JPH07115137A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH07115137A
JPH07115137A JP5262103A JP26210393A JPH07115137A JP H07115137 A JPH07115137 A JP H07115137A JP 5262103 A JP5262103 A JP 5262103A JP 26210393 A JP26210393 A JP 26210393A JP H07115137 A JPH07115137 A JP H07115137A
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oxide film
film
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excimer laser
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JP5262103A
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English (en)
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Yutaka Kujirai
裕 鯨井
Hidekazu Murakami
英一 村上
Shinichiro Kimura
紳一郎 木村
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Hitachi Ltd
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超微細相補型電界効果トランジスの作製にお
いて、製造工程数の増加を抑制し、且つ、重金属汚染の
極めて少ないクリーンなプロセスを提供する。 【構成】 エキシマレーザ光により、Si基板上に厚さ
1nm以下の酸化膜をパターン状に形成する。それをマ
スクとして、Si、SiGeの選択成長、およびドーパ
ントの選択吸着現象を利用して、超微細相補型電界効果
トランジスのチャネル、ゲート電極、及びソース・ドレ
インを作製する。 【効果】 同一半導体基体内に導電型や膜厚の異なるS
i膜や、イオン打込み法では不可能な急俊な不純物分布
を形成することが可能であり、しかも、工程数は従来法
に比べて減少する。更に、酸化、エピタキシャル成長、
酸化膜昇華を主に用いているために、有機ホトレジスト
やイオン打ち込みに伴って混入する重金属汚染が排除で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に係り、特に相補型電界効果トランジスタの製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】Si集積回路においては、微細化による
高集積化・低消費電力化が進行している。高集積化には
構造の簡単な金属−酸化膜−半導体型電界効果トランジ
スタ(Metal Oxide Semiconductor Feild Efect Transi
stor;MOSFET)が適しており、低消費電力化に
は、nチャネルMOSFETとpチャネルMOSFET
を混載した相補型MOSFETが適している。ここで、
ゲート長がディープサブミクロンレベルのMOSFET
においては、ソース・ドレイン間でチャネル以外のとこ
ろに電流が流れるパンチスルーなどの、短チャネル効果
の抑制が大きな課題となっている。このため、現在、チ
ャネルの直下に基板と同じ導電型の不純物をイオン打ち
込みすることにより、パンチスルーストッパー層を形成
する方法がとられている。素子を微細化するに従いパン
チスルーストッパー層の深さを浅くしていく必要がある
が、イオン打込み法では不純物分布の拡がりを10nm
以下に抑えることができないために基板表面の不純物濃
度が高くなり、キャリア移動度が低下するという問題が
ある。
【0003】そこで、エピタキシャル成長法を用いて、
高濃度ドープした基板上に低濃度ドープ層を形成する技
術が報告されており、更に高移動度が得られるSiGe
/Siヘテロ構造を形成する技術もアイイーディーエム
テクニカルダイジェスト(1991)p.25(IEDM T
echnical Digest p.25(1991))において報告されてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この技術を相補型MO
SFETに適用する場合を図10を用いて考える。製造
方法は、まず、酸化膜11で分離されたSi基板12上
に厚さ10nm以上の酸化膜101を堆積し、レジスト
102を塗布する(H-1)、(H-2)。次に露光及び現像を行
