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JP2005310921A - MOS type semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2005310921A
JP2005310921A JP2004123470A JP2004123470A JP2005310921A JP 2005310921 A JP2005310921 A JP 2005310921A JP 2004123470 A JP2004123470 A JP 2004123470A JP 2004123470 A JP2004123470 A JP 2004123470A JP 2005310921 A JP2005310921 A JP 2005310921A
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JP
Japan
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fin
semiconductor device
channel
region
mos
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Pending
Application number
JP2004123470A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Osone
隆志 大曽根
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Okayama Prefectural Government
Original Assignee
Okayama Prefectural Government
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Publication date
Application filed by Okayama Prefectural Government filed Critical Okayama Prefectural Government
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/62Fin field-effect transistors [FinFET]

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

【課題】 極微細な幅の縦型の半導体薄膜のフィンを用いた、極微細なチャネル長と完全空乏化チャネル領域を有するMOS型半導体装置を実現するためのMOS型半導体装置及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 SOI基板21上に形成された第1の絶縁体層320の開口部に、選択エピタキシャル成長法を用いてSOI基板21に対して平行にソース領域270,275、チャネル領域260,265及びドレイン領域280,285を半導体薄膜の積層膜として堆積してフィン201,202となる領域を形成し、フィン201,202のチャネル領域260,265のチャネル幅方向の側面にゲート絶縁体膜240とゲート電極255を形成し、フィン201,202の幅はゲート電圧によってチャネル領域260,265が完全に空乏化される程度以下に狭く形成されているMOS型半導体装置及びその製造方法。
【選択図】 図12
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a MOS type semiconductor device for realizing a MOS type semiconductor device having an extremely fine channel length and a fully depleted channel region using a fin of a vertical type semiconductor thin film having an extremely fine width, and a manufacturing method thereof. To provide.
SOLUTION: Source regions 270 and 275, channel regions 260 and 265, and drain regions 280 and 285 are formed in parallel with the SOI substrate 21 in an opening portion of a first insulator layer 320 formed on the SOI substrate 21 using a selective epitaxial growth method. A region to be the fins 201 and 202 is formed by stacking as a semiconductor thin film, and the gate insulator film 240 and the gate electrode 255 are formed on the side surfaces of the channel regions 260 and 265 of the fins 201 and 202 in the channel width direction. A MOS type semiconductor device formed so as to be narrower than an extent that channel regions 260 and 265 are completely depleted by a voltage, and a method for manufacturing the same.
[Selection] FIG.

Description

本発明は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)構造、特に完全に空乏化されたチャネル領域と極微細化されたチャネル長を有するMOS型半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) structure, and more particularly, to a MOS semiconductor device having a completely depleted channel region and an extremely fine channel length, and a method for manufacturing the same.

MOS型半導体装置であるMOSFETはバイポーラ型トランジスタに比べて、構造が単純で素子分離も容易であり、製造工程も容易なことから、高集積密度・高集積度の集積回路、特にデジタル型集積回路の基本構成素子として広く用いられている。特に、nチャネル型MOSFETとpチャネル型MOSFETとを組み合わせた多素子型のMOS型半導体装置であるCMOS(Complementary MOS:相補型MOS)回路は、低消費電力・高速動作が両立可能なことから、SoC(System on a Chip)又はシステムLSIと称して各種電子機器に広く利用されており、その重要性は今後益々増大するものと考えられている。   MOSFETs, which are MOS type semiconductor devices, have a simpler structure, easier element isolation, and easier manufacturing processes than bipolar type transistors. Therefore, integrated circuits with high integration density and high integration, especially digital integrated circuits. It is widely used as a basic constituent element. In particular, a CMOS (Complementary MOS) circuit, which is a multi-element MOS semiconductor device combining an n-channel MOSFET and a p-channel MOSFET, can achieve both low power consumption and high-speed operation. SoC (System on a Chip) or system LSI is widely used in various electronic devices, and its importance is considered to increase more and more in the future.

MOSFETの高性能化・高集積密度化を両立しながら実現する指針として、MOSFETの形状を比例して縮小する比例縮小則が有効である。この指針に沿って、MOSFETのチャネル長は1960年にKahnとAtallaによって発明された当時の約20μmから縮小され続けて、今や100nm以下のMOSFETが実用化されている。しかし、シリコン基板中に形成された従来の平面構造のMOSFETでは、チャネル長が数10nm以下に縮小されるにつれて、閾値電圧(スレッショルド電圧)以下のゲート電圧でドレインとソース間に流れるサブスレッショルド電流が増大し、ゲート電圧が0Vにおいてもドレインとソース間に微小なリーク電流を生ずる。このリーク電流は、チャネル長が縮小されるにつれて増大し、数億個以上の微細化MOSFETを集積したLSIの待機時の消費電力を増加せしめるので、近年大きな課題となってきた。この対策として、従来の平面型MOSFET構造においても種々の改善提案がなされてきたが、その構造は複雑になり、それに伴って製造工程も複雑化する一方であり、シリコン中に作り込まれる平面構造のMOSFETの限界がいわれている。   As a guideline for realizing both high performance and high integration density of the MOSFET, a proportional reduction law that reduces the shape of the MOSFET in proportion is effective. In accordance with this guideline, the channel length of the MOSFET continues to be reduced from about 20 μm at the time invented by Kahn and Atalla in 1960, and MOSFETs of 100 nm or less are now in practical use. However, in the conventional planar structure MOSFET formed in the silicon substrate, as the channel length is reduced to several tens of nm or less, the subthreshold current flowing between the drain and the source at a gate voltage lower than the threshold voltage (threshold voltage) is generated. Even when the gate voltage is 0V, a minute leak current is generated between the drain and the source. This leakage current increases as the channel length is reduced, increasing power consumption during standby of an LSI in which hundreds of millions of miniaturized MOSFETs are integrated, and has become a major issue in recent years. As countermeasures, various proposals for improvement have been made in the conventional planar MOSFET structure, but the structure becomes complicated and the manufacturing process is complicated accordingly, and the planar structure built in silicon. The limitation of MOSFETs is said.

近年、前記のサブスレッショルド電流特性を改善するために、極めて薄いシリコン単結晶薄膜を有するSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて、その薄いシリコン単結晶薄膜中にMOSFETを形成する方法が提案されている。種々の構造のSOI基板が提案されているが、一般的なものとしては、操作用基体となる厚いシリコン単結晶基体の上面にシリコン酸化膜等の絶縁体膜を有し、更にその上面に薄いシリコン単結晶薄膜が形成された基板である。上記の絶縁体膜は、シリコン単結晶基体とシリコン単結晶薄膜との間に埋め込まれた構造となっているので、以下では埋め込み絶縁体膜と称する。100nm以下に薄膜化した上記のシリコン単結晶薄膜中にチャネル領域を形成し、印加するゲート電圧によって該チャネル領域を完全に空乏化せしめた完全空乏化MOSFETが提案され、サブスレッショルド電流特性が大幅に改善されたチャネル長が100nm以下のMOSFETが実現された。   In recent years, in order to improve the subthreshold current characteristics, a method of forming a MOSFET in a thin silicon single crystal thin film using an SOI (Silicon On Insulator) substrate having an extremely thin silicon single crystal thin film has been proposed. Yes. Various types of SOI substrates have been proposed, but as a general one, an insulating film such as a silicon oxide film is provided on the upper surface of a thick silicon single crystal substrate serving as an operation substrate, and a thin film is further formed on the upper surface. This is a substrate on which a silicon single crystal thin film is formed. Since the insulator film has a structure embedded between the silicon single crystal substrate and the silicon single crystal thin film, it is hereinafter referred to as a buried insulator film. A fully depleted MOSFET is proposed in which a channel region is formed in the silicon single crystal thin film thinned to 100 nm or less and the channel region is completely depleted by an applied gate voltage, and the subthreshold current characteristics are greatly improved. An improved MOSFET with a channel length of 100 nm or less was realized.

しかし、更に微細化された数10nm以下のチャネル長を有するMOSFETを実現するためには、チャネル領域を完全に空乏化するために上記のシリコン単結晶薄膜を数10nm以下に薄膜化する必要があるが、従来のSOI基板を用いて実現することは極めて困難であった。この課題を解決するために、SOI基板上のシリコン単結晶薄膜を基板に垂直な方向にフィン(Fin)状に加工した縦型の単結晶シリコン薄膜のフィン(以下、フィンと略称する)にチャネル領域を形成した構造のMOS型半導体装置であるFinFETが提案された。このFinFETは、特許文献1及び非特許文献1に開示されている。特許文献1と非特許文献1に開示されたFinFETは、ソースとチャネル及びドレインがSOI基板に対して平行方向又は平面的に配置された構造のMOS型半導体装置であるので、本発明によるFinFETと区別するために、以下ではプレーナ(planar)の意味を込めてp−FinFETと称する。   However, in order to realize a further miniaturized MOSFET having a channel length of several tens of nm or less, it is necessary to reduce the silicon single crystal thin film to several tens of nm or less in order to completely deplete the channel region. However, it has been extremely difficult to realize using a conventional SOI substrate. In order to solve this problem, a channel is formed in a fin (hereinafter referred to simply as a fin) of a vertical single crystal silicon thin film obtained by processing a silicon single crystal thin film on an SOI substrate into a fin shape in a direction perpendicular to the substrate. A FinFET, which is a MOS semiconductor device having a structure in which a region is formed, has been proposed. This FinFET is disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1. The FinFET disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 is a MOS type semiconductor device having a structure in which a source, a channel, and a drain are arranged in parallel or in a plane with respect to an SOI substrate. For the sake of distinction, the term “p-FinFET” will be used hereinafter for the purpose of planar.

このp−FinFETの代表的な模式図を図6〜図8に示す。図6は平面レイアウト図で、図7と図8はそのa−a’方向とb−b’方向の拡大断面構造図を示す。フィンの幅Wfinが数10nmで、厚さHfinのフィン100を、SOI基板を構成するシリコン基体110上の埋め込み絶縁体膜120の上面に形成されているシリコン単結晶薄膜を縦型の島状に加工して形成する。フィン100の上面には層間絶縁体膜130が形成されている。フィン100の側面に数nm以下のゲート絶縁体膜140と数10nmのゲート電極長Lの幅をもつゲート電極150を形成する。MOSFETのチャネル領域160は、図7に示す様にフィン100の両側面に形成されたゲート絶縁体膜140とゲート電極150で構成されるMOS構造で挟まれたフィン100の領域となる。ソース領域170とドレイン領域180は、ゲート電極150の両側に延在するフィン100の内部に形成される。また、ソース領域の引き出し電極172はフィンの延長上に形成される電極引き出し領域190にソース電極のコンタクト開口部171を介して形成する。ドレイン領域の引き出し電極182とゲート引き出し電極152も、フィンの延長上に形成される電極引き出し領域191,192にそれぞれの電極のコンタクト開口部181,151を介して形成する。上記p−FinFETの構造を用いることにより、数10nmのゲート電極長Lを有する完全空乏化したチャネル領域160を安定に形成することができる様になり、サブスレッショルド電流特性の良好な高性能MOSFETが実現でき、将来実用化される極微細なゲート電極長を有するMOSFETの有力候補となっている。 A typical schematic diagram of this p-FinFET is shown in FIGS. FIG. 6 is a plan layout view, and FIGS. 7 and 8 are enlarged cross-sectional structural views in the aa ′ and bb ′ directions. A fin 100 having a fin width W fin of several tens of nanometers and a thickness H fin of a silicon single crystal thin film formed on the upper surface of a buried insulator film 120 on a silicon substrate 110 constituting an SOI substrate is used as a vertical island. Processed into a shape. An interlayer insulator film 130 is formed on the upper surface of the fin 100. Forming a gate electrode 150 having a width of the gate electrode length L g aspect several 10nm and several nm or less of the gate insulating film 140 on the fin 100. The channel region 160 of the MOSFET becomes a region of the fin 100 sandwiched between the MOS structures constituted by the gate insulator film 140 and the gate electrode 150 formed on both side surfaces of the fin 100 as shown in FIG. The source region 170 and the drain region 180 are formed inside the fin 100 extending on both sides of the gate electrode 150. The source region extraction electrode 172 is formed in the electrode extraction region 190 formed on the extension of the fin through the contact opening 171 of the source electrode. The drain region extraction electrode 182 and the gate extraction electrode 152 are also formed in the electrode extraction regions 191 and 192 formed on the extension of the fin via the contact openings 181 and 151 of the respective electrodes. By using the structure of the p-FinFET, it is like can be the channel region 160 fully depleted with a gate electrode length L g of several 10nm to form stable, good performance MOSFET sub-threshold current characteristics This is a promising candidate for a MOSFET having an extremely fine gate electrode length that will be practically used in the future.

上記従来のp−FinFETの課題としては、以下の4項目があげられる。   The following four items are raised as problems of the conventional p-FinFET.

(1) p−FinFETは、ゲート電圧によってチャネル領域160を完全に空乏化せしめるためにフィンの幅Wfinを数10nmの極薄膜に形成する必要があり、極微細な線幅で且つそのバラツキの小さなフォトリソグラフィ工程が必須である。更に、チャネル長LCを規定するゲート電極長Lにおいても、フィンの幅Wfinと同様に数10nm程度の極微細な線幅で且つそのバラツキの小さなフォトリソグラフィ工程が要求される。最先端のフォトリソグラフィ工程を用いても、その解像度限界領域での微細パターン形成となるために、ロット間やウェーハ間はもとよりウェーハ内やチップ間及びチップ内の線幅のバラツキが大きくなることは避けられない。このために、フィンの幅Wfinとゲート電極長Lのバラツキが相乗的に作用してp−FinFETの電気的特性に大きなバラツキを生じ、LSIの動作速度のバラツキや動作の不安定性等の不具合の原因となっていた。 (1) In order to completely deplete the channel region 160 by the gate voltage, the p-FinFET needs to have a fin width W fin formed in an extremely thin film of several tens of nanometers, and has an extremely fine line width and its variation. A small photolithography process is essential. Further, the gate electrode length L g that defines the channel length L C also requires a photolithography process with an extremely fine line width of about several tens of nanometers and a small variation like the fin width W fin . Even with the most advanced photolithography process, it is possible to form a fine pattern in the resolution limit area, so that the variation in line width between wafers and chips as well as between lots and wafers as well as within chips is large. Unavoidable. For this reason, the variation of the fin width W fin and the gate electrode length L g acts synergistically to produce a large variation in the electrical characteristics of the p-FinFET, resulting in variations in the operating speed of the LSI, instability of the operation, etc. It was the cause of the bug.

(2) 図6に示すp−FinFETの平面レイアウト図からも分かる様に、フィン100の領域からソースとドレイン領域の引き出し電極172,182への電極引き出し領域190,191は、フィン100からそれぞれのコンタクト開口部171,181の形成領域に至るネック部を経て形成する必要があるために、ゲート電極150の端面からコンタクト開口部171,181までの距離Dが必然的に大きくなる。この距離Dは、抵抗の大きな半導体薄膜で形成されているので、ソース領域170とドレイン領域180の寄生直列抵抗が大きくなり、p−FinFETの電気的特性の著しい劣化を招いていた。   (2) As can be seen from the plane layout diagram of the p-FinFET shown in FIG. 6, the electrode lead-out regions 190 and 191 from the fin 100 region to the source and drain region lead-out electrodes 172 and 182 are connected to the respective contact openings 171 and 181 from the fin 100. Therefore, the distance D from the end face of the gate electrode 150 to the contact openings 171 and 181 inevitably increases. Since the distance D is formed of a semiconductor thin film having a high resistance, the parasitic series resistance of the source region 170 and the drain region 180 is increased, and the electrical characteristics of the p-FinFET are significantly deteriorated.

(3) 単体のp−FinFETの占有面積は、図6の破線で記した円形部分で示す様に極めて小さいにも拘らず、実質的にはソース、ドレイン及びゲートの電極引き出し領域190,191,192と各引き出し電極172,182,152の形成領域の占有面積でほぼ決定されるので、高密度化を実現することは困難であった。   (3) Although the area occupied by a single p-FinFET is extremely small as shown by the circular part indicated by the broken line in FIG. 6, the electrode lead-out regions 190, 191 and 192 of the source, drain and gate are substantially Since it is almost determined by the area occupied by the formation regions of the electrodes 172, 182 and 152, it has been difficult to achieve high density.

(4) 単体のp−FinFETのチャネルは図7に示す様にチャネル領域160の両側に形成されるので、MOSFETとしてのチャネル幅Wは、フィン100の高さをHfinとすれば、2Hfinで与えられる。チャネル幅Wを任意に変化せしめるためにはHfinを変化せしめる必要があるが、同一基板上に複数の異なる高さのフィンを形成することは極めて困難である。従って、図9に示すCMOSインバータ回路をp−FinFETを用いて構成する場合には、図10の平面レイアウト図に示す様に、同一形状のp−FinFETを隣接してn個並列に接続したマルチp−FinFET構成としてW=2nHfinとする必要がある。図10に示す例では、pチャネル型p−FinFETは10個のフィンを、nチャネル型p−FinFETは5個のフィンを並列に構成して、各ドレイン電流がほぼ同等となる様に設計している。しかし、この構成では、Wはnの整数とデジタル的にしか制御できなかった。且つ、ゲート電極が配設されている方向の実質的に必要なフィンの長さはnWfinであるにも拘らず、実際的にはフィン間の間隔が加算されるので、この間隔がWfinにほぼ等しいとしても約2nWfinの幅を要することになり、チャネル幅方向の集積密度が約2分の1になってしまっていた。 (4) Since the single p-FinFET channel is formed on both sides of the channel region 160 as shown in FIG. 7, the channel width W as MOSFET, if the height of the fin 100 and H fin, 2H fin Given in. In order to arbitrarily change the channel width W, it is necessary to change H fin , but it is extremely difficult to form a plurality of fins having different heights on the same substrate. Therefore, when the CMOS inverter circuit shown in FIG. 9 is configured using p-FinFET, as shown in the plan layout diagram of FIG. 10, a multi-channel structure in which n pieces of p-FinFETs having the same shape are connected in parallel. The p-FinFET configuration needs to be W = 2nH fin . In the example shown in FIG. 10, the p-channel type p-FinFET has 10 fins and the n-channel type p-FinFET has 5 fins arranged in parallel so that the drain currents are almost equal. ing. However, in this configuration, W can only be controlled digitally as an integer of n. And, substantially the length of the fin required direction in which the gate electrode is disposed despite a nW fin, the spacing between the fins in practice are added, the spacing W fin Even if it is substantially equal to, a width of about 2 nW fin is required, and the integration density in the channel width direction is about one half.

上記の課題(1)におけるゲート電極長Lgを形成するための極微細なフォトリソグラフィ工程を不要にするために、ソースとチャネル及びドレインの各領域を基板面に対して垂直方向に形成する方法が、特許文献2及び3に記述されている。以下では、この構造のMOS型半導体装置を、ソースとチャネル及びドレインの各領域が垂直方向(vertical)に形成されている特徴から、v−FETと呼ぶ。   In order to eliminate the need for an extremely fine photolithography process for forming the gate electrode length Lg in the above problem (1), there is a method in which the source, channel, and drain regions are formed in a direction perpendicular to the substrate surface. And Patent Documents 2 and 3. Hereinafter, the MOS semiconductor device having this structure is referred to as a v-FET because the source, channel, and drain regions are formed in a vertical direction.

