JP6255692B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

LSI(Large Scale Integration)等の半導体装置の高性能化は、基本構成素子であるMOSトランジスタの微細化等により図られてきた。   High performance of semiconductor devices such as LSI (Large Scale Integration) has been achieved by miniaturization of MOS transistors, which are basic components.

しかしながら、微細化に伴い、短チャネル効果の抑制が困難となり、オフ電流の増大が深刻となってきた。   However, with the miniaturization, it has become difficult to suppress the short channel effect, and the increase in off-current has become serious.

そこで、近時では、チャネルを立体構造とし、ゲートの制御能力を増大させる、3次元構造のトランジスタ(3次元トランジスタ)が注目されている。   Therefore, recently, a three-dimensional transistor (three-dimensional transistor) that has a three-dimensional channel and increases the gate control capability has been attracting attention.

3次元構造のトランジスタでは、基板上に突出するように形成された半導体層(フィン)の両側面及び上面にチャネルが形成される。   In a transistor having a three-dimensional structure, channels are formed on both side surfaces and an upper surface of a semiconductor layer (fin) formed so as to protrude on a substrate.

3次元構造のトランジスタによれば、オフ電流の低減、オン電流の増大、及び、短チャネル効果の抑制等が可能となる。   According to a three-dimensional transistor, it is possible to reduce off-current, increase on-current, and suppress a short channel effect.

特開2005−86024号公報JP-A-2005-86024 米国特許第7326634号明細書US Pat. No. 7,326,634

T. Chiarella et al., “Simple Current and Capacitance Methods for Bulk FinFETHeight Extraction And Correlation to Device Variability”, 2011 IEEE Conference on Microelectronic Test Structures, April 4-7, Amsterdam, The Netherlands.T. Chiarella et al., “Simple Current and Capacitance Methods for Bulk FinFET Height Extraction And Correlation to Device Variability”, 2011 IEEE Conference on Microelectronic Test Structures, April 4-7, Amsterdam, The Netherlands.

しかしながら、提案されている3次元構造のトランジスタでは、電気的特性のばらつきが生じる場合があった。   However, in the proposed transistor having a three-dimensional structure, variations in electrical characteristics may occur.

本発明の目的は、トランジスタの電気的特性のばらつきを低減し得る半導体装置の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can reduce variation in electrical characteristics of transistors.

実施形態の一観点によれば、半導体基板上の第1の領域にマスクを形成する工程と、前記マスクを用いて前記半導体基板をエッチングすることにより、前記半導体基板に凹部を形成する工程と、前記半導体基板上及び前記マスク上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層を研磨し、前記マスクの上面を露出させる工程と、前記マスクを除去する工程と、前記第1の領域における前記半導体基板上に、側面が傾斜を有する第1の半導体層を成長させる工程と、前記第1の半導体層を成長させる工程の後、前記第1の半導体層と前記絶縁層との間に間隙が生じるように、前記絶縁層の側面をエッチングする工程と、前記絶縁層の側面をエッチングする工程の後、前記第1の半導体層の上面及び前記第1の半導体層の側面を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の両側の前記第1の半導体層にソース/ドレイン領域を形成する工程とを有し、前記マスクを除去する工程の後、前記第1の半導体層を成長する工程の前に、前記絶縁層の前記側面に不純物を注入する工程を更に有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。 According to one aspect of the embodiment, a step of forming a mask in a first region on a semiconductor substrate, a step of forming a recess in the semiconductor substrate by etching the semiconductor substrate using the mask, Forming an insulating layer on the semiconductor substrate and the mask; polishing the insulating layer to expose an upper surface of the mask; removing the mask; and the semiconductor in the first region A gap is generated between the first semiconductor layer and the insulating layer after the step of growing the first semiconductor layer having the inclined side surface on the substrate and the step of growing the first semiconductor layer. as the the steps of side etching of the insulating layer, wherein after the step of side etching of the insulating layer, said first semiconductor layer of the upper surface and the first semiconductor layer a gate insulating film so as sides to cover the Forming, it possesses a step of forming a gate electrode on the gate insulating layer, and forming a source / drain region in the first semiconductor layer on both sides of the gate electrode, removing the mask After the step, before the step of growing the first semiconductor layer, there is further provided a method for manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of injecting impurities into the side surface of the insulating layer .

開示の半導体装置の製造方法によれば、素子分離用の絶縁層により画定された領域の半導体基板上に、側面に傾斜を有する半導体層を成長する。半導体層の側面と素子分離用の絶縁層の側面との間に間隙が生じるため、半導体層の側面が素子分離用の絶縁層により覆われた状態とならず、半導体層の側面とゲート電極との間に素子分離用の絶縁層が挟まれた状態にならない。このため、半導体層の下端にまでゲート電極が確実に対向し、電気的特性のばらつきの小さい3次元構造のトランジスタを有する半導体装置を得ることができる。   According to the disclosed method for manufacturing a semiconductor device, a semiconductor layer having an inclined side surface is grown on a semiconductor substrate in a region defined by an insulating layer for element isolation. Since a gap is generated between the side surface of the semiconductor layer and the side surface of the insulating layer for element isolation, the side surface of the semiconductor layer is not covered with the insulating layer for element isolation. An insulating layer for element isolation is not sandwiched between them. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor device having a transistor with a three-dimensional structure in which the gate electrode is surely opposed to the lower end of the semiconductor layer and the variation in electric characteristics is small.

図1は、第1実施形態による半導体装置を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the first embodiment. 図2は、第1実施形態による半導体装置を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing the semiconductor device according to the first embodiment. 図3は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。FIG. 3 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図4は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。FIG. 4 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図5は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。FIG. 5 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図6は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。FIG. 6 is a process cross-sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図7は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その5)である。FIG. 7 is a process cross-sectional view (part 5) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図8は、第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その6)である。FIG. 8 is a process cross-sectional view (No. 6) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図9は、第2実施形態による半導体装置を示す断面図(その1)である。FIG. 9 is a cross-sectional view (part 1) illustrating the semiconductor device according to the second embodiment. 図10は、第2実施形態による半導体装置を示す断面図(その2)である。FIG. 10 is a cross-sectional view (part 2) illustrating the semiconductor device according to the second embodiment. 図11は、第2実施形態による半導体装置を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing the semiconductor device according to the second embodiment. 図12は、第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。FIG. 12 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. 図13は、第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。FIG. 13 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. 図14は、第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。FIG. 14 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. 図15は、第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。FIG. 15 is a process cross-sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. 図16は、第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その5)である。FIG. 16 is a process cross-sectional view (part 5) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. 図17は、第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その6)である。FIG. 17 is a process cross-sectional view (No. 6) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. 図18は、参考例による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。FIG. 18 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the reference example. 図19は、参考例による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。FIG. 19 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the reference example. 図20は、参考例による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。FIG. 20 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the reference example.

図18乃至図20は、参考例による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。   18 to 20 are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to a reference example.

まず、図18(a)に示すように、例えばシリコンの半導体基板110上の全面に、熱酸化法によりシリコン酸化膜132を形成し、この後、CVD(Chemical Vapor Deposition、化学気相堆積)法によりシリコン窒化膜134を形成する。次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、シリコン窒化膜134及びシリコン酸化膜132をパターニングすることにより、ハードマスク134を形成する。次に、ハードマスク134をマスクとして半導体基板110をエッチングすることにより、素子分離用の溝112を形成する(図18(b)参照)。次に、全面に、シリコン酸化膜114を形成し、この後、CMP(Chemical Mechanical Polishing、化学的機械的研磨)法により、ハードマスク134の表面が露出するまでシリコン酸化膜114を研磨する(図18(c)参照)。次に、シリコン窒化膜134をエッチング除去し、更に、露出したシリコン酸化膜132をエッチング除去する。こうして、溝112内にシリコン酸化膜の素子分離用絶縁層114が形成される(図19(a)参照)。次に、露出した半導体基板10上に例えばシリコンの半導体層118を成長する(図19(b)参照)。次に、例えばドライエッチングにより、シリコン酸化膜114のうちの上側の部分をエッチングする(図19(c)参照)。次に、熱酸化法により、半導体層118の上面及び側面にゲート絶縁膜124を形成する(図20(a)参照)。次に、CVD法によりポリシリコン膜126を形成し、この後、ポリシリコン膜126をパターニングすることにより、ポリシリコンのゲート電極126を形成する(図20(b)参照)。この後、図20(c)に示すように、ゲート電極126の両側の半導体層118にドーパント不純物を導入することにより、ソース/ドレイン領域128を形成する。なお、図20(c)は、半導体層118の長手方向に沿った断面図である。こうして、ゲート電極126とソース/ドレイン領域128とを有する3次元トランジスタ130を有する半導体装置が製造される。   First, as shown in FIG. 18A, for example, a silicon oxide film 132 is formed on the entire surface of a silicon semiconductor substrate 110 by a thermal oxidation method, and then a CVD (Chemical Vapor Deposition) method is performed. Thus, a silicon nitride film 134 is formed. Next, the hard mask 134 is formed by patterning the silicon nitride film 134 and the silicon oxide film 132 using a photolithography technique. Next, the semiconductor substrate 110 is etched using the hard mask 134 as a mask, thereby forming element isolation grooves 112 (see FIG. 18B). Next, a silicon oxide film 114 is formed on the entire surface, and then the silicon oxide film 114 is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) until the surface of the hard mask 134 is exposed (FIG. 18 (c)). Next, the silicon nitride film 134 is removed by etching, and the exposed silicon oxide film 132 is further removed by etching. Thus, the element isolation insulating layer 114 of the silicon oxide film is formed in the trench 112 (see FIG. 19A). Next, a semiconductor layer 118 made of, for example, silicon is grown on the exposed semiconductor substrate 10 (see FIG. 19B). Next, the upper portion of the silicon oxide film 114 is etched by, for example, dry etching (see FIG. 19C). Next, a gate insulating film 124 is formed on the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 118 by a thermal oxidation method (see FIG. 20A). Next, a polysilicon film 126 is formed by a CVD method, and then the polysilicon film 126 is patterned to form a polysilicon gate electrode 126 (see FIG. 20B). Thereafter, as shown in FIG. 20C, dopant impurities are introduced into the semiconductor layer 118 on both sides of the gate electrode 126 to form source / drain regions 128. FIG. 20C is a cross-sectional view along the longitudinal direction of the semiconductor layer 118. Thus, a semiconductor device having the three-dimensional transistor 130 having the gate electrode 126 and the source / drain region 128 is manufactured.

参考例による半導体装置では、図19(c)に示すように、半導体層118の側面の一部が素子分離用絶縁層114により覆われた状態となる。このため、図20(b)に示すように、半導体層118とゲート電極126との間に、素子分離用絶縁層114の一部が挟まった状態になる。素子分離用絶縁層114のエッチング量の面内ばらつきに応じて、トランジスタ130の電気的特性にばらつきが生じる。   In the semiconductor device according to the reference example, a part of the side surface of the semiconductor layer 118 is covered with the element isolation insulating layer 114 as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 20B, a part of the element isolation insulating layer 114 is sandwiched between the semiconductor layer 118 and the gate electrode 126. The electrical characteristics of the transistor 130 vary depending on the in-plane variation in the etching amount of the element isolation insulating layer 114.