ないnチャネルMOSFETの領域を開口する(H-3)。
レジスト102を剥離後、基板を洗浄し、選択エピタキ
シャル成長によりSi膜103を形成する(H-4)。続い
てpチャネルMOSFETを形成する場合は、まず酸化
膜104を堆積する(H-5)。次にレジスト102を塗布
後、露光、現像によりpチャネルMOSFETの領域を
開口する(H-6)。レジスト102を剥離後、基板を洗浄
し、選択エピタキシャル成長によりSi膜105を形成
する(H-7)。最後に酸化膜104を除去する(H-8)。この
ような工程を経て、前述したような急俊な不純物分布や
ヘテロ接合が形成できるが、酸化膜の形成や除去を繰り
返す必要があり、製造工程は複雑になる。
【0005】上述したような方法を用いることで、イオ
ン打ち込み法では実現できない急俊な不純物分布やヘテ
ロ接合が形成でき、その結果、ゲート寸法の非常に小さ
なMOSFETを正常動作させることが可能となる。し
かし、従来の製造方法では、工程数の増加は避けられな
い。この工程以外にもMOSFETの微細化に伴い、製
造工程数が増加する傾向にあり、特徴のあるプロセスと
いえども製造工程数は増えないことが望ましい。そこ
で、本発明の目的は、エピタキシャル成長技術を用いな
がらも、製造工程数が増加しない、新しい結晶成長方法
を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する方
法を図1を用いて説明する。まず、酸化膜12で分離し
たSi基板11に、酸化性雰囲気中で、Si表面にエキ
シマレーザ光13を局所的に照射することにより、厚さ
1nm以下のSi酸化膜14を形成する(A-1)(A-2)。次
に、SiH4,Si26,SiH2Cl2などのガスを用
いて酸化膜のない部分に選択的にSi膜15をエピタキ
シャル成長させる(A-3)。この後、真空中800℃以上
で加熱することにより、1nm以下のSi酸化膜は昇華
除去できる(A-3)。同様の操作を、導電型の異なるチャ
ネル領域についても繰り返して行なうことができる。
【0007】
【作用】この結果、同一半導体基体内に導電型や膜厚の
異なるSi膜を形成することが可能であり、しかも、工
程数は従来法に比べて減少する。更に、酸化、エピタキ
シャル成長、酸化膜昇華のみを用いているために、有機
ホトレジストやイオン打ち込みに伴って混入する重金属
汚染が排除できる、極めてクリーンなプロセスである。
【0008】
【実施例】
実施例1 エキシマレーザにより、Si表面を局所的に酸化し、未
酸化部にSiを選択にエピタキシャル成長、及びドーパ
ントを選択的に吸着し、相補型MOSFETのチャネル
領域を作製した例について述べる。(図2) 酸化膜12で分離されたSi基板11を、ガスソースM
BE(Molecular beamepitaxy)装置に導入した(B-1)。酸
化性ガスである酸素を反応室へ導入し、エキシマレーザ
光13を、nチャネルMOSFET領域のSi露出部に
照射した。レーザ光が照射された所に厚さ0.5nmの
酸化膜14が形成される。ここで、レーザ光照射部以外
のSi露出部も0.3nm酸化されるが、これは超高真
空において基板を750℃で昇華することにより除去で
きる(B-2)。N型不純物であるアンチモン21は、基板
温度を600℃にすると、Si露出部のみに選択的に吸
着させることができる。ここで、アンチモンはMOSF
ETのパンチスルーを抑制するために必要な1x1013
/cm2吸着した(B-3)。100%Si26ガスにより、
基板温度550℃でSi露出部のみに選択エピタキシャ
ル成長し、半値幅が10nm以下の急俊な不純物分布
(δドーピング)を有するSi膜22を形成した(B-
4)。エキシマレーザにより酸化した酸化膜14を、超高
真空中で800℃で加熱することにより昇華除去した(B
-5)。酸素を反応室へ導入し、エキシマレーザ光13を
Si膜22へ照射し、酸化膜23を形成した(B-6)。n
チャネルMOSFET領域のSi露出部に、メタホウ酸
HBO2を用いて、基板温度700℃で選択的にボロン
24を吸着させた(B-7)。その上に100%Si26
スを用いて、基板温度550℃で選択エピタキシャル成
長し、δドーピングしたSi膜25を形成した(B-8)。
次に酸化膜23を800℃で昇華除去した(B-9)。最後
にゲ−ト酸化膜26及び拡散層27、28(27はp
型、28はn型である。)を形成した(B-10)。
【0009】以下通常のプロセスを用い、δドーピング
のような急俊な不純物分布を有する相補型MOSFET
を、工程数を大幅に増やさずに、且つ、有機ホトレジス
トを利用しないために重金属汚染の少ないクリーンなプ
ロセスで作製できた。
【0010】実施例2 次に、エキシマレーザにより、Si表面を局所的に酸化
し、未酸化部にSi及びSiGe混晶を選択的にエピタ
キシャル成長することにより、相補型MOSFETのチ
