JP2006108403A - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】 トランジスタの信頼性の劣化を抑制しつつ、高電圧駆動を可能とするとともに高速化を図る。
【解決手段】 酸化防止膜4をマスクとしてエピタキシャル成長を行うことにより、第1単結晶半導体層3上に第2単結晶半導体層5を形成し、酸化防止膜4をマスクとして第2単結晶半導体層5の熱処理を行うことにより、第2単結晶半導体層5の構成成分を第1単結晶半導体層3内に拡散させ、第1単結晶半導体層3の一部を第3単結晶半導体層7に変換した後、第1単結晶半導体層3上および第3単結晶半導体層7上に第4単結晶半導体層8を形成し、第3単結晶半導体層7上に配置された第4単結晶半導体層8上にゲート絶縁膜11を形成するとともに、オフセットゲート層15bおよびドレイン層15cを第1単結晶半導体層3および第4単結晶半導体層8に形成する。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To enable high-voltage driving and increase speed while suppressing deterioration in reliability of a transistor.
A second single crystal semiconductor layer is formed on a first single crystal semiconductor layer by epitaxial growth using the antioxidant film as a mask, and a second single crystal semiconductor layer is formed using the antioxidant film as a mask. 5, the constituent components of the second single crystal semiconductor layer 5 are diffused into the first single crystal semiconductor layer 3, and a part of the first single crystal semiconductor layer 3 is formed in the third single crystal semiconductor layer 7. After the conversion, a fourth single crystal semiconductor layer 8 is formed on the first single crystal semiconductor layer 3 and the third single crystal semiconductor layer 7, and is disposed on the third single crystal semiconductor layer 7. A gate insulating film 11 is formed over the layer 8, and an offset gate layer 15 b and a drain layer 15 c are formed in the first single crystal semiconductor layer 3 and the fourth single crystal semiconductor layer 8.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、歪み半導体と無歪み半導体とでトランジスタを構成する方法に適用して好適なものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, and is particularly suitable for application to a method of forming a transistor with a strained semiconductor and an unstrained semiconductor.
従来の半導体装置では、チャネル領域を有する半導体層に引っ張り応力を加えることにより、電子とホールの移動度を向上させ、半導体層に形成された電界効果トランジスタを高速化する方法がある。ここで、非特許文献1には、SOI(Silicon On Insulator)構造において、埋め込み絶縁層(BOX層)上のSi薄膜層全体に歪みを与える方法が開示されている。また、非特許文献2には、バルク半導体に形成されたMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタにおいて、ソース/チャネル/ドレインが形成されたSi薄膜層全体に歪みを与える方法が開示されている。
しかしながら、ソース/チャネル/ドレインが形成されたSi薄膜層全体に引っ張り応力を加えると、バンドギャップの減少とドレイン耐圧の低下を招く。このため、トランジスタの高電圧駆動に支障をきたすとともに、電界効果トランジスタの信頼性が劣化するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、信頼性の劣化を抑制しつつ、高電圧駆動を可能とするとともに高速化を図ることが可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することである。
However, if tensile stress is applied to the entire Si thin film layer on which the source / channel / drain is formed, the band gap and the drain breakdown voltage are reduced. For this reason, there are problems in that the high voltage drive of the transistor is hindered and the reliability of the field effect transistor is deteriorated.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device that can be driven at a high voltage and can be increased in speed while suppressing deterioration in reliability.
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、電界効果トランジスタのソース領域、チャネル領域およびドレイン領域のいずれか少なくとも2つが歪みの互いに異なる半導体にて構成されていることを特徴とする。
これにより、ソース領域、チャネル領域およびドレイン領域ごとにバンドギャップを異ならせることが可能となり、ドレイン耐圧の低下を抑制しつつ、チャネル領域の電子とホールの移動度を向上させることが可能となる。このため、高電圧駆動を可能としつつ、トランジスタの高速化を図ることが可能となるとともに、トランジスタの信頼性を向上させることができる。
In order to solve the above-described problem, according to a semiconductor device of one embodiment of the present invention, at least two of a source region, a channel region, and a drain region of a field effect transistor are formed of semiconductors having different strains. It is characterized by being.
As a result, the band gap can be made different for each of the source region, the channel region, and the drain region, and the mobility of electrons and holes in the channel region can be improved while suppressing a decrease in drain breakdown voltage. For this reason, it is possible to increase the speed of the transistor while enabling high-voltage driving, and to improve the reliability of the transistor.
また、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、前記チャネル領域のソース側は引っ張り応力がかかった半導体層にて構成され、前記チャネル領域のドレイン側は無歪み半導体層にて構成されていることを特徴とする。
これにより、トランジスタの耐圧の低下を抑制しつつ、チャネル領域の電子とホールの移動度を向上させることが可能となり、高電圧駆動を可能としつつ、トランジスタの高速化を図ることが可能となる。
In addition, according to the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the source side of the channel region is configured by a tensile stressed semiconductor layer, and the drain side of the channel region is configured by an unstrained semiconductor layer. It is characterized by being.
Accordingly, it is possible to improve the mobility of electrons and holes in the channel region while suppressing a decrease in the breakdown voltage of the transistor, and to increase the speed of the transistor while enabling high voltage driving.