このv−FETのチャネル長Lを規定する手段として、特許文献2では単結晶シリコン基板に形成する溝のエッチング深さで制御し、特許文献3ではエピタキシャル成長法によるシリコン単結晶薄膜の膜厚で制御している。シリコン半導体の製造工程では、エッチング深さよりもエピタキシャル成長膜厚のロット間、ウェーハ間やウェーハ内の制御性・再現性・均一性が優れていることが一般的に知られている。また、エピタキシャル成長法を用いれば、成長中の膜中に所望の不純物を所望の濃度で導入することが容易であるために、1回のエピタキシャル成長工程でソースとチャネル及びドレインの各領域を制御性良く形成可能であり、半導体薄膜への不純物導入のための煩雑な追加の製造工程が必要なエッチング法に比べて、製造工程が大幅に簡略化できる。エピタキシャル成長法を用いたv−FETの代表的な形状の斜視図を図11に示す。このv−FETのチャネル161は、幅がWislのシリコン単結晶の島状領域105に形成されたソース領域170とドレイン領域180に挟まれた領域であって、ゲート電極150とゲート絶縁体膜140を介して接する両側面に形成される。従って、v−FETのチャネル長Lは、ソース領域170とドレイン領域180の間隔であるチャネル長Lで決定される。v−FETのチャネル幅Wは、ゲート電極長をWとすれば、チャネル161はシリコン単結晶の島状領域105の両側面に形成されているので、2Wで与えられる。従って、そのドレイン電流密度は、従来の平面構造のMOSFETの2倍となり、p−FinFETの利点を併せ持つ。このv−FETで提案されているエピタキシャル成長法を用いたソースとチャネル及びドレイン領域の形成法を用いれば、p−FinFETの有する上述の課題(1)で述べたフィンの幅Wfinとゲート電極長Lの形成に必要とされる2回の極微細フォトリソグラフィ工程のうち、チャネル長LC を規定するゲート電極長Lを形成する工程が不要になる。また、ソースとチャネル及びドレインの各領域を1回のエピタキシャル成長で形成できるので、製造工程の大幅な簡略化も可能である。しかし、図11に示す様な従来のv−FETを何らの変更を加えずにFinFETへ応用することは困難であった。MOSFETをさらに小型化するため、v−FETの構造を応用してエピタキシャル成長法等で極微細化したチャネル領域を形成した場合であっても、チャネル領域の完全な空乏化が容易で、サブスレッショルド電流特性が悪化しない、高性能で製造しやすいMOS型半導体装置及びその製造方法が望まれていた。また、ソース及びドレイン電極の取り出し方法については大きな課題が残っていた。更には、従来のv−FETでは、上述のp−FinFETの有する課題(2)〜(4)を具体的に解決する例示はなされておらず、重大な課題として残されていた。また、エピタキシャル成長法の一つである選択エピタキシャル成長法について、非特許文献3に記載されており、異なる半導体材料を組み合わせたり、同種類の混晶半導体の組成比を変えることによって所望のMOS型半導体装置を得ることについて、非特許文献2に記載されている。 As a means of defining the channel length L C of the v-FET, and controlled by the etching depth of the groove to be formed in the single crystal silicon substrate in Patent Document 2, a thickness of a silicon single crystal thin film by an epitaxial growth method in Patent Document 3 I have control. In the manufacturing process of silicon semiconductors, it is generally known that the controllability, reproducibility, and uniformity among lots, wafers, and wafers with an epitaxially grown film thickness are superior to the etching depth. In addition, if an epitaxial growth method is used, it is easy to introduce a desired impurity at a desired concentration into a growing film. Therefore, the source, channel, and drain regions can be controlled with a single epitaxial growth process with good controllability. Compared to an etching method that can be formed and requires a complicated additional manufacturing process for introducing impurities into the semiconductor thin film, the manufacturing process can be greatly simplified. A perspective view of a typical shape of a v-FET using the epitaxial growth method is shown in FIG. The channel 161 of this v-FET is a region sandwiched between a source region 170 and a drain region 180 formed in a silicon single crystal island region 105 having a width of Wisl , and includes a gate electrode 150 and a gate insulator film. 140 is formed on both side surfaces in contact with each other through 140. Therefore, the channel length L C of the v-FET is determined by the channel length L C that is the distance between the source region 170 and the drain region 180. the channel width W of the v-FET, if the gate electrode length and W g, since the channel 161 is formed on both side surfaces of the island regions 105 of the silicon single crystal is given by 2W g. Therefore, the drain current density is twice that of the conventional planar structure MOSFET, and has the advantage of p-FinFET. If the source, channel, and drain region forming method using the epitaxial growth method proposed for the v-FET is used, the fin width W fin and the gate electrode length described in the above problem (1) of the p-FinFET are described. of two very fine photolithographic steps required for the formation of L g, forming a gate electrode length L g which defines the channel length L C is not required. Further, since the source, channel and drain regions can be formed by one epitaxial growth, the manufacturing process can be greatly simplified. However, it has been difficult to apply a conventional v-FET as shown in FIG. 11 to a FinFET without any modification. In order to further reduce the size of the MOSFET, the channel region can be completely depleted easily even when a very fine channel region is formed by an epitaxial growth method using the v-FET structure, and the subthreshold current can be reduced. There has been a demand for a MOS type semiconductor device that does not deteriorate in characteristics and is easy to manufacture with high performance and a method for manufacturing the same. In addition, a great problem remains with respect to the method for extracting the source and drain electrodes. Furthermore, in the conventional v-FET, an example for specifically solving the problems (2) to (4) of the above-described p-FinFET has not been made, and it remains as a serious problem. Further, a selective epitaxial growth method which is one of the epitaxial growth methods is described in Non-Patent Document 3, and a desired MOS type semiconductor device can be obtained by combining different semiconductor materials or changing the composition ratio of the same kind of mixed crystal semiconductor. Is described in Non-Patent Document 2.

特開2003-229575号公報(3〜4頁、図1及び2)JP 2003-229575 A (3-4 pages, FIGS. 1 and 2) 特開平1-290263号公報(第1図)Japanese Patent Laid-Open No. 1-290263 (Fig. 1) 特開昭49-89492号公報(第2図及び第3図)JP-A-49-89492 (FIGS. 2 and 3) B. Yu 他, “FinFET scaling to 10nm gate length,” IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, 講演番号10.2 (2002).B. Yu et al., “FinFET scaling to 10 nm gate length,” IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, lecture number 10.2 (2002). T. Ghani 他, “A 90nm high volume manufacturing logic technology featuring novel 45nm gate length strained silicon CMOS transistors,” IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, 講演番号11.6 (2003).T. Ghani et al., “A 90nm high volume manufacturing logic technology featuring novel 45nm gate length strained silicon CMOS transistors,” IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, lecture number 11.6 (2003). M. Yang 他, “High performance CMOS fabricated on hybrid substrate with different crystal orientations,” IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, 講演番号18.7 (2003).M. Yang et al., “High performance CMOS fabricated on hybrid substrate with different crystal orientations,” IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, lecture number 18.7 (2003).

本発明の第1の目的は、v−FETの有する利点を従来のp−FinFETに適用しつつ、p−FinFETの有する課題(1)〜(4)を解決するための縦型(vertical)構造のMOS型半導体装置であるFinFET(以下では、v−FinFETと称する)を提供することにある。本発明の第2の目的は、上記のv−FinFETの製造方法を具体的に提供することにある。また、本発明の第3の目的は、nチャネル型とpチャネル型のv−FinFETを同一の基板上に集積化したCMOS構造の多素子型のMOS型半導体装置及びその製造方法を提供することにある。   A first object of the present invention is a vertical structure for solving the problems (1) to (4) of a p-FinFET while applying the advantages of the v-FET to a conventional p-FinFET. It is to provide FinFET (hereinafter referred to as v-FinFET) which is a MOS type semiconductor device. The second object of the present invention is to specifically provide a method for producing the above-mentioned v-FinFET. A third object of the present invention is to provide a multi-element MOS semiconductor device having a CMOS structure in which n-channel and p-channel v-FinFETs are integrated on the same substrate, and a method for manufacturing the same. It is in.

上記第1の目的を達成するために、ソース領域とドレイン領域と、該ソース領域と該ドレイン領域とに挟まれたチャネル領域とが基板に対して平行な積層膜で構成される縦型の半導体薄膜であるフィンと、該フィンの側面に露出する前記チャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介して配設されたゲート電極とを具備し、該ゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化されるように前記フィンを形成したMOS型半導体装置とした。   In order to achieve the first object, a vertical semiconductor in which a source region, a drain region, and a channel region sandwiched between the source region and the drain region are formed of a laminated film parallel to the substrate A thin-film fin, and a gate electrode disposed on the entire or part of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via a gate insulator film, and applied to the gate electrode A MOS type semiconductor device in which the fin is formed so that the channel region is completely depleted by the gate voltage is used.

チャネル領域が基板に対して平行に積層されることにより、膜厚制御性に優れたエピタキシャル成長法等を使用して、チャネル長LCを非常に短く、極微細化して形成することが可能となる。これによりMOS型半導体装置が小型化できるとともに、高速動作が可能な特性の優れたMOS型半導体装置となる。また、従来のp−FinFETで必要であった2回の微細なフォトリソグラフィ工程が1回で済む事になる。これにより、簡易に製造できるMOS型半導体装置となるとともに、製造バラツキも少なくできることから、従来のMOS型半導体装置の動作速度のバラツキや動作の不安定を大きく改善することができる。そして、ゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化されるようにフィンを形成したことで、極微細化されたチャネル長であっても、サブスレッショルド電流特性が良好で、待機電力の小さな、特性の優れたMOS型半導体装置となる。言い方を変えれば、本発明のMOS型半導体装置は、チャネル長の比較的短い、小形で優れた特性を有する完全空乏型の従来のp−FinFETにおいて、チャネル領域を基板に対して平行に積層する構成に目をつけ、エピタキシャル成長法等を使用してチャネル領域を極薄く形成することでチャネル長をさらに微細化しつつ、チャネル領域を完全に空乏化することで、MOS型半導体装置のさらなる小型化、高性能化を両立するともに、最大の課題であった加工の困難性を大きく改善したものである。 By laminating the channel region in parallel to the substrate, it is possible to form the channel length L C with a very short channel length by using an epitaxial growth method or the like excellent in film thickness controllability. . As a result, the MOS type semiconductor device can be miniaturized and the MOS type semiconductor device having excellent characteristics capable of high speed operation can be obtained. In addition, the two fine photolithography steps required for the conventional p-FinFET are only required once. As a result, the MOS semiconductor device can be easily manufactured and the manufacturing variation can be reduced. Therefore, the variation in the operation speed and the unstable operation of the conventional MOS semiconductor device can be greatly improved. And, by forming the fin so that the channel region is completely depleted by the gate voltage applied to the gate electrode, the subthreshold current characteristics are good and the standby is possible even with an extremely fine channel length. A MOS semiconductor device having low power and excellent characteristics is obtained. In other words, the MOS type semiconductor device of the present invention has a relatively short channel length, a small and excellent p-FinFET of the conventional p-FinFET, and the channel region is stacked parallel to the substrate. Focusing on the structure, forming the channel region extremely thin using an epitaxial growth method etc., further miniaturizing the channel length while further depleting the channel region, further miniaturization of the MOS type semiconductor device, While achieving both high performance, it has greatly improved the difficulty of processing, which was the biggest problem.

フィンの平面形状は、特に制限されず、多角形であるか円形であるかを問わない。ゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化されるように形成されていればよい。   The planar shape of the fin is not particularly limited and may be a polygon or a circle. The channel region may be formed so that the channel region is completely depleted by the gate voltage applied to the gate electrode.

このとき、ゲート電極は、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の少なくとも一組の対向する二面にゲート絶縁体膜を介して配設されており、ゲート電極がゲート絶縁体膜を介して配設された、チャネル領域の対向する二面の間隔のうち、少なくともいずれか一組の対向する二面の間隔が、ゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化される間隔以下に形成されているMOS型半導体装置とすることができる。   At this time, the gate electrode is disposed on at least one pair of opposing two surfaces of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via the gate insulator film, and the gate electrode is interposed via the gate insulator film. The distance between at least one pair of the two opposing surfaces of the channel region facing each other is the interval at which the channel region is completely depleted by the gate voltage applied to the gate electrode. The MOS semiconductor device formed below can be obtained.

ゲート電極が、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の少なくとも一組の対向する二面にゲート絶縁体膜を介して配設されていることによって、チャネル領域内の電界強度のバラツキが小さくなり、チャネル領域を完全に空乏化しやすいMOS型半導体装置となる。   Dispersion of electric field strength in the channel region is reduced by arranging the gate electrode on at least one pair of opposing two sides of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via the gate insulator film. Thus, a MOS semiconductor device in which the channel region is easily depleted easily is obtained.

チャネル領域を完全に空乏化しやすいということは、より低いゲート電圧でチャネル領域を完全に空乏化できるということである。また、ゲート電圧が同じであることを前提とすると、より広いフィンの幅Wfinでもチャネル領域を完全に空乏化することができる。これにより、製造工程における歩留まりが向上する。すなわち、製造工程で微細加工が必要なフィンの幅Wfinがばらついて、多少大きく形成された場合であっても、そのバラツキを吸収してチャネル領域を完全に空乏化できるMOS型半導体装置となるのである。さらに、ゲート電極がゲート絶縁体膜を介して配設された、チャネル領域の対向する二面の間隔のうち、少なくともいずれか一組の対向する二面の間隔が、ゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化される間隔以下に形成されていることで、極微細化されたチャネル長であっても、サブスレッショルド電流特性が良好で、待機電力の小さな、特性の優れたMOS型半導体装置となる。 The fact that the channel region is easily depleted means that the channel region can be completely depleted with a lower gate voltage. In addition, assuming that the gate voltages are the same, the channel region can be completely depleted even with a wider fin width W fin . Thereby, the yield in a manufacturing process improves. In other words, even when the width W fin of the fin, which requires fine processing in the manufacturing process, varies and is formed to be somewhat large, the MOS semiconductor device can absorb the variation and completely deplete the channel region. It is. Further, the gate electrode is disposed via the gate insulator film, and at least one set of the distances between the two opposing surfaces of the channel region is applied to the gate electrode. Since the channel region is formed below the interval at which the channel region is completely depleted by voltage, the subthreshold current characteristics are good, the standby power is small, and the characteristics are excellent, even with extremely miniaturized channel lengths. It becomes a MOS type semiconductor device.

フィンの平面形状は、特に制限されず、多角形であるか円形であるかを問わない。ゲート電極が配設された、チャネル領域の対向する二面の間隔のうち、少なくともいずれか一組の対向する二面の間隔が、ゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化される間隔以下に形成されていればよい。フィンの形状が平行四辺形であって、チャネル領域の四つの側面全てにゲート電極が配設されている場合には、ゲート電極が配設された、チャネル領域の対向する二面の間隔には二つの間隔が存在し、そのうち、少なくともいずれか一組の対向する二面の間隔がゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化される間隔以下に形成されていればよい。すなわち、前記二つの間隔のうち、短い方の間隔がゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化される間隔以下に形成されていればよいことになる。フィンの平面形状が円形の場合、ゲート電極が配設された、チャネル領域の対向する二面の間隔は、円形のフィンの直径となる。なお、この場合「チャネル領域の側面の少なくとも一組の対向する二面にゲート絶縁体膜を介して配設」とは、円形のフィンの側面に露出するチャネル領域の全ての側面にゲート絶縁体膜を介してゲート電極が配設されている場合や、円形のフィンの側面に露出するチャネル領域の側面の対向する二カ所(二面)にゲート絶縁体膜を介してゲート電極が配設されている場合を含む。本発明のMOS型半導体装置において、ゲート電極が配設された、チャネル領域の対向する二面の間隔のうち、最も短い間隔がフィンの幅Wfinとなる。 The planar shape of the fin is not particularly limited and may be a polygon or a circle. At least one of the two opposing surfaces of the channel region where the gate electrode is disposed is completely depleted by the gate voltage applied to the gate electrode. What is necessary is just to be formed below the space | interval made. When the fin shape is a parallelogram and the gate electrode is disposed on all four side surfaces of the channel region, the distance between the two opposing surfaces of the channel region where the gate electrode is disposed is There are two intervals, and it is only necessary that the interval between at least one pair of two opposing surfaces be less than the interval at which the channel region is completely depleted by the gate voltage applied to the gate electrode. That is, it is only necessary that the shorter one of the two intervals is formed to be equal to or less than the interval at which the channel region is completely depleted by the gate voltage applied to the gate electrode. When the planar shape of the fin is circular, the distance between two opposing surfaces of the channel region where the gate electrode is disposed is the diameter of the circular fin. In this case, “disposed through at least one pair of opposing two surfaces of the side surface of the channel region via the gate insulator film” means that the gate insulator is formed on all side surfaces of the channel region exposed on the side surface of the circular fin. When the gate electrode is disposed through the film, or the gate electrode is disposed through the gate insulator film at two opposite sides (two surfaces) of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the circular fin. Including the case. In the MOS type semiconductor device of the present invention, the shortest distance among the distances between two opposing surfaces of the channel region where the gate electrode is disposed is the fin width W fin .

フィンは、平面形状が四辺形であり、ゲート電極は、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の少なくともチャネル領域の長手方向の対向する二面にゲート絶縁体膜を介して配設され、チャネル領域の長手方向の対向する二面の間隔が、ゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化される間隔以下に形成されているMOS型半導体装置とすることが好ましい。   The fin has a quadrilateral planar shape, and the gate electrode is disposed on at least two opposite sides in the longitudinal direction of the channel region on the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via the gate insulator film. It is preferable that the MOS type semiconductor device is formed so that the distance between the two opposing surfaces in the longitudinal direction of the region is equal to or less than the interval at which the channel region is completely depleted by the gate voltage applied to the gate electrode.

本発明のv−FinFETでは、ソース、チャネル及びドレイン領域がフィンの垂直方向に積層されているので、平面形状が四辺形のフィンの、短手方向の距離を従来のp−FinFETのフィンの幅Wfinと同程度に狭く形成して、チャネル領域の長手方向の対向する二面にゲート絶縁体膜を介してゲート電極を配設すれば、チャネル領域の長手方向の全域が、ゲート電極に印加されるゲート電圧によって完全な空乏化状態に保たれる。よって、フィンの長手方向の距離は設計自由度が高く、該距離を変えることのみで連続的にチャネル幅Wを可変でき、要求仕様に合わせたMOS型半導体装置を容易に設計できる。また、後述するように複数のMOS型半導体装置を組み合わせて構成したCMOSインバーター回路を著しく小型化することもできる。 In the v-FinFET of the present invention, since the source, channel and drain regions are stacked in the vertical direction of the fin, the distance in the short direction of the quadrilateral fin is the width of the fin of the conventional p-FinFET. narrows formed W fin comparable, if disposed longitudinally opposite dihedral gate electrode through a gate insulating film on the channel region, a longitudinal whole area of the channel region, is applied to the gate electrode The gate voltage is kept in a fully depleted state. Therefore, the distance in the longitudinal direction of the fin has a high degree of freedom in design, and the channel width W can be continuously varied only by changing the distance, and a MOS semiconductor device that meets the required specifications can be easily designed. As will be described later, a CMOS inverter circuit formed by combining a plurality of MOS semiconductor devices can be remarkably reduced in size.

v−FinFETにおいて、チャネル領域を完全に空乏化するためには、従来のp−FinFETと同様にフィンの幅Wfinを極微細に加工する必要がある。フィンの幅Wfinのバラツキにより、v−FinFETの電気的特性にバラツキを生じ、LSIの不具合の原因となることが考えられる。そこで、ゲート電極は、ゲート絶縁体膜を介して、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面に接する状態で配設されているMOS型半導体装置とすることも好ましい。これにより、より一層チャネル領域を完全に空乏化しやすくなり、製造工程における歩留まりがさらに向上する。したがって、極微細化されたチャネル長であってもサブスレッショルド電流特性が良好で、待機電力の小さな、特性の優れた、しかも非常に製造しやすいMOS型半導体装置となる。 In the v-FinFET, in order to completely deplete the channel region, it is necessary to process the fin width W fin very finely like the conventional p-FinFET. It is conceivable that the electrical characteristics of the v-FinFET vary due to variations in the fin width W fin , causing a problem in the LSI. Therefore, it is also preferable that the gate electrode be a MOS semiconductor device that is disposed in contact with the entire side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via the gate insulator film. As a result, the channel region is more easily depleted, and the yield in the manufacturing process is further improved. Therefore, even if the channel length is extremely miniaturized, the MOS semiconductor device has excellent subthreshold current characteristics, low standby power, excellent characteristics, and very easy to manufacture.

従来のp−FinFET及びv−FETでは、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面にゲート電極を配設することは、その構造上不可能である。しかし、本発明のv−FinFETは、ソース、チャネル及びドレイン領域がフィンの垂直方向に積層されているので、ゲート電極を、ゲート絶縁体膜を介して、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面に接する状態で配設することが容易である。これにより、チャネル内の電界分布がより均一になり、より一層チャネル領域を完全に空乏化しやすくなるのである。   In the conventional p-FinFET and v-FET, it is impossible to dispose a gate electrode over the entire side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin. However, since the source, channel and drain regions of the v-FinFET of the present invention are stacked in the vertical direction of the fin, the gate electrode is exposed to the side surface of the fin through the gate insulator film. It is easy to arrange in a state in contact with the entire surface. As a result, the electric field distribution in the channel becomes more uniform, and the channel region is more easily depleted.

フィンは、平面形状が円形であり、ゲート電極は、ゲート絶縁体膜を介して、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面に接する状態で配設されているMOS型半導体装置とすることも好ましい。フィンの平面形状を円形にすることで、チャネル内の電界をより均一にすることができ、さらに一層チャネル領域を完全に空乏化することが容易となる。同じフィンの幅Wfinを有する平面形状が四辺形のフィンの場合と比較すると、円形のフィンを用いた方が、より低いゲート電圧でチャネル領域を完全に空乏化できる。また、ゲート電圧が同じであることを前提とすると、円形のフィンを用いた方が、より広いフィンの幅Wfinでもチャネル領域を完全に空乏化することができる。 The fin has a circular planar shape, and the gate electrode is a MOS type semiconductor device disposed in contact with the entire side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via the gate insulator film. Is also preferable. By making the planar shape of the fin circular, the electric field in the channel can be made more uniform, and the channel region can be further fully depleted. Compared with a quadrilateral fin having the same fin width W fin , the channel region can be completely depleted with a lower gate voltage when the circular fin is used. In addition, assuming that the gate voltages are the same, the channel region can be completely depleted by using a circular fin even with a wider fin width W fin .

ソース領域又はドレイン領域のうち基板側に位置する領域と、MOS型半導体装置に設けられたソース領域又はドレイン領域の引き出し電極とを導通させる導電体パターンを、ソース領域又はドレイン領域のうち基板側に位置する領域の基板側の面から、ゲート電極の外側を経由させてソース領域又はドレイン領域の引き出し電極と導通させているMOS型半導体装置とすることも好ましい。   A conductor pattern for conducting a region located on the substrate side of the source region or drain region and a lead electrode of the source region or drain region provided in the MOS type semiconductor device is formed on the substrate side of the source region or drain region. It is also preferable to use a MOS semiconductor device in which the substrate region side surface of the located region is electrically connected to the extraction electrode of the source region or drain region via the outside of the gate electrode.

これにより、ゲート電極の配列に関係なく、ソース領域又はドレイン領域と引き出し電極との導通を確保することができる。特に、ゲート電極が、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面に接する状態で配設されている場合であっても、ソース領域又はドレイン領域と引き出し電極との導通が確保されたMOS型半導体装置となる。   Accordingly, the conduction between the source region or the drain region and the extraction electrode can be ensured regardless of the arrangement of the gate electrodes. In particular, even when the gate electrode is disposed in contact with the entire side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin, the MOS type in which conduction between the source region or the drain region and the extraction electrode is ensured. It becomes a semiconductor device.