ャネル領域を作製した例について述べる。(図3) 酸化膜12で分離され、高濃度にドーピングされたSi
基板30へ、実施例1と同様に、エキシマレーザ光13
を局所的に照射し、厚さ0.5nmの酸化膜14を形成
した(C-1)。100%Si26ガスにより、基板温度5
50℃でSi露出部のみに選択エピタキシャル成長し、
Si膜31を形成した(C-2)。超高真空中で800℃で
加熱することにより、酸化膜14を昇華除去した(C-
3)。Si膜31をエキシマレーザ光13により、酸化膜
32を形成した(C-4)。pチャネル領域のSi露出部
に、ホールの移動度を高めるために、Si26とGeH
4を用いてSi0.7Ge0.3の混晶膜33及びSi膜34
を基板温度600℃で選択成長を行なった(C-5)。酸化
膜32は、超高真空中で800℃で昇華除去できるが、
800℃では、Si0.7Ge0.3/Siヘテロ界面が熱に
よりボケが生じてしまう。それを回避するために、原子
状水素の還元反応、あるいは水素プラズマのケミカルエ
ッチングを利用し酸化膜除去の低温化をはかった。その
結果、基板温度600℃以下で酸化膜32が除去できる
ことを確認した(C-6)。最後にゲ−ト酸化膜35及び拡
散層36、37(36はn型、37はp型である。)を形
成した(C-7)。 この基板を用いて作成したCMOS回
路は、p型MOSFETの高速化により、従来の1.5
倍の高速性を示した。
【0011】実施例3 次に、選択ドーピング法と固相エピタキシャル法によ
り、相補型電界効果トランジスタのチャネル領域、特に
パンチスルーストッパ層を作製した例について述べる。
(図4及び図5) 酸化膜12で分離されたSi基板11へ、実施例1と同
様に、エキシマレーザ光13を局所的に照射し、厚さ
0.5nmの酸化膜14をnチャネルMOSFET領域
に形成した(D-1)。Siが露出しているpチャネルMO
SFET領域にアンチモン41を1x1013/cm2
択吸着させる(D-2)。次に、Si原子あるいはSi26
を低温で成長することにより、基板全面に非晶質Si
(a−Si)膜42を堆積した(D-3)。基板を600℃
に加熱することにより、基板のSi露出部と接している
a−Siのみが単結晶化し、結晶Si(c−Si)膜4
3を形成した。ここで、酸化膜12、14上にあるa−
Si膜は、非晶質構造を保っている(D-4)。熱リン酸に
よるウエットエッチングにより非晶質Si膜42を選択
的にエッチングした。非晶質Siの選択エッチングは、
水素または塩素プラズマによるドライエッチング法でも
可能である(D-5)。酸化膜14をフッ化水素水で除去し
た(D-6)。次に、c−Si膜43にエキシマレーザを照
射して酸化膜44を形成した(D-7)。基板温度600℃
でSi露出部にボロン45を1x1013/cm2選択吸
着させた(D-8)。上記(D-3)と同じ方法でa−Si膜46
を堆積した(D-9)。基板温度600℃で結晶Si(c−
Si)膜47を形成した(D-10)。上記選択エッチング法
によりa−Si層46を除去した(D-11)。その後酸化膜
44を昇華した(D-12)。最後にゲ−ト酸化膜48及び拡
散層490、491(490はp型、491はn型であ
る。)を形成した(D-13)。この方法では、ガスソースM
BE法を用いた選択エピタキシャル成長で問題となる、
酸化膜上での結晶核の偶発的な発生を回避することがで
きた。また、Siエピタキシャル成長中のアンチモンの
表面偏析も完全に抑制できた。
【0012】実施例4 次に、実施例1で述べた、選択エピタキシャル成長を用
いずに、Si上に単結晶Siを、Si酸化膜上に非晶質
Siを同時に成長する低温成長法により相補型電界効果
トランジスタのチャネル領域、特にパンチスルーストッ
パ層を作製した例について述べる。(図6) 酸化膜12で分離されたSi基板11へ、実施例1と同
様に、エキシマレーザ光13を局所的に照射し、厚さ
0.5nmの酸化膜14をnチャネルMOSFET領域
に形成した(E-1)。Siが露出しているpチャネルMO
SFET領域にアンチモン61を1x1013/cm2
択吸着させた(E-2)。次に固体ソースのMBE法によ
り、Siを基板温度200℃で成長すると、Si露出部
のみエピタキシャル成長(c−Si)膜62が形成でき、
酸化膜上には非晶質Si(a−Si)膜63が成長し
た。酸化膜上のa−Si膜は、ある膜厚以上になると多
結晶Siが成長した。この多結晶Siが成長するまでの
a−Si膜の厚さを臨界膜厚と定義する。臨界膜厚とS
i成長温度の関係を図7に示す。成長温度とともに臨界
膜厚は短くなっていくことがわかる。結晶Siと非晶質
Siとを同時に成長する方法は、SiH22とH2の還
元反応を利用したリモートプラズマCVD法及び、Si
26とF2の酸化反応を利用したCVD法においても実
現できる(E-3)。熱リン酸によるウエットエッチングに
