JPWO2011004474A1 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

MISFETのチャネル領域に高移動度チャネル材料を用いた半導体装置の製造方法であって、表面と垂直方向の結晶方位が[110]方向のSi1-xGex(x<0.5)を表面部に有する支持基板の表面部上に、ゲート長方向の端部の面方位が前記[110]方向と直交する{111}面となるようにダミーゲートを形成する工程と、ダミーゲートをマスクに用いて基板の表面部にソース/ドレイン領域を形成する工程と、ダミーゲートの側部に絶縁膜を埋め込み形成する工程と、絶縁膜をマスクに用いてダミーゲートを除去し、更に基板のソース/ドレイン領域間を除去する工程と、ソース/ドレイン領域間にIII-V族半導体又はGeからなるチャネル領域を成長する工程と、チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、を含む。

Description

本発明は、MIS(Metal Insulator Semiconductor)FETのチャネル領域に高移動度チャネル材料を用いた半導体装置及びその製造方法に関する。
Siを用いた半導体装置の微細化に伴い、微細化による駆動能力の向上率が鈍化する傾向にある中、Siよりも高いキャリア移動度を有するIII-V族材料やIV族のGe等をチャネル材料に用いた、高移動度チャネル材料MISFETが検討されている。これを実用化するには、高移動度チャネル材料MISFETをSiを主成分とする基板上に高密度に形成する手法の確立が必要である。
上記手法の確立に適用できるものとして、Si基板上に形成されたSiO2 層の開口領域を結晶成長の際のシード部として用い、このシード部からSiO2 層で覆われている領域にまでIII-V族半導体を横方向成長させる方法がある(例えば、非特許文献1参照)。しかし、この方法ではシード部が面積ペナルティとなり、高移動度チャネル材料MISFETの集積度を低下させる問題がある。
また、チャネル領域にはIII-V族材料を採用する一方、ソース/ドレイン領域にはSiGeを採用した構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。しかし、この文献には、高移動度チャネル材料MISFETをSi基板上に高密度に形成するための構造及び手法は何ら開示されていない。
また、ソース/ドレイン領域を不純物を含有したシリコンによって構成し、チャネル領域をSiよりも広いエネルギーバンドギャップを有する半導体材料によって構成したMISFETが提案されている(例えば、特許文献2参照)。しかし、この文献には、異種半導体材料をSi基板上に、高い結晶性、高い結晶配向性、及び高い平坦性をもって形成する手法は何ら開示されていない。
特開2008−160131号公報 特開2000−012838号公報
T. Hoshii, et al., Extended Abstracts of the 2007 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tsukuba, 2007, pp. 132-133
本発明の目的は、高移動度チャネル材料を有するMISFETについて、チャネル材料の結晶性を維持しつつ、Siを主成分とする基板上に高密度に形成することのできる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
本発明の一態様に係わる半導体装置の製造方法は、表面と垂直方向の結晶方位が[110]方向のSi1-x Gex(0≦x<0.5)を表面部に有する支持基板の表面部上に、ゲート長方向が前記[110]方向と直交する[111]方向となるようにダミーゲートを形成する工程と、前記ダミーゲートをマスクに用いて前記基板の表面部にソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記ソース/ドレイン領域の形成後に、前記ダミーゲートの側部に絶縁膜を埋め込み形成する工程と、前記絶縁膜をマスクに用いて前記ダミーゲートをエッチングし、更に前記ソース/ドレイン領域間の前記基板の表面部をエッチングする工程と、前記基板の表面部のエッチングにより露出した前記ソース/ドレイン領域の端部をシードとして用い、前記ソース/ドレイン領域間にIII-V族半導体又はGeからなるチャネル領域を成長する工程と、前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明の別の一態様に係わる半導体装置は、支持基板の表面部に、表面と垂直方向の結晶方位が[110]方向のSi1-x Gex(x<0.5)からなり、前記[110]方向と直交する[111]方向に離間して設けられ、且つチャネル長方向の側面の面方位が前記[110]方向と直交する{111}面に形成されたソース/ドレイン領域と、前記ソース/ドレイン領域間に設けられた、III-V族半導体又はGeからなるチャネル領域と、前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、を具備したことを特徴とする。