また、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、前記チャネル領域は引っ張り応力がかかった半導体層にて構成され、前記ドレイン領域は無歪み半導体層にて構成されていることを特徴とする。
これにより、トランジスタの高速化に寄与する部分にのみ引っ張り応力を与えることができ、トランジスタの耐圧に寄与する部分を歪みがかからないようにすることができる。このため、高電圧駆動を可能としつつ、トランジスタの高速化を図ることが可能となる。
In the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the channel region is formed of a semiconductor layer subjected to tensile stress, and the drain region is formed of an unstrained semiconductor layer. .
As a result, tensile stress can be applied only to the portion that contributes to the high speed operation of the transistor, and the portion that contributes to the breakdown voltage of the transistor can be prevented from being distorted. Therefore, it is possible to increase the speed of the transistor while enabling high voltage driving.
また、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、前記無歪み半導体層は、Siの単一層から構成され、前記引っ張り応力がかかった半導体層はSiGe上に積層されたSiから構成されていることを特徴とする。
これにより、引っ張り応力がかかった半導体層をエピタキシャル成長で形成することが可能となり、引っ張り応力がかかった半導体層を単結晶半導体で構成することが可能となるとともに、引っ張り応力がかかった半導体層の表面にSi層を設けることが可能となる。このため、Siの熱酸化にてゲート絶縁膜を形成することが可能となり、ゲート絶縁膜と半導体領域との界面順位を低減させることができる。この結果、電流リークを低減させることを可能としつつ、引っ張り応力がかかった半導体層および無歪み半導体層とを同一の基板上に形成することができ、引っ張り応力がかかった半導体層にてチャネル領域を構成することが可能となるとともに、無歪み半導体層にてドレイン領域を構成することが可能となる。
According to the semiconductor device of one aspect of the present invention, the unstrained semiconductor layer is composed of a single layer of Si, and the semiconductor layer subjected to tensile stress is composed of Si stacked on SiGe. It is characterized by being.
As a result, a semiconductor layer subjected to tensile stress can be formed by epitaxial growth, and the semiconductor layer subjected to tensile stress can be formed of a single crystal semiconductor, and the surface of the semiconductor layer subjected to tensile stress can be formed. It is possible to provide a Si layer. Therefore, the gate insulating film can be formed by thermal oxidation of Si, and the interface order between the gate insulating film and the semiconductor region can be reduced. As a result, the semiconductor layer subjected to tensile stress and the unstrained semiconductor layer can be formed on the same substrate while reducing current leakage, and the channel region is formed in the semiconductor layer subjected to tensile stress. It is possible to form the drain region with the unstrained semiconductor layer.
また、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、前記チャネル領域は引っ張り応力がかかった半導体層にて構成され、前記ドレイン領域は圧縮応力がかかった半導体層にて構成されていることを特徴とする。
これにより、トランジスタの高速化に寄与する部分に引っ張り応力を与えることが可能となるとともに、トランジスタの耐圧に寄与する部分に圧縮応力を与えることが可能となる。このため、高電圧駆動を可能としつつ、トランジスタの高速化を図ることが可能となる。
According to the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the channel region is configured by a semiconductor layer subjected to tensile stress, and the drain region is configured by a semiconductor layer subjected to compressive stress. Features.
As a result, tensile stress can be applied to the portion that contributes to the high speed operation of the transistor, and compressive stress can be applied to the portion that contributes to the breakdown voltage of the transistor. Therefore, it is possible to increase the speed of the transistor while enabling high voltage driving.
また、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、前記ソース領域側の素子分離領域に埋め込まれた第1絶縁膜と、前記ドレイン領域側の素子分離領域に埋め込まれ、前記第1絶縁膜よりも応力の大きな第2絶縁膜とをさらに備えることを特徴とする。
これにより、ソース領域側に圧縮応力が加わることを防止しつつ、ドレイン領域側に圧縮応力を加えることができる。このため、トランジスタの高速化に寄与する部分に引っ張り応力を与えることが可能としつつ、トランジスタの耐圧に寄与する部分に圧縮応力を与えることが可能となり、高電圧駆動を可能としつつ、トランジスタの高速化を図ることが可能となる。
According to the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the first insulating film embedded in the element isolation region on the source region side and the first insulating film embedded in the element isolation region on the drain region side And a second insulating film having a higher stress than that of the second insulating film.
Thereby, compressive stress can be applied to the drain region side while preventing compressive stress from being applied to the source region side. For this reason, it is possible to apply a tensile stress to a portion that contributes to the breakdown voltage of the transistor while allowing a tensile stress to be applied to a portion that contributes to the high-speed operation of the transistor. Can be achieved.
また、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、前記チャネル領域側から前記ドレイン領域側に向かって引っ張り応力から無歪みまたは圧縮応力に変化するオフセットゲート領域をさらに備えることを特徴とする。
これにより、ドレイン耐圧の低下を抑制しつつ、チャネル領域の電子とホールの移動度を向上させることが可能となるとともに、ドレイン領域側の電界を緩和することが可能となる。このため、トランジスタの高速化を図りつつ、トランジスタのより一層の高耐圧化を図ることができる。
The semiconductor device according to one embodiment of the present invention further includes an offset gate region that changes from tensile stress to no strain or compressive stress from the channel region side toward the drain region side.
