(チャネル領域形成部)、20は1020cm−3程度のn型ソース領域、21は5×1017cm−3程度のn型ソース領域、22は5×1017cm−3程度のn型ドレイン領域、23は1020cm−3程度のn型ドレイン領域、24は20nm程度のサイドウォール(SiO)、25は300nm程度の燐珪酸ガラス(PSG)膜、26は20nm程度のシリコン窒化膜(Si)、27は10nm程度のバリアメタル(TiN)、28は導電プラグ(W)、29は500nm程度の絶縁膜(SiOC)、30は10nm程度のバリアメタル(TaN)、31は500nm程度のCu配線(Cuシード層含む)、32は20nm程度のバリア絶縁膜(Si)を示している。
Hereinafter, the present invention will be described in detail 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 sectional view are shown only on the main insulating film, and the wiring is drawn with a slight back-and-forth displacement, and the horizontal and vertical sizes are accurate to show the main part of the invention. The dimensions are not shown.
1 to 32 show a first embodiment of the semiconductor device according to the present invention. FIG. 1 is a schematic side sectional view (channel length direction), and FIG. 2 is a schematic side sectional view (channel width direction, channel region portion). 3 to 32 are process sectional views of the manufacturing method.
1 and 2 show a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel and P-channel MIS field-effect transistor formed on a DISSSUG structure using a silicon (Si) substrate. A p-type silicon (Si) substrate of about 10 15 cm −3 , 2 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 100 nm, 3 is a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 80 nm, and 4 is a base of about 20 nm An insulating film barrier layer (TiN), 5 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) in an element isolation region of about 80 nm, 6 is an n-type epitaxial SiGe layer (Ge) having a thickness of about 15 nm and a concentration of about 10 17 cm −3. N is an n-type epitaxial strain G having a film thickness of about 45 nm and a concentration of about 10 17 cm −3. An e layer (source / drain region forming portion), 8 is an n-type epitaxial strained Ge layer (channel region forming portion) having a film thickness of about 60 nm and a concentration of about 10 17 cm −3 , and 9 is a silicon nitride film (Si 3 ) having a thickness of about 10 nm. N 4 ), 10 is a gate oxide film (HfO 2 ) having a thickness of about 5 nm, 11 is an integrated surrounding gate electrode (WSi) having a gate length of about 30 nm and a film thickness of about 100 nm, and 12 is a p + of about 10 20 cm −3. Type source region, 13 is a p + type drain region of about 10 20 cm −3 , 14 is a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 70 nm, and 15 is a silicon in an element isolation region of about 80 nm (including a part of the thick film part). nitride film (Si 3 N 4), 16 is embedded conductive film (WSi, for side connection), 17 holes, 18 thickness of about 60 nm, the concentration 10 17 cm -3 of about p-type d Takisharu SiGe layer (Ge concentration of 20% of the source drain region formation unit), 19 the film thickness 60nm approximately, concentration 10 17 cm -3 of about p-type epitaxial strained Si layer (channel region forming part) 20 10 20 n + -type source region of about cm −3 , 21 is an n-type source region of about 5 × 10 17 cm −3 , 22 is an n-type drain region of about 5 × 10 17 cm −3 , and 23 is 10 20 cm −3. N + -type drain region, 24 is a sidewall (SiO 2 ) of about 20 nm, 25 is a phosphosilicate glass (PSG) film of about 300 nm, 26 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 20 nm, 27 is Barrier metal (TiN) of about 10 nm, 28 is a conductive plug (W), 29 is an insulating film (SiOC) of about 500 nm, and 30 is a barrier metal of about 10 nm. (TaN), 31 is a Cu wiring (including a Cu seed layer) of about 500 nm, and 32 is a barrier insulating film (Si 3 N 4 ) of about 20 nm.

図1(チャネル長方向)においては、p型のシリコン基板1上にシリコン窒化膜(Si)2が設けられ、シリコン窒化膜(Si)2上には、選択的にシリコン酸化膜(SiO)3が設けられ、シリコン酸化膜(SiO)3上には、選択的に下地絶縁膜バリア層(TiN)4が設けられ、下地絶縁膜バリア層(TiN)4上には、n型の一対の2層構造からなるSiGe層6及び歪みGe層7が設けられ、一対のSiGe層6及び歪みGe層7の対向する側面間にn型の歪みGe層8が挟まれて設けられている構造からなる下層半導体層(6、7、8)が設けられ、歪みGe層7上の一部には、シリコン窒化膜(Si)9を介して空孔17が設けられ、空孔上には、p型の一対のSiGe層18が設けられ、一対のSiGe層18の対向する側面間にp型の歪みSi層19が挟まれて設けられている構造からなる上層半導体層(18、19)が設けられ、下層半導体層(6、7、8)及び上層半導体層(18、19)は素子分離領域のシリコン窒化膜(Si)(5、15)によりそれぞれ島状に絶縁分離されている。また垂直方向に一致する歪みGe層8及びSi層19の周囲には、それぞれゲート酸化膜(HfO)10を介して一体化包囲型ゲート電極(WSi)11がシリコン窒化膜(Si)2上に設けられ、一体化包囲型ゲート電極11の上面部の側壁にはゲート酸化膜(HfO)10を介してサイドウォール(SiO)24が設けられ、SiGe層6及び歪みGe層7には、概略p型ソースドレイン領域(12、13)が設けられ、歪みGe層8には、概略チャネル領域が設けられている(実際にはp型ソースドレイン領域(12、13)が若干横方向拡散されている)PチャネルのMIS電界効果トランジスタが下層半導体層(6、7、8)に形成されており、一方SiGe層18には、概略n型ソースドレイン領域(21、22)及びn型ソースドレイン領域(20、23)が設けられ、歪みSi層19には、概略チャネル領域が設けられている(実際にはn型ソースドレイン領域(21、22)が若干横方向拡散されている)LDD構造からなるNチャネルのMIS電界効果トランジスタが上層半導体層(18、19)に形成されている。またp型ドレイン領域13及びn型ドレイン領域23は埋め込み導電膜(WSi)16により側面接続されており、埋め込み導電膜(WSi)16、p型ソース領域12及びn型ソース領域20には、それぞれバリアメタル(TiN)27を有する導電プラグ(W)28を介してバリアメタル(TaN)30を有するCu配線31が接続されている。 In FIG. 1 (channel length direction), a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 2 is provided on a p-type silicon substrate 1, and silicon is selectively formed on the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 2. An oxide film (SiO 2 ) 3 is provided, a base insulating film barrier layer (TiN) 4 is selectively provided on the silicon oxide film (SiO 2 ) 3, and a base insulating film barrier layer (TiN) 4 is provided. Is provided with a pair of n-type SiGe layer 6 and strained Ge layer 7, and n-type strained Ge layer 8 is sandwiched between the opposing side surfaces of the pair of SiGe layer 6 and strained Ge layer 7. The lower semiconductor layer (6, 7, 8) having the structure provided is provided, and a hole 17 is formed in a part on the strained Ge layer 7 through a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 9. A pair of p-type SiGe layers 18 are provided on the holes, An upper semiconductor layer (18, 19) having a structure in which a p-type strained Si layer 19 is sandwiched between the opposing side surfaces of the pair of SiGe layers 18 is provided, and the lower semiconductor layers (6, 7, 8) are provided. ) And the upper semiconductor layers (18, 19) are insulated and isolated in an island shape by silicon nitride films (Si 3 N 4 ) (5, 15) in the element isolation region. Further, around the strained Ge layer 8 and the Si layer 19 that coincide with each other in the vertical direction, an integrated enclosed gate electrode (WSi) 11 is formed through a gate oxide film (HfO 2 ) 10 and a silicon nitride film (Si 3 N 4). ) 2 and a side wall (SiO 2 ) 24 is provided on the side wall of the upper surface portion of the integral surrounding gate electrode 11 via a gate oxide film (HfO 2 ) 10, and the SiGe layer 6 and the strained Ge layer 7 is provided with an approximately p + type source / drain region (12, 13), and the strained Ge layer 8 is provided with an approximate channel region (actually, the p + type source / drain region (12, 13). P-channel MIS field effect transistors are formed in the lower semiconductor layers (6, 7, 8), while the SiGe layer 18 has a substantially n-type source / drain region ( 1, 22) and n + -type source and drain regions (20, 23) is provided, on the strained Si layer 19 is a schematic channel region is provided (actually a n-type source drain region (21, 22) An N-channel MIS field effect transistor having an LDD structure (which is slightly diffused in the lateral direction) is formed in the upper semiconductor layers (18, 19). The p + -type drain region 13 and the n + -type drain region 23 are connected to each other by a buried conductive film (WSi) 16, and the buried conductive film (WSi) 16, the p + -type source region 12, and the n + -type source region 20. The Cu wiring 31 having the barrier metal (TaN) 30 is connected to each via the conductive plug (W) 28 having the barrier metal (TiN) 27.

図2(チャネル幅方向、チャネル領域部)においては、p型のシリコン基板1上にシリコン窒化膜(Si)2が設けられ、シリコン窒化膜(Si)2上には、それぞれゲート酸化膜(SiO)10を介して一体化包囲型ゲート電極(WSi)11により周囲を包囲されている歪みGe層8(下層半導体層の一部)及び歪みSi層19(上層半導体層の一部)が設けられており、一体化包囲型ゲート電極11には、バリアメタル(TiN)27を有する導電プラグ(W)28を介してバリアメタル(TaN)30を有するCu配線31が接続されている。 Figure 2 (channel width direction, the channel region portion) in the silicon nitride film (Si 3 N 4) 2 is provided on the silicon substrate 1 of p-type, on the silicon nitride film (Si 3 N 4) 2 is A strained Ge layer 8 (a part of the lower semiconductor layer) and a strained Si layer 19 (upper semiconductor layer) each surrounded by a monolithic surrounding gate electrode (WSi) 11 via a gate oxide film (SiO 2 ) 10. A Cu wiring 31 having a barrier metal (TaN) 30 is connected to the integrated surrounding gate electrode 11 via a conductive plug (W) 28 having a barrier metal (TiN) 27. Has been.