本発明によれば、高移動度チャネル材料を有するMISFETについて、チャネル材料の結晶性を維持しつつ、Siを主成分とする基板上に高密度に形成することができる。
本発明の第1の基本技術を説明するための図。 本発明の第2の基本技術を説明するための図。 (110)面に等価な指数面とそれに垂直な{111}面との関係を示す図。 第1の実施形態に係わるMISFETの素子構造を示す断面図。 第1の実施形態に係わるMISFETの製造工程を示す断面図。 図4のMISFETにおけるチャネル領域のチャネル長方向と垂直な断面図。 第1の実施形態の変形例であり、オフセット領域を回避する例を示す断面図。 III-V族材料の成長に先立ちBOX層を掘り込んだ例を示す断面図。 Si(110)面内におけるチャネル長方向と伝導率との関係を示す図。 第3の実施形態に係わるMISFETの素子構造を示す断面図。 第3の実施形態に係わるMISFETの製造工程を示す断面図。 第4の実施形態に係わるMISFETの素子構造を示す斜視図。 第4の実施形態に係わるMISFETの製造工程を示す斜視図。 第4の実施形態の変形例であり、チャネル領域の断面図。
本発明の実施の形態の説明に先立ち、各実施形態の背景となる基本技術に付いて説明する。
(基本技術1)
III-V族半導体は、絶縁膜で覆われたSi(111)面の絶縁膜開口部(言い換えるとSi露出部)に選択的に、<111>方向の優先方向をもって成長させることが可能である。図1(a)(b)は、この例を模式的に示している。図1(a)のように、絶縁膜としてのSiO2 膜1に覆われたSi(111)表面の所望の場所に、SiO2 開口領域2を形成する。図1(a)の構造に対しIII-V族半導体を気相成長する場合、図1(b)のようにSiO2 開口領域2の上に選択的に、上面が(111)面、側面が(0-11),(01-1),(1-10),(-110),(-101),(10-1)面である六角柱形状のIII-V族半導体3からなる構造を形成することができる。
これは、III-V族半導体を含む閃亜鉛鉱型結晶や、Geを含むダイヤモンド型結晶が[111]方向に優先方向成長し易いという特徴、並びに{110}面が表面エネルギーの比較的低い安定な面であるという特徴を持つためである。この実例は、例えば文献(M. Deura, et.al., Journal of Crystal Growth 310, p4768 (2008))で報告されている。
(基本技術2)
本明細書では、ある特定の結晶方向を<hkl>で、それと等価な結晶方向を総称して[hkl]で示す。同様に、ある特定の結晶面を(hkl)で、それと等価な面を総称して{hkl}で示す。(hkl)面と<hkl>方向とは、(hkl)面の垂直方向が<hkl>方向となる関係にある。
(110)面と、(-111)面及び(1-1-1)面とは垂直な関係にある。従って、(110)基板の場合、表面に対し垂直に切り立った(-111)面及び(1-1-1)面からなる凹部を形成可能である。図2(a)(b)はこれを模式的に示す。なお、図2(a)(b)において、5はソース領域、6はドレイン領域、Lgはチャネル長(ゲート長)、Wはチャネル幅(ゲート幅)を示している。
図2(a)に示すように、(110)基板上にチャネル長方向(ソース領域5とドレイン領域6を結ぶ方向)が<-111>方向になるようMISFETを配置するものとする。そして、チャネル部を垂直にエッチングすると、図2(b)に示すように、露出するソース領域5とドレイン領域6の側面は夫々(-111)面と(1-1-1)面となる。一方、他の主要低指数面である(001)基板や(111)基板の場合、表面と{111}面は垂直な関係にない。
図2(b)では上面が(110)面、側面が(-111)面及び(1-1-1)面の場合を挙げたが、本発明の範囲はこの特定の指数面に限るものではなく、これと等価な結晶面の組み合わせの場合も含む。図3に示すように、(110)面に等価な指数面は(110)面を含め計12ある。また、その一つを表面とした場合、表面に垂直で互いに向かい合う{111}面のペアは2組ある。従って、基板上面の面方位として{110}面の何れかを選択した場合、ソース/ドレイン領域の側面の面方位が上記選択した[110]面と直交する{111}面となるようにすればよい。なお、本明細書ではこれ以降、等価な結晶面の組み合わせのうち、代表として上面(110)面、側面(-111)面及び(1-1-1)面の場合について記述する。
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
(第1の実施形態)
図4は、本発明の第1の実施形態に係わるMISFETの素子構造を示す断面図であり、特にチャネル長方向に沿った断面を示している。
本実施形態では、支持基板として、Si基板11上に埋め込み絶縁層(BOX:Buried OXide layer)12を形成し、その上にSi層(SOI層)13を形成したSOI基板が用いられる。そして、このSOI基板10上に、ソース領域21,ドレイン領域22,チャネル領域23,ゲート絶縁膜24,及びゲート電極25を有するMISFETが形成されている。