As a result, it is possible to improve the mobility of electrons and holes in the channel region while suppressing a decrease in the drain breakdown voltage, and to relax the electric field on the drain region side. Therefore, it is possible to further increase the breakdown voltage of the transistor while increasing the speed of the transistor.
また、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、前記ドレイン領域側の半導体層の膜厚は、前記チャネル領域側の半導体層の膜厚よりも厚いことを特徴とする。
これにより、ドレイン領域側のキャリアを増大させることが可能となり、ドレイン抵抗を低減することができる。このため、トランジスタの駆動能力を向上させることが可能となり、ドレイン領域の電子とホールの移動度がチャネル領域の電子とホールの移動度よりも劣る場合においても、トランジスタの高速性を補償することができる。
In addition, according to the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the thickness of the semiconductor layer on the drain region side is larger than the thickness of the semiconductor layer on the channel region side.
As a result, carriers on the drain region side can be increased, and the drain resistance can be reduced. For this reason, it becomes possible to improve the driving capability of the transistor, and even when the mobility of electrons and holes in the drain region is inferior to the mobility of electrons and holes in the channel region, the high speed of the transistor can be compensated. it can.
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、支持基板上に形成された
第1半導体層上に酸化防止膜を成膜する工程と、前記酸化防止膜を選択的に除去することにより、前記第1半導体層の一部を露出させる工程と、前記酸化防止膜をマスクとしてエピタキシャル成長を行うことにより、前記露出された第1半導体層上に第2半導体層を選択的に形成する工程と、前記酸化防止膜をマスクとして前記第2半導体層を熱酸化することにより、前記第2半導体層の構成成分を前記第1半導体層に拡散させ、前記第1半導体層上に第3半導体層を形成する工程と、前記第1半導体層上の酸化防止膜を除去する工程と、前記第3半導体層上に形成された酸化膜を除去する工程と、前記第3半導体層および前記第1半導体層上に第4半導体層を形成する工程と、前記前記第3半導体層上の第4半導体層にソース領域およびチャネル領域が配置されるとともに、前記前記第1半導体層上の第4半導体層にドレイン領域が配置された電界効果トランジスタを形成する工程とを備えることを特徴とする。
In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention, a step of forming an antioxidant film over the first semiconductor layer formed over the support substrate, and selectively removing the antioxidant film Then, a second semiconductor layer is selectively formed on the exposed first semiconductor layer by exposing a part of the first semiconductor layer and performing epitaxial growth using the antioxidant film as a mask. And a step of thermally oxidizing the second semiconductor layer using the antioxidant film as a mask to diffuse constituent components of the second semiconductor layer into the first semiconductor layer, and to form a third layer on the first semiconductor layer. Forming a semiconductor layer; removing an anti-oxidation film on the first semiconductor layer; removing an oxide film formed on the third semiconductor layer; the third semiconductor layer and the first semiconductor layer; 4th semiconductor on one semiconductor layer Forming a layer; and a source region and a channel region are disposed in the fourth semiconductor layer on the third semiconductor layer, and a drain region is disposed in the fourth semiconductor layer on the first semiconductor layer. And a step of forming a field effect transistor.
これにより、エピタキシャル成長および熱処理を行うことで、材質の異なる半導体層を同一基板上に形成することが可能となるとともに、同一の酸化防止膜を用いることで、エピタキシャル成長および熱酸化を選択的に行うことができる。このため、製造工程の煩雑化を抑制しつつ、無歪み半導体層および歪み半導体層を同一の基板上に精度よく形成することが可能となるとともに、結晶品質を良好に維持することができる。このため、製造工程の煩雑化を抑制しつつ、無歪み半導体層および歪み半導体層を同一の基板上に精度よく形成することが可能となるとともに、結晶品質を良好に維持することができる。このため、引っ張り応力がかかった半導体層にてチャネル領域を構成することが可能となるとともに、無歪み半導体層にてドレイン領域を構成することが可能となる。 This makes it possible to form semiconductor layers of different materials on the same substrate by performing epitaxial growth and heat treatment, and selectively perform epitaxial growth and thermal oxidation by using the same antioxidant film. Can do. For this reason, it is possible to accurately form the unstrained semiconductor layer and the strained semiconductor layer on the same substrate while suppressing complication of the manufacturing process, and it is possible to maintain good crystal quality. For this reason, it is possible to accurately form the unstrained semiconductor layer and the strained semiconductor layer on the same substrate while suppressing complication of the manufacturing process, and it is possible to maintain good crystal quality. For this reason, the channel region can be formed by the semiconductor layer to which tensile stress is applied, and the drain region can be formed by the unstrained semiconductor layer.