したがって、通常の安価な半導体基板を使用して、エピタキシャル成長技術を利用して(製造方法については別途詳述)それぞれ絶縁膜上に積層した単結晶半導体層の下層半導体層(歪みGe層を左右から挟んだ2層構造の歪みGe層/SiGe層)及び上層半導体層(歪みSi層を左右から挟んだSiGe層)からなるSOI基板を設け、それぞれのSOI基板において、SOI基板の一部(歪みGe層あるいは歪みSi層からなるチャネル領域)の周囲にゲート酸化膜を介して一体化(共通化)した包囲型ゲート電極を設け、チャネル領域を形成し、概略残りのSOI基板(2層構造の歪みGe層/SiGe層あるいはSiGe層)にソースドレイン領域を設けた積層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を形成できるため、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、低電力化等が可能である。
またエピタキシャル成長による半導体層の成長時において、エピタキシャル成長半導体層と下地絶縁膜が接触しないように、下地絶縁膜の上面に下地絶縁膜バリア層を設けて、エピタキシャル成長半導体層を形成することにより、下地絶縁膜の影響による部分非晶質化を防止した完全空乏型の単結晶半導体層からなるSOI基板を形成することが可能である。
また下地絶縁膜バリア層上に成長するシリコン窒化膜(Si)の膜厚により、半導体層の膜厚(歪みSi層、歪みGe層及びSiGe層等)を決定できるため、大口径ウエハーによる製造にも対応できる、薄膜の完全空乏型の単結晶半導体層からなるSOI基板を容易に形成することが可能である。
またゲート酸化膜(HfO)を介して設けられたゲート電極(WSi)により半導体層(歪みSi層あるいは歪みGe層からなるチャネル領域)を包囲して形成できるため、SOI構造に特有なバックチャネル効果を改善でき、チャネル以外の電流経路をも遮断でき、ゲート電極(WSi)による完全なチャネル制御が可能であるばかりでなく、4面(上下面及びチャネル幅方向の2側面)にチャネルを形成できるため、表面(上面)の占有面積を増やすことなくチャネル幅を増加できるため、駆動電流を増加させることが可能である。
また容易な製造プロセスにより、それぞれ絶縁膜を介して積層した下層及び上層の単結晶半導体層を形成でき、下層半導体層に形成したPチャネルMIS電界効果トランジスタの直上に、上層半導体層に形成したNチャネルMIS電界効果トランジスタを積層して形成できることにより、個々のMIS電界効果トランジスタの表面(上面)の占有面積を要しない微細な表面(上面)の占有面積を持つCMOS回路(インバータ)を形成できることによる微細化を、PチャネルMIS電界効果トランジスタのゲート電極とNチャネルMIS電界効果トランジスタのゲート電極を自己整合して一体化(共通化)した包囲型ゲート電極として形成できることにより、ゲート電極配線の高集積化による微細化を、ほぼ直上に積層したPチャネルMIS電界効果トランジスタ及びNチャネルMIS電界効果トランジスタのドレイン領域を垂直方向に側面接続できることにより配線を高集積化できることによる微細化を達成することが可能である。
また正孔の移動度を大幅に向上できる歪みGe層(正孔の移動度はGe層の場合、Si層の5倍程度、ただしSiGe層の圧縮応力により、正常なGe層よりは若干格子定数が狭められ、移動度も若干低下する)にPチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成でき、電子の移動度を高められる歪みSi層を挟んだSiGe層(SiGe層の引っ張り応力により、格子定数が広げられ、移動度も向上する)にNチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成できるため、他方のMIS電界効果トランジスタの特性に影響されない、極めてバランスの良い高速なCMOSを得ることが可能である。
また完全なSOI構造のCMOS回路(インバータ)を形成できるため、静電気等により半導体基板に発生する高電圧ノイズによる誤作動あるいはCMOS特有のラッチアップ特性を完全に防止することも可能である。
またそれぞれの半導体層(SOI基板)を形成するために必要な、縦(垂直)方向エピタキシャル半導体層を自己整合して素子分離領域の一部を形成する埋め込み絶縁膜に変換できることによる高信頼性及び高集積化を可能にすることができる。
また微細な、結晶性が極めて良好な半導体層の一部(歪みSi層あるいは歪みGe層からなるチャネル領域)に自己整合して、MIS電界効果トランジスタの構成要素(低濃度及び高濃度のソースドレイン領域、ゲート酸化膜及び一体化包囲型ゲート電極)を微細に形成することも可能である。
また上層及び下層半導体層間に空孔を設けることにより、p型ソース領域(電源線に接続)とn型ソース領域(接地線に接続)間の容量を低減できる(一般に、空気とシリコン酸化膜(SiO)との誘電率の相違で約1/4になる)ことによる高速化を実現することが可能である。
即ち、高速大容量通信装置、携帯情報端末、車載用機器、各種電子機械機器、宇宙関連機器等に対応可能な大規模半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つ極めて低電力なSOI構造のCMOS型半導体装置を得ることができる。
Therefore, using an ordinary inexpensive semiconductor substrate and utilizing epitaxial growth technology (the manufacturing method will be described in detail separately), the lower semiconductor layer (single-Ge layer from the left and right) of each single crystal semiconductor layer stacked on the insulating film An SOI substrate composed of a sandwiched two-layer strained Ge layer / SiGe layer) and an upper semiconductor layer (SiGe layer sandwiching the strained Si layer from the left and right) is provided, and each SOI substrate includes a part of the SOI substrate (strained Ge layer). A surrounding gate electrode integrated (commonized) via a gate oxide film is provided around a channel region or a channel region made of a strained Si layer) to form a channel region, and a rough remaining SOI substrate (a strain of a two-layer structure) N-channel and P-channel MIS field effect transistors having a stacked SOI structure in which a source / drain region is provided in a Ge layer / SiGe layer or SiGe layer) Since it can be formed, the junction capacitance of the source / drain region 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 subthreshold characteristics can be reduced, thereby reducing the threshold voltage and reducing the power consumption. .
In addition, by forming an epitaxially grown semiconductor layer by providing a base insulating film barrier layer on the upper surface of the base insulating film so that the epitaxially grown semiconductor layer and the base insulating film do not come into contact with each other during the growth of the semiconductor layer by epitaxial growth, the base insulating film is formed. It is possible to form an SOI substrate made of a fully depleted single crystal semiconductor layer in which partial amorphization due to the influence of the above is prevented.
Further, since the thickness of the semiconductor layer (strained Si layer, strained Ge layer, SiGe layer, etc.) can be determined by the thickness of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) grown on the base insulating film barrier layer, a large-diameter wafer It is possible to easily form an SOI substrate made of a thin film fully depleted single crystal semiconductor layer that can be manufactured by the above-described manufacturing method.
In addition, since the gate electrode (WSi) provided through the gate oxide film (HfO 2 ) can be formed so as to surround the semiconductor layer (a channel region made of a strained Si layer or a strained Ge layer), a back channel unique to the SOI structure can be formed. The effect can be improved, current paths other than the channel can be cut off, and the channel can be formed on four sides (upper and lower sides and two sides in the channel width direction) as well as complete channel control by the gate electrode (WSi). Therefore, the channel width can be increased without increasing the area occupied by the surface (upper surface), so that the drive current can be increased.
In addition, by a simple manufacturing process, a single crystal semiconductor layer of a lower layer and an upper layer stacked via an insulating film can be formed, and N formed in the upper semiconductor layer is directly above the P-channel MIS field effect transistor formed in the lower semiconductor layer. Since channel MIS field effect transistors can be formed by being stacked, a CMOS circuit (inverter) having a fine surface (upper surface) occupation area that does not require an area occupied by the surface (upper surface) of each MIS field effect transistor can be formed. Miniaturization can be formed as an enclosed gate electrode in which the gate electrode of the P-channel MIS field effect transistor and the gate electrode of the N-channel MIS field effect transistor are integrated (shared) by self-alignment, thereby allowing high integration of gate electrode wiring. P-channel MIS electric field effect layered almost immediately above Since the drain regions of the fruit transistor and the N-channel MIS field effect transistor can be connected to the side surfaces in the vertical direction, it is possible to achieve miniaturization because the wiring can be highly integrated.
Strained Ge layer that can greatly improve hole mobility (hole mobility is about 5 times that of Si layer in the case of Ge layer, but the lattice constant is slightly higher than that of normal Ge layer due to compressive stress of SiGe layer) P-channel MIS field-effect transistor can be formed with a slightly reduced mobility, and a SiGe layer sandwiching a strained Si layer that can increase the mobility of electrons (the lattice constant is increased by the tensile stress of the SiGe layer). The N-channel MIS field effect transistor can be formed in such a manner that the mobility is improved), and therefore, it is possible to obtain an extremely well-balanced high-speed CMOS that is not affected by the characteristics of the other MIS field effect transistor.
In addition, since a complete SOI structure CMOS circuit (inverter) can be formed, it is possible to completely prevent malfunction due to high voltage noise generated in a semiconductor substrate due to static electricity or the like or latch-up characteristics peculiar to CMOS.
Further, high reliability by being able to convert the vertical (vertical) direction epitaxial semiconductor layer necessary for forming each semiconductor layer (SOI substrate) into a buried insulating film that forms a part of the element isolation region by self-alignment, and High integration can be achieved.
In addition, it is self-aligned with a part of a fine semiconductor layer having excellent crystallinity (a channel region made of a strained Si layer or a strained Ge layer), and constitutes a component of a MIS field effect transistor (low and high concentration source / drain). It is also possible to finely form the region, the gate oxide film, and the integrated surrounding gate electrode.
In addition, by providing holes between the upper and lower semiconductor layers, the capacitance between the p + type source region (connected to the power supply line) and the n + type source region (connected to the ground line) can be reduced (generally, air and silicon oxide) It is possible to realize a high speed due to the difference in dielectric constant from the film (SiO 2 ).
In other words, high-speed, high-reliability, high-performance, and high-speed, capable of manufacturing large-scale semiconductor integrated circuits that can be used for high-speed, large-capacity communication devices, portable information terminals, in-vehicle devices, various electronic mechanical devices, space-related devices, etc. A CMOS semiconductor device having an extremely low power SOI structure having integration 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1〜図32を参照し、チャネル長方向を示す模式側断面図を用いて説明するが、主要な工程においては、チャネル幅方向を示す模式側断面図も適宜追加して説明する。(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。   Next, the manufacturing method of the first embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 32 using schematic side sectional views showing the channel length direction. A schematic side cross-sectional view showing directions will also be described as appropriate. (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.