ソース/ドレイン領域21,22はSi層13から形成され、それらの基板表面と垂直方向の結晶方位は<110>である。ソース/ドレイン領域21,22により挟まれたチャネル領域23はIII-V族半導体材料から形成される。ソース領域21とチャネル領域23との界面に垂直な方向は<-111>であり、ドレイン領域22とチャネル領域23との界面に垂直な方向は<1-1-1>である。ゲート絶縁膜24とゲート電極25を合わせたゲートスタックの側面には、側壁絶縁膜26が形成されている。また、これら各部が形成された基板表面上は層間絶縁膜27に覆われており、層間絶縁膜27の表面は平坦化されている。そして、層間絶縁膜27の表面はゲート電極25の表面と同じ高さとなっている。
次に、本実施形態のMISFETの製造方法を、図5(a)〜(f)を参照して説明する。
まず、図5(a)に示すように、上面が(110)面であるSi層13を有するSOI基板(支持基板)10を用意する。
次いで、図5(b)に示すように、チャネル長方向が<-111>となる方位で、通常の所謂ゲート・ファースト(gate-first)プロセスでMISFETを形成する。
具体的には、Si層13に対してメサ型の素子分離工程を実施することにより、最終的にソース/ドレイン領域及びチャネル領域となるアクティブ領域のみを残し、その他の領域をエッチングする。続いて、Si層13上にダミーゲート絶縁膜31とダミーゲート電極32を堆積した後、レジストパターニングによりゲートパターンを規定する。続いて、レジストパターンをドライエッチングで転写し、ゲート電極パターニングを行う。その後、ダミーゲート電極32をマスクとして用い、Si層13に不純物を高濃度に注入し、熱活性化工程を実施することにより、ソース領域21とドレイン領域22を形成する。その後、絶縁膜の堆積とドライエッチングにより側壁絶縁膜26をセルフアラインで形成し、最後に層間絶縁膜27を堆積し表面を平坦化する。
この段階では、チャネル領域はSiから形成されている。これをダミーチャネル領域と呼ぶ。また、ダミーチャネル領域の上部には、ダミーゲート絶縁膜31とダミーゲート電極32とが形成されている。ソース領域21とドレイン領域22は高濃度にドーピングされたSiから形成される。
なお、ダミーゲート絶縁膜31の形成前に、Si層13上にSi1-xGex (x<0.5)層をエピタキシャル成長させ、これをチャネル領域として用いることも可能である。チャネル領域にSi1-xGex 層を設けることにより、次のような効果も得られる。
(1) SiGeのホール移動度はSiよりも約2倍高く、pMOSの高移動度チャネル材料として有効である。ダミーゲート絶縁膜形成前にSiGe層を成長させ、nMOSのみでチャネル領域を本実施形態のチャネル後作りプロセスでIII-V族に置き換えると、nMOSはIII-Vチャネル、pMOSはSiGeチャネルとなる。従って、pMOSに対して後作りフローをする必要が無く、製造コストを低下させることができる。この場合、nMOSとpMOS共にソース/ドレイン領域はSiGe層となる。
(2) Si1-xGex におけるGeの組成比xは、0以上0.5以下とすることが好ましく、例えば0.25から0.35が良い。Si1-xGex のxが増加するほど、ホール移動度が増加する一方、SiGeの耐熱性が低下する傾向がある。xが0.5を超えるとソース/ドレイン領域の活性化アニール工程における約1000℃の高温熱負荷に耐性がなくなる。本実施形態においては、ゲート・ファースト−プロセスによるダミーゲートスタックの形成が不可能になる。
x=0.25は、Siの4つの結合種のうち3本はSiと結合し、残り1本がGeとなる割合に相当する。この状態だと、耐熱性劣化を抑えつつ、Ge添加によるホール移動度向上の利点を享受できる。但し、高温アニール時に基板深部へ熱拡散するGe量も考慮に入れると、x=0.25〜0.35程度のxが特に好ましい。
(3) SiGeをチャネルとして使用する場合、その厚みdは5nm以上15nm以下とすることが好ましく、例えば7nmが良い。これは、MISFETがONの状態でチャネル領域に形成される反転層の厚さは、ゲートバイアスに依存して15nmから5nm程度となるためである。一方、あまりに厚いSiGe層はエピタキシャル成長が難しい。
(4) SiよりもSiGeの方が格子定数が大きいため、ソース領域端及びドレイン領域端をシード部としてIII-V族を成長させる際、シード部とチャネル領域の格子ミスマッチが小さくなり、より高品質なチャネルを形成することも可能となる。
次いで、図5(c)に示すように、絶縁膜26,27をマスクにダミーゲート電極32,ダミーゲート絶縁膜31,及びダミーチャネル領域を除去することにより、溝部33を形成する。この結果、ソース領域端部とドレイン領域端部とに夫々、(-111)面と(1-1-1)面が露出する。
この後、ソース領域端部とドレイン領域端部の{111}面を平滑化する工程を実施してもよい。この{111}面は、次工程のIII-V族気相成長において結晶成長のシード部となる。より高品質なIII-V族チャネルを形成するには、ソース領域端部とドレイン領域端部によりラフネスのない、より原子レベルで平坦な{111}面を形成することが好ましい。
平滑化工程としては、次に挙げる二つの内一つ、若しくは両方を実施してよい。