[第1実施形態]
第1実施形態による半導体装置及びその製造方法について図1乃至図8を用いて説明する。
[First Embodiment]
The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

(半導体装置)
まず、本実施形態による半導体装置について図1及び図2を用いて説明する。図1は、本実施形態による半導体装置を示す断面図である。図2は、本実施形態による半導体装置を示す平面図である。図1(a)は、図2のA−A′線に対応しており、図1(b)は、図2のB−B′線に対応している。
(Semiconductor device)
First, the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. FIG. 1 is a sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 2 is a plan view of the semiconductor device according to the present embodiment. 1A corresponds to the line AA ′ in FIG. 2, and FIG. 1B corresponds to the line BB ′ in FIG.

半導体基板10には、溝(素子分離溝、凹部)12が形成されている。半導体基板10としては、例えばシリコン基板が用いられている。溝12の深さは、例えば50〜250nm程度とする。   Grooves (element isolation grooves and recesses) 12 are formed in the semiconductor substrate 10. For example, a silicon substrate is used as the semiconductor substrate 10. The depth of the groove 12 is, for example, about 50 to 250 nm.

溝12には、素子分離用の絶縁層(絶縁膜)14が形成されている。絶縁層14としては、例えばシリコン酸化膜が用いられている。溝12に埋め込まれた絶縁層14により、素子分離領域が形成されている。素子分離用の絶縁層14の上部は、図1に示すように凸状になっていてもよいし、平坦であってもよい。   An insulating layer (insulating film) 14 for element isolation is formed in the groove 12. For example, a silicon oxide film is used as the insulating layer 14. An element isolation region is formed by the insulating layer 14 embedded in the groove 12. The upper part of the insulating layer 14 for element isolation may be convex as shown in FIG. 1 or may be flat.

素子分離用の絶縁層14により画定された素子領域16における半導体基板10上には、例えば厚さ15〜60nm程度の半導体層(ボディ、フィン)18が形成されている。かかる半導体層18は、半導体基板10の露出した表面に選択的にエピタキシャル成長されている(選択エピタキシャル成長)。半導体層18の断面は、全体として台形となっている。半導体層18の側面は、半導体基板10の表面に対して垂直ではなく、斜めになっている。即ち、半導体層18は、側面に傾斜を有している。半導体層18の上面と側面との為す角は鈍角となっている。半導体層18の上部の角部20は丸みを帯びている。半導体層18は、例えば単結晶状態となっている。半導体層18の平面形状は、図2に示すように、例えば帯状となっている。半導体層18の幅、即ち、図2の紙面左右方向における半導体18の寸法は、例えば5〜20nm程度とする。半導体層18の長さ、即ち、図2の紙面上下方向における半導体層18の寸法は、例えば200〜500nm程度とする。   A semiconductor layer (body, fin) 18 having a thickness of, for example, about 15 to 60 nm is formed on the semiconductor substrate 10 in the element region 16 defined by the insulating layer 14 for element isolation. The semiconductor layer 18 is selectively epitaxially grown on the exposed surface of the semiconductor substrate 10 (selective epitaxial growth). The cross section of the semiconductor layer 18 is trapezoidal as a whole. The side surface of the semiconductor layer 18 is not perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 10 but is inclined. That is, the semiconductor layer 18 has an inclination on the side surface. The angle formed between the upper surface and the side surface of the semiconductor layer 18 is an obtuse angle. The upper corner 20 of the semiconductor layer 18 is rounded. The semiconductor layer 18 is in a single crystal state, for example. The planar shape of the semiconductor layer 18 is, for example, a belt shape as shown in FIG. The width of the semiconductor layer 18, that is, the dimension of the semiconductor 18 in the left-right direction in FIG. 2 is, for example, about 5 to 20 nm. The length of the semiconductor layer 18, that is, the dimension of the semiconductor layer 18 in the vertical direction in FIG. 2 is, for example, about 200 to 500 nm.

半導体層18の側面は、素子分離用の絶縁層14により覆われていない。半導体層18の側面が素子分離用の絶縁層14により覆われていないため、ゲート電極26と半導体層18、22との間に素子分離用の絶縁層14が挟まれた状態にならず、電気的特性のばらつきの小さい3次元トランジスタ30を得ることができる。   The side surface of the semiconductor layer 18 is not covered with the insulating layer 14 for element isolation. Since the side surface of the semiconductor layer 18 is not covered with the insulating layer 14 for element isolation, the insulating layer 14 for element isolation is not sandwiched between the gate electrode 26 and the semiconductor layers 18 and 22, Thus, the three-dimensional transistor 30 having a small variation in the physical characteristics can be obtained.

半導体層18の上面及び側面には、例えば厚さ5〜15nm程度の半導体層22が形成されている。上述したように、半導体層18の上部の角部20は丸みを帯びている。しかも、上述したように、半導体層18の上面と下面との為す角は鈍角である。このため、本実施形態によれば、良質な半導体層22を半導体層18上に形成することが可能である。半導体層22の材料としては、半導体層18と格子定数が異なる材料が用いられている。格子定数が半導体層18と異なる半導体層22を形成することにより、半導体層22に応力を生じさせることができ、キャリア移動度の向上を図ることができる。半導体層18の材料としてSiを用いる場合には、半導体層22の材料として例えばSiGeやSiC等が用いられる。   A semiconductor layer 22 having a thickness of, for example, about 5 to 15 nm is formed on the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 18. As described above, the corner 20 at the top of the semiconductor layer 18 is rounded. Moreover, as described above, the angle formed between the upper surface and the lower surface of the semiconductor layer 18 is an obtuse angle. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to form the high-quality semiconductor layer 22 on the semiconductor layer 18. As the material of the semiconductor layer 22, a material having a lattice constant different from that of the semiconductor layer 18 is used. By forming the semiconductor layer 22 having a lattice constant different from that of the semiconductor layer 18, stress can be generated in the semiconductor layer 22 and carrier mobility can be improved. When Si is used as the material of the semiconductor layer 18, for example, SiGe or SiC is used as the material of the semiconductor layer 22.

なお、半導体層22の材料はSiGeやSiCに限定されるものではない。格子定数が半導体層18と異なる材料を、半導体層22の材料として適宜用いることができる。   The material of the semiconductor layer 22 is not limited to SiGe or SiC. A material having a lattice constant different from that of the semiconductor layer 18 can be appropriately used as the material of the semiconductor layer 22.

半導体層22の上面及び側面には、例えば膜厚2〜5nm程度のゲート絶縁膜24が形成されている。ゲート絶縁膜24としては、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等が用いられる。   On the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 22, for example, a gate insulating film 24 having a thickness of about 2 to 5 nm is formed. As the gate insulating film 24, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like is used.

なお、ゲート絶縁膜24として、例えば酸化ハフニウム等の高誘電率材料を用いてもよい。   As the gate insulating film 24, a high dielectric constant material such as hafnium oxide may be used.

半導体層18,22及びゲート絶縁膜24等が形成された半導体基板10上には、ゲート電極26が形成されている。ゲート電極26の平面形状は、図2に示すように、例えば帯状とする。ゲート電極26の長手方向は、半導体層18,22の長手方向と交差している。ゲート電極26は、ゲート絶縁膜24を介して半導体層18,22の上面及び側面と対向している。ゲート電極26の厚さ、即ち、半導体基板10の上面とゲート電極26の上面との間の寸法は、例えば10〜30nm程度とする。ゲート電極26の材料としては、例えばポリシリコンが用いられている。Nチャネル型のトランジスタである場合には、ゲート電極26の導電型はN型となっている。Pチャネル型のトランジスタである場合には、ゲート電極26の導電型はP型となっている。   A gate electrode 26 is formed on the semiconductor substrate 10 on which the semiconductor layers 18 and 22 and the gate insulating film 24 are formed. The planar shape of the gate electrode 26 is, for example, a belt shape as shown in FIG. The longitudinal direction of the gate electrode 26 intersects the longitudinal direction of the semiconductor layers 18 and 22. The gate electrode 26 is opposed to the upper and side surfaces of the semiconductor layers 18 and 22 with the gate insulating film 24 interposed therebetween. The thickness of the gate electrode 26, that is, the dimension between the upper surface of the semiconductor substrate 10 and the upper surface of the gate electrode 26 is, for example, about 10 to 30 nm. For example, polysilicon is used as the material of the gate electrode 26. In the case of an N-channel transistor, the conductivity type of the gate electrode 26 is N-type. In the case of a P-channel transistor, the conductivity type of the gate electrode 26 is P-type.

なお、ゲート電極26の材料は、ポリシリコンに限定されるものではない。例えば、ゲート電極26の材料として金属を用いてもよい。Nチャネル型のトランジスタである場合には、ゲート電極26の材料として例えばTaN、Ta、Al等を用いる。Pチャネル型のトランジスタである場合には、ゲート電極26の材料として例えばTiN、Ti、Al等を用いる。   The material of the gate electrode 26 is not limited to polysilicon. For example, a metal may be used as the material for the gate electrode 26. In the case of an N-channel transistor, for example, TaN, Ta, Al or the like is used as the material of the gate electrode 26. In the case of a P-channel transistor, for example, TiN, Ti, Al or the like is used as the material of the gate electrode 26.

ゲート電極26の両側の半導体層18,22には、ソース/ドレイン領域28が形成されている。Nチャネル型のトランジスタである場合には、N型のソース/ドレイン領域28が形成されている。Pチャネル型のトランジスタである場合には、P型のソース/ドレイン領域28が形成されている。   Source / drain regions 28 are formed in the semiconductor layers 18 and 22 on both sides of the gate electrode 26. In the case of an N-channel transistor, an N-type source / drain region 28 is formed. In the case of a P-channel type transistor, a P-type source / drain region 28 is formed.

こうして、ゲート電極26とソース/ドレイン領域28とを有する3次元トランジスタ30を有する半導体装置が形成されている。   Thus, a semiconductor device having the three-dimensional transistor 30 having the gate electrode 26 and the source / drain region 28 is formed.

このように、本実施形態によれば、半導体層18,22の側面に傾斜を有している。このため、半導体層18,22の側面の一部が素子分離用の絶縁層14により覆われておらず、半導体層18,22とゲート電極26との間には素子分離用の絶縁層14が挟まれていない。このため、本実施形態によれば、半導体層18,22の下端にまでゲート電極26が確実に対向し、電気的特性のばらつきの小さい3次元トランジスタ30を有する半導体装置を得ることができる。   Thus, according to the present embodiment, the side surfaces of the semiconductor layers 18 and 22 are inclined. Therefore, part of the side surfaces of the semiconductor layers 18 and 22 are not covered with the element isolation insulating layer 14, and the element isolation insulating layer 14 is provided between the semiconductor layers 18 and 22 and the gate electrode 26. It is not pinched. For this reason, according to the present embodiment, it is possible to obtain a semiconductor device having the three-dimensional transistor 30 in which the gate electrode 26 is reliably opposed to the lower ends of the semiconductor layers 18 and 22 and the variation in electrical characteristics is small.