より非晶質Si膜63を選択的にエッチングした(E-
4)。酸化膜14を昇華により除去した(E-5)。c−Si
膜62にエキシマレーザ光を照射して酸化膜64を形成
した(E-6)。基板温度600℃でSi露出部にボロン6
5を1x1013/cm2選択吸着させた(E-7)。上記(E-
3)と同じ方法でc−Si膜66とa−Si膜67を成長
させた(E-8)。熱リン酸によるウエットエッチングによ
り非晶質Si膜67を選択的にエッチングした(E-9)。
酸化膜64を昇華により除去した(E-10)。最後にゲ−ト
酸化膜68及び拡散層690、691(690はp型、
691はn型である。)を形成した(E-11)。このように
して、実施例3よりも工程数を削減することができた。
また、チャネル部の点欠陥の密度も、Si基板と同レベ
ルまで低減できることを確認した。
【0013】実施例5 エキシマレーザにより、Si表面を局所的に酸化し、未
酸化部にSiを選択にエピタキシャル成長、及びドーパ
ントを選択的に吸着し、相補型MOSFETの多結晶S
iゲート電極を作製した例について述べる。(図8) 実施例1と同様に酸化膜で分離されたSi基板11をゲ
ート酸化し、酸化膜81を形成した(F-1)。その上に厚
さ0.5nmのSi膜82を堆積した(F-2)。nチャネ
ルMOSFETの領域を除き、エキシマレーザで酸化膜
83を形成した(F-3)。nチャネルMOSFET領域の
未酸化部上に、選択エピタキシャル成長条件で、n型に
高濃度ドーピング(1x1020/cm2)したSi膜8
4を成長した(F-4)。次に、エキシマレーザで形成した
Si酸化膜83を超高真空中で昇華除去した(F-5)。n
型に高濃度ド−ピングしたSi膜84をエキシマレーザ
で酸化し、酸化膜85を形成した。ここで、Si膜87
は、Si膜82を酸化し、酸化膜83を除去した残りの
層である(F-6)。pチャネルMOSFET領域の未酸化
部上に、選択エピタキシャル成長条件で、p型に高濃度
ドーピングしたSi膜86を成長した(F-7)。次に、エ
キシマレーザで形成したSi酸化膜85を超高真空中で
昇華除去した(F-8)。この後、微細加工を行いゲート電
極を形成した(F-9)。このようにして、相補型MOSF
ETにおいて、チャネルと同じ導電型のゲート電極が形
成でき、n型、p型ともに表面チャネル型となり、短チ
ャネル効果が抑制できた。
【0014】実施例6 エキシマレーザにより、Si表面を局所的に酸化し、未
酸化部にSiを選択にエピタキシャル成長、及びドーパ
ントを選択的に吸着し、相補型MOSFETのソース、
ドレインを作製した例について述べる。(図9) 酸化膜12で素子分離されたSi基板11に、ゲート酸
化膜91、ゲート電極92、酸化膜93および側壁窒化
膜94を形成した(G-1)。nチャネルMOSFET領域
にエキシマレーザを照射することにより、酸化膜95を
形成した(G-2)。pチャネルMOSFET領域のSi露
出部に、選択成長によりp型に高濃度ドーピングしたS
i膜96を形成した(G-3)。酸化膜95を除去し(G-4)、
pチャネルMOSFET領域にエキシマレーザを照射す
ることにより、酸化膜97を形成した(G-5)。これまで
と同様に、nチャネルMOSFET領域のSi露出部
に、選択成長によりn型に高濃度ドーピングしたSi膜
98を形成した(G-6)。最後に酸化膜97を除去した(G-
7)。このようにして、従来のイオン打ち込み法でドーピ
ングしたものより低抵抗の、ソース・ドレインを有する
相補型MOSFETが、従来のホトレジストを用いずに
作成することができた。
【0015】以上の実施例ではSi表面を局所的に酸化
するためにエキシマレーザを用いているが、他のレーザ
ービームあるいは紫外線、X線、電子線などのエネルギ
ー線を用いて酸化を行ってもよい。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、均一あるいは急峻な不
純物分布を有する超微細相補型電界効果トランジスタ
を、製造工程数を増やさず、また、重金属の汚染の少な
いクリーンなプロセスで作製することができる。
【0017】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理図である。
【図2】選択エピタキシャル成長およびドーパントの選
択吸着現象を用いた相補型MOSFETのプロセスフロ
ーである。
【図3】選択エピタキシャル成長を用いた相補型MOS
FETのプロセスフローである。
【図4】固相エピタキシャル成長を用いた相補型MOS
FETのプロセスフローである。
【図5】固相エピタキシャル成長を用いた相補型MOS
FETのプロセスフローである。
【図6】低温MBE成長法を用いた相補型MOSFET
のプロセスフローである。
【図7】Si成長温度と臨界膜厚の関係である。