(i)一つは、{111}面のエッチングレートが他の面よりも遅い異方性ウェットエッチング処理である。水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液(TMAH)や、抱水ヒドラジン溶液(H2NNH2・H2O)によるSiウェットエッチングは、{111}面のエッチレートが遅い異方性エッチングであり、ラフネスを除去し原子レベルで平坦な{111}面を形成するのに有効である。
(ii)もう一つは、H2 雰囲気中の高温熱処理である。同熱処理には、H2 による還元作用によりSi表面の酸化物を除去しSiの表面拡散を容易にする、高温にすることでSiの表面拡散を活発にする、の二つの作用により、Si表面を平坦にする効果がある。例えば、40Torrの減圧のH2 雰囲気中、1000℃m,3minの処理で、ラフネスが除去されて原子レベルで平坦なSi表面が得られる[例えば、R. Hiruta, Applied Surface, Science Vol.237, p63-67 (2004)参照]。
次いで、図5(d)(e)に示すように、ソース/ドレイン領域21,22間にIII-V族半導体からなるチャネル領域23を形成する。具体的には、図5(d)に示すように、(-111)面からなるソース領域端部と(1-1-1)面からなるドレイン領域端部に、それぞれIII-V族材料からなる成長層23aを選択的に成長させる。そして、図5(e)に示すように、左右の成長層23aを接続することにより、チャネル領域23を形成する。ここで、III-V族が[111]方向に優先方向成長する気相成長条件を選ぶことにより、横方向成長が可能となる。
このようにして形成されたチャネル領域23のチャネル長方向と垂直な断面形状は、図6(a)〜(c)に示すように、{110}結晶面からなる4角以上の多角形になる傾向がある。何れもチャネル長方向が<-111>の場合である。なお、図6(a)〜(c)において、紙面表裏方向がチャネル長方向である。
図6(a)では、断面が(110),(101),(0-11),(-1-10),(-10-1),(01-1)面からなる6角形となっている。図6(b)では、図6(a)に加えて(0-11),(-10-1)面からなる溝部を有する8角形となっている。図6(c)では、(110),(01-1),(-1-10),(101)の四角形(台形)となっている。
これらは、(基本技術1)で説明したように{110}面が表面エネルギーの低い安定な結晶面であるためであるが、表面エネルギーの低いが故に側面の{110}面は原子レベルで平坦になる傾向がある。この結果、最終的にチャネル部とゲート絶縁膜の界面が原子レベルで平坦になる。チャネル/ゲート絶縁膜界面の平坦性が高いほど、表面反転層をチャネル長方向に走行するキャリアがラフネスにより散乱される頻度が減るので、電流駆動力は増大する。従って、図6(a)に示すようなチャネル形状は、デバイス性能向上に寄与する。
なお、図6(b)に示すように、(0-11)面と(-10-1)面からなる溝部Dが形成される場合でも、溝部Dはチャネル長方向に沿って形成されるため、チャネル長方向に流れる電流を阻害する要因とはならない。このため、図6(b)に示すような溝部Dが形成されても殆ど問題とならない。
また、III-V族材料としては、GaP,AlP,GaAs,AlAs,InP,InAs,GaSb,AlSb,InSb,InGaAs,及びInGaNAsからなるグループから選択することができる。
次いで、図5(f)に示すように、ゲート絶縁膜24とゲート電極25を形成することにより、前記図4に示す構造が完成することになる。
ゲート絶縁膜24としては、Al23 ,HfO2 ,La23 ,Ta25 ,LaAlO,LaAlSiO,HfSiO,HfSiON,HfLaSiON,HfAlSiON,HfTaSiON,及びHfLaAlSiONからなるグループから選択することができる。ゲート絶縁膜24の堆積方法としては、MOCVD、ALD、スパッタリング、及びそれらの組み合わせから選択することができる。ゲート絶縁膜24の成膜後、プラズマ窒化により窒素を導入してもよい。
ゲート電極25としては、TiN,Al,TiAl,TiAlN,HfSi,HfC,HfCN,TaC,TaN,W,WN,Mo,MoNからなるグループから選択することができる。ゲート電極25の堆積方法としては、MOCVD、ALD、スパッタリング、及びそれらの組み合わせから選択することができる。また、堆積後適当温度熱処理により、凹部の金属充填率を向上させることができる。
前記図5(f)の工程でゲート絶縁膜24を堆積する際、溝部の側面にもゲート絶縁膜24が堆積される。このため、図7(a)に示すように、チャネル領域23の両端にゲート電極25の支配の及ばないオフセット領域が生じる場合がある。
これを回避するためには、図5(d)(e)のIII-V族材料の気相成長工程に先立って、in-situ doped Siや in-situ doped III-V族をゲート絶縁膜24の厚さ程度成長させることが有効である。それらの in-situ doped Siや in-situ doped III-V族はソース若しくはドレインの一部として機能する。この様子を、図7(b)に示す。図中の29が in-situ doped Si層である。
また別の方法として、図5(d)(e)のIII-V族材料の気相成長工程に先立って、ゲートの側壁をウェットエッチング等でゲート絶縁膜24の厚さ程度エッチバックさせることも有効である。この様子を、図7(c)に示す。側壁絶縁膜26がエッチバックされているため、側壁絶縁膜26の側面にゲート絶縁膜24が形成されても、オフセットを回避することができる。