図3(チャネル長方向)
化学気相成長により、p型のシリコン基板1上にシリコン窒化膜(Si)2を100nm程度成長する。次いで化学気相成長により、80nm程度のシリコン酸化膜(SiO)3を成長する。次いで化学気相成長により、20nm程度の下地絶縁膜バリア層(TiN)4を成長する。次いで化学気相成長により、エピタキシャル半導体層膜厚規定用絶縁膜となるシリコン窒化膜(Si)33を60nm程度成長する。次いで露光描画装置による通常の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、シリコン窒化膜(Si)33、下地絶縁膜バリア層(TiN)4、シリコン酸化膜(SiO)3及びシリコン窒化膜(Si)2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。
Figure 3 (channel length direction)
A silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 2 is grown on the p-type silicon substrate 1 by about 100 nm by chemical vapor deposition. Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 3 of about 80 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a base insulating film barrier layer (TiN) 4 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 33 serving as an insulating film for defining the epitaxial semiconductor layer thickness is grown by about 60 nm by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, using a resist (not shown) as a mask layer, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 33, a base insulating film barrier layer (TiN) 4, a silicon oxide film (SiO 2) 2 ) 3 and silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 2 are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form openings. Next, the resist (not shown) is removed.

図4(チャネル長方向)
次いで露出したp型のシリコン基板1上にn型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層34を成長する。次いで化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing 以後CMPと略称)し、シリコン窒化膜(Si)33の平坦面より突出したエピタキシャルSi層34を平坦化する。次いで選択化学気相成長法によりエピタキシャルSi層34上に30nm程度のタングステン膜35を成長する。
Fig. 4 (channel length direction)
Next, an n-type longitudinal (vertical) epitaxial Si layer 34 is grown on the exposed p-type silicon substrate 1. Next, chemical mechanical polishing (hereinafter abbreviated as CMP) is performed to planarize the epitaxial Si layer 34 protruding from the flat surface of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 33. Next, a tungsten film 35 of about 30 nm is grown on the epitaxial Si layer 34 by selective chemical vapor deposition.

図5(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常の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、シリコン窒化膜(Si)33を異方性ドライエッチングし、エピタキシャルSi層34の一部側面及び下地絶縁膜バリア層(TiN)4の上面を露出する開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
Figure 5 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 33 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer, and a partial side surface of the epitaxial Si layer 34 And an opening that exposes the upper surface of the underlying insulating film barrier layer (TiN) 4 is formed. Next, the resist (not shown) is removed.

図6(チャネル長方向)
次いで露出したエピタキシャルSi層34の側面から下地絶縁膜バリア層(TiN)4上にn型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層(Ge濃度20%程度)36を成長し、シリコン窒化膜(Si)33の開孔部を埋め込む。ここで成長したエピタキシャルSiGe層36は下地絶縁膜バリア層(TiN)4により下地のシリコン酸化膜(SiO)3の影響を受けない完全な単結晶半導体層となる。(この下地絶縁膜バリア層(TiN)4がないと下地のシリコン酸化膜(SiO)3の影響を受け一部が非晶質化した半導体層となってしまい、ソースドレイン領域間に微少な電流リークを生じる原因となる。ただしこの下地絶縁膜バリア層(TiN)は半導体層をエピタキシャル成長する際に存在していれば良く、半導体層成長後に除去されても成長した単結晶半導体層には何ら問題はない。後述するが、完成図においては、上層半導体層下には下地絶縁膜バリア層(TiN)は除去され、存在していない。)
Fig. 6 (channel length direction)
Next, an n-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer (Ge concentration of about 20%) 36 is grown on the underlying insulating film barrier layer (TiN) 4 from the exposed side surface of the epitaxial Si layer 34, and a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 33 holes are embedded. The epitaxial SiGe layer 36 grown here becomes a complete single crystal semiconductor layer that is not affected by the underlying silicon oxide film (SiO 2 ) 3 by the underlying insulating film barrier layer (TiN) 4. (Without this underlying insulating film barrier layer (TiN) 4, a part of the semiconductor layer becomes amorphous due to the influence of the underlying silicon oxide film (SiO 2 ) 3, and a minute amount is formed between the source and drain regions. However, this underlying insulating film barrier layer (TiN) may be present when the semiconductor layer is epitaxially grown, and even if it is removed after the growth of the semiconductor layer, the grown single crystal semiconductor layer has no problem. (There is no problem. As will be described later, in the completed drawing, the base insulating film barrier layer (TiN) is removed and does not exist under the upper semiconductor layer.)

図7(チャネル長方向)
次いでSiGe層36の表面を1000℃程度で酸化し、90nm程度のシリコン酸化膜(SiO)(図示せず)を成長する。この際、Geはシリコン酸化膜中には拡散しないため、15nm程度の膜厚に残されたSiGe層はGe濃度80%程度のSiGe層6となる。次いでSiGe層6上のシリコン酸化膜(SiO)(図示せず)をエッチング除去する。
Fig. 7 (channel length direction)
Next, the surface of the SiGe layer 36 is oxidized at about 1000 ° C. to grow a silicon oxide film (SiO 2 ) (not shown) of about 90 nm. At this time, since Ge does not diffuse into the silicon oxide film, the SiGe layer remaining in a film thickness of about 15 nm becomes the SiGe layer 6 having a Ge concentration of about 80%. Next, the silicon oxide film (SiO 2 ) (not shown) on the SiGe layer 6 is removed by etching.

図8(チャネル長方向)
次いでSiGe層6上にn型の縦(垂直)方向エピタキシャルGe層7を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)33の平坦面より突出したエピタキシャルGe層7を平坦化し、45nm程度のGe層7(歪みGe層となる)を形成する。この際、タングステン膜35も除去される。次いで900℃程度でアニールをおこない、Ge層7の歪みを緩和する。こうして2層構造の歪みGe層/SiGe層からなる下層半導体層(6、7)が形成される。
Fig. 8 (channel length direction)
Next, an n-type longitudinal (vertical) direction epitaxial Ge layer 7 is grown on the SiGe layer 6. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to flatten the epitaxial Ge layer 7 protruding from the flat surface of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 33 to form a Ge layer 7 (to be a strained Ge layer) of about 45 nm. . At this time, the tungsten film 35 is also removed. Next, annealing is performed at about 900 ° C. to relax the distortion of the Ge layer 7. In this way, the lower semiconductor layer (6, 7) composed of a strained Ge layer / SiGe layer having a two-layer structure is formed.

図9(チャネル長方向)
次いで歪みGe層7及びSi層34をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)33及び下地絶縁膜バリア層(TiN)4を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いで化学気相成長により、80nm程度のシリコン窒化膜(Si)を成長する。次いで歪みGe層7及びSi層34の平坦面上のシリコン窒化膜(Si)を化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)5を開孔部に平坦に埋め込み素子分離領域を形成する。
Figure 9 (channel length direction)
Next, using the strained Ge layer 7 and the Si layer 34 as a mask layer, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 33 and the base insulating film barrier layer (TiN) 4 are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form an opening. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 80 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) on the flat surfaces of the strained Ge layer 7 and the Si layer 34 is chemically mechanically polished (CMP), and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 5 is flattened in the opening portion. A buried element isolation region is formed.

図10(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、シリコン窒化膜(Si)9を10nm程度成長する。次いで化学気相成長により、70nm程度のシリコン酸化膜(SiO)14を成長する。次いで化学気相成長により、20nm程度の下地絶縁膜バリア層(TiN)37を成長する。次いで化学気相成長により、エピタキシャル半導体層膜厚規定用絶縁膜となるシリコン窒化膜(Si)38を60nm程度成長する。
Figure 10 (channel length direction)
Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 9 is grown to about 10 nm by chemical vapor deposition. Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 14 of about 70 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a base insulating film barrier layer (TiN) 37 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 38 serving as an insulating film for defining the epitaxial semiconductor layer thickness is grown by chemical vapor deposition to about 60 nm.

図11(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常の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、シリコン窒化膜(Si)38、下地絶縁膜バリア層(TiN)37、シリコン酸化膜(SiO)14及びシリコン窒化膜(Si)9を順次異方性ドライエッチングし、Si層34の表面を露出する開孔部(開孔部幅は100nm程度)を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 11 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, using a resist (not shown) as a mask layer, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 38, a base insulating film barrier layer (TiN) 37, a silicon oxide film (SiO 2) 2 ) 14 and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 9 are sequentially anisotropic dry etched to form an opening (opening width is about 100 nm) exposing the surface of the Si layer 34. Next, the resist (not shown) is removed.