この場合、導電体パターンは、ソース領域又はドレイン領域のうち基板側に位置する領域の基板側の略全面に接しており、導電体パターンを、基板に対して平行な方向で、かつソース領域又はドレイン領域のうち基板側に位置する領域の基板側の面の長手方向と垂直方向に引き出した請求項6に記載のMOS型半導体装置とすることができる。   In this case, the conductor pattern is in contact with substantially the entire surface of the source region or drain region located on the substrate side on the substrate side, and the conductor pattern is in a direction parallel to the substrate and the source region or drain region. 7. The MOS semiconductor device according to claim 6, wherein the drain region is drawn out in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the substrate-side surface of the region located on the substrate side.

導電体パターンを、基板に対して平行な方向で、かつソース領域又はドレイン領域のうち基板側に位置する領域の基板側の面の長手方向と垂直な方向に引き出すことにより、導電体パターン全体を太く形成することができ配線抵抗値が大きく低下する。これにより、寄生直列抵抗が少なく、電気的特性の優れたMOS型半導体装置となる。フィンの平面形状が円形の場合は、ソース領域又はドレイン領域のうち基板側に位置する領域の基板側の面も円形であり、その長手方向という概念は存在しないこととなる。この場合は基板に対して平行な方向であれば、導電体パターンをどちらの方向に引き出しても寄生直列抵抗に大きな差は生じない。   By extracting the conductor pattern in a direction parallel to the substrate and in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the substrate-side surface of the source region or drain region located on the substrate side, the entire conductor pattern is extracted. It can be formed thick and the wiring resistance value is greatly reduced. As a result, a MOS semiconductor device having a small parasitic series resistance and excellent electrical characteristics is obtained. When the planar shape of the fin is circular, the surface on the substrate side of the region located on the substrate side of the source region or the drain region is also circular, and the concept of the longitudinal direction does not exist. In this case, as long as the direction is parallel to the substrate, no great difference is caused in the parasitic series resistance regardless of which direction the conductor pattern is drawn.

フィンは、基板に形成された絶縁体膜の上面側に形成されているMOS型半導体装置とすることも好ましい。シリコン単結晶基板を用いて、本発明のv−FinFETを構成することも可能であるが、基板に形成された絶縁体膜の上面側にフィンが形成されていることで、ソース、ドレイン、ゲートの寄生容量の小さいより高性能なMOS型半導体装置の電気的特性を得ることができる。具体的には、SOI基板を用いて埋め込み絶縁体膜の上面側にフィンやソース、ドレイン、ゲートの各領域やそれ等の電極及び相互配線を形成する。   The fin is preferably a MOS type semiconductor device formed on the upper surface side of an insulator film formed on the substrate. Although it is possible to configure the v-FinFET of the present invention using a silicon single crystal substrate, the fins are formed on the upper surface side of the insulator film formed on the substrate, so that the source, drain, and gate are formed. It is possible to obtain electrical characteristics of a higher-performance MOS semiconductor device having a small parasitic capacitance. Specifically, fin, source, drain, and gate regions, electrodes thereof, and interconnections are formed on the upper surface side of the buried insulator film using an SOI substrate.

フィンの、少なくともチャネル領域の側面に、選択的に不純物を導入した領域を有するMOS型半導体装置とすることも好ましい。斜めイオン注入法等で、チャネル領域の側面に、選択的に所定の不純物を導入することにより、サブスレッショルド電流特性が悪化するいわゆる短チャネル効果をより改善できる。すなわち、閾値電圧を上昇させてリーク電流を少なくすることによって、待機電力を減少させることができる。   It is also preferable to use a MOS semiconductor device having a region where impurities are selectively introduced at least on the side surface of the channel region of the fin. By selectively introducing a predetermined impurity into the side surface of the channel region by an oblique ion implantation method or the like, the so-called short channel effect that deteriorates the subthreshold current characteristics can be further improved. That is, the standby power can be reduced by increasing the threshold voltage to reduce the leakage current.

フィンは、IV族半導体単結晶薄膜、III−V族半導体単結晶薄膜、II−VI族半導体単結晶薄膜、それらの半導体の多結晶薄膜又はそれらの半導体のアモルファス薄膜で構成されているMOS型半導体装置とすることも好ましい。要求仕様に合致したフィンの材料を使用することで、様々な電気特性のMOS型半導体装置となる。VI族半導体としてはGe,SiGe,C,SiC等、III−V族半導体としてはGaAs,GaP,GaN等、II−IV族半導体としてはZnSe等を例示することができる。   Fin is a MOS type semiconductor composed of a group IV semiconductor single crystal thin film, a group III-V semiconductor single crystal thin film, a group II-VI semiconductor single crystal thin film, a polycrystalline thin film of these semiconductors, or an amorphous thin film of those semiconductors An apparatus is also preferred. By using fin materials that meet the required specifications, MOS semiconductor devices with various electrical characteristics can be obtained. Examples of the group VI semiconductor include Ge, SiGe, C, and SiC, examples of the III-V group semiconductor include GaAs, GaP, and GaN, and examples of the group II-IV semiconductor include ZnSe and the like.

フィンは、異なる半導体材料の半導体薄膜、又は同種類の混晶半導体材料の組成比を変化せしめた半導体薄膜を組み合わせた積層膜であるMOS型半導体装置とすることも好ましい。これにより、所望の電気的特性のMOS型半導体装置を得ることができる。例えば非特許文献2に記載されているように、キャリア移動度の高い歪みシリコン領域を形成するために、Si,Ge又はSiGeを組み合わせたり、或いはSiGeの組成比を変化させる様に同種類の混晶半導体の組成比を変えた半導体薄膜の積層膜とすることもできる。   The fin is preferably a MOS semiconductor device which is a laminated film in which semiconductor thin films of different semiconductor materials or semiconductor thin films in which the composition ratio of the same kind of mixed crystal semiconductor material is changed are combined. Thereby, a MOS semiconductor device having desired electrical characteristics can be obtained. For example, as described in Non-Patent Document 2, in order to form a strained silicon region having a high carrier mobility, Si, Ge, or SiGe is combined, or the same kind of mixture is used so as to change the composition ratio of SiGe. A laminated film of semiconductor thin films in which the composition ratio of the crystal semiconductor is changed can also be used.

MOS型半導体装置を複数個組み合わせてなる多素子型のMOS型半導体装置であって、複数個のMOS型半導体装置のうち、チャネル領域の厚みが異なるMOS型半導体装置を有する多素子型のMOS型半導体装置とすることも好ましい。これにより、種々の要求特性に合わせた所望の電気特性の多素子型のMOS型半導体装置となる。   A multi-element MOS semiconductor device comprising a combination of a plurality of MOS semiconductor devices, wherein the multi-element MOS semiconductor device includes MOS semiconductor devices having different channel region thicknesses among the plurality of MOS semiconductor devices. A semiconductor device is also preferable. As a result, a multi-element MOS semiconductor device having desired electrical characteristics according to various required characteristics is obtained.

上記の第2の目的を達成するために、本発明のMOS型半導体装置の製造方法は、基板に形成された絶縁体層に所望の縦型の半導体薄膜であるフィンの平面形状にほぼ等しい大きさの開口部を形成する工程と、該開口部に、ソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域とを基板に対して平行に積層して前記フィンを形成する工程と、該フィンの側面の前記チャネル領域の側面を前記絶縁体層から露出させる工程と、露出した前記チャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介してゲート電極を配設する工程とを有するMOS型半導体装置の製造方法とした。   In order to achieve the second object, the MOS semiconductor device manufacturing method of the present invention has a size approximately equal to the planar shape of a fin, which is a desired vertical semiconductor thin film, on an insulator layer formed on a substrate. A step of forming an opening, a source or drain region in the opening, a channel region on the region, and a drain or source region on the channel region stacked in parallel to the substrate. A step of forming a fin, a step of exposing a side surface of the channel region on the side surface of the fin from the insulator layer, and a gate insulator film on the whole or a part of the exposed side surface of the channel region. And a step of providing a gate electrode.

このとき、開口部を形成する工程において、所望の縦型の半導体薄膜であるフィンの平面形状が、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介して配設されたゲート電極に印加されたゲート電圧よってチャネル領域が完全に空乏化されるような平面形状であるMOS型半導体装置の製造方法とすることができる。   At this time, in the step of forming the opening, the planar shape of the fin, which is a desired vertical semiconductor thin film, is formed through the gate insulator film on the entire or part of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin. Thus, a MOS semiconductor device manufacturing method having a planar shape in which the channel region is completely depleted by the gate voltage applied to the gate electrode disposed in this manner.

また、本発明によるMOS型半導体装置であるv−FinFETを形成するフィンの平面形状と該絶縁体膜の開口部の大きさは、必ずしも一致させる必要はなく、フィンの平面形状よりも大きな開口部に所望の単結晶半導体薄膜を堆積した後に、フォトリソグラフィ技術を用いて所望のフィン形状に加工しても良い。そこで、基板に形成された絶縁体層に、所望の縦型の半導体薄膜であるフィンの平面形状よりも大きな開口部を形成する工程と、該開口部に、ソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域を積層して縦型の半導体薄膜を形成する工程と、該半導体薄膜を前記フィンの平面形状に加工する工程と、前記フィンの側面に露出したチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介してゲート電極を配設する工程とを有するMOS型半導体装置の製造方法とした。   Further, the planar shape of the fin forming the v-FinFET which is the MOS semiconductor device according to the present invention and the size of the opening of the insulator film do not necessarily coincide with each other, and the opening is larger than the planar shape of the fin. Then, after depositing a desired single crystal semiconductor thin film, it may be processed into a desired fin shape by using a photolithography technique. Therefore, a step of forming an opening larger than the planar shape of the fin, which is a desired vertical semiconductor thin film, in the insulator layer formed on the substrate, a source or drain region in the opening, and the region Forming a vertical semiconductor thin film by stacking a drain region or a source region on the channel region, processing the semiconductor thin film into a planar shape of the fin, and exposing to a side surface of the fin And a step of disposing a gate electrode on the entire side surface or a part of the side surface of the channel region through a gate insulator film.

このとき、半導体薄膜をフィンの平面形状に加工する工程において、所望の縦型の半導体薄膜であるフィンの平面形状が、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介して配設されたゲート電極に印加されたゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化されるような平面形状である多素子型のMOS型半導体装置の製造方法とすることができる。   At this time, in the process of processing the semiconductor thin film into the planar shape of the fin, the planar shape of the fin, which is a desired vertical semiconductor thin film, is gated on the entire or part of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin. A multi-element MOS semiconductor device manufacturing method having a planar shape in which a channel region is completely depleted by a gate voltage applied to a gate electrode disposed via an insulator film can be provided. .

フィンを形成する工程又は縦型の半導体薄膜を形成する工程において、選択エピタキシャル成長法を用いて、絶縁体層に形成した開口部のみにフィン又は縦型の半導体薄膜を成長させる、MOS型半導体装置の製造方法とすることが好ましい。縦型の半導体薄膜であるフィンを形成する工程又は縦型の半導体薄膜を形成する工程において、選択エピタキシャル成長法を用いることで、縦型の半導体薄膜のロット間、ウェーハ間、ウェーハ内、チップ間及びチップ内の制御性・再現性・均一性が優れたものとなる。これにより、特性バラツキが少なく、歩留まりの良いMOS型半導体装置の製造方法となる。また、エピタキシャル成長法を用いれば、成長中の膜中に所望の不純物を所望の濃度で導入することが容易であるために、1回のエピタキシャル成長工程でソースとチャネル及びドレインの各領域を制御性良く形成可能であり、半導体薄膜への不純物導入のための煩雑な追加の製造工程が必要なエッチング法に比べて、製造工程が大幅に簡略化できる。   In a step of forming a fin or a vertical semiconductor thin film, a selective epitaxial growth method is used to grow a fin or a vertical semiconductor thin film only in an opening formed in an insulator layer. A manufacturing method is preferred. In the process of forming fins that are vertical semiconductor thin films or the process of forming vertical semiconductor thin films, by using a selective epitaxial growth method, lots of vertical semiconductor thin films, wafers, wafers, chips, and Excellent controllability, reproducibility, and uniformity within the chip. As a result, the manufacturing method of a MOS semiconductor device with little characteristic variation and good yield is obtained. In addition, if an epitaxial growth method is used, it is easy to introduce a desired impurity at a desired concentration into a growing film. Therefore, the source, channel, and drain regions can be controlled with a single epitaxial growth process with good controllability. Compared to an etching method that can be formed and requires a complicated additional manufacturing process for introducing impurities into the semiconductor thin film, the manufacturing process can be greatly simplified.

この場合、フィンの膜厚又は縦型の半導体薄膜の膜厚を、開口部を形成した絶縁体層の厚さにほぼ等しくなる様に成長させる。これにより、当該工程において、後述するCMP法等を使用してv−FinFETの表面を平坦化するための研磨をする必要がなくなり、製造工程が簡素化される。   In this case, the film thickness of the fin or the vertical semiconductor thin film is grown so as to be approximately equal to the thickness of the insulator layer in which the opening is formed. This eliminates the need for polishing for planarizing the surface of the v-FinFET using a CMP method or the like, which will be described later, and simplifies the manufacturing process.

フィンの少なくともチャネル領域の側面に、斜めイオン注入法を用いて選択的に不純物を導入した領域を形成する工程を有するMOS型半導体装置の製造方法とすることも好ましい。これにより、MOS型半導体装置のより精密な電気的特性、例えば閾値電圧の制御を行うことができる。   It is also preferable to use a method for manufacturing a MOS type semiconductor device having a step of forming a region selectively doped with an impurity using an oblique ion implantation method on at least the side surface of the channel region of the fin. Thereby, it is possible to control more precise electrical characteristics of the MOS type semiconductor device, for example, the threshold voltage.

本発明の半導体装置の製造装置では、フォトリソグラフィ工程における極微細なパターン形成を容易にするとともに多層配線工程での加工を容易にするために、フィンの形成工程、ゲート電極の形成工程、コンタクト開口部の穴埋め工程等の各プロセスにおいてv−FinFETの仕掛品の断面形状をでき得る限り平坦化する手段として、CMP(Chemical-Mechanical Polishing)法を可能な限り適用することも好ましい。   In the semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention, a fin forming process, a gate electrode forming process, and a contact opening are provided in order to facilitate ultra fine pattern formation in a photolithography process and facilitate processing in a multilayer wiring process. It is also preferable to apply a CMP (Chemical-Mechanical Polishing) method as much as possible as means for flattening the cross-sectional shape of the work piece of the v-FinFET as much as possible in each process such as a hole filling process.

上記第3の目的を達成するために、本発明の半導体装置では、前記MOS型半導体装置を複数個組み合わせてなる多素子型のMOS型半導体装置であって、nチャネル型のMOS型半導体装置と、pチャネル型のMOS型半導体装置とが同一の基板上に形成されてCMOS回路を構成してなる多素子型のMOS型半導体装置とした。   In order to achieve the third object, the semiconductor device of the present invention is a multi-element MOS semiconductor device formed by combining a plurality of the MOS semiconductor devices, and an n-channel MOS semiconductor device and A multi-element MOS semiconductor device is formed by forming a CMOS circuit by forming a p-channel MOS semiconductor device on the same substrate.

この場合、nチャネル型のMOS型半導体装置を構成する第1のフィンと、pチャネル型のMOS型半導体装置を構成する第2のフィンとが、同種類の半導体薄膜の積層膜で構成されている多素子型のMOS型半導体装置とすることができる。   In this case, the first fin constituting the n-channel type MOS semiconductor device and the second fin constituting the p-channel type MOS semiconductor device are constituted by a laminated film of the same type of semiconductor thin film. A multi-element MOS semiconductor device can be obtained.

nチャネル型のMOS型半導体装置を構成する第1のフィンと、pチャネル型のMOS型半導体装置を構成する第2のフィンとが、互いに異なる半導体の材料又は組成の半導体薄膜の積層膜で構成されている多素子型のMOS型半導体装置とすることが好ましい。例えば、多素子型のMOS型半導体装置の要求使用に合わせて、高い電子移動度を有する半導体材料を用いてnチャネル型v−FinFETを形成し、正孔移動度の高い半導体材料を用いてpチャネル型v−FinFETを構成しても良い。また、両チャネルのv−FinFETのゲート絶縁体膜やゲート電極は、製造工程の簡略化のためには共通の構成材料を用いることが望ましいが、それぞれのMOS型半導体装置に所望の電気的特性を実現するために、nチャネル型とpチャネル型のv−FinFETで異なる材料、組成や膜厚で構成されるゲート絶縁体膜やゲート電極を用いても良い。これにより、両チャネルのv−FinFETを単結晶シリコンで形成した場合に比べて、格段に優れた電気的特性を有するCMOS回路が実現できる。   The first fin constituting the n-channel type MOS semiconductor device and the second fin constituting the p-channel type MOS semiconductor device are composed of stacked semiconductor thin films made of different semiconductor materials or compositions. It is preferable to use a multi-element MOS semiconductor device. For example, an n-channel v-FinFET is formed using a semiconductor material having a high electron mobility in accordance with the required use of a multi-element MOS semiconductor device, and p is formed using a semiconductor material having a high hole mobility. A channel-type v-FinFET may be configured. In addition, it is desirable to use a common constituent material for the gate insulator film and the gate electrode of the v-FinFET of both channels in order to simplify the manufacturing process. In order to realize the above, a gate insulator film or a gate electrode having different materials, compositions, and film thicknesses may be used for n-channel and p-channel v-FinFETs. As a result, a CMOS circuit having significantly superior electrical characteristics can be realized as compared with the case where both channel v-FinFETs are formed of single crystal silicon.

nチャネル型のMOS型半導体装置を構成するゲート絶縁体膜とpチャネル型のMOS型半導体装置を構成するゲート絶縁体膜とにおいて、それぞれの膜厚、組成又は材質が異なる多素子型のMOS型半導体装置とすることも好ましい。ゲート絶縁体膜の膜厚、組成又は材質を変更することで、nチャネル型とpチャネル型のv−FinFETの電気的特性を独立に制御でき、要求特性に合致した多素子型のMOS型半導体装置となる。ゲート絶縁体膜としては、シリコン酸化膜以外に、窒化シリコン酸化膜、シリコン窒化膜やTa,HfO等の高誘電体膜や、シリコン酸化膜等と高誘電体膜との多層膜を用いても良い。 A multi-element MOS type in which the gate insulator film constituting the n-channel type MOS semiconductor device and the gate insulator film constituting the p-channel type MOS semiconductor device are different in film thickness, composition or material. A semiconductor device is also preferable. By changing the film thickness, composition, or material of the gate insulator film, the electrical characteristics of the n-channel and p-channel v-FinFETs can be controlled independently, and a multi-element MOS semiconductor that meets the required characteristics It becomes a device. As the gate insulator film, in addition to the silicon oxide film, a silicon nitride oxide film, a silicon nitride film, a high dielectric film such as Ta 2 O 5 , HfO 2 , a multilayer film of a silicon oxide film or the like and a high dielectric film May be used.

nチャネル型のMOS型半導体装置を構成するゲート電極とpチャネル型のMOS型半導体装置を構成するゲート電極とにおいて、それぞれの膜厚、組成若しくは材質が異なる電極材料、又は半導体の組成、材料、伝導型若しくは不純物濃度の異なる半導体電極材料を用いた多素子型のMOS型半導体装置とすることも好ましい。ゲート電極の膜厚、組成若しくは材質を変更することで、nチャネル型とpチャネル型のv−FinFET構造のMOS型半導体装置の電気的特性を独立に制御でき、要求特性に合致した多素子型のMOS型半導体装置となる。ゲート電極としては、従来の平面型のMOS型半導体装置で通常に用いられている多結晶シリコン膜に限定されることなく、多結晶Ge膜、多結晶SiGe膜等の多結晶半導体膜、TiSi膜、CoSi膜等の各種シリサイド膜、半導体−金属の合金膜、更にはAl,Mo,W等の金属膜や、それ等の合金膜の単層膜や、上記の様々な各種ゲート電極材料を組み合わせた多層膜でも良い。 An electrode material having a different film thickness, composition, or material, or a semiconductor composition, material, and a gate electrode constituting an n-channel MOS semiconductor device and a gate electrode constituting a p-channel MOS semiconductor device, A multi-element MOS semiconductor device using semiconductor electrode materials having different conductivity types or different impurity concentrations is also preferable. By changing the film thickness, composition, or material of the gate electrode, the electrical characteristics of the n-channel and p-channel v-FinFET structure MOS semiconductor devices can be controlled independently, and the multi-element type meets the required characteristics. This is a MOS type semiconductor device. The gate electrode is not limited to a polycrystalline silicon film normally used in a conventional planar MOS semiconductor device, but is a polycrystalline semiconductor film such as a polycrystalline Ge film or a polycrystalline SiGe film, TiSi 2 Film, various silicide films such as CoSi 2 film, semiconductor-metal alloy film, metal film such as Al, Mo, W, etc., single layer film of such alloy film, and various gate electrode materials described above A multilayer film may be used in combination.