また、本実施形態によれば、半導体層18の上面と下面との為す角が鈍角であり、しかも、半導体層18の上部の角部20が丸みを帯びている。このため、本実施形態によれば、半導体層18の上面及び側面に良質な半導体層22を形成することができる。良質な半導体層22を形成することができるため、所望の応力を半導体層22に生じさせることができ、キャリア移動度の向上を図ることができる。   In addition, according to the present embodiment, the angle formed between the upper surface and the lower surface of the semiconductor layer 18 is an obtuse angle, and the corner 20 at the top of the semiconductor layer 18 is rounded. Therefore, according to the present embodiment, the high-quality semiconductor layer 22 can be formed on the upper surface and the side surface of the semiconductor layer 18. Since a high-quality semiconductor layer 22 can be formed, desired stress can be generated in the semiconductor layer 22 and carrier mobility can be improved.

(半導体装置の製造方法)
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図3乃至図8を用いて説明する。図3乃至図8は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 3 to 8 are process cross-sectional views illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment.

まず、例えば熱酸化法により、半導体基板10上に、例えば膜厚10〜20nm程度のシリコン酸化膜32を形成する。半導体基板10としては、例えばシリコン基板を用いる。   First, a silicon oxide film 32 of, eg, a thickness of about 10 to 20 nm is formed on the semiconductor substrate 10 by, eg, thermal oxidation. For example, a silicon substrate is used as the semiconductor substrate 10.

次に、例えばCVD法により、例えば膜厚40〜100nm程度のシリコン窒化膜34を形成する。シリコン窒化膜34は、マスク(ハードマスク)を形成するためのものである。   Next, a silicon nitride film 34 having a thickness of, for example, about 40 to 100 nm is formed by, eg, CVD. The silicon nitride film 34 is for forming a mask (hard mask).

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、シリコン酸化膜34及びシリコン窒化膜32をパターニングする。これにより、シリコン窒化膜のハードマスク34が形成される(図3(a)参照)。ハードマスク34は後工程においてエッチング除去され、ハードマスク34が除去された箇所には後工程において半導体層18が形成される。従って、ハードマスク34の平面形状は、半導体層18の平面形状に設定される。ハードマスク34の平面形状は、例えば帯状とする。   Next, the silicon oxide film 34 and the silicon nitride film 32 are patterned using a photolithography technique. Thereby, a hard mask 34 of silicon nitride film is formed (see FIG. 3A). The hard mask 34 is etched away in a later step, and the semiconductor layer 18 is formed in a later step where the hard mask 34 is removed. Accordingly, the planar shape of the hard mask 34 is set to the planar shape of the semiconductor layer 18. The planar shape of the hard mask 34 is, for example, a band shape.

次に、ハードマスク34をマスクとして、半導体基板10をドライエッチングすることにより、半導体基板10に溝(凹部)12を形成する(図3(b)参照)。かかる溝12は、素子分離領域14を形成するためのものである。溝12の深さは、例えば50〜250nm程度とする。   Next, by using the hard mask 34 as a mask, the semiconductor substrate 10 is dry-etched to form grooves (recesses) 12 in the semiconductor substrate 10 (see FIG. 3B). The groove 12 is for forming the element isolation region 14. The depth of the groove 12 is, for example, about 50 to 250 nm.

次に、全面に、例えばCVD法により、例えば膜厚100〜300nm程度の素子分離用の絶縁層14を形成する。素子分離用の絶縁層14の材料としては、ハードマスク34とはエッチング特性が異なる材料を用いる。ここでは、素子分離用の絶縁層14として、例えばシリコン酸化膜を形成する。   Next, an insulating layer 14 for element isolation having a thickness of, for example, about 100 to 300 nm is formed on the entire surface by, eg, CVD. As a material of the insulating layer 14 for element isolation, a material having etching characteristics different from that of the hard mask 34 is used. Here, for example, a silicon oxide film is formed as the insulating layer 14 for element isolation.

次に、例えばCMP法により、ハードマスク34の表面が露出するまで素子分離用の絶縁層14を研磨する(図4(a)参照)。   Next, the insulating layer 14 for element isolation is polished by, for example, CMP until the surface of the hard mask 34 is exposed (see FIG. 4A).

次に、例えばウェットエッチングにより、ハードマスク34を除去する。エッチング液としては、例えばリン酸を用いる。   Next, the hard mask 34 is removed by wet etching, for example. For example, phosphoric acid is used as the etching solution.

次に、例えばウェットエッチングにより、ハードマスク34の直下に存在していたシリコン酸化膜32を除去する(図4(b)参照)。シリコン酸化膜32をエッチング除去する際には、素子分離用の絶縁層14の表面も若干エッチングされるが、シリコン酸化膜32の膜厚に比べて素子分離用の絶縁層14のサイズが十分に大きいため、特段の問題は生じない。   Next, the silicon oxide film 32 existing immediately below the hard mask 34 is removed by wet etching, for example (see FIG. 4B). When the silicon oxide film 32 is removed by etching, the surface of the insulating layer 14 for element isolation is also slightly etched, but the size of the insulating layer 14 for element isolation is sufficiently larger than the thickness of the silicon oxide film 32. Because it is large, no particular problem occurs.

こうして、ハードマスク34により覆われていた領域16における半導体基板10の表面が露出する。素子分離用の絶縁層14のうちの上側の部分は、半導体基板10の上面より上方に突出した状態となる(図4(b)参照)。   In this way, the surface of the semiconductor substrate 10 in the region 16 covered with the hard mask 34 is exposed. The upper part of the element isolation insulating layer 14 protrudes upward from the upper surface of the semiconductor substrate 10 (see FIG. 4B).

次に、図5(a)に示すように、例えばイオン注入法により、半導体基板10の表面に対して斜めの方向から、不純物の注入を行う(傾斜イオン注入)。露出している半導体基板10の表面に不純物が注入されないように、不純物を注入する角度が設定される。露出している半導体基板10の表面に不純物を注入しないようにするのは、露出している半導体基板10の表面に不純物が注入されると、ソース領域28とドレイン領域28とが半導体基板10表面の不純物層を介して電気的に短絡してしまう虞があるためである。こうして、不純物が注入された不純物注入層14aが素子分離用の絶縁層14の上面及び側面に形成される。素子分離用の絶縁層14の上面及び側面に不純物を注入するのは、不純物が注入された部分においては、フッ酸等のエッチング液に対するエッチングレートが速くなるためである。エッチングレートを速くすれば、エッチング時間を短くすることができる。エッチング時間が短くなれば、エッチング量の面内ばらつきが小さくなり、ひいては、3次元トランジスタ30の電気的特性のばらつきが低減される。素子分離用の絶縁層14の上面及び側面に注入する不純物としては、例えば燐(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)等を用いることができる。   Next, as shown in FIG. 5A, impurities are implanted from a direction oblique to the surface of the semiconductor substrate 10 by, eg, ion implantation (gradient ion implantation). The angle at which the impurity is implanted is set so that the impurity is not implanted into the exposed surface of the semiconductor substrate 10. The reason why impurities are not implanted into the exposed surface of the semiconductor substrate 10 is that when the impurities are implanted into the exposed surface of the semiconductor substrate 10, the source region 28 and the drain region 28 are formed on the surface of the semiconductor substrate 10. This is because there is a risk of an electrical short circuit through the impurity layer. In this way, impurity-implanted layers 14a into which impurities are implanted are formed on the upper surface and side surfaces of the isolation layer 14 for element isolation. The reason why the impurity is implanted into the upper surface and the side surface of the insulating layer 14 for element isolation is that the etching rate with respect to an etching solution such as hydrofluoric acid is increased in the portion where the impurity is implanted. If the etching rate is increased, the etching time can be shortened. When the etching time is shortened, the in-plane variation of the etching amount is reduced, and consequently the variation of the electrical characteristics of the three-dimensional transistor 30 is reduced. For example, phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), or the like can be used as an impurity to be implanted into the upper surface and side surfaces of the insulating layer 14 for element isolation.

次に、素子分離領域14により画定された素子領域16における半導体基板10の表面に、例えば厚さ15〜60nm程度の半導体層(ボディ)18をエピタキシャル成長する(図5(b)参照)。半導体層18としては、例えばシリコン層を形成する。この際、選択エピタキシャル成長により、半導体層18を成長させることが好ましい。選択エピタキシャル成長とは、高い選択性を有する成長方法であり、半導体基板10の露出した表面に半導体層18を選択的にエピタキシャル成長させるものである。半導体層18の成長する際の成長条件を適宜設定することにより、半導体層18を選択エピタキシャル成長させることが可能である。選択エピタキシャル成長を行えば、素子分離用の絶縁層14上には半導体層18は成長せず、素子分離領域14により画定された素子領域16における半導体基板10の表面に半導体層18が選択的にエピタキシャル成長する。   Next, a semiconductor layer (body) 18 having a thickness of, for example, about 15 to 60 nm is epitaxially grown on the surface of the semiconductor substrate 10 in the element region 16 defined by the element isolation region 14 (see FIG. 5B). For example, a silicon layer is formed as the semiconductor layer 18. At this time, it is preferable to grow the semiconductor layer 18 by selective epitaxial growth. The selective epitaxial growth is a growth method having high selectivity, in which the semiconductor layer 18 is selectively epitaxially grown on the exposed surface of the semiconductor substrate 10. The semiconductor layer 18 can be selectively epitaxially grown by appropriately setting the growth conditions when the semiconductor layer 18 is grown. If selective epitaxial growth is performed, the semiconductor layer 18 does not grow on the insulating layer 14 for element isolation, and the semiconductor layer 18 is selectively epitaxially grown on the surface of the semiconductor substrate 10 in the element region 16 defined by the element isolation region 14. To do.

選択エピタキシャル成長の条件は、例えば以下の通りである。原料ガスとしては、例えばSiHCl(ジクロロシラン)ガス、Hガス、及び、HClガスを用いる。SiHClガスの流量は、例えば10〜50slm(Standard liter per minute)程度とする。Hガスの流量は、例えば20〜50slm程度とする。HClガスの流量は、例えば0.1〜0.3slm程度とする。成長温度は、例えば900〜1000℃程度とする。成膜室内の圧力は、例えば10〜20Torr程度とする。このような条件で半導体層18を成長させると、半導体基板10の露出した表面に半導体層18が選択的にエピタキシャル成長する。 The conditions for selective epitaxial growth are, for example, as follows. As the raw material gas, for example, SiH 2 Cl 2 (dichlorosilane) gas, H 2 gas, and, with HCl gas. The flow rate of the SiH 2 Cl 2 gas is, for example, about 10 to 50 slm (Standard liter per minute). The flow rate of H 2 gas is, for example, about 20 to 50 slm. The flow rate of HCl gas is, for example, about 0.1 to 0.3 slm. The growth temperature is about 900 to 1000 ° C., for example. The pressure in the film forming chamber is, for example, about 10 to 20 Torr. When the semiconductor layer 18 is grown under such conditions, the semiconductor layer 18 is selectively epitaxially grown on the exposed surface of the semiconductor substrate 10.

原料ガス中におけるHClガスの流量比を大きく設定すると、半導体層18の成長選択比が高くなり、絶縁膜14上への半導体層18の成長が抑制される傾向がある。一方、原料ガス中におけるHClガスの流量比を小さく設定すると、半導体層18の成長選択比が低くなり、絶縁膜14上に半導体層18が成長されやすくなる傾向がある。従って、半導体基板10の露出した表面に半導体層18を選択エピタキシャル成長させるべく、原料ガス中におけるHClガスの流量比は小さめに設定される。   If the flow rate ratio of HCl gas in the source gas is set large, the growth selection ratio of the semiconductor layer 18 increases, and the growth of the semiconductor layer 18 on the insulating film 14 tends to be suppressed. On the other hand, if the flow rate ratio of HCl gas in the source gas is set small, the growth selection ratio of the semiconductor layer 18 is lowered, and the semiconductor layer 18 tends to grow on the insulating film 14. Accordingly, the flow rate ratio of HCl gas in the source gas is set to be small so that the semiconductor layer 18 is selectively epitaxially grown on the exposed surface of the semiconductor substrate 10.