図12(チャネル長方向)
次いで露出したSi層34上にp型の縦(垂直)方向エピタキシャルSi層39を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)38の平坦面より突出した縦(垂直)方向エピタキシャルSi層39を平坦化する。次いで選択化学気相成長法により30nm程度のタングステン膜40を成長する。
Figure 12 (channel length direction)
Next, a p-type longitudinal (vertical) epitaxial Si layer 39 is grown on the exposed Si layer 34. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to planarize the vertical (vertical) epitaxial Si layer 39 protruding from the flat surface of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 38. Next, a tungsten film 40 of about 30 nm is grown by selective chemical vapor deposition.

図13(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常の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、シリコン窒化膜(Si)38を異方性ドライエッチングし、エピタキシャルSi層39の一部側面及び下地絶縁膜バリア層(TiN)37の上面を露出する開孔部を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 13 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 38 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer, and a partial side surface of the epitaxial Si layer 39 is formed. In addition, an opening that exposes the upper surface of the base insulating film barrier layer (TiN) 37 is formed. Next, the resist (not shown) is removed.

図14(チャネル長方向)
次いで露出したエピタキシャルSi層39の側面から下地絶縁膜バリア層(TiN)37上にp型の横(水平)方向エピタキシャルSi層41を成長し、シリコン窒化膜(Si)38の開孔部を埋め込む。ここで成長したSi層41は下地絶縁膜バリア層(TiN)37により下地のシリコン酸化膜(SiO)14の影響を受けない完全な単結晶半導体層となる。
Fig. 14 (channel length direction)
Next, a p-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer 41 is grown on the underlying insulating film barrier layer (TiN) 37 from the exposed side surface of the epitaxial Si layer 39 to open the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 38. Embed the part. The grown Si layer 41 becomes a complete single crystal semiconductor layer that is not affected by the underlying silicon oxide film (SiO 2 ) 14 by the underlying insulating film barrier layer (TiN) 37.

図15(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)及びシリコン窒化膜(Si)38をマスク層として、タングステン膜40、Si層(41、39、34)、下地絶縁膜バリア層(TiN)37及びシリコン酸化膜(SiO)14を順次異方性ドライエッチングし、2段の開孔部を形成する。次いで開孔部下の歪みGe層7及びSiGe層6にp型ソース領域12(p型ソース領域の一部となる)形成用の硼素のイオン注入をおこなう。(ここではp型ソース領域の活性化及び深さ制御用の熱処理工程は行わないが、p型ソース領域は図示しておく。この際、開孔部下のp型のシリコン(Si)基板1にも硼素がイオン注入されるが、問題はない。)次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 15 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, a tungsten film 40, a Si layer (41, 39, 34), a base, using a resist (not shown) and a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 38 as a mask layer The insulating film barrier layer (TiN) 37 and the silicon oxide film (SiO 2 ) 14 are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form two-stage apertures. Next, boron ions are implanted into the strained Ge layer 7 and the SiGe layer 6 under the opening to form the p + type source region 12 (which becomes a part of the p + type source region). (Although not performed here the heat treatment step for activating and controlling the depth of the p + -type source region, p + -type source region previously shown. In this case, p-type silicon apertures subordinates (Si) substrate Boron is also ion-implanted into 1 but there is no problem.) Next, the resist (not shown) is removed.

図16(チャネル長方向)
次いでSi層41をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)38及び下地絶縁膜バリア層(TiN)37を順次異方性ドライエッチングする。ここで開孔部は3段になる。(この際、開孔部の歪みGe層7上のシリコン窒化膜(Si)9も除去される。)次いで化学気相成長により、160nm程度のシリコン窒化膜(Si)を成長する。次いでSi層41の平坦面より上に存在するシリコン窒化膜(Si)を化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)15を開孔部に平坦に埋め込み素子分離領域を形成する。
FIG. 16 (channel length direction)
Next, using the Si layer 41 as a mask layer, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 38 and the base insulating film barrier layer (TiN) 37 are sequentially subjected to anisotropic dry etching. Here, there are three openings. (At this time, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 9 on the strained Ge layer 7 in the opening is also removed.) Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 160 nm is formed by chemical vapor deposition. grow up. Next, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) existing above the flat surface of the Si layer 41 is subjected to chemical mechanical polishing (CMP), and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 15 is embedded in the opening portion flatly. An isolation region is formed.

図17(チャネル長方向)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)及びSi層41をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)15、シリコン酸化膜(SiO)14及びシリコン窒化膜(Si)(9、5)を順次異方性ドライエッチングし、開孔部(開孔部幅は100nm程度)を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
FIG. 17 (channel length direction)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 15, the silicon oxide film (SiO 2 ) 14, and the silicon nitride are formed using the resist (not shown) and the Si layer 41 as a mask layer. The film (Si 3 N 4 ) (9, 5) is subjected to anisotropic dry etching in order to form an aperture (the aperture width is about 100 nm). Next, the resist (not shown) is removed.

図18(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、60nm程度のタングステンシリサイド(WSi)膜を成長する。次いでSi層41及びシリコン窒化膜(Si)15の平坦面より上に存在するタングステンシリサイド(WSi)膜を化学的機械研磨(CMP)し、開孔部に平坦にタングステンシリサイド(WSi)膜16を埋め込み、Si層41、下地絶縁膜バリア層(TiN)37、歪みGe層7、SiGe層6及び下地絶縁膜バリア層(TiN)4を側面接続する。
FIG. 18 (channel length direction)
Next, a tungsten silicide (WSi) film of about 60 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the tungsten silicide (WSi) film existing above the flat surface of the Si layer 41 and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 15 is chemically mechanically polished (CMP), and the tungsten silicide (WSi) is flatly formed in the opening portion. The film 16 is embedded, and the Si layer 41, the base insulating film barrier layer (TiN) 37, the strained Ge layer 7, the SiGe layer 6, and the base insulating film barrier layer (TiN) 4 are side-connected.

図19(チャネル長方向)及び図20(チャネル幅方向、チャネル領域部)
次いで化学気相成長により、シリコン酸化膜(SiO)42を10nm程度成長する。次いで化学気相成長により、シリコン窒化膜(Si)43を90nm程度成長する。次いで露光描画装置による通常の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、シリコン窒化膜(Si)43、シリコン酸化膜(SiO)42、Si層41、下地絶縁膜バリア層(TiN)37、シリコン窒化膜(Si)15(Si層41の幅方向の両側に存在)、シリコン酸化膜(SiO)14、シリコン窒化膜(Si)9、歪みGe層7、SiGe層6、下地絶縁膜バリア層(TiN)4、シリコン窒化膜(Si)5(歪みGe層7及びSiGe層6の幅方向の両側に存在)及びシリコン酸化膜(SiO)3を選択的に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。(図20における波線は側断面より若干奥のSi層41、歪みGe層7及びSiGe層6を図示している。)
19 (channel length direction) and FIG. 20 (channel width direction, channel region portion)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 42 is grown by about 10 nm by chemical vapor deposition. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 43 is grown by about 90 nm by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, using a resist (not shown) as a mask layer, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 43, a silicon oxide film (SiO 2 ) 42, an Si layer 41, a base insulation A film barrier layer (TiN) 37, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 15 (present on both sides in the width direction of the Si layer 41), a silicon oxide film (SiO 2 ) 14, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 9 , Strained Ge layer 7, SiGe layer 6, underlying insulating film barrier layer (TiN) 4, silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 5 (present on both sides in the width direction of strained Ge layer 7 and SiGe layer 6), and silicon oxide The film (SiO 2 ) 3 is selectively and sequentially subjected to anisotropic dry etching to form an opening. Next, the resist (not shown) is removed. (The wavy lines in FIG. 20 illustrate the Si layer 41, the strained Ge layer 7 and the SiGe layer 6 slightly behind the side cross section.)

図21(チャネル長方向)及び図22(チャネル幅方向、チャネル領域部)
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置(electron coupling resonance plasma enhanced chemical vapor deposition system)により側面がそれぞれ露出している歪みGe層7及びSiGe層6(Ge濃度80%程度)間に、n型の横(水平)方向エピタキシャルGe層8(歪みGe層となる)を成長し、一部の下部に空孔を有する下層半導体層(6、7、8)を形成する。(この際、空孔直上は下地の影響が全くない単結晶ゲルマニウム層となる。またSi層41間にはGe層は当然成長しない。)
21 (channel length direction) and FIG. 22 (channel width direction, channel region)
Next, between the strained Ge layer 7 and the SiGe layer 6 (Ge concentration of about 80%) whose side surfaces are exposed by an ECR plasma CVD apparatus capable of low temperature growth (500 ° C. or less) (electron coupling resonance plasma enhanced chemical deposition system). Then, an n-type lateral (horizontal) epitaxial Ge layer 8 (which becomes a strained Ge layer) is grown to form lower semiconductor layers (6, 7, 8) having vacancies in a part of the lower part. (At this time, a single crystal germanium layer having no influence of the base is formed immediately above the vacancy. Of course, the Ge layer does not grow between the Si layers 41.)