図5(d)(e)の工程でIII-V族材料を成長させる際、成長したIII-V族構造の下面はBOX層と接している一方、その上面はそうなっていない。このことが原因で、III-V族の上部と下部で成長速度が異なり均質性が劣化する可能性もある。これを回避するためには、III-V族の成長に先立って、BOX層を適当程度掘り込むことが有効である。この様子を、図8(a)(b)に示す。
図8(a)に示すように、前記図5(c)の工程で、露出した埋め込み絶縁層12を一定量だけエッチングし、BOX掘り込み領域34を形成する。その後、図8(b)に示すように、III-V族半導体からなるチャネル領域23を選択成長させる。この場合、III-V族の成長の過程においては、III-V族構造の上面と下面がより近い状況にあり、均質性の向上が期待できる。
このように本実施形態では、基板表面と垂直方向の結晶方位が<110>であるSiからなるソース・ドレイン領域と、チャネル長方向が<-111>であるIII-V族からなるチャネル領域とを有するMISFETを、ダミーチャネル領域を除去する工程を経て、ソース端とドレイン端とに夫々現れた(-111)面と(1-1-1)面とをシード部としてIII-V族を横方向成長させることによって形成している。この構造と手法の効果として、III-V族半導体をチャネル領域に用いた高移動度チャネル材料MISFETを、Si基板上に高密度に且つ高品質に形成することを可能としている。次に、この効果を公知例との対比においてより具体的に説明する。
(特許文献1)はチャネル領域にはIII-V族材料を、ソース/ドレイン領域にはSiGeを採用した構造を、また(特許文献2)は、チャネル領域にはSiよりも広いエネルギーバンドギャップ有する半導体材料を、ソース/ドレイン領域には不純物を含有したSiを採用した構造を開示しているが、ソース/ドレイン領域の結晶方位の規定については言及していない。これに対して、本実施形態の構造(図4)では、ソース領域とドレイン領域の基板表面に垂直方向の結晶方位は<110>、ソース領域とチャネル領域との界面に垂直方向は<-111>、ドレイン領域とチャネル領域との界面に垂直方向は<1-1-1>、という結晶面方位規定を定めている。
この結晶面方位規定は、高品質なIII-V族チャネル部を形成するに際して、重要な役割がある。即ち、この結晶面方位規定を設定した場合にのみ、ダミーゲートを除去した後の凹部の両端にあたる向かい合うソース領域及びドレイン領域の端部が共に{111}面になる。本実施形態では、このソース/ドレイン領域の端部のSi{111}をシード部として、III-V族を両端から選択的エピタキシャル成長させて、最終的に凹部をIII-V族で充填し、それをチャネル領域としている。そのように形成されたIII-Vのチャネル部は、高い結晶性、高い結晶配向性、高い平坦性、及びソース若しくはドレインとの界面が極めて急峻、というデバイス特性上好ましい特徴を有することができる。
それ以外の結晶面方位を選択した場合、III-Vの優先成長方向である[111]方向とチャネル長方向とは一致せず、チャネル長方向とは異なった方向へのIII-V族の優先方向成長が起こる。このため、高い結晶配向性、及び高い平坦性を有するチャネル部の形成は困難である。また、III-V族を高品質にエピタキシャル成長させるにあたり{111}面はシード部として最も優位な面である。本実施形態の結晶面方位規定以外を選択した場合、ソース領域及びドレイン領域の端部が{111}面とならないため、高い結晶性を実現できない。また、面方位制御をしない場合、ソース領域端からIII-V族を結晶成長する際、界面において多数のマイクロファセットが形成され界面の急峻性が劣化し、ショートチャネル効果が劣化する。
加えて、本実施形態の結晶面方位規定を設定することにより、(1)ソース領域からチャネル領域へのキャリア注入速度の増大、並びに (2)ソース領域、ドレイン領域、及びソース領域/チャネル領域の界面抵抗の低減、の二つの要因に起因して電流駆動力を増大できる。これは、図9に示すように、Si(110)面内においては[111]方向の電子の伝導質量が他の方位のそれよりも小さくなるためである。高移動度チャネル材料MISFETの場合、チャネル部自体の抵抗は小さく駆動電流を支配する割合が低いから、ソースからの注入速度の向上が特に重要となる。
また、一般にゲート長(Lg)が微細になるほどチャネル部の抵抗は下がるから、駆動電流は寄生抵抗やソースからのキャリアの注入速度により影響を受けるようになる。それらの影響は、Lgが150nm以下で顕在化し、50nm以下で特に顕著になる。そのため、本実施形態の結晶面方位規定の設定は、Lgが150nm以下の高移動度チャネル材料MISFETに対して特に有効であり、Lgが50nm以下の場合は更にその効果が大きい。
なお、ソース領域、ドレイン領域、及びそれらのチャネル領域との界面の結晶方位は、MISFETより該当部分をFIB(Focused Ion Beem)によるピックアップ法で切り出し、断面を高分解能透過電子顕微鏡(HRTEM)で撮像するか、若しくは透過電子回折法(Transmission Electron Diffraction:TED)により分析すれば、明らかにすることができる。