こうして、単結晶状態の半導体層18が例えば帯状に形成される。半導体層18の幅は、例えば5〜20nm程度とする。半導体層18の長さは、例えば200〜500nm程度とする。   Thus, the single crystal semiconductor layer 18 is formed in, for example, a belt shape. The width of the semiconductor layer 18 is, for example, about 5 to 20 nm. The length of the semiconductor layer 18 is, for example, about 200 to 500 nm.

選択エピタキシャル成長により半導体層18を成長すると、半導体層18の断面形状は、全体として台形となる。半導体層18の側面は、半導体基板10の表面に対して垂直とはならず、斜めになる。このため、半導体層18の側面と素子分離用の絶縁層14の側面との間に間隙が生じる。半導体層18の上面と側面との為す角は、鈍角となる。こうして、側面が素子分離用の絶縁層14の側面と接していない半導体層18が形成される。   When the semiconductor layer 18 is grown by selective epitaxial growth, the cross-sectional shape of the semiconductor layer 18 becomes a trapezoid as a whole. The side surface of the semiconductor layer 18 is not perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 10 but is inclined. Therefore, a gap is generated between the side surface of the semiconductor layer 18 and the side surface of the element isolation insulating layer 14. The angle formed between the upper surface and the side surface of the semiconductor layer 18 is an obtuse angle. Thus, the semiconductor layer 18 whose side surface is not in contact with the side surface of the element isolation insulating layer 14 is formed.

次に、熱酸化法により、半導体層18の上面及び側面に膜厚5〜10nm程度のシリコン酸化膜36を形成する(図6(a)参照)。かかるシリコン酸化膜36は、犠牲酸化膜として機能し得るものである。   Next, a silicon oxide film 36 having a thickness of about 5 to 10 nm is formed on the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 18 by thermal oxidation (see FIG. 6A). The silicon oxide film 36 can function as a sacrificial oxide film.

次に、素子分離用の絶縁層14のうちの上側の部分をエッチングする(図6(b)参照)。エッチング方法としては、例えばウェットエッチングを用いる。エッチング液としては、例えばフッ酸を用いる。半導体層18の側面と素子分離用の絶縁層14の側面とが接していないため、半導体層18と素子分離用の絶縁層14との間の間隙にエッチャントが供給される。このため、素子分離用の絶縁層14の上面からエッチングが進行するのみならず、素子分離用の絶縁層14の側面からもエッチングが進行する。また、上述したように素子分離用の絶縁層14の上面及び側面には不純物が導入されており、素子分離用の絶縁層14の上面及び側面においてはフッ酸等のエッチング液に対するエッチングレートが比較的速くなっている。従って、素子分離用の絶縁層14のうちの上側の部分をエッチングする際のエッチング時間は比較的短い。エッチング時間が比較的短いため、エッチング量の面内ばらつきが比較的小さく、従って、3次元トランジスタ30の電気的特性のばらつきが小さくなる。エッチングされた素子分離用の絶縁層14の上面は、図6(b)に示すように凸状になっていてもよいし、平坦になっていてもよい。素子分離用の絶縁層14のうちの上側の部分をエッチングする際には、半導体層18の上面及び側面に形成されていたシリコン酸化膜36もエッチング除去される。シリコン酸化膜36がエッチング除去された後においては、半導体層18の上部の角部は、図6(b)に示すように、丸みを帯びた状態となる。   Next, the upper part of the insulating layer 14 for element isolation is etched (see FIG. 6B). As the etching method, for example, wet etching is used. For example, hydrofluoric acid is used as the etchant. Since the side surface of the semiconductor layer 18 and the side surface of the element isolation insulating layer 14 are not in contact with each other, the etchant is supplied to the gap between the semiconductor layer 18 and the element isolation insulating layer 14. Therefore, etching proceeds not only from the upper surface of the element isolation insulating layer 14 but also from the side surfaces of the element isolation insulating layer 14. Further, as described above, impurities are introduced into the upper surface and the side surface of the insulating layer 14 for element isolation, and the etching rates with respect to etching solutions such as hydrofluoric acid are compared on the upper surface and the side surface of the insulating layer 14 for element isolation. Is getting faster. Therefore, the etching time for etching the upper portion of the element isolation insulating layer 14 is relatively short. Since the etching time is relatively short, the in-plane variation of the etching amount is relatively small, and hence the variation in the electrical characteristics of the three-dimensional transistor 30 is small. The etched upper surface of the element isolation insulating layer 14 may be convex as shown in FIG. 6B or may be flat. When the upper portion of the insulating layer 14 for element isolation is etched, the silicon oxide film 36 formed on the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 18 is also removed by etching. After the silicon oxide film 36 is removed by etching, the upper corner of the semiconductor layer 18 is rounded as shown in FIG.

なお、ここでは、素子分離用の絶縁層14のうちの上側の部分をエッチングする際に、ウェットエッチングだけを用いる場合を例に説明したが、ドライエッチングとウェットエッチングとを組み合わせてもよい。ドライエッチングとしては、例えばRIE(Reactive Ion Etching、反応性イオンエッチング)法等を用いることができる。半導体層18の上面及び側面に形成されたシリコン酸化膜36は熱酸化法により形成されたものであるため、CVD法により形成された素子分離用の絶縁層14よりもエッチング速度が遅い。このため、ドライエッチングの際には、半導体層18の上面及び側面に形成されたシリコン酸化膜36は半導体層18に対する保護膜として機能し得る。シリコン酸化膜36が保護膜として機能するため、ドライエッチングを行う場合であっても、半導体層18にダメージが加わるのを防止することができる。シリコン酸化膜36のエッチングレートは素子分離用の絶縁層14のエッチングレートよりは遅いものの、素子分離用の絶縁層14をエッチングする過程で、シリコン酸化膜36も徐々にエッチングされる。シリコン酸化膜36の膜厚があまりに薄くなると、半導体層18を十分に保護し得なくなるため、素子分離用の絶縁層14のうちの上側の部分をドライエッチングだけでエッチングすることは好ましくはない。このため、シリコン酸化膜36が過度に薄くなる前の段階で、素子分離用の絶縁層14に対するドライエッチングを終了する。そして、ウェットエッチングにより素子分離用の絶縁層14を更にエッチングする。ウェットエッチングにより素子分離用の絶縁層14を更にエッチングする際には、半導体層18の上面及び側面のシリコン酸化膜36もエッチング除去される。   Although the case where only wet etching is used when etching the upper portion of the insulating layer 14 for element isolation has been described here as an example, dry etching and wet etching may be combined. As the dry etching, for example, RIE (Reactive Ion Etching) method or the like can be used. Since the silicon oxide film 36 formed on the upper and side surfaces of the semiconductor layer 18 is formed by a thermal oxidation method, the etching rate is slower than that of the insulating layer 14 for element isolation formed by the CVD method. Therefore, during dry etching, the silicon oxide film 36 formed on the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 18 can function as a protective film for the semiconductor layer 18. Since the silicon oxide film 36 functions as a protective film, damage to the semiconductor layer 18 can be prevented even when dry etching is performed. Although the etching rate of the silicon oxide film 36 is slower than the etching rate of the element isolation insulating layer 14, the silicon oxide film 36 is also gradually etched in the process of etching the element isolation insulating layer 14. If the film thickness of the silicon oxide film 36 becomes too thin, the semiconductor layer 18 cannot be sufficiently protected. Therefore, it is not preferable to etch the upper part of the element isolation insulating layer 14 only by dry etching. Therefore, the dry etching for the element isolation insulating layer 14 is completed before the silicon oxide film 36 becomes excessively thin. Then, the insulating layer 14 for element isolation is further etched by wet etching. When the insulating layer 14 for element isolation is further etched by wet etching, the silicon oxide films 36 on the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 18 are also removed by etching.

このように、ドライエッチングとウェットエッチングとを組み合わせて素子分離用の絶縁層14のうちの上側の部分をエッチングするようにしてもよい。   In this manner, the upper portion of the element isolation insulating layer 14 may be etched by combining dry etching and wet etching.

次に、半導体層18の上面及び側面に、例えば厚さ5〜15nm程度の半導体層22をエピタキシャル成長する(図7(a)参照)。半導体層22の材料としては、半導体層18と格子定数が異なる材料を用いる。半導体層18と異なる格子定数の半導体層22を形成することにより、半導体層22に応力を生じさせることができ、キャリア移動度の向上を図ることができる。半導体層18の上部の角部は鈍角となっており、しかも、丸みを帯びた状態となっている。このため、良好な半導体層22を半導体層18上に形成することができる。良好な半導体層22を形成することができるため、所望の応力を生じさせることができ、キャリア移動度を十分に向上させることができる。半導体層18の材料がSiである場合には、半導体層22の材料として例えばSiGeやSiC等を用いることができる。   Next, a semiconductor layer 22 having a thickness of, for example, about 5 to 15 nm is epitaxially grown on the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 18 (see FIG. 7A). As the material of the semiconductor layer 22, a material having a lattice constant different from that of the semiconductor layer 18 is used. By forming the semiconductor layer 22 having a lattice constant different from that of the semiconductor layer 18, stress can be generated in the semiconductor layer 22 and carrier mobility can be improved. The upper corner of the semiconductor layer 18 has an obtuse angle and is rounded. Therefore, a good semiconductor layer 22 can be formed on the semiconductor layer 18. Since a favorable semiconductor layer 22 can be formed, desired stress can be generated and carrier mobility can be sufficiently improved. When the material of the semiconductor layer 18 is Si, for example, SiGe or SiC can be used as the material of the semiconductor layer 22.

半導体層22の材料としてSiGeを用いる場合の成長条件は、例えば以下の通りとする。即ち、チャンバ内の圧力は、例えば1×10−3〜1×10−1Pa程度とする。基板温度は、例えば450〜650℃程度とする。原料ガスとしては、SiガスとGeFガスとを用いる。SiガスとGeFガスとの流量比は、例えば40:1〜80:1の範囲内とする。 The growth conditions when SiGe is used as the material of the semiconductor layer 22 are, for example, as follows. That is, the pressure in the chamber is, for example, about 1 × 10 −3 to 1 × 10 −1 Pa. The substrate temperature is about 450 to 650 ° C., for example. As source gas, Si 2 H 6 gas and GeF 4 gas are used. The flow rate ratio between Si 2 H 6 gas and GeF 4 gas is, for example, in the range of 40: 1 to 80: 1.