図23(チャネル長方向)及び図24(チャネル幅方向、チャネル領域部)
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置により側面が露出しているSi層41間に、p型の横(水平)方向エピタキシャルSi層19を成長し、一部の下部に空孔を有する上層半導体層(19、41)を形成する。(この際、空孔直上は下地の影響が全くない単結晶シリコン層となる。)次いで露出している歪みGe層8及びSi層19の全周囲に5nm程度のゲート酸化膜(HfO)10を成長する。(この際、開孔部の側面及び底面、且つシリコン窒化膜(Si)43の上面にもゲート酸化膜(HfO)10が成長する。)次いでSi層19を貫通する、25kev程度の加速電圧で歪みGe層8に閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。次いで10kev程度の加速電圧でSi層19に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、上下層ゲート酸化膜(HfO)10の全周囲を含む全面に残された開孔部を完全に埋め込むように100nm程度のタングステンシリサイド膜(WSi)を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、シリコン窒化膜(Si)43上に成長された余分のゲート酸化膜(HfO)10及びタングステンシリサイド膜(WSi)を除去し、平坦化する。こうして深い開孔部に平坦に埋め込まれた一体化包囲型ゲート電極(WSi)11が形成される。次いで900℃程度でランニングし、チャネル領域を活性化する。
FIG. 23 (channel length direction) and FIG. 24 (channel width direction, channel region portion)
Next, a p-type lateral (horizontal) epitaxial Si layer 19 is grown between the Si layers 41 whose side surfaces are exposed by an ECR plasma CVD apparatus capable of low-temperature growth (500 ° C. or less), and empty at some lower portions. Upper semiconductor layers (19, 41) having holes are formed. (At this time, a single crystal silicon layer having no influence of the underlying layer is formed immediately above the vacancy.) Next, a gate oxide film (HfO 2 ) 10 of about 5 nm is formed around the entire exposed Ge layer 8 and Si layer 19. To grow. (At this time, the gate oxide film (HfO 2 ) 10 grows on the side and bottom surfaces of the opening and also on the upper surface of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 43.) Next, about 25 kev penetrating the Si layer 19 Boron ions for threshold voltage control are implanted into the strained Ge layer 8 at the acceleration voltage of Next, boron ions for threshold voltage control are implanted into the Si layer 19 with an acceleration voltage of about 10 keV. Next, a tungsten silicide film (WSi) having a thickness of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition so as to completely fill the open portions left over the entire surface including the entire periphery of the upper and lower gate oxide films (HfO 2 ) 10. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove the excess gate oxide film (HfO 2 ) 10 and tungsten silicide film (WSi) grown on the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 43 and planarize. In this way, an integrated surrounding gate electrode (WSi) 11 that is flatly embedded in the deep opening is formed. Next, it runs at about 900 ° C. to activate the channel region.

図25(チャネル長方向)及び図26(チャネル幅方向、ソース領域部)
次いでシリコン窒化膜(Si)43及びシリコン酸化膜(SiO)42をエッチング除去する。次いで一体化包囲型ゲート電極(WSi)11、シリコン窒化膜(Si)15及び埋め込み導電膜(WSi)16をマスク層として、露出しているSi層41、下地絶縁膜バリア層(TiN)37及びシリコン酸化膜(SiO)14を順次異方性ドライエッチングして、シリコン窒化膜(Si)9を露出する開孔部を形成する。次いで一体化包囲型ゲート電極(WSi)11、シリコン窒化膜(Si)15及び埋め込み導電膜(WSi)16をマスク層として、歪みGe層7及びSiGe層6にp型ソースドレイン領域(12、13)形成用の硼素のイオン注入をおこなう。(ここではp型ソースドレイン領域の活性化及び深さ制御用の熱処理工程は行わないが、p型ソースドレイン領域は図示しておく。)
FIG. 25 (channel length direction) and FIG. 26 (channel width direction, source region portion)
Next, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 43 and the silicon oxide film (SiO 2 ) 42 are removed by etching. Next, using the integrated surrounding gate electrode (WSi) 11, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 15 and the buried conductive film (WSi) 16 as a mask layer, the exposed Si layer 41, the underlying insulating film barrier layer (TiN) ) 37 and the silicon oxide film (SiO 2 ) 14 are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form an opening that exposes the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 9. Next, the integrated surrounding gate electrode (WSi) 11, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 15 and the buried conductive film (WSi) 16 are used as mask layers, and the p + type source / drain region is formed on the strained Ge layer 7 and the SiGe layer 6. (12, 13) Boron ions are implanted. (Here it does not perform the heat treatment step for activating and controlling the depth of the p + -type source and drain regions, p + -type source and drain regions previously shown.)

図27(チャネル長方向)及び図28(チャネル幅方向、ソース領域部)
次いで低温成長(500℃以下)が可能なECRプラズマCVD装置により露出しているSi層19の側面にp型の横(水平)方向エピタキシャルSiGe層18(Ge濃度20%程度)を成長し、下部に空孔17を有する上層半導体層(18、19)を形成する。このためチャネル領域は歪みSi層19となる。次いで化学気相成長により、5nm程度のイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)を成長する。次いで一体化包囲型ゲート電極(WSi)11、シリコン窒化膜(Si)15及び埋め込み導電膜(WSi)16をマスク層として、Si層18にn型ソースドレイン領域(21、22)形成用の燐のイオン注入をおこなう。(ここではn型ソースドレイン領域の活性化及び深さ制御用の熱処理工程は行わないが、n型ソースドレイン領域は図示しておく。)次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)をエッチング除去する。
FIG. 27 (channel length direction) and FIG. 28 (channel width direction, source region portion)
Next, a p-type lateral (horizontal) epitaxial SiGe layer 18 (Ge concentration of about 20%) is grown on the side surface of the Si layer 19 exposed by an ECR plasma CVD apparatus capable of low temperature growth (500 ° C. or less), The upper semiconductor layers (18, 19) having the holes 17 are formed. Therefore, the channel region becomes the strained Si layer 19. Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, an n-type source / drain region (21, 22) is formed in the Si layer 18 using the integrated surrounding gate electrode (WSi) 11, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 15 and the buried conductive film (WSi) 16 as a mask layer. I perform phosphorus ion implantation. (Here, a heat treatment step for activating and controlling the depth of the n-type source / drain region is not performed, but the n-type source / drain region is shown). Next, a silicon oxide film (SiO 2 , shown) for ion implantation. 2) is removed by etching.

図29(チャネル長方向)及び図30(チャネル幅方向、ソース領域部)
次いで化学気相成長により、20nm程度のシリコン酸化膜(SiO)を成長する。次いで全面異方性ドライエッチングし、一体化包囲型ゲート電極(WSi)11の上面部の側壁にサイドウォール(SiO)24を形成する。次いで化学気相成長により、5nm程度のイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)を成長する。次いでサイドウォール(SiO)24及び一体化包囲型ゲート電極(WSi)11をマスク層として、n型ソースドレイン領域(20、23)形成用の砒素のイオン注入をおこなう。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)をエッチング除去する。次いでRTP(Rapid Thermal Processing)法によりアニールをおこない、n型ソースドレイン領域(21、22)、n型ソースドレイン領域(20、23)及びp型ソースドレイン領域(12、13)を形成する。
FIG. 29 (channel length direction) and FIG. 30 (channel width direction, source region portion)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the entire surface is subjected to anisotropic dry etching to form a sidewall (SiO 2 ) 24 on the side wall of the upper surface portion of the integrated surrounding gate electrode (WSi) 11. Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, arsenic ions are implanted to form n + -type source / drain regions (20, 23) using the sidewalls (SiO 2 ) 24 and the integrated surrounding gate electrode (WSi) 11 as mask layers. Next, the silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation is removed by etching. Next, annealing is performed by an RTP (Rapid Thermal Processing) method to form n-type source / drain regions (21, 22), n + -type source / drain regions (20, 23), and p + -type source / drain regions (12, 13). .

図31(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、300nm程度のPSG膜25を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、平坦化する。次いで化学気相成長により、20nm程度のシリコン窒化膜(Si)26を成長する。次いで露光描画装置による通常の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、シリコン窒化膜(Si)26、PSG膜25及びシリコン窒化膜(Si)15を順次異方性ドライエッチングし、ビアを形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
Figure 31 (channel length direction)
Next, a PSG film 25 of about 300 nm is grown by chemical vapor deposition. Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed and planarization is performed. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 26 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique using an exposure drawing apparatus, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 26, a PSG film 25, and a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 15 are formed using a resist (not shown) as a mask layer. Sequential anisotropic dry etching is performed to form vias. Next, the resist (not shown) is removed.

図32(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、バリアメタルとなるTiN27を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン(W)28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)27を有する導電プラグ(W)28を形成する。
Figure 32 (channel length direction)
Next, TiN27 to be a barrier metal is grown by chemical vapor deposition. Next, tungsten (W) 28 is grown by chemical vapor deposition. Next, a conductive plug (W) 28 having a barrier metal (TiN) 27 buried in the via is formed by chemical mechanical polishing (CMP).

図1(チャネル長方向)及び図2(チャネル幅方向、チャネル領域部)
次いで化学気相成長により、500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)29を成長する。次いで露光描画装置による通常の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)29を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、シリコン窒化膜(Si)26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)30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)30を有するCu配線31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シリコン窒化膜(Si)32を成長し、本願発明のDISSSUG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からなるCMOS型の半導体集積回路を完成する。
1 (channel length direction) and FIG. 2 (channel width direction, channel region)
Next, an interlayer insulating film (SiOC) 29 of about 500 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary lithography technique using an exposure drawing apparatus, the interlayer insulating film (SiOC) 29 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. (At this time, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 26 becomes an etching stopper film.) Next, the resist (not shown) is removed. Next, a barrier metal (TaN) 30 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 embedded flat in the opening, and a Cu wiring 31 having a barrier metal (TaN) 30 is formed. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 32 serving as a Cu barrier insulating film is grown by chemical vapor deposition, and a CMOS type semiconductor composed of N-channel and P-channel MIS field-effect transistors of the DISSSUG structure of the present invention. Complete the integrated circuit.