(非特許文献1)と本実施形態の形成方法では、共にSi{111}面をシード部としたIII-V族の結晶成長を含む。ここで、(非特許文献1)はSiO2 開口部のSi(111)面をシード部とした横方向成長を利用しているため、シード部に相当する面積のペナルティが不可避である。これに対して、本実施形態の形成方法においては、(-111)面からなるソース領域端部と(1-1-1)面からなるドレイン領域端部がシード部として機能するために、付加的な面積のペナルティが存在しない。この結果、面積ペナルティなくSi{111}をシード部とした高移動度チャネル材料の高品質結晶成長が可能となる。
本実施形態の形成方法(図5(a)〜(f))においては、ソースとドレインの高温活性化アニールの後に、チャネル領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極の積層構造の形成がなされる。これを、チャネル・ラスト(Channel-last)プロセスと呼ぶ。ゲート積層部への高温熱負荷は、高移動度材料チャネル/ゲート絶縁膜、ゲート絶縁膜/ゲート電極の両界面の特性を著しく劣化させる。しかし、チャネル・ラスト−プロセスを用いることにより、これを回避することができる。
一方、(非特許文献1)の形成方法はチャネル・ファースト(Channel-fist)プロセスであり、ゲート積層部への高温熱負荷を回避できない。また、(特許文献2)は第1の実施形態の形成方法と同じくチャネル・ラスト−プロセスであるが、結晶面方位規定がなく、Si{111}面をシード部として使用できないため、高移動度チャネル材料の高品質結晶成長が不可能である。
つまり、本実施形態の形成方法は、限定された結晶面方位規定を設けた構造とすることにより、高温熱負荷回避可能なチャネル・ラスト−プロセスで、面積ペナルティなく、Si{111}をシード部とした高品質結晶成長による、高移動度材料のチャネル領域形成を可能としている。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態では、チャネル領域23がGeからなることを除いて第1の実施形態と同じ構造のMISFETを、Geチャネル領域の形成方法を除いて第1の実施形態と同じ形成方法により形成する。即ち、基板面に垂直方向の結晶方位が<110>であるSiからなるソース/ドレイン領域21,22と、チャネル長方向が<-111>であるGeからなるチャネル領域23を有するMISFETを、ダミーチャネル領域を除去する工程を経て、ソース端とドレイン端とに夫々現れた(-111)面と(1-1-1)面とをシード部としてGeを横方向成長させることによって形成する。
Geは、ホール移動度がSiの約4倍あり、特にp型MISFETの高移動度チャネル材料として有望である。しかし、Geチャネル領域とソース/ドレイン領域との界面及び、Geチャネル領域とゲート絶縁膜界面が高温熱負荷に弱いことが問題であった。
これに対して本実施形態では、チャネル・ラスト−プロセスであるため、高温熱負荷を回避することができる。加えて、面積ペナルティなくSi{111}をシード部としたGeの高品質結晶成長を実施できる。従って本実施形態によれば、GeチャネルMISFETをSi基板上に高密度に、高品質に形成することが可能となる。
(第3の実施形態)
図10は、本発明の第3の実施形態に係わるMISFETの素子構造を示す断面図であり、特にチャネル長方向に沿った断面を示している。なお、図10中の41,51〜57は、図4中の11,21〜27に対応している。
本実施形態が先に説明した第1の実施形態と異なる点は、SOI基板の代わりにバルク基板を用いたことにある。
Si基板41上に、STI(Shallow trench isolation)45により素子分離されて、MISFETが形成されている。ソース領域51とドレイン領域52はSiから形成され、それらの基板表面に垂直方向の結晶方位は<110>である。ソース/ドレイン領域51,52により挟まれたチャネル領域53はIII-V族材料から形成される。ソース領域51とチャネル領域53との界面の垂直方向は<-111>であり、ドレイン領域52とチャネル領域53との界面の垂直方向は<1-1-1>である。ゲート絶縁膜54とゲート電極55を合わせたゲートスタックの側面には側壁絶縁膜56が形成されている。また、MISFETは層間絶縁膜57に覆われている。
図11は、図10のMISFETの製造工程を示す断面図である。基板が異なるだけで、基本的には第1の実施形態で説明した図5(a)〜(f)と同様の工程で作製される。
まず、図11(a)に示すように、上面が(110)面であるSi基板41を用意する。
次いで、図11(b)に示すように、STI45による素子分離を実施した後、チャネル長方向が<-111>となる方位で、通常のゲート・ファースト−プロセスでMISFETを形成する。具体的には、第1の実施形態と同様に、ダミーゲート絶縁膜61とダミーゲート電極62をゲートパターンに形成した後、不純物を高濃度に注入してソース領域51とドレイン領域52を形成し、さらに側壁絶縁膜56及び層間絶縁膜57を堆積させる。