【図8】ポリSi電極のプロセスフローである。
【図9】積み上げ拡散層のプロセスフローである。
【図10】従来技術を相補型MOSFETに適用した場
合に考えられるプロセスフローである。
【符号の説明】
11−−Si基板、12−−素子分離酸化膜、13−−
エキシマレーザ光 14−−厚さ1nm以下の酸化膜 21−−アンチモン原子、22−−Siエピタキシャル
成長膜 23−−厚さ1nm以下の酸化膜、24−−ボロン原子 25−−Siエピタキシャル成長膜 26−−ゲ−ト酸化膜、27−−p型拡散層、28−−
n型拡散層 30−−高濃度にドーピングされたSi基板 31−−Siエピタキシャル成長膜、32−−厚さ1n
m以下の酸化膜 33−−Si0.7Ge0.3混晶膜、34−−Siエピタキ
シャル成長膜 35−−ゲ−ト酸化膜、36−−n型拡散層、37−−
p型拡散層 41−−アンチモン原子、42−−非晶質Si膜 43−−固相エピタキシャル成長したSi膜、44−−
厚さ1nm以下の酸化膜 45−−ボロン原子、46−−非晶質Si膜 47−−固相エピタキシャル成長したSi膜 48−−ゲ−ト酸化膜、490−−p型拡散層、491
−−n型拡散層 61−−アンチモン原子、62−−低温MBE成長した
Si膜 63−−非晶質Si膜、64−−厚さ1nm以下の酸化
膜、65−−ボロン原子 66−−低温MBE成長したSi膜、67−−非晶質S
i膜 68−−ゲ−ト酸化膜、690−−p型拡散層、691
−−n型拡散層 81−−ゲ−ト酸化膜、82−−0.5nm以下のSi
膜 83−−厚さ1nm以下の酸化膜 84−−n型に高濃度ドーピングされた多結晶Si膜 85−−厚さ1nm以下の酸化膜 86−−p型に高濃度ドーピングされた多結晶Si膜ゲ
ート電極 77−−Si膜 91−−ゲート酸化膜 92−−高濃度ドーピングされた多結晶Siゲート電極 93−−酸化膜、94−−側壁窒化膜 95−−厚さ1nm以下の酸化膜 96−−n型に高濃度ドーピングされたエピタキシャル
成長Si膜 97−−厚さ1nm以下の酸化膜 98−−p型に高濃度ドーピングされたエピタキシャル
成長Si膜 101−−酸化膜、102−−レジスト 103−−n型にドーピングされたSi膜 104−−酸化膜、105−−p型にドーピングされた
Si膜。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Si基板上にエネルギー線を局所的に照射
    することによりSi酸化膜をパターン状に形成する第1
    の工程と、上記第1の工程の後、SiもしくはSiGe
    からなる半導体薄膜を選択的に成長させる第2の工程
    と、上記第2の工程の後に上記Si酸化膜を真空中で加
    熱することにより除去する第3の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。
  2. 【請求項2】Si基板上にエネルギー線を局所的に照射
    することによりSi酸化膜をパターン状に形成する第1
    の工程と、上記第1の工程の後、SiもしくはSiGe
    からなる半導体薄膜を選択的に成長させる第2の工程
    と、上記第2の工程の後に上記Si酸化膜を原子状水素
    で還元除去する第3の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。
  3. 【請求項3】基板の主表面の第1の領域に第1の導電型
    のMOSトランジスタを形成し、上記主表面の第2の領
    域に第2の導電型のMOSトランジスタを形成する半導
    体装置の製造方法において、上記第1の領域にエネルギ
    ー線を照射することによりSi酸化膜を形成する第1の
    工程と、上記第1の工程の後、SiもしくはSiGeか
    らなる半導体薄膜を選択的に成長させる第2の工程と、
    上記第2の工程の後に上記Si酸化膜を原子状水素で還
    元除去する第3の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。
  4. 【請求項4】Si酸化膜で分離された半導体基体におい
    て、Si上に単結晶Siを、Si酸化膜上に非晶質Si
    を同時に成長させ、その後、非晶質Siのみを選択的に
    除去する工程を有することを特徴とする半導体装置の製
    造方法。
  5. 【請求項5】請求項1記載の半導体装置の製造方法にお
    いて、厚さ1nm以下のSi酸化膜をパターン状に形成
    したSi基板もしくはSi膜上に、不純物を選択的に吸
    着させた後に、SiあるいはSiGe混晶等の半導体薄
    膜を成長する工程を有することを特徴とする半導体装置
    の製造方法。
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