図33は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で、シリコン(Si)基板を使用し、DISSSUG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜32は図1と同じ物を、44は埋め込み導電膜(WSi)を示している。
同図においては、PチャネルMIS電界効果トランジスタを形成する半導体層の一部(ソース領域の一部)が埋め込み導電膜(WSi)により形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においては、PチャネルMIS電界効果トランジスタのソース領域を1回のイオン注入でおこなうことができ、第1の実施例と同様の効果を得ることができる。
FIG. 33 is a schematic sectional side view of the second embodiment of the semiconductor device of the present invention, including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor formed in a DISSSUG structure using a silicon (Si) substrate. A part of a CMOS type semiconductor integrated circuit is shown, wherein 1-32 are the same as in FIG. 1, and 44 is a buried conductive film (WSi).
In the figure, an N channel having substantially the same structure as that in FIG. 1 except that a part of a semiconductor layer (a part of a source region) forming a P channel MIS field effect transistor is formed of a buried conductive film (WSi). And a P-channel MIS field effect transistor is formed.
In the present embodiment, the source region of the P-channel MIS field effect transistor can be performed by one ion implantation, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

図34〜図38は本発明の半導体装置における第3の実施例で、図34は模式側断面図、図35〜図38は製造方法の工程断面図である。
図34は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で、シリコン(Si)基板を使用し、DISSSUG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜32は図1と同じ物を、45は空孔を包囲するシリコン酸化膜(SiO)を示している。
同図においては、NチャネルMIS電界効果トランジスタのソースドレイン領域下に直接空孔が存在しないように、空孔を包囲するシリコン酸化膜(SiO)が形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造の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の実施例と同様の効果を得ることができ、製造方法はやや複雑になるが、Nチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタのソース領域間容量はやや増えるが、NチャネルMIS電界効果トランジスタのソースドレイン領域下の電流リーク耐性をより強化することが可能である。
34 to 38 show a third embodiment of the semiconductor device of the present invention. FIG. 34 is a schematic sectional side view, and FIGS. 35 to 38 are sectional views showing steps of the manufacturing method.
FIG. 34 is a schematic sectional side view of a third embodiment of the semiconductor device of the present invention, including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor formed in a DISSSUG structure using a silicon (Si) substrate. A part of the CMOS type semiconductor integrated circuit is shown, wherein 1-32 are the same as those in FIG. 1, and 45 is a silicon oxide film (SiO 2 ) surrounding the holes.
In this figure, a silicon oxide film (SiO 2 ) surrounding the holes is formed so that there is no hole directly under the source / drain region of the N-channel MIS field effect transistor. N-channel and P-channel MIS field effect transistors having the same structure are formed.
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the manufacturing method is somewhat complicated. However, although the capacitance between the source regions of the N-channel and P-channel MIS field effect transistors is slightly increased, N It is possible to further enhance the resistance to current leakage under the source / drain region of the channel MIS field effect transistor.

次いで本発明に係る半導体装置における第3の実施例の製造方法について、図35〜図38及び図34を参照して説明する。
第1の実施例に示される図3〜図28の工程をおこなった後、図35〜図38の工程をおこなう。
Next, a manufacturing method of the third embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 35 to 38 and FIG.
After performing the steps of FIGS. 3 to 28 shown in the first embodiment, the steps of FIGS. 35 to 38 are performed.

図35(チャネル長方向)及び図36(チャネル幅方向、ソース領域部)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)、一体化包囲型ゲート電極(WSi)11及びSiGe層18をマスク層として、シリコン窒化膜(Si)15(SiGe層18の幅方向の両側に存在)及びシリコン酸化膜(SiO)14を選択的に順次異方性ドライエッチングし、SiGe層18の幅方向の両側に空孔17に達する間隙部(幅40nm程度)を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
35 (channel length direction) and FIG. 36 (channel width direction, source region portion)
Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 15 (using a resist (not shown), the integrated surrounding gate electrode (WSi) 11 and the SiGe layer 18 as a mask layer) The silicon oxide film (SiO 2 ) 14 and the silicon oxide film (SiO 2 ) 14 are selectively and sequentially subjected to anisotropic dry etching so as to reach the holes 17 on both sides of the SiGe layer 18 in the width direction. About 40 nm). Next, the resist (not shown) is removed.

図37(チャネル長方向)及び図38(チャネル幅方向、ソース領域部)
次いで化学気相成長により、20nm程度のシリコン酸化膜(SiO)を成長する。次いで全面異方性ドライエッチングすることにより、SiGe層18とシリコン窒化膜(Si)15の間隙部を埋め込み、SiGe層18の下面、ゲート酸化膜(HfO)10を介した一体化包囲型ゲート電極(WSi)11の中間部の側面、シリコン酸化膜(SiO)14及び導電膜(WSi)16の側面、歪みGe層7上のシリコン窒化膜(Si)9の上面に20nm程度のシリコン酸化膜(SiO)45を形成し、シリコン酸化膜(SiO)45に包囲された空孔17を設け、ゲート酸化膜(HfO)10を介した一体化包囲型ゲート電極(WSi)11の上面部の側壁にサイドウォール(SiO)24を形成する。次いで化学気相成長により、5nm程度のイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)を成長する。次いでサイドウォール(SiO)24及び一体化包囲型ゲート電極(WSi)11をマスク層として、n型ソースドレイン領域(20、23)形成用の砒素のイオン注入をおこなう。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜(SiO、図示せず)をエッチング除去する。次いでRTP法によりアニールをおこない、n型ソースドレイン領域(21、22)、n型ソースドレイン領域(20、23)及びp型ソースドレイン領域(12、13)を形成する。
FIG. 37 (channel length direction) and FIG. 38 (channel width direction, source region)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, by performing anisotropic etching on the entire surface, the gap between the SiGe layer 18 and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 15 is filled, and the lower surface of the SiGe layer 18 is integrated via the gate oxide film (HfO 2 ) 10. Side surface of the middle part of the surrounding gate electrode (WSi) 11, side surface of the silicon oxide film (SiO 2 ) 14 and conductive film (WSi) 16, and upper surface of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 9 on the strained Ge layer 7 A silicon oxide film (SiO 2 ) 45 having a thickness of about 20 nm is formed, and a hole 17 surrounded by the silicon oxide film (SiO 2 ) 45 is provided, and an integrated surrounding gate through the gate oxide film (HfO 2 ) 10 is provided. A sidewall (SiO 2 ) 24 is formed on the side wall of the upper surface portion of the electrode (WSi) 11. Next, a silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of about 5 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, arsenic ions are implanted to form n + -type source / drain regions (20, 23) using the sidewalls (SiO 2 ) 24 and the integrated surrounding gate electrode (WSi) 11 as mask layers. Next, the silicon oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation is removed by etching. Next, annealing is performed by the RTP method to form n-type source / drain regions (21, 22), n + -type source / drain regions (20, 23), and p + -type source / drain regions (12, 13).

次いで図31〜図32の工程をおこなった後、図34(チャネル長方向)の工程をおこなう。   Next, after performing the steps of FIGS. 31 to 32, the step of FIG. 34 (channel length direction) is performed.

図34(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)29を成長する。次いで露光描画装置による通常の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)29を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、シリコン窒化膜(Si)26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)30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)30を有するCu配線31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シリコン窒化膜(Si)32を成長し、本願発明のDISSSUG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からなるCMOS型の半導体集積回路を完成する。
FIG. 34 (channel length direction)
Next, an interlayer insulating film (SiOC) 29 of about 500 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary lithography technique using an exposure drawing apparatus, the interlayer insulating film (SiOC) 29 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. (At this time, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 26 becomes an etching stopper film.) Next, the resist (not shown) is removed. Next, a barrier metal (TaN) 30 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 embedded flat in the opening, and a Cu wiring 31 having a barrier metal (TaN) 30 is formed. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 32 serving as a Cu barrier insulating film is grown by chemical vapor deposition, and a CMOS type semiconductor composed of N-channel and P-channel MIS field-effect transistors of the DISSSUG structure of the present invention. Complete the integrated circuit.

図39は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で、シリコン(Si)基板を使用し、DISSSUG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜6、8〜32は図1と同じ物を示している。
同図においては、下層半導体層がチャネル領域を形成する歪みGe層を左右からSiGe層(Ge濃度80%程度)で挟んだ構造に形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造の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の実施例と同様の効果を得ることができ、製造方法はやや簡単になるが、格子定数が小さいSiGe層(Ge濃度80%程度)の圧縮応力を受け、歪みGe層の格子定数がやや縮小されるため、正孔の移動度が低減され、PチャネルのMIS電界効果トランジスタにおいて、やや高速性が劣ることになる。
FIG. 39 is a schematic cross-sectional side view of a fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention, including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor formed in a DISSSUG structure using a silicon (Si) substrate. A part of the CMOS type semiconductor integrated circuit is shown, and 1 to 6 and 8 to 32 are the same as those in FIG.
In this figure, the N channel having the same structure as that of FIG. 1 except that the lower semiconductor layer is formed in a structure in which a strained Ge layer forming a channel region is sandwiched between SiGe layers (Ge concentration of about 80%) from the left and right. And a P-channel MIS field effect transistor is formed.
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the manufacturing method becomes somewhat simple. However, the strain Ge is subjected to the compressive stress of the SiGe layer having a small lattice constant (Ge concentration of about 80%). Since the lattice constant of the layer is somewhat reduced, the hole mobility is reduced, and the P-channel MIS field-effect transistor is slightly inferior in speed.