半導体層22の材料として、SiCを用いる場合には、以下のようにして半導体層22を成長する。即ち、まず、以下のような条件で炭化工程が行われる。チャンバ内の圧力は、例えば10Torr程度とする。原料ガスとしては、HガスとCガスとを用いる。Hガスの流量は、例えば1.0リットル/分程度とする。Cガスの流量は、10sccm程度とする。例えば2分間で1150℃に急速加熱した後、例えば2分間程度の炭化が行われる。この炭化工程の後、引き続き、以下のような条件でSiCの成長が行われる。チャンバ内の圧力は、例えば10Torr程度とする。基板温度は、例えば1150℃程度とする。原料ガスとしては、HガスとCガスとSiHガスとを用いる。Hガスの流量は、例えば8.0リットル/分程度とする。Cガスの流量は、1.33sccm程度とする。SiHガスの流量は、例えば0.8sccm程度とする。 When SiC is used as the material of the semiconductor layer 22, the semiconductor layer 22 is grown as follows. That is, first, the carbonization process is performed under the following conditions. The pressure in the chamber is, for example, about 10 Torr. As the source gas, H 2 gas and C 3 H 8 gas are used. The flow rate of H 2 gas is, for example, about 1.0 liter / min. The flow rate of the C 3 H 8 gas is about 10 sccm. For example, after rapid heating to 1150 ° C. in 2 minutes, carbonization is performed for about 2 minutes, for example. After the carbonization step, SiC is grown under the following conditions. The pressure in the chamber is, for example, about 10 Torr. The substrate temperature is about 1150 ° C., for example. As the source gas, H 2 gas, C 3 H 8 gas, and SiH 4 gas are used. The flow rate of H 2 gas is, for example, about 8.0 liters / minute. The flow rate of the C 3 H 8 gas is about 1.33 sccm. The flow rate of the SiH 4 gas is, for example, about 0.8 sccm.

なお、半導体層22の材料はSiGeやSiCに限定されるものではない。半導体層18の格子定数と異なる格子定数を有する材料を半導体層22の材料として適宜用いることができる。例えば、半導体層18の材料がSiGeやSiCである場合には、半導体層22の材料としてSi等を用いてもよい。   The material of the semiconductor layer 22 is not limited to SiGe or SiC. A material having a lattice constant different from that of the semiconductor layer 18 can be appropriately used as the material of the semiconductor layer 22. For example, when the material of the semiconductor layer 18 is SiGe or SiC, Si or the like may be used as the material of the semiconductor layer 22.

次に、例えば熱酸化法により、半導体層22の上面及び側面に、例えば膜厚2〜5nm程度のゲート絶縁膜24を形成する(図7(b)参照)。ゲート絶縁膜24としては、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等を形成する。   Next, a gate insulating film 24 having a film thickness of, for example, about 2 to 5 nm is formed on the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 22 by, eg, thermal oxidation (see FIG. 7B). For example, a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed as the gate insulating film 24.

なお、ゲート絶縁膜24として、例えば酸化ハフニウム等の高誘電率膜を形成してもよい。   As the gate insulating film 24, a high dielectric constant film such as hafnium oxide may be formed.

次に、例えばCVD法により、例えば膜厚10〜30nm程度のポリシリコン膜26を形成する。   Next, a polysilicon film 26 of, eg, a thickness of about 10 to 30 nm is formed by, eg, CVD.

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、ポリシリコン膜をパターニングする。これにより、ポリシリコンのゲート電極26が形成される(図8参照)。ゲート電極26の平面形状は、例えば帯状とする。ゲート電極26の長手方向と半導体層18の長手方向とが互いに交差するように、ゲート電極26のパターンが形成される。   Next, the polysilicon film is patterned using a photolithography technique. As a result, a polysilicon gate electrode 26 is formed (see FIG. 8). The planar shape of the gate electrode 26 is, for example, a band shape. The pattern of the gate electrode 26 is formed so that the longitudinal direction of the gate electrode 26 and the longitudinal direction of the semiconductor layer 18 intersect each other.

次に、ゲート電極26をマスクとし、例えばイオン注入法により、ゲート電極26の両側の半導体層18にドーパント不純物を導入する。これにより、ゲート電極26の両側の半導体層18、22に、ソース/ドレイン領域28が形成される。この際、ゲート電極26にもドーパント不純物が導入される。Nチャネル型のトランジスタ30を形成する場合には、N型のドーパント不純物をゲート電極26、ソース/ドレイン領域28に導入する。一方、Pチャネル型のトランジスタ30を形成する場合には、P型のドーパント不純物をゲート電極26及びソース/ドレイン領域28に導入する。   Next, dopant impurities are introduced into the semiconductor layer 18 on both sides of the gate electrode 26 by, for example, ion implantation using the gate electrode 26 as a mask. As a result, source / drain regions 28 are formed in the semiconductor layers 18 and 22 on both sides of the gate electrode 26. At this time, dopant impurities are also introduced into the gate electrode 26. In the case of forming the N-channel transistor 30, an N-type dopant impurity is introduced into the gate electrode 26 and the source / drain region 28. On the other hand, when forming a P-channel transistor 30, a P-type dopant impurity is introduced into the gate electrode 26 and the source / drain region 28.

この後、ゲート電極26及びソース/ドレイン領域28に導入したドーパント不純物を活性化するための熱処理が行われる。   Thereafter, heat treatment for activating the dopant impurities introduced into the gate electrode 26 and the source / drain regions 28 is performed.

こうして、3次元トランジスタ30を有する本実施形態による半導体装置が製造される。   Thus, the semiconductor device according to the present embodiment having the three-dimensional transistor 30 is manufactured.

このように、本実施形態によれば、素子分離用の絶縁層14により画定された領域上に側面に傾斜を有する半導体層18を成長するため、半導体層18の側面と素子分離用の絶縁層14との間に間隙が生じる。このため、本実施形態によれば、半導体層18の側面の一部が素子分離用の絶縁層14により覆われた状態にならず、素子分離用の絶縁層14が半導体層18、22とゲート電極26との間に挟まれた状態にならない。本実施形態によれば、半導体層18,22の下端にまでゲート電極26が確実に対向するため、電気的特性のばらつきの小さい3次元トランジスタ30を得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the semiconductor layer 18 having an inclined side surface is grown on the region defined by the element isolation insulating layer 14, and therefore, the side surfaces of the semiconductor layer 18 and the element isolation insulating layer are grown. A gap is formed between the two. For this reason, according to the present embodiment, a part of the side surface of the semiconductor layer 18 is not covered with the element isolation insulating layer 14, and the element isolation insulating layer 14 is connected to the semiconductor layers 18 and 22 and the gate. It is not in a state of being sandwiched between the electrodes 26. According to the present embodiment, since the gate electrode 26 is surely opposed to the lower ends of the semiconductor layers 18 and 22, the three-dimensional transistor 30 with small variation in electrical characteristics can be obtained.

また、本実施形態によれば、素子分離用の絶縁層14のうちの上側の部分をエッチングする際に、素子分離用の絶縁層14の側面と半導体層18の側面との間の間隙にエッチャントが供給される。このため、素子分離用の絶縁層14の上面からエッチングが進行するのみならず、素子分離用の絶縁層14の側面からもエッチングが進行する。また、本実施形態によれば、素子分離用の絶縁層14の上面及び側面に不純物を導入するため、フッ酸等のエッチング液に対するエッチングレートが素子分離用の絶縁層14の上面及び側面において速くなっている。このため、本実施形態によれば、素子分離用の絶縁層14のうちの上側の部分を比較的短い時間でエッチングすることができる。エッチング時間が比較的短いため、エッチング量の面内ばらつきを小さくすることができる。エッチング量の面内ばらつきが小さいことは、電気的特性のばらつきの低減に資する。   Further, according to the present embodiment, when the upper portion of the element isolation insulating layer 14 is etched, an etchant is formed in the gap between the side surface of the element isolation insulating layer 14 and the side surface of the semiconductor layer 18. Is supplied. Therefore, etching proceeds not only from the upper surface of the element isolation insulating layer 14 but also from the side surfaces of the element isolation insulating layer 14. Further, according to the present embodiment, since impurities are introduced into the upper surface and side surfaces of the element isolation insulating layer 14, the etching rate with respect to an etching solution such as hydrofluoric acid is fast on the upper surface and side surfaces of the element isolation insulating layer 14. It has become. Therefore, according to the present embodiment, the upper portion of the element isolation insulating layer 14 can be etched in a relatively short time. Since the etching time is relatively short, the in-plane variation of the etching amount can be reduced. A small in-plane variation in the etching amount contributes to a reduction in variation in electrical characteristics.

このように、本実施形態によれば、電気的特性のばらつきの小さい3次元トランジスタ30を有する半導体装置を提供することができる。   Thus, according to the present embodiment, a semiconductor device having the three-dimensional transistor 30 with small variation in electrical characteristics can be provided.

[第2実施形態]
第2実施形態による半導体装置及びその製造方法を図9乃至図17を用いて説明する。図1乃至図8に示す第1実施形態による半導体装置及びその製造方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
[Second Embodiment]
The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. The same components as those of the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.

(半導体装置)
まず、本実施形態による半導体装置について図9乃至図11を用いて説明する。図9は、本実施形態による半導体装置を示す断面図(その1)である。図10は、本実施形態による半導体装置を示す断面図(その2)である。図11は、本実施形態による半導体装置を示す平面図である。図9は図11のA−A′線に対応しており、図10(a)は図11のB−B′線に対応しており、図10(b)は図11のC−C′線に対応している。
(Semiconductor device)
First, the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. FIG. 9 is a first cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view (part 2) of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 11 is a plan view of the semiconductor device according to the present embodiment. 9 corresponds to the AA 'line in FIG. 11, FIG. 10 (a) corresponds to the BB' line in FIG. 11, and FIG. 10 (b) corresponds to the CC 'line in FIG. Corresponds to the line.

本実施形態による半導体装置は、半導体層18の直下の領域16における半導体基板10に不純物層38a、38bが形成されているものである。   In the semiconductor device according to the present embodiment, impurity layers 38 a and 38 b are formed on the semiconductor substrate 10 in the region 16 immediately below the semiconductor layer 18.

図9における紙面左側の領域2Aは、Nチャネル型のトランジスタ30aが形成される領域を示しており、図9における紙面右側の領域2Bは、Pチャネル型のトランジスタ30bが形成される領域を示している。   A region 2A on the left side in FIG. 9 indicates a region where the N-channel transistor 30a is formed, and a region 2B on the right side in FIG. 9 indicates a region where the P-channel transistor 30b is formed. Yes.

素子分離領域14により画定された素子領域16における半導体基板10には、不純物層38a、38bが形成されている。Nチャネル型のトランジスタが形成される領域2Aにおいては、不純物層38aの導電型はP型となっている。Pチャネル型のトランジスタが形成される領域2Bにおいては、不純物層38bの導電型はN型となっている。   Impurity layers 38 a and 38 b are formed in the semiconductor substrate 10 in the element region 16 defined by the element isolation region 14. In the region 2A where the N-channel transistor is formed, the conductivity type of the impurity layer 38a is P-type. In the region 2B where the P-channel transistor is formed, the conductivity type of the impurity layer 38b is N-type.

Nチャネル型のトランジスタが形成される領域2Aにおける半導体層18の上面及び側面には、半導体層22aが形成されている。半導体層22aの材料としては、半導体層18よりも格子定数が小さい材料が用いられている。半導体層18よりも格子定数が小さい半導体層22aを形成することにより、半導体層22aに引っ張り応力を生じさせることができ、キャリア移動度の向上を図ることができる。半導体層18の材料がSiである場合には、半導体層22aの材料として例えばSiC等を用いることができる。   A semiconductor layer 22a is formed on the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 18 in the region 2A where the N-channel transistor is formed. As the material of the semiconductor layer 22a, a material having a lattice constant smaller than that of the semiconductor layer 18 is used. By forming the semiconductor layer 22a having a lattice constant smaller than that of the semiconductor layer 18, a tensile stress can be generated in the semiconductor layer 22a, and carrier mobility can be improved. When the material of the semiconductor layer 18 is Si, for example, SiC or the like can be used as the material of the semiconductor layer 22a.