上記第3の目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、基板に形成された第1の絶縁体層に、nチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための所望の縦型の半導体薄膜である第1のフィンの平面形状にほぼ等しい大きさの第1の開口部を形成する工程と、該第1の開口部に、ソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域とを基板に対して平行に積層して前記第1のフィンを形成する工程と、少なくとも前記第1のフィン上に第2の絶縁体層を形成する工程と、前記第1の絶縁体層、前記第2の絶縁体層又は前記第1の絶縁体層と前記第2の絶縁体層とが重なった絶縁体層に、pチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための所望の縦型の半導体薄膜である第2のフィンの平面形状にほぼ等しい大きさの第2の開口部を形成する工程と、該第2の開口部にソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域とを基板に対して平行に積層して前記第2のフィンを形成する工程と、前記第1のフィン及び前記第2のフィンの側面の両者のチャネル領域の側面を前記第1の絶縁体層、前記第2の絶縁体層又は前記第1の絶縁体層と前記第2の絶縁体層とが重なった絶縁体層から露出させる工程と、露出した両者のチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介してゲート電極を配設する工程とを有する多素子型のMOS型半導体装置の製造方法とした。   In order to achieve the third object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention provides a desired vertical structure for forming an n-channel MOS semiconductor device on a first insulator layer formed on a substrate. Forming a first opening having a size substantially equal to the planar shape of the first fin, which is a semiconductor thin film of the type, a source or drain region in the first opening, and a channel region on the region And forming a first fin by laminating a drain or source region on the channel region in parallel to the substrate, and forming a second insulator layer on at least the first fin. A p-channel type MOS semiconductor in a step and the first insulator layer, the second insulator layer, or an insulator layer in which the first insulator layer and the second insulator layer overlap A first vertical semiconductor thin film for constructing the device. Forming a second opening having a size substantially equal to the planar shape of the fin, a source or drain region in the second opening, a channel region on the region, a drain or on the channel region Forming a second fin by laminating a source region in parallel with the substrate; and side surfaces of the channel regions of both the first fin and the side surfaces of the second fin A body layer, the second insulator layer or the step of exposing the first insulator layer and the insulator layer where the second insulator layer overlaps, and the entire side surfaces of both exposed channel regions or And a step of disposing a gate electrode on a part of the surface through a gate insulator film.

第1のフィン上と、第1の絶縁体層上に第2の絶縁体層を形成した場合には、第2の開口部は、第1の絶縁体層と第2の絶縁体層とが重なった絶縁体層に形成される。第1のフィン上にのみ選択的に第2の絶縁体層を形成した場合には、第2の開口部は第1の絶縁体層に形成されることになる。第1の絶縁体層を取り払った後、第2の絶縁体層を第1のフィンが隠れる程度に厚く堆積させた場合には、第2の開口部は第2の絶縁体層に形成されることになる。   In the case where the second insulator layer is formed on the first fin and on the first insulator layer, the second opening includes the first insulator layer and the second insulator layer. Overlapping insulator layers are formed. When the second insulator layer is selectively formed only on the first fin, the second opening is formed in the first insulator layer. When the second insulator layer is deposited thick enough to hide the first fin after the first insulator layer is removed, the second opening is formed in the second insulator layer. It will be.

縦型の半導体薄膜である第1のフィンを形成する工程の後、第1のフィン上に第2の絶縁体層を形成すると同時に第1の絶縁体層上にも第2の絶縁体層を形成して、第1の絶縁体層と第2の絶縁体層とが重なった絶縁体層に、pチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための所望の縦型の半導体薄膜である第2のフィンの平面形状にほぼ等しい第2の開口部を形成すればよい。また、縦型の半導体薄膜である第1のフィンを形成する工程の後、第1の絶縁体層を取り払ってから第2の絶縁体層を厚く形成して、第2の絶縁体層に、pチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための所望の縦型の半導体薄膜である第2のフィンの平面形状にほぼ等しい第2の開口部を形成してもよい。   After the step of forming the first fin, which is a vertical semiconductor thin film, the second insulator layer is formed on the first fin and the second insulator layer is also formed on the first insulator layer. A second vertical thin semiconductor film for forming a p-channel MOS semiconductor device is formed on the insulator layer formed by overlapping the first insulator layer and the second insulator layer. What is necessary is just to form the 2nd opening part substantially equal to the planar shape of this fin. In addition, after the step of forming the first fin, which is a vertical semiconductor thin film, the first insulator layer is removed, and then the second insulator layer is formed thick. A second opening substantially equal to the planar shape of the second fin, which is a desired vertical semiconductor thin film for constituting a p-channel MOS semiconductor device, may be formed.

このとき、開口部を形成する工程において、所望の縦型の半導体薄膜であるフィンの平面形状が、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介して配設されたゲート電極に印加されたゲート電圧よってチャネル領域が完全に空乏化されるような平面形状である多素子型のMOS型半導体装置の製造方法とすることができる。   At this time, in the step of forming the opening, the planar shape of the fin, which is a desired vertical semiconductor thin film, is formed through the gate insulator film on the entire or part of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin. Thus, a multi-element MOS semiconductor device manufacturing method having a planar shape in which the channel region is completely depleted by the gate voltage applied to the gate electrode disposed in this manner.

また、上記第3の目的を達成するために、基板に形成された第1の絶縁体層に、nチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための所望の縦型の半導体薄膜である第1のフィンの平面形状よりも大きな第1の開口部を形成する工程と、該第1の開口部にソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域とを基板に対して平行に積層してnチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための縦型の半導体薄膜を形成する工程と、少なくとも前記第1のフィン上に第2の絶縁体層を形成する工程と、前記第1の絶縁体層、前記第2の絶縁体層又は前記第1の絶縁体層と前記第2の絶縁体層とが重なった絶縁体層に、pチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための所望の縦型の半導体薄膜である第2のフィンの平面形状よりも大きな第2の開口部を形成する工程と、該第2の開口部にソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域とを基板に対して平行に積層してpチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための縦型の半導体薄膜を形成する工程と、前記nチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための半導体薄膜と前記pチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための半導体薄膜とを、同時に、前記第1のフィンの平面形状又は前記第2のフィンの平面形状に加工する工程と、前記第1のフィン及び前記第2のフィンの側面に露出した両者のチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介してゲート電極を配設する工程とを有する多素子型のMOS型半導体装置の製造方法とした。   In order to achieve the third object, the first insulator layer formed on the substrate is a first vertical semiconductor thin film that is a desired vertical semiconductor thin film for forming an n-channel MOS semiconductor device. Forming a first opening larger than the planar shape of the fin, a source or drain region in the first opening, a channel region on the region, and a drain or source region on the channel region. Forming a vertical semiconductor thin film for forming an n-channel MOS semiconductor device by stacking layers in parallel with the substrate, and forming a second insulator layer on at least the first fin A p-channel MOS type on the first insulator layer, the second insulator layer, or the insulator layer in which the first insulator layer and the second insulator layer overlap with each other. Desired vertical semiconductor for constituting a semiconductor device Forming a second opening larger than the planar shape of the second fin, which is a film, a source or drain region in the second opening, a channel region on the region, and a channel region on the channel region A step of forming a vertical semiconductor thin film for forming a p-channel MOS semiconductor device by laminating drain or source regions parallel to the substrate, and forming the n-channel MOS semiconductor device Simultaneously processing a semiconductor thin film for forming the semiconductor thin film for forming the p-channel MOS semiconductor device into a planar shape of the first fin or a planar shape of the second fin; And a step of disposing a gate electrode through a gate insulator film on the whole or a part of the side surfaces of both channel regions exposed on the side surfaces of the first fin and the second fin. And as the manufacturing method of the type MOS semiconductor device.

この製造工程を用いれば、第1のフィンと第2のフィンを形成するために必要な極微細なパターン形成が要求されるフォトリソグラフィ工程が2回から1回になり、フォトリソグラフィ工程の簡略化のみならず、両チャネルのv−FinFET構造のMOS型半導体装置を構成するフィン形状のより精密な制御とより優れた再現性を実現できる。   If this manufacturing process is used, the photolithography process required to form an extremely fine pattern necessary for forming the first fin and the second fin is changed from two times to one time, and the photolithography process is simplified. In addition, it is possible to realize more precise control and better reproducibility of the fin shape constituting the MOS type semiconductor device having the v-FinFET structure of both channels.

このとき、半導体薄膜をフィンの平面形状に加工する工程において、所望の縦型の半導体薄膜であるフィンの平面形状が、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介して配設されたゲート電極に印加されたゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化されるような平面形状である多素子型のMOS型半導体装置の製造方法とすることができる。   At this time, in the process of processing the semiconductor thin film into the planar shape of the fin, the planar shape of the fin, which is a desired vertical semiconductor thin film, is gated on the entire or part of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin. A multi-element MOS semiconductor device manufacturing method having a planar shape in which a channel region is completely depleted by a gate voltage applied to a gate electrode disposed via an insulator film can be provided. .

フィンを形成する工程又は縦型の半導体薄膜を形成する工程において、選択エピタキシャル成長法を用いて、絶縁体層に形成した開口部のみにフィン又は縦型の半導体薄膜を成長させる、多素子型のMOS型半導体装置の製造方法とすることが好ましい。   A multi-element MOS in which a fin or a vertical semiconductor thin film is grown only in an opening formed in an insulator layer using a selective epitaxial growth method in a step of forming a fin or a step of forming a vertical semiconductor thin film It is preferable to use a method for manufacturing a semiconductor device.

この場合、フィンの膜厚又は縦型の半導体薄膜の膜厚を、開口部を形成した絶縁体層の厚さにほぼ等しくなる様に成長させる、多素子型のMOS型半導体装置の製造方法とすることができる。   In this case, a method for manufacturing a multi-element MOS semiconductor device, in which the thickness of the fin or the thickness of the vertical semiconductor thin film is grown so as to be substantially equal to the thickness of the insulator layer in which the opening is formed, can do.

縦型の半導体薄膜であるフィンの少なくともチャネル領域の側面に、斜めイオン注入法を用いて選択的に不純物を導入した領域を形成する工程を有する多素子型のMOS型半導体装置の製造方法とすることも好ましい。   A method of manufacturing a multi-element MOS semiconductor device including a step of forming a region selectively doped with an impurity using an oblique ion implantation method on at least a side surface of a channel region of a fin which is a vertical semiconductor thin film It is also preferable.

第1のフィンと、第2のフィンとを、互いに異なる半導体の材料又は組成で形成する工程を有する多素子型のMOS型半導体装置の製造方法とすることも好ましい。   It is also preferable to use a method of manufacturing a multi-element MOS semiconductor device including a step of forming the first fin and the second fin with different semiconductor materials or compositions.

MOSFETをさらに小型化するため、v−FETの構造を応用してエピタキシャル成長法等で極微細化したチャネル領域を形成した場合であっても、容易にチャネル領域の完全な空乏化ができ、サブスレッショルド電流特性が劣化しない、高性能で製造しやすいMOS型半導体装置及びその製造方法が実現した。   In order to further reduce the size of the MOSFET, the channel region can be completely depleted easily even when a very fine channel region is formed by an epitaxial growth method or the like by applying the structure of the v-FET. A MOS type semiconductor device that does not deteriorate current characteristics and is easy to manufacture and a method for manufacturing the same have been realized.

図1〜図3に、本発明によるMOS型半導体装置であるnチャネル型v−FinFETを示す。図1はその断面構造図であり、図2は図1のP部の拡大断面構造図である。図3は図1の平面レイアウト図を示す。図3において、フィン200は第5の絶縁体層の側壁341の外周部と略同一の平面形状であり、第5の絶縁体層の側壁341の下側に位置している。   1 to 3 show an n-channel v-FinFET which is a MOS semiconductor device according to the present invention. FIG. 1 is a sectional structural view thereof, and FIG. 2 is an enlarged sectional structural view of a portion P in FIG. FIG. 3 shows a plan layout diagram of FIG. In FIG. 3, the fin 200 has substantially the same planar shape as the outer peripheral portion of the side wall 341 of the fifth insulator layer, and is located below the side wall 341 of the fifth insulator layer.

シリコン単結晶基体等の基体210の上面に形成されたシリコン酸化膜等で構成される埋め込み絶縁体膜220と、その上面に周囲を第1の絶縁体膜310で囲まれるように限定された高濃度にn型不純物がドープされたシリコン単結晶半導体等のn半導体薄膜230が形成されたSOI基板21と、該n半導体薄膜230上に所望の形状と構成とを有するシリコン単結晶薄膜等よりなる縦型の半導体薄膜であるフィン200を有する。該フィン200は基体210に対して平行にn層、n層、p層、n層及びn層を下面から順に連続的な積層膜として構成されており、p層で形成されるチャネル領域260の露出した側面の全面に接して、シリコン酸化膜等のゲート絶縁体膜240が配設され、該ゲート絶縁体膜に接して多結晶シリコン膜等のゲート電極250が配設されている。 A buried insulator film 220 composed of a silicon oxide film or the like formed on the upper surface of the substrate 210 such as a silicon single crystal substrate, and a high height limited to be surrounded by the first insulator film 310 on the upper surface. An SOI substrate 21 on which an n + semiconductor thin film 230 such as a silicon single crystal semiconductor doped with an n-type impurity is formed, and a silicon single crystal thin film having a desired shape and configuration on the n + semiconductor thin film 230 And a fin 200 which is a vertical semiconductor thin film. The fin 200 is configured as an n + layer, an n layer, a p layer, an n layer, and an n + layer that are continuous in order from the lower surface in parallel to the base 210, and is a channel region formed by the p layer. A gate insulator film 240 such as a silicon oxide film is disposed in contact with the entire exposed side surface of the 260, and a gate electrode 250 such as a polycrystalline silicon film is disposed in contact with the gate insulator film.

本実施の形態では、ゲート電極250を、ゲート絶縁体膜240を介して、フィン200の側面に露出したチャネル領域260の側面の全てに接する状態で配設した構成であるが、これに限定されない。前記チャネル領域260の側面の一部に接する状態で配設してもよい。チャネル領域260を完全に空乏化することを考慮すると、前記チャネル領域260の側面の少なくとも一組の対向する二面に配設しておくことが好ましい。より好ましくは、本実施の形態の様に、チャネル領域260の側面の全てに接してゲート電極250を配設する。チャネル領域260をより完全に空乏化しやすくなるからである。   In the present embodiment, the gate electrode 250 is disposed in contact with all the side surfaces of the channel region 260 exposed on the side surfaces of the fin 200 via the gate insulator film 240, but the present invention is not limited thereto. . The channel region 260 may be disposed in contact with a part of the side surface. Considering that the channel region 260 is completely depleted, it is preferable to dispose the channel region 260 on at least one pair of two opposite sides of the side surface of the channel region 260. More preferably, as in this embodiment, the gate electrode 250 is disposed in contact with all of the side surfaces of the channel region 260. This is because the channel region 260 is more easily depleted.

尚、上記に示したn層、n層、p層、n層及びn層の構成材料や組成、膜厚は所望のv−FinFETの電気的特性を得るために種々の組み合わせが考えられることはいうまでもない。更には、上記のチャネル領域260の側面に斜めイオン注入法等を用いて所望の不純物を導入した不純物導入領域261を形成してv−FinFETのより精密な電気的特性、例えば閾値電圧の制御を行うことも可能である。本実施の形態のようにチャネル領域がp型である場合には、不純物導入領域261に注入する不純物としてBやIn等を用いることができる。チャネル領域が低濃度のp型である場合は、短チャネル効果が顕著になりやすい。そのため、不純物としては、特に質量が大きく熱による拡散係数の小さいInを用いることが好ましい。また、不純物を注入するタイミングはゲート絶縁体膜240の形成前が好ましい。 It should be noted that various combinations of the constituent materials, compositions, and film thicknesses of the n + layer, n layer, p layer, n layer, and n + layer shown above may be considered in order to obtain the desired electrical characteristics of the v-FinFET. Needless to say. Furthermore, an impurity introduction region 261 into which a desired impurity is introduced is formed on the side surface of the channel region 260 by using an oblique ion implantation method or the like to control more precise electrical characteristics of the v-FinFET, for example, a threshold voltage. It is also possible to do this. In the case where the channel region is p-type as in this embodiment mode, B, In, or the like can be used as an impurity to be implanted into the impurity introduction region 261. When the channel region is a low concentration p-type, the short channel effect tends to be prominent. Therefore, it is preferable to use In that has a large mass and a small diffusion coefficient due to heat as an impurity. Further, the timing of implanting the impurities is preferably before the gate insulator film 240 is formed.

フィン200の下面側にn層とn層で構成されたソース領域270は、SOI基板21側のソース領域270の全面に接したn半導体薄膜230を介して、ゲート電極250の外側を経由させて、ソース電極のコンタクト開口部271に埋め込まれたW等の金属膜で形成されたソース領域の引き出し電極272に接続されている。すなわち、n半導体薄膜230とソース電極のコンタクト開口部271に埋め込まれたW等の金属膜により、ソース領域270とソース領域の引き出し電極272とを導通する導電体パターンが形成されている。導電体パターンを構成するn半導体薄膜230は、SOI基板21に対して平行で、かつソース領域270の基板側の面の長手方向と垂直な方向に引き出された構成となっているため、図3に示す様に、導電体パターンとしてのn半導体薄膜230を太く形成することができ配線抵抗値が大きく低下する。 A source region 270 composed of an n layer and an n + layer on the lower surface side of the fin 200 passes through the outside of the gate electrode 250 via an n + semiconductor thin film 230 in contact with the entire surface of the source region 270 on the SOI substrate 21 side. Thus, it is connected to the extraction electrode 272 in the source region formed of a metal film such as W embedded in the contact opening 271 of the source electrode. That is, a conductor pattern that connects the source region 270 and the extraction electrode 272 in the source region is formed by the n + semiconductor thin film 230 and a metal film such as W embedded in the contact opening 271 of the source electrode. The n + semiconductor thin film 230 constituting the conductor pattern is drawn in the direction parallel to the SOI substrate 21 and perpendicular to the longitudinal direction of the surface of the source region 270 on the substrate side. As shown in FIG. 3, the n + semiconductor thin film 230 as the conductor pattern can be formed thick, and the wiring resistance value is greatly reduced.

ドレイン領域の引き出し電極282は、フィン200の上面側に形成されているn層及びn層で構成されるドレイン領域280のn層上面に開口されたドレイン電極のコンタクト開口部281に埋め込まれたW等の金属膜で形成される。ゲート引き出し電極252は、ゲート電極のコンタクト開口部251に埋め込まれたW等の金属膜で形成される。 The drain region extraction electrode 282 is buried in the contact opening 281 of the drain electrode opened on the upper surface of the n + layer of the drain region 280 formed of the n layer and the n + layer formed on the upper surface side of the fin 200. It is made of a metal film such as W. The gate extraction electrode 252 is formed of a metal film such as W embedded in the contact opening 251 of the gate electrode.

本発明の大きな特徴の1つは、従来のv−FETと同様にフィン200の長手方向のチャネル幅Wを任意に設定できるので、ソース、ドレイン及びゲートの電極引き出しはネック部を要しないストレートな引き出しが可能となることである。従って、図6及び図10に示すような従来のp−FinFETで必要とするネック部分を有する長い間隔Dの電極引き出し領域190が不要となるために、高い集積密度化と、特にソース領域170、ドレイン領域180の直列抵抗の著しい改善ができる。 One of the great features of the present invention, it is possible arbitrarily set longitudinal channel width W n of like conventional v-FET fin 200 is not required, the source, drain and electrodes drawer neck portion of the gate straight It is possible to pull out easily. Accordingly, since the electrode lead-out region 190 having a long interval D having a neck portion required in the conventional p-FinFET as shown in FIGS. 6 and 10 is not necessary, high integration density, particularly the source region 170, The series resistance of the drain region 180 can be significantly improved.

フィン200の下面側の側面を囲むように形成されているシリコン酸化膜等の第1の絶縁体層320はn半導体薄膜230とゲート電極250との層間絶縁体層である。更に、シリコン酸化膜等の第4の絶縁体層330は、ゲート電極250とソース領域の引き出し電極272及びドレイン領域の引き出し電極282との層間絶縁体層である。尚、ドレイン電極のコンタクト開口部281をドレイン領域280の内側領域に限定するためにシリコン酸化膜等の第5の絶縁体層の側壁341を該コンタクト開口部の周辺を囲む様に形成することも可能である。 A first insulator layer 320 such as a silicon oxide film formed so as to surround the side surface on the lower surface side of the fin 200 is an interlayer insulator layer between the n + semiconductor thin film 230 and the gate electrode 250. Further, the fourth insulator layer 330 such as a silicon oxide film is an interlayer insulator layer between the gate electrode 250 and the extraction electrode 272 in the source region and the extraction electrode 282 in the drain region. In order to limit the contact opening 281 of the drain electrode to the inner region of the drain region 280, the side wall 341 of the fifth insulator layer such as a silicon oxide film may be formed so as to surround the periphery of the contact opening. Is possible.

本発明によるnチャネル型のv−FinFETでは、チャネル長LCnは、フィン200のソース領域270を構成するn層とドレイン領域280を構成するn層とで挟まれたチャネル領域260のp層の厚みで決定される。フィン200の形成に、エピタキシャル成長法を用いれば、n層、n層、p層、n層及びn層の各層の膜厚は、極めて精密な制御性と再現性をもって形成が可能であるので、極微細なチャネル長LCnを実現することは容易である。従って、従来のp−FinFETのゲート電極250のゲート電極長Lの形成工程で要求される最先端の極微細なフォトリソグラフィ工程を用いる必要がないために、製造が容易となる。尚、ゲート電極250は、フィン200の側面に露出したチャネル領域260の側面の全面に、ゲート絶縁体膜240を介して配設されており、フィン200の幅Wfinは、ゲート電極250に印加されるゲート電圧によってチャネル領域260が完全に空乏化する程度に狭く形成する必要がある。フィン200の幅Wfinは100nm以下が好ましい。100nmより大きいと、チャネル領域260を完全に空乏化することが困難となる。フィン200の幅Wfinは、より好ましくは50nm以下である。フィン200の幅Wfinの下限値については加工精度によって決まる。現行の加工精度ではフィン200の幅Wfinの下限値は10nm程度である。フィン200の高さHfinは、所望のチャネル長LCnを確保しつつ、ソース領域270とドレイン領域280が所望のv−FinFETの電気的特性を満足する様な不純物分布と所望の形状を有する様に設定する。 In the n-channel type v-FinFET according to the present invention, the channel length L Cn is equal to that of the p layer of the channel region 260 sandwiched between the n layer constituting the source region 270 of the fin 200 and the n layer constituting the drain region 280. Determined by thickness. If an epitaxial growth method is used to form the fin 200, the film thickness of each of the n + layer, n layer, p layer, n layer, and n + layer can be formed with extremely precise controllability and reproducibility. It is easy to realize a very fine channel length L Cn . Therefore, since there is no need to use a conventional p-FinFET cutting edge very fine photolithography process is required in the step of forming the gate electrode length L g of the gate electrode 250, thereby facilitating the manufacture. The gate electrode 250 is disposed on the entire side surface of the channel region 260 exposed on the side surface of the fin 200 via the gate insulator film 240, and the width W fin of the fin 200 is applied to the gate electrode 250. It is necessary to form the channel region 260 so narrow that the channel region 260 is completely depleted by the gate voltage applied. The width W fin of the fin 200 is preferably 100 nm or less. If it is larger than 100 nm, it is difficult to completely deplete the channel region 260. The width W fin of the fin 200 is more preferably 50 nm or less. The lower limit value of the width W fin of the fin 200 is determined by the machining accuracy. With the current processing accuracy, the lower limit of the width W fin of the fin 200 is about 10 nm. The height H fin of the fin 200 has an impurity distribution and a desired shape so that the source region 270 and the drain region 280 satisfy the desired electrical characteristics of the v-FinFET while ensuring the desired channel length L Cn. Set as follows.