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上に絶縁膜を成膜する工程と、半導体基板の一部を露出させる開口部を前記絶縁膜に形成する工程と、前記開口部を介して前記半導体基板の一部を除去することにより、前記半導体基板に凹部を形成する工程と、前記絶縁膜をマスクとしてエピタキシャル成長を行うことにより、前記凹部内を第1半導体層にて埋め込む工程と、前記第1半導体層上の絶縁膜を除去する工程と、前記第1半導体層が埋め込まれた半導体基板上に第2半導体層を形成する工程と、前記第1半導体層上の第2半導体層にチャネル領域が配置されるとともに、前記半導体基板上の第2半導体層にドレイン領域が配置された電界効果トランジスタを形成する工程とを備えることを特徴とする。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention, a step of forming an insulating film over the semiconductor substrate, and a step of forming an opening in the insulating film exposing a part of the semiconductor substrate; Removing a part of the semiconductor substrate through the opening to form a recess in the semiconductor substrate; and performing epitaxial growth using the insulating film as a mask to form the first semiconductor layer in the recess Burying in step, removing the insulating film on the first semiconductor layer, forming a second semiconductor layer on the semiconductor substrate in which the first semiconductor layer is embedded, and on the first semiconductor layer Forming a field effect transistor having a channel region disposed in the second semiconductor layer and a drain region disposed in the second semiconductor layer on the semiconductor substrate.
これにより、半導体層の結晶品質を維持しつつ、半導体層の一部の領域にのみ歪みを与えることが可能となる。このため、引っ張り応力がかかった半導体層にてチャネル領域を構成することが可能となるとともに、無歪み半導体層にてドレイン領域を構成することが可能となり、高電圧駆動を可能としつつ、トランジスタの高速化を図ることが可能となる。 Thereby, it becomes possible to give distortion only to a partial region of the semiconductor layer while maintaining the crystal quality of the semiconductor layer. For this reason, it is possible to form a channel region with a semiconductor layer to which tensile stress is applied, and it is possible to form a drain region with an unstrained semiconductor layer. It is possible to increase the speed.
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置およびその製造方法について図面を参照しながら説明する。
図1および図2は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図1(a)において、支持基板1上には絶縁層2が形成され、絶縁層2上には第1単結晶半導体層3が形成されている。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて第1単結晶半導体層3をパターニングすることにより、第1単結晶半導体層3をメサ状に素子分離する。なお、支持基板1としては、Si、Ge、SiGe、GaAs、InP、GaP、GaN、SiCなどの半導体基板を用いるようにしてもよく、ガラス、サファイアまたはセラミックなどの絶縁性基板を用いるようにしてもよい。また、第1単結晶半導体層3の材質としては、例えば、Si、Ge、SiGe、SiC、SiSn、PbS、GaAs、InP、GaP、GaN、ZnSeなどを用いることができ、絶縁層2としては、例えば、SiO2、SiONまたはSi3N4などの絶縁層または埋め込み絶縁膜を用いることができる。また、第1単結晶半導体層3が絶縁層2上に形成された半導体基板としては、例えば、SOI基板を用いることができ、SOI基板としては、SIMOX(Separation by Implanted Oxgen)基板、貼り合わせ基板またはレーザアニール基板などを用いることができる。
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1A, an insulating
次に、図1(b)に示すように、CVDなどの方法により、第1単結晶半導体層3上の全面に酸化防止膜4を成膜する。なお、酸化防止膜4としては、例えば、シリコン窒化膜またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層構造を用いることができる。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて酸化防止膜4をパターニングすることにより、第1単結晶半導体層3の一部を酸化防止膜4で覆ったまま、第1単結晶半導体層3の一部を酸化防止膜4から露出させる。そして、酸化防止膜4をマスクとしてエピタキシャル成長を行うことにより、第1単結晶半導体層3の表面の一部に第2単結晶半導体層5を形成する。ここで、第1単結晶半導体層3の一部を酸化防止膜4で覆ったまま、エピタキシャル成長を行うことにより、酸化防止膜4から露出された第1単結晶半導体層3上に第2単結晶半導体層5を選択的に形成することができる。
Next, as shown in FIG. 1B, an
なお、第2単結晶半導体層5の材質としては、例えば、Si、Ge、SiGe、SiC、SiSn、PbS、GaAs、InP、GaP、GaN、ZnSeなどを用いることができる。ここで、第1単結晶半導体層3の材質としてSiを用いた場合、第2単結晶半導体層5の材質としてSiGeを用いることが好ましい。これにより、第1単結晶半導体層3と第2単結晶半導体層5との格子定数を近づけることが可能となり、結晶品質の良好な第2単結晶半導体層5を第1単結晶半導体層3上に安定して形成することができる。