図40〜図46は本発明の半導体装置における第5の実施例で、図40は模式側断面図、図41〜図46は製造方法の工程断面図である。
図40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で、シリコン(Si)基板を使用し、DISSSUG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜5、8〜32は図1と同じ物を、46はn型のエピタキシャルGe層、46aは1回目エピタキシャル成長のn型Ge層、46bは2回目エピタキシャル成長のn型Ge層、47はn型のエピタキシャルGe層、48はシリコン窒化膜(Si)、49はシリコン酸化膜(SiO)、50は選択化学気相成長導電膜(W)を示している。
同図においては、下層半導体層がすべてGe層で形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造の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の実施例と同様の効果を得ることができ、製造方法はやや複雑になるが、下層半導体層をGe層のみで形成できるため、正孔の移動度をさらに増加できることになり、PチャネルのMIS電界効果トランジスタのさらなる高速化が実現できる。
40 to 46 show a fifth embodiment of the semiconductor device of the present invention. FIG. 40 is a schematic sectional side view, and FIGS. 41 to 46 are sectional views of the manufacturing method.
FIG. 40 is a schematic sectional side view of a fifth embodiment of the semiconductor device of the present invention, including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor formed in a DISSSUG structure using a silicon (Si) substrate. 1 shows a part of a CMOS type semiconductor integrated circuit, wherein 1 to 5 and 8 to 32 are the same as those in FIG. 1, 46 is an n-type epitaxial Ge layer, 46a is a first epitaxially grown n-type Ge layer, and 46b. Is the second epitaxial growth n-type Ge layer, 47 is the n-type epitaxial Ge layer, 48 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), 49 is a silicon oxide film (SiO 2 ), and 50 is a selective chemical vapor deposition conductive film. (W) is shown.
In the figure, N-channel and P-channel MIS field effect transistors having substantially the same structure as in FIG. 1 are formed except that the lower semiconductor layer is entirely formed of a Ge layer.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the manufacturing method is somewhat complicated. However, since the lower semiconductor layer can be formed only by the Ge layer, the mobility of holes can be further increased. Thus, it is possible to further increase the speed of the P-channel MIS field effect transistor.

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41〜図46及び図40を参照して説明する。
第1の実施例に示される図3〜図9の工程をおこなった後、図41〜図46の工程をおこなう。
Next, a manufacturing method of the fifth embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 41 to 46 and FIG.
After performing the steps of FIGS. 3 to 9 shown in the first embodiment, the steps of FIGS. 41 to 46 are performed.

図41(チャネル長方向)
次いでSi層34を20nm程度異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いで化学気相成長により、20nm程度のシリコン窒化膜(Si)を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し、歪みGe層7及びシリコン窒化膜(Si)5上に成長したシリコン窒化膜(Si)を除去し、開孔部に窒化膜(Si)48を平坦に埋め込む。
FIG. 41 (channel length direction)
Next, the Si layer 34 is anisotropically etched by about 20 nm to form an opening. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) grown on the strained Ge layer 7 and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 5, and a nitride film (Si 3 N 4 ) 48 is embedded flat.

図42(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、20nm程度のシリコン酸化膜(SiO)49を成長する。次いで露光描画装置による通常の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、シリコン酸化膜(SiO)49、歪みGe層7及びSiGe層6を選択的に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。
Fig. 42 (channel length direction)
Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 49 of about 20 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using a normal lithography technique by an exposure drawing apparatus, a silicon oxide film (SiO 2 ) 49, a strained Ge layer 7 and a SiGe layer 6 are selectively and sequentially anisotropically dried using a resist (not shown) as a mask layer. Etching to form an opening. Next, the resist (not shown) is removed.

図43(チャネル長方向)
次いで露出した歪みGe層7及びSiGe層6の側面間にn型の横(水平)方向エピタキシャルGe層46aを成長する。(下地絶縁膜バリア層(TiN)4上にエピタキシャル成長するため、下地の絶縁膜の影響がない完全な単結晶ゲルマニウム層が得られる。)次いで選択化学気相成長法によりエピタキシャルGe層46a上に30nm程度のタングステン膜50を成長する。
Fig. 43 (channel length direction)
Next, an n-type lateral (horizontal) epitaxial Ge layer 46 a is grown between the exposed side surfaces of the strained Ge layer 7 and the SiGe layer 6. (Because it grows epitaxially on the underlying insulating film barrier layer (TiN) 4, a complete single crystal germanium layer without the influence of the underlying insulating film can be obtained.) Next, 30 nm on the epitaxial Ge layer 46 a by selective chemical vapor deposition. A tungsten film 50 is grown to a degree.

図44(チャネル長方向)
次いでシリコン酸化膜(SiO)49を全面異方性ドライエッチングする。次いでタングステン膜50及びシリコン窒化膜(Si)(5、48)をマスク層として、歪みGe層7及びSiGe層6を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。
FIG. 44 (channel length direction)
Next, the entire surface of the silicon oxide film (SiO 2 ) 49 is subjected to anisotropic dry etching. Next, using the tungsten film 50 and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) (5, 48) as a mask layer, the strained Ge layer 7 and the SiGe layer 6 are sequentially subjected to anisotropic dry etching to form an opening.

図45(チャネル長方向)
次いで露出したGe層46aの側面から開孔部を埋め込むようにn型の横(水平)方向エピタキシャルGe層46bを成長する。(下地絶縁膜バリア層(TiN)4上にエピタキシャル成長するため、下地の絶縁膜の影響がない完全な単結晶ゲルマニウム層が得られる。)
Fig. 45 (channel length direction)
Next, an n-type lateral (horizontal) direction epitaxial Ge layer 46b is grown so as to fill the opening from the exposed side surface of the Ge layer 46a. (Because it grows epitaxially on the underlying insulating film barrier layer (TiN) 4, a complete single crystal germanium layer free from the influence of the underlying insulating film can be obtained.)

図46(チャネル長方向)
次いで化学的機械研磨(CMP)し、タングステン膜50を除去し、平坦化する。次いで1000℃程度、窒素雰囲気でアニールをおこない歪みがないGe層46を形成する。
FIG. 46 (channel length direction)
Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to remove the tungsten film 50 and planarize. Next, annealing is performed in a nitrogen atmosphere at about 1000 ° C. to form a Ge layer 46 without distortion.

次いで図10〜図32の工程をおこなった後、図40(チャネル長方向)の工程をおこなう。   Next, after performing the steps of FIGS. 10 to 32, the step of FIG. 40 (channel length direction) is performed.

図40(チャネル長方向)
次いで化学気相成長により、500nm程度の層間絶縁膜(SiOC)29を成長する。次いで露光描画装置による通常の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)29を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。(この際、シリコン窒化膜(Si)26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)30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)30を有するCu配線31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シリコン窒化膜(Si)32を成長し、本願発明のDISSSUG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からなるCMOS型の半導体集積回路を完成する。
FIG. 40 (channel length direction)
Next, an interlayer insulating film (SiOC) 29 of about 500 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary lithography technique using an exposure drawing apparatus, the interlayer insulating film (SiOC) 29 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer to form an opening. (At this time, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 26 becomes an etching stopper film.) Next, the resist (not shown) is removed. Next, a barrier metal (TaN) 30 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 embedded flat in the opening, and a Cu wiring 31 having a barrier metal (TaN) 30 is formed. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 32 serving as a Cu barrier insulating film is grown by chemical vapor deposition, and a CMOS type semiconductor composed of N-channel and P-channel MIS field-effect transistors of the DISSSUG structure of the present invention. Complete the integrated circuit.

図47は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で、シリコン(Si)基板を使用し、DISSSUG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜32は図1と同じ物を、51はサリサイド層(CoSi)を示している。
同図においては、上層半導体層に形成するNチャネルのMIS電界効果トランジスタのソースドレイン領域が、いわゆるメタルソースドレイン領域に形成されていること以外は図1とほぼ同じ構造の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の実施例と同様の効果を得ることができ、製造方法はやや複雑になるが、メタルソースドレイン領域の形成によりNチャネルのMIS電界効果トランジスタのソースドレイン領域の抵抗が低減できるため、より高速化が可能となる。
FIG. 47 is a schematic sectional side view of the sixth embodiment of the semiconductor device of the present invention, including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor formed in a DISSSUG structure using a silicon (Si) substrate. A part of a CMOS type semiconductor integrated circuit is shown, wherein 1-32 are the same as those in FIG. 1, and 51 is a salicide layer (CoSi 2 ).
In the figure, N-channel and P-channel structures having substantially the same structure as in FIG. 1 except that the source / drain region of the N-channel MIS field effect transistor formed in the upper semiconductor layer is formed in a so-called metal source / drain region. An MIS field effect transistor is formed.
In this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the manufacturing method becomes somewhat complicated. However, the resistance of the source / drain region of the N-channel MIS field effect transistor is reduced by forming the metal source / drain region. Since it can be reduced, higher speed can be achieved.

図48は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で、シリコン(Si)基板を使用し、DISSSUG構造に形成したショートチャネルのNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタを含むCMOS型の半導体集積回路の一部を示しており、1〜32は図1と同じ物を示している。
同図においては、左側半分には、第1の実施例と全く同じ構造のNチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタのドレイン領域直接接続型の微細なCMOSが形成され、右側半分には、Nチャネル及びPチャネルのMIS電界効果トランジスタのドレイン領域がそれぞれ独立して配線層に接続しているやや大きめなCMOSが形成されている。
本実施例においても第1の実施例と同様の効果を得ることができ、NOT回路(インバータ)以外に2入力NAND回路あるいは2入力NOR回路にも適用できる構成を取ったものであり、これらを使い分けることにより、極めて高集積なCMOS型半導体集積回路を形成することが可能である。
FIG. 48 is a schematic sectional side view of the seventh embodiment of the semiconductor device of the present invention, including a short channel N-channel and P-channel MIS field effect transistor formed in a DISSSUG structure using a silicon (Si) substrate. A part of a CMOS type semiconductor integrated circuit is shown, and 1-32 shows the same thing as FIG.
In the figure, a fine CMOS of the drain region direct connection type N-channel and P-channel MIS field effect transistors having the same structure as that of the first embodiment is formed in the left half, and the right half has N A slightly larger CMOS is formed in which the drain regions of the channel and P-channel MIS field effect transistors are independently connected to the wiring layer.
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and a configuration applicable to a 2-input NAND circuit or a 2-input NOR circuit in addition to the NOT circuit (inverter) is adopted. By using properly, it is possible to form an extremely highly integrated CMOS type semiconductor integrated circuit.