Pチャネル型のトランジスタが形成される領域2Bにおける半導体層18の上面及び側面には、半導体層22bが形成されている。半導体層22bの材料としては、半導体層18よりも格子定数が大きい材料が用いられている。半導体層18よりも格子定数が大きい半導体層22bを形成することにより、半導体層22bに圧縮応力を生じさせることができ、キャリア移動度の向上を図ることができる。半導体層18の材料がSiである場合には、半導体層22bの材料として例えばSiGe等を用いることができる。   A semiconductor layer 22b is formed on the top and side surfaces of the semiconductor layer 18 in the region 2B where the P-channel transistor is formed. As the material of the semiconductor layer 22b, a material having a lattice constant larger than that of the semiconductor layer 18 is used. By forming the semiconductor layer 22b having a lattice constant larger than that of the semiconductor layer 18, a compressive stress can be generated in the semiconductor layer 22b, and carrier mobility can be improved. In the case where the material of the semiconductor layer 18 is Si, for example, SiGe or the like can be used as the material of the semiconductor layer 22b.

Nチャネル型のトランジスタが形成される領域2Aにおいては、ゲート電極26a及びソース/ドレイン領域28aにN型のドーパント不純物が導入されている。   In the region 2A where the N-channel transistor is formed, an N-type dopant impurity is introduced into the gate electrode 26a and the source / drain region 28a.

Pチャネル型のトランジスタが形成される領域2Bにおいては、ゲート電極26b及びソース/ドレイン領域28bにP型のドーパント不純物が導入されている。   In the region 2B where the P-channel transistor is formed, a P-type dopant impurity is introduced into the gate electrode 26b and the source / drain region 28b.

こうして、ゲート電極26aとソース/ドレイン領域28aとを有するNチャネル型の3次元トランジスタ30aが形成されている。また、ゲート電極26bとソース/ドレイン領域28bとを有するPチャネル型の3次元トランジスタ30bが形成されている。   Thus, an N-channel type three-dimensional transistor 30a having the gate electrode 26a and the source / drain regions 28a is formed. A P-channel type three-dimensional transistor 30b having a gate electrode 26b and source / drain regions 28b is formed.

このように、本実施形態によれば、ソース/ドレイン領域28a、28bの導電型と反対の導電型の不純物層38a、38bが、半導体層28の直下の領域16における半導体基板10に形成されている。このため、本実施形態によれば、ソース領域28a、28bとドレイン領域28a、28bとが半導体基板10を介して短絡するのを確実に防止することができる。   As described above, according to the present embodiment, the impurity layers 38 a and 38 b having the conductivity type opposite to that of the source / drain regions 28 a and 28 b are formed on the semiconductor substrate 10 in the region 16 immediately below the semiconductor layer 28. Yes. For this reason, according to this embodiment, it is possible to reliably prevent the source regions 28 a and 28 b and the drain regions 28 a and 28 b from being short-circuited via the semiconductor substrate 10.

(半導体装置の製造方法)
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図12乃至図17を用いて説明する。図12乃至図17は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 12 to 17 are process cross-sectional views illustrating the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment.

まず、半導体基板10上にシリコン酸化膜32を形成する工程からハードマスク34を除去する工程までは、図3(a)乃至図4(b)を用いて上述した第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるため、説明を省略する。   First, from the step of forming the silicon oxide film 32 on the semiconductor substrate 10 to the step of removing the hard mask 34, the semiconductor device according to the first embodiment described above with reference to FIGS. 3A to 4B is used. Since it is the same as that of a manufacturing method, description is abbreviate | omitted.

次に、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜40を形成する。   Next, a photoresist film 40 is formed on the entire surface by, eg, spin coating.

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、Nチャネル型のトランジスタが形成される領域2Aを露出する開口部42をフォトレジスト膜40に形成する。   Next, an opening 42 exposing the region 2A where the N-channel transistor is to be formed is formed in the photoresist film 40 by using a photolithography technique.

次に、フォトレジスト膜40をマスクとし、例えばイオン注入法により、開口部42内における素子分離用の絶縁層14の上面及び側面並びに半導体基板10の表面にP型のドーパント不純物を導入する(図12(a)参照)。この際、開口部42内における素子分離用の絶縁層14の上面及び側面並びに半導体基板10の表面にP型のドーパント不純物が導入されるように、半導体基板10の表面に対して斜めにドーパント不純物を注入する(傾斜イオン注入)。P型のドーパント不純物としては、例えばBF(フッ化ホウ素)等を用いる。こうして、素子分離領域14により画定された素子領域16における半導体基板10にP型の不純物層38aが形成される。また、素子分離用の絶縁層14の上面及び側面に、P型の不純物が注入された不純物注入層14bが形成される。 Next, using the photoresist film 40 as a mask, a P-type dopant impurity is introduced into the upper and side surfaces of the element isolation insulating layer 14 and the surface of the semiconductor substrate 10 in the opening 42 by, for example, ion implantation (see FIG. 12 (a)). At this time, the dopant impurity is inclined with respect to the surface of the semiconductor substrate 10 so that the P-type dopant impurity is introduced into the upper surface and side surfaces of the insulating layer 14 for element isolation in the opening 42 and the surface of the semiconductor substrate 10. (Tilted ion implantation). For example, BF 2 (boron fluoride) is used as the P-type dopant impurity. Thus, the P-type impurity layer 38 a is formed in the semiconductor substrate 10 in the element region 16 defined by the element isolation region 14. Further, an impurity implantation layer 14b in which a P-type impurity is implanted is formed on the upper surface and side surfaces of the element isolation insulating layer 14.

この後、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜40を除去する。   Thereafter, the photoresist film 40 is removed by, for example, ashing.

次に、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜44を形成する。   Next, a photoresist film 44 is formed on the entire surface by, eg, spin coating.

次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、Pチャネル型のトランジスタが形成される領域2Bを露出する開口部46をフォトレジスト膜44に形成する。   Next, an opening 46 exposing the region 2B where the P-channel transistor is to be formed is formed in the photoresist film 44 by using a photolithography technique.

次に、フォトレジスト膜44をマスクとし、例えばイオン注入法により、開口部46内における素子分離用の絶縁層14の上面及び側面並びに半導体基板10の表面にN型のドーパント不純物を導入する(図12(b)参照)。この際、開口部46内における素子分離用の絶縁層14の上面及び側面並びに半導体基板10の表面にN型のドーパント不純物が導入されるように、半導体基板10の表面に対して斜めにドーパント不純物を注入する。N型のドーパント不純物としては、例えばP、As、Sb等を用いる。こうして、素子分離領域14により画定された素子領域16における半導体基板10にN型の不純物層38bが形成される。また、素子分離用の絶縁層14の上面及び側面に、N型の不純物が注入された不純物注入層14cが形成される。   Next, using the photoresist film 44 as a mask, an N-type dopant impurity is introduced into the upper surface and side surfaces of the insulating layer 14 for element isolation and the surface of the semiconductor substrate 10 in the opening 46 by, for example, ion implantation (FIG. 12 (b)). At this time, the dopant impurity is inclined with respect to the surface of the semiconductor substrate 10 so that the N-type dopant impurity is introduced into the upper surface and side surfaces of the insulating layer 14 for element isolation in the opening 46 and the surface of the semiconductor substrate 10. Inject. For example, P, As, Sb, or the like is used as the N-type dopant impurity. Thus, an N-type impurity layer 38 b is formed in the semiconductor substrate 10 in the element region 16 defined by the element isolation region 14. In addition, an impurity implantation layer 14 c in which an N-type impurity is implanted is formed on the upper surface and side surfaces of the element isolation insulating layer 14.

この後、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜44を除去する。   Thereafter, the photoresist film 44 is removed by, for example, ashing.

この後の半導体層18を形成する工程から素子分離用の絶縁層14のうちの上側の部分をエッチングするまでの工程は、図5(b)乃至図6(b)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるため、説明を省略する。   The subsequent steps from the step of forming the semiconductor layer 18 to the etching of the upper portion of the element isolation insulating layer 14 are according to the first embodiment shown in FIGS. 5B to 6B. Since it is the same as the manufacturing method of a semiconductor device, description is abbreviate | omitted.

次に、全面に、例えばCVD法により、膜厚10〜20nm程度のシリコン酸化膜48を形成する。   Next, a silicon oxide film 48 having a thickness of about 10 to 20 nm is formed on the entire surface by, eg, CVD.

次に、全面に、例えばCVD法により、膜厚20〜40nm程度のシリコン窒化膜50を形成する。   Next, a silicon nitride film 50 having a thickness of about 20 to 40 nm is formed on the entire surface by, eg, CVD.

次に、全面に、スピンコート法により、フォトレジスト膜(図示せず)を形成する。   Next, a photoresist film (not shown) is formed on the entire surface by spin coating.

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、半導体層18の平面形状の開口部(図示せず)を、Nチャネル型トランジスタが形成される領域2Aにおけるフォトレジスト膜に形成する。   Next, using a photolithography technique, a planar opening (not shown) of the semiconductor layer 18 is formed in the photoresist film in the region 2A where the N-channel transistor is to be formed.

次に、フォトレジスト膜をマスクとし、シリコン酸化膜48をエッチングストッパとして、例えばウェットエッチングにより、シリコン窒化膜50をエッチングする。エッチング液としては、例えばリン酸を用いる。こうして、シリコン窒化膜50に開口部52が形成される。   Next, the silicon nitride film 50 is etched by wet etching, for example, using the photoresist film as a mask and the silicon oxide film 48 as an etching stopper. For example, phosphoric acid is used as the etching solution. Thus, an opening 52 is formed in the silicon nitride film 50.

次に、開口部52内に露出しているシリコン酸化膜48を、例えばウェットエッチングによりエッチング除去する。エッチング液としては、例えばフッ酸を用いる。   Next, the silicon oxide film 48 exposed in the opening 52 is removed by, for example, wet etching. For example, hydrofluoric acid is used as the etchant.

次に、Nチャネル型トランジスタが形成される領域2Aにおける半導体層18の上面及び側面に、例えば厚さ5〜15nm程度の半導体層22aをエピタキシャル成長する(図13(a)参照)。半導体層22aの材料としては、半導体層18よりも格子定数が小さい材料を用いる。半導体層18よりも格子定数が小さい半導体層22aを形成することにより、半導体層22aに引っ張り応力を生じさせることができ、キャリア移動度の向上を図ることができる。半導体層18の上部の角部は鈍角となっており、しかも、丸みを帯びた状態となっている。このため、良好な半導体層22aを半導体層18上に形成することができる。良好な半導体層22aを形成することができるため、所望の応力を半導体層22aに生じさせることができ、キャリア移動度を十分に向上させることができる。半導体層18の材料がSiである場合には、半導体層22aの材料として例えばSiC等を用いることができる。   Next, a semiconductor layer 22a having a thickness of, for example, about 5 to 15 nm is epitaxially grown on the top and side surfaces of the semiconductor layer 18 in the region 2A where the N-channel transistor is formed (see FIG. 13A). As a material of the semiconductor layer 22a, a material having a lattice constant smaller than that of the semiconductor layer 18 is used. By forming the semiconductor layer 22a having a lattice constant smaller than that of the semiconductor layer 18, a tensile stress can be generated in the semiconductor layer 22a, and carrier mobility can be improved. The upper corner of the semiconductor layer 18 has an obtuse angle and is rounded. For this reason, a good semiconductor layer 22 a can be formed on the semiconductor layer 18. Since a favorable semiconductor layer 22a can be formed, desired stress can be generated in the semiconductor layer 22a, and carrier mobility can be sufficiently improved. When the material of the semiconductor layer 18 is Si, for example, SiC or the like can be used as the material of the semiconductor layer 22a.