In addition, as a material of the 2nd single
次に、図1(c)に示すように、酸化防止膜4をマスクとして第2単結晶半導体層5の熱処理を行うことにより、第2単結晶半導体層5を熱酸化させるとともに、第2単結晶半導体層5の構成成分を第1単結晶半導体層3内に拡散させ、第1単結晶半導体層3の一部を第3単結晶半導体層7に変換するとともに、第3単結晶半導体層7上に酸化膜6を形成する。
Next, as shown in FIG. 1C, the second single
例えば、第1単結晶半導体層3の材質としてSi、第2単結晶半導体層5の材質としてSiGeを用いた場合、第2単結晶半導体層5を熱酸化させると、SiGeの構成成分のうちSiは酸化されてSiO2となり、第1単結晶半導体層3上に酸化膜6が形成されるとともに、Geは酸化されないで、第1単結晶半導体層3に拡散し、第3単結晶半導体層7としてSixGe1-xが形成される。第3単結晶半導体層7のSixGe1-xと第1単結晶半導体層3のSiとの界面領域では、Geの拡散によりGe濃度勾配がなだらかに変化する。
For example, when Si is used as the material of the first single
なお、酸化防止膜4をマスクとして第2単結晶半導体層5のエピタキシャル成長および熱処理を行うことにより、製造工程の煩雑化を抑制しつつ、材質の互いに異なる第1単結晶半導体層3および第3単結晶半導体層7を同一の支持基板1上に形成することが可能となるとともに、第1単結晶半導体層3および第3単結晶半導体層7の結晶品質を良好に維持することができる。
In addition, by performing epitaxial growth and heat treatment of the second single
なお、絶縁層2上に第3単結晶半導体層7としてSixGe1-xを形成する場合、SiGeの熱酸化によりSiGeに含まれるGeをSiに拡散させる方法の他、絶縁層2上に形成されたSi層にGeを選択的にイオン注入するようにしてもよい。
次に、図1(d)に示すように、第1単結晶半導体層3上の酸化防止膜4を除去するとともに、第3単結晶半導体層7上の酸化膜6を除去する。そして、第3単結晶半導体層7の熱処理を行うことにより、第3単結晶半導体層7をリラックスさせるとともに、第3単結晶半導体層7の結晶欠陥を回復させる。ここで、第3単結晶半導体層7のSixGe1-xと第1単結晶半導体層3のSiとの界面領域では、なだらかなGe濃度勾配を持っているため、格子定数が急峻に変化せず、欠陥の発生が抑制される。更に、絶縁膜2、4,6と単結晶半導体層3,7の界面は、格子間Siや空孔の吸出し口の役割、あるいは、単結晶格子のスベリ面の役割を果たし、欠陥発生を抑制する。第3単結晶半導体層7のSixGe1-xと第1単結晶半導体層3のSiは、いずれも薄膜のため、応力を緩和する前記スベリ面の効果が大きく、結晶欠陥の回復も早い。従って、良好な結晶性、かつ、異なる格子定数を持つ、第3単結晶半導体層7のSixGe1-xと第1単結晶半導体層3のSiを絶縁膜2上に形成することが出来る。
When forming Si x Ge 1-x as the third single
Next, as shown in FIG. 1D, the
次に、図2(a)に示すように、エピタキシャル成長を用いることにより、第1単結晶半導体層3上および第3単結晶半導体層7上に第4単結晶半導体層8を形成する。ここで、第4単結晶半導体層8の材質は、第1単結晶半導体層3の材質と同じで、第3単結晶半導体層7の材質と異なるように選択することが好ましい。これにより、第1単結晶半導体層3上では、第1単結晶半導体層3と第4単結晶半導体層8との格子定数を一致させて、第4単結晶半導体層8に歪みが発生しないようにすることが可能となるとともに、第3単結晶半導体層7上では、第3単結晶半導体層7と第4単結晶半導体層8との物質自身の格子定数が異なるため、第4単結晶半導体層8に歪みを発生させることが可能となり、歪み半導体層および無歪み半導体層を同一の支持基板1上に形成することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 2A, a fourth single
例えば、第1単結晶半導体層3の材質としてSi、第2単結晶半導体層5の材質としてSiGeを用いた場合、第4単結晶半導体層8の材質としてSiを用いることが好ましい。これにより、第1単結晶半導体層3上の第4単結晶半導体層8に歪みが発生しないようにすることが可能となるとともに、第3単結晶半導体層7上の第4単結晶半導体層8に引っ張り応力による歪みを発生させることが可能となる。このため、第1単結晶半導体層3上では、第4単結晶半導体層8のバンドギャップの縮小を抑制して、耐圧を確保することが可能となるとともに、第3単結晶半導体層7上では、第4単結晶半導体層8に引っ張り応力を与えることを可能として、第4単結晶半導体層8の電子とホールの移動度を向上させることができる。
For example, when Si is used as the material of the first single
次に、図2(b)に示すように、第4単結晶半導体層8の熱酸化を行うことにより、第3単結晶半導体層7上に配置された第4単結晶半導体層8上にゲート絶縁膜11を形成する。そして、CVDなどの方法により、ゲート絶縁膜11が形成された第4単結晶半導体層8上に多結晶シリコン層を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて多結晶シリコン層をパターニングすることにより、第4単結晶半導体層8上にゲート電極12を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, by performing thermal oxidation of the fourth single
そして、ゲート電極12をマスクとして、第1単結晶半導体層3、第3単結晶半導体層7および第4単結晶半導体層8内にAs、P、Bなどの不純物をイオン注入することにより、ゲート電極12のソース側に配置された低濃度不純物導入層からなるLDD層13aを第3単結晶半導体層7および第4単結晶半導体層8に形成するとともに、ゲート電極12のドレイン側に配置された低濃度不純物導入層からなるLDD層13bを第1単結晶半導体層3および第4単結晶半導体層8に形成する。
Then, using the
次に、図2(c)に示すように、CVDなどの方法により、第4単結晶半導体層8上に絶縁層を形成し、RIEなどの異方性エッチングを用いて絶縁層をエッチバックすることにより、ゲート電極12の側壁にサイドウォール14a、14bを形成する。そして、ゲート電極12およびサイドウォール14a、14bをマスクとして、第3単結晶半導体層7および第4単結晶半導体層8内に不純物をイオン注入することにより、サイドウォール14aの側方に配置された高濃度不純物導入層からなるソース層15aを第3単結晶半導体層7および第4単結晶半導体層8に形成する。さらに、第1単結晶半導体層3および第4単結晶半導体層8内に不純物を選択的にイオン注入することにより、サイドウォール14aの側方に配置された中濃度不純物導入層からなるオフセットゲート層15bを第1単結晶半導体層3および第4単結晶半導体層8に形成する。さらに、第1単結晶半導体層3および第4単結晶半導体層8内に不純物を選択的にイオン注入することにより、オフセットゲート層15bの側方に配置された高濃度不純物導入層からなるドレイン層15cを、第1単結晶半導体層3および第4単結晶半導体層8に形成する。