この段階では、ダミーチャネル領域はSiから形成される。また、ダミーチャネル領域の上部には、ダミーゲート絶縁膜61とダミーゲート電極62とが形成されている。ソース領域51とドレイン領域52は高濃度にドーピングされたSiから形成される。
次いで、図11(c)に示すように、ダミーゲート電極62、ダミーゲート絶縁膜61を除去した後、チャネル部のSiを適当量掘り込む。この結果、ソース領域端部とドレイン領域端部とに夫々(-111)面と(1-1-1)面が露出する。一方、Siを掘り込んだ部分の底面は、(110)面からなる。
次いで、図11(d)(e)に示すように、第1の実施形態と同様に、III-V族材料を(-111)面からなるソース領域端部と(1-1-1)面からなるドレイン領域端部に選択的に成長させ、チャネル領域53を形成する。III-V族が[111]優先方向成長する気相成長条件を選ぶことにより、横方向成長が可能となる。
次いで、図11(f)に示すように、第1の実施形態同様に、ゲート絶縁膜54とゲート電極55を形成する。
このように本実施形態では、バルク基板を用いて第1の実施形態と同様に、高移動度チャネル材料MISFETをSi基板上に高密度に形成することができる。しかも、SOI基板を使用する場合と比較して低コストである通常のバルクSi基板を使用可能であるため、製造コストを低減することが可能となる。
(第4の実施形態)
図12は、本発明の第4の実施形態に係わるFin型MISFETの素子構造を示す斜視図である。なお、図12中の71〜73,81〜87は、図4中の11〜13,21〜27に対応している。
本実施形態では、支持基板として、Si基板71上に埋め込み絶縁層(BOX)72を形成し、その上にSi層(SOI層)73を形成したSOI基板が用いられる。そして、このSOI基板のSi層73を薄壁状に加工することにより形成されたソース領域81及びドレイン領域82、更にチャネル領域83,ゲート絶縁膜84,及びゲート電極85を有するFin型MISFETが形成されている。
ソース領域81とドレイン領域82はSiから形成され、それらの基板表面と垂直方向の結晶方位は<110>である。ソース領域81,82により挟まれたチャネル領域83はIII-V族材料から形成される。ソース領域81とチャネル領域83との界面に垂直方向は<-111>であり、ドレイン領域82とチャネル領域83との界面に垂直方向は<1-1-1>である。チャネル領域83の周囲には、ゲート絶縁膜84が覆っており、されにその外周をゲート電極85が覆っている。ゲート絶縁膜84とゲート電極85とを合わせたゲートスタックの側面には側壁絶縁膜86が形成されている。またFin型MISFETは層間絶縁膜87に覆われている。
次に、本実施形態のFin型FETの製造方法を、図13(a)〜(c)を参照して説明する。
まず、図13(a)に示すように、上面が(110)面であるSOI層を有する基板を用意し、チャネル長方向が<-111>となる方位で、通常のゲート・ファースト−プロセスでFin型MISFETを形成する。この段階では、チャネル領域はSiから形成される。これをダミーチャネル領域と呼ぶ。また、ダミーチャネル領域の上部には、ダミーゲート絶縁膜91とダミーゲート電極92とが形成されている。ソース領域81とドレイン領域82は高濃度にドーピングされたSiから形成される。
次いで、図13(b)に示すように、側壁絶縁膜86と層間絶縁膜87(図示せず)を形成した後、これらの絶縁膜をマスクに用いて、ダミーゲート電極92、ダミーゲート絶縁膜91、及びダミーチャネル領域を除去する。この結果、ソース領域81の端部とドレイン領域82の端部とに夫々(-111)面と(1-1-1)面が露出する。
次いで、図13(c)に示すように、III-V族材料を(-111)面からなるソース領域端部と(1-1-1)面からなるドレイン領域端部に選択的に成長させ、チャネル領域83を形成する。III-V族が[111]優先方向成長する気相成長条件を選ぶことにより、横方向成長が可能となる。その後、ゲート絶縁膜84とゲート電極85を形成することによって、前記図12に示す構造が得られる。
図13(c)では、III-V族チャネル領域は直方体形状をしているが、図1と同様に六角柱形状になる場合もある。本発明の範囲は、この場合も含む。
また、本実施形態を更に進めてゲートオールアラウンド型MISFETを作製することもできる。
図13(b)のダミーチャネル領域の除去工程に続いて、BOX−SiO2 層72を一定量だけ掘り込む工程を実施する。例えば、埋め込み絶縁層72を20〜30nm程度掘り込む。その後、図13(c)のIII-V族結晶成長に続き、high-k 絶縁膜とメタルゲートをMOCVDやALD法により形成する。例えば、HfSiOをMOCVDで形成し、続いてプラズマ窒化によりNを導入することで、3nmのHfSiONを形成する。その後、7nm程度のTiN若しくはHfC,TaCをCVD法により形成する。最後に、ゲート電極部にAlやTiAlを堆積させ、550℃程度の熱処理を加える。熱処理を加えることにより、AlやTiAlを融解させることで、空間充填率を上げることができる。
以上の工程で、図14に示すように、チャネル長方向に垂直な断面が六角形で、チャネル領域83の周囲全面にゲート絶縁膜84を介してゲート電極85を形成したゲートオールアラウンド型MISFETを形成することができる。