図3に示すように、本発明では、従来のp−FinFETにおけると同様にフィン200の両側にMOS型半導体装置のチャネルが形成されているので、フィン200の長手方向の幅をWとすれば、そのチャネル幅Wは2Wで与えられる。 As shown in FIG. 3, in the present invention, since the channel of the MOS type semiconductor device is formed on both sides of the fin 200 as in the conventional p-FinFET, the longitudinal width of the fin 200 is set to W n. For example, the channel width W is given by 2W n .

図1〜図3の実施例の基板として、基体210の上面に形成された埋め込み絶縁体膜220と、その上面に形成されているn半導体薄膜230を有するSOI基板21を用いたが、通常によく用いられている半導体基板上にフィンが形成されている構成も可能である。また、v−FinFETのチャネル長LCnを決定するフィン200のチャネル領域となるp層の膜厚(チャネル領域260の厚み)を2種類以上有する複数のv−FinFETを同一の基板上に形成することによって、所望の電気的特性を有する異なるチャネル長のv−FinFETを集積化することも可能である。また、図1〜図3に示す実施例では、ゲート電極250がゲート絶縁体膜240を介して、長方形に形成されたフィン200の全周を囲む様に配設されているが、レイアウトによっては、フィン200の長手方向(即ち、W方向)の両側面か、更に加えてフィンの幅方向(即ち、Wfin方向)の一方の側面を含む3側面に形成することもできる。また、図1〜図3に示す実施例では、平面形状が長方形のフィン200を例示したが、フィンの平面形状は多角形や円形等の任意の形状やレイアウトが可能であり、これらのフィンの平面形状に応じてゲート絶縁体膜やゲート電極を配設する形状も任意に設定可能である。 Although the SOI substrate 21 having the buried insulator film 220 formed on the upper surface of the base 210 and the n + semiconductor thin film 230 formed on the upper surface is used as the substrate of the embodiment of FIGS. A structure in which fins are formed on a semiconductor substrate that is often used for the above is also possible. Further, a plurality of v-FinFETs having two or more types of p-layer film thicknesses (thicknesses of channel regions 260) serving as channel regions of the fins 200 that determine the channel length L Cn of the v-FinFETs are formed on the same substrate. Accordingly, it is possible to integrate v-FinFETs having different channel lengths having desired electrical characteristics. In the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the gate electrode 250 is disposed so as to surround the entire periphery of the fin 200 formed in a rectangular shape with the gate insulator film 240 interposed therebetween. longitudinal fins 200 (i.e., W n direction) or both side surfaces of the further addition fin width direction (i.e., W fin direction) of may be formed on three sides including the one side of the. 1 to 3 exemplify the fin 200 having a rectangular planar shape, the planar shape of the fin may be any shape or layout such as a polygon or a circle. The shape in which the gate insulator film and the gate electrode are disposed can be arbitrarily set according to the planar shape.

図4に、フィン200の平面形状が六角形の場合の、v−FinFETの第1の別例の平面レイアウト図を示す。図4において、フィン200は第5の絶縁体層の側壁341の六角形状の外周部と略同一の平面形状であり、第5の絶縁体層の側壁341の下側に位置している。この場合チャネル幅Wは近似的に2Wで与えられる。 FIG. 4 shows a plan layout diagram of a first other example of the v-FinFET when the plan shape of the fin 200 is a hexagon. In FIG. 4, the fin 200 has substantially the same planar shape as the hexagonal outer peripheral portion of the side wall 341 of the fifth insulator layer, and is located below the side wall 341 of the fifth insulator layer. In this case the channel width W is given by approximately 2W n.

図5に、フィン200の平面形状が円形の場合の、v−FinFETの第2の別例の平面レイアウト図を示す。図5においても、フィン200は第5の絶縁体層の側壁341の円形の外周部と略同一の平面形状であり、第5の絶縁体層の側壁341の下側に位置している。この場合、チャネル幅Wは、フィン200の円周長で表され、πWfin(πW)となる。 FIG. 5 shows a plan layout diagram of a second example of the v-FinFET when the plan shape of the fin 200 is circular. Also in FIG. 5, the fin 200 has substantially the same planar shape as the circular outer peripheral portion of the side wall 341 of the fifth insulator layer, and is located below the side wall 341 of the fifth insulator layer. In this case, the channel width W is expressed by the circumferential length of the fin 200 and is πW fin (πW n ).

既に例示した様に通常は基体210としてシリコン単結晶基体、埋め込み絶縁体膜220としてシリコン酸化膜、n半導体薄膜230やフィン200としてシリコン単結晶薄膜を用いることが考えられるが、n半導体薄膜230やフィン200の材料として、シリコン以外のIV族半導体薄膜(例えば、Ge,SiGe,C,SiC等の薄膜)、III−V族半導体薄膜(例えば、GaAs,GaP,GaN,AlP等や、それ等の共晶半導体薄膜)やII−VI族半導体薄膜(例えば、ZnSe,ZnS,CdS,CdTe等の薄膜)を用いることも可能である。また、本発明の特徴の1つとして、フィン200の形成法としてエピタキシャル成長法を用いているので、上記の各種半導体薄膜を組み合わせた積層膜をフィン200として堆積させることも可能となり、高性能なv−FinFETが実現できる。 Already a silicon single crystal substrate as a normally base 210 as illustrated, a silicon oxide film as the buried insulating film 220, n + it is conceivable to use a silicon single crystal thin film as a semiconductor thin film 230 and the fins 200, n + semiconductor thin film As a material of the 230 and the fin 200, a group IV semiconductor thin film other than silicon (for example, a thin film such as Ge, SiGe, C, and SiC), a group III-V semiconductor thin film (for example, GaAs, GaP, GaN, AlP, and the like) Etc.) and II-VI group semiconductor thin films (for example, thin films of ZnSe, ZnS, CdS, CdTe, etc.) can also be used. In addition, as one of the features of the present invention, since the epitaxial growth method is used as a method for forming the fin 200, it is possible to deposit a laminated film in which the above-described various semiconductor thin films are combined as the fin 200. -A FinFET can be realized.

本発明によるv−FinFETを用いた多素子型のMOS型半導体装置であるCMOSインバータの断面構造図を図12に、その平面レイアウト図を図13に示す。図13において、フィン201,202は第5の絶縁体層の側壁341,342の四辺形形状の外周部と略同一の平面形状であり、第5の絶縁体層の側壁341,342の下側に位置している。また、図1〜図3に示すnチャネル型v−FinFETと同様の機能を有するものには同一の番号を付与している。CMOSインバータ回路の場合には、nチャネル型v−FinFETのソース、チャネル及びドレインの各領域270,260,280を、n半導体薄膜230の上面に基体210に対して平行に下面からn層、n層、p層、n層及びn層の順に連続的な積層膜として堆積した第1のフィン201として形成する。同様に、pチャネル型v−FinFETのソース、チャネル及びドレインの各領域275,265,285を、p半導体薄膜235の上面に基体210に対して平行に下面からp層、p層、n層、p層及びp層の順に連続的な積層膜として堆積した第2のフィン202として形成する。 FIG. 12 shows a cross-sectional structure of a CMOS inverter which is a multi-element MOS semiconductor device using a v-FinFET according to the present invention, and FIG. 13 shows a plan layout view thereof. In FIG. 13, the fins 201 and 202 have substantially the same planar shape as the quadrilateral outer peripheral portions of the side walls 341 and 342 of the fifth insulator layer, and are located below the side walls 341 and 342 of the fifth insulator layer. Moreover, the same number is given to those having the same function as the n-channel type v-FinFET shown in FIGS. In the case of a CMOS inverter circuit, the source, channel, and drain regions 270, 260, and 280 of the n-channel type v-FinFET are arranged on the upper surface of the n + semiconductor thin film 230 in parallel to the base 210 and n + layers from the lower surface. , N layer, p layer, n layer, and n + layer are formed as the first fin 201 deposited as a continuous laminated film in this order. Similarly, the source, channel, and drain regions 275, 265, and 285 of the p-channel type v-FinFET are formed on the upper surface of the p + semiconductor thin film 235 in parallel to the base 210 from the lower surface by the p + layer, the p layer, and the n layer. The second fin 202 is formed as a continuous laminated film in the order of the layer, the p layer, and the p + layer.

該第1のフィン201と該第2のフィン202の周囲には、所望の形状のゲート絶縁体膜240とゲート電極255を配設する。また、図1に示したnチャネル型v−FinFETの場合と同様に、pチャネル型v−FinFETを構成するn層のチャネル領域の側面に電気的特性、特に閾値電圧を制御するための不純物導入領域266を斜めイオン注入法等を用いて形成することもできる。不純物導入領域266に注入する不純物として、本実施の形態のようにチャネル領域がn型である場合にはAs、P等を用いることができる。また、不純物を注入するタイミングはゲート絶縁体膜240の形成前が好ましい。   A gate insulator film 240 and a gate electrode 255 having a desired shape are disposed around the first fin 201 and the second fin 202. As in the case of the n-channel v-FinFET shown in FIG. 1, impurities are introduced into the side surface of the channel region of the n-layer constituting the p-channel v-FinFET, particularly for controlling the threshold voltage. The region 266 can also be formed using an oblique ion implantation method or the like. As the impurity implanted into the impurity introduction region 266, As, P, or the like can be used when the channel region is n-type as in this embodiment. Further, the timing of implanting the impurities is preferably before the gate insulator film 240 is formed.

上記のn及びpの半導体薄膜230及び235は、埋め込み絶縁体膜220の上面に形成されており、それ等の周囲は第1の絶縁体膜310によって囲まれるように形成されている。CMOSインバータを構成するために、両チャネルのv−FinFETのゲート電極255は共通に形成されており、ゲート引き出し電極257を介してインバータの入力信号VINが印加される。出力信号VOUTは、nチャネル型とpチャネル型のv−FinFETのドレイン領域の引き出し電極282、287を共通に接続して取り出される。nチャネル型v−FinFETのソース領域の引き出し電極272には電源VSS(通常はGNDに接続される)が印加され、pチャネル型v−FinFETのソース領域の引き出し電極277には電源VDDが印加される。第1の絶縁体層320はゲートとソース間の層間絶縁体層であり、第4の絶縁体層330はゲートとドレイン間の層間絶縁体層である。 The n + and p + semiconductor thin films 230 and 235 are formed on the upper surface of the buried insulator film 220, and their periphery is formed so as to be surrounded by the first insulator film 310. In order to constitute a CMOS inverter, the gate electrodes 255 of the v-FinFETs of both channels are formed in common, and the inverter input signal VIN is applied via the gate lead electrode 257. The output signal VOUT is taken out by commonly connecting the extraction electrodes 282 and 287 in the drain regions of the n-channel and p-channel v-FinFETs. A power source V SS (usually connected to GND) is applied to the extraction electrode 272 in the source region of the n-channel type v-FinFET, and a power source V DD is applied to the extraction electrode 277 in the source region of the p-channel type v-FinFET. Applied. The first insulator layer 320 is an interlayer insulator layer between the gate and the source, and the fourth insulator layer 330 is an interlayer insulator layer between the gate and the drain.

本発明のnチャネル型v−FinFETのチャネル長LCnは第1のフィン201のp層の膜厚(即ち、チャネル領域260の厚み)で、pチャネル型v−FinFETのチャネル長LCpは第2のフィン202のn層の膜厚(即ち、チャネル領域265の膜み)で決定され、それぞれが所望のv−FinFETの特性を満足するように設定する。 The channel length L Cn of the n-channel type v-FinFET of the present invention is the thickness of the p layer of the first fin 201 (that is, the thickness of the channel region 260), and the channel length L Cp of the p-channel type v-FinFET is It is determined by the film thickness of the n layer of the fins 202 of 2 (that is, the film thickness of the channel region 265), and each is set so as to satisfy the desired v-FinFET characteristics.

図13に示した、本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの平面レイアウト図によると、図10に示した、従来のp−FinFETを用いたCMOSインバータの平面レイアウトに比べて、極めて単純化された高密度なレイアウトが実現されていることが分かる。本発明のnチャネル型とpチャネル型v−FinFETのチャネル幅は、第1のフィン201と第2のフィン202の長手方向の2倍に等しい2Wと2Wで与えられる。nチャネル型とpチャネル型のv−FinFETに流れるドレイン電流値を等しくして、立ち上がりと立ち下がりのスイッチング時間をほぼ同等にするためには、従来の平面構造のCMOSインバータと同様に、2Wと2Wの比を、電子と正孔の移動度の逆比例の関係になるように設定すればよい。従って、従来のp−FinFETが並列接続されるフィンの数の比で決まる様なデジタル的な調整ではなく、本発明のv−FinFETを用いれば、チャネル長の長短を設定するだけで精密にチャネル幅の比を調整できるという大きな特徴を有する。本発明のv−FinFETのレイアウトは、極微細なパターン幅Wfinを有する孤立した1本の大きな島状のフィンで形成できるため、従来の並列接続されるp−FinFETで必要とされるフィン相互間を分離する間隙領域が不要となる。このため、パターンレイアウトが極めて単純化されて、チャネル幅方向には集積密度がほぼ2倍となる利点もある。従って、本発明では、前記特許文献1の図5〜図33に示されている様な極微細な繰り返しパターンを形成する工程が不要となるので、フィンのパターン形成工程が極めて単純化できる特徴をも有する。 According to the plan layout diagram of the CMOS inverter using the v-FinFET according to the present invention shown in FIG. 13, it is extremely simple compared to the plan layout of the CMOS inverter using the conventional p-FinFET shown in FIG. It can be seen that a high-density layout is realized. The channel widths of the n-channel and p-channel v-FinFETs of the present invention are given by 2W n and 2W p equal to twice the longitudinal direction of the first fin 201 and the second fin 202. In order to equalize the drain current values flowing in the n-channel and p-channel v-FinFETs and to make the rising and falling switching times substantially the same, as in the conventional planar structure CMOS inverter, 2 W n and the ratio of 2W p, may be set to be inversely proportional to the mobility of electrons and holes. Therefore, the conventional p-FinFET is not a digital adjustment determined by the ratio of the number of fins connected in parallel. If the v-FinFET of the present invention is used, the channel length can be precisely set only by setting the length of the channel. It has a great feature that the width ratio can be adjusted. Since the layout of the v-FinFET of the present invention can be formed by one isolated large island-shaped fin having an extremely fine pattern width W fin , mutual fins required in the conventional parallel-connected p-FinFET are used. There is no need for a gap region for separating the gaps. For this reason, there is an advantage that the pattern layout is greatly simplified and the integration density is almost doubled in the channel width direction. Therefore, in the present invention, the process of forming an extremely fine repetitive pattern as shown in FIGS. 5 to 33 of Patent Document 1 is not required, and the fin pattern forming process can be greatly simplified. Also have.

また、本発明のv−FinFETでは、チャネル長Lがエピタキシャル成長法による半導体薄膜の膜厚制御で設定可能なため、従来のp−FinFETで必要とするゲート電極長L(図6参照)を加工するための極微細なパターン形成のためのフォトリソグラフィ工程が不要となる。更には、エピタキシャル成長法による半導体薄膜の膜厚は、フォトリソグラフィ法のパターン形成の線幅制御に比べて極めて高精度に制御できることから、チャネル長Lのロット間、ウェーハ間、ウェーハ内、チップ間及びチップ内の再現性、制御性や均一性も大幅に改善される。 Also, the v-FinFET of the present invention, since the channel length L C settable in thickness control of the semiconductor thin film by epitaxial growth method, the conventional gate electrode length required by p-FinFET L g (see FIG. 6) A photolithography process for forming an extremely fine pattern for processing is not required. Furthermore, since the film thickness of the semiconductor thin film by the epitaxial growth method can be controlled with extremely high precision compared to the line width control of pattern formation by the photolithography method, the channel length L C between lots, wafers, wafers, and chips In addition, the reproducibility, controllability and uniformity within the chip are greatly improved.

尚、nチャネル型v−FinFETを構成する半導体薄膜の第1のフィン201に高い電子移動度をもつ半導体材料を、pチャネル型v−FinFETを構成する半導体薄膜の第2のフィン202に高い正孔移動度をもつ半導体材料を用いれば、両チャネルのv−FinFETを単結晶シリコンで形成した場合に比べて、格段に優れた電気的特性を有するCMOSインバータ回路が実現できる。更に、nチャネル型とpチャネル型のv−FinFETの電気的特性を独立に制御するために、ゲート絶縁体膜240やゲート電極255の膜材料、組成や膜厚が異なるように形成しても良く、また、それらの複数種類のv−FinFETを同一基板上に形成することも可能である。   It should be noted that a semiconductor material having high electron mobility is applied to the first fin 201 of the semiconductor thin film constituting the n-channel type v-FinFET, and a high positive polarity is applied to the second fin 202 of the semiconductor thin film constituting the p-channel type v-FinFET. If a semiconductor material having hole mobility is used, a CMOS inverter circuit having significantly superior electrical characteristics can be realized as compared with the case where both channel v-FinFETs are formed of single crystal silicon. Further, in order to independently control the electrical characteristics of the n-channel and p-channel v-FinFETs, the gate insulator film 240 and the gate electrode 255 may be formed with different film materials, compositions and film thicknesses. In addition, it is also possible to form these plural types of v-FinFETs on the same substrate.

上記CMOSインバータの実施の形態において、フィンの平面形状は四辺形であるが、これに制限されず、六角形や円形のフィンを用いても良い。円形のフィンを用いた場合の例を図14に示す。図14において、フィン201,202は第5の絶縁体層の側壁341,342の円形形状の外周部と略同一の平面形状であり、第5の絶縁体層の側壁341,342の下側に位置している。本実施の形態では、同一形状の円形の第2のフィン202を複数個並べてnチャネル型とpチャネル型のv−FinFETに流れるドレイン電流値を等しくして、立ち上がりと立ち下がりのスイッチング時間をほぼ同等にしているがこれに制限されない。nチャネル型v−FinFETを構成する半導体薄膜の第1のフィン201と、pチャネル型v−FinFETを構成する半導体薄膜の第2のフィン202を一基ずつで構成し、それらの直径を変えることで立ち上がりと立ち下がりのスイッチング時間をほぼ同等にしてもよい。本実施の形態では、チャネル領域の平面形状が円形であることから、チャネル領域の完全な空乏化により有利なCMOSインバータとなる。例えば、同じフィンの幅Wfinを有する平面形状が四辺形のフィンの場合と比較すると、円形のフィン201,202を用いた方が、より低いゲート電圧でチャネル領域を完全に空乏化できる。また、ゲート電圧が同じであることを前提とすると、円形のフィン201,202を用いた方が、より広いフィンの幅Wfinでもチャネル領域を完全に空乏化することができる。このため、製造工程において、微細加工工程であるフィンの幅Wfinがばらついても、そのバラツキを吸収してチャネル領域を完全に空乏化することができ、製造歩留まりの高い、製造しやすいCMOSインバータとなる。 In the embodiment of the CMOS inverter, the planar shape of the fin is a quadrilateral, but is not limited to this, and a hexagonal or circular fin may be used. An example of using circular fins is shown in FIG. In FIG. 14, the fins 201 and 202 have substantially the same planar shape as the circular outer peripheral portions of the side walls 341 and 342 of the fifth insulator layer, and are located below the side walls 341 and 342 of the fifth insulator layer. In this embodiment, a plurality of circular second fins 202 having the same shape are arranged so that the drain current values flowing in the n-channel and p-channel v-FinFETs are equal to each other, and the rising and falling switching times are substantially reduced. Although it is equivalent, it is not limited to this. The first fin 201 of the semiconductor thin film that constitutes the n-channel type v-FinFET and the second fin 202 of the semiconductor thin film that constitutes the p-channel type v-FinFET are composed of one by one, and their diameters are changed. The switching time for rising and falling may be made substantially equal. In this embodiment, since the planar shape of the channel region is circular, a CMOS inverter that is advantageous due to complete depletion of the channel region is obtained. For example, the channel region can be completely depleted with a lower gate voltage when the circular fins 201 and 202 are used as compared with the case of a quadrilateral fin having the same fin width W fin . On the premise that the gate voltages are the same, the channel region can be completely depleted by using the circular fins 201 and 202 even with a wider fin width W fin . For this reason, even if the width W fin of the fin, which is a microfabrication process, varies in the manufacturing process, the variation can be absorbed and the channel region can be completely depleted, and the CMOS inverter has a high manufacturing yield and is easy to manufacture. It becomes.