Next, as shown in FIG. 2C, an insulating layer is formed on the fourth single
これにより、第3単結晶半導体層7上の第4単結晶半導体層8上にゲート電極12を配置することが可能となるとともに、第1単結晶半導体層3上の第4単結晶半導体層8にオフセットゲート層15bおよびドレイン層15cを配置することが可能となり、チャネル領域の第4単結晶半導体層8に引っ張り応力をかけることが可能となるとともに、オフセットゲート層15bおよびドレイン層15cの第4単結晶半導体層8に歪みが発生しないようにすることができる。このため、トランジスタの高速化に寄与する部分に引っ張り応力を与えることが可能となるとともに、トランジスタの耐圧に寄与する部分に圧縮応力を与えることが可能となり、ドレイン耐圧の低下を抑制しつつ、チャネル領域の電子とホールの移動度を向上させることが可能となる。この結果、高電圧駆動を可能としつつ、トランジスタの高速化を図ることが可能となるとともに、トランジスタの信頼性を向上させることができる。
Accordingly, the
また、第4単結晶半導体層8の材質としてSiを用いることにより、Siの熱酸化にてゲート絶縁膜11を形成することが可能となり、ゲート絶縁膜11と第4単結晶半導体層8との界面順位を低減させることができる。この結果、電流リークを低減させることを可能としつつ、歪み半導体層および無歪み半導体層を同一の支持基板1上に形成することができ、高電圧駆動を可能としつつ、トランジスタの高速化を図ることが可能となるとともに、トランジスタの信頼性の劣化を抑制することができる。
Further, by using Si as the material of the fourth single
また、第2単結晶半導体層5が積層された第1単結晶半導体層3を酸化させることにより、第1単結晶半導体層3の一部の膜厚を薄膜化することが可能となる。このため、ドレイン領域側の第1単結晶半導体層3の膜厚を、チャネル領域側の第3単結晶半導体層7の膜厚よりも厚くすることが可能となることから、ドレイン領域側のキャリアを増大させることが可能となり、ドレイン抵抗を低減することができる。このため、トランジスタの駆動能力を向上させることが可能となり、ドレイン領域の電子とホールの移動度がチャネル領域の電子とホールの移動度よりも劣る場合においても、トランジスタの高速性を補償することができる。
In addition, by oxidizing the first single
なお、上述した実施形態では、引っ張り応力がかかった第4単結晶半導体層8にソース層15aおよびチャネル領域を配置し、歪みのない第4単結晶半導体層8にオフセットゲート層15bおよびドレイン層15cを配置する方法について説明したが、ドレイン層15cに圧縮応力を加えるようにしてもよい。また、オフセットゲート層15bに加わる応力が、チャネル領域側からドレイン領域側に向かって引っ張り応力から無歪みまたは圧縮応力に変化するようにしてもよい。また、ソース層15aは、必ずしも引っ張り応力がかかった半導体層にて構成する必要はなく、歪みのない半導体層にて構成するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the
図3は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図および平面図である。
図3において、第1単結晶半導体層3は素子分離溝M1、M2で素子分離されているものとする。そして、図2(c)の工程が終了すると、第4単結晶半導体層8の熱酸化を行うことにより、第4単結晶半導体層8の表面に熱酸化膜21を形成する。そして、熱酸化膜21が形成された第4単結晶半導体層8上に低応力絶縁膜22および高応力絶縁膜23を順次形成する。なお、低応力絶縁膜22としては、例えば、PSG膜、高応力絶縁膜23としては、例えば、HDP(High Density Plasma)酸化膜を用いることができる。
FIG. 3 is a cross-sectional view and a plan view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
In FIG. 3, it is assumed that the first single
ここで、ソース側の素子分離溝M1の幅はドレイン側の素子分離溝M2の幅よりも狭くすることができる。そして、低応力絶縁膜22を形成する場合、ソース側の素子分離溝M1が低応力絶縁膜22で完全に埋め込まれるようにするとともに、ドレイン側の素子分離溝M2が低応力絶縁膜22で完全に埋め込まれないようにすることができる。また、高応力絶縁膜23を形成する場合、ソース側の素子分離溝M1には高応力絶縁膜23が埋め込まれないようにするとともに、ドレイン側の素子分離溝M2は高応力絶縁膜23にて完全に埋め込まれるようにすることができる。
Here, the width of the source-side element isolation trench M1 can be made narrower than the width of the drain-side element isolation trench M2. When the low-
これにより、ソース領域側に圧縮応力Fが加わることを防止しつつ、ドレイン領域側に圧縮応力Fを加えることができる。このため、トランジスタの高速化に寄与する部分に引っ張り応力を与えることを可能としつつ、トランジスタの耐圧に寄与する部分に圧縮応力Fを与えることが可能となり、高電圧駆動を可能としつつ、トランジスタの高速化を図ることが可能となる。 Accordingly, the compressive stress F can be applied to the drain region side while preventing the compressive stress F from being applied to the source region side. For this reason, it is possible to apply a tensile stress to a portion that contributes to the breakdown voltage of the transistor while allowing a tensile stress to be applied to a portion that contributes to the high-speed operation of the transistor. It is possible to increase the speed.