半導体層を成長させる場合は、通常の化学気相成長によるばかりでなく、ECRプラズマCVD法によっても、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。
また半導体基板としてSi基板を使用しているが、これに限定されず、Ge基板を使用しても、SiGe基板を使用してもよく、要はSiGe層を介在させGe濃度を変える工夫をしてやればよい。
また実施例に記載されたGe濃度は1つの目安であり、これに限定されるものではない。
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、下地絶縁膜バリア層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、デブリーション型の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。
また上記構造のCMOSはAND回路にもOR回路にも適用可能であるし、2入力に限らず3入力以上の回路に適用することも可能である。
When the semiconductor layer is grown, not only by the normal chemical vapor deposition but also by the ECR plasma CVD method, the molecular beam growth method (MBE), the metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD), the atomic layer Depending on the crystal growth method (ALE), any other crystal growth method may be used.
Although a Si substrate is used as a semiconductor substrate, the present invention is not limited to this, and a Ge substrate or a SiGe substrate may be used. In short, a device for changing the Ge concentration by interposing a SiGe layer may be used. That's fine.
Further, the Ge concentration described in the examples is only a guide and is not limited to this.
In addition, the gate electrode, gate oxide film, barrier metal, conductive plug, wiring, insulating film, base insulating film barrier layer, etc. are not limited to the above-described embodiments, and any material having similar characteristics may be used. May be.
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.
The CMOS having the above structure can be applied to both an AND circuit and an OR circuit, and can be applied not only to two inputs but also to circuits having three or more inputs.

本願発明は、特に極めて高速で、高信頼且つ高集積なCMOS型の半導体集積回路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CMOS型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、液晶用のTFT(Thin Film Transistor)等に利用できる可能性がある。
The present invention is particularly aimed at high-speed, high-reliability, and highly-integrated CMOS semiconductor integrated circuits. However, the present invention is not limited to high-speed and is used for all CMOS-type semiconductor integrated circuits equipped with MIS field effect transistors. It is possible to do.
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, there is a possibility that it can be used for other field effect transistors, TFTs for liquid crystals (Thin Film Transistor), and the like.

1 p型のシリコン(Si)基板
2 シリコン窒化膜(Si
3 シリコン酸化膜(SiO
4 下地絶縁膜バリア層(TiN)
5 素子分離領域のシリコン窒化膜(Si
6 n型のエピタキシャルSiGe層(Ge濃度80%程度)
7 n型のエピタキシャル歪みGe層
8 n型のエピタキシャル歪みGe層
9 シリコン窒化膜(Si
10 ゲート酸化膜(HfO
11 一体化包囲型ゲート電極(WSi)
12 p型ソース領域
13 p型ドレイン領域
14 シリコン酸化膜(SiO
15 シリコン窒化膜(Si
16 埋め込み導電膜(WSi、側面接続用)
17 空孔
18 p型のエピタキシャルSiGe層(Ge濃度20%程度)
19 p型のエピタキシャル歪みSi層
20 n型ソース領域
21 n型ソース領域
22 n型ドレイン領域
23 n型ドレイン領域
24 サイドウォール(SiO
25 燐珪酸ガラス(PSG)膜
26 シリコン窒化膜(Si
27 バリアメタル(TiN)
28 導電プラグ(W)
29 層間絶縁膜(SiOC)
30 バリアメタル(TaN)
31 Cu配線(Cuシード層含む)
32 バリア絶縁膜(Si
33 シリコン窒化膜(Si
34 n型のエピタキシャルSi層
35 選択化学気相成長導電膜(W)
36 n型のエピタキシャルSiGe層(Ge濃度20%程度)
37 下地絶縁膜バリア層(TiN)
38 シリコン窒化膜(Si
39 p型のエピタキシャルSi層
40 選択化学気相成長導電膜(W)
41 p型のエピタキシャルSi層
42 シリコン酸化膜(SiO
43 シリコン窒化膜(Si
44 埋め込み導電膜(WSi)
45 空孔を包囲するシリコン酸化膜(SiO
46 n型のエピタキシャルGe層
46a1回目エピタキシャル成長のn型Ge層
46b2回目エピタキシャル成長のn型Ge層
47 n型のエピタキシャルGe層
48 シリコン窒化膜(Si
49 シリコン酸化膜(SiO
50 選択化学気相成長導電膜(W)
51 サリサイド層(CoSi
1 p-type silicon (Si) substrate 2 silicon nitride film (Si 3 N 4 )
3 Silicon oxide film (SiO 2 )
4 Underlying insulating film barrier layer (TiN)
5 Silicon nitride film (Si 3 N 4 ) in element isolation region
6 n-type epitaxial SiGe layer (Ge concentration about 80%)
7 n-type epitaxial strained Ge layer 8 n-type epitaxial strained Ge layer 9 silicon nitride film (Si 3 N 4 )
10 Gate oxide film (HfO 2 )
11 Integrated Surround Gate Electrode (WSi)
12 p + type source region 13 p + type drain region 14 Silicon oxide film (SiO 2 )
15 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
16 Embedded conductive film (WSi, for side connection)
17 vacancies 18 p-type epitaxial SiGe layer (Ge concentration about 20%)
19 p-type epitaxial strained Si layer 20 n + type source region 21 n-type source region 22 n-type drain region 23 n + -type drain region 24 Side wall (SiO 2 )
25 Phosphorsilicate glass (PSG) film 26 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
27 Barrier metal (TiN)
28 Conductive plug (W)
29 Interlayer insulation film (SiOC)
30 Barrier metal (TaN)
31 Cu wiring (including Cu seed layer)
32 Barrier insulating film (Si 3 N 4 )
33 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
34 n-type epitaxial Si layer 35 Selective chemical vapor deposition conductive film (W)
36 n-type epitaxial SiGe layer (Ge concentration about 20%)
37 Underlying insulating film barrier layer (TiN)
38 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
39 p-type epitaxial Si layer 40 selective chemical vapor deposition conductive film (W)
41 p-type epitaxial Si layer 42 silicon oxide film (SiO 2 )
43 Silicon nitride film (Si 3 N 4 )
44 Embedded conductive film (WSi)
45 Silicon oxide film (SiO 2 ) surrounding pores
46 n-type epitaxial Ge layer 46a n-type Ge layer for first epitaxial growth 46b n-type Ge layer for second epitaxial growth 47 n-type epitaxial Ge layer 48 silicon nitride film (Si 3 N 4 )
49 Silicon oxide film (SiO 2 )
50 Selective chemical vapor deposition conductive film (W)
51 Salicide layer (CoSi 2 )

Claims (4)

半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に選択的に設けられた、第1の半導体層を左右から挟んだ第2の半導体層からなる平板構造の下層半導体層と、前記下層半導体層上に設けられた層間絶縁膜及び空孔と、前記層間絶縁膜及び前記空孔上に設けられた、第3の半導体層を左右から挟んだ第4の半導体層からなる平板構造の上層半導体層と、前記第1の半導体層及び前記第3の半導体層の全周囲に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して、前記第1の半導体層及び前記第3の半導体層を包囲する構造に設けられた全周囲等しいゲート長を有する一体化包囲型ゲート電極と、前記一体化包囲型ゲート電極に自己整合して前記第2の半導体層に設けられた一導電型ソースドレイン領域と、前記第1の半導体層に設けられたチャネル領域と、前記一体化包囲型ゲート電極に自己整合して前記第4の半導体層に設けられた反対導電型ソースドレイン領域と、前記第3の半導体層に設けられたチャネル領域と、を備え、少なくとも前記第1の半導体層及び前記第3の半導体層が異なる単体元素半導体からなることを特徴とする半導体装置。 A lower-layer semiconductor having a planar structure comprising a semiconductor substrate, an insulating film provided on the semiconductor substrate, and a second semiconductor layer selectively provided on the insulating film and sandwiching the first semiconductor layer from the left and right a layer, wherein the lower semiconductor layer to provided an interlayer insulating film and the pores, from the interlayer insulating film and provided on the air hole, the fourth semiconductor layer sandwiched from the left and right of the third semiconductor layer An upper semiconductor layer having a flat plate structure, a gate insulating film provided all around the first semiconductor layer and the third semiconductor layer, and the first semiconductor layer and the An integrated surrounding gate electrode having a gate length that is equal to the entire circumference provided in a structure surrounding the third semiconductor layer, and provided in the second semiconductor layer in self-alignment with the integrated surrounding gate electrode a one conductivity type source and drain regions, the first A channel region provided in the semiconductor layer, and opposite conductivity type source drain regions self-aligned provided on the fourth semiconductor layer to said integrated encircling gate electrode, provided on the third semiconductor layer And a channel region, wherein at least the first semiconductor layer and the third semiconductor layer are made of different single element semiconductors. 前記第2の半導体層が2層構造の半導体層からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor layer includes a semiconductor layer having a two-layer structure. 前記第2の半導体層直下に金属化合物からなる下地絶縁膜バリア層を有していることを特徴とする請求項1あるいは請求項2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, further comprising a base insulating film barrier layer made of a metal compound immediately below the second semiconductor layer. 前記第1の半導体層及び前記第3の半導体層は、一方が単結晶ゲルマニウムであり、他方が単結晶シリコンであることを特徴とする請求項1あるいは請求項2あるいは請求項3に記載の半導体装置。   4. The semiconductor according to claim 1, wherein one of the first semiconductor layer and the third semiconductor layer is single crystal germanium and the other is single crystal silicon. apparatus.
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