なお、半導体層22aの材料はSiCに限定されるものではない。半導体層18の格子定数より小さい格子定数を有する材料を半導体層22aの材料として適宜用いることができる。例えば、半導体層18の材料がSiGeである場合には、半導体層22aの材料としてSiを用いてもよい。   The material of the semiconductor layer 22a is not limited to SiC. A material having a lattice constant smaller than that of the semiconductor layer 18 can be appropriately used as the material of the semiconductor layer 22a. For example, when the material of the semiconductor layer 18 is SiGe, Si may be used as the material of the semiconductor layer 22a.

こうして、半導体層18の上面及び側面に半導体層22aが形成される。   Thus, the semiconductor layer 22a is formed on the upper surface and the side surface of the semiconductor layer 18.

次に、シリコン酸化膜48をエッチングストッパとして、例えばウェットエッチングにより、シリコン窒化膜50をエッチング除去する。エッチング液としては、例えばリン酸を用いる。   Next, using the silicon oxide film 48 as an etching stopper, the silicon nitride film 50 is removed by wet etching, for example. For example, phosphoric acid is used as the etching solution.

次に、例えばウェットエッチングにより、シリコン酸化膜48をエッチング除去する。エッチング液としては、例えばフッ酸を用いる。   Next, the silicon oxide film 48 is removed by etching, for example, by wet etching. For example, hydrofluoric acid is used as the etchant.

次に、全面に、例えばCVD法により、膜厚10〜20nm程度のシリコン酸化膜54を形成する。   Next, a silicon oxide film 54 having a thickness of about 10 to 20 nm is formed on the entire surface by, eg, CVD.

次に、全面に、例えばCVD法により、膜厚20〜40nm程度のシリコン窒化膜56を形成する。   Next, a silicon nitride film 56 having a thickness of about 20 to 40 nm is formed on the entire surface by, eg, CVD.

次に、全面に、スピンコート法により、フォトレジスト膜(図示せず)を形成する。   Next, a photoresist film (not shown) is formed on the entire surface by spin coating.

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、半導体層18の平面形状の開口部(図示せず)を、Pチャネル型トランジスタが形成される領域2Bにおけるフォトレジスト膜に形成する。   Next, using a photolithography technique, a planar opening (not shown) of the semiconductor layer 18 is formed in the photoresist film in the region 2B where the P-channel transistor is to be formed.

次に、フォトレジスト膜をマスクとし、シリコン酸化膜54をエッチングストッパとして、例えばウェットエッチングにより、シリコン窒化膜56をエッチングする。エッチング液としては、例えばリン酸を用いる。こうして、シリコン窒化膜56に開口部58が形成される。   Next, the silicon nitride film 56 is etched by wet etching, for example, using the photoresist film as a mask and the silicon oxide film 54 as an etching stopper. For example, phosphoric acid is used as the etching solution. Thus, an opening 58 is formed in the silicon nitride film 56.

次に、例えばウェットエッチングにより、開口部58内に露出しているシリコン酸化膜54をエッチング除去する。エッチング液としては、例えばフッ酸を用いる。   Next, the silicon oxide film 54 exposed in the opening 58 is removed by etching, for example, by wet etching. For example, hydrofluoric acid is used as the etchant.

次に、Pチャネル型トランジスタが形成される領域2Bにおける半導体層18の上面及び側面に、例えば厚さ5〜15nm程度の半導体層22bをエピタキシャル成長する(図13(b)参照)。半導体層22bの材料としては、半導体層18よりも格子定数が大きい材料を用いる。半導体層18よりも格子定数が大きい半導体層22bを形成することにより、半導体層22bに圧縮応力を生じさせることができ、キャリア移動度の向上を図ることができる。半導体層18の上部の角部は鈍角となっており、しかも、丸みを帯びた状態となっている。このため、良好な半導体層22bを半導体層18上に形成することができる。良好な半導体層22bを形成することができるため、所望の応力を半導体層22bに生じさせることができ、キャリア移動度を十分に向上させることができる。半導体層18の材料がSiである場合には、半導体層22bの材料として例えばSiGe等を用いることができる。   Next, a semiconductor layer 22b having a thickness of, for example, about 5 to 15 nm is epitaxially grown on the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 18 in the region 2B where the P-channel transistor is formed (see FIG. 13B). As the material of the semiconductor layer 22b, a material having a lattice constant larger than that of the semiconductor layer 18 is used. By forming the semiconductor layer 22b having a lattice constant larger than that of the semiconductor layer 18, a compressive stress can be generated in the semiconductor layer 22b, and carrier mobility can be improved. The upper corner of the semiconductor layer 18 has an obtuse angle and is rounded. For this reason, a good semiconductor layer 22 b can be formed on the semiconductor layer 18. Since a favorable semiconductor layer 22b can be formed, desired stress can be generated in the semiconductor layer 22b, and carrier mobility can be sufficiently improved. In the case where the material of the semiconductor layer 18 is Si, for example, SiGe or the like can be used as the material of the semiconductor layer 22b.

なお、半導体層22bの材料はSiGeに限定されるものではない。半導体層18の格子定数より大きい格子定数を有する材料を半導体層22bの材料として適宜用いることができる。例えば、半導体層18の材料がSiCである場合には、半導体層22bの材料としてSiを用いてもよい。   Note that the material of the semiconductor layer 22b is not limited to SiGe. A material having a lattice constant larger than that of the semiconductor layer 18 can be appropriately used as the material of the semiconductor layer 22b. For example, when the material of the semiconductor layer 18 is SiC, Si may be used as the material of the semiconductor layer 22b.

こうして、半導体層18の上面及び側面に半導体層22bが形成される。   Thus, the semiconductor layer 22b is formed on the upper surface and the side surface of the semiconductor layer 18.

次に、シリコン酸化膜54をエッチングストッパとして、例えばウェットエッチングにより、シリコン窒化膜56をエッチング除去する。エッチング液としては、例えばリン酸を用いる。   Next, using the silicon oxide film 54 as an etching stopper, the silicon nitride film 56 is removed by wet etching, for example. For example, phosphoric acid is used as the etching solution.

次に、例えばウェットエッチングにより、シリコン酸化膜54をエッチング除去する。エッチング液としては、例えばフッ酸を用いる。   Next, the silicon oxide film 54 is removed by etching, for example, by wet etching. For example, hydrofluoric acid is used as the etchant.

次に、図7(b)を用いて上述した第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ゲート絶縁膜24を形成する(図14(a)参照)。   Next, the gate insulating film 24 is formed in the same manner as in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment described above with reference to FIG. 7B (see FIG. 14A).

次に、例えばCVD法により、例えば膜厚10〜30nm程度のポリシリコン膜26を形成する。   Next, a polysilicon film 26 of, eg, a thickness of about 10 to 30 nm is formed by, eg, CVD.

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、ポリシリコン膜26をパターニングする。これにより、ポリシリコンのゲート電極26が形成される(図14(b)参照)。ゲート電極26の平面形状は、例えば帯状とする。ゲート電極26の長手方向と半導体層18の長手方向とが互いに交差するように、ゲート電極26のパターンが形成される。   Next, the polysilicon film 26 is patterned using a photolithography technique. As a result, a polysilicon gate electrode 26 is formed (see FIG. 14B). The planar shape of the gate electrode 26 is, for example, a band shape. The pattern of the gate electrode 26 is formed so that the longitudinal direction of the gate electrode 26 and the longitudinal direction of the semiconductor layer 18 intersect each other.

次に、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜60を形成する。   Next, a photoresist film 60 is formed on the entire surface by, eg, spin coating.

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜60をパターニングする。これにより、Nチャネル型トランジスタが形成される領域2Aを開口する開口部62がフォトレジスト膜60に形成される。   Next, the photoresist film 60 is patterned using a photolithography technique. As a result, an opening 62 opening the region 2A where the N-channel transistor is to be formed is formed in the photoresist film 60.

次に、フォトレジスト膜60及びゲート電極26をマスクとし、例えばイオン注入法により、ゲート電極26の両側の半導体層18、22aにN型のドーパント不純物を導入する。これにより、ゲート電極26aの両側の半導体層18、22aに、N型のソース/ドレイン領域28aが形成される。この際、ゲート電極26aにもN型のドーパント不純物が導入される。   Next, using the photoresist film 60 and the gate electrode 26 as a mask, N-type dopant impurities are introduced into the semiconductor layers 18 and 22a on both sides of the gate electrode 26 by, for example, ion implantation. As a result, N-type source / drain regions 28a are formed in the semiconductor layers 18 and 22a on both sides of the gate electrode 26a. At this time, an N-type dopant impurity is also introduced into the gate electrode 26a.

こうして、ゲート電極26aとソース/ドレイン領域28aとを有するNチャネル型の3次元トランジスタ30aが形成される(図15参照)。   Thus, an N-channel type three-dimensional transistor 30a having the gate electrode 26a and the source / drain regions 28a is formed (see FIG. 15).

この後、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜60を剥離する。   Thereafter, the photoresist film 60 is removed by, for example, ashing.

次に、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜64を形成する。   Next, a photoresist film 64 is formed on the entire surface by, eg, spin coating.

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜64をパターニングする。これにより、Pチャネル型トランジスタが形成される領域2Bを開口する開口部66がフォトレジスト膜64に形成される。   Next, the photoresist film 64 is patterned using a photolithography technique. As a result, an opening 66 opening the region 2B where the P-channel transistor is to be formed is formed in the photoresist film 64.

次に、フォトレジスト膜64及びゲート電極26をマスクとし、例えばイオン注入法により、ゲート電極26の両側の半導体層18、22bにP型のドーパント不純物を導入する。これにより、ゲート電極26bの両側の半導体層18、22bに、P型のソース/ドレイン領域28bが形成される。この際、ゲート電極26bにもP型のドーパント不純物が導入される。   Next, using the photoresist film 64 and the gate electrode 26 as a mask, a P-type dopant impurity is introduced into the semiconductor layers 18 and 22b on both sides of the gate electrode 26 by, for example, ion implantation. Thus, P-type source / drain regions 28b are formed in the semiconductor layers 18 and 22b on both sides of the gate electrode 26b. At this time, a P-type dopant impurity is also introduced into the gate electrode 26b.

こうして、ゲート電極26bとソース/ドレイン領域28bとを有するPチャネル型の3次元トランジスタ30bが形成される(図16参照)。   Thus, a P-channel type three-dimensional transistor 30b having the gate electrode 26b and the source / drain regions 28b is formed (see FIG. 16).