図4は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図4(a)において、半導体基板31の熱酸化により、半導体基板31の表面に酸化膜32を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて酸化膜32をパターニングすることにより、半導体基板31の一部を露出させる開口部を酸化膜32に形成する。そして、開口部が形成された酸化膜32を介して半導体基板31のハーフエッチングを行うことにより、半導体基板31に凹部33を形成する。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
In FIG. 4A, an
次に、図4(b)に示すように、酸化膜32をマスクとしてエピタキシャル成長を行うことにより、第1単結晶半導体層34で凹部33内を埋め込む。ここで、半導体基板31を酸化膜32で覆ったまま、エピタキシャル成長を行うことにより、第1単結晶半導体層34を凹部33内に選択的に形成することができる。ここで、第1単結晶半導体層34の材質は半導体基板31と異なるように選択することができる。例えば、半導体基板31の材質としてSiを用いた場合、第1単結晶半導体層34の材質としてSiGeを用いることが好ましい。この時、第1単結晶半導体層34のSiGe層のGe濃度を半導体基板31のSi層との界面から徐々に増加させる。これにより、半導体基板31と第1単結晶半導体層34との格子定数の変化を小さくすることが可能となり、結晶品質の良好で異なる格子定数を持つ第1単結晶半導体層34を半導体基板31上に安定して形成することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 4B, the
次に、図4(c)に示すように、エピタキシャル成長を用いることにより、第1単結晶半導体層34が埋め込まれた半導体基板31上に第2単結晶半導体層35を形成する。ここで、第2単結晶半導体層35の材質は、半導体基板31の材質と同じで、第1単結晶半導体層34の材質と異なるように選択することが好ましい。例えば、半導体基板31の材質としてSi、第1単結晶半導体層34の材質としてSiGeを用いた場合、第2単結晶半導体層35の材質としてSiを用いることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 4C, the second single
これにより、半導体基板31上では、半導体基板31と第2単結晶半導体層35との格子定数を一致させて、第2単結晶半導体層35に歪みが発生しないようにすることが可能となるとともに、第1単結晶半導体層34上では、第1単結晶半導体層34と第2単結晶半導体層35との格子定数が一致しないようにして、第2単結晶半導体層35に歪みを発生させることが可能となる。このため、第2単結晶半導体層35の結晶品質を良好に維持しつつ、歪み半導体および無歪み半導体を同一の半導体基板31上に形成することが可能となる。
Thereby, on the
例えば、半導体基板31および第2単結晶半導体層35の材質としてSi、第1単結晶半導体層34の材質としてSiGeを用いた場合、半導体基板31上では、第2単結晶半導体層35に歪みが発生しないようにすることが可能となるとともに、第1単結晶半導体層34上では、第2単結晶半導体層35に引っ張り応力による歪みを発生させることが可能となる。このため、半導体基板31上の第2単結晶半導体層35のバンドギャップの縮小を抑制して、耐圧を確保することが可能となるとともに、第1単結晶半導体層34上の第2単結晶半導体層35の電子とホールの移動度を向上させることができる。
For example, when Si is used as the material of the
次に、図4(d)に示すように、第2単結晶半導体層35の熱酸化を行うことにより、第2単結晶半導体層35上にゲート絶縁膜41を形成する。そして、CVDなどの方法により、ゲート絶縁膜41が形成された第2単結晶半導体層35上に多結晶シリコン層を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて多結晶シリコン層をパターニングすることにより、第2単結晶半導体層35上にゲート電極42を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 4D, the
そして、ゲート電極42をマスクとして、第2単結晶半導体層35および半導体基板31内にAs、P、Bなどの不純物をイオン注入することにより、ゲート電極42の側方にそれぞれ配置された低濃度不純物導入層からなるLDD層43a、43bを半導体基板31に形成する。そして、CVDなどの方法により、第2単結晶半導体層35上に絶縁層を形成し、RIEなどの異方性エッチングを用いて絶縁層をエッチバックすることにより、ゲート電極42の側壁にサイドウォール44a、44bを形成する。そして、ゲート電極42およびサイドウォール44a、44bをマスクとして、第2単結晶半導体層35および半導体基板31内に不純物をイオン注入することにより、サイドウォール44a、44bの側方に配置された高濃度不純物導入層からなるソース/ドレイン層45a、45bを第2単結晶半導体層35および半導体基板31に形成する。
Then, by using the
これにより、第2単結晶半導体層35の結晶品質を維持しつつ、第2単結晶半導体層35の一部の領域にのみ歪みを与えることが可能となる。このため、第2単結晶半導体層35のうちの引っ張り応力がかかった部分にてチャネル領域を構成することが可能となるとともに、第2単結晶半導体層35のうちの歪みのない部分にてドレイン領域を構成することが可能となり、高電圧駆動を可能としつつ、トランジスタの高速化を図ることが可能となる。
As a result, it is possible to strain only a partial region of the second single
1 支持基板、2 絶縁層、3、34 第1単結晶半導体層、4 酸化防止膜、5、35 第2単結晶半導体層、6 酸化膜、7 第3単結晶半導体層、8 第4単結晶半導体層、11、41 ゲート絶縁膜、12、42 ゲート電極、13a、13b、43a、43b LDD層、14a、14b、44a、44b サイドウォールスペーサ、15a、45a ソース層、15b オフセットゲート層、15c、45b ドレイン層、21 熱酸化膜、22 低応力絶縁膜、23 高応力絶縁膜、M1、M2 素子分離溝、31 半導体基板、32 酸化膜、33 凹部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記ドレイン領域側の素子分離領域に埋め込まれ、前記第1絶縁膜よりも応力の大きな第2絶縁膜とをさらに備えることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。 A first insulating film embedded in an element isolation region on the source region side;
6. The semiconductor device according to claim 5, further comprising a second insulating film buried in the element isolation region on the drain region side and having a larger stress than the first insulating film.