ゲートオールアラウンド型MISFETは、細線型チャネルの表面全てをゲート絶縁膜とゲート電極とが覆う構造であるため、ゲート電極がチャネルの電子状態を制御するその支配力が極めて強く、短チャネル効果に強いことが特徴である。
このようにして、ショートチャネル効果耐性を高めたゲートオールアラウンド型の高移動度チャネル材料MISFETを、(1)チャネル部の結晶性及び結晶配向性が高い、(2)チャネル/絶縁膜界面の平坦性が高い、というデバイス特性上好ましい特徴を有して、形成することができる。従って本実施形態によれば、ショートチャネル効果耐性を高めたFin型の高移動度チャネル材料MISFET、又はショートチャネル効果耐性を更に高めたゲートオールアラウンド型の高移動度チャネル材料MISFET、の高密度形成及びSi基板上形成が可能となる。
なお、本実施形態ではSOI基板を用いているが、バルクSi基板上にFin型MISFET又はゲートオールアラウンド型MISFETを形成することも可能である。
(変形例)
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。即ち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各具体例は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
1…SiO2
2…SiO2 開口領域
3…III-V族半導体
10…SOI基板(支持基板)
11,41,71…Si基板
12,72…埋め込み絶縁膜(BOX)
13,73…Si層(SOI層)
5,21,51,81…ソース領域
6,22,52,82…ドレイン領域
23,53,83…チャネル領域
24,54,84…ゲート絶縁膜
25,55,85…ゲート電極
26,56,86…側壁絶縁膜
27,57,87…層間絶縁膜
29… in-situ doped Si層
31,61,91…ダミーゲート絶縁膜
32,62,92…ダミーゲート電極
33…溝部
34…BOX掘り込み領域

Claims (7)

  1. 表面と垂直方向な結晶方位が[110]方向のSi1-x Gex(0≦x<0.5)を表面部に有する支持基板の表面部上に、ゲート長方向が前記[110]方向と直交する[111]方向となるようにダミーゲートを形成する工程と、
    前記ダミーゲートをマスクに用いて前記基板の表面部にソース/ドレイン領域を形成する工程と、
    前記ソース/ドレイン領域の形成後に、前記ダミーゲートの側部に絶縁膜を埋め込み形成する工程と、
    前記絶縁膜をマスクに用いて前記ダミーゲートをエッチングし、更に前記ソース/ドレイン領域間の前記基板の表面部をエッチングする工程と、
    前記基板の表面部のエッチングにより露出した前記ソース/ドレイン領域の端部をシードとして用い、前記ソース/ドレイン領域間にIII-V族半導体又はGeからなるチャネル領域を成長する工程と、
    前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記チャネル領域を成長する前に、前記露出した前記ソース/ドレイン領域の端部に対し、{111}面のエッチングレートが他の面よりも遅い異方性ウェットエッチング、又はH2 雰囲気中の高温熱処理を用いて、{111}面を平滑化することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記支持基板は、埋め込み絶縁膜上に前記Si1-x Gex からなる半導体層が形成されたSOI基板であり、前記基板の表面部のエッチング時に、前記半導体層だけでなく、前記埋め込み絶縁膜の一部をエッチングすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記チャネル領域の周囲全面に前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を形成することを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
  5. 支持基板の表面部に、表面と垂直方向な結晶方位が[110]方向のSi1-x Gex(x<0.5)からなり、前記[110]方向と直交する[111]方向に離間して設けられ、且つチャネル長方向の側面の面方位が前記[110]方向と直交する{111}面に形成されたソース/ドレイン領域と、
    前記ソース/ドレイン領域間に設けられた、III-V族半導体又はGeからなるチャネル領域と、
    前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
    を具備したことを特徴とする半導体装置。
  6. 前記チャネル領域のチャネル長方向と垂直な断面の形状が{110}面からなる多角形であることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記チャネル領域のチャネル長方向の長さが150nm以下であることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
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