本発明によるv−FinFETで構成したCMOSインバータの製造方法について、図15a〜図19fに示す断面構造図を用いて説明する。基板としては、シリコン単結晶基体等の基体210上に、シリコン酸化膜等の埋め込み絶縁体膜220とシリコン単結晶薄膜等の半導体薄膜225が積層して形成されたSOI基板21を用いている(図15a)。この場合の半導体薄膜225は、n型又はp型かあるいは実質的に不純物を含まない高比抵抗の半導体薄膜を用いる。選択酸化法等の手段を用いてシリコン酸化膜等の第1の絶縁体膜310で周囲を囲まれた該半導体薄膜225の島状領域を形成する。次いで、それ等の島状領域の半導体薄膜に、フォトリソグラフィ法とイオン注入法とを組み合わせる等の手段を用いて、nチャネル型v−FinFETのソース領域の一部となる高濃度のn型不純物を含むn半導体薄膜230と、pチャネル型v−FinFETのソース領域の一部となる高濃度のp型不純物を含むp半導体薄膜235を形成する(図15b)。nチャネル型v−FinFETを構成する第1のフィン201の高さにほぼ等しい膜厚を有するシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の第1の絶縁体層320を全面に堆積し、該第1の絶縁体層320に第1のフィン201の平面形状にほぼ等しい大きさの開口部を形成する。非特許文献3に記載されている様な選択エピタキシャル成長法を用いて、該開口部のみにnチャネル型v−FinFETの第1のフィン201となるべきn層、n層、p層、n層及びn層を基板に平行に下から順次連続的に成長せしめて積層膜を選択的に成長する。この選択エピタキシャル成長工程では、第1の絶縁体層320の上面には半導体薄膜は堆積されない(図15c)。 A method for manufacturing a CMOS inverter composed of v-FinFETs according to the present invention will be described with reference to cross-sectional structure diagrams shown in FIGS. 15a to 19f. As the substrate, an SOI substrate 21 is used in which a buried insulator film 220 such as a silicon oxide film and a semiconductor thin film 225 such as a silicon single crystal thin film are laminated on a base 210 such as a silicon single crystal base ( FIG. 15a). The semiconductor thin film 225 in this case is an n-type or p-type or a high specific resistance semiconductor thin film that does not substantially contain impurities. An island-like region of the semiconductor thin film 225 surrounded by a first insulator film 310 such as a silicon oxide film is formed using a means such as a selective oxidation method. Next, a high-concentration n-type impurity that becomes a part of the source region of the n-channel type v-FinFET is used for the semiconductor thin film in these island-shaped regions by using means such as a combination of photolithography and ion implantation. and n + semiconductor thin film 230 comprising, to form a p + semiconductor film 235 containing a high concentration p-type impurity serving as a part of the source region of the p-channel type v-FinFET (Figure 15b). A first insulator layer 320 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film having a film thickness substantially equal to the height of the first fin 201 constituting the n-channel v-FinFET is deposited on the entire surface, and the first An opening having a size substantially equal to the planar shape of the first fin 201 is formed in the insulator layer 320. Using a selective epitaxial growth method as described in Non-Patent Document 3, an n + layer, an n layer, a p layer, and an n layer that should serve as the first fin 201 of the n-channel v-FinFET only in the opening. Then, the n + layer is successively grown from the bottom in parallel with the substrate to selectively grow the laminated film. In this selective epitaxial growth step, no semiconductor thin film is deposited on the upper surface of the first insulator layer 320 (FIG. 15c).

必要に応じて、CMP(Chemical-Mechanical Polishing)法を用いて表面を平坦化する。その上面に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の第2の絶縁体層321を全面に堆積した後、第1の絶縁体層320と第2の絶縁体層321との積層膜にpチャネル型v−FinFETの第2のフィン202とほぼ同一の平面形状を有する開口部を形成する(図15d)。該開口部に選択エピタキシャル成長法を用いて、基板に平行に下から順次連続的にp層、p層、n層、p層及びp層よりなる積層膜を堆積する(図15e)。次に、第1のフィン201と第2のフィン202の高さをほぼ等しくするために、CMP法を用いて平坦化する(図15f)。本実施例においては、第1の絶縁体層320と第2の絶縁体層321との積層膜に開口部を形成しているが(図15d)、第1の絶縁体層320を完全に取り払った後、第2の絶縁体層を第1のフィン201が隠れる程度に厚く堆積させて、第2の絶縁体層上に開口部を形成してもよい(図15dにおいて第1の絶縁体層320と第2の絶縁体層321の占有部分を第2の絶縁体層のみで形成した構成である)。また、第2の絶縁体層321を第1のフィン201の上側にだけ選択的に堆積させた後、第1の絶縁体層320上に開口部を形成してもよいし、第2の絶縁体層321を第1のフィン201の上側にだけ選択的に堆積させる前に、第1の絶縁体層320上に開口部を形成してもよい。 If necessary, the surface is planarized using a CMP (Chemical-Mechanical Polishing) method. A second insulator layer 321 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is deposited on the entire surface, and then a p-channel type layer is formed on the laminated film of the first insulator layer 320 and the second insulator layer 321. An opening having substantially the same planar shape as that of the second fin 202 of the v-FinFET is formed (FIG. 15d). Using the selective epitaxial growth method, a laminated film composed of a p + layer, a p layer, an n layer, a p layer, and a p + layer is sequentially deposited from the bottom in parallel with the substrate using the selective epitaxial growth method (FIG. 15e). Next, in order to make the heights of the first fins 201 and the second fins 202 substantially equal, planarization is performed using a CMP method (FIG. 15f). In this embodiment, an opening is formed in the laminated film of the first insulator layer 320 and the second insulator layer 321 (FIG. 15d), but the first insulator layer 320 is completely removed. Thereafter, the second insulator layer may be deposited thick enough to hide the first fin 201 to form an opening on the second insulator layer (the first insulator layer in FIG. 15d). 320 and the second insulator layer 321 occupies only the second insulator layer). In addition, after the second insulator layer 321 is selectively deposited only on the upper side of the first fin 201, an opening may be formed on the first insulator layer 320, or the second insulation layer may be formed. Before the body layer 321 is selectively deposited only on the upper side of the first fin 201, an opening may be formed on the first insulator layer 320.

本実施の形態において、絶縁体層320,321に形成する開口部の形状は、それぞれのフィン201,202の側面に露出するチャネル領域260,265の側面の全面にゲート絶縁体膜を介して配設されたゲート電極155に印加されたゲート電圧によって、それぞれのチャネル領域260,265が完全に空乏化されるようなフィン201,202の平面形状と略同一の形状であるがこれに限定されない。それぞれのチャネル領域が完全に空乏化するようなフィン201,202の平面形状と略同一の形状であれば、ゲート電極155をチャネル領域の側面の全面にゲート絶縁体膜を介して配設しなくてもよい。しかし、チャネル領域の側面の全面にゲート電極を配設した方が、チャネル領域を完全に空乏化しやすい。   In the present embodiment, the shape of the opening formed in the insulator layers 320 and 321 is such that the gate electrode 155 disposed on the entire side surfaces of the channel regions 260 and 265 exposed on the side surfaces of the fins 201 and 202 via the gate insulator film. The planar shape of the fins 201 and 202 is such that the channel regions 260 and 265 are completely depleted by the gate voltage applied to the, but the present invention is not limited to this. If the planar shape of the fins 201 and 202 is such that each channel region is completely depleted, the gate electrode 155 need not be disposed on the entire side surface of the channel region via a gate insulator film. Good. However, it is easier to completely deplete the channel region if the gate electrode is provided on the entire side surface of the channel region.

本実施の形態において、フィン201,202の幅Wfin(図13参照)は100nm以下が好ましい。100nmより大きいと、チャネル領域を完全に空乏化することが困難となる。フィン201,202の幅Wfinは、より好ましくは50nm以下である。フィン201,202の幅Wfinの下限値については加工精度によって決まる。現行の加工精度ではフィン201,202の幅Wfinの下限値は10nm程度である。 In the present embodiment, the width W fin (see FIG. 13) of the fins 201 and 202 is preferably 100 nm or less. If it is larger than 100 nm, it is difficult to completely deplete the channel region. The width W fin of the fins 201 and 202 is more preferably 50 nm or less. The lower limit value of the width W fin of the fins 201 and 202 is determined by the machining accuracy. With the current processing accuracy, the lower limit value of the width W fin of the fins 201 and 202 is about 10 nm.

以下には、別の製造方法を用いて図15bから図15fに至る製造工程を実現した第1の別例について図16a〜16cを用いて説明する。上述の工程で形成した図15bの状態から、第1の絶縁体層320を全面に堆積し、nチャネル型v−FinFETを構成する第1のフィン201の平面形状より十分に大きな開口部を形成して、該開口部に選択エピタキシャル成長法を用いてn層、n層、p層、n層及びn層を基板に平行に下から順次連続的に成長せしめて第1の半導体薄膜の積層膜205を選択的に形成する。必要に応じてその表面を、CMP法を用いて平坦化する。その上面に第2の絶縁体層321を堆積後、該第2の絶縁体層321と第1の絶縁体層320の積層膜に、pチャネル型v−FinFETを構成する第2のフィン202の平面形状より十分に大きな開口部を形成する。該開口部に選択エピタキシャル成長法を用いてp層、p層、n層、p層及びp層を基板に平行に下から順次連続的に成長せしめて第2の半導体薄膜の積層膜206を選択的に形成する(図16a)。第1の半導体薄膜の積層膜205の表面が露出する程度にCMP法を用いて平坦化した後に、フォトリソグラフィ技術を用いて該第1と第2の半導体薄膜の積層膜205、206を選択的にエッチングして第1と第2のフィン201,202を形成する(図16b)。次いで、上記のエッチング工程で生じた各フィンと第1の絶縁体層320との間隙部に第3の絶縁体層322を堆積し、CMP法で平坦化して第3の絶縁体層322を埋め込めば、図15fと同様の形状が完成する(図16c)。この場合において、第3の絶縁体層322の材質は第1の絶縁体層320の材質と同じことが好ましいが、これに限定されない。第3の絶縁体層322と第1の絶縁体層320の材質が同じであれば、両者の熱膨張係数が等しくなり、CMOSインバータの信頼性、特に耐ヒートサイクル特性が向上する。この製造工程を用いれば、第1のフィン201と第2のフィン202を形成するために必要な極微細なパターン形成が要求されるフォトリソグラフィ工程が2回から1回になり、フォトリソグラフィ工程の簡略化のみならず、両チャネルのv−FinFETを構成するフィン形状のより精密な制御とより優れた再現性を実現できる。 Below, the 1st another example which implement | achieved the manufacturing process from FIG. 15b to FIG. 15f using another manufacturing method is demonstrated using FIG. From the state of FIG. 15b formed in the above-described process, the first insulator layer 320 is deposited on the entire surface, and an opening sufficiently larger than the planar shape of the first fin 201 constituting the n-channel v-FinFET is formed. Then, using the selective epitaxial growth method, the n + layer, the n layer, the p layer, the n layer, and the n + layer are successively grown from the bottom in parallel to the substrate, and the first semiconductor thin film is laminated. A film 205 is selectively formed. If necessary, the surface thereof is planarized using a CMP method. After the second insulator layer 321 is deposited on the upper surface, the second fin 202 constituting the p-channel v-FinFET is formed on the laminated film of the second insulator layer 321 and the first insulator layer 320. An opening sufficiently larger than the planar shape is formed. A p + layer, a p layer, an n layer, a p layer, and a p + layer are successively grown in parallel to the substrate from the bottom using a selective epitaxial growth method in the opening to form a second semiconductor thin film laminated film 206. Selectively formed (FIG. 16a). After planarizing using CMP method to such an extent that the surface of the laminated film 205 of the first semiconductor thin film is exposed, the laminated films 205 and 206 of the first and second semiconductor thin films are selectively used by photolithography. Etching is performed to form first and second fins 201 and 202 (FIG. 16b). Next, a third insulator layer 322 is deposited in the gap between each fin generated in the above etching process and the first insulator layer 320, and is planarized by CMP to embed the third insulator layer 322. In this case, a shape similar to FIG. 15f is completed (FIG. 16c). In this case, the material of the third insulator layer 322 is preferably the same as the material of the first insulator layer 320, but is not limited thereto. If the materials of the third insulator layer 322 and the first insulator layer 320 are the same, the thermal expansion coefficients of the third insulator layer 322 and the first insulator layer 320 are the same, improving the reliability of the CMOS inverter, particularly the heat cycle resistance. If this manufacturing process is used, the photolithography process required to form an extremely fine pattern necessary for forming the first fin 201 and the second fin 202 is changed from two times to one time. In addition to simplification, it is possible to realize more precise control and better reproducibility of the fin shape constituting the v-FinFET of both channels.

本実施の形態において、第1のフィン201及び第2のフィン202の平面形状は、それぞれの側面に露出するチャネル領域の側面の全面にゲート絶縁体膜を介して配設されたゲート電極に印加されたゲート電圧よって、それぞれのチャネル領域が完全に空乏化する平面形状と略同一の形状であるがこれに限定されない。それぞれのチャネル領域が完全に空乏化するようなフィン201,202の平面形状と略同一の形状であれば、ゲート電極をチャネル領域の側面の全面にゲート絶縁体膜を介して配設しなくてもよい。しかし、チャネル領域の側面の全面にゲート電極を配設した方が、チャネル領域を完全に空乏化しやすい。   In the present embodiment, the planar shape of the first fin 201 and the second fin 202 is applied to the gate electrode disposed on the entire side surface of the channel region exposed on each side surface through the gate insulator film. The shape of each channel region is substantially the same as the planar shape in which each channel region is completely depleted by the gate voltage, but the present invention is not limited to this. If the planar shape of the fins 201 and 202 is such that each channel region is completely depleted, the gate electrode may not be disposed on the entire side surface of the channel region via the gate insulator film. . However, it is easier to completely deplete the channel region if the gate electrode is provided on the entire side surface of the channel region.

本実施の形態において、フィン201,202の幅Wfin(図13参照)は100nm以下が好ましい。100nmより大きいと、チャネル領域を完全に空乏化することが困難となる。フィン201,202の幅Wfinは、より好ましくは50nm以下である。フィン201,202の幅Wfinの下限値については加工精度によって決まる。現行の加工精度ではフィン201,202の幅Wfinの下限値は10nm程度である。 In the present embodiment, the width W fin (see FIG. 13) of the fins 201 and 202 is preferably 100 nm or less. If it is larger than 100 nm, it is difficult to completely deplete the channel region. The width W fin of the fins 201 and 202 is more preferably 50 nm or less. The lower limit value of the width W fin of the fins 201 and 202 is determined by the machining accuracy. With the current processing accuracy, the lower limit value of the width W fin of the fins 201 and 202 is about 10 nm.

更に、ここに述べた製造工程を用いれば以下のような方法でフィンの形成も可能である。まず、図15bの状態から、第1の絶縁体層320を全面に堆積し、第1の絶縁体層320にnチャネル型v−FinFETを構成する第1のフィン201の平面形状より十分に大きな第1の開口部を形成する。通常のエピタキシャル成長法を用いて第1の開口部に第1の半導体薄膜の積層膜を形成する。その後、第1の絶縁体層320上に堆積した第1の半導体薄膜をCMP法等で平坦化する。同様に、第1の絶縁体膜320にpチャネル型v−FinFETを構成する第2のフィン202の平面形状より十分に大きな第2の開口部を形成し、通常のエピタキシャル成長法を用いて第2の開口部に第2の半導体薄膜の積層膜を形成する。その後、第1の絶縁体膜320上に堆積した第2の半導体膜をCMP法等で平坦化する。フォトリソグラフィ技術を用いて第1と第2の半導体薄膜の積層膜を選択的にエッチングして第1と第2のフィン201,202を形成して図16bの状態とする。次いで、上記のエッチング工程で生じた各フィンと第1の絶縁体層320との間隙部に第3の絶縁体層322を堆積し、CMP法で平坦化して第3の絶縁体層322を埋め込めば、図16cと同様の形状が完成するのである。   Furthermore, if the manufacturing process described here is used, the fin can be formed by the following method. First, from the state of FIG. 15b, the first insulator layer 320 is deposited on the entire surface, and the first insulator layer 320 is sufficiently larger than the planar shape of the first fin 201 constituting the n-channel type v-FinFET. A first opening is formed. A laminated film of the first semiconductor thin film is formed in the first opening using a normal epitaxial growth method. Thereafter, the first semiconductor thin film deposited on the first insulator layer 320 is planarized by a CMP method or the like. Similarly, a second opening sufficiently larger than the planar shape of the second fin 202 constituting the p-channel v-FinFET is formed in the first insulator film 320, and the second opening is formed using a normal epitaxial growth method. A laminated film of the second semiconductor thin film is formed in the opening. Thereafter, the second semiconductor film deposited on the first insulator film 320 is planarized by a CMP method or the like. The laminated film of the first and second semiconductor thin films is selectively etched using photolithography technology to form the first and second fins 201 and 202, and the state shown in FIG. 16b is obtained. Next, a third insulator layer 322 is deposited in the gap between each fin generated in the above etching process and the first insulator layer 320, and is planarized by CMP to embed the third insulator layer 322. In this case, the same shape as in FIG. 16c is completed.

尚、今までの説明では、エピタキシャル成長法で形成する半導体薄膜の高さと絶縁体層の開口部の高さがほぼ等しいとして説明したが、CMP法による平坦化法と組み合わせれば、該半導体薄膜の膜厚を該開口部の高さに比べて厚く、又は薄く形成しても良い。CMP法による平坦化工程を少なくして、製造工程の簡素化をはかるためには、本実施の形態のように、エピタキシャル成長法で形成する半導体薄膜の高さと絶縁体層の開口部の高さをほぼ等しくすることが好ましい。   In the description so far, it has been described that the height of the semiconductor thin film formed by the epitaxial growth method is substantially equal to the height of the opening of the insulator layer, but when combined with the planarization method by the CMP method, The film thickness may be thicker or thinner than the height of the opening. In order to simplify the manufacturing process by reducing the planarization process by the CMP method, the height of the semiconductor thin film formed by the epitaxial growth method and the height of the opening of the insulator layer are set as in this embodiment. It is preferable to make them approximately equal.

また、上記のn層、n層、p層、n層及びn層の積層膜やp層、p層、n層、p層及びp層の積層膜を構成する各層の半導体薄膜の材料、組成、膜厚やそれらの組み合わせは、所望のnチャネル型及びpチャネル型v−FinFETの電気的特性が得られるようにエピタキシャル成長工程において設定可能である。 In addition, the semiconductor thin film of each layer constituting the laminated film of the n + layer, n layer, p layer, n layer and n + layer and the laminated film of the p + layer, p layer, n layer, p layer and p + layer The material, composition, film thickness, and combinations thereof can be set in the epitaxial growth process so that desired electrical characteristics of the n-channel and p-channel v-FinFETs can be obtained.

本発明では、第1のフィン201と第2のフィン202に形成されているn層とp層の膜厚によってnチャネル型とpチャネル型のv−FinFETのチャネル長LCnとLCpが決定される。エピタキシャル成長法では、その膜厚制御と不純物濃度の精密制御が可能であり、MOSFETの電気的特性を決める最も重要なパラメータであるチャネル長Lを精密に制御できるので、チャネル長Lのロット間やウェーハ間の再現性やウェーハ内、チップ間及びチップ内の制御性や均一性に極めて優れたv−FinFETが得られる。このことは、従来のp−FinFETにおいて最先端のフォトリソグラフィ技術を用いて極微細なゲート電極長Lを形成する工程に比べて、チャネル長Lの制御性、即ち、v−FinFETの電気的特性の制御性が極めて優れていることを意味する。 In the present invention, the channel lengths L Cn and L Cp of n-channel and p-channel v-FinFETs are determined by the film thicknesses of the n-layer and p-layer formed on the first fin 201 and the second fin 202. Is done. The epitaxial growth method, but may be precise control of the film thickness control and the impurity concentration, between so can be precisely controlled channel length L C is the most important parameter for determining the electrical properties of the MOSFET, the channel length L C Lot In addition, a v-FinFET having excellent reproducibility between wafers, controllability and uniformity within a wafer, between chips, and within a chip can be obtained. This is because the controllability of the channel length L C , that is, the electrical characteristics of the v-FinFET, compared to the process of forming a very fine gate electrode length L g using the state-of-the-art photolithography technology in the conventional p-FinFET. This means that the controllability of the mechanical characteristics is extremely excellent.

図15f又は図16cの形状を完成した後、第1の絶縁体層320又は第1の絶縁体層320と第3の絶縁体層322を均一にエッチバックして、チャネル領域260,265の側面を絶縁体層320又は322から露出させる。エッチバックされた第1の絶縁体層320又は第1の絶縁体層320と第3の絶縁体層322はv−FinFETのソース領域とゲート領域の層間絶縁体層となる。必要に応じて、v−FinFETの電気的特性、特に閾値電圧を制御するために、斜めイオン注入法等の手段を用いてチャネル領域260、265の側面に不純物導入領域261,266を形成する。次に、フィン201と202の露出した側面の一部の面又は全面に接してシリコン酸化膜等や窒化シリコン膜等のゲート絶縁体膜240を形成する(図17a)。本実施の形態では、フィン201と202の露出した側面の全面にゲート絶縁体膜240を形成している。更にそのゲート絶縁体膜240に接してゲート電極膜を形成し、CMP法で該ゲート電極膜とフィンの表面がほぼ等しくなる様に平坦化する。その後、フィン上部の側面の一部が露出するまで、ゲート電極膜を均一にエッチバックする。次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、ゲート電極膜を所望の形状にエッチングしてゲート電極255を形成する(図17b)。シリコン酸化膜等の第4の絶縁体層330を、空隙部を埋め込むように全面に堆積し、CMP法を用いてフィンの上部とほぼ等しい高さになる様に平坦化する(図17c)。   15f or 16c is completed, the first insulator layer 320 or the first insulator layer 320 and the third insulator layer 322 are uniformly etched back to insulate the side surfaces of the channel regions 260 and 265. Exposed from body layer 320 or 322. The etched back first insulator layer 320 or the first insulator layer 320 and the third insulator layer 322 become an interlayer insulator layer of the source region and the gate region of the v-FinFET. If necessary, impurity introduction regions 261 and 266 are formed on the side surfaces of the channel regions 260 and 265 using means such as an oblique ion implantation method in order to control the electrical characteristics of the v-FinFET, particularly the threshold voltage. Next, a gate insulator film 240 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed in contact with a part or the whole of the exposed side surfaces of the fins 201 and 202 (FIG. 17a). In the present embodiment, the gate insulator film 240 is formed on the entire exposed side surfaces of the fins 201 and 202. Further, a gate electrode film is formed in contact with the gate insulator film 240, and is flattened by CMP so that the surfaces of the gate electrode film and the fin are substantially equal. Thereafter, the gate electrode film is uniformly etched back until a part of the side surface of the upper portion of the fin is exposed. Next, using the photolithography technique, the gate electrode film is etched into a desired shape to form the gate electrode 255 (FIG. 17b). A fourth insulator layer 330 such as a silicon oxide film is deposited on the entire surface so as to fill the gap, and is flattened so as to have a height substantially equal to the upper portion of the fin using a CMP method (FIG. 17c).