前記酸化防止膜を選択的に除去することにより、前記第1半導体層の一部を露出させる工程と、
前記酸化防止膜をマスクとしてエピタキシャル成長を行うことにより、前記露出された第1半導体層上に第2半導体層を選択的に形成する工程と、
前記酸化防止膜をマスクとして前記第2半導体層を熱酸化することにより、前記第2半導体層の構成成分を前記第1半導体層に拡散させ、前記第1半導体層上に第3半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層上の酸化防止膜を除去する工程と、
前記第3半導体層上に形成された酸化膜を除去する工程と、
前記第3半導体層および前記第1半導体層上に第4半導体層を形成する工程と、
前記前記第3半導体層上の第4半導体層にソース領域およびチャネル領域が配置されるとともに、前記前記第1半導体層上の第4半導体層にドレイン領域が配置された電界効果トランジスタを形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an antioxidant film on the first semiconductor layer formed on the support substrate;
Exposing the part of the first semiconductor layer by selectively removing the antioxidant film;
Selectively forming a second semiconductor layer on the exposed first semiconductor layer by performing epitaxial growth using the antioxidant film as a mask;
By thermally oxidizing the second semiconductor layer using the antioxidant film as a mask, the constituent components of the second semiconductor layer are diffused into the first semiconductor layer, and a third semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer. And a process of
Removing an antioxidant film on the first semiconductor layer;
Removing an oxide film formed on the third semiconductor layer;
Forming a fourth semiconductor layer on the third semiconductor layer and the first semiconductor layer;
Forming a field effect transistor in which a source region and a channel region are disposed in a fourth semiconductor layer on the third semiconductor layer, and a drain region is disposed in the fourth semiconductor layer on the first semiconductor layer; A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
半導体基板の一部を露出させる開口部を前記絶縁膜に形成する工程と、
前記開口部を介して前記半導体基板の一部を除去することにより、前記半導体基板に凹部を形成する工程と、
前記絶縁膜をマスクとしてエピタキシャル成長を行うことにより、前記凹部内を第1半導体層にて埋め込む工程と、
前記第1半導体層上の絶縁膜を除去する工程と、
前記第1半導体層が埋め込まれた半導体基板上に第2半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層上の第2半導体層にチャネル領域が配置されるとともに、前記半導体基板上の第2半導体層にドレイン領域が配置された電界効果トランジスタを形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Forming an opening in the insulating film to expose a part of the semiconductor substrate;
Forming a recess in the semiconductor substrate by removing a part of the semiconductor substrate through the opening;
Performing epitaxial growth using the insulating film as a mask to fill the recess with a first semiconductor layer;
Removing the insulating film on the first semiconductor layer;
Forming a second semiconductor layer on the semiconductor substrate in which the first semiconductor layer is embedded;
Forming a field effect transistor in which a channel region is disposed in the second semiconductor layer on the first semiconductor layer and a drain region is disposed in the second semiconductor layer on the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device.
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---|---|---|---|---|
WO2008120335A1 (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Fujitsu Microelectronics Limited | Semiconductor device, and its manufacturing method |
JP2011082519A (en) * | 2009-10-08 | 2011-04-21 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | Integrated circuit and manufacturing method of the same |
-
2004
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Cited By (3)
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