この後、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜64を剥離する。   Thereafter, the photoresist film 64 is removed by, for example, ashing.

この後、ゲート電極26a、26b及びソース/ドレイン領域28a、28bに導入したドーパント不純物を活性化するための熱処理が行われる。   Thereafter, heat treatment for activating the dopant impurities introduced into the gate electrodes 26a and 26b and the source / drain regions 28a and 28b is performed.

こうして、Nチャネル型の3次元トランジスタ30aとPチャネル型の3次元トランジスタ30bとを有する本実施形態による半導体装置が製造される(図17参照)。   Thus, the semiconductor device according to the present embodiment having the N-channel type three-dimensional transistor 30a and the P-channel type three-dimensional transistor 30b is manufactured (see FIG. 17).

このように、半導体層18の直下の領域16における半導体基板10に不純物層38a、38bを形成してもよい。これにより、ソース領域28a、28bとドレイン領域28a、28bとが半導体基板10を介して短絡するのを確実に防止することができ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。   As described above, the impurity layers 38 a and 38 b may be formed in the semiconductor substrate 10 in the region 16 immediately below the semiconductor layer 18. As a result, the source regions 28a and 28b and the drain regions 28a and 28b can be reliably prevented from being short-circuited via the semiconductor substrate 10, and a highly reliable semiconductor device can be provided.

[変形実施形態]
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.

例えば、第1実施形態では、素子分離用の絶縁層14の上面及び側面に不純物を導入したが、素子分離用の絶縁層14の上面及び側面に不純物を導入しなくてもよい。   For example, in the first embodiment, impurities are introduced into the upper surface and side surfaces of the element isolation insulating layer 14, but it is not necessary to introduce impurities into the upper surfaces and side surfaces of the element isolation insulating layer 14.

2A…Nチャネル型トランジスタが形成される領域
2B…Pチャネル型トランジスタが形成される領域
10…半導体基板
12…溝
14…絶縁層、素子分離領域
14a〜14c…不純物注入層
16…素子領域
18…半導体層
20…角部
22、22a、22b…半導体層
24…ゲート絶縁膜
26、26a、26b…ゲート電極
28、28a、28b…ソース/ドレイン領域
30…トランジスタ
30a…Nチャネル型トランジスタ
30b…Pチャネル型トランジスタ
32…シリコン酸化膜
34…シリコン窒化膜
36…シリコン酸化膜
38a、38b…不純物層
40…フォトレジスト膜
42…開口部
44…フォトレジスト膜
46…開口部
48…シリコン酸化膜
50…シリコン窒化膜
52…開口部
54…シリコン酸化膜
56…シリコン窒化膜
58…開口部
60…フォトレジスト膜
62…開口部
64…フォトレジスト膜
66…開口部
2A ... A region where an N-channel transistor is formed 2B ... A region where a P-channel transistor is formed 10 ... Semiconductor substrate 12 ... Groove 14 ... Insulating layers, element isolation regions 14a to 14c ... Implanted layers 16 ... Element region 18 ... Semiconductor layer 20 ... corners 22, 22a, 22b ... semiconductor layer 24 ... gate insulating films 26, 26a, 26b ... gate electrodes 28, 28a, 28b ... source / drain regions 30 ... transistor 30a ... N-channel transistor 30b ... P-channel Type transistor 32 ... silicon oxide film 34 ... silicon nitride film 36 ... silicon oxide films 38a and 38b ... impurity layer 40 ... photoresist film 42 ... opening 44 ... photoresist film 46 ... opening 48 ... silicon oxide film 50 ... silicon nitride Film 52 ... Opening 54 ... Silicon oxide film 56 ... Silicon nitride film 58 ... Opening 60 ... photoresist film 62 ... opening 64 ... photoresist film 66 ... opening

Claims (6)

半導体基板上の第1の領域にマスクを形成する工程と、
前記マスクを用いて前記半導体基板をエッチングすることにより、前記半導体基板に凹部を形成する工程と、
前記半導体基板上及び前記マスク上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層を研磨し、前記マスクの上面を露出させる工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記第1の領域における前記半導体基板上に、側面が傾斜を有する第1の半導体層を成長させる工程と、
前記第1の半導体層を成長させる工程の後、前記第1の半導体層と前記絶縁層との間に間隙が生じるように、前記絶縁層の側面をエッチングする工程と、
前記絶縁層の側面をエッチングする工程の後、前記第1の半導体層の上面及び前記第1の半導体層の側面を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側の前記第1の半導体層にソース/ドレイン領域を形成する工程とを有し、
前記マスクを除去する工程の後、前記第1の半導体層を成長する工程の前に、前記絶縁層の前記側面に不純物を注入する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a mask in a first region on the semiconductor substrate;
Etching the semiconductor substrate using the mask to form a recess in the semiconductor substrate;
Forming an insulating layer on the semiconductor substrate and on the mask;
Polishing the insulating layer to expose an upper surface of the mask;
Removing the mask;
Growing a first semiconductor layer having an inclined side surface on the semiconductor substrate in the first region;
Etching a side surface of the insulating layer so that a gap is formed between the first semiconductor layer and the insulating layer after the step of growing the first semiconductor layer;
After the step of etching the side surface of the insulating layer, forming a gate insulating film so as to cover the upper surface of the first semiconductor layer and the side surface of the first semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
Have a forming source / drain regions in the first semiconductor layer on both sides of the gate electrode,
A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising the step of implanting impurities into the side surface of the insulating layer after the step of removing the mask and before the step of growing the first semiconductor layer .
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の半導体層を成長する工程では、選択エピタキシャル成長により、前記第1の領域における前記半導体基板上に前記第1の半導体層を選択的に成長する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein in the step of growing the first semiconductor layer, the first semiconductor layer is selectively grown on the semiconductor substrate in the first region by selective epitaxial growth.
請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物の導電型は、前記ソース/ドレイン領域の導電型と反対の導電型であり、
前記不純物を注入する工程では、前記第1の領域における前記半導体基板にも前記不純物を注入する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device of Claim 1 or 2 ,
The impurity has a conductivity type opposite to that of the source / drain region,
In the step of injecting the impurity, the impurity is also injected into the semiconductor substrate in the first region.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の半導体層を成長する工程の後、前記絶縁層の前記側面をエッチングする工程の前に、熱酸化法により前記第1の半導体層の前記上面及び前記第1の半導体層の前記側面に酸化膜を形成する工程を更に有し、
前記絶縁層の前記側面をエッチングする工程では、ウェットエッチングにより、前記絶縁層の前記側面をエッチングするとともに、前記酸化膜をエッチング除去する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 ,
After the step of growing the first semiconductor layer and before the step of etching the side surface of the insulating layer, the upper surface of the first semiconductor layer and the side surface of the first semiconductor layer are formed by thermal oxidation. A step of forming an oxide film on
In the step of etching the side surface of the insulating layer, the side surface of the insulating layer is etched by wet etching, and the oxide film is removed by etching.
半導体基板上の第1の領域にマスクを形成する工程と、
前記マスクを用いて前記半導体基板をエッチングすることにより、前記半導体基板に凹部を形成する工程と、
前記半導体基板上及び前記マスク上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層を研磨し、前記マスクの上面を露出させる工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記第1の領域における前記半導体基板上に、側面が傾斜を有する第1の半導体層を成長させる工程と、
前記第1の半導体層を成長させる工程の後、前記第1の半導体層と前記絶縁層との間に間隙が生じるように、前記絶縁層の側面をエッチングする工程と、
前記絶縁層の側面をエッチングする工程の後、前記第1の半導体層の上面及び前記第1の半導体層の側面を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側の前記第1の半導体層にソース/ドレイン領域を形成する工程とを有し、
前記第1の半導体層を成長する工程の後、前記絶縁層の前記側面をエッチングする工程の前に、熱酸化法により前記第1の半導体層の前記上面及び前記第1の半導体層の前記側面に酸化膜を形成する工程を更に有し、
前記絶縁層の前記側面をエッチングする工程は、前記酸化膜により前記第1の半導体層を保護しつつ、ドライエッチングにより前記絶縁層をエッチングする工程と、ウェットエッチングにより、前記絶縁層を更にエッチングするとともに、前記酸化膜をエッチング除去する工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a mask in a first region on the semiconductor substrate;
Etching the semiconductor substrate using the mask to form a recess in the semiconductor substrate;
Forming an insulating layer on the semiconductor substrate and on the mask;
Polishing the insulating layer to expose an upper surface of the mask;
Removing the mask;
Growing a first semiconductor layer having an inclined side surface on the semiconductor substrate in the first region;
Etching a side surface of the insulating layer so that a gap is formed between the first semiconductor layer and the insulating layer after the step of growing the first semiconductor layer;
After the step of etching the side surface of the insulating layer, forming a gate insulating film so as to cover the upper surface of the first semiconductor layer and the side surface of the first semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
Forming source / drain regions in the first semiconductor layer on both sides of the gate electrode,
After the step of growing the first semiconductor layer and before the step of etching the side surface of the insulating layer, the upper surface of the first semiconductor layer and the side surface of the first semiconductor layer are formed by thermal oxidation. A step of forming an oxide film on
The step of etching the side surface of the insulating layer includes the step of etching the insulating layer by dry etching while protecting the first semiconductor layer by the oxide film, and further etching the insulating layer by wet etching. And a step of etching away the oxide film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
半導体基板上の第1の領域にマスクを形成する工程と、
前記マスクを用いて前記半導体基板をエッチングすることにより、前記半導体基板に凹部を形成する工程と、
前記半導体基板上及び前記マスク上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層を研磨し、前記マスクの上面を露出させる工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記第1の領域における前記半導体基板上に、側面が傾斜を有する第1の半導体層を成長させる工程と、
前記第1の半導体層を成長させる工程の後、前記第1の半導体層と前記絶縁層との間に間隙が生じるように、前記絶縁層の側面をエッチングする工程と、
前記絶縁層の側面をエッチングする工程の後、前記第1の半導体層の上面及び前記第1の半導体層の側面を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側の前記第1の半導体層にソース/ドレイン領域を形成する工程とを有し、
前記絶縁層の前記側面をエッチングする工程の後、前記ゲート絶縁膜を形成する工程の前に、前記第1の半導体層の前記上面及び前記第1の半導体層の前記側面に、前記第1の半導体層と格子定数が異なる第2の半導体層を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a mask in a first region on the semiconductor substrate;
Etching the semiconductor substrate using the mask to form a recess in the semiconductor substrate;
Forming an insulating layer on the semiconductor substrate and on the mask;
Polishing the insulating layer to expose an upper surface of the mask;
Removing the mask;
Growing a first semiconductor layer having an inclined side surface on the semiconductor substrate in the first region;
Etching a side surface of the insulating layer so that a gap is formed between the first semiconductor layer and the insulating layer after the step of growing the first semiconductor layer;
After the step of etching the side surface of the insulating layer, forming a gate insulating film so as to cover the upper surface of the first semiconductor layer and the side surface of the first semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
Forming source / drain regions in the first semiconductor layer on both sides of the gate electrode,
After the step of etching the side surface of the insulating layer and before the step of forming the gate insulating film, the first surface of the first semiconductor layer and the side surface of the first semiconductor layer are formed on the first surface of the first semiconductor layer. A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising forming a second semiconductor layer having a lattice constant different from that of the semiconductor layer.
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