本実施の形態では、フィン201,202の側面に露出したチャネル領域260,265の全面に、ゲート絶縁体膜240を介してゲート電極255を形成しているがこれに制限されない。
チャネル領域260,265のそれぞれの側面の一部に接する状態で配設してもよい。チャネル領域260,265を完全に空乏化することを考慮すると、チャネル領域260,265のそれぞれの側面の少なくとも一組の対向する二面に配設しておくことが好ましい。本実施の形態の様に、チャネル領域260,265の側面の全てに接してゲート電極250を配設することがより好ましい。チャネル領域260,265をより完全に空乏化しやすくなるからである。チャネル領域260,265を完全に空乏化しやすいということは、より低いゲート電圧でチャネル領域260,265を完全に空乏化できる。また、ゲート電圧が同じであることを前提とすると、より広いフィンの幅Wfinでもチャネル領域260,265を完全に空乏化することができる。このため、製造工程において、微細加工工程であるフィンの幅Wfinがばらついても、そのバラツキを吸収してチャネル領域260,265を完全に空乏化することができ、製造歩留まりの高い、製造しやすいv−FinFETの製造方法となる。
In the present embodiment, the gate electrode 255 is formed on the entire surface of the channel regions 260 and 265 exposed on the side surfaces of the fins 201 and 202 via the gate insulator film 240, but the present invention is not limited to this.
You may arrange | position in the state which touches a part of each side surface of channel region 260,265. Considering that the channel regions 260 and 265 are completely depleted, it is preferable to dispose the channel regions 260 and 265 on at least one pair of opposing two surfaces of each side surface of the channel regions 260 and 265. More preferably, the gate electrode 250 is disposed in contact with all of the side surfaces of the channel regions 260 and 265 as in the present embodiment. This is because the channel regions 260 and 265 are more easily depleted. The fact that the channel regions 260 and 265 are easily depleted easily allows the channel regions 260 and 265 to be completely depleted with a lower gate voltage. Further, assuming that the gate voltages are the same, the channel regions 260 and 265 can be completely depleted even with a wider fin width W fin . For this reason, even if the fin width W fin, which is a microfabrication process, varies in the manufacturing process, the variation can be absorbed and the channel regions 260 and 265 can be completely depleted, and the manufacturing yield is high and the manufacturing is easy. -It becomes a manufacturing method of FinFET.

この状態から、フィン201,202の上部を均一にエッチバックした後(図17d)、全面にシリコン酸化膜等の第5の絶縁体層340を堆積し(図17e)、更に、該第5の絶縁体層340を異方性エッチングして、フィン201,202の上部に形成された凹部の側面に第5の絶縁体層の側壁341,342を形成する。この工程により、ドレイン領域の引き出し電極282と287を形成するためのコンタクト開口部が形成される(図17f)。次いで、第4の絶縁体層330に、nチャネル型とpチャネル型のv−FinFETのソース、ドレインやゲートの引き出し電極形成用のコンタクト開口部を形成する。更に、開口部形成によって露出したn半導体膜230、p半導体薄膜235、ゲート電極255、第1のフィン201及び第2のフィン202の上面に、コンタクト抵抗を下げるために、シリサイド膜350を形成する工程を導入することも可能である。次いで、電極形成のための金属膜を全面に堆積した後に、その表面をCMP法で平坦化してコンタクト開口部に該金属膜を埋め込み、ソース領域の引き出し電極272,277とドレイン領域の引き出し電極282,287及びゲート引き出し電極257を形成する(図17g)。これ以降は、通常の平面構造のCMOSインバータの製造工程における多層配線工程となるので説明は省略する。 From this state, the upper portions of the fins 201 and 202 are uniformly etched back (FIG. 17d), and then a fifth insulator layer 340 such as a silicon oxide film is deposited on the entire surface (FIG. 17e). Further, the fifth insulator Layer 340 is anisotropically etched to form fifth insulator layer sidewalls 341 and 342 on the sides of the recesses formed on top of fins 201 and 202. This step forms contact openings for forming drain electrodes 282 and 287 in the drain region (FIG. 17f). Next, contact openings for forming source, drain and gate lead electrodes of n-channel and p-channel v-FinFETs are formed in the fourth insulator layer 330. Further, a silicide film 350 is formed on the upper surfaces of the n + semiconductor film 230, the p + semiconductor thin film 235, the gate electrode 255, the first fin 201, and the second fin 202 exposed by the opening formation in order to reduce the contact resistance. It is also possible to introduce a forming step. Next, after depositing a metal film for electrode formation on the entire surface, the surface thereof is flattened by CMP to fill the contact opening with the metal film, and the source region extraction electrodes 272 and 277 and the drain region extraction electrode 282 are formed. 287 and the gate lead electrode 257 are formed (FIG. 17g). After this, since it becomes a multilayer wiring process in the manufacturing process of a normal planar structure CMOS inverter, description is abbreviate | omitted.

尚、上記の製造方法では、第5の絶縁体層の側壁341,342をフィン201,202の上部の開口部を囲む様に形成した例を示したが、図18の第2の別例に示す様に、ドレイン領域の引き出し電極282,287とゲート電極255とは、第4の絶縁体層330で相互に絶縁されているので、該側壁341,342は必ずしも形成する必要はなく、この側壁形成工程を省略することも可能である。   In the above manufacturing method, the example in which the side walls 341 and 342 of the fifth insulator layer are formed so as to surround the upper openings of the fins 201 and 202 is shown, but as shown in the second alternative example of FIG. Since the drain region extraction electrodes 282 and 287 and the gate electrode 255 are insulated from each other by the fourth insulator layer 330, the side walls 341 and 342 are not necessarily formed, and this side wall forming step is omitted. Is also possible.

図17aから図17gに至る迄の本発明の製造方法の第2の別例について図19aから図19cに述べる。図17aの形状を実現した後の工程で、全面にゲート電極膜を形成後に、該ゲート電極膜を異方性エッチングすることによりフィンの周囲の側壁にゲート電極256を形成する(図19a)。この時、ゲート電極256の上部がフィンの上部より所望の深さだけ低くなる様にオーバーエッチングする。第4の絶縁体層330を全面に堆積し、CMP法で表面を平坦化して図19bに示す形状とする。これまでの工程で、図17cと同様の形状が実現できた。以降の工程は、前述の工程と同様に、フィンの上部を均一にエッチバックして凹部を形成し(図19c)、第5の絶縁体層340を全面に堆積後(図19d)に異方性エッチングで第5の絶縁体層の側壁341,342を該凹部の周囲に形成する(図19e)。ソース、ドレイン、ゲートの引き出し電極形成のための開口部を形成し、必要に応じて、その底部にシリサイド膜350を形成する。次いで、電極形成用の金属膜を全面に堆積してCMP法で平坦化し、コンタクト開口部を該金属膜で埋め込んで、ソース領域の引き出し電極272,277とドレイン領域の引き出し電極282,287及びゲート引き出し電極257を形成し、図17gと同様の形状とする(図19f)。これ以降は、通常の平面構造のCMOSインバータの製造工程における多層配線工程となる。この実施例の場合には、電極形成用のフォトリソグラフィ工程を用いることなくフィンの全周にゲート電極256を形成できるので、工程が大幅に簡略化できる。但し、この実施例の場合には、ゲート電極形成用の導電体膜を用いた相互配線を形成することが困難となり、高密度化のためのパターンレイアウトに制限がある。但し、この実施例においても、ゲート電極形成用のフォトリソグラフィ工程を導入すれば、ゲート電極を所望の形状で所望の領域に形成できるので相互配線も可能となり、レイアウト設計の自由度と高密度化も改善できる。   A second alternative example of the manufacturing method of the present invention from FIG. 17a to FIG. 17g is described in FIG. 19a to FIG. 19c. In the step after realizing the shape of FIG. 17a, after forming the gate electrode film on the entire surface, the gate electrode film is anisotropically etched to form the gate electrode 256 on the side wall around the fin (FIG. 19a). At this time, over-etching is performed so that the upper portion of the gate electrode 256 is lower than the upper portion of the fin by a desired depth. A fourth insulator layer 330 is deposited on the entire surface, and the surface is flattened by CMP to obtain the shape shown in FIG. 19b. In the previous steps, the same shape as in FIG. 17c was realized. In the subsequent steps, similar to the above-described steps, the upper portions of the fins are uniformly etched back to form recesses (FIG. 19c), and the fifth insulator layer 340 is deposited on the entire surface (FIG. 19d). Side walls 341 and 342 of the fifth insulator layer are formed around the recess by reactive etching (FIG. 19e). Openings for forming source, drain, and gate lead electrodes are formed, and a silicide film 350 is formed on the bottoms as necessary. Next, a metal film for electrode formation is deposited on the entire surface and flattened by the CMP method, and the contact opening is filled with the metal film, so that the extraction electrodes 272 and 277 in the source region, the extraction electrodes 282 and 287 in the drain region, and the gate are filled. An extraction electrode 257 is formed to have the same shape as that in FIG. 17g (FIG. 19f). After this, a multilayer wiring process in the manufacturing process of a normal planar structure CMOS inverter is performed. In the case of this embodiment, since the gate electrode 256 can be formed on the entire periphery of the fin without using a photolithography process for forming electrodes, the process can be greatly simplified. However, in the case of this embodiment, it becomes difficult to form an interconnection using a conductive film for forming a gate electrode, and there is a limit to the pattern layout for increasing the density. However, also in this embodiment, if a photolithography process for forming a gate electrode is introduced, the gate electrode can be formed in a desired region in a desired shape, so that mutual wiring is possible, and the degree of freedom and density of layout design are increased. Can also be improved.

MOSFETをさらに小型化するため、v−FETの構造を応用してエピタキシャル成長法等で極微細化したチャネル領域を形成した場合であっても、容易にチャネル領域の完全な空乏化ができ、サブスレッショルド電流特性が劣化しない、高性能で製造しやすいMOS型半導体装置及びその製造方法が実現した。   In order to further reduce the size of the MOSFET, the channel region can be completely depleted easily even when a very fine channel region is formed by an epitaxial growth method or the like by applying the structure of the v-FET. A MOS type semiconductor device that does not deteriorate current characteristics and is easy to manufacture and a method for manufacturing the same have been realized.

従来のp−FinFETにおいて、MOSFETの電気的特性を左右する最も重要なパラメータであるチャネル長Lを決めるのは、縦型の半導体薄膜のフィンに直交して形成されるゲート電極長Lである。従って、数10nmのゲート電極長を形成するためには最先端の極微細フォトリソグラフィ技術を必要とするので、ロット間、ウェーハ間、ウェーハ内、チップ間やチップ内におけるゲート電極長の高精度な制御性や低いバラツキ特性を達成することは極めて困難である。しかし、本発明のv−FinFETでは、チャネル長Lは、膜厚制御性に優れたエピタキシャル成長法で形成した膜の厚さで決定されるので、数10nm程度のチャネル長でも優れた制御性、均一性、再現性で形成可能である。 In conventional p-FinFET, determine the channel length L C is the most important parameter affecting the electrical characteristics of the MOSFET is a vertical gate electrode length is formed perpendicular to the fins of the semiconductor thin film L g is there. Therefore, in order to form a gate electrode length of several tens of nanometers, a state-of-the-art ultra-fine photolithography technique is required. Therefore, the gate electrode length between lots, wafers, wafers, chips, and chips is highly accurate. It is extremely difficult to achieve controllability and low variation characteristics. However, in the v-FinFET of the present invention, the channel length L C is determined by the thickness of the film formed by the epitaxial growth method with excellent film thickness controllability, so that excellent controllability is achieved even with a channel length of about several tens of nm. It can be formed with uniformity and reproducibility.

従来のp−FinFETでは、従来の平面構造のMOSFETと同様に、ソース、チャネル、ドレインの各領域が基板と平行方向に配置されているので、それぞれの領域に所望の不純物を所望の分布で導入する必要があるために、複数回のフォトリソグラフィ工程とイオン注入工程を繰り返す必要があり、製造工程数が増大し複雑になっている。しかし、本発明のv−FinFETでは、縦型の半導体薄膜のフィンを構成するソース、チャネル、ドレインの各領域を1回のエピタキシャル成長工程で積層して形成できるので、製造工程が従来例に比べて大幅に簡略化できる。   In the conventional p-FinFET, the source, channel, and drain regions are arranged in parallel to the substrate in the same manner as the conventional planar structure MOSFET, so that a desired impurity is introduced into each region in a desired distribution. Therefore, it is necessary to repeat a plurality of photolithography processes and ion implantation processes, which increases the number of manufacturing processes and makes them complicated. However, in the v-FinFET of the present invention, the source, channel, and drain regions constituting the fins of the vertical semiconductor thin film can be formed by laminating in one epitaxial growth process, so that the manufacturing process is compared with the conventional example. It can be greatly simplified.

従来のp−FinFETでは、数10nm幅のフィン領域やゲート電極から徐々に線幅を広げてソース、ドレイン及びゲートの引き出し電極へと導くために、長い距離を要する電極引き出し領域が必要である。このために、単体のp−FinFETの形状は極めて小さいにも拘らず、電極形成のための領域が大きいために集積密度が著しく低下する。更には、従来のp−FinFETでは、上記の電極引き出し領域の距離が長いために、特に半導体薄膜でその領域が形成されているソース、ドレインの寄生直列抵抗が著しく増大してMOSFETの電気的特性が大幅に劣化してしまう。しかし、本発明のv−FinFETでは、フィンの長手方向のチャネル幅方向に幅広く形成されているソース、ドレイン及びゲートの各領域から電極形成領域までストレートに引き出すことができるので、電極引き出しに必要な距離を極めて短くでき、特に半導体薄膜で構成されているソース、ドレインの寄生直列抵抗が著しく改善でき、その結果として、優れた電気的特性のMOSFETが実現できる。特に、本発明では、フィンの上部からドレイン又はソースの引き出し電極を直接に取り出すことができる大きな利点を有する。   In the conventional p-FinFET, in order to gradually widen the line width from a fin region or gate electrode of several tens of nanometers and lead to the source, drain and gate lead electrodes, an electrode lead region requiring a long distance is required. For this reason, although the shape of a single p-FinFET is extremely small, the integration density is significantly reduced due to the large area for electrode formation. Furthermore, in the conventional p-FinFET, since the distance between the electrode lead-out regions is long, the parasitic series resistance of the source and drain in which the regions are formed in the semiconductor thin film is remarkably increased, and the electrical characteristics of the MOSFET are increased. Will deteriorate significantly. However, in the v-FinFET of the present invention, since it can be drawn straight from the source, drain, and gate regions formed widely in the longitudinal channel width direction of the fin to the electrode formation region, it is necessary for electrode drawing. The distance can be extremely shortened, and in particular, the parasitic series resistance of the source and drain formed of a semiconductor thin film can be remarkably improved. As a result, a MOSFET having excellent electrical characteristics can be realized. In particular, the present invention has a great advantage that the drain or source lead electrode can be directly taken out from the top of the fin.

従来のp−FinFETのフィンの幅Wfinは、フィンの両側に形成されているゲート電極に印加されるゲート電圧で完全に空乏化される程度に狭い形状を保つように規格化されており、2Hfin以上の大きなチャネル幅が必要な場合には、同一形状のフィンを並列にn個並べてチャネル幅W=2nHfinとなるように設計しなければならない。従って、チャネル幅方向の集積密度が約2分の1に低下し、しかも、チャネル幅はデジタル的にしか可変できない。しかし、本発明のv−FinFETでは、ソース、チャネル及びドレインがフィンの垂直方向に積層されているので、フィンの幅Wfinを従来のp−FinFETと同程度に狭く形成すれば、チャネル領域の長手方向の全域が、フィンの両側面に形成されているゲート電極に印加されるゲート電圧によって完全空乏化状態に保たれる。従って、チャネル幅は、従来の平面構造のMOSFETと同様に、フォトリソグラフィ技術を用いて任意の幅に設定可能であり、連続的にチャネル幅を可変できる。 The width W fin of the fin of the conventional p-FinFET is standardized so as to maintain a shape narrow enough to be completely depleted by the gate voltage applied to the gate electrodes formed on both sides of the fin, When a large channel width of 2H fin or more is required, it is necessary to design n fins having the same shape in parallel so that the channel width W = 2nH fin . Therefore, the integration density in the channel width direction is reduced to about one half, and the channel width can only be changed digitally. However, in the v-FinFET of the present invention, the source, the channel, and the drain are stacked in the vertical direction of the fin. Therefore, if the fin width W fin is made as narrow as the conventional p-FinFET, The entire region in the longitudinal direction is kept in a fully depleted state by the gate voltage applied to the gate electrodes formed on both side surfaces of the fin. Accordingly, the channel width can be set to an arbitrary width using a photolithographic technique as in the case of a conventional planar structure MOSFET, and the channel width can be continuously varied.

更に、本発明によれば、フィンの形成にエピタキシャル成長法を用いているので、フィンを構成する半導体薄膜の積層膜として、同種類の半導体材料に限定されることなく、同種類の半導体材料の組成の異なる薄膜の組み合わせや、異なる種類の半導体材料の組み合わせも自由に設定できる。このことは、高いキャリアの移動度を有する半導体材料を選択して、高性能なnチャネル型とpチャネル型のv−FinFETを同一基板上に選択的に形成可能となり、電気的特性の優れたCMOSインバータ回路が実現できる。尚、本発明の実施例は、CMOSインバータ回路を例にとって説明したが、他のCMOSロジック回路やCMOSのアナログ回路を構成することができることはいうまでもない。   Furthermore, according to the present invention, since the epitaxial growth method is used for forming the fin, the laminated film of the semiconductor thin films constituting the fin is not limited to the same type of semiconductor material, and the composition of the same type of semiconductor material. Combinations of different thin films and combinations of different types of semiconductor materials can be freely set. This means that a high-performance n-channel type and p-channel type v-FinFET can be selectively formed on the same substrate by selecting a semiconductor material having high carrier mobility, and has excellent electrical characteristics. A CMOS inverter circuit can be realized. Although the embodiments of the present invention have been described by taking the CMOS inverter circuit as an example, it goes without saying that other CMOS logic circuits and CMOS analog circuits can be configured.

本発明によるnチャネル型v−FinFETの断面構造図である。1 is a cross-sectional structure diagram of an n-channel v-FinFET according to the present invention. 図1のP部の拡大断面構造図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional structure diagram of a P part in FIG. 1. 図1のv−FinFETの平面レイアウト図である。FIG. 2 is a plan layout diagram of the v-FinFET of FIG. 1. 本発明によるnチャネル型のv−FinFETの第1の別例の平面レイアウト図である。FIG. 6 is a plan layout view of a first other example of an n-channel type v-FinFET according to the present invention. 本発明によるnチャネル型のv−FinFETの第2の別例の平面レイアウト図である。FIG. 10 is a plan layout view of a second other example of the n-channel v-FinFET according to the present invention. 従来のp−FinFETの平面レイアウト図である。It is a plane layout view of a conventional p-FinFET. 図6のa−a’方向の拡大断面構造図である。FIG. 7 is an enlarged cross-sectional structure diagram in the a-a ′ direction of FIG. 6. 図7のb−b’方向の拡大断面構造図である。FIG. 8 is an enlarged cross-sectional structure diagram in the b-b ′ direction of FIG. 7. CMOSインバータの回路図である。It is a circuit diagram of a CMOS inverter. 従来のp−FinFETを用いたCMOSインバータの平面レイアウト図である。It is a plane layout view of a CMOS inverter using a conventional p-FinFET. 従来のv−FETの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the conventional v-FET. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの断面構造図である。1 is a cross-sectional structure diagram of a CMOS inverter using a v-FinFET according to the present invention. 図12のCMOSインバータの平面レイアウト図である。FIG. 13 is a plan layout view of the CMOS inverter of FIG. 12. 図5のv−FinFETを用いたCMOSインバータの別例の平面レイアウト図である。FIG. 6 is a plan layout diagram of another example of a CMOS inverter using the v-FinFET of FIG. 5. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法の第1の別例を説明するための断面構造図である。FIG. 6 is a cross-sectional structure diagram for explaining a first alternative example of a method for manufacturing a CMOS inverter using a v-FinFET according to the present invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法の第1の別例を説明するための断面構造図である。FIG. 6 is a cross-sectional structure diagram for explaining a first alternative example of a method for manufacturing a CMOS inverter using a v-FinFET according to the present invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法の第1の別例を説明するための断面構造図である。FIG. 6 is a cross-sectional structure diagram for explaining a first alternative example of a method for manufacturing a CMOS inverter using a v-FinFET according to the present invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法を説明するための断面構造図である。It is a cross-sectional structure diagram for demonstrating the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法の第2の別例を説明するための断面構造図である。It is sectional structure drawing for demonstrating the 2nd another example of the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法の第3の別例を説明するための断面構造図である。It is a cross-section figure for demonstrating the 3rd another example of the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法の第3の別例を説明するための断面構造図である。It is a cross-section figure for demonstrating the 3rd another example of the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法の第3の別例を説明するための断面構造図である。It is a cross-section figure for demonstrating the 3rd another example of the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法の第3の別例を説明するための断面構造図である。FIG. 7 is a cross-sectional structure diagram for explaining a third alternative example of a method for manufacturing a CMOS inverter using a v-FinFET according to the present invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法の第3の別例を説明するための断面構造図である。It is a cross-section figure for demonstrating the 3rd another example of the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention. 本発明による、v−FinFETを用いたCMOSインバータの製造方法の第3の別例を説明するための断面構造図である。It is a cross-section figure for demonstrating the 3rd another example of the manufacturing method of the CMOS inverter using v-FinFET by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100,200,201,202 フィン
105 シリコン単結晶の島状領域
110 シリコン基体
120 埋め込み絶縁体膜
130 層間絶縁体膜
140,240 ゲート絶縁体膜
150,250,255,256 ゲート電極
151,251 ゲート電極のコンタクト開口部
152,252,257 ゲート引き出し電極
161 チャネル
160,260,265 チャネル領域
170,270,275 ソース領域
171,271 ソース電極のコンタクト開口部
172,272,277 ソース領域の引き出し電極
180,280,285ドレイン領域
181,281 ドレイン電極のコンタクト開口部
182,282,287 ドレイン領域の引き出し電極
190,191,192 電極引き出し領域
205,206 半導体薄膜の積層膜
21 SOI基板
210 基体
220 埋め込み絶縁体膜
225 半導体薄膜
230 n+半導体薄膜
235 p+半導体薄膜
261,266 不純物導入領域
310 第1の絶縁体膜
320 第1の絶縁体層
321 第2の絶縁体層
322 第3の絶縁体層
330 第4の絶縁体層
340 第5の絶縁体層
341,342 第5の絶縁体層の側壁
350 シリサイド膜
100,200,201,202 fins
105 Island-like region of silicon single crystal
110 Silicon substrate
120 buried insulator film
130 Interlayer dielectric film
140,240 Gate insulator film
150,250,255,256 Gate electrode
151,251 Gate electrode contact opening
152,252,257 Gate extraction electrode
161 channels
160,260,265 channel area
170,270,275 Source area
171,271 Contact opening of source electrode
172,272,277 Source region extraction electrode
180,280,285 drain region
181,281 Drain electrode contact opening
182,282,287 Drain region extraction electrode
190,191,192 Electrode extraction area
205,206 Multilayer film of semiconductor thin film
21 SOI substrate
210 substrate
220 Embedded insulator film
225 Semiconductor thin film
230 n + semiconductor thin film
235 p + semiconductor thin film
261,266 Impurity introduction region
310 First insulator film
320 First insulator layer
321 Second insulator layer
322 Third insulator layer
330 Fourth insulator layer
340 Fifth insulator layer
341,342 Side wall of fifth insulator layer
350 Silicide film

Claims (27)

ソース領域とドレイン領域と、該ソース領域と該ドレイン領域とに挟まれたチャネル領域とが基板に対して平行な積層膜で構成される縦型の半導体薄膜であるフィンと、
該フィンの側面に露出する前記チャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介して配設されたゲート電極とを具備し、
該ゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化されるように前記フィンを形成したMOS型半導体装置。
A fin that is a vertical semiconductor thin film in which a source region, a drain region, and a channel region sandwiched between the source region and the drain region are formed of a laminated film parallel to the substrate;
A gate electrode disposed on the entire or part of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via a gate insulator film;
A MOS type semiconductor device in which the fin is formed so that a channel region is completely depleted by a gate voltage applied to the gate electrode.
ゲート電極は、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の少なくとも一組の対向する二面にゲート絶縁体膜を介して配設されており、
ゲート電極がゲート絶縁体膜を介して配設された、チャネル領域の対向する二面の間隔のうち、少なくともいずれか一組の対向する二面の間隔が、ゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化される間隔以下に形成されている請求項1に記載のMOS型半導体装置。
The gate electrode is disposed on at least one pair of opposing two surfaces of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via the gate insulator film,
The distance between at least one of the two opposing surfaces of the channel region in which the gate electrode is disposed via the gate insulator film is determined by the gate voltage applied to the gate electrode. The MOS type semiconductor device according to claim 1, wherein the channel region is formed below an interval at which the channel region is completely depleted.
フィンは、平面形状が四辺形であり、
ゲート電極は、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の少なくともチャネル領域の長手方向の対向する二面にゲート絶縁体膜を介して配設され、
チャネル領域の長手方向の対向する二面の間隔が、ゲート電極に印加されるゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化される間隔以下に形成されている請求項1又は請求項2に記載のMOS型半導体装置。
The fin has a quadrilateral planar shape,
The gate electrode is disposed on at least two opposite sides in the longitudinal direction of the channel region on the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via the gate insulator film,
3. The MOS according to claim 1, wherein an interval between two opposing surfaces in the longitudinal direction of the channel region is formed to be equal to or less than an interval at which the channel region is completely depleted by a gate voltage applied to the gate electrode. Type semiconductor device.
ゲート電極は、ゲート絶縁体膜を介して、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面に接する状態で配設されている請求項1〜3に記載のMOS型半導体装置。 4. The MOS semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is disposed in contact with the entire side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via the gate insulator film. フィンは、平面形状が円形であり、
ゲート電極は、ゲート絶縁体膜を介して、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面に接する状態で配設されている請求項1又は請求項2に記載のMOS型半導体装置。
The fin has a circular planar shape,
3. The MOS semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is disposed in contact with the entire side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via the gate insulator film.
ソース領域又はドレイン領域のうち基板側に位置する領域と、MOS型半導体装置に設けられたソース領域又はドレイン領域の引き出し電極とを導通させる導電体パターンを、ソース領域又はドレイン領域のうち基板側に位置する領域の基板側の面から、ゲート電極の外側を経由させてソース領域又はドレイン領域の引き出し電極と導通させている請求項1〜5に記載のMOS型半導体装置。 A conductor pattern for conducting a region located on the substrate side of the source region or drain region and a lead electrode of the source region or drain region provided in the MOS type semiconductor device is formed on the substrate side of the source region or drain region. The MOS semiconductor device according to claim 1, wherein the MOS type semiconductor device is electrically connected to an extraction electrode in a source region or a drain region from the surface of the region located on the substrate side through the outside of the gate electrode. 導電体パターンは、ソース領域又はドレイン領域のうち基板側に位置する領域の基板側の略全面に接しており、導電体パターンを、基板に対して平行な方向で、かつソース領域又はドレイン領域のうち基板側に位置する領域の基板側の面の長手方向と垂直方向に引き出した請求項6に記載のMOS型半導体装置。 The conductor pattern is in contact with substantially the entire substrate side of the source region or drain region located on the substrate side, and the conductor pattern is in a direction parallel to the substrate and in the source region or drain region. The MOS type semiconductor device according to claim 6, wherein the MOS type semiconductor device is drawn out in a direction perpendicular to a longitudinal direction of a surface on the substrate side of a region located on the substrate side. フィンは、基板に形成された絶縁体膜の上面側に形成されている
請求項1〜7に記載のMOS型半導体装置。
The MOS type semiconductor device according to claim 1, wherein the fin is formed on an upper surface side of an insulator film formed on the substrate.
フィンの、少なくともチャネル領域の側面に、選択的に不純物を導入した領域を有する請求項1〜8に記載のMOS型半導体装置。 The MOS type semiconductor device according to claim 1, further comprising a region selectively doped with impurities on at least a side surface of the channel region of the fin. フィンは、IV族半導体単結晶薄膜、III−V族半導体単結晶薄膜、II−VI族半導体単結晶薄膜、それらの半導体の多結晶薄膜又はそれらの半導体のアモルファス薄膜で構成されている請求項1〜9に記載のMOS型半導体装置。 2. The fin is composed of a group IV semiconductor single crystal thin film, a group III-V semiconductor single crystal thin film, a group II-VI semiconductor single crystal thin film, a polycrystalline thin film of these semiconductors, or an amorphous thin film of those semiconductors. 10. The MOS type semiconductor device according to 9. フィンは、異なる半導体材料の半導体薄膜、又は同種類の混晶半導体材料の組成比を変化せしめた半導体薄膜を組み合わせた積層膜である請求項1〜10に記載のMOS型半導体装置。 The MOS type semiconductor device according to claim 1, wherein the fin is a laminated film in which semiconductor thin films of different semiconductor materials or semiconductor thin films in which the composition ratio of the same kind of mixed crystal semiconductor material is changed are combined. 請求項1〜11に記載のMOS型半導体装置を複数個組み合わせてなる多素子型のMOS型半導体装置であって、
複数個のMOS型半導体装置のうち、チャネル領域の厚みが異なるMOS型半導体装置を有する多素子型のMOS型半導体装置。
A multi-element MOS semiconductor device comprising a combination of a plurality of MOS semiconductor devices according to claim 1,
A multi-element MOS semiconductor device having a MOS semiconductor device having different channel region thicknesses among a plurality of MOS semiconductor devices.
請求項1〜12に記載のMOS型半導体装置を複数個組み合わせてなる多素子型のMOS型半導体装置であって、nチャネル型のMOS型半導体装置と、pチャネル型のMOS型半導体装置とが同一の基板上に形成されてCMOS回路を構成してなる多素子型のMOS型半導体装置。 A multi-element MOS semiconductor device comprising a combination of a plurality of MOS semiconductor devices according to claim 1, wherein an n-channel MOS semiconductor device and a p-channel MOS semiconductor device are provided. A multi-element MOS semiconductor device formed on the same substrate to constitute a CMOS circuit. nチャネル型のMOS型半導体装置を構成する第1のフィンと、pチャネル型のMOS型半導体装置を構成する第2のフィンとが、同種類の半導体薄膜の積層膜で構成されている請求項13に記載の多素子型のMOS型半導体装置。 The first fin constituting the n-channel type MOS semiconductor device and the second fin constituting the p-channel type MOS semiconductor device are formed of a laminated film of the same type of semiconductor thin film. 14. A multi-element MOS semiconductor device according to item 13. nチャネル型のMOS型半導体装置を構成する第1のフィンと、pチャネル型のMOS型半導体装置を構成する第2のフィンとが、互いに異なる半導体の材料又は組成の半導体薄膜の積層膜で構成されている請求項13に記載の多素子型のMOS型半導体装置。 The first fin constituting the n-channel type MOS semiconductor device and the second fin constituting the p-channel type MOS semiconductor device are composed of stacked semiconductor thin films made of different semiconductor materials or compositions. The multi-element MOS semiconductor device according to claim 13. nチャネル型のMOS型半導体装置を構成するゲート絶縁体膜とpチャネル型のMOS型半導体装置を構成するゲート絶縁体膜とにおいて、それぞれの膜厚、組成又は材質が異なる請求項13〜15に記載の多素子型のMOS型半導体装置。 The gate insulator film constituting the n-channel type MOS semiconductor device and the gate insulator film constituting the p-channel type MOS semiconductor device are different in film thickness, composition or material. The multi-element MOS semiconductor device described. nチャネル型のMOS型半導体装置を構成するゲート電極とpチャネル型のMOS型半導体装置を構成するゲート電極とにおいて、
それぞれの膜厚、組成若しくは材質が異なる電極材料、又は半導体の組成、材料、伝導型若しくは不純物濃度の異なる半導体電極材料を用いた請求項13〜16に記載の多素子型のMOS型半導体装置。
In a gate electrode constituting an n-channel type MOS semiconductor device and a gate electrode constituting a p-channel type MOS semiconductor device,
17. The multi-element MOS semiconductor device according to claim 13, wherein electrode materials having different film thicknesses, compositions or materials, or semiconductor electrode materials having different semiconductor compositions, materials, conductivity types or impurity concentrations are used.
基板に形成された絶縁体層に所望の縦型の半導体薄膜であるフィンの平面形状にほぼ等しい大きさの開口部を形成する工程と、
該開口部に、ソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域とを基板に対して平行に積層して前記フィンを形成する工程と、
該フィンの側面の前記チャネル領域の側面を前記絶縁体層から露出させる工程と、
露出した前記チャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介してゲート電極を配設する工程とを有するMOS型半導体装置の製造方法。
Forming an opening having a size substantially equal to the planar shape of the fin, which is a desired vertical semiconductor thin film, in an insulator layer formed on the substrate;
Forming a fin in the opening by stacking a source or drain region, a channel region on the region, and a drain or source region on the channel region in parallel to the substrate;
Exposing the side surface of the channel region of the side surface of the fin from the insulator layer;
And a step of disposing a gate electrode over the whole or a part of the exposed side surface of the channel region via a gate insulator film.
基板に形成された絶縁体層に、所望の縦型の半導体薄膜であるフィンの平面形状よりも大きな開口部を形成する工程と、
該開口部に、ソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域を積層して縦型の半導体薄膜を形成する工程と、
該半導体薄膜を前記フィンの平面形状に加工する工程と、
前記フィンの側面に露出したチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介してゲート電極を配設する工程とを有するMOS型半導体装置の製造方法。
Forming an opening larger than the planar shape of the fin, which is a desired vertical semiconductor thin film, in the insulator layer formed on the substrate;
Forming a vertical semiconductor thin film by laminating a source or drain region in the opening, a channel region on the region, and a drain or source region on the channel region;
Processing the semiconductor thin film into a planar shape of the fin;
And a step of disposing a gate electrode on a whole or a part of a side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via a gate insulator film.
基板に形成された第1の絶縁体層に、nチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための所望の縦型の半導体薄膜である第1のフィンの平面形状にほぼ等しい大きさの第1の開口部を形成する工程と、
該第1の開口部に、ソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域とを基板に対して平行に積層して前記第1のフィンを形成する工程と、
少なくとも前記第1のフィン上に第2の絶縁体層を形成する工程と、
前記第1の絶縁体層、前記第2の絶縁体層又は前記第1の絶縁体層と前記第2の絶縁体層とが重なった絶縁体層に、pチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための所望の縦型の半導体薄膜である第2のフィンの平面形状にほぼ等しい大きさの第2の開口部を形成する工程と、
該第2の開口部にソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域とを基板に対して平行に積層して前記第2のフィンを形成する工程と、
前記第1のフィン及び前記第2のフィンの側面の両者のチャネル領域の側面を前記第1の絶縁体層、前記第2の絶縁体層又は前記第1の絶縁体層と前記第2の絶縁体層とが重なった絶縁体層から露出させる工程と、
露出した両者のチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介してゲート電極を配設する工程とを有する多素子型のMOS型半導体装置の製造方法。
The first insulator layer formed on the substrate has a first size that is approximately equal to the planar shape of the first fin, which is a desired vertical semiconductor thin film for forming an n-channel MOS semiconductor device. Forming an opening of
In the first opening, a source or drain region, a channel region on the region, and a drain or source region on the channel region are stacked in parallel to the substrate to form the first fin. Process,
Forming a second insulator layer on at least the first fin;
A p-channel MOS semiconductor device is formed on the first insulator layer, the second insulator layer, or the insulator layer in which the first insulator layer and the second insulator layer overlap each other. Forming a second opening having a size substantially equal to the planar shape of the second fin, which is a desired vertical semiconductor thin film,
A step of forming the second fin by laminating a source or drain region in the second opening, a channel region on the region, and a drain or source region on the channel region in parallel to the substrate. When,
The side surface of the channel region of both the first fin and the side surface of the second fin is connected to the first insulator layer, the second insulator layer, or the first insulator layer and the second insulation. Exposing the insulator layer overlapping the body layer;
And a step of disposing a gate electrode over the whole or a part of the side surfaces of both exposed channel regions via a gate insulator film.
基板に形成された第1の絶縁体層に、nチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための所望の縦型の半導体薄膜である第1のフィンの平面形状よりも大きな第1の開口部を形成する工程と、
該第1の開口部にソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域とを基板に対して平行に積層してnチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための縦型の半導体薄膜を形成する工程と、
少なくとも前記第1のフィン上に第2の絶縁体層を形成する工程と、
前記第1の絶縁体層、前記第2の絶縁体層又は前記第1の絶縁体層と前記第2の絶縁体層とが重なった絶縁体層に、pチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための所望の縦型の半導体薄膜である第2のフィンの平面形状よりも大きな第2の開口部を形成する工程と、
該第2の開口部にソース又はドレイン領域と、その領域上にチャネル領域と、該チャネル領域上にドレイン又はソース領域とを基板に対して平行に積層してpチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための縦型の半導体薄膜を形成する工程と、
前記nチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための半導体薄膜と前記pチャネル型のMOS型半導体装置を構成するための半導体薄膜とを、同時に、前記第1のフィンの平面形状又は前記第2のフィンの平面形状に加工する工程と、
前記第1のフィン及び前記第2のフィンの側面に露出した両者のチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介してゲート電極を配設する工程とを有する多素子型のMOS型半導体装置の製造方法。
A first opening larger than the planar shape of the first fin, which is a desired vertical semiconductor thin film for forming an n-channel MOS semiconductor device, is formed in the first insulator layer formed on the substrate. Forming a step;
A source or drain region in the first opening, a channel region on the region, and a drain or source region on the channel region are stacked in parallel to the substrate to form an n-channel MOS semiconductor device. Forming a vertical semiconductor thin film to constitute;
Forming a second insulator layer on at least the first fin;
A p-channel MOS semiconductor device is formed on the first insulator layer, the second insulator layer, or the insulator layer in which the first insulator layer and the second insulator layer overlap each other. Forming a second opening larger than the planar shape of the second fin, which is a desired vertical semiconductor thin film,
A p-channel MOS semiconductor device is formed by stacking a source or drain region in the second opening, a channel region on the region, and a drain or source region on the channel region in parallel to the substrate. Forming a vertical semiconductor thin film to constitute;
A semiconductor thin film for forming the n-channel type MOS semiconductor device and a semiconductor thin film for forming the p-channel type MOS semiconductor device are simultaneously formed in the planar shape of the first fin or the second A step of processing into a planar shape of the fins,
And a step of disposing a gate electrode on a whole surface or a part of a side surface of both channel regions exposed on the side surfaces of the first fin and the second fin through a gate insulator film. Of manufacturing a MOS semiconductor device.
開口部を形成する工程において、所望の縦型の半導体薄膜であるフィンの平面形状が、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介して配設されたゲート電極に印加されたゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化されるような平面形状である請求項18又は請求項20に記載のMOS型半導体装置の製造方法又は多素子型のMOS型半導体装置の製造方法。 In the step of forming the opening, the planar shape of the fin, which is a desired vertical semiconductor thin film, is disposed on the entire or part of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin via the gate insulator film. 21. The method of manufacturing a MOS semiconductor device according to claim 18 or 20, or a multi-element MOS type, wherein the channel region is completely depleted by a gate voltage applied to the gate electrode formed. A method for manufacturing a semiconductor device. 半導体薄膜をフィンの平面形状に加工する工程において、所望の縦型の半導体薄膜であるフィンの平面形状が、フィンの側面に露出するチャネル領域の側面の全面又は一部の面にゲート絶縁体膜を介して配設されたゲート電極に印加されたゲート電圧によってチャネル領域が完全に空乏化されるような平面形状である請求項19又は請求項21に記載のMOS型半導体装置の製造方法又は多素子型のMOS型半導体装置の製造方法。 In the step of processing the semiconductor thin film into the planar shape of the fin, the planar shape of the fin, which is a desired vertical semiconductor thin film, is formed on the entire or part of the side surface of the channel region exposed on the side surface of the fin. The method for manufacturing a MOS type semiconductor device according to claim 19 or 21, wherein the channel region is completely depleted by a gate voltage applied to a gate electrode disposed via the gate electrode. A method for manufacturing an element-type MOS semiconductor device. フィンを形成する工程又は縦型の半導体薄膜を形成する工程において、選択エピタキシャル成長法を用いて、絶縁体層に形成した開口部のみにフィン又は縦型の半導体薄膜を形成する、請求項18〜23に記載のMOS型半導体装置の製造方法又は多素子型のMOS型半導体装置の製造方法。 24. The fin or vertical semiconductor thin film is formed only in the opening formed in the insulator layer using a selective epitaxial growth method in the step of forming a fin or the step of forming a vertical semiconductor thin film. Or a method for manufacturing a multi-element type MOS semiconductor device. フィンの膜厚又は縦型の半導体薄膜の膜厚を、開口部を形成した絶縁体層の厚さにほぼ等しくなる様に成長させる、請求項24に記載のMOS型半導体装置の製造方法又は多素子型のMOS型半導体装置の製造方法。 25. The method for manufacturing a MOS type semiconductor device according to claim 24, wherein the film thickness of the fin or the thickness of the vertical semiconductor thin film is grown so as to be substantially equal to the thickness of the insulator layer in which the opening is formed. A method for manufacturing an element-type MOS semiconductor device. フィンの少なくともチャネル領域の側面に、斜めイオン注入法を用いて選択的に不純物を導入した領域を形成する工程を有する請求項18〜25に記載のMOS型半導体装置の製造方法又は多素子型のMOS型半導体装置の製造方法。 26. The method of manufacturing a MOS type semiconductor device or a multi-element type according to claim 18, further comprising a step of forming a region into which impurities are selectively introduced by using an oblique ion implantation method on at least a side surface of the channel region of the fin. Manufacturing method of MOS type semiconductor device. 第1のフィンと、第2のフィンとを、互いに異なる半導体の材料又は組成で形成する工程を有する請求項20、請求項21又は請求項23に記載の多素子型のMOS型半導体装置の製造方法。 24. The manufacturing of a multi-element MOS semiconductor device according to claim 20, 21 or 23, comprising a step of forming the first fin and the second fin with different semiconductor materials or compositions. Method.
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